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==Simulationsgestützte Planung von EVAR Interventionen==
https://ceur-ws.org/Vol-1429/Proceedings_CURAC_2012_Paper_6.pdf
Simulationsgestützte Planung von EVAR Interventionen
– Einsatzpotenzial der Finite Elemente Methode -
S. v. Sachsen¹, O. Burgert¹, J. Meixensberger1,2, B. Senf3, H.-J. Florek4 , F.W. Mohr1,5, C.D. Etz5,6
¹ Innovationszentrum Computerassistierte Chirurgie, Medizinische Fakultät, Universität Leipzig, Leipzig, Deutschland
² Klinik für Neurochirurgie, Universitätsklinikum Leipzig, Leipzig, Deutschland
³ Fraunhofer IWU, Dresden, Deutschland
4
Klinik für Gefäßchirurgie, Weißeritztalkliniken Freital, Freital, Deutschland
5
Herzzentrum Leipzig GmbH, Leipzig, Deutschland
6
Mount Sinai Hospital, New York, NY, USA
Kontakt: sandra.vonsachsen@medizin.uni-leipzig.de
Abstract: Die Planung einer endovaskulären Ausschaltung eines Aortenaneurysmas (EVAR) mittels Stentgraft kann per-
spektivisch anhand eines Finite-Elemente-Modells unterstützt werden. Ziel ist hierbei die Abbildung des Stentgraftver-
haltens im Gefäß, wodurch eine quantitative Bewertung verschiedener Stentgraftprodukte im Kontext mit patientenspe-
zifischem Gefäß möglich ist. Eine bedarfsorientierte Modellentwicklung setzt jedoch Kenntnisse über interventionsspe-
zifische 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 pati-
entenspezifischen FE-Modell. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für eine anwendungsorientierte und praxisrelevan-
te Entwicklung von EVAR-spezifischen FE-Modellen.
Schlüsselworte: Computerassistiertes Stenting, EVAR, Stentgraft, Finite-Elemente-Methode, Arbeitsprozessanalyse
1 Problem
Der Erfolg einer endovaskulären Aortenrekonstruktion (EVAR) mittels Stentgraft hängt von einer ausreichenden Fixie-
rung 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 Stent-
graftdesign und proximaler Verankerungsmechanismus sowie die Festlegung des Übermaßes und der Schenkellänge
maßgeblich verantwortlich. Bei diesen Arbeitsschritten wird der Gefäßchirurg nur bedingt von derzeit verfügbarer Pla-
nungssoftware unterstützt, die sich im Wesentlichen auf Messfunktionalitäten und 3D-Visualisierung des Gefäßes und
detektierter, kalzifizierter Plaques beschränken [1]. Zur Optimierung der EVAR Planung wird eine simulationsgestützte
Planungsmethode vorgeschlagen, die unter Verwendung eines Finite Elemente (FE) Modells die Wechselwirkung zwi-
schen Stentgraft und umliegendem Gewebe berechnet und somit eine patientenspezifisch optimierte Implantatauswahl
in Aussicht stellen kann. Für eine bedarfsorientierte Entwicklung von FE-Modellen müssen die Anforderungen von Sei-
ten der Gefäßchirurgen identifiziert und berücksichtigt werden. Den Autoren sind aus der bisher verfügbaren Literatur
keine Arbeiten bekannt, die das Einsatzpotenzial eines patientenspezifischen FE-Modells (Gefäß mit Stentgraftringen)
im Kontext mit medizinischen Fragestellungen der einzelnen EVAR-Planungsschritte aufzeigen. Das vorliegende Paper
soll dem Mediziner das Einsatzpotenzial dieser neuen Planungsmethode aufzeigen und somit einen Beitrag zum Fort-
schreiten der Entwicklungskette des angestrebte EVAR-Modells leisten.
