Mapeamento Quantitativo de Tensão de um Aneurisma da Aorta Abdominal

Fonte: Hannah L. Cebull¹, Arvin H. Soepriatna¹, John J. Boyle² e Craig J. Goergen¹

¹ Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana

² Engenharia Mecânica & Ciência dos Materiais, Universidade de Washington em St. Louis, St Louis, Missouri

O comportamento mecânico dos tecidos moles, como vasos sanguíneos, pele, tendões e outros órgãos, são fortemente influenciados por sua composição de elastina e colágeno, que proporcionam elasticidade e força. A orientação de fibras dessas proteínas depende do tipo de tecido mole e pode variar de uma única direção preferencial a redes intrincadas de malha, que podem se tornar alteradas em tecido doente. Portanto, os tecidos moles muitas vezes se comportam anisotropicamente no nível celular e órgão, criando uma necessidade de caracterização tridimensional. Desenvolver um método para estimar de forma confiável os campos de cepas dentro de tecidos ou estruturas biológicas complexas é importante para caracterizar e entender a doença mecanicamente. A cepa representa como o tecido mole se deforma relativamente ao longo do tempo, e pode ser descrito matematicamente através de várias estimativas.

A aquisição de dados de imagem ao longo do tempo permite que a deformação e a tensão sejam estimadas. No entanto, todas as modalidades de imagem médica contêm alguma quantidade de ruído, o que aumenta a dificuldade de estimar com precisão a tensão in vivo. A técnica aqui descrita supera esses problemas com sucesso usando um método de estimativa de deformação direta (DDE) para calcular campos de cepa 3D espacialmente variados a partir de dados de imagem volumosas.

Os métodos atuais de estimativa de tensão incluem correlação de imagem digital (DIC) e correlação de volume digital. Infelizmente, o DIC só pode estimar com precisão a tensão de um plano 2D, limitando severamente a aplicação deste método. Embora úteis, métodos 2D como DIC têm dificuldade em quantificar a cepa em regiões que sofrem deformação 3D. Isso ocorre porque o movimento fora do avião cria erros de deformação. A correlação de volume digital é um método mais aplicável que divide os dados de volume inicial em regiões e encontra a região mais semelhante do volume deformado, reduzindo assim o erro fora do plano. No entanto, este método se mostra sensível ao ruído e requer suposições sobre as propriedades mecânicas do material.

A técnica aqui demonstrada elimina essas questões utilizando um método DDE, tornando-o muito útil na análise de dados de imagem médica. Além disso, é robusto para tensão alta ou localizada. Aqui descrevemos a aquisição de dados de ultrassom 4D fechados, volumétricos, sua conversão em um formato analisável e o uso de um código Matlab personalizado para estimar a deformação 3D e as cepas verdes-lagrange correspondentes, um parâmetro que melhor descreve grandes deformações. O tensor de cepa Green-Lagrange é implementado em muitos métodos de estimativa de cepas 3D porque permite que f seja calculado a partir de um Ajuste De Menor Quadrado (LSF) dos deslocamentos. A equação abaixo representa o tensor de cepa Green-Lagrange, E, onde F e I representam o gradiente de deformação e tensor de identidade de segunda ordem, respectivamente.

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