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Method Article
* Questi autori hanno contribuito in egual misura
Le immagini ecografiche intravascolari cine in vivo mostrano il movimento della sezione trasversale coronarica corrispondente a diverse condizioni di carico pressorio. Sulla base di un modello agli elementi finiti, è stato impiegato uno schema iterativo per determinare le proprietà meccaniche specifiche del paziente delle arterie coronarie in vivo abbinando il movimento coronarico dal modello computazionale e dalle immagini mediche.
La quantificazione delle proprietà meccaniche delle pareti arteriose coronarie potrebbe fornire informazioni significative per la diagnosi, la gestione e il trattamento delle malattie coronariche. Poiché i campioni coronarici specifici per il paziente non sono disponibili per i pazienti che richiedono un monitoraggio continuo, i test sperimentali diretti delle proprietà dei materiali dei vasi diventano impossibili. Gli attuali modelli coronarici utilizzano in genere i parametri dei materiali disponibili in letteratura, con conseguenti significativi errori di calcolo delle sollecitazioni/deformazioni meccaniche. Qui, introdurremmo un approccio di aggiornamento basato su modelli agli elementi finiti (FEMBUA) per quantificare le proprietà dei materiali in vivo specifiche del paziente delle arterie coronarie sulla base di immagini mediche. Le immagini dell'ecografia intravascolare cine (IVUS) in vivo e dell'istologia virtuale (VH)-IVUS delle arterie coronarie sono state acquisite da un paziente con malattia coronarica. Le immagini IVUS cinetiche che mostrano il movimento vascolare nell'arco di un ciclo cardiaco sono state segmentate e sono stati selezionati due frame IVUS con circonferenze massime e minime del lume per rappresentare la geometria coronarica in condizioni di pressione sistolica e diastolica, rispettivamente. L'immagine VH-IVUS è stata anche segmentata per ottenere i contorni dei vasi e uno spessore dello strato di 0,05 cm è stato aggiunto ai contorni VH-IVUS per ricostruire la geometria coronarica. È stato creato un modello computazionale agli elementi finiti con un modello anisotropo di materiale Mooney-Rivlin utilizzato per descrivere le proprietà meccaniche del vaso e le condizioni di pressione sanguigna pulsatile prescritte alla superficie luminale coronarica per farla contrarre ed espandere. Quindi, è stato impiegato un approccio di aggiornamento iterativo per determinare i parametri del materiale del modello anisotropo di Mooney-Rivlin confrontando le circonferenze minime e massime del lume del modello computazionale agli elementi finiti con quelle delle immagini cine IVUS. Questo approccio di aggiornamento basato su modelli agli elementi finiti basato su immagini potrebbe essere esteso con successo per determinare le proprietà dei materiali delle pareti arteriose in vari letti vascolari e ha il potenziale per la valutazione del rischio di malattie cardiovascolari.
La malattia coronarica (CAD) è una delle principali cause di mortalità e morbilità, rappresentando oltre 9,14 milioni di decessi nel 2019 a livello globale 1,2. Lo sviluppo di malattie coronariche, come l'aterosclerosi e la stenosi, è spesso accompagnato da alterazioni delle forze meccaniche e cambiamenti nelle proprietà del materiale della parete vascolare3. Le proprietà dei materiali delle arterie coronarie non sono solo la pietra angolare per determinare la loro risposta meccanica al carico fisiologico, ma anche gli elementi chiave per simulare il comportamento meccanico dei vasi sanguigni, prevedere lo sviluppo di lesioni aterosclerotiche e valutare l'effetto terapeutico di vari dispositivi medici 4,5. Di conseguenza, una profonda comprensione e una quantificazione accurata delle proprietà del materiale coronarico sono di fondamentale importanza per la diagnosi precoce della malattia, la medicina di precisione e la valutazione della prognosi6.
Gli esperimenti meccanici di tessuti coronarici isolati, come il test biassiale planare, il test di indentazione, il test di inflazione-estensione e il test di estensione uniassiale, sono approcci comuni per quantificare le proprietà meccaniche delle pareti dei vasi coronarici ex vivo 7,8,9. Da questi approcci, sono stati ottenuti campioni di arteria coronarica da pazienti o animali da esperimento. Sono stati eseguiti test meccanici per determinare le risposte alla deformazione della parete del recipiente in diverse condizioni di stress, quindi i parametri del materiale sono stati determinati adattando i dati sperimentali10. Studi precedenti hanno dimostrato che le proprietà coronariche sono altamente non lineari e anisotrope11. Sebbene gli esperimenti ex vivo possano fornire dati accurati sulle proprietà dei materiali, esistono anche limitazioni significative, che sono le seguenti: in primo luogo, il comportamento meccanico del campione dopo l'estrazione dai soggetti vivi sarebbe diverso da quello in condizioni in vivo, il che potrebbe influire sull'accuratezza dei risultati dei test. In secondo luogo, a causa di vincoli etici e pratici, è difficile ottenere una vasta raccolta di tessuti normali o patologici delle arterie coronarie per eseguire i test meccanici.
