Sviluppo di modelli CAD di arterie cerebrali paziente-specifiche per simulazioni di trombectomia meccanica

This thesis work is part of the wider European project INSIST (IN-Silico trials for treatment of Acute Ischemic Stroke), whose goal is to propose and study through in silico trials new treatments for ischemic stroke to be introduced in the clinical practice. It aims at developing simplified virtual models of ischemic patients to simulate mechanical thrombectomy and evaluate their reliability in replicating the outcome of the same procedure simulated on reference models, obtained by a complex and accurate process of clinical images segmentation and subsequent patient reconstruction. The main goals are: • the implementation of modelling procedures to realize two virtual populations, one “patient specific” and the other “parametric”; • the usage of the two procedures to realize CAD population models that replicate as closely as possible the real anatomy of the cerebral vessel; in particular, the internal carotid artery (ICA), the middle cerebral artery (MCA) and the anterior cerebral artery (ACA); • the simulation of mechanical thrombectomy procedure with the same parameters and settings as the reference simulations to allow the comparison of outcomes and trends; • the comparison between reference and CAD models based on the model’s morphology and thrombectomy simulation’s outcomes and trends. To achieve these goals, data from a cohort of 14 patients with acute ischemic stroke with large-calibre vessel occlusion (AIS-LVO) were provided by INSIST’s partner hospitals, based in Amsterdam and Rotterdam. The morphologic comparison show a good verisimilitude of vessel’s shape in both the developed models: the patient specific one gives a better spatial distribution of bends while the diameter’s precision is higher in the parametric models. The occlusion’s positioning in the vessel is precise and the thrombus has a simplified but realistic geometry. The models’ validation has been done by verifying the ability in predicting the trend and the outcome of the reference simulations. Patient specific models have shown a higher predictivity of simulation’s trend, while the result has been better predicted by parametric ones. The main failing causes are the modelling approximations introduced both in the mutual positioning of parts and in the vessel’s spatial organization and dimensioning. In conclusion, the patient specific procedure has proven to be preferable to the parametric one, both for the creation of virtual populations for research and development studies and for a potential clinical usage. The main limit is the time needed: the modelling procedures need optimization because they require times that are incompatible with this field’s needs. Even after an optimization process, the too large time needed to simulate the procedure, limits the potential their usage even if they demonstrated to be a valid alternative to the implementation complex models.

Il presente lavoro di tesi rientra nel più grande progetto europeo INSIST (IN-Silico Trials for treatment of acute Ischemic Stroke), il cui obiettivo è di proporre e studiare tramite trials in silico nuovi trattamenti per l’ictus ischemico, da introdurre poi nella pratica clinica. Ha l’obiettivo di sviluppare modelli virtuali semplificati di pazienti ischemici per simulare l’intervento di trombectomia meccanica e valutarne l’affidabilità nel replicare gli esiti della stessa procedura simulata su modelli di riferimento, ottenuti con un processo complesso e accurato di segmentazione delle immagini cliniche e successiva ricostruzione del paziente. I principali obiettivi perseguiti sono: • l’implementazione di due procedure di modellazione per la realizzazione di due popolazioni virtuali, l’una “paziente specifica” e l’altra “parametrica; • la realizzazione, con le due diverse procedure, di modelli CAD paziente specifici che replichino il più fedelmente possibile l’anatomia reale dei vasi cerebrali; in particolare arteria carotide interna (ICA), arteria cerebrale media (MCA) e anteriore (ACA); • la simulazione dell’intervento di trombectomia meccanica con parametri ed impostazioni uguali alle simulazioni di riferimento per permettere il confronto degli esiti e degli andamenti; • il confronto tra modelli di riferimento e modelli CAD in base alla morfologia dei modelli ottenuti, all’esito e all’andamento delle simulazioni di trombectomia. Sono stati utilizzati i dati appartenenti a una coorte di 14 pazienti affetti da ictus ischemico acuto con occlusione di vasi di largo calibro (AIS-LVO), forniti dagli ospedali di Amsterdam e Rotterdam, partner del progetto INSIST. Il confronto morfologico ha mostrato una buona realisticità delle forme del vaso per entrambi i modelli CAD sviluppati: il modello paziente specifico restituisce una disposizione spaziale delle anse migliore, a discapito della precisione sui diametri che sono invece meglio replicati nel modello parametrico. Il posizionamento dell’occlusione è preciso e il trombo ha una forma semplificata ma realistica. La validazione dei modelli è stata svolta verificando l’abilità nel predire l’andamento e l’esito delle simulazioni di riferimento. I modelli paziente specifici sono risultati maggiormente predittivi per quando riguarda il decorso della simulazione, mentre il risultato finale è stato correttamente previsto da un numero maggiore di modelli parametrici. Le principali cause di errore sono le approssimazioni introdotte nella modellazione sia nel posizionamento reciproco tra le parti che nell’organizzazione spaziale e nel dimensionamento del vaso. In conclusione, la procedura paziente specifica si è dimostrata preferibile a quella parametrica, sia per la creazione di popolazioni virtuali per ricerca e sviluppo che per un eventuale pratica clinica. La principale limitazione riscontrata sono le tempistiche: le procedure di modellazione richiedono tempi incompatibili con le esigenze del settore e richiedono ottimizzazione. Anche ottimizzandole, i tempi necessari per simulare la procedura sono troppo estesi e limitano le potenzialità di utilizzo dei modelli sebbene si siano dimostrati una valida alternativa ai modelli complessi.