Catheter tracking in thrombectomy procedure : a finite element analysis

Introduction Stroke is a pathology that affects millions of people around the world representing the second leading cause of death and the third cause of death and disabilities combined. It develops in presence of a partial or complete cerebral artery occlusion due to the formation of a thrombus. Blood flow becomes limited, reducing oxygen and nutrients intake to the surrounding nervous cells therefore causing their death. A fast and rapid intervention is fundamental to avoid the expansion of the ischemic core and to rehabilitate the correct functionality of the brain. Currently, the most used therapy for Acute Ischemic Stroke (AIS) is Mechanical Thrombectomy (MT), a procedure that is sometimes combined with the administration of intravenous thrombolytic drugs (tPA) which simulate the physiological fibrinolytic process that desegregates and dissolves the thrombus. Mechanical thrombectomy is a mini-invasive surgical procedure mostly adopted to re-establish blood flow in presence of large vessel occlusions, where the pharmacological therapy isn’t as effective. The procedure requires the insertion of a guide catheter at the level of the femoral artery, containing a micro-catheter and a crimped stent retriever. The micro-catheter navigates the vasculature until reaching the occlusion site where it is positioned across the thrombus. The sheeting that covers the crimped stent is then retrieved so that the latter can auto-expand and entrap the clot. The stent-clot complex is then retrieved as a whole and extracted from the vessel. The present thesis work aims at investigating the importance and the role played by the micro-catheter position on the outcome of in silico MT simulations. Hence the goals are: (i) to prove that the catheter position on the occlusion site influences the outcome of the complete MT simulation and (ii) to develop one or more computational procedures to simulate a realistic catheter tracking. Influence of catheter configuration on thrombectomy outcome For the first part of the present work two vessel geometries representing a portion of the carotid tree were used, comprising the Internal Carotid Artery (ICA), the Anterior cerebral artery (A1), the Medial cerebral artery (M1) and Posterior Communicating artery (PComm). Both patients derive from the Academic Medical Centre (AMC) in Amsterdam and were selected because of their complex and tortuous geometry. When simulating the complete MT procedure, the catheter model adopted for these two patients was hand-drawn so that it would follow a predetermined trajectory close to the extrados surfaces of the tightest carotid bends. To evaluate how influential the catheter placement is with respect to the MT simulation outcome, six catheter spatial configurations were tested on the two reference patients (Patient a and Patient b). In particular, the catheter was oriented so that it would prevent or allow access to the carotid collateral branches: A1 and PComm. With these elements, six complete mechanical thrombectomy procedures were reproduced in silico through finite element simulations. The simulations results showed that different catheter configurations produce different MT simulations outcomes, where successful and unsuccessful outcome respectively mean complete clot retrieval or thrombus escape from the stent and consequent loss inside the vasculature. These simulations are strongly dependent on the operator that manually designs the final catheter configuration, thus making the modelling procedure non-reproducible and non-repeatable. Methods to simulate thrombectomy catheter tracking The second half of this work focused on the implementation of computational methods able to reproduce the shape that the catheter naturally takes during the insertion phase of a real-life surgical procedure. To tackle this objective, six patients’ geometries were selected from the Academic Medical Centre (AMC) in Amsterdam, the choice criteria being again vessel complexity in terms of tortuosity and curvature angles. Two computational procedures were developed: the first being the Constraints Release technique and the second called Insertion technique. The Constraints Release technique is a procedure built in two steps. At first the catheter, represented as a straight line discretized by finite elements called beams, is centred on the ICA entrance and constrained on a trajectory