原始研究的文章

前面。系统。医学杂志。,09 November 2022
秒。平移系统生物学和计算机试验
卷2 - 2022 | https://doi.org/10.3389/fsysb.2022.930396

评价冠脉内血液动力学识别扰动涡度

Madhurima Vardhan ¹

约翰Gounley ² www.雷竞技rebatfrontiersin.org

美国詹姆斯•陈³

Priya Nair⁴

魏魏 ⁴

路易斯Hegele ⁵

乔纳森Kusner ⁶

安德鲁·m·卡恩 ⁷ www.雷竞技rebatfrontiersin.org

大卫Frakes^4、8

简答:利奥波德 ⁹ ^__

阿曼达反 ¹*^__

¹杜克大学生物医学工程系,达勒姆,数控、美国
²计算科学与工程部门,橡树岭国家实验室,橡树岭,TN、美国
³科罗拉多大学医学系的/心脏病AMC,极光,美国公司
⁴学校的生物和健康系统工程,亚利桑那州立大学,坦佩阿兹,美国
⁵圣卡塔琳娜州州立大学石油工程系,Balneario Camboriu,巴西
⁶医学系、杜克大学、杜伦大学、数控、美国
⁷心血管医学部门,圣地亚哥,圣地亚哥大学,美国
⁸佐治亚理工学院生物医学工程系,亚特兰大,乔治亚州,美国
⁹心血管医学部门,布莱根妇女医院,哈佛医学院波士顿,MA,美国

背景和目的:冠状动脉疾病(CAD)是非常普遍和相关的不良事件。挑战出现在中间的冠状动脉狭窄的治疗。这些病变往往审问和部分流动储备(FFR)测试来确定一个狭窄可能是诱发缺血心脏的领土。侵入性测试需要一个压力线插入冠状血管。最近计算流体动力学(CFD)已经被用于无创评估分数从医学影像数据流储备血管重建。然而,许多这些模拟无法提供额外的血管内血流动力学信息,包括速度、内皮剪切应力(ESS),和涡度。我们假设涡度,这表明效用的评估心室和主动脉疾病,也会是一个重要的CAD的血流动力学因素。

方法:三维(3 d)患者冠状动脉几何图形,包括所有船只> 1毫米直径从血管造影资料创建10个病人诊断血管造影术和FFR测试(n = 9)。一个大规模并行计算流体动力学解算器(HARVEY)是用来计算冠状血流动力学参数包括压力、速度,ESS,涡度。这些模拟验证通过比较速度流场的仿真速度来源于在体外粒子图像测速技术显现和创性获得压力wire-based来自临床试验的数据。

结果:之间有强烈的协议结果CFD模拟和实验测试(粒子图像测速技术显现的p< 0.01)。与创测量FFR CFD-FFR也高度相关(ρ= 0.77,p= 0.01),平均误差为5.9±0.1%。CFD-FFR也与涡度强负相关性(ρ= -0.86,p= 0.001)。模拟以确定的影响冠状动脉狭窄血管内血流动力学表现出显著差异在速度和涡度(两种p< 0.05)。进一步评估的血管改变正常non-FFR CAD患者冠状血管还演示了涡度的差异相比,FFR船只(p< 0.05)。

结论:高度精确的使用3 d CFD-derived血管内血流动力学提供了额外的信息以外的压力测量,可用于计算笔。涡度是修改一个参数由冠状动脉狭窄和似乎是异常的血管改变正常的船舶CAD患者,突显出一个可能的用例在预防筛查早期冠状动脉疾病。

1介绍

冠心病是非常普遍的在美国,据估计,720000个人将受到他们的第一个心脏事件而复发事件发生在大约335000人(Virani et al ., 2020)。2014年,有超过一百万名住院病人心脏完善的诊断冠状动脉疾病有一个关联的冠状动脉旁路移植手术371000和480000经皮冠状动脉介入(Virani et al ., 2020)。决定revascularize症状患者的冠状动脉,在某种程度上,临床表现,治疗,在冠状动脉造影发现冠状动脉狭窄的严重程度。冠状动脉狭窄≥70%的视觉估计被认为是严重,保证血管再生(劳顿et al ., 2022)。相比之下,40%的冠状动脉狭窄< 70%被认为是中间,通常需要额外的研究,以确定它们是否生理意义和需要血管再生(劳顿et al ., 2022)。

