Hemodynamika oraz sprawność autonomiczna i poznawcza po zabiegach rewaskularyzacji tętnicy szyjnej (BAROX)

Hipoteza i znaczenie: Późny wynik kliniczny i rokowanie po CAS mogą być gorsze niż po CEA pod względem modulacji układu autonomicznego, przebudowy hemodynamicznej i funkcji poznawczych.

Cel szczegółowy: 1) Porównanie wpływu CEA i CAS na długoterminowe pooperacyjne funkcje baroreceptorów i funkcji poznawczych mózgu oraz analiza ich wpływu na wynik kliniczny. Celem szczegółowym jest ocena potencjalnej korelacji między pooperacyjną autonomią a funkcjami poznawczymi. 2) Ocena nagabywania na ścianie tętnicy szyjnej z powodu CAS w porównaniu z CEA poprzez analizę strukturalną i modelowanie mechaniczne. Konkretnym celem jest ocena potencjalnej korelacji między stentowaniem, uszkodzeniem ściany, upośledzeniem baroceptorów i późnymi następstwami neurologicznymi. 3) Aby ocenić pooperacyjną hemodynamikę tętnicy szyjnej, łącząc analizę obrazu medycznego, dane kliniczne i symulacje komputerowe. Konkretny cel ma na celu skorelowanie zarówno lokalnych (np. naprężeń ścian), jak i globalnych zjawisk (przepływ przeciwboczny, usztywnienie tętnic) z funkcją baroreceptorów i pooperacyjnymi wynikami neurologicznymi.

Projekt eksperymentalny Cel 1: Skomputeryzowana metoda wymagająca niewielkiej interakcji operatora zostanie wykorzystana do oceny wskaźników autonomicznej równowagi współczulno-wagalnej skierowanej do węzła zatokowo-przedsionkowego, współczulnej modulacji naczynioruchowej i wzmocnienia odruchu z baroreceptorów, a wszystko to na podstawie spontanicznych zmian odstępu R-R w odstępie RR i zmienność skurczowego ciśnienia tętniczego (SAP), biorąc pod uwagę tylko warunki rytmu zatokowego. Po ustawieniu elektrod i czujnika pacjenci będą utrzymywani przez 10 minut w pozycji spoczynkowej na plecach, niezbędnej do stabilizacji, następnie krzywe ciśnienia krwi, elektrokardiogram i aktywność oddechowa będą rejestrowane w sposób ciągły przez nominalną 5-minutową linię bazową, a następnie przez kolejne 5 minut czynnej pozycji stojącej.

Sygnały sercowo-naczyniowe będą zbierane przez 4-kanałowy wariograf cyfrowy. Elektrokardiogram będzie rejestrowany za pomocą dwóch elektrod umieszczonych na klatce piersiowej pacjenta, wzorzec oddychania będzie rejestrowany za pomocą pasa piezoelektrycznego, a ciśnienie tętnicze palca będzie stale monitorowane za pomocą ciągłego nieinwazyjnego monitora hemodynamicznego CNAP 500 HD (CNSystems Medizintechnik AG, Austria). Jak opisano wcześniej, (8) seria wskaźników pośrednio odzwierciedlających autonomiczną modulację sercowo-naczyniową zostanie uzyskana z analizy spektralnej odstępu RR i zmienności SAP. Pooperacyjna autonomiczna kontrola sercowo-naczyniowa będzie skorelowana z wynikami klinicznymi i miarami sprawności poznawczej. Zarejestrowani pacjenci zostaną poddani Mini-Badanie Stanu Psychicznego w celu ogólnego przesiewowego badania zaburzeń funkcji poznawczych. Poznawcze potencjały wywołane P300 będą następnie rejestrowane, przed i po leczeniu, za pomocą elektrod Ag/AgCl z urządzeniem Brain Vision Recorder (Brain Products GmbH, Gilching, Niemcy). Potencjały wywołane P300 będą generowane po obuusznym paradygmacie dyskryminacji tonów (paradygmat nieparzystej kuli) z częstymi (80%) tonami 1000 Hz i rzadkimi (20%) tonami docelowymi 2000 Hz przy 75 dB HL. Pasmo przepustowe filtra będzie wynosić od 0,01 do 30 Hz. Aktywne elektrody zostaną umieszczone odpowiednio w Cz (wierzchołek) i Fz (czoł) i zostaną odniesione do połączonych elektrod płatka ucha A1/2 (system międzynarodowy 10/20). Podczas paradygmatu pacjenci zostaną poinstruowani, aby na bieżąco liczyć w pamięci rzadkie tony docelowe o częstotliwości 2000 Hz. W celu weryfikacji uwagi zapisy P300 z rozbieżnością >10% między rzeczywistą liczbą bodźców a liczbą zliczoną przez pacjentów będą odrzucane i powtarzane. Rejestracja potencjału wywołanego P300 zapewni stabilną sekwencję pików dodatnich i ujemnych. Ocenione zostaną opóźnienia w milisekundach (ms) poznawczego piku P300. Aby potwierdzić powtarzalność, dla wszystkich pacjentów zostaną zarejestrowane dwa zestawy pomiarów P300.

