Name: Analyse de l’interaction fluide-structure biomécanique basée sur la tomographie par cohérence optique de la progression de l’athérosclérose coronaire (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-01-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 7 s
Description: Découvrez la modélisation biomécanique par interaction fluide-structure pour prédire la progression de l'athérosclérose coronaire. Cette méthode combine tomographie par cohérence optique et simulation numérique pour guider les interventions cliniques.

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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 Ministère de l’éducation. S.J.N. reçoit une bourse de recherche principale du NHMRC (ID1111630). P.J.P. reçoit une bourse future leader de niveau 2 de la National Heart Foundation of Australia (FLF102056) et une bourse de développement de carrière de niveau 2 du NHMRC (CDF1161506).

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.

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 ...

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 (IAM)6. Même après la revascularisation des lésions coronariennes coupables, les patients présentent un risque important d’événements cardiovasculaires indésirables majeurs (MACE) récurrents après AMI, en grande partie en raison de la présence concomitante d’autres plaques non coupables qui sont également vulnérables à la rupture7. L’imagerie intracoronaire permet de détecter ces plaques à haut risque8. Bien que l’échographie intravasculaire (IVUS) soit la référence en matière d’évaluation du volume de plaque, elle a une résolution limitée pour identifier les caractéristiques microstructurales de la plaque vulnérable, contrairement à la haute résolution (10-20 μm) de la tomographie par cohérence optique (OCT). Il a été démontré qu’un capuchon fibreux mince et enflammé recouvrant un grand pool lipidique est la signature la plus importante d’une plaquevulnérable 9 et qu’il est préférable d’identifier et de mesurer par OCT parmi les modalités d’imagerie intracoronaires actuellement disponibles10. Il est important de noter que l’OCT est également en mesure d’évaluer d’autres caractéristiques de la plaque à haut risque, notamment: arc lipidique; infiltration de macrophages; présence d’un fibroathérome à capuchon mince (TCFA), qui est défini comme un noyau riche en lipides avec un capuchon fibreux mince sus-jacent (<65 μm); calcification inégale; et les microcanaux de plaque. La détection OCT de ces caractéristiques à haut risque dans les plaques non coupables post-AMI a été associée à un risque jusqu’à 6 fois plus élevé de MACE11future. Cependant, malgré cela, la capacité de l’angiographie et de l’imagerie OCT à prédire quelles plaques coronaires progresseront et finiront par se rompre ou s’éroder est limitée, avec des valeurs prédictives positives de seulement 20% à 30%8. Cette capacité prédictive limitée entrave la prise de décision clinique autour des plaques non coupables à traiter (par exemple, par endoprothèse)7,12.
En plus des facteurs du patient et des caractéristiques biologiques de la plaque, les forces biomécaniques dans les artères coronaires sont également des déterminants importants de la progression et de l’instabilité de la plaque13. Une technique prometteuse pour aider à évaluer de manière exhaustive ces forces est la simulation d’interaction fluide-structure (FSI)14. La contrainte de cisaillement de la paroi (WSS), également appelée contrainte de cisaillement endothélial, a été un point focal traditionnel pour la recherche en biomécanique coronaire15, avec une compréhension générale que WSS joue un rôle étiologique dans la formation de l’athérosclérose16. Principalement simulées à l’aide de techniques de dynamique des fluides computationnelle (CFD), les régions à faible WSS ont été associées à un épaississement intimal17,à un remodelage vasculaire18 et à la prédiction de la progression des lésions19 et à la future MACE20. Les progrès récents de ces analyses suggèrent que la topologie sous-jacente du champ vectoriel WSS21et ses caractéristiques multidirectionnelles22constituent un meilleur prédicteur du risque d’athérosclérose que la magnitude WSS seule. Cependant, WSS ne capture qu’un aperçu du système biomécanique global au niveau de la paroi lumineuse, et tout comme les modalités d’imagerie, aucune métrique biomécanique ne peut discerner de manière fiable les caractéristiques athérosclérotiques à haut risque.
D’autres mesures apparaissent comme potentiellement importantes dans la formation de l’athérosclérose. Les caractéristiques d’écoulement intraluminal23 en sont un exemple, avec un écoulement hélicoïdal, quantifié à travers divers indices24, suggérés comme jouant un rôle athéroprotecteur en supprimant les schémas d’écoulement perturbés25,26. Bien que les techniques CFD puissent analyser ces caractéristiques d’écoulement et présenter un large éventail de résultats utiles, elles ne tiennent pas compte des interactions sous-jacentes entre le flux sanguin, la structure artérielle et le mouvement cardiaque général. Cette simplification du système dynamique à une paroi rigide passe à côté de résultats potentiellement critiques tels que la contrainte de la coiffe fibreuse. Alors que le débat à la fois pour et contre la nécessité de FSI sur CFD se poursuit27,28,29, de nombreuses comparaisons négligent d’inclure l’impact de la fonction ventricule. Cette limitation peut être surmontée avec FSI, qui a montré que la flexion dynamique et la compression exercées sur l’artère par l’influence de la fonction ventricule peuvent avoir un impact significatif sur la contrainte structurelle de la plaque et de l’artère ainsi que sur les mesures d’écoulement telles que WSS30,31,32. Ceci est important car les contraintes structurelles sont également une mesure clé pour analyser et prédire la rupture de la plaque33,34 et ont été suggérés pour co-localiser avec les régions d’augmentation de la plaque14,35. La capture de ces interactions permet une représentation plus réaliste de l’environnement coronaire et des mécanismes potentiels de progression de la maladie.
Pour ce faire, nous décrivons ici le processus de développement d’une géométrie spécifique au patient à partir de l’imagerie OCT36 et la mise en place et l’exécution d’une simulation FSI d’artère à l’aide d’un solveur commercial par éléments finis. Le processus d’extraction manuelle de la lumière, des lipides et de la paroi artérielle externe est détaillé avant la reconstruction informatique tridimensionnelle de l’artère du patient. Nous décrivons la configuration de la simulation, le couplage et le processus de comparaison des paramètres d’imagerie de base et de suivi de l’OCT pour déterminer la progression de la lésion. Enfin, nous discutons du post-traitement des résultats numériques et de la pertinence clinique de ces données en comparant les résultats biomécaniques avec la progression/régression des lésions. La méthode globale est démontrée sur des plaques non coupables, légèrement sténotiques et riches en lipides dans l’artère coronaire droite (RCA) d’un patient de sexe masculin caucasien de 58 ans qui a présenté un infarctus aigu du myocarde avec élévation non ST dans le cadre de l’hypertension, du diabète sucré de type 2, de l’obésité (IMC 32,6) et des antécédents familiaux de coronaropathie prématurée. puis 12 mois plus tard dans le cadre d’un essai clinique en cours (essai COCOMO-ACS ACTRN12618000809235). Nous prévoyons que cette technique pourra être affinée et utilisée pour identifier les plaques coronaires à haut risque de progression.

