针对病人CT-Based Fluid-Structure-Interaction主动脉模型量化机械条件TOF患者升主动脉扩张的调查

文摘

背景。一些成年患者法洛四联症(TOF)被发现同时升主动脉扩张发展。主动脉扩张会导致一些严重的主动脉疾病,包括动脉瘤解剖,严重影响患者的生活质量,甚至导致病人的死亡。当前实践指南aortic-dilation-related疾病主要集中于主动脉直径,已发现并不总是一个好的指示器。因此,它可能是临床上有用的识别一些其他因素,可以更好地预测主动脉扩张反应。方法。20 TOF定于TOF修复手术的病人被招募在这项研究中,分为扩张和nondilated组根据大量的升主动脉直径。患者主动脉CT图像、压力和流速是用于计算生物力学模型的建设。结果。仿真结果表明一个好的巧合之间数值平均流量速度进口和从彩色多普勒超声获得,这意味着计算模型能够模拟主动脉和血液内的运动准确。我们的研究结果表明,主动脉压力能有效区分扩张组的病人的nondilated集团。意思是升主动脉stress-P1(最大主应力)扩张组高出54%的nondilated组(97.97 kPa和63.47 kPa,在收缩压值= 0.044)。速度大小的主动脉和主动脉壁位移扩张组也高于nondilated集团值< 0.1。结论。计算建模和升主动脉生物力学因素可能作为一个潜在的工具来识别和分析主动脉扩张反应。大规模临床研究需要验证这些初步的研究结果。

1。介绍

法洛四联症(TOF)是一种先天性心脏缺陷包括四个心脏的解剖异常:心室中隔缺损,肺动脉漏斗状狭窄,压倒一切的主动脉,右心室肥大。在美国,TOF的患病率为3.9每10000个活产儿和占7 - 10%的先天性心脏疾病(1]。一些成人先天性心脏病患者被发现同时开发升主动脉扩张(2- - - - - -4]。所有的主动脉壁层的膨胀超过50%相比正常直径定义为升主动脉瘤(5),这通常是懒惰和无症状直到演讲灾难性破裂的并发症和解剖。发生破裂或解剖时,大部分患者是致命的。在主动脉夹层的急性期,超过50%的患者死亡如果没有外科手术治疗,而且治疗范围从5%到30%的死亡率虽然显著改进的手术策略(6- - - - - -8]。

主动脉夹层的风险是已知的高度与主动脉直径增加。当前实践指南建议选修主动脉瓣修复的直径5.5厘米,因为发现动脉瘤破裂的风险显著增加与升主动脉直径大于6厘米(9- - - - - -13]。然而,最近的研究发现,许多急性升主动脉夹层患者主动脉直径小于5.5厘米在医院演讲(14,15]。此外,明等人进行了系统回顾和荟萃分析升主动脉瘤的自然历史,发现结论对传统的风险因素,如主动脉直径,不仅明显不同但之间往往是相互矛盾的研究(16]。例如,4研究[17- - - - - -20.)发现主动脉扩张没有与基线主动脉直径,而2研究[21,22]报告年度主动脉高增长率较低的基线主动脉直径。因此,越来越多的研究集中在寻找更可靠的升主动脉扩张的风险因素,而不是只主动脉直径。Geisbusch等人提出了ct体积测量提供一个客观的方法来确定主动脉大小和监控扩张(23]。Donato Aquaro等人使用的最大收缩膨胀率(MRSD)作为一个索引的主动脉壁特性,发现MRSD是一个有价值的预测进展在升主动脉扩张24]。Alreshidan等人使用散斑跟踪超声心动图评估主动脉僵硬体内和证明,刚度是有助于确定并发症患者的主动脉疾病的风险(25]。面食等人用CT血管造影成像估计患者体内应变场,发现动脉瘤性主动脉僵硬行为与健康的升主动脉(26]。Farzaneh等人提出了一个非侵入性方法通过使用封闭的CT扫描来确定特定的当地外延主动脉壁的刚度,被发现高度相关的破裂风险标准27,28]。

