Cardiovascular disease is a leading cause of death around the world (1). In particular, abdominal aortic aneurysm (AAA) is a top silent killer and even claimed the life of our eminent scientist Albert Einstein. Symptoms often only appear in the late stages, and since AAA involves the main artery carrying blood from the heart to the torso, it may trigger catastrophic events such as rupture and coincides with a mortality up to 90% (2). The prevalence in western countries is especially high, around 20,000 patients are diagnosed with AAA every year in Canada (3), and AAA rupture has been ranked the 15th leading cause of death for the past two decades in the United Sates (4). Endovascular repair (EVAR), a minimally invasive AAA treatment, was introduced in the 90’s and is considered as a promising option compared to the traditional open surgery. Regardless of the significant reduction in surgical risks and recovery time, no difference has been reported for the long-term outcome, mainly due to graft related complications (5). Therefore, better understanding the biomechanics of AAA, particularly in contact with endovascular devices, will provide an essential path to improve endovascular treatments.

Although the biomechanics of AAA has been extensively investigated, efforts have mostly been devoted to the risks of major AAA characteristics associated with vascular rupture, such as stiffened wall, gigantic thrombus and calcification. The roles of those characteristics during the interaction with endovascular devices remain to be elucidated. Moreover, controversial understanding on the role of calcification (Ca) persists, partly due to its complicated nature and morphological variability, often resulting in oversimplification or exclusion from clinical evaluations. The intrinsic property of Ca has always been considered, however the combined effects of Ca shapes and locations have been questioned but not yet addressed. Besides, most studies have focused on major AAA characteristics, but rarely on the surrounding tissues, such as the abdominal fat despite its high prevalence. Hence, further research on the biomechanical response of AAA during EVAR, taking into account both the major AAA characteristics and the surrounding tissues, is sought.

Consequently, the main objective of this thesis is to provide insight into the role of AAA wall biomechanics, specifically for the aortic Ca and surrounding tissues, in EVAR assessment. A novel quantitative and qualitative analysis, using 3D models reconstructed from clinical data to describe the extent, shape and location of Ca, has been conducted to investigate the effects of Ca morphological characteristics on EVAR outcomes. In addition, a series of hydrogel-based anthropomorphic mockups simulating the mechanical, anatomical and pathological characteristics of AAA have been developed for the first time, in order to evaluate the biomechanical interaction between endovascular devices and AAA, with and without the presence of surrounding abdominal fat. Results from Ca analysis confirmed that, not only the intrinsic properties but also the morphological characteristics of Ca, can together alter the global behavior of AAA, thus playing an essential role in EVAR assessment. Specifically, including the combined effects from Ca morphological characteristics can lead to very different prediction compared to conventional assessment, where the intrinsic property is merely considered. Furthermore, results from AAA mockup analysis highlighted the indispensable role of surrounding tissues, not only the spine but also the abdominal fat, as to account for realistic interactions with endovascular devices. The discoveries and novel approaches within the scope of this thesis have potential clinical significance which, with future revisions and validation, could improve the current knowledge in AAA biomechanics and EVAR assessment.

Les maladies cardiovasculaires sont l'une des principales causes de décès dans le monde (1). En particulier, l'anévrisme de l'aorte abdominale (AAA) est un tueur silencieux majeur dont les symptômes apparaissent principalement à un stade avancé, ce qui a même coûté la vie à notre éminent scientifique Albert Einstein. Étant la principale artère transportant le sang du cœur vers le torse, l'AAA peut conduire à un événement catastrophique en cas de rupture, avec un taux de mortalité aussi élevé que 90% (2). La prévalence dans les pays occidentaux est particulièrement élevée, environ 20,000 patients reçoivent un diagnostic d'AAA chaque année au Canada (3), et la rupture de l'AAA a été classée au 15e rang des principales causes de décès au cours des deux dernières décennies aux États-Unis (4). La réparation endovasculaire de l’anévrisme de l’aorte (EVAR), un traitement mini-invasif des AAA, a été introduit dans les années 90 est considéré comme une option prometteuse par rapport à la chirurgie ouverte traditionnelle. Indépendamment de la réduction significative des risques chirurgicaux et du temps de récupération, aucune différence n'a été rapportée pour le résultat à long terme, principalement en raison de complications liées à la greffe (5). Par conséquent, une meilleure compréhension de la biomécanique des AAA, en particulier en contact avec les dispositifs endovasculaires, permettra une voie essentielle pour améliorer les traitements endovasculaires.

Si la biomécanique de l'AAA a longtemps été étudiée dans le monde, des efforts ont été consacrés aux risques de caractéristiques majeures de l'AAA (paroi raidie, thrombus gigantesque et calcification) associés à la rupture vasculaire, alors que les rôles de ces caractéristiques lors de l'interaction avec les dispositifs endovasculaires restent à être élucidés. En outre, la compréhension controversée sur le rôle de la calcification (Ca) persiste, en partie en raison de sa nature compliquée et de sa variabilité morphologique, entraînant souvent une simplification excessive ou une exclusion des évaluations cliniques. Il est à noter que la propriété intrinsèque du Ca a toujours été considérée, alors que la question de la combinaison des effets des formes et des emplacements du Ca a été soulevée mais pas encore abordée. En revanche, la plupart des études se sont concentrées sur les principales caractéristiques des AAA, mais rarement sur les tissus environnants, comme la graisse abdominale malgré sa forte prévalence. Par conséquent, des recherches supplémentaires sur la réponse biomécanique de l'AAA pendant EVAR, en tenant compte à la fois des principales caractéristiques de l'AAA et des tissus environnants, sont requises.

Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse est de fournir un aperçu du rôle de la biomécanique de la paroi AAA, en particulier pour le Ca aortique et les tissus environnants, dans l'évaluation EVAR. En tant que tel, une nouvelle analyse quantitative et qualitative, utilisant des modèles 3D reconstruits à partir de données cliniques pour décrire l'étendue, la forme et l'emplacement du Ca, a été menée pour étudier les effets des caractéristiques morphologiques du Ca sur les résultats EVAR. De plus, une série de maquettes anthropomorphiques à base d'hydrogel simulant les caractéristiques mécaniques, anatomiques et pathologiques de l'AAA ont été développées pour la première fois, afin d'évaluer l'interaction biomécanique entre les dispositifs endovasculaires et l'AAA, avec et sans la présence de la graisse abdominale. Les résultats de l'analyse du Ca ont confirmé que, non seulement les propriétés intrinsèques mais aussi les caractéristiques morphologiques du Ca, peuvent ensemble modifier le comportement global de l'AAA, jouant ainsi un rôle essentiel dans l'évaluation EVAR. Plus précisément, l'inclusion des effets combinés des caractéristiques morphologiques du Ca peut conduire à une prédiction très différente par rapport à l'évaluation conventionnelle, où la propriété intrinsèque est simplement considérée. En outre, les résultats de l'analyse des maquettes AAA ont mis en évidence le rôle indispensable des tissus environnants, non seulement la colonne vertébrale mais aussi la graisse abdominale, pour rendre compte des interactions réalistes avec les dispositifs endovasculaires. Les découvertes et les nouvelles approches dans le cadre de cette thèse ont une signification clinique potentielle qui, avec des révisions et des validations futures, pourrait améliorer les connaissances actuelles en biomécanique AAA et en évaluation EVAR.