左室壁应力和改进功能衰竭心脏使用Algisyl LVR减少

Summary

本文介绍了一种新型水凝胶植入失败的心和量化其影响左心室壁应力和功能的过程。这些程序已经成功应用在狗和人类。

Abstract

注射，治疗根据临床开发，Algisyl LVR用于治疗扩张型心肌病。这种治疗方法最近被用于第一次在有症状的心脏衰竭的病人。所有患者的左心室（LV），心功能明显改善，表现为持续减少的LV体积和墙体应力。在这里，我们描述了这种新的治疗方法和所采用的方法来量化其对左心室壁应力和功能。

algisyl-LVR的Na ⁺ -海藻酸和Ca ^{2 +} -海藻酸的生物聚合物凝胶组成。的处理流程进行了由这两种成分混合，然后把它们合并成一个注射器用于心肌内注射。此混合物注入在10至19之间的中间位置的患者的左心室游离壁的基部和先端。

磁共振成像（MRI），连同数学建模，用来量化这种治疗的效果，患者治疗前，并在不同时间点的恢复过程中。心外膜和心内膜表面首先从MR图像进行数字化重建LV几何收缩末期和舒张末期。然后从这些重建表面测量左室腔体积。

建立数学模型的LV从这些MRI重建表面区域肌纤维应力的计算。被构造成使得每个LV模式1）根据先前验证的应力 - 应变关系的心肌变形，以及2）的低压腔的容积从这些模型预测在舒张末期和收缩末期相匹配的相应的MRI测定的体积。充盈规定的舒张末压加载LV内膜的表面模拟。收缩期收缩同时加载结束模拟表面ocardial一个规定最终收缩压和加入活跃收缩肌纤维方向。区域肌纤维舒张末期和收缩末期压力计算的应力 - 应变关系的基础上，从变形的LV。

Introduction

室壁应力减少被认为是在治疗心脏衰竭¹的基石。在其最简单的形式给出的拉普拉斯定律，室壁应力心室和左心室压力的直径成正比，心室的壁厚是成反比的。人们普遍认为，室壁应力增加负责的不良重塑的过程中，逐步成为心室扩张，最终导致心脏衰竭^2。临床和动物研究表明，增加的壁应力诱导的蛋白质，收缩元件的合成和基因表达，支持重塑过程^3,4,5。壁压力增加也被证明是一个独立的预测后续左室重构^6,7。

交流，已经制定了许多新的手术治疗方法和设备entral目的是降低室壁应力力图防止和扭转^8,9,10患者心脏衰竭的进展。虽然这些治疗方法共享相同的目标，他们不同的方式实现它。例如，手术减少心室程序¹⁰旨在通过手术降低左心室扩张的大小，以减少室壁应力，但其结果是一个争论的主题^11,12。

近日，注射液的生物相容性材料，Algisyl LVR，进入左心室扩张型心肌病的治疗在医学界已经获得了相当的关注。这种治疗方法已被证明是有效的预防或即使扭转心脏衰竭的进展在动物研究中^13,14和，最近一段时间，在人类临床试验^15。相反到其他设备，治疗目的是为了减少室壁应力注入材料到左心室壁加厚。

详细了解室壁应力，特别是在人类，但是，仍然是难以捉摸的。这种缺乏了解主要是因为力或应力不能直接测量，在完整的心室^16。虽然封闭形式的解析，如拉普拉斯定律方程可以估算左心室壁的压力，他们开发基于严格的假设，其中包括轴对称的LV，材料的各向同性和同质内的LV。由于这些因素，室壁应力预测在实际LV，使用拉普拉斯的法律是不准确的^17。要消除这些限制，以获得更准确的预测数学建模室壁应力，采用有限元（FE）方法与特定病人的心室几何应使用简化拉普拉斯的第¹⁷条代替。

有限元法是一种NUmerical技术，经常被用来解决一系列偏微分方程（PDE）描述的边界值问题。这种方法是特别有用的，当一个封闭的形式的解决方案是难以或不能获得解析。在LV的数学模型用于量化室壁应力的背景下，偏微分方程组力学平衡方程（线性动量平衡）描述的LV LV的内膜表面运动时，施加压力或负荷。当FE方法被使用时，左心室壁被分成相互连接的子域或元素（通常有8个角节点六面体），根据一个规定的应力 - 应变关系的心肌变形。

在被动充盈舒张和收缩的主动收缩期间的LV描述大变形的应力 - 应变关系，此前已在大型动物研究验证。 LV是仿照约3倍，更严厉的肌纤维方向上比在方向垂直于肌纤维方向在舒张期^18。在收缩期的主动收缩是仿照通过增加沿肌纤维方向上的刚度的LV。这种刚度增加是时间的函数，并依赖于实验确定的变量，如细 ​​胞内钙浓度和肌节长度^19。

使用此规定的应力 - 应变关系的心肌，有限元方法计算负载（s）适用于LV的新的基于节点的位置。一旦新的节点位置的计算，所得到的应变和应力（变形的量度）可确定在每个元素中产生的应变和应力分布的LV内。

