文摘

介绍了描述光洞,也称为腔,在植入支架再狭窄过程影响使用bioimpedance (BI)作为生物标志物。提出的方法将使实时监控植入支架的流明。工作在此报告的基础是血管内膜组织参与再狭窄可以通过他们的检测和测量阻抗特性,即电导率和介电常数。利用这些属性,提出了BI测量4-electrode设置。这个设置允许研究各种组织参与再狭窄的影响脂肪,肌肉纤维,和内皮,加上血液,BI在几个频率值。此外,BI使用电物理模块进行仿真测试,可在COMSOL多重物理量®。有趣的是,脂肪是最具影响力的层阻抗的值(以kΩ/μm-magnitude改变每腔闭塞的微米)。一个案例研究使用标准支架。在这项研究中,参与组织和血液同时考虑,我们进行了一次分析稳定和脆弱斑块在再狭窄的测试情况。在这方面,该方法是有用的测试支架阻塞和探测潜在危险的情况下由于不稳定脂肪堆积。

1。介绍

缺血性心脏病是世界上发病率和死亡率的主要原因(1,2]。动脉弹性和肌肉收缩的内部(狭窄),主要原因是脂质层的生长造成的疾病称为动脉粥样硬化。这引起胸痛心绞痛和急性心肌梗死。50%的闭塞是已经被认为是令人担忧的3]。有某些地区容易超过阈值,如(小伙子)冠状动脉左前降枝3]。现有的治疗方法中,最受欢迎的一个雇佣了一个灵活的金属网(支架)机械支持的狭窄的领域(4,5]。然而,尽管改进手术技术和支架设计(6),有一种倾向的中期再狭窄最终发生(7),如图1,它显示的剖视图植入支架被neointima层覆盖。由于这个原因,有必要开展后续计划,售价在10000美元和17000美元之间每个病人只有第一年(8)向病人不需要更多的血管再生过程。值得注意的是,仅在美国,每年大约有600000患者支架(8]。除了费用高、技术应用于后续的再狭窄是侵入性或电离(3]。

实时表征neointima组织通过一个智能支架将缓解读出电路的集成测量和补偿压力传感器的灵敏度损失建议在以前的作品(9- - - - - -11]。在这方面,不同的研究最近提出了BI技术后续再狭窄通过分析neointima层的生长。这些技术的一些考虑医疗等侵入性工具的使用导管的矩阵微电极放在测量受损区域的提示12]。另一种方法估计的影响脂肪组织与面向电气模拟测量BI内支架(13]。支架本身作为一个大型电极的使用也被提出(14]。除了监测冠状动脉再狭窄,上述技术可以用于其他身体部位或疾病如femoropopliteal疾病(15)或者其他目的,例如,神经记录(16]。获得的结果在这些之前的作品,探讨BI技术是著名的和有前途的。然而,他们仍然需要导管连接到外部测量设备。这是一个根本区别的工作了。

存在监控细胞培养方法在活的有机体内根据他们的BI (17- - - - - -20.]。在[17)、细胞培养转化为“生物振荡器”的特征参数(即。,frequency, amplitude, phase, etc.) are related with the cell-culture evolution and can be easily determined. This approach, known as oscillation-based test (OBT), can also be valid to monitor the growth of neointimal tissue. A feedback-loop closed-system topology injects a quasisinusoidal signal to stimulate the tissue. An input resistor keeps the current injected to the blood vessel within safety margins. Relevant parameters are extracted from the frequency and amplitude of the oscillations. In [20.),主要细胞也有教养,特征,而符合内皮组织。

总的来说,本研究主要是集中在血管内膜组织特征的发展设置使用有限元分析(FEA)模拟测量其BI。我们也解决这个设置的应用程序的组织构成neointima层检查对再狭窄过程的影响。与支架有限元分析包括一个案例研究,描述其腔在再狭窄情况下稳定易损斑块。本文组织如下。材料和方法描述了有限元模拟,考虑不同组织的电特性与COMSOL进行多重物理量®。我们还描述了电极设置选择最佳BI测试。结果与讨论了模拟各种情况下的相关组织和特定支架的情况下获得的性能报告。最后,结论强调我们的工作最相关的点。

2。材料和方法

2.1。仿真工具

COMSOL多重物理量®是一个标准的结构有限元分析和仿真工具,有助于评估物理现象。测试在我们的例子中,为一个特定的组织,一个交流电流在给定频率是应用两个输入电极之间,和两个输出电极测得的电压响应,这被认为是高阻抗节点(21,22]。电压和电流比率(即。,the BI) is measured at the output electrodes for each frequency, obtaining its magnitude and phase. (Real and imaginary impedance components can also be obtained, but this study focuses on magnitude and phase as the parameters for describing the BI.) This electrical test is reproduced through FEA by defining the full structure, i.e., electrodes plus tissues and blood, and applying the physical conditions derived from the test itself.

