Análise de interação biomecânica de fluido-estrutura biomecânica baseada em coerência óptica da progressão da aterosclerose coronária

Resumo

Há necessidade de determinar quais lesões ateroscleróticas progredirão na vasculatura coronária para orientar a intervenção antes do infarto do miocárdio ocorrer. Este artigo descreve a modelagem biomecânica das artérias a partir da Tomografia de Coerência Óptica usando técnicas de interação fluido-estrutura em um solucionador de elementos finitos comerciais para ajudar a prever essa progressão.

Resumo

Neste artigo, apresentamos um fluxo de trabalho completo para a análise biomecânica da placa aterosclerótica na vasculatura coronária. Com a aterosclerose como uma das principais causas de morte global, morbidade e carga econômica, novas formas de analisar e prever sua progressão são necessárias. Um desses métodos computacionais é o uso da interação fluido-estrutura (FSI) para analisar a interação entre o fluxo sanguíneo e os domínios da artéria/placa. Juntamente com imagens in vivo, essa abordagem poderia ser adaptada a cada paciente, auxiliando na diferenciação entre placas estáveis e instáveis. Delineamos o processo de reconstrução tridimensional, fazendo uso da Tomografia de Coerência Óptica intravascular (OCT) e angiografia coronária invasiva (ICA). A extração de condições de fronteira para a simulação, incluindo a replicação do movimento tridimensional da artéria, é discutida antes que a configuração e análise seja conduzida em um solucionador de elementos finitos comerciais. O procedimento para descrever as propriedades hiperelásticas altamente não lineares da parede da artéria e a velocidade/pressão pulsante é delineado juntamente com a configuração do acoplamento do sistema entre os dois domínios. Demonstramos o procedimento analisando uma placa não-culpada, levemente estenótica e rica em lipídios em um paciente após o infarto do miocárdio. Marcadores estabelecidos e emergentes relacionados à progressão da placa aterosclerótica, como o estresse da tesoura de parede e a helicidade normalizada local, respectivamente, são discutidos e relacionados à resposta estrutural na parede e placa da artéria. Finalmente, traduzimos os resultados para potencial relevância clínica, discutimos limitações e delineamos áreas para o desenvolvimento posterior. O método descrito neste artigo mostra a promessa de auxiliar na determinação de locais em risco de progressão aterosclerótica e, portanto, poderia auxiliar na gestão da morte significativa, morbidade e carga econômica da aterosclerose.

Introdução

A doença arterial coronariana (CAD) é o tipo mais comum de doença cardíaca e uma das principais causas de morte e carga econômica globalmente^1,2. Nos Estados Unidos, cerca de uma em cada oito mortes é atribuída ao CAD^3,4, enquanto a maioria das mortes globais por CAD são agora vistas em países de baixa e média renda⁵. A aterosclerose é o condutor predominante dessas mortes, com ruptura de placa ou erosão que leva à oclusão da artéria coronária e infarto agudo do miocárdio (IAM)⁶. Mesmo após a revasculariz....

Protocolo

Os seguintes dados desidentidos foram analisados a partir de um paciente recrutado no ensaio controlado randomizado COCOMO-ACS em curso (ACTRN12618000809235; Número de referência do Hospital Royal Adelaide HREC: HREC/17/RAH/366), com aprovação ética adicional concedida pelos Serviços de Pesquisa da Central Adelaide Local Health Network (CALHN) para fins de simulação biomecânica (CalHN Reference Number 14179). A Figura 1 resume o fluxo de trabalho completo descrito no protocolo a seguir, que pode ser aplicado a qualquer software ou códigos compatíveis com FSI.

1. Avaliação de imagem

1. Co....

Resultados

Os resultados representativos são apresentados tanto para marcadores biomecânicos estabelecidos quanto emergentes da progressão da aterosclerose. Métricas estabelecidas como os resultados derivados do WSS e WSS (incluindo o estresse da tesoura de parede mediana (TAWSS) e o índice de tesoura oscilatória (OSI)) são visualizados na Figura 10. O estresse da cisalhamento da parede sobre o ciclo cardíaco é em grande parte impulsionado pela velocidade do sangue, no entanto, a geometria da .......

Discussão

O uso de métodos FSI para analisar a biomecânica coronária ainda é um campo em desenvolvimento tanto a partir da modelagem numérica quanto dos aspectos do resultado clínico. Aqui descrevemos o esboço da criação de uma análise de FSI específica do paciente, com base nos métodos de elemento finito/volume finito, utilizando OCT e imagem angiográfica. Embora o método que descrevemos aqui utilize um solucionador de elementos finitos comerciais, o procedimento pode ser aplicado a qualquer software capaz de FSI. A.......

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
ANSYS Workbench (version 19.0)	ANSYS		Commercial finite element solver
MATLAB (version 2019b)	Mathworks		Commercial programming platform
MicroDicom/ImageJ	MicroDicom/ImageJ		Open Source DICOM reader
Visual Studio (version 2019)	Microsoft		Commercial Integrated Development Environment