Name: 病人的具体建模之心:的心室纤维方向估计 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-01-08T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 9 s
Description: 学习利用CT或MRI图像估计患者心脏心室纤维方向的方法，通过变形图谱心脏几何结构实现个性化心脏电生理模拟。该方法经犬类心脏验证，估计结果与实测纤维方向无显著差异，可用于临床心律失常风险评估与治疗方案制定。

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我们感谢约翰斯·霍普金斯大学的 Raimond Winslow、Elliot McVeigh 和 Patrick Helm 博士在线提供离体（ex vivo）数据集。本研究得到了美国国立卫生研究院资助项目 R01-HL082729 和美国国家科学基金会资助项目 CBET-0933029 的支持。

1. 纤维取向估计
<ol>
 <li>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 &amp; 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).</li>
 <li>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 &amp; 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。</li>
 <li>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，这些点分别在基底部和心尖与基底中点处均匀分割右心室和左心室的心外膜轮廓图 4A &amp; 图4B）。第二步，利用大形变微分同胚度量映射（LDDMM）进一步形变经仿射变换后的图谱脑室，以匹配患者的几何结构。图4C).</li>
 <li>根据仿射配准的变换矩阵和LDDMM变换的形变场，通过重新定位图谱DTMRI图像的体素并使用主方向保持（PPD）方法重新定向张量，对DTMRI图像进行形变。</li>
 <li>通过计算弥散张量（DT）的主特征向量，从形变后的图谱DTMRI图像中获取患者纤维方向的估计值图5).</li>
</ol>
2. 估计误差的测量
<ol>
 <li>获取 离体 六例正常和三例衰竭的犬心脏的结构磁共振（MR）和弥散张量磁共振（DTMR）图像，分辨率为312.5×312.5×800 μm3此处应通过射频消融犬的左束支，随后以每分钟210次的心率进行为期3周的快速起搏，以诱导心力衰竭。-1.</li>
 <li>参照第1.1节所述方法，从犬心脏中分割心室，方式类似于人类图谱心脏。将来自正常犬心脏的心室分割结果标记为心脏1至6，来自衰竭犬心脏的心室分割结果标记为心脏7至9（图6).</li>
 <li>通过将心脏2至心脏6分别作为图谱，获得心脏1心室纤维取向的五种不同估计值（图7).</li>
 <li>使用心脏1作为图谱，估算每个衰竭心室的纤维取向图8).</li>
 <li>对每组估计纤维取向中的每个数据点，计算其估计误差为|θc-θa| ，其中 θc 和 θa 分别为该点处估计的和获取的纤维方向的倾角。</li>
 <li>对每组估计纤维方向中的每个数据点，通过向量点积计算估计纤维方向与实际获取的纤维方向在三维（3D）空间中的最小夹角。</li>
</ol>
3. 估计误差对模拟影响的测量
<ol>
 <li>从心脏1构建六个模型，其中一个采用心脏1通过DTMRI获取的纤维取向（称为模型1），另外五个分别采用五组估计的纤维取向数据集（模型2至模型6）。对于三种衰竭心脏的几何结构，每种构建两个心室模型，一个采用DTMRI获取的纤维取向，另一个采用估计的纤维取向。这些模型的空间分辨率以网格的平均边长计算，应约为600 μm。将采用DTMRI获取纤维的衰竭心脏模型记为模型7至模型9，采用估计纤维的模型记为模型10至模型12。在模型中，使用单域表示法描述心肌组织，其控制方程为：</li>
</ol>
<img src="/files/ftp_upload/50125/50125eq1.jpg" alt="Electrophysiology equations; Cm(dVm/dt)+Iion=∇·(σb∇Vm); Iion=Iion(Vm,μ); dμ/dt=G(Vm,μ)." fo:content-width="2.18in" fo:src="/files/ftp_upload/50125/50125eq1highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 1"> 
 其中 σb是体导电率张量，由Potse所述的双域导电率张量计算得出 等30; Vm 是跨膜电位； Cm 是膜特异性电容；以及 I离子 是跨膜电流的密度，而该密度又取决于 Vm 以及一组状态变量 μ 描述离子跨膜流动的动力学过程。 Cm ，使用数值1 μ F/cm2。对于 σi 在正常的犬心脏模型中，分别使用纵向和横向电导率值0.34 S/m和0.06 S/m。表示 llon 由Greenstein-Winslow犬心室肌细胞离子模型构建。在犬心力衰竭心室模型中将电导率降低30%（图9).
<ol start="2">
 <li>使用软件包 CARP（CardioSolv, LLC）对所有模型模拟窦性心律。在六个衰竭模型中，采用 S1-S2 起搏方案诱导折返性室性心动过速（VT）。选择适当的 S1 与 S2 之间的时间间隔，以在 S2 刺激后获得持续 2 秒的 VT 活动。若在任何 S1-S2 间期均未诱导出 VT，则将传导性降低最多 70%，直至成功诱导 VT（图 10）。</li>
 <li>对于每次模拟，通过计算心脏周围各向同性浴液中两个点之间的细胞外电位差来生成伪体表心电图（pseudo-ECG）。将这两个点置于靠近心脏基底部，相距 18 cm，且连接两点的直线垂直于室间隔的基底-心尖平面，如 图 10 所示。对于每个具有估算纤维取向的模拟，计算 MAD 指标如下：</li>
</ol>
<img src="/files/ftp_upload/50125/50125eq2.jpg" alt="MAD 方程，统计分析，平均绝对偏差，数据比较公式，教学用途。" fo:content-width="2.77in" fo:src="/files/ftp_upload/50125/50125eq2highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程 2"> 
其中 X 为基于估计纤维取向的模拟心电图波形，Y 为基于实测纤维取向的对应模拟心电图波形，X 是 X 的均值，Y 是 Y 的均值，n 为 X 和 Y 的长度。

