Experimental characterization and computational modelling of aspiration catheters for mechanical thrombectomy procedure

In recent decades, stroke has been the second leading cause of mortality according to the World Health Organization. Ischemic stroke is a condition in which a clot occludes a cerebral vessel, interrupting the blood flow, with a resulting lack of oxygen in the brain tissue. A procedure to remove the clot from internal carotid artery (ICA) or middle cerebral artery (MCA) is the mechanical thrombectomy (MT), which exploits the combined action of stent-retriever, which traps and holds the clot, and aspiration catheters, which exert suction on the clot. In silico simulations of the MT procedure can help in understanding the complex interaction between the devices and the clot. Since currently developed in silico MT procedures do not include an adequate model for the aspiration catheter, this thesis aims to analyze catheters commonly employed for MT procedures and model them in silico, finding the material parameters for the best match with the experimental data. The ultimate goal is to develop a catheter model capable of navigating along a patient-specific ICA. For this purpose an experimental characterization was carried out, conducting a cyclic three-point bending test, for which a bench test is designed ad hoc, and a cyclic tensile test. For each catheter different regions are examined, to study the stiffening of the devices from the most distal to the most proximal regions. All the bending curves display a hyperelastic behavior and present a non-negligible hysteresis area. For all the investigated samples, the second and third cycles appear repeatable. Based on the obtained experimental results, it can therefore be stated that the implemented test protocol for the presented evaluation is reliable and repeatable. Afterward, in order to in silico replicate the experimental tests, computational models of the devices under study were implemented, initially more simplistic and then more realistic, with ANSA (BETA CAE Systems International AG, CH) and LS-DYNA (ANSYS, PA, USA). The reproductions of the devices comprise a homogenized hollow tube modeled as a shell and a metallic wires structure (specific for each catheter) discretized with beams. As a result, the material properties to be assigned to the model parts in order to obtain the best possible fit between the experimental and computational curves were derived. Finally, the developed models were led within the reconstruction of an ICA with a tortuous path to study their behaviour in the presence of critical curvatures. Overall, the implemented models demonstrated a suitable performance for their use in MT simulations.

L’ictus, secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità, è la seconda causa di morte negli ultimi decenni. L’ictus ischemico consegue alla mancanza di ossigeno nei tessuti cerebrali dovuta ad un interruzione del flusso sanguigno a causa di un coagulo che occlude i vasi. Per rimuovere un trombo dall’arteria carotidea interna (ICA) o dall'arteria cerebrale media (MCA) si esegue una trombectomia meccanica (MT), che combina l'azione di stent-retriever, per intrappolare il trombo, e di cateteri di aspirazione che esercitano una forza di risucchio sul trombo. Le MT in silico attualmente sviluppate non prevedono un’adeguata riproduzione del catetere di aspirazione, pertanto lo scopo di questa tesi è analizzare cateteri comunemente impiegati e riprodurli in silico, individuando i parametri del materiale per ottenere la miglior corrispondenza con i dati sperimentali. L’obiettivo finale è sviluppare un modello di catetere in grado di navigare lungo una ICA paziente-specifico. A tale scopo è stata effettuata una caratterizzare sperimentalmente, conducendo una prova ciclica di flessione a tre punti, per la quale è stato progettato un apposito banco di prova, e un test ciclico a trazione. Di ciascun catetere sono state esaminate diverse regioni, per valutarne l’irrigidimento dalla parte più distale a quella più prossimale. Le curve a flessione presentano un comportamento iperelastico e un’area di isteresi non trascurabile. Per tutti i campioni analizzati, il secondo e terzo ciclo di prova appaiono ripetibili. Basandosi sui risultati sperimentali, si può affermare che il protocollo di prova implementato è affidabile e ripetibile. Successivamente, al fine di replicare in silico le prove sperimentali, sono stati creati modelli computazionali dei devices, sia semplicistici che più realistici, in ANSA (BETA CAE Systems International AG, CH) e LS-DYNA (ANSYS, PA, USA). Le riproduzioni dei device prevedono un cilindro cavo omogeneo modellizzato come shell e una struttura di fili metallici (specifica per ciascun catetere) discretizzata con beams. E' stato quindi possibile ricavare le proprietà dei materiali per ottenere il miglior fitting tra le curve sperimentali e computazionali. Infine, i modelli sviluppati sono stati guidati all’interno della ricostruzione di una ICA particolarmente tortuosa per verificarne il comportamento in presenza di curvature critiche. Nel complesso, i modelli implementati hanno dimostrato una performance adeguata per l’utilizzo in simulazioni di MT.