Inclusione del pre-stress in modelli di aorte paziente-specifici per simulazioni della procedura TAVI

The evolution of medicine, especially in the cardiovascular field, is moving towards the development of patient-specific surgery solutions. The patient-specific computational models, used in pre-operative planning, are generated starting from diagnostic images, in which the vascular tissue is in a pre-deformed state as subjected to blood pressure. However, most of the models in the literature consider stress-free the geometry reconstructed from images, which leads to the total loss of information related to pre-deformation and residual stresses within the tissue. This work has a twofold goal: firstly to obtain the zero-pressure configuration of patient-specific aortas and subsequently to verify whether the inclusion of the stresses, deriving from the pre-stressed condition, in the virtual models of the aortas themselves might be significant for the outcome of Transcatheter Aortic Valve Implantation (TAVI) procedure simulations. For this reason, the paper is to be considered divided into two macro-sections: Application of the ZeroPressure algorithm and TAVI Simulations. Two patient-specific aortas, obtained by the segmentation from contrast-enhanced CT images, were used for the study. In addition to a research in the materials and thicknesses that best reproduced the physiological mechanical properties of the aortic wall, the area of the aortic sinuses profile and the coronary arteries, it has been necessary to modify the ZeroPressure algorithm in order to consider the aorta in its variety of materials and parts, to set loads and boundary conditions and to allow different software to interact with each other (a skill that is required in the different steps of the followed procedure). To both patients’ aortas (in the initial deformed configuration of the images) the ZeroPressure algorithm was firstly applied (obtaining the zero-pressure configuration), then they underwent a pressurization at 80 mmHg with the aim of obtaining a new deformed configuration, which should be geometrically superimposable on the initial one but inclusive of the pre-stressed state. The reconstructed aortas, in both the deformed configurations (with and without pre-stress) were used within finite element structural simulations of the TAVI procedure, evaluating the differences between their outcomes. These simulations arise from the need to improve the procedural safety of the implant and the analysis showed that the inclusion of the pre-stress is significant in the prediction of any complication, in terms of device positioning, vascular damage and abnormalities of the electrical signal conduction system. The innovation brought about by this work is the achievement, through appropriate changes, of a generalized ZeroPressure algorithm to be used on patient-specific geometries and the proof that the inclusion of the pre-stress in the prediction of TAVI outcomes brings the prediction itself closer to the real case and improves its reliability for a future safer execution in a clinical setting.

L’evoluzione della medicina, soprattutto in campo cardiovascolare, si muove verso lo sviluppo di soluzioni di intervento specifiche per il singolo paziente. I modelli computazionali paziente-specifici, utilizzati nel planning preoperatorio, sono generati a partire dalle immagini diagnostiche, nelle quali il tessuto vascolare si trova in uno stato pre-deformato poiché sottoposto alla pressione sanguigna. La maggior parte dei modelli presenti in letteratura, tuttavia, considera la geometria ricostruita dalle immagini priva di sollecitazioni; da questa assunzione deriva una totale perdita delle informazioni relative alla pre-deformazione e agli stress residui all’interno dei tessuti. Questo lavoro di tesi ha un obiettivo duplice: in primo luogo ricavare la configurazione zero-pressione di aorte paziente-specifiche e successivamente verificare se l’inclusione degli sforzi, derivanti dalla condizione di pre-stress, nei modelli virtuali delle stesse aorte possa essere significativa per l’esito di simulazioni della procedura TAVI (Transcatheter Aortic Valve Implantation). Per questo motivo l’elaborato è da considerarsi suddiviso in due macro-sezioni: Applicazione dell’algoritmo ZeroPressione e Simulazioni TAVI. Per lo studio sono state utilizzate due aorte paziente-specifiche ottenute da segmentazione a partire da immagini TAC con contrasto. Oltre a ricercare i materiali e gli spessori che meglio riproducessero le proprietà meccaniche fisiologiche della parete aortica, della zona di profilo dei seni aortici e delle coronarie, è stato necessario applicare modifiche all’algoritmo ZeroPressione sviluppato in precedenza, per poter considerare l’aorta nella molteplicità di materiali e parti da cui è composta, impostare carichi e condizioni al contorno e mettere in comunicazione software di diversa natura (necessari nei diversi step del procedimento seguito). Ad entrambe le aorte (nella configurazione deformata iniziale delle immagini) sono stati applicati prima l'algoritmo ZeroPressione (ricavando la configurazione zero-pressione) e poi una pressurizzazione a 80 mmHg con lo scopo di ottenere una nuova configurazione deformata, geometricamente sovrapponibile a quella iniziale ma che tenesse conto degli sforzi dovuti allo stato di pre-stress. Le aorte ricostruite dei due pazienti nelle due configurazioni deformate (con e senza pre-stress) sono state impiegate all’interno di simulazioni strutturali ad elementi finiti di riproduzione della procedura TAVI, valutando le differenze tra le due. Tali simulazioni nascono dall’esigenza di migliorare la sicurezza procedurale dell’impianto e dall’analisi è emerso che l’inclusione del pre-stress risulta significativa nella previsione di eventuali complicanze, in termini di posizionamento del dispositivo, danno vascolare e anomalie del sistema di conduzione del segnale elettrico. L’innovazione apportata dal presente lavoro di tesi è quella di aver realizzato, mediante opportune modifiche, la generalizzazione dell’algoritmo ZeroPressione per il suo utilizzo su geometrie paziente-specifiche e aver dimostrato che l’inclusione del pre-stress nella previsione delle complicanze conseguenti a TAVI avvicini la previsione stessa al caso reale e ne migliori l’affidabilità per una successiva esecuzione più sicura in ambito clinico.