In vitro and in silico simulation of aneurysm clipping and vascular compliance

Unruptured intracranial aneurysms (UIAs) represent a significant clinical challenge due to their potential for catastrophic rupture. Although microsurgical clipping remains the gold standard for complex cases, its declining frequency limits opportunities for hands-on training. To address this, advanced simulation techniques—combining virtual and physical models—have become essential tools in neurosurgical education. This thesis aims to evaluate and enhance the fidelity and accuracy of the Simulation for Intervention and Surgery (SIMIS) platform, particularly focusing on the performance of the open-source SOFA framework underpinning its augmented reality component. A benchmarking analysis was conducted to evaluate the impact of key modelling choices on simulation reliability, using simplified geometries and comparing the results with equivalent simulations performed in Abaqus—considered the gold standard—and with physical counterparts. The investigation was then extended to patient-specific aneurysmal geometries to assess SOFA’s capability in reproducing complex, clinically realistic scenarios. Finally, a compliance analysis was performed to examine the mechanical behaviour of vascular structures under different constitutive models. The results showed that SOFA can reproduce realistic clipping scenarios with high accuracy when using Lagrangian multiplier methods, but at the cost of high computational demand, making it unsuitable for real-time use. Conversely, penalty-based models enable interactivity but introduce significant inaccuracies in complex anatomical contexts. By evaluating SOFA compliance tests results and their correspondence with the physical counterparts, it was observed that limitations in material modelling restrict SOFA’s ability to fully capture the non-linear vascular behaviour. Despite these constraints, the study establishes a clear framework for understanding the strengths and limitations of SOFA, offering valuable insights to guide the future development of neurosurgical training tools and more reliable preoperative planning systems

Gli aneurismi intracranici non rotti (UIA) rappresentano una sfida clinica significativa a causa del loro potenziale di rottura catastrofica. Sebbene il clipping microchirurgico rimanga il gold standard per i casi complessi, la sua frequenza in calo limita le opportunità di formazione pratica. Per ovviare a questo problema, le tecniche di simulazione avanzate, che combinano modelli virtuali e fisici, sono diventate strumenti essenziali nella formazione neurochirurgica. Questa tesi mira a valutare e migliorare la fedeltà e l'accuratezza della piattaforma Simulation for Intervention and Surgery (SIMIS), concentrandosi in particolare sulle prestazioni del framework open source SOFA che ne costituisce la componente di realtà aumentata. È stata condotta un'analisi comparativa per valutare l'impatto delle scelte chiave di modellazione sull'affidabilità della simulazione, utilizzando geometrie semplificate e confrontando i risultati con simulazioni equivalenti eseguite in Abaqus, considerato il gold standard, e con controparti fisiche. L'indagine è stata poi estesa alle geometrie aneurismatiche specifiche del paziente per valutare la capacità di SOFA di riprodurre scenari complessi e clinicamente realistici. Infine, è stata eseguita un'analisi di conformità per esaminare il comportamento meccanico delle strutture vascolari in diversi modelli costitutivi. I risultati hanno mostrato che SOFA è in grado di riprodurre scenari di clipping realistici con elevata precisione quando si utilizzano metodi moltiplicatori lagrangiani, ma a costo di un elevato fabbisogno computazionale, che lo rende inadatto all'uso in tempo reale. Al contrario, i modelli basati su penalità consentono l'interattività, ma introducono significative imprecisioni in contesti anatomici complessi. Valutando i risultati dei test di conformità SOFA e la loro corrispondenza con le controparti fisiche, è stato osservato che i limiti nella modellazione dei materiali limitano la capacità di SOFA di catturare appieno il comportamento vascolare non lineare. Nonostante questi vincoli, lo studio stabilisce un quadro chiaro per comprendere i punti di forza e i limiti di SOFA, offrendo preziose informazioni per guidare lo sviluppo futuro di strumenti di formazione neurochirurgica e sistemi di pianificazione preoperatoria più affidabili.