Artykuł metodologiczny

Rekonstrukcje anatomiczne układu żylnego serca człowieka z wykorzystaniem kontrastowej tomografii komputerowej próbek z utrwaloną perfuzją

DOI:

10.3791/50258

⸱

18 kwietnia 2013

 ,  , 
1Department of Surgery, University of Minnesota , 2Department of Biomedical Engineering, University of Minnesota , 3Department of Biology, University of Minnesota , 4Department of Integrative Biology & Physiology, University of Minnesota , 5Institute for Engineering in Medicine, University of Minnesota

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Celem tych badań jest odtworzenie, a następnie dostęp do anatomii ludzkiego układu żylnego serca za pomocą rekonstrukcji 3D wygenerowanych na podstawie tomografii komputerowej z kontrastem.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Szczegółowe zrozumienie złożoności i względnej zmienności w ludzkim układzie żylnym serca jest kluczowe dla rozwoju urządzeń kardiologicznych, które wymagają dostępu do tych naczyń. Na przykład anatomia żył sercowych jest znana jako jedno z kluczowych ograniczeń dla prawidłowego dostarczania terapii resynchronizującej serca (CRT)1 Dlatego opracowanie bazy danych parametrów anatomicznych dla ludzkich układów żylnych serca może pomóc w projektowaniu urządzeń do dostarczania CRT w celu przezwyciężenia takiego ograniczenia. W tym projekcie badawczym parametry anatomiczne uzyskano z rekonstrukcji 3D układu żylnego przy użyciu oprogramowania do obrazowania i modelowania tomografii komputerowej z kontrastem (CT) (Materialise, Leuven, Belgia). Dla każdej żyły oceniano następujące parametry: długość łuku, krętość, kąt rozgałęzienia, odległość do ujścia zatoki wieńcowej oraz średnicę naczynia.

CRT to potencjalna metoda leczenia dla pacjentów z dyssynchronizacją elektromechaniczną. Około 10-20% pacjentów z niewydolnością serca może odnieść korzyści z CRT2. Dyssynchronizacja elektromechaniczna oznacza, że części mięśnia sercowego aktywują się i kurczą wcześniej lub później niż normalna ścieżka przewodzenia serca. W CRT niesynchroniczne obszary mięśnia sercowego są leczone stymulacją elektryczną. Stymulacja CRT zazwyczaj obejmuje elektrody stymulacyjne, które stymulują prawy przedsionek (RA), prawą komorę (RV) i lewą komorę (LV) w celu wytworzenia bardziej zsynchronizowanych rytmów. Elektroda lewej dawki jest zwykle wszczepiana do żyły sercowej w celu nałożenia jej w miejsce ostatniej aktywacji mięśnia sercowego.

Wierzymy, że uzyskane modele i ich analizy przyczynią się do rozwoju edukacji anatomicznej pacjentów, studentów, klinicystów i projektantów urządzeń medycznych. Zastosowane tu metodologie można również wykorzystać do badania innych cech anatomicznych naszych próbek ludzkiego serca, takich jak tętnice wieńcowe. Aby jeszcze bardziej podkreślić wartość edukacyjną tych badań, udostępniliśmy modele żylne na naszej stronie internetowej: www.vhlab.umn.edu/atlas.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Procedura

Tabela 1 podsumowuje materiały użyte podczas procesu. Rysunek 1 przedstawia ogólny zarys tego procesu.

1. Przygotowanie próbki i skanu

  1. Uzyskaj świeże izolowane ludzkie serca, a następnie perfuzję, utrwal je w 10% buforowanej formalinie w stanie rozkurczowym.
  2. Opłucz serca do skanowania w wodzie dzień przed skanowaniem, aby usunąć większość formaliny.
  3. Przed udaniem się do skanera należy wprowadzić kaniulację żyły zatoki wieńcowej (CS) w każdym sercu za pomocą cewnika balonowego Venogram. Uzyskaj dostęp do CS przez żyłę główną górną lub dolną pod bezpośrednią wizualizacją lub za pomocą wideoskopów.
  4. Po umieszczeniu na miejscu napompuj balon tego cewnika Venogram, aby zakotwiczyć cewnik w CS.
  5. Umieść każde serce w zamykanym pojemniku polimerowym na gąbce, która została zaprojektowana tak, aby serce mogło siedzieć w swojej prawidłowej pozycji anatomicznej.

