Summary
רגורגיטציה של אבי העורקים היא מחלת לב מסתם אבי העורקים. כתב יד זה מדגים כיצד הדמיית תהודה מגנטית של זרימה ארבע-ממדית יכולה להעריך רגורגיטציה של אבי העורקים באמצעות מסתמי לב במבחנה המחקים את הרגורגיטציה של אבי העורקים.
Abstract
רגורגיטציה של אבי העורקים (AR) מתייחסת לזרימת דם לאחור מאבי העורקים לחדר השמאלי (LV) במהלך דיאסטולה חדרית. הסילון הרגורגיטנטי הנובע מהצורה המורכבת מאופיין בזרימה התלת-ממדית ובשיפוע המהירות הגבוהה, ולעתים מגביל מדידה מדויקת של נפח הרגורגיטאנט באמצעות אקוקרדיוגרפיה דו-ממדית. הדמיית תהודה מגנטית של זרימה ארבע-ממדית שפותחה לאחרונה (MRI זרימה 4D) מאפשרת מדידות זרימה נפחיות תלת-ממדיות, בהן ניתן להשתמש כדי לכמת במדויק את כמות הרגורגיטציה. מחקר זה מתמקד ב-(i) ייצור מודל AR תואם תהודה מגנטית (הרחבה, ניקוב וצניחה) ו-(ii) ניתוח שיטתי של הביצועים של MRI זרימה 4D בכימות AR. התוצאות הצביעו על כך שהיווצרות המטוסים קדימה ואחורה לאורך זמן הייתה תלויה מאוד בסוגי מקור ה-AR. כמות הטיית נפח הרגורגיטציה עבור סוגי הדגמים הייתה -7.04%, -33.21%, 6.75%, ו-37.04% בהשוואה לנפח האמת הקרקעית (48 מ"ל) שנמדד מנפח שבץ המשאבה. השגיאה הגדולה ביותר של שבר הרגורגיטציה הייתה סביב 12%. תוצאות אלה מצביעות על כך שנדרשת בחירה זהירה של פרמטרי הדמיה כאשר נפח הרגורגיטציה המוחלט חשוב. ניתן לשנות בקלות את פנטום הזרימה במבחנה המוצע כדי לדמות מחלות וולוולריות אחרות כגון היצרות אבי העורקים או מסתם אבי העורקים הדו-חמצני (BAV) וניתן להשתמש בו כפלטפורמה סטנדרטית לבדיקת רצפי MRI שונים בעתיד.
Introduction
רגורגיטציה של אבי העורקים (AR) מתייחסת לזרימה לאחור מאבי העורקים לתוך החדר השמאלי במהלך השלב הדיאסטולי של החדר. AR מסווג בדרך כלל להרחבת אבי העורקים, צניחת כוסות, ניקוב כוסות, נסיגת כוסות ועוד1. מציאות רבודה כרונית עלולה לגרום לעומס יתר של ה-LV בעיקר עקב היפרטרופיה והתפשטות, ובסופו של דבר גורמת לפירוק שלה2. AR חריף נגרם בעיקר על ידי אנדוקרדיטיס זיהומית, דיסקציה של אבי העורקים וקרע טראומטי, מה שמוביל למקרי חירום המודינמיים2.
התקנים הקליניים הנוכחיים לאבחון AR מבוססים בעיקר על אקוקרדיוגרפיה טרנסתוראקית (TTE) או אקוקרדיוגרפיה טרנס-וושטית (TEE)3. למרות היתרונות של הדמיה בזמן אמת וזמן בדיקה קצר, הדיוק של אקוקרדיוגרפיה תלוי מאוד במפעיל. במיוחד עבור מדידת נפח regurgitant, מדידה ישירה של נפח regurgitant מוגבלת כאשר סילון regurgitant נע מתוך מישור המדידה הדו-ממדי (2D) עקב התנועה של שסתום אבי העורקים. לעתים קרובות נעשה שימוש באומדן עקיף באמצעות שיטות פרוקסימליות של שטח פנים איזו-מהירות (PISA), אך הנחות כגון שטח פתח מעגלי מגבילות לעתים קרובות את המדידה המדויקת4.
