Tomografia a coerenza ottica basata sull'analisi dell'interazione fluido-struttura biomeccanica della progressione dell'aterosclerosi coronarica

Summary

È necessario determinare quali lesioni aterosclerotiche progrediranno nella vascolarizzazione coronarica per guidare l’intervento prima che si verifichi l’infarto miocardico. Questo articolo delinea la modellazione biomeccanica delle arterie dalla tomografia a coerenza ottica utilizzando tecniche di interazione fluido-struttura in un risolutore commerciale agli elementi finiti per aiutare a prevedere questa progressione.

Abstract

In questo articolo, presentiamo un flusso di lavoro completo per l’analisi biomeccanica della placca aterosclerotica nella vascolarizzazione coronarica. Con l’aterosclerosi come una delle principali cause di morte globale, morbilità e onere economico, sono necessari nuovi modi di analizzare e prevedere la sua progressione. Uno di questi metodi computazionali è l’uso dell’interazione fluido-struttura (FSI) per analizzare l’interazione tra il flusso sanguigno e i domini arteriosi / placca. Accoppiato con l’imaging in vivo, questo approccio potrebbe essere adattato a ciascun paziente, aiutando a distinguere tra placche stabili e instabili. Delineiamo il processo di ricostruzione tridimensionale, facendo uso della tomografia a coerenza ottica intravascolare (OCT) e dell’angiografia coronarica invasiva (ICA). L’estrazione delle condizioni al contorno per la simulazione, compresa la replica del movimento tridimensionale dell’arteria, viene discussa prima che l’impostazione e l’analisi siano condotte in un risolutore commerciale agli elementi finiti. La procedura per descrivere le proprietà iperelastiche altamente non lineari della parete arteriosa e la velocità / pressione pulsatile del sangue è delineata insieme alla configurazione dell’accoppiamento del sistema tra i due domini. Dimostriamo la procedura analizzando una placca non colpevole, leggermente stenotica, ricca di lipidi in un paziente a seguito di infarto miocardico. I marcatori stabiliti ed emergenti relativi alla progressione della placca aterosclerotica, come lo stress da taglio della parete e l’elicità normalizzata locale, rispettivamente, sono discussi e correlati alla risposta strutturale nella parete arteriosa e nella placca. Infine, traduciamo i risultati in potenziale rilevanza clinica, discutiamo i limiti e delineiamo le aree per l’ulteriore sviluppo. Il metodo descritto in questo documento mostra la promessa di aiutare nella determinazione dei siti a rischio di progressione aterosclerotica e, quindi, potrebbe aiutare a gestire la morte significativa, la morbilità e l’onere economico dell’aterosclerosi.