2. Tomografia komputerowa

  1. Umieść dane serce na łóżku tomografu komputerowego tak, jakby pacjent leżał na wznak i głową do przodu na skanerze.
  2. Podłączyć proksymalny koniec cewnika Venogram do wstrzykiwacza zawierającego dwie strzykawki do wstrzykiwań: jedną z kontrastem, a drugą z solą fizjologiczną.
  3. Automatycznie wstrzyknąć 40 ml kontrastu do układu żylnego serca z prędkością 5 ml/s.
  4. Tomografia komputerowa serca wykonuje się 8 sekund po rozpoczęciu iniekcji kontrastowej. Ustaw tomografię komputerową na rozdzielczość 512 x 512 pikseli z grubością warstwy 0,6 mm.
  5. Automatycznie wstrzyknąć 40 ml soli fizjologicznej do układu żylnego serca z prędkością 5 ml/s, aby wypłukać kontrast.
  6. Wyeksportuj obrazy CT dicom na zewnętrzny dysk twardy.

3. Rekonstrukcja i pomiary

  1. Prześlij obrazy CT dicom do oprogramowania Mimics Software.
  2. Wygeneruj maskę dla obrazów CT, która zawiera tylko piksele z wysokimi jednostkami Hounsfielda, aby podkreślić tylko kontrast obecny w sercu.
  3. Usuń kontrast, który przeciekł do komór lub dyfundował do tkanki, tak aby maska zawierała kontrast tylko w głównych żyłach serca.
  4. Ręcznie wypełniaj kieszenie powietrzne w obrębie danej żyły klatka po klatce.
  5. Wygeneruj obiekt 3D z wynikowej maski.
  6. Wygładź i zawiń ten obiekt, aby wyeliminować szorstkie geometrie. Film 1 przedstawia jeden z tych modeli 3D obracających się w przestrzeni.
  7. Generuj linie środkowe dla każdego utworzonego modelu 3D.
  8. Korzystając z tych linii środkowych, zmierz długość łuku, kąt rozgałęzienia, krętość (długość łuku/odległość liniowa) i średnice dla każdego głównego naczynia w każdym sercu. Stosowana przez nas nomenklatura anatomiczna jest przedstawiona na rysunku 2.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tabela 2 przedstawia medianę parametrów anatomicznych dla głównych żył sercowych dla 42 próbek ludzkiego serca. Wszystkie próbki serca zawierały jedną tylną żyłę międzykomorową (PIV) i przednią żyłę międzykomorową (AIV). Niektóre próbki zawierały więcej niż jedną żyłę tylną lewej żyły (PVLV), żyłę tylno-boczną (PLV), lewą żyłę boczną (LLV) i/lub żyłę przednio-boczną (ALV), podczas gdy inne serca mogły nie mieć jednej lub dwóch z tych specyficznych żył.

...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nasze laboratorium opracowuje bibliotekę próbek serca z utrwaloną perfuzją do różnych badań anatomicznych. Do tej pory posiadamy ponad 240 zachowanych okazów. Konkretne metody, które zastosowaliśmy do przygotowania tych próbek, zostały wcześniej opisane3. W niniejszym badaniu opisano nowatorską metodologię mapowania układu żylnego serca człowieka oraz opracowanie anatomicznej bazy danych, która mogłaby zostać wykorzystana do projektowania urządzeń kardiologicznych stosowanych w naczyniach.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Chcielibyśmy podziękować Dionnie Gamble, Allison Larson i Katii Torres za pomoc w generowaniu modeli i pomiarach, Monice Mahre za pomoc w tworzeniu manuskryptu, Gary'emu Williamsowi za pomoc techniczną, Jerraldowi Spencerowi Jr. za pomoc przy rysunkach oraz Fairview Imaging Services na University of Minnesota.

