基于患者的个性化心脏建模：心室纤维取向的估计

摘要

本文描述了一种从患者心脏几何结构的活体图像中估算心室纤维取向的方法，用于个性化建模。通过对正常和衰竭的犬心进行方法学验证，结果表明，在临床可观察水平上，估算得到的纤维取向与实际获取的纤维取向之间无显著差异。

摘要

针对个性化心脏治疗的心脏（功能障碍）患者特异性模拟研究，因缺乏 体内 用于临床获取心肌纤维方向的成像技术。本项目的目标是开发一种方法，以从 体内 患者心脏几何结构的图像。分别基于正常人离体心脏的高分辨率结构性磁共振（MR）和扩散张量（DT）MR图像，重建了心室几何结构和心肌纤维取向，该参考模型称为图谱。提取了患者心脏的心室几何结构， 通过 半自动分割，从一个 体内 计算机断层扫描（CT）图像。利用图像变换算法，将图谱中的心室几何结构变形以匹配患者的心室形态。最终，将该变形场应用于图谱中的心肌纤维取向，以估算患者的心肌纤维取向。通过六只正常和三只衰竭的犬心对纤维取向估算的准确性进行评估，实测与估算纤维取向的倾角之间平均绝对差异为15.4°。在窦性心律和室性心动过速条件下，对心室激活图和伪心电图进行计算模拟，结果表明，在临床可观察水平上，估算所得与实测的纤维取向之间无显著差异。本项目所获得的新见解将为构建患者特异性心脏模型铺平道路，从而辅助临床医生在个体化诊断及电生理干预决策中做出更精准的判断。

引言

计算方法正日益成为推动人们理解心脏在健康与疾病状态下功能的核心手段。目前，最先进的全心电生理学和电机械耦合模型正在被用于研究多种现象，如正常心室传导、心律失常、除颤、电机械耦合以及心脏再同步化¹。然而，为了使计算方法能够直接应用于临床环境，必须建立患者特异性模型，即模型必须基于患者病变心脏的具体结构以及电生理或电机械特性。利用此类模型进行模拟，将有助于医生针对电生理干预措施和预防策略做出高度个性化的决策，从而显著改善心脏疾病的临床诊疗水平^2-4。

创建逼真的心脏模型需要获取患者心脏的几何结构和心肌纤维结构。心肌纤维的取向决定了心脏内电活动传导的方向和应变分布，因此获取纤维取向信息对于心脏建模至关重要。^{5, 6}随着医学成像技术的最新进展，现已能够获取患者心脏的几何结构，包括梗死等结构性重构。 体内 利用磁共振成像（MRI）和计算机断层扫描（CT）技术实现高分辨率成像。然而，目前尚无可行的方法用于获取患者心脏的纤维结构。 体内扩散张量（DT）磁共振成像^{7, 8}，唯一能够获取完整心脏纤维取向的技术，尚未广泛普及 体内 由于某些局限性 ⁹有关将DTMRI转化至临床应用的前期研究工作的简要描述可参见其他文献。 ²尽管基于规则的纤维取向分配等方法为DTMRI提供了替代方案，但这些方法存....

方案

1. 纤维取向估计

1. 获取正常成年成人心脏在舒张期的结构 MRI 和 DTMRI 图像，分辨率为 1 mm³使用 ImageJ，通过在每张短轴切片上沿心外膜和心内膜边界放置一系列标记点，并拟合经过这些点的闭合样条曲线，从图谱结构图像中提取心室心肌。图2A & 图2B）。每隔10个样本，手动放置标记点^th 图像切片中的标记点。使用 MATLAB 对手动识别的点进行线性插值，以获取其余切片的标记点。通过计算 DTMRI 图像中扩散张量的主特征向量，重建图谱心脏的纤维取向（图 2C).
2. 使用舒张期成像获取患者心脏几何结构的图像 体内 心脏CT或MRI。根据图像重建患者心脏几何结构，方法与构建图谱时类似（图 3A & 图3B）。在重建之前，应对患者图像进行重采样，使其面内分辨率为 1 mm²同样，需调整手动选取标志点的切片数量以及平面外插值的间隔，以确保分割后的患者心脏图像具有1 mm的切片厚度。
3. 将图谱心室图像通过两个步骤变形以匹配患者几何图像。第一步，基于一组十三个标志点进行仿射变换：左心室（LV）心尖、基底部的两个右心室（RV）插入点、心尖与基底中点处的两个右心室插入点，以及四组每组两个点，这些点分别在基....

结果

图11，A-C 展示了正常与衰竭心脏中估计的以及由 DTMRI 导出的纤维取向的简化可视化结果。定性分析显示，估计的纤维取向与 DTMRI 导出的取向高度一致。图 D 在心脏 1 的几何结构上叠加显示了正常心脏倾角误差的分布，该误差为全部五个估计值的平均结果。图 E 在心脏 1 的几何结构上叠加显示了衰竭心脏倾角误差的平均分布。请注意，倾角的取值范围为 -90 ° 和 +90 °，因此估计误差范围介于 0 ° 和 180 °图F和图G分别展示了图D和图E中分布对应的组织切片区域，突出了误差的透壁性差异。图H中的误差直方图表明，大多数心肌体素的误差值较小，约80%和75%的体素误差小于 20 ° 在正常和衰竭的心室中分别为。研究发现，对所有估算数据集以及属于心肌的所有图像体素进行平均后，平均误差为 14.4 ° 和 16.9 ° 在正常和衰竭心室中分别为。正常与衰竭病例合并后，整个心肌的平均误差为 15.4 °估计的与实际获取的纤维方向之间的平均三维急性角度为 17.5 ° 和 18.8 ° 在正常和衰竭的心室中分别为。三维角度与估计误差相当。这些结果表明，预测的心肌纤维走向的倾斜角度与通过实验获取的.......

讨论

本研究定量表明，在缺乏DTMRI的情况下，正常和衰竭心室的心肌纤维取向可以通过以下方法进行估算： 体内 用于心脏电生理模拟的几何结构图像。所提出的方​​法通过以下方式演示 体内 CT 数据，但同样适用于 在体 心室几何结构的磁共振成像，解决了无法直接获取患者心肌纤维取向的问题。因此，这是迈向临床应用的心室电生理个性化建模的重要一步。该方法也可用于估算心室中的纤维取向 离体 心脏的高分辨率成像。当获取亚毫米分辨率的DTMRI图像因采集时间过长而困难或成本过高时，这一点尤为有益。

我们的电生理模拟结果表明，激活图对纤维取向的变化并不十分敏感。更重要的是，我们通过伪体表心电图的平均绝对偏差（MAD）评分证明，在临床可观测的水平上，纤维取向估计误差对整体电生理的影响可以忽略不计。MAD指标是合适的，因为它已被用于临床研究，用于比较折返活动和起搏传导的心电图，以定位折返环路的组织中心²⁹。MAD评分低于12%（我们的结果满足该阈值）意味着两种传导模式在临床上是等效的。需要注意的是，传导模式的相似性.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
LDDMM	约翰斯·霍普金斯大学		http://cis.jhu.edu/software/lddmm-volume/index.php
MATLAB	Mathworks, Inc.	R2011b	http://www.mathworks.com/products/matlab/
ImageJ	美国国立卫生研究院		http://rsbweb.nih.gov/ij/
捕鸟蛛	CAE 软件解决方案		http://www.meshing.at/Spiderhome/Tarantula.html
CARP	CardioSolv		http://cardiosolv.com/
犬类图像	约翰斯·霍普金斯大学		http://www.ccbm.jhu.edu/research/DTMRIDS.php