Per superare queste limitazioni, i ricercatori hanno esplorato nuove tecniche per la quantificazione in vivo, in tempo reale e specifica per il paziente delle proprietà del materiale coronarico. Tra questi, l'approccio di aggiornamento basato su modelli agli elementi finiti (FEMBUA) basato sull'immagine medica promette di affrontare questi problemi impegnativi. Questo approccio si avvale di tecniche di imaging avanzate come l'ecografia intravascolare (IVUS) e l'istologia virtuale (VH)-IVUS per acquisire la geometria coronarica dettagliata, le composizioni tissutali e il suo movimento12. Costruendo modelli 3D agli elementi finiti (FE) e incorporando le condizioni fisiologiche della pressione arteriosa specifiche del paziente, è stato possibile recuperare il comportamento vascolare dinamico durante i cicli cardiaci ottimizzando i parametri dei materiali per abbinare i dati delle immagini per una quantificazione rapida e accurata delle proprietà dei materiali coronarici13. I vantaggi dell'approccio di aggiornamento degli elementi FE in vivo rispetto agli esperimenti ex vivo includono la valutazione in vivo senza escissione tissutale, la facilitazione di valutazioni su larga scala e la simulazione della dinamica vascolare in condizioni complesse per aiutare la comprensione della fisiopatologia delle malattie coronariche.
In questo articolo, vengono introdotti i passaggi chiave dell'approccio di aggiornamento basato su modelli agli elementi finiti, che includono una segmentazione dettagliata e l'elaborazione di immagini cine IVUS e VH-IVUS, la ricostruzione di un modello computazionale di sola struttura a strato sottile, l'esecuzione dello schema iterativo per la ricerca di parametri ottimali del materiale per i tessuti arteriosi coronarici. Lo scopo di questo protocollo è quantificare le proprietà del materiale dell'arteria coronaria da un campione di paziente con CAD utilizzando il metodo FEMBUA come dimostrazione, in particolare l'illustrazione di metodi passo-passo. Abbiamo concluso discutendo il significato e altri aspetti di questo metodo in vivo .
Il partecipante selezionato è una donna di 64 anni senza precedenti clinici di malattia coronarica. A questo paziente è stata diagnosticata una malattia coronarica dopo aver avuto sintomi di dolore toracico. L'angiogramma coronarico e la scansione IVUS sono stati eseguiti per confermare la diagnosi. Una lesione a placche con stenosi del 60% è stata trovata al centro dell'arteria discendente anteriore sinistra. Dopo la valutazione, è stata adottata una terapia medica ottimale per trattare il paziente.
I dati clinici anonimizzati, comprese le immagini IVUS in vivo e i dati sulla pressione sanguigna, sono stati acquisiti da un paziente con CAD presso lo Zhongda Hospital, Southeast University, con il consenso informato ottenuto. Il paziente campione è stato selezionato dal pool di pazienti di uno studio clinico sulle lesioni aterosclerotiche coronariche intermedie per dimostrare il metodo per quantificare le proprietà dei materiali dei vasi coronarici specifici del paziente14. Lo studio è stato condotto seguendo il protocollo approvato dal Comitato etico per la ricerca clinica dell'ospedale Zhongda, Southeast University (numero di approvazione: 2017ZDSYLL023-p01).
1. Acquisizione ed elaborazione dei dati
2. Modello agli elementi finiti
3. Approccio di aggiornamento basato su modelli agli elementi finiti per le proprietà dei materiali dell'arteria coronarica specifiche per il paziente
NOTA: Il processo iterativo per determinare le proprietà del materiale coronarico specifiche del paziente è illustrato nella Figura 5.
Descriviamo in dettaglio il metodo FEMBUA, che consente una rapida analisi del materiale della placca e dello stress delle placche coronariche dopo l'imaging IVUS in tempo reale e può determinare le proprietà del materiale in vivo e i risultati biomeccanici delle placche. I parametri del materiale in vivo del modello di materiale Mooney-Rivlin per questo vaso coronarico sono forniti nella Tabella 1. I risultati della simulazione del modello agli eleme...
Passaggi critici nel protocollo
Il passaggio più critico nell'approccio di aggiornamento basato su modelli agli elementi finiti risiede nella procedura iterativa. Nell'approccio, il modello agli elementi finiti dovrebbe recuperare accuratamente il movimento dei vasi coronarici sulla sezione trasversale vascolare dalle immagini IVUS cine in vivo . A tal fine, in questo studio è stata adottata la minimizzazione della differenza di circonferenza del lume tra i...
Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.
Questa ricerca è stata supportata in parte dal Shandong Province Medical Health Science and Technology Project (n. 202425020256 e 202403010254), dalla National Natural Science Foundation of China grants 11972117 and 11802060, dalla Natural Science Foundation della provincia di Jiangsu con il numero di sovvenzione BK20180352 e dalla Natural Science Foundation della provincia di Shandong con il numero di sovvenzione 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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