Errori nella ricostruzione geometrica di arterie coronariche da immagini cliniche : effetti sullo sviluppo e validazione di modelli computazionali di impianto di stent

In recent years, numerous numerical models have been implemented to simulate various stenting procedures in order to: investigate potential post-treatment adverse events; evaluate the entire procedure and predict device performance; and examine quantities of stent performance that would be difficult to assess in vivo. Because of important limitations, among them the difficulty of accurate artery reconstruction, the use of these computational models is based on idealised geometries that cannot be compared with the clinical situation. New diagnostic imaging techniques, such as OCT, have paved the way for new methods of realistic reconstruction based on intravascular images of the diseased artery. Clinical image processing still shows the limitations of this proposal. In fact, in addition to the specific uncertainties of clinical images, the problems caused using a catheter as an image acquisition probe and the necessary use of auxiliary techniques (OCT alone does not allow the centreline of the vessel to be treated to be known) lead to reconstruction errors that may affect the validation of these simulations. This is the background to this thesis work, the aim of which is to quantify the weight of errors associated with reconstruction techniques based on clinical images in simulations of stent insertion in specific patient arteries. The following study, which is completely computational, is developed in several phases: image acquisition through catheter insertion; vessel reconstruction; and simulation of stent implantation in both the reference and reconstructed vessel. All carried out on a population of coronary arteries designed in such a way as to be able to assess the effect of more or less complex geometries and larger or smaller vessels on reconstruction errors. Working on virtual models of arteries made it possible to exclude some of the uncertainties present in the in vivo procedure and rely exclusively on the dimensional reconstruction errors. The measurement of errors was performed by acquiring 15 equally spaced cross-sections in the section of the vessel that includes the lumen with stent apposition and a portion proximal and distal to it. Depending on the acquisition pathway used, three different analyses were possible: a reconstruction evaluation (in which for both vessels the centreline was used as the cross-sectional acquisition pathway); a pre-treatment evaluation and a post-treatment evaluation of stent insertion (in which for the reference vessel the catheter pathway was used and for the reconstructed the centreline pathway was used). The tests conducted showed how reconstruction errors are strongly influenced by vessel morphology and thus how clear differences in centreline and catheter pathways affect reconstruction.

Negli ultimi anni sono stati implementati numerosi modelli numerici che permettono di simulare diverse procedure di stenting in modo da: poter indagare potenziali eventi avversi post-trattamento; valutare l’intera procedura e prevedere le prestazioni del dispositivo; esaminare grandezze sulla performance dello stent che sarebbero difficili da valutare in vivo. A causa di importanti limitazioni, tra tutte la difficoltà di una accurata ricostruzione dell’arteria, l’utilizzo di questi modelli computazionali si basa su geometrie idealizzate e non confrontabili con la situazione clinica. Le nuove tecniche di immagini diagnostiche, come l’OCT, hanno aperto la strada a nuovi metodi di ricostruzione realistiche basate sulle immagini intravascolari dell’arteria malata. L’elaborazione delle immagini cliniche mostra ancora i limiti di questa proposta. Infatti, oltre alle incertezze specifiche delle immagini cliniche, anche le problematiche dovute dall’utilizzo di un catetere come sonda di acquisizione delle immagini e il necessario utilizzo di tecniche ausiliarie (la sola OCT non permette di conoscere la centreline del vaso da trattare) comportano degli errori di ricostruzione che possono influenzare la validazione di tali simulazioni. In quest’ottica si inserisce questo lavoro di tesi, il cui obiettivo è quantificare il peso degli errori associato alle tecniche di ricostruzione basate sulle immagini cliniche nelle simulazioni di inserimento di stent in arterie paziente specifico. Il seguente studio, completamente computazionale, si sviluppa in più fasi: l’acquisizione delle immagini tramite l’inserimento del catetere; la ricostruzione del vaso; la simulazione di impianto di stent sia nel vaso di riferimento che nel ricostruito. Il tutto svolto su di una popolazione di arterie coronarie disegnate in modo da poter valutare l’effetto di geometrie più o meno complesse e vasi di dimensioni maggiori o minori sugli errori di ricostruzione. Lavorare su modelli virtuali di arterie ha permesso di escludere parte delle incertezze presenti nella procedura in vivo e basarsi esclusivamente sugli errori dimensionali di ricostruzione. La misurazione degli errori è stata effettuata acquisendo 15 cross-section equamente distanziate nel tratto di vaso che include il lume con apposizione dello stent e una porzione prossimale e distale ad esso. In base al percorso di acquisizione utilizzato è stato possibile effettuare tre diverse analisi: una valutazione di ricostruzione (in cui per entrambi i vasi è stato usato come percorso di acquisizione delle cross-section la centreline); una valutazione pre-trattamento e una post-trattamento di inserimento dello stent (in cui per il vaso di riferimento è stato utilizzato il percorso della catetere e per il ricostruito il percorso della centreline). Le prove condotte hanno dimostrato come gli errori di ricostruzione siano fortemente influenzati dalla morfologia del vaso e di quindi come evidenti differenze dei percorsi di centreline e catetere influenzino la ricostruzione.