Yöntem makalesi

İnsan Koroner Arterinin İn Vivo Mekanik Özelliklerinin Ölçülmesi için İntravasküler Ultrason Görüntü Tabanlı Sonlu Elemanlar Modelleme Yaklaşımı

1.4K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/67573

⸱

6 Aralık 2024

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Cardiovascular Surgery, Shandong Second Provincial General Hospital, 2School of Biological Science and Medical Engineering, Southeast University, 3School of Mechanical, Medical and Process Engineering, Queensland University of Technology, 4School of Science, Nanjing University of Posts and Telecommunications, 5Department of Cardiology, Zhongda Hospital, Southeast University, 6Mathematical Sciences Department, Worcester Polytechnic Institute

* These authors contributed equally

Bu makalede

Özet

İn vivo cine intravasküler ultrason görüntüleri, farklı basınç yükleme koşullarına karşılık gelen koroner kesit hareketini gösterir. Sonlu elemanlar modeline dayalı olarak, hesaplamalı modelden ve tıbbi görüntülerden koroner hareketi eşleştirerek in vivo olarak koroner arterlerin hastaya özgü mekanik özelliklerini belirlemek için yinelemeli bir şema kullanıldı.

Özet

Koroner arter duvarlarının mekanik özelliklerinin ölçülmesi, koroner arter hastalıklarının tanı, yönetim ve tedavisi için anlamlı bilgiler sağlayabilir. Sürekli izleme gerektiren hastalar için hastaya özgü koroner örnekler mevcut olmadığından, damar materyali özelliklerinin doğrudan deneysel olarak test edilmesi imkansız hale gelir. Mevcut koroner modeller tipik olarak mevcut literatürdeki malzeme parametrelerini kullanır ve bu da önemli mekanik stres/gerinim hesaplama hatalarına yol açar. Burada, tıbbi görüntülere dayalı olarak koroner arterlerin hastaya özgü in vivo malzeme özelliklerini ölçmek için sonlu elemanlar modeli tabanlı bir güncelleme yaklaşımı (FEMBUA) sunacağız. Koroner arter hastalığı olan bir hastadan in vivo cine intravasküler ultrason (IVUS) ve koroner arterlerin sanal histoloji (VH)-IVUS görüntüleri elde edildi. Bir kardiyak siklus boyunca vasküler hareketi gösteren sinüs IVUS görüntüleri segmentlere ayrıldı ve sistolik ve diyastolik basınç koşulları altında koroner geometriyi temsil etmek için sırasıyla maksimum ve minimum lümen çevresine sahip iki IVUS çerçevesi seçildi. VH-IVUS görüntüsü de damar konturlarını elde etmek için segmentlere ayrıldı ve koroner geometriyi yeniden oluşturmak için VH-IVUS konturlarına 0.05 cm'lik bir tabaka kalınlığı eklendi. Damarın mekanik özelliklerini ve koroner lümen yüzeyine büzülmesini ve genişlemesini sağlamak için öngörülen pulsatil kan basıncı koşullarını tanımlamak için kullanılan bir anizotropik Mooney-Rivlin malzeme modeli ile hesaplamalı bir sonlu elemanlar modeli oluşturuldu. Daha sonra, hesaplamalı sonlu elemanlar modelinden minimum ve maksimum lümen çevrelerini cine IVUS görüntülerinden elde edilenlerle eşleştirerek anizotropik Mooney-Rivlin modelinin malzeme parametrelerini belirlemek için yinelemeli bir güncelleme yaklaşımı kullanılmıştır. Bu görüntü tabanlı sonlu elemanlar modeli tabanlı güncelleme yaklaşımı, çeşitli vasküler yataklardaki arteriyel duvarların malzeme özelliklerini belirlemek için başarılı bir şekilde genişletilebilir ve kardiyovasküler hastalıkların risk değerlendirmesi için potansiyel taşır.

Giriş

Koroner arter hastalığı (KAH), 2019 yılında dünya çapında 9,14 milyondan fazla ölüme neden olan mortalite ve morbiditenin önde gelen nedenlerinden biridir 1,2. Ateroskleroz ve stenoz gibi koroner arter hastalıklarının gelişimine genellikle mekanik kuvvetlerdeki değişiklikler ve vasküler duvar malzeme özelliklerindeki değişiklikler eşlik eder3. Koroner arterlerin malzeme özellikleri, sadece fizyolojik yüklenmeye mekanik tepkilerini belirlemek için değil, aynı zamanda kan damarlarının mekanik davranışını simüle etmek, aterosklerotik lezyonların gelişimini tahmin etmek ve çeşitli tıbbi cihazların terapötik etkisini değerlendirmek için temel unsurlardır 4,5. Sonuç olarak, koroner materyal özelliklerinin derinlemesine anlaşılması ve doğru bir şekilde ölçülmesi, erken hastalık teşhisi, hassas tıp ve prognoz değerlendirmesi için çok önemli bir değere sahiptir6.

