Summary
قلس الأبهر هو مرض القلب في الصمام الأبهري. توضح هذه المخطوطة كيف يمكن لتصوير الرنين المغناطيسي للتدفق رباعي الأبعاد تقييم قلس الأبهر باستخدام صمامات القلب في المختبر التي تحاكي قلس الأبهر.
Abstract
يشير قلس الأبهر (AR) إلى تدفق الدم إلى الخلف من الشريان الأورطي إلى البطين الأيسر (LV) أثناء الانبساط البطيني. تتميز نفاثة القلس الناشئة عن الشكل المعقد بالتدفق ثلاثي الأبعاد والتدرج عالي السرعة ، مما يحد أحيانا من قياس دقيق لحجم القلس باستخدام تخطيط صدى القلب 2D. يتيح التصوير بالرنين المغناطيسي للتدفق رباعي الأبعاد (4D flow MRI) الذي تم تطويره مؤخرا قياسات التدفق الحجمي ثلاثي الأبعاد ، والتي يمكن استخدامها لتحديد كمية القلس بدقة. تركز هذه الدراسة على (i) تصنيع نموذج AR المتوافق مع الرنين المغناطيسي (التمدد والثقب والهبوط) و (ii) التحليل المنهجي لأداء التصوير بالرنين المغناطيسي 4D في تحديد كمية AR. أشارت النتائج إلى أن تشكيل الطائرات الأمامية والخلفية بمرور الوقت كان يعتمد بشكل كبير على أنواع أصل AR. كان مقدار تحيز حجم القلس لأنواع النماذج -7.04٪ ، -33.21٪ ، 6.75٪ ، و 37.04٪ مقارنة بحجم الحقيقة الأرضية (48 مل) الذي تم قياسه من حجم شوط المضخة. كان أكبر خطأ في جزء القلس حوالي 12٪. تشير هذه النتائج إلى أن الاختيار الدقيق لمعلمات التصوير مطلوب عندما يكون حجم القلس المطلق مهما. يمكن بسهولة تعديل شبح التدفق في المختبر المقترح لمحاكاة أمراض الصمامات الأخرى مثل تضيق الأبهر أو الصمام الأبهري ثنائي الشرف (BAV) ويمكن استخدامه كمنصة قياسية لاختبار تسلسلات التصوير بالرنين المغناطيسي المختلفة في المستقبل.
Introduction
يشير قلس الأبهر (AR) إلى التدفق الخلفي من الشريان الأورطي إلى البطين الأيسر خلال المرحلة الانبساطية من البطين. عادة ما يتم تصنيف AR إلى توسع الأبهر ، هبوط الأكواب ، ثقب الأكواب ، تراجع الأكواب ، وغيرها1. قد يتسبب الواقع المعزز المزمن في زيادة حجم الجهد المنخفض بشكل رئيسي بسبب التضخم والتمدد ، وفي النهاية يتسبب في إلغاء التعويض2. يحدث AR الحاد بشكل رئيسي بسبب التهاب الشغاف المعدي ، وتسلخ الأبهر ، والتمزق الرضحي ، مما يؤدي إلى حالات الطوارئ الديناميكية الدموية2.
تعتمد المعايير السريرية الحالية لتشخيص الواقع المعزز بشكل أساسي على تخطيط صدى القلب عبر الصدر (TTE) أو تخطيط صدى القلب عبر المريء (TEE)3. على الرغم من مزايا التصوير في الوقت الفعلي ووقت الفحص القصير ، فإن دقة تخطيط صدى القلب تعتمد بشكل كبير على المشغل. خاصة بالنسبة لقياس حجم القلس ، يكون القياس المباشر لحجم القلس محدودا حيث تنتقل نفاثة القلس من مستوى القياس ثنائي الأبعاد (2D) بسبب حركة الصمام الأبهري. غالبا ما يستخدم التقدير غير المباشر باستخدام طرق مساحة السطح المتساوية السرعة القريبة (PISA) ، ولكن الافتراضات مثل منطقة الفتحة الدائرية غالبا ما تحد من القياس الدقيق4.
