Name: Approccio di modellazione agli elementi finiti basato su immagini a ultrasuoni intravascolari per quantificare le proprietà meccaniche in vivo dellarteria coronarica umana (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-12-06T14:20:00.000+00:00
Duration: 6 min 18 s
Description: Scopri un approccio di modellazione agli elementi finiti basato su immagini a ultrasuoni intravascolari per quantificare le proprietà meccaniche in vivo dell'arteria coronarica umana. Questo metodo computazionale migliora la diagnostica cardiovascolare personalizzata.

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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 approvazione: 2017ZDSYLL023-p01).
1. Acquisizione ed elaborazione dei dati
<ol><li>Acquisizione immagini Cine IVUS e VH-IVUS<ol><li>Posizionare il catetere IVUS distalmente alla lesione aterosclerotica con la guida di un angiogramma coronarico e tirarlo indietro sul lato prossimale. Genera immagini IVUS in scala di grigi lungo il percorso per visualizzare la sezione trasversale del vaso coronarico.</li>
		<li>Utilizzare il sistema di imaging IVUS dotato di un catetere in platino ad alte prestazioni da 20 MHz e 2,9 F per acquisire immagini IVUS del segmento arterioso coronarico con placca aterosclerotica dal paziente con CAD (Figura 1).</li>
		<li>Durante l'acquisizione dell'immagine IVUS, mettere in pausa il catetere nel sito della lesione preselezionato per circa 2 secondi per ottenere una sequenza di immagini IVUS chiamata cine IVUS. Le immagini cine IVUS hanno mostrato chiaramente i cambiamenti dinamici della sezione trasversale nel sito della placca nel corso del ciclo cardiaco.</li>
		<li>Genera immagini VH-IVUS basate su fotogrammi IVUS acquisiti all'istante del picco R su elettrocardiogrammi per visualizzare i componenti della placca in forma codificata a colori utilizzando il sistema di imaging. NOTA: Le immagini VH-IVUS forniscono una mappa a colori intuitiva per quattro componenti chiave della placca aterosclerotica: nucleo necrotico ricco di lipidi (lipide) in rosso, calcificazione in bianco, tessuto fibroso in verde scuro e tessuto adiposo fibroso in verde chiaro.</li>
		<li>Salvataggio delle immagini VH-IVUS e cine IVUS in formato DICOM per l'analisi offline.</li>
	</ol></li>
	<li>Segmentazione ed elaborazione delle immagini<ol><li>Aprire i file DICOM utilizzando il visualizzatore, fare doppio clic sul nome della sequenza corrispondente per aprire l'immagine e fare clic su Esporta &gt; Esporta immagini per salvare ogni fotogramma cine IVUS o VH-IVUS come singola immagine in formato BMP. Ogni immagine BMP contiene 500 x 500 pixel, come indicato dal file DICOM originale.</li>
		<li>Esaminare l'immagine cine IVUS fotogramma per fotogramma per trovare i fotogrammi consecutivi ottenuti nel sito della placca preselezionato durante un ciclo cardiaco. Sono stati generati 26 fotogrammi cine IVUS durante un ciclo cardiaco per questo sito di placca campione.</li>
		<li>Esamina tutte le immagini VH-IVUS generate per trovare l'immagine VH-IVUS ottenuta nel sito della placca dato. Le immagini VH-IVUS qui utilizzate sono state create utilizzando un fotogramma IVUS dai fotogrammi cine IVUS in un ciclo cardiaco.</li>
		<li>Segmentare le immagini VH-IVUS e cine IVUS utilizzando il software ImageJ per ottenere i contorni dei confini dei vasi e dei componenti della placca (vedere la Figura 1C).<ol><li>Seleziona la scheda Linea diritta &gt; segmentata e delinea manualmente i contorni del lume, il confine esterno del vaso coronarico e i componenti della placca sulle immagini cine IVUS e VH-IVUS. Per l'immagine cine IVUS, segmentare solo i contorni del lume e del bordo del vaso esterno, mentre per l'immagine VH-IVUS, segmentare i contorni del lume, il confine del vaso esterno e i confini dei componenti della placca.</li>
