Τρισδιάστατη απεικόνιση αγγείων και αιματικής ροής

Abstract

Atherosclerosis, a disease of large- and medium-size arteries, remains the leading cause of mortality and morbidity in most of the western societies. Severe atherosclerosis interferes with blood flow and this is particularly important for the heart and brain, with the result being myocardial or cerebral ischemia or even a myocardial infarction or stroke. Despite the systemic nature of its associated risk factors (i.e. hypertension, smoking, hyperlipidemia, diabetes mellitus, social stress), atherosclerosis is a site specific disease, which affects primarily the carotid bifurcation, the coronary arteries, the infrarenal aorta and the arteries of the lower limbs having a propensity to involve the outer edges of blood vessel bifurcations and the inner walls of curved arteries. Nowadays, this observation has led to the universal acceptance that local hemodynamic factors play a role in the disease’s initiation and, perhaps more importantly, its progression. The flowing blood imposes on the luminal vessel wall and endothelial surface a hemodynamic stress, which has two components: a normal component, pressure, and a tangential component, shear stress or in other words a frictional force per unit area because of its viscous nature. Endothelial shear stress constitutes the major hemodynamic factor, which is considered to be implicated in the control of vessel caliber and vascular structure (vascular wall remodeling) and the development of vascular pathology (onset and progression of atheromatous disease, aneurysm formation). In the present PhD thesis, a method of three-dimensional coronary artery reconstruction and blood flow simulation is developed and then, by applying this methodology the relationship between shear stress and both de novo atherosclerotic plaque formation and in-stent restenosis is investigated. The major steps of the methodology include: (1) the three-dimensional reconstruction of coronary artery geometry, (2) the generation of the finite volume mesh and (3) the analysis and numerical solution of the differential equations of flow mechanics resulting in the post-processing and presentation of the results. In the first step, three-dimensional (3D) reconstruction of the coronary arteries is based on the fusion of biplane angiographic and intravascular ultrasound (IVUS) data. In brief, the IVUS catheter is advanced distally in the coronary artery under fluoroscopic control and following intracoronary administration of nitroglycerin angiographic images from two different views are obtained just after the start of the pullback during diluted contrast agent injection. IVUS is performed using a motorized pullback at a speed of 0.5mm/sec. The biplane angiographic images at end-diastole (at the peak of the R wave) are used to reconstruct the catheter path in 3D space. The obtained IVUS sequence is digitized and the lumen and outer vessel wall (media-adventitia) borders in the end-diastolic IVUS frames are detected using a semi-automatic segmentation algorithm. Initially, an expert observer identifies the regions of interest (lumen and media-adventitia borders) in the first IVUS frame. In the following frames the regions of interest are identified in the neighbourhood of the previously detected borders and are defined at the regions where the model’s energy is minimized. Then, the lumen contours are placed perpendicularly onto the reconstructed 3D catheter path. Their relative axial twist is estimated by the sequential triangulation algorithm, while the absolute orientation of the first contour is determined after comparing the resultant reconstructed artery and path with the catheter path and the silhouette of the lumen, as these are depicted in the biplane angiographies. This procedure finally results in obtaining two 3D surface models, which correspond to the 3D reconstructed models of the lumen and the outer vessel wall of the coronary artery.