与计算机和医学影像技术的快速进步,基于图像的计算模型已广泛应用于心血管疾病的研究。Youssefi等人利用计算fluid-only生物力学模型探讨流入速度剖面的影响在胸主动脉的血流动力学(29日]。Condemi等人执行特定的计算流体动力学分析得到的血液动力学效应提升胸主动脉瘤破裂的风险(30.),还调查了病人的血流动力学改变只有升主动脉置换术治疗保护BAV [31日]。昂德希尔等人构建的基于图像的计算模型通过整合斑块形态、组件和机械应力/应变条件来评估人类动脉粥样硬化性颈动脉斑块的脆弱性(32]。根据与主动脉疾病相关的一些研究,生物力学的主动脉组织已经发现一个可能的组织学的良好预测主动脉壁的完整性17,33- - - - - -35];因此,生物力学可能是一个更好的比主动脉直径主动脉疾病的风险因素。本研究的目的是建立一个计算生物力学模型,通过结合特定病人的CT扫描,测量主动脉压力,彩色多普勒超声,为更好的理解和主动脉组织属性升主动脉的机械环境,这可能会提供一个更有用的洞察力对升主动脉扩张。

2。数据采集、模型和方法

2.1。数据采集

二十个TOF定于TOF修复手术的病人被招募在这项研究中,由审查委员会批准对人类课题研究(华西医院、华西医学院),和知情同意。

ECG-gated心脏电脑断层扫描(CT)扫描进行在一个心动周期为每一个病人,和扫描时间大约10点。每个时间点的CT扫描包含大约70片(片厚度3毫米)覆盖整个心脏结构和升主动脉,并扫描下舒张压和收缩压被用于模型建设。3 d几何主动脉根和升主动脉获得使用thresholding-segmentation从CT扫描技术实现模拟(出现、比利时)。主动脉根的内腔和升主动脉获得通过使用模拟分割模块“CT心脏分割”推荐的参数。由于图像质量,针对病人的主动脉壁很难获得和均匀壁厚2.0毫米被用于所有的病人。图1显示选择的CT扫描,主动脉的分割结果,相应的3 d几何重建一个病人在我们的数据集。fluid-structure-interaction (FSI)升主动脉的有限元(FE)模型是构建基于CT-based 3 d几何和彩色多普勒超声流信息量化主动脉的机械性能。

(一)

(b)

(c)

患者升主动脉直径从3 d重建几何图形计算,转换为相应的分数计算通过使用一个基于web的工具(http://zscore.chboston.org),收集基线数据在过去12年里(36]。的夹杂物的患者性别、年龄、和身体表面积(BSA),分数的优点在决定是否一个主动脉内正常的大小限制。而不是原始主动脉直径,主动脉分数是更准确的确定是否存在真正的病理。均匀地将所有患者分为2组根据他们的升主动脉直径的分数,更大分数被定义为扩张组和一个小分数是nondilated组。针对病人的收缩压和舒张压测量同时进行CT扫描时,他们作为边界条件的模拟。针对病人的血流的彩色多普勒超声成像得到升主动脉和用于特定的边界条件的确定。

病人的人口统计信息,主动脉直径和相应分数,收缩期和舒张期血压和血液属性表进行了总结1。连续变量(如年龄、主动脉直径、血液粘度和压力)进行了综述和比较结果组之间使用一个未配对的学生 - - - - - -测试。分类变量(如性别)使用非参数检验比较不同组之间。


	年龄(年)	性	高度	重量	SBP(毫米汞柱)	菲律宾(毫米汞柱)	广告(毫米)	油气地质 - - - - - -分数	粘度(cPoise)

Nondilated集团
P1	6.9	F	118年	19.0	108年	62年	17.59	0.64	4.28
P2	21.8	米	163年	50.0	130年	85年	27.18	1.73	10.01
P3	8.7	米	126年	22.0	107年	61年	20.69	1.76	4.08
P4	8.4	米	119年	20.0	98年	64年	20.16	1.86	6.73
P5	6.1	米	110年	18.0	105年	59	20.12	2.34	6.48
P6	21.3	F	150年	45.0	105年	56	30.32	3.13	6.07
P7	15.2	米	162年	40.0	112年	62年	25.29	3.92	6.08
P8	15.1	米	170年	52.0	95年	58	30.32	4.11	4.14
票数	20.3	米	171年	65.0	140年	96年	35.43	4.12	7.18
P10	12.0	米	138年	31.5	88年	57	29.76	4.15	2.78

