Hemodynamika a autonomní a kognitivní výkon po revaskularizačních výkonech karotid (BAROX)

Hypotéza a význam: Pozdní klinický výsledek a prognóza po CAS mohou být horší než po CEA, pokud jde o autonomní modulaci, hemodynamickou remodelaci a kognitivní funkce.

Specifický cíl: 1) Porovnat vliv CEA a CAS na dlouhodobou pooperační funkci baroreceptorů a na kognitivní mozkové funkce a analyzovat jejich vliv na klinický výsledek. Specifickým cílem je posoudit potenciální korelaci mezi pooperační autonomní a kognitivní funkcí. 2) Posoudit nátlak na karotické stěně v důsledku CAS ve srovnání s CEA pomocí strukturální analýzy a mechanického modelování. Specifickým cílem je posoudit potenciální korelaci mezi stentováním, poškozením stěny, poškozením baroceptorů a pozdními neurologickými následky. 3) Vyhodnotit pooperační hemodynamiku karotid kombinováním analýzy lékařského obrazu, klinických dat a počítačových simulací. Specifický cíl se zaměřuje na korelaci jak lokálních (např. stres na stěně), tak globálních jevů (kontrolaterální tok, ztuhnutí tepen) s funkcí baroreflexu a pooperačními neurologickými výsledky.

Experimentální design Cíl 1: Počítačová metoda vyžadující malou interakci operátora bude použita k hodnocení indexů autonomní sympatovagální rovnováhy zaměřené na sinoatriální uzel, sympatické vazomotorické modulace a baroreflexního zesílení, to vše ze spontánních variací intervalu R-R po úderu a variabilita systolického arteriálního tlaku (SAP) s ohledem pouze na podmínky sinusového rytmu. Po umístění elektrody a senzoru budou pacienti udržováni po dobu 10 minut v klidové poloze na zádech, která je nezbytná pro stabilizaci, následně budou průběžně zaznamenávány křivky krevního tlaku, elektrokardiogram a respirační aktivita během nominální 5minutové základní linie a poté po dobu následujících 5 minut aktivního postavení.

Kardiovaskulární signály budou získávány 4kanálovým digitálním polygrafem. Elektrokardiogram bude zaznamenáván dvěma elektrodami umístěnými na hrudníku pacienta, vzor dýchání bude zaznamenáván piezoelektrickým pásem a arteriální krevní tlak v prstech bude nepřetržitě monitorován kontinuálním neinvazivním hemodynamickým monitorem CNAP 500 HD (CNSystems Medizintechnik AG, Rakousko). Jak bylo popsáno dříve, (8) řada indexů nepřímo odrážejících autonomní kardiovaskulární modulaci bude odvozena ze spektrální analýzy R-R intervalu a variability SAP. Pooperační kardiovaskulární autonomní kontrola bude korelována s klinickým výsledkem a měřením kognitivní výkonnosti. Zapsaní pacienti budou podrobeni Mini-Mental State Examination pro screening obecné kognitivní poruchy. Kognitivní evokované potenciály P300 budou poté zaznamenávány před a po ošetření pomocí Ag/AgCl elektrod s Brain Vision Recorder (Brain Products GmbH, Gilching, Německo). Evokované potenciály P300 budou generovány po binaurálně prezentovaném paradigmatu tónové diskriminace (paradigma odd-ball) s častými (80 %) tóny 1000 Hz a vzácnými (20 %) cílovými tóny 2000 Hz při 75 dB HL. Pásmová propust filtru bude 0,01 až 30 Hz. Aktivní elektrody budou umístěny na Cz (vertex) a Fz (frontální), v daném pořadí, a budou odkazovány na spojené elektrody ušního lalůčku A1/2 (10/20 mezinárodní systém). Během paradigmatu budou pacienti instruováni, aby udržovali průběžný mentální počet vzácných cílových tónů 2000 Hz. Pro ověření pozornosti budou záznamy P300 s odchylkou > 10 % mezi skutečným počtem stimulů a počtem spočítaným pacienty odmítnuty a opakovány. Záznam evokovaného potenciálu P300 bude mít za následek stabilní sekvenci pozitivních a negativních píků. Budou hodnoceny latence v milisekundách (ms) kognitivního vrcholu P300. Pro potvrzení reprodukovatelnosti budou u všech pacientů zaznamenány dvě sady měření P300.