central to the vascular tract. Then the constraints are released and the catheter is left to settle and to adjust against the vessel walls. The Insertion technique was developed aiming at reproducing more realistically and more naturally the catheter insertion as it takes place during the surgical procedure. The simulation starts with the straight catheter placed at the ICA entrance. Both the catheter tip and the catheter end are subjected to boundary conditions, the tip is dragged along the vessel centreline, while the end portion is linearly translated towards the ICA entrance with a movement that resembles an upward thrust. The catheter central body is left free to interact with the vessel walls and to deform. When the catheter tip reaches the end of tract M1, the catheter is now entirely non-subjected to constraints and is free to adapt to the vessel geometry. Comparing the two implemented methods, it was observed that the catheter always tends to position itself on the vessel bends intradoses regardless of the used modelling technique. In some cases though, because of the geometrical complexity of the vessel, the catheter final configuration can be partially influenced by the chosen method. This phenomenon is particularly true for those patients displaying a vessel characterized by tight and tortuous bends. On the contrary, simpler geometries allow to obtain almost overlapping catheter shapes, independently from the adopted modelling technique. The catheter configurations obtained through the two techniques developed, were then compared with the hand-drawn catheter models used in the first half of the work. The catheters deriving from the Constraints Release and Insertion techniques have a significantly different spatial orientation if confronted with the hand-drawn ones previously adopted. To evaluate which of the two computational techniques is the best to be adopted for future simulations of mechanical thrombectomy, times needed for file preparation and setting as well as simulation running times were taken into consideration, however leading to comparable results. Hence, the presence of possible instabilities was analysed highlighting the superiority of the Insertion technique; indeed, the Constraints Release technique leads in some cases to unnatural catheter deformations. Moreover, when considering the simulation realism, the Insertion technique better resembles the micro-catheter navigation and positioning during real-life surgical procedures. 3. Thrombectomy simulations using catheters resulting from the implemented methods Finally, to strengthen the results of our work, complete mechanical thrombectomy simulations were performed using the catheters previously obtained. Once more it was possible to observe how the catheter positioning in the vessel influences the MT simulation outcome and how much the vessel geometry plays an important role for the micro-catheter navigation and tracking. Further work should be carried out to perfection the Insertion technique and to model the catheter insertion and catheter retrieval phases in two distinct ways for the sake of a better representation of the complete MT simulations. Lastly, a validation through clinical images and in vitro experiments should be performed to sustain our results. In conclusion, our research underlined the importance of catheter positioning during intra vascular navigation and the role it plays in a mechanical thrombectomy procedure. Indeed, being able to predict the catheter behaviour during its insertion is of great importance especially considering that catheter navigation in the operatory room is performed with limited chance to visualise the device through few x-ray images taken very far apart to prevent excessive patient radiation exposure. Our work, offers a computational tool aimed at improving the prevention and planning of thrombectomy in vivo surgical procedures, positioning itself in the more general context of in silico modelling for the INIST project.

