Since the 1990s, endovascular aortic aneurysm repair (EVAR) has become a common alternative to open surgery for the treatment of abdominal aortic aneurysms (AAAs) [1]. Despite being associated with faster recovery time and lower intraoperative mortality, the current practice of EVAR can be limited by a number of factors including endoleaks (residual flow around the prosthesis), exposure to high doses of X-ray radiation, limited 3D imaging, and endovascular tool insertion difficulties due to artery calcification (Ca) [2, 3]. To properly deliver stent-grafts, fluoroscopic image guidance can be enhanced using preoperative imaging combined with intraoperative image fusion techniques;​ however, the impact of Ca presence on the accuracy of such techniques is yet to be considered.

One of the main objectives of this thesis was to introduce a numerical simulation tool that accounts for patient-specific Ca presence. Numerical simulations of EVAR were developed for 12 elective AAA patients, both with (With-Ca) and without (No-Ca) Ca consideration. To assess the accuracy of the simulations, the deformed geometry results were overlaid on corresponding intraoperative computed tomography (CT) scans and the overlay error was measured at selected anatomical landmarks. With this approach, insight was gained into the impact of Ca presence on image fusion accuracy. Inclusion of Ca within the simulations improved mean image fusion accuracy by 8.68 ± 4.59%. In addition, a positive correlation between the relative volume of Ca presence and the image fusion accuracy was found (R = 0.753, p < .005). In addition to assessing the impact of Ca presence, the impact of patient-specific abdomen geometry was assessed.

Another objective of the thesis was to assess the possibility of using the EVAR simulation as a preoperative planning tool to assess the feasibility of EVAR for elective AAA patients. Such a tool allows investigation of the stress response at different regions of the aortic structure (neck, aneurysm, bifurcation, iliac arteries, and the healthy-calcified tissue boundaries) impacted during EVAR [4-8]. Using the same previously developed simulations of the 12 AAA patients, the likelihood of intraoperative AAA rupture was investigated by comparing aortic peak wall stress (PWS) to the theoretical aortic wall strength. From this, the impact of Ca presence on stress distribution throughout the aortic structure during intervention was investigated. From the results, the severity of aortic Ca presence was found to correlate with the aortic wall PWS (R = 0.794, p < .001).

In an attempt to further improve the accuracy of current EVAR simulations, and other aortic wall-related simulations, an investigation of the effects of various aortic wall viscoelastic material characterisations on simulation accuracy and efficiency was carried out. It was found that using a viscoelastic Maxwell model to simulate aortic wall behaviour matched experimental findings much more closely when compared to a linear elastic model. However, the simulation run time of the Maxwell model was significantly longer than that of the linear elastic model (approximately 2.5 times longer). Further, it was established that the hysteresis loop width from biaxial tensile testing and the viscosity parameter of the Maxwell model correlated with each other (R = 0.806, p < .005). This suggests the hysteresis width could be applied to the viscosity estimation of soft tissues.

Further, to advance the current understanding of aortic wall mechanical behaviour, the interaction of Type I collagen fibrils was investigated. Three different entanglement types (parallel, capstan and helical) were studied. Using excised aortic tissue, the prevalence of each entanglement type was studied and simulation of the impact of each entanglement type on the stress response of the fibrils, and the aortic wall as a whole, was carried out. Statistical analysis showed parallel entanglements to be the most prevalent, followed by capstan and helical entanglements, respectively. From the simulation analysis, parallel entanglements led to the highest mean element von Mises stress (VMS) in Type I collagen fibrils, while capstan entanglements led to the lowest mean element VMS. This suggests that the type and prevalence of different entanglements within bundles of aortic wall collagen could lead to significant impacts on the wall’s mechanical behaviour.

Depuis les années 1990, la réparation endovasculaire des anévrismes aortiques (EVAR) est devenue une alternative courante à la chirurgie ouverte pour le traitement des anévrismes de l'aorte abdominale (AAA) [1]. Bien qu'elle soit associée à un temps de récupération plus rapide et à une mortalité péri-opératoire plus faible, la pratique actuelle d’EVAR peut être limitée par un certain nombre de facteurs, notamment l'exposition à des doses élevées de rayons X, l’accès limitée de l'imagerie 3D et les difficultés d'insertion des outils endovasculaires dues à la calcification de l'artère (Ca) [2, 3]. Pour délivrer correctement les endoprothèses, le guidage par image fluoroscopique peut être amélioré en utilisant des techniques de simulation préopératoire et de fusion d'images péri-opératoires ;​ cependant, l'impact de la présence de Ca sur la précision de ces techniques n'a pas encore été étudié.

