Predikce rizika ruptury aneuryzmatu břišní aorty na základě počítačového modelování napětí cévní stěny

MUDr. Luboš Kubíček, Ph.D.

Doctoral thesis

Abdominal aortic aneurysm rupture risk prediction based on computer-aided vascular wall stress assessment

Abstract:

Aneuryzma břišní aorty (AAA) je potencionálně život ohrožující onemocnění definované jako rozšíření průměru břišní aorty nad 3,0 cm. Ve většině případů je AAA asymptomatické a často je prvním příznakem jeho přítomnosti ruptura s enormní mortalitou i v případě, když je pacient urgentně léčen ve specializovaném centru. Současná guidelines stanovují riziko ruptury asymptomatického AAA pouze na základě jeho maximálního průměru – intervence je indikována v případě, kdy je průměr větší než 5,5 cm. Existuje však množství důkazů toho, že významná část prasklých AAA má průměr menší než 5,5 cm, a tedy že posuzování AAA na pouze základě maximálního průměru není dostatečné pro všechny případy. Toto je hlavní důvod pro výzkum nového diagnostického nástroje, který by dokázal posuzovat riziko ruptury AAA přesněji a komplexněji, než pouze použití kritéria maximálního průměru. V průběhu našeho projektu jsme vyhodnotili procento malých prasklých AAA v průběhu 7 let (16,7 %) a provedli jsme statistickou analýzu anamnestických údajů pacientů ve snaze o nalezení možných rizikových faktorů pro rupturu malého AAA. Ve většině případů jsme zjistili kontroverzní vliv jednotlivých faktorů, čímž jsme ve shodě s literárními zdroji. Nebyl identifikován žádný jasný rizikový faktor pro rupturu malého AAA. Další částí našeho projektu bylo vytvoření pomocného diagnostického nástroje založeného na počítačové 3D modelaci AAA s vyhodnocením napětí cévní stěny pomocí metody konečných prvků. V průběhu procesu jsme použili CT snímky k vytvoření 3D modelu AAA a metodou konečných prvků bylo určeno napětí cévní stěny a riziko ruptury. Tyto původní teoretické modely byly následně upraveny pomocí dat získaných z mechanických testů reálných vzorků stěny AAA získaných při otevřené resekci. Účinnost finálního modelu byla testována v zaslepeném pseudo-prospektivním testu a byl navržen nejlépe použitelný indikátor (tzv. Probabilistic Rupture Risk Index). Nová metoda určování napětí cévní stěny AAA s použitím 3D modelace a metody konečných prvků má velmi dobrý potenciál ke zlepšení odhadu rizika ruptury AAA a tím i ke zlepšení diagnostického procesu v klinické praxi.

Abstract:

Abdominal aortic aneurysm (AAA) is a potentially life threatening medical condition defined as a dilatation of abdominal aorta diameter more than 3.0 cm. In majority of cases AAA is asymptomatic and often the first sing of its presence is a rupture with enormous mortality even when the patient is urgently treated in specialized center. Current guidelines estimate the rupture risk only by the maximal diameter criterion – if it is more than 5.5 cm an intervention is indicated. There is a number of evidence that a significant portion of ruptured AAA is less than 5.5 cm in diameter and thus the maximal diameter criterion is not sufficient in all AAA cases. This is the main reason for new diagnostic tools research, the tools which could be able to assess the rupture risk more precisely than just the maximal diameter criterion. In our project we estimated the portion of small ruptured AAA treated in our center in 7 years (16.7 %) and we performed the statistical analysis of patient medical history in search for potential risk factor for small AAA rupture. We found mostly controversial impact on AAA rupture risk in accordance with literature, no leading risk factor for small AAA rupture was identified. Next part of our project was creation of auxiliary diagnostic tool based on 3D computer modeling of AAA and wall stress assessment using finite element method. During the process we used CT angiographic images to create 3D models and finite element method to assess the wall stress and rupture risk. These theoretical models were altered according to the data gathered from mechanical tests of real AAA wall samples harvested during the open surgery. Efficiency of final model (3D modeling + FEM) was confirmed in blind test and the most applicable predictor was proposed (so called Probabilistic Rupture Risk Index). New methods of vascular wall stress assessment using the 3D computer modeling and FEM have a good potential to improve AAA rupture risk estimation and thus improve diagnostic and decision making process in clinical praxis.

Keywords

aneuryzma břišní aorty, malé aneuryzma břišní aorty, riziko ruptury, rizikové faktory, analýza napětí cévní stěny, metoda konečných prvků, 3D modelace, mechanické testy cévní stěny

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 7. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 14. 11. 2018
• Supervisor: prof. MUDr. Robert Staffa, Ph.D.
• Reader: prof. MUDr. Petr Bachleda, CSc., prof. MUDr. Petr Štádler, Ph.D., prof. MUDr. Jaroslav Lindner, CSc.

Masaryk University

Faculty of Medicine

Doctoral programme / field:
Surgery (4-years) / Surgery