Computational Modeling of Rupture Risk in Abdominal Aortic Aneurysms

202 Pages·2013·7.59 MB·English

by  Andreas Maier

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ISBN 978-3-8439-1066-8
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9 783843 910668 1
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”AdvancesinComputationalMechanics” 6 Lehrstuhlfu¨rNumerischeMechanik
1
SchriftenreihedesLehrstuhlsfu¨rNumerischeMechanik,TUM Prof.Dr.-Ing.W.A.Wall
r.
Herausgeber:WolfgangA.Wall N TechnischeUniversita¨tMu¨nchen
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Computational Modeling of Rupture Risk in
Abdominal Aortic Aneurysms
AndreasMaier
BerichtNr.16(2012)
LehrstuhlfürNumerischeMechanik
ProfessorDr.-Ing.WofgangA.Wall
TechnischeUniversitätMünchen
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ISBN 978-3-8439-1066-8
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M LehrstuhlfürNumerischeMechanik
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Technische Universität München
Boltzmannstraße15
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Alle Rechte, auch die des auszugsweisen Nachdrucks, der Vervielfältigung und Verbreitung in besonderen Verfahren wie
fotomechanischer Nachdruck, Fotokopie, Mikrokopie, elektronische Datenaufzeichnung einschließlich Speicherung und
Übertragung auf weitere Datenträger sowie Übersetzung in andere Sprachen, behält sich der Autor vor.
1. Auflage 2013
TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN
LehrstuhlfürNumerischeMechanik
Computational Modeling of Rupture Risk
in Abdominal Aortic Aneurysms
AndreasMaier
VollständigerAbdruckdervonderFakultätfürMaschinenwesenderTechnischenUniversität
MünchenzurErlangungdesakademischenGradeseines
Doktor-Ingenieurs(Dr.-Ing.)
genehmigtenDissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof.Dr.-Ing.MichaelW.Gee
PrüferderDissertation: 1. Univ.-Prof.Dr.-Ing.WolfgangA.Wall
2. Univ.-Prof.Dr.med.Hans-HenningGeorgUlrichEckstein
3. Assoc.Prof.C.AlbertoFigueroa,Ph.D.,
King’sCollegeLondon,UK
DieDissertationwurdeam28.Juni2012beiderTechnischenUniversitätMüncheneingereicht
unddurchdieFakultätfürMaschinenwesenam11.Oktober2012angenommen.

Danksagung
Danksagung
DerGroßteildieserArbeitwurdewährendmeinerZeitalsStipendiatderInternationalGraduate
SchoolofScienceandEngineering(IGSSE)derTUMamLehrstuhlfürNumerischeMechanik
angefertigt.AnersterStellemöchteichmichbeimeinemDoktorvaterHerrnProfessorWolfgang
A.WallfürdieErmöglichungderAnfertigungdieserDoktorarbeitunddasinmichgesetzteVer-
trauenherzlichbedanken.IchbinstetsgernandenLehrstuhlgekommen,wasamtollenKollegi-
um,derVielseitigkeitindenForschungsthemenundnichtzuletztauchaneinergutenMischung
ausdoktorväterlicherBetreuungundselbständigfreiheitlicherArbeitsweiseamInstitutgelegen
hat.DerIGSSEunddessenTeamdankeichfürdieFinanzierungdesForschungsprojektesund
dieguteBetreuungindenletztenJahren.
MeinbesondererDankgiltauchmeinemIGSSE-TeamleiterProfessorMichaelW.Geefür
die stets kompetente Betreuung während meiner Zeit am Lehrstuhl und die Übernahme des
Prüfungsvorsitzes.AlsTeamleiterkonnteProfessorGeeimmereineRichtungvorgeben,auch
wennwiroftgenugmitunsererForschunginbisdatowenigvertrauteThemenvordringenund
vielemedizinischeGegebenheitenerstlernenmussten.
WeiterhinmöchteichmeinemBürokollegenMahmoudIsmailmeinenDankaussprechen,den
ichnichtnurfachlichsehrschätze,sondernderaucheinsehrguterFreundgewordenist.Ham-
mandeVaaldankeichfürdasKorrekturlesenvielerJournal-ArtikelundauchdieserArbeit.
JonasBiehler,SebastianKehlundSusannaTinkldankeichfürdiethematischeZusammenar-
beit am Lehrstuhl und für die Übernahme vieler Aufgaben am Ende meiner Promotionszeit.
HerrnKeiMüllermöchteichandieserStelleinseinerFunktionalssehrguterFreunderwäh-
nen.ObwohlichnichtalleKollegennamentlichaufzählenkann,sogebührtmeinDankdennoch
jedem,derzurEntwicklungderverwendetenFESoftwareodereinfachnurzumeinemWohl-
befindenamLehrstuhlbeigetragenhat.NichtvernachlässigenwillichdieUnterstützungdurch
meineSemestrandenundDiplomanden,derenArbeitenanverschiedenenStellenauchindie
Dissertationmiteingeflossensind.
