Implementation of finite element models for the biomechanical analysis of the atrioventricular heart valves Marco Stevanella

Transcript

1 Implementation of finite element models for the biomechanical analysis of the atrioventricular heart valves Marco Stevanella Dipartimento di Bioingegneria, Politecnico di Milano, Milano, Italy

2 Anatomia della valvola mitrale La valvola mitrale è un apparato complesso dotato di diverse sottostrutture. annulus lembo anteriore lembi corde tendinee lembo posteriore muscoli papillari

3 Prevalenza (%) Patologie mitraliche e terapie chirurgiche Le patologie valvolari sono molto diffuse (2.5%), e la loro prevalenza cresce molto all aumentare dell età. In particolare, il rigurgito mitralico è la patologia valvolare più diffusa (58%), spesso associata alla presenza di prolasso mitralico. Età (anni) (Iung et al., 2011)

4 Obiettivi dello studio / 1 I modelli agli elementi finiti paziente-specifici possono fornire un nuovo ed innovativo strumento per aiutare la pianificazione di interventi chirurgici di riparazione della valvola mitrale Necessità di creare modelli in grado di discriminare tra condizioni fisiologiche e patologiche, e in grado di riprodurre le patologie con buona accuratezza. Nel progetto SurgAid abbiamo utilizzato modelli agli elementi finiti pazientespecifici, basati su ecocardiografia 3D real-time (RT3DE), per: testare la capacità di tali modelli di discriminare tra valvole mitrali sane e valvole affette da prolasso mitralico validare i risultati ottenuti confrontandoli con ricostruzioni tridimensionali ottenute da ecocardiografia trans-esofagea col software clinico Philips QLab

5 Modello da RT3DE di valvola mitrale Costruzione del modello geometrico RT3DE Semi-automatic Tracking Time-dependent Annulus Time-dependent PM ED Leaflets Profile ED Chordae Acquisizioni: 5 soggetti sani 5 soggetti con prolasso del lembo posteriore sottoposti a intervento chirurgico precoce acquisizione RT3DE a 31 Hz su 8 cicli cardiaci consecutivi

6 Modello da RT3DE di valvola mitrale Costruzione del modello geometrico RT3DE Semi-automatic Tracking Time-dependent Annulus Time-dependent Papillary Muscles Leaflets Profile Chordae tendinae

7 Modello da RT3DE di valvola mitrale Costruzione del modello geometrico RT3DE Semi-automatic Tracking Time-dependent Annulus Time-dependent PM ED Leaflets Profile ED Chordae [Veronesi et al., J Am Soc Echocardiogr, 2008] 36 punti rilevati nel frame di fine diastole (ED) e tracciati nei frames successivi

8 Modello da RT3DE di valvola mitrale Costruzione del modello geometrico RT3DE Semi-automatic Tracking Time-dependent Annulus Time-dependent PM ED Leaflets Profile ED Chordae Il profilo dell annulus viene ricostruito in ogni istante del ciclo cardiaco Viene calcolato lo spostamento dell annulus nel tempo

9 Modello da RT3DE di valvola mitrale Costruzione del modello geometrico RT3DE Semi-automatic Tracking Time-dependent Annulus Time-dependent PM ED Leaflets Profile ED Chordae Posizione dei muscoli papillari da RT3DE Posizioni successive ricostruite attraverso un criterio geometrico basato su dati in vivo su pecora [Dagum et al., Circulation, 2000]

10 Modello da RT3DE di valvola mitrale Costruzione del modello geometrico RT3DE Semi-automatic Tracking Time-dependent Annulus Time-dependent PM ED Leaflets Profile ED Chordae La massima estensione dei lembi e la loro inclinazione viene misurata sul dato ecocardiografico. LV Ao Il profilo dei lembi è integrato con misurazioni ex vivo. LA

11 Modello da RT3DE di valvola mitrale Costruzione del modello geometrico RT3DE Semi-automatic Tracking Time-dependent Annulus Time-dependent PM ED Leaflets Profile ED Chordae Vengono aggiunti 3 livelli di corde ramificate Il numero di corde e ramificazioni, così come le sezioni trasversali, derivano da dati ex vivo. [Lam et al., Circulation 1970]

12 Modello da RT3DE di valvola mitrale Risposta meccanica dei tessuti Modello costitutivo basato sulla teoria della iperelasticità e delle grandi deformazioni Risposta dei lembi non lineare e anisotropa Risposta diversa per i due lembi Risposta delle corde tendinee non lineare e isotropa Risposta diversa per i diversi tipi di corde [kpa] 240 [gm/mm 2 ] Circumferential dir Marginal Chordae Chordae Leaflets Basal Chordae Longitudinal dir , , , ,5 15

