Summary
Syftet med denna forskning är att återskapa och sedan komma anatomi människans hjärt vensystemet med 3D rekonstruktioner genereras från kontrast-datortomografi genomsökningar.
Abstract
En detaljerad förståelse av den komplexitet och relativa variabiliteten inom det mänskliga hjärtats venösa systemet är avgörande för utvecklingen av hjärt-enheter som kräver tillgång till dessa fartyg. Till exempel är hjärt venös anatomi känt för att vara en av de viktigaste begränsningarna för korrekt leverans av resynkroniseringbehandling (CRT) 1 Därför kan utvecklingen av en databas med anatomiska parametrar för mänskliga hjärt venösa system stöd i utformningen av CRT leverans enheter för att övervinna en sådan begränsning. I detta forskningsprojekt har de anatomiska parametrar erhållits från 3D-rekonstruktioner av det venösa systemet med kontrast-datortomografi (CT) och modellering programvara (Materialise, Leuven, Belgien). Följande parametrar bedömdes för varje åder: båglängden, tortuousity, förgrening vinkel, avstånd till koronarsinus öppningen, och kärldiametern.
CRT är en potentiell behandling för patimedelsingredienser med elektromekanisk dyssynkroni. Cirka 10-20% av patienter med hjärtsvikt kan ha nytta av CRT 2. Elektromekanisk dyssynkroni innebär att delar av hjärtmuskeln activate och avtalet tidigare eller senare än den normala överledning vägen av hjärtat. I CRT är dyssynchronous områden av hjärtmuskeln som behandlas med elektrisk stimulering. CRT stimulering involverar typiskt rytmstimulerande ledningar som stimulerar det högra förmaket (RA), höger ventrikel (RV) och vänster ventrikel (LV) för att producera mer återsynkroniseras rytmer. LV bly typiskt implanteras i en hjärtven, med målet att överlagra det inom området för senaste myocardial aktivering.
Vi anser att de modeller som erhållits och analyserna av dessa kommer att främja den anatomiska utbildning för patienter, studenter, kliniker och medicinska designers enhet. De metoder som används här kan också användas för att studera andra anatomiska funktioner i våra mänskliga hjärta prover, såsomkranskärlen. För att ytterligare stimulera det pedagogiska värdet av denna forskning, har vi delat de venösa modellerna på vår fria tillgång hemsida: www.vhlab.umn.edu / atlas .
Protocol
Procedur
Tabell 1 sammanfattar de material som används under processen. Figur 1 ger en översikt över processen.
Ett. Specimen och Scan Förberedelse
- Skaffa de isolerade humana hjärtan färska och därefter perfusion fixera dem i 10% buffrad formalin i sin slutdiastoliska tillstånd.
- Skölj hjärtan som ska skannas i vatten dagen innan scanning för att avlägsna huvuddelen av formalin.
- Innan du beger dig till skannern, kanylera koronarsinus (CS) ven inom varje hjärta med en venogram ballongkateter. Få tillgång till CS genom antingen bättre eller sämre hålvenen under direkt visualisering eller användning av Videoscopes.
- Väl på plats, blåsa upp ballongen av denna venogram kateter för att förankra katetern i KS.
- Placera varje hjärta inom en förslutningsbar polymer behållare ovanpå en svamp som har utformats så atthjärtat kan sitta i sin attitudinally korrekt anatomisk position.
2. Datortomografi Skannar
- Placera en given hjärta på CT-scannern sängen som om en patient ligger på rygg och huvudet först på skannern.
- Anslut den proximala änden av venogram katetern till en injektor som innehåller två injektionssprutor: en för kontrast och en för saltlösning.
- Automatiskt injicera 40 ml kontrast i hjärt vensystemet på 5 ml / sek.
- Datortomografi hjärtat 8 sek efter kontrasten injektionen inleds. Ställ datortomografi till 512 x 512 bildpunkters upplösning med 0,6 mm skivtjocklek.
- Automatiskt injicera 40 ml saltlösning i hjärt-venösa systemet vid 5 ml / sek för att spola ut kontrasten.
- Exportera CT DICOM-bilder på en extern hårddisk.
3. Återuppbyggnad och Mätningar
- Ladda CT DICOM-bilder i Mimics Software.
- Skapa en mask för CT images som endast innehåller pixlar med höga Hounsfield enheter för att markera endast kontrasten finns i hjärtat.
- Ta kontrast som har läckt in i kamrarna eller diffust i vävnaden så att masken bara innehåller kontrasten inom de stora hjärt venerna.
- Manuellt fylla i luftfickor inom en given ven bildruta för bildruta.
- Skapa ett 3D-objekt från den resulterande masken.