Finansowanie otrzymano z Instytutu Inżynierii w Medycynie (University of Minnesota) oraz częściowo z kontraktu badawczego z firmą Medtronic Inc.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Burkhardt, J. D., Wilkoff, B. L. Interventional electrophysiology and cardiac resynchronization therapy: delivering electrical therapies for heart failure. Circ. 115, 2208-2220 (2007).
  2. Lu, F. Cardiac resynchronization therapy. Handbook of cardiac physiology and anatomy. Iaizzo, P. , 2nd ed, Springer Science. New York, N.Y. 475-497 (2009).
  3. Eggen, M. D., Swingen, C. M., Iaizzo, P. A. Ex vivo diffusion tensor MRI of human hearts: relative effects of specimen decomposition. Magn. Reson. Med. 67, 1703-1709 (2012).
  4. Manzke, R., Binner, L., Bornstedt, A., Merkle, N., Lutz, A., Gradinger, R., Rasche, V. Assessment of the coronary venous system in heart failure patients by blood pool agent enhanced whole-heart MRI. Eur. Radiol. 21, 799-806 (2010).
  5. Abbara, S., Cury, R. C., Nieman, K., Reddy, V., Moselewski, F., Schmidt, S., Ferencik, M., Hoffman, U., Brady, T. J., Achenbach, S. Noninvasive evaluation of cardiac veins with 16-MDCT angiography. AJR. Am. J. Roentgenol. 185, 1001-1006 (2005).
  6. Gerber, T. C., Sheedy, P. F., Bell, M. R., Hayes, D. L., Rumberger, J. A., Behrenbeck, T., Holmes, D. R., Schwartz, R. S. Evaluation of the coronary venous system using electron beam computed tomography. Int. J. Cardiovasc. Imaging. 17, 65-75 (2001).
  7. Jongbloed, M. R. M., Lamb, H. J., Bax, J. J., Schuijf, J. D., de Roos, A., vander Wall, E. E., Schalij, M. J. Noninvasive visualization of the cardiac venous system using multislice computed tomography. J. Am. Coll. Cardiol. 45, 749-753 (2005).
  8. Mao, S., Shinbane, J. S., Girky, M. J., Child, J., Carson, S., Oudiz, R. J., Budoff, M. J. Coronary venous imaging with electron beam computed tomographic angiography: three-dimensional mapping and relationship with coronary arteries. Am. Heart J. 150, 315-322 (2005).
  9. Muhlenbruch, G., Koos, R., Wildberger, J. E., Gunther, R. W., Mahnken, A. H. Imaging of the cardiac venous system: comparison of MDCT and conventional angiography. AJR. Am. J. Roentgenol. 185, 1252-1257 (2005).
  10. Schaffler, G. J., Groell, R., Peichel, K. H., Rienmuller, R. Imaging the coronary venous drainage system using electron-beam CT. Surg. Radiol. Anat. 22, 35-39 (2000).
  11. Tada, H., Kurosaki, K., Naito, S., Koyama, K., Itoi, K., Ito, S., Ueda, M., Shinbo, G., Hoshizaki, H., Nogami, A., Oshima, S., Taniguchi, K. Three-dimensional visualization of the coronary venous system using multidetector row computed tomography. Circ. J. 69, 165-170 (2005).
  12. Van de Veire, N. R., Schuijf, J. D., Sutter, J. D., Devos, D., Bleeker, G. B., de Roos, A., vander Wall, E. E., Schalij, M. J., Bax, J. J. Non-invasive visualization of the cardiac venous system in coronary artery disease patients using 64-slice computed tomography. J. Am. Coll. Cardiol. 48, 1832-1838 (2006).
  13. de Jong, P. A., Mayo, J. R., Golmohammadi, K., Nakano, Y., Lequin, M. H., Tiddens, H. A., Aldrich, J., Coxson, H. O., Sin, D. D. Estimation of cancer mortality associated with repetitive computed tomography scanning. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 173, 199-203 (2006).
  14. Martin, D. R., Semelka, R. C., Chapman, A., Peters, H., Finn, P. J., Kalb, B., Thomsen, H. Nephrogenic systemic fibrosis versus contrast-induced nephropathy: risks and benefits of contrast-enhanced MR and CT in renally impaired patients. J. Magn. Reson. Imaging. 30, 1350-1356 (2009).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Generowanie modelu 3Danaliza parametr w anatomicznychkanulacja zatoki wie cowejprzetwarzanie obraz w TKpomiar rednicy naczykr to mierzona d ugo ci ukuanaliza k t w rozga zie

Powiązane artykuły