In vitro Beurteilung der Aorteninsuffizienz mittels vierdimensionaler Strömungsmagnetresonanztomographie

Die Merkmale von Herzklappenerkrankungen können durch dieses Protokoll identifiziert werden, das sonst durch eine In-vivo-Diagnosestudie schwierig ist. Weiterhin wird in diesem Protokoll die In-vitro-Auswertung der 4D-Durchfluss-MRT demonstriert. Diese Technik kann das zeitaufgelöste 3D-Geschwindigkeitsfeld des in vitro Herzklappenmodells messen.

Dazu gehört die rückwirkende Analyse der Durchflussmenge und des Hubvolumens. Die 4D-Durchfluss-MRT-Messung liefert die Ergebnisse mit Bildern im medizinischen DICOM-Format. Das Verständnis dieser medizinischen Bilder und das Übertragen von Bildern in physische Flussdaten kann jedoch für Anfänger schwierig sein.

Aufgrund des begrenzten Zugangs der MRT für allgemeine Forscher ist das Bewusstsein für die 4D-Durchfluss-MRT-Messung in vielen Bereichen begrenzt. Die visuelle Demonstration dieses Protokolls würde seine Anwendung erhöhen. Bestimmen Sie zunächst die Parameterwerte der Aortenwurzel wie klappenbasierten Durchmesser und Sinusradius.

Führen Sie die dreidimensionale Modellierungssoftware aus, indem Sie auf Skizze klicken, gehen Sie dann zu Werkzeuge, Skizze, Werkzeuge und klicken Sie auf Skizzenbild. Skizzieren Sie Kreise, die dem R-Maximum und R-Minimum entsprechen, indem Sie das Kreiswerkzeug verwenden, um einen Sinusmodus zu erstellen. Zeichnen Sie mit der Funktion "Freie Kurve" eine gekrümmte Linie des Sinus, klicken Sie auf das Loft-Werkzeug und wählen Sie den Skizzenbereich für den Loft aus.

Skizzieren Sie zusätzliche Kreise oben und unten im aktuellen Modell, klicken Sie auf Extrudieren (Extrude), und wählen Sie die Kreise aus. Legen Sie die Optionen auf 20 Millimeter nach unten und 30 Millimeter nach oben fest. Erstellen Sie ein Hexaedermodell auf die gleiche Weise.

Gehen Sie im Menü Einfügen zu Funktionen, wählen Sie Kombinieren und klicken Sie auf Kombinationswerkzeug. Wählen Sie in der Hausverwaltung Subtrahieren aus. Wählen Sie das Hexaedermodell und das Sinusmodell.

Stellen Sie das endgültige Design als Acrylmodell mit einer fünfachsigen CNC-Maschine gemäß den Anweisungen des Herstellers her. Führen Sie die 3D-Modellierungssoftware aus und öffnen Sie eine neue Skizze. Zeichnen Sie manuell ein Quadrat und einen Kreis in der Mitte der Ventilbasis.

Klicken Sie auf das Extrudierwerkzeug und stellen Sie die Höhe des Ventilfußes auf fünf Millimeter ein. Extrudieren Sie den Kreis mit einer Höhe von 23,5 Millimetern und einer Dicke von drei Millimetern. Teilen Sie das Modell mit Linienwerkzeugen in 12 einheitliche Teile, sodass jedes Stück 30 Grad hat.

Wählen Sie drei Stücke mit 120-Grad-Intervallen aus und extrudieren Sie mit einer Höhe von 16,5 Millimetern, um drei Säulen herzustellen. Klicken Sie auf Verrundungswerkzeug und wählen Sie die Säulen aus. Stellen Sie den Verrundungsradius oben und unten auf vier Millimeter bzw. 10 Millimeter ein.

Speichern Sie es in einem STL-Dateiformat. Drucken Sie den Ventilrahmen in 3D, indem Sie die Fülldichte auf 100% einstellen und Acrylnitril-Butadien-Styrol als Filmmaterial verwenden. Führen Sie die 3D-Modellierungssoftware aus und öffnen Sie eine neue Skizze.

