Summary
Aort yetersizliği bir aort kapak kalp hastalığıdır. Bu yazıda, dört boyutlu akış manyetik rezonans görüntülemenin, aort yetersizliğini taklit eden in vitro kalp kapakçıklarını kullanarak aort yetersizliğini nasıl değerlendirebileceği gösterilmektedir.
Abstract
Aort yetersizliği (AR), ventrikül diyastolü sırasında aorttan sol ventriküle (LV) geriye doğru kan akışını ifade eder. Karmaşık şekilden kaynaklanan yetersizlik jeti, üç boyutlu akış ve yüksek hızlı gradyan ile karakterize edilir, bazen 2D ekokardiyografi kullanılarak yetersizlik hacminin doğru bir ölçümünü sınırlar. Son zamanlarda geliştirilen dört boyutlu akış manyetik rezonans görüntüleme (4D akış MRG), yetersizliğin miktarını doğru bir şekilde ölçmek için kullanılabilecek üç boyutlu hacimsel akış ölçümlerini mümkün kılar. Bu çalışma (i) manyetik rezonans uyumlu AR model üretimi (dilatasyon, perforasyon ve prolapsus) ve (ii) AR nicelemesinde 4D akış MRG'nin performansının sistematik analizine odaklanmaktadır. Sonuçlar, zaman içinde ileri ve geri jetlerin oluşumunun AR orijinli tiplere büyük ölçüde bağlı olduğunu gösterdi. Model tipleri için yetersizlik hacmi önyargısı miktarı, pompa strok hacminden ölçülen zemin doğruluğu (48 mL) hacmine kıyasla -%7,04, -%33,21, %6,75 ve %37,04 idi. Yetersizlik fraksiyonunun en büyük hatası %12 civarındaydı. Bu sonuçlar, mutlak yetersizlik hacmi önemli olduğunda görüntüleme parametrelerinin dikkatli bir şekilde seçilmesi gerektiğini göstermektedir. Önerilen in vitro akım fantom, aort darlığı veya biküspid aort kapağı (BAV) gibi diğer kapak hastalıklarını simüle etmek için kolayca değiştirilebilir ve gelecekte farklı MRG sekanslarını test etmek için standart bir platform olarak kullanılabilir.
Introduction
Aort yetersizliği (AR), ventrikülün diyastolik fazı sırasında aorttan sol ventriküle geriye doğru akışı ifade eder. AR tipik olarak aort dilatasyonu, bardak prolapsusu, bardak delinmesi, bardak retraksiyonu ve diğerleri olarak sınıflandırılır1. Kronik AR, esas olarak hipertrofi ve dilatasyon nedeniyle LV'nin hacimsel aşırı yüklenmesine neden olabilir ve sonunda dekompansasyonuna neden olabilir2. Akut AR esas olarak enfeksiyöz endokardit, aort diseksiyonu ve hemodinamik acillere yol açan travmatik rüptürden kaynaklanır2.
AR tanısı için mevcut klinik standartlar esas olarak transtorasik ekokardiyografiye (TTE) veya transözofageal ekokardiyografiye (TEE) dayanmaktadır3. Gerçek zamanlı görüntüleme ve kısa muayene süresinin avantajlarına rağmen, ekokardiyografinin doğruluğu operatöre büyük ölçüde bağımlıdır. Özellikle regürjitan hacim ölçümü için, regurgitant jet, aort kapağının hareketi nedeniyle iki boyutlu (2D) ölçüm düzleminden kaydığı için regurgitant hacminin doğrudan ölçümü sınırlıdır. Proksimal izo-hız yüzey alanı (PISA) yöntemlerini kullanarak dolaylı tahmin sıklıkla kullanılır, ancak dairesel delik alanı gibi varsayımlar genellikle doğru ölçümü sınırlar4.
Son tıbbi kılavuzlar5 ayrıca kardiyak MR'ı (CMR) önermektedir, özellikle orta veya şiddetli AR hastaları için, LV'nin kütlesini ve küresel fonksiyonunu ölçerek ekokardiyografinin sınırlamasını telafi etmek için. Aort broşürleri ve LV boyutu gibi yapısal parametreler ve jet genişliği, vena kontrakta genişlik ve yetersizlik hacmi gibi akış parametreleri de AR tanısında kapsamlı bir şekilde düşünülebilir6 . Bununla birlikte, LV global fonksiyonu ile tahmin edilen aort yetersizliği hacmi, özellikle diğer kalp kapak hastalıkları veya şantı olan hastalar için başarısız olabilir.
