Biomechanics of ascending aortic aneurysms: An investigation into 2D strain echocardiography and tensile mechanics to identify at-risk patients

Abstract

The aorta is the largest artery in the body and serves as the conduit for systemic blood flow from the heart. Its central property is its passive elastic behaviour that converts fluid energy to elastic potential during systole and subsequently returns that stored potential to maintain systemic circulation during diastole. With disease the pathological remodelling of the wall can result in an impairment of its elastic function, particularly in the case of an aortic aneurysm. If left unrepaired, aortic aneurysms carry significant risk of tearing and often result in death or serious disability. Clinical guidelines for surgical intervention are based on aortic diameter thresholds, but unfortunately these criteria are insufficient and an estimated 40% of dissection and rupture cases occur at diameters below the surgical guidelines. Aortic diameter criteria do not fully relay the risk that elastic impairment and pathological remodelling contribute to dissection or rupture. Herein, this thesis tested the hypothesis that the elastic or mechanical properties of the aortic wall can be used as a marker of ascending aortic dysfunction and contribute added information beyond size to identify at-risk patients. In this work we used transesophageal echocardiography, an application of ultrasound imaging to the heart and great vessels, to assess the mechanical properties of the ascending aorta and subsequently validated this methodology with ex vivo tensile analysis on resected tissue. Specifically, we developed novel in vivo stiffness metrics termed the Cardiac Cycle Pressure Modulus (CCPM) and the Cardiac Cycle Stress Modulus (CCSM) that were compared with aortic wall histology and ex vivo stiffness and energy loss parameters that have been widely reported, previously. This approach was applied globally (i.e., circumference averaged) and regionally at four distinct foci around the aortic circumference. Global CCPM and CCSM were significantly predictive of ex vivo mechanical indices and histopathology and could be used to identify patients with adverse aortic remodelling who did not meet standard surgical criteria of ≥5.5 cm diameter. Regional analysis demonstrated that heterogeneity in CCPM and CCSM increased with medial degeneration creating uneven distribution of physiological stress in the aortic wall. Furthermore, both tensile and compressive strain patterns were observed simultaneously in neighbouring regions of some patients suggesting a more complex physio-mechanical environment than had previously been appreciated. Ultimately, this work proposes a novel assessment technique to follow patients with ascending aortic aneurysms that may provide a crucial added dimension to surgical management of patients.L'aorte est la plus grosse artère du corps et sert de conduit pour le flux sanguin systémique du cœur. Elle est caractérisée principalement par son comportement élastique passif, au cours de la systole, qui permet de convertir l'énergie des fluides en un potentiel élastique. Lors de la diastole, ce potentiel emmagasiné est utilisé afin de maintenir la circulation systémique. En condition pathologique, la paroi vasculaire subit un remodelage qui peut entraîner une altération de sa fonction élastique telle qu'observée dans les cas d'anévrismes aortiques. Sans traitement, les anévrismes aortiques comportent un risque important de rupture pouvant mener à une invalidité grave ou à la mort. Les lignes directrices cliniques pour l'intervention chirurgicale sont basées sur des seuils de diamètre aortique. Malheureusement, ces critères d'intervention sont de faibles prédicteurs d'incidents puisque environ 40% des cas de dissection et de rupture se produisent à des diamètres inférieurs aux lignes directrices chirurgicales. Le diamètre de l'aorte est un critère insuffisant pour établir la détérioration élastique et le remodelage pathologique du vaisseau contribuant à la dissection et la rupture. Dans le cadre de la présente thèse, nous avons testé l'hypothèse que les propriétés élastiques ou mécaniques de la paroi aortique peuvent être utilisées comme un marqueur de la dysfonction aortique ascendante et contribuer à titre de valeur ajoutée au critère de diamètre afin d'identifier les patients à risque.Dans le cadre de la présente thèse, nous avons utilisé l'échocardiographie trans-œsophagienne, une technique qui nous permet d'évaluer les propriétés mécaniques de l'aorte ascendante via l'imagerie ultrasonore du cœur et des grands vaisseaux. Nous avons ensuite validé cette méthodologie avec un essai de traction ex vivo sur tissu réséqué. Plus précisément, nous avons développé de nouvelles mesures de rigidité in vivo appelées le «Cardiac Cycle Pressure Modulus» (CCPM) et le «Cardiac Cycle Stress Modulus» (CCSM). Ces nouvelles mesures ont été comparées avec différentes techniques bien établies dans la littérature telles que l'histologie, les paramètres de rigidité et les paramètres de perte d'énergie ex vivo de la paroi aortique. Cette approche a été appliquée de façon globale (c'est-à-dire, la moyenne de la circonférence) et de façon régionale, soit à quatre foyers distincts de la circonférence aortique. Le CCPM global et le CCSM global ont été significativement prédictifs des indices mécaniques ex vivo et de l'histopathologie. Ces mesures pourraient être utilisées pour identifier les patients ayant un remodelage aortique défavorable et qui ne répondraient pas aux critères chirurgicaux standard de ≥5,5 cm de diamètre. L'analyse régionale a démontré que l'hétérogénéité dans le CCPM et le CCSM augmente avec la dégénérescence médiale créant une distribution inégale du stress physiologique dans la paroi aortique. De plus, des profils de déformation à la traction et à la compression ont été observés de façon simultanée dans des régions avoisinantes de l'aorte de certains patients, ce qui suggère un environnement physio-mécanique plus complexe que ce qui a été précédemment signalé. Finalement, la présente thèse propose une nouvelle technique d'évaluation des patients ayant un anévrisme de l'aorte ascendante. Cette technique peut fournir une dimension supplémentaire et cruciale à la gestion chirurgicale des patients