A semi-automatic workflow for TAVI pre-procedural planning through finite element modelling : a time-saving approach

Heart valves are the biological structures responsible for the blood flow passage between heart chambers and vessels, opening and closing according to Transvalvular Pressure Drops. Among them, there is the Aortic Valve, which let the blood flow from Left Ventricle towards aorta and then into systemic circulation. In the last decades, there was registered an increase in the number of subjects suffering from heart valve pathologies; specifically for Aortic Valve, one of these pathologies corresponded with Aortic Stenosis, which not consent the valve to open properly during systolic phase of the cardiac cycle for the presence of calcified plaques in the orifice. As a consequence, surgery intervention is usually required to substitute the native valve: Aortic Valve replacement is performed in the last years with Transcatheter Aortic Valve Implantation procedure (TAVI), a minimally invasive alternative to classic open chest procedures under cardio-pulmonary bypass, consisting in the deployment of a prosthetic device brought to the target site by means of a catheter, which is inserted in a distal vessel and run over the circulatory bed to the heart. As for all surgery procedures, complications could occur when implanting the prosthetic device, which in the case of TAVI could coincide with paravalular leakage, a side effect for which the blood flows through a channel between the structure of the implanted valve and native valve leaflets, as a result of a lack of appropriate sealing. In order to predict adverse complications, TAVI pre-procedural simulations can be performed exploting numerical solvers with the aim of highlighting bad behaviours of the interaction between prosthetic device and biological structures. In this context, the aim of this work is to provide a semi-automatic workflow for TAVI pre-procedural planning through finite element modelling: the goal is to emphasise both the run time required by the simulations, moving towards low computational time, and clinical evaluations results, analysing the patterns characterising each simulation.

Le valvole cardiache sono le strutture biologiche responsabili del passaggio di sangue tra le camere cardiache e i vasi, aprendosi e chiudendosi in base alla differenza di pressione transvalvolare. Tra queste, c’è la valvola aortica, la quale fa fluire il sangue dal ventricolo sinistro nell’aorta, entrando nella circolazione sistemica. Negli ultimi decenni si è registrato un aumento del numero di soggetti affetti da patologie valvolari; nel caso specifico della valvola aortica, una di queste patologie corrisponde alla stenosi aortica, che non consente alla valvola di aprirsi correttamente durante la fase sistolica del ciclo cardiaco a causa della formazione nel condotto di depositi calcifici. Di conseguenza, nella maggior parte dei casi è necessario un intervento chirurgico per sostituire la valvola nativa: la sostituzione della valvola aortica viene eseguita negli ultimi anni con la procedura di impianto transcatetere (Transcatheter Aortic Valve Implantation, TAVI), una procedura minimamente invasiva rispetto alle classiche procedure "a cuore aperto" con bypass cardio-polmonare, che consiste nel impianto di un dispositivo protesico portato nel sito d’interesse per mezzo di un catetere, il quale viene inserito in un vaso distale e fatto passare attraverso la circolazione fino al cuore. Come per tutte le procedure chirurgiche, al momento dell’impianto del dispositivo protesico possono verificarsi delle complicazioni, che nel caso della TAVI possono coincidere con il leakage paravalvolare, un effetto collaterale per il quale il sangue scorre attraverso un canale presente tra la valvola impiantata e la valvola nativa, a causa della mancanza di un adeguato ancoraggio del dispositivo. Per valutare potenziali situazioni avverse, software di simulazione meccanica che impiegano il Metodo agli Elementi Finti possono essere utilizzati per svolgere simulazioni pre-procedurale della TAVI, con l’obiettivo di prevedere comportamenti non ottimali nell’interazione tra dispositivo protesico e strutture biologiche. In questo contesto, lo scopo del presente lavoro è quello di fornire un flusso di lavoro semi-automatico per la pianificazione pre-procedurale della TAVI attraverso la modellazione agli elementi finiti: l’obiettivo è quello di enfatizzare sia il tempo richiesto dalle simulazioni, muovendosi verso un basso tempo computazionale, sia i risultati delle valutazioni cliniche, analizzando i pattern che caratterizzano le simulazioni condotte.