कोरोनरी एथेरोस्क्लेरोसिस प्रगति के ऑप्टिकल जुटना टोमोग्राफी आधारित बायोमैकेनिकल फ्लूइड-स्ट्रक्चर इंटरैक्शन विश्लेषण
Summary
यह निर्धारित करने की आवश्यकता है कि मायोकार्डियल इंफेक्शन होने से पहले हस्तक्षेप का मार्गदर्शन करने के लिए कोरोनरी वेक्यूलेचर में कौन से एथेरोस्क्लेरोटिक घाव प्रगति करेंगे। यह लेख इस प्रगति की भविष्यवाणी करने में मदद करने के लिए एक वाणिज्यिक परिमित तत्व सॉल्वर में द्रव-संरचना इंटरैक्शन तकनीकों का उपयोग करके ऑप्टिकल जुटना टोमोग्राफी से धमनियों के बायोमैकेनिकल मॉडलिंग को रेखांकित करता है।
Abstract
इस पेपर में, हम कोरोनरी वैक्यूलेचर में एथेरोस्क्लेरोटिक पट्टिका के जैव यांत्रिक विश्लेषण के लिए एक पूर्ण कार्यप्रवाह प्रस्तुत करते हैं। वैश्विक मृत्यु, रुग्णता और आर्थिक बोझ के प्रमुख कारणों में से एक के रूप में एथेरोस्क्लेरोसिस के साथ, विश्लेषण करने और इसकी प्रगति की भविष्यवाणी करने के उपन्यास तरीकों की आवश्यकता है। ऐसी ही एक कम्प्यूटेशनल विधि रक्त प्रवाह और धमनी/पट्टिका डोमेन के बीच बातचीत का विश्लेषण करने के लिए द्रव-संरचना बातचीत (एफएसआई) का उपयोग है । वीवो इमेजिंग के साथ मिलकर, इस दृष्टिकोण को प्रत्येक रोगी के अनुरूप किया जा सकता है, जो स्थिर और अस्थिर सजीले टुकड़े के बीच अंतर करने में सहायता करता है। हम त्रि-आयामी पुनर्निर्माण प्रक्रिया की रूपरेखा तैयार करते हैं, जिसमें इंट्रावैस्कुलर ऑप्टिकल जुटना टोमोग्राफी (OCT) और इनवेसिव कोरोनरी एंजियोग्राफी (आईसीए) का उपयोग किया जाता है। धमनी की त्रि-आयामी गति को दोहराने सहित सिमुलेशन के लिए सीमा शर्तों की निकासी पर चर्चा की जाती है, इससे पहले सेटअप और विश्लेषण एक वाणिज्यिक परिमित तत्व सॉल्वर में आयोजित किया जाता है। धमनी की दीवार और पल्साटिल रक्त वेग/दबाव के अत्यधिक nonlinear अतिसक्टिस गुणों का वर्णन करने के लिए प्रक्रिया दो डोमेन के बीच प्रणाली युग्मन स्थापित करने के साथ रेखांकित किया गया है । हम मायोकार्डियल इंफेक्शन के बाद एक रोगी में एक गैर-अपराधी, हल्का स्टेनोटिक, लिपिड-समृद्ध पट्टिका का विश्लेषण करके प्रक्रिया का प्रदर्शन करते हैं। एथेरोस्क्लेरोटिक पट्टिका प्रगति से संबंधित स्थापित और उभरते मार्कर, जैसे दीवार कतरनी तनाव और स्थानीय सामान्यीकृत हेलीसिटी, क्रमशः, धमनी की दीवार और पट्टिका में संरचनात्मक प्रतिक्रिया से चर्चा और संबंधित हैं। अंत में, हम परिणामों को संभावित नैदानिक प्रासंगिकता में अनुवाद करते हैं, सीमाओं पर चर्चा करते हैं, और आगे के विकास के लिए क्षेत्रों की रूपरेखा तैयार करते हैं। इस पत्र में वर्णित विधि एथेरोस्क्लेरोटिक प्रगति के खतरे में साइटों के निर्धारण में सहायता करने के लिए वादा दिखाती है और इसलिए, एथेरोस्क्लेरोसिस की महत्वपूर्ण मृत्यु, रुग्णता और आर्थिक बोझ के प्रबंधन में सहायता कर सकती है।
Introduction
