Rekonstrukcje anatomiczne układu żylnego serca człowieka z wykorzystaniem kontrastowej tomografii komputerowej próbek z utrwaloną perfuzją
18 kwietnia 2013
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.
Ogólnym celem tej procedury jest wygenerowanie modeli 3D ludzkiego układu żylnego serca w celu opracowania anatomicznej bazy danych, która może być wykorzystana do projektowania urządzeń kardiologicznych stosowanych w tych naczyniach. Osiąga się to poprzez uprzednie przygotowanie próbki ludzkiego serca poprzez utrwalenie jej w końcowym stanie rozkurczowym i kaniulację zatoki wieńcowej za pomocą cewnika balonowego Venogram. W drugim etapie, kontrastowym, w ostatnim etapie uzyskuje się obrazy CT układu żylnego serca.
Ze skanów CT generowane są modele 3D, na podstawie których można uzyskać różne pomiary anatomiczne. Jedną z głównych zalet naszej techniki w porównaniu z innymi metodami, takimi jak ocena anatomii żylnej serca in vivo, jest to, że pacjent nie jest narażony na działanie środków kontrastowych lub promieniowania. Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł tej metody, gdy pierwotnie mapowaliśmy układ żylny serca tych obfitych serc stałych za pomocą mikrorysika na powierzchni nasierdzia.
Metoda ta miała jednak pewne ograniczenia. Był ograniczony ilością tkanki tłuszczowej, a także generował modele 2D. Zastosowanie kontrastowych cts do generowania modeli pozwala przezwyciężyć te ograniczenia, gdy tylko zostaną one uzyskane.
Perfuzja utrwala świeżo izolowane ludzkie serca w ich końcowym stanie rozkurczowym w 10% buforowanej forminie. Następnie, w dniu poprzedzającym skanowanie, opłucz serca w wodzie, aby usunąć większość forminy przed udaniem się do skanera. Użyj cewnika balonowego Venogram, aby kaniulować żyłę zatokową wieńca w każdym sercu przez żyłę główną dolną.
Pod bezpośrednią wizualizacją. Po umieszczeniu na miejscu napompuj balon cewnika Venogram, aby zakotwiczyć cewnik w zatoce wieńcowej. Teraz umieść każde serce w zamykanym polimerowym pojemniku na gąbce zaprojektowanej tak, aby podtrzymywać serce w jego prawidłowej pozycji anatomicznej.
Zacznij od umieszczenia serca na łóżku tomografu komputerowego tak, jakby pacjent leżał na wznak i głową do przodu na skanerze. Następnie podłącz bliższy koniec cewnika Venogram do wstrzykiwacza, który zawiera dwie strzykawki do wstrzykiwań. Jeden dla kontrastu, a drugi dla soli fizjologicznej.
Teraz automatycznie wstrzyknij 40 mililitrów kontrastu do układu żylnego serca z prędkością pięciu mililitrów na sekundę. Osiem sekund po rozpoczęciu wstrzyknięcia kontrastu tomografia komputerowa ustawia ustawienie serca, skanuje do rozdzielczości 512 na 512 pikseli z grubością warstwy 0,6 milimetra. Następnie wypłucz kontrast, automatycznie wstrzykując 40 dodatkowych mililitrów soli fizjologicznej do układu żylnego serca.
Z prędkością pięciu mililitrów na sekundę wyeksportuj obrazy CT DICOM na zewnętrzny dysk twardy. Teraz prześlij obrazy CT DICOM do oprogramowania naśladującego i wygeneruj maskę dla obrazów CT, która zawiera tylko piksele z wysokimi jednostkami pola ogara. Aby podkreślić tylko kontrast obecny w sercu, usuń wszelki kontrast, który przedostał się do komór lub dyfundował do tkanki, tak aby maska zawierała kontrast tylko w głównych żyłach serca.
Następnie ręcznie wypełnij kieszenie powietrzne w danej żyle klatka po klatce i wygeneruj obiekt 3D z wynikowej maski. Następnie wygładź i zawiń maskę, aby wyeliminować wszelkie szorstkie geometrie, a następnie wygeneruj linie środkowe dla każdego utworzonego modelu 3D. Aby zminimalizować zmienność użytkownika podczas generowania modeli 3D, ważne jest, aby użytkownik uważnie przestrzegał szczegółowego protokołu, a także aby obserwator sprawdził model przed wygenerowaniem linii środkowych.
Na koniec użyj linii środkowych, aby zmierzyć długość łuku, kąt rozgałęzienia, krętość i średnice dla każdego głównego naczynia w każdym sercu. W tabeli przedstawiono medianę parametrów anatomicznych dla głównych żył sercowych dla 42 próbek serca ludzkiego. Wszystkie próbki serca zawierały jedną żyłę środkową serca i jedną żyłę międzykomorową przednią.
Niektóre okazy zawierały więcej niż jedną żyłę dolną, żyłę boczną dolną, żyłę boczną i/lub żyłę przednio-boczną. Podczas gdy inne serca mogły nie mieć jednej lub dwóch z tych konkretnych żył obecnych w tym filmie, reprezentatywny model 3D można zaobserwować obracający się w przestrzeni. Postępuj zgodnie z tą procedurą, jedną z zalet jest to, że możesz użyć wizualizacji z zakresami wideo w żyłach serca, aby ocenić anatomię, zweryfikować modele CT, a także określić, gdzie istnieją różne struktury, takie jak żyły sercowe, których nie można zobaczyć w CT po jego rozwinięciu.