Düzlemsel çift eksenli test, girinti testi, şişirme-ekstansiyon ve tek eksenli ekstansiyon testi gibi izole koroner dokuların mekanik deneyleri, koroner damar duvarlarının mekanik özelliklerini ex vivoölçmek için yaygın yaklaşımlardır 7,8,9. Bu yaklaşımlardan hastalardan veya deney hayvanlarından koroner arter örnekleri elde edildi. Farklı gerilme koşulları altında damar duvarının gerinim tepkilerini belirlemek için mekanik testler yapılmış ve daha sonra deney verileri10 uygun hale getirilerek malzeme parametreleri belirlenmiştir. Önceki çalışmalar, koroner özelliklerin oldukça doğrusal olmayan ve anizotropik olduğunu göstermiştir11. Her ne kadar ex vivo deneyler doğru malzeme özellikleri verileri sağlayabilse de, aşağıdaki gibi önemli sınırlamalar da mevcuttur: Birincisi, numunenin canlı deneklerden çıkarıldıktan sonraki mekanik davranışı, in vivo koşullar altındakinden farklı olacaktır ve bu da test sonuçlarının doğruluğunu etkileyebilir. İkincisi, etik ve pratik kısıtlamalar nedeniyle, mekanik testi gerçekleştirmek için koroner arterlerin normal veya patolojik dokularının geniş bir koleksiyonunu elde etmek zordur.

Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için araştırmacılar, koroner materyal özelliklerinin in vivo, gerçek zamanlı ve hastaya özgü nicelleştirilmesi için yeni teknikler keşfettiler. Bunlar arasında, tıbbi görüntüye dayalı sonlu elemanlar modeli tabanlı güncelleme yaklaşımı (FEMBUA), bu zorlu sorunları ele alma vaadini taşımaktadır. Bu yaklaşım, ayrıntılı koroner geometriyi, doku bileşimlerini ve hareketini yakalamak için intravasküler ultrason (IVUS) ve sanal histoloji (VH)-IVUS gibi gelişmiş görüntüleme tekniklerinden yararlanır12. 3D sonlu elemanlar (FE) modelleri oluşturarak ve hastaya özgü fizyolojik kan basıncı koşullarını birleştirerek, koroner malzeme özelliklerinin hızlı ve doğru bir şekilde ölçülmesi için malzeme parametrelerinin görüntü verileriyle eşleşecek şekilde optimize edilmesiyle kardiyak döngüler sırasında dinamik vasküler davranış kurtarılabilir13. İn vivo FE güncelleme yaklaşımının ex vivo deneylere göre avantajları arasında doku eksizyonu olmadan in vivo değerlendirme, büyük ölçekli değerlendirmelerin kolaylaştırılması ve koroner hastalıkların patofizyolojisinin anlaşılmasına yardımcı olmak için karmaşık koşullar altında vasküler dinamiklerin simüle edilmesi yer alır.

Bu yazıda, sina IVUS ve VH-IVUS görüntüsünün ayrıntılı bir segmentasyonu ve işlenmesi, yalnızca hesaplamalı ince tabaka yapısı modelinin yeniden yapılandırılması, koroner arteriyel dokular için optimal malzeme parametrelerini aramak için yinelemeli şemanın yürütülmesini içeren sonlu elemanlar modeli tabanlı güncelleme yaklaşımının temel adımları tanıtılmaktadır. Bu protokolün amacı, KAH'lı bir örnek hastadan alınan koroner arterin malzeme özelliklerini, özellikle adım adım yöntemlerin gösterimi olmak üzere FEMBUA yöntemini bir gösteri olarak kullanarak ölçmektir. Bu in vivo yöntemin önemini ve diğer yönlerini tartışarak bitirdik.

Seçilen katılımcı, daha önce klinik koroner arter hastalığı öyküsü olmayan 64 yaşında bir kadındır. Bu hastaya göğüs ağrısı semptomları olduktan sonra koroner arter hastalığı tanısı kondu. Tanıyı doğrulamak için koroner anjiyografi ve IVUS sintigrafisi yapıldı. Sol ön inen arterin ortasında %60 darlıklı plak lezyonu tespit edildi. Değerlendirmeden sonra, hastayı tedavi etmek için optimal tıbbi tedavi benimsendi.

Protokol

İn vivo IVUS görüntüleri ve kan basıncı verileri de dahil olmak üzere tanımlanmamış klinik veriler, Güneydoğu Üniversitesi Zhongda Hastanesi'nde KAH'lı bir hastadan bilgilendirilmiş onam alınarak elde edildi. Örnek hasta, hastaya özgü koroner damarların malzeme özelliklerini ölçme yöntemini göstermek için orta koroner aterosklerotik lezyonlar üzerine yapılan bir klinik çalışmanın hasta havuzundan seçildi14. Çalışma, Güneydoğu Üniversitesi Zhongda Hastanesi Klinik Araştırma Etik Kurulu tarafından onaylanan protokol (onay numarası: 2017ZDSYLL023-p01) sonrasında gerçekleştirilmiştir.