Experimentální návrh Cíl 2: Počítačová simulace CAS se provádí s využitím výpočetního rámce, který lze použít k virtuální analýze uložení stentu i napětí cévní stěny. Rám tvoří dvě hlavní části: model cévy a model stentu. Předoperační a pooperační lékařské snímky (včetně MRI s vysokým rozlišením kontrastu (CE) a počítačové tomografické angiografie (CTA)) budou představovat vstup pro vytvoření modelu karotidy specifického pro pacienta. 3D lumenový profil cévy je rekonstruován pomocí segmentace DICOM obrazového zásobníku pomocí nástrojů jako ITK-SNAP (www.itksnap.org) nebo VMTK (www.vmtk.org). Výpočetní doména (tzv. mesh), používaná k řešení rovnovážných rovnic řídících strukturální interakci stent-céva, je vytvořena interně vyvinutou procedurou, kódovanou v Matlabu (The Mathworks Inc., Natick, MA, USA) . Nelineární mechanická odezva arteriální tkáně je reprodukována pomocí anizotropní hyperelastické deformační energetické funkce, která odpovídá dvěma rodinám vláken, orientovaných v preferovaném směru s určitým stupněm disperze. Parametry modelu budou kalibrovány s ohledem na experimentální tahové zkoušky karotické tkáně. Arteriální model je poté sestaven v simulačním prostředí s daným modelem stentu, vybraným z předem definované knihovny návrhů stentu (generování sítě stentu je založeno na geometrických měřeních provedených na mikro-CT vzorků stentu s vysokým rozlišením). CAS simulace se provádí pomocí strukturální analýzy konečných prvků (FEA); komerční FEA řešitel Abaqus (Simulia, Dassault Systemes, FR) je použit ke spuštění simulací. Technické výsledky simulací (tj. pole uzlového posunutí, tenzor napětí a deformace v každém integračním bodě sítě) jsou zpracovány tak, aby bylo možné posoudit klinicky relevantní parametry výkonu stentování (např. zisk lumen, narovnání cévy, velikost buněk stentu). Výstup bude použit jako vstup pro výpočetní analýzu dynamiky tekutin k vyhodnocení dopadu implantovaného designu na lokální hemodynamiku (např. smykové napětí stěny, oscilační smykový index atd.). Podobně bude provedena strukturální analýza CEA prostřednictvím virtuálního natlakování pooperační geometrie arterií.

Experimentální návrh 3: Po přechodu od výpočetní dynamiky tekutin a analýzy interakce tekutina-struktura vědci plánují zavést specifický model pro popis funkce baroreflexu, který může být ovlivněn dvěma různými typy léčby (CEA a CAS). To vyžaduje sestavení tzv. „geometrického víceškálového“ modelu. Tím mají výzkumníci na mysli numerický model spojující lokální popis hemodynamiky (popis vyvinutý v cíli 2) se systematičtějším zobrazením. Ten se skládá ze dvou složek:

a) 1D síť matematicky popsaná soustavou parciálních diferenciálních rovnic reprezentujících šíření tlakové vlny podél tepenného stromu; každý segment sítě je dán hyperbolickým systémem nazývaným "Eulerovy rovnice" b) kompartmentový model pro reprezentaci periferní mikrocirkulace a pro zahrnutí zpětnovazebních mechanismů indukovaných funkcí baroreflexu. Následně to bude reprezentováno systémem obyčejných diferenciálních rovnic, kde odpory správně závisí na baroreflexní funkci.

Za tímto účelem vyšetřovatelé plánují dva dílčí cíle:

1. Nastavení výpočtového víceškálového modelu v rámci řešiče LifeV, obecné C++ objektově orientované knihovny konečných prvků, vyvinuté A. Venezianim a jeho spolupracovníky (v Miláně Politecnico a Lausanne EPFL) www.lifev.org a volně ke stažení. V této fázi budou výzkumníci reprodukovat obecný model Blanca et al. Zejména identifikace parametrů pro dvě různé úrovně modelů (1D a Souhrnné parametry) bude provedena podle navrhovaného postupu. Validace řešitele také využije benchmarků uvedených v tomto článku.
2. Převzetí řešiče dříve vyvinutého pro testovací případy uvažované v cíli 2. To znamená, že 3D model vyvinutý v cíli 2 bude přijat pro 3D část geometrického víceúrovňového modelu. To umožní poskytnout kvantitativní analýzu rozdílného dopadu těchto dvou léčebných postupů a nakonec ve virtuálním scénáři posoudit, jak mohou změny poddajnosti karotidy narušit funkci baroreflexu. Všechny případy CAS a CEA uvažované v cíli 2 budou vybaveny tímto víceúrovňovým rámcem. Očekávanými výstupy tohoto cíle jsou proto: a) ověřený open source geometrický multiškálový řešič včetně funkce baroreflex, který bude systematicky používán v prostředích specifických pro pacienta. b) rozsáhlé srovnání výkonů různých možností.