Clinical image analysis to build virtual acute ischemic stroke patients for thrombectomy procedures

The acute ischemic stroke (AIS) is one of the leading causes of disability and mortality in the world and occurs when a clot obstructs a cerebral vessel, hence the oxygenation and nourishment of some areas of the brain are impaired. The mechanical thrombectomy (MT), consisting in a minimally invasive procedure during which clot is removed with the use of stent-retriever and/or aspiration catheters, is the current standard of care in case of large cerebral vessel occlusions. Despite the promising and encouraging outcomes of the procedure, efforts are still being made to develop novel techniques and devices to improve patients' functional outcomes. To reach such goal, in-silico simulations may be a valuable tool because they would allow to evaluate the performance of devices and/or techniques under different conditions, including vessel morphology, clot position and composition. The realistic representation of such structures is a starting point for the simulations, therefore the present work aims to develop a methodology to virtually reproduce patient-specific obstructed cerebral vessels. Radiological images (computed tomography angiographies (CTA) and computed tomographies (CT)) of seven patients are first analyzed to gather information about thrombi position, length and composition, then an automatic procedure is developed to create the models of the clots and to set up the simulations of clot positioning. Finite Element Analyses (FEA) are carried out for each patient and the outcomes are qualitatively compared with clinical images, indicating that the presented methodology quickly and realistically reproduce the pathological condition of each patient. Moreover, the composition of each clot estimated from the analysis of radiological images is compared with histological analysis, demonstrating the reliability of the presented methodology in identifying red blood cells-rich clots from red blood cells-poor clots. Ultimately, a first attempt of the in-silico MT procedure with stent-retriever, proximal and distal aspiration catheters is performed on one of the patient-specific cases with the aim of replicating the in-vivo procedure.

L'ictus ischemico acuto (AIS) rappresenta una delle cause principali di disabilità e mortalità nel mondo e avviene quando un coagulo ostruisce un vaso cerebrale, pertanto l'ossigenazione e il nutrimento di alcune aree del cervello vengono compromesse. La trombectomia meccanica (MT), procedura mininvasiva durante la quale il coagulo viene rimosso mediante l'uso di stent-retriever e/o cateteri di aspirazione, è l'attuale standard di cura per le occlusioni di vasi di grande calibro. Nonostante i risultati promettenti ed incoraggianti della procedura, si stanno ancora compiendo sforzi per sviluppare nuove tecniche e nuovi dispositivi al fine di migliorare gli esiti funzionali dei pazienti. Le simulazioni in-silico possono essere un valido strumento per raggiungere tale obiettivo in quanto permettono di valutare le prestazioni di dispositivi e/o tecniche sotto diverse condizioni, inclusi morfologia dei vasi, posizione e composizione del coagulo. La rappresentazione realistica di tali strutture costituisce il punto di partenza per le simulazioni, pertanto il presente lavoro di tesi si pone l'obiettivo di sviluppare una metodologia per riprodurre virtualmente vasi cerebrali ostruiti paziente-specifici. In primo luogo, le immagini radiologiche (angiografie con tomografia computerizzata (CTA) e tomografie computerizzate (CT)) di sette pazienti sono state analizzate per raccogliere informazioni riguardanti la posizione, la lunghezza e la composizione dei trombi; successivamente è stata sviluppata una procedura automatica per creare i modelli dei coaguli e per impostare la simulazione di posizionamento del trombo. Sono state poi effettuate delle Analisi agli Elementi Finiti (FEA) per ogni paziente e i risultati sono stati comparati qualitativamente con le immagini cliniche, indicando che la metodologia qui presentata è in grado di riprodurre velocemente e realisticamente la condizione patologica di ogni paziente. Inoltre, la composizione di ogni coagulo stimata dall'analisi delle immagini radiologiche è stata confrontata con i risultati delle analisi istologiche, dimostrando l'affidabilità della metodologia nell'identificazione di coaguli ricchi di globuli rossi dai coaguli poveri di globuli rossi. Infine, è stato effettuato un primo tentativo in-silico della procedura di MT con stent-retriever e cateteri di aspirazione distale e prossimale su uno dei casi paziente-specifici con l'obiettivo di replicare la procedura eseguita in-vivo.