Sviluppo e validazione di un modello meccanico fenomenologico di danno per la descrizione di arterie coronariche paziente-specifiche durante la procedura di stenting

Atherosclerosis is the main cause of death among cardiovascular diseases, and the commonly used treatment to restore the physiological lumen of coronary vessels that have been narrowed by atherosclerotic plaque is stent insertion. The primary risks of stent implantation failure are restenosis and intra-stent thrombosis. The occurrence of these adverse events is mainly related to arterial damage during treatment and stent malposition at the end of the surgical procedure. Finite element analysis (FEA) of the artery during stent placement is a useful tool that can reliably mimic the specific clinical reality of the patient and investigate potential causes of these adverse events, leading to improvements in individual treatments. To achieve a good compromise between accuracy in describing mechanical phenomena and computational costs, a simple but effective computational method has been developed to describe the yieldingness of the arterial wall. Specifically, in this thesis, a phenomenological damage mechanical model is calibrated and validated to describe the behavior of patient-specific coronary arteries reconstructed from pre-treatment OCT images during stent implantation. In particular, in the six cases available for this study, heterogeneous both for the clinical procedure and plaque composition, media and adventitia layers are described with a hyperelastic-plastic model calibrated using in vivo circumferential data, combined with a ductile damage model, taking into account in vivo pressurization and pre-stretching. Validation of this artery modeling method was tested by reproducing in silico the clinical stent insertion procedures of six patient-specific cases and comparing the computational results with experimental measurements of post-treatment lumen area. The model shows good predictive capabilities compared to clinical post-treatment measurements when the artery is subjected to low and high deformations; therefore, it can be considered a potential candidate for realistically describing the mechanical behavior of coronary arteries in a large digital population. In addition, the sensitivity of the developed model to plaque component differentiation was evaluated to examine its credibility even in the absence of such information. Despite the resulting model having some uncertainties compared to the reference model, which can be associated with the shape of the atherosclerotic plaque, it can still be considered reliable if error intervals are contained.

L’aterosclerosi è la principale causa di morte tra le patologie cardiovascolari e, al fine di ripristinare il lume fisiologico dei vasi coronarici, ristretto dalla placca aterosclerotica, viene comunemente trattata con l’inserimento di stent. I principali rischi di fallimento legati all’impianto sono la ristenosi e la trombosi intra-stent. L'insorgenza di questi eventi avversi è principalmente correlata alla presenza di danno arterioso durante il trattamento e malposizionamento dello stent al termine della procedura chirurgica. L'analisi agli elementi finiti (FEA) dell’arteria durante il posizionamento dello stent è uno strumento utile in grado di imitare in modo affidabile la realtà clinica specifica del paziente ed indagare sulle potenziali cause di tali eventi avversi, portando a miglioramenti nei trattamenti individuali. Per ottenere un buon compromesso tra accuratezza nella descrizione meccanica dei fenomeni fisici e costi computazionali è stato sviluppato un metodo computazionale semplice ma efficace nel descrivere la cedevolezza della parete arteriosa. Nello specifico, in questo lavoro di tesi viene calibrato e validato un modello meccanico fenomenologico di danno per descrivere il comportamento delle arterie coronariche paziente-specifiche, ricostruite a partire da immagini OCT pre-trattamento, durante l’impianto di stent. In particolare, nei sei casi disponibili per tale studio, eterogenei sia per la procedura clinica che per la composizione di placca, gli strati di media e avventizia sono stati descritti con un modello iperelastico-plastico, calibrato utilizzando i dati circonferenziali in vivo, combinato con un modello di danno duttile, tenendo conto della pressurizzazione in vivo e del pre-stiramento assiale. La validazione di questo metodo di modellazione dell'arteria è stata testata riproducendo in silico le procedure cliniche di inserimento dello stent di sei casi paziente-specifici e confrontando i risultati computazionali con le misure sperimentali dell'area del lume post-trattamento. Il modello mostra buone capacità predittive rispetto alle misure cliniche post-trattamento quando l’arteria è sottoposta a basse e ad elevate deformazioni, pertanto può essere considerato un potenziale candidato per descrivere realisticamente il comportamento meccanico delle arterie coronariche di un’ampia popolazione digitale. Inoltre, è stata valutata la sensibilità del modello sviluppato alla differenziazione dei componenti di placca in modo da esaminare la sua credibilità anche in assenza di tali informazioni. Nonostante il modello risultante presenti alcune incertezze rispetto al modello di riferimento, che possono essere associate alla forma della placca aterosclerotica, si può comunque ritenere affidabile se gli intervalli di errore sono contenuti.