توصي الإرشادات الطبية الحديثة5 أيضا بالتصوير بالرنين المغناطيسي للقلب (CMR) ، خاصة بالنسبة لمرضى AR المعتدلين أو الشديدين للتعويض عن الحد من تخطيط صدى القلب عن طريق قياس الكتلة والوظيفة العالمية ل LV. يمكن أيضا النظر بشكل شامل في المعلمات الهيكلية مثل منشورات الأبهر وحجم LV ، ومعلمات التدفق مثل العرض النفاث ، وعرض الوريد العقدي ، وحجم القلس بشكل شامل في تشخيص AR6 . ومع ذلك ، قد يفشل حجم قلس الأبهر المقدر مع وظيفة LV العالمية خاصة للمرضى الذين يعانون من أمراض صمامات القلب الأخرى أو التحويلة.
بدلا من ذلك ، تم اعتبار التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D تقنية واعدة يمكنها قياس حجم القلس مباشرة مع معلومات السرعة التي تم حلها بمرور الوقت ضمن حجم الاهتمام7. يمكن تتبع حركة الصمام وفقا للوقت بسهولة وتعويضها عند قياس حجم تدفق القلس 8,9. أيضا ، يمكن وضع مستوى تعسفي عمودي على طائرة القلس بأثر رجعي ، مما يزيد من دقة القياس10. ومع ذلك ، نظرا لأن التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D يحصل بطبيعته على متوسط المعلومات المكانية الزمانية ، فإن دقة هذه التقنية لا تزال تستحق التحقق من الصحة باستخدام تجارب تدفق المختبر التي يتم التحكم فيها جيدا.
تهدف هذه الدراسة إلى (i) تطوير منصة تجريبية متوافقة مع التصوير بالرنين المغناطيسي في المختبر يمكنها إعادة إنتاج السيناريوهات السريرية المختلفة للواقع المعزز (التمدد والثقب والهبوط) و (ii) إثراء فهمنا لأداء التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D في تحديد كمية AR المختلفة في نماذج AR هذه. بالإضافة إلى ذلك ، تم إجراء التصور الديناميكي الدموي ثلاثي الأبعاد والقياس الكمي بناء على التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D وفقا لمختلف السيناريوهات السريرية. لا يقتصر هذا البروتوكول على الواقع المعزز ويمكن توسيعه ليشمل أنواعا أخرى من دراسات أمراض الصمامات التي تتطلب سلسلة من التجارب في المختبر والقياس الكمي للديناميكا الدموية.
Protocol
ملاحظة: يتكون البروتوكول إلى حد كبير من ثلاث مراحل: (1) تصنيع النموذج ، (2) التصوير بالرنين المغناطيسي واختيار المعلمات ، و (3) تحليل البيانات. الشكل 1 هو رسم بياني للتدفق يوضح العملية الشاملة للبروتوكول.
1. تصنيع نموذج
- نموذج جذر الأبهر
- كما هو موضح في الشكل 2، أوجد قيم معلمات جذر الأبهر، مثل قطر قاعدة الصمام ونصف قطر الجيوب الأنفية. بالنسبة لهذه التجربة ، كانت القيم D A = 32.24 mm ، DO = 26 mm ، LB = 8.84 mm ، LA = 26 mm ، rmin = 16.64 mm ، rmax = 21.32 mm.
- قم بتشغيل برنامج النمذجة 3D بالنقر فوق أدوات رسم > أدوات رسم > رسم صورة.
ملاحظة: يستخدم Solidwork لنمذجة 3D في التجربة. - لإنشاء نموذج جيبي، ارسم الدوائر المقابلة ل rmax و rmin باستخدام أداة الدائرة. ارسم خطا منحنيا للجيوب الأنفية باستخدام دالة المنحنى الحر11 ، وانقر فوق أداة الدور العلوي وحدد مساحة الرسم للدور العلوي.
- ارسم دوائر إضافية في أعلى وأسفل النموذج الحالي، وانقر فوق أداة البثق، وحدد الدوائر. اضبط الخيارات على أنها 20 مم لأسفل و 30 مم لأعلى. اصنع نموذجا سداسيا بحجم 100 مم × 100 مم × 76 مم بنفس الطريقة.
