Safety of Port-a-cath implantation in everyday life: a finite element study

Nowadays, chemotherapy represents the main therapeutic option chosen in oncology, despite its drawbacks. In fact, patients are subjected to this treatment for a mean time of 6 to 9 months during which, due to continuous venous access, vessel integrity may be compromised. In the last years, total implantable venous access ports have been developed and, the most used is Port-a-cath. It is a permanent central venous access device that can stay in place indefinitely, for months or years. This device is composed of a reservoir from which drugs are delivered through a catheter into a big vein, such as the subclavian, that are periodically loaded in the reservoir through subcutaneous injections without the requirement to locate a vein. Due to its position, the device is visible through the skin, raising concerns in patients about the risk of damaging it or the surrounding tissues during everyday life activities. The aim of the present work is to implement finite element simulations of Port-a-cath implantation and its interactions with the surrounding tissues that may occur during a common soccer ball impact, to evaluate the device’s safety, clarifying which everyday activities are risk-free. A patient-specific human torso model, composed by the ribcage, costal cartilage, muscle, and skin, was obtained through the segmentation process of CT scans of a patient with port-a-cath, whereas internal organs were neglected. A cad model of the device was created with the software Solidworks and correctly positioned inside the torso in correspondence with the post-implantation CT images of the patient. The torso was discretized with tetrahedral elements and the components modelled as linear elastic materials with mechanical properties obtained from literature, while the port-a-cath was considered as rigid. The simulation was performed in two steps, as explicit using the Finite Element software ANSYS-LsDyna. First, the device implantation was simulated by considering the interaction of the device with the muscle and the skin tissues and then a common soccer ball impact was performed. Results demonstrate that when a 7-year-old child shoots a soccer ball with a velocity of 10 m/s hitting a patient with an implanted port-a-cath, the skin and the bone tissues of the patient considered are not particularly damaged by the impact. Some stresses remain in the skin, contrary to what is recorded for the same tissue of a patient without port-a-cath, confirming that is the device’s displacement that generates stresses that remain in the tissue. The damage occurs in the interior muscular walls in direct contact with the port-a-cath, where the stresses generated due to device’s displacement after the impact are comparable with the ultimate tensile stress of the tissue, leading to muscle bruises. Hence, it is necessary to advise patients that want to practice sports to use personal protective equipment (PPE). In fact, this work also demonstrates that if a protective patch is worn, the impact is cushioned by the polyurethane foam protection that absorbs the impact energy preventing stress transfer to the underlying tissues, minimizing the port-a-cath displacement.

Al giorno d'oggi, la chemioterapia rappresenta la principale opzione terapeutica in oncologia, nonostante i suoi svantaggi. Infatti, i pazienti sono sottoposti a questo trattamento per un tempo medio di 6-9 mesi durante i quali, a causa dell'accesso venoso continuo, l'integrità del vaso può essere compromessa. Negli ultimi anni, sono state sviluppate porte di accesso venose totalmente impiantabili, tra cui il Port-a-cath. Si tratta di un dispositivo di accesso venoso centrale permanente che può rimanere impiantato per mesi o anni. Il dispositivo è composto da un serbatoio dove vengono periodicamente caricati i farmaci attraverso iniezioni sottocutanee senza la necessità di individuare una vena, che vengono poi diffusi in un grande vaso sanguigno, come la vena succlavia, tramite un catetere. Il dispositivo è impiantato sottocute e pertanto è visibile attraverso la pelle, generando preoccupazioni nei pazienti circa il suo danneggiamento o dei tessuti circostanti durante le attività quotidiane. Lo scopo del presente lavoro è quello di implementare simulazioni agli elementi finiti dell'impianto del port-a-cath e delle sue interazioni con i tessuti circostanti che possono verificarsi a causa di un comune impatto con un pallone da calcio, per valutare la sicurezza del dispositivo, chiarendo quali attività quotidiane sono prive di rischio. Un modello del torso umano paziente-specifico, composto da gabbia toracica, cartilagine costale, muscolo e pelle, è stato ottenuto tramite segmentazione di immagini CT di un paziente con port-a-cath, trascurando gli organi interni. Un modello cad del dispositivo è stato creato con il software Solidworks e correttamente posizionato all'interno del torso in corrispondenza delle immagini CT post-impianto del paziente. Il torso è stato discretizzato con elementi tetraedrici e i componenti modellati come materiali elastici lineari con proprietà meccaniche ottenute dalla letteratura, mentre il port-a-cath è stato considerato rigido. In primo luogo, è stato simulato l'impianto del dispositivo considerando la sua interazione con muscolo e pelle, in seguito l’impatto con un comune pallone da calcio. I risultati dimostrano che quando un bambino di 7 anni calcia un pallone, imprimendo una velocità di 10 m/s, e colpisce un paziente con un port-a-cath, la pelle e i tessuti ossei del paziente non rimangono particolarmente danneggiati dall'impatto. Alcune tensioni residue rimangono nella pelle, contrariamente a quanto registrato nello stesso tessuto ma di un paziente senza port-a-cath, confermando che è lo spostamento del dispositivo a generare le tensioni nel tessuto. Il danno si verifica nelle pareti muscolari interne a diretto contatto con il port-a-cath, dove gli stress generati dallo spostamento del dispositivo per l'impatto sono paragonabili allo sforzo massimo sopportabile dal tessuto, generando edemi muscolari. Pertanto, è necessario consigliare ai pazienti che desiderano praticare sport, di utilizzare un dispositivo di protezione individuale (DPI). Infatti, questo lavoro dimostra che se viene indossata una protezione, l'impatto viene ammortizzato dalla stessa che, essendo fatta in poliuretano espanso, assorbe l'energia d'impatto impedendo il trasferimento dello stress ai tessuti sottostanti, riducendo al minimo lo spostamento del port-a-cath, e di conseguenza il danno al tessuto.