Modellazione agli elementi finiti della valvola mitrale affetta da sindrome di Barlow o da deficienza fibroelastica

The following thesis work is divided into two phases. The first involves the fitting of data obtained from biaxial traction tests, relating to samples of posterior leaflets of mitral valves affected by Barlow disease (BD) or fibroelastic deficiency (FED). The second part concerns the creation of a patient-specific FE model, starting from the one in use at the Department of Electronics, Information and Bioengineering (DEIB) of Politecnico di Milano, in order to launch three simulations: one with patient-specific geometry, mechanical properties and thicknesses from literature, one with geometry and mechanical properties of patient-specific valve leaflets and thicknesses from literature and the last with geometry, thicknesses and mechanical properties of patient-specific leaflets. From this work it was noted that Lee's model follows very well the trend of the experimental data during fitting. As regards the stress-strain graphs obtained, it was found that the samples affected by FED are typically more rigid than those affected by Barlow, however both are much less rigid than the physiological condition. Regarding the anisotropy of the tissue, a characteristic pattern between the two pathologies and between pathological case and physiological condition has not been identified. As regards the computational simulations carried out, we wanted to verify that the anomalous thickness pattern in the degenerative valves was the result of the remodeling of the flaps, which is guided by biomechanics and which in the first instance should serve to reduce stress or anomalous deformations, due to altered mechanical properties. The data obtained suggest that this hypothesis is, however, to be rejected. Nevertheless, it must be kept in mind that in this work the phenomenon has been analyzed at a macroscopic level. In future developments of the work, a sensitivity analysis could be carried out on the threshold used in the code for calculating the thickness of the valve leaflets, the thicknesses could be identified at the instant of the cardiac cycle considered as the initial one for the simulations or increase the planes on which the thicknesses are calculated, approaching the commissural areas. Where available, the mechanical data relating to the anterior flap could also be fitted and the coefficients obtained could be used in the computational simulations. Finally, if possible, the phase of segmentation of clinical images could be carried out by an expert operator, in order to limit errors due to manual tracing.

Il seguente lavoro di tesi è diviso in due fasi. La prima prevede il fitting dei dati ottenuti da test di trazione biassiale, relativi a campioni di lembo posteriore di valvole mitrali affette da sindrome di Barlow (BD) o deficienza fibroelastica (FED). La seconda parte riguarda la creazione di un modello FE paziente-specifico, partendo da quello in uso presso il Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria (DEIB) del Politecnico di Milano, al fine di realizzare tre simulazioni: una con geometria paziente-specifica, proprietà meccaniche e spessori da letteratura, una con geometria e proprietà meccaniche dei lembi valvolari paziente-specifiche e spessori da letteratura e l'ultima con geometria, spessori e proprietà meccaniche dei lembi paziente-specifiche. Da questo lavoro si è notato che il modello di Lee segue molto bene l'andamento dei dati sperimentali durante il fitting. Per quanto riguarda i grafici sforzo-deformazione ottenuti si è riscontrato che i campioni affetti da FED risultano essere tipicamente più rigidi di quelli affetti Barlow, però entrambi sono molto meno rigidi rispetto alla condizione fisiologica. Per quanto concerne l'anisotropia del tessuto, non è stato identificato un pattern caratteristico tra le due patologie e tra caso patologico e condizione fisiologica. Per quanto riguarda le simulazioni computazionali svolte, si voleva verificare che il pattern anomalo di spessore nelle valvole degenerative fosse il frutto del rimodellamento dei lembi, il quale è guidato dalla biomeccanica e che in prima istanza dovrebbe servire a ridurre gli sforzi o le deformazioni anomale, dovute alle proprietà meccaniche alterate. I dati ottenuti suggeriscono che questa ipotesi sia però da rigettare. Ciò nonostante, bisogna tenere comunque presente che in questo lavoro il fenomeno è stato analizzato a livello macroscopico. In eventuali sviluppi futuri del lavoro, si potrebbe svolgere un'analisi di sensitività sulla soglia utilizzata nel codice per il calcolo degli spessori dei lembi valvolari, si potrebbero individuare gli spessori nell'istante del ciclo cardiaco considerato come quello iniziale per le simulazioni o aumentare i piani su cui gli spessori sono calcolati, avvicinandosi alle zone commissurali. Laddove disponibili, si potrebbero fittare anche i dati meccanici relativi al lembo anteriore ed utilizzare i coefficienti ottenuti all'interno delle simulazioni computazionale. Infine, se possibile, si potrebbe far svolgere la fase di segmentazione delle immagini cliniche ad un operatore esperto, in modo da limitare gli errori dovuti al tracciamento manuale.