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Fluid structure interactions

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fr

Fluid structure interactions in ascending thoracic

aortic aneurysms

Prof. Stéphane AVRIL

(2)

Institut Mines-Télécomavril@emse.fr

PARIS

AUVERGNE RHONE-ALPES

MINES SAINT-ETIENNE

First Grande Ecole

outside Paris

Founded in 1816

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Prediction of risk of rupture and dissection

Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing

dissection

3

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Context

More and more aneurysms are detected at an early stage (incidence >8% for males >65 years old).

An intervention is recommended if the aneurysm grows more >1cm/year or it is >5.5cm. This represents >90000 interventions per year in Europe and USA

BUT:

• 25% aneurysms <5.5cm rupture : 15000 deaths ** !

• 60% of aneurysms >5.5 cm never experience rupture!

In summary: very high rate of inappropriate decisions and misprogramed surgical interventions!!

Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing

** Pape et al, Aortic Diameter ≥5.5 cm Is Not a Good Predictor of Type A Aortic Dissection Observations From the International Registry of Acute Aortic Dissection (IRAD), Circulation, 2007

4

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing

Bulge inflation test

III) Inflation test device. Speckle pattern is made before starting the

inflation test Circumferential

A x ia l

Romo et al. Journal of Biomechanics - 2014

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing 6

Davis et al. BMMB – 2015.

Davis et al. JMBBM – 2016

Zhao et al. Acta Biomaterialia - 2016

Identification of local material

properties

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr 7

Rupture risk estimation

Physiological Stress

Stretch Stretch/Stress Curve

Rupture Stress

E

in-vitro

= Tangent elastic modulus

Cauch y Stress (MP a)

1 1.1 1.2 1.3

Physiological Stretch

1.4 1.5 1.6 1.7

Rupture Stretch

γ stress = Physiological stress Rupture stress

γ stretch = Physiological stretch Rupture stretch

Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr 8

Correlation between the stretch-based rupture risk and the tangent elastic modulus

Duprey A, et al. Biaxial rupture properties of ascending thoracic aortic aneurysms. Acta Biomaterialia 2016.

Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing

E in-vitro (MPa)

Ru pture ris k

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fr

Olfa Trabelsi, Miguel A Gutierrez Cambron, Solmaz Farzaneh, Ambroise Duprey, Stéphane Avril.A non-invasive methodology for ATAA rupture risk estimation. Journal of Biomechanics 2017.

Relationship with aortic stiffness?

Is the stretch based rupture risk criterion correlated to the aortic

stiffness which could be measured by elastography techniques?

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fr

Methodology

• STL files of 10 Phases for each patient

• Structural mesh for all phases

• Mesh morphing function between the geometries of each phase

• Writing the coordinates of all phases

x(t) = 𝑎 0 + σ 𝑛=1 𝑎 𝑛 cos(𝑛𝑓𝑡) + σ 𝑛=1 𝑏 𝑛 sin(𝑛𝑓𝑡)

Discrete Fourier transform of the aortic deformation at every position

DC term

n=1 Fundamental magnitude

Average geometry Displacements over a

cardiac cycle

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fr

Equation of local membrane stiffness

∆𝑟 1 , ∆𝑟 2 : Fundamental circumferential and longitudinal radii of curvature

Q =

∆𝑃+ 𝜏1 0∆𝑟1

(𝑟1 0)2 + 𝜏2 0∆𝑟2

(𝑟2 0)2 𝜀1 𝑡 +𝜈𝜀2 𝑡

𝑟1 0 + 𝜈𝜀1 𝑡 +𝜀2 𝑡 𝑟2 0

∆𝑃 = ∆𝑃 0

2 = 𝑃 𝑠𝑦𝑠 − 𝑃 𝑑𝑖𝑎 2

𝑟 1 0 , 𝑟 2 0 : Circumferential and longitudinal radii of curvature in average geometry