<ol><li>Trayanova, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Whole+Heart+Modeling%3A+Applications+to+Cardiac+Electrophysiology+and+Electromechanics%5BTitle%5D)+AND+%22Circulation+Research%22%5BJournal%5D)">Whole Heart Modeling: Applications to Cardiac Electrophysiology and Electromechanics.</a> Circulation Research. 108, 113-128 Forthcoming.</li>
<li>Vadakkumpadan, F., Arevalo, H., Ceritoglu, C., Miller, M., Trayanova, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Image-Based+Estimation+of+Ventricular+Fiber+Orientations+for+Personalized+Modeling+of+Cardiac+Electrophysiology%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Medical+Imaging%22%5BJournal%5D)">Image-Based Estimation of Ventricular Fiber Orientations for Personalized Modeling of Cardiac Electrophysiology.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 31 (5), 1051-1060 Forthcoming.</li>
<li>Vadakkumpadan, F., Gurev, V., Constantino, J., Arevalo, H., Trayanova, N. Modeling of Whole-Heart Electrophysiology and Mechanics: Towards Patient-Specific Simulations. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aVadakkumpadan%2C+F+%22Patient-Specific+Modeling+of+the+Cardiovascular+System%3A+Technology-Driven+Personalized+Medicine%22">Patient-Specific Modeling of the Cardiovascular System: Technology-Driven Personalized Medicine</a>. Kerckhoffs, R. , Springer. 145-165 (2010).</li>
<li>Buxton, A. E., Lee, K. L., DiCarlo, L., Gold, M. R., Greer, G. S., Prystowsky, E. N., O'Toole, M. F., Tang, A., Fisher, J. D., Coromilas, J., Talajic, M., Hafley, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrophysiologic+testing+to+identify+patients+with+coronary+artery+disease+who+are+at+risk+for+sudden+death.+Multicenter+Unsustained+Tachycardia+Trial+Investigators%5BTitle%5D)+AND+%22The+New+England+Journal+of+Medicine%22%5BJournal%5D)">Electrophysiologic testing to identify patients with coronary artery disease who are at risk for sudden death. Multicenter Unsustained Tachycardia Trial Investigators.</a> The New England Journal of Medicine. 342 (26), 1937-1945 (2000).</li>
<li>Wei, D., Okazaki, O., Harumi, K., Harasawa, E., Hosaka, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+simulation+of+excitation+and+body+surface+electrocardiogram+with+isotropic+and+anisotropic+computer+heart+models%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Comparative simulation of excitation and body surface electrocardiogram with isotropic and anisotropic computer heart models.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 42 (4), 343-357 (1995).</li>
<li>Leon, L. J., Horacek, B. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computer+model+of+excitation+and+recovery+in+the+anisotropic+myocardium.+II.+Excitation+in+the+simplified+left+ventricle%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Electrocardiology%22%5BJournal%5D)">Computer model of excitation and recovery in the anisotropic myocardium. II. Excitation in the simplified left ventricle.</a> Journal of Electrocardiology. 24 (1), 17-31 (1991).</li>
<li>Rohmer, D., Sitek, A., Gullberg, G. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reconstruction+and+Visualization+of+Fiber+and+Laminar+Structure+in+the+Normal+Human+Heart+from+Ex+Vivo+Diffusion+Tensor+Magnetic+Resonance+Imaging+%28DTMRI%29+Data%5BTitle%5D)+AND+%22Investigative+Radiology%22%5BJournal%5D)">Reconstruction and Visualization of Fiber and Laminar Structure in the Normal Human Heart from Ex Vivo Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging (DTMRI) Data.</a> Investigative Radiology. 42 (11), 777-789 (2007).</li>
