Biomeccanica dello stomaco per pazienti affetti da obesità: influenza dell’intervento di gastroplastica verticale endoscopica con approccio paziente-specifico

Obesity is a global public health problem and its prevalence is constantly growing. The consequences of its spread affect not only on the healthcare sector but also on the economic one. Among the different therapies against severe obesity, the most effective is the bariatric surgery that allows a loss of weight in the short term such as to bring an improvement in comorbidities and quality of life. However, the different procedures are also linked to complications and risks and are based only on clinical experience. There is also a lack of references that allow to choose the most suitable procedure for each patient. Computational methods can be used to fill these gaps, leading to a more adequate planning of the bariatric procedure in relation to the specific patient. Among the different types of bariatric procedures, one of the most recent is Endoscopic Sleeve Gastroplasty (ESG), which has developed considerable interest thanks to the fact that it is a minimally invasive procedure, not associated with complications and effective. This thesis work aims to evaluate the influence of the bariatric procedure of Endoscopic Sleeve Gastroplasty on the biomechanics of the stomach using computational methods (finite element software "Abaqus Explicit 2018"). The study population consists of nine patients and the computational models used for the simulation of the procedure were obtained from magnetic resonances of the patients' preoperative stomachs, allowing a patient-specific analysis to be performed. For the mechanical behaviour of the gastric tissues, a hyperelastic anisotropic constitutive formulation with the relative constituent parameters has been considered. For ESG simulations, sutures were recreated through the insertion of 6-8 pairs of stitches into the body region of each patient's stomach, keeping the fundus and antrum regions unchanged. The points were selected in the front wall, in the large curvature and in the rear wall and were then connected using "wire" elements. Computational analyses involved food intake simulation imposing an increase in intragastric pressure for both pre-surgical and post-ESG configuration. The analysis of the results included the evaluation of volumetric capacity through pressure-volume curves for pre-surgical and post-ESG configuration, and evaluation of gastric wall distension through elongation strain. The results obtained were then compared with those related to simulations of the Laparoscopic Sleeve Gastrectomy (LSG) procedure and real ESG procedures. The results showed that the ESG procedure, which involves a reduction in the volume of the stomachs compared to pre-surgical configurations, maintains this behaviour even with increasing intragastric pressure. About deformations, the ESG procedure involves a reduction in total deformation, although minimal compared to the pre-surgical configuration, indicating that mechanoreceptor stimulation remains high despite the procedure. It also emerged that the ESG procedure depends on the starting stomachs and the operator's technique. Moreover, comparisons with real ESG procedures have shown that computational simulation is not too far from reality and can be improved to better simulate the procedure. Computational modelling can therefore be a valid tool for the optimization and refinement of procedures, providing support for the choice of the most suitable procedure for each circumstance.

L’obesità è un problema sanitario pubblico globale e la sua diffusione è in continua crescita. Le conseguenze di questa diffusione hanno ripercussioni non solo nel settore sanitario ma anche in quello economico. Tra le diverse terapie contro l’obesità grave, la più efficace è la chirurgia bariatrica che consente una perdita di peso nel breve termine tale da portare un miglioramento delle comorbidità e della qualità della vita. Tuttavia, le diverse procedure sono legate anche a complicazioni e rischi e si basano solamente sull’esperienza clinica. Mancano inoltre dei riferimenti che permettano di scegliere la procedura più adeguata per ciascun paziente. I metodi computazionali possono essere utilizzati per colmare queste lacune, portando ad ottenere una pianificazione più adeguata della procedura bariatrica in relazione anche allo specifico paziente. Tra le diverse tipologie di procedure bariatriche, una tra le più recenti è la Endoscopic Sleeve Gastroplasty (ESG), la quale ha sviluppato un notevole interesse grazie al fatto di essere una procedura minimamente invasiva, non associata a particolari complicazioni ed efficace. Questo lavoro di tesi si propone di valutare l’influenza della procedura bariatrica di Endoscopic Sleeve Gastroplasty sulla biomeccanica dello stomaco attraverso l’utilizzo di metodi computazionali (software ad elementi finiti “Abaqus Explicit 2018”). La popolazione di studio è composta da nove pazienti e i modelli computazionali utilizzati per la simulazione della procedura sono stati ottenuti a partire dalle risonanze magnetiche degli stomaci preoperatori dei pazienti, consentendo di effettuare un’analisi paziente-specifica. Per il comportamento meccanico dei tessuti gastrici costituenti lo stomaco è stata considerata una formulazione costitutiva anisotropa iperelastica, con i relativi parametri costitutivi. Per le simulazioni di ESG, le suture sono state ricreate attraverso l’inserimento di 6-8 coppie di punti nella regione del corpo dello stomaco di ciascun paziente, mantenendo inalterate le regioni di fondo e antro. I punti sono stati selezionati nella parete frontale, nella zona della grande curvatura e nella parete posteriore e sono stati poi collegati attraverso l’utilizzo di elementi “wire”. Le analisi computazionali hanno simulato l’assunzione di cibo imponendo un aumento della pressione intragastrica sia per la configurazione pre-chirurgica che in seguito alla simulazione di ESG. L’analisi dei risultati ha previsto la valutazione della capacità volumetrica attraverso le curve di pressione-volume, per la configurazione pre-chirurgica e post-ESG, e la valutazione della distensione della parete gastrica attraverso la deformazione di allungamento. I risultati ottenuti sono stati poi confrontati con quelli relativi a simulazioni della procedura di Laparoscopic Sleeve Gastrectomy (LSG) e di reali procedure di ESG. Dai risultati è emerso che la procedura di ESG, che comporta una riduzione del volume degli stomaci rispetto alle configurazioni pre-chirurgiche, mantiene questa riduzione anche all’aumentare della pressione intragastrica. Per quanto riguarda le deformazioni, la procedura di ESG comporta una riduzione della deformazione totale, seppur minima rispetto alla configurazione pre-chirurgica, indicando che la stimolazione dei meccanorecettori rimane comunque elevata nonostante la procedura. È emerso inoltre come la procedura di ESG dipenda dagli stomaci di partenza e dalla tecnica dell’operatore. Inoltre, dai confronti con reali procedure di ESG si è visto come la simulazione computazionale non sia troppo lontana dalla realtà e possa essere migliorata per simulare al meglio la procedura. La modellazione computazionale può essere quindi un valido strumento per l’ottimizzazione e il perfezionamento delle procedure, fornendo supporto per la scelta della procedura più adatta ad ogni circostanza.