Cardiovascular diseases are the leading cause of death worldwide. In most cases, cardiovascular diseases are caused by an underlying pathology:​ atherosclerosis. Numerical models are very helpful to study the biomechanics of atherosclerosis, assess the risks and more likely sites of rupture, to design and study the effect of interventions. Yet, the reliability of the simulations is directly dependent on the fidelity of the material properties, geometry and boundary conditions to represent the reality. However, data available to precisely model the mechanical behaviour of the plaque and its constituents are relatively limited, particularly for the inclusions.

The main objective of this project is to propose a method to determine the non-linear material parameters for an inclusion and for the surrounding tissues of atherosclerotic medium arteries using numerical and experimental models. To evaluate the proposed method, a mock artery with a stenosis and a lipid inclusion was designed and fabricated with polyvinyl alcohol gel for each of the two wall layers, and animal fat (lard) for the inclusion. PVA gel has a non-linear elastic behaviour that can be described with a Money-Rivlin model.

The experimental part of the approach consists in extension-pressurization of the intact vessel. For different states of axial extension, the vessel is pressurized while intravascular ultrasound images are acquired at regular intervals. Then, the images are segmented to extract the contours of the different constituents. The contours from before the pressurization are use to build the geometry of finite element models. Simulations are run for different pressure values. The resulting deformed contours are compared to the contours extracted from the images for the same pressure values, to optimize the material parameters for the inclusion and for the wall layers. The comparison is defined in terms of circumferences and thicknesses.

The estimated material parameters for the gels were applied to predict the responses in uniaxial and biaxial tensions, to compare them to experimental data from tension testing of samples made of the same gels. The estimated parameter for the lard was compared to shear test measurements. The predictions were good (R² ≥ 0.90) for deformations in the range and slightly over the range of those used for the optimisation process

Les maladies cardiovasculaires constituent la première cause de mortalité dans le monde. Dans la majorité des cas, elles sont causées par une pathologie sous-jacente, l’athérosclérose.

Les modélisations numériques sont d’une grande aide pour étudier la biomécanique de la plaque d’athérosclérose, évaluer les risques et sites de rupture les plus probables, concevoir et étudier l’effet d’interventions. Cependant, les données disponibles pour modéliser avec précision le comportement mécanique de la plaque et ses composants sont relativement limitées, en particulier pour les inclusions.

L’objectif principal de ce projet est de proposer une méthode pour déterminer les paramètres des modèles de matériaux non-linéaires pour l’inclusion et tissus adjacents d’artères athérosclérotiques, à l’aide de modèles expérimentaux et numériques. Afin d’évaluer la méthode proposée, une pseudo-artère imitant une artère coronaire sténosée avec une inclusion lipidique a été conçue et fabriquée avec du gel d’alcool de polyvinyle (PVA) pour chacune des deux couches de la paroi et du saindoux pour l’inclusion. Le gel de PVA a un comportement élastique non-linéaire pouvant être décrit à l’aide d’un modèle de Mooney-Rivlin.

La partie expérimentale de l’approche consiste à soumettre le vaisseau à des tests d’extensionpressurisation. Pour différents états d’extension axiale, le vaisseau est pressurisé tandis que des images par ultrasons intravasculaires sont enregistrées. Ces images sont ensuite segmentées pour extraire les contours des différents constituants. Les contours avant pressurisation sont utilisés pour construire la géométrie de modèles par éléments finis. Des simulations sont exécutées pour différentes valeurs de pression. Les géométries déformées obtenues sont comparées aux contours extraits des images à ces même valeurs de pression afin d’optimiser les paramètres des modèles de matériaux pour l’inclusion et les deux couches de la paroi. Cette comparaison est définie en termes de circonférences et d’épaisseurs.

Les paramètres estimés pour les gels sont appliqués pour prédire les réponses en tensions uniaxiale et biaxiale, et comparer aux données expérimentales de tests tension réalisés sur des échantillons faits des mêmes gels. Le paramètre estimé pour le lard est comparé à des mesures obtenues aves des tests de cisaillement. Les prédictions étaient bonnes (R² ≥ 0.90) pour des déformations de l’ordre de grandeur et légèrement supérieures à celles utilisées dans le processus d’optimisation.