- انقر فوق أداة دمج من إدراج ميزات > > دمج. حدد طرح في مدير الخصائص. حدد نموذج سداسي الأضلاع ونموذج الجيوب الأنفية. قم بتصنيع التصميم النهائي كنموذج أكريليك باستخدام آلة CNC ذات 5 محاور وفقا لتعليمات الشركة المصنعة.
- إطار الصمام
- قم بتشغيل برنامج النمذجة 3D وافتح رسما جديدا. ارسم مربعا بحجم 100 مم × 100 مم ودائرة من 25 مم في وسط قاعدة الصمام يدويا. انقر فوق أداة البثق واضبط ارتفاع قاعدة الصمام إلى 5 مم.
- بثق الدائرة بارتفاع 23.5 مم وسماكة 3 مم. قسم النموذج إلى 12 قطعة موحدة باستخدام أداة الخط بحيث تحتوي كل قطعة على 30 درجة. اختر ثلاث قطع بفواصل زمنية 120 درجة وقم بالبثق بارتفاع 16.5 مم لصنع ثلاثة أعمدة.
- انقر فوق أداة فيليه وحدد الأعمدة. اضبط نصف قطر الشرائح في الأعلى والأسفل على أنه 4 مم و 10 مم ، على التوالي. احفظه بتنسيق ملف STL.
- 3D-طباعة إطار الصمام. اضبط كثافة التعبئة على 100٪ واستخدم الأكريلونيتريل بوتادين ستايرين كمادة تعبئة. انظر الشكل 3 للاطلاع على شكل وأبعاد إطار الصمام الأبهري.
- نموذج قلس الأبهر باستخدام البولي تترافلورو إيثيلين الموسع (ePTFE)
- قم بتشغيل برنامج النمذجة 3D وافتح رسما جديدا. ارسم خطا أفقيا يبلغ 23.24 مم وخطا رأسيا يبلغ 15 مم مع الإشارة إلى الشكل 4A.
ملاحظة: تم اختيار المعلمات الهندسية لقاعدة الصمام وارتفاعه وطول الحافة الحرة للنشرة وفقا لدراسة سابقة12. - انقر فوق أداة قوس 3 نقاط من مدير أوامر القوس وقم بتعيين نقطتين على كل طرف من طرفي الخط الأفقي والنقطة الأخيرة على نهاية الخط الرأسي. بثق الرسم بسماكة 5 ملم. تصدير النموذج بتنسيق ملف STL وطباعته 3D.
- تداخل غشاء ePTFE في طبقتين ورسم ثلاثة حدود نشرة على فترات 2 مم باستخدام النشرة المطبوعة. خياطة على طول الخطوط المرسومة والحدود الجانبية على فترات 1 مم مع خياطة البولي أميد بقطر 0.1 مم. قم بخياطة صمام ePTFE من الأعلى إلى الأسفل على الإطار على فترات 1 مم.
- قطع الجانب الخارجي من الغشاء وخياطته مع بعضها البعض. قم بإجراء التعديلات الثلاثة التالية للحصول على ثلاثة نماذج مختلفة.
- نموذج التوسع: تقليل نسبة معلمات النشرة المصممة إلى 90٪.
- نموذج الثقب: قم بعمل ثقب دائري قطره 2 مم باستخدام مقص في وسط نشرة واحدة.
- التدلي: قم بإصلاح اثنين من الوصلات للصمام عند ثقب بارتفاع منخفض للعمود.
ملاحظة: يوضح الشكل 4 المواد وطريقة تصنيع صمام ePTFE. يوضح الشكل 5 خصائص كل نوع من أنواع AR.
- قم بتشغيل برنامج النمذجة 3D وافتح رسما جديدا. ارسم خطا أفقيا يبلغ 23.24 مم وخطا رأسيا يبلغ 15 مم مع الإشارة إلى الشكل 4A.
2. التصوير بالرنين المغناطيسي واختيار المعلمات
- إعداد النظام التجريبي الذي يتكون من نموذج AR ، ونموذج الجيوب الأنفية الأبهرية ، ومضخة محاكاة القلب ، والتصوير بالرنين المغناطيسي.
