Analysis of the haemodynamic and biomechanical properties of the lumina in aortic dissections using an integrated approach focussing on the complementary value of in-silico, in-vitro and invivo assessments

Abstract

El seguimiento y el manejo de disecciones aórticas de tipo B siguen siendo un gran reto en la práctica clínica. En la fase aguda, la disección aórtica de tipo B es en general menos letal que la disección de tipo A y es tratada médicamente. Sin embargo, una disección de tipo A generalmente persiste en una de tipo B en más del 70% de los casos después de superar la fase aguda y los pacientes con disección aórtica de tipo B tienen una alta mortalidad durante la fase crónica (30-50% a los 5 años), principalmente debido a la dilatación progresiva de la aorta y subsecuente ruptura aórtica. Actualmente, la evaluación y el seguimiento clínicos por imagen (sobre todo basados en la cuantificación de los cambios del diámetro aórtico) presentan serias limitaciones para un manejo óptimo, sumado al hecho de que cada paciente muestra diferencias considerables en la evolución de la enfermedad y por lo tanto, en el pronóstico. Además, la cirugía abierta o endovascular han demostrado no ser óptimas en todos los pacientes, debido a los riesgos adicionales de intervención. Por lo tanto, a pesar de los importantes avances en el diagnóstico por imagen, aún sigue siendo difícil de realizar la estratificación individual de riesgo, encontrando un balance entre el tratamiento médico y quirúrgico para optimizar los resultados en un paciente específico. Por lo tanto, es crucial la cuantificación de marcadores que determinarán la dilatación aórtica progresiva y posterior ruptura, identificando así los pacientes que presentan un bajo riesgo para ser tratados médicamente y reconocer a aquellos que se beneficiarán de una intervención quirúrgica a pesar de los riesgos asociados con el procedimiento. La realización de esta tesis se basa en la hipótesis de que la dilatación aórtica progresiva, en pacientes con disecciones aórticas crónicas, está determinada por factores anatómicos, tales como la comunicación interluminal y la incidencia de ramas laterales en la luz falsa; factores biomecánicos, como la elasticidad de la pared aórtica; y estímulos mecánicos, tales como las presiones y los flujos intraluminales. Por lo tanto, la contribución principal de esta tesis es la propuesta de un enfoque integrado para comprender, en el ámbito de las disecciones aórticas crónicas, la dilatación aórtica y los fenómenos complejos de flujo, centrándose en la información y el conocimiento complementarios que es posible obtener mediante la combinación de enfoques in-vivo, in-vitro e in-silico. Los diferentes enfoques son utilizados para: 1) Determinar la relación existente entre los parámetros geométricos (tamaño, número y localización de las puertas de comunicación e incidencia de ramas laterales comunicantes con la luz falsa) y biomédicos (elasticidad de la pared) potencialmente relacionados con la dilatación aórtica severa y la determinación de flujos y presiones intraluminales resultantes; 2) Caracterizar la hemodinámica intraluminal en disecciones aórticas; 3) Comprender los mecanismos subyacentes en el fenómeno hemodinámico en disecciones aórticas.

The follow-up and management of chronic type B aortic dissections continue being highly challenging in clinical practice. In the acute phase, an acute type B aortic dissection is in general less lethal than a type A dissection and medically treated. However, a type A dissection usually converts into a type B dissection in more than 70% of cases after overcoming its acute phase and patients with type B aortic dissection have high mortality during the chronic phase (30-50% at 5 years), mainly due to the progressive dilatation of the aorta, potentially resulting in aortic rupture. Currently, image-based and clinical assessment and follow-up (mainly quantifying changes in diameters) have serious limitations for optimal management, adding to the fact that individual patients show considerable difference in the disease evolution and thus prognosis. Additionally, open surgery or endovascular treatment has shown to be not optimal in each individual due to the additional interventional risks. Therefore, in spite of important advances in image-based diagnosis of this disease, it remains difficult to perform individual risk stratification, balancing medical and surgical strategies to optimise the outcome in a given patient. Consequently, it is crucial to quantify the markers that will determine progressive aortic dilatation and further rupture, thus identifying patients that pose low risks on medical treatment and recognise individuals that will benefit from an intervention despite the risks associated with the procedure. This thesis builds upon the hypothesis that progressive aortic dilatation in patients with chronic aortic dissections is determined by anatomic-geometrical configurations, such as interluminal communication and incidence of side branches in the false lumen; biomechanical factors, such as wall compliance; and mechanical stimuli, such as intraluminal pressures and flows. Hence, the main contribution of this thesis is the proposal of an integrated approach to understand aortic dilatation and the associated complex flow phenomena in the setting of chronic aortic dissections, focussing on the complementary information and knowledge that can be obtained by combining in-vitro, in-silico and in-vivo data. These different approaches are used to: 1) Gain insight into the relationship between the potential geometrical (tear size, number and location and incidence of visceral side branches originating from the false lumen) and biomechanical (wall compliance) parameters of severe aortic enlargement and the induced intraluminal flows and pressures. 2) Characterize intraluminal haemodynamic in aortic dissections. 3) Better understand the mechanisms underlying haemodynamic phenomena in aortic dissections.