Optisk sammenhæng Tomografi Baseret Biomekanisk Fluid-Struktur Interaktion Analyse af Koronar åreforkalkning Progression

Summary

Der er behov for at afgøre, hvilke aterosklerotiske læsioner vil udvikle sig i koronar vaskulatur til at guide intervention, før myokardieinfarkt opstår. Denne artikel skitserer den biomekaniske modellering af arterier fra optisk sammenhæng tomografi ved hjælp af væske-struktur interaktion teknikker i en kommerciel finite element solver til at hjælpe med at forudsige denne progression.

Abstract

I dette papir præsenterer vi en komplet arbejdsgang for den biomekaniske analyse af aterosklerotisk plak i koronar vaskulatur. Med åreforkalkning som en af de førende årsager til global død, sygelighed og økonomisk byrde er der behov for nye måder at analysere og forudsige dens progression på. En sådan beregningsmetode er brugen af væskestrukturinteraktion (FSI) til at analysere samspillet mellem blodgennemstrømningen og arterie / plak domæner. Kombineret med in vivo imaging, denne tilgang kunne skræddersys til hver patient, bistå med at skelne mellem stabile og ustabile plaques. Vi skitserer den tredimensionelle rekonstruktionsproces, der gør brug af intravaskulær optisk sammenhæng tomografi (OCT) og invasiv koronar angiografi (ICA). Udvindingen af grænsebetingelser for simuleringen, herunder replikering af arteriens tredimensionelle bevægelse, diskuteres, før opsætningen og analysen udføres i en kommerciel finite elementløser. Proceduren for beskrivelse af de meget ikke-lineære hyperelastiske egenskaber af arterievæggen og pulsatile blod hastighed / tryk er skitseret sammen med opsætning af systemet kobling mellem de to domæner. Vi demonstrerer proceduren ved at analysere en ikke-synder, mildt stenotisk, lipid-rige plak i en patient efter myokardieinfarkt. Etablerede og nye markører relateret til aterosklerotisk plak progression, såsom væg forskydning stress og lokale normaliserede helicity, henholdsvis diskuteres og relateret til den strukturelle respons i arterievæggen og plak. Endelig oversætter vi resultaterne til potentiel klinisk relevans, diskuterer begrænsninger og skitserer områder for yderligere udvikling. Den metode, der er beskrevet i dette papir viser lovende for medvirken til bestemmelse af steder i fare for aterosklerotisk progression og dermed kunne bidrage til at styre den betydelige død, sygelighed, og økonomiske byrde åreforkalkning.

Introduction

Koronararteriesygdom (CAD) er den mest almindelige type hjertesygdom og en af de førende dødsårsager og økonomiske byrder globalt^1,2. I USA tilskrives omkring hvert ottende dødsfald CAD^3,4, mens de fleste globale dødsfald som følge af CAD nu ses i lav- og mellemindkomstlande⁵. Åreforkalkning er den fremherskende drivkraft for disse dødsfald, med plaque brud eller erosion, der fører til koronararterie okklusion og akut myokardieinfarkt (AMI)⁶. Selv efter revascularization af synderen koronar læsioner, patienter har betydelig risiko for tilbagevendende store bivirkninger hjerte-kar-hændelser (MACE) efter AMI, hovedsagelig på grund af den samtidige tilstedeværelse af andre ikke-skyldige plaques, der også er sårbare over for brud⁷. Intracoronary imaging giver mulighed for at opdage disse højrisiko plaques⁸. Selvom intravaskulær ultralyd (IVUS) er guldstandarden til evaluering af plakvolumen, har den begrænset opløsning til at identificere mikrostrukturelle træk ved sårbar plak i modsætning til den høje opløsning (10-20 μm) af optisk sammenhæng tomografi (OCT). En tynd og betændt fibrøst hætte overlying en stor lipid pool har vist sig at være den vigtigste signatur for en sårbar plak⁹ og er bedst identificeret og målt ved OLT blandt øjeblikket tilgængelige intrakoronære billeddannelse modaliteter¹⁰. Det er vigtigt, at OCT også er i stand til at vurdere andre højrisikopladefunktioner, herunder: lipidbue; infiltration af makrofag; tilstedeværelsen af tynd cap fibroatheroma (TCFA), som er defineret som lipid-rige kerne med overlydende tynd fibrøst hætte (<65 μm); plettet forkalkning; og plak mikrokanaler. OCT-påvisning af disse højrisikofunktioner i ikke-syndere plaques post-AMI har været forbundet med op til en 6-dobling af øget risiko for fremtidig MACE¹¹. På trods af dette er angiografiens og OLT-billeddannelsesevnen til at forudsige, hvilke koronar plaques der vil udvikle sig, og i sidste ende er brud eller eroderer begrænset, med positive prædiktive værdier på kun 20% -30%⁸. Denne begrænsede prædiktive evne hindrer klinisk beslutningstagning, hvor ikke-skyldige plaques til behandling (f.eks. ved stenting)^7,12.

