Computational simulations of the TEVAR procedure in idealised aortic arches

The Thoracic Endovascular Aortic Repair (TEVAR) is a minimally invasive surgical technique used to treat thoracic aortic pathologies such as aneurysms, dissections or ulcerations. It consists of releasing a self-expandable stent-graft inside pathological regions of the vessel to restore its lumen. Thanks to its advantages with respect to the traditional approach (i.e., the open surgery), such as its low invasiveness, this technique is largely adopted by clinicians, especially on older patients. However, its long-term effects are still unclear. For this reason, computational simulations can be a useful tool, allowing to predict the outcomes of TEVAR and helping clinicians in the planning of the procedure. To the best of the authors’ knowledge, no studies are present in the literature that compared the TEVAR procedure in the different aortic arches and landing zones using numerical simulations. This thesis aims to analyse the TEVAR intervention in three idealised healthy aortic arches (Type I, II and III). The vessels have been modelled following a classification found in literature, meshed and pre-stressed. Subsequently, two different commercially available devices of the same size have been selected for the study: the Medtronic Valiant Captivia® and ZENITH Alpha Cook®. Validated Finite Element simulations have been carried out to replicate the device deployment in three different landing zones (1, 2 and 3). Then, parameters that can be related to the outcome of the TEVAR procedure have been analysed: the stress distribution on both the device and the vessel, their relative distances and the contact pressures on the aorta after stent-graft deployment. In particular, the different devices, arch types and landing zones have been compared. The results allow highlighting the differences between the two devices considered and the effect of the aortic morphology on the TEVAR procedure. It resulted that the Valiant device has lower distances from the vessel: the average value is around 0.6-0.7mm, while it reaches 1mm for Cook device. It also induces lower stresses (0.08-0.11MPa vs 0.11-0.13MPa) and lower contact pressures (7-17kPa vs 31-43kPa) on the aorta, while its graft is more stressed with respect to Cook device. The study of the stress values generated on the aorta revealed that Type III aortic arch is more stressed (0.09-0.13MPa vs 0.08-0.11MPa) than the other two, both before and after the stent-graft implantation; moreover, landing zone 3 has the highest average stress on the aorta when considering the same device and arch type (0.11-0.12MPa vs 0.08-0.11MPa).

La Riparazione Endovascolare dell’Aorta Toracica (TEVAR) è una tecnica chirurgica mininvasiva, usata per trattare patologie dell’aorta toracica come aneurismi, dissezioni o ulcerazioni. Consiste nel rilascio di uno stent-graft auto-espandibile in regioni patologiche del vaso al fine di ripristinare il suo lume. Grazie ai suoi vantaggi rispetto all’approccio tradizionale (la chirurgia a cuore aperto), come la sua limitata invasività, questa tecnica è largamente adottata dai clinici, specialmente su pazienti anziani. Tuttavia, i suoi effetti a lungo termine sono ancora poco noti. Per questo motivo, le simulazioni computazionali possono essere uno strumento utile, in quanto permettono di predire l’esito della procedura TEVAR e supportano i medici nella pianificazione della stessa. Per quanto a conoscenza degli autori, nessuno studio presente in letteratura ha mai comparato la procedura TEVAR nei differenti archi aortici e zone di atterraggio attraverso simulazioni numeriche. Questa tesi ha come obbiettivo l’analisi della procedura TEVAR in tre archi aortici idealizzati sani (Tipo I, II e III). I vasi sono stati modellati seguendo una classificazione da letteratura, discretizzati e pre-stressati. In seguito, due diversi dispositivi commerciali della stessa taglia sono stati selezionati per lo studio: Medtronic Valiant Captivia® e ZENITH Alpha Cook®. Simulazioni a Elementi Finiti validate sono state condotte per replicare il rilascio del dispositivo in tre diverse zone d’atterraggio (1, 2 e 3). In seguito, sono stati analizzati parametri relazionabili al successo della procedura TEVAR: la distribuzione degli sforzi sia sul dispositivo che sul vaso, la loro distanza relativa e le pressioni di contatto sull’aorta dopo il rilascio dello stent-graft. In particolare, sono stati comparati tra loro i diversi dispositivi, tipi di arco e zone d’atterraggio. I risultati hanno evidenziato le differenze tra i due dispositivi considerati e l’effetto della morfologia aortica sulla procedura TEVAR. È risultato che il dispositivo Valiant ha inferiori distanze dal vaso: il valore medio è circa 0.6-0.7mm, mentre raggiunge 1mm per il dispositivo Cook. Esso induce anche minori sforzi (0.08-0.11MPa vs 0.11-0.13MPa) e minori pressioni di contatto (7-17kPa vs 31-43kPa) sull’aorta, mentre il suo graft è più stressato rispetto al dispositivo Cook. Lo studio dei valori di sforzo generati sull’aorta ha rivelato che l’arco aortico di Tipo III è più stressato (0.09-0.13MPa vs 0.08-0.11MPa) rispetto agli altri due, sia prima che dopo l’impianto dello stent-graft; inoltre, la zona di atterraggio 3 ha il più alto sforzo medio sull’aorta quando si considera lo stesso dispositivo e tipo di arco (0.11-0.12MPa vs 0.08-0.11MPa).