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Mechanics and
mechanobiology of the wall of the thoracic aorta
Stéphane AVRIL
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ascending aorta
descending aorta
(thoracic aorta and abdominal aorta)
arch of aorta ▶ a local dilation of the aorta
due to aortic wall weakening
AORTIC ANEURISMS
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SOCIETAL AND MEDICAL ISSUES
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How can we predict the aneurysm’s rupture?
Thoracic aortic aneurysms per year: 15000 people in the US, +30000 people in Europe with a male preponderance.
50-60% involves the ascending aorta.
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I) Aneurysm excised specimen.
II) Separation of Media and Adventitia.
Adventitia Media
Circumferential
A x ia l
Circumferential
A x ia l
III) Inflation test device. Speckle pattern is made before starting the
inflation test Circumferential
A x ia l
Adventitia & Media
Circumferential
A x ia l
II) Media and Adventitia.
Characterization of the modes of rupture
Romo et al. Journal of Biomechanics -
2014.
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camera
Instron machine protector
Undeformed Deformed
x y
Full-field measurements
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Local stress reconstruction
𝐴 ∙ 𝝈 = [𝐵]
𝑑𝑖𝑣 𝝈 + 𝑓 = 0
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Rupture picture and area of interest
(AOI) Local thickness
evolution (mm)
= NodeMAX
= NodeTOP
= NodeRUP Mesh
A. Romo, S. Avril, P. Badel, A Duprey, J.P.
Favre. In vitro analysis of localized aneurism rupture. Journal of Biomechanics -2014, vol 47, N°3, pp 607-616.
Local analysis of rupture
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55% of the ultimate stress
Local damage initiation
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Rupture
modes
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𝜎 𝑅𝑢𝑝 = (𝜎 ∙ 𝑞 𝜃 ) ∙ 𝑞 𝜃
1.31 MPa 1.13 MPa 1.05 MPa
0.88 MPa
Ultimate stress values
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Fit a strain energy density function at every point
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𝛽 𝛽
Strain energy function:
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MATLAB ®
Identification of a hyperelastic constitutive model
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Davis et al. Biomechanics and Modeling in
Mechanobiology - 2015.
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Results
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Results
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Application to computational retrospective predictions
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Image acquisition and 3D reconstruction
5 patients: Dynamic preoperative scanners during cardiac cycle ( 0.92 s) = 10 phases.
CT: (resolution 512x512, slice thickness of 0.5 mm)
Isolation of the aneurysm 1 phase superposition of
10 phases
Systolic and diastolic geometries
Trabelsi et al. Journal of Biomechanics - 2015.
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Good prediction of in vivo volume variations
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CT image geometry (diastolic geometry) Zero-pressure geometry
Patient 1
Patient 2
Patient 3
Patient 4
Patient 5 0
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
1 2 3 4 5
Relative volume variation
Patients
Comparison between actual and predicted relative volumes variation of the aneurysm
Relative FEM volume variation Relative CT volume variation
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Identification of hyperelastic parameters by calibrating the volume changes
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A
C B
D
-40000
-40000
-40000
-40000 -200
00
-2 0000
-20000
-20000
-20000
-200 00 0
0
0
0
0
0
0
0 20000
20000
20000 20000
20000
20000
40000
40000
40000 40000
60000 D1 (kPa)
D2
Patient 1: Variation between predicted and CT systolic and mid-cycle volumes (mm3)
2 3 4 5 6 7 8 9 10
2 3 4 5 6 7 8 9
F(sys) F(mid)
Trabelsi et al. Journal of Biomechanics - 2015.
INVERSE ANALYSIS
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Stress analysis and rupture risk estimation
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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
1 2 3 4 5
R el at iv e Ris k
Patient ID
Relative diameter
Rupture risk index (regression propreties)
Rupture risk index (Experimental properties)
Overpressure Risk (Experimental propreties)
Overpressure Risk (Regression
properties)
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Future work: predicting and stopping aneurism growth
4D MRI
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MECHANOBIOLOGY OF THE THORACIC AORTA
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PATIENTS WITH ATAA HAVE A DISORGANIZED MEDIA WITH FRAGMENTED ELASTIN AND
PRESENCE OF VACUOLES
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FUNDAMENTAL STUDY USING A MOUSE
« MODEL »
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MECHANICAL CHARACTERIZATION
TENSION - INFLATION
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MEASUREMENT OF THE RESPONSE USING DIGITAL IMAGE CORRELATION
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classical panoramic
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PANORAMIC DIGITAL IMAGE CORRELATION
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K. Genovese.
Optics and Lasers in Engineering, Vol. 47, pp. 995-1008, 2009.
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EXAMPLES
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CONSTITUTIVE MODEL
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PARAMETERS TO BE IDENTIFIED
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Set of parameters
Stress derivation
Cost function:
deviation from equilibrium minimization
IDENTIFICATION OF CONSTITUTIVE PROPERTIES
initialization
identification
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EXAMPLE DE RESULTS
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EXAMPLE DE RESULTS
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EXAMPLE DE RESULTS
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EXAMPLE DE RESULTS
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EXAMPLE DE RESULTS
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EXAMPLE DE RESULTS
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CONCLUSIONS - PERSPECTIVES
We can now begin to establish a
correlation between regional mechanical properties and the underlying biological expression in
murine models of
aneurysms.
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ACKNOWLEDGEMENT
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INVITATION
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