Zeichnen Sie eine horizontale Linie von 23 Millimetern und eine vertikale Linie von 15 Millimetern. Klicken Sie im ARC-Befehlsmanager auf das Dreipunkt-ARC-Tool. Setzen Sie zwei Punkte an jedem Ende der horizontalen Linie und den letzten Punkt am Ende der vertikalen Linie und extrudieren Sie die Skizze mit einer Dicke von fünf Millimetern.

Exportieren Sie das Modell im STL-Dateiformat und drucken Sie es aus. Überlappen Sie die ePTFE-Membran in zwei Schichten. Zeichnen Sie die Prospektränder in Abständen von zwei Millimetern mit dem gedruckten Beipackzettel.

Nähen Sie entlang der gezogenen Linien und Seitenränder in einem Millimeterabstand mit einer Polyamidnaht von 0,1 Millimeter Durchmesser. Nähen Sie das ePTFE-Ventil im Abstand von einem Millimeter von oben nach unten auf den Rahmen. Schneiden Sie die Außenseite der Membran ab und nähen Sie sie miteinander.

Nehmen Sie Änderungen für drei verschiedene Modelle vor. Reduzieren Sie für das Dilatationsmodell das Verhältnis der angegebenen Packungsbeilagenparameter auf 90 %Machen Sie ein kreisförmiges Loch von zwei Millimetern Durchmesser mit einer Schere in der Mitte einer Packungsbeilage für das Perforationsmodell. Bei Prolaps fixieren Sie die beiden Kommissare des Ventils an einem Loch mit niedriger Pfostenhöhe.

Bereiten Sie das experimentelle System vor, das aus Aortenmodellen, einer Herzsimulationspumpe und MRT besteht. Stellen Sie die Versuchsmodelle im MRT-Raum ein und verbinden Sie Pumpe, Reservoir und Modelle mit dem Silikonschlauch mit 25 Millimetern Innendurchmesser. Verwenden Sie ein 10 Zentimeter langes Kabel und befestigen Sie die Verbindungsteile, um Leckagen zu vermeiden.

Suchen Sie das Modell im Sichtfeld des MRT. Führen Sie einen Scout-Scan durch, um Phantombilder in den koronalen, axialen und sagittalen Ansichten im MRT-Operationskonsolenmonitor zu beobachten. Suchen Sie die zweidimensionale Bildebene in der Mitte des Aortenmodells.

Führen Sie eine 2D-Phasenkontrastbildgebung mit variabler Geschwindigkeitscodierung durch, um den am besten geeigneten Geschwindigkeitskodierungswert für die 4D-Durchfluss-MRT auszuwählen. Stellen Sie VENC in der 4D-Durchfluss-MRT auf einen um 10 % höheren Wert ein. Geben Sie die gewünschte räumliche Auflösung und die zeitliche Auflösung auf der MRT-Konsole ein.

Für die Aortenströmung betragen diese Werte zwei bis drei Millimeter und 20 bis 40 Millisekunden und erfasste Daten sowohl mit als auch ohne Durchfluss mit den drei Arten von AR-Ventilen und ohne Ventil. Kopieren Sie Rohdatendateien vom Scanner, um die Daten zu analysieren. Sortieren Sie die DICOM-Dateien nach dem Header mit dem Namen series description mit der DICOM-Sortiersoftware.

Klicken Sie in der DICOM-Sortiersoftware auf Bilder sortieren, um Drei-Richtungs-Phasenbilder und Magnitudenbilder in separaten Ordnern zu sortieren. Laden Sie das Magnitudenbild in die ITK-SNAP-Software. Klicken Sie im ITK-SNAP auf Pinsel und malen Sie den internen Flüssigkeitsbereich des Phantoms manuell mit dem Pinselwerkzeug.

Speichern Sie segmentiertes Bild. Optional können Sie beide Phasenbilddaten laden, die mit MATLAB beim Ein- und Ausschalten des Flusses erhalten wurden. Subtrahieren Sie die Daten mit dem Fluss durch die Daten ohne den Fluss, um Hintergrundfehler zu entfernen.

