Engineering methods and tools to support the diagnosis and treatment of cardiovascular diseases

In the last decades, a fast and impressive development of tools and information systems in mechanical engineering was observed. Among them, Additive Manufacturing (AM), numerical simulations, Augmented and Virtual Reality (AR/VR) and Reverse Engineering (RE) technologies have reached such a degree of maturity that can be systematically extended and applied also in the medical field, in order to optimize and improve the quality of diagnosis and therapy. The resort to these engineering technologies opens the way to an innovative approach, which takes into account patients’ anatomical variability, specifically in pathological conditions. Personalised medicine relies on the so-called patient-specific modelling, namely the creation of 3D digital models of the anatomical district of interest, starting from bioimages acquired from the patient. Even in different declinations, the common thread of this PhD project is given by patient-specific modelling, applied to cardiovascular anatomies. The main objective consists in the development of dedicated engineering strategies able to support clinicians in patient-tailored approaches, in a synergy between different engineering methodologies and clinical expertise. This project, partly developed through active collaboration with clinicians, wants to provide an example of how innovative engineering methodologies originally developed in other fields can have a significant impact also in the cardiovascular field. In an increasing complexity path, the culmination is represented by the development and testing of an innovative physical cardiovascular simulator for a transcatheter heart valve repair procedure. After some introductory hints about the anatomy, physiology and pathology of the cardiovascular system, the work starts with a state of the art about bioimages segmentation, namely the procedure through which 3D digital anatomical models are obtained. The following part is focused on the evaluation of the accuracy the segmentation procedure can guarantee, when applied to blood vessels. Indeed, because of its crucial role played in the project, it is important to have a clear idea of the correspondence between segmented models and real anatomies. This is strictly related to the following evaluation of how the segmentation process can affect hemodynamic parameters, when extracted from Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations conducted on these reconstructed models. The next section is especially devoted to the heart, the central of the cardiovascular system. The first goal here is the implementation of a workflow that, starting from the stack of medical images, comes through segmentation until the hand-held printed model. In this way, the main criticalities in the process, starting from the challenges of this kind of segmentation, to the preparation of the model for printing, until the choice of the best printing technology and material, are delineated. This is accompanied by an evaluation of the level of agreement between printed results and digital models. On the basis of a RE approach, printed models are re-acquired with a laser scanner and these acquisitions are compared with the original Standard Tessellation Language (STL) files. Afterwards, research moves to flexible resins, to print a compliant heart model. Starting from the already introduced segmented heart models, different solutions are tested, trying to replicate as much as possible a realistic mechanical behaviour for the print, in such a way it could effectively serve for training and surgical planning. Here careful resins selection, with a differentiated hardness assignment within the same model, plays a crucial role. As already hinted, a major point deals with the development of a 3D printed training simulator for the repair procedure of a heart valve, the mitral one, when regurgitant, so it cannot close properly anymore. The previously acquired know-how turns out to be decisive for the generation of a highly realistic physical simulator, for the MitraClip™ Procedure (MCP), the most widely adopted transcatheter minimally invasive approach to repair the regurgitant Mitral Valve (MV). This is a recent and technically challenging procedure, with a steep learning curve. However, current training is typically performed on simplified models, which do not consider anatomical features, realistic materials or procedural scenarios. The aim is to propose a novel 3D printed, anatomy-based training simulator, which takes into account these aspects, thanks also to the active collaborations of experienced end-users. During the project, this simulator was designed, manufactured and tested with MitraClip equipment. It was assessed to be feasible to practice in a realistic fashion different procedural aspects including access, navigation, catheter steering and leaflets grasping. In addition, the model was found to be compatible with clinical procedural imaging equipment. Future studies will assess the effect of the proposed training system on improving training. Developments of this thesis work can be grouped into three main categories, namely translation to clinical practice, research on materials and integration with complementary technologies. For the first point, increasing research on automatic algorithms is fundamental, to overcome the bottleneck represented by the time and competencies required to segment and post-process anatomical models, which still prevents a wider spread in operative environments. Despite the considerable improvements in recent years, there is not yet a material able to realistically replicate the complex mechanical properties of biological tissues, also because of the wide variability of patients’ properties. The recent introduction of new resins and research on Functionally Graded Materials (FGM), as also in perspective the increasing interest in 3D bioprinting, could help in this. Eventually, even more interactive and realistic medical experiences could be obtained by combining 3D printed models and simulators with extended reality. For example, the integration of the developed MitraClip simulator with AR technologies could be an interesting step forward and enrichment of the clinical training protocol.

