Viscoelastic properties of human arteries methodology and preliminary results

Abstract

In order to study the biomechanical properties of the arterial wall and to compare arteries with different histologic structures, we designed a device that allows testing of arterial segments under near-physiologic conditions. A hydrodynamic generator simulates systolo-diastolic pressures in an open loop. An intraarterial pressure sensor and a sonomicrometer connected to two piezoelectric crystals placed in diametric opposition on the arterial wall allow computer calculation of compliance, stiffness, midwall radial arterial stress, Young modulus, and incremental modulus for a given arterial segment at a given pressure setting. Seven healthy common carotid artery (CCA) segments and seven healthy (superficial) femoral artery (FA) segments were studied immediately after removal from brain-dead donors between the ages of 18 and 35 years. Histologic examination was performed to determine the density of elastic fibers in the arterial wall. Hysteresis was observed in all segments regardless of pressure settings. Compliance was greater and modulus values and stiffness were lower in CCA than in FA. No evidence of structural change was noted after testing in the circulation loop. These preliminary results open the way to a wide variety of applications for our hydrodynamic circulation loop. Experiments will be undertaken to compare the mechanical properties of arteries before and after cryopreservation.

Résumé

Dans le but d'étudier les propriétés mécaniques de la paroi artérielle et de pouvoir établir des comparaisons entre des segments artériels de structure histologique différente, nous avons mis au point un banc d'essai hydrodynamique permettant de tester des segments artériels dans des conditions voisines de la réalité physiologique. Un générateur hydrodynamique permettait d'obtenir dans un circuit ouvert un régime de pressions de type systolo-diastolique. Un capteur de pression intra-artériel, ainsi qu'un sonomicromètre relié à des cristaux piézo-électriques placés de façon diamétralement opposée sur la paroi artérielle, permettaient de calculer, pour un régime de pressions donné et grâce à l'acquisition de données dans un système informatique, la compliance, la rigidité, la contrainte trans-pariétale, le module de Young, le module incrémentiel d'un segment artériel. Nous avons étudié sept artères carotides communes (CC), et sept artères fémorales (superficielles) (F) fraîchement prélevées chez des sujets sains âgés de 18 à 35 ans. Des corrélations avec la richesse en fibres élastiques de la paroi artérielle ont été établies. Nous avons mis en évidence un phénomène d'hystérésis pour chaque artère testée quel que soit le niveau de pression considéré. La compliance des artères CC a été plus importante, les modules et la rigidité ont été moins importants et ce de façon significative par rapport aux artères F. Aucune altération histologique n'a été mise en évidence après passage des segments artériels au banc d'essai. Ces résultas préliminaires nous permettent d'envisager de nombreuses applications à ce travail dont l'une d'entre elles sera la mesure comparative des propriétés mécaniques des artères avant et après cryopréservation.