Die Planung einer endovaskulären Ausschaltung eines Aortenaneurysmas (EVAR) mittels Stentgraft kann perspektivisch anhand eines Finite-Elemente-Modells unterstützt werden. Ziel ist hierbei die Abbildung des Stentgraftverhaltens im Gefäß, wodurch eine quantitative Bewertung verschiedener Stentgraftprodukte im Kontext mit patientenspezifischem Gefäß möglich ist. Eine bedarfsorientierte Modellentwicklung setzt jedoch Kenntnisse über interventionsspezifische Fragestellungen und über die Anforderungen von Seiten der Gefäßchirurgen voraus. Dieser Beitrag präsentiert Ergebnisse einer Arbeitsprozessanalyse zur Planung von EVAR Interventionen und einer Machbarkeitsstudie zum patientenspezifischen FE-Modell. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für eine anwendungsorientierte und praxisrelevante Entwicklung von EVAR-spezifischen FE-Modellen.
Der Erfolg einer endovaskulären Aortenrekonstruktion (EVAR) mittels Stentgraft hängt von einer ausreichenden
Fixierung der Endoprothese im Gefäß, sowie einem guten Anliegen in proximaler und distaler Landungszonen zur Erzielung
einer kompletten Abdichtung ab. Hierfür sind die Applizierung der Endoprothese im Gefäß, die Auswahl von
Stentgraftdesign und proximaler Verankerungsmechanismus sowie die Festlegung des Übermaßes und der Schenkellänge
maßgeblich verantwortlich. Bei diesen Arbeitsschritten wird der Gefäßchirurg nur bedingt von derzeit verfügbarer
Planungssoftware unterstützt, die sich im Wesentlichen auf Messfunktionalitäten und 3D-Visualisierung des Gefäßes und
detektierter, kalzifizierter Plaques beschränken [
Unter Einsatz der Software Swan-Suite (Fa. Swan GmbH) wurden insgesamt zehn Aufnahmen von Operationsplanung und -verlauf bei Behandlung abdominaler Aortenaneurysmen mittels Stentgraft aufgenommen. Die Aufnahmen fanden zwischen dem 19.05.2009 und dem 9.11.2009 statt. Der leitende Chirurg war in allen Fällen die gleiche Person mit 15 Jahren EVAR Erfahrung und mehr als 1000 durchgeführten Stentgraft Interventionen. Die Workflowanalyse wurde zur Ermittlung medizinischer Fragestellungen, die sich in den einzelnen Planungsschritten ergeben, durchgeführt und bildet die Basis zur Definition von Anforderungen an ein Simulationsmodell zur Planungszunterstützung. Zudem sollte anhand der Workflowanalyse den Informatikern ein besseres Verständnis für die medizinischen Problemstellungen gegeben werden, was bei einer interdisziplinären Zusammenarbeit eine wichtige Grundlage darstellt.
Für einen Einsatz im klinischen Alltag wurde zunächst anhand verfügbarer CTA-Daten und Segmentierungswerkzeuge geprüft, welche Modellbestandteile patientenindividuell für die Bearbeitung der ermittelten medizinischen Fragestel„CT Datensatz betrachten“ - Analyse von Gefäßanatomie und Prüfung der EVAR Voraussetzungen Der Arbeitsschritt „ CT Datensatz betrachten“ stellt den zeitaufwändigsten Arbeitsschritt der Planung dar. Der Gefäßchirurg verschafft sich hierbei einen Überblick zur allgemeinen Anatomie des Patienten, zur Form und Position des Aneurysmas, den Nierenarterien sowie der linken und rechten Iliac Arterie. Folgende Fragen sind zu beantworten: • Durchmesser und Gefäßverlauf der A.iliaca beidseits für Katheterdurchführung geeignet, ohne starke Gefäßwin- dungen und problematische Knickwinkel? • Länge des Aneurysmahalses als proximale Landungszone ausreichend? • Länge von linker und rechter A. iliaca als distale Landungszonen ausreichend? • Lassen Verkalkungen/Thromben in den Landungszonen eine ausreichende Fixierung des Stentgrafts erwarten? „Anatomien messen“ - Festlegung von Implantatdimensionen Sind alle Voraussetzungen für eine EVAR erfüllt werden im nächsten Arbeitsschritt die Durchmesser für Aneurysmahals, linker und rechter A. iliaca sowie die Länge des betreffenden Aortenabschnitts ermittelt, worauf basierend die Dimensionen des Stentgrafts festgelegt werden. Eine besondere Herausforderung stellt hierbei die Ermittlung der erforderlichen Länge der A. iliaca-Schenkel dar, da basierend auf den CT-Schichtbildern Gefäßwindungen nicht berücksichtigt werden können. Es stellt sich somit die Frage:
• Welche Schenkellänge birgt nicht das Risiko eine Arterienverzweigung zu verschließen? Die Überdimensionierung des Stentgrafts dient der Fixierung im Blutgefäß. Es stellen sich folgende Fragen: • Welche Stentgraft-Dimensionierung stellt patientenspezifisch das Optimum dar ? • Inwieweit beeinflussen vorhandene Plaqueablagerungen und Thromben die Radialkraft ?