<li>Daubert, J. P., Zareba, W., Hall, W. J., Schuger, C., Corsello, A., Leon, A. R., Andrews, M. L., McNitt, S., Huang, D. T., Moss, A. J., Investigators, M. I. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Predictive+value+of+ventricular+arrhythmia+inducibility+for+subsequent+ventricular+tachycardia+or+ventricular+fibrillation+in+Multicenter+Automatic+Defibrillator+Implantation+Trial+%28MADIT%29+II+patients%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Americal+College+of+Cardiology%22%5BJournal%5D)">Predictive value of ventricular arrhythmia inducibility for subsequent ventricular tachycardia or ventricular fibrillation in Multicenter Automatic Defibrillator Implantation Trial (MADIT) II patients.</a> Journal of Americal College of Cardiology. 47 (1), 98-107 (2006).</li>
<li>Sosnovik, D. E., Wang, R., Dai, G., Reese, T. G., Wedeen, V. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+MR+tractography+of+the+heart%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Cardiovascular+Magnetic+Resonance%22%5BJournal%5D)">Diffusion MR tractography of the heart.</a> Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 11 (1), 47-61 (2009).</li>
<li>Sundar, H., Shen, D., Biros, G., Litt, H., Davatzikos, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estimating+myocardial+fiber+orientations+by+template+warping%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+IEEE+International+Symposium+on+Biomedical+Imaging%22%5BJournal%5D)">Estimating myocardial fiber orientations by template warping.</a> Proc. IEEE International Symposium on Biomedical Imaging. , 73-76 (2006).</li>
<li>Beg, M. F., Helm, P. A., McVeigh, E., Miller, M. I., Winslow, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computational+Cardiac+Anatomy+Using+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Computational Cardiac Anatomy Using MRI.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 52 (5), 1167-1174 (2004).</li>
<li>Alexander, D. C., Pierpaoli, C., Basser, P. J., Gee, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+Transformations+of+Diffusion+Tensor+Magnetic+Resonance+Images%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Medical+Imaging%22%5BJournal%5D)">Spatial Transformations of Diffusion Tensor Magnetic Resonance Images.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 20, 1131-1139 (2001).</li>
<li>Helm, P. A., Younes, L., Beg, M. F., Ennis, D. B., Leclercq, C., Faris, O. P., McVeigh, E., Kass, D., Miller, M. I., Winslow, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evidence+of+Structural+Remodeling+in+the+Dyssynchronous+Failing+Heart%5BTitle%5D)+AND+%22Circulation+Research%22%5BJournal%5D)">Evidence of Structural Remodeling in the Dyssynchronous Failing Heart.</a> Circulation Research. 98, 125-132 (2006).</li>
<li>Helm, P., Beg, M. F., Miller, M., Winslow, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+and+mapping+cardiac+fiber+and+laminar+architecture+using+diffusion+tensor+MR+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+the+New+York+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Measuring and mapping cardiac fiber and laminar architecture using diffusion tensor MR imaging.</a> Annals of the New York Academy of Sciences. 1047, 296-307 (2005).</li>
<li>Helm, P. A., Tseng, H. -J., Younes, L., McVeigh, E. R., Winslow, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ex+vivo+3D+diffusion+tensor+imaging+and+quantification+of+cardiac+laminar+structure%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Imaging%22%5BJournal%5D)">Ex vivo 3D diffusion tensor imaging and quantification of cardiac laminar structure.</a> Magnetic Resonance in Imaging. 54, 850-859 (2005).</li>
<li>Scollan, D. F., Holmes, A., Winslow, R., Forder, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Histological+validation+of+myocardial+microstructure+obtained+from+diffusion+tensor+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physiology+-+Heart+and+Circulatory+Physiology%22%5BJournal%5D)">Histological validation of myocardial microstructure obtained from diffusion tensor magnetic resonance imaging.</a> American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology. 275 (6), H2308-H2318 (1998).</li>
