במבחנה הערכה של רגורגיטציה של אבי העורקים באמצעות הדמיית תהודה מגנטית של זרימה ארבע-ממדית
25 בפברואר 2022
רגורגיטציה של אבי העורקים היא מחלת לב מסתם אבי העורקים. כתב יד זה מדגים כיצד הדמיית תהודה מגנטית של זרימה ארבע-ממדית יכולה להעריך רגורגיטציה של אבי העורקים באמצעות מסתמי לב במבחנה המחקים את הרגורגיטציה של אבי העורקים.
המאפיינים של מחלות valvular ניתן לזהות באמצעות פרוטוקול זה, אשר אחרת קשה באמצעות מחקר אבחון in vivo. יתר על כן, ההערכה במבחנה של MRI זרימה 4D מודגמת בפרוטוקול זה. טכניקה זו יכולה למדוד את שדה המהירות התלת-ממדית שנפתר בזמן של מודל מסתם הלב במבחנה.
זה כולל ניתוח של קצב הזרימה ונפח השבץ בדיעבד. מדידת MRI של זרימה 4D מספקת את התוצאות עם תמונות בפורמט רפואי DICOM. עם זאת, הבנת התמונות הרפואיות הללו והעברת תמונות לנתוני זרימה פיזיים עשויים להיות קשים למתחילים.
בשל הגישה המוגבלת של MRI לחוקרים כלליים, המודעות למדידת MRI של זרימה 4D מוגבלת בתחומים רבים. הדגמה חזותית של פרוטוקול זה תגביר את היישום שלה. כדי להתחיל, קבע את ערכי הפרמטרים של שורש אבי העורקים כגון קוטר מבוסס שסתום ורדיוס סינוסים.
הפעל את תוכנת המידול התלת-ממדית על-ידי לחיצה על סקיצה, ולאחר מכן עבור אל כלים, סקיצה, כלים ועבור לחץ על תמונת סקיצה. שרטוט עיגולים המתאימים ל-R מקסימום ו-R מינימום באמצעות כלי העיגול כדי ליצור מצב סינוס. ציירו קו מעוקל של הסינוס באמצעות פונקציית העקומה החופשית, לחצו על כלי הלופט ובחרו את אזור הסקיצה ללופט.
שרטטו עיגולים נוספים בחלק העליון והתחתון של הדגם הנוכחי, לחצו על הכלי Extrude ובחרו את העיגולים. הגדר את האפשרויות כ- 20 מילימטרים כלפי מטה ו- 30 מילימטרים כלפי מעלה. הפוך מודל הקסהדרון באותו אופן.
מתפריט ההוספה, עבור אל תכונות, בחר לשלב ולחץ על כלי שילוב. בחר חיסור במנהל הנכסים. בחר את מודל הקסהדרון ואת מודל הסינוס.
צרו את העיצוב הסופי כדגם אקריליק עם מכונת CNC בעלת חמישה צירים בהתאם להוראות היצרן. הפעל תוכנת מידול תלת-ממדית ופתח סקיצה חדשה. ציירו ידנית ריבוע ועיגול במרכז בסיס השסתום.
לחץ על כלי האקסטרודה והתאם את גובה בסיס השסתום לחמישה מילימטרים. מוציאים את העיגול לגובה של 23.5 מילימטרים ולעובי של שלושה מילימטרים. חלקו את המודל ל-12 חלקים אחידים באמצעות כלי קו, כך שלכל יצירה יהיו 30 מעלות.
בחר שלושה חלקים עם מרווחים של 120 מעלות והבלט בגובה של 16.5 מילימטרים כדי ליצור שלושה עמודים. לחץ על כלי פילה ובחר את העמודים. התאם את רדיוס הפילה בחלק העליון והתחתון כארבעה מילימטרים ו-10 מילימטרים בהתאמה.
שמור אותו בתבנית קובץ STL. הדפסה תלת-ממדית של מסגרת השסתום על-ידי הגדרת צפיפות המילוי ל-100% ושימוש באקילוניטריל בוטאדיאן סטירן כחומר פילם. הפעל את תוכנת המידול התלת-ממדית ופתח סקיצה חדשה.
ציירו קו אופקי של 23 מילימטרים וקו אנכי של 15 מילימטרים. לחץ על כלי ARC בעל שלוש נקודות ממנהל הפקודות של ARC. הגדר שתי נקודות בכל קצה של הקו האופקי ואת הנקודה האחרונה בקצה הקו האנכי והבלט את הסקיצה בעובי של חמישה מילימטרים.
ייצא את הדגם עם תבנית קובץ STL והדפס אותו. חופפים את קרום ה-ePTFE בשתי שכבות. ציירו את גבולות העלון במרווחים של שני מילימטרים באמצעות העלון המודפס.