Alternatif olarak, 4D akış MRG, yetersizlik hacmini, ilgilenilen hacim7 içindeki zamana bağlı hız bilgisi ile doğrudan ölçebilen umut verici bir teknik olarak kabul edilmiştir. Valfin zamana göre hareketi, yetersizlik akış hacmi 8,9 ölçülürken kolayca izlenebilir ve telafi edilebilir. Ayrıca, yetersizlik jetine dik olan keyfi bir düzlem geriye dönük olarak konumlandırılabilir, bu da ölçümün doğruluğunu arttırır10. Bununla birlikte, 4D akış MRG'si doğal olarak mekansal olarak ortalamalanmış bilgileri elde ettiğinden, bu tekniğin doğruluğu hala iyi kontrol edilen in vitro akış deneyleri kullanılarak doğrulamayı garanti eder.
Bu çalışma, (i) AR'nin farklı klinik senaryolarını (dilatasyon, perforasyon ve prolapsus) yeniden üretebilen MRG uyumlu in vitro deneysel platform geliştirmeyi ve (ii) bu AR modellerinde farklı AR'yi ölçmede 4D akış MRG performansı hakkındaki anlayışımızı zenginleştirmeyi amaçlamaktadır. Ek olarak, çeşitli klinik senaryolara göre 4D akış MRG'ye dayalı 3D hemodinamik görselleştirme ve niceleme yapılmıştır. Bu protokol AR ile sınırlı değildir ve bir dizi in vitro deney ve hemodinamik niceleme gerektiren diğer kapak hastalığı çalışmalarına genişletilebilir.
Protocol
NOT: Protokol büyük ölçüde üç aşamadan oluşur: (1) model üretimi, (2) MRI taraması ve parametre seçimi ve (3) veri analizi. Şekil 1 , protokolün genel sürecini gösteren bir akış diyagramıdır.
1. Model imalatı
- Aort kök modeli
- Şekil 2'de gösterildiği gibi, aort kökünün kapak tabanı çapı ve sinüs yarıçapı gibi parametre değerlerini belirleyin. Bu deney için değerler D A = 32.24 mm, DO = 26 mm, LB = 8.84 mm, LA = 26 mm, rmin = 16.64 mm, rmax = 21.32 mm idi.
- Çizim > Araçları Çizim Araçları > Çizim Resmi'ne tıklayarak 3B modelleme yazılımını çalıştırın.
NOT: Solidwork, deneyde 3B modelleme için kullanılır. - Bir sinüs modeli yapmak için, daire aracını kullanarak rmax ve rmin'e karşılık gelen daireleri çizin. Serbest eğri fonksiyonu11'i kullanarak sinüsün kavisli bir çizgisini çizin, Loft Tool'a tıklayın ve loft için çizim alanını seçin.
- Geçerli modelin üstünde ve altında ek daireler çizin, Ekstrüzyon Aracı'nı tıklatın ve daireleri seçin. Seçenekleri 20 mm aşağı ve 30 mm yukarı olarak ayarlayın. Aynı şekilde 100 mm x 100 mm x 76 mm boyutunda bir altıgen modeli yapın.
- Birleştirme > Özellikleri Ekle'den Aracı Birleştir>i tıklatın. Mülk yöneticisinde Çıkar'ı seçin. Hexahedron modelini ve sinüs modelini seçin. Son tasarımı, üreticinin talimatına göre 5 eksenli bir CNC makinesi ile akrilik bir model olarak imal edin.
- Vana çerçevesi
- 3B modelleme yazılımını çalıştırın ve yeni bir çizim açın. Vana tabanı için merkeze 100 mm x 100 mm boyutunda bir kare ve 25 mm'lik bir daire çizin, manuel olarak. Ekstrüzyon Aracı'na tıklayın ve valf tabanının yüksekliğini 5 mm'ye ayarlayın.
- Daireyi 23,5 mm yüksekliğe ve 3 mm kalınlığında ekstrüzyon yapın. Çizgi Aleti'ni kullanarak modeli 12 üniform parçaya bölün, böylece her parça 30°'ye sahip olur. 120 ° aralıklarla üç parça seçin ve üç sütun yapmak için 16,5 mm yüksekliğinde ekstrüzyon yapın.
- Fileto Aracı'na tıklayın ve sütunları seçin. Üstteki ve alttaki fileto yarıçapını sırasıyla 4 mm ve 10 mm olarak ayarlayın. STL dosya biçiminde kaydedin.
- Vana çerçevesini 3D yazdırın. Dolgu yoğunluğunu% 100'e ayarlayın ve dolgu malzemesi olarak akrilonitril bütadien stiren kullanın. Aort kapak çerçevesinin şekli ve boyutları için Şekil 3'e bakınız.