1. Veri toplama ve işleme

  1. Cine IVUS ve VH-IVUS görüntü alımı
    1. IVUS kateterini koroner anjiyografi rehberliğinde aterosklerotik lezyonun distaline yerleştirin ve proksimal tarafa geri çekin. Koroner damarın enine kesitini görselleştirmek için yol boyunca gri tonlamalı IVUS görüntüleri oluşturun.
    2. KAH'lı hastadan aterosklerotik plaklı koroner arter segmentinin IVUS görüntülerini elde etmek için yüksek performanslı 20 MHz, 2.9F platin kateter ile donatılmış IVUS görüntüleme sistemini kullanın (Şekil 1).
    3. IVUS görüntü alımı sırasında, sine IVUS adı verilen bir IVUS görüntüsü dizisi elde etmek için kateteri önceden seçilen lezyon bölgesinde yaklaşık 2 saniye duraklatın. Sine IVUS görüntüleri, kardiyak siklus boyunca verilen plak bölgesindeki dinamik kesitsel değişiklikleri açıkça gösterdi.
    4. Görüntüleme sistemini kullanarak plak bileşenlerini renk kodlu formda görselleştirmek için elektrokardiyogramlarda R zirvesi anında elde edilen IVUS karelerine dayalı VH-IVUS görüntüleri oluşturun.
      NOT: VH-IVUS görüntüleri, aterosklerotik plaktaki dört temel plak bileşeni için sezgisel bir renk haritası sağlar: kırmızı renkte lipid açısından zengin nekrotik çekirdek (lipid), beyaz renkte kalsifikasyon, koyu yeşil renkte fibröz doku ve açık yeşil renkte fibröz yağ dokusu.
    5. Çevrimdışı analiz için VH-IVUS ve cine IVUS görüntülerini DICOM formatında kaydedin.
  2. Görüntü segmentasyonu ve işleme
    1. Görüntüleyiciyi kullanarak DICOM dosyalarını açın, görüntüyü açmak için İlgili Sıra Adı'na çift tıklayın ve her bir cine IVUS çerçevesini veya VH-IVUS çerçevesini BMP formatında ayrı bir görüntü olarak kaydetmek için Dışa Aktar > Görüntüleri Dışa Aktar'a tıklayın. Her BMP görüntüsü, orijinal DICOM dosyasında belirtildiği gibi 500 x 500 piksel içerir.
    2. Bir kardiyak döngü sırasında önceden seçilmiş plak bölgesinde elde edilen ardışık kareleri bulmak için cine IVUS görüntüsünü kare kare inceleyin. Bu örnek plak bölgesi için bir kardiyak döngü sırasında oluşturulan 26 sine IVUS çerçevesi vardı.
    3. Verilen plak bölgesinde elde edilen VH-IVUS görüntüsünü bulmak için oluşturulan tüm VH-IVUS görüntülerini inceleyin. Burada kullanılan VH-IVUS görüntüleri, bir kardiyak döngüde sine IVUS çerçevelerinden bir IVUS çerçevesi kullanılarak oluşturulmuştur.
    4. Damar sınırlarının ve plak bileşeni sınırlarının konturlarını elde etmek için ImageJ yazılımını kullanarak VH-IVUS ve cine IVUS görüntülerini segmentlere ayırın (Bkz. Şekil 1C).
      1. Düz > Parçalı Çizgi sekmesini seçin ve sine IVUS ve VH-IVUS görüntülerinde lümenin konturlarını, koroner damarın dış sınırını ve plak bileşenlerini manuel olarak tanımlayın. Sine IVUS görüntüsü için sadece lümenin ve dış damar sınırının dış hatlarını segmentlere ayırırken, VH-IVUS görüntüsü için lümenin konturlarını, dış damar sınırını ve plak bileşeni sınırlarını segmentlere ayırın.
      2. Basitlik için, sonlu elemanlar modeli oluşturmak için yalnızca büyük lipid bileşenlerini tutun ve küçük, izole edilmiş lipid bileşenlerini göz ardı edin. Bu plak örneğinde sadece bir lipid mevcuttu. Görüntü > Kaplaması > Seçim Ekle sekmesini kullanarak çizilen konturları orijinal görüntülerin üzerine yerleştirin.
      3. Konturları yönetmek, özellikleri ayarlamak ve daha iyi görselleştirme için renkleri ve çizgi genişliğini uygun değerlere ayarlamak için ROI Yöneticisine menüsüne gidin. Özellikler sekmesini seçin, kontur rengini farklı bir renge ayarlayın ve çizgi genişliğini genişlikte doldurun. Burada, lümen, dış sınır ve lipid konturları için çizgi renklerini sırasıyla yeşil, mavi ve kırmızı olarak ve çizgi genişliğini 3 olarak ayarlayın.
      4. Düzgün bir kontur elde etmek için belirli bir konturu seçtikten sonra komut çubuğundan Edit > Selection > Fit Spline'ı kullanarak konturları düzleştirin. Bu işlem, konturları otomatik olarak düzleştirmek için spline eğrisi uydurma tekniklerini kullanır.
      5. Lümen, dış sınır > plak bileşeni gibi her konturun nokta koordinatlarını ayrı bir txt dosyasına kaydetmek için Dosya > XY Koordinatları sekmesindeki Kayıt Yap sekmesine tıklayın. Bu dosya, konturu oluşturan noktaların x ve y koordinat değerlerini, birim olarak piksel ile birlikte içerir.
    5. DICOM dosyasından sinema IVUS ve VH-IVUS görüntülerindeki (piksel boyutu olarak gösterilir) her pikselin gerçek fiziksel boyutunu kaydedin. Burada kullanılan IVUS verilerinde bir piksel için gerçek mesafe 0.002 cm'dir. Bu bilgi, birim olarak piksel ile nokta koordinatlarını, birim olarak cm ile gerçek mesafeye dönüştürmek için kullanılacaktır.
  3. Kontur veri işleme
    1. Cine IVUS kontur veri işleme
      1. MATLAB ile tek bir kardiyak döngüde tüm cine IVUS görüntülerinden lümen konturlarının txt dosyalarını okuyun.
      2. Lümen konturlarının gerçek boyutunu elde etmek için tüm lümen konturlarını piksel boyutuyla çarpın.
      3. Tüm lümen konturları için lümen çevrelerini hesaplayın ve sırasıyla diyastolik ve sistolik koşulları temsil eden maksimum (Cmax) ve minimum (Cmin) lümen çevrelerine sahip IVUS çerçevelerini belirleyin.
    2. VH-IVUS kontur veri işleme
      1. MATLAB ile VH-IVUS görüntüsünden lümen, dış sınır ve plak bileşenlerinin konturlarının txt dosyalarını okuyun.
      2. Tüm konturların gerçek boyutunu elde etmek için tüm konturları piksel boyutuyla çarpın.
      3. Her konturu eşit aralıklı 100 noktaya yeniden bölün ve eskilerinin yerine yeni VH-IVUS kontur verileri elde etmek için 2D yumuşatma gerçekleştirin.