תפר לאורך הקווים המצוירים וגבולות הצד במרווחים של מילימטר אחד עם תפר פוליאמיד בקוטר 0.1 מילימטר. תפר את שסתום ה- ePTFE מלמעלה למטה על המסגרת במרווחים של מילימטר אחד. חותכים את הצד החיצוני של הממברנה ותופרים אותם זה עם זה.
בצע שינויים עבור שלושה דגמים שונים. עבור מודל ההתרחבות, הפחיתו את היחס בין פרמטרי העלון המיועדים ל-90%צרו חור עגול בקוטר של שני מילימטרים באמצעות מספריים במרכז עלון אחד עבור מודל הניקוב. עבור צניחה, לתקן את שני commissuresures של השסתום בחור עם גובה פוסט נמוך.
הכינו את מערכת הניסוי המורכבת ממודלים של אבי העורקים, משאבת סימולציה של לב ו-MRI. הגדר את מודלי הניסוי בחדר ה- MRI וחבר את המשאבה, המאגר והמודלים באמצעות צינור הסיליקון בקוטר פנימי של 25 מילימטרים. השתמש בכבל באורך 10 ס"מ והידק את חלקי החיבור כדי למנוע דליפה.
אתר את המודל בתוך שדה הראייה של ה-MRI. בצע סריקת סקאוט כדי לצפות בתמונות פנטום בתצוגות קורונל, ציריות וסגיטליות במוניטור מסוף ההפעלה MRI. אתר את מישור התמונה הדו-ממדי במרכז מודל אבי העורקים.
הפעל פרמטר קידוד מהירות משתנה הדמיית ניגודיות פאזה דו-ממדית כדי לבחור את ערך קידוד המהירות המתאים ביותר עבור MRI של זרימה 4D. הגדר את VENC לערך גבוה יותר ב-10% ב-MRI של זרימה 4D. הזן את הרזולוציה המרחבית הרצויה ואת הרזולוציה הטמפורלית בקונסולת ה- MRI.
עבור זרימה אבי העורקים, ערכים אלה הם שניים עד שלושה מילימטרים ו-20 עד 40 אלפיות השנייה ונתונים נרכשים עבור שניהם עם ובלי זרימה באמצעות שלושת הסוגים של שסתומי AR וללא שסתום. העתק קבצי נתונים גולמיים מהסורק כדי לנתח את הנתונים. מיין את קבצי DICOM לפי הכותרת בשם תיאור הסדרה באמצעות תוכנת המיון DICOM.
לחץ על מיון תמונות בתוכנת מיון DICOM כדי למיין תמונות פאזה תלת-כיווניות ותמונות גודל בתיקיות נפרדות. טען תמונת גודל לתוך תוכנת ITK-SNAP. לחץ על מברשת ב- ITK-SNAP וצבע באופן ידני את אזור הנוזל הפנימי של הפנטום באמצעות כלי המברשת.
שמור תמונה מפולחת. לחלופין, טען את נתוני התמונה בשני השלבים המתקבלים עם הזרימה מופעלת ומכובה באמצעות MATLAB. הפחת את הנתונים עם הזרימה על-ידי הנתונים ללא הזרימה כדי להסיר שגיאות רקע.
חזרו על כך לכל כיוון ומחזור לב. חשב את המהירות של נתוני פאזה של מטריצה 5D באמצעות משוואת פיקסל-למהירות ספציפית לספק. טען שהתקבלה בעבר מהירות מטריצה 5D לתוכנת ניתוח הדמיית זרימה.
לחץ על החלק isosurface ושנה את סוג הנתונים לניתוח תלת מימד על ידי לחיצה על כפתור isovolume. גרור את נתוני המהירות במנהל פקודות המשתנים והוסף אותם לאיזובולום כדי לבדוק את התפלגות המהירות של המודל. לחץ על כלי פולטים של מעקב אחר חלקיקים בתפריט הראשי.
בדוק את האפשרות המתקדמת לניתוח מדויק יותר. בחר את התצוגה החזותית הרצויה, כגון ייעול או קווי נתיב ביצירה. הגדר את הערכים עבור הניסוי.
צור ובדוק את התוצאות לאורך זמן. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על מודל המעקב אחר חלקיקים ולחץ על הצבע לפי. בחר את רכיב המהירות כדי לצבוע את היעילות עם המהירות.
טען את נתוני המהירות והתמונה המפולחת שהתקבלה בעבר ב- MATLAB. הגדר את המהירות מחוץ לאזור הסגמנטציה לאפס על ידי הכפלת אלמנט חכם המטריצה המפולחת ונתוני מטריצת המהירות. בדוק אם נתוני המהירות כוללים גלישת פאזה באמצעות פונקציית הצגת התמונה של MATLAB.
