Protokół obliczeniowy oparty na obrazowaniu rezonansu magnetycznego do analizy morfologii i hemodynamiki blaszki miażdżycowej u pacjentów ze zwężeniem tętnicy szyjnej
12 sierpnia 2025
Ocena zwężenia tętnicy szyjnej wewnętrznej (ICA) opiera się na oszacowaniu procentowego zwężenia, które nie uwzględnia fizjologicznie istotnych czynników ryzyka udaru, takich jak skład blaszki miażdżycowej i hemodynamika. Protokół ten wykorzystuje ilościowe obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego i obliczeniową dynamikę płynów do scharakteryzowania składu płytki nazębnej ICA i hemodynamiki.
Nasze badania oceniają fizjologicznie istotne czynniki ryzyka zatorowości blaszki miażdżycowej i udaru mózgu u pacjentów ze zwężeniem tętnicy szyjnej wewnętrznej. W szczególności przyglądamy się, jak morfologia blaszki miażdżycowej i jej środowisko hemodynamiczne różnią się u pacjentów ze zwężeniem tętnicy szyjnej. W dziedzinie badań naczyniowo-mózgowych ostatnie wysiłki miały na celu zidentyfikowanie predyktorów udaru mózgu u pacjentów z bezobjawowym zwężeniem tętnicy szyjnej, ze szczególnym naciskiem na czynniki ryzyka specyficzne dla pacjenta, charakterystykę obrazowania i parametry hemodynamiczne, które można powiązać ze zwiększonym ryzykiem udaru.
Obliczeniowa dynamika płynów umożliwia nieinwazyjną analizę przepływu krwi specyficzną dla pacjenta i jest coraz częściej stosowana wraz z obrazowaniem metodą rezonansu magnetycznego i CTA zliczaniem fotonów w celu oceny struktury i składu blaszki miażdżycowej tętnicy szyjnej. Obecne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego jest ograniczone przez długi czas skanowania, złożoną interpretację obrazu i błędy w repozycji. Z drugiej strony, obliczeniowa dynamika płynów cierpi z powodu ograniczonych danych specyficznych dla pacjenta i słabego dostrojenia modelu, co zmniejsza jego dokładność.
Nasza grupa wykazała, że pacjenci z podobnym stopniem zwężenia tętnicy szyjnej wewnętrznej wykazują odrębne profile hemodynamiczne i że u pacjentów z obustronnym zwężeniem stopień nasilenia zwężenia wpływa na hemodynamikę i charakterystykę przepływu każdej ze stron. To naprawdę podkreśla złożone interakcje mózgowo-naczyniowe i hemodynamiczne u tych pacjentów. Aby rozpocząć, uruchom oprogramowanie CRIMSON w systemie komputerowym.
Importuj pozbawione elementów identyfikujących dane obrazu DICOM dla anatomii specyficznej dla pacjenta do CRIMSON za pomocą przycisku importu w menedżerze danych. Korzystając z okna modelowania geometrii, wybierz opcję edycji ścieżki naczynia i utwórz drzewo naczyń zawierające tętnicę szyjną wspólną, tętnicę szyjną zewnętrzną i tętnicę szyjną wewnętrzną. Rozpocznij wspólną linię środkową tętnicy szyjnej na poziomie C5, gdzie uzyskano przebieg przepływu PC MRI.
Umieść linię środkową tętnicy szyjnej wewnętrznej tak, aby kończyła się od jednego do dwóch centymetrów dystalnie do zwężenia, dopasowując się do lokalizacji fali PC MRI. Następnie umieść punkt końcowy linii środkowej tętnicy szyjnej zewnętrznej proksymalnie do gałęzi pierwszego rzędu, dopasowując się do lokalizacji akwizycji fali PC MRI. Teraz użyj okna ponownego cięcia naczynia, aby wyświetlić linię środkową i widoki przekroju prostopadłe do linii środkowej po dodaniu co najmniej dwóch punktów wzdłuż każdego naczynia.
Korzystając z tego samego okna, dodaj kontury naczynia, aby określić granice ściany naczynia. Po lewej stronie okna ponownego cięcia naczynia wyświetlany jest oryginalny obraz, natomiast po prawej stronie wyświetlany jest gradient obrazu służący do definiowania konturów. Umieszczaj kontury wystarczająco często, aby uchwycić krzywiznę naczynia i zmieniającą się geometrię bez nadmiernego dopasowania.