Eksperymentalny projekt Cel 2: Symulacja komputerowa CAS jest przeprowadzana z wykorzystaniem ram obliczeniowych, które można wykorzystać do wirtualnej analizy ułożenia stentu i naprężenia ściany naczynia. Ramy obejmują dwie główne części: model naczynia i model stentu. Przedoperacyjne i pooperacyjne obrazy medyczne (w tym MRI o wysokiej rozdzielczości ze wzmocnionym kontrastem (CE) i angiografia tomografii komputerowej (CTA)) będą stanowić dane wejściowe do budowy modelu tętnicy szyjnej specyficznego dla pacjenta. Profil światła naczynia 3D jest rekonstruowany poprzez segmentację stosu obrazów DICOM przy użyciu narzędzi takich jak ITK-SNAP (www.itksnap.org) lub VMTK (www.vmtk.org). Dziedzina obliczeniowa (tzw. siatka), używana do rozwiązywania równań równowagi rządzących interakcją strukturalną stent-naczynie, jest tworzona przez opracowaną przez nas procedurę, zakodowaną w Matlabie (The Mathworks Inc., Natick, MA, USA) . Nieliniowa odpowiedź mechaniczna tkanki tętniczej jest odtwarzana z zastosowaniem anizotropowej hipersprężystej funkcji odkształcenie-energia, odpowiadającej dwóm rodzinom włókien, zorientowanych wzdłuż preferowanego kierunku z pewnym stopniem rozproszenia. Parametry modelu zostaną skalibrowane w odniesieniu do eksperymentalnych prób rozciągania tkanki szyjnej. Model tętniczy jest następnie składany w środowisku symulacyjnym z danym modelem stentu, wybieranym z predefiniowanej biblioteki projektów stentów (generowanie siatki stentu opiera się na pomiarach geometrycznych wykonanych na mikro-TK próbek stentu w wysokiej rozdzielczości). Symulacja CAS jest przeprowadzana za pomocą strukturalnej analizy elementów skończonych (FEA); komercyjny solwer MES Abaqus (Simulia, Dassault Systemes, FR) jest używany do przeprowadzania symulacji. Wyniki inżynieryjne symulacji (tj. pole przemieszczenia węzłowego, tensor naprężenia i odkształcenie w każdym punkcie integracji siatki) są opracowywane w celu oceny istotnych klinicznie parametrów wydajności stentowania (np. wzmocnienie światła, prostowanie naczynia, rozmiar stentu). Dane wyjściowe zostaną wykorzystane jako dane wejściowe do analizy obliczeniowej dynamiki płynów w celu oceny wpływu wszczepionego projektu na lokalną hemodynamikę (np. naprężenie ścinające ściany, wskaźnik ścinania oscylacyjnego itp.). Podobnie analiza strukturalna CEA zostanie przeprowadzona poprzez wirtualne zwiększenie ciśnienia pooperacyjnej geometrii tętnicy.

Projekt eksperymentu 3: Odchodząc od obliczeniowej dynamiki płynów i analizy interakcji płyn-struktura, badacze planują wprowadzić konkretny model opisujący funkcję baroreceptorów, na którą mogą wpływać dwa różne rodzaje leczenia (CEA i CAS). Wymaga to stworzenia tak zwanego „geometrycznego modelu wieloskalowego”. Badacze rozumieją przez to model numeryczny łączący lokalny opis hemodynamiki (opracowany w Celu 2) z bardziej systemową reprezentacją. Ten ostatni składa się z dwóch elementów:

a) sieć 1D opisana matematycznie układem równań różniczkowych cząstkowych reprezentujących propagację fali ciśnienia wzdłuż drzewa tętniczego; każdy segment sieci jest określony przez układ hiperboliczny zwany „równaniami Eulera”. b) model przedziałowy do reprezentowania mikrokrążenia obwodowego i uwzględniania mechanizmów sprzężenia zwrotnego indukowanych przez funkcję baroreceptorów. Następnie będzie to reprezentowane przez układ równań różniczkowych zwyczajnych, w których rezystancje odpowiednio zależą od funkcji baroreceptorów.

W tym celu badacze planują dwa cele podrzędne:

1. Stworzenie wieloskalowego modelu obliczeniowego w ramach Solvera LifeV, biblioteki elementów skończonych ogólnego przeznaczenia C++ zorientowanej obiektowo, opracowanej przez A. Venezianiego i jego współpracowników (z Politechniki w Mediolanie i EPFL w Lozannie) www.lifev.org i do pobrania w sposób otwarty. Na tym etapie badacze odtworzą ogólny model Blanco i in. W szczególności identyfikacja parametrów dla dwóch różnych poziomów modeli (1D i parametry skupione) zostanie przeprowadzona zgodnie z sugerowaną procedurą. Walidacja solwera będzie również korzystać z testów porównawczych przedstawionych w tym artykule.
2. Przyjęcie solwera opracowanego wcześniej dla przypadków testowych rozpatrywanych w Celu 2. Oznacza to, że model 3D opracowany w Celu 2 zostanie zaadaptowany dla części 3D wieloskalowego modelu geometrycznego. Pozwoli to na ilościową analizę odmiennego wpływu obu terapii, a ostatecznie na ocenę w wirtualnym scenariuszu, w jaki sposób zmiany podatności tętnicy szyjnej mogą upośledzać funkcję baroreceptorów. Wszystkie sprawy CAS i CEA rozpatrywane w Celu 2 będą wyposażone w tę wieloskalową strukturę. Oczekiwane rezultaty tego celu to zatem: a) zatwierdzony wieloskalowy solwer geometryczny typu open source, w tym funkcja baroreceptorów, do systematycznego stosowania w warunkach specyficznych dla pacjenta. b) obszerne porównanie wyników różnych opcji.