Confronto tra modelli in vitro e in silico di procedure di trombectomia

Acute ischaemic stroke occurs when a cerebral artery becomes occluded due to the formation of a blood clot, obstructing the proper blood perfusion of a certain area of the brain. The most effective treatment to date consists of an emergency surgical procedure called mechanical thrombectomy, which consists of inserting a microcatheter containing a stent retriever, a cylindrical metal device with a mesh structure, through the femoral artery, to remove the clot. However, to date, only 2 out of 3 operations are successful in the clinic and the causes of failure have yet to be fully elucidated. This thesis aims to contribute to the study of this technique by verifying the reliability of a computational (in silico) model of the thrombectomy procedure, which is useful for understanding the causes of failure. Twelve in vitro thrombectomy experiments were carried out by the company Cerenovus (Galway, Ireland), which provided snapshots of the test beds captured as the stent is placed astride the thrombus, in an expanded configuration, ready to be withdrawn. The experiments were conducted using three different stent retrievers and two types of thrombi: “white” thrombi, with a zero percentage of red blood cells, and “red” thrombi, composed of 45% red blood cells. The experimental images were used as reference for the creation of the computational models, with particular attention to the reconstruction of the thrombus, the trajectory of the microcatheter and the positioning of the stent. Once the simulations had been completed, the company provided the complete videos of six of the twelve experiments, thanks to which it was possible to calibrate certain simulation parameters that made it possible to obtain outcomes consistent with those obtained in vitro (in five out of six cases). The reliability of the model was thus validated, and it was then used to reproduce the other six experiments: its results were compared with the previous ones in order to analyse the influence of factors such as the shape of the thrombus, the design of the stent and the reciprocal positioning of the two on the outcome of the procedure. Placement of the stent tip more distal to the thrombus and a recovery device design with double mesh and closed tail have been observed to be more conducive to a successful thrombectomy outcome; the latter aspect has been shown to be decisive in the case of small thrombi.

L’ictus ischemico acuto si verifica quando un’arteria cerebrale si occlude a causa della formazione di un coagulo sanguigno, ostacolando la corretta perfusione sanguigna di una determinata zona dell’encefalo. Il trattamento più efficace ad oggi consiste in una procedura chirurgica d’emergenza chiamata trombectomia meccanica, che consiste nell’inserimento, attraverso l’arteria femorale, di un microcatetere contenente uno stent retriever, un dispositivo metallico cilindrico con struttura a maglie atto alla rimozione del coagulo. Tuttavia, ad oggi solo 2 interventi su 3 hanno esito positivo in clinica e le cause di fallimento sono ancora da chiarire completamente. Questo lavoro di tesi mira ad offrire un contributo nello studio di tale tecnica, verificando l’affidabilità di un modello computazionale (in silico) della procedura di trombectomia, utile per comprenderne le cause di fallimento. Sono stati effettuati dodici esperimenti di trombectomia in vitro dall’azienda Cerenovus (Galway, Irlanda), la quale ha fornito delle istantanee raffiguranti i banchi di prova catturati nel momento in cui lo stent si trova posizionato a cavallo del trombo, in configurazione espansa, pronto per essere ritirato. Gli esperimenti sono stati condotti utilizzando tre diversi stent retriever e due tipi di trombi: i trombi “bianchi”, con percentuale nulla di globuli rossi, e i trombi “rossi”, composti per il 45% da globuli rossi. Le immagini sperimentali sono state utilizzate come riferimento per la creazione dei modelli computazionali, con particolare attenzione alla ricostruzione del trombo, della traiettoria del microcatetere e al posizionamento dello stent. Terminate le simulazioni, l’azienda ha fornito i video completi di sei dei dodici esperimenti, grazie ai quali è stato possibile calibrare alcuni parametri della simulazione che hanno permesso di ottenere esiti coerenti con quelli ottenuti in vitro (in cinque casi su sei). È stata così validata l’affidabilità del modello, che è stato quindi utilizzato per riprodurre gli altri sei esperimenti: i relativi risultati sono stati confrontati con i precedenti al fine di analizzare l’influenza di fattori come la forma del trombo, il design dello stent ed il posizionamento reciproco dei due sull’esito della procedura. È stato osservato come la collocazione della punta dello stent in posizione più distale al trombo ed un design del dispositivo di recupero con doppia maglia e coda chiusa favoriscano maggiormente l’esito positivo della trombectomia; il secondo aspetto, in particolare, si è rivelato determinante in caso di trombi di piccole dimensioni.