Optische coherentie Tomografie gebaseerde biomechanische vloeistofstructuur interactie analyse van coronaire atherosclerose progressie

Atherosclerose is een van de belangrijkste oorzaken van wereldwijde dood en morbiditeit, en de multifactoriële en complexe aard maakt een multidisciplinaire aanpak belangrijk. Nu is beeldvorming een krachtig hulpmiddel om zwarte morfologie te analyseren, maar het kan ons nog geen inzicht geven in de onderliggende mechanismen van werk. En dit is waar computationele simulatie om de hoek komt kijken.

Vanuit het oogpunt van vloeistofdynamica weten we dat factoren zoals wandschuifstress in de bloedstroom van het dootheel en nieuwe transportprocessen die betrokken zijn bij de vorming van atherosclerose kunnen beïnvloeden. Maar om de specifieke mechanica van de patiënt echt te begrijpen, kunnen vloeistofstructuurinteractietechnieken, of episodisch kort, worden gebruikt om de interactie tussen bloedstroom, slagadermechanica en algemene hartfunctie te simuleren. En deze methodologie presenteert een aanpak om precies dit te doen, door de kransslagader van een patiënt te reconstrueren en biomechanisch te simuleren uit optische coherentietomografie, of kortweg OCT, en invasieve angiografie.

Vervolgens bespraken we ook de klinische relevantieresultaten en de vergelijkingen voor follow-up beeldvorming. Nu zijn de fundamenten achter de methodologie gebouwd op de eindige elementen en eindige volumemethoden. En terwijl we hier de simulatiemethode demonstreren met behulp van de commerciële software, kan de ANSYS-procedure worden aangepast aan elke episodische software of codes.

Match baseline en follow-up OCT-beelden, met behulp van anatomische oriëntatiepunten, zoals bifurcaties en met behulp van beelden die onmiddellijk proximaal beginnen met de meest distale bifurcatie en distale tot de meest proximale bifurcatie. De beelden tussen deze oriëntatiepunten moeten worden geanalyseerd Laad de eerste afbeelding in de digitizer en markeer de middelpunten en limieten van de katheter voor de schaal. Exporteer deze punten om later te gebruiken, markeer de rand van het lumen, begin vanaf dezelfde locatie in elke afbeelding en zorg ervoor dat u de rondingen van het lumen zo nauwkeurig mogelijk vastlegt.

Laat een gat over de artefacten, omdat het reconstructieproces in een later stadium in deze regio's zal interpoleren. Exporteer deze bestanden naar een gegevensindeling en herhaal dit voor elke afbeelding. Extraheer in uw dot-com-software de buitenwand in gebieden met hoge demping, door zichtbare delen van het buitenste elastische membraan te gebruiken om in een ellips te passen, om de locatie van de buitenwand te schatten, definieer de lipideboog, bereken deze tot het lumen centroïde en pluk de dikte van de dop.

Deze zullen worden gebruikt om de progressie van laesies samen met het lumengebied te analyseren. Importeer vervolgens deze over elkaar heen gelegde afbeeldingen in de beelddigitalisator om de buitenste wandpunten te selecteren. Evenzo voor de lipiden selecteren, het lipideoppervlak, beginnend met hetzelfde uiteinde van het lipide in elk geval, Laad het eerste angiografische beeld in de beelddigitalisator, selecteer de randen van de katheter om het beeld in latere stappen te schalen.

En markeer vervolgens de centrale lijn van de katheter die begint met de proximale marker en distaal beweegt met gelijkmatig verdeelde punten. Exporteer de gegevens om het formaat aan te passen. Herhaal deze stappen voor elke afbeelding voordat u het reconstructieproces van de dwarsdoorsnede uitvoert.

Importeer en genereer in een 3D-modelleringssoftware de doorsneden, één bestand tegelijk, om een solide component te maken, selecteer alle curven en vergrendel ze samen, zodat add frozen wordt geselecteerd om een nieuwe vaste stof te genereren. Voer nu deze stappen uit voor het lumen, lipiden en de buitenwand. Om het lumen en de lipiden van de slagaderwand af te trekken, maakt u een Booleaanse bewerking en kiest u het doellichaam als de muur en de lipiden en lumina als het gereedschapslichaam.

Het is belangrijk om typologie tussen de muur en lipiden te delen om ervoor te zorgen dat mesh-knooppunten in toekomstige stappen worden gedeeld. Om dit te doen, markeert u de muur en hun lipiden en klikt u met de rechtermuisknop om een onderdeel te maken. Om de materiaaleigenschappen voor de slagader en lipide in te stellen, voert u technische gegevens in en voegt u een nieuw materiaal toe dat slagaderweerstandsdichtheid en het vijf parameter Mooney Riverland-model wordt genoemd en stelt u hun parameters in.