הנחיות רפואיות עדכניות5 ממליצות גם על MR לבבי (CMR), במיוחד לחולי AR בינוניים או חמורים כדי לפצות על המגבלה של אקוקרדיוגרפיה על ידי מדידת המסה והתפקוד הגלובלי של ה- LV. פרמטרים מבניים כגון עלוני אבי העורקים וגודל LV, ופרמטרים של זרימה כגון רוחב סילון, רוחב vena contracta ונפח regurgitant יכולים גם להילקח בחשבון באופן מקיף באבחון AR6 . עם זאת, נפח הרגורגיטציה של אבי העורקים המוערך בתפקוד הגלובלי של LV עלול להיכשל במיוחד עבור חולים עם מחלות לב אחרות או shunt.
לחלופין, MRI זרימה 4D נחשב כטכניקה מבטיחה שיכולה למדוד ישירות את נפח הרגורגיטאנט עם מידע על מהירות שנפתר בזמן בתוך נפח העניין7. ניתן לעקוב בקלות אחר תנועת השסתום בהתאם לזמן ולפצות אותו בעת מדידת נפח הזרימה הרגורגיטנטי 8,9. כמו כן, מישור שרירותי בניצב לסילון הרגורגיטנטי יכול להיות ממוקם בדיעבד, מה שמגדיל את הדיוק של המדידה10. עם זאת, מכיוון ש-MRI של זרימה 4D משיג באופן אינהרנטי את המידע הממוצע ה-spatiotemporly, הדיוק של טכניקה זו עדיין מצדיק אימות על ידי שימוש בניסויי זרימה במבחנה מבוקרים היטב.
מחקר זה נועד (1) לפתח פלטפורמה ניסיונית תואמת MRI במבחנה שיכולה לשחזר את התרחישים הקליניים השונים של AR (התרחבות, ניקוב וצניחה) ו-(2) להעשיר את הבנתנו את ביצועי ה-MRI של זרימה 4D בכימות AR שונים במודלים אלה של AR. בנוסף, הדמיה וכימות המודינמיים תלת-ממדיים המבוססים על MRI זרימה 4D נערכו על פי התרחישים הקליניים השונים. פרוטוקול זה אינו מוגבל ל-AR וניתן להרחיבו לסוגים אחרים של מחקרי מחלות וולולריות הדורשים סדרה של ניסויים במבחנה וכימות המודינמי.
Protocol
הערה: הפרוטוקול מורכב ברובו משלושה שלבים: (1) ייצור מודלים, (2) סריקת MRI ובחירת פרמטרים, ו-(3) ניתוח נתונים. איור 1 הוא דיאגרמת זרימה המציגה את התהליך הכולל של הפרוטוקול.
1. ייצור דגמים
- מודל שורש אבי העורקים
- כפי שמוצג באיור 2, קבעו את ערכי הפרמטרים של שורש אבי העורקים, כגון קוטר בסיס השסתום ורדיוס הסינוסים. עבור ניסוי זה, הערכים היו DA = 32.24 מ"מ, DO = 26 מ"מ, LB = 8.84 מ"מ, LA = 26 מ"מ, rmin = 16.64 מ"מ, rמקסימום = 21.32 מ"מ.
- הפעל את תוכנת המידול התלת-ממדית על-ידי לחיצה על כלי סקיצה > Sketch Tools > Sketch Image.
הערה: Solidwork משמשת למידול תלת-ממדי בניסוי. - כדי ליצור מודל סינוס, שרטטו עיגולים המתאימים ל-rmax ו-rmin באמצעות כלי העיגול. צייר קו מעוקל של הסינוס באמצעות פונקציית העקומה החופשית11, לחץ על כלי לופט ובחר את אזור הסקיצה עבור לופט.
- שרטטו עיגולים נוספים בחלק העליון והתחתון של הדגם הנוכחי, לחצו על 'כלי הוצאה' ובחרו את העיגולים. הגדר את האפשרויות כ- 20 מ"מ כלפי מטה ו- 30 מ"מ כלפי מעלה. צור דגם הקסהדרון בגודל 100 מ"מ x 100 מ"מ x 76 מ"מ באותו אופן.