部分流动储备(FFR)是一种方法来评估一个中间冠状动脉狭窄的意义。FFR的定义是压力的比值远端狭窄(P_d)主动脉压力(P_一个)最大充血(最大微脉管系统的血管舒张)。FFR作为一种工具来指导研究了PCI的分数Flow-Reserve-Guided PCI与药物治疗冠心病稳定(名声2)试验。这个随机对照试验比较PCI最佳药物治疗和使用量也少报道,患者异常FFR PCI(也有很大的好处De Bruyne et al ., 2012)。

计算流体动力学(CFD)模型冠状动脉血流与高分辨率和广义参数化(泰勒et al ., 2013;Vardhan et al ., 2019;Vardhan et al ., 2021)。CFD模拟可用于提供的详细描述病人的冠状动脉血液流动和交互与冠状动脉狭窄或血管壁(泰勒et al ., 2013)。这些模拟可以用来确定速度、压力、剪切应力和涡度在整个冠状动脉树。CFD-derived压力被用来计算FFR使用特定的几何图形由冠状动脉ct血管造影扫描或冠状动脉造影(Papafaklis et al ., 2014;Kornowski et al ., 2016;莫里斯et al ., 2017;Zhang et al ., 2021;高et al ., 2022),但其他CFD-derived血流动力学指标,如涡度,在很大程度上被忽视了。数学上,涡度描述的趋势流体沿着中央腔的轴旋转和局部扰动流是一个描述符。地区高涡度和流循环可以在狭窄的凹区域,而在高峰收缩,涡度会导致二次涡形成对立的意义在动脉壁(阿米尔et al ., 2022)。涡度与流体能量损失的增加导致减少能源可以提供血液微循环(吴et al ., 2007)。

最近的临床工作表明,涡度和能量损失与右心室功能障碍和运动能力修复法洛四联症患者(加西亚et al ., 2013;死胡同et al ., 2021)。其他类似调查确定流涡度作为一个重要的因素导致平均压力梯度差异心血管磁共振和经胸廓的超声心动图(加西亚et al ., 2013)。因此,一些CFD研究试图了解涡流的作用形成和再循环动脉狭窄时调查血液动力学导致血栓形成和理解影响湍流的古怪的病变(Katritsis et al ., 2010;Melih et al ., 2013;Rigatelli et al ., 2019)。一项研究调查了涡度与中间狭窄的冠状动脉发现涡度与狭窄的严重程度和流量(楚et al ., 2018)。

在当前的研究中,我们假设涡腔的直径最小的网站将提供额外的血流动力学信息超出FFR描述在冠状流扰动的狭窄。我们检查了涡度以及压力,速度,剪切应力在腔的直径最小的网站使用特定病人的冠状动脉树的3 d几何图形的冠状动脉造影图像来自和流体解算器超高分辨率的能力(Vardhan et al ., 2019;Vardhan et al ., 2021)。

2方法

2.1研究人群

这项研究是质量一般的布里格姆的批准人进行研究委员会机构审查委员会(# 2015 p001084协议)。这是一个回顾性研究只涉及数据收集和知情同意并不是必需的。这项研究包括10个病人临床冠状动脉病变在布莱根妇女医院,波士顿马。9名患者至少有一个中间在心外膜冠状动脉狭窄需要侵入性分数流储备(FFR)测试来确定功能意义的狭窄。第十病人冠状动脉血管摄影正常,被用作控制研究。这种控制患者冠状动脉造影表现为临床表示原因,是术前评估患者的冠状动脉,将接受心胸手术心脏瓣膜病。