היפוך כיוון המהירות מציין גלישת פאזה. פרוס את המישור הרצוי של נתוני המטריצה. לסכם את כל נתוני המהירות בתוך המישור ולהכפיל את הרזולוציה המרחבית כדי לחשב את קצב הזרימה דרך המישור.
סכם את כל קצבי הזרימה לאורך מחזור הלב והכפל את הרזולוציה הטמפורלית כדי לחשב את נפח השבץ. האיור מראה את התוצאות של MRI זרימה 4D אשר מייעל סילוני תקינה ורגורגיטציה במהלך סיסטול ודיאסטולה. ניתן לראות כי ללא שסתום, התרחשה זרימה כוללת קדימה ואחורה.
הסילון הרגורגיטנטי של מודל ההתרחבות יצא מהמרכז ונטה לשנות כיוון עם הזמן. כמו כן, הסילון הקדמי היה ישר בכל הדגמים למעט מודל הניקוב. סילון מוטה דופן במהלך שלב הסיסטולה התרחש במודל הניקוב.
יתר על כן, מטוס הניקוב והצניחה נשען לעבר הקיר. האיור מציג את קצב הזרימה של כל שסתום ואת הנפחים הקדמיים והרגורגיטנטיים במישור תלת-ממדי הרחק מבסיס השסתום. קצבי הזרימה הראו צורות גל וכמויות שונות עבור כל מודל.
באופן כללי, ערכי האחוזים החיוביים מצביעים על הערכת חסר, בעוד שערכי האחוזים השליליים מייצגים הערכת יתר. בעקבות פרוטוקול זה, חוקרים יכולים לייצר מסתמי לב שונים במבחנה, כולל שסתומי לב היצרות ומסתמי לב רגורגיטציה. כמו כן, המודינמיקה בשסתומים אלה ניתן לחקור.
טכניקה זו בחנה ייצור חוץ גופי של מסתמי לב חולים והדגמות MRI של זרימה 4D.
סקירה כללית
מחקר זה מדגים את השימוש בדימות תהודה מגנטית של זרימה תלת-ממדית עם זמן (4D flow MRI) להערכת רגרגיטציה של מסתם האביאל באמצעות מודלים של מסתמי לב in vitro. הפרוטוקול מפרט את השלבים ליצירה ולניתוח של מודלים אלו, ומספק תובנות לגבי מאפייני מחלות מסתמיות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- דימות קרדיו-וסקולרי
- מחלות מסתמי הלב
- דימות תהודה מגנטית (MRI)
רקע
- אי-ספיקה של המסתם האורטלי היא הפרעה משמעותית של מסתמי הלב.
- מחקרים במערכות in vitro יכולים לספק תובנות מפורטות שייתכן ומחקרים במערכות in vivo אינם מצליחים ללכוד.
- בדיקת MRI מסוג 4D flow מאפשרת ניתוח מקיף של דינמיקת זרימת הדם.
- הבנת נתוני MRI עלולה להיות מאתגרת עבור חוקרים.
מטרת המחקר
- להערכת רגורגיטציה אאורטלית באמצעות טכניקות דימוי מתקדמות.
- להעמקת ההבנה של מחלות מסתמים באמצעות מודלים in vitro.
- לספק פרוטוקול מפורט המאפשר לחוקרים לשחזר את המחקר.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- יצירת מודלים תלת-ממדיים של מסתמי לב באמצעות תוכנת CAD.
- ייצור מודלים באמצעות עיבוד שבבי ב-CNC והדפסה תלת-ממדית.
- הקמת מערכת ניסויית הכוללת משאבת סימולציית לב ו-MRI.
- ניתוח של דינמיקת זרימה באמצעות 4D flow MRI ועיבוד תמונות DICOM.
תוצאות עיקריות
- יצירה מוצלחת של מודלים של מסתמי לב in vitro.
- דינמיקה מפורטת של הזרימה תועדה באמצעות 4D flow MRI.
- פותחו טכניקות לעיבוד נתונים לצורך ניתוח תוצאות ה-MRI.
- התקבלו תובנות לגבי המאפיינים של רגורגיטציה אאורטלית.
מסקנות
- הפרוטוקול מספק משאב בעל ערך לחקר רגורגיטציה של אבי העורקים.
- 4D flow MRI הוא כלי יעיל להערכה של מחלות מסתמים.