在这里，我们勾勒出所需的步骤，植入患者的Algisyl LVR，并创建相应的特定病人的LV治疗前后的数学模型来量化的左心室壁应力。

Protocol

1。 Algisyl LVR植入手术（视频）

1. Algisyl LVR（LONESTAR心，加利福尼亚Laguna Hills）是一个由两部分组成的钙 - 海藻酸凝胶。的Na ⁺ -海藻酸成分是4.6％甘露糖醇的Ca ^{2 +} -海藻酸成分包括不溶于水的颗粒悬浮在无菌的4.6％的甘露糖醇溶液（0点27）的无菌水溶液。
2. 种植体植入的程序，可以使用标准的胸骨切开术或小前开胸有限跳动的心脏上进行。体外循环的程序是没有必要的。
3. 使用前右，心肌内注射（00:33）到一个注射器通过结合这两种成分混合的Na ⁺ -海藻酸成分和^钙 -海藻酸成分。
4. 2分钟后，两种不同类型的藻酸盐将交叉链接和形成凝胶，准备植入物放置在心肌中的方式从一个注射挠度。
5. 确定中旬心室游离壁的LV中间左室心尖部和基地（00:44）
6. 从安特罗隔槽在心室中期水平，在一个约45度角插入针头，注射0.3cc的Algisyl LVR慢慢每秒（0.1毫升），在一个不间断的运动（01:15）。
7. 重复注射液（步骤6）在一个单一的线（圆周）沿中旬心室水平在10至19个站点，开始从的安特罗室间隔槽和止在枕颈后的隔槽。由心室，间距相隔约1厘米的植入物的大小取决于植入物的数量。

2。使用数学建模量化左室压力

1. 使用数学模型来量化左心室壁应力之前，必须已经获得了磁共振影像（MRI）包含LV的病人的短轴与长轴切面。阿奎sition这些图像可以使用标准MRI协议（ 如张等^[20]）。
2. 数字化过程中从MR图像包含短轴（SA）的视图的LV的LV心内膜表面，心外膜表面。这是可以做到，使用轮廓分割对象（CSO）发现在自由软件MevisLab的库。
   1. 在我们的实验室，我们已经创建了一个程序根据发现MevisLab CSO库模块，使一个简单的“轮廓”心内膜和心外膜的边界发现在SA鉴于MR图像包含LV。真实的三维（3D）空间中的心外膜和心内膜点，然后自动生成从这些的轮廓。
3. 从第2步到一个商业软件导入的三维点，Rapidform软件（INUS科技公司，Sunnyvale，CA），创建的LV心外膜和心内膜表面初始图形交换规范（IGES）格式。 Rapidform软件创建这些IGES表面所使用的步骤是：
   1. 插入/导入。
   2. 创建多边形网格。
   3. 输出IGES表面。
4. 导入IGES表面进入商业软件TrueGrid创建一个有限元网格的LV。
   1. 填补空间之间的心内膜和心外膜表面的八个节点的的三线性砖元件。在一般情况下，网丝，含约3000的3个元素的元素，通过壁厚足以进行建模的LV ^21。
   2. 一旦完成后，导出网格的有限元求解器LS-DYNA（LSTC，利弗莫尔，CA）作为输入甲板。更多细节在此过程中，可以发现在古奇奥尼等 ^23。
5. 分配肌纤维方向，使用我们的内部软件的“偷心”，修改输入甲板TrueGrid出口。作为一个向量的每个元素中更紧密分配肌纤维方向器到本地心外膜的切平面平行的。这个向量是相对于本地的圆周方向上测得的角度取向。在人类的LV，这个角度被设置为线性变化的整个壁厚从心外膜，心内膜²³处的60°-60°。
6. 写边界条件和分配心肌材料模型中的元素从第5步输入甲板。
   1. LV基地使用关键字“SPC”LS-DYNA施加节点位移。的的心外膜基底环中的节点是固定的，上面的LV基地节点的其余部分被限制为仅在基底面移动。
   2. 分配的构成的法律或描述应力应变关系（见“简介”）的所有元素，使用关键字“MAT”材料标识128 LS-DYNA。
   3. 心内膜定义元素的表面施加压力边界条件，使用关键字“LOAD_分部“。
   4. 定义使用关键字“DEFINE_CURVE”的压力 - 时间的负荷曲线。
      1. 为了模拟舒张结束，规定时间20mmHg以下规定的舒张末压（EDP）的压力迅速增加。的压力保持恒定在电子数据处理（EDP），并有足够的时间，然后允许为LV达到稳态。
      2. 为了模拟收缩期结束，规定的压力迅速增加从舒张末期状态，随着时间的推移，直到规定的端部达到125mmHg的收缩压（ESP）。的压力保持恒定在ESP和足够的时间，然后允许为LV达到稳态。
7. 导入完成输入甲板进入商用有限元求解器LS-DYNA计算室壁应力和低压腔体积年底舒张和收缩结束。
8. 调整材料的参数反映了被动的刚度和心肌收缩性未直到计算左心室腔容积匹配的舒张和收缩结束结束时MRI测定的体积。