WeiterhinmöchteichmichbeiHerrnProfessorHans-HenningEckstein,DirektorderKli-
nik und Polyklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie am Klinikum rechts der Isar
derTUM,fürdieOffenheitzurinterdisziplinärenForschungamAortenaneurysmaundfürdie
ÜbernahmederPrüfungderDissertationbedanken.
ZuDankverpflichtetbinichauchdenMitarbeiternanderKlinikundPolyklinikfürVaskulä-
reundEndovaskuläreChirurgieamKlinikumrechtsderIsar.Hervorhebenmöcheichandieser
StelleHerrnPDDr.ChristianReeps,derinmeinenAugennichtnureinhervorragenderArztist,
sondernderalsIdeengeberundmitseinemunnachgiebigenEinsatzmaßgeblichfürdieerziel-
tenForschungserfolgemitverantwortlichist.Beeindruckendhabeichempfunden,dasssichHerr
ChristianReepsimmerZeitfüreinGesprächmitmirgenommenhat,auchwennergelegentlich
zuvorschon20Stundendurchgehendoperierthat.WeiterhinmöchteichHerrnProfessorMar-
kusEssler,FrauVerenaGrabher-Meier,HerrnDr.FelixHärtl,HerrnPDDr.JaroslavPelisek,
FrauDr.JuliaPongratzundHerrnDr.AlexanderZimmermannfürIhreUnterstützungunddie
ZusammenarbeitaufdemForschungsthemadanken.
Herrn Professor M. L. Raghavan, Ph.D., danke ich für die freundliche Aufnahme in seine
ArbeitsgruppeanderUniversityofIowa,IowaCity,währendmeinesAuslandaufenthaltsinden
USA und Herrn Chaid Schwarz für seine Hilfsbereitschaft und Freundschaft während dieser
i
Danksagung
Zeit.HerrnAlbertoFigueroa,Ph.D.,dankeichfürdieÜbernahmederAufgabenalsPrüferim
Promotionsverfahren.
EinherzlicherDankgebührtmeinenElternundGeschwisternundmeinerFreundinBarbara
fürdieaußeruniversitäreUnterstützung.Siehabenstetsdafürgesorgt,dassichanderUniversität
den Kopf für die Forschungsthemen frei hatte. Ohne ihre Rücksicht und Hilfe hätte sich die
AnfertigungdervorliegendenArbeitdeutlichschwererdargestellt.
AndreasMaier
ii
Abstract
Abstract
Anabdominalaorticaneurysm(AAA)isdefinedasaballoon-likedilationoftheabdominal
aortaofmorethan3.5cm.Morethan200,000peopleareaffectedinGermany.IncaseofAAA
rupture,thereisaterminaloutcomefor90%ofthesepatients.However,sinceonly25%ofall
AAAsactuallyrupture,combinedwiththefactthatprophylacticsurgeryisassociatedwithmor-
talityratesof4%,itbecomesclearthatthesurgeonhastobalancetheindividualpatient’srisk
ofAAAruptureandtheriskofelectivesurgery.Sofar,amaximumdiametercriterionhasbeen
appliedinclinicalpracticetoidentifypatientsatrisk,whichhoweversometimesfailstoreli-
ablypredictAAArupture.Withinthecurrentwork,comprehensiveexperimentsonmechanical
propertiesofAAAwall,investigationsonbiologicalprocesseswithintheAAAwallmeasured
bymedicalimagingtechniquesandsophisticatedfiniteelement(FE)simulationstodetermine
invivoactingwallstresswereperformedtoclarifythesofarpoorlyunderstoodinterplayof
thesemechanicalandbiologicalfactorsduringAAAdevelopment. Additionally, mechanics-
basedindiceswereexaminedandshowntoprovideamorereliableAAAruptureriskprediction
thanthemaximumdiametercriterion.
Thecurrentworkstartsbypresentingthesoftwareframeworkdevelopedtoautomaticallyper-
formsophisticatedFEanalysesforpatient-specificAAAs,formingpartofaneverincreasing,
consistentAAAdatabase. Stringentsegmentationandmeshingprotocolsarepresented. Fur-
thermore,implicationsfortheFEmodelingarediscussedinthecardiovascularsetting,includ-
ingthematerialmodelingandprestressingofAAAgeometriesreconstructedfromcomputed
tomography(CT)images.
