Intravaskulärer Ultraschall Bildbasierter Finite-Elemente-Modellierungsansatz zur Quantifizierung der mechanischen Eigenschaften der menschlichen Koronararterie in vivo

Rui Lv; Han Yu; Xiaoya Guo; Xiaoguo Zhang; Liang Wang; Dalin Tang

doi:10.3791/67573

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Methodenartikel

Intravaskulärer Ultraschall Bildbasierter Finite-Elemente-Modellierungsansatz zur Quantifizierung der mechanischen Eigenschaften der menschlichen Koronararterie in vivo

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DOI:

10.3791/67573

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6. Dezember 2024

Rui Lv^*¹^,² , Han Yu^*²^,³ , Xiaoya Guo⁴ , Xiaoguo Zhang⁵ , Liang Wang² , Dalin Tang²^,⁶

¹Department of Cardiovascular Surgery, Shandong Second Provincial General Hospital, ²School of Biological Science and Medical Engineering, Southeast University, ³School of Mechanical, Medical and Process Engineering, Queensland University of Technology, ⁴School of Science, Nanjing University of Posts and Telecommunications, ⁵Department of Cardiology, Zhongda Hospital, Southeast University, ⁶Mathematical Sciences Department, Worcester Polytechnic Institute

^* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

In vivo cine intravaskuläre Ultraschallbilder zeigen die koronare Querschnittsbewegung entsprechend unterschiedlichen Druckbelastungsbedingungen. Basierend auf einem Finite-Elemente-Modell wurde ein iteratives Schema verwendet, um die patientenspezifischen mechanischen Eigenschaften der Herzkranzgefäße in vivo zu bestimmen, indem die Koronarbewegung aus dem Computermodell mit medizinischen Bildern abgeglichen wurde.

Zusammenfassung

Die Quantifizierung der mechanischen Eigenschaften der koronaren Arterienwände könnte aussagekräftige Informationen für die Diagnose, das Management und die Behandlung von Erkrankungen der Herzkranzgefäße liefern. Da für Patienten, die eine kontinuierliche Überwachung benötigen, keine patientenspezifischen Koronarproben zur Verfügung stehen, wird eine direkte experimentelle Prüfung der Materialeigenschaften der Gefäße unmöglich. Aktuelle Koronarmodelle verwenden in der Regel Materialparameter aus der verfügbaren Literatur, was zu erheblichen Fehlern bei der Berechnung mechanischer Spannungen/Dehnungen führt. Hier würden wir einen Finite-Elemente-Modell-basierten Aktualisierungsansatz (FEMBUA) einführen, um patientenspezifische in vivo Materialeigenschaften von Koronararterien auf der Grundlage medizinischer Bilder zu quantifizieren. In-vivo-Bilder des intravaskulären Ultraschalls (IVUS) und der virtuellen Histologie (VH)-IVUS von Koronararterien wurden von einem Patienten mit koronarer Herzkrankheit aufgenommen. Cine IVUS-Bilder, die die Gefäßbewegung über einen Herzzyklus zeigten, wurden segmentiert, und es wurden zwei IVUS-Rahmen mit maximalem und minimalem Lumenumfang ausgewählt, um die koronare Geometrie unter systolischen bzw. diastolischen Druckbedingungen darzustellen. Das VH-IVUS-Bild wurde ebenfalls segmentiert, um die Gefäßkonturen zu erhalten, und den VH-IVUS-Konturen wurde eine Schichtdicke von 0,05 cm hinzugefügt, um die koronare Geometrie zu rekonstruieren. Es wurde ein rechnerisches Finite-Elemente-Modell mit einem anisotropen Mooney-Rivlin-Materialmodell erstellt, das verwendet wurde, um die mechanischen Eigenschaften des Gefäßes und die pulsierenden Blutdruckbedingungen zu beschreiben, die der koronaren luminalen Oberfläche vorgeschrieben sind, damit sie sich zusammenzieht und ausdehnt. Anschließend wurde ein iterativer Aktualisierungsansatz verwendet, um die Materialparameter des anisotropen Mooney-Rivlin-Modells zu bestimmen, indem die minimalen und maximalen Lumenumfänge aus dem rechnerischen Finite-Elemente-Modell mit denen aus Cine-IVUS-Bildern abgeglichen wurden. Dieser bildbasierte, auf Finite-Elemente-Modellen basierende Aktualisierungsansatz könnte erfolgreich erweitert werden, um die Materialeigenschaften von Arterienwänden in verschiedenen Gefäßbetten zu bestimmen und birgt das Potenzial für die Risikobewertung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen.

Einleitung

Die koronare Herzkrankheit (KHK) ist eine der Hauptursachen für Mortalität und Morbidität und war im Jahr 2019 weltweit für mehr als 9,14 Millionen Todesfälle verantwortlich ^1,2. Die Entwicklung von Erkrankungen der Herzkranzgefäße, wie Arteriosklerose und Stenose, geht häufig mit Veränderungen der mechanischen Kräfte und Veränderungen der Materialeigenschaften der Gefäßwand einher³. Die Materialeigenschaften der Herzkranzgefäße sind nicht nur der Eckpfeiler für die Bestimmung ihrer mechanischen Reaktion auf die physiologische Belastung, sondern auch fü....