2. Sonlu elemanlar modeli

  1. Koroner damar geometrisi rekonstrüksiyonu
    1. Lümen, dış sınır ve lipid dahil olmak üzere VH-IVUS konturlarının tüm noktaları için z koordinat değeri ekleyerek üç boyutlu uzayda bir kontur katmanı oluşturun ve tüm noktalar için z = 0 olarak ayarlayın (Şekil 2).
    2. VH-IVUS konturlarının tüm noktaları için z koordinat değeri ekleyerek başka bir kontur katmanı oluşturun ve tüm noktalar için z = 0,05 cm'yi sıfırlayın.
      NOT: Bu iki kontur katmanı, VH-IVUS konturlarına sabit 0,05 cm'lik bir katman kalınlığı ekleyerek, yalnızca ince katmanlı yapı modeli için 3D koroner damar geometrisini yeniden yapılandırır (Şekil 2).
  2. Sonlu elemanlar ağ oluşturma
    1. Her katman için 1/3 ve 2/3 ağırlıklarına sahip lümen ve dış sınır konturlarını doğrusal olarak enterpolasyon yaparak iki yardımcı kontur oluşturun (Şekil 3A).
    2. Lümen/dış sınırı lipid konturu üzerindeki en yakın noktaya (örneğin, Şekil 3B'deki A ve B noktaları) veya radyal çizgilerle iki yardımcı kontura bağlayarak damar alanını 8 çevresel parçaya ve 3 radyal parçaya bölün (bkz. Şekil 3B).
    3. Katmanlar arasındaki tüm noktaları düz çizgilerle birleştirin ve 3 x 8 hacimli bir 3B yapı oluşturun (Şekil 3B). Sonlu eleman ağını (Şekil 3C) ve farklı malzeme gruplarını (Şekil 3D) oluşturmak için altıyüzlü elemanlar kullanarak her hacmi bölün.
    4. Çözeltilerdeki değişiklikler %5'e < olana kadar ağ yoğunluğunu oranında rafine ederek bir ağ analizi gerçekleştirin.
  3. Malzeme özelliği tanımı
    1. Koroner damar duvarının malzeme özelliklerini tanımlamak için modifiye edilmiş bir anizotropik Mooney-Rivlin malzeme modeli kullanın. Koroner damarlar ve plak bileşenlerinin hiperelastik, anizotropik, neredeyse sıkıştırılamaz ve homojen malzemeler olduğu varsayılmıştır ve modifiye edilmiş anizotropik Mooney-Rivlin malzeme modelinin gerinim enerji yoğunluğu fonksiyonu şu şekildedir:
      figure-protocol-1(1)
      figure-protocol-2(2)
      figure-protocol-3(3)
      burada I1 ve I2 , c = [cij] = XTX olarak tanımlanan sağ Cauchy-Green deformasyon tensörü C'nin birinci ve ikinci değişmezleridir, X = [Xij] = [figure-protocol-4], (Xi) mevcut konumdu (aj) orijinal konumdu, I4 = cij(nc)i(nc)j, nc kabın çevresel yönündeki birim vektördü. c1, c2, D1, D2, K1 ve K2 hastaya özgü materyal parametreleriydi.
    2. Ex vivo çift eksenli test sonuçlarına göre hastaya özgü bir koroner damar için malzeme parametrelerinin başlangıç değerlerini atayın, yani c1 = -1,312.9 kPa, c2 = 114.7 kPa, D1 = 629.7 kPa, D2 = 2.0, K1 = 35.9 kPa ve K2 = 23.5 (Şekil 4A-B)13,15.
    3. Varsa, plak bileşeni için malzeme parametrelerini atayın. Daha spesifik olarak, lipitler için, c1 = 0.5 kPa, c2 = 0, D1 = 0.5 kPa ve D2 = 1.5; kalsifikasyon için c1=920 kPa, c2=0, D1=360 kPa ve D2=2.0 kullandık (Şekil 4B)16.
      NOT: Plak bileşenlerinin (lipid ve kalsifikasyon) hiperelastik, izotropik ve neredeyse sıkıştırılamaz olduğu varsayıldı ve mekanik özellikleri, formül (2)'de verilen gerinim enerji yoğunluğu fonksiyonları ile izotropik Mooney-Rivlin malzeme modeli ile tanımlandı.
  4. Yönetim denklemleri ve sınır koşullarının belirlenmesi
    1. Hareket denklemi, doğrusal olmayan Cauchy-Green gerinim-yer değiştirme ilişkisi ve koroner damar malzemesi modeli11'i içeren yalnızca ince katman yapı modeli için yönetim denklemlerini tanımlayın.
    2. Gerçek fizyolojik koşulları simüle etmek için lümen yüzeyinde hastaya özel kan basıncı dalga formlarını reçete edin (Şekil 4C). Hastaya özgü kan basıncı dalga formlarını elde etmek için, kol manşeti ile ölçülen sistolik ve diyastolik basınç değerleri ile tipik bir aort basıncı dalga formunu ölçeklendirin (Şekil 4D).

