Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

المريض محددة النمذجة من القلب: تقدير توجهات الألياف البطيني

Published: January 8, 2013 doi: 10.3791/50125
Automatic Translation
1, 1, 1
1Institute for Computational Medicine and the Department of Biomedical Engineering, Johns Hopkins University

Summary

يوصف منهجية لتقدير توجهات الألياف البطين من الصور في الجسم الحي من قلب المريض هندستها لنمذجة الشخصية. المصادقة على منهجية تنفيذها باستخدام العادية وعدم قلوب الكلاب إثبات أن عدم وجود فروق ذات دلالة إحصائية بين اتجاهات الألياف يقدر وحصلت على مستوى ملاحظتها سريريا.

Abstract

وأعاقت المريض محددة المحاكاة وظيفة (DYS) تهدف إلى إضفاء الطابع الشخصي على القلب العلاج القلب بسبب عدم وجود تكنولوجيا التصوير في الجسم الحي للحصول على الألياف سريريا التوجهات عضلة القلب. وكان الهدف من هذا المشروع هو وضع منهجية لتقدير توجهات الألياف القلب من الجسم الحي في الصور وهندستها القلب المريض. أعيد بناؤها تمثيل دقيق للهندسة والتوجهات الألياف البطين، على التوالي، من عالية الدقة بالرنين المغناطيسي فيفو السابقين الهيكلية (MR) ونشر الموترة (DT) الصور MR من قلب الإنسان العادي، ويشار إلى الأطلس. تم استخراج هندسة البطين من قلب المريض، عن طريق تجزئة نصف أوتوماتيكية، من الجسم الحي في الصورة محسوب (CT) التصوير المقطعي. باستخدام خوارزميات تحويل الصور، ومشوهة هندسة البطين الأطلس في المباراة التي من المريض. وأخيرا، تم تطبيق الحقل إلى تشوه orientat الألياف الأطلسالأيونات للحصول على تقدير للتوجهات الألياف المريض. تم تقييم دقة التقديرات الألياف الطبيعية باستخدام ستة وثلاثة قلوب الكلاب الفشل. كان فرق المتوسط ​​بين زوايا الميل المطلق لتوجهات الألياف المكتسبة وتقدر 15،4 درجة. وأشار المحاكاة الحاسوبية من الخرائط وتفعيل البطين الزائفة رسم القلب في إيقاع الجيوب الأنفية وعدم انتظام دقات القلب البطيني أنه لا توجد فروق ذات دلالة إحصائية بين اتجاهات الألياف يقدر وحصلت على رؤى جديدة يمكن ملاحظتها سريريا level.The تم الحصول عليها من المشروع سيمهد الطريق لتطوير المريض محددة نماذج من القلب التي يمكن أن تساعد الأطباء في تشخيص الشخصية والقرارات بشأن التدخلات الكهربية.

Introduction

النهج الحسابية أصبح المركزية للنهوض فهم وظيفة القلب في الصحة والمرض. يتم حاليا دولة من بين الفن كله القلب الكهربية ونماذج من الميكانيكية الكهربائية المستخدمة لدراسة مجموعة واسعة من الظواهر، مثل انتشار البطين العادي، عدم انتظام ضربات القلب، صدمات الكهربائية، واقتران الكهروميكانيكية، وإعادة المزامنة القلب 1. ومع ذلك، للنهج الحسابية لتكون قابلة للتطبيق مباشرة في البيئة السريرية، لا بد أن يكون المريض نماذج محددة، أي يجب أن تستند النماذج على بنية محددة وخصائص الكهربية أو الكهروميكانيكية من قلب المريض المريضة. والمحاكاة مع مثل هذه النماذج تساعد الأطباء إلى التوصل إلى قرارات شخصية للغاية للتدخلات الكهربية وكذلك الوقاية، وبالتالي تحسين القلب بشكل كبير الرعاية الصحية 2-4.

المحتوى "> إنشاء نماذج واقعية القلب يتطلب الحصول على بنية الهندسة والألياف من قلب المريض. التوجهات الألياف تحديد الاتجاهات من انتشار سلالة الكهربائية والتوزيعات في القلب، وبالتالي الحصول عليهما من الضروري النمذجة القلب 5، 6. مع التطورات الحديثة في مجال التصوير الطبي، فمن الممكن الآن للحصول على الهندسة من قلب المريض، وإعادة عرض includingstructural مثل احتشاء، في الجسم الحي مع ارتفاع القرار باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) والتصوير المقطعي المحوسب التكنولوجيات (CT)، ولكن ليس هناك طريقة عملية للحصول على هيكل من ألياف من قلب المريض في الجسم الحي. إنتشار الموترة (DT) MRI 7 و 8 و التقنية الوحيدة للحصول على الألياف التوجهات من القلب سليمة، غير متوفر على نطاق واسع في الجسم الحي بسبب بعض القيود 9. وصف موجز يمكن أن توجد من الجهود السابقة لترجمة DTMRI إلى الإعداد السريرية elsewhيحرث 2. على الرغم من منهجيات مثل قائم على قواعد إسناد توجهات توفير بدائل لألياف DTMRI، هذه المنهجيات على قيود معينة خطيرة 2 و 10. وبالتالي صعوبات في الحصول على هيكل من ألياف القلب في الجسم الحي تعيق حاليا تطبيق المحاكاة الكهربية القلب والكهروميكانيكية في إعداد سريرية. وكان الهدف من هذا البحث لمعالجة هذه الحاجة مباشرة.

