Self-expandable transcatheter aortic valve finite-element models for patient-specific TAVI simulations

Aortic stenosis (AS) is the most common heart valves’ pathology in the Western world. The standard procedure is the surgical aortic valve replacement (SAVR), that is very dangerous. For this reason, transcatheter aortic valve implantation (TAVI), a mini-invasive method, had been developed. Computational simulations of TAVI have become important: several studies can be found in the literature, divided between the ones using idealised or patient-specific geometries. In this thesis work, structural computational simulations were developed to replicate the implant of the ACURATE Neo2 valve in six patients, reproducing their aortas, natural aortic valves and calcifications. A CAD model of the device has been realized, including the skirt and the leaflets, and discretized. The aortic geometries of the six patients were segmented starting from pre-intervention CT images and discretized. These meshed models were implemented in the solver LS-DYNA and completed by assigning material models. Six patient-specific finite elements (FE) simulations were carried out to replicate the device implant, which was positioned following the patients’ angiographies. The quantities analysed were the first principal stresses on the aorta, the deformation of the latter, the Von Mises stresses on the stent and the distance between the stent and the aorta. For all these quantities, their distribution was reasonable and similar in the six patients, except for a few differences, due to the patient-specific anatomies. This thesis work showed the importance of reproducing patient-specific geometries and the correct positioning of the device to obtain FE simulations of TAVI. Different geometries and placements are associated with different stress and deformation responses. This work is not without limitations regarding measurements of the actual device, natural valves reconstructions and device positioning. The mechanical properties for some components should be improved by using more accurate models. These simulations could be simplified by creating a one-dimensional model of the device, discretized with beam-type elements. This would make possible the development of fluid-structure models.

La stenosi aortica è la patologia delle valvole cardiache più diffusa in occidente. La procedura standard è la sostituzione chirurgica della valvola aortica, che è molto pericolosa. Per questo motivo, è stato sviluppato l’impianto transcatetere (TAVI), un metodo mini-invasivo. Le simulazioni computazionali della TAVI sono diventate importanti: in letteratura si trovano diversi studi, divisi tra quelli che utilizzano geometrie idealizzate o patient-specific. In questo lavoro di tesi, sono state sviluppate simulazioni computazionali strutturali per replicare l’impianto della valvola ACURATE Neo2 in sei pazienti, con le loro aorte, le valvole aortiche naturali e le calcificazioni. È stato creato un modello CAD del dispositivo, comprendente la gonnellina e i foglietti, e discretizzato. Le geometrie aortiche dei sei pazienti sono state segmentate a partire da immagini CT e iscretizzate. Questi componenti sono stati implementati in LS-DYNA e completati con l’assegnazione di modelli dei materiali. Sono state eseguite sei simulazioni agli elementi finiti (FE) patient-specific per replicare l’impianto del dispositivo, che è stato posizionato seguendo le angiografie dei pazienti. Le grandezze analizzate sono stati i primi sforzi principali sull’aorta, le deformazioni di quest’ultima, gli stress di Von Mises sullo stent e la distanza tra lo stent e l’aorta. Per tutte queste grandezze, la loro distribuzione è risultata ragionevole e simile nei sei pazienti, salvo alcune differenze, dovute alle anatomie patient-specific. Questo lavoro di tesi ha dimostrato l’importanza di riprodurre le geometrie del paziente e il corretto posizionamento nelle simulazioni FE della TAVI. Geometrie e posizionamenti diversi sono infatti associati a risposte diverse in termini di stress e deformazioni. Questo lavoro non è privo di limitazioni per quanto riguarda le misurazioni del dispositivo reale, le ricostruzioni delle valvole naturali e il posizionamento del dispositivo. Le proprietà meccaniche di alcuni componenti dovrebbero essere migliorate utilizzando modelli più accurati. Queste simulazioni potrebbero essere semplificate creando un modello 1D del dispositivo, discretizzato con elementi di tipo beam, rendendo possibile lo sviluppo di modelli fluido-strutturali.