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Method Article
* Ces auteurs ont contribué à parts égales
Les images échographiques intravasculaires in vivo montrent le mouvement de la section transversale coronaire correspondant à différentes conditions de charge de pression. Sur la base d’un modèle d’éléments finis, un schéma itératif a été utilisé pour déterminer les propriétés mécaniques spécifiques au patient des artères coronaires in vivo en faisant correspondre le mouvement coronaire du modèle computationnel et des images médicales.
La quantification des propriétés mécaniques des parois artérielles coronaires pourrait fournir des informations significatives pour le diagnostic, la prise en charge et le traitement des maladies coronariennes. Étant donné qu’il n’existe pas d’échantillons coronaires spécifiques aux patients nécessitant une surveillance continue, il devient impossible de tester directement les propriétés des matériaux des vaisseaux. Les modèles coronaires actuels utilisent généralement des paramètres de matériaux provenant de la littérature disponible, ce qui entraîne des erreurs de calcul de contrainte/déformation mécaniques importantes. Ici, nous introduirons une approche de mise à jour basée sur un modèle d’éléments finis (FEMBUA) pour quantifier les propriétés matérielles in vivo spécifiques au patient des artères coronaires sur la base d’images médicales. Des images d’échographie intravasculaire (IVUS) in vivo et d’histologie virtuelle (VH)-IVUS des artères coronaires ont été acquises auprès d’un patient atteint de maladie coronarienne. Des images IVUS cinétiques montrant le mouvement vasculaire sur un cycle cardiaque ont été segmentées, et deux trames IVUS avec des circonférences de lumière maximale et minimale ont été sélectionnées pour représenter la géométrie coronaire dans des conditions de pression systolique et diastolique, respectivement. L’image VH-IVUS a également été segmentée pour obtenir les contours des vaisseaux, et une épaisseur de couche de 0,05 cm a été ajoutée aux contours VH-IVUS pour reconstruire la géométrie coronaire. Un modèle informatique par éléments finis a été créé à l’aide d’un modèle de matériau anisotrope de Mooney-Rivlin utilisé pour décrire les propriétés mécaniques du vaisseau et les conditions de pression artérielle pulsatile prescrites à la surface luminale coronaire pour le faire se contracter et se dilater. Ensuite, une approche de mise à jour itérative a été utilisée pour déterminer les paramètres matériels du modèle anisotrope de Mooney-Rivlin en faisant correspondre les circonférences minimales et maximales de la lumière du modèle d’éléments finis computationnel avec celles des images IVUS ciné. Cette approche de mise à jour basée sur l’image, basée sur un modèle d’éléments finis, pourrait être étendue avec succès pour déterminer les propriétés matérielles des parois artérielles dans divers lits vasculaires et présente un potentiel d’évaluation du risque de maladies cardiovasculaires.
La maladie coronarienne est l’une des principales causes de mortalité et de morbidité, avec plus de 9,14 millions de décès en 2019 dans le monde. Le développement de maladies coronariennes, telles que l’athérosclérose et la sténose, s’accompagne souvent d’altérations des forces mécaniques et de modifications des propriétés des matériaux de la paroi vasculaire3. Les propriétés matérielles des artères coronaires sont non seulement la pierre angulaire pour déterminer leur réponse mécanique à la charge physiologique, mais aussi les éléments clés pour simuler le comportement mécanique des vaisseaux sanguins, prédire le développement de lésions athéroscléreuses et évaluer l’effet thérapeutique de divers dispositifs médicaux 4,5. Par conséquent, une compréhension approfondie et une quantification précise des propriétés du matériau coronaire sont d’une valeur primordiale pour le diagnostic précoce des maladies, la médecine de précision et l’évaluation du pronostic6.
Les expériences mécaniques de tissus coronaires isolés, telles que les tests biaxiaux planaires, les tests d’indentation, les tests d’inflation-extension et les tests d’extension uniaxiale, sont des approches courantes pour quantifier les propriétés mécaniques des parois des vaisseaux coronaires ex vivo 7,8,9. À partir de ces approches, des échantillons d’artères coronaires ont été obtenus chez des patients ou des animaux de laboratoire. Des essais mécaniques ont été effectués pour déterminer les réponses à la déformation de la paroi de la cuve dans différentes conditions de contrainte, puis les paramètres du matériau ont été déterminés en ajustant les données expérimentales10. Des études antérieures ont montré que les propriétés coronaires sont hautement non linéaires et anisotropes11. Bien que les expériences ex vivo puissent fournir des données précises sur les propriétés des matériaux, il existe également des limites importantes, qui sont les suivantes : premièrement, le comportement mécanique de l’échantillon après prélèvement sur les sujets vivants serait différent de celui dans des conditions in vivo, ce qui peut affecter la précision des résultats des tests. Deuxièmement, en raison de contraintes éthiques et pratiques, il est difficile d’obtenir une grande collection de tissus normaux ou pathologiques d’artères coronaires pour effectuer les tests mécaniques.