Die Auswahl des Stentgrafttyps hängt von der patientenspezifischen Anatomie, den Erfahrungswerten des Mediziners und dessen Kenntnis vorhandener Stentgraftsysteme ab. Zu den anatomischen Kriterien zählen Länge, Form und Angulation des Aneurysmahalses, Plaquevorkommen in den Landungszonen sowie der räumliche Verlauf der A.iliaca communis und deren Windungen. Auf dem Markt verfügbare Stentgrafts unterscheiden sich hinsichtlich Stentringdesign, Ummantelungsmaterial und proximaler Verankerungsmechanismen. Es stellt sich somit die Frage: • Welcher Stentgrafttyp ist für die vorliegende Gefäßmorphologie am besten geeignet?
Aus der Workflowanalyse konnten Anforderungen an ein Simulationsmodell abgeleitet werden. Diese betreffen die Bewertung von Stentgraftgeometrie und -positionierung, wofür die folgenden Daten und Funktionen erforderlich sind: • Realitätsnahe 3D-Modellierung von patientenspezifischer Gefäßanatomie, Verkalkungen und Thromben • Positionierung von 3D-Implantatkomponenten im Gefäßmodell und Simulation der Implantatauswirkungen
Entsprechend der definierten Anforderungen wurde geprüft, inwieweit eine Generierung von patientenspezifischen
Daten möglich ist. Zur Bereitstellung der geforderten 3D-Objekte können unter Einsatz einer Segmentierungssoftware
(bspw. Mimics, Fa. Materialise) die Gefäß- , Thromben-. und Plaquegeometrie aus den CTA-Schichten extrahiert
werden. Die Wanddicke ist aus den CTA-Daten nicht zu ermitteln, weshalb diese anhand experimentell ermittelter
Werte zu erstellen ist. Aus dem Oberflächennetz ist ein Volumenmodell (Tetraeder) zu generieren. Wird dies in 3-matic
(Fa.Materialise) durchgeführt, ist der Modellexport als *.cdb-Datei möglich, die direkt in die FE-Simulationssoftware
ANSYS importiert werden kann. Die Komplexität biologischen Materials, wie der patientenspezifischen
Gefäßgeometrie, ist sehr hoch. Daher ist eine ortsabhängige Vernetzung erforderlich. Bereiche der
Stent-GefäßWechselwirkung werden feiner vernetzt als Abschnitte, die für das gesamte Systemverhalten aber nicht im Detail
relevant sind. Zur Modellierung von Blutgefäßen sind in der verfügbaren Literatur mehrere Ansätze zu finden, die sich
hinsichtlich der Anzahl verwendeter Gefäßwandschichten und Materialmodell zur Beschreibung des elastischen
Verhaltens unterscheiden. Bisher wurde häufig auf linear elastische [
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Abb. 1: Prozesskette zur Erstellung eines patientenspezifischen FE-Modells
Holzapfel hat in mehreren Experimenten die Materialcharakteristika von humanen Gefäßen untersucht [
Fixierungskraft zur Optimierung des Stentgraftübermaßes: Als Ergebnis der Gefäß-Stentgraft Interaktion kann eine Radialkraft berechnet werden, die Aussagen hinsichtlich maximal möglicher Radialkraft von Stentgrafts unter den vorherrschenden patientenspezifischen Bedingungen zulässt. Ein Vergleich berechneter Fixierungskraft mit ebenfalls simulierten Strömungskräften kann eine bessere Einschätzung des Migrationsrisikos ermöglichen. Kontaktstatus zur Bewertung des Abdichtungspotenzials: Die Berücksichtigung von Plaquegeometrie und -materialeigenschaften ermöglicht eine Aussage, an welchen Stellen eine Spaltbildung zwischen Stentring und umliegendem Gewebe und somit eine Undichtigkeit zu erwarten ist. Hierdurch kann bei verkalkten Landungszonen mit entsprechend unebener Gefäßwand eine bessere Einschätzung des Endoleak Typ I Risikos erwartet werden. Zur Bewertung des Abdichtungspotenzials wird der Kontaktstatus von Stentgraftringen mit Gefäßwand und Plaque berechnet. Deformationen - Ermittlung von Implantatlänge: Die konventionelle Messung zur Ermittlung von Implantatlänge bezieht sich lediglich auf die Strecke, die abzudecken ist, jedoch werden evtl. Begradigungen von Gefäßabschnitten durch eine Prothese nicht berücksichtigt. Anhand von Konstruktions- und Materialdaten des Stentgrafts ist es möglich Dimensionen und Anpassungsfähigkeit der Endoprothese unmittelbar im Gefäß abzubilden, wodurch eine präzisere Längenermittlung erwartet wird. Das resultierende Ergebnismodell könnte im Rahmen weiterführender Forschungsarbeiten zur Echtzeitregistrierung mit intraoperativen CTs bereitgestellt und somit auch hinsichtlich der Positionierung eine Unterstützung bieten. Hierdurch lässt sich einerseits eine Verkürzung der OP-Zeit erwarten und andererseits wird die 24 Strahlen- und Kontrastmittelbelastung für den Patienten reduziert, was zu einer Erhöhung der Sicherheit bei diese m Eingriff führen wird.