कोरोनरी धमनी रोग (सीएडी) हृदय रोग का सबसे आम प्रकार है और विश्व स्तर पर मृत्यु और आर्थिक बोझ के प्रमुख कारणों में से एकहै 1,2. संयुक्त राज्य अमेरिका में, हर आठ मौतों में से लगभग एक सीएडी3,4के लिए जिम्मेदार है, जबकि सीएडी से सबसे अधिक वैश्विक मौतें अब कम और मध्यम आय वाले देशों में देखी जाती हैं5। एथेरोस्क्लेरोसिस इन मौतों का प्रमुख चालक है, जिसमें पट्टिका टूटना या कटाव के साथ कोरोनरी धमनी ऑक्ल्यूज़ेशन और तीव्र मायोकार्डियल इंफार्क्शन (एएमआई)6 होताहै। यहां तक कि अपराधी कोरोनरी घावों के पुनर्संवहन के बाद, रोगियों को अमी के बाद आवर्ती प्रमुख प्रतिकूल हृदय की घटनाओं (MACE) का पर्याप्त खतरा है, मुख्यतः अन्य गैर अपराधी सजीले टुकड़े की सहवर्ती उपस्थिति के कारण जोटूटना 7के लिए भी असुरक्षित हैं। इंट्राकोरोनरी इमेजिंग इन उच्च जोखिम वाले सजीले टुकड़े8का पता लगाने का अवसर प्रदान करता है। यद्यपि इंट्रावैस्कुलर अल्ट्रासाउंड (आईवीयूएस) पट्टिका की मात्रा का मूल्यांकन करने के लिए स्वर्ण मानक है, लेकिन इसमें ऑप्टिकल जुटना टोमोग्राफी (OCT) के उच्च संकल्प (10-20 माइक्रोन) के विपरीत कमजोर पट्टिका की सूक्ष्म संरचना की विशेषताओं की पहचान करने के लिए सीमित संकल्प है। एक बड़े लिपिड पूल के अत्यधिक एक पतले और सूजन वाली रेशेदार टोपी को एक कमजोर पट्टिका9 का सबसे महत्वपूर्ण हस्ताक्षर माना गया है और वर्तमान में उपलब्ध इंट्राकोरोनरी इमेजिंग तौर-तरीकों के बीच अक्टूबर द्वारा सबसे अच्छी पहचान और मापाजाताहै । महत्वपूर्ण बात, अक्टूबर भी अन्य उच्च जोखिम पट्टिका सुविधाओं का आकलन करने में सक्षम है, सहित: लिपिड चाप; मैक्रोफेज घुसपैठ; पतली टोपी फाइब्रोथेरोमा (टीसीएफए) की उपस्थिति, जिसे लिपिड-रिच कोर के रूप में परिभाषित किया गया है, जिसमें पतली रेशेदार टोपी (<65 माइक्रोन) होती है; धब्बेदार कैल्सिफिकेशन; और पट्टिका माइक्रोचैनल। गैर-अपराधी सजीले टुकड़े के बाद अमी में इन उच्च जोखिम सुविधाओं का अक्टूबर का पता लगाने के साथ एक 6 गुना भविष्य MACE11के जोखिम में वृद्धि के साथ जुड़ा हुआ है । हालांकि, इसके बावजूद, एंजियोग्राफी और अक्टूबर इमेजिंग की क्षमता यह भविष्यवाणी करने के लिए कि कौन से कोरोनरी सजीले टुकड़े प्रगति करेंगे और अंततः टूटना या इरोड सीमित है, केवल 20%-30%8के सकारात्मक भविष्य कहनेवाला मूल्यों के साथ। यह सीमित भविष्य कहनेवाला क्षमता नैदानिक निर्णय लेने में बाधा डालती है जिसके चारों ओर गैर-अपराधी सजीले टुकड़े का इलाज करने के लिए (उदाहरण के लिए, स्टेंटिंग द्वारा)7,12।
रोगी कारकों और पट्टिका की जैविक विशेषताओं के अलावा, कोरोनरी धमनियों में जैव यांत्रिक बल भी पट्टिका प्रगति और अस्थिरता13के महत्वपूर्ण निर्धारक हैं। एक तकनीक जो इन ताकतों का व्यापक मूल्यांकन करने में मदद करने के लिए वादा दिखाती है, वह है द्रव-संरचना इंटरैक्शन (एफएसआई)14 सिमुलेशन। वॉल कतरनी तनाव (डब्ल्यूएसएस), जिसे एंडोथेलियल कतरनी तनाव भी कहा जाता है, कोरोनरी बायोमैकेनिक्स अनुसंधान15के लिए एक