Tomografía de coherencia óptica basada en el análisis de interacción fluido-estructura biomecánica de la progresión de la aterosclerosis coronaria

Summary

Es necesario determinar qué lesiones ateroscleróticas progresarán en la vasculatura coronaria para guiar la intervención antes de que ocurra el infarto de miocardio. Este artículo describe el modelado biomecánico de arterias a partir de la tomografía de coherencia óptica utilizando técnicas de interacción fluido-estructura en un solucionador comercial de elementos finitos para ayudar a predecir esta progresión.

Abstract

En este trabajo, presentamos un flujo de trabajo completo para el análisis biomecánico de la placa aterosclerótica en la vasculatura coronaria. Con la aterosclerosis como una de las principales causas de muerte, morbilidad y carga económica a nivel mundial, se necesitan nuevas formas de analizar y predecir su progresión. Uno de estos métodos computacionales es el uso de la interacción fluido-estructura (FSI) para analizar la interacción entre el flujo sanguíneo y los dominios arteria/placa. Junto con las imágenes in vivo, este enfoque podría adaptarse a cada paciente, ayudando a diferenciar entre placas estables e inestables. Esbozamos el proceso de reconstrucción tridimensional, haciendo uso de la Tomografía de Coherencia Óptica (OCT) intravascular y la angiografía coronaria invasiva (ICA). La extracción de las condiciones de contorno para la simulación, incluida la replicación del movimiento tridimensional de la arteria, se discute antes de que la configuración y el análisis se realicen en un solucionador comercial de elementos finitos. El procedimiento para describir las propiedades hiperelásticas altamente no lineales de la pared arterial y la velocidad / presión sanguínea pulsátil se describe junto con la configuración del acoplamiento del sistema entre los dos dominios. Demostramos el procedimiento mediante el análisis de una placa no culpable, ligeramente estenótica, rica en lípidos en un paciente después de un infarto de miocardio. Los marcadores establecidos y emergentes relacionados con la progresión de la placa aterosclerótica, como el esfuerzo cortante de la pared y la helicidad local normalizada, respectivamente, se discuten y se relacionan con la respuesta estructural en la pared arterial y la placa. Finalmente, traducimos los resultados a la relevancia clínica potencial, discutimos las limitaciones y describimos áreas para un mayor desarrollo. El método descrito en este artículo es prometedor para ayudar en la determinación de sitios en riesgo de progresión aterosclerótica y, por lo tanto, podría ayudar a controlar la muerte significativa, la morbilidad y la carga económica de la aterosclerosis.

Introduction

La enfermedad arterial coronaria (EAC) es el tipo más común de enfermedad cardíaca y una de las principales causas de muerte y carga económica a nivel mundial^1,2. En los Estados Unidos, aproximadamente una de cada ocho muertes se atribuye a CAD^3,4,mientras que la mayoría de las muertes globales por CAD ahora se observan en países de ingresos bajos y medios⁵. La aterosclerosis es el principal impulsor de estas muertes, con ruptura de placa o erosión que conduce a la oclusión de la arteria coronaria y al infarto agudo de miocardio (IAM)⁶. Incluso después de la revascularización de las lesiones coronarias culpables, los pacientes tienen un riesgo sustancial de eventos cardiovasculares adversos mayores recurrentes (MACE) después de la IAM, en gran parte debido a la presencia concomitante de otras placas no culpables que también son vulnerables a la ruptura⁷. La imagen intracoronaria brinda la oportunidad de detectar estas placas de alto riesgo⁸. Aunque el ultrasonido intravascular (IVUS) es el estándar de oro para evaluar el volumen de la placa, tiene una resolución limitada para identificar las características microestructurales de la placa vulnerable en contraste con la alta resolución (10-20 μm) de la tomografía de coherencia óptica (OCT). Se ha demostrado que una tapa fibrosa delgada e inflamada que recubre una gran reserva de lípidos es la firma más importante de una placa vulnerable⁹ y se identifica y mide mejor por OCT entre las modalidades de imágenes intracoronarias actualmente disponibles¹⁰. Es importante destacar que la OCT también puede evaluar otras características de placa de alto riesgo, que incluyen: arco lipídico; infiltración de macrófagos; presencia de fibroateroma de la capa delgada (TCFA), que se define como núcleo rico en lípidos con tapa fibrosa delgada suprayacente (<65 μm); calcificación irregular; y microcanales de placa. La detección de OCT de estas características de alto riesgo en placas no culpables post-AMI se ha asociado con un riesgo hasta 6 veces mayor de MACE¹¹futuro. Sin embargo, a pesar de esto, la capacidad de la angiografía y las imágenes de OCT para predecir qué placas coronarias progresarán y, en última instancia, se romperán o erosionarán es limitada, con valores predictivos positivos de solo el 20%-30%⁸. Esta capacidad predictiva limitada dificulta la toma de decisiones clínicas en torno a qué placas no culpables tratar (por ejemplo,^mediantecolocación de stents) 7^,12.

