Paziente-specifica modellazione del Cuore: Stima di orientamento delle fibre ventricolari

Lo scopo del seguente esperimento è quello di stimare l'orientamento delle fibre del cuore di un paziente per simulazioni personalizzate di elettrofisiologia cardiaca perché attualmente non è possibile acquisire clinicamente l'orientamento delle fibre cardiache. Ciò si ottiene deformando la geometria del cuore di un atlante in modo che corrisponda alla geometria del cuore del paziente disponibile da un'immagine TC clinica o MRI come seconda fase. Il campo di deformazione geometrica viene utilizzato per trasformare gli orientamenti delle fibre dell'atlante, che quindi genera una stima degli orientamenti delle fibre cardiache del paziente.

Successivamente, utilizzando cuori canini le cui orientamenti delle fibre sono misurate in modo non clinico utilizzando il tensore di diffusione, la risonanza magnetica, la tecnica all'avanguardia, gli orientamenti stimati delle fibre vengono confrontati con quelli acquisiti al fine di convalidare la metodologia proposta. I risultati ottenuti mostrano che gli orientamenti stimati delle fibre corrispondono strettamente a quelli acquisiti e non ci sono differenze significative tra i risultati delle simulazioni elettrofisiologiche con gli orientamenti stimati e acquisiti delle fibre a livello clinicamente osservabile. Questa ricerca dimostra quantitativamente che, in assenza di tensore di diffusione, gli orientamenti delle fibre miocardiche MRI dei ventricoli normali e falliti possono essere stimati da immagini in vivo delle loro geometrie per l'uso in simulazioni di elettrofisiologia cardiaca.

La stima dell'orientamento delle fibre cardiache del paziente è essenziale per la nostra capacità di costruire modelli specifici per il paziente della funzione cardiaca. Questi modelli cardiaci specifici per il paziente possono essere utilizzati per prevedere il rischio di aritmia nei pazienti con malattie cardiache o per guidare interventi che possono essere utilizzati per trattare i disturbi del ritmo cardiaco. Sebbene dimostriamo che questo può essere utilizzato per la modellazione elettrofisiologica specifica del paziente, può essere applicato anche per la modellazione elettromeccanica personalizzata.

Inizia a stimare l'orientamento delle fibre del cuore di un soggetto acquisendo prima la risonanza magnetica strutturale e la risonanza magnetica del tensore di diffusione o D-T-M-R-I. Immagini di un normale cuore umano adulto in diastole. Acquisire le immagini ad una risoluzione di un millimetro cubo.

Quindi utilizzare l'immagine J per estrarre il miocardio ventricolare dall'immagine strutturale dell'atlante. A tale scopo, è possibile installare tende chiuse attraverso una serie di punti di riferimento lungo i confini epicardici ed endocardici. Per ogni fetta dell'asse corto, eseguire manualmente il posizionamento dei punti di riferimento.

Per ogni 10 sezioni nell'immagine, ottieni i punti di riferimento per le sezioni rimanenti interpolando linearmente i punti identificati manualmente utilizzando matlab. Successivamente, ricostruisci gli orientamenti delle fibre del cuore dell'atlante calcolando i vettori iGen primari dei tensori di diffusione nell'immagine DT MRI. Una volta definita la geometria del cuore dell'atlante, acquisire un'immagine della geometria del cuore del paziente in diastole utilizzando la TC o la risonanza magnetica cardiaca in vivo per ricostruire la geometria del cuore del paziente dall'immagine in modo simile al modo in cui è stato costruito l'atlante.

Assicurarsi che la risoluzione della geometria ricostruita sia di un millimetro cubo regolando il numero di sezioni per le quali i punti di riferimento vengono selezionati manualmente e l'intervallo di interpolazione fuori dal piano. Quindi, deformare l'immagine ventricolare dell'atlante mostrata in magenta in modo che corrisponda all'immagine della geometria del paziente mostrata in rosso in due passaggi. Nel primo passaggio, eseguire una trasformazione aine basata su un set di 13 punti di riferimento descritti nel protocollo.

Nella seconda fase, deformare ulteriormente i ventricoli atlari trasformati INE per adattarli alla geometria del paziente utilizzando la mappatura metrica dimorfica a grande deformazione o L-D-D-M-M. Successivamente, trasforma l'immagine DT MRI dell'atlante. A tale scopo, riposizionare le trincee dell'immagine e riorientare i tensori di diffusione.

In base alla matrice di trasformazione acquisita dal matching AINE e al campo di deformazione durante la trasformazione L-D-D-M-M, il riorientamento dei tensori di diffusione deve essere eseguito utilizzando la conservazione delle direzioni principali o il metodo PPD. Infine, ottenere una stima dell'orientamento delle fibre del paziente dall'immagine MRI GT dell'atlante morphed calcolando il vettore iGen primario dei tempi di diffusione. Al fine di misurare l'errore di stima, acquisire prima la risonanza magnetica strutturale ex vivo e la risonanza magnetica DT di sei cuori canini normali e tre falliti ad alta risoluzione.

Segmentare i ventricoli dai cuori canini in modo simile a quelli del cuore dell'atlante umano, come descritto nella sezione precedente, denotano i ventricoli segmentati dai normali cuori canini come cuori da uno a sei e quelli dai cuori canini falliti come cuore da sette a nove. Quindi usa ciascuno dei cuori da due a sei come atlante per ottenere cinque diverse stime dell'orientamento delle fibre ventricolari del cuore. Successivamente, si stimano gli orientamenti delle fibre per ciascuno dei ventricoli difettosi dal cuore sette, otto e nove, utilizzando il cuore uno come atlante per tutti i punti dati in ciascun insieme di fibre stimate, gli orientamenti calcolano l'errore di stima dove theta E e theta A sono gli angoli di inclinazione degli orientamenti delle fibre stimati e acquisiti in quel punto rispettivamente dal cuore.

