Design and development of a mechatronic in vitro aortic model for surgical training

Introduction: Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is an innovative approach which requires a high level of skill and precision in its execution; therefore, it is important to provide complete surgical training to physicians. The aim of this thesis is to design a realistic aortic in vitro model, based on a representative subject, that shall reproduce realistic aortic 3D motion in space during the cardiac cycle, thanks to the use of linear actuators anchored to aortic model with connectors. Method: The model was designed, exploiting time-dependent parameters extracted from four dimensional computed tomography images of one patient, on Solidworks, with FEA support in Ansys v.21. Then the model was manufactured by 3D printing the rigid components and mold casting the polymer components. Finally, it was assembled in an aquarium and validated by computing centerline displacement between diastole and systole and by comparing it with the displacement extracted from the CT images. Results and discussion: A first visual analysis of the model highlighted the correct functioning of the ventricular actuator; results show in fact a high degree of adherence between in vitro model and CT model diastolic-systolic centerline displacement magnitude and angle in aortic root segment. Regarding aortic arch, visual analysis highlighted the presence of flexion and rotation of the aortic arch rack due to the traction force exerted by the ventricular actuator, through the aorta, which is confirmed by centerline displacement magnitude error and relative angle. Conclusion: The results of this very first prototype are promising, managing to introduce a novelty with respect to the literature, which is reproduction of aortic movement in 3D space with the use of linear actuators. To improve the model, it should be advisable to design an aortic arch rack structure that does not allow flexion and rotation to occur and to perform motors fine tuning. Moreover the cohort of patients could be expanded, choosing patients gender and age range, creating a more representative model of a paradigmatic case.

Introduzione: L’impianto valvolare aortico transcatetere (TAVI) è un approccio innovativo che richiede un alto livello di abilità e precisione nella sua esecuzione; quindi è importante fornire una formazione chirurgica completa ai medici. Lo scopo di questa tesi è progettare un modello in vitro realistico di aorta, basato su un soggetto rappresentativo, che riproduca il movimento 3D dell’aorta nello spazio durante il ciclo cardiaco, grazie all’uso di attuatori lineari ancorati al modello aortico con connettori. Metodi: Il modello è stato progettato, sfruttando parametri tempo-dipendenti estratti da immagini di TAC 4D di un paziente, su Solidworks, con supporto di FEA in Ansys v.21. Quindi il modello è stato prodotto stampando in 3D i componenti rigidi e utilizzando la tecnica fusione in stampo per i componenti polimerici. Infine è stato assemblato in un acquario e validato calcolando lo spostamento della centerline aortica tra diastole e sistole, confrontandolo con lo spostamento estratto dalle immagini TAC. Risultati e discussione: Una prima analisi visiva del modello ha evidenziato il corretto funzionamento dell’attuatore ventricolare; i risultati mostrano infatti un elevato grado di aderenza tra modello in vitro e modello ricavato dalle TAC, del modulo e dell’angolo dello spostamento diastolico-sistolico della centerline nel segmento della radice aortica. Per quanto riguarda l’arco aortico, l’analisi visiva ha evidenziato l’avvenire di flessione e rotazione del rack dell’arco aortico dovute alla forza di trazione esercitata dall’attuatore ventricolare, che è confermata dall’errore del modulo dello spostamento diastolico-sistolico della centerline e dell’angolo relativo. Conclusione: I risultati di questo primissimo prototipo sono promettenti, riuscendo ad introdurre una novità rispetto alla letteratura, che è la riproduzione del movimento aortico nello spazio 3D con l’utilizzo di attuatori lineari. Per migliorare il modello, dovrebbe essere progetta una struttura del rack dell’arco aortico che non consenta la flessione e la rotazione dello stesso, ed eseguita la messa a punto dei motori. Inoltre il pool di pazienti potrebbe essere ampliato, scegliendo un range di sesso ed età dei pazienti, creando un modello più rappresentativo di un caso paradigmatico.