Optisk koherenstomografibaserad biomekanisk vätskestrukturinteraktionsanalys av koronar åderförkalkning progression

Summary

det finns ett behov av att bestämma vilka aterosklerotiska skador kommer att utvecklas i födans vaskulatur för att vägleda intervention innan hjärtinfarkt inträffar. Den här artikeln beskriver den biomekaniska modellering av artärer från optisk koherenstomografi med hjälp av vätskestruktur interaktionstekniker i en kommersiell finita element lösare för att förutsäga denna progression.

Abstract

I detta dokument presenterar vi ett komplett arbetsflöde för biomekanisk analys av aterosklerotiska plakett i födans vaskulatur. Med åderförkalkning som en av de främsta orsakerna till global död, sjuklighet och ekonomisk börda behövs nya sätt att analysera och förutsäga dess utveckling. En sådan beräkningsmetod är användningen av fluid-structure interaction (FSI) för att analysera interaktionen mellan blodflödet och artär-/plackdomäner. Tillsammans med in vivo imaging, detta tillvägagångssätt kan skräddarsys för varje patient, hjälpa till att skilja mellan stabila och instabila plack. Vi beskriver den tredimensionella återuppbyggnadsprocessen, med användning av intravaskulära optisk koherenstomografi (OCT) och invasiv koronar angiografi (ICA). Extraktion av gräns villkor för simulering, inklusive replikering av den tredimensionella rörelsen av artären, diskuteras innan installationen och analysen utförs i en kommersiell finita element lösare. Förfarandet för att beskriva artärväggens mycket ickelinjära hyperelastiska egenskaper och pulsatilblodhastighet/blodtryck beskrivs tillsammans med att ställa in systemkopplingen mellan de två domänerna. Vi visar förfarandet genom att analysera en icke-skyldig, milt stenotic, lipid-rika plakett i en patient efter hjärtinfarkt. Etablerade och framväxande markörer relaterade till aterosklerotiska plakett progression, såsom vägg skjuvning stress och lokala normaliserade helicity, diskuteras och relaterade till strukturella svaret i gatan väggen och plakett. Slutligen översätter vi resultaten till potentiell klinisk relevans, diskuterar begränsningar och beskriver områden för vidare utveckling. Metoden som beskrivs i detta dokument visar löfte för att hjälpa till att fastställa platser med risk för aterosklerotisk progression och därför kan bidra till att hantera den betydande död, sjuklighet och ekonomiska bördan av åderförkalkning.

Introduction

Kranskärlssjukdom (CAD) är den vanligaste typen av hjärtsjukdom och en av de främsta dödsorsakerna och den ekonomiska bördan globalt^1,2. I USA tillskrivs ungefär ett av åtta dödsfall CAD^3,4, medan de flesta globala dödsfall från CAD nu ses i låg- och medelinkomstländer⁵. Åderförkalkning är den dominerande drivkraften för dessa dödsfall, med plack bristning eller erosion leder till födans arteriell ocklusion och akut hjärtinfarkt (AMI)⁶. Även efter revaskularisering av skyldiga koronarskador har patienter betydande risk för återkommande större kardiovaskulära händelser (MACE) efter AMI, till stor del på grund av samtidig närvaro av andra icke-skyldiga plack som också är sårbara för bristning⁷. Intracoronary imaging ger en möjlighet att upptäcka dessa högrisk plack⁸. Även om intravaskulärt ultraljud (IVUS) är guldstandarden för utvärdering av plackvolym, har den begränsad upplösning för att identifiera mikrostrukturella funktioner hos sårbar plack i motsats till den höga upplösningen (10-20 μm) av optisk koherenstomografi (OCT). En tunn och inflammerad fibrösa keps överlying en stor lipid pool har visat sig vara den viktigaste signaturen av en sårbar plack⁹ och identifieras bäst och mäts av OCT bland för närvarande tillgängliga intracoronary imaging modaliteter¹⁰. Viktigt är att OCT också kan bedöma andra högriskplackfunktioner, inklusive: lipidbåge; makrofaginfiltration; Förekomst av tunn cap fibroatheroma (TCFA), som definieras som lipidrik kärna med överlying tunn fibrös keps (<65 μm); Fläckig förkalkning; och plackmikrokanaler. OCT-upptäckt av dessa högriskfunktioner i icke-bov plack efter AMI har associerats med upp till en 6-faldig ökad risk för framtida MACE¹¹. Men trots detta är angiografins och OCT-avbildningens förmåga att förutsäga vilka kranskärlsplack som kommer att utvecklas och i slutändan brista eller erodera begränsad, med positiva prediktiva värden på endast 20%-30%⁸. Denna begränsade prediktiva förmåga hindrar kliniskt beslutsfattande kring vilka icke-bovande plack att behandla (t.ex. genom stenting)^7,12.