Negli ultimi decenni si è assistito alla massiccia introduzione di strumenti innovativi nel settore dell’ingegneria meccanica. Tra questi, le tecnologie di manifattura additiva, le simulazioni numeriche, la realtà aumentata e virtuale ed il reverse engineering hanno oggi raggiunto un grado di maturità tale da poter essere sistematicamente impiegati anche in ambito medico, al fine di migliorare la qualità della diagnosi e della terapia. Il ricorso a questi tool ingegneristici apre la strada ad un approccio innovativo in medicina, che può tenere conto della variabilità anatomica del paziente, soprattutto in condizioni patologiche. La medicina personalizzata si basa sulla cosiddetta modellazione paziente-specifica, ovvero la creazione di modelli digitali tridimensionali del distretto anatomico di interesse, a partire dalle bioimmagini acquisite dal paziente. Anche se sotto diverse declinazioni, il filo conduttore di questo lavoro è rappresentato proprio dalla modellazione paziente-specifica, applicata alle anatomie cardiovascolari. L’obiettivo è lo sviluppo di strategie ingegneristiche dedicate, in grado di supportare i medici in approcci personalizzati per il paziente, in una sinergia tra metodologie ingegneristiche e competenze cliniche. Il progetto vuole fornire un esempio di come metodologie ingegneristiche innovative, originariamente sviluppate in altri campi, possano avere un impatto significativo anche in campo cardiovascolare. In un percorso a complessità crescente, il punto di arrivo è rappresentato dallo sviluppo e dalla valutazione di un innovativo simulatore fisico per la riparazione di valvola cardiaca trans-catetere. Dopo alcuni spunti introduttivi sull’anatomia, la fisiologia e la patologia del sistema cardiovascolare, il lavoro inizia con uno stato dell’arte della segmentazione, ovvero il procedimento attraverso il quale si ottengono modelli anatomici digitali tridimensionali. La parte seguente si concentra sulla valutazione dell’accuratezza che la procedura di segmentazione può garantire, quando applicata ai vasi sanguigni. Infatti, per il ruolo cruciale rivestito dalle segmentazioni nel progetto, è importante avere un’idea chiara della corrispondenza tra modelli segmentati e anatomie reali. Ciò è strettamente correlato alla successiva valutazione di come il processo di segmentazione possa influire sui parametri emodinamici, quando estratti da simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD), condotte a partire dai modelli ricostruiti. La sezione seguente è dedicata al cuore, cardine del sistema cardiovascolare. Il primo obiettivo è l’implementazione di una procedura che, partendo dalle immagini medicali, conduca attraverso la segmentazione ad un modello realistico da stampare in 3D. Si sono potute così delineare le principali criticità del processo, dalla segmentazione di un’anatomia così complessa, alla preparazione del modello per la stampa, fino alla scelta della tecnologia e dei materiali di stampa più adeguati. A ciò si è accompagnata una valutazione del grado di corrispondenza tra modelli stampati e modelli digitali di partenza. Attraverso il reverse engineering, i modelli sono stati riacquisiti con uno scanner laser e poi confrontati con i file originali STL (Standard Tessellation Language). La ricerca si è poi concentrata sulle resine flessibili. Partendo dal modello di cuore precedentemente segmentato, sono state testate diverse soluzioni, cercando ottenere un comportamento meccanico quanto più realistico possibile, in modo tale che il modello stampato possa essere efficacemente impiegato per il training e la pianificazione chirurgica. In questo caso, l’attenta selezione delle resine, con il ricorso a blend di differente durezza anche per uno stesso modello, ricopre un ruolo fondamentale. Come già accennato, un punto importante ha riguardato lo sviluppo di un simulatore stampato per il training di una procedura di riparazione di una valvola cardiaca, quella mitrale, quando essa è rigurgitante. Il know-how acquisito in precedenza è risultato decisivo per la generazione di un simulatore fisico altamente realistico, per la procedura di impianto della MitraClipTM, un approccio mini-invasivo che sta prendendo sempre più piede. Questa è però una procedura recente e tecnicamente impegnativa, con una ripida curva di apprendimento. Il training attualmente si svolge con modelli semplificati, che non tengono adeguatamente conto delle caratteristiche anatomiche, del comportamento dei materiali e dei vari scenari procedurali. L’obiettivo qui è quello di proporre un nuovo simulatore stampato in 3D che tenga consideri questi aspetti, grazie anche alla collaborazione attiva di utilizzatori finali esperti. Durante il progetto, tale simulatore è stato progettato, prodotto e testato. Esso è stato giudicato idoneo a replicare in modo realistico diversi aspetti procedurali, tra cui accesso, la navigazione, l’orientamento del catetere e l’afferraggio dei foglietti valvolari. Inoltre, il modello è risultato compatibile con le apparecchiature di imaging utilizzate durante la procedura clinica. Studi futuri valuteranno l’effettivo impatto di tale simulatore sulla formazione del personale. Gli sviluppi di questo lavoro di tesi possono essere raggruppati in tre categorie principali: traslazione nella pratica clinica, ricerca sui materiali ed integrazione tra tecnologie complementari. Per il primo punto, è fondamentale incrementare la ricerca sugli algoritmi di segmentazione automatici, per superare il collo di bottiglia rappresentato dal tempo e dalle competenze necessarie per segmentare e post-processare i modelli anatomici, ostacolo ad una più ampia diffusione di questi tool negli ambienti operativi. Nonostante i notevoli miglioramenti degli ultimi anni, non esiste ancora un materiale in grado di replicare in maniera del tutto realistica le complesse proprietà meccaniche dei tessuti biologici, anche a causa della grande variabilità delle proprietà tra pazienti. La recente introduzione di nuove resine e la ricerca sui materiali cosiddetti “functionally graded”, così come in prospettiva il crescente interesse per il 3D bioprinting, potrebbero rappresentare un fondamentale aiuto. Infine, si potrebbero ottenere esperienze ancora più interattive e realistiche combinando modelli e simulatori stampati in 3D con la visualizzazione in realtà estesa. Ad esempio, l’integrazione del simulatore per MitraClip sviluppato con tecnologie di realtà aumentata potrebbe rappresentare un interessante passo avanti ed un arricchimento del protocollo di formazione clinica.