In vivo Cine Invascular 超音波画像は、さまざまな圧力負荷条件に対応する冠動脈断面の動きを示しています。有限要素モデルに基づいて、反復スキームを使用して、計算モデルと医用画像からの冠状動脈の動きを一致させることにより、 in vivo で冠状動脈の患者固有の機械的特性を決定しました。
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方法論記事
ヒト冠動脈のin vivo機械的特性を定量化するための血管内超音波画像ベース有限要素モデリングアプローチ
* These authors contributed equally
この記事について
サマリー
要約
冠動脈壁の機械的特性を定量化することで、冠動脈疾患の診断、管理、治療に有意義な情報を提供できる可能性があります。継続的なモニタリングが必要な患者には、患者固有の冠状動脈サンプルが利用できないため、血管の材料特性を直接実験的に試験することは不可能になります。現在の冠動脈モデルでは、通常、入手可能な文献からの材料パラメータが使用されるため、大きな機械的応力/ひずみ計算エラーが発生します。ここでは、医用画像に基づいて冠動脈の患者特異的な in vivo 材料特性を定量化するための有限要素モデルベース更新アプローチ(FEMBUA)を紹介します。冠動脈の in vivo シネ血管内超音波 (IVUS) および仮想組織学 (VH)-IVUS の冠動脈の画像は、冠動脈疾患の患者から取得されました。1 つの心周期にわたる血管の動きを示す Cine IVUS 画像をセグメント化し、収縮期および拡張期の圧力条件下での冠状動脈の形状を表すために、最大ルーメン周囲長と最小ルーメン円周を持つ 2 つの IVUS フレームを選択しました。また、VH-IVUS画像をセグメント化して血管の輪郭を取得し、VH-IVUSの輪郭に0.05cmの層厚を加えて冠状動脈の形状を再構築しました。異方性Mooney-Rivlin材料モデルを使用して、血管の機械的特性と冠状動脈管腔表面に規定された脈動性血圧条件を記述して、収縮と拡張を行うための計算有限要素モデルを作成しました。次に、反復的な更新アプローチを使用して、計算有限要素モデルの最小ルーメン円周と最大ルーメン円周をCINE IVUS画像からの最小ルーメン円周と最大ルーメン円周を一致させることにより、異方性Mooney-Rivlinモデルの材料パラメータを決定しました。この画像ベースの有限要素モデルベースの更新アプローチは、さまざまな血管床の動脈壁の材料特性を決定するためにうまく拡張でき、心血管疾患のリスク評価の可能性を秘めています。
概要
冠動脈疾患(CAD)は、死亡率と罹患率の主要な原因の1つであり、2019年には世界で914万人以上が死亡しています1,2。アテローム性動脈硬化症や狭窄症などの冠動脈疾患の発症は、しばしば機械的な力の変化や血管壁の材料特性の変化を伴います3。冠状動脈の材料特性は、生理学的負荷に対する機械的応答を決定するための基礎であるだけでなく、血管の機械的挙動をシミュレートし、アテローム性動脈硬化性病変の発症を予測し、さまざまな医療機器の治療効果を評価するための重要な要素でもあります4,5.したがって、冠状動脈材料特性の深い理解と正確な定量化は、早期疾患診断、精密医療、および予後評価にとって最も重要な価値を保持しています6。
平面二軸試験、インデンテーション試験、インフレーション伸長試験、一軸伸展試験など、単離された冠状動脈組織の機械的実験は、冠状血管壁の機械的特性をex vivoで定量化するための一般的なアプローチです7,....
