A computational methodology of the EVAR procedure : from CAD models to finite element simulations

The aorta is the largest artery of systemic circulation. It originates from the left ventricle, extending upward to the chest for a short distance before curving down; at the level of the diaphragm, it becomes the abdominal aorta. The abdominal aortic aneurysm (AAA) is one of the most frequent aortic wall pathologies. It is recognized as a local dilation of the vessel, typically more than 50% of the normal diameter. When surgical intervention is needed, AAA can be treated either by open surgery or by a minimally invasive technique, the endovascular aortic repair (EVAR). EVAR consists of placing a self-expanding device called stent-graft (SG) into the diseased aorta to restore the original. The device is crimped and placed into a small delivery system, the catheter. The catheter is then inserted through the femoral artery of the patient, and it is delivered to the aorta; once the correct position is reached, the catheter is withdrawn, and the SG expands. The SG is composed of the stent, a metallic structure usually made of Nitinol (Nickel-Titanium shape memory alloy) or Stainless steel, sutured to the graft, a fabric which is usually made with either polytetrafluoroethylene (ePTFE) or polyethylene terephthalate (PET). Despite the risk of late-onset complications (16-30% of cases), EVAR is becoming established as the primary treatment for AAA, given the high short-term success of the procedure. The Finite Element Analysis (FEA) can be used to predict the structural behaviour of the SG and the aorta during and after the intervention. This thesis aims at developing a numerical methodology to model the EVAR technique in a patient-specific aorta with two commercially available SGs: Medtronic Endurant II and Medtronic Endurant IIs. Both SGs are composed of the main body and additional limb components. The SGs are made of Nitinol stent struts linked to a PET graft. CAD models of the SGs were generated in SolidWorks (Dassault Systèmes) and discretized in ANSA (BETA CAE). Starting from measurements collected from literature, the stent and the graft models were created. The stent was meshed using beams and a mesh sensitivity analysis was performed to define the appropriate stent mesh size. A projection of the stent geometry on the graft one was created to guide the graft mesh generation, which was realized with triangular membrane elements. The stent and graft were finally linked together through a node-to-node connection, in order to model the sutures that are present between the two components in the real Endurant II/IIs SGs. The patient-specific aortic model was reconstructed through an image segmentation process of clinical CT scans with the software VMTK, and then discretized using triangular shell elements. The aorta was modeled as a rigid material. The Finite Element simulation were set-up in Ls-Dyna (ANSYS) and consisted of four phases: crimping, displacement, deployment of the main body SG into the aorta, and limb implantation. In the first two phases, the main body is crimped and placed in the correct landing zone of the vessel. During the deployment, the main body is gradually released, entering in contact with the aorta. During the last phase, the same three steps described above are repeated to implant the limbs within the main body legs. To evaluate the configuration at the end of the procedure after the deployment, the analysis of stress, strain and distance between SG and vessel was performed. In general, stress and strain were higher in the regions where the stents are fully in contact with the vessel: the abdominal aortic neck proximally, and the iliac bifurcations distally. Structural simulations play an important role in pre-clinical planning to predict the biomechanical interaction between the SG and the aorta or the SG correct position. In the case of patient-specific analysis, the correct size of the device, as well as the positioning, can be optimized through FEA. With this thesis, a novel numerical methodology is developed starting from the work by Ramella et al., to study both the interaction between the SG and the aorta after EVAR and to accurately reproduce the procedure itself including also the crimping and gradual deployment phases which are neglected in other literature studies.