- מודלים in vitro יכולים להגביר את ההבנה של מצבים קרדיווסקולריים מורכבים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
הערכה כמותית של רגורגיטציה אאורטלית באמצעות MRI זרימה ארבע-ממדי (4D flow MRI) במודלים הנדסיים in vitro נותנת מענה לפער קריטי בתיקוף של ביומרקרים מבוססי דימות לפיתוח תרופות ומכשירים קרדיווסקולריים. גישה זו מאפשרת מדידה מדויקת של דינמיקת זרימת הרגורגיטציה, ובכך תומכת בהסרת סיכונים מנגנונית ובביטחון חיזוי בשלבים מוקדמים של מחקר קרדיווסקולרי. יכולת ההתאמה של הפלטפורמה לסימולציה של פתולוגיות מסתמיות מגוונות מגבירה את ערכה לשילוב בpipeline תרגומי ולסטנדרטיזציה בין מחקרים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של מנגנונים המודינמיים העומדים בבסיס תפקוד לקוי של מסתמים במערכת מבוקרת.
- תומך בתיקוף פונקציונלי של ביו-מרקרים של דימות עבור מודלים של מחלות קרדיווסקולריות.
- מסייע בהפחתת סיכונים מנגנונית על ידי בידוד פתולוגיות ספציפיות של מסתמים וכימות השפעתן על הזרימה.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay)
- מספק פלטפורמה ש可חזרה in vitro לסטנדרטיזציה של בדיקות דימות מבוססות זרימה.
- מייצר נתונים כמותיים של נפח ומהירות לצורך כיול ותיקוף של הבדיקה.
- מאפשר ביצוע Benchmarking של רצפי MRI או פרוטוקולי דימות חדשים ליישומים קרדיווסקולריים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מסנכרן מדידות זרימה in vitro עם פיתוח ביומרקרים תרגומיים עבור מחקרים קרדיווסקולריים פרה-קליניים.
- תומך ברציפות משלב הדימות הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני, על ידי אפשור השוואה ישירה של פלטי הדימות אל נתוני זרימה המהווים את ה-ground truth.
- מפחית את הסיכון התרגומי באמצעות אספקת מערכת ניתנת לשינוי לסימולציה של המודינמיקה רלוונטית למחלה.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
פלטפורמה זו ל-4D flow MRI in vitro מגשרת בין שלבי הגילוי המוקדמים, פיתוח בדיקות ומחקר תרגומי במסלולי מו"פ של מחקרים קרדיו-וסקולריים.
- ביולוגיה של הגילוי: מאפשרת בדיקת השערות לגבי השפעות פתולוגיות של מסתמים על זרימה ורגורגיטציה.
- סריקה: מבצעת סטנדרטיזציה של תוצרי דימות כמותיים לצורך מוכנות הבדיקה ושחזוריות.
- אנליטיקה: מספקת מדידות נפח ומהירות להשוואה סטטיסטית חסונה בין מודלים.
- מחקר תרגומי: מסייעת בהתאמה של סממנים ביולוגיים של דימות עם נקודות סוף פרה-קליניות במודלים של מחלות קרדיווסקולריות.
- שימוש חוזר ארגוני: מציעה פלטפורמה גמישה וניתנת לשינוי לצורך תיקוף שוטף של טכנולוגיות דימות ומודלים של מחלות.
השפעה תפעולית ועסקית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית במחקרי דימות קרדיווסקולרי.
- ערך תפעולי: מספק תהליכי עבודה של דימוי in vitro סטנדרטיים, הניתנים לשחזור וניתנים להרחבה.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת ההחלטות מסוג go/no-go ואת היעילות ההונית על ידי מתenable של הפחתת סיכונים מוקדמת של ביומרקרים של דימוי.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים של תוכניות פיתוח מכשירים ודימוי קרדיווסקולרי.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במידול תלת-ממדי, תפעול MRI וניתוח כמותי של תמונות.
- מחייב גישה לתשתית דימות וייצור התואמת ל-MRI.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית של פרמטרי הדימות וזרימות העבודה לניתוח נתונים.
- ניתן להתאמה לסימולציה של פתולוגיות מסתמיות שונות ותנאי זרימה לצורך מידול מחלות רחב יותר.
- בחירה קפדנית של פרמטרי הדימות היא קריטית לצמצום הטיות במדידה ולהבטחת דיוק כמותי.
שאלות נפוצות בתחומי הביופארמה
Chapters in this video
0:04
Introduction
1:08
Aortic Root Model Fabrication
2:32
Valve Frame 3D Printing
3:42
Aortic Regurgitation Model Using Expanded Polytetrafluoroethylene (ePTFE)
5:12
MRI Scan and Parameter Selection
6:35
Data Sorting and Correction
7:45
Visualization and Quantification
9:35
Results: Streamline Visualization, Flow Rate, and Stroke Volume Calculations
10:38
Conclusion