Un costrutto sei modelli costruiscono il primo modello con la risonanza magnetica DT ha acquisito gli orientamenti delle fibre del cuore uno e i modelli da due a sei con gli orientamenti stimati delle fibre, i set di dati del cuore, uno per ciascuno dei tre. Le geometrie cardiache in difetto costruiscono due modelli ventricolari, uno con l'orientamento delle fibre acquisito dalla DT MRA e l'altro con gli orientamenti delle fibre stimate. In questo caso, la risoluzione spaziale dei modelli dovrebbe essere di 600 micron.

Il prossimo significa i modelli di insufficienza cardiaca. Con DT MRI le fibre acquisite come modelli da sette a nove e quelle con fibre stimate come modelli da 10 a 12 nei modelli. Utilizzare la rappresentazione monodominio per descrivere il tessuto cardiaco utilizzando l'equazione di governo mostrata qui e descritta in dettaglio nel protocollo di testo utilizzando il pacchetto software carp by cardio solve, simulare il ritmo sinusale con tutti i modelli utilizzando le intuizioni PACE come mostrato qui, sovrapposto al cuore sette.

Successivamente, indurre la tachicardia ventricolare rientrante nei sei modelli falliti utilizzando un protocollo di stimolazione S uno S due con posizioni degli elettrodi come illustrato qui per ottenere ciò, scegliere la tempistica tra S uno e S due per ottenere un'attività di tachicardia ventricolare sostenuta per due secondi dopo il parto S due. Se la tachicardia ventricolare non viene indotta per nessuna temporizzazione S uno S due, ridurre la conduttività fino al 70% fino a quando non viene indotta la tachicardia per ogni simulazione. Calcola gli pseudo ECG prendendo la differenza dei potenziali extracellulari tra due punti vicino alla base del cuore.

I punti sono separati da 18 centimetri in modo tale che la linea che li collega sia perpendicolare al piano dell'apice di base del setto, come illustrato da E uno ed E, due per ogni simulazione con gli orientamenti stimati delle fibre, calcola la metrica pazza utilizzando la formula mostrata qui, dove X è la forma d'onda ECG degli orientamenti stimati delle fibre. Y è la forma d'onda ECG degli orientamenti delle fibre acquisite. X meno è il valore medio di x.

Y meno è il valore medio di Y, e poi è la lunghezza di X e Y Qui sono mostrate le visualizzazioni semplificate di un cuore sano e malato mostrate con l'orientamento stimato delle fibre mostrato come fibre ciano e gli orientamenti delle fibre acquisite dalla risonanza magnetica DT mostrati in giallo. Guardando più da vicino, è possibile vedere l'allineamento simile tra gli orientamenti delle fibre acquisiti e stimati. La differenza negli angoli di inclinazione tra le fibre acquisite e quelle stimate è più facilmente visibile in un modello di distribuzione 3D che utilizza il colore per rappresentare l'angolo medio di errore di stima.

La barra dei colori varia da zero gradi a 175 gradi da questi dati. Un istogramma che mostra il numero di voxel ad ogni grado di errore viene tracciato sia per il cuore normale che per quello in insufficienza cardiaca. Questi risultati mostrano che gli angoli di inclinazione della fibra prevista, gli orientamenti dei cuori normali e in difetto sono paragonabili a quelli acquisiti dalla risonanza magnetica DT ex vivo.

Le mappe di attivazione simulate vengono quindi utilizzate per confrontare gli orientamenti delle fibre acquisiti e stimati rispetto alla propagazione del segnale elettrico in tutto il cuore. Il colore rappresenta il tempo di attivazione come descritto dalla legenda dei colori. La mappa di attivazione a sinistra è per la simulazione del ritmo sinusale con il modello uno che rappresenta gli orientamenti delle fibre acquisite, mentre quelle a destra sono per le simulazioni del ritmo sinusale.

Con i modelli da due a sei che rappresentano gli orientamenti stimati delle fibre. Quando si calcola la media delle mappe di attivazione corrispondenti agli orientamenti stimati delle fibre, la differenza media complessiva tra esse e il modello uno è minima. Gli pseudo ECG delle simulazioni del ritmo sinusale con il modello uno e il modello tre mostrano morfologie identiche e risultano in un punteggio MAD basso di appena il 4,14%Allo stesso modo, quando si confrontano le mappe di attivazione delle simulazioni del ritmo sinusale con gli orientamenti delle fibre acquisite e stimate dei cuori malati, sono stati osservati bassi punteggi MAD.

Il punteggio MAD variava da 3,8 nel cuore, sette a 6,1 nel cuore nove. Ciò rappresenta un'elevata correlazione tra gli orientamenti delle fibre acquisiti e quelli stimati Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in poche ore se eseguita correttamente Seguendo questa procedura. La stima dell'orientamento delle fibre può essere eseguita in cuori con cardiomiopatia ischemica al fine di testare l'efficacia del metodo in presenza di infarto del miocardio.

Lo sviluppo di questa tecnica apre la strada alla traduzione di simulazioni al computer della funzione cardiaca dalla scienza di base alla clinica, dove possono essere utilizzate al letto del paziente per guidare gli interventi per il trattamento dei disturbi del ritmo cardiaco.