Вычислительный протокол на основе магнитно-резонансной томографии для анализа морфологии бляшек и гемодинамики у пациентов со стенозом сонной артерии

В нашем исследовании оцениваются физиологически значимые факторы риска развития бляшечной эмболии и инсульта у пациентов со стенозом внутренней сонной артерии. В частности, мы рассмотрим, как морфология бляшки и ее гемодинамическая среда различаются у пациентов со стенозом сонной артерии. В области цереброваскулярных исследований недавние усилия были направлены на выявление предикторов инсульта у пациентов с бессимптомным стенозом сонной артерии с особым акцентом на специфические для пациента факторы риска, характеристики визуализации и гемодинамические параметры, которые могут быть связаны с повышенным риском инсульта.

Вычислительная гидродинамика позволяет проводить неинвазивный анализ кровотока для конкретного пациента и все чаще используется наряду с магнитно-резонансной томографией и КТА подсчета фотонов для оценки структуры и состава сонных бляшек. Современная магнитно-резонансная томография ограничена длительным временем сканирования, сложной интерпретацией изображений и ошибками при изменении положения. С другой стороны, вычислительная гидродинамика страдает от ограниченных данных, специфичных для конкретного пациента, и плохой настройки модели, что снижает ее точность.

Наша группа показала, что пациенты с одинаковой степенью сужения стеноза внутренней сонной артерии демонстрируют отчетливые гемодинамические профили, а у пациентов с двусторонним стенозом степень тяжести стеноза влияет на гемодинамику и характеристики кровотока с каждой стороны. И это действительно подчеркивает сложные цереброваскулярные и гемодинамические взаимодействия у этих пациентов. Для начала запустите программное обеспечение CRIMSON на компьютерной системе.

Импортируйте обезличенные данные изображений DICOM для анатомии конкретного пациента в CRIMSON с помощью кнопки импорта в менеджере данных. В окне геометрического моделирования выберите редактирование траектории сосуда и создайте дерево сосудов, содержащее общую сонную артерию, наружную сонную артерию и внутреннюю сонную артерию. Начните прокладывать центральную линию общей сонной артерии на уровне С5, где была получена форма волны потока ФК МРТ.

Расположите центральную линию внутренней сонной артерии так, чтобы она заканчивалась на один-два сантиметра дистальнее стеноза, в соответствии с положением формы волны ФК МРТ. Затем поместите конечную точку центральной линии наружной сонной артерии проксимальнее ветвей первого порядка, совпадая с местом регистрации сигнала ФК МРТ. Теперь используйте окно повторного среза сосуда для визуализации центральной линии и видов поперечного сечения перпендикулярно центральной линии после добавления по крайней мере двух точек вдоль каждого сосуда.

Используя это же окно, добавьте контуры сосуда, чтобы указать границы стенки сосуда. В левой части окна повторного среза сосуда отображается исходное изображение, в то время как в правой части отображается градиент изображения для определения контуров. Размещайте контуры достаточно часто, чтобы улавливать кривизну сосуда и изменение геометрии без переобучения.

После определения всех контуров используйте кнопку «Лофт» в окне моделирования контура сосуда для создания объединенной трехмерной твердотельной модели с помощью лофтинга. Затем используйте окно сопряжения сосудов для выбора алгоритма скругления для смешения модели сосуда в одну твердотельную геометрию. Откройте окно настройки сетки и решателя и нажмите кнопку создания сетки, чтобы просмотреть параметры сетки для настройки параметров сетки.

В окне глобальных параметров установите абсолютное значение глобального элемента в диапазоне от 0,5 мм до 0,75 мм. Затем установите тип пограничного слоя на геометрический рост, общее количество слоев на три, толщину первого слоя на 0,2 миллиметра и общую толщину слоя на один миллиметр. Затем примените уточнение кривизны, чтобы добавить элементы сетки в областях с высокой кривизной, таких как стеноз.

