Biomechanical evaluation of a personalized external aortic root support applied in the ross procedure

Julie Vastmans
GEPersonaliseerde Aorta STeun, GEPAST?Biomechanische analyse van het gebruik van een gepersonaliseerde aorta steun in de Ross procedure‘E=mc²’ een gekende uitspraak van een mogelijk nog bekendere persoon. De wijze waarop Albert Einstein is overleden is een minder gekend aspect van zijn leven. Zeven jaar voor zijn dood werd hij het ziekenhuis binnen gebracht met een enorm aneurysma van de aorta (een uitstulping of dilatatie van de lichaamsslagader die indien niet behandeld, kan scheuren met een dodelijke afloop tot gevolg).

Biomechanical evaluation of a personalized external aortic root support applied in the ross procedure

GEPersonaliseerde Aorta STeun, GEPAST?

Biomechanische analyse van het gebruik van een gepersonaliseerde aorta steun in de Ross procedure

‘E=mc²’ een gekende uitspraak van een mogelijk nog bekendere persoon. De wijze waarop Albert Einstein is overleden is een minder gekend aspect van zijn leven. Zeven jaar voor zijn dood werd hij het ziekenhuis binnen gebracht met een enorm aneurysma van de aorta (een uitstulping of dilatatie van de lichaamsslagader die indien niet behandeld, kan scheuren met een dodelijke afloop tot gevolg). De chirurg van dienst bedacht niets beter dan cellofaan papier rond dit aneurysma te wikkelen om zo de wand van de meest cruciale ader van het menselijke lichaam te verstevigen. Echter, zeven jaar na deze ingreep bezweek de versteviging en dit leidde tot de dood van één van de meest bekende geniën.

Zestig jaar na de dood van Einstein is de techniek om aneurysma’s van de aorta behandeld veranderd. Deze veranderingen zijn niet zo drastisch als men zou verwachten. Deze scriptie spitst zich toe op het onderzoek naar het gebruik van een recent ontwikkelde technologie, namelijk de GEPersonaliseerde Aorta Steun of GEPAST, ter behandeling van aneurysma’s. De GEPAST is een textiel dat de vorm van de gedilateerde aorta van de patiënt aanneemt, een soort maatpak voor de aorta, en rond het aneurysma wordt bevestigd. Deze techniek wordt reeds succesvol toegepast in patiënten met het Marfan syndroom. Het Marfan syndroom is een genetische ziekte waardoor het bindweefsel, zoals bijvoorbeeld aderweefsel, in het hele lichaam verzwakt. Deze patiënten lopen het risico op een gedilateerde of uitgezette aortawortel, de aanhechtingsplaats van de aorta met het hart. Wanneer deze dilatatie te groot wordt, is een operatie onvermijdbaar. Deze zeer invasieve operatie, waarbij het hart tijdelijk wordt stilgezet, bestaat uit het verwijderen van dit deel van de aorta en de aortakleppen en het plaatsen van mechanische kunstkleppen en een kunstmatig stuk aorta. Hierdoor is de  vaak jonge patiënt veroordeeld tot het levenslang nemen van bloedverdunners met bijhorende risico’s en beperkingen.

Ingenieurs in de geneeskunde

De GEPAST, het maatpakje voor de aorta, is ontwikkeld door de Britse  ingenieur Tal Golesworthy, zelf een Marfan patiënt. De operatie waarin het maatpakje rond de aorta wordt genaaid, is minder invasief en bijgevolg minder gevaarlijk dan het alternatief, aangezien het stilleggen van het hart niet meer nodig is. Bovendien is het nemen van bloedverdunners niet meer vereist waardoor de patiënt “medicatieloos” door het leven kan en een actievere levensstijl kan onderhouden. Reeds verschillende patiënten hebben deze procedure succesvol ondergaan, en Tal Golesworthy is zelf de eerste patiënt die de GEPAST geïmplanteerd kreeg in 2004. Elf jaar na de eerste implantatie van een GEPAST zijn de klinische voordelen en successen onmiskenbaar.

Op verkenning

Omwille van dit succes gaan er stemmen op om deze GEPAST nog in andere aneurysma-gerelateerde toepassingen te gaan gebruiken, zoals bijvoorbeeld de Ross procedure. De Ross procedure is een operatie die voornamelijk wordt uitgevoerd op jonge mensen, waarbij de verslechterde aortakleppen samen met een stuk aorta vervangen worden door de longslagaderkleppen en een stukje longslagader van de patiënt zelf. Deze longslagaderkleppen worden op hun beurt vervangen door de longslagaderkleppen van een donor. Echter, een veel voorkomend probleem bij deze procedure is de dilatatie van het stukje longslagader in aortapositie, waardoor vaak een heroperatie vereist is. Hierdoor passen vele chirurgen deze procedure niet toe, ondanks de vele positieve aspecten die hieraan verbonden zijn. Zo moet de patiënt geen bloedverdunners nemen en er is aangetoond dat de lichaamseigen longslagaderklep in aortapositie superieur is ten opzichte van de alternatieven, zoals donorkleppen, biologische of mechanische kunstkleppen. Kan de GEPAST de longslagader die geïmplanteerd is op aortapositie verstevigen?  Deze vraag vormt een uitgelezen kans om verschillende ingenieurstechnieken toe te passen op de huidige medische wetenschap.

