elemeket

absztrakt

A szívkoszorúér-betegség, amely általában súlyos keskeny szívkoszorúér-érelmeszesedés következménye, a világ egyik leghalálosabb betegsége1. A szívkoszorúér-fán a bifurkációs helyek hajlamosak az érelmeszesedés kialakulására a turbulens véráramlás miatt. Hasonlóképpen, a stent beültetési kezelését követően ezen a területen nagyobb valószínűséggel fordul elő restenosis. A klinikai bizonyítékok növekedése azt mutatta, hogy a kétágú elváltozások kezelésének szokásos stratégiája egyetlen sztent beültetés volt a fő érben, átmeneti stenteléssel az oldalsó ágakba.

A bifurkációs elváltozásokban az egyedi stent beültetés részletes helyeiről azonban nincs egyetértés, különösen egyes bifurkációs altípusok esetében. Például a nem eróziós ostialis koszorúér-szűkület egy viszonylag ritka és speciális bifurkációs elváltozás, amelyben az ostiumnak csak egy oldalsó ága vesz részt (azaz a Medina osztályozása 0, 0, 1 vagy 0, 1, 0) 2. Számos alternatív sztent stratégiát javasoltak ennek a 3, 4 altípusnak a kezelésére, nevezetesen a "sztent implantátum pozícionálását", amely magában foglalja a pontos stent stentelést és az ostium ágat lefedő keresztstentezést. ÁBRA. Az 1. ábrán egy koszorúér-angiogram látható, amelyet egy pekingi kórház, Anzhen állított össze. ÁBRA. Az 1A. Ábrán egy szűkült koszorúér, ostialis szűkülettel (Medina 0, 1, 0 bifurkációs elváltozás) nyílt meg, pontos ostialis stenteléssel. Egy évvel később, amint az a 2. ábrán látható. Az 1B. Ábrán restenosis lépett fel a sztentben, amelyet az ábra piros nyilakkal mutat. A sztent optimális elhelyezésének jellemzése ebben a bifurkációs altípusban a kardiológusok számára érdekes. Sajnos kevés klinikai vizsgálatot végeztek ennek az értékelésnek, valószínűleg ennek a léziónak a viszonylag alacsony előfordulása és a kis számú minta miatt. Így az előnyben részesített kezelési lehetőség továbbra is ellentmondásos.

műtét

( A) Az Anzhen kórház klinikai angiográfiájának képe azt mutatja, hogy a szűkületes ágágat közvetlenül a PCI után sztenttel bővítették; ( B ) Restenosis fordult elő a sztent helyzetben egy évvel a PCI után, amit a piros nyilak jeleznek; ( C ) A rajzfilm a sztent thrombogenitását mutatja. A sztent vastagsága alacsony WSS-t vezetett be, ami megkönnyítette a hámsejtek növekedését és restenosishoz vezetett; ( D ) A stent elhelyezése szintén befolyásolhatja az alacsony WSS területet a stent közelében. A kék területek a sztentpozícióval kapcsolatos restenosis lehetséges helyszínei.

Teljes méretű kép

Kutatásra van szükség e sztentatív problémák kezelésének javításához. Történelmileg tanulmányok kimutatták, hogy a különböző stentelési stratégiák eltérő eloszlásokhoz és alacsony nyírási területekhez vezethetnek az 5., 6. bifurkációs szakaszokban. A sztent okozta megváltozott helyi hemodinamikai profil összefüggésbe hozható a későbbi stent-kudarccal (pl. Stent restenosis és stent trombózis), amelyek továbbra is klinikailag jelentősek az 5., 7., 8. kérdésben. Részletesen két fő tényező felelős a restenosisért. Először is, az alacsony falfeszültség (WSS) szorosan összefügg a szűkület, a sztent restenózis és a sztent trombózis előfordulásával, amint azt fentebb tárgyaltuk. ÁBRA. Az 1C. Ábra mutatja, amikor a sztentet a tartály belsejébe helyezik, a fémszerkezet nem elhanyagolható vastagsága miatt egyszerre generál lokalizált magas WSS és alacsony WSS területeket (

Ebben a tanulmányban optimalizált stent beültetési stratégiákat vizsgáltunk a klinikán mind szimuláció, mind kísérleti megközelítések segítségével. Korábban a koszorúér-bifurkációs hemodinamikai vizsgálatokat többnyire számítási folyadékdinamikával (CFD) végezték ideális modelleken, például tipikus szimulált "Y" edényeken 12, 13, 14. Vizsgálatunk reálisabb megközelítést nyújtott és rekonstruálta az ér digitális modelljét a klinika esetéből. A CFD-k és a kapcsolódó elemzések viszonylag optimalizált stentpozíciót nyújtottak. Ezenkívül a modellt sikeresen elkészítették in vitro körülmények között 3D-s nyomtatási technológiával. Mikrofeldolgozással valós stentekkel beültetett mikrofluid chipeket értek el a PCI műtét utánzásához in vivo. Hidrodinamikai kísérletek azt mutatták, hogy a 3-D mikrofluidikus modellek nagyon összhangban voltak a szimulált eredményekkel, és a 3-D nyomtatási modell ígéretes módszer a későbbi szívkoszorúér-betegségek vizsgálatára.