- לחץ על שילוב כלי מתוך הוספת תכונות > > שילוב. בחר חיסור במנהל הנכסים. בחר את מודל הקסהדרון ואת מודל הסינוס. צרו את העיצוב הסופי כדגם אקריליק עם מכונת CNC בעלת 5 צירים בהתאם להוראת היצרן.
- מסגרת שסתום
- הפעל תוכנת מידול תלת-ממדית ופתח סקיצה חדשה. צייר ריבוע בגודל 100 מ"מ x 100 מ"מ ועיגול של 25 מ"מ במרכז לבסיס השסתום, באופן ידני. לחץ על כלי Extrude והתאם את גובה בסיס השסתום ל-5 מ"מ.
- מוציאים את העיגול לגובה של 23.5 מ"מ ולעובי של 3 מ"מ עובי. חלקו את הדגם ל-12 חלקים אחידים באמצעות Line Tool כך שלכל יצירה יהיו 30°. בחר שלושה חלקים עם מרווחים של 120° והבלט בגובה של 16.5 מ"מ כדי ליצור שלושה עמודים.
- לחץ על כלי פילה ובחר את העמודים. התאם את רדיוס הפילה בחלק העליון והתחתון כ- 4 מ"מ ו- 10 מ"מ, בהתאמה. שמור אותו בתבנית קובץ STL.
- הדפס בתלת-ממד את מסגרת השסתום. קבעו את צפיפות המילוי ל-100% והשתמשו באקרילוניטריל בוטאדיאן סטירן כחומר מילוי. ראו איור 3 את הצורה והממדים של מסגרת המסתם האאורטלי.
- מודל רגורגיטציה של אבי העורקים באמצעות פוליטטראפלואורואתילן מורחב (ePTFE)
- הפעל את תוכנת המידול התלת-ממדית ופתח סקיצה חדשה. ציירו קו אופקי של 23.24 מ"מ וקו אנכי של 15 מ"מ עם התייחסות לאיור 4A.
הערה: הפרמטרים הגיאומטריים של הבסיס, הגובה והאורך החופשי של השסתום נבחרו על פי מחקר קודם12. - לחץ על כלי קשת 3 נקודות ממנהל הפקודות של הקשת והגדר שתי נקודות בכל קצה של הקו האופקי והנקודה האחרונה בסוף הקו האנכי. הוציאו את הסקיצה בעובי של 5 מ"מ. ייצא את הדגם עם תבנית קובץ STL והדפסתו בתלת-ממד.
- חופפים את קרום ה-ePTFE בשתי שכבות ומציירים שלושה גבולות עלון במרווחים של 2 מ"מ באמצעות העלון המודפס. תפר לאורך הקווים המצוירים והגבולות הצדדיים במרווחים של 1 מ"מ עם תפר פוליאמיד בקוטר של 0.1 מ"מ. תפר את שסתום ePTFE מלמעלה למטה על המסגרת במרווחים של 1 מ"מ.
- חותכים את הצד החיצוני של הממברנה ותופרים אותו אחד עם השני. בצע את שלושת השינויים הבאים כדי לקבל שלושה דגמים שונים.
- מודל התרחבות: הפחיתו את היחס בין פרמטרי העלון המתוכננים ל-90%.
- מודל ניקוב: ליצור חור עגול בקוטר של 2 מ"מ באמצעות מספריים במרכז עלון אחד.
- צניחה: תקן את שני הקומיסורים של השסתום בחור עם גובה פוסט נמוך.
הערה: איור 4 מציג את החומרים ושיטת הייצור של שסתום ePTFE. איור 5 מציג את המאפיינים של כל סוג AR.
- הפעל את תוכנת המידול התלת-ממדית ופתח סקיצה חדשה. ציירו קו אופקי של 23.24 מ"מ וקו אנכי של 15 מ"מ עם התייחסות לאיור 4A.