扩张组
赛	7.6	F	129年	20.0	79年	50	20.60	5.81	3.82
P12	7.8	米	113年	16.0	109年	74年	25.70	5.88	7.22
P13	10.4	F	125年	23.0	105年	60	30.89	7.03	7.27
好	8.8	米	115年	20.0	105年	70年	27.79	7.35	8.83
P15	19.9	米	166年	46.0	133年	77年	40.17	7.45	8.59
P16	13.0	米	157年	37.0	118年	54	35.96	7.82	3.69
P17	13.2	米	152年	28.0	129年	69年	37.07	8.66	8.30
P18	19.3	米	170年	45.0	99年	63年	39.26	9.72	7.64
P19	8.6	F	120年	15.0	90年	60	28.71	11.36	4.74
P20	6.9	F	106年	15.0	99年	40	29.17	11.90	4.10

价值	0.42		0.49	0.15	0.76	0.45	0.051	< 0.01	0.50

SBP:收缩压;菲律宾:舒张压;广告:升主动脉直径。

2.2。各向异性升主动脉模型

主动脉材料被认为是超弹性的,几乎不可压缩,均匀各向异性。结构模型的控制方程如下:

在这里,应力张量,格林应变张量,是位移,是材料密度。

非线性Mooney-Rivlin模型被用来描述主动脉属性,已广泛用于模型各向异性超弹性的器官包括心室组织(37和船38]。各向异性的应变能函数修改Mooney-Rivlin模型如下(39]: 在哪里和第一次和第二次应变不变量, 是正确的Cauchy-Green变形张量, (当前位置,是原来的位置), , 是将圆周的纤维方向在我们的研究中。 , ,和材料参数。在我们的模型中,材料参数的初始值是通过拟合实验stress-stretch人类主动脉样本的数据(40与拟合优度)( )0.73: , , , , ,和。不同的结构只升主动脉舒张压下使用几何模型构建;然后,收缩压和舒张压之间的压力差压力应用边界条件在主动脉的内表面进行增压主动脉收缩压下它的形状。不同的材料参数,通过调整初始材料参数由一个匹配的数值体积比下升主动脉收缩压与CT扫描的计算( )。主动脉外表面上的正应力是假定为零。主动脉内表面,我们应用fluid-structure-interaction边界条件。

2.3。血模型

血液流动被认为是层流,牛顿,不可压缩。navier - stokes方程和场配方作为控制方程。无滑动条件和自然牵引平衡条件被认为在流固界面,压力曲线进行调整根据患者血压,和流量信息获得彩色多普勒超声在实施进口(主动脉瓣的位置)和出口(交叉升主动脉和主动脉弓)主动脉(见图2)。在哪里u和是流体的速度和压力,网速度,动态粘滞度,是密度(设置为1 g·厘米吗³),代表主动脉内边界,是应力张量(上标字母“f”和“s”表明流体和固体材料,分别),应变张量,是固体的位移矢量。Wiggers图(图中主动脉压力曲线3)是根据特定的舒张压和收缩压和调整使用流体域的规定在进口和出口的压力条件获得了通过调整匹配数值平均速度大小与彩色多普勒超声测量的入口( )。针对病人的血液粘度从下列方程计算41]:

2.4。Preshrink过程

数值模拟需要从一个初始条件,初始主动脉形状,血压,和应力/应变分布。不幸的是,很难测量软组织体内的应力分布;因此,我们从无载状态数值模拟将开始在主动脉血压是零,这样初始应力和应变分布在主动脉近视为零。然而,CT扫描进行体内条件下,主动脉加压;因此,无载形状并不是直接从CT扫描获得的。在我们的模型中施工过程,preshrink流程应用于体内主动脉形状生成无载形状。最初的收缩率主动脉设置为5%,舒张压应用,这样无载主动脉形状会恢复其体内的形态。收缩率调整直到加压数值主动脉形状高度赞同CT扫描(之间的相对误差数值量升主动脉段和一个计算从CT扫描< 5%)。没有这个preshrink过程,实际计算域将大于实际的主动脉由于最初的扩张压力时应用。

2.5。Geometry-Fitting网格生成方法和解决方案

由于复杂的不规则几何图形的升主动脉,geometry-fitting网一代技术(42采用)为我们的模型生成网格。完全耦合FSI模型解决了艾迪娜(艾迪娜研发、水城、MA)使用非结构化有限元素法和牛顿迭代法。网孔分析法是由网格大小减少10%(在每个维度),直到解决方案的差异最大stress-P1 / strain-P1预测不到2%,stress-P1和strain-P1意味着最大主应力和应变,分别。在我们的模型中,每个维度的最佳元素大小约0.5毫米;四面体网格的最终数量是3000的流体域和固体域约2000。

2.6。统计分析

由于小样本大小,Shapiro-Wilk测试用来测试如果数据满足正态分布。同时,列文的测试被用来确定差异变量计算从两个不同的团体都是平等的。基于Shapiro-Wilk和列文的测试的结果,适当的测试方法的比较,如学生的 - - - - - -测试或不平等的方差 - - - - - -测试,选择比较的差异之间的数值力学结果nondilated和扩张组。

3所示。结果

3.1。在升主动脉血流动力学

选择一个病人从每组代表主动脉流分布;血液的流线速度场在两个病人收缩压/舒张压如图4。数值意味着和入口速度级升主动脉的所有病人都总结在表2,入口速度意味着进口表面平均速度大小。值得一提的是,数字量的升主动脉段与一个由CT扫描测量相比,所有患者和体积的相对误差小于8%。Shapiro-Wilk和列文的测试的结果表明,这两个的意思是每组和入口速度情况下满足正态分布,没有明显的不同群体之间的差异被发现。因此,学生的 - - - - - -测试是适当的比较两组之间的速度大小的方法。结果表明扩张组速度震级比nondilated组,但差异不显著,由于5%水平的意义。入口速度扩张组的大小大于那些nondilated组的收缩压和舒张压(收缩压时间值:0.058和0.097为舒张压时间)。

(一)

(b)


舒张压				收缩压
入口速度(毫米/秒)		平均速度(毫米/秒)		入口速度(毫米/秒)		平均速度(毫米/秒)
Nondilated	扩张	Nondilated	扩张	Nondilated	扩张	Nondilated	扩张

119.69	135.88	29.34	23.14	166.67	185.10	40.50	31.57
136.27	137.17	29.48	34.97	194.24	230.54	42.39	53.81
144.56	169.83	31.56	40.87	197.95	230.85	44.91	57.91
146.73	174.11	34.12	41.00	210.61	231.60	47.41	58.37
150.44	175.34	34.48	42.60	210.86	241.72	49.21	59.78
153.99	179.42	35.36	46.67	214.02	242.13	49.77	61.86
160.59	187.01	46.60	51.58	219.28	249.11	63.01	68.40
160.94	189.70	46.64	53.70	238.50	269.57	68.07	72.33
184.46	190.39	50.92	57.95	247.49	302.21	68.77	90.59
207.19	262.59	60.00	62.17	271.10	391.20	78.55	90.71


Shapiro-Wilk测试
0.54	0.04	0.12	0.92	0.93	0.03	0.18	0.39
列文的测试
0.64		0.79		0.44		0.71
价值
0.097		0.270		0.058		0.197

入口速度意味着平均速度在入口表面。平均速度意味着所有节点的平均速度在升主动脉。每组中值从最小到最大订购。代表学生的价值 - - - - - -测试nondilated和扩张组之间。

