Um Protocolo Computacional Baseado em Ressonância Magnética para Análise da Morfologia e Hemodinâmica da Placa em Pacientes com Estenose da Artéria Carótida

Nossa pesquisa avalia fatores de risco fisiologicamente relevantes para embolia em placas e acidente vascular cerebral em pacientes com estenose da artéria carótida interna. Especificamente, observamos como a morfologia da placa e seu ambiente hemodinâmico diferem entre pacientes com estenose da artéria carótida. No campo da pesquisa cerebrovascular, esforços recentes têm como objetivo identificar preditores de AVC em pacientes assintomáticos com estenose da artéria carótida com foco específico em fatores de risco específicos do paciente, características de imagem e parâmetros hemodinâmicos, que podem estar ligados ao aumento do risco de AVC.

A dinâmica de fluidos computacional permite a análise não invasiva do fluxo sanguíneo específica do paciente e é cada vez mais usada junto com a ressonância magnética e a CTA de contagem de fótons para avaliar a estrutura e a composição da placa carotídea. A ressonância magnética atual é limitada por longos tempos de varredura, interpretação complexa de imagens e erros de reposicionamento. E, por outro lado, a dinâmica de fluidos computacional sofre com dados limitados específicos do paciente e ajuste ruim do modelo, reduzindo assim sua precisão.

Nosso grupo demonstrou que pacientes com graus semelhantes de estreitamento da artéria carótida interna exibem perfis hemodinâmicos distintos e que, em pacientes com estenose bilateral, o grau de gravidade da estenose influencia as características hemodinâmicas e de fluxo de cada lado. E isso realmente ressalta as complexas interações cerebrovasculares e hemodinâmicas nesses pacientes. Para começar, inicie o software CRIMSON em um sistema de computador.

Importe dados de imagem DICOM não identificados para anatomia específica do paciente para o CRIMSON usando o botão de importação no gerenciador de dados. Usando a janela de modelagem de geometria, selecione a edição do caminho do vaso e crie uma árvore de vasos contendo a artéria carótida comum, a artéria carótida externa e a artéria carótida interna. Comece a linha central da artéria carótida comum no nível de C5, onde a forma de onda de fluxo da ressonância magnética do PC foi obtida.

Coloque a linha central da artéria carótida interna de forma que termine de um a dois centímetros distal à estenose, correspondendo à localização da forma de onda da ressonância magnética do PC. Em seguida, coloque o ponto final da linha central da artéria carótida externa proximal aos ramos de primeira ordem, correspondendo ao local de aquisição da forma de onda da ressonância magnética do PC. Agora use a janela de refatiamento do vaso para visualizar a linha central e as vistas da seção transversal perpendiculares à linha central depois de adicionar pelo menos dois pontos ao longo de cada vaso.

Usando a mesma janela, adicione contornos de vaso para especificar os limites da parede do vaso. O lado esquerdo da janela de refatiamento do recipiente exibe a imagem original, enquanto o lado direito exibe o gradiente da imagem para definir os contornos. Coloque contornos com frequência suficiente para capturar a curvatura do vaso e alterar a geometria sem sobreajuste.

Depois de definir todos os contornos, use o botão de loft na janela de modelagem de contorno de embarcação para gerar um modelo sólido tridimensional combinado por meio de lofting. Em seguida, use a janela de combinação de recipiente para selecionar o algoritmo de concordância para combinar o modelo de recipiente em uma única geometria sólida. Abra a janela de configuração da geração de malha e do solucionador e clique no botão de geração de malha para visualizar as opções de geração de malha para configurar os parâmetros da malha.

Na janela de opções globais, defina o tamanho do elemento global para um valor absoluto entre 0,5 milímetro e 0,75 milímetro. Em seguida, defina o tipo de camada limite para crescimento geométrico, o número total de camadas para três, a espessura da primeira camada para 0,2 milímetro e a espessura total da camada de um milímetro. Em seguida, aplique o refinamento de curvatura para adicionar elementos de malha em regiões de alta curvatura, como a estenose.