افترضنا أنه يمكن توجهات الألياف البطين من القلب بدقة نظرا لتوقع هندسة القلب وأطلس، حيث يعد الأطلس الذي قلب الذين الهندسة والألياف التوجهات المتاحة. وفقا لذلك، كنا دولة من أحدث التقنيات لتطوير منهجية لتقدير توجهات الألياف القلب في الجسم الحي، واختبار الفرضية في الحالات العادية وعدم البطينين الكلاب 2. الفكرة المركزية من الألياف لدينا منهجية تقدير هو استغلال similaritieق في التوجهات الألياف، نسبة إلى الهندسة، بين القلوب المختلفة من أجل بناء الألياف تقريبي من قلب (الهدف) التي هندسة المعلومات فقط هو متاح. في قلب منهجية تقديرنا هو تسجيل للهندسة أطلس مع هندسة الهدف باستخدام خرائط كبيرة diffeomorphic تشوه متري (LDDMM) 11، وتتحول من التوجهات الألياف الأطلس باستخدام المكونات الرئيسية الحفاظ على (PPD) 2، 12. وdiffeomorphicproperty ضمانات LDDMM أن الأطلس لا "foldover" نفسها خلال تشوه، ومن ثم حفظ الهياكل التشريحية integrityof. ويبين الشكل 1 خط أنابيب تجهيز منهجيتنا. قسم النص بروتوكول § 1 يصف مختلف مكونات خط أنابيب من خلال إظهار كيف يمكن إجراء تقدير للمريض سبيل المثال. الأرقام داخل بعض الكتل في الشكل 1 الرجوع إلى المقابلةالأقسام الفرعية تحت الباب § 1 من النص البروتوكول.

قمنا بتقييم أداء المنهجية المقترحة عن طريق قياس خطأ في التقدير، وقياس أثر هذا الخطأ onsimulations من القلب الكهربية، من خلال محاكاة حسابي المحلية الخرائط التنشيط الكهربائي وكذلك شبه كهربية (شبه رسم القلب). نظرا لعدم وجود قلوب البشر، أجري تقييم الأداء باستخدام الكلاب القلوب المتاحة من الدراسات السابقة 13-15. تم احتساب خطأ في التقدير من خلال زوايا الميل 16، تقليد followingthe من الأنسجة، حيث القياسات الزاوي هي أقسام النسيج performedon أن يتم قطع موازية لepicardialsurface. منذ anglebetween الاتجاه الألياف والمستوي المماس نخابي هو generallysmall 17 و 18، وفقدان المعلومات في وصف fiberdirection تماما باستخدام زاويته الميل غير ذات أهمية. لالحواسيببنيت محاكاة الاقلية البرلمانية، الصورة القائمة على النماذج وعن 19 سابقا (20 عاما) والأنسجة القلبية في نماذج ومثل يعتمد على تقنيات رياضية وإنشاء بيانات تجريبية 21-25. كان إيقاع الجيوب الأنفية محاكاة عن طريق تفعيل تكرار القادمة من الشبكة العصبية 26، وعدم انتظام دقات القلب البطيني، من قبل سرعة S1-S2 بروتوكول 27. حسبت الزائفة رسم القلب 28 و مقارنة باستخدام الانحراف المتوسط ​​المطلقة (MAD) متري 29.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. الألياف توجهات تقدير

  1. الحصول على الهيكلية الصور التصوير بالرنين المغناطيسي وDTMRI من قلب الإنسان العادي في البالغين انبساط، في قرار من 1 مم 3. باستخدام يماغيج، استخراج عضلة القلب البطيني من الصورة الهيكلية الأطلس من المناسب، لكل شريحة قصيرة المحور، أغلقت المفاتيح من خلال مجموعة من النقاط وضعت المعالم السياحية على طول الحدود نخابي والشغاف في شريحة (2A 2B الشكل والشكل). أداء وضع نقاط المعالم السياحية يدويا لكل شريحة ال 10 في الصورة. الحصول على نقطة تحول كبرى بالنسبة للشرائح المتبقية من التحريف خطيا النقاط المحددة يدويا، وذلك باستخدام الألياف MATLAB.Reconstruct التوجهات للقلب الأطلس من خلال حساب المتجهات الذاتية الرئيسي للDTS في الصورة DTMRI (الشكل 2C).
  2. الحصول على صورة للهندسة قلب المريض في انبساط القلب في الجسم الحي باستخدام CT أو MRI. ريكونهندسة البنية القلب المريض من الصورة بطريقة مماثلة للطريقة بنيت الأطلس (3A الشكل والشكل 3B). وينبغي الصورة المريض إعادة الإعمار عينات قبل مثل أن القرار في الطائرة هو 1 مم 2. وبالمثل، لا بد من ضبط عدد من شرائح التي يتم التقاطها يدويا المعالم، والفاصل الزمني من خارج الطائرة الاستيفاء بحيث قلب المريض لديه صورة مجزأة سمك شريحة من 1 مم.
  3. تشوه صورة البطين أطلس لمطابقة الصورة هندسة المريض في خطوتين. في الخطوة الأولى، إجراء التحول أفيني يعتمد على مجموعة من النقاط من معالم ثالث عشر: في البطين الأيسر (LV) قمة، والبطين الأيمن 2 (RV) نقطة الإدراج في الأساس، والإدراج RV نقطتين في منتصف الطريق بين القاعدة والقمة، وأربع مجموعات من نقطتين التي تقسم بالتساوي RV ومعالم LV نخابي في القاعدة، وقاعدة في منتصف المسافة بين قمة و(الشكل 4A و (الشكل 4C).
  4. ضعهن الصورة DTMRI من الأطلس تحديد المواقع عن طريق إعادة voxels الصورة وإعادة orientating DTS وفقا لمصفوفة تحويل أفيني المطابقة والحقل تشوه التحول LDDMM. تنفيذ إعادة توجيه من DTS باستخدام الاتجاهات الرئيسية الحفاظ على (PPD) الأسلوب.
  5. الحصول على تقدير للتوجهات الألياف المريض من الصورة منقولة DTMRI الأطلس من خلال حساب eigenvector الرئيسي للDTS (الشكل 5).

