In silico reproduction of EVAR procedure

The aorta is the artery that delivers oxygen-rich blood from the heart to the other parts of the body. Starting from the left ventricle, it curves forming the aortic arch, then crosses the chest and the abdomen, where it becomes the abdominal aorta. Abdominal aortic aneurysm (AAA) is one of the most common vascular pathologies, that affects approximately 0.4 to 0.67% of Western populations. It is a localized dilatation of the infrarenal aorta that has the tendency to gradually enlarge. In case of intervention, there exists two different approaches to treat the AAA: the open aneurysm repair (OAR) or the endovascular aneurysm repair (EVAR). EVAR is a minimally invasive procedure based on the implantation of a bifurcated stent graft, crimped on a catheter, introduced in the body through femoral or iliac access, and then deployed inside the aneurysm in order to exclude this from the circulation. Commercial SGs are commonly made in different materials for the two structural components, stainless steel or Nitinol for the stent wires and ePTFE or PET for the graft tube. The final aim of this thesis is the in silico reproduction of the EVAR procedure for a patient-specific geometry, by means of the tracking computational approach, already validated for the TEVAR surgery related to the thoracic aortic aneurysm. The interested device is the Endurant II by Medtronic. The first step was the CAD modeling of the device geometry by means of SolidWorks, followed by the discretization process of both the stent and graft component in ANSA. The stent component was meshed with beam elements, while 2D triangular shell mesh elements were used for the graft, with an element size resulted from a mesh sensitivity analysis. Once the device model was completed, it was necessary to perform a pre-stress process, in order to represent the original configuration in which both the stent and the graft component highlight some residual stresses. Then, it was provided to us also an aortic model descending from the pre- operative patient-specific CT images. The computational reproduction of the total intervention in a patient-specific geometry mimics the clinical procedure and can be divided into three main steps: SG crimping, displacement, and deployment. A preliminary series of crimping-release trials has been performed to reproduce computationally this type of experimental trials. Moving to the simulation of the whole EVAR procedure, the first step is the crimping phase, different from the previous simulation because of the absence of the releasing phase, that takes place just in the final phase. Then, starting from the crimped configuration of the device the displacement phase occurs: the SG accessed the right iliac artery of the model, following the centerline of the vessel and entering the right catheter. Finally, once the SG has landed in the renal arterial district, it turns gradually from the crimped configuration to the original one during the deployment phase. At this point, a significant pool of trials has been launched both for the crimping-release simulations and the total EVAR, modifying parameters including contacts, damping, device positioning and materials properties, to avoid the enduring presence of imperfect graft deployment and limbic compenetration.

L'aorta è l'arteria che trasporta il sangue ricco di ossigeno dal cuore alle altre parti del corpo. Partendo dal ventricolo sinistro, essa curva formando l'arco aortico, attraversando poi il torace e l'addome, a livello di cui diventa aorta addominale. L'aneurisma dell'aorta addominale (AAA) è una delle patologie vascolari più comuni, che colpisce circa lo 0.4-0.67% della popolazione occidentale. È una dilatazione localizzata dell'aorta infra-renale che tende ad allargarsi gradualmente. In caso di intervento, esistono due diversi approcci per trattare l'aneurisma: la riparazione “a cielo aperto” (OAR) o la chirurgia endovascolare (EVAR). Quest’ultima è una procedura minimamente invasiva basata sull'impianto di uno stent-graft (SG) biforcato, crimpato su un catetere, introdotto nel corpo attraverso un accesso femorale o iliaco e quindi rilasciato all'interno dell'aneurisma per escluderlo dalla circolazione. Gli stent-graft commerciali sono comunemente realizzati in materiali diversi per i due componenti strutturali, acciaio inossidabile o Nitinol per i fili dello stent ed ePTFE o PET per il graft. Lo scopo finale di questa tesi è la riproduzione computazionale della procedura EVAR per una geometria paziente-specifica, mediante l'approccio chiamato “tracking method”, già validato per la chirurgia TEVAR, relativa all’aneurisma dell’aorta toracica. Tra l’ampia varietà di stent graft disponibili in commercio, il dispositivo di nostro interesse è l'Endurant IIs di Medtronic. Il primo passo è stato la modellazione CAD della geometria del dispositivo mediante SolidWorks, seguita dal processo di discretizzazione sia dello stent che del graft in ANSA. Lo stent è stato meshato utilizzando segmenti di dimensione definita dopo un'analisi di sensitività. Una volta completato il modello del dispositivo, è stato necessario eseguire un processo di pre-stress, al fine di rappresentare la configurazione originale in cui sia lo stent che il graft evidenziano alcune sollecitazioni residue. Poi, ci è stato fornito anche un modello aortico derivante dalle immagini TAC pre-operatorie paziente-specifiche. La riproduzione computazionale dell'intervento completo in una geometria specifica del paziente imita la procedura clinica e può essere suddivisa in tre fasi principali: crimpaggio, spostamento e rilascio dello SG. Una serie preliminare di prove di crimpaggio-rilascio è stata eseguita per riprodurre computazionalmente questo tipo di prove sperimentali. Passando alla simulazione dell'intera procedura EVAR, il primo passo è la fase di crimpaggio, diversa dalla precedente simulazione per l'assenza della fase di rilascio, che avviene esclusivamente nella fase finale. Quindi, a partire dalla configurazione crimpata del dispositivo, si ha la fase di spostamento: lo SG viene inserito nell'arteria iliaca destra del modello, seguendo la linea centrale del vaso ed entrando all’interno del catetere destro. Infine, una volta che lo SG è atterrato a livello delle arterie renali, durante la fase di rilascio esso ritorna gradualmente dalla configurazione crimpata a quella originale. Da qui in avanti è stato avviato un numero significativo di prove sia per le simulazioni crimpaggio-rilascio che per l'EVAR totale, modificando volta per volta alcuni parametri tra cui contatti, damping, posizionamento del dispositivo e proprietà dei materiali, per cercare di evitare la presenza persistente di un'imperfetta riapertura del graft e di compenetrazione delle gambe del dispositivo.