Biomechanica-gebaseerde diagnose en prognose van aneurysmata in de aorta ascendens

Een aorta aneurysma is een chronische degeneratieve aandoening die wordt gekenmerkt door een permanente uitzetting van de aortawand. Deze aandoening kan leiden tot dissectie of ruptuur van de aorta. De huidige klinische praktijk voorziet een chirurgische ingreep wanneer de gemeten diameter een kritische waarde overschrijdt. Voor aneurysma's van de aorta ascendens omvat de chirurgische ingreep een zeer invasieve en risicovolle open operatie, waarbij het aneurysma wordt verwijderd en vervangen door een kunstmatige greffe. Echter, het conventionele diameter-gebaseerde criterium is onvoldoende om het risico op falen van de aortawand te voorspellen. Dit resulteert in een aanzienlijk aantal gevallen van onverwachte aortarupturen en dissecties, evenals onnodige operaties bij stabiele aneurysma's. Deze scriptie heeft als doel betrouwbare, klinisch meetbare parameters te vinden die het risico op aortaruptuur of dissectie van patiënten met een aneurysma van de aorta ascendens kunnen voorspellen. Dit gebaseerd op rigoureuze in vitro biomechanische karakterisering en robuuste in silico simulaties van de aortawand.

In de context van biomechanisch testen is het planair biaxiaal testen een prominente methode voor de in vitro karakterisering van aneurysmatisch weefsel. Ondanks de populariteit ervan ontbreken goed gedefinieerde richtlijnen voor het meten van vervorming en het identificeren van de stressvrije toestand. Om de vervorming te kwantificeren wordt een tweedimensionale techniek gebruikt. Echter, deze methode interpreteert beweging uit het testvlak verkeerdelijk als rek. Een vergelijking met een driedimensionale methode onthulde enige beweging uit het testvlak tijdens planaire biaxiale testen. Omdat is aangetoond dat dit de nauwkeurigheid minimaal beïnvloedt, blijft de tweedimensionale manier een geldige techniek voor het meten van vervorming. Daarnaast is de juiste identificatie van de stressvrije toestand essentieel om het weefsel correct te karakteriseren. Tijdens een trektest wordt het staal gemonteerd en belast om doorzakken te voorkomen, hetgeen resulteert in een niet-stressvrije toestand aan het begin van de belastingscyclus. Twee methoden werden geïntroduceerd om de stressvrije toestand te identificeren: de eerste methode gaat uit van een ideale test, terwijl de tweede methode rekening houdt met de grenseffecten die worden veroorzaakt door het grijpmechanisme. Beide methoden verschillen in complexiteit en de keuze tussen hen hangt af van het specifieke beoogde gebruik.

Om het risico op aortaruptuur of dissectie te beoordelen, is in silico modellering van het aneurysma vereist. Dit omvat het gebruik van numerieke simulaties van aortawandmechanica die afhankelijk zijn van op beeld gebaseerde gegevens om de in vivo geometrie te definiëren. Vervolgens worden prestressingsalgoritmen toegepast om mechanisch evenwicht te waarborgen onder de overeenkomstige in vivo belastingsomstandigheden. Een sensitiviteitsanalyse tussen verschillende algoritmen toonde aan dat het mechanische evenwicht van dikwandige geometrieën niet eenduidig is gedefinieerd tenzij de ex vivo toestand bekend is, wat doorgaans niet toegankelijk is in een klinische context. Een a priori aangenomen transmurale prestretch-verdeling verhoogt de betrouwbaarheid van arteriële mechanica-simulaties en zorgt voor een robuustere beoordeling van de maximale wandspanning. Bovendien wordt doorgaans aangenomen dat arterieel weefsel bestaat uit een isotrope hyperelastische niet-collagene extracellulaire matrix met daarin ingebedde collageenvezelfamilies. Collageen bepaalt het mechanisch gedrag van de arterie als transversaal-isotroop, wat een cruciale factor is bij het beoordelen van de piek-wandspanning in de aortawand. Er is een algoritme geïntroduceerd dat de collageenvezelverdeling bepaalt volgens de spanning of rek die deze niet-collagene extracellulaire matrix ondergaat. De op spanning gebaseerde methode voorspelde de experimenteel waargenomen vezelverdeling in de gezonde aortawand het meest nauwkeurig.

Een retrospectieve klinische studie evalueerde het risico op aneurysma-falen bij 33 patiënten die een operatie ondergingen. Uitgenomen aneurysma's werden onderworpen aan uniaxiale en planaire biaxiale experimenten. Klinische informatie, inclusief bloeddruk en aneurysmageometrie, werd gecombineerd met experimentele resultaten om de maximale wandspanning en wandsterkte te berekenen. Dit maakte de beoordeling mogelijk van het risico op aortafalen in de axiale en circumferentiële richting, dit zowel op een probabilistische als deterministische wijze. Door potentiële voorspellers van deze faalrisico's te onderzoeken, onthulde de studie dat aortadistensibiliteit - een maat voor het vermogen van het bloedvat om uit te zetten tijdens drukveranderingen - beter aortaruptuur of dissectie kan voorspellen dan louter geometrische parameters. De volumetrische distensibiliteit heeft het beste prediciteve vermogen, omdat hierin ook de axiale rek van het aneurysma wordt meegenomen. Deze bevinding heeft belangrijke implicaties voor de chirurgische praktijk en benadrukt het belang van beeldvorming gedurende zowel de diastolische als de systolische fase.