Un protocollo computazionale basato sulla risonanza magnetica per l'analisi della morfologia e dell'emodinamica della placca in pazienti con stenosi dell'arteria carotidea

La valutazione della stenosi dell'arteria carotide interna (ICA) si basa sulla stima della stenosi percentuale, che non tiene conto dei fattori di rischio fisiologicamente rilevanti per l'ictus, come la composizione della placca e l'emodinamica. Questo protocollo sfrutta la risonanza magnetica quantitativa e la fluidodinamica computazionale per caratterizzare la composizione e l'emodinamica della placca ICA.

La nostra ricerca valuta i fattori di rischio fisiologicamente rilevanti per l'embolia da placca e l'ictus in pazienti con stenosi dell'arteria carotide interna. In particolare, esaminiamo come la morfologia della placca e il suo ambiente emodinamico differiscono tra i pazienti con stenosi dell'arteria carotidea. Nel campo della ricerca cerebrovascolare, recenti sforzi hanno mirato a identificare i predittori di ictus nei pazienti con stenosi dell'arteria carotidea asintomatica con un'attenzione specifica ai fattori di rischio specifici del paziente, alle caratteristiche di imaging e ai parametri emodinamici, che possono essere collegati ad un aumento del rischio di ictus.

La fluidodinamica computazionale consente un'analisi non invasiva del flusso sanguigno specifica per il paziente ed è sempre più utilizzata insieme alla risonanza magnetica e al conteggio dei fotoni CTA per valutare la struttura e la composizione della placca carotidea. L'attuale risonanza magnetica è limitata da lunghi tempi di scansione, interpretazione complessa delle immagini ed errori di riposizionamento. D'altra parte, la fluidodinamica computazionale soffre di dati limitati specifici per il paziente e di una scarsa messa a punto del modello, riducendone così l'accuratezza.

Il nostro gruppo ha dimostrato che i pazienti con gradi simili di restringimento della stenosi dell'arteria carotide interna mostrano profili emodinamici distinti e che nei pazienti con stenosi bilaterale, il grado di gravità della stenosi influenza l'emodinamica e le caratteristiche del flusso di ciascun lato. E questo sottolinea davvero le complesse interazioni cerebrovascolari ed emodinamiche in questi pazienti. Per iniziare, avvia il software CRIMSON su un sistema informatico.

Importa i dati delle immagini DICOM non identificate per l'anatomia specifica del paziente in CRIMSON utilizzando il pulsante di importazione nel gestore dati. Utilizzando la finestra di modellazione geometrica, selezionare la modifica del percorso del vaso e creare un albero del vaso contenente l'arteria carotide comune, l'arteria carotide esterna e l'arteria carotide interna. Iniziare la linea centrale dell'arteria carotide comune al livello di C5 dove è stata ottenuta la forma d'onda del flusso MRI PC.

Posizionare la linea centrale dell'arteria carotide interna in modo che termini uno o due centimetri distalmente alla stenosi, facendo corrispondere la posizione della forma d'onda della risonanza magnetica PC. Quindi posizionare il punto finale della linea centrale dell'arteria carotide esterna prossimalmente ai rami del primo ordine, facendo corrispondere la posizione di acquisizione della forma d'onda della risonanza magnetica PC. Ora usa la finestra di ritaglio del recipiente per visualizzare la linea centrale e le viste della sezione trasversale perpendicolari alla linea centrale dopo aver aggiunto almeno due punti lungo ciascun recipiente.

Utilizzando la stessa finestra, aggiungere i contorni del recipiente per specificare i contorni della parete del recipiente. Il lato sinistro della finestra di ritaglio del recipiente visualizza l'immagine originale, mentre il lato destro visualizza il gradiente dell'immagine per la definizione dei contorni. Posiziona i contorni abbastanza frequentemente da catturare la curvatura del recipiente e modificare la geometria senza overfitting.

Dopo aver definito tutti i contorni, utilizzare il pulsante loft nella finestra di modellazione del contorno del recipiente per generare un modello solido tridimensionale combinato tramite loft. Utilizzare quindi la finestra di raccordo del recipiente per selezionare l'algoritmo di raccordo per il blending del modello del recipiente in un'unica geometria solida. Aprire la finestra di configurazione della mesh e del risolutore e fare clic sul pulsante di meshing per visualizzare le opzioni di meshing per configurare i parametri della mesh.

Nella finestra delle opzioni globali, impostare la dimensione globale dell'elemento su un valore assoluto compreso tra 0,5 millimetri e 0,75 millimetri. Quindi impostare il tipo di strato limite su crescita geometrica, il numero totale di strati su tre, lo spessore del primo strato su 0,2 millimetri e lo spessore totale dello strato su un millimetro. Quindi applicare l'affinamento della curvatura per aggiungere elementi mesh in corrispondenza di regioni ad alta curvatura, come la stenosi.

