Summary
Het doel van dit onderzoek is om te recreëren en vervolgens toegang tot de anatomie van het menselijk hart veneuze systeem met behulp van 3D-reconstructies gegenereerd uit contrast-computertomografie scans.
Abstract
Het begrijpen van de complexiteit en relatieve variabiliteit binnen het menselijke cardiale veneuze systeem is cruciaal voor de ontwikkeling van cardiale apparaten die toegang tot deze schepen worden gesteld. Bijvoorbeeld, cardiale veneuze anatomie bekend als een van de belangrijkste beperkingen voor de aanlevering van cardiale resynchronisatietherapie (CRT) 1 Derhalve kan de ontwikkeling van een databank van anatomische parameters voor menselijke cardiale veneuze systemen helpen bij het ontwerpen van CRT levering apparaten dergelijke beperking overwinnen. In dit onderzoek werden de anatomische parameters verkregen van 3D-reconstructies van het veneuze systeem met behulp van contrast-computertomografie (CT) beeldvorming en modeling software (Materialise, Leuven, België). De volgende parameters werden voor elke ader: booglengte, tortuousity, vertakking hoek, afstand tot de coronaire sinus ostium en vaatdiameter.
CRT is een potentiële behandeling voor patients met elektromechanische dissynchronie. Ongeveer 10-20% van de patiënten met hartfalen kunnen baat hebben bij CRT 2. Elektromechanische dissynchronie impliceert dat delen van de hartspier activeren en contract eerder of later dan de normale geleiding pad van het hart. In CRT worden dyssynchronous gebieden van de hartspier die met elektrische stimulering. CRT-stimulatie meestal gaat stimulatiegeleidingsdraden dat de rechter atrium (RA), rechter ventrikel (RV), en de linker ventrikel (LV) te stimuleren om meer gesynchroniseerd ritmes te produceren. De lead LV wordt typisch geïmplanteerd in een cardiale ader, teneinde te bedekken in plaats van de laatste myocardiale activatie.
Wij zijn van mening dat de modellen verkregen en de analyses zullen daarvan de anatomische bevordering van onderwijs voor patiënten, studenten, artsen en medische apparaat ontwerpers. De methoden hier toegepast kunnen ook worden gebruikt om andere anatomische kenmerken van onze menselijke hart specimens zoals studiede kransslagaders. De educatieve waarde van dit onderzoek verder te stimuleren, hebben we de veneuze modellen gedeeld op onze gratis website: www.vhlab.umn.edu / atlas .
Protocol
Procedure
Tabel 1 vat de bij het proces gebruikte materialen. Figuur 1 geeft een overzicht van het proces.
1. Specimen en Scan Voorbereiding
- Verkrijgen van de geïsoleerde menselijke harten fris en vervolgens perfusie zet ze in 10% gebufferde formaline in hun eind-diastolische staat.
- Spoel de harten te scannen water de dag vóór scannen om de meerderheid van de formaline verwijderen.
- Voordat u naar de scanner, canule de coronaire sinus (CS) ader binnen elk hart met een venogram ballonkatheter. Toegang krijgen tot de CS zowel via de superior of inferior vena cava onder directe visualisatie of het gebruik van videoscopen.
- Eenmaal op zijn plaats, blaas de ballon van deze venogram katheter om de katheter in het CS verankeren.
- Plaats elk hart in een afsluitbare container polymeer op een spons die is zo ontworpenhet hart kan in zijn attitudinally juiste anatomische positie zitten.
2. Computed Tomography Scant
- Positioneer een bepaalde hart op de CT-scanner bed alsof er een patiënt lag liggende en hoofd eerst op de scanner.
- Sluit het proximale uiteinde van de katheter venogram een injector die twee injectiespuiten bevat: een voor contrast en een voor zout.
- Automatisch injecteren van 40 ml contrast in het cardiale veneuze systeem 5 ml / sec.
- CT scan het hart 8 seconden na het contrast injectie wordt gestart. Stel de CT-scan tot 512 x 512 pixel resolutie met 0,6 mm plakdikte.
- Automatisch injecteren 40 ml zoutoplossing in het cardiale veneuze systeem bij 5 ml / sec voor het spoelen van het contrast.
- Exporteer de CT DICOM beelden naar een externe harde schijf.
3. Wederopbouw en Metingen
- Upload CT DICOM beelden in Mimics Software.
- Genereer een masker voor de CT IMAGes dat alleen bevat pixels met een hoge Hounsfield eenheden om alleen het contrast aanwezig is in het hart te markeren.
- Verwijder contrast dat heeft gelekt in de kamers of verspreid in het weefsel, zodat het masker het contrast binnen de grote cardiale aders bevat.
- In luchtzakken handmatig vullen binnen een bepaalde ader frame voor frame.
- Genereer een 3D-object uit de resulterende masker.
- Glad en wikkel dit object te ruw geometrieën te elimineren. Video 1 toont een van deze 3D-modellen draaien in de ruimte.
- Genereer centerlines voor elk gemaakt 3D-model.