Po zdefiniowaniu wszystkich konturów użyj przycisku wyciągnięcia złożonego w oknie modelowania konturu statku, aby wygenerować złożony 3-wymiarowy model bryłowy za pomocą wyciągnięcia złożonego. Następnie użyj okna mieszania naczyń, aby wybrać algorytm zaokrąglenia do łączenia modelu naczynia w jedną geometrię bryły. Otwórz okno ustawień tworzenia siatki i solvera i kliknij przycisk tworzenia siatki, aby wyświetlić opcje tworzenia siatki w celu skonfigurowania parametrów siatki.
W oknie opcji globalnych ustaw globalny rozmiar elementu na wartość bezwzględną z przedziału od 0,5 milimetra do 0,75 milimetra. Następnie ustaw typ warstwy granicznej na wzrost geometryczny, całkowitą liczbę warstw na trzy, grubość pierwszej warstwy na 0,2 milimetra i całkowitą grubość warstwy na jeden milimetr. Następnie zastosuj zagęszczenie krzywizny, aby dodać elementy siatki w obszarach o dużej krzywiźnie, takich jak zwężenie.
Kliknij siatkę prawym przyciskiem myszy i kliknij przycisk informacji o siatce, aby przejrzeć metryki siatki, w tym liczbę elementów, proporcje i rozkład. Aby określić warunki brzegowe, kliknij okno ustawień tworzenia siatki i solvera. Wybierz ikonę ustawień solvera, a następnie dodaj zestaw warunków brzegowych za pomocą ikony BC.
Wyświetl warunki brzegowe aktualnie dostępne w CRIMSON. Kliknij ponownie ikonę BC, wybierz opcję Brak poślizgu, aby zaimplementować sztywne, nieodkształcalne ściany, a następnie zastosuj ją do wszystkich ścian za pomocą opcji Zastosuj do wszystkich ścian. Następnie wybierz zalecaną prędkość.
Zaimportuj wcześniej zdefiniowany przebieg dopływu i odwzoruj profil prędkości parabolicznej na wlocie CCA. Podobnie należy zaimportować przebieg fali odpływu pulsacyjnego ECA odwzorowujący profil prędkości parabolicznej do wylotu ECA. Teraz kliknij ikonę BC, wybierz RCR i wypełnij trzyelementowy model Windkessel, składający się z rezystancji proksymalnej, rezystancji dystalnej i kondensatora.
Przyporządkuj RCR do punktu ICA na podstawie obliczeń specyficznych dla pacjenta. Aby przygotować parametry solvera, przejdź do okna tworzenia siatki i solvera, kliknij ikonę ustawień solvera, a następnie wybierz parametry solvera. Ustaw rozmiar kroku na 0,1 milisekundy dla czterech cykli pracy serca, wymaga reszty na 10 do potęgi minus cztery, a gęstość krwi na 1 060 kilogramów na metr sześcienny.
Użyj konfiguracji solvera, aby wygenerować wszystkie pliki wejściowe symulacji, w tym dane przepływu, przepływ na wlocie w każdym kroku czasowym, siatkę i warunki brzegowe, ścianę, na której zastosowano każdy warunek brzegowy, numer pierwszego kroku symulacji, dane Windkessel dla trzech elementów, ciśnienie i prędkość w każdym punkcie siatki oraz instrukcje dla solvera przepływu. Dodaj model Carreau-Yasuda do solvera. inp i dodać do plików symulacyjnych, aby umożliwić modelowanie krwi jako płynu nienewtonowskiego.
Teraz uruchom symulację w stałym okienku okna ustawień solvera, aby uruchomić solver przepływu CRIMSON Navier-Stokes. Określ liczbę procesorów w oknie poleceń. Gdy solver zacznie działać, histor pliku wyjściowego.
dat zostanie wydrukowany w wierszu poleceń i zapisany w nowym katalogu, n-procs-case. Użyj ikony znaku zachęty systemu Linux. dat, aby obserwować plik w czasie rzeczywistym.
Pierwsza kolumna pliku odpowiada krokowi czasowemu. Druga kolumna to czas, który upłynął. Trzecia kolumna to nieliniowa reszta, a czwarta kolumna to logarytmiczna wartość resztkowa.