2 Methoden
2.1. Arbeitsprozessanalyse
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 an-
hand der Workflowanalyse den Informatikern ein besseres Verständnis für die medizinischen Problemstellungen gege-
ben werden, was bei einer interdisziplinären Zusammenarbeit eine wichtige Grundlage darstellt.
2.2 Machbarkeitsstudie patientenspezifisches Finite Elemente Modell
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-
22
lungen bereitgestellt werden können. Des Weiteren wurde anhand der FE-Simulationssoftware untersucht, welche Ma-
terialmodelle zur numerischen Beschreibung von Blutgefäß und Stentgraft verfügbar sind. Die hierfür ebenfalls erfor-
derlichen Eingabeparameter können für das Gefäß aus der Literatur oder patientenindividuellen Messungen und für den
Stentgraft aus Herstellerangaben hervorgehen. Diesbezüglich wurde geprüft, welche Daten für eine möglichst realitäts-
nahe Modellierung zur Verfügung stehen.
3 Ergebnisse
3.1 Einteilung EVAR Planungsschritte und Definition medizinischer Fragestellungen
Basierend auf den durchgeführten Arbeitsprozessanalysen wurde für die EVAR-Planung eine Einteilung der Arbeits-
schritte vorgenommen und hiermit im Zusammenhang stehende Fragestellungen formuliert:
„CT Datensatz betrachten“ - Analyse von Gefäßanatomie und Prüfung der EVAR Voraussetzungen
Der Arbeitsschritt „ CT Datensatz betrachten“ stellt den zeitaufwändigsten Arbeitsschritt der Planung dar. Der Gefäß-
chirurg 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 Aneurysma-
hals, linker und rechter A. iliaca sowie die Länge des betreffenden Aortenabschnitts ermittelt, worauf basierend die Di-
mensionen des Stentgrafts festgelegt werden. Eine besondere Herausforderung stellt hierbei die Ermittlung der erforder-
lichen 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 ?
Auswahl Stentgraftdesign
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 Angu-
lation des Aneurysmahalses, Plaquevorkommen in den Landungszonen sowie der räumliche Verlauf der A.iliaca com-
munis 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?
3.2 Anforderungsdefinition für das Simulationsmodell
Aus der Workflowanalyse konnten Anforderungen an ein Simulationsmodell abgeleitet werden. Diese betreffen die B e-
wertung 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
3.3 Patientenspezifisches FE-Modell
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-Gefäß-
Wechselwirkung 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 [2,3] und nicht-linear elastische Materialmodelle
[4,5] zurückgegriffen.
23
Abb. 1: Prozesskette zur Erstellung eines patientenspezifischen FE-Modells
Holzapfel hat in mehreren Experimenten die Materialcharakteristika von humanen Gefäßen untersucht [6]. Die hieraus
gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass es sich um ein anisotropes Material handelt und der nicht-linear elastische Ansatz,
auch hyperelastisch genannt, die Realität am besten annähert. Das Materialmodell von Holzapfel ist in der kommerziel-
le Berechnungssoftware ANSYS verfügbar. Als Eingabeparameter stehen die von Holzapfel experimentell ermittelten
Werte für eine humane A.iliaca zur Verfügung[6]. Zur Beschreibung von Plaqueeigenschaften kann ein linear elasti-
scher Materialansatz mit von Holzapfel experimentell ermittelten Daten zu kalzifizierter Plaque verwendet werden [7].
Tong et al. untersuchten die Bestandteile eines Thrombus im Experiment und teilten diesen in drei Schichten mit hyper-
elastischem Materialverhalten ein [8]. Zur Überprüfung der Anwendbarkeit des nicht-linear elastischen mechanischen
Verhaltens zur Beschreibung der Gefäßeigenschaften konnte anhand eines idealisierten, kreisrunden Gefäßausschnittes
der Einfluss des Materialgesetzes untersucht und aufgezeigt werden [9]. Für eine möglichst genaue Bewertung des Ge-
samtsystems sollte der komplette Stentgraft mit Ringen, Ummantelung und evtl. vorhandenem proximalen Veranke-
rungsmechanismus modelliert werden. Hierfür können die vom Hersteller bereitgestellten Konstruktionsdaten im stl-
Format in das FE-Programm importiert werden. Zur Beschreibung des superelastischen Materialverhaltens der Nitinol
Stentgraftringe steht in ANSYS das nicht-lineare Materialmodell „Shape Memory Alloy (SMA)“ zur Verfügung [10].