- Genleşmiş politetrafloroetilen (ePTFE) kullanan aort yetersizliği modeli
- 3B modelleme yazılımını çalıştırın ve yeni bir çizim açın. Şekil 4A'ya referansla 23,24 mm'lik yatay bir çizgi ve 15 mm'lik dikey bir çizgi çizin.
NOT: Valfin tabanının, yüksekliğinin ve broşür serbest kenar uzunluğunun geometrik parametreleri, önceki bir çalışma12'ye göre seçilmiştir. - Ark komut yöneticisinden 3 Nokta Yay Aracı'na tıklayın ve yatay çizginin her iki ucunda iki nokta ve dikey çizginin sonundaki son noktayı ayarlayın. Çizimi 5 mm kalınlığında ekstrüzyon yapın. Modeli STL dosya formatıyla dışa aktarın ve 3D yazdırın.
- ePTFE membranı iki katman halinde üst üste bindirin ve basılı broşürü kullanarak 2 mm'lik aralıklarla üç broşür kenarlığı çizin. Çizilen çizgiler ve yan kenarlıklar boyunca 1 mm aralıklarla dikiş, 0.1 mm çapında bir poliamid sütür. ePTFE valfini 1 mm aralıklarla çerçeve üzerinde yukarıdan aşağıya doğru dikin.
- Zarın dış tarafını kesin ve birbirleriyle dikiştirin. Üç farklı model elde etmek için aşağıdaki üç değişikliği gerçekleştirin.
- Dilatasyon modeli: Tasarlanan broşür parametrelerinin oranını% 90'a düşürün.
- Perforasyon modeli: Bir broşürün ortasındaki makas kullanarak 2 mm çapında dairesel bir delik açın.
- Prolapsus: Valfin iki bileşimini düşük direk yüksekliğine sahip bir deliğe sabitleyin.
NOT: Şekil 4 , ePTFE vananın malzemelerini ve üretim yöntemini göstermektedir. Şekil 5 , her AR tipinin özelliklerini göstermektedir.
- 3B modelleme yazılımını çalıştırın ve yeni bir çizim açın. Şekil 4A'ya referansla 23,24 mm'lik yatay bir çizgi ve 15 mm'lik dikey bir çizgi çizin.
2. MRI taraması ve parametre seçimi
- AR modeli, aort sinüs modeli, kalp simülasyon pompası ve MRG'den oluşan deney sistemini hazırlayın.
- Deney modellerini MRI odasına yerleştirin ve pompayı, rezervuarı ve modelleri 25 mm'lik (iç çaplı) bir silikon tüp kullanarak bağlayın. Olası sızıntıyı önlemek amacıyla bağlantı parçalarını sabitlemek için 10 cm uzunluğunda bir kablo bağı kullanın.
- Akış devresi sistemi boyunca fizyolojik bir akış dalga formu oluşturmak üzere aort kan akışı dalga formlarını simüle etmek için motor kontrollü bir pistonlu pompa kullanın. Çalışma sıvısı olarak su kullanın ve geri akışı önlemek için giriş ve çıkışa tek yönlü valfler takın. Akış pompasının detayları önceki çalışmada bulunabilir23.
- MRG'nin görüş alanı (FOV) içinde modeli bulun. MRI işletim konsolu monitöründeki koronal, eksenel ve sagital görünümlerdeki hayali görüntüleri gözlemlemek için bir keşif taraması gerçekleştirin. Bu görüntü, aşağıdaki görüntü dizilerini konumlandırmak için bir kılavuz olarak kullanılır.
- Aort modelinin ortasındaki 2B görüntü düzlemini bulun. 4B akış MRG için en uygun VENC değerini seçmek üzere değişken hız kodlama parametresi (VENC) 2B faz kontrastlı görüntüleme çalıştırın.
- Olası hız örtüşmesi7'yi en aza indirmek için 4D akış MRG'sinde VENC'yi %10 daha yüksek bir değere ayarlayın. MRI konsoluna istediğiniz uzamsal çözünürlüğü ve zamansal çözünürlüğü girin. Aort akışı için uzamsal ve zamansal çözünürlüğün sırasıyla 2-3 mm ve 20-40 ms olması önerilir,7. Tablo 2'de MRG tarama parametreleri gösterilmektedir.
- 3 tip AR valfi ve valfsiz valfi kullanarak hem akışlı hem de akışsız veriler için veri elde edin.