- اضبط نماذج التجربة في غرفة التصوير بالرنين المغناطيسي وقم بتوصيل المضخة والخزان والنماذج باستخدام أنبوب سيليكون 25 مم (قطر داخلي). استخدم ربطة كابل بطول 10 سم لربط أجزاء التوصيل لمنع التسرب المحتمل.
- استخدم مضخة مكبس يتم التحكم فيها بمحرك لمحاكاة الأشكال الموجية لتدفق الدم الأبهري لتوليد شكل موجي تدفق فسيولوجي من خلال نظام دائرة التدفق. استخدم الماء كملودع عمل وقم بتوصيل صمامات أحادية الاتجاه بالمدخل والمخرج لمنع التدفق العكسي. يمكن العثور على تفاصيل مضخة التدفق في الدراسة السابقة23.
- حدد موقع النموذج داخل مجال الرؤية (FOV) للتصوير بالرنين المغناطيسي. قم بإجراء فحص كشفي لمراقبة الصور الوهمية في طرق العرض الإكليلية والمحورية والسهمية في شاشة وحدة التحكم في تشغيل التصوير بالرنين المغناطيسي. تستخدم هذه الصورة كدليل لوضع تسلسلات الصور التالية.
- حدد موقع مستوى الصورة 2D في وسط نموذج الشريان الأورطي. قم بتشغيل تصوير تباين الطور 2D لمعلمة تشفير السرعة المتغيرة (VENC) لتحديد قيمة VENC الأنسب لتصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D.
- اضبط VENC على قيمة أعلى بنسبة 10٪ في التصوير بالرنين المغناطيسي بتدفق 4D لتقليل السرعة المحتملة إلى7. أدخل الدقة المكانية المطلوبة والدقة الزمنية على وحدة التحكم في التصوير بالرنين المغناطيسي. يوصى بأن تكون الدقة المكانية والزمانية لتدفق الأبهر 2-3 مم و 20-40 مللي ثانية ، على التوالي7. ويبين الجدول 2 معلمات التصوير بالرنين المغناطيسي.
- احصل على بيانات لكل من التدفق وبدونه باستخدام 3 أنواع من صمامات الواقع المعزز والصمام بدون صمام.
3. تحليل البيانات
- فرز البيانات وتصحيحها
- انسخ ملفات البيانات الخام من الماسح الضوئي لمتابعة تحليل البيانات. فرز ملفات dicom وفقا للرأس المسمى وصف السلسلة باستخدام برنامج فرز Dicom. انقر فوق فرز الصور في برنامج فرز Dicom لفرز صور الطور ثلاثي الاتجاهات وصور الحجم في مجلدات منفصلة.
- قم بتحميل صورة بحجم الصورة في برنامج ITK-snap. انقر فوق فرشاة في انجذاب ITK وقم بطلاء منطقة السائل الداخلية للشبح يدويا باستخدام أداة الفرشاة. حفظ الصورة المجزأة.
- (اختياري) قم بتحميل كل من بيانات صورة المرحلة التي تم الحصول عليها مع تشغيل التدفق وإيقافه باستخدام MATLAB. اطرح البيانات مع التدفق بواسطة البيانات بدون تدفق لإزالة أخطاء الخلفية. كرر هذا لكل اتجاه ودورة قلبية.
- احسب سرعة بيانات مرحلة مصفوفة 5D (الصف × العمود × الشريحة × الاتجاه × الوقت) باستخدام معادلة بكسل إلى سرعة خاصة بالمورد. بشكل عام ، تتوافق الكثافة القصوى للبكسل مع قيمة VENC المحددة.
- التصور
- قم بتحميل سرعة مصفوفة 5D من الخطوة 3.1.4 إلى برنامج تحليل تصور التدفق.
ملاحظة: قد تختلف مصفوفة سرعة الإدخال وفقا لبرنامج التحليل. يجب على مستخدمي Ensight اتباع دليل تنسيق حالة Ensight الذهبي13. - انقر فوق الجزء Isosurface ، وقم بتغيير نوع البيانات من isosurface إلى isovolume لتحليل 3D بالنقر فوق الزر Isovolume . اسحب بيانات السرعة في مدير أوامر المتغيرات ، وأضفها إلى حجم متساوي للتحقق من توزيع السرعة للنموذج.