3. Hastaya özgü koroner arter materyal özellikleri için sonlu elemanlar model tabanlı güncelleme yaklaşımı

NOT: Hastaya özgü koroner materyal özelliklerini belirlemek için yapılan yinelemeli süreç Şekil 5'te gösterilmiştir.






  9. figure-protocol-5

    1. figure-protocol-6

Sonuçlar

Gerçek zamanlı IVUS görüntüleme sonrası koroner plakların hızlı plak materyali ve stres analizini sağlayan ve plakların in vivo materyal özelliklerini ve biyomekanik sonuçlarını belirleyebilen FEMBUA yöntemini detaylı olarak anlatıyoruz. Bu koroner damar için Mooney-Rivlin malzeme modelinin in vivo malzeme parametreleri Tablo 1'de verilmiştir. Koroner damardaki gerilme/gerinim dağılımları da dahil olmak üzere sonlu elemanlar modelinin simülasyon sonuçları Şekil 8'de çizilmiştir. Sonuçların detaylı bir analizi aşağıdaki gibidir.

Tüm süreci tamamlamak ve bu koroner damar için sine IVUS ve VH-IVUS görüntü segmentasyonu, hesaplamalı FE modelinin inşası ve malzeme özelliklerini ölçmek için yinelemeli prosedürün yürütülmesi dahil olmak üzere in vivo malzeme parametrelerinin elde edilmesi yaklaşık 2 saat sürer. Bu yöntem, yüksek zamanlama ile hızlı klinik muayene gereksinimlerini karşılayabilir.

figure-results-1

figure-results-2

figure-results-3

figure-results-4

figure-results-5

figure-results-6

figure-results-7

figure-results-8

Tartışma

Protokoldeki kritik adımlar
Sonlu elemanlar modeli tabanlı güncelleme yaklaşımındaki en kritik adım, yinelemeli prosedürde yatmaktadır. Yaklaşımda, sonlu elemanlar modeli, in vivo sine IVUS görüntülerinden vasküler kesit üzerindeki koroner damar hareketini doğru bir şekilde geri kazanmalıdır. Bu amaçla, sonlu elemanlar modeli ile in vivo görüntüler arasındaki lümen çevre farkını en aza indirmek, uygun malzeme özelliklerini bulmak için bu çalışmada benimsenmiştir. Protokollerde, görüntü segmentasyonu ve işleme, sonlu elemanlar modeli oluşturma ve koroner damar malzeme özelliklerini ölçmek için yinelemeli şemalar dahil olmak üzere başka önemli adımlar da vardı. Bir gelişme, zamandan tasarruf etmek için koroner plak bileşenlerinin otomatik olarak tanımlanmasıydı.

Sonlu elemanlar modelleme tabanlı güncelleme yaklaşımının önemi
Klasik olarak, kardiyovasküler dokuların mekanik davranışını ex vivoolarak ölçmek için tek eksenli/çift eksenli çekme testi, girinti testi ve basınç şişirme testi gibi mekanik deneyler yapılmıştır 8,16. Bu yaklaşımların klinik uygulaması aşağıdaki nedenlerden dolayı sınırlıydı: 1) Ex vivo koroner arteriyel doku örnekleri genellikle mevcut değildir. Normal koroner örneklerin klinik ortamda alınması neredeyse imkansızdır; 2) Arteriyel dokuların maddi özellikleri, canlı deneklerden alındığında değişebilir; 3) Kişisel yönetim ve hassas tıp için hastaya özel bir ortamda sürekli izleme için uygun değildir. Neyse ki, FEMBUA hastaya özgü doku özelliklerini in vivo olarak belirlemek için başka bir yol sağlar. İn vivo yöntem, aort dokuları19 ve kalp dokusu20 gibi diğer biyolojik dokulara ve hatta metal21 gibi biyolojik olmayan materyallere başarılı bir şekilde uygulanacak şekilde kolayca değiştirilebilir. Önceki çalışmalar, hastaya özgü in vivo doku materyali özelliklerinin, ex vivo materyal özelliklerine kıyasla, özellikle gerinim hesaplamasında kardiyovasküler biyomekanik üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir11. Bu nedenle, kişiselleştirilmiş tedavi için hastaya özgü in vivo malzeme özellikleri arzu edilir.

İn vivo ve ex vivo yöntemler farklı olsa da, kardiyovasküler dokuların mekanik özelliklerini ölçmek için diğer yaklaşımlara ilham vermek için entegre edilebilirler. Aort anevrizmal dokusu22 için çift eksenli / tek eksenli deneylerden elde edilen stres-gerinim verilerini eşleştirmek için FEMBUA'yı birleştiren hibrit bir yaklaşım önerilmiştir.