𝜀 1 , 𝜀 2 : Circumferential and longitudinal strains

𝜏 1 0 , 𝜏 2 0 : Pretensions in circumferential and longitudinal directions

Farzaneh et al, BMMB 2018

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fr

Validation

Stiffness [MPa.mm]

Stiffness [MPa.mm]

Displacement [mm]

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fr

Results

Farzaneh et al, ABME 2018

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr 14

Summary

 2 ways of defining rupture:

 PWS – but unknown patient-specific strength

 γ stretch correlated with in vivo circumferential stiffness

Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing

Higher stiffness  less risk because the aneurysm can more easily withstand

volume variation

C. Martin et al., Acta Biomater. 9 (2013) 9392–9400

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing 15

RELATIONSHIP WITH HEMODYNAMICS

Preoperative dynamic imaging 4D MRI

CAD Mesh

Numerical Solution

Streamlines, velocity

TAWSS

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Material and Methods- 4D MRI images

Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing 16

Siemens 3T Prisma

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

MATERIAL AND METHODS- FSI

Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing 17

4D MRI data Velocity Profile

FSI analysis

[m/s]

Condemi et al, ABME 2017

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Boundary conditions for the fluid domain

Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing 18

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Boundary conditions for the solid domain

Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing 19

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Validation of the computational model

Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing 20

Sigovan, M., M.D. Hope, P. Dyverfeldt, D. Saloner. Comparison of four‐dimensional flow parameters for quantification of flow eccentricity in the ascending aorta. J Magn Reson Imaging. 34(5):1226-30, 2011.

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing 21

COMPLIANT

STIFF

110MPa 330MPa

150MPa

930MPa

Compobasso et al, CVET 2018

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Wall shear stress analysis

Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing 22

𝑇𝐴𝑊𝑆𝑆 = 1 𝑇 න

0 𝑇

𝑊𝑆𝑆 𝑑𝑡

where T is the period of the cardiac cycle and WSS is the instantaneous wall shear stress.

𝑂𝑆𝐼 = 0.5 1 − ׬ 0 𝑇 𝑊𝑆𝑆(𝑠, 𝑡) ∙ 𝑑𝑡

׬ 0 𝑇 𝑊𝑆𝑆(𝑠, 𝑡) ∙ 𝑑𝑡

Time averaged wall shear stress (WSS):

Oscillatory Shear Index:

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing 23

RESULTS

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing 24

Statistical Analysis-Spearman Rho:

λ rupture vs. TAWSSmax [Pa]

Spearman rho 0.867

P-value 0.001

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

DISCUSSION

Protective role of larger TAWSS, associated with low oscillatory wall shear stress?

Proteolytic effects

Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing 25

Guzzardi et al. JACC 2015

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Continuous process of proteolytic injury and tissue adaptation

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PROTEOLYTIC INJURY

Strain HEALING

Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing

Stress

Stress

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Growth and remodeling with continuous medial proteolytic injury

Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing 27

Mousavi et al, BMMB 2018

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fr

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Computational mechanics in the OR for vascular surgery?

www.predisurge.com

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Institut Mines-Télécomavril@emse.fravril@emse.fr

Acknowledgements

Stéphane Avril - 2018 Dec 19 - ISBM Nanjing

Funding:

ERC-2014-CoG BIOLOCHANICS

Olfa Trabelsi

Aaron Romo

Jin Kim

Pierre Badel

Frances Davis

Victor Acosta

Jamal Mousavi

Solmaz Farzeneh

Francesca Condemi

Cristina Cavinato

Jérôme Molimard

Baptiste Pierrat

Joan Laubrie

Claudie Petit

Jayendiran Raja

Miquel Aguirre

Ambroise Duprey

Jean-Pierre Favre

Jean-Noël Albertini

Salvatore Campisi

Magalie Viallon

Pierre Croisille

Chiara Bellini

Matthew Bersi

Jay Humphrey

Katia Genovese

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