Eredmények és vita

CFD szimuláció

Mint fent említettük, a sztent elhelyezése valószínűleg befolyásolja az alacsony WSS teljes területét, és tovább növeli a restenosis lehetőségét. ÁBRA. A 7A. Ábra négy tipikus PCI stent-elhelyezési stratégia CFD-elemzését mutatja be. Az edény fő ágait a tetejére helyezték, és a stentet az ághoz rendelték a jobb alsó sarok felé. A piros nyilak a sztent végét jelzik, a fehér nyilak pedig a sztent végének kezdeti helyzetét a betétben (a). A kiszámított WSS-eloszlást az érfelszínen a színátmenet változásával mutatjuk be. A sötétkék és a világossárga alacsony és magas WSS-t képvisel. A színes vonal azt jelzi, hogy a WSS 0,0 Pa és 2,0 Pa között változott.

( A ) A CFD szimuláció szemlélteti a WSS eloszlását az érfal belső felületén, amelyek a stent stentelésétől eltérő stent elhelyezési stratégiákban vannak ( a ) átkelés után ( d ) ( B ) A WSS felosztása négy stratégiára. Egy ritka vizsgálat kimutatta, hogy az alacsony WSS (≤ 0,4 Pa) hozzájárult a restenosis magas kockázatához, amint azt az ábra kiemeli; ( C ) Az alacsony WSS-értékkel (≤ 0, 4 Pa) rendelkező területek összefoglalása és összehasonlítása négy stentpozicionálási stratégiában. A II. Stratégia volt a legjobb stratégia, a legkisebb, alacsony WSS-területtel, és a IV. Stratégia a legnagyobb.

Teljes méretű kép

ÁBRA. A 7B. Ábra az összes ág érének belső felületén számított WSS-eloszlás grafikonja. Korábbi tanulmányok szerint a hemodinamikai nyírófeszültség fontos az endotheliális funkció és a fenotípus meghatározásában. Az artériás szintű nyírófeszültség (> 1,5 Pa) indukálja az endotheliális békét és az ateroprotektív génexpressziós profilt, míg az alacsony nyírófeszültség (9, 12). Alacsony WSS területek (WSS ≤ 0,4 Pa) ezért a WSS összességében alacsony területe stratégia jelzi a restenosis kockázatát: minél kisebb ez a terület, annál kevesebb az esély a restenosisra és a jobb stratégia a 7C. ábra az alacsony WSS-t mutató területek összefoglalását mutatja (

( A ) A CFD szimuláció eredményei azt mutatták, hogy a sebesség eloszlása ​​a főág átlagos keresztmetszetén az erekben, amikor a stentet beültették a II. Stratégiába. Négy érdeklődésre számot tartó területet választottunk ki további elemzésre és összehasonlításra egy in vitro kísérlettel. A stent helye a chip csatornában a jobb felső részen látható. ( B ) A folyadékáramot invertált mikroszkóppal ábrázoltuk. A szimulációnak megfelelő régiók lekérdezési pontjain lévő sebességeket megjelölik és megmérik; ( C ) A jelzett sebességek azt mutatták, hogy a kísérlet és a szimuláció kielégítő volt.

Teljes méretű kép

Mikrofluid kísérlet

Az in vivo mikrofluidikus modell megvalósíthatóságának teszteléséhez további hidrodinamikai kísérleteket hajtottunk végre egy 3D nyomtatott modellel a chipen. A II. Stratégiát követte, és a stentet a jobb felső sarokban látható módon a PDMS tartályba helyezte. ÁBRA. A 8B. Ábra a fluoreszcens részecskék pályáit mutatja be glicerin-alkohol oldatban. A szimulációs eredményekkel összhangban a mikrofluidikus csatornában négy régiót találtak pontosan a CFD modell térbeli helyzetében, és belső áramlási mezőket képeztek le és elemeztek. Mindegyik képet öt egymást követő szakasz átfedésével kaptuk, és a kiválasztott foltok részletes áramlási mezője látható a 2. ábrán. 8A. Mivel az út hossza képviseli a labda sebességét, minél hosszabb a hossza, annál nagyobb a sebesség. Például a (c) betét azt mutatja, hogy az áramlás lassabb volt a bal felső sarokban, de drámai módon növekedett a jobb alsó irányban. Ez a mezőprofil nagyon hasonlított a (c) területen végzett szimuláció eredményéhez. 8A. Az áramlási mező számszerűsítéséhez minden egyes betétben 3-4 lekérdezési pozíciót választottunk ki, amelyek közel voltak a csatorna falához, és kiszámoltuk sebességüket. A sebességprofilok megszerzésének részleteit fentebb, az "In vitro mikrofluidikus kísérlet" részben ismertettük.

