Finite element analysis of transcatheter aortic valve implantation : from idealized to patient-specific simulations of the LOTUS edge device

The clinicians' progressive interest in transcatheter aortic valve replacement interventions makes it useful to introduce computational models capable of studying the behaviour of prosthetic devices under different implant conditions. In this work, implant tests of the Boston Scientific LOTUS Edge prosthetic device were carried out in aortic roots with idealized geometry in order to study its performance with annulus distortions and calcifications. Three different eccentricities were considered (perfectly circular Eccentricity Index = 0, elliptical EI = 0.25, strongly elliptical EI = 0.5) and four levels of severity of calcifications. Performances were assessed in terms of prosthesis-aortic root interaction area, paravalvular orifice area and stress distribution on the aortic root. Finally, a patient-specific implant simulation was performed to test the device on a real aortic root geometry. After reconstructing the CAD geometry of the device, aortic geometries and calcifications, a finite element model was developed. Some tests were conducted to study its optimization in order to achieve a computational cost compatible with clinical needs. The LOTUS Edge implant procedure was divided into 3 steps: crimping, free release and compaction. Both the simulations on the idealized aorta and the patient-specific one have shown the ability of LOTUS Edge to adapt well to the aortic annulus even in the presence of severe calcifications and very elliptical annuli, reducing the paravalvular leak. The stent concentrates the stresses and the contact area with the aortic root in the annulus region, ensuring good anchoring and good compression of the native valve against the walls of the aortic root. Comparing the results with other devices analysed in the literature, it was shown that, despite an increase in the concentration and intensity of efforts in the annulus region, these efforts are not excessively more intense than those generated by self-expanding devices.

Il progressivo interesse della clinica verso gli interventi di sostituzione valvolare aortica transcatetere rende utile l'introduzione di modelli computazionali in grado di studiare il comportamento dei dispositivi protesici in determinate condizioni di impianto. In questo lavoro sono stati realizzati test di impianto del dispositivo protesico LOTUS Edge di Boston Scientific in radici aortiche con geometria idealizzata in modo da poterne studiare le performance a fronte di distorsioni dell’annulus e di calcificazioni. Sono state considerate tre differenti eccentricità (perfettamente circolare EI=0, ellittica EI=0.25, fortemente ellittica EI=0.5) e quattro livelli di severità di calcificazioni. Le performances sono state valutate in termini di area di interazione protesi-radice aortica, PVOA e distribuzione degli stress sulla radice aortica. Infine è stata effettuata una simulazione di impianto patient-specific per testare il dispositivo su una geometria reale di radice aortica. Dopo aver ricostruito la geometria CAD del dispositivo, delle geometrie aortiche e delle calcificazioni, un modello agli elementi finiti è stato sviluppato. Alcuni test sono stati condotti per studiarne l’ottimizzazione in modo da raggiungere un costo computazionale compatibile con le esigenze cliniche. La procedura di impianto di LOTUS Edge è stata suddivisa in 3 step: crimping, rilascio libero e compattamento. Sia le simulazioni su aorta idealizzata che quella patient-specific hanno evidenziato la capacità di LOTUS Edge di adattarsi bene all’annulus aortico anche in presenza di severe calcificazioni ed annuli molto ellittici, riducendo il leak paravalvolare. Lo stent concentra gli stress e l’area di contatto con la radice aortica nella regione dell’annulus, assicurando un buon ancoraggio ed una buona compressione della valvola nativa contro le pareti della radice aortica. Confrontando i risultati con altri dispositivi analizzati in letteratura, si è mostrato come, nonostante un aumento della concentrazione e dell’intensità degli sforzi nella regione dell’annulus, tali sforzi non risultano eccessivamente più intensi rispetto a quelli generati dai dispositivi auto-espandibili.