- انقر فوق أداة بواعث تتبع الجسيمات في القائمة الرئيسية. تحقق من الخيار المتقدم للحصول على تحليل أكثر دقة. حدد المرئيات المطلوبة مثل Streamlines أو Pathlines في الإنشاء .
- بالنسبة لهذه التجربة، قم بتعيين القيمة التالية: انبعاث من الخيار = جزء، معرف الجزء = 2، لا. عدد الباعثين = 10000 ، الاتجاه = +/-. إنشاء النتائج والتحقق منها بمرور الوقت.
- انقر بزر الماوس الأيمن فوق نموذج تتبع الجسيمات وانقر فوق اللون حسب. حدد مكون السرعة لتلوين الانسيابية بالسرعة.
- قم بتحميل سرعة مصفوفة 5D من الخطوة 3.1.4 إلى برنامج تحليل تصور التدفق.
- التحديد الكمي
- قم بتحميل بيانات السرعة (الخطوة 3.1.4) والصورة المجزأة (الخطوة 3.1.2) على MATLAB. اضبط السرعة خارج منطقة التجزئة على الصفر. يمكن القيام بذلك بسهولة عن طريق ضرب بيانات المصفوفة المجزأة وبيانات مصفوفة السرعة.
- تحقق مما إذا كانت بيانات السرعة تحتوي على التفاف مرحلي باستخدام وظيفة Imshow الخاصة ب MATLAB. يشير انعكاس اتجاه السرعة إلى التفاف الطور.
- قم بتقطيع المستوى المطلوب من بيانات المصفوفة. اجمع جميع بيانات السرعة داخل المستوى واضرب الدقة المكانية لحساب معدل التدفق عبر المستوى. اجمع جميع معدلات التدفق طوال دورة القلب واضرب الدقة الزمنية لحساب حجم السكتة الدماغية.
Representative Results
تم تصنيع ثلاث فئات تمثيلية من نماذج قلس الأبهر ، وتم تصنيع حالة واحدة بدون صمام للمقارنة (الشكل 3). أظهر نموذج التمدد بوضوح إغلاقا غير مكتمل لنشرة الصمام بسبب الوريقات الأصغر حجما. تم ثقب ثقب على إحدى المنشورات باستخدام مقص لتقليد نموذج الثقب. وبدت إحدى النشرات من نموذج التدلي أصغر من النشرتين الأخريين لأن المنشورين كانا مخيطين في موضع أقل من الارتفاع الأصلي. لم تكن هناك اختلافات كبيرة من وجهة النظر العليا.
مع معلومات السرعة ثلاثية الأبعاد التي تم الحصول عليها بمرور الوقت باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي بالتدفق 4D ، تم تصور انسيابية نفاثات عادية وقلس أثناء الانقباض والانبساط (الشكل 6). كانت الطائرة الأمامية مستقيمة في جميع الموديلات باستثناء نموذج الثقب. في نموذج الثقب ، حدثت طائرة نفاثة منحازة للجدار خلال مرحلة الانقباض. أظهرت طائرة القلس سرعة وشكلا مختلفين وفقا لتصنيف AR. في حالة عدم وجود صمام ، حدث تدفق شامل للأمام والخلف. خرجت طائرة القلس من نموذج التمدد من المركز وتميل إلى تغيير الاتجاهات بمرور الوقت. تميل طائرة قلس نموذج الانثقاب والتدلي نحو الجدار. وكانت السرعة القصوى للطائرة النفاثة الأمامية والقلسية 0.28 م/ث، و-0.29 م/ث في النموذج بدون صمام، و2.03 م/ث، و-3.53 م/ث في نموذج التمدد، و2.52 م/ث، و-3.13 م/ث في نموذج الثقب، و2.76 م/ث، و-2.88 م/ث في نموذج التدلي.
