Conceptual design of origami endoprosthesis and its delivery system

Abstract

Este trabalho de dissertação de mestrado abrange o estudo de viabilidade da utilização de mecanismos origamis para aplicação em endopróteses de correção de aneurisma de aorta abdominal, através da elaboração de um modelo matemático para otimização desses mecanismos e customização personalizada para cada paciente. Além disso, o objetivo deste trabalho inclui o desenvolvimento do projeto conceitual de um sistema de entrega para a inserção da endoprótese origami no corpo humano. Primeiramente, um estudo sobre a fisiologia humana é conduzido a fim de esclarecer a principal aplicação deste trabalho. Em seguida, é necessário a escolha de um padrão origami que possua a habilidade de torna-se um cilindro, portanto as características e padrões de origamis são investigadas. Para a aplicação em endopróteses de correção de aneurisma de aorta abdominal é imprescindível que o origami cilíndrico possua a capacidade de diminuir o seu diâmetro, para que seja possível a realização do procedimento de reparo endovascular de maneira minimamente invasiva, isto é causando a menor lesão possível ao paciente. O padrão waterbomb é utilizado nessa dissertação, em virtude de tratar-se de um padrão conhecido e com potencial de boa capacidade de redução de diâmetro. Paralelamente, as metodologias para a realização deste trabalho são pesquisadas. Para a formulação da otimização do padrão cilíndrico waterbomb o algoritmo de Evolução Diferencial é implementado. Este algoritmo permite uma flexibilidade no tratamento do problema de otimização e uma baixa tendência à convergência prematura. No desenvolvimento do projeto conceitual do sistema de entrega a metodologia de Processo de Desenvolvimento Integrado de Produtos é aplicada. Esta metodologia possui ferramentas que auxiliam no levantamento dos requisitos de projeto, além de possuir recursos visuais que facilitam a elaboração e organização do projeto. Como principais conclusões, o método de otimização se mostrou confiável para a customização de padrões de origami waterbomb, além de possuir potencial para o estudo de novos padrões cilíndricos. O projeto conceitual do sistema de entrega possui características de inovação e atributos, como a possibilidade de controle da ponta do cateter, que podem potencialmente colaborar em um reparo endovascular mais confiável para o cirurgião.

Abstract: This master?s dissertation research comprises the investigation of feasibility to use origami mechanisms for application in endoprostheses for abdominal aortic aneurysm repair, through the development of a mathematical model for optimization of these mechanisms and customization for each patient. Additionally, the aim of this work also includes the development of the conceptual design of a delivery system for the implantation of the origami stent graft into the human organism. Firstly, a study of human physiology is conducted in order to understand the main application of this paper. Secondly, it is necessary to select an origami pattern that has the ability to become a cylinder, so the characteristics and patterns of origami are investigated. In order to be employed in abdominal aortic aneurysm repair it is essential that the cylindrical origami has the capacity to reduce its diameter, to allow the endovascular repair procedure to be performed in a minimally invasive approach, i.e. inflicting as less injury as possible to the patient. The waterbomb pattern is adopted in this dissertation, considering that it is a well-known pattern with a potentially high capacity of diameter reduction. In parallel, the methodologies for accomplishing this work are researched. To the optimization formulation of the cylindrical pattern waterbomb the Differential Evolution algorithm is implemented. This algorithm enables flexibility in the treatment of the optimization problem and has a low tendency for premature convergence. The conceptual design of the delivery system is carried out according to the Integrated Product Development Project methodology methodology. This methodology provides useful tools to assist in the identification of the project requirements, as well as visual resources that facilitates the establishment and organization of the project. As a principal conclusions, the optimization method demonstrated to be reliable for the customization of waterbomb origami pattern, as well as presenting a potential for studying new cylindrical patterns. The conceptual design of the delivery system offers innovative features and attributes, such as catheter tip tracking, that could potentially collaborate in a more predictable endovascular repair for the surgeon.