Finite element analysis of Transcatheter Aortic Valve Implantation: a clinical case.

Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) has recently become the new standard medical treatment for patients affected by severe aortic stenosis who are not eligible for open heart surgery. Different factors such as amount and location of calcium deposits, height of implant and valve positioning, balloon-expandable or self-expandable valve types and optimal prosthesis size selection for borderline cases could severely impact the post-operative performance. Given such considerations, computer-based simulations may represent a valid approach to predict surgical outcomes and assist clinicians in the decision making improving the feasibility of the intervention. This thesis concerns the implementation and validation of a systematic approach to perform patient-specific finite element analyses with the aim of virtually (and realistically) reproduce the TAVI procedure and predict post-intervention outcomes. In particular, we investigated a 76 year-old patient with severe symptomatic aortic stenosis whose valvular geometry was extracted from pre-operative and post-operative CT-scans performed at ICSA Sant’Ambrogio Clinical Institute, Milano. The finite element program ABAQUS/CAE was used to simulate the deployments of a self-expanding nitinol prosthesis within the patient-specific model of the aortic root. Calcifications have accurately been introduced in the model to evaluate their impact on the stent expansion and, consequently, post-operative performance. The obtained simulation results have been compared with post-operative CT data to validate the computational procedure. Sensitivity analyses have also been performed to evaluate the impact of the main parameters characterizing the simulation strategy. We concluded that finite element analysis could be a valid method to investigate several aspects of TAVI procedures. Although limited to only one patient, this study represents a further step towards the use of realistic computer-based simulations for virtual planning of TAVI procedures.

Analisi agli elementi finiti di Impianto Transcatetere di Valvola Aortica: un caso clinico. La tecnica TAVI (trascatheter aortic valve implantation) è diventata negli ultimi anni il trattamento medico standard per trattare quei pazienti affetti da stenosi aortica che non sono eligibili per l'intervento chirurgico tradizionale. Differenti fattori possono fortemente influenzare il successo dell'intervento: la presenza di calcificazioni, sia in termini di posizione che di quantità, l'altezza di impianto e la posizione della valvola, la scelta della tipologia di protesi, auto-espandibile o da espandere con palloncino, e la dimensione ottimale della valvola necessitano un'accurata valutazione. Alla luce di queste considerazioni, le simulazioni al computer possono rappresentare un valido approccio per predire tutti questi effetti e guidare il chirurgo nel compiere scelte ottimali, aumentando in tal modo le probabilità di riuscita dell'intervento. Questo lavoro di tesi riguarda l'implementazione e la validazione di un approccio sistematico per effettuare analisi agli elementi finiti specifiche per paziente con l'obiettivo di riprodurre virtualmente (e in modo realistico) la procedura TAVI e di predire in questo modo i risultati post-intervento. In particolare, ci siamo focalizzati su un paziente di 76 anni, affetto da stenosi aortica severa sintomatica, la cui geometria valvolare è stata estratta da scansioni TAC pre-operatorie e post-operatorie effettuate presso l'Instituto Clinico Sant'Ambrogio di Milano. Abaqus/CAE è il programma agli elementi finiti usato per simulare l'mpianto della protesi di nitinol auto-espandibile all'interno del modello di radice aortica paziente specifico. Le calcificazioni sono state introdotte in modo accurato nel modello al fine di valutare il loro impatto sull'espansione dello stent e, di conseguenza, sulla performance post-operatoria. Per validare la procedura computazionale i risultati ottenuti dalla simulazione sono stati comparati con i dati della TAC post-operatoria. Analisi di sensitività sono state effettuate per valutare l'impatto dei principali parametri che caratterizzano la strategia di simulazione. Possiamo concludere dicendo che l'analisi agli elementi finiti può essere un valido metodo per investigare diversi aspetti delle procedure TAVI. Sebbene limitato ad un solo paziente, questo studio rappresenta un ulteriore passo avanti verso l'utilizzo di simulazioni realistiche al computer che consentano di pianificare in modo virtuale le procedure TAVI.