Estudio mecánico de las arterias coronarias humanas y sus sustitutos vasculares

RESUMEN Las enfermedades coronarias son los problemas cardiovasculares más importantes y repre¬sentan una de las primeras causas de muerte en los países desarrollados. Los problemas coronarios se originan básicamente por la obstrucción de las arterias coronarias. En muchos casos es necesario recurrir a procedimientos invasivos, como la angioplastia o la revascular¬ización coronaria, para restablecer el flujo sanguíneo al corazón. En ambas intervenciones juega un papel decisivo el comportamiento mecánico de los materiales. Hasta ahora, la falta de datos sobre las propiedades mecánicas de los vasos sanguíneos y, en especial, de su rotura, ha dificultado el desarrollo de modelos numéricos que permitan predecir su comportamiento durante y después de intervenciones como las anteriormente citadas. El objetivo de esta tesis doctoral ha sido caracterizar y modelizar el comportamiento mecánico de las arterias coronarias humanas y los vasos más comúnmente utilizados en la revascularización coronaria (arterias radial y mamaria, y vena safena) con el fin de proporcionar parámetros mecánicos cualitativos y cuantitativos que ayuden a mejorar el diagnóstico y tratamiento de las enfermedades coronarias y el éxito de los procedimientos quirúrgicos. Se han realizado por primera vez ensayos mecánicos para caracterizar el comportamiento de la pared vascular de las arterias coronarias humanas, así como de otros vasos utilizados como injertos en la revascularización coronaria. Se hicieron ensayos de presurización y de tracción uniaxial y se midieron los ángulos de apertura en 8 arterias coronarias, 11 arterias radiales, 5 arterias mamarias y 9 venas safenas. También se prepararon muestras histológicas de los vasos ensayados para analizar su micro-estructura. Se han estudiado la geometría, la rigidez de los vasos y su comportamiento en rotura, buscando correlacionar sus valores con los datos microestructurales proporcionados por el análisis histológico de las paredes vasculares. En el ámbito de la modelización numérica, se implementaron dos modelos de material: el material isótropo de Yeoh y el material anisótropo mixto Holzapfel/Demiray. Una vez ajustados los dos modelos a los datos experimentales, se simularon los ensayos presión-diámetro comparando los resultados de la predicción numérica con el experimento para verificar su precisión. Una vez calibrado, el modelo numérico se utilizó para estudiar dos problemas clínicos reales que afectan a los procedimientos de la angioplastia y la revascularización coronaria. Durante una angioplastia es fundamental no generar un dan˜o irreversible en la arteria nativa, ni llegar a provocar su rotura, sin embargo durante la intervención se suelen emplear presiones muy altas, varios órdenes de magnitud superiores a las presiones fisiológicas, para abrir la obstrucción de la coronaria. Los datos experimentales de rotura han permitido reproducir numéricamente el inflado del globo durante una angioplastia, estimándose las presiones y diámetros máximos que se pueden utilizar, en función de la rigidez del globo, para evitar el daño irreversible en la arteria nativa. En el caso de la revascularización coronaria, buena parte de su éxito depende de su si¬militud geométrica y mecánica, y del buen funcionamiento de la zona de unión. Se ha simulado el comportamiento de la zona de anastomosis en una revascularización coronaria término-terminal en función del tipo de vaso utilizado en el injerto, mostrando qué vasos se acoplaban mejor desde el punto de vista mecánico. Como conclusiones hay que resaltar que por primera vez se han obtenido datos experimen¬tales sobre el comportamiento mecánico y la rotura de arterias coronarias humanas, lo que ha permitido simular dos procedimientos clínicos de gran interés. Se ha observado que las arterias coronarias sufren una rigidización importante y una disminución de su resistencia durante el envejecimiento y que su pared arterial tiene un com¬portamiento moderadamente anisótropo con unas tensiones de rotura mayores en dirección longitudinal. El resto de vasos estudiados muestran valores de rigidez y de resistencia su¬periores a las arterias coronarias y presentan un comportamiento anisótropo mucho más acusado. En el estudio del estado general del vaso se ha constatado que, a diferencia de los demás vasos, el deterioro relacionado con la edad en las arterias coronarias es muy severo. Si bien los cambios observados con la edad (aumento de la rigidez, reducción de la resistencia y de la deformación residual) no se ven reflejados en una reducción de la cantidad de fibras elásticas, probablemente estén relacionados con la cualidad y la organización de dichas fibras. Las simulaciones numéricas de la angioplastia han mostrado que la flexibilidad del globo tiene una importancia decisiva en las tensiones y deformaciones producidas durante la intervención, siendo los globos rígidos los más agresivos desde este punto de vista. Además, se aporta una estimación de las presiones máximas a utilizar para evitar la rotura de la arteria coronaria nativa. En las simulaciones de la anastomosis término-terminal, si bien no se ha observado mucha diferencia entre las deformadas de los diferentes casos estudiados, se ha puesto de manifiesto que, dependiendo de los vasos utilizados como injerto, en la unión pueden desarrollarse tensiones elevadas. Atendiendo a la similitud con la arteria coronaria en las dimensiones y la rigidez, las arterias mamarias y las radiales son las