Hemodynamiikka ja autonominen ja kognitiivinen suorituskyky kaulavaltimon revaskularisaatiotoimenpiteiden jälkeen (BAROX)

Hypoteesi ja merkitys: Myöhäinen kliininen tulos ja ennuste CAS:n jälkeen voi olla huonompi kuin CEA:n jälkeen autonomisen modulaation, hemodynaamisen uudelleenmuodostumisen ja kognitiivisten toimintojen osalta.

Tarkoitus: 1) Vertaa CEA:n ja CAS:n vaikutusta pitkän aikavälin postoperatiiviseen baroreseptoritoimintaan ja kognitiiviseen aivotoimintaan sekä analysoida niiden vaikutusta kliinisiin tuloksiin. Tarkoituksena on arvioida mahdollista korrelaatiota postoperatiivisen autonomisen ja kognitiivisen toiminnan välillä. 2) Arvioi CAS:n aiheuttama kaulavaltimon seinämän pyyntö verrattuna CEA:han rakenneanalyysin ja mekaanisen mallinnuksen avulla. Tarkoituksena on arvioida mahdollista korrelaatiota stentoinnin, seinämän vaurion, baroseptorin vajaatoiminnan ja myöhäisten neurologisten seurausten välillä. 3) Arvioida leikkauksen jälkeistä kaulavaltimon hemodynamiikkaa yhdistämällä lääketieteelliset kuva-analyysit, kliiniset tiedot ja tietokonesimulaatiot. Erityistavoitteena on korreloida sekä paikallisia (esim. seinämän jännitysjännitys) että globaaleja ilmiöitä (kontralateraalinen virtaus, valtimon jäykistyminen) barorefleksitoiminnan ja leikkauksen jälkeisten neurologisten tulosten kanssa.

Kokeellinen suunnittelu Tavoite 1: Pientä käyttäjän vuorovaikutusta vaativaa tietokoneistettua menetelmää käytetään sinoatriaaliseen solmukkeeseen kohdistuvan autonomisen sympatovagaalisen tasapainon, sympaattisen vasomotorisen modulaation ja barorefleksivahvistuksen indeksien arvioimiseen, kaikki R-R-välin spontaanien lyönti kerrallaan vaihteluiden perusteella. systolisen valtimopaineen (SAP) vaihtelu, kun otetaan huomioon vain sinusrytmiolosuhteet. Elektrodin ja anturin asennon jälkeen potilasta pidetään 10 minuutin ajan makuuasennossa, mikä on tarpeen stabiloinnin kannalta, minkä jälkeen verenpaineen aaltomuodot, EKG ja hengitysaktiivisuus tallennetaan jatkuvasti nimellisen 5 minuutin perusviivan ajan ja sen jälkeen 5 minuutin ajan. aktiivisesta seisomisesta.