पारंपरिक केंद्र बिंदु रहा है, एक सामान्य समझ के साथ कि डब्ल्यूएसएस एथेरोस्क्लेरोसिसगठन 16में एक एटियोलॉजिकल भूमिका निभाता है। मुख्य रूप से कम्प्यूटेशनल द्रव गतिशीलता (सीएफडी) तकनीकों का उपयोग करके नकली, कम डब्ल्यूएसएस क्षेत्र ों को 17, संवहनी रीमॉडलिंग18और घाव प्रगति19 और भविष्य के गदा20की भविष्यवाणी के साथ जोड़ा गया है। इन विश्लेषणों में हाल की प्रगति अंतर्निहित डब्ल्यूएसएस वेक्टर फील्डटोपोलॉजी 21और इसकी बहुदिशात्मक विशेषताओं22का सुझाव देती है, जो अकेले डब्ल्यूएसएस परिमाण की तुलना में एथेरोस्क्लेरोसिस जोखिम के बेहतर कारक के रूप में है। हालांकि, डब्ल्यूएसएस केवल ल्यूमेन दीवार पर समग्र बायोमैकेनिकल सिस्टम की एक झलक को कैप्चर करता है, और इमेजिंग के तौर-तरीकों की तरह, कोई भी बायोमैकेनिकल मीट्रिक उच्च जोखिम एथेरोस्क्लेरोटिक सुविधाओं को मज़बूती से समझ नहीं सकता है।
इसके अलावा मैट्रिक्स एथेरोस्क्लेरोसिस गठन में संभावित रूप से महत्वपूर्ण के रूप में उभर रहे हैं। इंट्राल्यूमिनल प्रवाह विशेषताएं23 ऐसा ही एक उदाहरण है, जिसमें पेचदार प्रवाह, विभिन्न सूचकांकों के माध्यम से निर्धारित किया गया है, जो अशांत प्रवाह पैटर्न25, 26को दबाकर एक एथेरोप्रोटेक्टिव भूमिका निभानेकेरूप में सुझाया गया है। जबकि सीएफडी तकनीकें इन प्रवाह विशेषताओं का विश्लेषण कर सकती हैं और उपयोगी परिणामों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रस्तुत कर सकती हैं, वे रक्त प्रवाह, धमनी संरचना और सामान्य हृदय गति के बीच अंतर्निहित बातचीत पर विचार नहीं करते हैं। एक कठोर दीवार के लिए गतिशील प्रणाली का यह सरलीकरण रेशेदार कैप तनाव जैसे संभावित महत्वपूर्ण परिणामों को याद करता है। जबकि सीएफडी पर एफएसआई की आवश्यकता के लिए और उसके खिलाफ बहस27,28,29जारी है, कई तुलनाएं वेंट्रिकल फ़ंक्शन के प्रभाव को शामिल करने के लिए उपेक्षा करती हैं। इस सीमा को एफएसआई के साथ दूर किया जा सकता है, जिसने दिखाया है कि वेंट्रिकल फ़ंक्शन के प्रभाव से धमनी पर लगाए गए गतिशील झुकने और संपीड़न से पट्टिका और धमनी संरचनात्मक तनाव के साथ-साथ डब्ल्यूएसएस30,31, 32जैसे प्रवाह मैट्रिक्स को काफी प्रभावित किया जा सकता है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि संरचनात्मक तनाव पट्टिका टूटना33 , 34का विश्लेषण और भविष्यवाणी करने के लिए भी एक महत्वपूर्ण मीट्रिक हैं और पट्टिका वृद्धि14,35 के क्षेत्रों के साथ सह-पता लगाने का सुझाव दिया गया है। इन बातचीत पर कब्जा कोरोनरी पर्यावरण और रोग प्रगति के संभावित तंत्र का एक और अधिक यथार्थवादी प्रतिनिधित्व के लिए अनुमति देता है ।