- Met behulp van deze middellijnen, het meten van de booglengte, vertakking hoek, tortuousity (booglengte / lineaire afstand), en diameters voor elke belangrijke vaartuig in elk hart. Onze dienst anatomische nomenclatuur wordt in figuur 2.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tabel 2 geeft de mediaan anatomische parameters voor de grote cardiale aders voor 42 menselijk hart exemplaren. Alle hart monsters bevatte een posterior interventriculaire ader (PIV) en anterior interventriculaire ader (AIV). Sommige modellen waarin meerdere posterior ader van de LV (PVLV) posterolaterale zijnerf (PLV), linker laterale ader (LLV) en / of anterolaterale ader (ALV), terwijl andere harten niet hebben een of twee van deze specifieke aders aanwezig.
| Gebruikte materialen |
| Perfusie-vaste Human Hearts |
| Venogram Ballonkatheters |
| Polymer afsluitbare container |
| Anatomisch correct hart spons |
| CT scanner en software |
| Contrast en Saline Injector |
| Contrast (Omnipaque) |
| Bootst Software |
Tabel 1. Samenvatting van de in de gepresenteerde methode materialen.
Figuur 1. Methods samenvatting. (A) de coronaire sinus van een gegeven geïsoleerde perfusie-gefixeerd hart canule met een venogram ballonkatheter en (B) geplaatst in de juiste positie attitudinally. (C) Het monster wordt gescand terwijl contrast wordt geïnjecteerd in het cardiale veneuze systeem gevolgd door een spoeling met fysiologische zoutoplossing. (D) De gegenereerde beelden worden gebruikt om digitale reconstructies van de aderen te creëren, zodat latere metingen worden genomen.
Video 1. Een voorbeeld van een 3D cardiale veneuze model gegenereerd op basis van contrast-computertomografie CT. Klik hier om de video te bekijken.
Figuur 2. Nomenclatuur van de grote bloedvaten van het cardiale veneuze systeem.
Tabel 2. Samenvatting van de metingen tot op heden voor 42 menselijk hart exemplaren. Klik hier om een grotere tafel te bekijken .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ons laboratorium is het ontwikkelen van een bibliotheek van perfusie-vaste hart exemplaren voor verschillende anatomische onderzoeken. Tot op heden hebben we meer dan 240 bewaard gebleven exemplaren. De specifieke methoden die we hebben toegepast om deze monsters te bereiden zijn eerder beschreven 3. De huidige studie beschrijft een nieuwe methode voor het toewijzen van het menselijke cardiale veneuze systeem en de ontwikkeling van een anatomische databank die kan worden gebruikt voor het ontwerpen van cardiale inrichtingen toegepast in de vaten.
Eerdere studies hebben gebruikt magnetische resonantie (MR) 4 en CT 5-12 beeldvorming over levende patiënten om de anatomie van het cardiale veneuze systeem te beoordelen. Het belangrijkste voordeel van onze studie is dat er geen gevaar voor leven patiënten vanwege contrastinjectie en stralingsblootstelling 13-14. Wij kunnen ook een grote database van monsters, bereid op vergelijkbare wijze geanalyseerd. Deze exemplaren kunnen worden gescand als additionaliteitsdebatl beelden zijn nodig. De anatomische parameters verkregen uit deze werkwijze in Tabel 2 over het algemeen hoger dan die welke in de in vivo studies geweest. Wij geloven dat dit komt omdat de statische reconstructies hier gepresenteerde perfusie-gefixeerd in hun eind-diastolische vorm en moet een momentopname van de aderen vertegenwoordigen wanneer het hart is in deze fase van de hartcyclus (dwz de maximale afmetingen).
Opgemerkt zij dat er verschillende beperkingen van de hier gepresenteerde onderzoek. In een aantal van onze oudere menselijk hart exemplaren, werden de ventrikels enigszins ingestort tijdens de beeldvormende proces, die van invloed kunnen sommige van de resulterende modellen. Om deze beperking te pakken, zijn we momenteel op zoek naar geleren het ventrikel kamers om ervoor te zorgen het hart handhaaft haar eind diastolische (verwijde) vorm. Een andere beperking van het onderzoek is dat model en volgende metingen verkregen kunnen gebruikersafhankelijke. We have geprobeerd om deze beperking te minimaliseren door het hebben van een onderzoeker controle elke gegenereerde model. Gebruiker-afhankelijkheid van de modellen zal verder worden beoordeeld door vergelijking van modellen van hetzelfde hart gecreëerd door verschillende gebruikers. Ten slotte is de hoeveelheid contrast die verspreidt in het monster weefsel tijdens deze statische CT-scans varieert van hart tot hart. Derhalve kunnen bepaalde verschillen zien we in deze databank varieren de weefsel verspreiding niet echt variaties in veneuze anatomie. Ondanks deze beperkingen, de gegenereerde 3D-modellen bevatten nuttige informatie over het menselijke cardiale veneuze systeem in verschillende patiëntenpopulaties. We zullen blijven uitbreiden en delen onze nieuwe databank van deze modellen en de bijbehorende anatomische metingen zoals we extra exemplaren ontvangen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
Wij willen Dionna Gamble, Allison Larson, en Katia Torres erkennen voor hulp bij generatie van het model en metingen, Monica Mahre voor manuscript hulp, Gary Williams voor technische bijstand, Jerrald Spencer Jr voor hulp bij de cijfers en de Fairview Imaging Services bij de University of Minnesota.
De financiering werd van het Instituut voor Engineering in Medicine (University of Minnesota) en voor een deel ontvangen van een onderzoekscontract met Medtronic Inc
References
- Burkhardt, J. D., Wilkoff, B. L. Interventional electrophysiology and cardiac resynchronization therapy: delivering electrical therapies for heart failure. Circ. 115, 2208-2220 (2007).
- Lu, F. Cardiac resynchronization therapy. Handbook of cardiac physiology and anatomy. Iaizzo, P. , 2nd ed, Springer Science. New York, N.Y. 475-497 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