			<li>Per semplicità, mantieni solo componenti lipidici di grandi dimensioni per generare un modello agli elementi finiti e ignora i componenti lipidici piccoli e isolati. In questo campione di placca era presente un solo lipide. Sovrapponi i contorni delineati alle immagini originali utilizzando la scheda Sovrapposizione &gt; immagine &gt; Aggiungi selezione .</li>
			<li>Passa al menu To ROI Manager per gestire i contorni, regolare le proprietà e impostare i colori e lo spessore delle linee sui valori corretti per una migliore visualizzazione. Seleziona la scheda Proprietà , imposta il colore del tratto su un colore diverso e riempi la larghezza della linea in base alla larghezza. Qui, imposta i colori della linea come verde, blu e rosso rispettivamente per il lume, il bordo esterno e i contorni lipidici e la larghezza della linea su 3.</li>
			<li>Contorni smussati utilizzando Modifica &gt; Selezione &gt; Adatta spline dalla barra dei comandi dopo aver selezionato un contorno specifico per ottenere un contorno uniforme. Questa operazione utilizza tecniche di adattamento della curva spline per smussare automaticamente i contorni.</li>
			<li>Fare clic su File &gt; Salva con nome &gt; scheda Coordinate XY per salvare le coordinate dei punti di ciascun contorno come lumen, contorno esterno e componente placca in un file txt separato. Questo file contiene i valori delle coordinate x e y dei punti che costituiscono il contorno, con i pixel come unità.</li>
		</ol></li>
		<li>Registra la dimensione fisica reale di ciascun pixel nelle immagini cine IVUS e VH-IVUS (indicate come dimensione dei pixel) dal file DICOM. La distanza reale per un pixel nei dati IVUS utilizzati qui è di 0,002 cm. Queste informazioni verrebbero utilizzate per convertire le coordinate del punto con il pixel come unità di misura in distanza reale con cm come unità.</li>
	</ol></li>
	<li>Elaborazione dei dati di contorno<ol><li>Elaborazione dei dati di contorno Cine IVUS<ol><li>Leggi i file txt dei contorni del lume da tutte le immagini cine IVUS in un ciclo cardiaco con MATLAB.</li>
			<li>Moltiplica tutti i contorni del lumen per la dimensione dei pixel per ottenere la dimensione effettiva dei contorni del lumen.</li>
			<li>Calcola le circonferenze del lume per tutti i contorni del lume e identifica le montature IVUS con le circonferenze del lume massime (Cmax) e minime (Cmin), che rappresentano rispettivamente le condizioni diastolica e sistolica.</li>
		</ol></li>
		<li>Elaborazione dei dati di contorno VH-IVUS<ol><li>Leggi i file txt dei contorni del lume, del bordo esterno e dei componenti della placca dall'immagine VH-IVUS con MATLAB.</li>
			<li>Moltiplica tutti i contorni per la dimensione in pixel per ottenere la dimensione effettiva di tutti i contorni.</li>
			<li>Dividi nuovamente ogni contorno in 100 punti equidistanti ed esegui la levigatura 2D per ottenere nuovi dati di contorno VH-IVUS che sostituiscano quelli vecchi.</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
</ol>2. Modello agli elementi finiti
<ol><li>Ricostruzione della geometria dei vasi coronarici<ol><li>Crea uno strato di contorni nello spazio tridimensionale aggiungendo il valore della coordinata z per tutti i punti dei contorni VH-IVUS, inclusi lumen, contorno esterno e lipidi, e imposta z = 0 per tutti i punti (Figura 2).</li>
		<li>Creare un altro strato di contorni aggiungendo il valore della coordinata z per tutti i punti dei contorni VH-IVUS e reimpostare z = 0,05 cm per tutti i punti. NOTA: Questi due strati di contorni ricostruiscono la geometria 3D dei vasi coronarici per il modello con sola struttura a strato sottile aggiungendo uno spessore fisso dello strato di 0,05 cm ai contorni VH-IVUS (Figura 2).</li>
	</ol></li>
	<li>Generazione di mesh agli elementi finiti<ol><li>Crea due contorni ausiliari interpolando linearmente il lume e i contorni del contorno esterno con pesi 1/3 e 2/3 (Figura 3A) per ogni strato.</li>
