Changes in the hemodynamic stresses occurring during the enlargement of abdominal aortic aneurysms

Evolution des contraintes hémodynamiques lors de la croissance des anévrismes aortiques abdominaux

Anne-Virginie Salsac (1)

1 LadHyX - Laboratoire d'hydrodynamique

This research seeks to improve the understanding of the mechanisms accounting for the growth of abdominal aortic aneurysms (AAA), by quantifying the role that mechanical stimuli play in the disease processes. In recent years, the development of vascular diseases has been associated with the formation of disturbed patterns of wall shear stresses (WSS) and gradients of wall shear stresses (GWSS). They have been shown to affect the wall structural integrity, primarily via the changes induced on the morphology and functions of the endothelial cells (EC) and circulating blood cells. Particle Image Velocimetry measurements of the pulsatile blood flow have been performed in aneurysm models, while changing systematically their geometric
parameters. The parametric study shows that the flow separates from the wall even at early stages of the disease (dilatation ≤ 50%). A large vortex ring forms in symmetric aneurysms, followed by internal shear layers. Two regions with distinct patterns of WSS have been identified: a region of flow detachment, with low oscillatory WSS, and a downstream region of flow reattachment, where large negative WSS and sustained GWSS are produced as a result of the impact of the vortex ring.
The loss of symmetry in the models engenders a helical flow pattern due to the non-symmetric vortex shedding. The dominant vortex, whose strength increases with the asymmetry parameter, is shed from the most bulged wall (anterior). It results in the formation of a large recirculating region, where ECs are subjected to quasi-steady reversed WSS of low magnitude, while the posterior wall is exposed to quasi-healthy WSS. GWSS are generated at the necks and around the point of impact of the vortex.
Lagrangian tracking of blood cells inside the different models of aneurysms shows a dramatic increase in the cell residence time as the aneurysm grows. While recirculating, cells experience high shear stresses close to the walls and inside the shear layers, which may lead to cell activation. The vortical structure of the flow also convects the cells towards the wall, increasing the probability for cell deposition and ipso facto for the formation of an intraluminal thrombus.

Cette étude a pour but d'améliorer la compréhension des mécanismes responsables de la croissance des anévrismes aortiques abdominaux (AAA) et plus particulièrement de quantifier les effets des stimuli mécaniques sur la maladie. Des études récentes ont associé la plupart des maladies cardiovasculaires à des changements des contraintes pariétales et de leurs gradients. Toute modification des contraintes hémodynamiques influe l'intégrité structurelle de la paroi, à cause des changements induits sur la morphologie et les fonctions des cellules endothéliales et des cellules sanguines en circulation. Des mesures PIV (Particle Image Velocimetry) de l'écoulement pulsé ont été réalisées dans des modèles d'anévrismes, dont les paramètres géométriques ont été changés systématiquement. Les résultats de l'étude paramétrique montrent que l'écoulement décolle de la paroi même aux stades très précoces de la maladie (dilatation >= 30%). Un large anneau de vorticité est formé dans les modèles symétriques d'anévrismes, suivi de couches de mélange. Deux régions distinctes peuvent être identifiées : une zone de décollement caractérisée parde faibles contraintes oscillantes, et une région distale de réattachement, où de larges contraintes pariétales négatives et des gradients entretenus apparaissent en réponse à l'impact de l'anneau tourbillonnaire sur la paroi. La perte de symétrie des modèles engendre un écoulement hélicoïdal. Le tourbillon qui domine l'écoulement se détache de la paroi à la courbure maximale (paroi antérieure). Il conduit à la formation d'une zone de recirculation, où les cellules endothéliales sont soumises à des contraintes pariétales négatives et quasi-permanentes avec de très faibles amplitudes, alors que la paroi postérieure est exposée à des contraintes proches de celles d'une aorte saine. Des gradients de contraintes sont générés aux cous de l'anévrisme, ainsi qu'au point d'impact du tourbillon. Un suivi Lagrangien de cellules sanguines à l'intérieur des différents modèles d'anévrisme montre que l'élargissement de l'anévrisme conduit à une augmentation du temps de résidence des cellules. Lors de leur recirculation, les cellules sont périodiquement soumises à de larges contraintes près de laparoi et dans les couches de mélange, ce qui peut conduire à l'activation des cellules. La structure tourbillonnaire de l'écoulement convecte les cellules vers la paroi, ce qui augmente la probabilité de dépôt des cellules sur la paroi et par conséquent de formation d'un thrombus endoluminal.

Mots clés: biomecanique des fluides; anevrisme aortique abdominal; contrainte decisaillement parietal; mesures PIV

Domaines: Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]; Autre; Biomécanique [physics.med-ph]; Biomécanique [physics.med-ph]

Anne-Virginie Salsac. Changes in the hemodynamic stresses occurring during the enlargement of abdominal aortic aneurysms. Fluid Dynamics [physics.flu-dyn]. Ecole Polytechnique X; University of California, San Diego, 2006. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00011806⟩