Kardiovaskulaariset signaalit kerätään 4-kanavaisella digitaalisella polygrafilla. Elektrokardiogrammi tallennetaan kahdella elektrodilla, jotka asetetaan potilaan rintaan, hengityskuvio tallennetaan pietsosähköisellä vyöllä ja sormen valtimoverenpainetta seurataan jatkuvasti CNAP 500 HD jatkuvalla noninvasiivisella hemodynamiikkamonitorilla (CNSystems Medizintechnik AG, Itävalta). Kuten aiemmin on kuvattu, (8) sarja indeksejä, jotka heijastavat epäsuorasti autonomista kardiovaskulaarista modulaatiota, johdetaan R-R-välin ja SAP-vaihtelun spektrianalyysistä. Leikkauksen jälkeinen kardiovaskulaarinen autonominen ohjaus korreloidaan kliinisen tuloksen ja kognitiivisen suorituskyvyn mittareiden kanssa. Ilmoittautuneille potilaille lähetetään mielenterveyden minitutkimus yleistä kognitiivisen heikentymisen seulontaa varten. Kognitiiviset P300:n herättämät potentiaalit tallennetaan sitten ennen käsittelyä ja sen jälkeen Ag/AgCl-elektrodilla Brain Vision Recorderilla (Brain Products GmbH, Gilching, Saksa). P300:n herätepotentiaalit generoidaan binauraalisesti esitettävän sävelten erotteluparadigman (parittoman pallon paradigman) jälkeen, jossa toistuvat (80 %) 1000 Hz:n äänet ja harvinaiset (20 %) tavoiteäänet 2000 Hz 75 dB HL:llä. Suodattimen kaistanpäästö on 0,01 - 30 Hz. Aktiiviset elektrodit sijoitetaan Cz-pisteeseen (vertex) ja Fz-kohtaan (etuosa), ja ne yhdistetään korvalehteen A1/2-elektrodeihin (kansainvälinen järjestelmä 10/20). Paradigman aikana potilaita ohjataan pitämään juoksevaa henkistä määrää harvinaisista 2000 Hz:n kohdeäänistä. Tarkkailun varmistamiseksi P300-tallenteet, joiden todellisen ärsykkeiden lukumäärän ja potilaiden laskeman määrän välinen ero on >10 %, hylätään ja toistetaan. P300:n herättämä potentiaalitallennus johtaa vakaaseen positiivisten ja negatiivisten huippujen sarjaan. Kognitiivisen P300-huipun latenssit millisekunteina (ms) arvioidaan. Toistettavuuden varmistamiseksi kirjataan kaksi sarjaa P300-mittauksia kaikille potilaille.

Kokeellinen suunnittelu Tavoite 2: CAS:n tietokonepohjainen simulointi suoritetaan hyödyntäen laskennallista viitekehystä, jonka avulla voidaan analysoida sekä stentin kiinnitystä että verisuonen seinämän jännitystä virtuaalisesti. Runko koostuu kahdesta pääosasta: suonimallista ja stenttimallista. Preoperatiiviset ja postoperatiiviset lääketieteelliset kuvat (mukaan lukien korkearesoluutioinen kontrastitehostettu (CE)-MRI ja tietokonetomografiaangiografia (CTA)) ovat panos potilaskohtaisen kaulavaltimon mallin rakentamiseen. Verisuonen 3D-onteloprofiili rekonstruoidaan segmentoimalla DICOM-kuvapino käyttämällä työkaluja, kuten ITK-SNAP (www.itksnap.org) tai VMTK (www.vmtk.org). Laskennallinen verkkoalue (ns. mesh), jota käytetään stentin ja verisuonen rakenteellista vuorovaikutusta ohjaavien tasapainoyhtälöiden ratkaisemiseen, luodaan talon sisäisellä menetelmällä, joka on koodattu Matlabissa (The Mathworks Inc., Natick, MA, USA) . Valtimokudoksen epälineaarinen mekaaninen vaste toistetaan ottamalla käyttöön anisotrooppinen hyperelastinen jännitysenergiafunktio, joka vastaa kahta kuituperhettä, jotka on suunnattu edulliseen suuntaan tietyllä dispersioasteella. Malliparametrit kalibroidaan kaulavaltimon kudoksen kokeellisten vetolujuustestien perusteella. Valtimomalli kootaan sitten simulaatioympäristössä tietyllä stenttimallilla, joka poimitaan ennalta määritetystä stenttimallien kirjastosta (stenttiverkon luominen perustuu geometrisiin mittauksiin, jotka on suoritettu stenttinäytteiden korkearesoluutioiselle mikro-CT:lle). CAS-simulointi suoritetaan rakenteellisen elementtianalyysin (FEA) avulla; kaupallinen FEA-ratkaisija Abaqus (Simulia, Dassault Systemes, FR) on otettu käyttöön simulaatioiden suorittamiseen. Simulaatioiden tekniset tulokset (eli solmujen siirtymäkenttä, jännitystensori ja jännitys verkon jokaisessa integraatiopisteessä) on kehitetty kliinisesti merkityksellisten stentointisuorituskyvyn parametrien arvioimiseksi (esim. lumenin lisäys, verisuonen suoristus, stenttisolujen koko). Tulosta käytetään Computational Fluid Dynamics -analyysin syötteenä arvioitaessa implantoidun rakenteen vaikutusta paikalliseen hemodynamiikkaan (esim. seinämän leikkausjännitys, oskillaatioleikkausindeksi jne.). Vastaavasti CEA:n rakenneanalyysi suoritetaan leikkauksen jälkeisen valtimogeometrian virtuaalisen paineistuksen avulla.

