Биомеханическая переоценка планирования эндоваскулярной пластики грудной аорты (MALAN)

Гипотеза и значимость. Специфические и последовательные паттерны гидродинамики, а также величина и распределение сил сопротивления могут быть определены в PLZ дуги аорты, что дает ценную информацию для правильного выбора PLZ и стент-графта во время планирования TEVAR.

Конкретная цель: 1) Оценить силы сопротивления, действующие на различные PLZ дуги аорты, с помощью компьютерного гидродинамического (CFD) анализа предоперационных фазово-контрастно-магнитно-резонансных (ПК-МРТ) и компьютерно-томографической ангиографии (КТА) изображений. Конкретная цель состоит в том, чтобы определить корреляцию между различной величиной и направлением сил миграции и геометрическими формами дуги, чтобы определить неоптимальные посадочные зоны для развертывания стент-графта. 2) Разработать и выполнить in-silico моделирование развертывания различных коммерчески доступных эндопротезов с конкретными граничными условиями для пациента. Точная цель состоит в том, чтобы оценить влияние механических характеристик конкретного устройства на стенку сосуда с помощью структурного анализа конечных элементов (FEA) и на силы сопротивления в различных зонах приземления с помощью CFD, чтобы определить более подходящий эндопротез. 3) Оценить силы сопротивления, воздействующие на эндотрансплантат в послеоперационном периоде, с помощью CFD-анализа на основе контрольных изображений (т. е. компьютерной магнитно-резонансной томографии и КТА). Конкретная цель состоит в том, чтобы оценить прогностическое значение силы сопротивления, измеренной до операции в PLZ, и подтвердить результаты моделирования in-silico.

План эксперимента Цель 1: Предоперационное получение медицинских изображений: КТА будет выполняться с использованием устройства с 16 срезами (150 мАс, 110 кВп; толщина изображения 5 мм, шаг 1,5; толщина реконструкции 1,2 мм) до и после внутривенного введения 100 мл йодсодержащее контрастное вещество. МРТ будет проводиться с использованием аппарата 1,5 Тл с градиентом мощности 40 мТл/м (Magneton Sonata Maestro Class, Siemens, Эрланген, Германия) и четырехканальной кардио-торакальной катушки. ЭКГ-запускаемая последовательность ПК-МРТ со свободным дыханием в плоскости и в плоскости будет выполняться для картирования фазовой скорости потока аорты и ветвей со следующими техническими параметрами: TR/TE = 4/3,2 мс, толщина 5 мм, скорость кодирования от 150 до 350 мс, временное разрешение 41 мс.

Обработка медицинских изображений: Специальная обработка предоперационных КТА на основе трехмерной многоплоскостной реконструкции будет выполняться с помощью программного обеспечения 3Mensio Vascular 8.0® (3Mensio Medical Imaging B.V.), которое предоставляет специальные функции для автоматических измерений. Пациенты будут стратифицированы в соответствии с классификацией дуг аорты (AAC). Будут рассчитаны радиус кривизны, угол PLZ (функция угла касания) и извилистость (функция угла извилистости). 3D-сегментация CTA, предназначенная для целей моделирования in-silico, будет выполняться с помощью программного обеспечения Mimics v18.0 (Materialise, Бельгия). Трехмерная модель просвета аорты в формате stl будет использоваться для создания подходящей вычислительной области CFD, называемой сеткой с помощью инструментария vmtk (www.vmtk.org). Моделирование in-silico: современное моделирование CFD для аортальной гемодинамики будет выполняться решателем CFD, разработанным в рамках проекта EmPaTHIC (Emory Pavia Testing Hemodynamics), который обновляет приложение LifeV Application Blood Flow благодаря сотрудничеству между Университетом Эмори, Атланта, Джорджия, США (проф. А. Венезиани) и Павийского университета (UniPV) (проф. Ф. Ауриккио). Анализ будет выполняться на кластере, доступном в UniPV Nume-Lab. Проект предусматривает увеличение вычислительной мощности за счет добавления еще одного узла к имеющемуся кластеру UniPV, а также установки сервера в поликлинике Сан-Донато (PSD), предназначенного для хранения данных и визуализации результатов. Расчет сил сопротивления: Постобработка моделирования будет выполняться с помощью python-скриптов на основе библиотек Visualization Toolkit (VTK) и программного обеспечения ParaView (Kitware® Inc., Франция). Такой анализ направлен на полуавтоматическое вычисление средней линии аорты, разделение дуги аорты на четыре области (т. е. зоны посадки) и расчет величины и направления сил сопротивления в каждой зоне на протяжении всего сердечного цикла. Будет выполнен предварительный анализ, чтобы оценить, является ли систолический пик наиболее подходящим моментом времени для наших целей, чтобы, возможно, уменьшить усилия по постобработке.

Экспериментальный дизайн Цель 2: Получение медицинских изображений: будут использоваться предоперационные изображения, полученные для цели 1. Обработка медицинских изображений: будут использоваться трехмерные модели просвета аорты, полученные в результате обработки, выполненной для цели 1. Моделирование in-silico. Будут выполняться два типа анализа: 1) Моделирование TEVAR методом FEA для прогнозирования прилегания эндотрансплантата; 2) CFD-анализ для расчета гемодинамики после TEVAR. Эти симуляции будут выполняться последовательно, определяя вычислительную основу, которая уже разработана и протестирована. FEA TEVAR: Как сообщалось ранее нашей группой, геометрические модели имплантированных эндотрансплантатов напоминают основные черты реальных образцов эндографтов; механические свойства взяты из доступной литературы. ABAQUSv16 (Simulia, Dassault Systèmes®, FR) используется в качестве решателя FEA. CFD для гемодинамики после TEVAR: начиная с конфигурации эндотрансплантата, предсказанной FEA, расчетная область, напоминающая аорту с эндоваскулярным имплантатом, строится с использованием метода изображения на расстоянии. Затем выполняется анализ, как описано в задаче 1. Расчет сил сопротивления: как описано в задаче 1, разработанный инструмент постобработки будет использоваться для расчета величины и направления сил сопротивления вдоль арки, а также на внутренней поверхности. поверхность развернутого эндопротеза.

План эксперимента Цель 3: Получение послеоперационных медицинских изображений: исследования КТ и МРТ, а также специальный анализ изображений будут выполняться через 6 месяцев наблюдения у набранных пациентов, как описано в цели 1. Моделирование in-silico: анализ CFD будет выполняется, как описано в Задаче 1. Обработка медицинских изображений: будут использоваться тот же подход и те же инструменты, что и в Задаче 1. Будет выполнена сегментация послеоперационной КТА для реконструкции 3D-модели просвета аорты и распорок развернутых эндопротезов. Вычисление сил сопротивления и проверка: Как и в цели 1, 3D-сегментация послеоперационной CTA в сочетании с данными о потоке с компьютерной магнитно-резонансной томографии будет использоваться для проведения анализа CFD, чтобы: 1) Оценить прогностическое значение сил сопротивления, измеренных до операции. (Цель 1); 2) Подтвердить результаты моделирования in-silico (Цель 2).