предметів

реферат

Ішемічна хвороба серця, як правило, результат дуже вузьких коронарних атеросклеротичних уражень, є однією з найбільш смертоносних хвороб у світі1. По всьому дереву коронарних артерій місця біфуркації схильні до розвитку атеросклеротичного нальоту через турбулентний кровотік. Подібним чином рестеноз частіше виникає в цій області після лікування імплантацією стента. Збільшення клінічних доказів показало, що стандартною стратегією лікування роздвоєних уражень була імплантація одного стента в магістральну судину з тимчасовим стентуванням у бічні гілки.

Однак немає єдиної думки щодо детальних місць імплантації індивідуального стента при ураженнях біфуркації, особливо щодо деяких підтипів біфуркації. Наприклад, неерозивний остиальний коронарний стеноз є відносно рідкісним та особливим біфуркаційним ураженням, при якому задіяна лише одна бічна гілка устя (тобто класифікація Медіни 0, 0, 1 або 0, 1, 0) 2. Для лікування цього підтипу 3, 4 було запропоновано кілька альтернативних стратегій поодинокого стента, а саме "позиціонування імплантанта стента", що включає точне стентування стента та перехресне стентування, що охоплює гілку остіуму. Фіг. 1 показана коронарограма, надана лікарнею в Пекіні, Анжен. Фіг. Фіг.1А показує звужену коронарну артерію з остиальним стенозом (Medina 0, 1, 0, біфуркаційне ураження), яку відкрили з точним остиальним стентуванням. Через рік, як показано на фіг. 1B, рестеноз стався в стенті, що показано на малюнку червоними стрілками. Характеристика оптимального розміщення стента в цьому підтипі біфуркації представляє інтерес для кардіологів. На жаль, для цієї оцінки проведено мало клінічних досліджень, можливо, через відносно низьку поширеність цього ураження та малу кількість зразків. Таким чином, кращий варіант лікування досі є суперечливим.

тривимірні

( А) Знімок клінічної ангіографії з Анженської лікарні показує, що гілка судини зі стенозом була розширена стентом відразу після PCI; ( B ) Рестеноз стався в положенні стента через рік після ЧКВ, як показано червоними стрілками; ( C. ) У мультфільмі показано тромбогенність стента. Товщина стента вводила низький рівень ВСЗ, що сприяло зростанню клітин епітелію та призводило до рестенозу; ( D ) Розміщення стента також може вплинути на область низького рівня WSS поблизу стента. Сині ділянки - це можливі місця рестенозу, пов’язані з положенням стента.

Повнорозмірне зображення

Потрібні дослідження для вдосконалення лікування цих проблем, пов’язаних зі стентами. Історично дослідження показали, що різні стратегії стентування можуть призвести до різного розподілу та ділянок низького зсуву в розділах біфуркації 5, 6. Змінений локальний гемодинамічний профіль, спричинений стентом, може бути пов'язаний з подальшою відмовою стента (наприклад, рестеноз стента та тромбоз стента), що залишається клінічно значущими проблемами 5, 7, 8. Детально, два основні фактори відповідають за рестеноз. По-перше, низький натяг стінки (WSS) тісно пов'язаний із виникненням стенозу, рестенозу стента та тромбозу стента, як обговорювалося вище. Фіг. 1С показано, коли стент розміщений всередині контейнера, металева конструкція одночасно генерує локалізовані високі ділянки WSS і низький рівень WSS через свою незначну товщину (

У цьому дослідженні ми досліджували оптимізовані стратегії імплантації стента в клініці як за допомогою симуляційного, так і експериментального підходів. У минулому гемодинамічні дослідження коронарної біфуркації проводились здебільшого за допомогою обчислювальної динаміки рідини (CFD) на ідеальних моделях, таких як типові імітовані судини Y, 12, 13, 14. Наше дослідження забезпечило більш реалістичний підхід та реконструювало цифрову модель судини з клінічної справи. CFD та пов'язаний з ними аналіз забезпечили відносно оптимізовану позицію стента. Крім того, модель була успішно створена в налаштуваннях in vitro з використанням технології тривимірного друку. За допомогою мікрофабрикації були отримані мікрофлюїдні мікросхеми, імплантовані реальними стентами, щоб імітувати хірургічну операцію PCI in vivo. Гідродинамічні експерименти показали, що тривимірні мікрофлюїдні моделі повністю відповідали модельованим результатам, і тривимірна модель друку є перспективним методом для майбутніх досліджень ішемічної хвороби серця.