2. סריקת MRI ובחירת פרמטרים
- הכינו את מערכת הניסוי המורכבת ממודל AR, מודל סינוס אבי העורקים, משאבת סימולציה של לב ו-MRI.
- הגדר את מודלי הניסוי בחדר ה- MRI וחבר את המשאבה, המאגר והמודלים באמצעות צינור סיליקון בקוטר 25 מ"מ (קוטר פנימי). השתמש בקשר כבל באורך 10 ס"מ כדי להדק את חלקי החיבור כדי למנוע דליפה אפשרית.
- השתמש במשאבת בוכנה הנשלטת על ידי מנוע כדי לדמות את צורות הגל של זרימת הדם באבי העורקים כדי ליצור צורת גל זרימה פיזיולוגית דרך מערכת מעגלי הזרימה. השתמשו במים כנוזל העבודה והצמידו שסתומים חד-כיווניים לכניסה ולשקע כדי למנוע זרימה חוזרת. פרטים על משאבת הזרימה ניתן למצוא במחקר הקודם23.
- אתר את המודל בתוך שדה הראייה (FOV) של ה-MRI. בצע סריקת סקאוט כדי לצפות בתמונות פנטום בתצוגות קורונל, ציריות וסגיטליות במוניטור מסוף ההפעלה MRI. תמונה זו משמשת כמדריך למיקום רצפי התמונות הבאים.
- אתר את מישור התמונה הדו-ממדי במרכז מודל אבי העורקים. הפעל הדמיית ניגודיות פאזה דו-ממדית של פרמטר קידוד מהירות משתנה (VENC) כדי לבחור את ערך ה- VENC המתאים ביותר עבור MRI של זרימה 4D.
- הגדר את VENC לערך גבוה יותר ב-10% ב-MRI של זרימה 4D כדי למזער את כינוי המהירותהאפשרית 7. הזן את הרזולוציה המרחבית הרצויה ואת הרזולוציה הטמפורלית בקונסולת ה- MRI. הרזולוציה המרחבית והזמנית של זרימת אבי העורקים מומלצת להיות 2-3 מ"מ ו-20-40 אלפיות השנייה, בהתאמה7. טבלה 2 מציגה את הפרמטרים של סריקת MRI.
- קבל נתונים עבור שניהם עם ובלי זרימה באמצעות 3 סוגים של שסתומי AR ושסתום ללא שסתום.
3. ניתוח נתונים
- מיון ותיקון נתונים
- העתק קבצי נתונים גולמיים מהסורק כדי להמשיך בניתוח הנתונים. מיין את קבצי ה-dicom לפי הכותרת בשם תיאור הסדרה באמצעות תוכנת המיון Dicom. לחץ על מיין תמונות בתוכנת מיון Dicom כדי למיין תמונות פאזה תלת-כיווניות ותמונות גודל בתיקיות נפרדות.
- טען תמונת גודל לתוך תוכנת ITK-snap. לחץ על Brush ב- ITK-snap וצבוע ידנית את אזור הנוזל הפנימי של הפנטום באמצעות כלי המברשת. שמור תמונה מפולחת.
- (אופציונלי) טען את נתוני התמונה בשני השלבים המתקבלים עם הזרימה מופעלת ומכובה באמצעות MATLAB. הפחת את הנתונים עם הזרימה על-ידי הנתונים ללא זרימה כדי להסיר שגיאות רקע. חזרו על כך לכל כיוון ומחזור לב.
- חשב את המהירות של נתוני פאזה של מטריצה 5D (שורה x עמודה עמודה x פרוסה x כיוון x זמן) באמצעות משוואת פיקסל למהירות ספציפית לספק. באופן כללי, העוצמה המרבית של הפיקסל מתאימה לערך VENC שנבחר.
- ויזואליזציה
- טען את מהירות המטריצה ה-5D משלב 3.1.4 לתוכנת ניתוח הדמיית זרימה.