使用单一的平面进行冠状动脉造影血管造影术的最低4标准正交视图左冠状动脉(LCA)和2标准正交视图的右冠状动脉(RCA)。FFR测量使用冠状动脉压力线(PressureWire X,圣裘德医疗)和静脉注射腺苷管理局(140 ug / kg / min)被用来诱导最大充血。FFR的比例计算,压力测量远端(Pd)和近端狭窄(Pa)的兴趣。综述了血管造影检查由一位经验丰富的心内科医生(JAL)和冠状动脉支配,病变位置和压力线位置的测试记录。此外,病人的血压和心率在休息和在最大充血,比容、和心脏输出时从右心导管造影或超声心动图记录。

2.2代的3 d冠状的冠状动脉造影图像二维几何图形

冠状动脉血管造影被用来重建针对病人的3 d几何图形使用3 d重建算法(陈和卡罗尔2000;绿色et al ., 2005)。简而言之,该算法提取血管中心线和横断面直径来创建一个“冠状骨架”两个血管造影隔开角度> 45°。得到了所有3 d动脉几何图形在end-diastole心动周期的(90%)和出口标准有限元(STL)网格格式进行CFD分析。形态学和解剖学的有效性3 d重建都验证了一个有经验的心内科医生(JAL)。

2.3针对病人的

使用哈维CFD模拟进行了CFD模拟,实现了晶格玻尔兹曼方法的大规模并行血流动力学模拟(加快)(反et al ., 2013)。加快是一种替代传统的n - s方程的解算器控制流体流动(克鲁格et al ., 2017)。加快的概率分布函数fi (x, t)代表粒子的人口位于格点,x,在时间t,用离散速度,ci,移动一个固定的笛卡尔网格。f (x + ciδt, t +δt)−fi (x, t) =−Ω情商(fi (x, t) - f (x, t))。哈维可获得速度空间使用标准的3 d D3Q19晶格空间并使用单一弛豫时间Bhatnagar-Gross-Krook (BGK)内核Ω碰撞。血管被模拟为刚性血管壁通过实现使用一半的无滑动边界条件反射的方法,而使用有限差分边界条件在进水口和出水口(奈et al ., 2008)。宏观变量密度ρ和速度u被计算为前两个时刻的概率分布函数:

ρ = \sum_{我 = 1}^{19} f_{我} (x, t) (1)

ρ u = \sum_{我 = 1}^{19} c_{我} f_{我} (x, t) (2)

模拟,冠状动脉血流模拟假设血液是一个不可压缩的牛顿流体,冠状血管有刚性墙(泰勒et al ., 2013;伊斯拉米et al ., 2019;伊斯拉米et al ., 2021)。每个仿真利用特定的临床变量来调整相关的进口和出口边界条件,进行了总结表1(Vardhan et al ., 2019;Vardhan et al ., 2021)。就会受到脉动的波形在进口每个病人使用泊肃叶剖面。入口流波形参数由计算每个病人的休息总冠状动脉流量使用冠状动脉支配决定心输出量的一部分交付给冠状血管(表1)。出口,由一个元素Windkessel模型计算船舶microcirculatory电阻(格林贝格和Karniadakis 2008;泰勒et al ., 2013)。冠状动脉阻力Ri是计算平均动脉压π的比率和总每个动脉冠状动脉流量气调出口使用下列方程(格林贝格和Karniadakis 2008;泰勒et al ., 2013)。

p_{我} = 问_{我} 。 R_{我} (3)

表1

表1。临床测量用于病人具体的仿真建模。

模型最大充血、冠状动脉流速和microresistance改变基于描述的方法(威尔逊et al ., 1990;泰勒et al ., 2013)。远端阻力有很强的影响建模的患者动脉血液动力学(Anselmi et al ., 2021)。因此,对于每一个动脉树我们仔细计算每个出口的远端电阻根据血管直径、平均流量和平均主动脉压力来自病人的临床测量(表1)。我们的方法进一步的细节和阻力计算,这种方法对压力梯度的影响和其他血流动力学变量,例如ESS和速度,讨论了在其他地方(Vardhan et al ., 2021)。

血流动力学变量内皮剪切应力(ESS)和涡度计算为每个容器的兴趣。ESS向量τi计算使用方程(Matyka et al ., 2013):