InordertoimprovecurrentAAAriskstratification,[18F]-fluorodeoxyglucosepositronemis-
siontomography/CT(FDG-PET/CT)wasinvestigatedasapotentialbiomarkerfornon-invasive
invivoAAAevaluation. TheroleofFDG-PET/CTinthenon-invasiveAAAevaluationhas
beendisputedinliteratureandneedstobeexploredinmoredetail.Therefore,aprofoundstudy
ontheinteractionofmechanicalAAAwallquantitiesandtheintensityofmetabolicprocesses
asobtainedbyFDG-PET/CTimagingwasconducted. FDG-PET/CTdatasetsof52patients
wereincludedandmechanotransductionprocessesintheAAAwallwereinvestigated.Astrong
correlationwasfoundbetweenmaximumvonMisesstressesintheAAAwallandmaximum
localFDG-metabolism(r=0.576,P=2E 5). Thefindingsindicatedthatunphysiologically
�
highmechanicalstressesintheAAAwallwereonetriggerformechanobiologicalreactionpro-
cesses,whichinturncausedelevatedFDG-glucosemetabolism.Inasmallnumberofpatients,
otherstress-independentcausesforincreasedmuralFDG-metabolismwereconceivable,which
werediscussedindetail.
In an approach to experimentally investigate the mechanical properties of AAA wall, 163
wallspecimensfrom50patientswereharvestedduringopensurgeryandinvestigatedinuni-
axialtensiletests. Themeanthicknessofthespecimenswas1.67 0.49mmwithamedian
±
of1.57mm. Sincenoanisotropywasevident,theelasticbehaviorofthespecimenswasfitted
tothehyperelastic,isotropicstrainenergyfunctionW = ↵(I 3)+�(I 3)2. Thereby,
6 1� 1�
↵(0.399 0.229MPa,median0.314MPa)and�(4.33 3.97MPa,median3.11MPa)were
± ±
thefittedmaterialparameters. Thefailurestretchhadameanof1.48 0.19withamedianof
±
1.45. Failuretensionandwallstrength(bothintermsof1.PKstresses)were1.52 0.56MPa
±
(median1.42MPa)and1.06 0.49MPa(median0.95MPa),respectively. Additionally,non-
±
invasivelyavailablepatientdatawascollectedfortheindividualwallspecimensandcorrelated
iii
tothetestingresultsinanattempttoexplainthevariationsinmechanicalwallproperties.Wall
thicknesswasshowntobecorrelatedtotheintensityoftheFDG-metabolismatthespecimen
excisionsite,aspreoperativelymeasuredbyFDG-PET/CT(r=0.601,P <1E 9). Failure
�
propertiesweredependentonindividualpatient’smedicalhistory,whereadecreaseinfailure
tensionwasobservedespeciallyinpatientssufferingfromchronickidneydisease(CKD)and
inpatientswithincreasedbloodtestvaluesofcreatinine,potassiumandurea-allofwhichare
relatedtokidneymalfunction.Multiplelinearregressionwasappliedtocreatestochasticmod-
elsforthenon-invasiveandpreoperativepredictionofpatient-specificallyvaryingmechanical
quantities,suchaswallthickness,elasticproperties,failuretensionandwallstrength.
Inafinalinvestigation,itwastestedwhethertheconsiderationofpatient-specificvariations
inwallthicknessandfailurepropertiesviatheproposedstochasticmodelsenabledamorereli-
abledistinctionbetweenstableandrupture-proneAAAs. Thereby,80non-ruptured,electively
repairedAAAsand20rupturedAAAsweresimulatedandevaluatedwithrespecttomaximum
AAAdiameter,maximumwallstressesandmaximumruptureriskindices(RRI)(considering
failuretensionandwallstrengthmodels). Maximumdiametersofnon-rupturedandruptured
AAAsdifferedby27.2%.Aslightlybetterdistinctionbetweenthesegroupswasenabledbythe
evaluationofmaximumwallstressesunderconsiderationofpatient-specificwallstressdistribu-
tions(� =38.0%). Thebestdistinctionbetweennon-rupturedAAAsandrupturedAAAswas
achievedbytheinvestigationofmaximumRRIs,whereuniformwallthicknesswasappliedfor
allpatientsincombinationwithapatient-specificfailuretensionmodel.Theaveragedifference
intheRRIbetweenthetwopatientgroupswas63.8%(P<1E 5).
�
Inconclusion,thisworkshowedthatCKDshouldberatedasariskfactorforAAArupture
and that its inclusion can improve clinical decision making even on basis of the maximum
diametercriterion. Ruptureriskstratificationcanbeimprovedevenfurtherbyperformanceof
patient-specificFEsimulationswherethemostreliableruptureriskstratificationwasachieved
forFEmodelswithconstantwallthicknessincombinationwithapatient-specificfailuretension
model.FutureworkshouldalsoincludemoredetailedinvestigationsonotherAAAconstituents,
suchastheintraluminalthrombus(ILT),inwhichthepressuretransmissionphenomenafromthe
bloodlumentotheAAAwallaresupposedtoplayapivotalroleforwallstresscalculations.
iv