		<li>Dividere l'area del vaso in 8 parti circonferenziali e 3 parti radiali (vedi Figura 3B) collegando il lume/confine esterno al punto più vicino sul contorno lipidico (ad esempio, i punti A e B nella Figura 3B) o due contorni ausiliari con linee radiali.</li>
		<li>Collega tutti i punti tra gli strati con linee rette, formando una struttura 3D con 3 x 8 volumi (Figura 3B). Dividi ogni volume utilizzando elementi esaedrici per generare la mesh agli elementi finiti (Figura 3C) e diversi gruppi di materiali (Figura 3D).</li>
		<li>Eseguire un'analisi della mesh affinando la densità della mesh del 10% fino a quando le variazioni delle soluzioni &lt; del 5%.</li>
	</ol></li>
	<li>Definizione delle proprietà dei materiali<ol><li>Utilizzare un modello di materiale anisotropo Mooney-Rivlin modificato per descrivere le proprietà del materiale della parete del vaso coronarico. Si è ipotizzato che i vasi coronarici e i componenti della placca fossero materiali iperelastici, anisotropi, quasi incomprimibili e omogenei, e la funzione di densità dell'energia di deformazione del modello di materiale anisotropo modificato di Mooney-Rivlin è: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/67573/67573eq01.jpg" style="margin: auto;">(1) <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/67573/67573eq02v2.jpg" style="margin: auto;">(2) <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/67573/67573eq03.jpg" style="margin: auto;">(3) dove I1 e I2 sono il primo e il secondo invariante del tensore di deformazione di Cauchy-Green destro C definito come c = [cij] = XTX, X = [Xij] = [<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/67573/67573eq06.jpg" style="margin: auto;">], (Xi) era la posizione corrente (aj) era la posizione originale, I4 = cij(nc)i(nc)j, nc era il vettore unitario nella direzione circonferenziale del vaso. c1, c2, D1, D2, K1 e K2 erano parametri del materiale specifici per il paziente.</li>
		<li>Assegnare i valori iniziali dei parametri del materiale per un vaso coronarico specifico per il paziente in base ai risultati dei test biassiali ex vivo, ovvero c1 = −1.312,9 kPa, c2 = 114,7 kPa, D1 = 629,7 kPa, D2 = 2,0, K1 = 35,9 kPa e K2 = 23,5 (Figura 4A-B)13,15.</li>
		<li>Assegnare i parametri del materiale per il componente della placca, se presente. Più specificamente, per i lipidi, c1=0,5 kPa, c2=0, D1=0,5 kPa e D2=1,5; per la calcificazione, abbiamo usato c1=920 kPa, c2=0, D1=360 kPa e D2=2.0 (Figura 4B)16. NOTA: Si è ipotizzato che i componenti della placca (lipidi e calcificazione) siano iperelastici, isotropi e quasi incomprimibili, e le loro proprietà meccaniche sono state descritte dal modello isotropo del materiale Mooney-Rivlin con le funzioni di densità dell'energia di deformazione fornite nella formula (2).</li>
	</ol></li>
	<li>Governo delle equazioni e impostazione delle condizioni al contorno<ol><li>Definisci le equazioni di governo per il modello di sola struttura a strato sottile, che include l'equazione del moto, la relazione deformazione-spostamento di Cauchy-Green non lineare e il modello11 del materiale del vaso coronarico.</li>
		<li>Prescrivere forme d'onda della pressione arteriosa specifiche per il paziente sulla superficie del lume per simulare condizioni fisiologiche reali (Figura 4C). Per ottenere forme d'onda della pressione arteriosa specifiche per il paziente, scalare una tipica forma d'onda della pressione aortica con i valori di pressione sistolica e diastolica misurati dal bracciale (Figura 4D).</li>
	</ol></li>
</ol>3. Approccio di aggiornamento basato su modelli agli elementi finiti per le proprietà dei materiali dell'arteria coronarica specifiche per il paziente
NOTA: Il processo iterativo per determinare le proprietà del materiale coronarico specifiche del paziente è illustrato nella Figura 5.
