方法文章

基于光学相干断层扫描的冠状动脉粥样硬化进展生物力学流固耦合分析

DOI：

10.3791/62933

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2022年1月15日

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1School of Mechanical Engineering, University of Adelaide, 2South Australian Health and Medical Research Institute (SAHMRI), 3Vascular Research Centre, Lifelong Health Theme, South Australian Health and Medical Research Institute (SAHMRI), 4Monash Cardiovascular Research Centre, 5Adelaide Medical School, University of Adelaide, 6Department of Cardiology, Central Adelaide Local Health Network

本文内容

摘要

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有必要确定冠状血管中哪些动脉粥样硬化病变会进展，以便在心肌梗死发生前指导干预措施。本文概述了利用商业有限元求解器中的流固耦合技术，基于光学相干断层成像数据对动脉进行生物力学建模的方法，以帮助预测此类病变的进展。

摘要

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本文介绍了一种针对冠状血管中动脉粥样硬化斑块进行生物力学分析的完整工作流程。鉴于动脉粥样硬化是全球死亡、疾病负担和经济负担的主要原因之一，亟需开发新的分析和预测其进展的方法。其中一种计算方法是采用流固耦合（FSI）技术，分析血流与动脉/斑块区域之间的相互作用。结合体内成像技术，该方法可实现个体化定制，有助于区分稳定斑块与不稳定斑块。我们阐述了三维重建过程，该过程利用了血管内光学相干断层成像（OCT）和侵入性冠状动脉造影（ICA）。在使用商业有限元求解器进行设置与分析之前，讨论了模拟所需边界条件的提取方法，包括重建动脉的三维运动。文中还概述了描述动脉壁高度非线性的超弹性特性以及脉动性血流速度/压力的步骤，并介绍了两个区域之间系统耦合的设置方法。我们通过分析一名心肌梗死后患者体内非罪犯、轻度狭窄且富含脂质的斑块，演示了该方法的具体应用。本文讨论了与动脉粥样硬化斑块进展相关的已确立和新兴的生物力学指标，例如壁面剪切应力和局部归一化螺旋度，并将其与动脉壁及斑块的结构响应相关联。最后，我们将分析结果转化为潜在的临床意义，探讨了该方法的局限性，并指出了未来进一步发展的方向。本文所述方法在识别易发生动脉粥样硬化进展的高危部位方面展现出良好前景，因而有望助力减轻动脉粥样硬化所导致的重大死亡率、疾病负担和经济负担。

引言

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冠状动脉疾病（CAD）是最常见的心脏病类型，也是全球范围内导致死亡和经济负担的主要原因之一1,2。在美国，大约每八例死亡中就有一例归因于CAD3,4，而目前全球大多数由CAD导致的死亡发生在低收入和中等收入国家5。动脉粥样硬化是这些死亡的主要驱动因素，斑块破裂或侵蚀可导致冠状动脉闭塞和急性心肌梗死（AMI）6。即使在对罪犯病变冠状动脉进行血运重建后，患者在AMI后仍面临较高的复发性主要不良心血管事件（MACE）风险，这主要归因于同时存在的其他非罪犯斑块也具有破裂易损性7。冠状动脉内成像技术为检测这些高风险斑块提供了可能8。尽管血管内超声（IVUS）是评估斑块体积的金标准，但其在识别易损斑块的微观结构特征方面的分辨率有限，相比之下，光学相干断层成像（OCT）具有更高的分辨率（10–20 µm）。研究表明，大面积脂质池上方覆盖着薄而炎症的纤维帽，是易损斑块最重要的特征9，而目前可用的冠状动脉内成像技术中，OCT最能准确识别和测量这一特征

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方案

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以下分析数据来自一名纳入正在进行的COCOMO-ACS随机对照试验的患者（ACTRN12618000809235；皇家阿德莱德医院人类研究伦理委员会编号：HREC/17/RAH/366），并已获得中阿德莱德地方卫生网络（CALHN）研究服务部门的额外伦理批准，用于生物力学模拟（CALHN参考编号14179）。图1总结了下述方案中的完整工作流程，该流程可应用于任何具备流固耦合（FSI）功能的软件或代码。

1. 图像评估

  1. 使用分叉等解剖标志匹配基线与OCT随访图像，并利用位于远端分叉近端及最近端分叉远端的图像。在这些标志之间的匹配图像将被分析，如图2A所示。
  2. OCT管腔横截面
    1. 将每张OCT图像载入图像数字化软件，点击标记导管中心点及标尺的边界（图2B），并将这些点导出以供后续使用。
    2. 手动标记管腔边缘，每次均从图像的相同位置开始，尽可能准确地描绘管腔的曲度。在导管伪影处留出间隙，因重建过程将在后续阶段对该区域进行插值。将这些文件导出为.dat格式，并对每张图像重复此操作。
  3. OCT外膜与脂质
    1. 在DICOM软件中，通....