Herhaal dit voor de lipide en de motorische component, onderdruk de lumencomponent en wijs de eerder gedefinieerde materialen toe aan de slagader en lipide vaste stoffen. De geometrie moet nu worden vermaasd, de fysicavoorkeur instellen op niet-lineair mechanisch en de maaswijdte specificeren. Hier hebben we adaptieve meshing gebruikt met de doelgrootte van 0,14 millimeter.

Pas de netvoorkeuren indien nodig aan om redelijke maskereenheidswaarden te verkrijgen. Hier streven we naar ten minste twee tot drie mesh-elementen over openingen, zoals de vezelige dop. Het genereren van het gaas kan enige tijd duren vanwege de complexe geometrie.

Voor FSI-simulaties schakelt u de automatische tijdstap uit en definieert u een substap als één en stelt u de eindtijd van de simulatie in. In dit geval 0,8 seconden, systeemkoppeling regelen we de tijd en substappen, stellen we het oplossertype in op programmabesturing om de directe of iteratieve methode te gebruiken. Directe methoden zijn robuuster, maar gebruiken aanzienlijk meer geheugen.

Stel de Newton refs en methode in op volledig. Geef het systeemkoppelingsdomein op als de binnenwand van de slagader door een vloeistofinterface in te voegen. Dit zal gegevens doorgeven tussen de structuur en vloeistof op deze locatie.

De verplaatsingsgrenscondities kunnen worden ingevoerd als een verplaatsingsfunctie in de richting X, Y en Z, toegepast op de inlaat en uitlaten. Om te helpen bij het oplossen van fouten onder het tabblad Oplossing invoegen voor Newton vlotten resten. Deze kunnen worden bekeken als er fouten optreden om de lastige geometrie of mesh-locaties te vinden.

Ga naar het modeltabblad, controleer de eenheden en onderdruk het slagader- en lipidegedeelte. Het leiden van het vloeibare domein. Geef de netstatistieken op en genereer het net, controleer de scheefheid en pas indien nodig aan.

Het is een goede gewoonte om een maaswijdte en vorm van vergelijkbare grootte te gebruiken als in het structurele deel op de gebieden waar de interactie tussen vloeibare vaste stoffen plaatsvindt. Maak naamselecties voor de inlaat, uitlaat en wand, om vloeiend te worden doorgegeven. Ga nu naar het tabblad Setup en zorg ervoor dat dubbele positie is ingeschakeld.

Stel het oplossertype in op drukgebaseerd en zorg ervoor dat de tijd is ingesteld op voorbijgaand. Schakel het K-Omega viskeuze turbulentiemodel in en maak pure stresstransport en low-re correcties mogelijk. Om niet-lineaire viscositeitsmodellen met turbulentie mogelijk te maken.

Voer de volgende opdracht in de opdrachtconsole in en voer ja in wanneer daarom wordt gevraagd. Definieer nu onder materiaal de bloedeigenschappen door dichtheid in te voeren en de niet-Newtoniaanse machtswet te selecteren uit de vervolgkeuzelijst met viscositeiten. Compileren, ik gebruik een gedefinieerde functie, met daarin de voorbijgaande bloedsnelheid en druk die de opdrachtregel controleert op eventuele fouten.

Laad nu de UVF. Deze kunnen worden aangebracht op de inlaat en uitlaat. Schakel het dynamische net in, inclusief gladstrijken, opnieuw meshen en de zes vrijheidsgraden solver, waarbij de diffusieparameter 1.5 en de juiste maximale en minimale schalen voor uw mesh worden ingesteld.

Maak een nieuwe dynamische mesh-zone, geef de wand van het lumen op en selecteer systeemkoppeling. Dit is de interface om gegevens door te geven aan de slagadercomponent van de simulatie. Maak de vormende gaaszones voor de inlaat, uitlaat en binnenlumen met de juiste waarden voor de maasschaal.

Vaak worden negatieve celvolumefouten geassocieerd met dit dynamische net. Controleer dus zorgvuldig en pas indien nodig de maasweegschalen aan, voor elke regio, zorg ervoor dat de druksnelheidskoppeling is ingesteld om te koppelen en stel de voorbijgaande formulering en ruimtelijke discretisatieschema's in op de tweede orde. Voer in besturingselementen een huidig aantal van twee in en stel de resterende convergentiecriteria in op het tabblad Monitors.

Hier hebben we de waarde van 1 hier gebruikt voor de 5 vijf voor continuïteit en een acht van de min zes voor de rest. Als u een aangepaste functie wilt definiëren voor resultaten zoals lokale genormaliseerde helicity, selecteert u aangepaste functies onder het tabblad Parameters en aanpassing en voegt u een nieuwe functie in. Gebruik het pop-upvenster om te definiëren wat nodig is.

Stel op het tabblad Berekening uitvoeren het aantal stappen in op 160 met een tijdstapgrootte van vijf milliseconden en een aantal iteraties op 300. Controleer of de gegevensbemonstering voor tijdstatistieken is ingeschakeld en zorg ervoor dat wandstatistieken en stromingsschuifspanningen zijn geselecteerd, evenals onze eerder gedefinieerde aangepaste functie. Maak een gegevensexport in berekeningsactiviteiten en selecteer de optie CFD-berichtcompatibel voor nabewerking.