Introduzione L’ictus celebrale è una patologia che colpisce milioni di persone nel modo; rappresenta la seconda causa di morte e la terza causa maggiore di morte e disabilità combinate. Esso si verifica in presenza di una parziale o completa occlusione di un’arteria celebrale in seguito alla formazione di un trombo che limita il flusso sanguigno ai tessuti circostanti, diminuendo l’apporto di ossigeno e nutrienti alle cellule nervose e causandone la morte. Un repentino intervento è fondamentale per evitare l’estensione del core ischemico e per il ripristino delle funzionalità cerebrali. Ad oggi la terapia più utilizzata per la cura dei pazienti soggetti ad ictus ischemico acuto (AIS) è la trombectomia meccanica (MT), coadiuvata talvolta dalla somministrazione di farmaci trombolitici (tPA) che simulano il fisiologico processo fibrinolitico disgregando e dissolvendo il trombo. La MT è una procedura chirurgica mininvasiva utilizzata in particolare per ristabilire il flusso nelle arterie di grande calibro, dove l’azione farmacologica non è altrettanto efficace. L’intervento di trombectomia prevede l’inserimento ad altezza dell’arteria femorale di un catetere guida contenente a sua volta un micro-catetere che forma un tutt’uno con lo stent retriever crimpato al suo interno. Il micro-catetere viene spinto fino al sito dell’occlusione e posizionato a cavallo del trombo. A questo punto la guaina che ricopre lo stent viene fatta scivolare indietro, lasciando il dispositivo libero di espandersi e catturare il coagulo. Il complesso stent-trombo viene poi retratto ed estratto interamente dal vaso. Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di indagare il ruolo e l’importanza del posizionamento reciproco tra micro-catetere, trombo e tortuosità vascolari, sull’esito di procedure di trombectomia meccanica servendosi di simulazioni in silico. Gli obiettivi sono quindi quelli di: (i) dimostrare che il posizionamento finale del catetere nel luogo dell’occlusione influenza l’esito della simulazione totale di trombectomia e (ii) sviluppare uno o più metodi computazionali per riprodurre il posizionamento del catetere in modo tale che sia il più realistico possibile. Effetto del posizionamento del catetere sull’esito di simulazioni di trombectomia Per la prima parte del seguente lavoro sono state utilizzate 2 geometrie di tratti di carotide comprendenti l’arteria carotide interna (ICA), l’arteria celebrale anteriore (A1) e l’arteria celebrale media (M1). Entrambi i vasi dei pazienti (Paziente a e b) provengono dall’Academic Medical Center (AMC) di Amsterdam e sono stati selezionati perché aventi una geometria molto complessa e tortuosa. Per questi due pazienti, il modello di catetere utilizzato nella procedura di trombectomia meccanica è stato disegnato a mano, in modo tale che seguisse una traiettoria prestabilita ed avendo cura che questa passasse in prossimità degli estradossi delle curve più strette del tratto vascolare in esame. Per valutare l’influenza del catetere sull’esito della procedura di trombectomia sono stati pensati sei diversi orientamenti del catetere, da adottare sui due pazienti di riferimento. In particolare, il catetere è stato posizionato in modo tale da ostruire o meno gli ingressi ai rami arteriosi laterali, nello specifico: A1 e PComm. Con questi elementi è stata riprodotta virtualmente la procedura di trombectomia meccanica tramite simulazioni ad elementi finiti. I risultati delle simulazioni di MT hanno mostrato che a posizioni di catetere diverse corrispondono esiti diversi della procedura, dove con esito positivo si intende la totale rimozione del trombo dal vaso e con esito negativo si intende invece la perdita del trombo in una porzione del vaso. È stato quindi dimostrato che su uno stesso paziente l’esito della procedura di trombectomia può essere differente a seconda della configurazione del catetere disegnata. Il risultato della simulazione di MT dipendente quindi fortemente dall’azione dell’operatore che modella manualmente la configurazione finale del catetere, rendendo la tecnica non riproducibile né ripetibile. Metodi di simulazione per il posizionamento del catetere La seconda parte del seguente lavoro è focalizzata sull’implementazione di metodi computazionali, il più possibile automatici, in grado di riprodurre la forma che il catetere assume spontaneamente durante la fase di inserimento. Per questo scopo sono state selezionate sei geometrie vascolari di pazienti sempre provenienti da AMC utilizzando come criterio di scelta la complessità del vaso in termini di tortuosità e angoli di curvatura. Sono state sviluppate due procedure computazionali: la prima detta “Constraints Release” e la seconda “Insertion”. La procedura Constraints Release si svolge in due step: il catetere, rappresentato come una linea dritta discretizzata da elementi finiti detti beam, viene centrato sull’ingresso della ICA e costretto su