Dans ce travail, un outil de simulation numérique est introduit qui tient compte de la présence de Ca spécifique du patient. Des simulations numériques d'EVAR ont été développées pour 12 patients ayant subi une réparation endovasculaire élective d’un AAA, avec (avec Ca) et sans (sans Ca) prise en compte du Ca. Pour évaluer l'exactitude des simulations, les résultats de la géométrie déformée ont été superposés aux tomodensitométries péri-opératoires correspondantes et l'erreur de superposition a été mesurée au niveau de repères anatomiques sélectionnés. Cette approche a permis de mieux comprendre l'impact de la présence de Ca sur la précision de la fusion d'images. L'inclusion du Ca dans les simulations a amélioré la précision moyenne de la fusion d'images de 8,68 ± 4,59 %. En outre, une corrélation positive entre le volume relatif de la présence de Ca et la précision de la fusion d'images a été trouvée (R = 0,753, p < ,005). En plus d'évaluer l'impact de la présence de Ca, l'impact de la géométrie de l'abdomen spécifique au patient a été évalué.

Un outil de simulation numérique précis de l'EVAR qui prend en compte le Ca aortique spécifique du patient est important pour déterminer la faisabilité de l'intervention pour les patients devant bénéficier d’une réparation élective d’un AAA. En outre, un tel outil permet d'étudier la réaction au stress dans les différentes régions de la structure aortique (collet, anévrisme, bifurcation, artères iliaques et limites entre tissu sain et calcifié) touchées par l'EVAR [4-8]. En utilisant les mêmes simulations précédemment développées pour les 12 patients atteints d'AAA, la probabilité de succès de la procédure a été étudiée en comparant la contrainte maximale de la paroi aortique (PWS) à la résistance théorique de la paroi aortique. A partir de là, l'impact de la présence de Ca sur la distribution des contraintes dans toute la structure aortique pendant l'intervention a été étudié. Les résultats montrent une corrélation entre la sévérité de la présence de Ca dans l'aorte et le PWS de la paroi aortique (R = 0,794, p < ,001).

Dans le but d'améliorer la précision des simulations actuelles d'EVAR et d'autres simulations liées à la paroi aortique, une étude a été menée sur les effets de diverses caractérisations de matériaux viscoélastiques de la paroi aortique sur la précision et l'efficacité de la simulation. Il a été constaté que l'utilisation d'un modèle viscoélastique de Maxwell pour simuler le comportement de la paroi aortique correspondait beaucoup mieux aux résultats expérimentaux qu'un modèle élastique linéaire. Cependant, le temps d'exécution de la simulation du modèle de Maxwell était nettement plus long que celui du modèle élastique linéaire (environ 2,5 fois plus long). En outre, il a été établi que la largeur de la boucle d'hystérésis des essais de traction biaxiale et le paramètre de viscosité du modèle de Maxwell étaient corrélés entre eux (R = 0,806, p < ,005). Cela suggère que la largeur de la boucle d'hystérésis pourrait être appliquée à l'estimation de la viscosité des tissus mous.

En outre, pour faire progresser la compréhension actuelle du comportement mécanique de la paroi aortique, l'interaction des fibrilles de collagène de Type I a été étudiée. Trois types d'enchevêtrement différents (parallèle, cabestan et hélicoïdal) ont été étudiés. En utilisant des tissus aortiques excisés, la prévalence de chaque type d'enchevêtrement a été étudiée et une simulation de l'impact de chaque type d'enchevêtrement sur la réponse aux contraintes des fibrilles, et de la paroi aortique dans son ensemble, a été réalisée. L'analyse statistique a montré que les enchevêtrements parallèles étaient les plus répandus, suivis par les enchevêtrements en cabestan puis en hélice. D'après l'analyse de simulation, les enchevêtrements parallèles ont conduit à la von Mises stress (VMS) d'élément moyen la plus élevée dans les fibrilles de collagène de Type I, tandis que les enchevêtrements en cabestan ont conduit à la VMS d'élément moyen la plus faible. Cela suggère que le type et la prévalence des différents enchevêtrements dans les faisceaux de collagène de la paroi aortique pourraient avoir un impact significatif sur le comportement mécanique des parois.