más indicadas para el injerto. También las venas safenas poseen características geométricas y mecánicas compatibles, si bien su inestabilidad a medio y largo plazo, debido al fenómeno de arterialización, hace menos indicada su utilización desde el punto de vista mecánico. ABSTRACT Coronary artery disease is the most significant cardiovascular problem and is the leading cause of death in developed countries. Coronary problems emerge from the obstruction of coronary arteries. In many cases, invasive procedures, such as angioplasty or bypass surgery, are necessary to restore blood flow to the heart. In both interventions the mechanical behaviour of the material plays a decisive role. To date, the lack of reliable data on mechanical properties of blood vessels and, in par¬ticular, on their breakage, has hampered the development of numerical models to predict behaviour during and after the above-mentioned interventions. The aim of this PhD thesis is to characterise and to model the mechanical behaviour of hu¬man coronary arteries and vessels more commonly used in coronary bypass surgery (radial and mammary arteries, and the saphenous vein), to provide qualitative and quantitative mechanical parameters to improve the diagnosis and treatment of coronary diseases and the success of surgical procedures. For the first time, mechanical tests are carried out to characterise the behaviour of the arterial wall of the human coronary arteries as well as of other vessels used as grafts in coronary bypass surgery. Pressurisation and tensile tests are performed and the opening angles measured in eight coronary arteries, 11 radial arteries, five mammary arteries and nine saphenous veins. Histological samples are prepared from every vessel to analyze their microstructure. The geometry was studied, as well as the vessel stiffness, the rupture be¬haviour and the residual deformations, looking for a correlation with the microstructural data provided by the histological analysis. Regarding the numerical modelling, two material models were implemented: the isotropic Yeoh-material and the mixed anisotropic Holzapfel/Demiray-material. Once both models fit the experimental data, pressure-diameter tests are simulated and the results of the numerical predictions compared with the experiments to check whether the model works properly. Once calibrated, the numerical model is used to study two significant clinical procedures such as angioplasty and coronary bypass surgery. During an angioplasty it is vital to avoid both generation of irreversible damage in the native artery and its breakage. Nevertheless, usually very high pressures are used to open the obstruction of the coronary artery. The experimental data of breakage allows the re¬searcher to reproduce numerically the balloon inflation during an angioplasty, estimating the maximum pressure and diameter that can be used, considering the balloon rigidity, to avoid irreversible damage of the native artery. In the case of coronary bypass surgery, most of its success depends on the geometric and mechanical similarity, and on the good operation of the anastomosis. The behaviour of the end-to-end anastomosis is simulated based on the vessel type used as graft, showing which vessels best fit from the mechanical point of view. To conclude, it is worth mentioning that for the first time experimental data are obtained on the mechanical behaviour and the breakage of human coronary arteries, and applied to two clinical procedures of great interest. It is observed that the coronary arteries become stiffer during aging, that its arterial wall has an anisotropic behaviour, with it being somewhat more flexible in the circumferential direction than longitudinal and, mainly, providing higher fracture stress in the longitudinal direction, and that the fracture stress falls moderately with age. The rest of the studied vessels show rigidity values superior to the coronary arteries and present a much more marked anisotropic behaviour than the coronary arteries, especially in ultimate loads, which also exceed clearly the value for the coronary arteries. Based on the study of the general condition of the vessel, it is affirmed that, unlike other vessels, the deterioration related to age in the coronary arteries is severe. However, the changes with age observed, such as stiffness increase, decrease of resistance and residual deformation, are not reflected in the amount of elastic fibers. Probably the elasticity of the vessel does not only depend on the amount of elastic fibers, but more on its quality and its organisation. With the numerical simulations of the angioplasty, it is shown that the balloon flexibility in an angioplasty is of decisive importance, leading a rigid balloon to larger deformations. It is also appreciated that it is important to represent the athermatous plaque in the calculations and that the cirumferential maximum stress can exceed the fracture stress. In the simulations of the end-to-end anastomosis, although little difference among the deformations of the different cases studied is observed, it is shown that, depending on the vessels used as graft, high tensions can be produced in the union zone. Considering the similarity with the coronary artery in dimensions and rigidity, the mammary and radial arteries are the most apt as graft. Also, the saphenous vein owns compatible geometric and mechanical characteristics with the coronary artery, although its medium and long term instability, due to the arterialisation phenomenon, makes its use less suitable