体内 动态血管内超声图像显示了冠状动脉横截面运动在不同压力负荷条件下的变化。基于有限元模型，采用迭代方法，通过匹配计算模型与医学图像中的冠状动脉运动，确定患者个体化冠状动脉的体内力学特性。
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方法文章
基于血管内超声图像的有限元建模方法用于量化人冠状动脉的体内力学特性
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
量化冠状动脉壁的力学特性可为冠状动脉疾病的诊断、管理和治疗提供有意义的信息。由于需要持续监测的患者无法获取个体化的冠状动脉样本，因此直接对血管材料特性进行实验测试变得不可行。目前的冠状动脉模型通常采用现有文献中的材料参数，这会导致显著的力学应力/应变计算误差。本文将介绍一种基于有限元模型的更新方法（FEMBUA），用于量化个体化患者 体内 基于医学影像的冠状动脉材料特性 在体 冠状动脉粥样硬化患者冠状动脉的 cine 血管内超声（IVUS）和虚拟组织学（VH）-IVUS 图像被采集。对 cine IVUS 图像中一个心动周期内血管运动过程进行分割，并选取管腔周长最大和最小的两个 IVUS 帧，分别代表收缩期和舒张期压力条件下的冠状动脉几何形态。同时对 VH-IVUS 图像进行分割以获取血管轮廓，并在 VH-IVUS 轮廓基础上增加 0.05 cm 的层厚以重建冠状动脉几何结构。建立计算有限元模型，采用各向异性 Mooney-Rivlin 材料模型描述血管的力学特性，并在冠状动脉管腔表面施加脉动血流压力条件以模拟血管的收缩与扩张。随后采用迭代更新方法，通过将计算有限元模型所得的最小和最大管腔周长与 cine IVUS 图像中的对应测量值相匹配，确定各向异性 Mooney-Rivlin 模型的材料参数。这种基于图像和有限元模型的更新方法可成功推广用于确定不同血管床动脉壁的材料特性，并具有用于心血管疾病风险评估的潜力。 关键词：血管内超声，虚拟组织学，有限元分析，各向异性 Mooney-Rivlin 模型，冠状动脉，材料参数识别，图像分割，心血管生物力学
引言
冠状动脉疾病（CAD）是全球主要的死亡和发病原因之一，2019年全球因此死亡人数超过914万1,2。冠状动脉疾病（如动脉粥样硬化和狭窄）的发展通常伴随着机械力的改变以及血管壁材料特性的变化3。冠状动脉的材料特性不仅决定了其对生理载荷的力学响应，也是模拟血管力学行为、预测动脉粥样硬化病变发展以及评估各种医疗器械治疗效果的关键因素4,5。因此，深入理解并准确量化冠状动脉的材料特性对于疾病的早期诊断、精准医疗和预后评估具有极其重要的价值6。
分离冠状动脉组织的力学实验，如平面双轴拉伸试验、压痕试验、充气-扩张试验和单轴拉伸试验，是量化冠状动脉管壁力学特性的常用方法 离体7,8,9通过这些方法，从患者或实验动物中获取冠状动脉样本。进行力学测试以确定血管壁在不同应力条件下的应变响应，然后通过拟合实验数据确定材料参数。10<....
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方案
已获取东南大学中大医院冠心病（CAD）患者的去标识化临床数据，包括体内血管内超声（IVUS）图像和血压数据，并已获得患者的知情同意。该示例患者选自一项关于冠状动脉中度粥样硬化病变的临床研究队列，用于演示量化患者特异性冠状动脉血管材料特性的方法14。本研究遵循东南大学中大医院临床研究伦理委员会批准的研究方案（批准编号：2017ZDSYLL023-p01）进行。
1. 数据采集与处理
- 电影IVUS和VH-IVUS图像采集
- 在冠状动脉造影引导下，将IVUS导管置于动脉粥样硬化病变远端，并将其回撤至近端。在回撤过程中生成灰阶IVUS图像，以可视化冠状动脉的横截面。
- 使用配备高性能20 MHz、2.9F铂金导管的IVUS成像系统，采集来自冠心病（CAD）患者冠状动脉节段中含动脉粥样硬化斑块的IVUS图像（图1）。
- 在IVUS图像采集过程中，将导管在预先选定的病变部位暂停约2秒，以获取一组称为电影IVUS（cine IVUS）的连续图像序列。电影IVUS图像清晰地显示了在心动周期中特定斑块部位横截面的动态变化。
- 基于心电图R波峰值时刻采集的IVUS帧，利用成像系统生成VH-IVUS图像，以颜色编码形式可视化斑块成分。<....
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结果
我们详细描述了FEMBUA方法，该方法可在实时血管内超声（IVUS）成像后快速对冠状动脉斑块进行斑块物质和应力分析，并能够确定 体内 斑块的材料特性与生物力学结果。 在体 该冠状动脉血管的Mooney-Rivlin材料模型的材料参数如下所示 表1有限元模型的模拟结果，包括冠状血管内的应力/应变分布，绘制于 图8结果的详细分析如下。
完成整个流程并获得该冠状动脉的体内材料参数大约需要2小时，包括 cine IVUS 和 VH-IVUS 图像分割、计算有限元模型的构建，以及执行迭代过程以量化材料特性。该方法能够满足临床快速检查对高时效性的要求。
对于该冠状血管，采用FEMBUA方法确定了这两个参数，分别为k = 1.125 和 S = 98%。其他 体内 该冠状动脉的Mooney-Rivlin材料模型的材料参数如下所示 表1其材料在周.......
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讨论
方案中的关键步骤
基于有限元模型更新方法的最关键步骤在于迭代过程。在该方法中，有限元模型应能够从体内 cine IVUS 图像中准确还原血管横截面上的冠状动脉运动。为此，本研究采用最小化有限元模型与体内图像之间管腔周长差异的方法，以确定合适的材料属性。方案中的其他关键步骤包括图像分割与处理、有限元模型构建，以及用于量化冠状动脉血管材料属性的迭代方案。一项改进措施是实现冠状动脉斑块成分的自动勾画，以节省时间。
基于有限元建模的更新方法的意义
传统上，通过单轴/双轴拉伸试验、压痕试验和压力膨胀试验等力学实验来量化心血管组织的力学行为 离体8,16这些方法的临床应用受到以下原因的限制：1） 离体 冠状动脉组织样本通常难以获取。在临床环境中几乎无法采集到正常的冠状动脉样本；2）动脉组织的材料特性在离体后可能发生改.......
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
本研究部分得到了山东省医药卫生科技项目（编号：202425020256 和 202403010254）、国家自然科学基金项目 11972117 和 11802060、江苏省自然科学基金项目 BK20180352 以及山东省自然科学基金项目 ZR2024QA110 的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Bee DICOM Viewer | 北京中联健康科技有限公司 | 版本 3.5.1 | 一种DICOM图像读取软件 |
| ADINA | Adina R &D | 版本 9.0 | 有限元求解器 |
| ImageJ | 美国国立卫生研究院 | 用于分割IVUS轮廓 | |
| MATLAB | MathWorks | 版本 R2018a | 商业编程平台 |
| Volcano s5 成像系统 | Volcano 公司 | 血管内超声成像系统 |
参考文献
- Roth, G. A., et al. Global burden of cardiovascular diseases and risk factors, 1990-2019: update from the GBD 2019 study. J Am Coll Cardiol. 76 (25), 2982-3021 (2020).
- Kanwar, S. S., et al. Acute coronary syndromes without coronary....
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重印与许可