Nog meer ingenieurs in de geneeskunde

Deze scriptie is het resultaat van een nauwe samenwerking tussen ingenieurs van de KU Leuven en chirurgen van het UZ Leuven. Dit onderzoek vormt een belangrijke stap in het gebruik van de GEPAST in de Ross procedure en opent de deur voor verder onderzoek naar het toepassen van de GEPAST in andere aneurysma-gerelateerde toepassingen. Bovendien is dit het eerste onderzoek dat sinds de uitvinding van de GEPAST de mechanische eigenschappen van deze versteviging rond de aorta en longslagader onderzoekt.

De mechanische eigenschappen van deze versteviging zijn van cruciaal belang. Beschouw de aorta als een langwerpige ballon die bij elke hartslag wat uitzet en vervolgens terug inkrimpt. Deze uitzetting en opeenvolgende inkrimping zorgen voor een goede stroming van het bloed. Wanneer de versteviging rond de aorta te stijf en te sterk is, te vergelijken met een aorta die in een PVC buis is geperst, limiteert deze versteviging de essentiële beweging van de aorta en induceert hoge spanningen in de aortawand. Deze hoge spanningen kunnen ongewenste reacties in de aortawand teweeg brengen. Daarentegen, wanneer de versteviging te zwak is, kan deze de nodige ondersteuning voor de gedilateerde aorta niet voorzien.

Het bepalen van de mechanische eigenschappen van deze versteviging vormt het experimentele luik van dit onderzoek. Het rekenkundige luik van het onderzoek is het gebruiken van deze eigenschappen in een model dat simuleert wat de invloed van de versteviging op de aortawand is. Dit model staat toe de invloed van de versteviging op de aorta te onderzoeken.

Echter, dit onderzoek staat in kinderschoenen en er is nog veel werk voor de boeg zowel voor ingenieurs als chirurgen. De resultaten van dit verkennend onderzoek zijn veelbelovend en de uitbreiding van de GEPAST naar de behandeling voor alle aneurysma’s is een kwestie van tijd. Zo kunnen in de verdere toekomst met behulp van deze innovatieve techniek de geniën van morgen gered worden.

 

Bibliografie

Avanzini, A., Battini, D., Bagozzi, L., & Bisleri, G. (2014). Biomechanical evaluation of ascending aortic aneurysms. BioMed Research International, 2014.

Azadani, A. N., Chitsaz, S., Matthews, P. B., Jaussaud, N., Leung, J., Wisneski, A., . . . Tseng, E. E. (2012). Biomechanical comparison of human pulmonary and aortic roots.. European journal of cardio-thoracic surgery : official journal of the European Association for Cardio-thoracic Surgery, 41(December 2011), 1111-6.

Benke, K., Agg, B., Szilveszter, B., Tarr, F., & Nagy, Z. B. (2013). The role of transforming growth factor-beta in Marfan syndrome. Cardiology Journal, 20(3), 227-234.

Bia, D., Armentano, R. L., Grignola, J. C., Craiem, D., Zocalo, Y. a., Gines, F. F., & Levenson, J. (2003). The vascular smooth muscle of great arteries: local control site of arterial buffering function?. Revista espanola de cardiologia, 56(12), 1202-1209.

Brown, J. W., Ruzmetov, M., Shahriari, A. P., Rodefeld, M. D., Mahomed, Y., & Turrentine, M. W. (2010). Modification of the Ross aortic valve replacement to prevent late autograft dilatation. European Journal of Cardio-thoracic Surgery, 37(5), 1002-1007.

Carrel, T., Schwerzmann, M., Eckstein, F., Aymard, T., & Kadner, A. (2008). Preliminary results following reinforcement of the pulmonary autograft to prevent dilatation after the Ross procedure. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery, 136(August), 472-475.

Carr-White, G. S., Afoke, A., Birks, E. J., Hughes, S., O'Halloran, A., Glennen, S., . . . Yacoub, M. H. (2000). Aortic root characteristics of human pulmonary autografts.. Circulation, 102, III15--I21.

CellScale. (2011). BioTester Biaxial Test System - User Manual version 5.0. BioTester Biaxial Test System - User Manual version 5.0.

