Implementazione di un modello biomeccanico masse-molle per la simulazione di interventi di ricostruzione ventricolare

In this project a surgical simulator based on cardiac magnetic resonance (CMR) data was developed as predictive tool to support the planning of LV reconstruction procedures. The tool is embedded within a graphical user interface, developed in Matlab (The Mathworks,Inc.), which allows for the following functions: i. manually detecting LV endocardial and epicardial contours on CMR cine-sequences (either short- or long-axis); ii. automatically generating the LV wall 3D geometry; iii. quantifying LV volume, shape, local wall thickness and curvature; iv. virtually navigating the LV; v. virtually positioning a sizer in the LV cavity, resecting myocardial tissue, inserting a Dacron patch, and suturing. This pipeline allows for the prediction of LV post-operative geometry and diastolic function, based on a mass-spring model that accounts for the non-linear, anisotropic and almost incompressible mechanical response of LV myocardium. Numerical predictive simulations are performed via implicit integration of the equation of dynamics, which guarantees model stability and time-eciency. Preliminary results, obtained on three ventricular geometries, are encouraging and provide the basis for subsequent quantitative tests aimed at validating the model through the analysis of ad hoc prospectively enrolled patients, and of in vitro phantoms.

Nel presente lavoro è stato sviluppato un simulatore chirurgico dell'intervento di ricostruzione ventricolare in grado di fornire una predizione sull'esito della procedura a partire da dati MRI. L'interfaccia chirurgica, sviluppata in ambiente Matlab (The Mathworks, Inc), permette le seguenti operazioni: i. identificazione manuale dei profili endocardici ed epicardici su sequenze temporali di scansioni ottenute attraverso risonanza magnetica cardiaca (sia in asse lungo che in asse corto) ii. generazione automatica della geometria 3D del ventricolo sinistro iii. quantificazione del volume intracavitario, spessore di parete locale, indici di sfericità e conicità iv. navigazione virtuale del ventricolo sinistro v. posizionamento virtuale di un sizer all'interno della cavità ventricolare, resezione del tessuto miocardico ischemico, inserzione di un patch di Dacron e sutura. Il modello meccanico sviluppato permette la simulazione dell'esito dell'intervento di ricostruzione e della fase diastolica nella nuova configurazione. La simulazione si basa su un modello masse-molle in grado di gestire la componente non lineare, la caratteristica anisotropa e la caratteristica di incomprimibilità del tessuto miocardico passivo. L'integrazione implicita del modello garantisce stabilità e tempi di simulazione ridotti, compatibili con la pratica clinica. I risultati preliminari, ottenuti su tre geometrie ventricolari, sono incoraggianti e costituiscono i presupposti per una campagna sperimentale per la validazione del modello attraverso analisi cliniche mirate e fantaccio in vitro.