Clique com o botão direito do mouse na malha e clique no botão de informações da malha para revisar as métricas da malha, incluindo contagem de elementos, proporções e distribuição. Para especificar condições de limite, clique na janela de configuração da geração de malha e do solucionador. Selecione o ícone de configuração do solucionador e, em seguida, adicione um conjunto de condições de limite usando o ícone BC.

Veja as condições de contorno atualmente disponíveis no CRIMSON. Clique no ícone BC novamente, selecione sem deslizamento para implementar paredes rígidas e não deformáveis e aplique-o a todas as paredes usando a opção aplicar a todas as paredes. Em seguida, selecione a velocidade prescrita.

Importe a forma de onda de entrada definida anteriormente e mapeie um perfil de velocidade parabólica para a entrada CCA. Da mesma forma, importe a forma de onda de saída pulsátil ECA mapeando um perfil de velocidade parabólica para a saída ECA. Agora clique no ícone BC, escolha RCR e preencha um modelo Windkessel de três elementos, consistindo em resistência proximal, resistência distal e capacitor.

Mapeie o RCR para a saída da ICA com base em cálculos específicos do paciente. Para preparar os parâmetros do solucionador, navegue até a janela de geração de malha e solucionador, clique no ícone de configuração do solucionador e escolha os parâmetros do solucionador. Defina o tamanho do passo para 0,1 milissegundo para quatro ciclos cardíacos, requer residual para 10 elevado a menos quatro e densidade sanguínea para 1.060 kg por metro cúbico.

Use a configuração do solver para gerar todos os arquivos de entrada da simulação, incluindo os dados de fluxo, o fluxo de entrada em cada etapa de tempo, a malha e as condições de limite, a face na qual cada condição de limite é aplicada, o número da primeira etapa de tempo da simulação, dados de Windkessel de três elementos, pressão e velocidade em cada ponto da malha e as instruções para o solver de fluxo. Adicione o modelo de Carreau-Yasuda ao solucionador. inp e adicione aos arquivos de simulação para permitir que o sangue seja modelado como um fluido não newtoniano.

Agora execute a simulação no painel estável da janela de configuração do solucionador para executar o solucionador de fluxo CRIMSON Navier-Stokes. Especifique o número de processadores na janela de comando. Quando o solucionador começa a ser executado, o arquivo de saída histor.

O dat será impresso na linha de comando e salvo em um novo diretório, n-procs-case. Use o prompt do Linux tail f histor. dat para observar o arquivo em tempo real.

A primeira coluna do arquivo corresponde ao intervalo de tempo. A segunda coluna é o tempo decorrido. A terceira coluna é o resíduo não linear e a quarta coluna é o valor residual logarítmico.

Uma malha de alta qualidade com elementos de baixa proporção foi gerada para representar com precisão a geometria da bifurcação da artéria carótida. Um perfil de velocidade representativo através da bifurcação carotídea e estenose da ACI foi simulado, mostrando uma velocidade máxima de fluxo de aproximadamente 275 centímetros por segundo no pico da sístole através da estenose. O mapeamento de pressão mostrou gradiente de pressão insignificante ao longo da estenose em um caso com pressões proximal e distal quase sobrepostas ao longo do ciclo cardíaco.

Em um caso contrastante, a pressão proximal à estenose foi significativamente maior do que a pressão distal, revelando uma queda de pressão proeminente. A tensão de cisalhamento da parede foi baixa ao longo da bifurcação no modelo não estenótico, especialmente nas paredes externas das artérias carótidas interna e externa. No modelo estenótico, a tensão de cisalhamento de parede alta concentrou-se na estenose da artéria carótida interna.

O mapeamento do índice de cisalhamento oscilatório mostrou que os valores de OSI associados à lesão antes da cirurgia foram menores em comparação com os valores pós-operatórios. A imagem de correspondência de HU identificou hemorragia intraplaca por meio de sinal hiperintenso na imagem ponderada em T1 e valores reduzidos no mapa T1. A placa calcificada foi identificada por sinal consistentemente hipointenso nas sequências de sangue escuro, ponderadas em T1 e T2.