يوضح الشكل 7 معدل التدفق لكل صمام وأحجام الأمام والقلس في مستوى 3D بعيدا عن قاعدة الصمام. أظهرت معدلات التدفق أشكالا موجية وكميات مختلفة لكل نموذج. كان حجم القلس 51.38 مل و 63.94 مل و 44.76 مل و 30.22 مل بدون صمام ، والتمدد ، والثقب ، ونماذج التدلي ، على التوالي. كان التحيز لنموذج بدون صمام ، وتوسيع ، وثقب ، وهبوط -7.04 ٪ ، -33.21 ٪ ، 6.75 ٪ ، و 37.04 ٪ ، على التوالي ، مقارنة بالحقيقة الأرضية (48 مل) التي تم قياسها من حجم ضربة المضخة. تشير قيم النسبة المئوية الإيجابية إلى التقليل من التقدير بينما تمثل قيم النسبة المئوية السلبية أكثر من التقدير. كان خطأ كسر القلس -7.78٪ و -6.00٪ و 0.33٪ و -11.18٪ بدون صمام ، ونموذج التمدد ، والثقب ، والتدلي ، على التوالي.
الشكل 1: رسم تخطيطي لسير العمل للبروتوكول. يتكون هذا البروتوكول التجريبي بشكل أساسي من تصنيع النموذج والتصوير بالرنين المغناطيسي وتحليل البيانات. في خطوة تصنيع النموذج ، يتم تصنيع نموذج جذر الأبهر الخارجي وأربعة أنواع مختلفة من نموذج AR (بدون صمام ، توسع ، هبوط ، وثقب). أثناء التصوير بالرنين المغناطيسي ، يتم إجراء التصوير الكشفي متبوعا بفحص VENC متعدد والتصوير بالرنين المغناطيسي بتدفق 4D. يتضمن جزء تحليل البيانات فرز البيانات وتجزئة الصور وحساب السرعة والتصور والقياس الكمي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: نموذج أكريليك تخطيطي ومصمم لجذر الأبهر (أ) التوصيف الهندسي ومعلمات هندسة جذر الأبهر. (ب) نموذج جذر الأبهر 3D في عرض متعدد الأبعاد. D A: قطر الوصلة الأنبوبية (STJ) ، DO: قطر الحلقة ، rmax: الحد الأقصى لقطر الجيوب الأنفية ، rmin: الحد الأدنى لقطر الجيوب الأنفية ، LA: ارتفاع الجيوب الأنفية ، LB: ارتفاع STJ. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: إطار قلس الأبهر والنموذج (أ) المعلومات الهندسية لإطار الصمام الأبهري الذي يستخدم لحمل النشرة. الثقوب حول جسم الإطار هي المكان الذي يمر فيه خط الخياطة. (ب) مثال على صمام غشاء ePTFE المخيط. (ج) عرض الوجه للنماذج في المختبر: بدون صمام ، تمدد ، ثقب وهبوط ملفقة في هذه الدراسة. يشير السهم إلى العتبة التالفة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: خطوة المواد والتصنيع لنشرة ePTFE. (أ) باستخدام المنشورات المطبوعة ثلاثية الأبعاد كدليل ، يتم عمل المنشورات باستخدام غشاء ePTFE. (ب) رسم وخياطة وقطع وتثبيت خطوات صمام ePTFE. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: طرق تصنيع نماذج AR المختلفة . (A) نموذج التمدد ، (B) نموذج الثقب ، و (C) نموذج الهبوط. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: تبسيط التصور وفقا لنوع قلس الأبهر. تبسيط التصور عند الانقباض (يسار كل لوحة) والانبساط (يمين كل لوحة) وفقا لنوع قلس الأبهر. (أ) نموذج بدون صمام (صورة الانبساط / الانقباض هي نفسها بسبب عدم وجود صمام) ، (ب) توسع ، (ج) ثقب ، و (د) هبوط. تم أخذ بيانات الانقباض والانبساط حيث تكون سرعة المدخل هي الأعلى والأدنى خلال دورة القلب. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: معدل التدفق وحجم السكتة الدماغية. معدل التدفق وحجم الشوط للنموذج (A) بدون صمام ، (B) التمدد ، (C) الثقب ، و (D) الهبوط. يتم قياس معدل التدفق وحجم الشوط عند المستوى (الخط الصلب) ثلاثي الأقطار في اتجاه مجرى النهر إلى حلقة الصمام. يشير اللونان الأزرق والأحمر إلى التدفقات الأمامية والقلسية ، على التوالي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| نسبه (Do = 26 مم) |
DA / Do | LA / Do | LB / Do | صماكس / Dس | صدقيقة / دس |
| 1.24 | 1 | 0.34 | 0.82 | 0.64 |
الجدول 1. المعلمات الهندسية لهندسة جذر الأبهر الموضحة في الشكل 1.