Technika ta pozwala naukowcom z dziedziny inżynierii biomedycznej badać układ żylny serca i opracowywać urządzenia kardiologiczne wykorzystujące te naczynia. Ostatecznie modelowanie i mapowanie ludzkiego układu żylnego serca dostarczy nowych informacji na temat anatomii istotnej do wykonywania różnych procedur klinicznych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Celem niniejszego badania jest opracowanie trójwymiarowych modeli ludzkiego układu żylnego serca z wykorzystaniem skanów tomografii komputerowej z kontrastem. Modele te będą stanowić wkład do bazy danych anatomicznych służącej do projektowania urządzeń kardiologicznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Anatomia serca
- Obrazowanie medyczne
- Projektowanie urządzeń
Wprowadzenie
- Ludzki układ żylny serca ma kluczowe znaczenie dla jego funkcji.
- Istniejące metody oceny anatomii żylnej mają pewne ograniczenia.
- Rekonstrukcje 3D mogą poprawić zrozumienie struktur serca.
- Celem niniejszego badania jest usprawnienie mapowania anatomicznego bez narażania pacjenta na działanie środków kontrastowych lub promieniowania.
Cel badania
- Stworzenie dokładnych modeli 3D żylnego układu serca.
- Opracowanie bazy danych anatomicznych na potrzeby projektowania urządzeń kardiologicznych.
- Udoskonalenie technik mapowania anatomii serca.
Zastosowane metody
- Przygotowanie preparatów ludzkiego serca w stanie końca rozkurczu.
- Kanulacja zatoki wieńcowej za pomocą cewnika z balonem do wenografii.
- Pozyskanie obrazów tomografii komputerowej (CT) z kontrastem układu żylnego serca.
- Generowanie modeli 3D ze skanów CT do pomiarów anatomicznych.
Główne wyniki
- Skuteczne generowanie szczegółowych modeli 3D żylnego układu serca.
- Możliwość uzyskania z modeli różnych pomiarów anatomicznych.
- Wykazanie przewag nad metodami oceny in vivo.
- Potencjał w zakresie usprawnienia projektowania urządzeń kardiologicznych.
Wnioski
- Technika ta oferuje nieinwazyjne podejście do badania anatomii żył serca.
- Rekonstrukcje 3D mogą znacząco wspomóc rozwój urządzeń kardiologicznych.
- Metoda ta może ustanowić nowy standard mapowania anatomicznego w kardiologii.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Dokładne mapowanie anatomiczne żylnego układu serca u ludzi ma kluczowe znaczenie dla projektowania urządzeń kardiologicznych wymagających dostępu żylnego, takich jak elektrody do terapii resynchronizacji serca. Zmienność anatomii żylnej stanowi istotne ograniczenie w dostarczaniu i pozycjonowaniu urządzeń, co wpływa na wyniki kliniczne. Metoda ta umożliwia stworzenie wielokrotnego użytku bazy danych anatomicznych, co wspiera projektowanie predykcyjne i zmniejsza biologiczne ryzyko na późnych etapach rozwoju urządzeń.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez anatomicznych dotyczących zmienności żylnej oraz interakcji między urządzeniem a tkanką.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzowane modele 3D dla spójnej charakterystyki anatomicznej w różnych preparatach.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Generuje ilościowe dane anatomiczne (długość łuku, krętość, kąt rozgałęzienia, średnica) do analizy porównawczej.
- Wartość operacyjna: Wspiera przygotowanie do testów poprzez dostarczanie powtarzalnych, gotowych do pomiaru modeli żylnych do testowania urządzeń.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną dotyczącą wydajności urządzenia poprzez dostosowanie projektu do ludzkiej anatomii żylnej.
- Wartość operacyjna: Ułatwia ciągłość translacyjną od modelowania ex vivo do walidacji przedklinicznej urządzeń kardiologicznych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z procesem badawczym poprzez dostarczanie danych anatomicznych do projektowania urządzeń, co umożliwia iteracyjne testowanie i udoskonalanie przed rozpoczęciem badań przedklinicznych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących dopasowania anatomicznego i dostępności żylnej dla elektrod urządzenia.
- Przesiewanie: Umożliwia standaryzowaną ocenę interakcji między urządzeniem a żyłą dzięki powtarzalnym modelom 3D.
- Analityka: Dostarcza ilościowych pomiarów żylnych, które pozwalają na porównanie różnych preparatów i iteracji projektu.
- Badania translacyjne: Łączy dane anatomiczne z przedkliniczną walidacją urządzenia poprzez zapewnienie istotności anatomicznej.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy bazę danych anatomicznych z możliwością ponownego wykorzystania w wielu programach urządzeń, co redukuje redundantne przygotowywanie preparatów.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Przewidywalność zgodności urządzenia z żyłą, ograniczenie niepewności anatomicznej w procesie projektowania.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja, powtarzalność i skalowalność generowania modeli żylnych dla różnych próbek.
- Wartość strategiczna: Usprawnienie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu projektu (go/no-go) w oparciu o dopasowanie anatomiczne, co ogranicza konieczność przeprojektowania urządzenia na późnych etapach.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja koncepcji urządzeń z uwzględnieniem ryzyka w oparciu o dane dotyczące zmienności żylnej.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Znajomość anatomii serca, obrazowania kontrastowego oraz oprogramowania do modelowania 3D.
- Infrastruktura do tomografii komputerowej (CT) z możliwością podawania kontrastu oraz narzędziami do postprocessingu.
- Znormalizowane protokoły utrwalania preparatów, kaniulacji i obrazowania w celu zapewnienia spójności.
- Kwestie adaptacyjne dla różnych obszarów żylnych lub preparatów w stanach chorobowych.
- Ograniczenia praktyczne obejmują dostępność preparatów oraz konieczność skrupulatnej ręcznej korekty wycieków kontrastu podczas generowania masek.
