Biomechanics of Abdominal Aortic Aneurysms

150 Pages·2013·17.97 MB·English

Jianhua Tong

Biomechanics of Abdominal Aortic Aneurysms
Monographic Series TU Graz

Computation in Engineering and Science

Series Editors

G. Brenn Institute of Fluid Mechanics and Heat Transfer
G. A. Holzapfel Institute of Biomechanics
W. von der Linden Institute of Theoretical and Computational Physics
M. Schanz Institute of Applied Mechanics
O. Steinbach Institute of Computational Mathematics
Monographic Series TU Graz

Computation in Engineering and Science Volume 18

Jianhua Tong

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Biomechanics of Abdominal Aortic Aneurysms

An Experimental Approach towards a Better Understanding of
Pathological Progression
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This work is based on the dissertation “Biomechanics of Abdominal Aortic
Aneurysms: An Experimental Approach towards a Better Understanding of
Pathological Progression Cardiovascular Mechanics”, presented by Jianhua Tong at
Graz University of Technology, Institute of Biomechanics in March 2013.
Supervisor: G. A. Holzapfel (Graz University of Technology)
Reviewer: T. Cohnert (Medical University of Graz)
Bibliographic information published by Die Deutsche Bibliothek.
Die Deutsche Bibliothek lists this publication in the Deutsche Nationalbibliografie;
detailed bibliographic data are available at http://dnb.ddb.de.

© 2013 Verlag der Technischen Universität Graz

Cover photo Vier-Spezies-Rechenmaschine
by courtesy of the Gottfried Wilhelm Leibniz Bibliothek –
Niedersächsische Landesbibliothek Hannover

Layout Wolfgang Karl, TU Graz / Universitätsbibliothek
Christina Fraueneder, TU Graz / Büro des Rektorates
Printed by TU Graz / Büroservice

Verlag der Technischen Universität Graz
www.ub.tugraz.at/Verlag
ISBN: 978-3-85125-279-8 (print)
ISBN: 978-3-85125-280-4 (e-book)

DOI: 10.3217/978-3-85125-279-8

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JIANHUA TONG
JianhuaTongwasawardedBachelor’sdegreeinEngineer-
ingMechanicsatTongjiUniversity,Shanghai,P.R.China.
Then he moved to the Royal Institute of Technology
(KTH), Stockholm, Sweden, to pursue his Master’s de-
gree. During two years of his master program he switched
his research direction to biomechanics and worked on
several projects that focused on arterial wall biomechan-
ics. After completing his Master Thesis, he immediately
started his PhD in Biomedical Engineering at the Institute
ofBiomechanics,GrazUniversityofTechnology,Austria,
supervised by Professor Gerhard A. Holzapfel. His PhD
research mainly focused on experimental investigation of
the mechanical properties of arteries in health and disease, specifically in human abdomi-
nal aortic aneurysms. His effort was also towards an investigation of the pathological pro-
gression of cardiovascular diseases by correlating biomechanics with tissue morphology
and associated microstructural characteristics. He co-authored four peer-reviewed journal
papersandtwobookchapters,andhaspresentedonseveralinternationalconferences.