3. Veri analizi
- Veri sıralama ve düzeltme
- Veri analizine devam etmek için ham veri dosyalarını tarayıcıdan kopyalayın. Dicom dosyalarını Dicom sıralama yazılımını kullanarak seri açıklaması adlı başlığa göre sıralayın. Üç yönlü faz görüntülerini ve büyüklük görüntülerini ayrı klasörlerde sıralamak için Dicom sıralama yazılımında Görüntüleri Sırala'yı tıklatın.
- ITK-snap yazılımına büyüklük görüntüsü yükleyin. ITK-snap'te Fırçala'yı tıklatın ve fırça aracını kullanarak fantomun iç sıvı bölgesini manuel olarak boyayın. Segmentlere ayrılmış resmi kaydedin.
- (İsteğe bağlı) MATLAB kullanarak akış açık ve kapalı olarak elde edilen her iki faz görüntü verisini de yükleyin. Arka plan hatalarını kaldırmak için akışı olmayan verilere göre akışı olan verileri çıkarın. Bunu her yön ve kalp döngüsü için tekrarlayın.
- Satıcıya özgü piksel-hız denklemi kullanarak 5B matris fazı verilerinin hızını (satır x sütun x dilim x yön x zaman) hesaplayın. Genel olarak, pikselin maksimum yoğunluğu seçilen VENC değerine karşılık gelir.
- Görsel -leştirme
- Adım 3.1.4'teki 5B matris hızını akış görselleştirme analiz yazılımına yükleyin.
NOT: Giriş hızı matrisi analiz yazılımına göre değişebilir. Ensight kullanıcıları, Ensight altın kasa biçimi kılavuzu13'ü izlemelidir. - İzoyüzey Parçası'nı tıklatın, İzohacim düğmesini tıklatarak 3B analiz için veri türünü isoyüzey'den izohacim'e değiştirin. Hız verilerini değişkenler komut yöneticisine sürükleyin, modelin hız dağılımını kontrol etmek için izohacme ekleyin.
- Ana menüde Parçacık İzi Yayıcılar Aracı'na tıklayın. Daha doğru bir analiz için Gelişmiş Seçenek'i işaretleyin. Oluşturma sırasında Streamlines veya Pathlines gibi istediğiniz görselleştirmeyi seçin.
- Bu deneme için şu değeri ayarlayın: Seçenekten Yay = Parça, Parça Kimliği = 2, Hayır. Yayıcıların = 10000, Yön = +/-. Zaman içinde sonuçları oluşturun ve kontrol edin.
- Parçacık İzleme modelini sağ tıklatın ve Renk ölçütü'nü tıklatın. Akış çizgisini hız ile renklendirmek için hız bileşenini seçin.
- Adım 3.1.4'teki 5B matris hızını akış görselleştirme analiz yazılımına yükleyin.
- Miktar
- Hız verilerini (adım 3.1.4) ve bölümlere ayrılmış görüntüyü (adım 3.1.2) MATLAB'a yükleyin. Segmentasyon bölgesinin dışındaki hızı sıfıra ayarlayın. Bu, parçalanmış matris verilerinin ve hız matrisi verilerinin element bazında çarpılmasıyla kolayca gerçekleştirilebilir.
- MATLAB'ın Imshow işlevini kullanarak hız verilerinin faz kaydırma özelliğine sahip olup olmadığını kontrol edin. Hız yönünün tersine çevrilmesi faz sarmalını gösterir.
- Matris verilerinin istenen düzlemini dilimleyin. Düzlemdeki tüm hız verilerini toplayın ve düzlem boyunca akış hızını hesaplamak için uzamsal çözünürlüğü çarpın. Kardiyak döngü boyunca tüm akış hızlarını toplayın ve inme hacmini hesaplamak için zamansal çözünürlüğü çarpın.
Representative Results
Aort yetersizliği modellerinin üç temsili sınıfı üretildi ve karşılaştırma için kapaksız bir vaka üretildi (Şekil 3). Dilasyon modeli, daha küçük boyutlu broşürler nedeniyle valf broşürünün eksik kapandığını açıkça göstermiştir. Perforasyon modelini taklit etmek için makas kullanılarak broşürlerden birinde bir delik delindi. Prolapsus modelinin bir broşürü diğer iki broşürden daha küçük görünüyordu, çünkü iki komissür orijinal yükseklikten daha düşük bir konumda dikildi. Üst görünümden önemli bir fark yoktu.
