Sviluppo di una procedura semi-automatica per la generazione di pazienti virtuali per simulazioni di trombectomia meccanica

To date, the thrombectomy procedure is the most promising treatment for acute ischaemic stroke (AIS): it is a non-invasive procedure that consists of a mechanical extraction of the clot using a stent-retriever and it leads to the recanalization of the occluded artery. Forecasting the surgery outcome through computational simulations can represent a huge support both in clinical practice and in the development and validation of new technologies. However, its reliability depends on the accuracy of the reproduction of every single component that characterizes the real procedure. On that basis, this master’s thesis aims at developing a rapid semi-automized procedure that models patient-specific cerebral arteries. Specifically, 17 vascular geometries were reconstructed from the data of the coordinates of the vessels centerline nodes and their diameters extracted by the segmentation of CT images. The accuracy of the CAD models, consisting of the internal carotid, middle cerebral and anterior cerebral arteries, was evaluated by both a qualitative and a quantitative analysis of the relative distances with the STL models, obtained by the segmentation of CT images and characterized by irregular and raw surfaces. At last, the occlusion site and the thrombus models were added and four complete mechanical thrombectomy simulations with stent-retriever were run to validate the applicability of the modelled geometries and compare them with the related STL models, both in terms of the procedure outcome and thrombus stress field. The modelling algorithm reproduced efficiently and quickly the vascular surfaces that could be used in FEM analyses. Although the limited number of patients, the thrombectomy virtual procedures using the CAD had different results from the one using their corresponding STL models, in term of simulations outcome and thrombus stress fields. Further developments would allow the optimization of the methodology and the creation of virtual patients populations by using sophisticate algorithms that could be used in in-silico simulations.

Ad oggi, il trattamento più promettente per pazienti affetti da ictus ischemico acuto è la procedura di trombectomia, che consiste nella ricanalizzazione dell’arteria occlusa da un trombo tramite estrazione meccanica per via mininvasiva, attraverso uno stent-retriever. La previsione dell’esito dell’intervento chirurgico attraverso simulazioni computazionali può essere di grande supporto sia nella pratica clinica che nello sviluppo e validazione di nuove tecnologie, ma la sua affidabilità è basata su una fedele riproduzione di tutti gli elementi che caratterizzano la procedura reale. A tale scopo, questo lavoro di tesi si propone come obiettivo l’implementazione di una procedura rapida ed automatizzata per la modellizzazione CAD della geometria vascolare paziente-specifica. In particolare, sono state ricostruite 17 geometrie vascolari basandosi sulle coordinate dei punti della centerline dei vasi e i rispettivi diametri ottenuti dalla segmentazione di immagini TAC. L’accuratezza dei modelli CAD, composti dall’unione delle arterie carotide interna, cerebrale media e cerebrale anteriore, è stata in seguito validata attraverso una valutazione qualitativa e quantitativa degli scostamenti rispetto ai modelli STL, ottenuti direttamente dalla segmentazione delle immagini TAC e caratterizzati da superfici irregolari e discontinue. Infine, modellizzando anche il sito di occlusione ed il trombo, sono state eseguite quattro simulazioni complete di trombectomia meccanica con stent-retriever con lo scopo di verificare l’applicabilità delle geometrie ricostruite per simulazioni numeriche e confrontarle con i rispettivi modelli STL, in termini di esito della procedura e campo di sforzo generato sul trombo. L’algoritmo di modellizzazione si è mostrato efficace nel ricostruire rapidamente ed accuratamente superfici vascolari patient-specific da essere utilizzate in analisi a elementi finiti. Nonostante la bassa numerosità dei pazienti in esame, le procedure di trombectomia virtuali effettuate sui modelli CAD e sui relativi STL hanno evidenziato diversi esiti in termini di rimozione del trombo. Sviluppi futuri permetteranno di ottimizzare la metodologia e di generare, attraverso sofisticati algoritmi, popolazioni virtuali da utilizzare nelle simulazioni in-silico.