인간 관상동맥의 생체 내 기계적 특성을 정량화하기 위한 혈관 내 초음파 이미지 기반 유한 요소 모델링 접근 방식

요약

생체 내 cine 혈관 내 초음파 이미지는 다양한 압력 부하 조건에 해당하는 관상 동맥 단면 움직임을 보여줍니다. 유한 요소 모델을 기반으로 반복 계획을 사용하여 계산 모델과 의료 이미지의 관상 동맥 움직임을 일치시켜 생체 내에서 관상 동맥의 환자 특정 기계적 특성을 결정했습니다.

초록

관상동맥벽의 기계적 특성을 정량화하면 관상동맥 질환의 진단, 관리 및 치료에 의미 있는 정보를 제공할 수 있습니다. 지속적인 모니터링이 필요한 환자를 위한 환자 맞춤형 관상동맥 샘플이 없기 때문에 혈관 재료 특성에 대한 직접적인 실험적 테스트가 불가능합니다. 현재 관상동맥 모델은 일반적으로 사용 가능한 문헌의 재료 매개변수를 사용하므로 상당한 기계적 응력/변형률 계산 오류가 발생합니다. 여기에서는 의료 이미지를 기반으로 관상동맥의 환자별 생체 내 재료 특성을 정량화하기 위해 FEMBUA(Finite Element Model-Based Updating Approach)를 소개합니다. 관상동맥 질환 환자로부터 관상동맥의 체내 시네 혈관내 초음파(IVUS) 및 가상 조직학(VH)-IVUS 이미지를 획득했습니다. 하나의 심장 주기에 걸친 혈관 움직임을 보여주는 Cine IVUS 이미지를 분할하고, 수축기 및 이완기 압력 조건에서 관상동맥 기하학을 나타내기 위해 각각 최대 및 최소 내강 둘레를 가진 두 개의 IVUS 프레임을 선택했습니다. VH-IVUS 이미지도 분할하여 혈관 윤곽을 얻었고, 관상동맥 기하학을 재구성하기 위해 VH-IVUS 윤곽에 0.05cm의 층 두께를 추가했습니다. 계산 유한 요소 모델은 관상 동맥 내강 표면에 규정된 혈관의 기계적 특성과 박동 혈압 상태를 설명하는 데 사용되는 이방성 Mooney-Rivlin 재료 모델을 사용하여 생성되어 관상 동맥 내강 표면을 수축 및 팽창하게 합니다. 그런 다음 계산 유한 요소 모델의 최소 및 최대 루멘 둘레를 cine IVUS 이미지의 둘레와 일치시켜 이방성 Mooney-Rivlin 모델의 재료 매개변수를 결정하기 위해 반복적인 업데이트 접근 방식을 사용했습니다. 이 이미지 기반 유한 요소 모델 기반 업데이트 접근 방식은 다양한 혈관층에서 동맥 벽의 재료 특성을 결정하기 위해 성공적으로 확장될 수 있으며 심혈관 질환의 위험 평가 가능성을 보유하고 있습니다.

서론

관상동맥질환(CAD)은 사망률과 이환율의 주요 원인 중 하나로, 2019년 전 세계적으로 914만 명 이상이 사망했습니다 ^1,2. 죽상동맥경화증(atherosclerosis) 및 협착증(stenosis)과 같은 관상동맥질환의 발병은 종종 기계적 힘의 변화와 혈관벽 재료 특성의 변화를 동반한다³. 관상동맥의 물질적 특성은 생리적 부하에 대한 기계적 반응을 결정하는 초석일 뿐만 아니라 혈관의 기계적 거동을 시뮬레이션하고, 죽상경화성 병변의 발달을 예측하고, 다양한 의료기기의 치료 효과를 평가하는 핵심 요소이기도 합니다 ^4,5. 결과적으로, 관상동맥 물질 특성에 대한 심층적인 이해와 정확한 정량화는 조기 질병 진단, 정밀 의학 및 예후 평가에 가장 중요한 가치를 지닙니다⁶.