Abstract
An abdominal aortic aneurysm (AAA) is a complex vascular pathology which leads to a
localized and asymmetric dilation of the abdominal aorta. Ruptures of untreated AAAs
are common and catastrophic events which may account for high mortality rates, partic-
ularly in elder males. It is well known that biomechanical factors play fundamental roles
inAAAlesiongrowth,remodelingandrupture.Comparedtotremendousadvancesduring
the past decade in our understanding of the biomechanics of diseased aneurysmal tissue
and healthy aorta, it is more important to explore changes in the biomechanical proper-
tiesofaneurysmaltissueintheAAApathologicalprogression.Thisprovidesusabasisto
better understand AAA degeneration and the associated rupture mechanism, from a me-
chanicalpointofview.
ThisPhDthesismainlyfocusesonexperimentalinvestigationsofthebiomechanicalprop-
erties of two major types of tissues within the AAA, i.e. intraluminal thrombus (ILT) and
thrombus-covered wall. By performing biaxial extension and peeling tests, we systemati-
cally explore biaxial mechanical responses and quantitatively determine dissection prop-
ertiesof ILTsand thethrombus-covered walls,and further develop amore appropriate 3D
material model to characterize the biaxial mechanical behaviors of both tissue types. An-
other key contribution of this thesis is to determine the relative thrombus age within the
AAA by characterizing the microstructure of ILT samples using histology and by inves-
tigating changes in the biomechanical properties of thrombotic tissues. As a novel factor
in the AAA research, the relative thrombus age is critically important to show the initia-
tion and progression of the ILT and its potential effects on AAA wall mechanics. Further,
we find that ILT aging relates to wall weakening in the AAAs. Mass fraction analysis is
aimingtoquantifydryweightpercentagesoftwoproteincomponentselastinandcollagen
within the AAA wall, which, in turn, determine mechanical properties at the tissue level.
Moreover,genderdifferencesinbiomechanicalproperties ofAAAarealsodiscussed.

Zusammenfassung
EinabdominalesAortenaneurysma(AAA)isteinekomplexeGefäßerkrankung,beideres
zu einer lokalen und asymmetrischen Ausweitung der abdominalen Aorta kommt. Ruptu-
rierungen unbehandelter AAAs sind häufige und katastrophale Ereignisse, die besonders
bei älteren Männern eine hohe Sterblichkeitsrate bedingen. Es ist wohlbekannt, dass bio-
mechanische Faktoren eine fundamentale Rolle für das Wachstum, die Remodellierung
und den Bruch eines AAAs spielen. Verglichen mit den enormen Fortschritten des letzten
Jahrzehnts bezüglich des Verständnisses der Biomechanik des erkrankten aneurysmati-
schen Gewebes und der gesunden Aorta, ist es nun wichtig, die Veränderungen der bio-
mechanischenEigenschaftenvonaneurysmatischemGewebewährendderpathologischen
Entwicklung des AAAs zu erforschen. Dies liefert uns ein grundlegendes und besseres
Verständnis der AAA-Degeneration und den damit verbundenen Bruchmechanismen vom
mechanischenGesichtspunktaus.
Diese Doktorarbeit konzentriert sich hauptsächlich auf die experimentelle Bestimmung
der biomechanischen Eigenschaften von zwei Gewebehaupttypen innerhalb des AAAs -
dem intraluminalen Thrombus (ILT) und der mit dem Thrombus bedeckten AAA-Wand.
MittelsbiaxialenZug-undsogenanntenPeeling-Versuchenkonntenwirdiebiaxialenme-
chanischenEigenschaftenunddieDissektionseigenschaftenderILTsundderthrombusbe-
decktenAAA-Wändesystematischerforschen.Fernerkonntenwirdamiteingeeigneteres
3D Materialmodell für die Charakterisierung des biaxialen mechanischen Verhaltens bei-
der Gewebstypen entwickeln. Ein weiterer wichtiger Beitrag dieser Arbeit ist, dass wir
als erste das relative Thrombusalter innerhalb des AAAs durch Korrelation der Änderung
der mechanischen Eigenschaften von thrombotischem Gewebe mit dessen mikrostruktu-
rellen Charakteristiken in der Histologie bestimmten. Als einen neuartigen Faktor in der
AAA-Forschung kann das vorgeschlagene relative Thromusalter von entscheidender Be-
deutung für die Entstehung und Progression des ILT und ihre mögliche Auswirkung auf
dieMechanikderAAA-Wandgesehenwerden.DarüberhinausfandenwireineBeziehung
zwischen Alter des ILT und der Wandschwächung des AAA. Eine Massenanteil-Analyse
wurde durchgeführt, um das relative Trockengewicht der zwei mechanisch relevantesten
Proteine Kollagen und Elastin im AAA bestimmen zu können. Des Weiteren wurden ge-
schlechtsspezifische Unterschiede der biomechanischen Eigenschaften der AAAs disku-
tiert.