4D akış MRG kullanılarak zaman içinde elde edilen 3D hız bilgisi ile sistol ve diyastol sırasında normal ve yetersizlik jetlerinin düzene girmeleri görselleştirilmiştir (Şekil 6). İleri jet, perforasyon modeli hariç tüm modellerde. Perforasyon modelinde, sistol fazı sırasında duvar taraflı bir jet meydana geldi. Yetersizlik jeti, AR sınıflandırmasına göre farklı bir hız ve şekil gösterdi. Valf olmaması durumunda, genel bir ileri ve geri akış meydana geldi. Dilatasyon modelinin yetersizlik jeti merkezden çıktı ve zamanla yön değiştirme eğilimindeydi. Perforasyon ve prolapsus model regürjitan jet duvara doğru eğildi. İleri ve yetersizlik jetinin tepe hızı valfsiz modelde 0,28 m/s, -0,29 m/s, dilatasyon modelinde 2,03 m/s, -3,53 m/s, perforasyon modelinde 2,52 m/s, -3,13 m/s ve prolapsus modelinde 2,76 m/s, -2,88 m/s idi.
Şekil 7, her valf için akış hızını ve valf tabanından uzaktaki bir 3D düzlemdeki ileri ve yetersizlik hacimlerini göstermektedir. Akış hızları her model için farklı dalga formları ve miktarlar gösterdi. Yetersizlik hacmi miktarı valfsiz, dilatasyon, perforasyon ve prolapsus modelleri için sırasıyla 51.38 mL, 63.94 mL, 44.76 mL ve 30.22 mL idi. Valfsiz, dilatasyon, perforasyon ve prolapsus modeli için önyargı, pompa strok hacminden ölçülen zemin doğruluğuna (48 mL) kıyasla, sırasıyla% -7.04,% -33.21,% 6.75 ve% 37.04 idi. Pozitif yüzde değerleri küçümsemeyi gösterirken, negatif yüzde değerleri fazla tahmini temsil eder. Yetersizlik fraksiyonu hatası valfsiz, dilatasyon, perforasyon ve prolapsus modelinde sırasıyla %-7.78, -%6.00, %0.33 ve -%11.18 idi.
Şekil 1: Protokolün iş akışı diyagramı. Bu deneysel protokol temel olarak model üretimi, MRI taraması ve veri analizinden oluşur. Model imalat adımında, dış aort kök modeli ve dört farklı AR modeli tipi (valf, dilatasyon, prolapsus ve perforasyon olmadan) imal edilir. MRG taraması sırasında izci görüntüleme, ardından multi-VENC tarama ve 4D akış MRG yapılır. Veri analizi bölümü, veri sıralama, görüntü segmentasyonu, hız hesaplama, görselleştirme ve niceleme içerir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Aort kökünün şematik ve tasarlanmış akrilik modeli (A) Aort kökü geometrisinin geometrik karakterizasyonu ve parametreleri. (B) Çok boyutlu görünümde aort kökü 3B modeli. D A: sinotübüler bileşke çapı (STJ), DO: anulus çapı, rmax: maksimum sinüs çapı, rmin: minimum sinüs çapı, LA: sinüs yüksekliği, LB: STJ yüksekliği. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 3: Aort yetersizliği çerçevesi ve modeli (A) Broşürü tutmak için kullanılan aort kapak çerçevesinin geometrik bilgisi. Çerçevenin gövdesinin etrafındaki delikler, dikiş çizgisinin geçtiği yerdir. (B) ePTFE membran dikişli kapak örneği. (C) Bu çalışmada imal edilen in vitro modellerin yüz yüze görünümü: valf, dilatasyon, perforasyon ve prolapsus olmadan. Ok, hasarlı çıkıntıyı gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: ePTFE broşürünün malzeme ve imalat aşaması. (A) 3D baskılı broşürler kılavuz olarak kullanılarak, broşürler ePTFE membran kullanılarak yapılır. (B) ePTFE vanasının çizim, dikiş, kesme ve sabitleme adımları. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Farklı AR modellerinin imalat yöntemleri . (A) Dilatasyon modeli, (B) perforasyon modeli ve (C) prolapsus modeli. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Aort yetersizliği tipine göre görselleştirmeyi kolaylaştırın. Aort yetersizliği tipine göre sistolde (her panelin solunda) ve diyastolde (her panelin sağında) bir kolaylaştırıcı görselleştirme. (A) Valfsiz model (diyastol/sistol görüntüsü, valf eksikliği nedeniyle aynıdır), (B) dilatasyon, (C) perforasyon ve (D) prolapsus. Sistol ve diyastol verileri, kardiyak döngü sırasında giriş hızının en yüksek ve en düşük olduğu yerlerde alındı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Akış hızı ve strok hacmi. Valfsiz (A) modeli, (B) dilatasyon, (C) perforasyon ve (D) prolapsusu için akış hızı ve strok hacmi. Akış hızı ve strok hacmi, valf anulusuna giden üç çaplı düzlemde (katı çizgi) ölçülür. Mavi ve kırmızı renkler sırasıyla ileri ve yetersizlik akışlarını gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Oran (Do= 26 mm) |
DA/Do | LKlima o | LB/Do | rmaksimum/Do | rmin/Do |
| 1.24 | 1 | 0.34 | 0.82 | 0.64 |
Tablo 1. Aort kökü geometrisinin geometrik parametreleri Şekil1'de gösterilmiştir.
