Stent coronarici in biforcazioni : modelli strutturali computazionali a partire da μ-TAC

Nowadays angioplasty with stent implantation is considered an effective and reliable technique for the treatment of atherosclerotic stenosis, which represents one of the more frequent cardiovascular diseases (Dimitrios et al., 2007). These lesions tend to form at specific regions of the coronary vasculature where flow is disturbed, particularly in areas of low shear stress (Nakazawa et al., 2010). For this reason, coronary bifurcations represent critical locations for plaque development, because of the complex flow characterising the branch points of the circulatory tree. The treatment of this lesions is still now an important task and represents the 15-20% of all the percutaneous interventions, although the treatment of «non bifurcated» lesions still gives better results (Al Suwaidi et al., 2001; Lefevre et al, 2000). The most common approach is the provisional stenting, consisting in the insertion of a stent in the Main Branch (MB) of the bifurcation, followed by the simultaneous dilation of the two branches, using two balloons (Final Kissing Balloons, FKB). This second step allows to dilate the stent struts, which obstruct the access to the Side Branch (SB), facilitating so the insertion of a second stent, when it is necessary. Moreover, the FKB allows to minimize the distortion both of the stent and the MB. In addition, it assures an adequate covering of the vessel wall by the stent, helping so the drug release in case of DES. Instead, the techniques involving two stents (crush technique, culotte technique, T-stenting, V-stenting, etc.) require longer intervention times, with a consequent increase of the patient exposition to radiations. For these reasons, the stenting of both bifurcation branches continues to give less satisfactory results, in respect to the treatment involving the single MB. In the last years, dedicated bifurcation stents were developed expressly to facilitate the bifurcation treatment, letting a constant and easier access to the SB. The improvement of the already existing techniques and above all the appropriate use of new devices can assure a further enhancement of the treatment of bifurcation lesions (Romagnoli et al., 2008). To this purpose, computational models, together with in-vitro studies, represent a helpful instrument both for the stent research and development, and for the analysis and optimisation of the treatment procedures. Very well established is the use of these models for the evaluation of several aspects regarding the stent expansion mechanics and the interaction with biological systems. On the contrary, computational studies focused on the stent deployment in a coronary bifurcation are still limited. As to these works, the study of Mortier and collegues (2009 and 2010), and the one of Gastaldi and co-workers (2010) can be mentioned. The aim of this work of thesis is the implementation of a numerical finite element model for the study of percutaneous interventions, in particular for the bifurcation lesions, simulating the normal intervention procedure (provisional stenting) and analysing the effects of the different components on the positive result of the intervention. In particular, the effect of the use of different balloon configurations and different positioning inside the bifurcation for the implementation of the FKB was investigated. After that, a dedicated stent, specifically designed for coronary bifurcation lesions, was analyzed in order to compare the use of a different kind of devices. Moreover, we aimed on validating the possibility to use stent computational models, created with software CAD, comparing them with the ones obtained directly from μ-CT images of the devices. The purpose of this comparison was to verify stresses and deformations on the structure, after a simulation of free expansion of the devices.

La procedura di angioplastica con impianto di stent rappresenta ad oggi una tecnica efficace e consolidata nella cardiochirurgia vascolare, per il trattamento delle stenosi aterosclerotiche, una delle forme più frequenti di patologia cardiovascolare (Dimitrios et al., 2007). Queste lesioni tendono a formarsi in regioni specifiche dell’albero coronarico dove il flusso è disturbato, in particolare nelle aree di basso shear stress (Nakazawa et al., 2010). Per questo motivo, a causa del flusso complesso che si sviluppa nei punti di diramazione dell’albero circolatorio, le biforcazioni coronariche risultano fortemente suscettibili allo sviluppo di una placca. Il trattamento di queste lesioni rappresenta tuttora un’area importante (15-20% di tutti gli interventi percutanei), tuttavia i risultati che si riescono ad ottenere sono ancora inferiori rispetto a quelli raggiunti nel caso delle lesioni «non-biforcate» (Al Suwaidi et al., 2001; Lefevre et al, 2000). Il più comune approccio è il provisional stenting, che consiste nell’inserimento di uno stent nel ramo principale della biforcazione (Main Branch, MB) seguito possibilmente dalla dilatazione simultanea dei due rami attraverso due palloncini (Final Kissing Balloon, FKB). Quest’ultimo step consente di dilatare le maglie dello stent che ostacolano l’accesso al ramo laterale (Side Branch, SB), consentendo un eventuale posizionamento di un secondo stent nel caso in cui sia necessario. La FKB, inoltre, consente di minimizzare la distorsione sia dello stent nel MB, sia della carena della biforcazione e permette un’adeguata copertura delle pareti vasali da parte della struttura metallica, migliorando il rilascio di farmaco nel caso di DES. Le tecniche a due stent, invece, (crush tecnique, culotte technique, T-stenting, V-stenting, ecc.) richiedono tempi di intervento più elevati con conseguente aumento dell’esposizione del paziente alla radiazione. Per questi motivi l’utilizzo di stent su entrambi i rami di biforcazione continua a non dare risultati migliori rispetto al trattamento del solo MB. Negli ultimi anni, per facilitare il trattamento delle biforcazioni, sono stati sviluppati degli appositi stent dedicati, medicati e non, che prevedono un costante e più facile accesso al ramo secondario. Il perfezionamento delle tecniche attualmente disponibili e soprattutto l’impiego di ciascuna tecnica nelle situazioni più appropriate, possono garantire un’ulteriore miglioramento del trattamento delle lesioni di biforcazione (Romagnoli et al., 2008). A tal proposito i modelli computazionali, unitamente agli studi in vitro, rappresentano un valido strumento da impiegare sia per la progettazione e lo sviluppo degli stent, che nell’analisi e l’ottimizzazione delle tecniche di trattamento. È ormai ampiamente consolidato l’utilizzo di tali modelli per la valutazione di molteplici aspetti legati alla meccanica di espansione degli stent e all’interazione con i sistemi biologici. Sono, invece, ancora limitati gli studi computazionali in cui si analizza l’impianto di uno stent in una biforcazione coronarica. Tra questi si possono citare i recenti lavori di Mortier e colleghi (2009 e 2010) e quello di Gastaldi e collaboratori (2010). Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo quello di creare un modello numerico a elementi finiti per lo studio di interventi percutanei, specificatamente per lesioni a carico delle biforcazioni, simulando la normale procedura di intervento (provisional stenting) ed analizzando gli effetti delle diverse componenti sulla buona riuscita dello stesso. In particolare, si è valutato l’utilizzo di diverse configurazioni di palloncino per la FKB e loro disposizione all’interno della biforcazione. Successivamente si è indagata la meccanica di stenting con un dispositivo “dedicato”, progettato per il trattamento delle biforcazioni coronariche. Si è cercato, inoltre, di validare l’utilizzo dei modelli computazionali di stent, ricreati con software CAD, confrontandoli con quelli ottenuti direttamente da immagini μ-Tac dei dispositivi. L’obiettivo di questo confronto è stato quello di verificare gli stati di sforzo e deformazione sulla struttura in seguito ad una simulazione di espansione libera dei due stent.