Wygenerowano wysokiej jakości siatkę z elementami o niskim współczynniku proporcji, aby dokładnie odwzorować geometrię bifurkacji tętnicy szyjnej. Zasymulowano reprezentatywny profil prędkości w poprzek rozwidlenia tętnicy szyjnej i zwężenia ICA, wykazując maksymalną prędkość przepływu około 275 centymetrów na sekundę przy szczytowym skurczu w poprzek zwężenia. Mapowanie ciśnienia wykazało znikomy gradient ciśnienia w poprzek zwężenia w jednym przypadku, przy czym ciśnienie proksymalne i dystalne prawie nakładało się na siebie przez cały cykl pracy serca.
W innym przypadku ciśnienie proksymalne do zwężenia było znacznie wyższe niż ciśnienie dystalne, co ujawniło wyraźny spadek ciśnienia. Naprężenie ścinające ścianę było niskie w całym rozwidleniu w modelu niezwężonym, zwłaszcza w zewnętrznych ścianach tętnic szyjnych wewnętrznych i zewnętrznych. W modelu zwężeniowym naprężenie ścinające o dużej ścianie było skoncentrowane w zwężeniu tętnicy szyjnej wewnętrznej.
Mapowanie oscylacyjnego wskaźnika ścinania wykazało, że wartości OSI związane ze zmianą przed operacją były niższe w porównaniu z wartościami pooperacyjnymi. Obrazowanie HU Match zidentyfikowało krwotok wewnątrzblaszkowy poprzez hiperintensywny sygnał w obrazowaniu ważonym T1 i obniżone wartości na mapie T1. Zwapniałą blaszkę miażdżycową zidentyfikowano za pomocą konsekwentnie hipointensywnego sygnału na ciemnej krwi, sekwencjach ważonych T1 i T2.
Przegląd
Niniejsze badanie analizuje czynniki ryzyka zatorowości blaszkowej oraz udaru u pacjentów ze zwężeniem tętnicy szyjnej wewnętrznej. Dzięki zastosowaniu zaawansowanych technik obrazowania oraz obliczeniowej dynamiki płynów, badanie ma na celu dostarczenie informacji na temat morfologii blaszki miażdżycowej oraz warunków hemodynamicznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Badania nad naczyniami mózgowymi
- Obrazowanie medyczne
Wstęp
- Ocena zwężenia tętnicy szyjnej wewnętrznej zazwyczaj opiera się na procentowym stopniu stenozy.
- Obecne metody nie uwzględniają składu blaszki miażdżycowej oraz hemodynamiki.
- Kierunki aktualnych badań koncentrują się na identyfikacji czynników prognostycznych udaru u pacjentów bezobjawowych.
- Obliczeniowa dynamika płynów jest coraz częściej wykorzystywana do przeprowadzania analiz nieinwazyjnych.
Cel badania
- Ocena czynników ryzyka udaru istotnych fizjologicznie.
- Charakterystyka morfologii blaszki miażdżycowej oraz profili hemodynamicznych u pacjentów.
- Poprawa zrozumienia oddziaływań naczyniomózgowych w przypadku stenozy.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie oprogramowania CRIMSON do analizy specyficznej dla pacjenta.
- Import danych obrazowych DICOM w celu modelowania anatomicznego.
- Tworzenie modeli 3D tętnic szyjnych poprzez konturowanie naczyń.
- Przeprowadzanie symulacji za pomocą solvera przepływu Naviera-Stokesa w celu analizy przepływu krwi.
Główne wyniki
- Zaobserwowano odmienne profile hemodynamiczne u pacjentów z podobnym stopniem zwężenia.
- Stopień nasilenia zwężenia wpływa na hemodynamiczne u obu stron w przypadkach obustronnych.
- Generowanie wysokiej jakości siatek poprawiło dokładność symulacji.
- Modelowanie nienewtonowskiego przepływu krwi zwiększyło zrozumienie hemodynamiki.
Wnioski
- Czynniki istotne fizjologicznie mają kluczowe znaczenie dla oceny ryzyka udaru.
- Zaawansowane metody obrazowania i obliczeniowe mogą zapewnić lepszy wgląd w badany proces.