평면 이축 테스트, 압흔 테스트, 인플레이션 확장 및 단축 확장 테스트와 같은 분리된 관상 동맥 조직의 기계적 실험은

프로토콜

in vivo IVUS 이미지 및 혈압 데이터를 포함한 비식별화된 임상 데이터는 정보에 입각한 동의를 얻은 상태에서 Southeast University의 Zhongda Hospital의 CAD 환자로부터 획득했습니다. 샘플 환자는 환자 특이적 관상동맥 혈관의 재료 특성을 정량화하는 방법을 입증하기 위해 중간 관상동맥경화성 병변에 대한 임상 연구의 환자 풀에서 선택되었습니다¹⁴. 본 연구는 동남대학교 중다병원 임상연구윤리위원회(Clinical Research Ethics Committee)에서 승인한 프로토콜(승인번호: 2017ZDSYLL023-p01)에 따라 수행되었다.

1. 데이터 수집 및 처리

1. Cine IVUS 및 VH-IVUS 이미지 획득
   1. 관상동맥 혈관 조영술의 안내에 따라 IVUS 카테터를 죽상경화성 병변 원위부에 배치하고 근위부로 다시 당깁니다. 그 과정에서 회색조 IVUS 이미지를 생성하여 관상동맥 혈관의 단면을 시각화할 수 있습니다.
   2. 고성능 20MHz, 2.9F 백금 카테터가 장착된 IVUS 이미징 시스템을 사용하여 CAD가 있는 환자로부터 죽상경화성 플라크가 있는 관상동맥 분절의 IVUS ....

결과

실시간 IVUS 이미징 후 관상동맥 플라크의 신속한 플라크 재료 및 응력 분석을 가능하게 하고 플라크의 생체 내 재료 특성 및 생체 역학적 결과를 결정할 수 있는 FEMBUA 방법에 대해 자세히 설명합니다. 이 관상동맥 혈관에 대한 Mooney-Rivlin 재료 모델의 생체 내 재료 매개변수는 표 1에 나와 있습니다. 관상동맥 혈관의 응력/변형률 분포를 포함한 유한 요소 모델의 시뮬레이션 결과는 그림 8에 표시되어 있습니다. 그 결과를 상세히 분석하면 다음과 같다.

전체 프로세스를 완료하고 cine IVUS 및 VH-IVUS 이미지 분할, 계산 FE 모델 구성, 재료 특성을 정량화하기 위한 반복 절차 실행을 포함하여 이 관상동맥 혈관에 대한 생체 내 재료 매개변수를 얻는 데 약 2시간이 걸립니다. 이 방법은 높은 적시성으로 신속한 임상 검사의 요구 .......

토론

프로토콜의 중요한 단계
유한 요소 모델 기반 업데이트 접근 방식에서 가장 중요한 단계는 반복 절차에 있습니다. 이 접근법에서 유한 요소 모델은 in vivo cine IVUS 이미지에서 혈관 단면의 관상동맥 혈관 움직임을 정확하게 복구해야 합니다. 이를 위해 본 연구에서는 유한 요소 모델과 생체 내 이미지 간의 루멘 둘레 차이를 최소화하여 적절한 재료 특성을 찾는 방법을 채택했습니다. 프로토콜에는 이미지 분할 및 처리, 유한 요소 모델 구성, 관상 동맥 혈관 재료 특성을 정량화하기 위한 반복 계획을 포함한 다른 주요 단계가 있었습니다. 개선 사항은 시간을 절약하기 위해 관상 동맥 플라크 구성 요소의 자동 묘사를 구현하는 것이었습니다.

유한 요소 모델링 기반 업데이트 접근 방식의 중요성
고전적으로 일축/이축 인장 시험,.......

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
Bee DICOM 뷰어	시노유니온 헬스케어	버전 3.5.1	DICOM 이미지 리더 소프트웨어
ADINA	아디나 R & D	버전 9.0	유한 요소 솔버
ImageJ	미국 국립보건원(National Institutes of Health		세그먼트 IVUS 윤곽
MATLAB	MathWorks	버전 R2018a	상용 프로그래밍 플랫폼
Volcano s5 이미징 시스템	Volcano Company		혈관 내 초음파 이미징 시스템

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