Strumenti per la progettazione e l'ottimizzazione di procedure di chirurgia bariatrica

Obesity has become a global concern, whose numbers are increasing with not negligible social and economic costs. Bariatric Surgery (BS) is considered the best treatment for people with morbidly obesity, because it allows the loss of a large amount of weight in the short period, improving the quality of life and clinical condition. However, BS is affected by side effects and complications, mostly due to the empirical approach and the anaesthetic dose. Modelling techniques could provide a rational description of the mechanisms of BS, overcoming the main limitations. Moreover, bio-engineering tools can be useful predictors of effectiveness during bariatric planning. The aim of the Ph.D. was the definition of reliable constitutive parameters of gastric tissues, for animal and human models by applying a coupled experimental and computational approach. Experimental tests at tissue, sub-structural and structural level were carried out. Computational models of the sub-structural and structural tests were developed to tune and validate the constitutive parameters. Then, finite element models of post-surgical configurations were generated to point out the modifications induced by bariatric procedures in stomach mechanical response and the differences among the bariatric procedures. The bioengineering models described the post-surgical gastric functionalities, providing mechanical quantities (as volumetric capacity, stress and strain distribution etc.), which are hard-to-measure in vivo. The results showed the potentialities of computational methods applied to surgery, proposing the possible outputs and scenarios, and laying the foundations to clinical tools that will help surgeons in choosing and customising the operation. A multidisciplinary approach that combines clinical and engineering fields could be the key to address the main issues related to BS.

L’obesità è una problema globale, i cui numeri stanno aumentando con costi sociali ed economici non trascurabili. La chirurgia bariatrica è ritenuta il miglior trattamento perché permette la perdita di molto peso nel breve periodo, migliorando la qualità di vita e le condizioni cliniche. Tuttavia, insorgono ancora effetti indesiderati e complicazioni, legati all’approccio empirico e all’anestesia. Le tecniche di modellazione computazionale potrebbero fornire una disamina razionale, risolvendo i principali limiti tramite strumenti che possono essere impiegati come predittori di efficacia. L’obiettivo del corso di dottorato era la definizione di parametri costitutivi affidabili che descrivessero il comportamento meccanico dei tessuti gastrici suini e umani, attraverso l’applicazione di un approccio sperimentale e computazionale. Sono state eseguite prove meccaniche sperimentali a livello tissutale, sub-strutturale e strutturale. I modelli computazionali delle prove sub-strutturali e strutturali sono stati definiti al fine di settare e validare i parametri costitutivi. Successivamente, modelli ad elementi finiti di configurazioni post-chirurgiche sono stati generati per analizzare le modifiche della risposta meccanica apportate dalle procedure bariatriche e le differenze tra esse. I modelli computazionali hanno descritto le funzionalità gastriche post-chirurgiche, fornendo quantità meccaniche (come la capacità volumetrica, la distribuzione di tensione e deformazione) che sono difficili da misurare in vivo. I risultati hanno mostrato le potenzialità dei metodi computazionali applicati alla chirurgia, proponendo i possibili risultati e scenari, e ponendo le basi per strumenti clinici che aiuteranno i chirurghi nella scelta e nella personalizzazione dell’operazione. Un approccio multidisciplinare che combina campi clinici e ingegneristici potrebbe essere la chiave per affrontare le principali questioni legate alla chirurgia bariatrica