13 Modello da RT3DE di valvola mitrale NORMALE PROLASSO

14 Modello da RT3DE di valvola mitrale N O R M A L I P R O L A S S O Q L A B

15 Obiettivi dello studio / 2 I cardiochirurghi possono scegliere tra una vasta gamma di anelli protesici La mancanza di criteri quantitativi che guidino la scelta ha portato a risultati clinici insoddisfacenti e a un elevata incidenza di rigurgito post-operatorio. Nel presente studio utilizziamo modelli agli elementi finiti pazientespecifici, basati su risonanza magnetica cardiaca (CMR), per: quantificare le forze che agiscono in vivo durante la sistole sull annulus mitralico valutare le prestazioni di diversi tipi di anelli protesici su modelli ricostruiti da pazienti affetti da rigurgito mitralico

16 Prevalenza (%) Patologie mitraliche e terapie chirurgiche Le patologie valvolari sono molto diffuse (2.5%), e la loro prevalenza cresce molto all aumentare dell età. In particolare, il rigurgito mitralico è la patologia valvolare più diffusa (58%). 100% Età (anni) (Iung et al., 2011) 80% 60% 40% 20% Sostituzione Riparazione Negli ultimi anni, gli interventi riparativi della valvola mitrale hanno superato quelli sostitutivi tramite protesi meccanica. 0% (Gammie et al., 2009)

17 Annuloplastica mitralica Un ruolo decisivo nella riparazione mitralica è giocato dall annuloplastica tramite anello protesico.

18 Annuloplastica mitralica Un ruolo decisivo nella riparazione mitralica è giocato dall annuloplastica tramite anello protesico. Attualmente esistono in commercio numerose tipologie di anelli protesici: rigidi o flessibili a profilo aperto o chiuso planari o tridimensionali simmetrici o asimmetrici 66.0% 66.0% 2.4% 2.4% 31.6% 31.6% solo annuloplastica solo annuloplastica ricostruzione con annuloplastica ricostruzione con annuloplastica ricostruzione senza annuloplastica ricostruzione senza annuloplastica

19 Annuloplastica mitralica Un ruolo decisivo nella riparazione mitralica è giocato dall annuloplastica tramite anello protesico. Attualmente esistono in commercio numerose tipologie di anelli protesici: rigidi o flessibili a profilo aperto o chiuso planari o tridimensionali simmetrici o asimmetrici 66.0% 66.0% 2.4% 2.4% 31.6% 31.6% solo annuloplastica solo annuloplastica ricostruzione con annuloplastica ricostruzione con annuloplastica ricostruzione senza annuloplastica ricostruzione senza annuloplastica

20 Obiettivi dello studio I cardiochirurghi possono scegliere tra una vasta gamma di anelli protesici La mancanza di criteri quantitativi che guidino la scelta ha portato a risultati clinici insoddisfacenti e a un elevata incidenza di rigurgito post-operatorio. Nel presente studio utilizziamo modelli agli elementi finiti pazientespecifici, basati su risonanza magnetica cardiaca (CMR), per: quantificare le forze che agiscono in vivo durante la sistole sull annulus mitralico valutare le prestazioni di diversi tipi di anelli protesici su modelli ricostruiti da pazienti affetti da rigurgito mitralico

21 Workflow Procedura automatizzata per la generazione di modelli 3D pazientespecifici da MRI Immagini DICOM da risonanza magnetica cardiaca algoritmo MATLAB estrazione del profilo dell annulus, posizione dei papillari ed estensione dei lembi codice PYTHON per creazione automatica della mesh e impostazione delle condizioni al contorno software ABAQUS per la simulazione della chiusura valvolare

22 Materiali e metodi Acquisizioni CMR GE Signa Excite, 1.5 T SSFP cine-images risoluzione spaziale: 0.78 mm spessore delle slice: 8 mm Sequenza 18 piani rotazionali in asse lungo (ruotati di 10 ) 55 istanti temporali per ciclo cardiaco 5 soggetti maschi adulti sani + 5 pazienti con rigurgito mitralico ischemico

23 Segmentazione Immagini DICOM Identificazione delle strutture valvolari Dinamica di annulus e muscoli papillari Lembi + corde tendinee Modello 3D completo