Representative Results

到LV游离壁变厚，并且连续注射的Algisyl-LVR的LV的大小随着时间的推移降低。在MRI的LV在患者体内的收缩期结束时，接收Algisyl-LVR（ 图1）的前个月和6个月后，左心室壁的增厚和减少的LV的大小是显而易见的。

图2示出左心室壁应力的量化中所涉及的每个步骤的结果。在图2a中，心外膜和心内膜的边缘确定的LV从短轴观中的MRI和轮廓的使用MevisLab的。将得到的IGES心内膜表面（蓝色）和心外膜表面（红色）从Rapidform软件创建使用图2b中所示的轮廓点。在此之后，心内膜和心外膜表面之间的空间填充有8节点的三线性砖元件使用TrueGrid（ 图2c的 图2d和左心室壁的切片（蓝色）显示左心室壁之间的肌纤维方向的变化如前面所述。在图2e中，在LV上示出所施加的边界条件，即，压力和位移。所施加的压力所示，箭头指向心内膜壁。在所有方向上移动，而基节点的其余部分（显示为多维数据集）中的基底面（ 图2e）被限制为仅移动限制上面的的心外膜基底环（显示为球形）的节点。最后， 图2f显示从病人治疗前的舒张末计算室壁肌纤维方向的压力。从图中很明显的应力升高，发现上面的心内膜和区域左心室壁薄。

图1。影响Algisyl对病人的LV（箭头）6个月后，如磁共振图像上看到的图像显示，LV已经今非昔比，壁厚增加了6个月后。

图2。在量化左室壁应力。涉及的步骤（一）数字化的MR图像。（二）创建IGES表面。（c）建立有限元网格（四）分配肌纤维方向。（E）施加边界条件（f）计算室壁应力（舒张末）。请参阅文本解释。

Discussion

Algisyl LVR注射疗法

注射进入左室游离壁材料以降低室壁应力为扩张型心肌病患设计的一种新的治疗。这种治疗方法已在临床前和临床研究¹⁵渐露头角。自2012年2月以来一直在进行一项随机对照研究，以评估这种治疗严重的心脏衰竭患者（增加HF）LV隆胸的方法。

多个迭代的产品正在开发针对不同细分医师和临床需要。心胸外科医生在手术的产品版本，海藻酸钠交付在一个标准的注射器和自定义针系统专为外科医生进行注射，通过一个小切口在胸部手术（最小开胸）。一颗跳动的心脏上进行植入手术。藻酸盐的物理性能，液压后，注射到心肌肥犊类似心肌舒张，并成为一个永久的植入物。预期总手术过程的持续时间不超过60分钟，在大多数情况下，病人的曝光限制在最小的麻醉时间。第二个产品版本，可提供的程序，可以进行介入心脏病学专家和其他专家，在一些孤立的情况下，在一种非侵入性或混合性心脏病学实验室与心脏衰竭的病人。它也将允许研究急性效果。

使用数学建模量化左心室压力

用数学建模的方法，用有限元方法是目前唯一的方式来精确量化体内局部室壁应力心室。结合数学建模，医疗成像如MRI，使人们能够在特定病人的VEN计算体内局部室壁应力tricles，以帮助了解这些心室的功能状态和量化注射治疗的患者的机械效应。

尽管我们已经处理的LV，在这里作为一种均匀的材料，这种方法可以是（已）的适用范围，在非均质心室，特别是量化的被检体内的室壁应力时，心肌梗死是本。在这种情况下，边界梗死和及其相邻borderzone有从MRI使用钆作为对比剂的被识别。 TrueGrid导入这些边界创建纯粹居住的元素，每个不同的区域内，即，梗死，的borderzone和偏远地区。材料参数反映病理变化在每个区域可以被分配通过LS-DYNA中各个元素。心肌梗死的病人，使用体内心肌劳损从标签MRI测量这些参数已被发现^21。谁需要手术血运重建的患者往往会出现房颤，在手术后的时期，这是与质量很差标签MRI数据。这类患者也需要从手术休养几天。因此，三维超声心动图和斑点追踪可能会是一个更合适的成像方式和心肌应变测量技术比标签磁共振成像研究外科手术的急性效应。

最后，我们使用的商业软件Rapidform软件，Truegrid和LS-DYNA在这个过程中产生心室患者特定的数学模型，因为我们发现他们是在完成各自的任务效率一般。然而，其他的软件是可用的，如腕尺（用于生成有限元网格）和Abaqus（有限元求解器），也可能是适合建立数学模型的心室。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
REGENTS
Na+-Alginate	LoneStar Heart, Inc
Ca2+-Alginate	LoneStar Heart, Inc
EQUIPMENT
MevisLab	Mevis Medical Solution
TrueGrid	XYZ Scientific Application, Inc
Rapidform	Inus Technology, Inc
LS-Dyna	Livermore Software Technology Corporation