Mechanical and geometrical assessment of stent-graft in idealized and patient-specific anatomies: TEVAR finite element analysis

Thoracic Endovascular Aortic Repair (TEVAR) has progressively emerged as a minimally invasive alternative to open surgery for the treatment of thoracic aortic aneurysms, significantly reducing perioperative risk. However, post-procedural complications such as type I endoleak and stent-graft migration still occur, mainly due to inadequate apposition at the device-aorta interface. Clinical guidelines emphasize the need for proper device fixation through a minimal apposition length of 20-25 mm on healthy aortic tissue at both proximal and distal attachment zones and an adequate stent-graft oversizing ratio (OR) compared to vessel diameter. Nevertheless, no clear consensus currently exists on the definition of the optimal oversizing value, since excessive OR may promote local graft wrinkling or malapposition, whereas insufficient OR can impair sealing and long-term stability. The literature and manufacturer indications converge toward a recommended range of 10-30%, which was investigated in this study by testing three stent-graft diameter sizes, corresponding to 13%, 20% and 27% ORs. To explore the combined influence of oversizing and landing zone on post-deployment device configuration, finite element simulations of the TEVAR procedure were performed using a validated tracking-based method in five representative aortic landing zones, spanning from the ascending aorta to the descending tract, using an idealized thoracic vessel model. To evaluate the translatability of the idealized findings to realistic scenarios, three patient-specific anatomies with saccular aneurysms were analyzed by simulating the endovascular procedure in their respective clinical landing zones. A post-processing analysis was carried out to characterize the geometrical configuration of the stent-graft, based on length and curvature descriptors, and its mechanical interaction with the aortic wall, through contact-based parameters, including the contact gap over the first 20 mm of the proximal and distal graft regions and the contact pressures exerted by the stent struts on the aortic surface. Results exhibited device shortening relative to its nominal length and progressive straighter configuration in more distal landing zones, with negligible dependence on oversizing. Proximal endograft apposition proved more effective than distal, with contact improving in distal implantation sites and decreasing with larger ORs. The maximum contact pressures, primarily detected at device ends, decreased in implants toward the descending aorta and increased with oversizing, thus enhancing fixation, but potentially inducing greater risk of local vessel injury. Patient-specific analyses confirmed the general tendencies observed in the idealized aorta, although local morphological peculiarities reduced the apposition quality and shifted pressure peaks toward the aneurysmal region. Overall, an oversizing ratio of 13% provided the most favorable compromise between device conformability, sealing efficiency, and biomechanical compatibility with the aortic wall. This work highlights the meaningful interplay between implantation site, device oversizing, and vessel morphology in determining TEVAR outcomes, underlining the importance of patient-specific preoperative planning to guide optimal device and implantation site selection.

La riparazione endovascolare dell'aorta toracica (TEVAR) si è progressivamente affermata come alternativa mini-invasiva alla chirurgia a cielo aperto per il trattamento degli aneurismi dell'aorta toracica, riducendo significativamente il rischio perioperatorio. Tuttavia, complicanze post-procedurali come endoleak di tipo I e migrazione dello stent-graft continuano a verificarsi, principalmente a causa di un'apposizione inadeguata all'interfaccia dispositivo-aorta. Le linee guida cliniche sottolineano la necessità di un corretto fissaggio del dispositivo mediante una lunghezza di apposizione minima di 20-25 mm su tessuto aortico sano sia nella zona di ancoraggio prossimale sia distale e un adeguato rapporto di sovradimensionamento (OR) dell'endoprotesi rispetto al diametro del vaso. Tuttavia, attualmente non esiste un chiaro consenso sulla definizione del valore di sovradimensionamento ottimale, poichè un OR eccessivo può favorire la formazione di grinze locali o malapposizione del graft, mentre un OR insufficiente può compromettere la tenuta e la stabilità a lungo termine. La letteratura e le indicazioni dei fabbricanti convergono verso un intervallo consigliato di OR del 10-30%, che è stato indagato in questo studio testando tre diametri di stent-graft, corrispondenti a sovradimensionamenti del 13%, 20% e 27%. Per esplorare l'influenza combinata di sovradimensionamento e zona di atterraggio sulla configurazione post-rilascio del dispositivo, sono state eseguite simulazioni agli elementi finiti della procedura TEVAR mediante un metodo validato basato sul tracking in cinque zone di rilascio rappresentative, che si estendono dall'aorta ascendente al tratto discendente, utilizzando un modello idealizzato di vaso toracico. Per valutare la trasferibilità dei risultati idealizzati a scenari più realistici, sono state inoltre analizzate tre anatomie paziente-specifiche affette da aneurisma sacculare simulando la procedura endovascolare nelle rispettive zone di impianto cliniche. Un'analisi di post-processing è stata condotta per caratterizzare la configurazione geometrica assunta dallo stent-graft, tramite descrittori di lunghezza e curvatura, e la sua interazione meccanica con la parete aortica, attraverso parametri basati sul contatto, tra cui il gap valutato sui primi 20 mm delle regioni prossimale e distale del graft, e le pressioni di contatto esercitate dalle maglie dello stent sulla superficie aortica. I risultati hanno mostrato un accorciamento del dispositivo rispetto alla lunghezza nominale e una configurazione progressivamente più rettilinea nelle zone di atterraggio più distali, con una dipendenza trascurabile dal sovradimensionamento. L'apposizione prossimale dell'endoprotesi si è dimostrata più efficace di quella distale, con un miglioramento del contatto nei siti di impianto più distali e un peggioramento con ORs maggiori. Le pressioni di contatto massime, rilevate principalmente alle estremità del dispositivo, sono diminuite in impianti nell'aorta discendente e sono aumentate con il sovradimensionamento, migliorando così la fissazione, ma potenzialmente inducendo un rischio maggiore di lesioni vascolari locali. Le analisi condotte su aorte paziente-specifiche hanno confermato le tendenze generali osservate nel modello idealizzato, sebbene peculiarità morfologiche locali abbiano ridotto la qualità dell'apposizione e spostato i picchi pressori in prossimità della regione aneurismatica. Complessivamente, un rapporto di sovradimensionamento del 13% ha fornito il compromesso più favorevole tra conformabilità del dispositivo, efficienza di apposizione e compatibilità biomeccanica con la parete aortica. Questo lavoro evidenzia la significativa interazione tra sede di impianto, sovradimensionamento del dispositivo e morfologia del vaso nel determinare gli esiti della procedura TEVAR, sottolineando l'importanza di una pianificazione preoperatoria paziente-specifica per guidare la selezione ottimale del dispositivo e del sito di impianto.