Cook, J. R., & Ramirez, F. (2014). Clinical, Diagnostic, and Therapeutic Aspects of the Mardan Syndrome - Progress in Heritable Soft Connective Tissue Diseases. (J. Halper, Red.) Advances in Experimental Medicine and Biology, 802, 77-88.

DiMario, C., Pepper, J., Golesworthy, T., & Treasure, T. (2012, sep). External aortic root support for the Marfan aorta: anatomically normal coronary orifices imaged seven years after surgery.. Interactive cardiovascular and thoracic surgery, 15(3), 528-30.

Farley, A., Mclafferty, E., & Hendry, C. (2012). The cardiovascular system. Nursing Standard, 27(9), 35-40.

Fung, Y. C., & Liu, S. Q. (1989). Change of residual strains in arteries due to hypertrophy caused by aortic constriction.. Circulation research, 65, 1340-1349.

Gasser, T. C., Ogden, R. W., & Holzapfel, G. a. (2006, feb). Hyperelastic modelling of arterial layers with distributed collagen fibre orientations.. Journal of the Royal Society, Interface / the Royal Society, 3(6), 15-35.

Golesworthy, T. J., & Lamperth, M. U. (2012). Aortic root dissection treatment. Aortic root dissection treatment.

Hasegawa, M., & Azuma, T. (1979). Mechanical properties of synthetic arterial grafts.. Journal of biomechanics, 12, 509-517.

Haskett, D., Johnson, G., Zhou, A., Utzinger, U., & Vande Geest, J. (2010). Microstructural and biomechanical alterations of the human aorta as a function of age and location. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, 9, 725-736.

Hoffman, H., Weinberg, S., & Park, J. (1984). High Strength Ligament Prosthesis. High Strength Ligament Prosthesis.

Hollister, S. J. (sd). BME 456: Biosolid Mechanics: Modeling and Applications. BME 456: Biosolid Mechanics: Modeling and Applications.

Holzapfel, G. a., Gasser, T. C., & Ogden, R. W. (2000). A new constitutive framework for arterial wall mechanics and a comperative study of material models. J. Elasticity, 61, 1-48.

Horny, L., Adamek, T., & Kulvajtova, M. (2014). Analysis of axial prestretch in the abdominal aorta with reference to post mortem interval and degree of atherosclerosis. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 33, 93-98.

Humphrey, J. D. (2002). Cardiovascular Solid Mechanics - Cells, Tissues, and Organs. Springer-Verlag New York Inc.

Jensen, S. a., Robertson, I. B., & Handford, P. a. (2012). Dissecting the fibrillin microfibril: Structural insights into organization and function. Structure, 20(2), 215-225.

Kim, J., & Baek, S. (2011). Circumferential variations of mechanical behavior of the porcine thoracic aorta during the inflation test. Journal of Biomechanics, 44(10), 1941-1947.

Kim, J.-H., Badel, P., Duprey, a., Favre, J. P., & Avril, S. (2011). Characterisation of failure in human aortic tissue using digital image correlation. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 14(January 2015), 73-74.

Kouchoukos, N. T., Davila-Roman, V. G., Spray, T. L., Murphy, S. F., & Perrillo, J. B. (1994). Replacement of the aortic root with a pulmonary autograft in children and young adults with aortic-valve disease. The New England Journal of Medicine, 330(1), 1-6.

Kurowski, P. (1994). Avoiding pitfalls in FEA. Machine Design, 78-86.

Lally, C., Reid, a. J., & Prendergast, P. J. (2004). Elastic behavior of porcine coronary artery tissue under uniaxial and equibiaxial tension. Annals of Biomedical Engineering, 32(10), 1355-1364.

Martin, C., Pham, T., & Sun, W. (2011). Significant differences in the material properties between aged human and porcine aortic tissues. European Journal of Cardio-thoracic Surgery, 40(1), 28-34.

Matthews, P. B., Azadani, A. N., Jhun, C. S., Ge, L., Guy, T. S., Guccione, J. M., & Tseng, E. E. (2010). Comparison of Porcine Pulmonary and Aortic Root Material Properties. Annals of Thoracic Surgery, 89(6), 1981-1988.

Okamoto, R. J., Wagenseil, J. E., DeLong, W. R., Peterson, S. J., Kouchoukos, N. T., & Sundt, T. M. (2002, may). Mechanical properties of dilated human ascending aorta. Annals of Biomedical Engineering, 30(5), 624-635.

Pepper, J., Golesworthy, T., Utley, M., Chan, J., Ganeshalingam, S., Lamperth, M., . . . Treasure, T. (2010, mar). Manufacturing and placing a bespoke support for the Marfan aortic root: description of the method and technical results and status at one year for the first ten patients.. Interactive cardiovascular and thoracic surgery, 10(3), 360-5.