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结果

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本文展示了动脉粥样硬化进展过程中已确立和新兴的生物力学标志物的代表性结果。已确立的指标，如壁面剪切应力（WSS）及其衍生参数（包括时间平均壁面剪切应力（TAWSS）和振荡剪切指数（OSI）），如图10所示。在整个心动周期中，壁面剪切应力主要受血流速度驱动，但血管几何结构及其运动/收缩对其空间分布具有显著影响。TAWSS和OSI的等值线图可清晰反映这一点，其中OSI作为衡量流动再循环的指标，已被证实与动脉粥样硬化的形成相关。此类变化特征反映了血管狭窄/弯曲部位以及血管几何结构的复杂性。入口和出口附近的结果应予以忽略，因其会受到边界条件的显著影响。尽管作为标量值的WSS已被广泛研究，但同时包含大小和方向信息的底层矢量场却较少受到关注。本文在图11中展示了壁面剪切应力的矢量场，并标示出吸引区和扩张区，这些区域可能影响近壁面的物质输运过程。特别是远端区域显示出明显的吸引区，反映了管腔面积的突然变化，提示该部位可能是动脉粥样硬化发生的高风险区域。本文中吸引区与扩张区为目视评估所得；然而，可通过进一步的后处理分析，数值化提取其底层.......

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讨论

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采用流固耦合（FSI）方法分析冠状动脉生物力学仍处于发展阶段，无论是在数值建模还是临床结果方面均如此。本文描述了基于有限元/有限体积法、结合光学相干断层成像（OCT）和血管造影成像，建立患者特异性FSI分析的基本流程。尽管本文所述方法使用了商业有限元求解器，但该流程可适用于任何具备FSI分析能力的软件。当前方法仍存在若干有待改进的局限性。首先，我们承认仅展示单个患者的代表性结果存在局限性；然而，提出本方案旨在更清晰地阐述动脉生物力学FSI模拟的过程，期望所呈现的方法未来能够被进一步发展并应用于更大规模的患者队列。此外，在图像分析阶段，文中描述的许多步骤仍为手动操作，这在对管腔、脂质和外膜进行分割时可能引入观察者间变异。未来可进一步开发自动化处理流程55，或引入多位专家的分析结果，这将特别有助于在基线与随访图像之间提供更为稳健的比较。本研究中所使用的OCT成像未进行心电图门控，导致由于心脏运动/收缩造成横截面存在轻微错位。未来若能考虑这一因素，亦可提高图像比较的准确性。

由于本研究的重点是生物力学力与斑块成分之间的关系，因此采用以光学相.......

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披露

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作者在准备本文时无任何利益冲突需要声明。S.J.N. 已从阿斯利康、安进、Anthera、礼来、Esperion、诺华、Cerenis、The Medicines Company、Resverlogix、InfraReDx、罗氏、赛诺菲-再生元和Liposcience获得研究资助，并担任阿斯利康、Akcea、礼来、Anthera、Kowa、Omthera、默克、武田、Resverlogix、赛诺菲-再生元、CSL Behring、Esperion和勃林格殷格翰的顾问。P.J.P. 已从雅培血管公司获得研究资助，从安进和Esperion获得咨询费，并从阿斯利康、拜耳、勃林格殷格翰、默克先灵葆雅和辉瑞获得演讲酬金。

致谢

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作者谨此感谢阿德莱德大学、皇家阿德莱德医院（RAH）以及南澳大利亚健康与医学研究所（SAHMRI）提供的支持。COCOMO-ACS 试验是一项研究者发起的研究，由澳大利亚国家健康与医学研究理事会（NHMRC）（项目编号 ID1127159）和澳大利亚国家心脏基金会（项目编号 ID101370）的项目资助。H.J.C. 获得了西太平洋学者信托基金（未来领袖奖学金）的奖学金资助，并感谢阿德莱德大学、机械工程学院以及教育、技能与就业部研究培训计划（RTP）奖学金的支持。S.J.N. 获得了澳大利亚国家健康与医学研究理事会（NHMRC）的首席研究员奖学金（项目编号 ID1111630）。P.J.P. 获得了澳大利亚国家心脏基金会 2 级未来领袖奖学金（FLF102056）以及澳大利亚国家健康与医学研究理事会（NHMRC）2 级职业发展奖学金（CDF1161506）。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
ANSYS Workbench（版本 19.0）ANSYS商业有限元求解器
MATLAB（版本 2019b）Mathworks商业编程平台
MicroDicom/ImageJMicroDicom/ImageJ开源 DICOM 阅读器
Visual Studio（版本 2019）Microsoft商业集成开发环境

参考文献

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  1. American Heart Association. Cardiovascular disease: A costly burden for America projections through 2035. American Heart Association. , (2017).
  2. Gheorghe, A., et al. The economic burden of cardiovascular disea....

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