Результати і обговорення

Моделювання CFD

Як згадувалося вище, розміщення стента, ймовірно, вплине на загальну площу низького рівня WSS і ще більше збільшить можливість рестенозу. Фіг. 7А показує CFD-аналіз чотирьох типових стратегій розміщення стента PCI. Основні гілки посудини розміщували зверху, а стент призначали гілці у напрямку до правого нижнього кута. Червоні стрілки означають кінець стента, а білі стрілки - початкове положення кінця стента у вставці (а). Розрахований розподіл WSS демонструється на поверхні судини із зміною градієнта кольору. Темно-синій та світло-жовтий являють собою низький і високий рівень WSS. Кольорова лінія вказує на те, що коефіцієнт WSS коливався від 0,0 Па до 2,0 Па.

( A ) Моделювання CFD ілюструє розподіл WSS на внутрішній поверхні стінок посудини, які знаходяться в різних стратегіях розміщення стенту, ніж стентування ( a ) після перетину ( d ) ( B ) Поділ WSS на чотири стратегії. Рідкісне дослідження показало, що низький рівень ВСЗ (≤ 0,4 Па) сприяв високому ризику рестенозу, як це показано на малюнку; ( C. ) Короткий зміст та порівняння областей із низьким коефіцієнтом запасу міцності (≤ 0, 4 Па) у чотирьох стратегіях позиціонування стента. Стратегія II була найкращою стратегією з найменшою площею з низьким рівнем ЗВЗ, а Стратегія IV має найбільшу площу.

Повнорозмірне зображення

Фіг. 7B - графік розрахункового розподілу WSS на внутрішній поверхні судини всіх гілок. Попередні дослідження припустили, що гемодинамічний стрес на зсув важливий для визначення функції ендотелію та фенотипу. Напружений зсув на артеріальному рівні (> 1,5 Па) індукує спокій ендотелію та профіль експресії атеропротективних генів, тоді як низький зсувний стрес (9, 12). WSS у кожній стратегії вказує на ризик рестенозу: чим менша ця область, тим менше шансів рестенозу і краща стратегія. На рис. 7C показано короткий виклад областей з низьким рівнем WSS (

( A ) Результати моделювання CFD показали, що розподіл швидкості вздовж середнього перерізу основної гілки в судинах при імплантації стента за стратегією II. Для подальшого аналізу та порівняння з експериментом in vitro було обрано чотири сфери інтересів. Положення стента в каналі мікросхеми показано у верхній правій частині. ( B ) Потік рідини був зображений за допомогою перевернутого мікроскопа. Швидкості в точках допиту в областях, що відповідають моделюванню, позначаються та вимірюються; ( C. ) Зазначені швидкості показували, що експеримент та моделювання були задовільними.

Повнорозмірне зображення

Мікрорідкий експеримент

Для перевірки доцільності використання мікрорідкої моделі in vivo на мікросхемі було проведено подальші гідродинамічні експерименти з тривимірною друкованою моделлю. Вона дотримувалася стратегії II і залишила стент, розміщений всередині контейнера PDMS, як показано у верхньому правому куті. Фіг. 8В показані траєкторії руху флуоресцентних частинок у потоці розчину гліцерин-спирт. Відповідно до результатів моделювання, в мікрожидкостному каналі було виявлено чотири області в абсолютно однакових просторових положеннях моделі CFD, а внутрішні поля потоку були зображені та проаналізовані. Кожне зображення було отримано шляхом перекриття п'яти послідовних ділянок разом, а детальне поле потоку вибраних плям показано на фіг. 8А. Оскільки довжина шляху представляє швидкість кулі, чим більша довжина, тим вища швидкість. Наприклад, вставка (c) показує, що потік був повільнішим у верхньому лівому куті, але різко збільшився в правому нижньому напрямку. Цей профіль поля був дуже схожий на результат моделювання в області (c), показаний на фіг. 8А. Для кількісної оцінки поля потоку було обрано 3-4 позиції опитування в кожній вставці, які знаходились близько до стінки каналу, і розраховано їх швидкості. Детальна інформація про отримання профілів швидкості була наведена вище в розділі "Мікрофлюїдний експеримент in vitro".

