冠動脈動脈硬化の光コヘレンス断層撮影法による生体力学的流体構造相互作用解析

アテローム性動脈硬化症は、世界的な死亡と罹患率の主要な原因の1つであり、多因子的で複雑な性質は、それに取り組むための学際的なアプローチを重要にしています。今、イメージングは黒い形態を分析するための強力なツールですが、それはまだ私たちに仕事の根本的なメカニズムの理解を与えることができません。そして、これが計算シミュレーションが登場する場所です。

流体力学の観点から、我々は、壁せん断ストレスなどの要因が内皮細胞機能およびアテローム性動脈硬化症形成に関与する新しい輸送プロセスに影響を与える可能性があることを知っている。しかし、患者の特定の力学を真に理解するために、流体構造相互作用技術、またはエピソードショートは、血流、動脈力学および一般的な心機能間の相互作用をシミュレートするために使用することができる。そして、この方法論は、光コヒレンス断層撮影から患者の冠状動脈を再構築し、バイオを機械的にシミュレートすることによって、これを行うためのアプローチを提示し、または短く、侵襲的な血管造影のためにOCT。

次に、臨床的関連性の結果と、画像診断のフォローアップとの比較についても議論しました。今、方法論の背後にある基礎は有限要素と有限体積法に基づいて構築されています。また、ここでは、商用ソフトウェアを使用してシミュレーション手法を実証していますが、ANSYSの手順は、エピソディック対応のソフトウェアやコードに適合させることができます。

ベースラインを一致させ、OCT画像をフォローアップし、分岐などの解剖学的ランドマークを使用し、最も遠位分岐に直ちに近似し、最も近位の分岐まで遠位に近い画像を使用します。これらのランドマーク間の画像は、デジタイザに最初の画像をロードし、カテーテルの中心点とスケールの制限をマークして分析する必要があります。これらのポイントを後で使用するために書き出し、すべての画像の同じ位置から始まり、できるだけ正確にルーメンの曲線をキャプチャするように、ルーメンのエッジをマークします。

再構築プロセスは後の段階でこれらの領域を補間するので、アーティファクトの上にギャップを残します。これらのファイルをデータ形式にエクスポートし、すべての画像に対してこれを繰り返します。ドットコムソフトウェアでは、外壁を高減衰領域で抽出し、外弾性膜の可視部分を使用して楕円にフィットし、外壁の位置を推定し、脂質アークを定義し、それを内腔の中心に計算し、キャップの厚さを引き出します。

これらは、ルーメン領域と共に病変の進行を分析するために使用されます。次に、これらのオーバーレイ イメージをイメージ デジタイザにインポートして、外壁ポイントを選択します。脂質選択に関して同様に、脂質表面は、あらゆる場合において脂質の同一端から始まり、画像デジタイザに第1の血管造影画像をロードし、後のステップで画像を拡大縮小するカテーテルの端を選択する。

そして、近位マーカーで始まり、等間隔のポイントで遠位に移動するカテーテルの中心線をマークします。データをエクスポートして、フォーマットを調整します。断面再構築プロセスを実行する前に、すべての画像に対してこれらの手順を繰り返します。

3D モデリング ソフトウェアでは、1 つのファイルで、一度に 1 つのファイルをインポートして生成してソリッド コンポーネントを作成し、すべてのカーブを選択して一緒にロックし、フリーズを追加を選択して新しいソリッドを生成します。今、ルーメン、脂質と外壁のためにこれらのステップを実行します。動脈壁からルーメンと脂質を差し引くには、ブール演算を作成し、ターゲットボディを壁として、脂質とルミナをツールボディとして選択します。

メッシュノードが将来のステップで共有されるようにするためには、壁と脂質の間で類型を共有することが重要です。これを行うには、壁とその脂質をハイライトし、右クリックしてパーツを作成します。動脈と脂質の材料特性を設定するには、エンジニアリングデータを入力し、動脈ドラッグ密度と呼ばれる新しい材料を追加し、5つのパラメータムーニーリバーランドモデルと、そのパラメータを設定します。