<table><tbody><tr><td>ANSYS Workbench (version 19.0)</td><td>Solveur d’éléments finis ANSYS</td><td></td><td></td> Commercial</tr><tr><td>MATLAB (version 2019b)</td><td>Plateforme de programmation commerciale</td> <td>Mathworks</td><td></td></tr><tr><td>MicroDicom/ImageJ</td><td>MicroDicom/ImageJ</td><td></td><td>Lecteur DICOM Open Source</td></tr><tr><td>Visual Studio (version 2019)</td><td>Environnement de développement intégré commercial</td> <td>Microsoft</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Optical Coherence Tomography Based Biomechanical Fluid-Structure Interaction Analysis of Coronary Atherosclerosis Progression

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.

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...

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.

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

In this paper, we present a complete workflow for the biomechanical analysis of atherosclerotic plaque in the coronary vasculature. With atherosclerosis ...

L’athérosclérose est l’une des principales causes de décès et de morbidité dans le monde, et sa nature multifactorielle et complexe rend importante une approche multidisciplinaire pour y faire face. Maintenant, l’imagerie est un outil puissant pour analyser la morphologie noire, mais elle ne peut pas encore nous donner une compréhension des mécanismes sous-jacents du travail. Et c’est là que la simulation informatique entre en jeu.Du point de vue de la dynamique des fluides, nous savons que des facteurs tels que le stress de cisaillement de la paroi dans le flux sanguin biologique peuvent avoir un impact sur la fonction des cellules endothéliales et les nouveaux processus de transport impliqués dans la formation de l’athérosclérose. Mais pour vraiment comprendre la mécanique spécifique du patient, les techniques d’interaction de la structure des fluides, ou courtes épisodiques, peuvent être utilisées pour simuler l’interaction entre le flux sanguin, la mécanique artérielle et la fonction cardiaque générale. Et cette méthodologie présente une approche pour faire exactement cela, en reconstruisant et en simulant biomécaniquement l’artère coronaire d’un patient à partir de la tomograp

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Contrôles non destructifs suivi du développement de dégradable axée sur l’échafaud tissulaire des vaisseaux sanguins à l’aide de la tomographie à cohérence optique

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