Sonlu Elemanlar Modelleme Tabanlı Güncelleme Yaklaşımının Potansiyel Klinik Uygulamaları
IVUS görüntüsüne dayalı FEMBUA, kardiyovasküler malzeme biliminde, tıbbi görüntü analizinde ve kişiselleştirilmiş tıbbi cihaz tasarımında büyük önem taşımaktadır. Önerilen bu yöntemin, dokuyu canlı insan vücudundan çıkarmak gibi bir durumda olduğu gibi, araştırılan koroner damar duvarında dramatik bir hasara neden olması gerekmez, bu nedenle klasik mekanik deneysel bir yaklaşımla yapılamayan in vivo mekanik özelliklerin hasta prognozu üzerindeki etkisinin araştırılması gibi sürekli hasta takibi için uygundur. Ek olarak, önerilen FEMBUA yöntemi, koroner stentlerin tedavi optimizasyonunda ve kardiyovasküler hastalıkların teşhisinde anahtar bir rol oynamaktadır. Kan damarı duvarlarının yapısının ve lezyon özelliklerinin hassas bir şekilde analiz edilmesi, stent boyutu ve yerinin seçimine rehberlik edebilir, böylece dokulardaki yapısal ve mekanik stabiliteyi daha yüksek derecede koruyabilir, komplikasyonları azaltabilir ve hasta prognozunu iyileştirebilir23. Özetle, FEMBUA yöntemi kardiyovasküler alanda geniş ve geniş kapsamlı bir uygulama potansiyeline sahiptir.

FEMBUA ve ex vivo deneysel yaklaşımlardan elde edilen sonuçların karşılaştırılması
Yeni in vivo yaklaşımın doğruluğunu ve etkinliğini değerlendirmek için FEMBUA ve klasik ex vivo deneysel yaklaşımlar arasında karşılaştırma analizi yapılmıştır. Basitleştirmek için, mekanik yaklaşımdan elde edilen koroner doku sertliği, FEMBUA kullanılarak yapılan in vivo çalışmalardan elde edilenlerle karşılaştırıldı ve her iki yöntemden elde edilen doku sertliği genellikle aynı büyüklük aralığındaydı11. Tutarlılık, aort ve karotis arter24 gibi diğer vasküler yataklarda da doğrulandı. Sınırlı sayıda ex vivo çalışmanın yukarıda belirtilen sonuçları etkileyebileceğini unutmayın, çünkü farklı bireyler arasındaki doku sertliği değişkenliği de belirgindir. Bununla birlikte, bu sonuçlar FEMBUA'nın arteriyel duvarların malzeme özelliklerini ölçmek için doğru ve etkili bir yaklaşım olduğunu göstermiştir.

FEMBUA yönteminin validasyonu ve sağlamlığı, validasyon amacıyla aynı arteriyel doku üzerinde hem in vivo FEMBUA yöntemi hem de ex vivo deney yapılarak araştırılmıştır 25,26,27. Liu ve ark. aort dokuları üzerinde in vivo ve ex vivo deneysel yaklaşımlar yürütmüştür. Bulguları, her iki yöntem tarafından oluşturulan malzeme davranış eğrileri arasında yakın bir korelasyon olduğunu ve ortalama ortalama mutlak yüzde hatasının %5'ten küçük olduğunu ortaya koymuştur25. Ayrıca, Cosentino ve ark. daha büyük bir örneklem kohortuna (n = 10) dayalı benzer bir karşılaştırmalı analiz gerçekleştirdi ve benzer sonuçlar elde edildi27. Bu bulgular toplu olarak, FEMBUA'nın aynı numuneler için biyomekanik sonuçlarda minimum tutarsızlıklar sağlayabileceğini gösterdi. Başka bir çalışma ayrıca, önerilen yöntemin tekrarlanabilir ve sağlam olduğunu göstermiştir, çünkü çalışma, mekanik özelliklerdeki değişikliklerin, sonlu elemanlar analizi27 yoluyla koroner arter modellerinde simüle edilmiş biyomekanik sonuçlar üzerinde minimum etkiye sahip olduğunu göstermiştir.

Modelleme varsayımları ve sınırlamaları
Koroner arter duvarlarının malzeme özelliklerinin in vivo olarak tanımlanması için FEM'de yer alan bazı varsayımlar vardır ve bu varsayımlar burada açıklandığı gibi FEMBUA'dan elde edilen sonuçları etkileyecektir. Gerçek eksenel büzülme in vivo koşullar altında elde edilemediği için eksenel büzülme oranının %95 olduğu varsayılmıştır. Eksenel gerilmenin malzeme özellikleri üzerindeki etkisi önceki çalışmalarda araştırılmıştır ve sonuçlar, daha küçük eksenel gerilmenin daha büyük dilim büzülmesine ve daha yumuşak malzeme sertliği tahminine yol açtığını göstermiştir 11,28,29,30. Bu nedenle, mevcut olduğunda hastaya özel eksenel gerilme verileri kullanılmalıdır. Sonlu eleman örgüsünün kalite değerlendirmesi, sayısal çözümün kararlılığı ve yinelemeli yakınsama ile doğrudan ilişkili olan, ağ elemanının şeklinin bu makaledeki ana değerlendirme kriteri olduğu birkaç temel göstergeyi içerir. Pratik uygulamalarda, problemin karmaşıklığı nedeniyle, analiz ihtiyaçlarını karşılamak için göstergeleri tartmak gerekir ve gerekirse yeni segmentasyon yöntemleri tasarlanarak ve uygun ağ türleri seçilerek ağ kalitesi optimize edilebilir31. Gerçek segmentasyon sırasında kilit bölgelerdeki küçük lipitlere özel dikkat gösterilmelidir 32,33,34. Bu uygulamada, kilit bölgelerdeki (fibröz kapak ve omuz) küçük lipitler korunurken, stres/gerinim koşulları üzerinde çok az etkisi olan diğer bölgelerdeki lipitler korunur. Hasta için invaziv intrakoroner basınç mevcut olmadığı için kolluk ile ölçülen kan basıncı, yerinde intrakoroner basınç için vekil olarak kullanıldı. Koroner arterdeki aktif stres, canlı kan damarının elastik özelliklerine katkısının çok küçük olduğunu gösteren erken kanıtlar nedeniyle dikkate alınmamıştır35. Artık gerilme bilgisi mevcut değildi ve bu nedenle bu modele dahil edilmedi36,37. FEMBUA yönteminde daha karmaşık akışkan-yapı etkileşim modellerinden ziyade yalnızca yapı modelleri kullanılmıştır, çünkü yinelemeli prosedürlerin tipik olarak malzeme özelliklerini sabit bulmak için hesaplama modellerini birkaç kez çözmesi gerektiğinden, hesaplama açısından daha verimlidir.