τ_{我} = - \frac{μ ω}{c_{年代}^{2} ρ} f_{α}^{η e 问} c_{α j} η_{j} (c_{α j} - c_{α k} η_{我} η_{k}) (4)

在哪里 $f^{n e 问}$ 非平衡分布函数,μ是动态粘度和流体密度ρ,ω是BGK松弛率, $c_{我}$ 晶格声速, $c_{α 我}$ 离散速度矢量的分量吗 $C_{我}$ ,n是外法线向量(Matyka et al ., 2013)。对于脉动的流,ESS在心动周期的周期平均,在狭窄的计算。涡度计算,速度向量场的旋度的大小沿着纵向的船舶使用方程(吴et al ., 2007):

\nabla Χ V = (\frac{\partial}{\partial x}, \frac{\partial}{\partial y}, \frac{\partial}{\partial z}) x (V_{x}, V_{y}, V_{Z}) (5)

在哪里 $(\frac{\partial}{\partial x}, \frac{\partial}{\partial y}, \frac{\partial}{\partial z})$ 是偏微分算子和 $(V_{x}, V_{y}, V_{Z})$ 表示速度的组件 $x, y, z$ 方向,分别。所有情况下,速度,ESS和涡度平均周长的最大的船现场狭窄。数值计算模型的有效性在冠状动脉血流动力学变量,收敛性、稳定性和性能测试的计算模型已经证明之前(菲戈et al ., 2019;Vardhan et al ., 2019;Vardhan et al ., 2021)。

作为干扰血液动力学很少是孤立的单个区域或容器在冠状动脉树中,我们评估速度,ESS和涡度在狭窄的冠状动脉血管和比较这些值相同的参数以non-stenotic船只在相同的冠状动脉疾病患者为了理解张成的空间参数变化在病人的冠状动脉树。冠状动脉病变患者在左动脉(LCX)或RCA,左前降枝(小伙子)动脉被用于比较。小伙子病变患者,LCX用作比较器容器。

2.4验证CFD simulation-derived 3 d冠状流使用粒子图像测速技术显现的概要文件

粒子图像测速技术(PIV)是用来验证CFD模型中雷诺流态中发现冠状动脉(再保险公司450 - 550年)使用3 d打印的冠状动脉幻影。3 d几何形状是由两个正交的RCA血管造影和STL文件用于3 d打印一个剔透的聚氨酯RCA模型与专利中央腔,使用一个标准的PIV设置获得流模式(图1 a, B)。CFD模拟运行相同的RCA几何进行比较。水钠碘溶液配置的折射率匹配三维打印模型(n = 1.49)被用来模拟血液流动。稳定的生理流量7.5毫升/秒,2.418 cSt的运动粘度,密度1493公斤/米³3被用来确定速度场。在PIV设置,稳定流动速度在物理模型的纵向中线面了。PIV的进一步细节设置,包括播种用荧光粒子,可以发现(乔杜里et al ., 2016)。

图1

图1。设置粒子图像测速技术显现的实验与右冠状动脉。(一)实验设置粒子图像测速技术显现的台架测试。(B)3 d印制的特写镜头右冠状动脉显示右心室边缘分支分岔。有限元文件创建的3 d重建病人的右冠状动脉血管造影检查。这个文件是用于3 d打印模型与专利腔台式测试。

2.5统计分析

正态分布的数据是使用Kolmogorov-Smirnov测试评估。比较连续变量是使用双尾t或配对t。非参数数据分析使用Mann-Whitney测试或Wilcoxon配对签署等级测试。乏味的奥特曼分析来确定协议CFD-computed和创性测量FFR之间。线性回归是用来确定入侵FFR测量和计算流体动力学参数之间的相关性(涡度、速度和ESS)。皮尔森相关系数计算确定的力量FFR和CFD生成参数之间的相关性。数据报告为连续变量平均值±标准偏差。的值p< 0.05被认为是显著的。数据分析使用占据15 / SE 15.1 (StataCorp LLC,大学城,TX,美国)和Prism 9.0 (GraphPad、圣地亚哥、钙、美国。