Η αθηροσκλήρωση είναι μία νόσος των μεγάλου και μέσου μεγέθους αρτηριών, η οποία παραμένει ως κυρίαρχη αιτία νοσηρότητας και θνητότητας στις περισσότερες δυτικές κοινωνίες. Παρά τη συστηματική φύση των σχετιζόμενων με αυτή παραγόντων κινδύνου (π.χ. δυσλιπιδαιμία, σακχαρώδης διαβήτης, υπέρταση, κάπνισμα), η αθηροσκλήρωση αποτελεί μία γεωμετρικά τοπική νόσο, η οποία προσβάλλει κυρίως τον καρωτιδικό διχασμό, τις στεφανιαίες αρτηρίες και την κοιλιακή αορτή και συγκεκριμένα παρουσιάζει την τάση να αναπτύσσεται σε συγκεκριμένες περιοχές των αρτηριών π.χ. στο έξω τοίχωμα διχασμών ή στο έσω τοίχωμα αρτηριών με έντονη καμπυλότητα. Αυτό έχει οδηγήσει στην καθολική πλέον αντίληψη ότι οι τοπικοί αιμοδυναμικοί παράγοντες παίζουν σημαντικό ρόλο στην έναρξη της νόσου και κυρίως στην εξέλιξή της. Το ρέον αίμα ασκεί στο τοίχωμα του αρτηριακού αυλού (ενδοθηλιακή επιφάνεια) μία αιμοδυναμική τάση, η οποία έχει δύο συνιστώσες: μία κάθετη συνιστώσα, την πίεση, και μία εφαπτομένη συνιστώσα, τη διατμητική τάση. Η διατμητική τάση αποτελεί τον κύριο αιμοδυναμικό παράγοντα, ο οποίος θεωρείται ότι εμπλέκεται στη ρύθμιση του διαμετρήματος και της δομής των αγγείων (αναδιαμόρφωση του αγγειακού τοιχώματος) και στην ανάπτυξη της αγγειακής παθολογίας (αθηρωματικές πλάκες, ανευρύσματα). Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται μία μέθοδος τρισδιάστατης απεικόνισης και προσομοίωσης της αιματικής ροής στις στεφανιαίες αρτηρίες και στη συνέχεια, μελετάται in vivo σε ασθενείς η συσχέτιση της διατμητικής τάσης με την νεοεμφανιζόμενη αθηροσκλήρωση, αλλά και την επαναστένωση μέσα σε ενδοστεφανιαίες προθέσεις, εφαρμόζοντας την παραπάνω μέθοδο. Τα βασικά στάδια της μεθοδολογίας περιλαμβάνουν: (1) την τρισδιάστατη απεικόνιση της γεωμετρίας των στεφανιαίων αρτηριών, (2) την κατασκευή του υπολογιστικού πλέγματος πεπερασμένων στοιχείων και (3) την ανάλυση και αριθμητική επίλυση των διαφορικών εξισώσεων της ρευστομηχανικής με τελικό βήμα την παρουσίαση των αποτελεσμάτων. Στο πρώτο στάδιο, πραγματοποιείται συγχώνευση δεδομένων στεφανιαίας αγγειογραφίας από δύο γωνίες λήψης, όπου απεικονίζεται το άκρο και το μονοπάτι του καθετήρα ενδαγγειακής υπερηχογραφίας (IVUS), και δεδομένων από εικόνες IVUS, όπου βρίσκονται αυτοματοποιημένα τα όρια των περιοχών ενδιαφέροντος (όριο αυλού και όριο μέσου-έξω τοιχώματος), με τελικό αποτέλεσμα την τρισδιάστατη αναπαράσταση και την κατασκευή του τρισδιάστατου μοντέλου του αυλού και του έξω τοιχώματος της στεφανιαίας αρτηρίας. Στο δεύτερο στάδιο, το τρισδιάστατο μοντέλο του αυλού χρησιμοποιείται για την κατασκευή του υπολογιστικού πλέγματος των πεπερασμένων εξάεδρων στοιχείων χρησιμοποιώντας ειδικό πακέτο λογισμικού κατασκευής υπολογιστικών πλεγμάτων. Στο τελικό στάδιο, καθορίζονται οι ιδιότητες του ρευστού και εφαρμόζονται οι συγκεκριμένες οριακές συνθήκες που επιλέγουμε στις περιοχές εισόδου κι εξόδου της ροής, καθώς και στο αγγειακό τοίχωμα της στεφανιαίας αρτηρίας, και στη συνέχεια επιλύονται με επαναληπτικό τρόπο οι διαφορικές εξισώσεις της ρευστομηχανικής στους όγκους των πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιώντας ειδικό πακέτο λογισμικού υπολογιστικής ρευστομηχανικής, έτσι ώστε να υπολογιστούν οι βασικές αιμοδυναμικές παράμετροι (πίεση, συνιστώσες ταχύτητας) και να παρουσιαστούν τα αποτελέσματα.