Reproduzierbare Randbedingungen - Quantitativer Vergleich von Stentgraftdesigns: Anhand des FE-Modells können unterschiedliche Stentgrafttypen und ihre Auswirkungen auf das umliegende Gefäß besser eingeschätzt und auch gegenübergestellt werden, wodurch ein quantitativer Vergleich mehrerer Produkte möglich wird. Beispielsweise kann anhand berechneter Fixierungskräfte und Kontaktzustand zwischen Stentgraftringen, Plaque/Thromben und Gefäßwand die Endoprothese mit dem besten Abdichtungs- und Fixierungspotenzial ermittelt werden.
Anhand der Arbeitsprozessanalyse konnten grundlegende, medizinische Fragestellungen und hiervon abgeleitet Anforderungen an ein Simulationsmodell zur Planungsunterstützung formuliert werden. Die gewonnene Datenbasis diente zur Ermittlung von Einsatzpotenzial für ein FE-Modell zur Abbildung von Gefäßwand-Stentgraft-Interaktion unter Berücksichtigung der Bedürfnisse und Anforderungen der Mediziner. Zur Analyse des EVAR-Planungsprozesses wurde nur ein Gefäßchirurg einbezogen, der zudem über eine große Erfahrung verfügt. Zur Ermittlung weiterer Schwachstellen der konventionellen Planung und Definition von weiterem Einsatzpotenzial des FE-Modells sind in weitere Untersuchungen auch weniger erfahrene Gefäßchirurgen zu integrieren. Hinsichtlich der Erstellung eines patientenspezifischen FE-Modells kann festgehalten werden, dass sich die Modellierung nach dem derzeitigen Stand der Technik auf die Gefäß-, Plaque und Thrombengeometrie beschränkt. Für derzeit nicht in vivo messbare Parameter, wie beispielsweise die Gefäßeigenschaften stehen in der Literatur experimentell ermittelte Werte zur Verfügung, deren Verwendung hinsichtlich der Materialmodellierung mit dem Kompromiss der Erstellung eines Durchnittmodells einhergeht. Zur Validierung des angestrebten Simulationsmodells und Prüfung der Praktikabilität im klinischen Alltag ist eine Studie mit einer größeren Anzahl von Gefäßchirurgen mit unterschiedlichen Erfahrungswerten durchzuführen. Bedingt durch das nichtlineare numerische Verhalten in Hinsicht auf die erforderlichen Materialgesetze, die großen Modellverformungen und die Kontaktproblematik steht eine Konvergenzanalyse zur Bestimmung minimal erforderlichen Knotenanzahl am patientenspezifischen FE-Modell noch aus. Es ist derzeit noch keine fundierte Aussage darüber bekannt, wie viel Radialkraft mindestens benötigt und wie viel Radialkraft maximal verträglich ist. Hinsichtlich der mindestens erforderlichen Radialkraft können jedoch die am Stentgraft angreifenden Strömungskräfte herangezogen werden. Ist die Radialkraft bzw. die Fixierungskraft (Berücksichtigung Reibungskoeffizient) größer als die vorherrschenden Strömungskräfte, so kann von einem geringeren Migrationsrisiko ausgegangen werden. Bezogen auf die maximal verträgliche Fixierungskraft sind verschiedene Gewebezustände in der Gefäßwand zu berücksichtigen. Beispielsweise neigen Gefäße eines Patienten mit Bindegewebsschwäche eher zur Rissbildung.