- Smidig och linda detta objekt för att eliminera grova geometrier. Video 1 presenterar en av dessa 3D-modeller som roterar i rymden.
- Generera mittlinjer för varje skapade 3D-modellen.
- Med hjälp av dessa mittlinjer, mäta båglängd, förgrening vinkel, tortuousity (båglängd / linjärt avstånd), och diametrar för varje större fartyg i varje hjärta. Vår sysselsatt anatomisk nomenklatur visas i figur 2.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tabell 2 presenterar median anatomiska parametrar för de stora hjärt vener för 42 mänskliga hjärtat prover. Alla hjärta prover innehöll en bakre interventricular ven (PIV) och främre interventricular ven (AIV). Några prover innehöll mer än en bakre ven av LV (PVLV), postero-laterala ven (PLV), vänstra laterala ven (NGV), och / eller anterolaterala ven (ALV), medan andra hjärtan inte kan ha haft en eller två av dessa specifika ådror presentera.
| Material som används |
| Perfusion-fasta Human Hearts |
| Venogram ballongkateter |
| Polymer förseglingsbar behållare |
| Anatomiskt korrekt hjärta svamp |
| CT-scanner och programvara |
| Kontrast och Saline Injector |
| Kontrast (Omnipaque) |
| Härmar Programvara |
Tabell 1. Sammanfattning av de material som används i den presenterade metodiken.
Figur 1. Metoder sammanfattning. (A) Den koronarsinus av en viss isolerad perfusion-fast hjärta kanyleras med en venogram ballongkateter och (B) placeras i sitt attitudinally rätt läge. (C) Provet skannas medan kontrasten injiceras i hjärtats venösa systemet följt av sköljning med natriumkloridlösning. (D) Den genererade bilder används för att skapa digitala rekonstruktioner av venerna så att efterföljande mätningar kan tas.
Video 1. Ett exempel på en 3D hjärt venös mOdel genereras från kontrast-beräknad CT. Klicka här för att se videon.
Figur 2. Nomenklaturen av de stora kärlen i hjärt venösa systemet.
Tabell 2. Sammanfattning av mätningarna som hittills erhållits för 42 mänskliga hjärtat prover. Klicka här för att se större tabell .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vårt laboratorium är att utveckla ett bibliotek av perfusion-fixerade hjärta prover för olika anatomiska studier. Hittills har vi över 240 bevarade exemplar. De specifika metoder som vi har använt för att framställa dessa prover har tidigare beskrivits 3. Den aktuella studien beskriver en ny metod för kartläggning av det mänskliga hjärtats venösa systemet och för att utveckla en anatomisk databas, som kan användas för utformning av hjärt-apparater som används inom kärlen.
Tidigare studier har använt magnetisk resonans (MR) 4 och CT 5-12 avbildning på levande patienter för att bedöma den anatomier av hjärtats vensystemet. Den största fördelen med vår studie är att det inte finns någon risk att leva patienter på grund kontrast injektion och strålning 13-14. Vi har även möjlighet att analysera en stor databas av prover, alla beredda på ett liknande sätt. Dessa prover kan igenom igen om additional bilder krävs. De anatomiska parametrar erhållna från denna metod i tabell 2 har generellt varit större än vad som framgår av in vivo-studier. Vi tror att detta beror på att de statiska rekonstruktioner som presenteras här är perfusion-fixerade i sin slut-diastoliska form och bör utgöra en ögonblicksbild av venerna när hjärtat är i detta skede av hjärtcykeln (dvs. maximal storlek).
Det bör noteras att det finns flera begränsningar av studien presenteras här. I vissa av våra äldre mänskliga hjärta prover, var ventriklarna något kollapsade under imaging process, vilket kan påverka några av de resulterande modellerna. För att lösa denna begränsning, söker vi nu in gelbildande ventrikeln kamrarna att säkerställa hjärtat bibehåller sin slutdiastoliska (dilaterade) form. En annan begränsning av studien är att modellen generationen och därpå erhållna mätningar kan användaren beroende. Vi HAVe försökte minimera denna begränsning genom att ha en utredare kontrollera varje genererade modellen. Användare beroendet av modellerna kommer att utvärderas ytterligare genom att jämföra modeller av samma hjärta som skapas av olika användare. Slutligen varierar mängden kontrast som diffunderar in provet vävnaden under dessa statiska datortomografi från hjärta till hjärta. Därför kan en del av de variationer som vi observerar i denna databas vara variationer i vävnad diffusion, inte riktigt variationer i venös anatomi. Trots dessa begränsningar, de genererade 3D-modeller ger användbar information om det mänskliga hjärtats venösa systemet i olika patientgrupper. Vi kommer att fortsätta att expandera och dela vår nya databas för dessa modeller och deras tillhörande anatomiska mätningar som vi får ytterligare prover.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Vi vill tacka för Dionna Gamble, Allison Larson och Katia Torres för hjälp med modell generation och mätningar, Monica Mahre för manuskriptet bistånd, Gary Williams för tekniskt bistånd, Jerrald Spencer jr för hjälp med figurerna och Fairview Imaging Services på University of Minnesota.