2. قياس خطأ تقدير

  1. اكتساب خارج الجسم الهيكلية والصور MR DTMR ستة قلوب طبيعية وثلاثة كلاب الفشل، بدرجة وضوح 312،5 × 312،5 × 800 ميكرون 3. هنا، القلب فاييجب أن يكون إنشاء إغراء في الأنياب عبر الترددات الراديوية الاجتثاث من اليسار الحزيمة تليها 3 أسابيع من tachypacing ب 210 دقيقة -1.
  2. الجزء البطينين من قلوب الكلاب وبالمثل إلى قلب الأطلس الإنسان، كما هو موضح في § 1.1. دلالة البطينين مجزأة من قلوب الكلاب كالمعتاد قلوب من 1 إلى 6، ومجزأة تلك الكلاب من عدم القلوب والقلوب من 7 إلى 9 (الشكل 6).
  3. الحصول على خمسة تقديرات مختلفة من التوجهات الألياف البطين من القلب 1 باستخدام كل من هارتس 2 إلى 6 حسبما أطلس (الشكل 7).
  4. تقدير توجهات الألياف لكل من البطينين عدم استخدام القلب (1)، الأطلس (الشكل 8).
  5. Foreach بيانات النقاط في كل مجموعة من التوجهات الألياف المقدرة، حساب الخطأ وتقدير | ل، حيث θ θ ج وهي زوايا الميل من يقدر A | C-θ θ علىحصلت د التوجهات الألياف في تلك المرحلة، على التوالي.
  6. لكل نقطة بيانات في كل مجموعة من التوجهات الألياف المقدرة، حساب زاوية حادة betweenestimated والاتجاهات المكتسبة الألياف في ثلاثة أبعاد (3D) عن طريق المنتج نقطة thevector.

3. قياس آثار خطأ التقدير على المحاكاة

  1. من القلب 1، بناء ستة نماذج، واحد مع توجهات DTMRI المكتسبة من الألياف القلب 1 (يشار إليه على أنه نموذج 1)، وخمسة مع خمسة توجهات مجموعات البيانات التقديرية الألياف (2 من النماذج إلى 6). لكل من فشل القلب ثلاث هندستها، وبناء نماذج البطين اثنين، واحد مع DTMRI المكتسبة التوجهات الألياف وغيرها من الألياف مع توجهات المقدرة. هنا يجب أن القرار المكانية من النماذج، من حيث احتساب طول حافة متوسط ​​تنسجم، يكون حوالي 600 ميكرون. دلالة على فشل القلب مع نماذج ألياف DTMRI المكتسبة كنماذج 7 إلى 9 وذوي estimatالألياف إد كنماذج 10 إلى 12.In النماذج، استخدم التمثيل monodomain لوصف الأنسجة القلبية، مع المعادلات التي تحكم:

المعادلة 1
حيث σ ب هو الموترة الموصلية الأكبر الذي يحسب من التنسورات الموصلية bidomain كما وصفها آخرون Potse 30؛ V م هو احتمال عبر الغشاء؛ C م هو غشاء السعة محددة؛ وايون أنا هو كثافة عبر الغشاء الحالي، وهذا بدوره يعتمد على م V ومجموعة من المتغيرات μ الدولة واصفا ديناميات تدفقات الأيونية عبر membrane.For C م، استخدم قيمة 1 μ F / سم 2. لσ أنا في القلب العادي نماذج الكلاب، استخدم longitudiقيم الموصلية نال والعرضي قدره 0.34 S / S و 0.06 م / م، على التوالي. تمثل خط الطول L من النماذج جرينشتاين-ينسلو الأيونية من خلية عضلية البطين الكلاب. التوصيلات الكهربائية تقلل من الكلاب في القلب البطيني نماذج الفشل بنسبة 30٪ (الشكل 9).

