Numerical Optimization of the Neochord Mitral Valve Repair Procedure

The heart has four heart valves (HV), and correct HV function is the main prerogative for the vital of cardiovascular health. The mitral valve (MV), the largest valve of the heart, regulates unidirectional flow between the left atrium and left ventricle. During the systolic phase the MV function is to sustain the maximum ventricle pressure and prevent the reversal flow; during the diastole, the MV is open allowing the blood flow from the atrium and the ventricle filling. The physiological function of the left heart is partly guaranteed by the perfect sealing of the mitral valve in the systole. In presence of disease due to the prolapse of the valve leaflets, instead, there is a persistent regurgitation from the ventricle to the atrium. The degenerative mitral valve regurgitation (DMR) is one of the most common valvular heart diseases that affects about 4% of the population over 70; the natural history of severe MR is adverse, leading to worsening of left ventricle (LV) function, pulmonary hypertension, atrial fibrillation, and death. A variety of less invasive treatment for degenerative MV has been developed. Among these, the NeoChord procedure has emerged as the most promising intervention to repair MV. In NeoChord technique, artificial chords are placed through percutaneous access to restore the proper closure of the leaflets and consequently mitigate the regurge. The present work focuses on the numerical investigation of the Neochord procedure by means of a finite element model, which firstly analyses an idealized anatomy of prolapsing MV and, subsequently, investigates the procedure on three patient-specific MV anatomies. For the first time, the intraoperative phase of the procedure was studied considering two modes of chords tensioning. In additions, we studied on the patients-specific domains the role of both the access site correlated to the suture trajectories inside the left ventricle and the different stitching points on the prolapsed leaflet, by performing a consistent number of simulations. Numerical simulations are commonly used to assess the effectiveness and capability of surgical procedures. For this reason, the proposed study get an insight also on the commonly reported procedural complications, such as i) the leaflet rupture, ii) the interference of the artificial suture with the MV structures, and iii) the neochords overloading/unloading. The present model lays the basis for the realization of a numerical tool dedicated for the surgical planning, which would like to support the surgeons to point out the potential critical issues due to the patient-specific features of the MV undergoing treatment, making it possible the optimum design of the procedure.

Il cuore è composto da quattro valvole cardiache. La loro corretta funzione è necessaria per garantire costantemente un adeguato apporto di sangue all’intero sistema cardiocircolatorio. Tra le quattro valvole la più grande è la valvola mitrale, che è posta a presidio tra l'atrio e il ventricolo sinistro. Durante la fase sistolica la valvola mitrale si chiude impedendo il flusso tra le due camere e sostenendo la pressione massima che si sviluppa nel ventricolo sinistro; durante la diastole, invece, la valvola mitrale si apre permettendo il flusso del sangue dall’atrio verso il ventricolo. La fisiologica funzionalità del cuore sinistro è in parte garantita soprattutto dalla perfetta tenuta della valvola mitrale in fase sistolica. Quando ciò non avviene, spesso a causa del prolasso dei lembi della valvola stessa, si assiste al persistere di un flusso di rigurgito dal ventricolo verso l’atrio. Il rigurgito della valvola mitrale, di tipo degenerativo, è una tra le più comuni patologie cardiache e colpisce circa il 4% della popolazione oltre i 70 anni d’età. L’indesiderato sviluppo di questa patologia, con conseguente peggioramento della funzionalità del ventricolo sinistro, porta ad una serie di complicanze, quali l’ipertensione polmonare e la fibrillazione atriale, e nelle condizioni più gravi alla morte. Negli ultimi anni sono state maturate una varietà di terapie chirurgiche per trattare efficacemente questa patologia, soprattutto grazie allo sviluppo di nuove metodologie di tipo mini-invasivo. Una delle tecniche più recenti e promettenti è l’impianto di corde artificiali all’interno del ventricolo a supporto dell’esistente struttura valvolare, il cosiddetto impianto di neocorde. In questo tipo di intervento le corde artificiali sono posizionate attraverso un accesso transapicale allo scopo di ripristinale la struttura valvolare originaria e, conseguentemente, la chiusura corretta della valvola. Il seguente lavoro di tesi si concentra sull'indagine numerica della procedura di riparo Neochord. A questo scopo, è stato sviluppato un modello agli elementi finiti per indagare l’interazione tra le corde artificiali e la valvola mitrale, inizialmente su un modello idealizzato di valvola prolassata e, successivamente, su dei modelli “paziente specifico” ricavati dall’analisi di immagini cliniche (Echo e CT-scan). È stata studiata per la prima volta il ripristino della valvola mitrale nella fase intraoperatoria della procedura e sono state analizzate due modalità di tensionamento delle suture impiantate. Inoltre, per tre diverse tipologie di prolasso sono stati indagati vari scenari di possibili impianti che tenessero conto dei possibili punti di inserimento delle corde e della traiettoria finale delle stesse. Parallelamente si è cercato di indagare alcune delle complicanze procedurali comunemente riportate dai cardiochirurghi. Nello specifico, i) la rottura dei lembi nel punto di attacco delle corde, dovuta principalmente agli eccessivi stress sul lembo dovuti all’attacco delle suture e al successivo tiro, ii) l’eventuale interferenza della sutura artificiale con le strutture della valvola, in particolare con le corde native e i lembi, e iii) il sovraccarico/scarico delle suture impiantate. Il presente modello rappresenta il primo passo verso la realizzazione di uno strumento numerico per la pianificazione chirurgica, che permetta di mettere in evidenza, in fase pre-operatoria, le potenziali criticità legate alle caratteristiche individuali del prolasso trattato, rendendo possibile la messa a punto di una procedura ad hoc ottimale.