In-silico 3D modeling strategies for the patient-tailored planning of percutaneous procedures

Congenital heart disease (CHD) indicates abnormalities in cardiocirculatory structures or functions present at birth. CHD is the most common cause of major congenital anomalies, representing a significant global health problem. In most cases, surgical corrections are essential for the restoration of the heart functionality but, although the survival rate to open heart surgery increases, medium and long-term post-surgical complications bring to further anatomical disfunctions. The standard clinical approach would require subsequent open-heart surgery, inevitably increasing the development of patient co-morbidities. For this purpose, percutaneous approaches have evolved through years to extend the life span of the dysfunctional anatomy exploiting metal stent. Nevertheless, the stent inflation within complex clinical scenarios may lead to critical periprocedural complications, that cannot be predicted through standard clinical approach, except during the procedure. Therefore, a sound and comprehensive pre-procedural planning is crucial for the success of the treatment. At this aim, different engineering methodologies can be exploited for the design of patient-tailored percutaneous strategies. In silico approaches, if well-conditioned, can be used for the simulation of stenting procedure predicting periprocedural complications, in vivo strategies may study the time dependent variation of vessel geometry and distensibility from clinical pre-operative images throughout the cardiac cycle, while in vitro tests may be performed on deformable 3D-printed models to assess the feasibility of complex procedure. Hence, the main objective of this Phd project consisted in the development of dedicated engineering strategies able to support interventional cardiologists in the patient-tailored planning of percutaneous procedures. In this work three different clinical scenarios were studied. First, a novel in silico workflow was proposed for the simulation of the percutaneous pulmonary valve implantation (PPVI) in three patient-specific anatomies characterized by obstructed right ventricular outflow tracts (RVOT). A comprehensive reproduction of the anatomy, composed of the aortic root, the RVOT, the left coronary artery and the calcific deposits were combined with a comprehensive reproduction of the devices used in the procedures. The numerical simulations proved to be able to predict the risk of coronary compression in one patient as confirmed during the sizing stage of the PPVI. Furthermore, the deployed configuration of the stent, computed by the numerical model, well matched with fluoroscopic measurements available in the catheterization laboratory (Cath Lab). Second, two different strategies were proposed to study the planning of PPVI in patients with enlarged RVOTs. On the one hand, three-dimensional (3D) patient-tailored strategies, based on digital and physical 3D-printed models, were exploited to support PPVI in a dysfunctional native RVOT with borderline dimensions. On the other hand, a dedicated image-based framework was implemented to study the time dependent geometrical variation of enlarged RVOTs in a large cohort of patients (n=32). In both the cases, the proposed frameworks effectively assessed the anatomical determinants of RVOT dysfunction reporting borderline conditions or adverse predisposition to PPVI. Finally, a finite element simulation protocol was proposed for the stenting simulation of three patient-specific native coarctations (CoA) characterized by different level of aortic stenosis and different aortic shapes. Since the CoA treatment consists in a pronounced enlargement of a stenotic region through stent deployment, a remeshing procedure was implemented in order to remove mesh distortion and preserving the information of the wall stress distribution. The FE model proved to be able to reproduce the stenting procedure within an extremely tight CoA and the reported numerical results were consistent with intraprocedural in-vivo evidences available in the Cath Lab. The strategies designed in the current PhD project effectively support the candidate selection in complex clinical scenarios, pinpointing the impact of the stenting procedure on the anatomy and elucidating potential periprocedural complications. Moreover, the synergy between different engineering methodologies and clinical expertise may enhance the efficacy of patient-tailored planning of percutaneous procedure, shortening the operating time while improving the patient safety.