<li>Lombaert, H., Peyrat, J., Croisille, P., Rapacchi, S., Fanton, L., Cheriet, F., Clarysse, P., Magnin, I., Delingette, H., Ayache, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+Atlas+of+the+Cardiac+Fiber+Architecture%3A+Study+on+a+Healthy+Population%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Medical+Imaging%22%5BJournal%5D)">Human Atlas of the Cardiac Fiber Architecture: Study on a Healthy Population.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 31 (7), 1436-1447 (2012).</li>
<li>Streeter, D. D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aStreeter%2C+DD+%22Gross+morphology+and+fiber+geometry+of+the+heart%22">Gross morphology and fiber geometry of the heart</a>. , Johns Hopkins Press. Baltimore. (1979).</li>
<li>Vadakkumpadan, F., Rantner, L. J., Tice, B., Boyle, P., Prassl, A. J., Vigmond, E., Plank, G., Trayanova, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Image-Based+Models+of+Cardiac+Structure+with+Applications+in+Arrhythmia+and+Defibrillation+Studies%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Electrocardiology%22%5BJournal%5D)">Image-Based Models of Cardiac Structure with Applications in Arrhythmia and Defibrillation Studies.</a> Journal of Electrocardiology. 42, 151.e1-151.e10 (2009).</li>
<li>Plank, G., Zhou, L., Greenstein, J. L., Plank, G., Zhou, L., Greenstein, J. L., Cortassa, S., Winslow, R. L., O'Rourke, B., Trayanova, N. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+mitochondrial+ion+channels+to+arrhythmias+in+the+heart%3A+computational+techniques+to+bridge+the+spatio-temporal+scales%5BTitle%5D)+AND+%22Philosophical+Transactions+Series+A%2C+Mathematical%2C+Physical%2C+and+Engineering+Sciences%22%5BJournal%5D)">From mitochondrial ion channels to arrhythmias in the heart: computational techniques to bridge the spatio-temporal scales.</a> Philosophical Transactions Series A, Mathematical, Physical, and Engineering Sciences. 366 (1879), 3381-3409 (2008).</li>
<li>Roberts, D. E., Scher, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+tissue+anisotropy+on+extracellular+potential+fields+in+canine+myocardium+in+situ%5BTitle%5D)+AND+%22Circulation+Research%22%5BJournal%5D)">Effect of tissue anisotropy on extracellular potential fields in canine myocardium in situ.</a> Circulation Research. 50, 342-351 (1982).</li>
<li>Greenstein, J., Wu, R., Po, S., Tomaselli, G. F., Winslow, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Role+of+the+Calcium-Independent+Transient+Outward+Current+I%28to1%29+in+Shaping+Action+Potential+Morphology+and+Duration%5BTitle%5D)+AND+%22Circulation+Research%22%5BJournal%5D)">Role of the Calcium-Independent Transient Outward Current I(to1) in Shaping Action Potential Morphology and Duration.</a> Circulation Research. 87, 1026-1033 (2000).</li>
<li>Winslow, R., Rice, J., Jafri, S., Marbán, E., O'Rourke, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanisms+of+altered+excitation-contraction+coupling+in+canine+tachycardia-induced+heart+failure%2C+II%3A+model+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Circulation+Research%22%5BJournal%5D)">Mechanisms of altered excitation-contraction coupling in canine tachycardia-induced heart failure, II: model studies.</a> Circulation Research. 84 (5), 571-586 (1999).</li>
<li>Akar, F., Nass, R., Hahn, S., Cingolani, E., Shah, M., Hesketh, G., DiSilvestre, D., Tunin, R., Kass, D., Tomaselli, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+Changes+in+Conduction+Velocity+and+Gap+Junction+Properties+During+Development+of+Pacing-Induced+Heart+Failure%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physiology+-+Heart+and+Circulatory+Physiology%22%5BJournal%5D)">Dynamic Changes in Conduction Velocity and Gap Junction Properties During Development of Pacing-Induced Heart Failure.</a> American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology. 293 (2), H1223-H1230 (2007).</li>
