Análise de interação biomecânica de fluido-estrutura biomecânica baseada em coerência óptica da progressão da aterosclerose coronária

Summary

Há necessidade de determinar quais lesões ateroscleróticas progredirão na vasculatura coronária para orientar a intervenção antes do infarto do miocárdio ocorrer. Este artigo descreve a modelagem biomecânica das artérias a partir da Tomografia de Coerência Óptica usando técnicas de interação fluido-estrutura em um solucionador de elementos finitos comerciais para ajudar a prever essa progressão.

Abstract

Neste artigo, apresentamos um fluxo de trabalho completo para a análise biomecânica da placa aterosclerótica na vasculatura coronária. Com a aterosclerose como uma das principais causas de morte global, morbidade e carga econômica, novas formas de analisar e prever sua progressão são necessárias. Um desses métodos computacionais é o uso da interação fluido-estrutura (FSI) para analisar a interação entre o fluxo sanguíneo e os domínios da artéria/placa. Juntamente com imagens in vivo, essa abordagem poderia ser adaptada a cada paciente, auxiliando na diferenciação entre placas estáveis e instáveis. Delineamos o processo de reconstrução tridimensional, fazendo uso da Tomografia de Coerência Óptica intravascular (OCT) e angiografia coronária invasiva (ICA). A extração de condições de fronteira para a simulação, incluindo a replicação do movimento tridimensional da artéria, é discutida antes que a configuração e análise seja conduzida em um solucionador de elementos finitos comerciais. O procedimento para descrever as propriedades hiperelásticas altamente não lineares da parede da artéria e a velocidade/pressão pulsante é delineado juntamente com a configuração do acoplamento do sistema entre os dois domínios. Demonstramos o procedimento analisando uma placa não-culpada, levemente estenótica e rica em lipídios em um paciente após o infarto do miocárdio. Marcadores estabelecidos e emergentes relacionados à progressão da placa aterosclerótica, como o estresse da tesoura de parede e a helicidade normalizada local, respectivamente, são discutidos e relacionados à resposta estrutural na parede e placa da artéria. Finalmente, traduzimos os resultados para potencial relevância clínica, discutimos limitações e delineamos áreas para o desenvolvimento posterior. O método descrito neste artigo mostra a promessa de auxiliar na determinação de locais em risco de progressão aterosclerótica e, portanto, poderia auxiliar na gestão da morte significativa, morbidade e carga econômica da aterosclerose.

Introduction

A doença arterial coronariana (CAD) é o tipo mais comum de doença cardíaca e uma das principais causas de morte e carga econômica globalmente^1,2. Nos Estados Unidos, cerca de uma em cada oito mortes é atribuída ao CAD^3,4, enquanto a maioria das mortes globais por CAD são agora vistas em países de baixa e média renda⁵. A aterosclerose é o condutor predominante dessas mortes, com ruptura de placa ou erosão que leva à oclusão da artéria coronária e infarto agudo do miocárdio (IAM)⁶. Mesmo após a revascularização das lesões coronárias culpadas, os pacientes têm risco substancial de eventos cardiovasculares adversos recorrentes (MACE) após a AMI, em grande parte devido à presença concomitante de outras placas não culpadas que também são vulneráveis à ruptura⁷. A imagem intracoronária oferece uma oportunidade de detectar essas placas de alto risco⁸. Embora o ultrassom intravascular (IVUS) seja o padrão-ouro para avaliar o volume da placa, ele tem resolução limitada para identificar características microestruturais de placa vulnerável em contraste com a alta resolução (10-20 μm) da tomografia de coerência óptica (OUT). Uma tampa fibrosa fina e inflamada sobrepondo uma grande piscina lipídica foi demonstrada como a assinatura mais importante de uma placa^{vulnerável 9} e é melhor identificada e medida por OUTUBRO entre as modalidades de imagem intracoronárias disponíveis atualmente¹⁰. É importante ressaltar que o OCT também é capaz de avaliar outras características de placa de alto risco, incluindo: arco lipídeído; infiltração de macrófago; presença de fibroatheroma de tampa fina (TCFA), que é definido como núcleo rico em lipídios com tampa fibrosa fina excessivamente fina (<65 μm); calcificação irregular; e microcanais de placa. A detecção de OCT desses recursos de alto risco em placas não-culpadas pós-AMI tem sido associada a um risco aumentado de até 6 vezes do mace¹¹futuro . No entanto, apesar disso, a capacidade da angiografia e da imagem de OCT de prever quais placas coronárias progredirão e, em última instância, romperá ou corroer é limitada, com valores preditivos positivos de apenas 20%-30%⁸. Essa capacidade preditiva limitada dificulta a tomada de decisão clínica em torno das quais placas não culpadas tratam (por exemplo, por stent)^7,12.