3.2。升主动脉的力学分析

3.2.1之上。位移分析

代表模型的位移分布时收缩压是呈现在图5。所有患者的平均和最大位移值和相应的测试结果总结在表3。学生的 - - - - - -测试结果表明,没有发现显著差异在均值位移两组之间的收缩压(值:0.056)。然而,最大扩张组的收缩压位移被发现明显大于nondilated集团通过学生的 - - - - - -测试值0.038。


收缩压
最大位移(毫米)		意思是位移(毫米)
Nondilated	扩张	Nondilated	扩张

0.107	0.113	0.049	0.042
0.113	0.205	0.054	0.088
0.126	0.220	0.057	0.101
0.167	0.231	0.076	0.108
0.189	0.243	0.089	0.111
0.194	0.250	0.091	0.115
0.197	0.397	0.092	0.193
0.249	0.445	0.117	0.208
0.257	0.454	0.127	0.221
0.372	0.514	0.175	0.236


Shapiro-Wilk测试
0.27	0.25	0.31	0.22
列文的测试
0.19		0.17
价值
0.038		0.056

每组中值从最小到最大订购。代表学生的价值 - - - - - -测试nondilated和扩张组之间。

3.2.2。在升主动脉内部应力分析

图6显示stress-P1分布的模型代表两个不同的组,而stress-P1意味着最大主应力。平均stress-P1值升主动脉的20例总结表4。意味着stress-P1扩张组的值明显大于这些nondilated组的收缩压的时候值0.044。舒张压是指stress-P1扩张组高度大于nondilated集团值0.089。


舒张压				收缩压
马克斯stress-P1 (kPa)		意味着stress-P1 (kPa)		马克斯stress-P1 (kPa)		意味着stress-P1 (kPa)
Nondilated	扩张	Nondilated	扩张	Nondilated	扩张	Nondilated	扩张

158.43	172.41	15.63	20.86	250.23	272.17	28.82	34.09
166.76	265.08	19.77	28.36	272.75	440.02	31.81	61.82
338.61	302.73	21.37	39.39	581.86	634.24	39.85	76.13
376.63	337.26	25.15	48.35	608.32	687.91	40.43	76.98
436.37	413.98	32.47	49.40	636.05	702.11	60.17	79.49
438.42	441.59	35.04	52.45	753.76	711.01	66.93	89.61
464.80	464.23	41.41	56.66	771.48	764.58	71.67	121.22
546.69	594.70	41.77	71.14	803.06	846.03	82.54	134.07
578.26	617.56	55.33	73.59	959.85	884.96	89.44	140.91
649.82	793.40	79.77	90.10	963.93	1112.47	123.10	165.40


Shapiro-Wilk测试
0.57	0.90	0.20	0.95	0.27	0.83	0.49	0.75
列文的测试
0.65		0.75		0.65		0.38
价值
0.755		0.089		0.677		0.044

每组中值从最小到最大订购。代表学生的价值 - - - - - -测试nondilated和扩张组之间。

4所示。讨论

在以前的研究对TOF病人,而主要是注意房车病理学包括房车肥大、肺返流和房车流出道梗阻,很少被注意在LV。然而,越来越多的TOF病人被发现有升主动脉扩张不同层次的临床观察。严重的主动脉扩张将导致一些主动脉疾病,如动脉瘤解剖,严重影响患者的生活质量,甚至导致患者死亡。常规主动脉扩张的临床指南仅依赖于主动脉直径和忽视主动脉的组织属性已被证明自己的更好的能力预测主动脉扩张发展特别是中小型的大小患者升主动脉(24]。考虑计算生物力学建模的好表现在心血管疾病的调查,我们在这项研究中提出的基于图像的计算模型来模拟升主动脉和血液内的运动来获得更好的理解升主动脉力学。据我们所知,这是第一个研究应用生物力学计算模型的研究对TOF患者升主动脉扩张。

