Name: optical coherence tomography based biomechanical fluid-structure interaction analysis of coronary atherosclerosis progression
Uploaded: 2022-01-15T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Optical Coherence Tomography Based Biomechanical Fluid-Structure Interaction Analysis of Coronary Atherosclerosis Progression at JoVE.com

Авторы хотели бы отметить поддержку, оказанную Университетом Аделаиды, Королевской больницей Аделаиды (RAH) и Южно-Австралийским институтом здравоохранения и медицинских исследований (SAHMRI). Исследование COCOMO-ACS является исследованием, инициированным исследователем, финансируемым грантами проекта от Национального совета по здравоохранению и медицинским исследованиям (NHMRC) Австралии (ID1127159) и Национального фонда сердца Австралии (ID101370). H.J.C. поддерживается стипендией Westpac Scholars Trust (Future Leaders Scholarship) и признает поддержку со стороны Университета Аделаиды, Школы машиностроения и стипендии Департамента образования, навыков и трудоустройства Research Training Program (RTP). S.J.N. получает главную исследовательскую стипендию от NHMRC (ID1111630). P.J.P. получает стипендию для будущих лидеров уровня 2 от Национального фонда сердца Австралии (FLF102056) и стипендию для развития карьеры уровня 2 от NHMRC (CDF1161506).

Следующие деидентифицированные данные были проанализированы у пациента, набранного в продолжающееся рандомизированное контролируемое исследование COCOMO-ACS (ACTRN12618000809235; Регистрационный номер HREC Королевской больницы Аделаиды: HREC/17/RAH/366), с дополнительным этическим одобрением, предостав?...

Использование методов FSI для анализа коронарной биомеханики по-прежнему является развивающейся областью как с точки зрения численного моделирования, так и аспектов клинических результатов. Здесь мы описали схему создания специфического для пациента анализа FSI, основанного на методах...