Als u resultaten in een aparte software wilt verwerken, past u het exporttype indien nodig aan. Selecteer alle regio's en resultaten die u wilt exporteren. Initialiseer ten slotte de simulatie met het hybride schema.

Zorg ervoor dat beide structurele invloedsinstellingen zijn aangesloten op de systeemkoppeling en zijn bijgewerkt. Stel bij systeemkoppeling de eindtijd in op 0,8 seconden en de tijdstempel op 5 milliseconden, meestal tussen 10 en 15 iteraties als voldoende, op voorwaarde dat zowel de structurele als de vloeistofcomponenten goed convergeren. Selecteer de wand- en vaste interface van respectievelijk de vloeistof- en structurele componenten en bewerk een overdracht, Pas de onderspanning of het opvoeren van de kracht die van vloeistof naar structuur wordt overgebracht aan om te helpen bij convergentie.

Wanneer u klaar bent om te worden uitgevoerd, klikt u op bijwerken, simulatiegegevens zoals structurele en vloeiende convergentie en hun respectieve convergentie van gegevensoverdracht worden afgedrukt in de console. Merk op dat FSI-simulaties rekenkundig duur zijn, waarbij deze simulatie ongeveer 11 dagen duurt op een 16-core machine. Hier hebben we ons gericht op drie belangrijke biomechanische resultaten, namelijk wandschuifspanningen, intraluminale stromingskarakteristieken door de lokale genormaliseerde helicity en structurele stress in de vorm van de Von Mises effectieve stress.

Pure stress wordt sterk aangedreven door de bloedsnelheid. Zoals we hier echter kunnen zien, zou een meer gedetailleerde analyse van de tijdgemiddelde pure stress, de a solitaire schuifindex, die een maat is voor stroomomkering en onderliggende pure stressvectorvelden, klinisch informatiever kunnen zijn, met name door te zoeken naar attractiegebieden, die monocyten kunnen aantrekken en tot plaquegroei kunnen leiden. We kunnen de heliacale stromingspatronen in het lumen verder visualiseren met lokale genormaliseerde helicity om het verband tussen spiraalvormige stromingsstructuren en plaquegroei te helpen conceptualiseren.

Ten slotte kan hogere Von Mises-stress in de slagaderwand gebieden van cellulaire disfunctie of schade als gevolg van verhoogde belasting suggereren of waarschijnlijke plaatsen van plaqueruptuur suggereren, met name als gevolg van dunnere vezelige doppen of stress intensiveert bij de plukschoudergebieden. We zien ook dat stress wordt aangedreven door slagaderbuiging en samentrekking in de proximale vezelige dop. Terwijl de destillatiestress wordt aangedreven door bloeddruk Ons resultaat, FSI-simulaties zijn uniek geplaatst om vast te leggen.

Door vergelijking met vervolgbeeldvorming. We zien een afname van het lumengebied in het distale gebied van de slagader, wat ook geassocieerd is met een toename van de totale vloeistofboog, wat wijst op progressie van de laesie. Ter vergelijking: het proximale gebied ziet een kleine afname van het lumenoppervlak, maar een grote afname van de vezelige dopdikte die een verschuiving naar een kwetsbaarder fenotype suggereert.

Deze regio's of progressie of regressie kunnen vervolgens worden vergeleken met de baseline FSI-simulatie door patronen in war shear stress, intraluminale flow en structurele spanningen te analyseren. Welnu, deze methodologie wordt gepresenteerd voor een enkel geval. Analyse op grotere datasets worden verkregen om de statistische significantie van eventuele correlaties te bepalen.

Iets waar we hopen dat deze methodiek hierbij kan helpen. in deze methode hebben we de stappen beschreven om de kransslagader van de patiënt te reconstrueren en biomechanisch te simuleren, met behulp van vloeistofstructuurinteractietechnieken. We beschreven het proces van het extraheren van het lumen, het lipide en de buitenwanden uit OCT en het opnieuw creëren van de driedimensionale vorm, voordat we het proces van meshing, het stellen van randvoorwaarden en systeemkoppelingsdomeinen beschreven.

En tot slot het uitvoeren van de simulatie- en nabewerkingsresultaten. De vertaling van onze pure stress intraluminale stroomkenmerken, en de structurele respons in de slagader naar klinisch gemiddelde, werd ook besproken in termen van laesieprogressie met FSI-gebaseerde biomechanica, die het potentieel laat zien om een completer beeld te geven van de huidige toestand en prognose van een patiënt. Nu, terwijl FSI nog steeds erg in ontwikkeling is en computationeel dure methode is, geloven we dat het proces dat deze methodologie beschrijft verder kan worden gebouwd en gebruikt om klinische besluitvorming rond atheroscleroseprogressie te ondersteunen.