הערה: מטריצת מהירות הקלט עשויה להשתנות בהתאם לתוכנת הניתוח. משתמשי Ensight צריכים לעקוב אחר מדריך פורמט מארז הזהב של Ensight13. - לחץ על חלק Isosurface, שנה את סוג הנתונים מ- isosurface ל- isovolume לניתוח תלת-ממדי על-ידי לחיצה על לחצן Isovolume . גרור את נתוני המהירות במנהל הפקודות של המשתנים, הוסף אותם ל- isovolume כדי לבדוק את התפלגות המהירות של המודל.
- לחץ על כלי פולט מעקב אחר חלקיקים בתפריט הראשי. בדוק את האפשרות המתקדמת לקבלת ניתוח מדויק יותר. בחר את התצוגה החזותית הרצויה, כגון 'ייעול' או 'קווי נתיב' ביצירה.
- עבור ניסוי זה, הגדר את הערך הבא: פלט מאופציה = חלק, מזהה חלק = 2, לא. של פולטים = 10000, כיוון = +/-. צור ובדוק את התוצאות לאורך זמן.
- לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על מודל מעקב אחר חלקיקים ולחץ על הצבע לפי. בחר את רכיב המהירות כדי לצבוע את היעילות עם המהירות.
- טען את מהירות המטריצה ה-5D משלב 3.1.4 לתוכנת ניתוח הדמיית זרימה.
- כימות
- טען את נתוני המהירות (שלב 3.1.4) ואת התמונה המפולחת (שלב 3.1.2) ל- MATLAB. הגדר את המהירות מחוץ לאזור הסגמנטציה לאפס. ניתן לבצע זאת בקלות על ידי הכפלת נתוני המטריצה המפולחים ונתוני מטריצת המהירות.
- בדוק אם נתוני המהירות כוללים גלישת פאזות באמצעות הפונקציה Imshow של MATLAB. היפוך כיוון המהירות מציין גלישת פאזה.
- פרוס את המישור הרצוי של נתוני המטריצה. לסכם את כל נתוני המהירות בתוך המישור ולהכפיל את הרזולוציה המרחבית כדי לחשב את קצב הזרימה דרך המישור. סכם את כל קצבי הזרימה לאורך מחזור הלב והכפל את הרזולוציה הטמפורלית כדי לחשב את נפח השבץ.
Representative Results
שלושה סוגים מייצגים של מודלים של רגורגיטציה של אבי העורקים יוצרו, ומקרה אחד ללא שסתום יוצר לצורך השוואה (איור 3). מודל ההתרחבות הראה בבירור סגירה לא מלאה של עלון השסתום בשל העלונים הקטנים יותר. חור נוקב על אחד העלונים באמצעות מספריים כדי לחקות את מודל הניקוב. עלון אחד של דגם הצניחה נראה קטן יותר משני העלונים האחרים משום ששני העלונים נתפרו במיקום נמוך יותר מהגובה המקורי. לא היו הבדלים משמעותיים מהתצוגה העליונה.
עם מידע המהירות התלת-ממדית שנרכש לאורך זמן באמצעות MRI של זרימה 4D, הודגמו ייעולים של סילוני רגורגיטציה רגילים במהלך סיסטולה ודיאסטולה (איור 6). הסילון הקדמי היה ישר בכל הדגמים למעט מודל הניקוב. במודל הניקוב, סילון מוטה דופן התרחש במהלך שלב הסיסטולה. הסילון הרגורגיטציה הראה מהירות וצורה שונות בהתאם לסיווג ה-AR. במקרה של ללא שסתום, התרחשה זרימה כוללת קדימה ואחורה. הסילון הרגורגיטנטי של מודל ההתרחבות יצא מהמרכז ונטה לשנות כיוון עם הזמן. מטוס הניקוב והצניחה נשען לעבר הקיר. מהירות השיא של הסילון הקדמי והרגורגיטנטי הייתה 0.28 מטר לשנייה, -0.29 מטר לשנייה בדגם ללא שסתום, 2.03 מטר לשנייה, -3.53 מטר לשנייה במודל ההרחבה, 2.52 מטר לשנייה, -3.13 מטר לשנייה במודל הניקוב, ו-2.76 מטר לשנייה, -2.88 מטר לשנייה במודל הצניחה.
