Passive biomechanics of abdominal aortic aneurysms

Riveros Moyano, Fabián
Rodríguez Matas, José Félix (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2015

Abstract: En esta tesis se estudia la respuesta elástica de aneurismas aórticos abdominales (AAA), buscando ahondar en su conocimiento y con la finalidad de proveer un mejor criterio de decisión para la realización, o no, de una intervención quirúrgica para la reparación de la lesión. Parámetros biomecánicos como la tensión pico de la pared arterial (singlas en inglés: PWS) o el riesgo de ruptura de la pared arterial (siglas en inglés: PWRR) han mostrado ser una alternativa posible y prometedora a ser utilizada para determinar el riesgo de ruptura. De la misma manera, el entender la biomecánica pasiva de los AAA permite realizar una evaluación más correcta de las tensiones, lo que se puede realizar mediante el uso de modelos de material adecuados para los tejidos junto con modelos geométricos fiables en los que se apliquen condiciones de frontera realistas. Esta tesis presenta un novedoso algoritmo iterativo para determinar la geometría cero-presión de un AAA para pacientes específicos, la cual supera las limitaciones de las metodologías existentes y permite una mejor estimación de las tensiones. La importancia de este algoritmo se debe a que los modelos de AAA de pacientes específicos son generados a partir de imágenes médicas de CT (tomografía axial computarizada) sincronizadas en las cuales la arteria está bajo presión, por lo tanto la identificación de la geometría cero-presión de AAAs permite una estimación más realista de la respuesta mecánica de la pared arterial. La metodología permite considerar el comportamiento hiperelástico anisótropo de la pared arterial, su espesor y la presencia del trombo intraluminal (ILT). Resultados en doce geometrías de de AAAs, paciente específico, indican que el algorítmo es computacionalmente tratable y eficiente, a la vez que preserva el volumen global del modelo. Adicionalmente, una comparación de resultados de PWS calculados usando geometría cero-presión y geometría basada en CT al aplicar la presión sistólica indica que los resultados a partir de geometría CT subestiman (significativamente) la tensión pico de la pared arterial en casos de modelos isótropo y anisótropo de la pared arterial. Adicionalmente, en base a los resultados experimentales publicados para la pared arterial del aneurisma y aorta sana, los resutados de esta tesis no encuentran diferencias significativas entre el uso de un modelo de material isótropo o anisótropo. Con respecto al ILT, el cual es un pseudo-tejido que se desarrolla a partir de sangre coagulada y se encuentra en la mayor parte de los AAAs de tamaño relevante, algunos estudios sugieren que las características mecánicas del ILT pueden estar relacionadas con el riesgo de ruptura del AAA, aunque existe una gran controversia en este respecto. Esta tesis investiga como la constitución y topología del ILT influye en la magnitud y localización de las tensiones pico en la pared arterial. El ILT, isótropo y no homogéneo, puede aparecer como un tejido flexible (una capa) o rígido (fibrótico multicapa). El estudio se extendió a 21 AAAs, pacientes específicos, (diámetro: 4.2-5.4 cm) que fueron reconstruidos a partir de imágenes CT y analizados numéricamente empleando el algoritmo de tirón propuesto para identificar la geometría cero presión. Los resultados indican que la PWS está mayormente correlacionada con el volumen de ILT (¿=0.44, p=0.05) y con el espesor de capa mínimo de ILT (¿=0.73, p=0.001) que con el diámetro máximo de AAA (¿=0.05, p=0.82). En promedio la PWS fue un 20% (desv estándar 12%) más alta para modelos en los que se usaron modelos suaves de ILT en lugar de modelos rígidos de ILT (p<0.001). La localización del PWS está altamente correlacionada con los puntos de menor espesor de ILT, en las secciones de máximo diámetro del AAA, y esto fue independiente de la rigidez del ILT. Adicionalmente, la heterogeneidad del ILT, i.e. la composición espacial de trombo suave o rígido, puede influenciar sustancialmente la tensión de la pared arterial. El presente estudio está limitado a identificar la influencia de factores biomecánicos, el cómo estos resultados se trasladan a la evaluación del riesgo de ruptura de AAA debe ser desarrollado a partir de estudios clínicos.

Abstract (other lang.): The passive biomechanics of abdominal aortic aneurysms (AAA) is studied, seeking to deepen in its knowledge and with the aim of providing better decision criteria to undergo surgical intervention for AAA repair. Biomechanical parameters as the peak wall stress (PWS) or the peak wall rupture risk (PWRR) have shown to be a feasible and promising alternative that can be used to better ascertain the risk of rupture. In addition, the understanding of the passive biomechanics of AAA allows obtaining a more accurate stress assessment, which can be done by using appropriate material models for the tissues along with accurate geometric models and more realistic boundary conditions for the lesion. This thesis presents a novel iterative algorithm to determine the zeropressure geometry of a patient-specific AAA that overcomes limitations on existing methodologies and allows a better estimation of the stresses. The importance of this algorithm lays in that patient-specific AAA models are generated from gated CT (Computer Tomography) medical images in which the artery is under pressure (diastolic), therefore the identification of the AAA zero pressure geometry would allow for a more realistic estimate of the aneurismal wall mechanics. The methodology allows considering the anisotropic hyperelastic behavior of the aortic wall, its thickness and accounts for the presence of the intraluminal thrombus (ILT). The results on twelve patientspecific AAA geometric models indicate that the procedure is computational tractable and efficient, and preserves the global volume of the model. In addition, a comparison of the peak wall stress computed with the zero pressure and CT-based geometries during systole indicate that computations using CTbased geometric models underestimate (significantly) the peak wall stress for both, isotropic and anisotropic material models of the arterial wall. In addition, based on the reported experimental results for aneurysmal and aortic wall mechanics, no significant differences among isotropic and anisotropic material models have been found. With respect to the ILT, which is a pseudo-tissue that develops from coagulated blood and it is found in most AAAs of clinically relevant size, a number of studies have suggested that ILT mechanical characteristics may be related to AAA risk of rupture, even though there is still great controversy on this regard. This thesis investigates how ILT constitution and topology influence the magnitude and location of PWS. ILT is isotropic and inhomogeneous and may appear as a soft (single-layered) or stiff (multilayered fibrotic) tissue. An extended study was conducted involving twenty-one patient-specific AAAs (diameter: 4.2-5.4 cm) which were reconstructed from CT images and biomechanically analyzed using the proposed methodology. Results indicated that PWS correlated stronger with ILT volume (ρ=0.44, p=0.05) and the minimum thickness of the ILT layer (ρ=0.73, p=0.001) than with maximum AAA diameter (ρ=0.05, p=0.82). In average PWS was 20% (SD 12%) higher for FE models that used a soft instead of stiff ILT models (p<0.001). PWS location strongly correlated with sites of minimum ILT thickness in the section of maximum AAA diameter and was independent from the ILT stiffness. In addition, ILT heterogeneity, i.e. the spatial composition of soft and stiff thrombus tissue, can considerably influence the stress in the AAA wall. The present study is limited to the identification of influential biomechanical factors, and how its findings translate to an AAA rupture risk assessment remains to be explored by clinical studies.

Pal. clave: ingeniería y tecnología mecánicas ; bioingeniería ; mechanical engineering and technology ; bioengineering

Knowledge area: Ingeniería mecánica

Department: Ingeniería Mecánica

Nota: Presentado: 22 06 2015

Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Ingeniería Mecánica, 2015