Pour surmonter ces limites, les chercheurs ont exploré de nouvelles techniques de quantification in vivo, en temps réel et spécifique au patient des propriétés des matériaux coronaires. Parmi elles, l’approche de mise à jour basée sur le modèle d’éléments finis (FEMBUA) basée sur l’image médicale promet de résoudre ces problèmes difficiles. Cette approche utilise des techniques d’imagerie avancées telles que l’échographie intravasculaire (IVUS) et l’histologie virtuelle (VH)-IVUS pour capturer en détail la géométrie coronaire, la composition des tissus et son mouvement12. En construisant des modèles d’éléments finis (EF) 3D et en incorporant des conditions de pression artérielle physiologiques spécifiques au patient, le comportement vasculaire dynamique pendant les cycles cardiaques a pu être récupéré en optimisant les paramètres du matériau pour correspondre aux données d’image afin de quantifier rapidement et précisément les propriétés du matériau coronaire13. Les avantages de l’approche de mise à jour de l’EF in vivo par rapport aux expériences ex vivo comprennent l’évaluation in vivo sans excision tissulaire, la facilitation des évaluations à grande échelle et la simulation de la dynamique vasculaire dans des conditions complexes pour aider à la compréhension de la physiopathologie des maladies coronariennes.
Dans cet article, les étapes clés de l’approche de mise à jour basée sur le modèle d’éléments finis sont présentées, qui comprennent une segmentation et un traitement détaillés de l’image CINE IVUS et VH-IVUS, la reconstruction d’un modèle computationnel de structure de couche mince uniquement, l’exécution du schéma itératif pour rechercher des paramètres de matériau optimaux pour les tissus artériels coronaires. L’objectif de ce protocole est de quantifier les propriétés matérielles de l’artère coronaire d’un patient patient atteint de coronaropathie en utilisant la méthode FEMBUA comme démonstration, en particulier l’illustration de méthodes étape par étape. Nous avons conclu en discutant de l’importance et d’autres aspects de cette méthode in vivo .
La participante sélectionnée est une femme de 64 ans sans antécédents cliniques de maladie coronarienne. Ce patient a été diagnostiqué avec une maladie coronarienne après avoir présenté des symptômes de douleur thoracique. L’angiographie coronaire et la scintigraphie IVUS ont été réalisées pour confirmer le diagnostic. Une lésion de plaque avec 60 % de sténose a été trouvée au milieu de l’artère descendante antérieure gauche. Après évaluation, un traitement médical optimal a été adopté pour traiter le patient.
Des données cliniques anonymisées, y compris des images IVUS in vivo et des données sur la pression artérielle, ont été obtenues auprès d’un patient atteint de coronaropathie à l’hôpital Zhongda de l’Université du Sud-Est, avec l’obtention d’un consentement éclairé. Le patient échantillon a été sélectionné dans le groupe de patients d’une étude clinique sur des lésions athéroscléreuses coronaires intermédiaires afin de démontrer la méthode de quantification des propriétés matérielles des vaisseaux coronaires spécifiques au patient14. L’étude a été menée conformément au protocole approuvé par le Comité d’éthique de la recherche clinique de l’hôpital Zhongda, Université du Sud-Est (numéro d’approbation : 2017ZDSYLL023-p01).
1. Acquisition et traitement des données
2. Modèle d’éléments finis
3. Approche de mise à jour basée sur un modèle d’éléments finis pour les propriétés des matériaux des artères coronaires spécifiques au patient
REMARQUE : Le processus itératif de détermination des propriétés des matériaux coronaires spécifiques au patient est illustré à la figure 5.
Nous décrivons en détail la méthode FEMBUA, qui permet une analyse rapide du matériau des plaques et des contraintes des plaques coronaires après imagerie IVUS en temps réel et peut déterminer les propriétés des matériaux in vivo et les résultats biomécaniques des plaques. Les paramètres matériels in vivo du modèle de matériau Mooney-Rivlin pour ce vaisseau coronaire sont présentés dans le tableau 1. Les résultats de simulation du mod...
Étapes critiques du protocole
L’étape la plus critique de l’approche de mise à jour basée sur un modèle d’éléments finis réside dans la procédure itérative. Dans cette approche, le modèle d’éléments finis devrait récupérer avec précision le mouvement des vaisseaux coronaires sur la section efficace vasculaire à partir d’images IVUS in vivo . À cette fin, la minimisation de la différence de circonférence de la lumière entre le mo...
Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Cette recherche a été financée en partie par le projet de science et de technologie de la santé médicale de la province du Shandong (n° 202425020256 et 202403010254), les subventions de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine 11972117 et 11802060, la Fondation des sciences naturelles de la province du Jiangsu sous le numéro de subvention BK20180352 et la Fondation des sciences naturelles de la province du Shandong sous le numéro de subvention ZR2024QA110.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Bee DICOM Viewer | SinoUnion Healthcare Inc. | Version 3.5.1 | A DICOM image reader software |
ADINA | Adina R & D | Version 9.0 | Finite element solver |
ImageJ | National Institutes of Health | Segmented IVUS contours | |
MATLAB | MathWorks | Version R2018a | Commercial programming platform |
Volcano s5 imaging system | Volcano Company | Intravascular ultrasound imaging system |
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