In vitro and in silico study of direct aspiration thrombectomy

The acute ischemic stroke (AIS) is a neurological dysfunction characterised by an interruption of blood in the cerebral arteries, due to the formation of a thrombus. A thrombus is a clot of blood made by platelets, red blood cells, fibrin and white blood cells. The medical procedure to remove the clot is called thrombectomy, which can be performed with different techniques. This thesis focuses on the direct aspiration thrombectomy (ADAPT) which consists in the insertion of a microcatheter trough the femoral artery to remove the clot by aspiration. The first part of this work aims at developing an in vitro model which replicates the thromboaspiration to investigate the main parameters which influence its outcomes. The second part has the purpose of implementing a valid in silico model, based on the data collected, in order to obtain an accurate replication of aspiration experiments. Forty-two tests were carried out at the Erasmus Medical Center (Rotterdam, NL) on the experimental set up, built to mimic the suction process of the ADAPT. The in vitro model consists of a straight segment of PVC tube, as a cerebral artery analogue, filled with buffer solution, a PTFE tube as the catheter and the thrombus made from fresh human blood. The experiments were conducted using two different clot compositions: platelets-rich-plasma (PRP) thrombi, characterised by the absence of RBCs, and whole-blood (WB) thrombi made up of 45% RBCs. The main parameters investigated are the clot-catheter distance, the influence of the mechanical properties of the two compositions, the negative pressure values necessary to perform the aspiration and the fragmentation. Subsequently a finite element structural analysis has been carried out to create a computational model replicating eight experiments, with a zero clot-catheter distance. In conclusion, a consistency between the experimental and numerical outcomes was found, which validated the reliability of the model made. In the future, the fluidic component could be integrated into the simulations to achieve more accurate results, especially concerning fragmentation.

L’ictus ischemico acuto è una disfunzione neurologica caratterizzata da un’interruzione del flusso sanguigno nelle arterie cerebrali, dovuta alla formazione di un trombo. Un trombo è un coagulo di sangue formato da piastrine, globuli rossi, fibrina e globuli bianchi. La procedura medica per rimuovere il coagulo è chiamata trombectomia, che può essere eseguita con diverse tecniche. Questa tesi si concentra sulla trombectomia ad aspirazione diretta, che prevede l’inserimento di un microcatetere tramite arteria femorale per rimuovere il coagulo mediante aspirazione. La prima parte di questo lavoro mira a sviluppare un modello in vitro che riproduca la tromboaspirazione per indagare i principali parametri che ne influenzano gli esiti. La seconda parte ha lo scopo di implementare un modello in silico valido, basato sui dati raccolti, per ottenere una replica accurata degli esperimenti di aspirazione. Quarantadue test sono stati eseguiti all’Erasmus Medical Center (Rotterdam, Olanda), su un set up sperimentale, costruito per simulare il processo di aspirazione della tromboaspirazione. Il modello in vitro consiste in un segmento rettilineo di un tubo in PVC, analogo all’arteria cerebrale, riempito con una soluzione buffer, un tubo in PTFE come catetere e un trombo ottenuto da sangue umano. Gli esperimenti sono stati condotti usando due diverse composizioni del coagulo: i trombi piastrine ricche di plasma (PRP) caratterizzati dall’assenza di globuli rossi e i trombi di sangue intero (WB) costituiti dal 45% di globuli rossi. I principali parametri studiati sono la distanza clot-catetere, l’influenza delle proprietà meccaniche delle due composizioni, i valori di pressione negativa necessari per l’aspirazione e la frammentazione. Successivamente è stata condotta un’analisi strutturale a elementi finiti per creare un modello computazionale che replichi otto esperimenti, con una distanza nulla tra clot e catetere. In conclusione, è stata riscontrata una coerenza tra i risultati sperimentali e numerici, che ha convalidato l’affidabilità del modello realizzato. In futuro, la componente fluidica potrebbe essere integrata nelle simulazioni per ottenere risultati più accurati, soprattutto per quanto riguarda la frammentazione.