3的结果

3.1验证CFD模拟使用PIV冠状动脉

为了验证我们的CFD模拟的冠状动脉,RCA的模型重建患者的冠状动脉造影的PIV测试。随后的STL文件用于3 d打印一个物理模型船的专利腔。台式PIV流研究和CFD仿真然后执行使用相同的冠状动脉几何。速度的大小,v,概要文件在RCA的直径的水平分岔与右心室从长凳上边缘分支上PIV实验相比,速度从CFD仿真(图2 a - c)。这个网站被选中,因为它是速度预计将至少是统一的。之间的均方误差差异RCA PIV和CFD速度配置文件(图2 d在侧枝)和(图2 e)是重要的(p< 0.001)表明CFD模拟准确地重现与PIV实验中观察到。值得注意的是,之间有协议配置文件向船的中心,有更高的速度。因此,这些结果表明,CFD方法解决实验流型和准确计算速度在一个特定的复杂冠状动脉几何。此外,由于涡度和ESS计算基于速度矢量的旋度或速度,分别PIV实验的结果支持使用我们的准确性CFD计算涡度和ESS管道。

图2

图2。对比计算流体动力学和粒子图像测速技术显现的结果。(一)右冠状动脉的纵向中线面与右心室边缘分支显示分岔。右冠状动脉的速度剖面和侧枝(B)计算流体动力学模拟的冠状动脉(CFD-CA)和(C)粒子图像测速技术显现的测试。获得的速度剖面CFD-CA和粒子图像测速技术显现的测试比较(D)右冠状动脉和(E)右心室边际侧枝。

3.2针对病人的CFD模拟与创FFR来衡量

接下来,我们相比CFD-computed FFR使用特定病人的冠状动脉几何图形与入侵FFR心导管实验室测量获得,这被认为是地面真理。病人(n = 9)纳入研究的代表个人接受诊断性心导管检查。患者的平均年龄为69.0±7.7岁,56%是男性,100%有高血压和高胆固醇血症,和44%的参与者现任或前任吸烟者。总共有67%的患者有心肌梗塞之前,有33%经皮冠状动脉介入之前,且只有一个病人有一个前冠状动脉旁路移植手术。同样,22%的总有充血性心力衰竭,11%有外周动脉疾病,44%的慢性肾脏疾病。左心室射血分数的平均值为54.5±12.4%,意味着心输出量为4.2±0.9 L / min。导管插入术,当天平均动脉血压和心率分别为93.9±9.8毫米汞柱,bpm 74.9±21.8,和89%的人分别在正常窦性心律。冠状动脉造影显示冠状动脉解剖学是正确的主导的56%,33%是左占主导地位,11%是共显性。

对比CFD-computed FFR和创性测量FFR透露,平均误差为5.9±0.1%以及一个强大的和显著相关(p= 0.77,p= 0.01)。Bland-Altman分析估计之间的平均差CFD-computed FFR入侵FFR为0.04±0.05,这表明CFD模拟导致边际FFR的高估。协议Bland-Altman 95%可信区间值分别为-0.02和0.13进一步证明的所有值CFD-computed FFR的95%范围内协议相比创测量FFR (图3一)。因此,构建三维CFD模拟使用我们的管道测量FFR表现出高度的准确性。

图3

图3。计算流体动力学部分内流储备和血液动力学。(一)Bland-Altman情节显示协议部分流动储备由计算流体动力学与创性测量使用压力线。(B)之间的相关性分数流储备和冠脉内血液动力学。笔,部分流动储备;vMLD,涡度至少腔的直径;ESS,内皮剪切应力。

3.3评估冠脉内血流动力学干扰使用涡度

接下来,ESS和涡度检查包含狭窄的冠状动脉中接受FFR测试和邻冠状血管。图4显示速度、ESS和涡度地图覆盖对病人冠状动脉重建的九个病人。首先,我们之间的关系做了相关分析,以了解在血管腔的直径最小和CFD-FRR涡度,ESS和速度在最大充血。涡度强烈和与CFD-FFR负相关(p= -0.86,p= 0.001),与ESS呈正相关(p= 0.6,p= 0.08)和充血的速度(p= 0.56,p= 0.11)(图3 b)。