2.2。组织和血液模型

内部支架血管内膜组织生长。在几个堆叠层组织结构,即脂肪,肌肉,纤维,和内皮,由血液。这些层出现逐渐随着时间的推移,定义一个再狭窄过程。每一个都有它自己的电气性能,源自其电气参数,即导电率(σ)和介电常数(ε)[23),这取决于频率。每一层的几何以及相应的电导率和介电常数的分配在每个操作频率必须纳入有限元分析(18,19,24]。因此,分析的几种类型和大小进行组织,复制再狭窄现象对于一个给定的测试设置。组织厚度的范围可以在几十微米(μ米),除了内皮,只包含10μ米厚的单层细胞。相应的电气参数,提取(23),表中列出1和21赫兹频率范围从1 MHz。

2.3。电极设置

BI通常是通过测量2-electrode或4-electrode设置。4-electrode设置的主要优势是,不依赖于电极阻抗电压响应,它是衡量一个高输入阻抗放大器提供。在这种情况下,选择一个四线系统用于测量组织或生物层,2线用于输入电流励磁和2线是用于测量输出电压的响应。几个配置这四线的设置进行了分析,考虑到电极可以对齐。这样的分析结果,图中所示的配置2被选中,因为它减少了泄漏相关的电场线不感觉到输出电极。从而达到更好的阻抗测试是因为电极的测量输出电压励磁电流线平行。图中描述的安装尺寸,2,建立了根据小伙子平均直径(24]。

金电极的尺寸设置为 。电极沉积在一个电绝缘材料用于设置支持和绝缘。有限元分析的频率值设定范围从1赫兹到1 MHz,电流激励振幅的3μ一个。

3所示。结果与讨论

如前所述,有限元分析与执行COMSOL多重物理量®计算机程序(19]。对于每一个模拟,因此,对于每一个频率,一个几何(大小)和电气(电导率和介电常数)的描述被测组织层。交流电流幅值被设置为3μ,和电压响应的输出电极测量计算测试样本的大小和相位。我们考虑四种simulations-single组织,再狭窄组织,对称的再狭窄,restenosis-for的不对称特性的血管内膜组织根据所选的组织层的特性。

3.1。单一的组织

我们模拟层厚度的变化(在图2)组织和操作频率表中列出1和2。参数扫描每一个组织在每个仿真的执行。为此,层厚度是假定不同根据棱镜由各自的组织。因此,厚度值范围从25到200μ25米,一步μ米,同时保持棱镜深度和宽度不变,分别为20毫米和2毫米。电极安装位置如图2。一旦收集数据和命令,幅度和相位阻抗是描绘展示各自的变化作为组织厚度和频率的函数。

数据3- - - - - -7代表BI的大小和相位测量通过有限元分析输出电极。大小在3 d绘图表示为一个函数的厚度( )和频率。阶段策划只作为频率的函数,因为影响来自厚度没有实质性的改变。这就是为什么厚度没有考虑阶段情节。一般来说,大型BI大小值小的值 。这意味着更低的横截面的表面法线方向的当前行路径。此外,BI为较低的频率更大的价值。相移小,低于12°所有情况下,肌肉(图更敏感4(b)和脂肪(图)3(b))的组织,在这个秩序。

从这些BI光谱曲线,我们评估每个组织的敏感性或影响厚度增量为每个频率的关系。通过这种方式,我们可以推断出哪一个提供更好的信息或再狭窄过程有更大的影响力。这个评价是集中在大小,这似乎是最影响组件的BI组织厚度和频率的变化。最大(最小)的大小变化涉及组织图进行描述8(表达kΩ每μ米厚度的增加在每个频率十年)提出4-electrode设置。注意这些曲线最大的灵敏度获得脂肪组织(图8(一)),而纤维层和内皮细胞层的大小变化和常数频率较低。一般来说,低频率的敏感性大于。更改相关内皮有低的影响,因为这10μ米厚的细胞单层从来没有变化。然而,它的影响力从一开始就存在的再狭窄过程。

3.2。再狭窄的组织

阻抗变化组织厚度和频率的函数提出了表3和数字9和10,分别。这些结果之间的差异与前一节的是现在所有的组织同时考虑。因此,厚度变化不同,如表所示3。这里,应该冠状动脉管腔的表示(小伙子的平均大小作为一个模型)模拟变得更窄,选择一个特定的支架对于这种情况(25,26容器半径为1150μm。例1 - 9表3代表正常进化的一个例子再狭窄过程根据标准(28]。在初级阶段,血管内膜层由内皮细胞和平滑肌。这对应于最初病例1和2。然后,脂肪层开始成长(例3)电极,纤维和肌肉一起,搬到介质层(例3 - 4例9)。肌肉和脂肪的增长比例是相似的进化和对应数据描述(28]。