| الدقة الزمنية | 0.025 مللي ثانية/40 مرحلة |
| الدقة المكانية | 2 مم × 2 مم / 0.5 بكسل لكل 1 مم |
| مصفوفة | 96 × 160 × 26 بكسل |
| سمك الشريحة | 2 مم |
| وقت الصدى | 2.54 مللي ثانية |
| سرعة الترميز | 25-330 سم / ثانية |
الجدول 2. 4D تدفق التصوير بالرنين المغناطيسي المعلمات تسلسل في المختبر.
Discussion
تم التحقق مؤخرا من التصوير بالرنين المغناطيسي للتدفق رباعي الأبعاد من قبل العديد من الدراسات خارج الجسم الحي وفي الجسم الحي كتطبيق للاستخدام الروتيني السريري14. نظرا لأن التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D يحصل على معلومات السرعة ثلاثية الأبعاد على مدار دورة القلب بأكملها ، فإن أحد التطبيقات القوية هو تحديد كمي مباشر لحجم قلس الصمامات ، والذي لا يستطيع تخطيط صدى القلب التقليدي 2D Doppler تحديد15. في المختبر التجارب باستخدام 4D تدفق التصوير بالرنين المغناطيسي يمكن أن توفر سرعة تدفق 3D والمعلمات الديناميكية الدموية ذات الصلة التي يمكن استخدامها للتحقيق في العلاقة بين أمراض القلب والأوعية الدموية وديناميكا الدم. ومع ذلك ، على الرغم من قدرته الواعدة ، لم يتم الإبلاغ عن أي دراسات منهجية حول هذا التطبيق حتى الآن. ربما يرجع ذلك إلى عدم وجود تجارب جيدة التحكم في المختبر تحاكي قلس الصمامات ثلاثية الوريقات.
قدمت التطورات الأخيرة في الدراسات المخبرية طرقا تجريبية أكثر دقة وواقعية للوصول إلى ديناميكا الدم قبل وبعد الصمامات16,17. إلى جانب قياس سرعة صورة الجسيمات البصرية القائمة على الصور (PIV) ، كان من الممكن إجراء قياس دقيق وتحديد كمية التدفق حول الصمام في الدراسات السابقة في المختبر 18. ومع ذلك ، كانت حقول تدفق 3D الدقيقة ، خاصة بالنسبة للتدفق ما بعد الصمامات ، محدودة بسبب النموذج غير الشفاف والانكسار. من ناحية أخرى ، كانت قياسات السرعة ثلاثية الأبعاد باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي محدودة أيضا ، حيث لا يمكن استخدام المكونات المعدنية 19,20.
وبالتالي في هذه الدراسة ، تم تقديم بروتوكول لبناء منصة تجريبية للتدفق متوافقة مع MR وقابلة للتعديل بدرجة عالية لإعادة إنتاج سيناريوهات سريرية مختلفة لأمراض الصمامات. يستخدم غشاء ePTFE لتقليد الصمام ثلاثي الشرف بدون مكونات معدنية حيث تم استخدامه على نطاق واسع كصمام ومواد ترقيع وعائية بسبب قوة الشد العالية والمقاومة الكيميائية17،21،22. استنادا إلى أفلام ePTFE ، تم إعادة إنتاج ثلاثة أصول مختلفة من AR (التمدد ، الثقب ، والهبوط) بالإضافة إلى نموذج بدون صمام للمقارنة. الخطوة المهمة التالية في هذا البروتوكول التجريبي للتدفق هي التصوير بالرنين المغناطيسي والقياس الكمي. يتم استخدام مضخة مكبس يتم التحكم فيها بمحرك يمكنها محاكاة الأشكال الموجية لتدفق الدم الأبهري لتوليد شكل موجي تدفق فسيولوجي من خلال نظام دائرة التدفق. يمكن العثور على تفاصيل مضخة التدفق في الدراسة السابقة23. نظرا لأن هذه الدراسة تهدف أيضا إلى التحقق من صحة دقة التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D في تحديد كمية التدفق ، يتم اختيار جميع معلمات التصوير بناء على الدراسة السابقة التي تلخص المعلمات التي يمكن استخدامها في الروتين السريري24. نظرا لأن نظام التصوير بالرنين المغناطيسي يتضمن أخطاء متأصلة بسبب عيوب مثل تيارات الدوامة وعدم خطية المجال المغناطيسي25 ، يتم تطبيق استراتيجية تصحيح الخلفية قبل تحديد كمية البيانات الفعلية كما هو موضح في الخطوة 3.1.3.