图4

图4。个性化的计算流体动力学模拟地图内血液动力学。个性化的计算流体动力学(CFD)进行了模拟使用的冠状动脉造影图像的三维重建为每个病人和哈维。从冠状动脉造影显示一帧相应的个性化的CFD模型。CFD模拟结果用于地图速度,ESS,涡度的冠状动脉(左到右)。

扰动在冠状动脉血液动力学很少是孤立的单个区域或容器在冠状动脉树。ESS和涡度被确定在包含狭窄的冠状动脉与FFR检查和比较这些值,相邻主冠状容器中发现,没有一个狭窄。表2总结了速度,ESS,涡度FFR船在同一位置和邻近主要冠状血管。在这些参数中,有一个显著的差异在冠脉内血流动力学之间的狭窄的和non-stenotic船只:速度(平均差= 22.2±22.4米/秒,p= 0.02),ESS(平均差= 4.2±4.3 Pa,p= 0.02)和涡度(平均差= 0.25±0.24 s⁻¹,p= 0.01)。因此,速度有显著差异,ESS,涡度在冠状动脉有无狭窄的病人。

表2

表2。比较血液动力学与冠状动脉疾病和血管摄影FFR船正常non-FFR船在同一病人。

接下来,评估冠脉内狭窄的贡献,速度,ESS,涡度、血管内血流动力学比较的存在和缺乏血管内狭窄。模拟缺失患者的冠状动脉血管狭窄的诊断为冠状动脉疾病,我们首先计算速度之间的区别,ESS,涡度之间的冠状动脉血管狭窄和相同的船从控制主题没有任何船只在冠状动脉造影冠状动脉疾病的证据(表3)。然后我们检查之间的这种差异在血管内血流动力学控制病人血管改变正常non-FFR船(表3相比,左)FFR船(表3,右)患者的冠状动脉疾病的诊断。因此,在表2和3“控制船”是一样的船的船研究健康的病人,和“non-FFR船”是另一个冠状动脉血管,如2.3节中所讨论的,同样的病变患者(n_我我= 1 - 9)。

表3

表3。冠脉内血流动力学在FFR和Non-FFR血管。

虽然没有速度的差异(33.0±29.0 vs 55.2±15.5米/秒,p= 0.69)或ESS (4.9±5.6 vs 9.1±3.2 Pa,p= 0.57),涡度仍然明显不同(0.9±0.6 vs 0.6±0.5 s⁻¹,p= 0.011)。统计学意义是决定使用Wilcoxon匹配配对签署等级测试。尽管这样的血流动力学差异可以预期的,因为我们正在研究不同的船只,有趣的是,在病人诊断为冠状动脉疾病、血管改变正常的血管,non-FFR船只,也可以有受损流干扰量化计算ESS的差异和涡度的控制患者相比,相应的FFR船。

4讨论

在目前的研究中,我们使用三维CFD评估冠脉内血流动力学的冠状动脉造影图像使用几何图形来源于2 d接受诊断冠状动脉造影的患者。我们表明CFD管道被执行高度准确的CFD模拟和PIV实验相同的RCA几何之间,发现良好的协议结果分岔,已知的地区复杂的血管内血液动力学(Giannoglou et al ., 2010)。我们进一步证明的准确性管道通过比较FFR中间的冠状动脉狭窄的值取决于CFD与侵入性压力wire-based心导管实验室测量。CFD-derived FFR展示优秀的一致性与创性测量值的误差5.9±0.1%,这类似于内在抽样再现性导管FFR (贝瑞et al ., 2013)。我们的三维CFD模拟还允许我们进一步冠脉内表型血液动力学计算速度,ESS,和涡度,除了压力以外,在整个冠状动脉树。我们对这些血流动力学变量的分析揭示了一些有趣的发现。第一,速度,ESS,涡度在狭窄的网站相比有显著不同的另一个主要冠状动脉血管的血流动力学在同一病人血管改变的是正常的。第二,我们可以评估扰动的狭窄血管内血流动力学的贡献,发现狭窄血管内速度和涡度的差异。当我们模拟无狭窄,只有速度和涡度是不同的暗示有其他贡献者ESS系统。第三,我们还发现血管改变的涡度明显不同于正常non-FFR血管冠状动脉疾病患者相比在相应的FFR船。总的来说,这些发现表明,我们的流体解算器管道高度准确,和涡度可能成为潜在phenomarker患者的冠状动脉疾病。