<ol><li>Determinare la geometria a vuoto corrispondente alla condizione di pressione zero come geometria iniziale per il modello computazionale riducendo la geometria coronarica ricostruita dall'immagine VH-IVUS assialmente con un tasso di ritiro fisso del 95% e circonferenzialmente con il ritiro circonferenziale (indicato come S) inizialmente impostato come 98%. NOTA: Poiché la geometria coronarica ricostruita dall'immagine VH-IVUS era in condizioni in vivo con pressione sanguigna prescritta sul lume e tratto assiale dai segmenti arteriosi coronarici distali e prossimali legati, la geometria coronarica in vivo dovrebbe restringersi circonferenzialmente e assialmente per ottenere la geometria a pressione zero.</li>
	<li>Fissare il tasso di restringimento assiale al 95% e aggiornare il restringimento circonferenziale durante i passaggi successivi.</li>
	<li>Definire il rapporto del materiale (indicato come k) per assegnare le proprietà del materiale specifiche del paziente del vaso coronarico come: ovvero, c1 = k*(−1.312,9) kPa, c2 = k*114,7 kPa, D1 = k*629,7 kPa, K1 = k*35,9 kPa e fissare D2 = 2,0 e K2 = 23,5. NOTA: Poiché sono stati ottenuti solo due punti dati (circonferenze minime e massime del lume corrispondenti alle pressioni diastolica e sistolica) per determinare i parametri sconosciuti (tasso di restringimento circonferenziale S e parametri del materiale del modello di Mooney-Rivlin), abbiamo ridotto il numero di parametri sconosciuti assumendo che le proprietà del materiale specifiche del paziente in vivo del vaso coronarico fossero proporzionali all'ipotesi iniziale con il rapporto del materiale indicato come k: cioè, c1 = k*(−1.312,9) kPa, c2 = k*114,7 kPa, D1 = k*629,7 kPa, K1 = k*35,9 kPa, mentre D2 = 2,0 e K2 = 23,5 erano fissi.</li>
	<li>Aggiornare il valore k impostato su un valore iniziale k di 1 insieme al tasso di restringimento circonferenziale S durante la procedura iterativa seguente.</li>
	<li>Esegui il software per risolvere il modello computazionale per ottenere i risultati numerici.<ol><li>Scrivi tutti i comandi per la creazione del modello di sola struttura a strato sottile in un file batch (File supplementare 1) utilizzando MATLAB.</li>
		<li>Caricare questo file batch utilizzando l'interfaccia utente avanzata (AUI) per generare il modello (Figura 6A). Risolvere il modello di sola struttura a strato sottile facendo clic su File di dati/Soluzione e salvarlo come file di .dat (Figura 6C). Simulare tre cicli cardiaci e adottare la soluzione nell'ultimo ciclo per presentare risultati numerici.</li>
		<li>Esporta i risultati delle coordinate dei nodi in un file txt navigando in Elenco &gt; Elenco valori &gt; Zona e selezionando X-POSITION, Y-POSITION e Z-POSITION in Variabili da elencare in Coordinate. Fare clic su Applica ed esporta per esportare i risultati delle coordinate.</li>
		<li>Salva i dati del contorno del lume corrispondenti alle condizioni di pressione diastolica e sistolica nei file .txt per il calcolo della circonferenza del lume.</li>
	</ol></li>
	<li>Confrontare le circonferenze del lume calcolate dal modello FE (modello di sola struttura dello strato sottile a fette) in condizioni di pressione diastolica con i dati IVUS cine in vivo (Cmin) e verificare se l'errore relativo era del &lt;1%. Se la condizione è stata soddisfatta, vai al passaggio successivo o aggiorna altrimenti il rapporto del materiale k utilizzando il metodo secante e vai al passaggio 3.3 per eseguire nuovamente17,18. NOTA: Nella prima iterazione, il metodo di Newton è stato utilizzato per aggiornare il rapporto dei materiali invece del metodo secante.</li>