这九个不同的病例模拟考虑闭塞的增加百分比。因此,报道块(大小和相位)说明阻抗变化作为频率的函数值的增加血管闭塞(数字9(一个)和9 (b)分别)。图9(一个)表明,关于大小变化,存在一个显著的敏感性闭塞增量。此外,最大的阻抗大小敏感性评价为例提出了表3。结果呈现在图10。特别是,图10 ()代表了最大和最小的阻抗/微米级增量的变化情况下表中列出3。注意,预期的最大变化量的大小是在(0.89,1.05)k范围Ω/μ米对所有病例和频率值,而预期的最低28日和33.3之间变化Ω/μm。图中提供的信息都是相同的10 (b)的函数内腔闭塞百分比。这些结果具有以下直接的比例关系:(我)我们可以期待一个1μ每1 k m厚度增加Ω增量(2)我们可以期待每10 k阻塞增加1%Ω增加下支架的研究

3.3。对称的再狭窄

阻抗变化进行分析,当组织厚度和频率都在真正的支架修改。在这种情况下,几何是不同于以前的部分。现在支架放置在组织,这是同心。八套四电极被认为是。每一对电极(一个用于电流激发,另一个用于电压测量)被放在一个八角形顶点,如图11 (b)。这些电极相隔大约相同的距离(参见图如上所描述的部分2)。组织生长速率用于有限元分析在这种情况下表中描述的遵循相同的模式3。出于这个原因,阻抗值获得了在这一节中描述的条件类似于前一节。这就是为什么我们不报告。此外,八个设置相同的阻抗测量,因为对称的几何图形。总之,图9显示相似的大小和相位值获得对称的再狭窄。

3.4。再狭窄的不对称

鉴于对称的再狭窄是一个理想的情况下,我们也试图重现阻抗进化当再狭窄不对称的组织,这是真正的再狭窄。考虑电极设置如图12(一个)以及相应的不对称腔,它被认为是一个可能的再狭窄情况。组织档案数据所示12 (b)和12 (c)对应于显著增加肌肉和脂肪组织,分别。这意味着,在图12 (b)最高,肌肉组织对再狭窄的影响,而在图12 (c),再狭窄主要是由脂肪层引起的。五和六个电极作为参考,对应情况在表63。这种情况下被选中来证明这项技术可以测量和识别斑块是否稳定或脆弱,甚至在相当闭塞比例达到(50%或以上)。因此,一个聪明的支架可以预见到一个真正的危险的情况下,以脂肪斑块可能是血管内分离,导致血栓形成。其他任何真正的情况下也可以使用相同的描述和解决过程。

案例6表3是模拟不规则流明如图12 (b)和12 (c)在相同的频率范围,分别考虑过多的肌肉和脂肪。图13显示血管内膜组织的大小和相位BI获得一组8-electrode 1 kHz和考虑不规则和定期流明。为其他频率结果是相似的。定期或对称腔作为参考用红色表示。稳定(肌肉层优先)和脆弱28](脂肪层盛行)斑块情况下在蓝色和黑色,分别。注意,测试点的阻抗测量级(1 - 8)为低维的脂肪减少,虽然增加了类似肌肉的变化。此外,绝对值的变化范围的脂肪阻抗大小都要比其他的肌肉。阻抗大小,增加由于脂肪组织增加,代表了一种潜在的生物标志物检测易损斑块在再狭窄情况下。

从图中所示的结果13,脂肪组织厚度的增加可以通过观察预测最大的BI大小的变化,也就是说,从其先令的价值。然而,较小的BI大小的变化可能是由于厚度的增加肌肉组织(以下引用值)。对于分析的情况,支架是30%的闭塞和已知的先验,但是在实际情况下,这个比例实际上是客观的定义。在这种情况下,BI级增加超过1% (3.41 kΩ超过341 kΩ,这是近似的价值大小以设置5号),它可以估计潜在的脂肪组织厚度增量和评估作为一个脆弱的斑块。这个1%的值可以使用方法基于BI报告检测电路(17]。

4所示。结论

这项工作提出了一种有限元分析应用的突破在支架植入血管内膜组织特征。它开门流明的实时监控植入支架,从而避免catheterism。4-electrode设置提出了最小化bioimpedance测量泄漏涉及组织层和血液。依赖不同的组织参与血管内膜层组成分别来自bioimpedance大小和相位为每个组织和几个代表再狭窄情况。结果表明,增加厚度的组织可以通过相应的特征阻抗的大小的变化。脂肪层在这些阻抗变化相关性最高。基于有限元分析的模拟技术几个组织,两个对称和不对称的流明的例子。我们的初步结果表明,它可以区分不同层次的增长通过检测28的变化Ω/μ或190Ω/(%阻塞)的最小值情况下的研究。此外,分析了多层和流明的不对称的情况下,提出测试允许区分是否主要参与再狭窄是脂肪和肌肉组织,从而使医学诊断援助。脆弱的或稳定的斑块在再狭窄情况下可以通过递增/递减幅度检测阻抗1 kHz的频率。

数据可用性

可用的数据可以获得相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这部分工作是由西班牙政府Ministerio de Ciencia Innovacion y大学,计划Estatal 2017 - 2020年里特•-四面八方+ D +我:“实时监测血流动力学变量的使用智能支架与电容传感器和Bioimpedance(一致),”项目下rti2018 - 093512 b - c21与菲德尔共同筹资。