Sviluppo di un modello fenomenologico per descrivere il danno della parete arteriosa coronarica nelle simulazioni di angioplastica

A phenomenological model for the description of damage in the walls of coronary arteries in angioplasty simulation has been developed in this dissertation. The model has been specifically conceived for finite-element simulations and includes two distinct materials for each layer of the arterial wall, with the first material being linear elastic with plasticity and ductile damage, and with the second following a Hyperelastic (reduced-polynomial) law and plastic behaviour. The two materials have been assigned to the different mesh elements in a uniformly distributed arrangement. To achieve this, a Matlab script has been developed for the generation of element sets which were assigned to the materials based on permutations. A feasibility study of the model has been carried out through angioplasty FEM simulations on arterial models with simplified geometry; the vascular wall was composed of three layers: tunica adventitia, tunica media and atherosclerotic plaque. The adventitia and media were modelled with the model proposed in this work, while the plaque was described based on a Neo-Hookean hyperelastic material model with plasticity. Material calibration has been carried out based on data from literature, in particular the work of Poletti, et al. [33] as a reference. The results of the study are promising: the model is able to reproduce the opening of the vascular lumen with a nonlinear trend. Further development of this work could include validation of the model, a more accurate calibration, and the application to more complex and realistic case-studies that could include stenting simulations and coupling with fluid-structure interaction and/or agent-based analyses, especially in patient-specific cases. Regarding this aspect, it is important to highlight that the model can directly be applied to patient-specific arteries with in vivo configurations obtained from imaging techniques, without the need of expensive reverse engineering processes.

In questo lavoro di tesi è stato sviluppato un modello fenomenologico per la descrizione del danno della parete arteriosa coronarica nelle simulazioni di angioplastica. Il modello è ideato specificatamente per le simulazioni agli elementi finiti e include due materiali distinti per ogni layer della parete arteriosa: un materiale lineare elastico, con plasticità e danno duttile, e uno con caratteristica iperelastica (polinomiale ridotta) e comportamento plastico. I due materiali sono assegnati ai diversi elementi di mesh in maniera uniformemente distribuita. A tal fine, è stato sviluppato uno script nell’ambiente di sviluppo Matlab per la generazione dei set di elementi da assegnare ai due materiali, basata su una permutazione. Di tale modello di materiale è stato eseguito uno studio di fattibilità con simulazioni FEM di angioplastica su modelli di arteria a geometria semplificata, con la parete vascolare composta da tre strati: tonaca avventizia, tonaca media e placca aterosclerotica. Avventizia e media sono state modellate con il modello proposto nel presente studio, mentre la placca è stata descritta con un materiale iperelastico Neo-Hookean con plasticità. La calibrazione dei parametri è stata effettuata utilizzando dati da letteratura, e in particolare il lavoro di Poletti, et al. [33] come riferimento. I risultati dello studio di fattibilità sono promettenti: il modello ha la capacità di prevedere l’apertura del lume vascolare in seguito a una procedura di angioplastica. Riesce a fornire risultati comparabili con il modello di riferimento per livelli di deformazione della parete arteriosa contenuti, mentre a livelli più elevati corrisponde una maggior apertura del lume, con un trend non lineare. Ulteriori sviluppi del presente lavoro potrebbero includere una validazione del modello, una calibrazione più accurata e l’applicazione a casi-studio più complessi e realistici come simulazioni di angioplastica con stent, interazioni fluido-struttura o agent-based, anche in casi paziente-specifici.