Finansiering mottogs från Institutet för Engineering in Medicine (University of Minnesota) och dels från ett forskningsavtal med Medtronic Inc.
References
- Burkhardt, J. D., Wilkoff, B. L. Interventional electrophysiology and cardiac resynchronization therapy: delivering electrical therapies for heart failure. Circ. 115, 2208-2220 (2007).
- Lu, F. Cardiac resynchronization therapy. Handbook of cardiac physiology and anatomy. Iaizzo, P. , 2nd ed, Springer Science. New York, N.Y. 475-497 (2009).
- Eggen, M. D., Swingen, C. M., Iaizzo, P. A. Ex vivo diffusion tensor MRI of human hearts: relative effects of specimen decomposition. Magn. Reson. Med. 67, 1703-1709 (2012).
- Manzke, R., Binner, L., Bornstedt, A., Merkle, N., Lutz, A., Gradinger, R., Rasche, V. Assessment of the coronary venous system in heart failure patients by blood pool agent enhanced whole-heart MRI. Eur. Radiol. 21, 799-806 (2010).
- Abbara, S., Cury, R. C., Nieman, K., Reddy, V., Moselewski, F., Schmidt, S., Ferencik, M., Hoffman, U., Brady, T. J., Achenbach, S. Noninvasive evaluation of cardiac veins with 16-MDCT angiography. AJR. Am. J. Roentgenol. 185, 1001-1006 (2005).
- Gerber, T. C., Sheedy, P. F., Bell, M. R., Hayes, D. L., Rumberger, J. A., Behrenbeck, T., Holmes, D. R., Schwartz, R. S. Evaluation of the coronary venous system using electron beam computed tomography. Int. J. Cardiovasc. Imaging. 17, 65-75 (2001).
- Jongbloed, M. R. M., Lamb, H. J., Bax, J. J., Schuijf, J. D., de Roos, A., vander Wall, E. E., Schalij, M. J. Noninvasive visualization of the cardiac venous system using multislice computed tomography. J. Am. Coll. Cardiol. 45, 749-753 (2005).
- Mao, S., Shinbane, J. S., Girky, M. J., Child, J., Carson, S., Oudiz, R. J., Budoff, M. J. Coronary venous imaging with electron beam computed tomographic angiography: three-dimensional mapping and relationship with coronary arteries. Am. Heart J. 150, 315-322 (2005).
- Muhlenbruch, G., Koos, R., Wildberger, J. E., Gunther, R. W., Mahnken, A. H. Imaging of the cardiac venous system: comparison of MDCT and conventional angiography. AJR. Am. J. Roentgenol. 185, 1252-1257 (2005).
- Schaffler, G. J., Groell, R., Peichel, K. H., Rienmuller, R. Imaging the coronary venous drainage system using electron-beam CT. Surg. Radiol. Anat. 22, 35-39 (2000).
- Tada, H., Kurosaki, K., Naito, S., Koyama, K., Itoi, K., Ito, S., Ueda, M., Shinbo, G., Hoshizaki, H., Nogami, A., Oshima, S., Taniguchi, K. Three-dimensional visualization of the coronary venous system using multidetector row computed tomography. Circ. J. 69, 165-170 (2005).
- Van de Veire, N. R., Schuijf, J. D., Sutter, J. D., Devos, D., Bleeker, G. B., de Roos, A., vander Wall, E. E., Schalij, M. J., Bax, J. J. Non-invasive visualization of the cardiac venous system in coronary artery disease patients using 64-slice computed tomography. J. Am. Coll. Cardiol. 48, 1832-1838 (2006).
- de Jong, P. A., Mayo, J. R., Golmohammadi, K., Nakano, Y., Lequin, M. H., Tiddens, H. A., Aldrich, J., Coxson, H. O., Sin, D. D. Estimation of cancer mortality associated with repetitive computed tomography scanning. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 173, 199-203 (2006).
- Martin, D. R., Semelka, R. C., Chapman, A., Peters, H., Finn, P. J., Kalb, B., Thomsen, H. Nephrogenic systemic fibrosis versus contrast-induced nephropathy: risks and benefits of contrast-enhanced MR and CT in renally impaired patients. J. Magn. Reson. Imaging. 30, 1350-1356 (2009).