una traiettoria centrale al vaso. In seguito, rilasciando i vincoli imposti sul catetere, esso si adatta alla geometria del vaso adagiandosi contro le sue pareti. La tecnica di Insertion è stata sviluppata con l’obiettivo di riprodurre in modo più realistico e naturale la procedura di inserimento del catetere così come avviene durante l’intervento chirurgico. Nella simulazione, il catetere si trova inizialmente posizionato all’ingresso della ICA. Sia la sua punta che la sua coda sono soggette a condizioni al contorno: la punta viene trascinata seguendo una traiettoria centrale al vaso, mentre la coda viene traslata linearmente verso l’ingresso della ICA con un movimento che simula una spinta dal basso. Le restanti porzioni del catetere non sono soggette ad alcun vicolo e sono perciò libere di interagire con le pareti del vaso e deformarsi. Quando la punta del catetere raggiunge la fine del tratto M1 del vaso ogni vincolo viene rilasciato ed il catetere è libero di rilassarsi. Confrontando i due modelli implementati, si osserva che il catetere tende a posizionarsi sempre sull’intradosso delle curve del vaso a prescindere dalla tecnica di modellizzazione utilizzata. In alcuni casi però, a causa della complessità geometrica del vaso, la configurazione finale del catetere può essere parzialmente influenzata dalla tecnica scelta. Questo fenomeno è particolarmente evidente per quei pazienti aventi una geometria caratterizzata da curve strette e tortuose. Al contrario, con geometrie semplici si ottengono delle configurazioni di cateteri quasi sovrapponibili, indipendentemente dalla procedura utilizzata per la modellizzazione. Le posizioni dei cateteri risultanti dalle due tecniche di modellizzazione implementate, sono poi state confrontati con i modelli di catetere ottenuti tramite la procedura di disegno a mano utilizzata nella prima parte del lavoro. I cateteri ottenuti mediante le tecniche di Constraints Release e Insertion hanno una configurazione molto diversa rispetto a quelli precedentemente impiegati. Al fine di valutare quale delle due tecniche sia la migliore da adottare per future simulazioni di trombectomia, sono stati presi in considerazione i tempi di preparazione, settaggio e running di ciascuna tecnica per ogni paziente, che risultano però comparabili. Sono state allora considerate eventuali instabilità, valutazione che ha evidenziato la superiorità della tecnica di Insertion in quanto la procedura di Constraints Release produce in alcuni casi delle innaturali deformazioni del catetere. Inoltre, guardando alla realisticità della simulazione, la tecnica di Insertion risulta essere quella che più ricalca la procedura di navigazione e posizionamento del micro-catetere così come avviene nella realtà. Simulazioni di trombectomia con cateteri risultanti dai due metodi implementati Infine, per consolidare gli esiti di questo lavoro sono state eseguite delle simulazioni complete di MT utilizzando i cateteri da noi ottenuti. Da questo abbiamo potuto riscontrare ancora una volta come il posizionamento del catetere nel vaso influenzi l’esito della trombectomia meccanica simulata e quanto la geometria del vaso giochi un ruolo importante per la navigazione stessa del micro-catetere. Ulteriore lavoro dovrebbe essere fatto per perfezionare l’implementazione della tecnica di Insertion e per modellizzare la fase di inserimento del catetere in maniera distinta dalla fase di estrazione, ai fini di una maggior realisticità della simulazione totale di MT. Infine, sarebbe necessario validare i risultati da noi ottenuti computazionalmente tramite un confronto con immagini cliniche e simulazioni in vitro. In conclusione, il nostro lavoro ha sottolineato l’importanza del posizionamento del catetere durante la navigazione intravascolare e il ruolo che esso svolge in ciascuna fase dell’intervento di trombectomia meccanica. È infatti importante riuscire a predire il comportamento del dispositivo durante la fase di inserimento considerando che in sala operatoria la navigazione del catetere è svolta con limitate possibilità di visualizzarne lo spostamento tramite immagini RX, se non ad intervalli temporali particolarmente distanziati per evitare un sovraccarico di radiazioni sul paziente. Il nostro lavoro offre quindi uno strumento computazionale volto a migliorare le attività di prevention & planning degli interventi di trombectomia, inserendosi nel contesto generale di simulazioni in silico del progetto INSIST.