	<li>Confrontare le circonferenze del lume calcolate dal modello FE in condizioni di pressione sistolica con i dati in vivo cine IVUS (Cmax) e verificare se l'errore relativo era del &lt;1%. In caso affermativo, interrompere la procedura iterativa o aggiornare in altro modo il tasso di restringimento circonferenziale S e reindirizzare al passaggio 3.4 per eseguire nuovamente l'esecuzione. NOTA: Nella prima iterazione, il metodo di Newton è stato utilizzato per aggiornare il tasso di restringimento circonferenziale invece del metodo secante.</li>
	<li>Registrare i valori ottimali di S e k e calcolare i parametri del materiale corrispondenti del modello di materiale Mooney-Rivlin.</li>
	<li>Tracciare le curve del rapporto sforzo-stiramento circonferenziale e assiale del vaso coronarico (Figura 7), che possono essere derivate come segue: <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/67573/67573eq04.jpg" style="margin: auto;">(4) dove σ rappresenta lo sforzo di Cauchy, λ rappresenta il rapporto di allungamento, i = c, a rappresenta le direzioni circonferenziali e assiali.<ol><li>Per disegnare una curva di materiale in una direzione particolare, fissare il rapporto di allungamento nell'altra direzione su 1. Calcolare il modulo di Young efficace nella circonferenza e nell'assiale (etichettati rispettivamente YMc e YMa) come la pendenza della funzione di scala della curva del materiale all'intervallo del rapporto di allungamento [1.0, 1.1] per riflettere la rigidità generale del materiale dell'arteria coronaria13: <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/67573/67573eq05.jpg" style="margin: auto;">(5)</li>
	</ol></li>
	<li>Estrarre le distribuzioni di sollecitazione/deformazione della placca in qualsiasi momento e registrare la distribuzione dei linfonodi e i valori massimi di sollecitazione durante le fasi sistolica e diastolica (Figura 8).</li>
</ol>

<meta charset="utf8"></head><body> Metodo computazionale basato su IVUS per quantificare le proprietà meccaniche coronariche

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</ol>

<table><tbody><tr><td>&nbsp; Visualizzatore DICOM delle api&nbsp;</td><td>SinoUnion Healthcare Inc.</td><td>Versione 3.5.1</td><td>Un software di lettura di immagini DICOM</td></tr><tr><td>ADINA&nbsp;</td><td>Adina R & D</td><td>Versione 9.0</td><td>Risolutore agli elementi finiti</td></tr><tr><td>ImageJ&nbsp;</td><td>National Institutes of Health</td><td></td><td>Contorni IVUS segmentati</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>MathWorks&nbsp;</td><td>&nbsp; Versione R2018a</td><td>Piattaforma di programmazione commerciale</td></tr><tr><td>Sistema di imaging Volcano s5</td><td>Volcano Company</td><td></td><td>Sistema di imaging ecografico intravascolare&nbsp;</td></tr></tbody></table>

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

Intravascular Ultrasound Image-Based Finite Element Modeling Approach for Quantifying In Vivo Mechanical Properties of Human Coronary Artery

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 distribuzioni di sollecitazione/deformazione nel vaso coronarico, sono riportati nella Figura 8. Di seguito è riportata un'analisi dettagliata dei risultati.
Sono necessarie circa 2 ore per completare l'intero processo e ottenere in vivo i parametri del materiale per questo vaso coronarico, tra cui la segmentazione delle immagini cine IVUS e VH-IVUS, la costruzione del modello FE computazionale e l'esecuzione della procedura iterativa per quantificare le proprietà del materiale. Questo metodo può soddisfare i requisiti di un rapido esame clinico con elevata tempestività.