Além dos fatores do paciente e das características biológicas da placa, as forças biomecânicas nas artérias coronárias também são determinantes importantes da progressão da placa e da instabilidade¹³. Uma técnica que mostra a promessa de ajudar a avaliar de forma abrangente essas forças é a interação fluida-estrutura (FSI)¹⁴ simulação. O estresse da cisalhamento de parede (SSM), também chamado de estresse endotelial, tem sido um ponto focal tradicional para a pesquisa de biomecânica coronária¹⁵, com um entendimento geral de que a SSM desempenha um papel etiológico na formação da aterosclerose¹⁶. Predominantemente simuladas utilizando técnicas de dinâmica computacional de fluidos (CFD), regiões de baixo WSS têm sido associadas com espessamento intimal¹⁷, remodelação vascular¹⁸ e previsão de progressão da lesão¹⁹ e futura MACE²⁰. Avanços recentes nessas análises sugerem a topologia de campo vetorial WSS^{subjacente 21}, e suas características multidirecionais²², como um melhor preditor de risco de aterosclerose do que apenas a magnitude do WSS. No entanto, o WSS apenas captura um vislumbre do sistema biomecânico global na parede do lúmen, e assim como as modalidades de imagem, nenhuma métrica biomecânica pode discernir com confiança características ateroscleróticas de alto risco.

Outras métricas estão emergindo como potencialmente importantes na formação da aterosclerose. Características de fluxo intraluminal²³ são um exemplo, com fluxo helicoidal, quantificado através de vários índices²⁴, sugerido como desempenhando um papel atheroprotetor suprimindo padrões de fluxo^{perturbados 25,26}. Embora as técnicas de CFD possam analisar essas características de fluxo e apresentar uma ampla gama de resultados úteis, elas não consideram as interações subjacentes entre o fluxo sanguíneo, a estrutura da artéria e o movimento cardíaco geral. Essa simplificação do sistema dinâmico para uma parede rígida perde resultados potencialmente críticos, como o estresse da tampa fibrosa. Enquanto o debate a favor e contra a necessidade de FSI sobre CFD continua^27,28,29, muitas comparações não incluem o impacto da função ventrículo. Essa limitação pode ser superada com o FSI, que demonstrou que a dobra dinâmica e a compressão exercida na artéria através da influência da função ventrículo podem impactar significativamente a placa e o estresse estrutural da artéria, bem como métricas de fluxo como WSS^30,31,32. Isso é importante, pois as tensões estruturais também são uma métrica fundamental para analisar e prever a ruptura da placa^33,34 e foram sugeridas a co-localização com regiões de placa aumentar^14,35. A captura dessas interações permite uma representação mais realista do ambiente coronário e dos mecanismos potenciais de progressão da doença.

Abordando isso, aqui descrevemos o processo de desenvolvimento de uma geometria específica do paciente a partir da imagem^{OCT 36} e a configuração e execução de uma simulação FSI da artéria usando um solucionador de elementos finitos comerciais. O processo para extrair manualmente a parede da artéria lúmen, lipídica e externa é detalhado antes da reconstrução computacional tridimensional da artéria do paciente. Delineamos a configuração da simulação, o acoplamento e o processo de comparação da linha de base e os parâmetros de imagem de OCT de acompanhamento para determinar a progressão da lesão. Por fim, discutimos o pós-processamento de resultados numéricos e como esses dados podem ter relevância clínica, comparando os resultados biomecânicos com a progressão/regressão da lesão. O método geral é demonstrado em não-culpado, placas levemente estenóticas e ricas em lipídios na artéria coronária direita (RCA) de um paciente caucasiano de 58 anos que apresentou um infarto agudo de mingração de elevação não-ST no cenário de hipertensão, diabetes mellitus tipo 2, obesidade (IMC 32,6) e histórico familiar de cmagem coronariana prematura e imagem de OCT foram realizadas durante sua internação inicial, e, em seguida, 12 meses depois como parte de um estudo clínico em andamento (teste COCOMO-ACS ACTRN12618000809235). Prevemos que essa técnica pode ser ainda mais refinada e usada para identificar placas coronárias que estão em alto risco de progredir.

Protocol

Os seguintes dados desidentidos foram analisados a partir de um paciente recrutado no ensaio controlado randomizado COCOMO-ACS em curso (ACTRN12618000809235; Número de referência do Hospital Royal Adelaide HREC: HREC/17/RAH/366), com aprovação ética adicional concedida pelos Serviços de Pesquisa da Central Adelaide Local Health Network (CALHN) para fins de simulação biomecânica (CalHN Reference Number 14179). A Figura 1 resume o fluxo de trabalho completo descrito no protocolo a seg…

Representative Results

Os resultados representativos são apresentados tanto para marcadores biomecânicos estabelecidos quanto emergentes da progressão da aterosclerose. Métricas estabelecidas como os resultados derivados do WSS e WSS (incluindo o estresse da tesoura de parede mediana (TAWSS) e o índice de tesoura oscilatória (OSI)) são visualizados na Figura 10. O estresse da cisalhamento da parede sobre o ciclo cardíaco é em grande parte impulsionado pela velocidade do sangue, no entanto, a geometria da …

Discussion

O uso de métodos FSI para analisar a biomecânica coronária ainda é um campo em desenvolvimento tanto a partir da modelagem numérica quanto dos aspectos do resultado clínico. Aqui descrevemos o esboço da criação de uma análise de FSI específica do paciente, com base nos métodos de elemento finito/volume finito, utilizando OCT e imagem angiográfica. Embora o método que descrevemos aqui utilize um solucionador de elementos finitos comerciais, o procedimento pode ser aplicado a qualquer software capaz de FSI. A…

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