איור 7 מראה את קצב הזרימה של כל שסתום ואת הנפחים הקדמיים והרגורגיטנטיים במישור תלת-ממדי הרחק מבסיס השסתום. קצבי הזרימה הראו צורות גל וכמויות שונות עבור כל מודל. כמות נפח הרגורגיטציה הייתה 51.38 מ"ל, 63.94 מ"ל, 44.76 מ"ל ו-30.22 מ"ל עבור מודלים ללא שסתום, התרחבות, ניקוב וצניחה, בהתאמה. ההטיה של מודל ללא שסתום, הרחבה, ניקוב וצניחה היו -7.04%, -33.21%, 6.75% ו-37.04%, בהתאמה, בהשוואה לאמת הקרקעית (48 מ"ל) שנמדדה מנפח שבץ המשאבה. ערכי האחוזים החיוביים מציינים הערכת חסר בעוד שערכי האחוזים השליליים מייצגים הערכת יתר. שגיאת שבר הרגורגיטציה הייתה -7.78%, -6.00%, 0.33% ו -11.18% עבור מודל ללא שסתום, התרחבות, ניקוב וצניחה, בהתאמה.
איור 1: דיאגרמת זרימת עבודה של הפרוטוקול. פרוטוקול ניסיוני זה מורכב בעיקר מיצירת מודלים, סריקת MRI וניתוח נתונים. בשלב ייצור המודל, מודל שורש אבי העורקים החיצוני וארבעה סוגים שונים של מודל AR (ללא שסתום, התרחבות, צניחה וניקוב) מיוצרים. במהלך סריקת ה-MRI מתבצעת הדמיית סקאוט ולאחריה סריקה מרובת VENC ו-MRI של זרימה 4D. החלק של ניתוח הנתונים כולל מיון נתונים, פילוח תמונות, חישוב מהירות, תצוגה חזותית וכימות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 2: מודל אקרילי סכמטי ומעוצב של שורש אבי העורקים (A) אפיון גיאומטרי ופרמטרים של גאומטריית השורש האאורטלי. (B) מודל תלת-ממדי של שורש אבי העורקים בתצוגה רב-ממדית. DA: קוטר הצומת הסינוטובולרי (STJ), DO: קוטר אנולוס, rמקסימום: קוטר סינוס מקסימלי, rmin: קוטר סינוס מינימלי, LA: גובה הסינוס, LB: גובה STJ. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 3: מסגרת רגורגיטציה של אבי העורקים ומודל (A) מידע גיאומטרי של מסגרת המסתם אבי העורקים המשמשת להחזקת העלון. חורים סביב גוף המסגרת הם המקום שבו עובר קו התפר. (B) דוגמה למסתם תפור של ממברנת ePTFE. (C) מבט אנ-פנים על המודלים במבחנה : ללא שסתום, התרחבות, ניקוב וצניחה המיוצרים במחקר זה. החץ מציין את הגוש הפגום. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 4: שלב החומר והייצור של עלון ePTFE. (A) באמצעות עלונים מודפסים בתלת-ממד כמדריך, העלונים מיוצרים באמצעות קרום ePTFE. (B) משיכה, תפירה, חיתוך וקיבוע שלבים של שסתום ה-ePTFE. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 5: שיטות ייצור של מודלים שונים של AR. (A) מודל התרחבות, (B) מודל ניקוב, ו-(C) מודל צניחה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 6: ייעל את ההדמיה לפי סוג הרגורגיטציה של אבי העורקים. הדמיה יעילה בסיסטולה (משמאל לכל פאנל) ודיאסטולה (מימין לכל פאנל) בהתאם לסוג הרגורגיטציה של אבי העורקים. (A) דגם ללא שסתום (תמונת הדיאסטולה/סיסטול זהה בשל היעדר שסתום), (B) התרחבות, (C) ניקוב ו-(D) צניחה. נתוני Systole ו- diastole נלקחו כאשר מהירות הכניסה היא הגבוהה ביותר והנמוכה ביותר במהלך מחזור הלב. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 7: קצב זרימה ונפח שבץ. קצב הזרימה ונפח הקו עבור (A) מודל ללא שסתום, (B) התרחבות, (C) ניקוב ו-(D) צניחה. קצב הזרימה ונפח הקו נמדדים במישור (קו מוצק) בקוטר שלושה במורד הזרם עד לאנולוס השסתום. הצבעים הכחולים והאדומים מציינים את הזרמים קדימה ואת הזרימה המתחדשת, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
| יחס (Do = 26 מ"מ) |
DA/Do | LA/Do | LB/Do | rmax/Do | rmin/Do |
| 1.24 | 1 | 0.34 | 0.82 | 0.64 |
טבלה 1. פרמטרים גאומטריים של גאומטריית שורש אבי העורקים המוצגים באיור 1.
