Theoretical and experimental analyses of the rupture of ascending thoracic aortic aneurysm

Abstract

Ascending thoracic aortic aneurysms (ATAAs) is an arterial disease which can lead to a dissection or rupture of the aorta, causing the death of the patients. Several studies have investigated the rupture mechanisms of ATAAs, however, underlying reasons behind aortic rupture (failure) have not been fully understood and further investigations are necessary. Surgical interventions used to treat this disease are associated with risks of mortality and morbidity. While size is the main clinical measure for aortic replacement surgery, there are uncertainties about the efficiency of this measure. To better guide surgical decision making, a biomechanical surrogate measure estimating ATAA wall properties is needed to better stratify patients. Understanding the biomechanical and histopathological changes associated with ascending thoracic aortic aneurysms (ATAAs), this research investigates different mechanical properties of the aorta. The rupture of pathological aortic tissue is a local phenomenon resulting from defects or tears in the vessel wall. In this work, the toughness-based rupture properties of human ATAAs have been examined. The toughness, biaxial tensile characteristics, and histological properties of aneurysmal and control ascending thoracic aortas (ATAs) were characterized from four quadrants of surgically excised aortic rings. To further explore the rupture propensity of ATAAs, the inter-correlation of the toughness properties with histological characteristics have been explored. The toughness properties were also investigated for cryopreserved and control porcine tissues.The loss factor, a surrogate measure defined as the ratio of dissipated energy to the energy absorbed during a tensile cycle, the incremental modulus, and their anisotropy index were also determined for the controlled and aneurysmal human ATAs. These parameters were compared with the media fiber compositions, the aortic diameter, and patients' age for the ATAAs associated with bicuspid aortic valve (BAV) and tricuspid aortic valve (TAV). Additionally, the variations of fiber contents through the aortic thickness and the non-linear tensile characteristic of the aortas have been examined.The results obtained suggest tissue remodeling could affect toughness and stiffness properties differently in ascending aortic aneurysms. The results propose the loss factor, which may be measured non-invasively, could be a useful surrogate measure to describe the histopathology of aneurysmal tissue and to demonstrate the differences between ATAAs with bicuspid and tricuspid aortic valve types.L'anévrisme de l'aorte thoracique ascendante (les ATAAs) est une maladie artérielle qui peut conduire à une dissection ou une rupture de l'aorte, pouvant causer la mort. Plusieurs études ont analysé les mécanismes de rupture des ATAAs, cependant, les raisons sous-jacentes à la rupture de l'aorte (échec) n'ont pas été entièrement élucidées et des investigations additionnelles sont nécessaires. Les interventions chirurgicales utilisées pour traiter cette maladie sont associées à des risques de mortalité et de morbidité élevés. Bien que la taille soit la principale mesure clinique pour la chirurgie de remplacement aortique, il existe des incertitudes quant à l'efficacité de cette intervention. Pour mieux orienter la prise de décision chirurgicale, une mesure de substitution biomécanique pour l'estimation des propriétés de la paroi ATAA est nécessaire pour mieux stratifier les patients. Pour comprendre les propriétés mécaniques de l'aorte, cette recherche étudie différents changements biomécaniques et histopathologiques associés aux anévrismes ascendants de l'aorte thoracique (ATAAs). La rupture du tissu aortique pathologique est un phénomène local résultant de défauts ou de déchirures dans la paroi du vaisseau. Dans ce travail, les propriétés de rupture basées sur la ténacité d'ATAAs humains ont été caractérisées. La ténacité, les caractéristiques de traction biaxiale et les propriétés histologiques anévrysmales et de contrôle d'aortes ascendantes thoraciques (ATAs) ont été caractérisées à l'aide de quatre quadrants et anneaux aortiques chirurgicalement excisées. Pour explorer davantage la propension à la rupture des ATAAs, l'inter-corrélation des propriétés de ténacité avec les caractéristiques histologiques a été explorée. Les propriétés de ténacité ont également été étudiées pour les tissus porcins cryoconservés.Un facteur de perte a été défini, c'est une mesure de substitution définie comme étant le rapport entre l'énergie dissipée à l'énergie absorbée pendant un cycle de traction, le module supplémentaire, et leur indice d'anisotropie ont également été déterminés pour les ATAs humains contrôlées et anévrysmles. Ces paramètres ont été comparés avec les compositions de fibres de la média, le diamètre de l'aorte et l'âge des patients avec ATAAs associés à la bicuspidie aortique (BAV) et la valve aortique tricuspide (TAV). En outre, les variations des teneurs en fibres sur l'épaisseur de l'aorte et de la résistance caractéristique non linéaire des aortes ont été examinées.Les résultats obtenus suggèrent que le remodelage tissulaire pourrait affecter les propriétés de ténacité et de rigidité des anévrismes de l'aorte. Les résultats proposent que le facteur de perte, qui peut être mesuré de manière non invasive, pourrait être une mesure de substitution utile pour décrire l'histopathologie du tissu anévrismal et de démontrer les différences entre ATAAs avec types de valves aortiques bicuspides et tricuspides