24 Segmentazione Immagini DICOM Identificazione delle strutture valvolari ANNULUS MUSCOLI PAPILLARI LEMBI Dinamica di annulus e muscoli papillari Lembi + corde tendinee Modello 3D completo

25 Ricostruzione 3D Annulus Immagini DICOM Identificazione delle strutture valvolari Ricostruzione 3D di annulus e papillari Muscoli papillari Lembi + corde tendinee Modello 3D completo

26 Ricostruzione 3D Immagini DICOM Identificazione delle strutture valvolari Ricostruzione 3D di annulus e papillari Lembi + corde tendinee Modello 3D completo

27 Proprietà meccaniche dei tessuti 1. Modelli costitutivi basati sulla teoria della iperelasticità (grandi deformazioni, relazione sforzo-deformazione non lineare) 2. Risposta dei lembi non lineare trasversalmente isotropa

28 Condizioni al contorno dinamiche La dinamica di annulus e muscoli papillari derivata da CMR è imposta come condizione al contorno cinematica. La chiusura dei lembi è ottenuta applicando una curva di pressione fisiologica.

29 Simulazione di un soggetto sano

30 Soggetti sani dinamica di chiusura MV1 MV2 MV3 MV4 MV5 Fine diastole p = 0 mmhg Inizia chiusura p = 6 mmhg Coaptazione p = 28 mmhg Picco sistolico p = 120 mmhg

31 Soggetti sani forze sull annulus ANTERIORE POSTERIORE tangenziale radiale Tensioni radiali (N/m) Presente studio Bhattacharya and He 2008 Anteriore ± ± Posteriore ± ± 8.89

32 Soggetti sani forze sull annulus ANTERIORE POSTERIORE assiale tangenziale radiale Forze assiali (N) Presente studio Jensen et al Anteriore 3.65 ± ± 0.46 Posteriore 2.64 ± ± 0.59

33 Paziente con rigurgito mitralico

34 Paziente con rigurgito mitralico Paz3

35 Pazienti con rigurgito forze sull annulus Paz1 Paz2 Paz3 Paz4 Paz Tensioni radiali (N/m) Presente studio He et al Anteriore ± (+21.4%) 63.7 ± 12.0 (+18.2%) Posteriore ± (+17.0%) ± 10.7 (+28.1%)

36 Simulazione di annuplastica Viene simulata l inserzione di due diversi tipi di anelli da annuloplastica Chiuso flessibile Aperto rigido Questi anelli sono paradigmatici delle classi elencate precedentemente

37 Simulazione di annuplastica Rigido Flessibile

38 Pazienti con rigurgito chiusura PRE RIGIDO FLESSIBILE Paz1 Paz2 Paz3

39 Paziente 5 con rigurgito chiusura PRE RIGIDO FLESSIBILE

40 Pazienti con rigurgito coaptazione PRE RIGIDO FLESSIBILE Paz1 1.5 mm 3.7 mm 4.2 mm Paz2 4.0 mm 4.0 mm 7.3 mm Paz3 3.2 mm 7.0 mm 4.0 mm

41 Pazienti con rigurgito non planarità H PAZIENTI PRE (mm) RIGIDO (mm) FLESSIBILE (mm) Paz Paz Paz Paz Paz Media * *: p<.05 rigido vs flex

42 Conclusioni Ricostruzione dettagliata della geometria tramite CMR moto di annulus e papillari durante il ciclo cardiaco estensione dei foglietti Dinamica di chiusura realistica Valori di forze annulari coerenti con studi precedenti Possibilità di simulare diversi tipi di anelli per annuloplastica Utile nel planning chirurgico per la scelta dell anello più adatto Sviluppi futuri: automatizzazione dell identificazione delle strutture valvolari

43 Ringraziamenti Prof. Alberto Redaelli, PhD Ing. Emiliano Votta, PhD Ing. Beniamino Fiore, PhD

44 Ringraziamenti Prof. Alberto Redaelli, PhD Ing. Emiliano Votta, PhD Ing. Beniamino Fiore, PhD

45 Ringraziamenti Prof. Carlo Antona, MD Neil B.IngelsJr., PhD Massimo Lemma, MD, PhD Gaurav Krishnamurthy, PhD Andrea Mangini, MD Julia Swanson, MD Mauro Pepi, MD Prof. Francesco Alamanni, MD Gloria Tamborini, MD Oberdan Parodi, MD Alberto Roghi, MD

46 Grazie per l attenzione