Además de los factores del paciente y las características biológicas de la placa, las fuerzas biomecánicas en las arterias coronarias también son determinantes importantes de la progresión e inestabilidad de la placa¹³. Una técnica que se muestra prometedora para ayudar a evaluar exhaustivamente estas fuerzas es la simulación de interacción fluido-estructura (FSI)^14. El esfuerzo por cizallamiento de pared (WSS), también llamado esfuerzo de cizallamiento endotelial, ha sido un punto focal tradicional para la investigación de la biomecánica coronaria¹⁵, con una comprensión general de que WSS desempeña un papel etiológico en la formación de aterosclerosis¹⁶. Predominantemente simuladas mediante técnicas de dinámica de fluidos computacional (CFD), las regiones de bajo WSS se han asociado con engrosamiento intimal^17,remodelación vascular¹⁸ y la predicción de progresión de la lesión¹⁹ y mace^{futuro 20.} Los avances recientes en estos análisis sugieren la topología de campo vectorial WSS subyacente²¹, y sus características multidireccionales²², como un mejor predictor del riesgo de aterosclerosis que la magnitud WSS sola. Sin embargo, WSS solo captura una visión del sistema biomecánico general en la pared del lumen, y al igual que las modalidades de imágenes, ninguna métrica biomecánica puede discernir de manera confiable las características ateroscleróticas de alto riesgo.

Otras métricas están surgiendo como potencialmente importantes en la formación de aterosclerosis. Las características del flujo intraluminal²³ son uno de esos ejemplos, con el flujo helicoidal, cuantificado a través de varios índices^24,sugerido como que desempeña un papel ateroprotector al suprimir los patrones de flujo perturbados^25,26. Si bien las técnicas CFD pueden analizar estas características de flujo y presentar una amplia gama de resultados útiles, no consideran las interacciones subyacentes entre el flujo sanguíneo, la estructura arterial y el movimiento general del corazón. Esta simplificación del sistema dinámico a una pared rígida pierde resultados potencialmente críticos, como la tensión de la tapa fibrosa. Si bien el debate tanto a favor como en contra de la necesidad de FSI sobre CFD continúa^27,28,29,muchas comparaciones descuidan incluir el impacto de la función del ventrículo. Esta limitación se puede superar con FSI, que ha demostrado que la flexión dinámica y la compresión ejercida sobre la arteria a través de la influencia de la función del ventrículo pueden afectar significativamente la placa y el estrés estructural de la arteria, así como las métricas de flujo como WSS^30,31,32. Esto es importante ya que las tensiones estructurales también son una métrica clave para analizar y predecir la ruptura de la placa^33,34 y se ha sugerido que se co-localizan con regiones de aumento de placa^14,35. La captura de estas interacciones permite una representación más realista del entorno coronario y los mecanismos potenciales de progresión de la enfermedad.

Abordando esto, aquí describimos el proceso de desarrollo de una geometría específica del paciente a partir de imágenes OCT³⁶ y la configuración y ejecución de una simulación FSI de arteria utilizando un solucionador comercial de elementos finitos. El proceso para extraer manualmente la luz, el lípido y la pared arterial externa se detalla antes de la reconstrucción computacional tridimensional de la arteria del paciente. Describimos la configuración de la simulación, el acoplamiento y el proceso de comparación de los parámetros de imagen de octatoria basal y de seguimiento para determinar la progresión de la lesión. Finalmente, discutimos el post-procesamiento de los resultados numéricos y cómo estos datos pueden tener relevancia clínica mediante la comparación de los resultados biomecánicos con la progresión/regresión de la lesión. El método general se demuestra en placas no culpables, ligeramente estenóticas, ricas en lípidos en la arteria coronaria derecha (ACR) de un paciente caucásico de 58 años que presentó un infarto agudo de miocardio sin elevación del ST en el contexto de hipertensión, diabetes mellitus tipo 2, obesidad (IMC 32.6) y antecedentes familiares de EAC prematura. Se realizó angiografía coronaria e imágenes de OCT durante su ingreso inicial, y luego 12 meses después como parte de un ensayo clínico en curso (ensayo COCOMO-ACS ACTRN12618000809235). Anticipamos que esta técnica se puede refinar aún más y utilizar para identificar placas coronarias que tienen un alto riesgo de progresar.

Protocol

Se analizaron los siguientes datos no identificados de un paciente reclutado en el ensayo controlado aleatorio COCOMO-ACS en curso (ACTRN12618000809235; Número de referencia HREC del Royal Adelaide Hospital: HREC/17/RAH/366), con aprobación ética adicional otorgada por central Adelaide Local Health Network (CALHN) Research Services con fines de simulación biomecánica (número de referencia CALHN 14179). La Figura 1 resume el flujo de trabajo completo descrito en el siguiente protocolo, …

Representative Results

Se presentan resultados representativos para los marcadores biomecánicos establecidos y emergentes de la progresión de la aterosclerosis. Las métricas establecidas, como los resultados derivados de WSS y WSS (incluida la tensión de cizallamiento de pared promediada en el tiempo (TAWSS) y el índice de cizallamiento oscilatorio (OSI)) se visualizan en la Figura 10. El estrés cortante de la pared durante el ciclo cardíaco es impulsado en gran medida por la velocidad de la sangre, sin emb…

Discussion

El uso de métodos FSI para analizar la biomecánica coronaria sigue siendo un campo en desarrollo tanto desde el modelado numérico como desde los aspectos de resultados clínicos. Aquí hemos descrito el esquema de la configuración de un análisis FSI específico del paciente, basado en los métodos de elementos finitos / volumen finito, utilizando OCT e imágenes angiográficas. Si bien el método que describimos aquí utiliza un solucionador comercial de elementos finitos, el procedimiento se puede aplicar a cualqui…

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