Approccio di modellazione agli elementi finiti basato su immagini a ultrasuoni intravascolari per quantificare le proprietà meccaniche in vivo dell'arteria coronarica umana

Sommario

Le immagini ecografiche intravascolari cine in vivo mostrano il movimento della sezione trasversale coronarica corrispondente a diverse condizioni di carico pressorio. Sulla base di un modello agli elementi finiti, è stato impiegato uno schema iterativo per determinare le proprietà meccaniche specifiche del paziente delle arterie coronarie in vivo abbinando il movimento coronarico dal modello computazionale e dalle immagini mediche.

Abstract

La quantificazione delle proprietà meccaniche delle pareti arteriose coronarie potrebbe fornire informazioni significative per la diagnosi, la gestione e il trattamento delle malattie coronariche. Poiché i campioni coronarici specifici per il paziente non sono disponibili per i pazienti che richiedono un monitoraggio continuo, i test sperimentali diretti delle proprietà dei materiali dei vasi diventano impossibili. Gli attuali modelli coronarici utilizzano in genere i parametri dei materiali disponibili in letteratura, con conseguenti significativi errori di calcolo delle sollecitazioni/deformazioni meccaniche. Qui, introdurremmo un approccio di aggiornamento basato su modelli agli elementi finiti (FEMBUA) per quantificare le proprietà dei materiali in vivo specifiche del paziente delle arterie coronarie sulla base di immagini mediche. Le immagini dell'ecografia intravascolare cine (IVUS) in vivo e dell'istologia virtuale (VH)-IVUS delle arterie coronarie sono state acquisite da un paziente con malattia coronarica. Le immagini IVUS cinetiche che mostrano il movimento vascolare nell'arco di un ciclo cardiaco sono state segmentate e sono stati selezionati due frame IVUS con circonferenze massime e minime del lume per rappresentare la geometria coronarica in condizioni di pressione sistolica e diastolica, rispettivamente. L'immagine VH-IVUS è stata anche segmentata per ottenere i contorni dei vasi e uno spessore dello strato di 0,05 cm è stato aggiunto ai contorni VH-IVUS per ricostruire la geometria coronarica. È stato creato un modello computazionale agli elementi finiti con un modello anisotropo di materiale Mooney-Rivlin utilizzato per descrivere le proprietà meccaniche del vaso e le condizioni di pressione sanguigna pulsatile prescritte alla superficie luminale coronarica per farla contrarre ed espandere. Quindi, è stato impiegato un approccio di aggiornamento iterativo per determinare i parametri del materiale del modello anisotropo di Mooney-Rivlin confrontando le circonferenze minime e massime del lume del modello computazionale agli elementi finiti con quelle delle immagini cine IVUS. Questo approccio di aggiornamento basato su modelli agli elementi finiti basato su immagini potrebbe essere esteso con successo per determinare le proprietà dei materiali delle pareti arteriose in vari letti vascolari e ha il potenziale per la valutazione del rischio di malattie cardiovascolari.

Introduzione

La malattia coronarica (CAD) è una delle principali cause di mortalità e morbilità, rappresentando oltre 9,14 milioni di decessi nel 2019 a livello globale ^1,2. Lo sviluppo di malattie coronariche, come l'aterosclerosi e la stenosi, è spesso accompagnato da alterazioni delle forze meccaniche e cambiamenti nelle proprietà del materiale della parete vascolare³. Le proprietà dei materiali delle arterie coronarie non sono solo la pietra angolare per determinare la loro risposta meccanica al carico fisiologico, ma anche gli elementi chiave per simulare il co....

Protocollo

I dati clinici anonimizzati, comprese le immagini IVUS in vivo e i dati sulla pressione sanguigna, sono stati acquisiti da un paziente con CAD presso lo Zhongda Hospital, Southeast University, con il consenso informato ottenuto. Il paziente campione è stato selezionato dal pool di pazienti di uno studio clinico sulle lesioni aterosclerotiche coronariche intermedie per dimostrare il metodo per quantificare le proprietà dei materiali dei vasi coronarici specifici del paziente¹⁴. Lo studio è stato condotto seguendo il protocollo approvato dal Comitato etico per la ricerca clinica dell'ospedale Zhongda, Southeast University (numero di appr....

Risultati

Descriviamo in dettaglio il metodo FEMBUA, che consente una rapida analisi del materiale della placca e dello stress delle placche coronariche dopo l'imaging IVUS in tempo reale e può determinare le proprietà del materiale in vivo e i risultati biomeccanici delle placche. I parametri del materiale in vivo del modello di materiale Mooney-Rivlin per questo vaso coronarico sono forniti nella Tabella 1. I risultati della simulazione del modello agli elementi finiti, comprese le distribuzion.......

Discussione

Passaggi critici nel protocollo
Il passaggio più critico nell'approccio di aggiornamento basato su modelli agli elementi finiti risiede nella procedura iterativa. Nell'approccio, il modello agli elementi finiti dovrebbe recuperare accuratamente il movimento dei vasi coronarici sulla sezione trasversale vascolare dalle immagini IVUS cine in vivo . A tal fine, in questo studio è stata adottata la minimizzazione della differenza di circonferenza del lume tra il .......

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Visualizzatore DICOM delle api	SinoUnion Healthcare Inc.	Versione 3.5.1	Un software di lettura di immagini DICOM
ADINA	Adina R & D	Versione 9.0	Risolutore agli elementi finiti
ImageJ	National Institutes of Health		Contorni IVUS segmentati
MATLAB	MathWorks	Versione R2018a	Piattaforma di programmazione commerciale
Sistema di imaging Volcano s5	Volcano Company		Sistema di imaging ecografico intravascolare