Article de méthode

Analyse de l’interaction fluide-structure biomécanique basée sur la tomographie par cohérence optique de la progression de l’athérosclérose coronaire

DOI :

10.3791/62933

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15 janvier 2022

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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

Dans cet article

Résumé

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Il est nécessaire de déterminer quelles lésions athérosclérotiques progresseront dans le système vasculaire coronaire pour guider l’intervention avant l’infarctus du myocarde. Cet article décrit la modélisation biomécanique des artères à partir de la tomographie par cohérence optique en utilisant des techniques d’interaction fluide-structure dans un solveur commercial d’éléments finis pour aider à prédire cette progression.

Résumé

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Dans cet article, nous présentons un flux de travail complet pour l’analyse biomécanique de la plaque d’athérosclérose dans le système vasculaire coronaire. L’athérosclérose étant l’une des principales causes de décès, de morbidité et de fardeau économique dans le monde, de nouvelles façons d’analyser et de prédire sa progression sont nécessaires. L’une de ces méthodes de calcul est l’utilisation de l’interaction fluide-structure (FSI) pour analyser l’interaction entre le flux sanguin et les domaines de l’artère / plaque. Couplée à l’imagerie in vivo, cette approche pourrait être adaptée à chaque patient, aidant à différencier les plaques stables des plaques instables. Nous décrivons le processus de reconstruction tridimensionnelle, en utilisant la tomographie par cohérence optique intravasculaire (OCT) et l’angiographie coronarienne invasive (ICA). L’extraction des conditions aux limites pour la simulation, y compris la réplication du mouvement tridimensionnel de l’artère, est discutée avant que la configuration et l’analyse ne soient effectuées dans un solveur commercial par éléments finis. La procédure de description des propriétés hyperélastiques hautement non linéaires de la paroi artérielle et de la vitesse/pression sanguine pulsatile est décrite avec la mise en place du couplage système entre les deux domaines. Nous démontrons la procédure en analysant une plaque non coupable, légèrement sténotique et riche en lipides chez un patient après un infarctus du myocarde. Les marqueurs établis et émergents liés à la progression de la plaque d’athérosclérose, tels que la contrainte de cisaillement de la paroi et l’hélicité normalisée locale, respectivement, sont discutés et liés à la réponse structurelle dans la paroi artérielle et la plaque. Enfin, nous traduisons les résultats en pertinence clinique potentielle, discutons des limites et décrivons les domaines à développer. La méthode décrite dans cet article est prometteuse pour aider à déterminer les sites à risque de progression de l’athérosclérose et, par conséquent, pourrait aider à gérer la mortalité, la morbidité et le fardeau économique importants de l’athérosclérose.

Introduction

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La maladie coronarienne (CORONA) est le type de maladie cardiaque le plus courant et l’une des principales causes de décès et de fardeau économique dans le monde1,2. Aux États-Unis, environ un décès sur huit est attribué àCAD 3,4, tandis que la plupart des décès mondiaux dus à la CAD sont maintenant observés dans les pays à revenu faible et intermédiaire5. L’athérosclérose est le principal moteur de ces décès, avec rupture ou érosion de la plaque conduisant à l’occlusion de l’artère coronaire et à l’infarctus aigu du myocarde (I....

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Protocole

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Les données désidentifiées suivantes ont été analysées auprès d’un patient recruté dans le cadre de l’essai contrôlé randomisé COCOMO-ACS en cours (ACTRN12618000809235; Numéro de référence HREC du Royal Adelaide Hospital : HREC/17/RAH/366), avec une approbation éthique supplémentaire accordée par les services de recherche du Central Adelaide Local Health Network (CALHN) à des fins de simulation biomécanique (numéro de référence CALHN 14179). La figure 1 résume le flux de travail complet décrit dans le protocole suivant, qui peut être appliqué à n’importe quel logiciel ou code compatible FSI.

1. Évaluation....

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Résultats

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Des résultats représentatifs sont présentés pour les marqueurs biomécaniques établis et émergents de la progression de l’athérosclérose. Les mesures établies telles que les résultats WSS et dérivés du WSS (y compris la contrainte de cisaillement de paroi moyennée dans le temps (TAWSS) et l’indice de cisaillement oscillatoire (OSI)) sont visualisées à la figure 10. La contrainte de cisaillement de la paroi au cours du cycle cardiaque est en grande partie entraînée par la vitesse du sang, mais.......

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Discussion

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L’utilisation des méthodes FSI pour analyser la biomécanique coronaire est encore un domaine en développement à la fois de la modélisation numérique et des résultats cliniques. Nous avons décrit ici les grandes lignes de la mise en place d’une analyse FSI spécifique au patient, basée sur les méthodes par éléments finis / volume fini, en utilisant l’OCT et l’imagerie angiographique. Bien que la méthode que nous décrivons ici utilise un solveur d’éléments finis commercial, la procédure peut être appliquée à n’importe quel .......

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont aucun conflit à déclarer concernant la préparation de cet article. S.J.N. a reçu le soutien à la recherche d’AstraZeneca, Amgen, Anthera, Eli Lilly, Esperion, Novartis, Cerenis, The Medicines Company, Resverlogix, InfraReDx, Roche, Sanofi-Regeneron et Liposcience et est consultant pour AstraZeneca, Akcea, Eli Lilly, Anthera, Kowa, Omthera, Merck, Takeda, Resverlogix, Sanofi-Regeneron, CSL Behring, Esperion et Boehringer Ingelheim. P.J.P. a reçu le soutien à la recherche d’Abbott Vascular, des honoraires de consultation d’Amgen et d’Esperion et des honoraires de conférencier d’AstraZeneca, Bayer, Boehringer Ingelheim, Merck Schering-Plough et Pfizer.

Remerciements

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Les auteurs tiennent à remercier l’Université d’Adélaïde, le Royal Adelaide Hospital (RAH) et le South Australian Health and Medical Research Institute (SAHMRI). L’essai COCOMO-ACS est une étude initiée par un investigateur financée par des subventions de projet du National Health and Medical Research Council (NHMRC) d’Australie (ID1127159) et de la National Heart Foundation of Australia (ID101370). H.J.C. est soutenu par une bourse du Westpac Scholars Trust (Future Leaders Scholarship) et reconnaît le soutien de l’Université d’Adélaïde, de l’École de génie mécanique et de la bourse du Programme de formation en recherche sur les compétences et l’emploi (RTP) du Minist....

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
ANSYS Workbench (version 19.0)Solveur d’éléments finis ANSYS
MATLAB (version 2019b)Plateforme de programmation commercialeMathworks
MicroDicom/ImageJMicroDicom/ImageJLecteur DICOM Open Source
Visual Studio (version 2019)Environnement de développement intégré commercialMicrosoft
Commercial

Références

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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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Réimpressions et autorisations

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Mots-clés

Analyse biom caniqueContrainte de cisaillement pari talReconstruction tridimensionnelleImagerie intravasculaireMod lisation par l ments finisProgression de la plaqueParoi art rielle hyper lastique

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