  1. باستخدام برنامج الحزمة CARP (CardioSolv، LLC)، محاكاة النظم الجيبي مع جميع النماذج. حمل عودة الدخول تسرع القلب البطيني (VT) في ستة نماذج الفشل باستخدام بروتوكول سرعة S1-S2. اختيار التوقيت بين S1 و S2 للحصول على النشاط المطرد لVT 2 ثانية بعد الولادة S2. إذا لم يتم الناجم عن أي توقيت VT S1-S2، خفض التوصيلات بنسبة تصل إلى 70٪ حتى كان المستحث VT (الشكل 10).
  2. لكل المحاكاة، وحساب الزائفة رسم القلب بأخذ الفرق إمكانيات خارج الخلية بين نقطتين في حمام موحد الخواص المحيطة القلوب. ضع نقطتين بالقرب من قاعدة للقلب فصلمن 18 سم، على ان يكون خط يربط بينها هو عمودي على الطائرة الأساس قمة الحاجز كما هو موضح في الشكل 10. لكل المحاكاة مع التوجهات الألياف المقدرة، حساب متري MAD كما

المعادلة 2
حيث X هو الموجي ECG من المحاكاة مع التوجهات الألياف المقدرة، Y هو الموجي ECG من thecorresponding المحاكاة مع التوجهات الألياف المكتسبة، X هي القيمة متوسط ​​X، Y هي القيمة Y متوسط، و n هو طول X وY.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

الرقم 11، AC يعرض تصورات مبسطة من يقدر وكذلك التوجهات الألياف DTMRI المستمدة في قلوب طبيعية والفشل. الفحص النوعي يدل على أن التوجهات الألياف المقدرة محاذاة بشكل جيد مع DTMRI المستمدة منها. لوحة توضح D، مضافين على هندسة القلب 1، توزيع الخطأ في زوايا الميل قلوب طبيعية »، وبلغ متوسط ​​تقديرات في جميع الخمسة. لوحة E يبين توزيع متوسط ​​الخطأ في عدم زوايا الميل القلوب '، مضافين على هندسة القلب 1. نلاحظ أن لديها قيم زوايا الميل بين -90 ° ° و+90، وبالتالي، فإن الخطأ يتراوح بين 0 تقدير ° و 180 °. لوحات F G والأقسام الحالية للنسيج من التوزيعات في لوحات D و E على التوالي. هذا يسلط الضوء على الاختلاف بطريق الجدار الخطأ. والمدرج الاحصائي من الأخطاء في لوحة تشير إلى أن H voxels معظم عضلة القلب تحتوي على قيم خطأ صغير. حوالي 80٪ و 75٪ من voxels لهاأخطاء أقل من 20 ° في البطينين طبيعية والفشل، على التوالي. وجد أن الخطأ نفسه، بلغ متوسط ​​في جميع مجموعات البيانات المقدرة، وجميع voxels الصورة التي تنتمي إلى عضلة القلب، وكانت 14،4 درجة و 16.9 درجة في البطينين طبيعية والفشل، على التوالي. يعني الخطأ في عضلة القلب بأكمله، في الحالات العادية وعدم مجتمعة، كان 15،4 درجة. ويعني زاوية حادة بين الاتجاهات 3D الألياف يقدر وحصلت 17.5 ° و 18.8 ° في البطينين طبيعية والفشل، على التوالي. زوايا 3-D هي مماثلة لتقدير النتائج تظهر أن errors.These زوايا الميل من الألياف التوجهات المتوقعة هي مماثلة لتلك التي حصلت عليها سابقا فيفو DTMRI، الانحراف technique.The دولة من بين الفن معيار الخطأ عبر وكان من تقديرات fivedifferent التوجهات الألياف من القلب 1 1.9 فقط مما يدل على أن الاختلاف في تقدير الجودة من oneatlas إلى أخرى صغيرة.

13 عرض خرائط تفعيل محاكاة واحدة ضرب من تفعيل النظم الجيبي الطبيعي في البطين ونماذج فاشلة، على التوالي. النماذج مع التوجهات الألياف يقدر إنتاج خرائط تفعيل مشابهة جدا لتلك النماذج مع التوجهات المكتسبة؛ أقرب التنشيط نخابي تحدث في نفس المواقع، والاتجاهات الانتشار تطابق كذلك. وبلغ متوسط ​​الفرق عموما يعني في أوقات تفعيل إجمالي الحالات بين الألياف التوجه المكتسبة وتقدر النماذج في البطين العادية، على كل التقديرات وكافة العقد عيون، كان 5.7 مللي، وهو جزء صغير (3.7٪ في المتوسط) من إجمالي تفعيل الوقت. الشكل 12C يدل على أن رسم القلب الزائفة التي تم الحصول عليها لمحاكاة إيقاع الجيوب الأنفية مع نماذج 1 و 3 على الأشكال التضاريسية متطابقة. كان النتيجة MAD بين هذه الموجات 2 4.14٪. في المتوسط، وبين نقاط MAD إيقاع الجيوب الأنفية شبه رسم القلب مع كل من النماذج 2 إلى 6 و نموذجكان 1 10.9٪. وفي محاكاة إيقاع الجيوب الأنفية مع نماذج البطين عدم وفرق المتوسط ​​في أوقات تفعيل الإجمالي بين النماذج مع التوجهات الألياف المكتسبة وتقدر لم يكن سوى 5،2 مللي ثانية (3.1٪)، في حين أن متوسط ​​درجة MAD كان 4.68٪. هذه النتائج تشير إلى أن نتائج المحاكاة تفعيل البطين في إيقاع الجيوب الأنفية طبيعية في نماذج وعدم البطين الكلاب مع التوجهات الألياف يقدر مع المنهجية الحالية تطابق بشكل وثيق مع تلك التوجهات المكتسبة. على وجه الخصوص، لم جود قصور في القلب لا يقلل من دقة تقدير.