Ud over patientfaktorer og de biologiske egenskaber ved plak er biomekaniske kræfter i kranspulsårerne også vigtige determinanter for plaque progression og ustabilitet¹³. En teknik, der viser lovende for at hjælpe med at omfattende evaluere disse kræfter er væske-struktur interaktion (FSI)¹⁴ simulering. Wall shear stress (WSS), også kaldet endotel forskydning stress, har været et traditionelt omdrejningspunkt for koronar biomekanik forskning¹⁵, med en generel forståelse af, at WSS spiller en ætiologisk rolle i åreforkalkning dannelse¹⁶. Overvejende simuleret ved hjælp af computational fluid dynamics (CFD) teknikker, lav WSS regioner har været forbundet med intimal fortykkelse¹⁷, vaskulær remodeling¹⁸ og forudsigelse af læsion progression¹⁹ og fremtidige MACE²⁰. Nylige fremskridt i disse analyser tyder på den underliggende WSS vektor felt topologi²¹, og dens multidirectional egenskaber²², som en bedre prædiktor for åreforkalkning risiko end WSS størrelsesorden alene. WSS fanger dog kun et glimt af det samlede biomekaniske system ved lumenvæggen, og meget gerne billeddannelsesmetoder kan ingen biomekanisk metrik pålideligt skelne højrisiko atherosklerotiske træk.

Yderligere målinger er ved at opstå som potentielt vigtige i åreforkalkning dannelse. Intraluminale flowegenskaber²³ er et sådant eksempel, med spiralformet flow, kvantificeret gennem forskellige indeks²⁴, foreslået som at spille en atherobeskyttende rolle ved at undertrykke forstyrrede flowmønstre^25,26. Mens CFD teknikker kan analysere disse flow egenskaber og præsentere en bred vifte af nyttige resultater, de ikke overveje de underliggende interaktioner mellem blodgennemstrømningen, arterie struktur og generelle hjerte bevægelse. Denne forenkling af det dynamiske system til en stiv væg misser potentielt kritiske resultater såsom fibrøst cap stress. Mens debatten både for og imod behovet for FSI over CFD fortsætter^27,28,29, mange sammenligninger undlader at medtage virkningen af ventrikel funktion. Denne begrænsning kan overvindes med FSI, som har vist, at dynamisk bøjning og kompression udøvet på arterien gennem indflydelse af ventrikelfunktionen kan påvirke plak og arterie strukturel stress samt flowmålinger som WSS^30,31,32. Dette er vigtigt, da strukturelle belastninger også er en vigtig parameter for analyse og forudsigelse af plakruptur^33,34 og er blevet foreslået at co-lokalisere med regioner med plak stigning^14,35. Indfange disse interaktioner giver mulighed for en mere realistisk repræsentation af koronar miljø og de potentielle mekanismer for sygdomsprogression.

Adressering dette, her skitserer vi processen med at udvikle en patient-specifik geometri fra OCT imaging³⁶ og oprettelse og drift af en arterie FSI simulering ved hjælp af en kommerciel finite element solver. Processen til manuelt at udtrække lumen, lipid og ydre arterie væg er detaljeret før den tre-dimensionelle beregningsmæssige rekonstruktion af patientens arterie. Vi skitserer simulering set-up, kobling og processen med at sammenligne baseline, og opfølgende OLT billeddannelse parametre til at bestemme læsion progression. Endelig diskuterer vi efterbehandlingen af numeriske resultater, og hvordan disse data kan have klinisk relevans ved at sammenligne de biomekaniske resultater med læsion progression / regression. Den samlede metode er demonstreret på ikke-skyldige, mildt stenotiske, lipid-rige plaques i højre kranspulsåre (RCA) af en 58-årig kaukasisk mandlig patient, der præsenterede med en akut ikke-ST elevation myokardieinfarkt i indstillingen af hypertension, type 2 diabetes mellitus, fedme (BMI 32,6) og en familie historie for tidlig CAD. Koronar angiografi og OLT billeddannelse blev udført under hans første indlæggelse, og derefter 12 måneder senere som led i et igangværende klinisk forsøg (COCOMO-ACS-studiet ACTRN12618000809235). Vi forventer, at denne teknik kan yderligere raffineres og bruges til at identificere koronar plaques, der er i høj risiko for at udvikle sig.

Protocol

Følgende deidentificerede data blev analyseret fra en patient rekrutteret til det igangværende COCOMO-ACS randomiserede-kontrollerede forsøg (ACTRN12618000809235; Royal Adelaide Hospital HREC referencenummer: HREC/17/RAH/366), med yderligere etisk godkendelse udstedt af Central Adelaide Local Health Network (CALHN) Research Services med henblik på biomekanisk simulering (CALHN Reference Number 14179). Figur 1 opsummerer den komplette arbejdsgang, der er beskrevet i følgende protokol, og…

Representative Results

Repræsentative resultater præsenteres for både etablerede og nye biomekaniske markører for åreforkalkning progression. Etablerede målinger som WSS- og WSS-afledte resultater (herunder tidsgennemsnitsvægsstress (TAWSS) og oscillatorisk forskydningsindeks (OSI)) visualiseres i figur 10. Væggen forskydning stress over hjertecyklussen er i høj grad drevet af blodhastigheden, men arterie geometri og dens bevægelse / sammentrækning spiller en væsentlig rolle i sin rumlige fordeling. De…

Discussion

Brugen af FSI metoder til at analysere koronar biomekanik er stadig et udviklingsfelt fra både numerisk modellering og kliniske resultat aspekter. Her har vi beskrevet omridset af oprettelsen af en patient specifik FSI analyse, baseret på finite element / finite volumen metoder, udnytte OLT og angiografisk billeddannelse. Mens den metode, vi beskriver her, bruger en kommerciel finite element solver, kan proceduren anvendes på enhver FSI-kompatibel software. Der er stadig flere begrænsninger, der skal forbedres i meto…

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