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プロトコル
in vivo IVUS画像や血圧データなどの匿名化された臨床データは、インフォームドコンセントを得て、東南大学中大病院のCAD患者から取得されました。サンプル患者は、患者特異的な冠状動脈血管の材料特性を定量化する方法を実証するために、中間冠状動脈アテローム性動脈硬化性病変に関する臨床研究の患者プールから選択された14。この研究は、東南大学中大病院の臨床研究倫理委員会によって承認されたプロトコル (承認番号: 2017ZDSYLL023-p01) に従って実施されました。
1. データの取得と処理
- Cine IVUSおよびVH-IVUS画像取得
- 冠動脈造影のガイダンスを使用して、IVUSカテーテルをアテローム性動脈硬化病変の遠位に配置し、近位側に引き戻します。途中でグレースケールIVUS画像を生成し、冠状血管の断面を視覚化します。
- 高性能な20MHz、2.9Fプラチナカテーテルを搭載したIVUSイメージングシステムを使用して、CADで患者からアテローム性動脈硬化性プラークを伴う冠動脈セグメントのIVUS画像を取得します(図1)。
- IVUS 画像取得中に、事前に選択した病変部位でカテーテルを約 2 秒間一時停止して、シネ IVUS と呼ばれる一....
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結果
FEMBUA法について詳細に説明し、リアルタイムIVUSイメージング後の冠状動脈プラークの迅速なプラーク材料および応力分析を可能にし、プラークの in vivo 材料特性および生体力学的結果を決定できる。この冠状血管のMooney-Rivlin材料モデルの in vivo 材料パラメータを 表1に示します。冠状血管内の応力 / ひずみ分布を含む有限要素モデルのシミュレーション結果を 図 8にプロットします。結果の詳細な分析は以下の通りです。
この冠状血管の全プロセスを完了し、Cine IVUSおよびVH-IVUSの画像セグメンテーション、計算FEモデルの構築、材料特性を定量化するための反復手順の実行など、この冠状血管の in vivo 材料パラメータを取得するのに約2時間かかります。この方法は、迅速な臨床検査の要件を高い適時性で満たすことができます。
この冠状血管では、FEMBUA.......
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ディスカッション
プロトコルの重要なステップ
有限要素モデルベースの更新アプローチで最も重要なステップは、反復手順にあります。このアプローチでは、有限要素モデルは、 in vivo CINE IVUS 画像から血管断面積上の冠状血管の動きを正確に回復する必要があります。この目的のために、本研究では、有限要素モデルと in vivo 画像との間のルーメン円周差を最小化することを採用し、適切な材料特性を見つけました。プロトコルには、画像のセグメンテーションと処理、有限要素モデルの構築、冠動脈血管の材料特性を定量化するための反復スキームなど、他の重要なステップがありました。改善点は、時間を節約するために冠状動脈プラークコンポーネントの自動描写を実装することでした。
有限要素モデリングに基づく更新アプローチの意義
古典的には、一軸/二軸引張試験、インデンテーション試験、圧力膨張試験などの機械的実験が行われ、生体外で
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開示事項
著者は、利益相反を宣言しません。
謝辞
本研究の一部は、山東省医療健康科学技術プロジェクト(第202425020256号、第202403010254号)、中国国家自然科学基金会の助成金11972117および11802060、江蘇省自然科学基金会(助成金番号BK20180352)、山東省自然科学基金会(助成金番号ZR2024QA110)の支援を受けて行われました。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Bee DICOMビューア | シノユニオンヘルスケア株式会社 | バージョン3.5.1 | DICOMイメージリーダーソフトウェア |
| ADINA | アディナR&D | バージョン9.0 | 有限要素ソル |
| バーImageJ | 米国国立衛生 | セグメント化されたIVUS等高線MATLAB | |
| MathWorks | バージョンR2018a | 商用プログラミングプラットフォーム | |
| Volcano s5イメージングシステム | VolcanoCompany | 血管内超音波イメージングシステム |
参考文献
- Roth, G. A., et al. Global burden of cardiovascular diseases and risk factors, 1990-2019: update from the GBD 2019 study. J Am Coll Cardiol. 76 (25), 2982-3021 (2020).
- Kanwar, S. S., et al. Acute coronary syndromes without coronary....
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再版と許可