Förutom patientfaktorer och plackens biologiska egenskaper är biomekaniska krafter i kranskärlen också viktiga bestämningsfaktorer för plackprogression och instabilitet¹³. En teknik som visar löfte om att hjälpa till att omfattande utvärdera dessa krafter är fluid-structure interaction (FSI)¹⁴ simulering. Väggskjuvningsstress (WSS), även kallad endotelskjuvning, har varit en traditionell kontaktpunkt för koronarbiomekanikforskning¹⁵, med en allmän förståelse för att WSS spelar en etiologisk roll i aterosklerosbildning¹⁶. Främst simulerad med hjälp av beräkningsvätska dynamik (CFD) tekniker, låga WSS regioner har associerats med skrämmande förtjockning¹⁷, vaskulär ombyggnad¹⁸ och förutsägelse av lesion progression¹⁹ och framtida MACE²⁰. De senaste framstegen i dessa analyser tyder på den underliggande WSS vektor fälttopologi²¹, och dess multidirectional egenskaper²², som en bättre prediktor för åderförkalkning risk än WSS storlek ensam. WSS fångar dock bara en glimt av det övergripande biomekaniska systemet vid lumenväggen, och precis som bildframställningsmetoder kan ingen biomekanisk metrisk på ett tillförlitligt sätt urskilja högrisk aterosklerotiska funktioner.

Ytterligare mätvärden framträder som potentiellt viktiga i ateroskleros bildas. Intraluminala flödesegenskaper²³ är ett sådant exempel, med spiralflöde, kvantifierat genom olika index²⁴, som föreslås spela en ateroprotektiv roll genom att undertrycka störda flödesmönster^25,26. Medan CFD-tekniker kan analysera dessa flödesegenskaper och presentera ett brett spektrum av användbara resultat, överväger de inte de underliggande interaktionerna mellan blodflödet, artärstrukturen och den allmänna hjärtrörelsen. Denna förenkling av det dynamiska systemet till en styv vägg missar potentiellt kritiska resultat som fibrösa kepsstress. Medan debatten både för och emot behovet av FSI över CFD fortsätter^27,28,29, försummar många jämförelser att inkludera effekten av ventrikelfunktionen. Denna begränsning kan övervinnas med FSI, som har visat att dynamisk böjning och komprimering som utövas på artären genom påverkan av ventrikelfunktionen avsevärt kan påverka plack och artärstrukturstress samt flödesmått som WSS^30,31,32. Detta är viktigt eftersom strukturella påfrestningar också är ett nyckeltal för att analysera och förutsäga plackbrott^33,34 och har föreslagits att samlokalisera med regioner med plackökning^14,35. Att fånga dessa interaktioner möjliggör en mer realistisk representation av kranskärlsmiljön och de potentiella mekanismerna för sjukdomsprogression.

För att ta itu med detta beskriver vi här processen att utveckla en patientspecifik geometri från OCT imaging³⁶ och inrättandet och driften av en artär FSI simulering med hjälp av en kommersiell finita element lösare. Processen att manuellt extrahera lumen, lipid och yttre artärväggen beskrivs före den tredimensionella beräkningsrekonstruktionen av patientens artär. Vi beskriver simuleringsuppsättningen, kopplingen och processen att jämföra baslinjen och uppföljande OCT imaging parametrar för att bestämma lesion progression. Slutligen diskuterar vi efterbehandling av numeriska resultat och hur dessa data kan ha klinisk relevans genom att jämföra de biomekaniska resultaten med lesion progression/regression. Den övergripande metoden visas på icke-skyldig, milt stenotic, lipid-rika plack i rätt födans gatan (RCA) av en 58-årig kaukasisk manlig patient som presenteras med en akut icke-ST höjd hjärtinfarkt i inställningen av högt blodtryck, typ 2 diabetes mellitus, fetma (BMI 32.6) och en familjehistoria av för tidig CAD. och sedan 12 månader senare som en del av en pågående klinisk prövning (COCOMO-ACS-studien ACTRN12618000809235). Vi förväntar oss att denna teknik kan förfinas ytterligare och användas för att identifiera kranskärl plack som löper stor risk att utvecklas.

Protocol

Följande deidentifierade data analyserades från en patient som rekryterats till den pågående COCOMO-ACS randomiserade-kontrollerade studien (ACTRN12618000809235; Royal Adelaide Hospital HREC referensnummer: HREC/17/RAH/366), med ytterligare etikgodkännande beviljat av Central Adelaide Local Health Network (CALHN) Research Services för biomekanisk simulering (CALHN Reference Number 14179). Bild 1 sammanfattar det fullständiga arbetsflödet som beskrivs i följande protokoll, som kan ti…

Representative Results

Representativa resultat presenteras för både etablerade och framväxande biomekaniska markörer för åderförkalkning progression. Etablerade mätvärden som WSS- och WSS-härledda resultat (inklusive tidsgenomsnittad väggskjuvningsstress (TAWSS) och oscillatoriskt skjuvindex (OSI)) visualiseras i figur 10. Väggskjuvningen över hjärtcykeln drivs till stor del av blodhastigheten, men artärgeometrin och dess rörelse/sammandragning spelar en viktig roll i dess rumsliga fördelning. Det…

Discussion

Användningen av FSI-metoder för att analysera koronarbiomekanik är fortfarande ett utvecklingsfält från både numerisk modellering och kliniska resultataspekter. Här har vi beskrivit konturen av att ställa in en patient specifika FSI analys, baserat på finita elementet/finita volym metoder, med hjälp av OCT och angiographic imaging. Medan metoden vi beskriver här använder en kommersiell finita elementlösare, kan proceduren tillämpas på alla FSI-kompatibla program. Det finns fortfarande flera begränsningar …

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