Introduction

La malattia coronarica (CAD) è il tipo più comune di malattia cardiaca e una delle principali cause di morte e onere economico a livello globale^1,2. Negli Stati Uniti, circa un decesso su otto è attribuito a CAD^3,4, mentre la maggior parte dei decessi globali da CAD sono ora visti nei paesi a basso e medio reddito⁵. L’aterosclerosi è il driver predominante di queste morti, con rottura della placca o erosione che porta all’occlusione dell’arteria coronaria e all’infarto miocardico acuto (AMI)⁶. Anche dopo la rivascolarizzazione delle lesioni coronariche colpevoli, i pazienti hanno un rischio sostanziale di eventi cardiovascolari avversi maggiori ricorrenti (MACE) dopo AMI, in gran parte a causa della concomitante presenza di altre placche non colpevoli che sono anche vulnerabili alla rottura⁷. L’imaging intracoronarico offre l’opportunità di rilevare queste placche ad alto rischio⁸. Sebbene l’ecografia intravascolare (IVUS) sia il gold standard per la valutazione del volume della placca, ha una risoluzione limitata per identificare le caratteristiche microstrutturali della placca vulnerabile in contrasto con l’alta risoluzione (10-20 μm) della tomografia a coerenza ottica (OCT). Un cappuccio fibroso sottile e infiammato che sovrasta un grande pool lipidico ha dimostrato di essere la firma più importante di una placca vulnerabile⁹ ed è meglio identificato e misurato dall’OCT tra le modalità di imaging intracoronarico attualmente disponibili¹⁰. È importante sottolineare che OCT è anche in grado di valutare altre caratteristiche della placca ad alto rischio, tra cui: arco lipidico; infiltrazione dei macrofagi; presenza di fibroateroma a cappuccio sottile (TCFA), che è definito come nucleo ricco di lipidi con cappuccio fibroso sottile sovrastante (<65 μm); calcificazione chiazzata; e microcanali a placche. Il rilevamento OCT di queste caratteristiche ad alto rischio nelle placche non colpevoli post-AMI è stato associato a un aumento del rischio fino a 6 volte maggiore di futuro MACE¹¹. Tuttavia, nonostante questo, la capacità dell’angiografia e dell’imaging OCT di prevedere quali placche coronariche progrediranno e alla fine si romperanno o si eroderanno è limitata, con valori predittivi positivi di solo il 20% -30%⁸. Questa limitata capacità predittiva ostacola il processo decisionale clinico attorno a quali placche non colpevoli trattare (ad esempio, mediante stenting)^7,12.

Oltre ai fattori del paziente e alle caratteristiche biologiche della placca, le forze biomeccaniche nelle arterie coronarie sono anche importanti determinanti della progressione della placca e dell’instabilit๳. Una tecnica che mostra la promessa di aiutare a valutare in modo completo queste forze è la simulazione dell’interazione fluido-struttura (FSI)^14. Lo stress da taglio a parete (WSS), chiamato anche stress da taglio endoteliale, è stato un punto focale tradizionale per la ricerca biomeccanica coronarica¹⁵, con una comprensione generale che WSS svolge un ruolo eziologico nella formazione dell’aterosclerosi¹⁶. Prevalentemente simulate utilizzando tecniche di fluidodinamica computazionale (CFD), le regioni a basso WSS sono state associate all’ispessimento intimale^17,al rimodellamento^{vascolare 18} e alla previsione della progressione della lesione¹⁹ e del futuro MACE^20. Recenti progressi in queste analisi suggeriscono la topologia di campo vettoriale WSS sottostante²¹e le sue caratteristiche multidirezionali²², come un migliore predittore del rischio di aterosclerosi rispetto alla sola magnitudo WSS. Tuttavia, WSS cattura solo un assaggio del sistema biomeccanico complessivo sulla parete del lume e, proprio come le modalità di imaging, nessuna metrica biomeccanica può discernere in modo affidabile le caratteristiche aterosclerotiche ad alto rischio.

Ulteriori metriche stanno emergendo come potenzialmente importanti nella formazione dell’aterosclerosi. Le caratteristiche del flusso intraluminale²³ sono uno di questi esempi, con flusso elicoidale, quantificato attraverso vari indici²⁴, suggerito come svolgendo un ruolo ateroprotettivo sopprimendo i modelli di flusso disturbato^25,26. Mentre le tecniche CFD possono analizzare queste caratteristiche di flusso e presentare una vasta gamma di risultati utili, non considerano le interazioni sottostanti tra il flusso sanguigno, la struttura delle arterie e il movimento generale del cuore. Questa semplificazione del sistema dinamico a parete rigida manca di risultati potenzialmente critici come lo stress fibroso del cappuccio. Mentre il dibattito sia a favore che contro la necessità di FSI su CFD continua^27,28,29, molti confronti trascurano di includere l’impatto della funzione ventricolare. Questa limitazione può essere superata con FSI, che ha dimostrato che la flessione dinamica e la compressione esercitate sull’arteria attraverso l’influenza della funzione ventricolare possono avere un impatto significativo sullo stress strutturale della placca e dell’arteria, nonché sulle metriche di flusso come WSS^30,31,32. Questo è importante in quanto le sollecitazioni strutturali sono anche una metrica chiave per analizzare e prevedere la rottura della placca^33,34 e sono stati suggeriti per co-localizzare con regioni di aumento della placca^14,35. La cattura di queste interazioni consente una rappresentazione più realistica dell’ambiente coronarico e dei potenziali meccanismi di progressione della malattia.