ويبين الشكل 14 خرائط تفعيل محاكاة، في وجهات النظر القمي من البطينين، خلال دورة واحدة من VT يسببها في النماذج فشل القلب، والمقابلة شبه رسم القلب. المحاكاة مع التوجه الألياف المكتسبة وتقدر كل من يحمل الرقم من ثمانية أنماط مماثلة عودة الدخول. والأشكال التضاريسية ECG الموافق الألياف يقدر والمكتسبةكانت التوجهات في اتفاق جيد. كان متوسط ​​درجة MAD 9.3٪. هذه النتائج تشير إلى أن الكلاب نماذج فشل القلب مع التوجهات الألياف يمكن تكرار التقديرية عن كثب نتائج المحاكاة VT تنفيذها باستخدام الألياف استحوذت التوجهات.

الشكل 1
الشكل 1. خط أنابيب لدينا تجهيز لتقدير توجهات الألياف البطين في الجسم الحي. اضغط هنا لمشاهدتها بشكل اكبر شخصية .

الشكل 2
الشكل 2. الهندسة والألياف وتوجهاتطلاس البطينين. (A) ونخابي (أحمر) والشغاف (الأخضر والأرجواني) المفاتيح، والمعالم المناظرة (أصفر) مضافين على سبيل المثال شريحة من الصورة الأطلس. (B) البطينين الأطلس في 3D. (C) والألياف التوجهات الأطلس.

الشكل 3
الشكل 3. المريض إعادة الإعمار هندسة البطين. (A) ونخابي (أحمر) والشغاف (الأخضر والأرجواني) المفاتيح، والمعالم المناظرة (أصفر) مضافين على شريحة الصورة. البطينين المريض (B) في 3D.

الشكل 4
الشكل 4. التشوه من البطينين أطلس لتتناسب مع المريض البطينين. (A) من التراكب البطينين من الأطلس (أرجواني، انظر اونج> الشكل 2B) والمريض (أحمر، انظر الشكل 3B). (B) البطينين المريض وأفيني البطينين أطلس تحول. (C) البطينين المريض وLDDMM-تحولت البطينين الأطلس.

الشكل 5
الشكل 5. التوجهات الألياف التقديرية للقلب المريض في الشكل 3B.

الشكل 6
الشكل 6. الإنقسام القلوب الكلاب. ونخابي (الأزرق) والشغاف (أحمر أرجواني و) المفاتيح، والمعالم المناظرة (الأخضر) مضافين على سبيل المثال شريحة من قلب الكلاب العادية.

7.jpg "بديل =" الشكل 7 "FO: المحتوى العرض =" 5in "FO: SRC =" / files/ftp_upload/50125/50125fig7highres.jpg "/>
الشكل 7. والتوجهات الألياف المكتسبة وتقدر من القلب 1.

الرقم 8
الشكل 8. والتوجهات الألياف المكتسبة وتقدر القلوب 7-9.

الشكل 9
الشكل 9. اللوحة اليسرى يوضح شبكة الحسابية الناتجة عن نماذج من القلب 1. على اليمين، يتم عرض المنحنى الطبيعي للعمل محتمل الكلاب عضلة القلب البطيني المحسوبة باستخدام نموذج جرينشتاين-ينسلو.

EEP-together.within صفحة = "دائما"> الشكل 10
الشكل 10. سرعة مواقع للمحاكاة إيقاع الجيوب الأنفية وVT، كما غطى على هندسة القلب 7. E1E2 يوضح ناقلات الرصاص المستخدمة في شبه ECG الحسابات.

الشكل 11
الشكل 11. التحقق من صحة المنهجية التوجه تقدير الألياف من خلال مقارنة التوجهات الألياف المقدرة مع DTMRI المستمدة من التوجهات. (A) من التراكب التوجهات الألياف DTMRI المكتسبة (أصفر مخضر) ومجموعة واحدة من التوجهات الألياف المقدرة (سماوي) من القلب 1. (B) ويقدر توجهات المكتسبة من الألياف القلب 7. (ج) جزء من الموسع (B) تظهرالمواءمة بين التوجهات الألياف المكتسبة وتقدر. نلاحظ أن يبسط تم إنشاء في مواقع عشوائية داخل عضلة القلب لأغراض التصور فقط، وذلك على وجه الدقة مواقف ليست ذات صلة. (D) توزيع تقدير متوسط ​​الخطأ في البطينين طبيعية. (E) توزيع تقدير متوسط ​​الخطأ في البطينين الفشل. (F) مقطع من الأنسجة المستخرجة من (D). (G) مقطع من الأنسجة المستخرجة من (E). وcolorbar ينطبق على DG. (H) المدرج الإحصائي من الأخطاء في البطينين طبيعية والفشل. تردد يدل على وجود عدد من voxels خطأ معين.

الشكل 12
الشكل 12. نتائج المحاكاة واحد من إيقاع النظم الجيبي الطبيعي في البطين نماذج الكلاب. (A) تفعيل خريطة باستخدام نموذج محاكاة مع عالم حواء المكتسبةالتوجهات ص (نموذج 1). (B) الفرق المطلق بين خرائط تفعيل محاكاة نموذج تم الحصول عليها من البطين مع التوجهات الألياف المكتسبة والتي تقدر مع التوجهات الألياف، بمعدل متوسط ​​أعلى من التقديرات الخمسة. (C) محاكاة شبه رسم القلب مع نماذج 1 و 3. (D) خرائط تفعيل مقلد من البطينين مع التوجهات الألياف المقدرة (النماذج 2-6).