| Zamansal çözünürlük | 0,025 ms/40 faz |
| Uzamsal çözünürlük | 1 mm başına 2mm x 2mm/0,5 piksel |
| Matris | 96 x 160 x 26 piksel |
| Dilim kalınlığı | 2 mm |
| Yankı süresi | 2,54 ms |
| Kodlama hızı | 25-330 cm/s |
Tablo 2. 4D Flow MRI dizi parametreleri in vitro.
Discussion
Dört boyutlu akışlı MRG son zamanlarda klinik rutin kullanım için bir uygulama olarak çeşitli ex vivo ve in vivo çalışmalarla doğrulanmıştır14. 4D akış MRG'si tüm kardiyak döngü boyunca 3D hız bilgisini elde ettiğinden, güçlü bir uygulama, geleneksel 2D Doppler ekokardiyografinin15'i ölçemediği kapak yetersizliği hacminin doğrudan ölçülmesidir. 4D Flow MRG kullanan in vitro deneyler, kardiyovasküler hastalık ve hemodinamik arasındaki ilişkiyi araştırmak için kullanılabilecek 3D akış hızını ve ilgili hemodinamik parametreleri sağlayabilir. Bununla birlikte, umut verici yeteneğine rağmen, bu uygulama hakkında henüz sistematik bir çalışma bildirilmemiştir. Bu muhtemelen üç yapraklı valflerin yetersizliğini taklit eden iyi kontrol edilen in vitro deneylerin eksikliğinden kaynaklanmaktadır.
İn vitro çalışmalardaki son gelişmeler, kapak öncesi ve sonrası hemodinamiğe ulaşmak için daha doğru ve gerçekçi deneysel yöntemler sağlamıştır16,17. Optik görüntü tabanlı parçacık görüntü velosimetrisi (PIV) ile birleştiğinde, valf etrafındaki akışın doğru ölçümü ve nicelleştirilmesi, önceki in vitro çalışmalarda18'de mümkündü. Bununla birlikte, özellikle kapak sonrası akış için doğru 3B akış alanları, opak model ve kırılma nedeniyle sınırlıydı. Öte yandan, MRG kullanılarak yapılan 3D hız ölçümleri de sınırlıydı, çünkü metal bileşenler19,20 kullanılamıyordu.
Bu nedenle bu çalışmada, kapak hastalıklarının çeşitli klinik senaryolarını yeniden üretmek için MR uyumlu ve oldukça değiştirilebilir bir akış deney platformu oluşturmak için bir protokol tanıtılmıştır. ePTFE membran, yüksek çekme mukavemeti ve kimyasal direnci17,21,22 nedeniyle valf ve vasküler greft malzemesi olarak yaygın olarak kullanıldığı için metal komponentsiz triküspid valfi taklit etmek için kullanılır. ePTFE filmlerine dayanarak, AR'nin üç farklı kökeni (dilatasyon, perforasyon ve prolapsus) ve karşılaştırma için valfsiz bir model yeniden üretilmiştir. Bu akış deneysel protokolündeki bir sonraki önemli adım MR görüntüleme ve nicelleştirmedir. Aort kan akışı dalga formlarını simüle edebilen motor kontrollü bir pistonlu pompa, akış devresi sistemi boyunca fizyolojik bir akış dalga formu oluşturmak için kullanılır. Akış pompasının detayları önceki çalışmada bulunabilir23. Bu çalışma aynı zamanda akış nicelemesinde 4D akış MRG'sinin doğruluğunu doğrulamayı amaçladığından, tüm görüntüleme parametreleri, klinik rutinde kullanılabilecek parametreleri özetleyen önceki çalışmaya dayanarak seçilmiştir24. MRI sistemi, girdap akımları ve manyetik alanın doğrusal olmaması25 gibi kusurlardan kaynaklanan doğal hatalar içerdiğinden, arka plan düzeltme stratejisi, adım 3.1.3'te açıklandığı gibi gerçek veri nicelleştirmesinden önce uygulanır.