三维CFD模拟的冠状动脉的血流量使用特定病人的冠状动脉几何图形生成几个参数描述血管流动的重要组成部分。这些参数(压力、速度、ESS和涡度)提供大量的自由度,比目前减少订单CFD方法,并能解决微妙的冠状动脉血流中断。几幅作品曾探索ESS的角色,proatherogenic风险因素,理解内血流动力学模式,可以在斑块形成中的作用(Rikhtegar et al ., 2012;萨博et al ., 2021;Tufaro et al ., 2022)。低流体速度和由此产生的低ESS已报告在血管壁直接相关的血管壁增厚,斑块发展(Rikhtegar et al ., 2012;萨博et al ., 2021;Tufaro et al ., 2022)。这样的生理病变的血流动力学因素可以提供宝贵的信息评估诊断为冠状动脉疾病的病人。在这个工作我们专门探讨了角色CAD的涡度的评估。我们发现一个强大的逆相关性FFR和涡度不同的模拟,与之前的报告调查FFR的协议和涡度相关的现象在理想化的冠状动脉流体能量损失模型(楚et al ., 2018)。

到目前为止,已经有进军理解有限涡度在冠状动脉疾病的作用。一项研究中,调查了涡度在虚拟容器3 d模型和不同程度的狭窄冠状动脉重建冠状动脉造影图像从报道,扰动涡度指数,在狭窄的涡度的变化,是现在和与FFR (楚et al ., 2018)。这支持了我们的发现;然而,之前的研究有几个问题,可能会影响结果。研究了冠状动脉重建被截断,不包括整个冠状动脉树。我们先前已经表明,这种影响冠脉内血流动力学与10-20-fold不同速度和定壁剪切应力(Vardhan et al ., 2019)。他们还集中在扰动涡度指数相对于绝对涡度,我们可以与我们的仿真结果。

流体动力学的框架内管道,可以计算涡度在整个冠状动脉树。鉴于涡度与FFR演示了一个强烈的逆关系,我们的CFD方法允许添加涡度FFR CAD病变在整个评估冠状动脉树不需要侵入性压力线评估个人CAD的病变。此外,鉴于临床上有意义的FFR阈值的方法已被开发,这项研究涡度阈值的发展奠定了基础。例如,部分流动储备与血管摄影指导PCI(名声)研究使用一个FFR .0.8定义的生理阈显著的冠状动脉病变和显示FFR-guided PCI战略导致延迟PCI的几乎33%的病变和更好的1年临床结果相比单独血管造影术(托尼诺et al ., 2009)。在我们的模拟,与FFR涡度呈负相关,并添加信息的潜力。结合FFR-vorticity度量是否有潜力提供诊断信息关于狭窄仍有待确定。

关键的冠状动脉狭窄是表现为动脉粥样硬化斑块发展和进展的晚期并发症(Malakar et al ., 2019)。生化研究表明许多pathobiological变化发生在血管的CAD病变血管改变明显。从我们的研究结果是有趣的,我们发现血流动力学改变,特别是和扰动涡度,冠状动脉疾病患者的血管改变正常的血管在另一个容器。这表明,冠状动脉血流变化可能出现在尚未开发的冠状动脉血管摄影明显病变。涡度是否效用作为筛查工具来确定船舶在患冠状动脉疾病的风险仍有待确定。