<li>Gurev, V., Constantino, J., Rice, J. J., Trayanova, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distribution+of+Electromechanical+Delay+in+the+Ventricles%3AInsights+from+a+3D+Electromechanical+Model+of+the+Heart%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Distribution of Electromechanical Delay in the Ventricles:Insights from a 3D Electromechanical Model of the Heart.</a> Biophysical Journal. 99 (3), 745-754 Forthcoming.</li>
<li>Ten Tusscher, K. H. W. J., Hren, R., Panfilov, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organization+of+Ventricular+Fibrillation+in+the+Human+Heart%5BTitle%5D)+AND+%22Circulation+Research%22%5BJournal%5D)">Organization of Ventricular Fibrillation in the Human Heart.</a> Circulation Research. 100 (12), e87-e101 (2007).</li>
<li>Gima, K., Rudy, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ionic+Current+Basis+of+Electrocardiographic+Waveforms%5BTitle%5D)+AND+%22Circulation+Research%22%5BJournal%5D)">Ionic Current Basis of Electrocardiographic Waveforms.</a> Circulation Research. 90, 889-896 (2002).</li>
<li>Gerstenfeld, E., Dixit, S., Callans, D., Rajawat, Y., Rho, R., Marchlinski, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+comparison+of+spontaneous+and+paced+12-lead+electrocardiogram+during+right+ventricular+outflow+tract+ventricular+tachycardia%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Americal+College+of+Cardiology%22%5BJournal%5D)">Quantitative comparison of spontaneous and paced 12-lead electrocardiogram during right ventricular outflow tract ventricular tachycardia.</a> Journal of Americal College of Cardiology. 41 (11), 2046-2053 (2003).</li>
<li>Potse, M., Dube, B., Richer, J., Vinet, A., Gulrajani, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+comparison+of+monodomain+and+bidomain+reaction-diffusion+models+for+action+potential+propagation+in+the+human+heart%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">A comparison of monodomain and bidomain reaction-diffusion models for action potential propagation in the human heart.</a> IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 53 (12), 2425-2435 (2006).</li>
<li>Peyrat, J. -M., Sermesant, M., Pennec, X., Delingette, H., Chenyang, X., McVeigh, E. R., Ayache, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Computational+Framework+for+the+Statistical+Analysis+of+Cardiac+Diffusion+Tensors%3A+Application+to+a+Small+Database+of+Canine+Hearts%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Medical+Imaging%22%5BJournal%5D)">A Computational Framework for the Statistical Analysis of Cardiac Diffusion Tensors: Application to a Small Database of Canine Hearts.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 26, 1500-1514 (2007).</li>
<li>Chen, J., Song, S. -K., Liu, W., McLean, M., Allen, S. J., Tan, J., Wickline, S. A., Yu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Remodeling+of+cardiac+fiber+structure+after+infarction+in+rats+quantified+with+diffusion+tensor+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physiology+-+Heart+and+Circulatory+Physiology%22%5BJournal%5D)">Remodeling of cardiac fiber structure after infarction in rats quantified with diffusion tensor MRI.</a> American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology. 285 (3), H946-H954 (2003).</li>
<li>Stecker, E. C., Chugh, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prediction+of+sudden+cardiac+death%3A+next+steps+in+pursuit+of+effective+methodology%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Interventional+Cardiac+Electrophysiolog%22%5BJournal%5D)">Prediction of sudden cardiac death: next steps in pursuit of effective methodology.</a> Journal of Interventional Cardiac Electrophysiolog. 31 (2), 101-107 (2011).</li>
</ol>