الشكل 13
الشكل 13. نتائج المحاكاة واحد من إيقاع النظم الجيبي في عدم النماذج القلب. في العمود ال ه الأولى، الصفوف 1-3 تفعيل عرض الخرائط المحسوبة باستخدام نماذج 7-9، على التوالي. في العمود الثاني، الصفوف 1-3 من عرض النتائج مع نماذج المحاكاة 10-12، على التوالي. الصفوف 1-3 في العمود الثالث تصوير الفرق المطلق بين الخرائط التنشيط هو موضح في فايRST والثانية من أعمدة الصف المقابل. الصفوف في العمود الرابع عرض محاكاة شبه رسم القلب من النماذج في العمودين الأول والثاني من الصف المقابل.

الشكل 14
الشكل 14. نتائج المحاكاة من الحث VT مع نماذج القلب الفشل. 1-3 في أول عمود تفعيل خرائط تظهر خلال دورة واحدة للنشاط عودة الدخول في المحاكاة مع نماذج 7-9، على التوالي الصفوف. 1-3 في العمود الثاني الخرائط تفعيل عرض نماذج الموافق 10-12 الصفوف، على التوالي. الصفوف في العمود الثالث توضيح شبه رسم القلب من النماذج في العمودين الأول والثاني من الصف المقابل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

هذا البحث يوضح أن كميا، في غياب DTMRI، يمكن تقدير توجهات الألياف عضلة القلب من البطينين طبيعية وعدم المجراة من في الصور وهندستها من أجل استخدامها في عمليات المحاكاة الكهربية من القلب. ويتجلى المنهجية المقترحة في البيانات مع CT الجسم الحي، لكنه ينطبق أيضا على الصور في الجسم الحي MR الهندسة البطين، معالجة النقص في القدرة على اكتساب التوجهات مباشرة الألياف المريض. بالتالي فمن خطوة هامة نحو تطوير نماذج شخصية من البطين الكهربية للتطبيقات السريرية. ويمكن أيضا أن المنهجية المستخدمة في تقدير توجهات الألياف في السابق فيفو القلوب مع ارتفاع القرار. هذا هو مفيدة بشكل خاص عند الحصول على قرار الفرعية ملليمتر DTMRI الصور من الصعب أو باهظة التكاليف، وذلك بسبب اكتساب مرات طويلة جدا.

لدينا سيمولا الكهربيةواقترح أن الخرائط تفعيل ستعقد لم تكن حساسة جدا للتغيرات في التوجهات الألياف. الأهم من ذلك، أثبتنا أن آثار الأخطاء تقدير الألياف على الكهربية الإجمالي كانت ضئيلة على مستوى ملاحظتها سريريا عن طريق نقاط MAD للرسم القلب الزائفة. كان متري MAD suitablebecause وقد استخدمت في الدراسات السريرية، لcompareECGs النشاط عودة الدخول وتيرة انتشار لlocalizationof مراكز تنظيم الدوائر عودة الدخول 29. A MADscore أقل من 12٪، وهي العتبة التي نتائجنا الوفاء، يعني أن propagationpatterns 2 الكامنة وequivalent.Note سريريا أن تشابه أنماط انتشار سيترجم إلى انخفاض الفروق في أنماط التنشيط الميكانيكية أيضا، كما تبين أن التجارب التي أشار المحلية ترتبط بشدة مرات التنشيط الكهربائية والميكانيكية خلال إيقاع الجيوب الأنفية. وباختصار، فإن أبحاثنا تسهيل دراسات محاكاة البطين أي جمعية مهندسي البترولCIES في الصحة والمرض عندما لا يكون ذلك ممكنا للحصول على الألياف باستخدام التوجهات DTMRI. على وجه الخصوص، فإن المنهجية المقترحة يمهد الطريق لمريض محدد من النمذجة كامل القلب البطيني الميكانيكية الكهربائية (وربما) الكهربية تستند فقط على البيانات في الجسم الحي التصوير السريري. قد المحاكاة مع مثل هذه النماذج في نهاية المطاف مساعدة الأطباء إلى التوصل إلى قرارات شخصية للغاية للتدخلات العلاجية وكذلك الوقاية. وبالمناسبة، نتائجنا تشير إلى أن أداء المنهجية المقترحة مستقلة عن اختيار atlas.Accordingly، لأغراض هذه الدراسة، قد لا أطلس إحصائي 17 و 31 تكون مطلوبة.

الدراسة الحالية لديها بعض القيود. أولا، كان الإنسان بيانات الصورة القلب لا المتوافرة لدينا، وبالتالي تمت المصادقة theproposed منهجية تقدير مع imagesof قلوب الكلاب. نتوقع أن المنهجية سوف accuratelyestimate التوجهات الألياف في همهمةوكذلك لأن القلوب، تماما كما في قلوب الكلاب، وقد ثبت التوجهات الألياف بالنسبة إلى الهندسة لتكون مشابهة بين قلوب البشر مختلفة 17. أيضا، نحن اختبار منهجيتنا في قلوب andfailing العادي فقط. سيكون من المهم لاختبار في ظل ظروف مثل احتشاء عضلة القلب وتضخم، حيث من المعروف أن الألياف disorganizations حدوث 32 و 33.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgments

نشكر الدكاترة. وأيد ريمون ينسلو، ماكفي إليوت، وباتريك الحلم في جامعة جونز هوبكنز لتوفير البحوث المجراة سابقا من قبل مجموعات البيانات online.This المعاهد الوطنية للصحة منح R01-HL082729، والمؤسسة الوطنية للعلوم منحة CBET-0933029.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
LDDMM Johns Hopkins University http://cis.jhu.edu/software/lddmm-volume/index.php
MATLAB Mathworks, Inc. R2011b http://www.mathworks.com/products/matlab/
ImageJ National Institutes of Health http://rsbweb.nih.gov/ij/
Tarantula CAE Software Solutions http://www.meshing.at/Spiderhome/Tarantula.html
CARP CardioSolv http://cardiosolv.com/
Canine images Johns Hopkins University http://www.ccbm.jhu.edu/research/DTMRIDS.php

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Trayanova, N. Whole Heart Modeling: Applications to Cardiac Electrophysiology and Electromechanics. Circulation Research. 108, 113-128 Forthcoming.
  2. Vadakkumpadan, F., Arevalo, H., Ceritoglu, C., Miller, M., Trayanova, N. Image-Based Estimation of Ventricular Fiber Orientations for Personalized Modeling of Cardiac Electrophysiology. IEEE Transactions on Medical Imaging. 31 (5), 1051-1060 Forthcoming.
  3. Vadakkumpadan, F., Gurev, V., Constantino, J., Arevalo, H., Trayanova, N. Modeling of Whole-Heart Electrophysiology and Mechanics: Towards Patient-Specific Simulations. Patient-Specific Modeling of the Cardiovascular System: Technology-Driven Personalized Medicine. Kerckhoffs, R. , Springer. 145-165 (2010).
  4. Buxton, A. E., Lee, K. L., DiCarlo, L., Gold, M. R., Greer, G. S., Prystowsky, E. N., O'Toole, M. F., Tang, A., Fisher, J. D., Coromilas, J., Talajic, M., Hafley, G. Electrophysiologic testing to identify patients with coronary artery disease who are at risk for sudden death. Multicenter Unsustained Tachycardia Trial Investigators. The New England Journal of Medicine. 342 (26), 1937-1945 (2000).
  5. Wei, D., Okazaki, O., Harumi, K., Harasawa, E., Hosaka, H. Comparative simulation of excitation and body surface electrocardiogram with isotropic and anisotropic computer heart models. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 42 (4), 343-357 (1995).
  6. Leon, L. J., Horacek, B. M. Computer model of excitation and recovery in the anisotropic myocardium. II. Excitation in the simplified left ventricle. Journal of Electrocardiology. 24 (1), 17-31 (1991).
  7. Rohmer, D., Sitek, A., Gullberg, G. T. Reconstruction and Visualization of Fiber and Laminar Structure in the Normal Human Heart from Ex Vivo Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging (DTMRI) Data. Investigative Radiology. 42 (11), 777-789 (2007).
  8. Daubert, J. P., Zareba, W., Hall, W. J., Schuger, C., Corsello, A., Leon, A. R., Andrews, M. L., McNitt, S., Huang, D. T., Moss, A. J., Investigators, M. I. S. Predictive value of ventricular arrhythmia inducibility for subsequent ventricular tachycardia or ventricular fibrillation in Multicenter Automatic Defibrillator Implantation Trial (MADIT) II patients. Journal of Americal College of Cardiology. 47 (1), 98-107 (2006).
  9. Sosnovik, D. E., Wang, R., Dai, G., Reese, T. G., Wedeen, V. J. Diffusion MR tractography of the heart. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 11 (1), 47-61 (2009).
  10. Sundar, H., Shen, D., Biros, G., Litt, H., Davatzikos, C. Estimating myocardial fiber orientations by template warping. Proc. IEEE International Symposium on Biomedical Imaging. , 73-76 (2006).
  11. Beg, M. F., Helm, P. A., McVeigh, E., Miller, M. I., Winslow, R. L. Computational Cardiac Anatomy Using MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 52 (5), 1167-1174 (2004).
  12. Alexander, D. C., Pierpaoli, C., Basser, P. J., Gee, J. C. Spatial Transformations of Diffusion Tensor Magnetic Resonance Images. IEEE Transactions on Medical Imaging. 20, 1131-1139 (2001).
  13. Helm, P. A., Younes, L., Beg, M. F., Ennis, D. B., Leclercq, C., Faris, O. P., McVeigh, E., Kass, D., Miller, M. I., Winslow, R. L. Evidence of Structural Remodeling in the Dyssynchronous Failing Heart. Circulation Research. 98, 125-132 (2006).
  14. Helm, P., Beg, M. F., Miller, M., Winslow, R. Measuring and mapping cardiac fiber and laminar architecture using diffusion tensor MR imaging. Annals of the New York Academy of Sciences. 1047, 296-307 (2005).
  15. Helm, P. A., Tseng, H. -J., Younes, L., McVeigh, E. R., Winslow, R. L. Ex vivo 3D diffusion tensor imaging and quantification of cardiac laminar structure. Magnetic Resonance in Imaging. 54, 850-859 (2005).
  16. Scollan, D. F., Holmes, A., Winslow, R., Forder, J. Histological validation of myocardial microstructure obtained from diffusion tensor magnetic resonance imaging. American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology. 275 (6), H2308-H2318 (1998).