Kokeellinen suunnittelu 3: Siirtyessään laskennallisesta virtausdynamiikasta ja nesterakenteen vuorovaikutusanalyysistä tutkijat suunnittelevat ottavansa käyttöön erityisen mallin, joka kuvaa barorefleksitoimintoa, ja tähän voivat vaikuttaa kaksi eri hoitotyyppiä (CEA ja CAS). Tämä edellyttää niin sanotun "geometrisen monimittakaavaisen" mallin perustamista. Tällä tutkijat tarkoittavat numeerista mallia, joka yhdistää hemodynamiikan paikallisen kuvauksen (tavoitteessa 2 kehitetty) systeemisempään esitykseen. Jälkimmäinen koostuu kahdesta osasta:

a) 1D-verkko, joka on matemaattisesti kuvattu osittaisten differentiaaliyhtälöiden järjestelmällä, joka edustaa paineaallon etenemistä valtimopuuta pitkin; verkon jokainen segmentti on annettu hyperbolisella järjestelmällä, jota kutsutaan "Euler-yhtälöiksi". b) osastomalli perifeerisen mikroverenkierron esittämiseksi ja barorefleksifunktion indusoimien takaisinkytkentämekanismien sisällyttämiseksi. Seuraavaksi tätä edustaa tavallisten differentiaaliyhtälöiden järjestelmä, jossa vastukset riippuvat oikein barorefleksifunktiosta.

Tässä tavoitteessa tutkijat suunnittelevat kaksi alatavoitetta:

1. Laskennallisen monimittakaavaisen mallin luominen LifeV-ratkaisijan, äärellisen elementin yleiskäyttöisen C++ Object Oriented -kirjaston puitteissa, jonka ovat kehittäneet A. Veneziani ja hänen yhteistyökumppaninsa (Milan Politecnico ja Lausanne EPFL) www.lifev.org ja avoimesti ladattavissa. Tässä vaiheessa tutkijat toistavat Blancon et al.:n yleisen mallin. Erityisesti kahden eri mallitason (1D ja yhdistelmäparametrit) parametrien tunnistaminen suoritetaan ehdotetun menettelyn mukaisesti. Ratkaisijan validoinnissa hyödynnetään myös tässä artikkelissa esitettyjä vertailuarvoja.
2. Aiemmin tavoitteessa 2 käsiteltyihin testitapauksiin kehitetyn ratkaisijan ottaminen käyttöön. Tämä tarkoittaa, että tavoitteessa 2 kehitetty 3D-malli otetaan käyttöön geometrisen monimittakaavaisen mallin 3D-osaan. Tämä mahdollistaa kvantitatiivisen analyysin näiden kahden hoidon eri vaikutuksista ja viime kädessä arvioida virtuaalisessa skenaariossa, kuinka kaulavaltimon mukautumisen muutokset voivat heikentää barorefleksitoimintoa. Kaikki tavoitteessa 2 käsitellyt CAS- ja CEA-tapaukset varustetaan tällä monimuotoisella kehyksellä. Tämän tavoitteen odotetut tulokset ovat siksi: a) validoitu avoimen lähdekoodin geometrinen monimittainen ratkaisija, joka sisältää baroreflex-toiminnon, jota käytetään systemaattisesti potilaskohtaisissa olosuhteissa. b) eri vaihtoehtojen suorituskyvyn laaja vertailu.