Affrontando questo, qui delineiamo il processo di sviluppo di una geometria specifica per il paziente dall’imaging OCT³⁶ e l’impostazione e l’esecuzione di una simulazione FSI dell’arteria utilizzando un risolutore commerciale agli elementi finiti. Il processo per estrarre manualmente il lume, il lipide e la parete esterna dell’arteria è dettagliato prima della ricostruzione computazionale tridimensionale dell’arteria del paziente. Descriviamo la configurazione della simulazione, l’accoppiamento e il processo di confronto dei parametri di imaging OCT di base e di follow-up per determinare la progressione della lesione. Infine, discutiamo la post-elaborazione dei risultati numerici e come questi dati possano avere rilevanza clinica confrontando i risultati biomeccanici con la progressione/regressione della lesione. Il metodo complessivo è dimostrato su placche non colpevoli, lievemente stenotiche, ricche di lipidi nell’arteria coronaria destra (RCA) di un paziente maschio caucasico di 58 anni che ha presentato un infarto miocardico acuto non ST in contesto di ipertensione, diabete mellito di tipo 2, obesità (BMI 32,6) e una storia familiare di CAD prematura. L’angiografia coronarica e l’imaging OCT sono stati eseguiti durante il suo ricovero iniziale, e poi 12 mesi dopo come parte di una sperimentazione clinica in corso (studio COCOMO-ACS ACTRN12618000809235). Prevediamo che questa tecnica possa essere ulteriormente perfezionata e utilizzata per identificare le placche coronariche che sono ad alto rischio di progredire.

Protocol

I seguenti dati deidentificati sono stati analizzati da un paziente reclutato nello studio randomizzato-controllato COCOMO-ACS in corso (ACTRN12618000809235; Numero di riferimento HREC del Royal Adelaide Hospital: HREC/17/RAH/366), con ulteriore approvazione etica concessa dai servizi di ricerca della Central Adelaide Local Health Network (CALHN) ai fini della simulazione biomeccanica (numero di riferimento CALHN 14179). Nella Figura 1 viene riepilogato il flusso di lavoro completo descritto…

Representative Results

Vengono presentati risultati rappresentativi sia per i marcatori biomeccanici stabiliti che per quelli emergenti della progressione dell’aterosclerosi. Metriche consolidate come WSS e risultati derivati da WSS (tra cui lo sforzo di taglio della parete mediato nel tempo (TAWSS) e l’indice di taglio oscillatorio (OSI)) sono visualizzate nella Figura 10. Lo stress da taglio della parete durante il ciclo cardiaco è in gran parte guidato dalla velocità del sangue, tuttavia, la geometria dell’ar…

Discussion

L’uso di metodi FSI per analizzare la biomeccanica coronarica è ancora un campo in via di sviluppo sia dal punto di vista della modellazione numerica che dei risultati clinici. Qui abbiamo descritto lo schema di impostazione di un’analisi FSI specifica per il paziente, basata sui metodi degli elementi finiti / volume finito, utilizzando l’OCT e l’imaging angiografico. Mentre il metodo che descriviamo qui utilizza un risolutore commerciale agli elementi finiti, la procedura può essere applicata a qualsiasi software comp…

Materials

ANSYS Workbench (version 19.0)	ANSYS		Commercial finite element solver
MATLAB (version 2019b)	Mathworks		Commercial programming platform
MicroDicom/ImageJ	MicroDicom/ImageJ		Open Source DICOM reader
Visual Studio (version 2019)	Microsoft		Commercial Integrated Development Environment