Per questo vaso coronarico, le due quantità sono state determinate seguendo il metodo FEMBUA come k = 1,125 e S = 98%. Altri parametri in vivo del modello di materiale Mooney-Rivlin per questo vaso coronarico sono forniti nella Tabella 1. Le curve del materiale in entrambe le direzioni circonferenziali e assiali sono tracciate nella Figura 7. Entrambe le direzioni hanno mostrato una curva del materiale a forma di J, che indica la relazione non lineare sforzo-allungamento con una maggiore rigidità del tessuto quando il rapporto di allungamento era elevato. Le linee rette erano le funzioni di scala per adattarsi a queste curve materiali non lineari, e le loro pendenze erano i moduli di Young efficaci. L'YMc e l'YMa per questo vaso coronarico sono rispettivamente 1055,41 e 1835,77 kPa.
I risultati della simulazione del modello agli elementi finiti, comprese le distribuzioni di sollecitazione/deformazione nel vaso coronarico, sono riportati nella Figura 8. La distribuzione delle sollecitazioni corrispondente alle condizioni di pressione sistolica è superiore a quella delle condizioni di pressione diastolica. Inoltre, la concentrazione di stress locale potrebbe essere osservata in regioni con spessore sottile del vaso o regioni di cappello fibroso. Dato che la rottura della placca si verifica spesso nelle regioni del cappuccio fibroso e della spalla, i valori di stress e deformazione di picco su queste regioni critiche sono riportati nella Tabella 2.
Abbiamo eseguito l'analisi della mesh aumentando gradualmente la densità della mesh e l'affinamento della mesh si sarebbe fermato se una mesh più fine avesse potuto produrre cambiamenti insignificanti nelle soluzioni. La distribuzione dell'elemento/griglia e i risultati delle sollecitazioni per questo modello sono mostrati nella Tabella supplementare 1. La tabella fornisce risultati più comparativi e dettagliati, mostrando differenze insignificanti tra modelli con numeri di elementi diversi. I risultati mostrano che, dopo aver affinato la densità della mesh quattro volte, gli errori relativi di sollecitazione massima e minima sono entro il 5%. Poiché il metodo FEMBUA prevede un processo iterativo, è stata adottata una densità di mesh relativamente bassa per risparmiare sui costi computazionali. In base ai risultati, si può vedere che l'attuale quantità di maglia (numero di elemento = 900) soddisfa i requisiti e ha poca influenza sui risultati delle sollecitazioni.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67573/67573fig01.jpg"> Figura 1: Acquisizione ed estrazione del contorno di Cine IVUS e VH-IVUS. (A) Direzione di estrazione del catetere IVUS e sito di pausa del catetere (contrassegnato da una stella) per ottenere immagini Cine IVUS. (B) Cine IVUS con circonferenze del lume di Cmin e Cmax e corrispondente immagine VH-IVUS. (C) Estrazione dei contorni IVUS. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67573/67573fig01large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67573/67573fig02.jpg"> Figura 2: Geometria 3D ricostruita del vaso coronarico con uno spessore di 0,05 cm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67573/67573fig02large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67573/67573fig03.jpg"> Figura 3: Processo di generazione di mesh agli elementi finiti per un modello di sola struttura a fette sottili. (A) Punti di contorno su un piano 2D. (B) Linee geometriche per la generazione di mesh. (C) Mesh agli elementi finiti. (D) Ha generato diversi gruppi di materiali. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67573/67573fig03large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67573/67573fig04.jpg"> Figura 4: Modello computazionale di sola struttura a fette sottili del vaso coronarico. Il modello include la definizione delle proprietà del materiale e l'impostazione delle condizioni al contorno. (A) Impostare diversi gruppi di materiali all'interno dell'arteria coronaria. (B) Curva dei materiali dei vasi coronarici ex vivo. (C) Carico delle condizioni al contorno. (D) Curva di pressione. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67573/67573fig04large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67573/67573fig05.jpg"> Figura 5: Schema iterativo. Lo schema iterativo per quantificare le proprietà del materiale della placca in vivo dei vasi coronarici sulla base delle immagini IVUS. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67573/67573fig05large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67573/67573fig06.jpg"> Figura 6: Utilizzo dell'interfaccia. L'interfaccia utente avanzata del software ADINA e le relative operazioni. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67573/67573fig06large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67573/67573fig07.jpg"> Figura 7: Curve dei materiali. Le curve del materiale nelle direzioni circonferenziali e assiali del vaso coronarico e la loro efficace stima dei moduli di Young. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67573/67573fig07large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67573/67573fig08.jpg"> Figura 8: Modello di sola struttura a fette sottili della geometria del vaso coronarico e risultati simulati. La figura include la mappa delle nuvole di distribuzione dello stress in condizioni di pressione diastolica e sistolica. (a) Nodi visualizzati. (b) Stress diastolico. (c) Stress sistolico. La barra colorata indica il valore di sollecitazione. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67573/67573fig08large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td rowspan="2">Parametri del materiale</td>
			<td>S(%)</td>
			<td>C1 (kPa)</td>
			<td>C2 (kPa)</td>
			<td>D1 (kPa)</td>
			<td>K1 (kPa)</td>
			<td>YMa (kPa)</td>
			<td>YMc (kPa)</td>
		</tr><tr><td>98%</td>
			<td>-147.76</td>
			<td>12.91</td>
			<td>708.67</td>
			<td>40.4</td>
			<td>1055.41</td>
			<td>1835.77</td>
		</tr></tbody></table>Tabella 1: Valori di riferimento per i parametri del materiale del modello di esempio.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td colspan="2">Tempo a pressione diastolica</td>
			<td colspan="2">Tempo a pressione sistolica</td>
		</tr><tr><td>PWS (kPa)</td>
			<td>PWSn</td>
			<td>PWS (kPa)</td>
			<td>PWSn</td>
		</tr><tr><td>56.53</td>
			<td>0.05402</td>
			<td>64.51</td>
			<td>0.05402</td>
		</tr></tbody></table>Tabella 2: Valori di picco/deformazione sulle regioni critiche dal modello computazionale. Abbreviazioni: Picco di sollecitazione della parete = PWS; Deformazione di picco della parete = PWSn. Unità di sollecitazione: kPa.
Tabella supplementare 1: Il confronto dei risultati delle sollecitazioni di diverse quantità di griglia nello stesso modello.&gt; <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67573/Supplementary%20Table%201_RE.xlsx" target="_blank">Fare clic qui per scaricare questo file.</a>
File supplementare 1: Codici MATLAB. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67573/Supplementary%20File%20S1.zip" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo file.</a>

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

Quantifying the mechanical properties of coronary arterial walls could provide meaningful information for the diagnosis, management, and treatment of ...

Quantificare le proprietà meccaniche delle arterie coronarie è di fondamentale importanza nella ricerca biomeccanica cardiovascolare. Tuttavia, i corpi coronarici lavorano tipicamente con tessuti coronarici ex vivo. Questo lavoro introduce l'approccio aggiornato basato su modelli agli elementi finiti per quantificare le proprietà del materiale coronarico in vivo sulla base di specifiche immagini ecografiche intervascolari.Gli attuali approcci meccanici per quantificare le proprietà meccaniche delle pareti dei vasi coronarici, come il test dei vasi planari e il test dell'intenzione, possono funzionare solo con tessuti coronarici isolati ex vivo. Questo approccio non è adatto per monitorare le proprietà meccaniche coronariche nella sicurezza specifica del paziente. L'approccio aggiornato basato su modelli a elementi finiti introdotto potrebbe quantificare le proprietà del materiale del tessuto dell'arteria coronarica in vivo sulla base di immagini ecografiche intervascolari specifiche del paziente e misurazioni della pressione sanguigna.Per iniziare, accedi alla cartella contenente l'ecografia intravascolare virtuale salvata, o VH IVUS, e le immagini Cine IVUS ottenute da pazienti con malattia coronarica in formato DICOM per l'analisi offline. Apri i file DICOM utilizzando il visualizzatore. Fare doppio clic sul nome della sequenza corrispondente per aprire l'immagine.Seleziona