无利益冲突声明。

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...

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，但这些方法存在某些严重的局限性 2, 10因此，在获取心肌纤维结构方面存在困难 体内 目前阻碍了电生理和心脏机电模拟在临床环境中的应用。本研究的目的是直接解决这一需求。
我们假设，若已知心脏的几何结构和一个图谱（即具有已知几何结构和心肌纤维取向的心脏），则可以准确预测该心脏的心室纤维取向。基于此，我们采用最先进的技术开发了一种用于体内（in vivo）估算心脏纤维取向的方法，并在正常和衰竭的犬类心室中验证了该假设2。本纤维估计算法的核心思想是利用不同心脏之间纤维取向相对于几何结构的相似性，从而近似估计仅已知几何信息的目标心脏的纤维结构。该估计算法的关键在于使用大变形微分同胚度量映射（LDDMM）11将图谱的几何结构与目标几何结构进行配准，并通过主成分保持法（PPD）2, 12对图谱的纤维取向进行形变转换。LDDMM 的微分同胚特性保证了图谱在形变过程中不会发生“折叠”，从而保持了解剖结构的完整性。图1展示了本方法的处理流程。协议文本部分 §1 通过演示如何对一个示例患者执行估算，详细描述了该流程的各个组成部分。图1中某些模块内的数字对应协议文本中 §1 部分下的相应子章节。
我们通过量化估计误差，并计算该误差对心脏电生理模拟的影响，来评估所提出方法的性能，其中通过计算模拟局部电激动图以及伪心电图（伪ECG）实现。由于无法获得人类心脏，性能评估使用了先前研究中提供的犬心脏进行13-15。估计误差采用倾角法计算16，遵循组织学传统，即在平行于心外膜表面切割的组织切片上进行角度测量。由于纤维方向与心外膜切平面之间的夹角通常较小17, 18，因此仅使用倾角完整描述纤维方向所造成的信息损失可忽略不计。对于计算模拟，图像-based模型的构建方法如前所述19, 20，模型中的心肌组织基于已建立的数学方法和实验数据进行表征21-25。窦性心律通过模拟源自浦肯野纤维网络的激动进行复制26，室性心动过速则通过S1-S2起搏协议模拟27。伪ECG通过计算获得28，并使用平均绝对偏差（MAD）指标进行比较29。