Fare clic con il pulsante destro del mouse sulla mesh e fare clic sul pulsante delle informazioni sulla mesh per rivedere le metriche della mesh, tra cui il numero di elementi, le proporzioni e la distribuzione. Per specificare le condizioni al contorno, fare clic sulla finestra di configurazione della mesh e del risolutore. Selezionare l'icona di configurazione del risolutore, quindi aggiungere un set di condizioni al contorno utilizzando l'icona BC.

Visualizza le condizioni al contorno attualmente disponibili in CRIMSON. Fare nuovamente clic sull'icona BC, selezionare nessuno slittamento per implementare muri rigidi e indeformabili e applicare questa opzione a tutti i muri utilizzando l'opzione Applica a tutti i muri. Quindi selezionare la velocità prescritta.

Importare la forma d'onda dell'afflusso definita in precedenza e mappare un profilo di velocità parabolica all'ingresso CCA. Allo stesso modo, importare la forma d'onda del deflusso pulsatile ECA che mappa un profilo di velocità parabolica all'uscita ECA. Ora fai clic sull'icona BC, scegli RCR e popola un modello Windkessel a tre elementi, costituito da resistenza prossimale, resistenza distale e condensatore.

Mappare l'RCR alla presa ICA in base ai calcoli specifici del paziente. Per preparare i parametri del risolutore, accedere alla finestra mesh e risolutore, fare clic sull'icona di configurazione del risolutore, quindi scegliere i parametri del risolutore. Impostare la dimensione del passo su 0,1 millisecondi per quattro cicli cardiaci, richiede un residuo a 10 alla potenza di meno quattro e la densità del sangue a 1.060 chilogrammi per metro cubo.

Utilizzare la configurazione del solutore per generare tutti i file di input della simulazione, inclusi i dati di flusso, il flusso di ingresso in ogni fase temporale, la mesh e le condizioni al contorno, la faccia su cui viene applicata ciascuna condizione al contorno, il numero del primo passaggio temporale della simulazione, i dati Windkessel a tre elementi, la pressione e la velocità in ogni punto della mesh e le istruzioni per il solutore di flusso. Aggiungere il modello di Carreau-Yasuda nel risolutore. inp e aggiungere ai file di simulazione per consentire di modellare il sangue come un fluido non newtoniano.

Ora esegui la simulazione nel riquadro fisso della finestra di configurazione del risolutore per eseguire il risolutore di flusso CRIMSON Navier-Stokes. Specificare il numero di processori nella finestra di comando. Quando il risolutore inizia a funzionare, il file di output histor.

DAT verrà stampato nella riga di comando e salvato in una nuova directory, n-procs-case. Usa il prompt di Linux per la coda di histor. dat per osservare il file in tempo reale.

La prima colonna del file corrisponde al passo temporale. La seconda colonna è il tempo trascorso. La terza colonna è il residuo non lineare e la quarta colonna è il valore residuo logaritmico.

È stata generata una mesh di alta qualità con elementi a basso rapporto d'aspetto per rappresentare accuratamente la geometria della biforcazione dell'arteria carotidea. È stato simulato un profilo di velocità rappresentativo attraverso la biforcazione carotidea e la stenosi ICA, che mostra una velocità massima del flusso di circa 275 centimetri al secondo al picco di sistole attraverso la stenosi. La mappatura della pressione ha mostrato un gradiente di pressione trascurabile attraverso la stenosi in un caso con pressioni prossimali e distali quasi sovrapposte durante il ciclo cardiaco.

In un caso di contrasto, la pressione prossimale alla stenosi era significativamente più alta della pressione distale, rivelando una notevole caduta di pressione. Lo sforzo di taglio della parete era basso attraverso la biforcazione nel modello non stenotico, specialmente nelle pareti esterne delle arterie carotidi interne ed esterne. Nel modello stenotico, l'elevato sforzo di taglio della parete era concentrato nella stenosi dell'arteria carotide interna.

La mappatura dell'indice di taglio oscillatorio ha mostrato che i valori di OSI associati alla lesione prima dell'intervento chirurgico erano inferiori rispetto ai valori postoperatori. L'imaging HU match ha identificato l'emorragia intraplacca attraverso un segnale iperintenso sull'imaging pesato in T1 e ha abbassato i valori sulla mappa T1. La placca calcificata è stata identificata da un segnale costantemente ipointenso su sangue scuro, sequenze pesate in T1 e pesate in T2.