Identification of the stress-free configuration of patient-specific and anatomically complex vascular models : a new strategy to stabilize the Sellier's method

Patient-specific modeling of arteries is becoming an important tool in cardiovascular surgery. One of the issues in this context is that image-based finite element models present a geometrical configuration pressurized by blood, thus these models cannot be treated as stress-free. The non-linear and anisotropic mechanical behavior of arteries makes this problem particularly challenging and the methods to find the stress-free configuration, like Sellier’s method, often do not work on complex anatomies. Therefore, the work of this thesis is aimed at finding a way to stabilize Sellier’s method in order to identify the stress-free configuration of vessels; this was done using an equivalent deformable solid continuum around a vessel model, as a way to represent the presence of the connective tissues around the vessel in vivo. The new method has been tested on two case-studies of patient-specific thoracic aorta models and to assess the reliability of the new approach, distensibility of the aortic models was measured.

La modellazione paziente-specifica di arterie sta diventando un importante strumento nella chirurgia cardiovascolare. Uno dei problemi in questo contesto è che i modelli a elementi finiti image-based presentano una configurazione geometrica pressurizzata dal sangue, quindi questi modelli non possono essere trattati come stress-free. Il comportamento meccanico non lineare e anisotropo delle arterie rende questo problema particolarmente impegnativo e i metodi per trovare la configurazione stress-free, come il metodo di Sellier, spesso non funzionano su anatomie complesse. Pertanto, il lavoro di questa tesi è mirato a trovare un modo per stabilizzare il metodo di Sellier, così da identificare la configurazione stress-free di vasi, con l’uso di un continuo solido deformabile equivalente attorno al modello del vaso, in modo da rappresentare la presenza dei tessuti connettivi attorno al vaso in vivo. Il nuovo metodo è stato testato su due casi-studio di modelli paziente-specifico di aorte toraciche e per valutare l’affidabilità del metodo, la distensibilità dei modelli aortici è stata misurata.