Computational methods for cardiovascular self-expandable stent-like devices

The present work is focused on the computational modelling of cardiovascular self-expandable devices. Specific emphasis is given to the implementation and validation processes, conceived based on the intended context of use and the related accuracy requirements, computational cost and time constraints. First, the investigation subject is illustrated, providing an overview of the cardiovascular system and the endoprosthesis used to treat the related pathologies. Notably, self-expandable technologies are deepened, involving both superelastic materials and particular designs such as braided structures. Following, concepts behind computational models, including standard finite element simulations and simplification strategies reported in the literature, are illustrated. Subsequently, different modelling techniques are illustrated and applied in three main investigation scenarios: design, testing and pre-operative planning. While the first two scenarios, design and testing, aim to support manufacturers during the definition of innovative stents or the assessment of prosthesis functionalities before commercialization, the models concerning pre-operative planning aim to provide clinicians support tools to identify the best device and implant condition based on patient specificities. Concerning manufacturers issues, the present thesis illustrates both a sophisticated model for in-silico testing and a simplified but fast screening tool to support the design phase. These studies originate from the collaboration with ID NEST Medical (Strasbourg, France), a provider of an innovative system currently in the trial process. Regarding clinical issues, particular attention was given to both the model accuracy and the related computational cost. This part derives from the collaboration with the BioCardioLab (Massa, Italia) and aims to build and validate models suitable to support pre-operative planning of the Left Atrial Appendage occlusion. Namely, one laser-cut device and one braided device were investigated starting from different perspectives due to the different design features. Indeed, the braided occluder required further consideration to achieve a simplified model compliant with the time constraints related to the specific context of use, meaning the pre-operative planning. Finally, a summary of the achievements of the present work is reported, highlighting the risks identified, the lessons learned and the limits that should be overcome in a future perspective.

Il presente lavoro è incentrato su modelli computazionali di dispositivi cardiovascolari auto-espandibili. Particolare attenzione è posta sui processi di implementazione e validazione, progettati sulla base del contesto d’utilizzo previsto e dei relativi requisiti di accuratezza, costo computazionale e limitazioni tempistiche. In primo luogo viene descritto l’oggetto dell’indagine, fornendo una panoramica del sistema cardiovascolare e delle endoprotesi utilizzate per trattare le relative patologie. Vengono approfondite in particolare le tecnologie autoespandibili, le quali coinvolgono sia materiali superelastici che specifiche strutture come i dispositivi intrecciati (braided). In seguito, vengono illustrati i concetti alla base dei modelli computazionali, comprese le simulazioni agli elementi finiti e le strategie di semplificazione riportate in letteratura. Successivamente, diverse tecniche di modellazione sono illustrate e applicate a tre principali scenari di indagine: progettazione, test e pianificazione preoperatoria. Mentre i primi due scenari, progettazione e test, mirano a supportare i produttori durante la progettazione di dispositivi innovativi o la valutazione delle funzionalità delle protesi prima della commercializzazione, i modelli riguardanti la pianificazione pre-operatoria mirano a fornire ai clinici strumenti di supporto per identificare il miglior dispositivo e le condizioni di impianto ideali in base alle specificità del paziente. In merito ai produttori, la presente tesi illustra sia un modello sofisticato per i test in silico che un semplificato ma rapido strumento di indagine per supportare la fase di progettazione. Questi studi nascono dalla collaborazione con ID NEST Medical (Strasburgo, Francia), un fornitore di un sistema innovativo attualmente in fase di sperimentazione. Per quanto riguarda le problematiche cliniche, è stata data particolare attenzione sia all'accuratezza del modello che al relativo costo computazionale. Questa parte deriva dalla collaborazione con il BioCardioLab (Massa, Italia) e mira a costruire e validare modelli adatti a supportare la pianificazione pre-operatoria dell'occlusione dell'appendice atriale sinistra. In particolare, un dispositivo ottenuto mediante taglio laser e un dispositivo braided sono stati studiati partendo da prospettive diverse identificate sulla base delle diverse caratteristiche strutturali. Infatti, l'occlusore braided ha richiesto studi più approfonditi al fine di ottenere un modello semplificato conforme ai vincoli di tempo relativi allo specifico contesto di applicazione, ovvero la pianificazione preoperatoria. Infine, viene riportata una sintesi dei risultati del presente lavoro, evidenziando i rischi identificati, le lezioni apprese e i limiti che dovrebbero essere superati in una prospettiva futura.