Wiederholen Sie dies für jede Richtung und jeden Herzzyklus. Berechnen Sie die Geschwindigkeit von 5D-Matrixphasendaten mithilfe einer herstellerspezifischen Pixel-zu-Geschwindigkeit-Gleichung. Laden Sie zuvor erhaltene 5D-Matrixgeschwindigkeit in die Analysesoftware für die Strömungsvisualisierung.

Klicken Sie auf das isosurface-Teil, und ändern Sie den Datentyp für die 3D-Analyse, indem Sie auf die Schaltfläche isovolume klicken. Ziehen Sie die Geschwindigkeitsdaten in den Befehlsmanager für Variablen und fügen Sie sie dem Isovolume hinzu, um die Geschwindigkeitsverteilung des Modells zu überprüfen. Klicken Sie im Hauptmenü auf das Werkzeug Partikelspuren-Emitter.

Überprüfen Sie die erweiterte Option für eine genauere Analyse. Wählen Sie die gewünschte Visualisierung aus, z. B. Stromlinien oder Pfadlinien in der Erstellung. Legen Sie die Werte für das Experiment fest.

Erstellen und überprüfen Sie die Ergebnisse im Laufe der Zeit. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Partikelspurenmodell, und klicken Sie auf die Farbe nach. Wählen Sie die Geschwindigkeitskomponente aus, um die Stromlinie mit der Geschwindigkeit zu färben.

Laden Sie die zuvor erhaltenen Geschwindigkeitsdaten und segmentierten Bilder auf MATLAB. Setzen Sie die Geschwindigkeit außerhalb des Segmentierungsbereichs auf Null, indem Sie die segmentierte Matrix und die Geschwindigkeitsmatrixdaten elementweise multiplizieren. Überprüfen Sie mit der Bildshow-Funktion von MATLAB, ob die Geschwindigkeitsdaten über einen Phasenumbruch verfügen.

Die Inversion der Geschwindigkeitsrichtung zeigt eine Phasenumhüllung an. Segmentieren Sie die gewünschte Ebene der Matrixdaten. Summieren Sie alle Geschwindigkeitsdaten innerhalb der Ebene und multiplizieren Sie die räumliche Auflösung, um die Durchflussrate durch die Ebene zu berechnen.

Addieren Sie alle Durchflussraten während des Herzzyklus und multiplizieren Sie die zeitliche Auflösung, um das Schlagvolumen zu berechnen. Die Abbildung zeigt die Ergebnisse der 4D-Strömungs-MRT, die normale und Regurgitationsstrahlen während der Systole und Diastole rationalisiert. Es kann beobachtet werden, dass ohne Ventil eine allgemeine Vorwärts- und Rückwärtsströmung auftrat.

Der aufdringliche Strahl des Dilatationsmodells kam aus dem Zentrum und neigte dazu, im Laufe der Zeit die Richtung zu ändern. Auch der Vorwärtsstrahl war in allen Modellen mit Ausnahme des Perforationsmodells gerade. Ein wandverzerrter Strahl während der Systolephase trat im Perforationsmodell auf.

Darüber hinaus neigte sich der Perforations- und Prolapsmodell-Regurgitant-Jet zur Wand. Die Abbildung zeigt die Durchflussrate für jedes Ventil und die Vorwärts- und Regurgitationsvolumina in einer 3D-Ebene weg von der Ventilbasis. Die Durchflussraten zeigten für jedes Modell unterschiedliche Wellenformen und Größen.

Im Allgemeinen deuten die positiven Prozentwerte auf eine Unterschätzung hin, während die negativen Prozentwerte eine Überschätzung darstellen. Nach diesem Protokoll können Forscher verschiedene In-vitro-Herzklappen herstellen, einschließlich Stenose-Herzklappen und Regurgitations-Herzklappen. Auch die Hämodynamik in diesen Ventilen kann untersucht werden.

Diese Technik untersuchte die In-vitro-Herstellung von erkrankten Herzklappen und 4D-Flow-MRT-Demonstrationen.