Finite elements simulation of mechanical thrombectomy: a focus on stent-retriever modelling

Acute ischemic stroke (AIS) is one of the most frequent neurological diseases, leading to disability and mortality. It occurs when a cerebral artery is occluded by a thrombus, inducing a non-physiological perfusion of brain tissues. Currently, the two main treatments for AIS are intravenous thrombolysis and mechanical thrombectomy (MT), a minimally invasive endovascular procedure involving the removal of the occlusive clot using stent-retrievers and/or aspiration catheters. In-silico simulations of MT have become a valuable tool to test the performance of the devices and to improve the efficacy of the surgical intervention. As a consequence, accurate reproduction and modelling of these devices is necessary to carry out more realistic MT simulations. From this perspective the present work focuses on calibrating the pREset stent retriever (Phenox, Bochum, Germany) material to match experimental test results and perform patient-specific Finite Element Analysis (FEA) of MT. Additionally, the impact of different modelling choices on the in-silico MT is evaluated in terms of clot stress distribution, outcome, and computational cost. Seven simulations were performed with three different materials, one elastic and two shape memory, each reproducing different aspects of the stent-retriever in-vitro behavior. Moreover, different procedure velocities were evaluated during stent-retriever deployment and thrombus retrieval to assess their influence on the MT outcomes. A comparison between the two shape memory materials was conducted and similar results of MT simulations were observed, suggesting that differences in material formulation do not significantly affect the numerical outcomes. In addition, the elastic material resulted in a reasonable approximation for the stent behavior also reducing computational time. Finally, simulations performed with slower procedure velocities introduced some variability in the stent-clot interaction during the retrieval phase and, despite being more realistic, they demanded higher computational cost.

L'ictus ischemico acuto è una delle malattie neurologiche più frequenti, causa di disabilità e mortalità. Si verifica quando un'arteria cerebrale è occlusa da un trombo, causando una perfusione non fisiologica dei tessuti cerebrali. Attualmente, i principali trattamenti per l'ictus ischemico sono la trombolisi endovenosa e la trombectomia meccanica, una procedura endovascolare mini-invasiva che prevede la rimozione del trombo tramite stent-retriever e/o cateteri di aspirazione. Le simulazioni di trombectomia sono diventate un valido strumento per testare le prestazioni dei dispositivi e migliorare l'efficacia dell'intervento chirurgico. Per tali motivi, è necessario svolgere una modellazione accurata di questi dispositivi al fine di eseguire simulazioni di trombectomia più realistiche. Nello specifico, questa tesi si concentra sulla calibrazione del materiale dello stent-retriever pREset (Phenox, Bochum, Germania) per riprodurre i risultati del test sperimentale e poter realizzare un'analisi agli Elementi Finiti di trombectomia meccanica paziente specifica. Inoltre, viene valutato l'impatto di diverse scelte di modellazione sulla trombectomia in-silico in termini di distribuzione degli sforzi nel trombo, esito e costo computazionale. Sono state eseguite sette simulazioni con tre materiali diversi, uno elastico e due a memoria di forma, i quali riproducono vari aspetti del comportamento in-vitro dello stent. Sono state analizzate diverse velocità di deployment dello stent e rimozione del trombo per valutarne l’influenza sugli esiti della trombectomia meccanica. Confrontando i due materiali a memoria di forma sono stati osservati risultati simili nelle simulazioni di trombectomia, suggerendo che le differenze nella formulazione del materiale non influenzano significativamente gli esiti numerici. Inoltre, il materiale elastico rappresenta una ragionevole approssimazione del comportamento dello stent, riducendo anche il tempo di calcolo. Infine, le simulazioni effettuate con velocità inferiori mostrano alcune variazioni nell'interazione tra lo stent e il trombo durante la fase di recupero e, sebbene più realistiche, hanno richiesto un costo computazionale maggiore.