- Zrozumienie oddziaływań hemodynamicznych może prowadzić do poprawy wyników leczenia pacjentów.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Integracja charakterystyki blaszki miażdżycowej opartej na MRI z obliczeniową hemodynamiką pozwala zespołom biofarmaceutycznym wyjść poza anatomiczne wskaźniki stenozy w stronę fizjologicznie istotnej stratyfikacji ryzyka w chorobach naczyniowo-mózgowych. Niniejszy protokół zwiększa pewność predykcyjną w walidacji celów terapeutycznych oraz w ograniczaniu ryzyka mechanistycznego w procesie odkrywania leków związanych z udarem. Podejście to zwiększa ciągłość translacyjną poprzez powiązanie biomarkerów obrazowych z funkcjonalnymi wynikami hemodynamicznymi, co dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji portfelowych w obszarze badawczo-rozwojowym (B&R) w zakresie naczyń krwionośnych i naczyniów mózgowych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia analizę podatności blaszki miażdżycowej i stresu hemodynamicznego jako mechanistycznych czynników ryzyka udaru.
- Wspiera biologiczną minimalizację ryzyka poprzez ilościowe określanie składu blaszki u konkretnego pacjenta oraz dynamiki przepływu.
- Ułatwia uzyskanie pewności prognostycznej w wyborze i walidacji naczyniowych celów interwencji.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Zapewnia obrazowanie ilościowe i wskaźniki oparte na CFD w celu standaryzacji przedklinicznych modeli naczyniowych.
- Umożliwia powtarzalną ocenę morfologii blaszki miażdżycowej oraz parametrów hemodynamicznych w różnych kohortach.
- Wspiera opracowywanie testów służących do oceny związków kandydackich ukierunkowanych na stabilność blaszki lub modulację przepływu.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Umożliwia dopasowanie obrazowych i obliczeniowych biomarkerów do punktów końcowych istotnych dla choroby w badaniach translacyjnych.
- Zapewnia ciągłość procesu od etapu odkrycia po walidację przedkliniczną poprzez powiązanie strukturalnych i funkcjonalnych danych naczyniowych.
- Wspiera podejmowanie decyzji o dalszym rozwoju projektu w oparciu o dostosowane do ryzyka wyniki o istotności fizjologicznej.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół łączy etapy wczesnego odkrywania, identyfikacji wiodących związków oraz badań przedklinicznych poprzez integrację analizy blaszek miażdżycowych opartej na obrazowaniu z obliczeniową hemodynamiką.
- Biologia odkrywcza: Ilościowe określanie składu blaszki miażdżycowej i stresu hemodynamicznego w celu wyjaśnienia hipotez mechanistycznych dotyczących ryzyka udaru.
- Przesiewanie: Dostarcza powtarzalnych, ilościowych wyników służących do standaryzacji modeli i oceny związków.
- Analityka: Zapewnia pomiary prędkości, ciśnienia i naprężenia ścinającego ścian o wysokiej rozdzielczości do analiz porównawczych.
- Badania translacyjne: Koreluje biomarkery obrazowania i CFD z punktami końcowymi badań przedklinicznych w modelach chorób naczyniowych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia wielokrotnego użytku schemat postępowania dla charakterystyki naczyniowej specyficznej dla pacjenta w ramach różnych programów.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w walidacji celów naczyniowych.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje przepływy pracy w zakresie obrazowania i obliczeń w celu zapewnienia powtarzalności i skalowalności.
- Wartość strategiczna: Wspiera decyzje o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) oraz alokację kapitału poprzez integrację wskaźników ryzyka funkcjonalnego.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację aktywów naczyniowych i naczyniowo-neurologicznych z uwzględnieniem ryzyka.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w interpretacji obrazów MRI, modelowaniu obliczeniowym i biologii naczyniowej.
- Wymaga dostępu do zaawansowanych platform obrazowania oraz infrastruktury oprogramowania CFD.
- Niezbędna jest standaryzacja protokołów obrazowania i parametrów obliczeniowych pomiędzy zespołami.
- Można potrzebować adaptacji dla różnych obszarów naczyniowych lub modeli chorobowych.
- Ograniczenia obejmują czas skanowania, złożoność interpretacji obrazów oraz dokładność dostrajania modelu.
Częste pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:49
Geometric Modeling for Computational Fluid Dynamics in CRIMSON
3:52
Mesh Configuration and Boundary Condition Setup for Computational Fluid Dynamics in CRIMSON
5:58
Solver Configuration and Execution for Hemodynamic Modeling
7:48
Results