Щелкните правой кнопкой мыши сетку и нажмите кнопку с информацией о сетке, чтобы просмотреть метрики сетки, включая количество элементов, соотношения сторон и распределение. Чтобы задать граничные условия, нажмите на окно настройки сетки и решателя. Выберите значок настройки решателя, затем добавьте набор граничных условий с помощью значка BC.

Просмотрите граничные условия, доступные в настоящее время в CRIMSON. Щелкните значок BC еще раз, выберите «Без скольжения» для реализации жестких, недеформируемых стен и примените его ко всем стенам с помощью параметра «Применить ко всем стенам». Затем выберите заданную скорость.

Импортируйте ранее определенную форму сигнала притока и сопоставьте профиль параболической скорости с входом CCA. Аналогичным образом импортируйте форму волны пульсирующего потока ECA, сопоставляя профиль параболической скорости с выходом ECA. Теперь щелкните значок BC, выберите RCR и заполните трехэлементную модель Windkessel, состоящую из проксимального сопротивления, дистального сопротивления и конденсатора.

Сопоставьте RCR с выходом ICA на основе расчетов для конкретного пациента. Чтобы подготовить параметры решателя, перейдите в окно построения сетки и решателя, нажмите на значок настройки решателя, затем выберите параметры решателя. Установите размер шага 0,1 миллисекунды для четырех сердечных циклов, требуется остаточный до 10 в степени минус четырех, а плотность крови от 1,060 килограмма на кубический метр.

Используйте настройку решателя для создания всех входных файлов моделирования, включая данные о потоке, входном потоке на каждом временном шаге, сетку и граничные условия, грань, на которой применяется каждое граничное условие, номер первого временного шага моделирования, трехэлементные данные Виндкесселя, давление и скорость в каждой точке сетки, а также инструкции для решателя потока. Добавьте модель Карро-Ясуды в решатель. inp и добавить в файлы моделирования, чтобы позволить моделировать кровь как неньютоновскую жидкость.

Теперь запустите моделирование на постоянной панели окна настройки решателя, чтобы запустить решатель потока CRIMSON Navier-Stokes. Укажите количество процессоров в командном окне. Когда решатель начинает работать, выходной файл histor.

DAT будет выведен в командной строке и сохранен в новом каталоге n-procs-case. Используйте командную строку для Linux tail f histor. dat для просмотра файла в режиме реального времени.

Первый столбец файла соответствует временному шагу. Второй столбец — это прошедшее время. Третий столбец — это нелинейный остаток, а четвертый столбец — логарифмическая остаточная величина.

Для точного представления геометрии бифуркации сонной артерии была создана сетка высокого качества с элементами с низким соотношением сторон. Был смоделирован репрезентативный профиль скорости через бифуркацию сонной артерии и стеноз ВСА, показывающий максимальную скорость потока примерно 275 сантиметров в секунду на пике систолы через стеноз. Картирование давления показало незначительный градиент давления по стенозу в одном случае, при этом проксимальные и дистальные давления почти перекрывались на протяжении всего сердечного цикла.

В контрастном случае давление проксимальнее стеноза было значительно выше, чем дистальное, что свидетельствует о заметном падении давления. Напряжение сдвига стенки было низким по всей бифуркации в нестенотической модели, особенно на наружных стенках внутренних и наружных сонных артерий. В стенотической модели напряжение сдвига высоких стенок было сосредоточено на стенозе внутренней сонной артерии.

Картирование индекса осцилляторного сдвига показало, что связанные с поражением значения OSI до операции были ниже по сравнению с послеоперационными значениями. При визуализации с сопоставлением HU было выявлено внутрибляшечное кровоизлияние через гиперинтенсивный сигнал на Т1-взвешенной визуализации и сниженные значения на карте Т1. Кальцинированная бляшка была идентифицирована по последовательно гипоинтенсивному сигналу на темной крови, Т1-взвешенной и Т2-взвешенной последовательностях.