Mechanical simulation of the endovascular repair of abdominal aortic aneurysms

Abstract

Ce travail de thèse porte sur la simulation du déploiement des prothèses vasculaires de type stent-graft (SG) lors de la réparation endovasculaire (EVAR) des anévrismes de l’aorte abdominale (AAA). Cette étude se présente en trois parties: (i) tests mécaniques en flexion et compression de SG couramment utilisés (corps et jambage de marque Cook) ainsi que la simulation numérique desdits tests, (ii) développement d’un modèle numérique d’anévrisme, (iii) stratégie de simulation du déploiement des SG. La méthode numérique employée est celle des éléments finis. Dans un premier temps, une vérification du modèle éléments finis (MEF) des SG est realisée par comparaison des différents cas de charge avec leur pendant expérimental. Ensuite, le MEF vasculaire (AAA) est lui aussi vérifié lors d’une comparaison des niveaux de contraintes maximales principales dans la paroi avec des valeurs de la littérature. Enfin, le déploiement est abordé tout en intégrant les cathéters. Les tests mécaniques menés sur les SG ont été simulés avec une différence maximale de 5,93%, tout en tenant compte de la pré-charge des stents. Le MEF de la structure vasculaire a montré des contraintes maximales principales éloignées de 4,41% par rapport à un modèle similaire précédemment publié. Quant à la simulation du déploiement, un jeu complet de SG a pu être déployé avec un bon contrôle de la position relative et globale, dans un AAA spécifique pré-déformé, sans toutefois inclure de thrombus intra-luminal (TIL). La paroi du AAA a été modélisée avec une loi de comportement isotropique hyperélastique. Étant donné que la différence maximale tolérée en milieu clinique entre réalité et simulation est de 5%, notre approche semble acceptable et pourrait donner suite à de futurs développements. Cela dit, le petit nombre de SG testés justifie pleinement une vaste campagne de tests mécaniques et simulations supplémentaires à des fins de validation.

This thesis work is concerned with the simulation of the deployment of stent-graft (SG) vascular prostheses in abdominal aortic aneurysms (AAA) during endovascular repair (EVAR). This study is composed of three main parts: (i) mechanical tests in bending and compression of frequently used SG (body and leg from Cook) as well as the numerical simulation of these tests, (ii) development of a numerical AAA model, (iii) strategy of simulation of SG deployment. The finite element method is used. In a first step, a verification of the finite element model (FEM) of SG is performed by comparison of the different load cases with their experimental counterparts. Subsequently, the vascular FEM is also verified in terms of maximal principal constraints in the wall against values available in the literature. Finally, the deployment is investigated while taking the catheters into account. The mechanical tests performed on the SG were simulated with a maximal difference of 5.93%, while accounting for the pre-load in stents. The FEM of the vascular structure showed maximal principal stresses that were 4.41% far from the ones found in the literature for a similar model. Regarding the simulation of SG deployment, a complete set of SG could be deployed with a good control of the relative and global position into a specific and pre-deformed AAA, however, no intra-luminal thrombus (ILT) was included. The AAA wall was modeled with an isotropic hyperelastic constitutive law. In the clinical setting, the maximum tolerated difference between reality and simulation is 5%, therefore, our approach seems acceptable, and could give rise to further developments. However, the small amount of tested SG justifies a wide campaign of additional mechanical tests and simulations for the sake of validation.