Ишемическая болезнь сердца (ИБС) является наиболее распространенным типом сердечных заболеваний и одной из ведущих причин смерти и экономического бремени во всем мире1,2. В Соединенных Штатах примерно одна из каждых восьми смертей приписываетсяCAD 3,4,в то время как большинство глобальных смертей от ИБС в настоящее время наблюдаются в странах с низким и средним уровнем дохода5. Атеросклероз является преобладающим фактором этих смертей, с разрывом бляшек или эрозией, приводящей к окклюзии коронарной артерии и острому инфаркту миокарда (ОИМ)6. Даже после реваскуляризации виновных коронарных поражений пациенты имеют значительный риск рецидива серьезных неблагоприятных сердечно-сосудистых событий (MACE) после ОИМ, в основном из-за сопутствующего присутствия других невиновных бляшек, которые также уязвимы к разрыву7. Интракоронарная визуализация дает возможность обнаружить эти бляшки высокого риска8. Хотя внутрисосудистое ультразвуковое исследование (IVUS) является золотым стандартом для оценки объема бляшек, оно имеет ограниченное разрешение для выявления микроструктурных особенностей уязвимой бляшки в отличие от высокого разрешения (10-20 мкм) оптической когерентной томографии (ОКТ). Было продемонстрировано, что тонкий и воспаленный волокнистый колпачок, покрывающий большой липидный пул, является наиболее важной сигнатурой уязвимой бляшки9 и лучше всего идентифицируется и измеряется ОКТ среди доступных в настоящее время методов внутрикоронарной визуализации10. Важно отметить, что OCT также способен оценивать другие особенности бляшек высокого риска, в том числе: липидную дугу; инфильтрация макрофагов; наличие фиброатеромы тонкой шляпки (TCFA), которая определяется как богатое липидами ядро с вышележащим тонким волокнистым колпачком (<65 мкм); пятнистая кальцификация; и микроканалы бляшек. Oct-обнаружение этих признаков высокого риска в невиновных бляшках после ОИМ было связано с увеличением риска будущего MACE11в 6 раз. Однако, несмотря на это, способность ангиографии и ОКТ-визуализации предсказывать, какие коронарные бляшки будут прогрессировать и в конечном итоге разрываться или разрушаться, ограничена, с положительными прогностическими значениями только 20%-30%8. Эта ограниченная прогностическая способность препятствует принятию клинических решений вокруг того, какие невиновные бляшки лечить (например, стентированием)7,12.
В дополнение к факторам пациента и биологическим характеристикам бляшек, биомеханические силы в коронарных артериях также являются важными детерминантами прогрессирования бляшек и нестабильности13. Одним из методов, который обещает помочь всесторонне оценить эти силы, является моделирование взаимодействия жидкости и структуры (FSI)14. Напряжение сдвига стенки (WSS), также называемое эндотелиальным напряжением сдвига, было традиционным фокусом для исследований коронарной биомеханики15,с общим пониманием того, что WSS играет этиологическую роль в формировании атеросклероза16. Преимущественно смоделированные с использованием методов вычислительной гидродинамики (CFD), области с низким уровнем WSS были связаны с интимальным утолщением17,ремоделированием сосудов18 и прогнозированием прогрессирования поражения19 и будущего MACE20. Последние достижения в этом анализе предполагают, что лежащая в основе топология векторного поляWSS 21и ее разнонаправленные характеристики22являются лучшим предиктором риска атеросклероза, чем только величина WSS. Тем не менее, WSS фиксирует только проблеск общей биомеханической системы на стенке просвета, и, как и методы визуализации, ни одна биомеханическая метрика не может надежно различить атеросклеротические особенности высокого риска.
Дальнейшие показатели становятся потенциально важными в формировании атеросклероза. Характеристики внутрипросветного потока23 являются одним из таких примеров, с спиральным потоком, количественно оцененным с помощью различных индексов24,которые, как предполагается, играют атеропротекторную роль путем подавления нарушенных моделей потока25,26. Хотя методы CFD могут анализировать эти характеристики потока и представлять широкий спектр полезных результатов, они не учитывают основные взаимодействия между кровотоком, структурой артерий и общим движением сердца. Это упрощение динамической системы до жесткой стенки упускает потенциально критические результаты, такие как напряжение волокнистого колпачка. В то время как дебаты как за, так и против необходимости FSI над CFD продолжаются27,28,29,многие сравнения пренебрегают включением влияния функции желудочков. Это ограничение может быть преодолено с помощью FSI, который показал, что динамическое изгиб и сжатие, оказываемые на артерию под влиянием функции желудочка, могут значительно влиять на структурное напряжение бляшек и артерий, а также на показателипотока,такие как WSS30,31,32. Это важно, поскольку структурные напряжения также являются ключевым показателем для анализа и прогнозирования разрыва бляшек33,34 и были предложены для совместного размещения с областями увеличения бляшек14,35. Захват этих взаимодействий позволяет более реалистично представить коронарную среду и потенциальные механизмы прогрессирования заболевания.
Обращаясь к этому, здесь мы описываем процесс разработки геометрии для конкретного пациента из визуализации OCT36 и настройку и запуск моделирования FSI артерии с использованием коммерческого решателя конечных элементов. Процесс ручного извлечения просвета, липидной и наружной стенки артерии детализируется перед трехмерной вычислительной реконструкцией артерии пациента. Мы описываем настройку моделирования, связь и процесс сравнения исходных условий, а также последующие параметры визуализации OCT для определения прогрессирования поражения. Наконец, мы обсуждаем постобработку численных результатов и то, как эти данные могут иметь клиническое значение, сравнивая биомеханические результаты с прогрессированием / регрессией поражения. Общий метод продемонстрирован на невиновных, слегка стенотических, богатых липидами бляшках в правой коронарной артерии (РКА) 58-летнего кавказского пациента мужского пола, у которого наблюдался острый инфаркт миокарда без повышения ST в условиях гипертонии, сахарного диабета 2 типа, ожирения (ИМТ 32,6) и семейной истории преждевременной ИБС. Коронарография и ОКТ-визуализация были выполнены во время его первоначальной госпитализации; а затем 12 месяцев спустя в рамках продолжающегося клинического исследования (исследование COCOMO-ACS ACTRN12618000809235). Мы ожидаем, что этот метод может быть дополнительно усовершенствован и использован для выявления коронарных бляшек, которые подвергаются высокому риску прогрессирования.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>ANSYS Workbench (version 19.0)</td>
			<td>ANSYS</td>
			<td></td>
			<td>Commercial finite element solver</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB (version 2019b)</td>
			<td>Mathworks</td>
			<td></td>
			<td>Commercial programming platform</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MicroDicom/ImageJ</td>
			<td>MicroDicom/ImageJ</td>
			<td></td>
			<td>Open Source DICOM reader</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Visual Studio (version 2019)</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td></td>
			<td>Commercial Integrated Development Environment</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