对我们的研究有一些限制,可以使搜索结果的普遍性。首先,创建3 d几何图形的冠状动脉造影图像使用2 d和依靠luminography可能不提供相同的深入细节的构成一个冠状动脉狭窄血管内超声成像或实现光学相干断层扫描血管内成像。相比,到目前为止,还没有研究CFD结果从所有三个CFD模拟和成像模式使用的冠状动脉造影图像二维重建已经由我们和其他人建立(Papafaklis et al ., 2014;Kornowski et al ., 2016;Vardhan et al ., 2019;Vardhan et al ., 2021)。我们的CFD方法也假定刚性动脉墙壁和牛顿流动。这是两种常见的假设CFD模拟和已被证明是有效的在剪切速率和程度的心肌收缩性观察到冠状动脉血管(泰勒et al ., 2013;伊斯拉米et al ., 2020)。这项工作的另一个限制是,计算模拟进行离线解决因为LBM-based的时间步长Courant-Friedrichs-Lewy数量限制导致运行时(2015年Fakhari和李)。幸运的是,加快搭配的高效并行计算能力增加,整个模拟时间可以显著减少(反et al ., 2013)。我们的病人样本量很小,这是一个概念验证研究,它是合理的,与其他更高的样本量结果会出现。因此,这将是至关重要的追求本研究的结果在一个更大的多中心临床研究建立健壮的意义的涡度的性能建立了冠状动脉疾病患者。

总的来说,本研究建立了内血流动力学分析,通过使用验证三维CFD方法,可以准确地确定临床可行的指标,笔,并提供额外的信息来描述流在一个狭窄和船。涡度在狭窄的网站发现关联与侵入性诊断,因此持有承诺作为phenomarkers使用微创检查评估冠状动脉血液流动和功能。此外,涡度在CAD患者血管改变正常的船只出现在其他地方是没有冠心病病人相比明显不同。因此,未来的研究需要调查的全部效用涡度的筛查或发展CAD的发展。未来的研究更大样本量确定涡度的功能意义是必要的。

数据可用性声明

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。

道德声明

协议是质量一般的布里格姆机构审查委员会批准和执行准则和有关规定每IRB批准的协议。知情同意并不是必需的,因为这项研究回顾和只使用消除识别信息和匿名数据集。

作者的贡献

MV,詹,正义与发展党,SC,杰,基于“增大化现实”技术的概念和设计研究。SC重建完成。MV, LH,詹,基于“增大化现实”技术开发的仿真方法。MV进行了模拟和统计分析。PN, WW, DF完成了在体外实验。MV写了初稿的手稿。JK,杰和AR写的手稿。

资金

这项工作是支持的库尔特基金会(AR, MV, LH,詹,SC),美国心脏协会博士前的奖学金20 pre35211158 (MV);美国心脏协会目的19 aiml34980000 NHLBI U01 HL125215 (JL);NSF 1943036和NIH U01CA253511 (AR)。内容不一定代表美国国立卫生研究院的官方观点或NSF。这个手稿已经由UT-Battelle, LLC号合同下。与美国能源部DE-AC05-00OR22725。美国政府保留和出版商,接受这篇文章发表,承认美国政府保留的非专有的、已付的,不可撤销的,全球许可发布或复制的形式出版的手稿,或允许其他人这样做,美国政府的目的。能源部将提供公共访问这些联邦政府赞助的研究成果按照能源部公共访问计划(http://energy.gov/downloads/doe-public-access-plan)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

引用

阿米尔,M。,Usmani Abdullah, Y., Varshney, M., Fahad, A. S., Khan Saleem, A., Islam, N., et al. (2022). Analysing Spatio-temporal flow hemodynamics in an artery manifesting stenosis.Int。j .机甲。科学。218年,107072年。doi: 10.1016 / j.ijmecsci.2022.107072

CrossRef全文|谷歌学术搜索

Anselmi,。,Corbineau, H., Verhoye, J.-P., and Drochon, A. (2021). Impact of revascularization on the distal to proximal pressure ratio in case of multiple coronary stenoses.j .生物医学。科学。Eng。14日,142 - 175。doi: 10.4236 / jbise.2021.143014