يك مدل اجزاي محدود ويسكوالاستيك مبتني بر تصاوير مقطعي متوالي فراصوتي از شريان كاروتيد

A finite element viscoelastic model based on consecutive transverse ultrasound images of carotid artery

در مطالعه حاضر، با استفاده از هندسه واقعي شريان كاروتيد يك مرد سالم كه از تصاوير مقطعي متوالي فراصوتي استخراج شده است و نيز شكل موج فشار پالس وارد بر ديواره شريان و پارامترهاي مدل ويسكوالاستيك كلوين كه هر دو از پردازش تصاوير متوالي فراصوتي با نماي طولي حاصل شده اند، يك مدل اجزاي محدود براي شريان كاروتيد ارائه شده است. با استخرج شكل موج قطر داخلي از پردازش تصاوير فراصوتي متوالي در امتداد طولي از شريان كاروتيد مشترك و كاليبره كردن آن بااستفاده از معادله نمايي، شكل موج فشارخون وارد بر شريان كاروتيد استخراج شد. با مشتق گيري از معادله گوسي برازش شده بر شكل موج فشارخون، شكل موج مشتق فشارخون وارد بر شريان كاروتيد در طول سيكل قلبي به دست آمد. سپس با بهينه سازي مدل ويسكوالاستيك كلوين، پارامترهاي مدل تخمين زده شد. مدل اجزاي محدود از شريان كاروتيد در نرم افزار ادينا ساخته و با بارگذاري در سه سيكل قلبي اجرا شد. براي اعتبارسنجي مدل، شكل موج هاي جابجايي شعاعي حاصل از مدل اجزاي محدود و جابجايي شعاعي حاصل از پردازش تصاوير متوالي فراصوتي در موقعيت فضايي تقريبا يكساني از شريان مقايسه شد. درصد ميانگين اختلاف نسبي جابجايي هاي شعاعي حاصل از مدل و حاصل از پردازش تصاوير فراصوتي برابر 9.3 درصد بود. از آنجاكه مدل هاي مكانيكي مناسب مي توانند توزيع صحيح تنش/كرنش ديواره و پلاك شريان كاروتيد را محاسبه و موقعيت نواحي مستعد آسيب را در پلاك مشخص كنند و با توجه به قابليت مدل فراصوتي پيشنهادي در اين مطالعه در توصيف صحيح رفتار ضرباني ديواره شريان انتظار مي رود كه مدل ديناميكي پيشنهادي بتواند براي ارزيابي دقيق وضعيت بيماري شرياني به كار رود.

In the present study, a finite element model has been presented using both the in-vivo geometry of a healthy man carotid artery, which was extracted from consecutive transverse ultrasound images and the pulse pressure waveform and Kelvin viscoelastic model parameters that were obtained from processing the consecutive longitudinal ultrasound images. Extracting the internal diameter waveform from longitudinal ultrasonic image processing and calibrating it via an exponential equation, blood pressure waveform of the carotid artery was extracted. A Gaussian function was fitted to the blood pressure waveform. Differentiating the fitted Gaussian equation resulted in the pressure differentiation of the carotid artery over the cardiac cycle. Kelvin viscoelastic parameters were estimated using an optimization method. Finite element model of the carotid artery was reconstructed in ADINA software and implemented by loading over three cardiac cycles. To validate the model, radial displacement waveform resulted from finite element model and that resulted from image processing were compared in nearly the same spatial position. Percentage of the mean proportional differences between the radial displacement resulted from finite element model and that from consecutive ultrasound images was 9.3. Since the appropriate mechanical models can calculate true stress/strain distribution of the carotid artery wall and plaque and distinguish the location of the plaque areas prone to vulnerability; and because of the capability of the ultrasonic model proposed in this study for describing the pulsatile behavior of artery wall accurately, it is expected that the introduced dynamic model will be applied for accurate evaluation of the arterial disease.