L'aorta è la più grande arteria della circolazione sistemica. Emerge dal ventricolo sinistro e si estende verso l'alto fino al torace per un breve tratto prima di curvarsi verso il basso; a livello del diaframma, diventa l'aorta addominale. L'aneurisma dell'aorta addominale (AAA) è una delle patologie più frequenti della parete aortica. È definito come una dilatazione locale del vaso, in genere superiore al 50% del diametro normale. Quando è necessario un intervento chirurgico, l'AAA può essere trattato con un intervento a cielo aperto o con una tecnica minimamente invasiva, la riparazione endovascolare (EVAR). L'EVAR consiste nel posizionamento di un dispositivo autoespandibile chiamato stent-graft (SG) nell'aorta malata per ripristinare il lume originale. Il dispositivo viene crimpato e posizionato in un catetere. Il catetere viene poi inserito attraverso l'arteria femorale del paziente e viene si sposta verso l'aorta; una volta raggiunta la posizione corretta, il catetere viene ritirato e lo SG si espande. Lo SG è composto dallo stent, una struttura metallica solitamente realizzata in Nitinol (lega di nichel-titanio a memoria di forma) o in acciaio inossidabile, suturata al graft, un tessuto normalmente realizzato in politetrafluoroetilene (ePTFE) o in polietilene tereftalato (PET). Nonostante il rischio di complicanze tardive (16-30% dei casi), l'EVAR si sta affermando come trattamento principale per l’AAA, dato l'elevato successo a breve termine della procedura. L'analisi agli elementi finiti (FEA) può essere utilizzata per prevedere il comportamento strutturale dello SG e dell'aorta durante e dopo l'intervento. Questa tesi mira a sviluppare una metodologia numerica per modellare la tecnica EVAR in un'aorta paziente specifica con due SG disponibili sul mercato: Medtronic Endurant II e Medtronic Endurant IIs. Entrambi gli SG sono composti dal corpo principale e da componenti aggiuntivi (estensioni iliache). Entrambi gli SG sono costituiti da anelli di stent in Nitinol collegati a un graft in PET. I modelli CAD degli SG sono stati generati in SolidWorks (Dassault Systèmes) e discretizzati in ANSA (BETA CAE). Partendo dalle misure trovate in letteratura, sono stati creati i modelli dello stent e del graft. Lo stent è stato discretizzato utilizzando beam ed è stata eseguita un'analisi della sensibilità della mesh per definire la dimensione appropriata per la mesh dello stent. Successivamente è stata creata una proiezione della geometria dello stent sul graft per guidare la generazione della mesh del graft, che è stata realizzata con elementi shell triangolari. Lo stent e il graft sono stati infine collegati tra loro attraverso una connessione node-to-node, in modo da modellare le suture presenti tra stent e graft nei veri Endurant II/IIs. Il modello dell'aorta paziente specifica è stato ricostruito attraverso un processo di segmentazione di immagini TC cliniche tramite il software VMTK. L'aorta è stata discretizzata utilizzando elementi shell triangolari e modellata con un materiale rigido. La simulazione agli elementi finiti è stata impostata in Ls-Dyna (ANSYS) ed è stata articolata in quattro fasi: crimping, spostamento, rilascio del corpo principale SG nell'aorta, e infine impianto dei componenti aggiuntivi. Nelle prime due fasi, il corpo principale viene crimpato e posizionato nella corretta zona di ancoraggio alla parete aortica. Durante il rilascio, il corpo principale si dispiega gradualmente, entrando in contatto con l'aorta. Durante l'ultima fase, si ripetono le stesse tre fasi descritte sopra per impiantare i componenti aggiuntivi all’interno delle biforcazioni del corpo principale. Per valutare la configurazione al termine della procedura dopo il rilascio, è stata eseguita l'analisi di sforzi, deformazioni e distanza tra SG e aorta. In generale, sforzi e deformazioni sono risultati più elevati nelle regioni in cui gli stent sono completamente a contatto con il vaso: il collo dell'aorta addominale e le biforcazioni iliache. Le simulazioni strutturali svolgono un ruolo importante nella pianificazione preclinica: possono essere utili per prevedere l'interazione biomeccanica tra lo SG e l'aorta o il corretto posizionamento dello SG. Nel caso di analisi paziente specifica, le dimensioni corrette del dispositivo, così come il suo posizionamento, possono essere ottimizzati tramite FEA. Con questa tesi, viene sviluppata una nuova metodologia numerica a partire dal lavoro di Ramella et al., per studiare sia l'interazione tra lo SG e l'aorta dopo l'EVAR, sia per riprodurre accuratamente la procedura stessa, comprese le fasi di crimping e rilascio graduale, trascurate in altri studi della letteratura.