Bu çalışmada önerilen el yapımı aort yetersizliği modeli, model sınıflamasına göre regurgitant jetin hemodinamik özelliklerini, önceki çalışmaların bildirdiği26,27 ile benzer şekilde göstermiştir. Kapalı şekil simetrikti ve dilatasyon modelinde valfin merkezinde düz bir jet meydana geldi. Perforasyon modelinde cusp hasarı nedeniyle posterioral olarak yönlendirilmiş eksantrik bir jet ortaya çıkar. Valfin kısmi prolapsusu, sınırlı hareket kabiliyeti nedeniyle suçlu bardaktan yönü bükülmüş bir jeti gösterir. 4D akış MRG'si kullanılarak doğrudan ölçülen aort yetersizliği hacmi, kapaksız ve dilatasyon modelinde fazla tahmin edilirken, prolapsus modelinde zemin gerçeğiyle karşılaştırıldığında büyük ölçüde hafife alınmıştır. Bununla birlikte, yetersizlik fraksiyonu hesaplandığında, en büyük önyargı prolapsus modelinde sadece% 11 idi. Bu, sadece yetersizlik akışının değil, aynı zamanda normal aort jetinin de MR taramasından etkilendiğini güçlü bir şekilde göstermektedir. Geçerli aşamada, her AR modeli için ayrı ayrı tarama parametreleri optimize edilmemiştir. Gelecekteki bir sistemik parametre çalışması, yetersizliğin hacim ölçümünün doğruluğunu artırabilir. Alternatif olarak, yetersizlik fraksiyonunun kullanımı, 4D akış MRG'sindeki doğal hataları iptal ettiği için daha sağlamdır, ancak aynı zamanda klinik olarak mutlak yetersizlik hacmini ölçmekten daha önemlidir.
Sonuç olarak, bu çalışma, çeşitli AR tiplerini simüle etmek için oldukça değiştirilebilir olan MR uyumlu bir in vitro akış deneysel modeli önermektedir. Ayrıca, 4D akış MRI kullanarak AR hacim ölçümünün doğruluğu karşılaştırıldı. Bu çalışmanın sınırlaması, aort kapağının hareketinin simüle edilmemesidir, bu da yetersizlik jetinin gerçek gelişimini etkileyebilir. Ek olarak, 4D akışlı MRG'nin kısmi hacim etkisi ve zamansal ortalama doğası, özellikle jet ve çevresindeki yüksek dinamik hız aralığı göz önüne alındığında, akış ölçümünün doğruluğunu sınırlayabilir. Bu nedenle, daha fazla sistematik parametre çalışması gereklidir.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.
Acknowledgments
Bu araştırma, Eğitim Bakanlığı tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı aracılığıyla Temel Bilim Araştırma Programı tarafından desteklenmiştir (2021R1I1A3040346, 2020R1A4A1019475, 2021R1C1C1003481 ve HI19C0760). Bu çalışma ayrıca Kangwon Ulusal Üniversitesi'nden 2018 Araştırma Bursu (PoINT) tarafından da desteklenmiştir.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D modeling software(SolidWorks) | Dassault Systèmes SolidWorks Corporation | Waltham, MA, USA | |
| 3D printer | Zortrax S.A. | the construction of a three-dimensional object from a CAD model or a digital 3D model,(zortrax m200 plus, Zortrax S.A.,Olsztyn, Poland) | |
| Dicom sort | Open source software | Jonathan Suever, Software Engineer | |
| Ensight | Ansys | Flow visualization software (Canonsburg, PA, USA). | |
| Expanded Polytetrafluoroethylene(ePTFE) | SANG-A-FRONTEC | Medical membrane (ePTFE,SANG-A-FRONTEC, Incheon, korea) | |
| Itk snap software | Open source software | GNU General Public License, | |
| MATLAB | MathWorks | Natick, MA, USA | |
| MRI | Siemens | 3T, Erlangen, Germany | |
| Scissors | Scanlan International Inc | n43 1765 | 7007-454, Scanlan International Inc., Saint Paul, USA |
| Suture | AILEE | NB530 | Ailee, Polyamide suture, UPS 5-0 |
References
- Koo, H. J., et al. Functional classification of aortic regurgitation using cardiac computed tomography: comparison with surgical inspection. The International Journal of Cardiovascular Imaging. 34 (8), 1295-1303 (2018).
- Bekeredjian, R., Grayburn, P. A. Valvular heart disease: aortic regurgitation. Circulation. 112 (1), 125-134 (2005).
- Lancellotti, P., et al. European Association of Echocardiography recommendations for the assessment of valvular regurgitation. Part 1: aortic and pulmonary regurgitation (native valve disease). European Journal of Echocardiography. 11 (3), 223-244 (2010).
- Zo, J. H. Echocardiographic Evaluation of Valvular Regurgitation:Semiquantitation Based on the Color Flow is Enough in Everyday Clinical Practice. Korean Circulation Journal. 29 (10), 1144-1150 (1999).