Фіг. 8C показує порівняння конкретних положень допиту (a, a2)

між вимірюваними показниками в експерименті in vitro та результатами моделювання. Сині смуги - це показники, виміряні в експерименті in vitro, а червоні - швидкості, отримані в результаті моделювання CFD. Таким чином було прописано досліджуване положення: на основі центруваного положення визначається площа довжиною 20 пікселів (

30 мкм) і знаходиться приблизно паралельно стінці. З цієї області було обрано приблизно 20 траєкторій, і їх середні швидкості були розраховані із стандартними помилками. Схема показує, що експеримент та моделювання мали задовільну згоду, при якій середня різниця становила лише близько 5%. Хоча в'язкість і щільність штучного розчину були не такими, як для крові людини, інше дослідження показало, що розчин все ще може імітувати поле потоку крові людини in vivo (див. Додаткове обговорення S2).

Траєкторії частинок можуть допомогти отримати не тільки розподіл швидкості in vitro, але й WSS, використовуючи рівняння (3). WSS як в моделюванні, так і в експерименті обчислюється наступним чином. Швидкість ділянки, найближчої до стінки судини, ділили на відстань від стінки судини, а потім множили на в'язкість. Таблиця 1 показує, що експериментальний WSS був розділений на константу 2,30, що було викликано зміною в'язкості між штучною кров'ю і реальною кров'ю (η exp/η CFD = 8,06 × 10 −3 Па · с/3, 5 × 10 - 3 Па · s = 2,30, на основі рівняння [3]). Оскільки площа b не прилягала до стінки судна, WSS не розраховували; область c мала два результати, оскільки мала дві типові зони стін. Результати показали, що експеримент повністю узгоджується з результатами моделювання з відхиленнями в межах приблизно від 2% до 7%. Крім того, як зазначалося вище, типовий низький рівень ВСЗ, пов'язаний зі стенозом, становив 10-3 Па/с, що було вище, ніж кров людини (3,5 х 10-3 Па/с). Хоча наш аналіз показав, що розчин може високо імітувати профілі кровотоку людини з числом Рейнольдса Re

O (10), майбутні дослідження будуть зосереджені на пошуку більш придатних розчинів з показником заломлення та в'язкістю ближче до реальної крові. Крім того, судини in vivo є високоеластичними та деформуються; проте нинішні чіпи мають фіксовані канали завдяки виробничим процесам PDMS. Отже, дослідження не проводило процес імплантації стента автоматично і мимовільно збільшувало і переформувало область чуми. Подальші зусилля будуть зосереджені на впровадженні in vitro тонких та еластичних судин (товщиною приблизно 3 мм) з оновленими технологіями мікровиробництва та досягненню більш реалістичного моделювання. Крім того, моделювання механіки пружності буде розглянуто в наступних моделях CFD. Крім того, судинні ендотеліальні клітини можна культивувати та розвивати в каналах, що було б важливим кроком у наближенні судинного мікросередовища in vivo, а також забезпечило б фізіологічне та гемодинамічне вивчення поведінки епітеліальних клітин усередині. Потоки також контролюються зовні, щоб імітувати динамічну кров, що тече із серця.

висновки

У цьому звіті ми представили новий підхід до гемодинамічних досліджень ішемічної хвороби серця та дослідили оптимізовані положення стентів при ЧКВ. Що стосується мікрофлюїдики та технології тривимірного друку, то дослідження проводились не тільки в моделюванні CFD, а й у гідродинаміці in vitro. Наше дослідження мало три переваги. По-перше, дослідження базувалося на правдивому і типовому клінічному прикладі, і основне завдання було розроблено реалістичний підхід та запропоновано кращу стратегію клінічного використання. По-друге, технологія тривимірного друку успішно застосовується для побудови конструкцій судин in vitro. По-третє, справжні стенти імплантували в мікрорідку модель in vitro для експериментальної перевірки їх позиційного ефекту. Запропонований нами метод, як очікується, стане обнадійливим початком і дозволить провести подальші захоплюючі дослідження ангіокардіопатії за допомогою майбутніх оновлених методик.

Додаткова інформація

Файли PDF

Додаткова інформація

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватися наших Загальних положень та умов та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте, що це образливий вчинок, який не відповідає нашим умовам чи інструкціям, повідомте про це як про недоречний.