أظهر نموذج قلس الأبهر المصنوع يدويا المقترح في هذه الدراسة خصائص ديناميكية دموية مماثلة لنفاثة القلس وفقا لتصنيف النموذج حيث أفادت الدراسات السابقة ب26,27. كان الشكل المغلق متماثلا ، وحدثت نفاثة مستقيمة في مركز الصمام في نموذج التوسع. تظهر طائرة غريبة الأطوار موجهة خلفيا بسبب تلف العتبة في نموذج الثقب. يظهر التدلي الجزئي للصمام طائرة نفاثة تم ثني اتجاهها من كأس الجاني بسبب محدودية الحركة. تم المبالغة في تقدير حجم قلس الأبهر الذي تم قياسه مباشرة باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D في نموذج بدون صمام وتوسيع ، في حين تم التقليل من شأنه إلى حد كبير في نموذج التدلي عند مقارنته بالحقيقة الأرضية. ومع ذلك ، عندما تم حساب جزء القلس ، كان أكبر تحيز 11٪ فقط في نموذج الهبوط. هذا يشير بقوة إلى أنه ليس فقط تدفق القلس ولكن أيضا النفاثة الأبهرية الطبيعية قد تأثرت بالتصوير بالرنين المغناطيسي. في المرحلة الحالية ، لم يتم تحسين معلمات الفحص الفردية لكل نموذج AR. قد تؤدي دراسة المعلمات الجهازية المستقبلية إلى تحسين دقة قياس حجم القلس. بدلا من ذلك ، يكون استخدام جزء القلس أكثر قوة لأنه يلغي الأخطاء المتأصلة في التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D ولكنه أيضا أكثر ملاءمة سريريا من مجرد قياس حجم القلس المطلق.
في الختام ، تقترح هذه الدراسة نموذجا تجريبيا للتدفق المختبري متوافقا مع MR قابلا للتعديل بدرجة عالية لمحاكاة أنواع مختلفة من AR. أيضا ، تمت مقارنة دقة قياس حجم AR باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D. الحد من هذه الدراسة هو أن حركة الصمام الأبهري لم تتم محاكاتها ، والتي يمكن أن تؤثر على التطور الفعلي للطائرة القلس. بالإضافة إلى ذلك ، قد يحد تأثير الحجم الجزئي وطبيعة المتوسط الزمني للتصوير بالرنين المغناطيسي 4D-flow من دقة قياس التدفق ، خاصة بالنظر إلى النطاق الديناميكي العالي للسرعة داخل الطائرة والمناطق المحيطة. لذلك ، هناك حاجة إلى مزيد من الدراسة المنهجية للمعلمات.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
تم دعم هذا البحث من قبل برنامج أبحاث العلوم الأساسية من خلال المؤسسة الوطنية للبحوث في كوريا ، والتي تمولها وزارة التعليم (2021R1I1A3040346 ، 2020R1A4A1019475 ، 2021R1C1C1003481 ، و HI19C0760). تم دعم هذه الدراسة أيضا من خلال منحة الأبحاث لعام 2018 (PoINT) من جامعة كانغوون الوطنية.
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. Metal induced artifacts in MRI. AJR. American Journal of Roentgenology. 197 (3), 547 (2011).
- 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).