Esporta, quindi scegli Esporta immagini per salvare ogni fotogramma Cine IVUS e VH IVUS come singole immagini BMP, assicurandoti che ogni immagine abbia una risoluzione compresa tra 500 e 500 pixel. Successivamente, esaminare ogni immagine Cine IVUS fotogramma per fotogramma per individuare i fotogrammi consecutivi acquisiti nel sito della placca preselezionato durante un ciclo cardiaco. Esaminare tutte le immagini VH IVUS generate per identificare l'immagine VH IVUS ottenuta nel sito della placca specificato.Nel software ImageJ, per l'immagine Cine IVUS, selezionare dritto, seguito dalla scheda della linea segmentata per delineare i contorni dei vasi sanguigni e dei componenti della placca. Quindi, vai all'immagine, seleziona Sovrapponi e fai clic su Aggiungi selezione per sovrapporre i contorni tracciati all'immagine originale. Apri il menu To ROI manager per gestire i contorni.Nella scheda delle proprietà, assegnare i colori verde, blu e rosso rispettivamente al lume, al contorno esterno e ai contorni lipidici con una larghezza di linea pari a tre. Seleziona ogni contorno e levigalo facendo clic su modifica, selezione e adatta spline dalla barra dei comandi. Quindi, selezionare in sequenza file, salva con nome, scheda Coordinate XY per salvare le coordinate dei punti di ciascun contorno, inclusi il lume, il contorno esterno e il componente della placca, in un file di testo separato.Per ricostruire la generazione di mesh agli elementi finiti su immagini VH IVUS e Cine IVUS, creare due contorni ausiliari interpolando linearmente il lume e i contorni del contorno esterno con pesi rispettivamente di un terzo e due terzi per ogni strato. Dividi l'area del vaso in otto parti circonferenziali e tre parti radiali collegando il lume e il confine esterno al punto più vicino sul contorno lipidico o su due contorni ausiliari con linee radiali. Quindi, collega tutti i punti tra i livelli con linee rette per formare una struttura tridimensionale con volumi tre per otto.Dividi ogni volume utilizzando elementi esaedrici per generare la mesh agli elementi finiti e diversi gruppi di materiali. Successivamente, utilizzando un modello di materiale anisotropo Mooney-Rivlin modificato, definisci le proprietà del materiale della parete del vaso coronarico. Prescrivere forme d'onda della pressione sanguigna specifiche per il paziente sulla superficie del lume per simulare le condizioni fisiologiche.Per ottenere forme d'onda della pressione arteriosa specifiche per il paziente, scalare una tipica forma d'onda della pressione aortica con i valori di pressione sistolica e diastolica misurati dal bracciale. Scrivi tutti i comandi necessari per creare il modello di sola struttura a strato sottile in un file batch utilizzando MATLAB. Caricare il file batch utilizzando l'interfaccia utente avanzata per generare il modello.Genera il modello selezionando la soluzione del file di dati, quindi risolvi il modello di sola struttura a strato sottile e salvalo come file dat. Esporta i risultati delle coordinate dei nodi in un file TXT navigando nell'elenco, nell'elenco dei valori e nella zona e selezionando la posizione X, la posizione Y e la posizione Z nelle variabili da elencare sotto le coordinate. Fare clic su Applica ed esporta per esportare i risultati delle coordinate.I parametri del materiale in vivo per il vaso coronarico basati sul modello di materiale Mooney-Rivlin sono stati determinati entro due ore, dimostrando l'efficienza e l'idoneità del metodo per l'uso clinico. I risultati delle proprietà del materiale hanno mostrato un fattore di rigidità di 1,125 e un fattore di stabilità del 98% con curve del materiale sia circonferenziali che assiali che mostrano una forma a J. I risultati della simulazione hanno dimostrato che la distribuzione dello stress sotto pressione sistolica era superiore a quella sotto pressione diastolica, con una concentrazione di stress localizzata osservata in regioni di pareti sottili dei vasi o cappucci fibrosi.

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Approccio di modellazione agli elementi finiti basato su immagini a ultrasuoni intravascolari per quantificare le proprietà meccaniche in vivo dellarteria coronarica umana (Video) | JoVE Journal

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

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