| רזולוציה זמנית | 0.025 ms/40 שלבים |
| רזולוציה מרחבית | 2 מ"מ × 2 מ"מ / 0.5 פיקסלים לכל 1 מ"מ |
| מטריצה | 96 x 160 x 26 פיקסלים |
| עובי פרוסה | 2 מ"מ |
| זמן הד | 2.54 אלפיות השנייה |
| קידוד מהירות | 25-330 ס"מ לשנייה |
טבלה 2. 4D זרימה MRI רצף פרמטרים במבחנה.
Discussion
MRI זרימה ארבע מימדי אומת לאחרונה על ידי מחקרי ex vivo ו - in vivo שונים כיישום לשימוש שגרתי קליני14. מכיוון ש-MRI של זרימה 4D מקבל מידע על מהירות תלת-ממדית לאורך כל מחזור הלב, יישום חזק אחד הוא כימות ישיר של נפח ה-regurgitant הוולבולרי, אשר אקוקרדיוגרפיה דו-ממדית קונבנציונלית של דופלר אינה מסוגלת לכמת15. ניסויים במבחנה באמצעות MRI זרימה 4D יכולים לספק את מהירות הזרימה התלת-ממדית ואת הפרמטרים ההמודינמיים הקשורים אליהם, אשר יכולים לשמש לחקר הקשר בין מחלות לב וכלי דם והומודינמיקה. עם זאת, למרות יכולתו המבטיחה, עדיין לא דווח על מחקרים שיטתיים על יישום זה. ייתכן שהדבר נובע מהיעדר ניסויים מבוקרים היטב במבחנה המחקים את הרגורגיטציה של שסתומי שלושת העלונים.
התפתחויות אחרונות במחקרים חוץ גופיים סיפקו שיטות ניסוי מדויקות ומציאותיות יותר לגישה להמודינמיקה הקדם-ערכית והפוסט-וולולרית 16,17. יחד עם ולוצימטריית תמונה אופטית מבוססת תמונה של חלקיקים (PIV), מדידה וכימות מדויקים של הזרימה סביב השסתום התאפשרו במחקרים קודמים במבחנה 18. עם זאת, שדות זרימה תלת-ממדיים מדויקים, במיוחד עבור הזרימה הפוסט-וולולרית, היו מוגבלים בשל המודל האטום והשבירה. מצד שני, מדידות מהירות תלת-ממדיות באמצעות MRI היו מוגבלות גם הן, שכן לא ניתן להשתמש ברכיבי מתכת19,20.