optical coherence tomography based biomechanical fluid-structure interaction analysis of coronary atherosclerosis progression

В этой статье мы представляем полный рабочий процесс биомеханического анализа атеросклеротической бляшки в коронарной сосудистой системе. Поскольку атеросклероз является одной из ведущих причин глобальной смертности, заболеваемости и экономического бремени, необходимы новые способы анализа и прогнозирования его прогрессирования. Одним из таких вычислительных методов является использование взаимодействия жидкости и структуры (FSI) для анализа взаимодействия между кровотоком и доменами артерий / бляшек. В сочетании с визуализацией in vivo этот подход может быть адаптирован к каждому пациенту, помогая различать стабильные и нестабильные бляшки. Мы описываем процесс трехмерной реконструкции с использованием внутрисосудистой оптической когерентной томографии (OCT) и инвазивной коронарной ангиографии (ICA). Извлечение граничных условий для моделирования, включая репликацию трехмерного движения артерии, обсуждается до того, как установка и анализ проводятся в коммерческом решателе конечных элементов. Описана процедура описания высоконелинейных гиперупругих свойств стенки артерии и пульсирующей скорости/давления крови, а также настройка системной связи между двумя доменами. Мы демонстрируем процедуру, анализируя невиновную, слегка стенотическую, богатую липидами бляшку у пациента после инфаркта миокарда. Известные и возникающие маркеры, связанные с прогрессированием атеросклеротических бляшек, такие как напряжение сдвига стенки и местная нормализованная спиральность, соответственно, обсуждаются и связаны со структурной реакцией в стенке артерии и бляшке. Наконец, мы переводим результаты в потенциальную клиническую значимость, обсуждаем ограничения и намечаем области для дальнейшего развития. Метод, описанный в этой статье, показывает перспективность для помощи в определении участков, подверженных риску атеросклеротического прогрессирования, и, следовательно, может помочь в управлении значительной смертностью, заболеваемостью и экономическим бременем атеросклероза.

Представлены репрезентативные результаты как для установленных, так и для новых биомеханических маркеров прогрессирования атеросклероза. Установленные метрики, такие как результаты WSS и WSS (включая усредненное по времени напряжение сдвига стенки (TAWSS) и индекс колебательного сдвига (OS...

Watch this Scientific Journal Video about Optical Coherence Tomography Based Biomechanical Fluid-Structure Interaction Analysis of Coronary Atherosclerosis Progression at JoVE.com

Optical Coherence Tomography Based Biomechanical Fluid-Structure Interaction Analysis of Coronary Atherosclerosis Progression

Необходимо определить, какие атеросклеротические поражения будут прогрессировать в коронарной сосудистой системе, чтобы направлять вмешательство до того, как произойдет инфаркт миокарда. В этой статье описывается биомеханическое моделирование артерий с помощью оптической когерентной томографии с использованием методов взаимодействия жидкости и структуры в коммерческом решателе конечных элементов, чтобы помочь предсказать эту прогрессию.

Оптическая когерентная томография На основе биомеханического анализа взаимодействия жидкости и структуры коронарного атеросклероза прогрессирования

In this paper, we present a complete workflow for the biomechanical analysis of atherosclerotic plaque in the coronary vasculature. With atherosclerosis ...

