Advertisement

Der digitale Zwilling in der endovaskulären Versorgung

  • A. Hemmler
  • C. Reeps
  • B. Lutz
  • M. W. GeeEmail author
Leitthema
  • 1 Downloads

Zusammenfassung

Hintergrund

Die endovaskuläre Behandlung (EVAR) von abdominalen Aortenaneurysmen (AAA) erfordert einen komplexen und bisher stark erfahrungsbasierten präoperativen Planungsprozess z. B. hinsichtlich Stentgrafttypenauswahl und -oversizing, der an die individuellen patientenspezifischen Gegebenheiten angepasst sein muss.

Fragestellung

In der vorliegenden Arbeit soll untersucht werden, ob die Verwendung eines virtuellen digitalen Zwillings potenziell hilfreich sein kann, den erfahrungsbasierten Planungsprozess zu objektivieren und zu optimieren, um damit das methodenassoziierte Komplikationsrisiko zu senken.

Methoden

Basierend auf präoperativen patientenspezifischen Daten werden wirklichkeitsgetreue AAA sowie wirklichkeitsgetreue Stentgraft-Simulationsmodelle gängiger kommerzieller Stentgrafts erzeugt. Anschließend wird eine virtuelle endovaskuläre AAA-Reparatur zur Vorhersage der postoperativen Konfiguration von Stentgraft und AAA verwendet. Unterschiedliche Anwendungsbeispiele dieser Prozesskette sollen den potenziellen Nutzen eines digitalen Zwillings in der endovaskulären Therapie aufzeigen.

Ergebnisse

Die potenzielle Anwendbarkeit und der Nutzen eines digitalen Zwillings zur Optimierung der präoperativen Stentgraftauswahl und Größenbestimmung sowie zur prädiktiven Einschätzung der Komplikationswahrscheinlichkeit basierend auf mechanischen und geometrischen Kenngrößen konnten exemplarisch demonstriert und validiert werden.

Schlussfolgerungen

Die gute Vorhersagegüte macht den digitalen Zwilling zu einem vielversprechenden Planungswerkzeug in der präoperativen Planungsphase der endovaskulären AAA-Versorgung mit denkbar vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten.

Schlüsselwörter

Abdominales Aortenaneurysma Endovaskuläre Aneurysmareparatur Stentgraft Personalisierte Medizin Digitaler Zwilling 

The digital twin in endovascular repair

Abstract

Background

Endovascular aortic repair (EVAR) of abdominal aortic aneurysms (AAA) requires a very complex and experience-based preoperative planning process, e.g. with respect to stent graft selection and oversizing, which must be individually adapted to the patient-specific circumstances.

Objective

In this study it was investigated whether the use of a virtual digital twin could increase objectivity and optimize the experience-based preoperative planning process and hence reduce the method-associated complication risk.

Methods

Based on preoperative patient-specific data, realistic AAA and realistic stent graft simulation models of commonly used commercial stent grafts were generated. Subsequently, virtual endovascular AAA repair was used to predict the postoperative configuration of the stent graft and AAA. Different application examples of this process chain are intended to demonstrate the potential benefits of the use of a digital twin in EVAR.

Results

The potential applicability and the benefit of a digital twin for optimization of preoperative stent graft selection and sizing as well as for the predictive estimation of the likelihood of complications based on mechanical and geometrical parameters could be exemplarily demonstrated and validated.

Conclusion

The good predictive quality makes the digital twin a highly promising planning tool in the preoperative planning phase of endovascular AAA repair with potentially a multitude of application possibilities.

Keywords

Aortic aneurysm, abdominal Endovascular repair Stent graft Personalized medicine Digital twin 

Notes

Danksagung

AH und MWG danken der Unterstützung dieser Arbeit durch das Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (LRZ) unter pr48ta sowie der DFG unter GE2254/4‑1.

Einhaltung ethischer Richtlinien

Interessenkonflikt

A. Hemmler, C. Reeps, B. Lutz und M.W. Gee geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Für diesen Beitrag wurden von den Autoren keine Studien an Menschen oder Tieren durchgeführt. Für die aufgeführten Studien gelten die jeweils dort angegebenen ethischen Richtlinien.