Die Eingabeparameter können vom Hersteller des Nitinolmaterials bezogen werden. Die meisten der derzeit verfügba-
ren Stentgrafts weisen Ummantelungen aus Polytetrafluorethylen (ePTFE) oder Polyethylen terephthalate(PET, Dacron)
auf. Diese Materialien können unter Verwendung eines entsprechenden E-Moduls (Angaben vom Hersteller) als linear
elastische Materialien beschrieben werden [11]. Abbildung 1 zeigt die grundlegenden Elemente einer Prozesskette zur
Erstellung eines patientenspezifischen FE-Modells mit Stentgraft.
3.4 Einsatzpotenzial FE-Modell
Fixierungskraft zur Optimierung des Stentgraftübermaßes: Als Ergebnis der Gefäß-Stentgraft Interaktion kann eine Ra-
dialkraft berechnet werden, die Aussagen hinsichtlich maximal möglicher Radialkraft von Stentgrafts unter den vo r-
herrschenden patientenspezifischen Bedingungen zulässt. Ein Vergleich berechneter Fixierungskraft mit ebenfalls simu-
lierten 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 umlie-
gendem Gewebe und somit eine Undichtigkeit zu erwarten ist. Hierdurch kann bei verkalkten Landungszonen mit ent-
sprechend 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 be-
zieht 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 Dimen-
sionen und Anpassungsfähigkeit der Endoprothese unmittelbar im Gefäß abzubilden, wodurch eine präzisere Län-
genermittlung erwartet wird. Das resultierende Ergebnismodell könnte im Rahmen weiterführender Forschungsarbeiten
zur Echtzeitregistrierung mit intraoperativen CTs bereitgestellt und somit auch hinsichtlich der Positionierung eine Un-
terstützung bieten. Hierdurch lässt sich einerseits eine Verkürzung der OP-Zeit erwarten und andererseits wird die
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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 ge-
genübergestellt werden, wodurch ein quantitativer Vergleich mehrerer Produkte möglich wird. Beispielsweise kann an-
hand berechneter Fixierungskräfte und Kontaktzustand zwischen Stentgraftringen, Plaque/Thromben und Gefäßwand
die Endoprothese mit dem besten Abdichtungs- und Fixierungspotenzial ermittelt werden.
4 Diskussion
Anhand der Arbeitsprozessanalyse konnten grundlegende, medizinische Fragestellungen und hiervon abgeleitet Anfor-
derungen 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 Berück-
sichtigung 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 Untersu-
chungen 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 Ge-
fäß-, 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 hinsicht-
lich 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 grö-
ßeren Anzahl von Gefäßchirurgen mit unterschiedlichen Erfahrungswerten durchzuführen. Bedingt durch das nicht-
lineare numerische Verhalten in Hinsicht auf die erforderlichen Materialgesetze, die großen Modellverformungen und
die Kontaktproblematik steht eine Konvergenzanalyse zur Bestimmung minimal erforderlichen Knotenanzahl am pati-
entenspezifischen FE-Modell noch aus. Es ist derzeit noch keine fundierte Aussage darüber bekannt, wie viel Radial-
kraft 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 Fixierungs-
kraft sind verschiedene Gewebezustände in der Gefäßwand zu berücksichtigen. Beispielsweise neigen Gefäße eines Pa-
tienten mit Bindegewebsschwäche eher zur Rissbildung.
5 Referenzen
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