Bioengineering approach for the reliability assessment and optimal design of artificial urinary sphincters

The male Urinary Incontinence (UI) is a global distress, leading to a poor quality of life and an important associated social and economic cost. In particular, the Stress Urinary Incontinence (SUI) is the most severe and usually requires a surgical intervention, with Artificial Urinary Sphincter (AUS) implantation. However, the AUS considered as gold standard for SUI treatment still involves high surgical revision rates caused among other things by the urethral tissue atrophy and erosion, due to non-physiological actions exerted by the device. Indeed, the excessive mechanical actions applied on the urethra by the AUS can be explained by the fact that their design is based on clinical and empirical data only, without any consideration of urethral tissue mechanics. The main objective of this thesis was to propose a reliable engineering method for the rational design of AUSs, through a coupled experimental and computational approach. To achieve this goal, a literature review was first carried out on the anatomy, the functionalities and diseases of the male lower urinary tract, as well as their actual treatments. Then, an investigation was performed on the most successful AUS device among those in commerce, in order to evaluate its induced actions on the urethra and its functionality. Practically, data from experimental tests on the urethra and on the sphincteric device, both at material and structure levels were analysed and processed. The experimental results at the material level made it possible to determine the constitutive parameters needed to define the finite element models, that were then tuned and validated by simulating the experimentations at the structure level. Finally, a computational model of the interaction between the AUS device and urethra was performed to assess both the mechanical quantities on urethral tissues and the minimum urine pressures needed to open the device under the clinically applied cuff pressures. Such information would be difficult to obtain from in vitro or in vivo measurements. High values of stress and strains were observed, indicating a significant risk of tissue damage phenomena and blood flow obstruction within urethral vessels. A novel AUS device was designed in silico with regards to both geometrical analysis and material design, and the computational investigation of its interaction with urethra was performed to compare the outcomes. It resulted that the novel device, under the same value of cuff pressure, involved lower mechanical quantities (compressive stress, compressive strain and hydrostatic pressure) on urethral tissues, while the urethral lumen opening pressures were almost the same with both the AUSs. This work thus demonstrates the capabilities of bioengineering and in silico methods in the optimal design of AUS devices.

L'incontinenza urinaria maschile (IU) è un disagio globale, che comporta una scarsa qualità di vita e un importante costo sociale ed economico associato. In particolare, l'incontinenza urinaria da sforzo (SUI) è la più grave e di solito richiede un intervento chirurgico, con l'impianto di uno sfintere urinario artificiale (AUS). Tuttavia, l'AUS, considerato gold standard per il trattamento della SUI, comporta ancora alti tassi di re intervento chirurgico, causati tra l'altro dall'atrofia e dall'erosione del tessuto uretrale, dovute alle azioni non fisiologiche esercitate dal dispositivo. Le eccessive azioni meccaniche applicate all'uretra dagli AUS possono essere spiegate dal fatto che la loro progettazione si basa esclusivamente su dati clinici ed empirici, senza alcuna considerazione del processo meccanico di interazione tra AUS ed uretra. L'obiettivo principale di questa tesi è quello di proporre un metodo ingegneristico affidabile per la progettazione razionale degli AUS, attraverso un approccio accoppiato sperimentale e computazionale. Per raggiungere questo obiettivo, è stata dapprima effettuata una revisione della letteratura scientifica in merito all’anatomia, alla funzionalità ed alle patologie del tratto urinario inferiore maschile, nonché in riferimento alle procedure di trattamento correntemente adottate. Successivamente, è stata condotta un'indagine sul dispositivo AUS di maggior successo tra quelli in commercio, al fine di valutarne le azioni meccaniche indotte sull'uretra e le conseguenze sulla sua funzionalità. In pratica, sono state considerate prove sperimentali condotte sia sull'uretra che sul dispositivo sfinterico, sia a livello di tessuto/materiale che di struttura. I risultati sperimentali inerenti alle prove eseguite a livello di tessuto/materiale hanno permesso di identificare i parametri costitutivi necessari per caratterizzare il comportamento meccanico dei materiali, permettendo la definizione di modelli computazionali agli elementi finiti di uretra ed AUS. Tali modelli sono stati poi messi a punto e convalidati simulando le sperimentazioni eseguite a livello di struttura. Infine, è stato sviluppato un modello computazionale dell'interazione tra il dispositivo AUS e l'uretra per valutare sia la stimolazione meccanica dei tessuti uretrali, sia la pressione sfinterica necessaria per garantire la continenza in funzione della pressione vescicale. La metodica in silico sviluppata permette di conseguire agilmente queste informazioni, altrimenti difficilmente valutabili attraverso i tradizionali metodi in vitro ed in vivo. Nello specifico, nell’analisi dell’interazione tra AUS commerciale e uretra, sono stati osservati valori elevati di stimolazione meccanica, che indicano un rischio significativo di fenomeni di danno tissutale e di ostruzione del flusso sanguigno all'interno dei vasi uretrali. Sfruttando la metodica in silico sviluppata, si è quindi provveduto alla analisi geometrica e alla progettazione del materiale di un nuovo dispositivo AUS, ed è stata quindi eseguita un'indagine computazionale della sua interazione con l'uretra, al fine di confrontare la funzionalità del nuovo dispositivo con quello commerciale. Ne è emerso che il nuovo dispositivo, a parità di pressione sfinterica, comporta minori sollecitazioni meccaniche (tensione di compressione, deformazione di compressione e pressione idrostatica). Nel complesso, il lavoro di tesi dimostra le potenzialità dei metodi bioingegneristici ed in silico nella progettazione ottimale di dispositivi AUS.