ÁBRA. A 8C. Ábra a konkrét kihallgatási pozíciók összehasonlítását mutatja (a, a2)

az in vitro kísérletben mért sebességek és a szimulációs eredmények között. A kék sávok az in vitro kísérletből, a piros sávok pedig a CFD szimulációból nyert sebességek. Így írták elő a vizsgált pozíciót: a középre helyezett helyzet alapján egy 20 pixel hosszú területet határoznak meg (

30 μm), és megközelítőleg párhuzamos a fallal. Körülbelül 20 pályát választottak ki erről a területről, és átlagos sebességüket standard hibákkal számolták ki. A séma azt mutatja, hogy a kísérlet és a szimuláció kielégítő egyezést mutatott, amelyben az átlagos különbség csak körülbelül 5% volt. Bár a mesterséges oldat viszkozitása és sűrűsége nem egyezett meg az emberi vérével, egy másik tanulmány kimutatta, hogy az oldat még mindig utánozhatja az emberi vér áramlási mezőjét in vivo (lásd az S2.

A részecske pályák nemcsak az in vitro sebességeloszlás, hanem a WSS eléréséhez is hozzájárulhatnak a (3) egyenlet használatával. A WSS-t mind a szimulációban, mind a kísérletben az alábbiak szerint számoljuk. Az érfalhoz legközelebb eső hely sebességét elosztottuk az érfalától mért távolságával, majd megszoroztuk a viszkozitással. Az 1. táblázat azt mutatja, hogy a kísérleti WSS-t elosztották egy 2,30-as állandóval, amelyet a mesterséges és a valós vér viszkozitásának változása okozott (η exp/η CFD = 8,06 × 10 −3 Pa · s/3, 5 × 10 - 3 Pa · s = 2,30, a [3] egyenlet alapján). Mivel a b terület nem volt az érfal szomszédságában, a WSS-t nem számolták; A c területnek két eredménye volt, mert két tipikus falzónája volt. Az eredmények azt mutatták, hogy a kísérlet nagymértékben konzisztens volt a szimulációs eredményekkel, az eltérések körülbelül 2% és 7% között változtak. Ezenkívül, amint azt a fentiekben megjegyeztük, a szűkülethez társuló tipikus alacsony WSS 10-3 Pa.s volt, ami magasabb volt, mint az emberi vér (3,5x10-3 Pa.s). Bár elemzésünk kimutatta, hogy a megoldás erősen szimulálhatja az emberi véráramlás profilját Reynolds Re számmal

O (10), a jövőbeni kutatások a valódi vérhez közelebb eső törésmutatóval és viszkozitással rendelkező megfelelőbb megoldások keresésére összpontosítanak. Ezenkívül az in vivo edények nagyon rugalmasak és deformálhatók; azonban a jelenlegi chipeknek fix csatornái vannak a PDMS gyártási folyamatai miatt. Ezért a vizsgálat nem hajtotta végre a beültetett sztentfolyamatot automatikusan és spontán módon megnagyobbítva és átalakítva a pestis területét. A jövőbeni erőfeszítések az in vitro vékony és elasztikus (kb. 3 mm vastag) edények bevezetésére összpontosulnak, frissített mikroszállítási technikákkal és reálisabb modellezéssel. Ezenkívül a rugalmas mechanika modellezését is figyelembe vesszük a jövőbeni CFD-szimulációkban. Ezenkívül vaszkuláris endoteliális sejteket tenyészthettek és fejleszthettek a csatornákban, ami jelentős lépés lenne az in vivo vaszkuláris mikrokörnyezet megközelítésében, valamint lehetővé tenné a hámsejtek belüli viselkedésének fiziológiai és hemodinamikai vizsgálatát. Az áramlások kívülről is irányíthatók lennének, hogy szimulálják a szívből áramló dinamikus vért.

következtetések

Ebben a jelentésben egy új megközelítést mutattunk be a szívkoszorúér-betegség hemodinamikai vizsgálataival kapcsolatban, és megvizsgáltuk a PCI optimalizált sztent-pozícióit. Ami a mikrofluidikát és a 3D-nyomtatási technológiát illeti, a kutatás nemcsak CFD szimulációban, hanem in vitro hidrodinamikában is zajlott. Vizsgálatunknak három előnye volt. Először is, a tanulmány igaz és tipikus klinikai példán alapult, és a tanulmány egy reális megközelítés kialakítására és a klinikai felhasználásra vonatkozó jobb stratégia biztosítására összpontosított. Másodszor, a 3D nyomtatási technológiát sikeresen alkalmazták az in vitro edényszerkezetek felépítéséhez. Harmadszor, valódi sztenteket ültettek be in vitro mikrofluid modellbe, hogy kísérletileg teszteljék azok helyzetét. A javasolt módszer várhatóan biztató kezdetnek számít, és lehetővé teszi az angiokardiopátia további izgalmas tanulmányozását a jövőben frissített technikákkal.

További információ

PDF fájlok

További információ

Hozzászólások

Megjegyzés beküldésével vállalja, hogy betartja Általános Szerződési Feltételeinket és közösségi irányelveinket. Ha ezt sértő cselekedetnek találja, amely nem felel meg feltételeinknek vagy irányelveinknek, kérjük, jelölje meg nem megfelelőnek.