  17. Lombaert, H., Peyrat, J., Croisille, P., Rapacchi, S., Fanton, L., Cheriet, F., Clarysse, P., Magnin, I., Delingette, H., Ayache, N. Human Atlas of the Cardiac Fiber Architecture: Study on a Healthy Population. IEEE Transactions on Medical Imaging. 31 (7), 1436-1447 (2012).
  18. Streeter, D. D. Gross morphology and fiber geometry of the heart. , Johns Hopkins Press. Baltimore. (1979).
  19. Vadakkumpadan, F., Rantner, L. J., Tice, B., Boyle, P., Prassl, A. J., Vigmond, E., Plank, G., Trayanova, N. Image-Based Models of Cardiac Structure with Applications in Arrhythmia and Defibrillation Studies. Journal of Electrocardiology. 42, 151.e1-151.e10 (2009).
  20. Plank, G., Zhou, L., Greenstein, J. L., Plank, G., Zhou, L., Greenstein, J. L., Cortassa, S., Winslow, R. L., O'Rourke, B., Trayanova, N. A. From mitochondrial ion channels to arrhythmias in the heart: computational techniques to bridge the spatio-temporal scales. Philosophical Transactions Series A, Mathematical, Physical, and Engineering Sciences. 366 (1879), 3381-3409 (2008).
  21. Roberts, D. E., Scher, A. M. Effect of tissue anisotropy on extracellular potential fields in canine myocardium in situ. Circulation Research. 50, 342-351 (1982).
  22. Greenstein, J., Wu, R., Po, S., Tomaselli, G. F., Winslow, R. L. Role of the Calcium-Independent Transient Outward Current I(to1) in Shaping Action Potential Morphology and Duration. Circulation Research. 87, 1026-1033 (2000).
  23. Winslow, R., Rice, J., Jafri, S., Marbán, E., O'Rourke, B. Mechanisms of altered excitation-contraction coupling in canine tachycardia-induced heart failure, II: model studies. Circulation Research. 84 (5), 571-586 (1999).
  24. Akar, F., Nass, R., Hahn, S., Cingolani, E., Shah, M., Hesketh, G., DiSilvestre, D., Tunin, R., Kass, D., Tomaselli, G. Dynamic Changes in Conduction Velocity and Gap Junction Properties During Development of Pacing-Induced Heart Failure. American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology. 293 (2), H1223-H1230 (2007).
  25. Gurev, V., Constantino, J., Rice, J. J., Trayanova, N. Distribution of Electromechanical Delay in the Ventricles:Insights from a 3D Electromechanical Model of the Heart. Biophysical Journal. 99 (3), 745-754 Forthcoming.
  26. Ten Tusscher, K. H. W. J., Hren, R., Panfilov, A. V. Organization of Ventricular Fibrillation in the Human Heart. Circulation Research. 100 (12), e87-e101 (2007).
  27. Gima, K., Rudy, Y. Ionic Current Basis of Electrocardiographic Waveforms. Circulation Research. 90, 889-896 (2002).
  28. Gerstenfeld, E., Dixit, S., Callans, D., Rajawat, Y., Rho, R., Marchlinski, F. Quantitative comparison of spontaneous and paced 12-lead electrocardiogram during right ventricular outflow tract ventricular tachycardia. Journal of Americal College of Cardiology. 41 (11), 2046-2053 (2003).
  29. Potse, M., Dube, B., Richer, J., Vinet, A., Gulrajani, R. M. A comparison of monodomain and bidomain reaction-diffusion models for action potential propagation in the human heart. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 53 (12), 2425-2435 (2006).
  30. Peyrat, J. -M., Sermesant, M., Pennec, X., Delingette, H., Chenyang, X., McVeigh, E. R., Ayache, N. A Computational Framework for the Statistical Analysis of Cardiac Diffusion Tensors: Application to a Small Database of Canine Hearts. IEEE Transactions on Medical Imaging. 26, 1500-1514 (2007).
  31. Chen, J., Song, S. -K., Liu, W., McLean, M., Allen, S. J., Tan, J., Wickline, S. A., Yu, X. Remodeling of cardiac fiber structure after infarction in rats quantified with diffusion tensor MRI. American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology. 285 (3), H946-H954 (2003).
  32. Stecker, E. C., Chugh, S. S. Prediction of sudden cardiac death: next steps in pursuit of effective methodology. Journal of Interventional Cardiac Electrophysiolog. 31 (2), 101-107 (2011).

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 71، الهندسة الطبية الحيوية، والطب، علم التشريح، علم وظائف الأعضاء، القلب والأوعية الدموية، Myocytes للقلب، معالجة الصور، بمساعدة الحاسوب، والتصوير بالرنين المغناطيسي، التصوير بالرنين المغناطيسي، والتصوير بالرنين المغناطيسي إنتشار للقلب الكهربية، والمحاكاة المحوسبة (عام)، والنمذجة الرياضية ( تحليل النظم)، Cardiomyocyte، ومعالجة الصور الطبية الحيوية، والمريض محددة النمذجة، الكهربية، والمحاكاة
المريض محددة النمذجة من القلب: تقدير توجهات الألياف البطيني
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Vadakkumpadan, F., Arevalo, H.,… More

Vadakkumpadan, F., Arevalo, H., Trayanova, N. A. Patient-specific Modeling of the Heart: Estimation of Ventricular Fiber Orientations. J. Vis. Exp. (71), e50125, doi:10.3791/50125 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter