Μηχανικές ιδιότητες του τοιχώματος των αιμοφόρων αγγείων σε διαταραγμένες αιμοδυναμικές συνθήκες

Abstract

Cardiovascular diseases are one of the main causes of mortality in the modern world. Control of the accurate functioning and in-depth exploration of various pathogenesis in the circulatory system becomes imperative both to anticipate and prevent morbid phenomena and to improve the quality of life of patients. The aim of this study was to find material laws-models, suitable for describing the response of various vessels wall, under certain disturbed hemodynamic conditions, created either as a result of interventions, such as arteriovenous fistula, used for hemodialysis, or due to aortic aneurysms. The long-term aim of this study is the future use of these laws in Medicine, for the prediction of the vessels behavior, the assessment of the significance of each incident and the timely and correct decisions to deal with it.The selection of a mathematical descriptor for the passive arterial mechanical behavior has been long debated in the literature and customarily constrained by lack of pertinent data on the underlying microstructure. Our objective was to analyze the response of healthy carotid artery subjected to inflation/extension with phenomenological and microstructure-based candidate strain-energy functions (models), according to species and region. Histological variations among segments were examined, aiming to explicitly relate them with the differential material response. Finally, the best fitting was achieved with the quadratic and Fung-type or four-fiber family model. The latter was structurally justified for all artery types, whereas the quadratic term was justified for transitional and muscular arteries exhibiting notable elastin anisotropy. Diagonally arranged fibers were associated with pericellular medial collagen, and circumferentially and longitudinally arranged fibers with medial and adventitial collagen bundles, evidenced by the significant correlations of strain-energy functions’ parameters with quantitative histology.As for the case of arteriovenous fistula, the time course of the adapted geometry, composition, and biomechanical properties of the porcine jugular venous wall exposed to chronic increases in pressure and flow was examined. The aim of this study was to mathematically assess the biomechanical adaptation of contralateral and grafted venous wall, by characterizing the in vitro inflation/ extension testing data obtained 2, 4, and 12 weeks post-fistula, using a microstructure-based material model. The choice for such a model considered a quadratic function for elastin with a four-fiber family term for collagen, and permitted realistic data characterization for both overloaded and contralateral veins. As structural validation to the hemodynamically-driven differences in the material response, computerized histology was employed to quantitate the composition and orientation of collagen and elastin-fiber networks. The parameter values optimized showed marked differences among the overloaded and contralateral veins, namely decrease in the quadratic function parameters and increase in the four-fiber family parameters, findings that were explicitly associated with the differences in underlying microstructure, namely the reduced elastin and increased collagen contents induced by pressure and flow-overload.Concerning the investigation of the behavior of the vessels wall coming from different organisms and different experimental procedures, the examination of the human abdominal and ascending thoracic aortic aneurysms was included in this thesis. More specifically, the layer-dependent tissue properties, that are non-available in the literature, were studied. Material characterization of ascending thoracic aortic aneurysms was expanded at the different aneurysm regions, except for different layers. This could not happen in abdominal aortic aneurysms for the safety of the patients. Quantitative microscopic evaluation was performed to identify the spatial organization of collagen-fiber network. The uniaxial tension data were simulated with a number of candidate models, among which the four-fiber family (microstructure-motivated) model, especially that including dispersions of fiber angles about the main directions, was superior to the others in the fitting quality allowed, though it presented a practical difficulty in parameter estimation. For this reason, an analysis was conducted aiding the identification of a more specific diagonal- and circumferential-fiber family model for all three layers, with equal fitting quality. Furthermore, a major aberration from almost all existing models in the literature is the hypothesis made that fibers can support compressive stresses. Such a hypothesis needs further examination but it has the benefits of allowing improved fits to the vanishing transverse stresses under uniaxial test conditions and of properly reflecting the exponential nature of the compressive stress–strain response of aortic tissue, being consistent with observations of collagen being under compression in the unloaded wall.The findings presented in this thesis aimed to improve the current understanding of both healthy and pathological tissues, help in clinical decision and optimize endovascular interventions.

Τα καρδιαγγειακά νοσήματα αποτελούν μία από τις σημαντικότερες αιτίες θνησιμότητας στο σύγχρονο κόσμο. Ο έλεγχος της εύρυθμης λειτουργίας αλλά και η εις βάθος διερεύνηση των διαφόρων παθογενειών του κυκλοφορικού συστήματος αποτελούν επιτακτική ανάγκη για την πρόβλεψη και αποτροπή νοσηρών φαινομένων καθώς και για τη βελτίωση της ποιότητας ζωής των ασθενών. Κεντρικός στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η εύρεση υλικών νόμων-μοντέλων, κατάλληλων για την περιγραφή της απόκρισης του τοιχώματος διαφόρων αγγείων κάτω από συγκεκριμένες διαταραγμένες αιμοδυναμικές συνθήκες, που δημιουργούνται είτε από επεμβάσεις, όπως η αρτηριοφλεβική επικοινωνία, που χρησιμοποιείται για την αιμοκάθαρση, είτε στην παθολογική κατάσταση του αορτικού ανευρύσματος. Απώτερος στόχος είναι η μελλοντική χρήση αυτών των νόμων στην Ιατρική για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των αγγείων, την αξιολόγηση της σημαντικότητας του περιστατικού και την έγκαιρη λήψη ορθών αποφάσεων για την αντιμετώπισή του.Η επιλογή ενός μαθηματικού μοντέλου για την περιγραφή της παθητικής αρτηριακής μηχανικής συμπεριφοράς υγιούς ιστού, αν και πολυσυζητημένη στη βιβλιογραφία είχε περιορισθεί από την έλλειψη στοιχείων σχετικών με τη βασική μικροδομή. Εδώ αναλύθηκε η απόκριση της καρωτίδας αρτηρίας ζωικής προέλευσης που υποβλήθηκε σε πείραμα διόγκωσης-επιμήκυνσης με φαινομενολογικές και μικροδομικές υποψήφιες Συναρτήσεις Πυκνότητας Ενέργειας και αξιολογήθηκε ανάλογα με το είδος του ζώου και την τοπογραφία. Οι ιστολογικές μεταβολές μεταξύ των δειγμάτων εξετάσθηκαν, με στόχο να συσχετισθούν ρητά με την απόκριση των ιστών. Τελικά, η καλύτερη προσομοίωση επετεύχθη με το συνδυασμό μίας τετραγωνικής συνάρτησης και του μοντέλου του Fung ή μίας συνάρτησης τεσσάρων οικογενειών ινών. Η τελευταία επιβεβαιώθηκε δομικά για όλους τους τύπους αρτηριών ενώ ο τετραγωνικός όρος επιβεβαιώθηκε για τις μεταβατικές και μυϊκές αρτηρίες, οι οποίες εμφάνισαν αξιοσημείωτη ανισοτροπία στην οργάνωση των ινών ελαστίνης. Οι διαγώνια διατεταγμένες ίνες συσχετίσθηκαν με το περικυτταρικό κολλαγόνο του μέσου χιτώνα και οι περιφερικά και κατά μήκος διατεταγμένες ίνες συσχετίσθηκαν με τις δέσμες του κολλαγόνου που βρίσκονταν στο μέσο και έξω χιτώνα, ενδεικτικά στοιχεία των σημαντικών συσχετίσεων ανάμεσα στις παραμέτρους των Συναρτήσεων Πυκνότητας Ενέργειας και της ποσοτικής ιστολογίας.Στην περίπτωση της αρτηριοφλεβικής επικοινωνίας, εξετάσθηκε η χρονική πορεία της προσαρμογής της γεωμετρίας, της σύνθεσης και των μηχανικών ιδιοτήτων του τοιχώματος της σφαγίτιδας φλέβας χοίρου, το οποίο υπέστη σημαντικές αλλοιώσεις λόγω της χρόνιας έκθεσής του σε αιμοδυναμικές μεταβολές. Ο σκοπός εδώ ήταν η αξιολόγηση, με μαθηματικό τρόπο, της εμβιομηχανικής προσαρμογής των υγιών και μοσχευμένων φλεβικών τοιχωμάτων, μέσω δεδομένων που αποκτήθηκαν από το πείραμα διόγκωσης-επιμήκυνσης και απομακρύνθηκαν από τα ζώα σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα μετά τη δημιουργία αρτηριοφλεβικής επικοινωνίας. Αυτή η αξιολόγηση επετεύχθη με τη χρήση μικροδομικής Συνάρτησης Πυκνότητας Ενέργειας που περιελάμβανε μία τετραγωνική