<table><tbody><tr><td>LDDMM</td><td>约翰斯·霍普金斯大学</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://cis.jhu.edu/software/lddmm-volume/index.php&quot; 目标=&quot;_blank&quot;&gt;http://cis.jhu.edu/software/lddmm-volume/index.php&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks, Inc.</td><td>R2011b</td><td> &lt;a href=&quot;http://www.mathworks.com/products/matlab/&quot; 目标=&quot;（无内容可翻译）&quot;&gt;http://www.mathworks.com/products/matlab/&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>ImageJ</td><td>美国国立卫生研究院</td><td></td><td> &lt;a href=&quot;http://rsbweb.nih.gov/ij/&quot; 目标=&quot;_blank&quot;&gt;http://rsbweb.nih.gov/ij/&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>捕鸟蛛</td><td>CAE 软件解决方案</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.meshing.at/Spiderhome/Tarantula.html&quot; 目标=&quot;_blank&quot;&gt;http://www.meshing.at/Spiderhome/Tarantula.html&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>CARP</td><td>CardioSolv</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://cardiosolv.com/&quot; 目标=&quot;_blank&quot;&gt;http://cardiosolv.com/&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>犬类图像</td><td>约翰斯·霍普金斯大学</td><td></td><td> &lt;a href=&quot;http://www.ccbm.jhu.edu/research/DTMRIDS.php&quot; 目标=&quot;_blank&quot;&gt;http://www.ccbm.jhu.edu/research/DTMRIDS.php&lt;/a&gt;</td></tr></tbody></table>

基于患者的个性化心脏建模：心室纤维取向的估计

Patient-specific Modeling of the Heart: Estimation of Ventricular Fiber Orientations

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。

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...

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。

针对个性化心脏治疗的心脏（功能障碍）患者特异性模拟，因缺乏活体成像技术而受到阻碍……

以下实验的目的是估算患者心脏的纤维取向，以用于个性化的心脏电生理模拟，因为目前尚无法在临床上获取心脏纤维取向。为此，第二步是将一个图谱心脏几何模型变形，以匹配临床CT或MRI图像中提供的患者心脏几何结构。利用该几何变形场对图谱中的纤维取向进行形变，从而生成对患者心脏纤维取向的估计。接下来，利用通过弥散张量磁共振成像（一种前沿技术）非临床测量获得心肌纤维取向的犬类心脏，将所估计的纤维取向与实际测得的取向进行比较，以验证所提出的方法。结果表明，估计得到的纤维取向与实测取向高度一致，并且在临床可观测的水平上，基于估计纤维取向与实测纤维取向所进行的电生理模拟结果之间无显著差异。本研究定量证明，在缺乏弥散张量磁共振成像的情况下，可通过心脏几何结构的活体影像，对正常及衰竭心室的心肌纤维取向进行估计，并用于心脏电生理模拟研究。估算患者心肌纤维的取向对于构建个体化心脏功能模型至关重要。这些个体化心脏模型可用于预测心脏病患者发生心律失常的风险，或指导用于治疗心律失常疾病的干预措施。尽管我们在此展示的是其在个体化电生理建模中的应用，但该方法也可用于个体化的电机械建模。首先获取受试者心脏的结构磁共振成像（MRI）和扩散张量磁共振成像（D-T-M-R-I），以开始估算其心肌纤维的取向。图像为成人正常人类心脏在舒张期的影像，采集时的空间分辨率为1立方毫米。然后使用 ImageJ 从图谱结构像中提取心室心肌。通过在心外膜和心内膜边界沿线的一组标记点拟合闭合轮廓来实现。对于每个短轴切片，手动放置标记点。对于图像中的每第10个切片，使用Matlab通过线性插值手动识别的点来获取其余切片的标志点。接下来，通过计算DT MRI图像中扩散张量的主iGen向量，重建图谱心脏的纤维取向。一旦定义了图谱心脏的几何结构，便使用体内心脏CT或MRI获取患者心脏在舒张期的几何图像，并以构建图谱类似的方式从图像中重建患者心脏的几何结构。通过调整手动选取标志点的切片数量以及平面外插值的间隔，确保重建几何结构的分辨率为一立方毫米。接下来，分两步对以洋红色显示的图谱心室图像进行形变，使其与以红色显示的患者几何图像相匹配。第一步，根据本方案中描述的13个标志点进行仿射变换。在第二步中，使用大形变双态度量映射（L-D-D-M-M）进一步使经过 INE 变换的图谱脑室变形，以匹配患者的几何结构。接下来对图谱的 DT MRI 图像进行形变。为此，需重新定位图像体素位置并重新定向扩散张量。根据从 AINE 配准获得的变换矩阵以及 L-D-D-M-M 变换过程中的形变场，应使用主方向保持（PPD）方法对扩散张量进行重新定向。最后，通过计算扩散张量的主 iGen 向量，从形变后的图谱 GT MRI 图像中估算患者纤维的方向。为了测量估算误差，首先需对六只正常犬类心脏和三只功能衰竭的犬类心脏进行高分辨率的离体结构 MRI 和 DT