これを脂質および運動成分に対して繰り返し、内腔成分を抑制し、以前に定義された材料を動脈および脂質固形物に割り当てる。ジオメトリをメッシュ化し、物理の基本設定を非線形機械的に設定し、メッシュのサイズを指定する必要があります。ここでは、0.14ミリメートルの目標サイズでアダプティブメッシュを使用しました。

必要に応じてメッシュプリファレンスを調整して、適切なマスク単位の値を取得します。ここでは、繊維キャップなどのギャップを越えて少なくとも2〜3個のメッシュ要素を目指します。メッシュの生成には、複雑なジオメトリが原因で時間がかかる場合があります。

FSI シミュレーションでは、自動時間ステップオフを切り、サブステップを 1 つとして定義し、シミュレーション終了時間を設定します。この場合、0.8秒、システム結合我々は時間とサブステップを制御し、直接または反復的な方法のいずれかを使用するようにプログラム制御にソルバータイプを設定します。直接的なメソッドはより堅牢ですが、メモリの量が多くなります。

ニュートン参照とメソッドを完全に設定します。流体固体界面を挿入して、動脈の内壁としてシステム結合ドメインを指定する。これにより、この位置の構造と流体の間でデータが渡されます。

変位境界条件は、入口と出口で適用される X、Y、Z 方向の変位関数として入力できます。ニュートンラフト残差のソリューションタブ挿入の下でエラーのトラブルシューティングを支援します。これらは、問題のあるジオメトリやメッシュの位置を見つけるためにエラーが発生した場合に表示できます。

モデルタブを入力し、単位を確認し、動脈と脂質部分を抑制します。流体領域をリードする。メッシュメトリクスを指定してメッシュを生成し、必要に応じて歪度をチェックして調整します。

流体のソリッド相互作用が発生している領域の構造部と同様のサイズのメッシュとシェイプを使用することをお勧めします。流暢に渡される入口、出口および壁のための名前の選択を作成する。ここで、[設定]タブに入り、二重位置が有効になっていることを確認します。

ソルバ タイプを圧力ベースに設定し、時間が過渡に設定されていることを確認します。K-Ω粘性乱流モデルを有効にし、完全な応力輸送と低リサー補正を可能にします。乱流を持つ非線形粘度モデルを有効にします。

コマンド コンソールに次のコマンドを入力し、プロンプトが表示されたら yes を入力します。材料の下で、密度を入力し、粘度ドロップダウン リストから非ニュートン力則を選択して、血液の特性を定義します。コンパイル、私は一過性の血液速度と任意のエラーのコマンドラインをチェック圧力を含む定義された関数を使用しています。

次に、UVF をロードします。これらは、入口および出口に適用することができる。スムージング、再メッシュ、6 つの自由度ソルバを含むダイナミック メッシュを有効にして、拡散パラメータ 1.5 とメッシュの適切な最大スケールと最小スケールを設定します。

新しいダイナミック メッシュ ゾーンを作成し、ルーメンの壁を指定して、システム結合を選択します。これは、シミュレーションの動脈コンポーネントにデータを渡すインタフェースです。入口、出口、および内部ルーメンの成形メッシュゾーンを、メッシュスケールに適切な値で作成します。

多くの場合、負のセルボリュームエラーは、この動的メッシュに関連付けられます。したがって、必要に応じてメッシュスケールを慎重に確認し、必要に応じてメッシュスケールを調整し、圧力速度の結合が結合に設定されていることを確認し、過渡的な配合と空間離散化スキームを2次に設定します。コントロールで現在の 2 の数を入力し、モニタ タブで残余収束条件を設定します。

ここでは、連続性に 5 5 の値 1 を使用し、残りの部分ではマイナス 6 の 1 つの 8 を使用しました。ローカルの正規化されたヘリシティなどの結果に対してカスタム関数を定義するには、パラメータとカスタマイズ タブの下でカスタム関数を選択し、新しい関数を挿入します。ポップアップ ウィンドウを使用して、必要に応じて定義します。

[実行計算] タブで、時間ステップ サイズが 5 ミリ秒、反復回数が 300 のステップ数を 160 に設定します。時間統計のデータ サンプリングが有効になっていることを確認し、壁の統計情報と流れせん断応力が選択され、以前に定義したカスタム関数も選択されていることを確認します。後処理の CFD ポスト互換オプションを選択して、計算アクティビティでデータエクスポートを作成します。

別のソフトウェアで結果を処理する場合は、必要に応じてエクスポートタイプを調整します。エクスポートするすべてのリージョンと結果を選択します。最後に、ハイブリッドスキームでシミュレーションを初期化します。

両方の構造影響設定がシステムのカップリングに接続され、更新されていることを確認します。システム結合では、終了時間を 0.8 秒に設定し、タイムスタンプを 5 ミリ秒に設定します。流体と構造コンポーネントから壁面とソリッドインタフェースを選択し、伝達を編集し、収束を支援するために流体から構造物に移動する力の緩和または傾斜を調整します。

実行の準備ができたら、[更新]をクリックすると、構造収束や流体収束などのシミュレーション データ、およびそれぞれのデータ転送コンバージェンスがコンソールに出力されます。FSI シミュレーションは計算上コストが高く、このシミュレーションは 16 コアマシンで約 11 日間かかることに注意してください。ここでは、3つの重要な生体力学的結果、すなわち壁せん断応力、局所的な正規化された重合性を介した貫通流の特性、およびフォンミーゼスの有効応力の形での構造応力に焦点を当てています。

全くのストレスは、血液速度によって大きく駆動されます。しかし、ここで見ることができるように、時間平均の完全なストレスのより詳細な分析は、流れの逆転と基礎となる純粋なストレスベクトルフィールドの尺度である孤独なせん断指数は、特に単球を引き出し、プラークの成長につながる可能性のある引力領域を探すことによって、より臨床的に有益である可能性があります。我々はさらに、ヘリカル流動構造とプラーク成長との間のリンクを概念化するのに役立つ局所的な正規化された高麗度を有する内腔全体のヘリアカル流動パターンを視覚化することができる。

最後に、動脈壁のフォンミーゼス応力が高いほど、細胞機能不全または負荷の増加による損傷の領域を示唆したり、特に繊維状のキャップが薄くなったり、肩の摘み取り領域でストレスが強まるためにプラーク破裂の可能性が高い部位を示唆したりする可能性があります。また、ストレスは、近位繊維状キャップの動脈の曲げと収縮によって駆動されることがわかります。蒸留ストレスは血圧によって駆動されるのに対し、我々の結果、FSIシミュレーションは捕獲するために一意に配置される。

フォローアップイメージングとの比較を通じて。我々は、動脈の遠位領域における内腔領域の減少を見て、これはまた、全液体アークの増加に関連しており、病変進行を示唆している。これに対し、近位領域は内腔領域において小さな減少を見ているが、繊維状のキャップ厚さの大幅な減少は、より脆弱な表現型への移行を示唆している。

これらの領域、進行または回帰は、戦争せん断応力、内流れおよび構造応力のパターンを分析することによって、ベースラインFSIシミュレーションと比較することができます。さて、この方法論は単一のケースに提示されます。より大きなデータセットに関する分析を取得して、相関関係の統計的有意性を決定します。

私たちがこの方法論が役立つことを願っています。この方法では、流体構造相互作用技術を用いて、患者の冠状動脈を再構築し、機械的にシミュレートするステップを説明しました。我々は、10月から内腔、脂質及び外壁を抽出し、三次元形状を再現するプロセスを、メッシュ作成、境界条件および系結合ドメインの設定のプロセスを記述する前に説明した。

最後に、シミュレーションと後処理の結果を実行します。私たちの全ストレス内流れ特性の翻訳、および臨床平均に対する動脈の構造的応答は、FSIベースのバイオメカニクスとの病変進行の観点からも議論され、患者の現在の状態と予後のより完全な画像を提示する可能性を示した。現在、FSIはまだ非常に開発中で計算上高価な方法ですが、この方法論を記述するプロセスをさらに構築し、アテローム性動脈硬化症の進行を取り巻く臨床的意思決定を支援するために使用できると考えています。