Análisis geométrico tridimensional de la red cardiovascular en el ser humano

Título

Análisis geométrico tridimensional de la red cardiovascular en el ser humano

Colaborador

Craiem, Damian
Armentano, Ricardo Luis

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2018-04-03

Extensión

219 p.

Resumen

Los factores de riesgo cardiovascular tradicionales (edad, sexo, hipertensión, tabaquismo, entre otros) reciben su nombre por incidir directamente sobre el riesgo de desarrollar una patología del sistema circulatorio. No obstante, personas con factores de riesgo similares desarrollan o no patologías de acuerdo a otros factores de riesgo adicionales. Dentro de este conjunto, en los últimos años la geometría de los vasos sanguíneos ha demostrado estar asociada al riesgo cardiovascular independientemente de los factores tradicionales. En esta tesis mostraremos la metodología desarrollada para reconstruir en forma no invasiva la geometría de los dos componentes vasculares fundamentales de la circulación: los vasos coronarios que alimentan al corazón, y la arteria aorta, principal conducto de la sangre hacia el resto del organismo. Ambos componentes son susceptibles al desarrollo patologías específicas, de alto riesgo y de gran importancia médica. Para analizar la forma arbórea de la circulación coronaria, desarrollamos dos herramientas: la primera, para la medición del ángulo de bifurcación de los vasos a partir de ajustes cilíndricos tridimensionales, y la segunda para comparar dos árboles arteriales sin correspondencia aparente utilizando modelos alométricos. En ambos casos, relacionamos las diferencias geométricas entre grupos con y sin patología coronaria, presente en forma de ateroesclerosis. Para el análisis de la aorta también desarrollamos dos herramientas: una para la modelización de la aorta obtenida a partir de tomografías sin contraste de pacientes en prevención primaria, y otra para la modelización de la aorta con patologías estructurales (ej. disecciones y aneurismas), útil incluso para segmentar la vasculatura luego de intervenciones de reparación endovascular. La amplia cohorte de pacientes sometidos a tomografía sin contraste nos permitió estudiar la forma promedio de la aorta de pacientes de riesgo intermedio, analizar la deformación natural de la aorta con el paso del tiempo, la hipertensión arterial y la enfermedad ateromatosa. El análisis de la cohorte de pacientes con patologías aórticas tratadas quirúrgicamente se utilizó para predecir la aparición de la enfermedad, estudiar su evolución y colaborar en tratamientos más efectivos. Globalmente, los algoritmos que desarrollamos lograron reconstruir rápidamente la geometría de los vasos sanguíneos en estudio. Estos algoritmos semiautomáticos fueron sometidos a un proceso de validación con fantomas, así como a estudios inter e intra observador, resultando en mediciones confiables y repetibles de la geometría vascular. Finalmente, nuestros resultados indicaron que la geometría arterial está relacionada con diferentes patologías cardiovasculares, independientemente de los factores de riesgo tradicionales.
Traditional cardiovascular risk factors (age, sex, hypertension, smoking, among others) directly affect the risk of developing pathologies of the circulatory system. However, people with similar risk factors do not always develop the same pathologies, depending on additional risk factors. Within this group, in recent years the geometry of blood vessels has been shown to be associated with cardiovascular risk, independently of traditional factors. In this thesis we will show the methodology developed to reconstruct in a non-invasive way the geometry of the two fundamental vascular components of the circulation: the coronary vessels that feed the heart, and the aorta, the main conduit of blood to the rest of the organism. Both components are susceptible to the development of specific pathologies of medical importance due to their high risk. To analyze the arboreal shape of the coronary circulation, we developed two tools: the first, for the measurement of the bifurcation angle of the vessels from three-dimensional cylindrical adjustments, and the second to compare two arterial trees without apparent correspondence using allometric models. In both cases, we relate the geometric differences between groups with and without coronary disease, present in the form of atherosclerosis. For the analysis of the aorta we also developed two tools: one for the modeling of the aorta obtained from non-contrast tomography in patients in primary prevention, and another for the modeling of the aorta with structural pathologies (eg dissections and aneurysms), useful to segment the vasculature even after endovascular repair interventions. The large cohort of patients undergoing non-contrast tomography allowed us to study the average aortic shape of patients at intermediate risk, analyze the natural deformation of the aorta over time, in the presence of arterial hypertension and atheromatous disease. The analysis of the cohort of patients with aortic pathologies surgically repaired was used to predict the appearance of the disease, study its evolution and collaborate in more effective treatments.
Globally, the algorithms we developed were able to quickly reconstruct the geometry of the blood vessels under study. These semiautomatic algorithms were validated with phantoms, as well as inter and intra-observer studies, resulting in reliable and repeatable measurements of the vascular geometry. Finally, our results indicated that arterial geometry is related to different cardiovascular pathologies, independently of traditional risk factors.