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Bioengineering

Unit 1

Force Vectors

SCIENTISTS IN ACTION

Directed Cellular Self-Assembly to Fabricate Cell-Derived Tissue Rings for Biomechanical Analysis and Tissue Engineering

Режиссер Сотовая самосборки для изготовления Cell-Производные Кольца тканей для биомеханического анализа и тканевая инженерия

Each year, hundreds of thousands of patients undergo coronary artery bypass surgery in the United States.1 Approximately one third of these patients do ...

Integrated Photoacoustic Ophthalmoscopy and Spectral-domain Optical Coherence Tomography

Комплексная Фотоакустический Офтальмоскопия и спектрально-домен Оптическая когерентная томография

Both the clinical diagnosis and fundamental investigation of major ocular diseases greatly benefit from various non-invasive ophthalmic imaging ...

Computed Tomography and Optical Imaging of Osteogenesis-angiogenesis Coupling to Assess Integration of Cranial Bone Autografts and Allografts

Компьютерная томография и оптическая томография остеогенеза ангиогенеза муфта для оценки интеграция кости черепа аутотрансплантатов и аллотрансплантатов

A major parameter determining the success of a bone-grafting procedure is vascularization of the area surrounding the graft. We hypothesized that ...

Semiautomated Longitudinal Microcomputed Tomography-based Quantitative Structural Analysis of a Nude Rat Osteoporosis-related Vertebral Fracture Model

Полу автоматизированное продольной Microcomputed томография-основе количественных структурный анализ связанных остеопороза позвоночника переломов модель Обнаженная крыса

Osteoporosis-related vertebral compression fractures (OVCFs) are a common and clinically unmet need with increasing prevalence as the world population ...

Synthesis of Monocyte-targeting Peptide Amphiphile Micelles for Imaging of Atherosclerosis

Синтез ориентации Моноцит пептидные Амфифильность мицелл для визуализации атеросклероза

Atherosclerosis is a major contributor to cardiovascular disease, the leading cause of death worldwide, which claims 17.3 million lives annually. ...

Agarose-based Tissue Mimicking Optical Phantoms for Diffuse Reflectance Spectroscopy

На основе агарозы ткани, подражая оптических фантомы для диффузного отражения спектроскопии

This protocol describes how to make agarose-based tissue-mimicking phantoms and demonstrates how to determine their optical properties using a ...

Multimodal Volumetric Retinal Imaging by Oblique Scanning Laser Ophthalmoscopy (oSLO) and Optical Coherence Tomography (OCT)

Multimodal Volumetric Retinal Imaging by Oblique Scanning Laser Ophthalmoscopy oSLO and Optical Coherence Tomography OCT

Смешанных объемные сетчатки, Imaging наклонный офтальмоскопия лазерного сканирования (Осло) и оптическая когерентная томография (Окт)

While fluorescence imaging is widely used in ophthalmology, a large field of view (FOV) three-dimensional (3D) fluorescence retinal image is still a big ...

Nondestructive Monitoring of Degradable Scaffold-Based Tissue-Engineered Blood Vessel Development Using Optical Coherence Tomography

Неразрушающего контроля развития разложению на основе эшафот инженерии тканей кровеносных сосудов с использованием оптическая когерентная томография

Engineered vascular grafts with structural and mechanical properties similar to natural blood vessels are expected to meet the growing demand for arterial ...

Biomechanical Testing of Murine Tendons

Биомеханическое тестирование тендонов Murine

Tendon disorders are common, affect people of all ages, and are often debilitating. Standard treatments, such as anti-inflammatory drugs, rehabilitation, ...

In vivo Structural Assessments of Ocular Disease in Rodent Models using Optical Coherence Tomography

Структурные оценки in vivo глазных заболеваний у моделей грызунов с использованием оптической когерентной томографии

Spectral-domain optical coherence tomography (SD-OCT) is useful for visualizing retinal and ocular structures in vivo. In research, SD-OCT is a valuable ...