Özetle, görüntü tabanlı FEMBUA, diğer klasik ex vivo deneysel yaklaşımlardan farklı olarak, koroner damarların hastaya özgü malzeme özelliklerini in vivo olarak etkili bir şekilde belirlemek için kullanılabilir. Arteriyel doku sertliği klinik ortamlarda kardiyovasküler hastalıklar için bir risk faktörü olarak zaten kullanıldığından, FEMBUA koroner arter mekanik özelliklerinin in vivo koşullar altında sürekli olarak izlenmesini mümkün kılar ve böylece kişiselleştirilmiş tedavi ve hassas tıp için klinik uygulamalarda potansiyele sahiptir.

Açıklamalar

Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması beyan etmemektedir.

Teşekkürler

Bu araştırma kısmen Shandong Eyaleti Tıbbi Sağlık Bilimi ve Teknolojisi Projesi (No. 202425020256 ve 202403010254), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı 11972117 ve 11802060 hibeleri, Jiangsu Eyaleti Doğa Bilimleri Vakfı BK20180352 numaralı hibe numarası ve Shandong Eyaleti Doğa Bilimleri Vakfı tarafından ZR2024QA110 numaralı hibe ile desteklenmiştir.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
  Arı DICOM Görüntüleyici SinoUnion Sağlık A.Ş.Sürüm 3.5.1Bir DICOM görüntü okuyucu yazılımı
ADINA Adina Ar-Ge DSürüm 9.0Sonlu elemanlar çözücü
ImageJ Ulusal SağlıkEnstitüleri Segmentli IVUS konturları
MATLABMathWorks   Sürüm R2018aTicari programlama platformu
Volcano s5 görüntüleme sistemiVolcano Companyİntravasküler ultrason görüntüleme sistemi 