συνάρτηση για την ελαστίνη και έναν όρο με τέσσερις οικογένειες ινών για το κολλαγόνο και επέτρεψε ρεαλιστική προσομοίωση των πειραματικών δεδομένων τόσο για τις μοσχευμένες όσο και για τις υγιείς φλέβες. Το παραπάνω μοντέλο επικυρώθηκε και δομικά μέσω της υπολογιστικής ιστολογίας, με τη βοήθεια της οποίας ποσοτικοποιήθηκε η σύνθεση και ο προσανατολισμός των δικτύων ινών κολλαγόνου και ελαστίνης. Τελικά, οι βελτιστοποιημένες τιμές των παραμέτρων έδειξαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των παθολογικών και υγιών φλεβών, και πιο συγκεκριμένα μείωση των παραμέτρων της τετραγωνικής συνάρτησης και αύξηση των παραμέτρων των τεσσάρων οικογενειών ινών, ευρήματα που συσχετίσθηκαν ρητά με τις διαφοροποιήσεις στη μικροδομή, δηλαδή τη μείωση του περιεχομένου της ελαστίνης και την αύξηση του περιεχομένου του κολλαγόνου στο τοίχωμα της φλέβας, λόγω αυξημένης πίεσης και ροής.Στα πλαίσια διερεύνησης της συμπεριφοράς του τοιχώματος διαφόρων αγγείων, προερχομένων από διαφορετικούς οργανισμούς και διαφορετικές πειραματικές διαδικασίες, σε αυτή τη διατριβή περιλαμβάνεται και η εξέταση των ανευρυσμάτων της αορτής, κοιλιακής και ανιούσης θωρακικής, του ανθρώπου.Στην περίπτωση των ανευρυσμάτων θεωρήθηκε σκόπιμο να καθορισθούν οι ιδιότητες του κάθε χιτώνα του τοιχώματος του ανευρυσματικού ιστού ξεχωριστά, υλικό το οποίο δεν έχει παρουσιασθεί σε μεγάλη έκταση στη βιβλιογραφία. Ειδικά για τα ανευρύσματα ανιούσης θωρακικής αορτής, ο υλικός χαρακτηρισμός επεκτάθηκε και στις διάφορες τοπογραφίες, κάτι που δεν μπορούσε να συμβεί στα ανευρύσματα κοιλιακής αορτής για λόγους ασφάλειας των ασθενών. Για την ιστολογική ανάλυση, χρησιμοποιήθηκε η ποσοτική μικροσκοπία για τον προσδιορισμό της χωρικής οργάνωσης του δικτύου ινών κολλαγόνου. Τα δεδομένα που αποκτήθηκαν από το πείραμα μονοαξονικού εφελκυσμού, προσομοιώθηκαν από ένα πλήθος μοντέλων, σύγκριση των οποίων οδήγησε στο συμπέρασμα ότι ένα ολοκληρωμένο μικροδομικό μοντέλο τεσσάρων οικογενειών ινών, με διασπορές των γωνιών προσανατολισμού των ινών γύρω από τις κύριες διευθύνσεις, απέδωσε πολύ καλή ποιότητα προσομοίωσης. Όμως, επειδή παρουσίασθηκε πρακτική δυσκολία στην εκτίμηση των παραμέτρων του συγκεκριμένου μοντέλου, μία επιπλέον ανάλυση οδήγησε στην ταυτοποίηση ενός πιο ειδικού μοντέλου δύο διαγωνίων και μίας περιφερικής οικογένειας ινών, το οποίο απέδωσε ίδια ποιότητα προσομοίωσης με το ολοκληρωμένο μοντέλο. Μία σημαντική απόκλιση από σχεδόν όλα τα υπάρχοντα μοντέλα στη βιβλιογραφία είναι η υπόθεση που έγινε ότι οι ίνες μπορούν να υποστηρίξουν θλιπτικές τάσεις, γεγονός που επέτρεψε βελτιωμένες προσομοιώσεις στις μηδενικές εγκάρσιες τάσεις υπό μονοαξονική δοκιμή και αντικατόπτρισε σωστά την εκθετική φύση της θλιπτικής απόκρισης τάσης-παραμόρφωσης του αορτικού ιστού, που είναι σύμφωνη με τις παρατηρήσεις όταν το κολλαγόνο είναι υπό θλίψη στο αφόρτιστο τοίχωμα. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται σε αυτή τη διατριβή σκοπό έχουν να βελτιώσουν την υπάρχουσα κατανόηση τόσο των υγιών όσο και των παθολογικών ιστών, να βοηθήσουν στην κλινική απόφαση και να βελτιστοποιήσουν τις ενδοαγγειακές παρεμβάσεις.