Pepper, J., John Chan, K., Gavino, J., Golesworthy, T., Mohiaddin, R., & Treasure, T. (2010, sep). External aortic root support for Marfan syndrome: early clinical results in the first 20 recipients with a bespoke implant.. Journal of the Royal Society of Medicine, 103(9), 370-5.

Pepper, J., Petrou, M., Rega, F., Rosendahl, U., Golesworthy, T., & Treasure, T. (2013, jan). Implantation of an individually computer-designed and manufactured external support for the Marfan aortic root.. Multimedia manual of cardiothoracic surgery : MMCTS / European Association for Cardio-Thoracic Surgery, 2013(13), mmt004.

Petersen, O. H. (Red.). (2007). Human Physiology - Lecture notes (Fifth edit ed.). Blackwell publishing.

Radke, R. M., & Baumgartner, H. (2014). Education in Heart Diagnosis and treatment of Marfan syndrome : an update. Heart, 1382-1391.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., & Singer, S. R. (2011). Biology (Ninth edit ed.). McGraw-Hill Companies.

Robertson, D., & Cook, D. (2014). Unrealistic statistics : How average constitutive coefficients can produce non-physical results. 40, 234-239.

Roy, D., Kauffmann, C., Delorme, S., Lerouge, S., Cloutier, G., & Soulez, G. (2012). A literature review of the numerical analysis of abdominal aortic aneurysms treated with endovascular stent grafts. Computational and Mathematical Methods in Medicine, 2012.

Sievers, H. H. (2012). Ross procedure.. HSR proceedings in intensive care & cardiovascular anesthesia, 4, 119-23.

Smoljkic, M., Segers, P., Vander Sloten, J., & Famaey, N. (2014). Method for in vivo estimation of material properties of arterial tissue. 13th National Day on Biomedical Engineering. Brussels.

Thiriet, M. (2014). Anatomy and Physiology of the Circulatory and Ventilatory Systems (Vol. 6).

Treasure, T., Takkenberg, J. J., Golesworthy, T., Rega, F., Petrou, M., Rosendahl, U., . . . Pepper, J. (2014, jun). Personalised external aortic root support (PEARS) in Marfan syndrome: analysis of 1-9year outcomes by intention-to-treat in a cohort of the first 30 consecutive patients to receive a novel tissue and valve-conserving procedure, compared with the publishe. Heart (British Cardiac Society), 100(12), 969-75.

Tremblay, D., Zigras, T., Cartier, R., Leduc, L., Butany, J., Mongrain, R., & Leask, R. L. (2009, nov). A comparison of mechanical properties of materials used in aortic arch reconstruction.. The Annals of thoracic surgery, 88(5), 1484-91.

Tsamis, A., Krawiec, J. T., & Vorp, D. a. (2013). Elastin and collagen fibre microstructure of the human aorta in ageing and disease: a review.. Journal of the Royal Society Interface, 10, 1-22.

Ungerleider, R. M., Ootaki, Y., Shen, I., & Welke, K. F. (2010). Modified ross procedure to prevent autograft dilatation. Annals of Thoracic Surgery, 90(3), 1035-1037.

Valdez-Jasso, D., Haider, M. a., Banks, H. T., Santana, D. B., German, Y. Z., Armentano, R. L., & Olufsen, M. S. (2009). Analysis of viscoelastic wall properties in ovine arteries. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 56(2), 210-219.

Van Den Abbeele, M. (2014). Characterisation of the biaxial mechanical properties of cardiovascular tissue. Master's thesis, Catholic University Leuven.

Verbrugghe, P., Verbeken, E., Pepper, J., Treasure, T., Meyns, B., Meuris, B., . . . Rega, F. (2013). External aortic root support: A histological and mechanical study in sheep. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery, 17(April), 334-339.

Vorp, D. a., Schiro, B. J., Ehrlich, M. P., Juvonen, T. S., Ergin, M. A., & Griffith, B. P. (2003). Effect of aneurysm on the tensile strength and biomechanical behavior of the ascending thoracic aorta. Annals of Thoracic Surgery, 75, 1210-1214.

Wang, J. H., & Thampatty, B. P. (2006). An introductory review of cell mechanobiology. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, 5, 1-16.

Yuan, S.-m., & Jing, H. (2010). Marfan's syndrome : an overview Review article. 128(6).

Zemanek, M., Burvsa, J., & Dvetak, M. (2009). Biaxial Tension Tests with Soft Tissues of Arterial Wall. Biaxial Tension Tests with Soft Tissues of Arterial Wall, 16, 3-11. 

Universiteit of Hogeschool
Biomedical Engineering
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden
Share this on: