방법 논문

관상 동맥 경화증 진행의 광학 일관성 단층 촬영 기반 생체 역학 유체 구조 상호 작용 분석

DOI:

10.3791/62933

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2022년 1월 15일

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Mechanical Engineering, University of Adelaide, 2South Australian Health and Medical Research Institute (SAHMRI), 3Vascular Research Centre, Lifelong Health Theme, South Australian Health and Medical Research Institute (SAHMRI), 4Monash Cardiovascular Research Centre, 5Adelaide Medical School, University of Adelaide, 6Department of Cardiology, Central Adelaide Local Health Network

이 논문에서

요약

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심근 경색이 발생하기 전에 개입을 안내하기 위해 관상 동맥 경화성 병변이 관상 동맥 혈관에서 진행될 지 결정할 필요가 있습니다. 이 문서에서는 이러한 진행을 예측하는 데 도움이 되는 상용 유한 요소 솔버에서 유체 구조 상호 작용 기술을 사용하여 광학 일관성 단층 촬영에서 동맥의 생체 역학 모델링을 설명합니다.

초록

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이 논문에서는 관상 동맥 경화성 플라크의 생물역학적 분석을 위한 완전한 워크플로우를 관상 동맥 혈관에 제시합니다. 죽상 동맥 경화증은 글로벌 사망, 이환율 및 경제적 부담의 주요 원인 중 하나로서, 그 진행을 분석하고 예측하는 새로운 방법이 필요합니다. 이러한 계산 방법 중 하나는 혈류와 동맥/플라크 도메인 간의 상호 작용을 분석하기 위해 유체 구조 상호작용(FSI)을 사용하는 것이다. 생체 내 이미징과 결합하여, 이 접근법은 안정하고 불안정한 플라크 사이 분화를 돕는 각 환자에 맞추어 서 서 수 있었습니다. 우리는 3 차원 재건 과정을 설명, 내트라바스 광학 일관성 단층 촬영 (OCT) 및 침습 관상 동맥 혈관 조영술 (ICA)를 사용하는. 동맥의 3차원 모션을 복제하는 것을 포함하여 시뮬레이션에 대한 경계 조건의 추출은 상업적 유한 요소 솔버에서 설정 및 분석이 수행되기 전에 논의된다. 동맥 벽과 맥동 혈액 속도/압력의 고선형 초탄성 특성을 설명하는 절차는 두 도메인 간의 시스템 결합을 설정하는 것과 함께 설명됩니다. 우리는 심근 경색 다음 환자에서 비 범인, 약간 스테노틱, 지질이 풍부한 플라크를 분석하여 절차를 시연합니다. 벽 전단 응력 및 국소 정상화 헬리콥터와 같은 동맥 경화성 플라크 진행과 관련된 확립 및 신흥 마커는 동맥 벽 및 플라크의 구조적 반응과 각각 논의되고 관련된다. 마지막으로, 우리는 결과를 잠재적인 임상 관련성으로 번역하고, 한계를 논의하고, 추가 개발을 위한 영역을 간략하게 설명합니다. 이 논문에 설명된 방법은 죽상 경화성 진행의 위험한 상태에 있는 사이트의 결정에 원조에 대한 약속을 보여주고, 따라서, 죽상 동맥 경화증의 중요한 죽음, 이환율 및 경제적 부담을 관리하는 데 도움이 될 수 있습니다.

서론

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관상 동맥 질환 (CAD)은 심장 질환의 가장 흔한 유형과 전 세계적으로 사망과 경제적 부담의 주요 원인 중 하나입니다1,2. 미국에서는 8명의 사망자 중 약 1명이 CAD3,4에기인하며, CAD의 전 세계 사망자수는 현재 저소득 및 중소득 국가에서5. 죽상 동맥 경화증은 관상 동맥 폐색 및 급성 심근 경색 (AMI)6로이어지는 플라크 파열 또는 침식과 함께 이러한 사망의 주요 동인이다. 범인 관상 동맥 병변의 개정 후에도 환자는 AMI 후 재발하는 주요 불리한 심혈관 질환(MACE)의 상당한 위험이 있으며, 이는파열7에취약한 다른 비범범상 플라크의 수반되는 존재때문이다. 내관 화상 진찰은 이 고위험 플라크8을검출할 기회를 제공합니다. 내래 초음파(IVUS)는 플라크 볼륨을 평가하기 위한 금본위제이지만, 광학 일관성 단층 촬영(OCT)의 고해상도(10-20 μm)와 는 대조적으로 취약한 플라크의 미세 구조적 특징을 ....

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프로토콜

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다음 의 식별된 데이터는 진행 중인 COCOMO-ACS 무작위 대조 예심으로 모집된 환자로부터 분석되었다(ACTRN12618000809235; 로얄 애들레이드 병원 HREC 참조 번호: HREC/17/RAH/366), 생물 기계 시뮬레이션을 목적으로 중앙 애들레이드 지역 보건 네트워크 (CALHN) 연구 서비스에 의해 부여 된 추가 윤리 승인 (CALHN 참조 번호 14179). 그림 1은 다음 프로토콜에 설명된 전체 워크플로우를 요약하여 모든 FSI 지원 소프트웨어 또는 코드에 적용할 수 있습니다.

1. 이미지 평가

  1. 분기와 같은 해부학적 랜드마크를 사용하여 가장 근해 양면에 대한 황실 분기 및 단면에 즉시 근접한 이미지를 사용하여 기준선과 OCT 후속 이미지를 일치시합니다. 그림 2A에설명된 대로 이러한 랜드마크 간의 일치된 이미지를 분석해야 합니다.
  2. OCT 루멘 단면
    1. 각 OCT 이미지를 이미지 디지타이저에 로드하고 클릭하여 카테터 중심점과 스케일의한계(그림 2B)의점을 표시합니다. 나중에 사용할 이러한....

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결과

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대표적인 결과는 죽상 경화증 진행의 확립및 신흥 생체 역학 마커 둘 다에 대해 제시됩니다. WSS 및 WSS 파생 결과(시간 평균 벽 전단 응력(TAWSS) 및 진동 전단 지수(OSI)와 같은 확립된 메트릭이 도 10에서시각화됩니다. 심장 주기에 걸쳐 벽 전단 응력은 주로 혈액 속도에 의해 구동되지만 동맥 기하학과 움직임 / 수축은 공간 분포에서 중요한 역할을합니다. 이는 TAWSS 및 OSI 윤곽에서 볼 수 있으며, OSI는 동맥 경화증 형성과 관련이 있는 흐름 재순환의 척도입니다. 이러한 변화는 협착/굽힘 및 동맥 형상의 복잡한 특성을 대표합니다. 입구 와 콘센트 근처의 결과는 경계 조건에 의해 크게 영향을 받을 수 있기 때문에 무시해야 합니다. WSS를 스컬러 값으로 잘 연구했지만, 확장값과 방향을 모두 제시하는 기본 벡터 필드는 훨씬 덜 주의를 기울였습니다. 여기서 벽 전단 응력 벡터 필드는 그림 11에표시되며, 영.......

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토론

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관상 동맥 생체 역학을 분석하기 위해 FSI 방법을 사용하는 것은 여전히 수치 모델링 및 임상 결과 측면에서 개발 분야입니다. 여기서 우리는 OCT 및 혈관 화상 진찰을 활용하여 유한 요소/유한 볼륨 방법에 기초하여 환자 특정 FSI 분석을 설정하는 개요를 설명했습니다. 여기서 설명하는 방법은 상용 유한 요소 솔버를 사용하지만, 절차는 모든 FSI 유능한 소프트웨어에 적용 될 수 있습니다. 방법론에서 개선해야 할 몇 가지 제한사항이 여전히 있습니다. 첫째, 우리는 단일 환자에 대한 대표 적 결과를 제시하는 한계를 인정합니다. 그러나, 우리는 제시된 방법론이 미래에 더 큰 집단에 개발되고 적용될 수 있기를 바라며 동맥의 생물 기계식 FSI 시뮬레이션 과정을 더 잘 설명하기 위해 현재 프로토콜을 제시합니다. 더욱이, 영상 분석 단계에서 설명된 대부분의 공정은 매뉴얼이며, 루멘, 지질 및 외벽을 분할할 때 잠재적인 인터옵저버 가변성을 도입한다. 이러한프로세스(55)를 자동화하거나 기준선과 후.......

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공개 사항

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저자는 이 문서의 준비에 대해 선언할 충돌이 없습니다. S.J.N.은 아스트라제네카, 암젠, 안테라, 엘리 릴리, 에스페리온, 노바티스로부터 연구 지원을 받았습니다. 세레니스, 의약품 회사, 레스버로기스, 인프라리드, 로슈, 사노피-레제네론, 리포사이언스 컨설턴트로 아스트라제네카, 악체아, 엘리 릴리, 안테라, 코와, 옴테라, 머크, 다케다, 레스버클리스, 사노피 레제네론, CSL 베링, P.J.P.는 애보트 혈관, 암젠과 에스페리온의 컨설팅 비용, 아스트라제네카, 바이엘, 보링거 잉겔하임, 머크 셰링-플로우, 화이자로부터 연구 지원을 받았습니다.

감사의 글

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저자는 애들레이드 대학, 로얄 애들레이드 병원 (RAH) 및 남호주 건강 및 의학 연구소 (SAHMRI)에 의해 제공 된 지원을 인정하고 싶습니다. COCOMO-ACS 임상시험은 호주의 국립 보건 의료 연구 위원회 (NHMRC)와 호주 국립 심장 재단 (ID101370)의 프로젝트 보조금에 의해 투자 된 조사자 시작 연구입니다. H.J.C는 웨스트팩 학자 신탁(미래 지도자 장학금)의 장학금을 지원하며 애들레이드 대학교, 기계 공학 학교 및 교육, 기술 및 고용 연구 교육 프로그램(RTP) 장학금의 지원을 받고 있습니다. S.J.N.은 NHMRC(ID1111630)로부터 수석 연구 펠로우십을 받습니다. P.J.P.는 호주 국립 심장 재단(FLF102056)과 NHMRC(CDF1161506)로부터 레벨 2 미래 지도자 펠로우십을 받습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
ANSYS Workbench (버전 19.0)ANSYS상용 유한 요소 솔버
MATLAB (버전 2019b)Mathworks상용 프로그래밍 플랫폼
MicroDicom/ImageJMicroDicom/ImageJ오픈 소스 DICOM 리더
Visual Studio (버전 2019)Microsoft상용 통합 개발 환경

참고문헌

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  1. American Heart Association. Cardiovascular disease: A costly burden for America projections through 2035. American Heart Association. , (2017).
  2. Gheorghe, A., et al. The economic burden of cardiovascular disea....

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재인쇄 및 허가

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