לפיכך במחקר זה, פרוטוקול לבניית פלטפורמת ניסוי זרימה התואמת MR וניתנת לשינוי רב כדי לשחזר תרחישים קליניים שונים של מחלות וולולריות מוצג. קרום ePTFE משמש לחיקוי השסתום הטריקוספידי ללא רכיבי מתכת מכיוון שהוא נמצא בשימוש נרחב כחומר שסתום והשתלת כלי דם בשל חוזק המתיחה הגבוה שלו ועמידותו הכימית 17,21,22. בהתבסס על סרטי ePTFE, שוחזרו שלושה מקורות שונים של ה-AR (התרחבות, ניקוב וצניחה) וכן מודל ללא שסתום להשוואה. השלב החשוב הבא בפרוטוקול ניסוי זרימה זה הוא הדמיית MR וכימות. משאבת בוכנה הנשלטת על ידי מנוע שיכולה לדמות את צורות הגל של זרימת הדם באבי העורקים משמשת ליצירת צורת גל זרימה פיזיולוגית דרך מערכת מעגלי הזרימה. פרטים על משאבת הזרימה ניתן למצוא במחקר הקודם23. מכיוון שמחקר זה נועד גם לאמת את הדיוק של ה-MRI של זרימה 4D בכימות זרימה, כל פרמטרי ההדמיה נבחרים על סמך המחקר הקודם שמסכם את הפרמטרים שניתן להשתמש בהם בשגרה הקלינית24. מכיוון שמערכת ה- MRI כוללת שגיאות אינהרנטיות עקב פגמים כגון זרמי אדי ואי-ליניאריות של השדה המגנטי25, אסטרטגיית תיקון הרקע מיושמת לפני כימות הנתונים בפועל כמתואר בשלב 3.1.3.
מודל הרגורגיטציה של אבי העורקים בעבודת יד שהוצע במחקר זה הראה מאפיינים המודינמיים דומים של סילון רגורגיטנטי על פי סיווג המודל כפי שמחקרים קודמים דיווחו על 26,27. הצורה הסגורה הייתה סימטרית, וסילון ישר התרחש במרכז השסתום במודל ההתרחבות. מטוס אקסצנטרי מכוון לאחור מופיע עקב נזקי זיזים במודל הניקוב. צניחה חלקית של השסתום מראה סילון שכיוונו היה כפוף מכוס האשם בשל ניידות מוגבלת. נפח הרגורגיטציה של אבי העורקים שנמדד ישירות באמצעות MRI של זרימה 4D הוערך יתר על המידה במודל ללא שסתום והרחבה, בעוד שהוא הוערך במידה רבה במודל הצניחה בהשוואה לאמת הקרקעית. עם זאת, כאשר חושב השבר הרגורגיטנטי, ההטיה הגדולה ביותר הייתה רק 11% במודל הצניחה. זה מצביע על כך שלא רק הזרימה הרורגיטנטית אלא גם סילון אבי העורקים הרגיל הושפע מסריקת ה-MR. בשלב הנוכחי, פרמטרי סריקה בודדים לא היו ממוטבים עבור כל מודל AR. מחקר פרמטרים מערכתיים עתידי עשוי לשפר את הדיוק של מדידת נפח regurgitant. לחלופין, השימוש בשבר regurgitant הוא חזק יותר מכיוון שהוא מבטל את השגיאות המובנות ב- MRI של זרימה 4D, אך הוא גם רלוונטי יותר מבחינה קלינית מאשר פשוט למדוד את נפח ה- regurgitant המוחלט.
לסיכום, מחקר זה מציע מודל ניסיוני תואם MR של זרימה חוץ גופית הניתן לשינוי רב כדי לדמות סוגים שונים של AR. כמו כן, הדיוק של מדידת נפח AR באמצעות MRI זרימה 4D הושווה. המגבלה של מחקר זה היא שהתנועה של שסתום אבי העורקים לא הייתה מדומה, מה שיכול להשפיע על ההתפתחות בפועל של סילון הרגורגיטאנט. בנוסף, אפקט הנפח החלקי ואופי הממוצע הזמני של ה-MRI של זרימה 4D עשויים להגביל את הדיוק של מדידת הזרימה, במיוחד בהתחשב בטווח הדינמי הגבוה של המהירות בתוך הסילון והסביבה. לכן, נדרש מחקר פרמטרים שיטתי נוסף.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
מחקר זה נתמך על ידי תוכנית המחקר המדעית הבסיסית באמצעות קרן המחקר הלאומית של קוריאה, הממומנת על ידי משרד החינוך (2021R1I1I1A3040346, 2020R1A4A1019475, 2021R1C1C1003481, ו- HI19C0760). מחקר זה נתמך גם על ידי מענק מחקר לשנת 2018 (PoINT) מהאוניברסיטה הלאומית קנגוואן.
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).