Le cardiopatie congenite sono delle patologie che si riferiscono a problematiche strutturali e/o funzionali del sistema cardiocircolatorio presenti fin dalla nascita. Questo tipo di anomalie sono la causa più comune delle principali malformazioni congenite e rappresentano un rilevante problema clinico a livello globale. Nella maggior parte dei casi, per ripristinare la funzionalità cardiaca, vengono sfruttate tecniche chirurgiche a cuore aperto, le quali, sono in grado di aumentare il tasso di sopravvivenza nei pazienti affetti da questi difetti congeniti ma, a medio e a lungo termine; sono legate allo sviluppo di ulteriori problematiche. Il trattamento di questi scenari post-chirurgici, secondo la prassi clinica, è caratterizzato da successivi interventi invasivi, che vanno però ad aumentare inevitabilmente il rischio di sviluppare ulteriori comorbidità. Per poter superare questo limite, negli ultimi anni, sono stati sfruttati sempre di più gli approcci percutanei che permettono il recupero di una corretta funzionalità emodinamica e strutturale di condotti degenerati e distretti anatomici anomali tramite l’inserimento di una struttura metallica (i.e. stent). Tuttavia, l’impianto di questi dispositivi, in scenari clinici molto complessi, può portare a complicazioni peri-procedurali potenzialmente molto dannose, che non possono essere previste sfruttando l’approccio clinico standard, se non durante la procedura. Pertanto, una robusta pianificazione pre-procedurale risulta essere cruciale per il successo del trattamento. A tale scopo diverse strategie ingegneristiche possono essere sfruttate per la progettazione di trattamenti percutanei paziente-specifici. Strategie numeriche (o in silico) possono essere sfruttate per la simulazione della procedura di stenting in modo da poter valutare lo sviluppo di complicazioni intraprocedurali. Strategie in vivo posso essere utilizzate per la quantificazione, tramite immagini preoperatorie, della variazione della geometria di un vaso sanguigno durante un ciclo cardiaco andandone a studiare il range di distensibilità. Strategie in vitro posso essere ideate per eseguire dei test su modelli deformabili, ottenuti tramite stampa 3D, al fine di valutare la fattibilità di procedure endovascolari in geometrie complesse. Pertanto, l’obbiettivo principale che si è posto questo progetto di dottorato è stato quello di sviluppare delle strategie ingegneristiche ad hoc in grado di supportare i cardiologi interventisti nella pianificazione di procedure percutanee. In questo lavoro sono stati studiati tre diversi scenari clinici. In primo luogo, è stato proposto un workflow numerico per la simulazione dell’impianto percutaneo di valvola polmonare in tre anatomie caratterizzate da efflussi destri largamente calcifici. In questo lavoro, una riproduzione completa ed esaustiva dell’anatomia (composta da: radice aortica, efflusso destro, arteria coronaria sinistra e dalle calcificazioni) è stata combinata con una riproduzione fedele dei dispositivi utilizzati durante questo tipo di procedure. Questo protocollo si è dimostrato in grado di prevedere l’evento di compressione coronarica in un paziente, con successiva conferma durante l’esecuzione della procedura. Inoltre, la configurazione dello stent ricavata da modello numerico ben si abbinava con la corrispettiva configurazione estratta dalle rilevazioni fluoroscopiche acquisite nella sala di emodinamica. In secondo luogo, sono state proposte due diverse strategie per le pianificazioni di procedure percutanee per la sostituzione della valvola polmonare in pazienti caratterizzati da degli efflussi destri nativi notevolmente dilatati. In uno studio, strategie 3D basate su modelli digitali e fisici sono state utilizzate per lo studio del trattamento endovascolare di un paziente caratterizzato da una anatomia borderline. Nell’altro, è stato implementato un framework per l’analisi della variazione della geometria di efflussi nativi patologici durante il ciclo cardiaco per una vasta popolazione di pazienti (n=32). In entrambi i casi, le metodologie proposte sono state in grado di valutare efficacemente quali pazienti fossero in grado di sopportare il trattamento e quali mostrassero una predisposizione avversa. Infine, è stato proposto un protocollo numerico per la simulazione della procedura di stenting di tre coartazioni aortiche native, caratterizzate da un diverso livello di stenosi e da diverse morfologie. Siccome il trattamento della coartazione consiste in un pronunciato allargamento della regione stenotica, numericamente è stata implementata una procedura di remeshing che fosse in grado di rimuovere qualsiasi possibile distorsione della griglia di calcolo preservando però la distribuzione degli sforzi di parete. Il modello numerico è stato in grado di riprodurre la procedura di stenting in condizioni anatomiche particolarmente sfavorevoli, riportando risultati numerici coerenti con i dati intraprocedurali ottenuti in sala operatoria. Le strategie sviluppate e presentate in questo progetto di dottorato, sono state in grado di supportare efficacemente la selezione dei candidati in scenari clinici complessi, quantificando l’impatto della procedura di stenting e mostrando la possibile insorgenza di complicanze post-trattamento. Per di più, da questo lavoro si può evincere che la sinergia tra le diverse metodologie ingegneristiche e l’esperienza clinica può migliorare l’efficacia della pianificazione di procedure percutanee paziente-specifiche, riducendo i tempi operatori migliorando, al contempo, la sicurezza del paziente.