Finite element modeling to support patient-specific planning of PPVI: an automated and time-saving approach

The calcific obstruction of the Right Ventricle Outflow Tract (RVOT) frequently occurs after conduit implantation to treat Congenital Heart Diseases (CHDs). Combining prestenting of the conduit and Percutaneous Pulmonary Valve Implantation (PPVI) can extend the lifespan of the conduit and treat Pulmonary Artery (PA) insufficiency and stenosis. However, this procedure requires accurate pre-clinical evaluation to assess patient eligibility and minimize the risk of complications. The most concerning complication is Coronary Artery (CA) compression, which affects almost 5% of eligible patients, requiring emergency treatment to save the patient’s life in occurrence. Other complications include stent fracture, damage to the RVOT, and compression of the Aortic Root (AR) which can lead to Aortic Valve (AV) insufficiency. Finite Element (FE) modeling has been used as a non-invasive tool to predict the risk of these adverse events by Caimi et al. However, a major limitation of the approach proposed by Caimi et al. was that it required time-consuming manual intervention by expert engineers, making it unsuitable for extensive clinical use for pre-procedural planning. This work aims to modify the approach proposed by Caimi et al. to make it more compatible with extensive and clinically oriented use. Anatomical surfaces of nine patients who were candidates for PPVI procedure were provided by Policlinico San Donato. They were tested with an automatic and semi-automatic pre-processing pipeline, low computational demanding FE simulation of pre-stenting procedure to replicate the outcome of PPVI, and automatic post-processing of the results. An automatic pre-processing of the anatomy pipeline was developed. The surface triamgulations obtained by the segmentation were first cutted to reduce their extension, smoothed to remove noises and surface discontinuities, and remesh to generate a homogenous highquality mesh. The armamentarium of the procedure (Cheatham Platinum (CP) stent and Balloon-in-Balloon (BiB) delivery system) was then placed through a user-friendly application. The FE model was optimized to reach the best compromise between computational time and accuracy to replicate the pre-stenting procedure. Relevant data, such as the risk of CA compression, metrics to evaluate the capability of the PPVI procedure ii | Abstract to resolve the stenosis, calcium relocation, and calcium stress distribution, were extracted automatically from the results for pre-procedural planning. The proposed FE framework was capable of automatically generating high-quality meshes of the patient’s initial geometries and executing simulations in a time-compatible manner with pre-procedural planning. The tool was highly sensitive and detected correctly the two cases in which patients did not undergo PPVI, one for the occurrence of CA compression and the other for excessive conduit size. In four patients, the prediction of eligibility for PPVI was correctly captured. In two patients, the tool detected the risk of CA compression, even if it did not happen clinically. Furthermore, the tool evaluated conduit expansion parameters, highlighted higher expansion in patients with initially small conduits, and determined the displacement and mechanical loading of calcific deposits induced by stent deployment. This novel framework has the potential to be used for pre-procedural planning of PPVI. It can detect risky scenarios of CA compression in a relatively low computational time and provide relevant information about the outcome of the procedure. The tool is automatic and user-friendly, making it suitable for use by clinicians who are not expert engineers.

L’ostruzione calcifica dell’outlet del ventricolo destro (Right Ventricle Outflow Tract (RVOT)) si verifica frequentemente dopo l’impianto di un condotto per trattare le cardiopatie congenite. La combinazione di pre-stenting del condotto e Percutaneous Pulmonary Valve Implantation (PPVI) può prolungare la durata del condotto e trattare l’insufficienza e la stenosi dell’arteria polmonare. Tuttavia, questa procedura richiede una valutazione preclinica accurata per valutare l’idoneità del paziente e minimizzare il rischio di complicazioni. La più preoccupante è la compressione dell’arteria coronaria, che interessa quasi il 5% dei pazienti idonei e richiede un trattamento d’emergenza per salvare la vita del paziente in caso di avvenimento. Altre complicanze includono la frattura dello stent, il danneggiamento del RVOT e la compressione dell’aorta, che può portare all’insufficienza della valvola aortica. La modellizzazione degli elementi finiti è stata considerata come uno strumento non invasivo per prevedere il rischio di questi eventi avversi da Caimi et al. Tuttavia, una limitazione principale dell’approccio proposto da Caimi et al. era la necessità di un intervento manuale e molto duraturo da parte di ingegneri esperti, rendendolo inadatto per un uso clinico esteso per la pianificazione pre-procedurale. Questo lavoro mira a modificare l’approccio proposto da Caimi et al. per renderlo più compatibile con un uso esteso e orientato alla pratica clinica. Le superfici anatomiche di nove pazienti candidati alla procedura di PPVI sono state fornite dal Policlinico San Donato. Sono stati testati con una pipeline di pre-elaborazione automatica e semi-automatica, una simulazione a elementi finiti a basso consumo di tempo computazionale del procedimento di pre-stenting per replicare l’esito della PPVI, e una post-elaborazione automatica dei risultati. La pipeline di pre-elaborazione dell’anatomia consiste nel taglio, che ha l’obiettivo di ridurre l’estensione del dominio, nello smoothing per levigare le superfici e ridurre rumori e discontinuità superficiali e nel remeshing delle triangolazioni superficiali ottenute dalla segmentazione per generare una maglia di alta qualità. Lo strumentario della procedura (il CP stent e il Balloon-in-Balloon (BiB) delivery system) è stato quindi posizionato attraverso un’applicazione user-friendly, e un modello a elementi finiti è stato ottimizzato per raggiungere il miglior compromesso tra tempo di calcolo e precisione per replicare la procedura di pre-stenting. Dati rilevanti, come il rischio di compressione dell’arteria coronaria, le metriche per valutare la capacità della procedura PPVI di risolvere la stenosi, la ricollocazione del calcio e la distribuzione dello stress del calcio sono stati estratti automaticamente dai risultati per la pianificazione pre-procedurale. Il framework proposto è stato in grado di generare automaticamente mesh di alta qualità delle geometrie iniziali dei pazienti ed eseguire simulazioni in modo compatibile con il tempo necessario per la pianificazione pre-procedurale. Lo strumento ha mostrato alta sensitività e ha individuato correttamente i due pazienti in cui non è stato effettuata la PPVI, uno per l’occorrenza di compressione dell’arteria coronaria e l’altro per la dimensione eccessiva del condotto. In quattro pazienti è stata correttamente prevista l’idoneità per la procedura di PPVI, mentre in due pazienti lo strumento ha rilevato il rischio di compressione dell’CA anche se non si è verificato clinicamente. Inoltre, lo strumento ha valutato i parametri di espansione del condotto, evidenziando una maggiore espansione nei pazienti con condotti inizialmente piccoli, e ha determinato lo spostamento e il carico meccanico dei depositi calcifici indotti dall’espansione dello stent. Questo nuovo approccio ha il potenziale per essere utilizzato per la pianificazione preprocedurale di PPVI. È in grado di rilevare scenari a rischio di compressione coronarica in un tempo di calcolo relativamente basso e fornire informazioni rilevanti sull’esito della procedura. Lo strumento è automatico e user-friendly, rendendolo adatto all’uso da parte di clinici che non sono esperti ingegneri.