Literatur

  1. 1.
    Auricchio F, Conti M, Marconi S et al (2013) Patient-specific aortic endografting simulation: From diagnosis to prediction. Comput Biol Med 43:386–394CrossRefGoogle Scholar
  2. 2.
    Corbett TJ, Callanan A, Morris LG et al (2008) A review of the in vivo and in vitro biomechanical behavior and performance of postoperative abdominal aortic aneurysms and implanted stent-grafts. J Endovasc Ther 15:468–484CrossRefGoogle Scholar
  3. 3.
    Demanget N, Duprey A, Badel P et al (2013) Finite element analysis of the mechanical performances of 8 marketed aortic stent-grafts. J Endovasc Ther 20:523–535CrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    Derycke L, Perrin D, Cochennec F et al (2019) Predictive numerical simulations of double branch stent-graft deployment in an aortic arch aneurysm. Ann Biomed Eng 47(4):1051–1062CrossRefGoogle Scholar
  5. 5.
    El Saddik A (2018) Digital twins: the convergence of multimedia technologies. IEEE Multimed 25:87–92CrossRefGoogle Scholar
  6. 6.
    Figueroa CA, Taylor CA, Yeh V et al (2009) Effect of curvature on displacement forces acting on aortic endografts: a 3-dimensional computational analysis. J Endovasc Ther 16:284–294CrossRefGoogle Scholar
  7. 7.
    Hemmler A, Lutz B, Kalender G et al (2019) Patient-specific in silico endovascular repair of abdominal aortic aneurysms: application and validation. Biomech Model Mechanobiol 18:983–1004CrossRefGoogle Scholar
  8. 8.
    Hemmler A, Lutz B, Reeps C et al (2018) A methodology for in silico endovascular repair of abdominal aortic aneurysms. Biomech Model Mechanobiol 17:1139–1164CrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    Hemmler A, Lutz B, Reeps C, Gee MW (2019) In silico study of vessel and stent-graft parameters on the potential success of endovascular aneurysm repair. Int J Numer Methods Biomed Eng.  https://doi.org/10.1002/cnm.3237 Google Scholar
  10. 10.
    Kühnl A, Erk A, Trenner M et al (2017) Incidence, treatment and mortality in patients with abdominal aortic aneurysms: an analysis of hospital discharge data from 2005–2014. Dtsch Ärztebl Int 114:729–736Google Scholar
  11. 11.
    Maier A, Gee MW, Reeps C et al (2010) A comparison of diameter, wall stress, and rupture potential index for abdominal aortic aneurysm rupture risk prediction. Ann Biomed Eng 38:3124–3134CrossRefGoogle Scholar
  12. 12.
    Perrin D, Badel P, Orgéas L et al (2015) Patient-specific numerical simulation of stent-graft deployment: Validation on three clinical cases. J Biomech 48:1868–1875CrossRefGoogle Scholar
  13. 13.
    Perrin D, Badel P, Orgeas L et al (2016) Patient-specific simulation of endovascular repair surgery with tortuous aneurysms requiring flexible stent-grafts. J Mech Behav Biomed Mater 63:86–99CrossRefGoogle Scholar
  14. 14.
    Perrin D, Demanget N, Badel P et al (2015) Deployment of stent grafts in curved aneurysmal arteries: toward a predictive numerical tool. Int J Numer Methods Biomed Eng 31:e2698CrossRefGoogle Scholar
  15. 15.
    Polzer S, Gasser TC (2015) Biomechanical rupture risk assessment of abdominal aortic aneurysms based on a novel probabilistic rupture risk index. J R Soc Interface 12:20150852CrossRefGoogle Scholar
  16. 16.
    Roy D, Lerouge S, Inaekyan K et al (2016) Experimental validation of more realistic computer models for stent-graft repair of abdominal aortic aneurysms, including pre-load assessment. Int J Numer Methods Biomed Eng 32:e2769CrossRefGoogle Scholar
  17. 17.
    Schanzer A, Greenberg RK, Hevelone N et al (2011) Predictors of abdominal aortic aneurysm sac enlargement after endovascular repair. Circulation 123:2848–2855CrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Springer Medizin Verlag GmbH, ein Teil von Springer Nature 2019

Authors and Affiliations

  1. 1.Mechanics & High Performance Computing GroupTechnische Universität MünchenGarching b. MünchenDeutschland
  2. 2.Universitätsklinikum Carl Gustav CarusDresdenDeutschland

Personalised recommendations