Image-based finite element modelling of tricuspid valve biomechanics

Tricuspid regurgitation (TR) affects 1.6 million people in the USA and is associated with an increased risk of mortality. There are few studies in the literature that have investigated the biomechanics of the tricuspid valve (TV), and the interest of the scientific community has only recently increased. The herein thesis is focused on a finite element analysis (FEA) methodological study to assess the importance of modelling the CTs of the TV. The numerical model is based on TV echocardiographic images acquired on an ex-vivo porcine heart with TR. The main structures were manually segmented at end-diastole (ED) and systolic peak (SP) frames. The numerical model comprised four key structures: leaflets at ED, leaflets at SP, PMs, and CTs. The meshes of the leaflets require filtering, resampling, and triangulation. The apices of the papillary muscles (PMs) were reconstructed through tracing and anatomical information. CTs were not visible on echocardiographic images, prompting the exploration of two reconstruction strategies: a parametric model for TV based on existing literature, and an alternative functionally equivalent model previously employed for mitral valves. The leaflets at SP were modelled as a rigid surface, whereas the leaflets at ED were modelled with a hyperelastic constitutive material model. For CTs Weiss and Saint Venant-Kirchhoff constitutive models were investigated. To ensure the reproduction of the TV SP configuration, a pipeline consisting in a sequence of 3 simulations was implemented to calibrate the length of the CTs. The model was used to simulate the TV closure and to validate a new surgery strategy to solve TR. Four combinations of CTs modelling were executed. The Weiss material constitutive model demonstrated effectiveness in capturing the biomechanics of the TV. The functionally equivalent model showed promise in representing the TV biomechanics, whereas the parametric TV model proved more reliable in assessing the effects of surgical interventions. Overall, this work provides an initial definition of a complete workflow to model a patient-specific pathological TV and lays the basis for the evaluation of a surgical procedure from echocardiographic data.

Il rigurgito tricuspidale (TR) colpisce 1,6 milioni di persone negli USA ed è associato a un aumento del rischio di mortalità. In letteratura esistono pochi studi che indagano la biomeccanica della valvola tricuspide (TV) e l'interesse della comunità scientifica è aumentato solo di recente. La tesi è incentrata su uno studio metodologico di analisi agli elementi finiti (FEA) per valutare la modellazione delle chordae tendineae (CTs) della TV. Il modello numerico si basa su immagini ecocardiografiche della TV acquisite su un cuore porcino ex-vivo con TR. Le strutture principali sono state segmentate manualmente a fine diastole (ED) e a picco sistole (SP). Il modello numerico comprende quattro strutture chiave: lembi a ED, lembi a SP, PMs e CTs. La mesh dei foglietti ha richiesto filtraggio, ricampionamento e triangolazione. Gli apici dei muscoli papillari (PMs) sono stati ricostruiti utilizzando i tracciamenti e informazioni anatomiche. Le CTs non sono visibili dalle immagini ecocardiografiche, il che ha portato a esplorare due strategie di ricostruzione: un modello parametrico per la TV presente in letteratura e un modello funzionalmente equivalente precedentemente impiegato per le valvole mitrali. I lembi a SP sono stati modellati come una superficie rigida, mentre il materiale dei lembi a ED è stato descritto con un modello costitutivo iperelastico. Per le CTs sono stati studiati i modelli costitutivi di Weiss e Saint Venant-Kirchhoff. Per garantire la riproduzione della configurazione SP della TV, è stata implementata una pipeline costituita da una sequenza di 3 simulazioni che calibrano la lunghezza delle CTs. Il modello è stato utilizzato per simulare la chiusura della TV e per valutare una nuova strategia chirurgica per risolvere il TR. Sono state eseguite quattro combinazioni di modellazione delle CT. Il modello costitutivo di Weiss si è dimostrato efficace nel catturare la biomeccanica della TV. Il modello funzionalmente equivalente si è dimostrato promettente nel rappresentare la biomeccanica della TV, mentre il modello parametrico si è reso più affidabile nel valutare gli effetti degli interventi chirurgici. Nel complesso, questo lavoro fornisce una prima definizione di un flusso di lavoro completo per modellare una TV patologica specifica del paziente e pone le basi per la valutazione di una procedura chirurgica e dai dati ecocardiografici.