patient-specific-modeling-heart-estimation-ventricular-fiber

Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

病人的具体建模之心：的心室纤维方向估计

本报告详细描述了在拉伸诱导心房颤动期间，对离体羊心左心房进行Langendorff灌注状态下同步心内膜和心外膜电兴奋光学标测的方法学与结果。...

用于拉伸诱导心房颤动研究的绵羊模型中的高分辨率心内膜与心外膜光学标测

本研究的目的是利用对比增强计算机断层扫描生成的三维重建图像，重现并观察人类心脏静脉系统的解剖结构。...

利用灌注固定标本的对比增强计算机断层扫描重建人类心脏静脉系统的解剖结构

本方案描述了一种将完整心脏心肌组织与磁共振成像（MRI）进行三维比对的新方法。该方法旨在对慢性猪心肌梗死模型中梗死边缘区的心肌内注射进行精确定量评估。...

三维全心心肌组织分析

本方案概述了一种利用电子显微镜和共聚焦显微镜图像构建心肌细胞细胞内结构高空间分辨率有限元模型的新方法。通过钙信号传导和生物能量学的案例研究，展示了该高空间分辨率模型的强大功能。...

创建心肌细胞的结构逼真有限元几何模型以研究细胞架构在心肌细胞系统生物学中的作用

本研究基于集总参数法和有限元分析，提出了两种射血分数保留型心力衰竭的计算模型。这些模型用于评估压力超负荷和心室顺应性降低所引起的心室及关联血管系统的血流动力学变化。...

射血分数保留型心力衰竭的集总参数与有限元建模

本方案介绍了一组关于肌节、钙离子及宏观几何结构的 来自主动收缩的心室小梁的数据...

离体心脏小梁收缩过程中的明场、荧光与光学相干断层成像同步观察 Ex Vivo

患者特异性模型在制定或学习手术方案时，能够提高外科医生和进修医生的信心。三维（3D）打印机可生成用于手术准备的足够细节，但无法复制组织的触觉真实感。本文介绍了一种用于制备患者特异性硅胶心脏模型的方案，结合了3D打印的精确性与模拟硅胶组织的特性。...

创建用于术前规划和动手培训的患者特异性硅胶心脏模型

本方案演示了SILICOFCM平台的工作流程，该平台通过应用心脏的多尺度电机械模型，从患者特异性的超声图像中自动构建左心室的参数化模型。in silico...

体外心血管疾病临床试验

精确的心腔内超声心动图（ICE）在评估左心房结构方面表现出显著的准确性，是一种具有前景的心脏结构评估方法。本文提出了一种利用心腔内超声心动图结合快速解剖建模（FAM）导管重建技术进行左心房及肺静脉三维建模的实验方案。...

采用精确的心内超声心动图方法对左心房和肺静脉进行三维建模

基于血管内超声图像的有限元建模方法用于量化人冠状动脉的体内力学特性

本文介绍了一种可重复的方法，通过结合熔融电纺写入（MEW）法制备的聚己内酯（PCL）支架、纤维蛋白水凝胶以及人诱导多能干细胞来源的心肌细胞和成纤维细胞，生成三维心肌组织。该技术可精确控制支架结构，适用于临床前药物筛选和心脏疾病建模。...

利用聚己内酯支架的熔融静电纺丝书写技术与人诱导多能干细胞来源的心脏细胞生成三维人心肌组织

学习利用CT或MRI图像估计患者心脏心室纤维方向的方法，通过变形图谱心脏几何结构实现个性化心脏电生理模拟。该方法经犬类心脏验证，估计结果与实测纤维方向无显著差异，可用于临床心律失常风险评估与治疗方案制定。

基于患者的个性化心脏建模：心室纤维取向的估计

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