这项研究提供了概念证明,计算模型基于特定病人的CT图像可以用来模拟升主动脉应对主动脉扩张。计算生物力学模型集成特定病人的CT图像,主动脉压力测量,组织属性,通过完善的运动方程和彩色多普勒图像,材料的本构方程和有限元方法。仿真结果的数值结果进行了比较,针对病人的临床测量获得的。这些复杂的计算模型提供了新的见解的机械环境(应力、应变和流分布)在升主动脉,比主动脉直径能够提供更多的信息。在我们的模拟中,有时患者更大的升主动脉直径被发现在主动脉呈现降低压力。例如,病人# 2(表1与升主动脉直径27.18毫米)意味着stress-P1整个升主动脉89.44 kPa的收缩压和舒张压55.33 kPa,而病人# 8升主动脉直径30.32毫米意味着stress-P1 71.67 kPa收缩压和舒张压41.77 kPa。主动脉扩张的现象表明只直径标准是不够的。在我们的研究中,我们把患者分为扩张和nondilated组根据分数而不是原始的测量升主动脉直径,成绩已被证明更有能力来反映主动脉的扩张程度比原始主动脉直径测量。的差异分数之间的扩张和nondilated组织是非常重要的(原始直径的测量值< 0.01),而两组之间没有显著差异(值0.051)。根据数值计算结果,扩张组比nondilated集团可能会扩大。同时,扩张组也往往有更大的压力比另一组指示扩张组血管破裂的概率更大。平均流速的升主动脉扩张集团被发现比nondilated集团的。大流量表示更大的作用力血液的血管可能引起主动脉扩张。总之,主动脉的生物力学模型是一个复杂的组合几何、组织属性,和压力可能提供更多的内在洞察力主动脉扩张,解剖和破裂。此外,生物力学模型是能够显示力学参数的分布(见图4- - - - - -6),这有助于确定焦点区域扩张。

当前的研究增加了计算模型作为新的调查工具和压力升主动脉扩张的新潜力预测。获得主动脉尽可能正确的力学模型假设将尽可能接近现实和数据包括主动脉几何,压力,流量都不同。这个计算分析研究的结果是有趣的。特别是,压力显示最重要的主动脉扩张和nondilated组,差异也意味着主动脉压力可能是一个很好的预测主动脉应对主动脉扩张。从病理生理的角度来看,这些结果是合理的考虑到压力更能准确地反映主动脉的功能状态与主动脉直径。从临床的角度来看,大多数出版标准升主动脉扩张都聚焦于主动脉直径。然而,这项研究的结果表明,主动脉压力也可能更有助于识别主动脉组织状态,因此通知临床干预的决定不是依赖主动脉直径。

本研究是一个初步调查工作应用生物力学建模的升主动脉扩张。几个未来的改进可以提高我们的工作更好的准确性和适用性:(1)需要扩大样本量来验证本研究的发现;(2)主动脉瓣的力学模型可以提高精度对阀门开启和关闭的时间,并允许合并主动脉瓣返流;(3)体内测量的组织属性将是非常理想的改进模型的准确性;(4)组织参数的唯一性难以保证给予有限的实验数据;(5)残余应力/应变定义为初始应力/应变下的固体无载状态应视为非零更精确的仿真结果;(6)增加的患者主动脉壁厚将改善我们的模拟的准确性。

5。结论

在这项研究中,针对病人的生物力学计算模型20 TOF患者升主动脉扩张不同级别的构造是通过比较数值量升主动脉段与从CT扫描获得的。仿真结果表明主动脉压力、流量、位移能够区分扩张患者升主动脉的nondilated,暗示这些因素可能与主动脉扩张高度相关,甚至扩张的原因。这些发现为未来的研究提供一个基础,旨在验证这些结果在更大的群体的病人和计算模型的进一步改进以提高其准确性。

数据可用性

在生成的数据集和/或分析在当前研究可从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

没有利益冲突声明。

作者的贡献

这些作者负责的各个方面数据的可靠性和自由偏见提出解释和讨论。云飞凌与第一作者共享相同的作者。

确认

1.3.5项目支持的这项工作部分学科卓越,四川大学华西医院(格兰特ZYJC18010)和四川科技计划(批准2019 yfs0147)。

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计算和数学方法在医学

计算智能方法脑机接口或脑-机接口