इसे संबोधित करते हुए, यहां हम OCT इमेजिंग36 से रोगी-विशिष्ट ज्यामिति विकसित करने और एक वाणिज्यिक परिमित तत्व सॉल्वर का उपयोग करके धमनी एफएसआई सिमुलेशन की स्थापना और संचालन की प्रक्रिया की रूपरेखा तैयार करते हैं। रोगी की धमनी के त्रि-आयामी कम्प्यूटेशनल पुनर्निर्माण से पहले ल्यूमेन, लिपिड और बाहरी धमनी की दीवार को मैन्युअल रूप से निकालने की प्रक्रिया विस्तृत है। हम घाव प्रगति निर्धारित करने के लिए सिमुलेशन सेट-अप, युग्मन और बेसलाइन की तुलना करने की प्रक्रिया और अनुवर्ती OCT इमेजिंग मापदंडों की रूपरेखा तैयार करते हैं। अंत में, हम संख्यात्मक परिणामों के बाद प्रसंस्करण पर चर्चा करते हैं और इन आंकड़ों में घाव प्रगति/प्रतिगमन के साथ जैव यांत्रिक परिणामों की तुलना करके नैदानिक प्रासंगिकता कैसे हो सकती है । कुल मिलाकर विधि गैर अपराधी पर प्रदर्शन किया है, एक ५८ वर्षीय कोकेशियान पुरुष रोगी जो उच्च रक्तचाप की स्थापना में एक तीव्र गैर अनुसूचित जनजाति ऊंचाई मायोकार्डियल इंफार्क्शन के साथ प्रस्तुत की सही कोरोनरी धमनी (आरसीए) में हल्का स्टेनोटिक, लिपिड से भरपूर सजीले टुकड़े, प्रकार 2 मधुमेह मेलिटस, मोटापा (बीएमआई ३२.६) और समय से पहले कैड के एक परिवार के इतिहास । कोरोनरी एंजियोग्राफी और ऑक्ट इमेजिंग अपने प्रारंभिक प्रवेश के दौरान प्रदर्शन किया गया । कोरोनरी एंजियोग्राफी और ऑक्ट इमेजिंग और फिर 12 महीने बाद एक चल रहे नैदानिक परीक्षण (COCOMO-एसीएस परीक्षण ACTRN12618000809235) के भाग के रूप में । हम आशा करते हैं कि इस तकनीक को और परिष्कृत किया जा सकता है और कोरोनरी सजीले टुकड़े की पहचान करने के लिए उपयोग किया जा सकता है जो प्रगति के उच्च जोखिम में हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
कोरोनरी बायोमैकेनिक्स का विश्लेषण करने के लिए एफएसआई विधियों का उपयोग अभी भी संख्यात्मक मॉडलिंग और नैदानिक परिणाम दोनों पहलुओं से एक विकासशील क्षेत्र है। यहां हमने परिमित तत्व/परिमित मात्रा विधियो…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक एडिलेड विश्वविद्यालय, रॉयल एडिलेड अस्पताल (RAH) और दक्षिण ऑस्ट्रेलियाई स्वास्थ्य और चिकित्सा अनुसंधान संस्थान (SAHMRI) द्वारा प्रदान की गई सहायता को स्वीकार करना चाहते हैं । COCOMO-एसीएस परीक्षण ऑस्ट्रेलिया के राष्ट्रीय स्वास्थ्य और चिकित्सा अनुसंधान परिषद (एनएचएमआरसी) और ऑस्ट्रेलिया के नेशनल हार्ट फाउंडेशन (ID101370) से परियोजना अनुदान द्वारा वित्त पोषित एक अन्वेषक-शुरू अध्ययन है । H.J. .C वेस्टपीएसी स्कॉलर्स ट्रस्ट (फ्यूचर लीडर्स स्कॉलरशिप) से छात्रवृत्ति द्वारा समर्थित है और एडिलेड विश्वविद्यालय, स्कूल ऑफ मैकेनिकल इंजीनियरिंग और शिक्षा, कौशल और रोजगार अनुसंधान प्रशिक्षण कार्यक्रम (आरटीपी) छात्रवृत्ति विभाग से समर्थन स्वीकार करता है । एसजेएन को एनएचएमआरसी (ID1111630) से एक प्रमुख अनुसंधान फैलोशिप प्राप्त होती है । पी.जेपी को नेशनल हार्ट फाउंडेशन ऑफ ऑस्ट्रेलिया (FLF102056) और एनएचएमआरसी (CDF1161506) से लेवल 2 करियर डेवलपमेंट फेलोशिप से लेवल 2 फ्यूचर लीडर फेलोशिप मिलती है ।
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 |
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