- Falk, V., et al. ESC/EACTS Guidelines for the management of valvular heart disease. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 52 (4), 616-664 (2017).
- Members, W. C., et al. ACC/AHA guideline for the management of patients with valvular heart disease: a report of the American College of Cardiology/American Heart Association Joint Committee on Clinical Practice Guidelines. Journal of the American College of Cardiology. 77 (4), 25 (2021).
- Ha, H., Huh, H., Yang, D. H., Kim, N. Quantification of Hemodynamic Parameters Using Four-Dimensional Flow MRI. Journal of the Korean Society of Radiology. 80 (2), 239-258 (2019).
- vander Geest, R. J., Garg, P. Advanced analysis techniques for intra-cardiac flow evaluation from 4D flow MRI. Current Radiology Reports. 4 (7), 38 (2016).
- Blanken, C. P., et al. Quantification of mitral valve regurgitation from 4D flow MRI using semiautomated flow tracking. Radiology: Cardiothoracic Imaging. 2 (5), 200004 (2020).
- Kim, B. G., et al. Evaluation of aortic regurgitation by using PC MRI: a comparison of the accuracies at different image plane locations. Journal of the Korean Physical Society. 61 (11), 1884-1888 (2012).
- de Tullio, M. D., Pedrizzetti, G., Verzicco, R. On the effect of aortic root geometry on the coronary entry-flow after a bileaflet mechanical heart valve implant: a numerical study. Acta Mechanica. 216 (1), 147-163 (2011).
- Fallahiarezoudar, E., Ahmadipourroudposht, M., Yusof, N. M. Geometric modeling of aortic heart valve. Procedia Manufacturing. 2, 135-140 (2015).
- Computational Engineering International. EnSight User Manual for Version 10.2. Computational Engineering International, Inc. , (2017).
- Garg, P., et al. Comparison of fast acquisition strategies in whole-heart four-dimensional flow cardiac MR: Two-center, 1.5 Tesla, phantom and in vivo validation study. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 47 (1), 272-281 (2018).
- Gabbour, M., et al. 4-D flow magnetic resonance imaging: blood flow quantification compared to 2-D phase-contrast magnetic resonance imaging and Doppler echocardiography. Pediatric Radiology. 45 (6), 804-813 (2015).
- Kvitting, J. P. E., et al. et al. In vitro assessment of flow patterns and turbulence intensity in prosthetic heart valves using generalized phase-contrast MRI. Journal of Magnetic Resonance Imaging: An Official Journal of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine. 31 (5), 1075-1080 (2010).
- Chang, T. I., et al. In vitro study of trileaflet polytetrafluoroethylene conduit and its valve-in-valve transformation. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery. 30 (3), 408-416 (2020).
- Kim, D., et al. Comparison of Four-Dimensional Flow Magnetic Resonance Imaging and Particle Image Velocimetry to Quantify Velocity and Turbulence Parameters. Fluids. 6 (8), 277 (2021).
- Bai, K., Katz, J. On the refractive index of sodium iodide solutions for index matching in PIV. Experiments in Fluids. 55 (4), 1-6 (2014).
- Hargreaves, B., et al.
- Zhu, G., Ismail, M. B., Nakao, M., Yuan, Q., Yeo, J. H. Numerical and in-vitro experimental assessment of the performance of a novel designed expanded-polytetrafluoroethylene stentless bi-leaflet valve for aortic valve replacement. PloS One. 14 (1), 0210780 (2019).
- Ebnesajjad, S. Expanded PTFE applications handbook: Technology, manufacturing and applications. , William Andrew. (2016).
- Kim, J., Lee, Y., Choi, S., Ha, H. Pulsatile flow pump based on an iterative controlled piston pump actuator as an in-vitro cardiovascular flow model. Medical Engineering & Physics. 77, 118-124 (2020).
- Dyverfeldt, P., et al. 4D flow cardiovascular magnetic resonance consensus statement. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 17 (1), 1-19 (2015).
- Stankovic, Z., Allen, B. D., Garcia, J., Jarvis, K. B., Markl, M. 4D flow imaging with MRI. Cardiovascular Diagnosis and Therapy. 4 (2), 173 (2014).
- Patel, P. A., et al. Aortic regurgitation in acute type-A aortic dissection: a clinical classification for the perioperative echocardiographer in the era of the functional aortic annulus. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 32 (1), 586-597 (2018).
- Boodhwani, M., et al. Repair-oriented classification of aortic insufficiency: impact on surgical techniques and clinical outcomes. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 137 (2), 286-294 (2009).