Kaynaklar

  1. Roth, G. A., et al. Global burden of cardiovascular diseases and risk factors, 1990-2019: update from the GBD 2019 study. J Am Coll Cardiol. 76 (25), 2982-3021 (2020).
  2. Kanwar, S. S., et al. Acute coronary syndromes without coronary plaque rupture. Nat Rev Cardiol. 13 (5), 257-265 (2016).
  3. Milzi, A., et al. Coronary plaque composition influences biomechanical stress and predicts plaque rupture in a morpho-mechanic OCT analysis. Elife. 10, e64020(2021).
  4. Stefanati, M., et al. Effect of variability of mechanical properties on the predictive capabilities of vulnerable coronary plaques. Comput Methods Programs Biomed. 254, 108271(2024).
  5. Laurent, S., et al. Expert consensus document on arterial stiffness: methodological issues and clinical applications. Eur Heart J. 27 (21), 2588-2605 (2006).
  6. Daisuke, K., et al. Coronary plaque phenotype associated with positive remodeling. J Cardiovasc Comput Tomogr. 18 (4), 401-407 (2024).
  7. Macrae, R. A., Miller, K., Doyle, B. J. Methods in mechanical testing of arterial tissue: A review. Strain. 52, 380-399 (2016).
  8. Hayashi, K. Experimental approaches on measuring the mechanical properties and constitutive laws of arterial walls. J Biomech Eng. 115 (4B), 481-488 (1993).
  9. Sacks, M. S., Sun, W. Multiaxial mechanical behavior of biological materials. Annu Rev Biomed Eng. 5, 251-284 (2003).
  10. Charis, C., et al. Impact of combined plaque structural stress and wall shear stress on coronary plaque progression, regression, and changes in composition. Eur Heart J. 40 (18), 1411-1422 (2019).
  11. Wang, L., et al. Quantifying patient-specific in vivo coronary plaque material properties for accurate stress/strain calculations: An IVUS-based multi-patient study. Front Physiol. 12, 721195(2021).
  12. Guo, X. Y., et al. Quantify patient-specific coronary material property and its impact on stress/strain calculations using in vivo IVUS data and 3D FSI models: a pilot study. Biomech Model Mechanobiol. 16 (1), 333-344 (2017).
  13. Wang, L., et al. Quantification of patient-specific coronary material properties and their correlations with plaque morphological characteristics: An in vivo IVUS study. Int J Cardiol. 371, 21-27 (2023).
  14. Lu, W., et al. Accurate identification of potential critical coronary lesions for the reduction of risk of cardiovascular events: study protocol for a randomized, open-label, active-controlled multi-center trial. Clin Trial Degenerat Dis. 3 (3), 106-110 (2018).
  15. Lv, R., et al. Using optical coherence tomography and intravascular ultrasound imaging to quantify coronary plaque cap stress/strain and progression: A follow-up study using 3D thin-layer models. Front Bioeng Biotechnol. 9, 713525(2021).
  16. Camasao, D. B., Mantovani, D. The mechanical characterization of blood vessels and their substitutes in the continuous quest for physiological-relevant performances. A critical review. Mater Today Bio. 10, 100106(2021).
  17. Holistic Numerical Methods Institute at University of South Florida. Secant Method. , Florida, FL, USA. (2003).
  18. Barnes, J. An algorithm for solving nonlinear equations based on the secant method. Comp J. 8 (8), 66-72 (1965).
  19. Liu, M., Liang, L., Sun, W. A new inverse method for estimation of in vivo mechanical properties of the aortic wall. J Mech Behav Biomed Mater. 72, 148-158 (2017).
  20. Yu, H., et al. Patient-specific in vivo right ventricle material parameter estimation for patients with tetralogy of Fallot using MRI-based models with different zero-load diastole and systole morphologies. Int J Cardiol. 276, 93-99 (2019).
  21. Meuwissen, M. H. H., Oomens, C. W. J., Baaijens, F. P. T., Petterson, R., Janssen, J. D. Determination of the elasto-plastic properties of aluminium using a mixed numerical-experimental method. J Mater Process Technol. 75, 204-211 (1998).
  22. Davis, F. M., Luo, Y., Avril, S., Duprey, A., Lu, J. Local mechanical properties of human ascending thoracic aneurysms. J Mech Behav Biomed Mater. 61, 235-249 (2016).
  23. Fan, L., Wang, H., Kassab, G. S., Lee, L. C. Review of cardiac-coronary interaction and insights from mathematical modeling. WIREs Mech Dis. 16 (3), e1642(2024).
  24. Andreas, W., et al. A finite element updating approach for identification of the anisotropic hyperelastic properties of normal and diseased aortic walls from 4D ultrasound strain imaging. J Mech Behav Biomed Mater. 58, 122-138 (2016).
  25. Liu, M., et al. Identification of in vivo nonlinear anisotropic mechanical properties of ascending thoracic aortic aneurysm from patient-specific CT scans. Sci Rep. 9, 12983(2019).
  26. Trabelsi, O., Duprey, A., Favre, J. P., Avril, S. Predictive models with patient specific material properties for the biomechanical behavior of ascending thoracic aneurysms. Ann Biomed Eng. 44, 84-98 (2016).
  27. Cosentino, F., et al. On the role of material properties in ascending thoracic aortic aneurysms. Comput Biol Med. 109, 70-78 (2019).
  28. Krauz, K., et al. The role of epicardial adipose tissue in acute coronary syndromes, post-infarct remodeling and cardiac regeneration. Int J Mol Sci. 25 (7), 3583(2024).
  29. McCracken, I. R., Smart, N. Control of coronary vascular cell fate in development and regeneration. Semin Cell Dev Biol. 155 (Pt C), 50-61 (2024).
  30. Holzapfel, G. A., et al. Determination of layer-specific mechanical properties of human coronary arteries with nonatherosclerotic intimal thickening and related constitutive modeling. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 289 (5), H2048-H2058 (2005).
  31. Han, Y., et al. Ventricle stress/strain comparisons between Tertalogy of Fallot patients and healthy using models with different zero-load diastole and systole morphologies. PLoS One. 14 (8), e0220328(2019).
  32. Ryo, K., et al. Role of the low-density lipoprotein-cholesterol/high-density lipoprotein-cholesterol ratio in predicting serial changes in the lipid component of coronary plaque. Circ J. 81 (10), 1439-1446 (2017).
  33. Thomas, T. W., et al. In vivo characterization and quantification of atherosclerotic carotid plaque components with multidetector computed tomography and histopathological correlation. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 26 (10), 2366-2372 (2006).
  34. Masanori, K., et al. In vivo quantitative tissue characterization of human coronary arterial plaques by use of integrated backscatter intravascular ultrasound and comparison with angioscopic findings. Circulation. 105 (21), 2487-2492 (2002).
  35. Roach, M. R., Burton, A. C. The reason for the shape of the distensibility curves of arteries. Can J Biochem Physiol. 35, 681-690 (1957).
  36. Fung, Y. C., Liu, S. Q. Strain distribution in small blood vessel with zero-stress state taken into consideration. Am J Physiol. 262, 544-552 (1992).
  37. Ohayon, J., et al. Influence of residual stress/strain on the biomechanical stability of vulnerable coronary plaques: Potential impact for evaluating the risk of plaque rupture. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 293, 1987-1996 (2007).

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

VH IVUS G r nt leriSine IVUS G r nt leriMooney Rivlin ModeliDamar Duvar Sertli iKan Bas nc Dalga FormuA Olu turma
İnsan Koroner Arterinin İn Vivo Mekanik Özelliklerinin Ölçülmesi için İntravasküler Ultrason Görüntü Tabanlı Sonlu Elemanlar Modelleme Yaklaşımı
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.