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Engineering

इन विट्रो चार आयामी प्रवाह चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग का उपयोग कर महाधमनी regurgitation का आकलन

Published: February 25, 2022 doi: 10.3791/63491
Automatic Translation
1, 2, 1
1Interdisciplinary Program in Biohealth-Machinery Convergence Engineering, Kangwon National University, 2Medical Device Development Center, DGMIF

Summary

महाधमनी regurgitation एक महाधमनी वाल्व हृदय रोग है। यह पांडुलिपि दर्शाती है कि कैसे चार आयामी प्रवाह चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग महाधमनी regurgitation में विट्रो दिल वाल्व का उपयोग कर महाधमनी regurgitation का मूल्यांकन कर सकते हैं महाधमनी regurgitation नकल.

Abstract

महाधमनी regurgitation (एआर) वेंट्रिकुलर डायस्टोल के दौरान महाधमनी से बाएं वेंट्रिकल (एलवी) में पिछड़े रक्त प्रवाह को संदर्भित करता है। जटिल आकार से उत्पन्न होने वाले regurgitant जेट को तीन आयामी प्रवाह और उच्च-वेग ढाल की विशेषता है, कभी-कभी 2 डी इकोकार्डियोग्राफी का उपयोग करके regurgitant मात्रा के सटीक माप को सीमित करता है। हाल ही में विकसित चार आयामी प्रवाह चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (4 डी प्रवाह एमआरआई) तीन आयामी वॉल्यूमेट्रिक प्रवाह माप को सक्षम बनाता है, जिसका उपयोग पुनरावृत्ति की मात्रा को सटीक रूप से मापने के लिए किया जा सकता है। यह अध्ययन (i) चुंबकीय अनुनाद संगत एआर मॉडल निर्माण (फैलाव, छिद्र, और प्रोलैप्स) और (ii) एआर परिमाणीकरण में 4 डी प्रवाह एमआरआई के प्रदर्शन का व्यवस्थित विश्लेषण पर केंद्रित है। परिणामों ने संकेत दिया कि समय के साथ आगे और पीछे के जेट का गठन एआर मूल के प्रकारों पर अत्यधिक निर्भर था। मॉडल प्रकारों के लिए regurgitation मात्रा पूर्वाग्रह की मात्रा -7.04%, -33.21%, 6.75%, और 37.04% पंप स्ट्रोक की मात्रा से मापा जमीन की सच्चाई (48 mL) मात्रा की तुलना में थे। regurgitation अंश की सबसे बड़ी त्रुटि लगभग 12% थी। इन परिणामों से संकेत मिलता है कि इमेजिंग पैरामीटर के सावधानीपूर्वक चयन की आवश्यकता होती है जब पूर्ण regurgitation मात्रा महत्वपूर्ण है। इन विट्रो फ्लो फैंटम का सुझाव दिया गया है, जिसे महाधमनी स्टेनोसिस या बाइकसपिड महाधमनी वाल्व (बीएवी) जैसे अन्य वाल्वुलर रोगों का अनुकरण करने के लिए आसानी से संशोधित किया जा सकता है और भविष्य में विभिन्न एमआरआई अनुक्रमों का परीक्षण करने के लिए एक मानक मंच के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।

Introduction

महाधमनी regurgitation (एआर) वेंट्रिकल के डायस्टोलिक चरण के दौरान महाधमनी से बाएं वेंट्रिकल में पिछड़े प्रवाह को संदर्भित करता है। एआर को आमतौर पर महाधमनी फैलाव, कप प्रोलैप्स, कप छिद्र, कप वापसी, और अन्य1 में वर्गीकृत किया जाता है। क्रोनिक एआर मुख्य रूप से हाइपरट्रॉफी और फैलाव के कारण एलवी की मात्रा अधिभार का कारण बन सकता है, और अंततः इसके decompensation2 का कारण बनता है। तीव्र एआर मुख्य रूप से संक्रामक एंडोकार्डिटिस, महाधमनी विच्छेदन और दर्दनाक टूटने के कारण होता है, जो हेमोडायनामिक आपात स्थिति की ओर जाता है।

एआर निदान के लिए वर्तमान नैदानिक मानक मुख्य रूप से ट्रांसथोरेसिक इकोकार्डियोग्राफी (टीटीई) या ट्रांसोसोफेगल इकोकार्डियोग्राफी (टीईई) 3 पर आधारित हैं। वास्तविक समय इमेजिंग और कम परीक्षा समय के फायदों के बावजूद, इकोकार्डियोग्राफी की सटीकता अत्यधिक ऑपरेटर-निर्भर है। विशेष रूप से regurgitant मात्रा माप के लिए, regurgitant मात्रा का प्रत्यक्ष माप सीमित है क्योंकि regurgitant जेट महाधमनी वाल्व की गति के कारण दो आयामी (2 डी) माप विमान से बाहर शिफ्ट हो जाता है। समीपस्थ आईएसओ-वेग सतह क्षेत्र (पीआईएसए) विधियों का उपयोग करके अप्रत्यक्ष अनुमान का उपयोग अक्सर किया जाता है, लेकिन परिपत्र छिद्र क्षेत्र जैसी मान्यताएं अक्सर सटीक माप 4 को सीमित करतीहैं।

हाल के चिकित्सा दिशानिर्देश5 कार्डियक एमआर (सीएमआर) की भी सिफारिश करते हैं, विशेष रूप से मध्यम या गंभीर एआर रोगियों के लिए एलवी के द्रव्यमान और वैश्विक कार्य को मापकर इकोकार्डियोग्राफी की सीमा की भरपाई करने के लिए। संरचनात्मक पैरामीटर जैसे महाधमनी पत्रक और एलवी आकार, और प्रवाह पैरामीटर जैसे जेट चौड़ाई, वेना अनुबंध चौड़ाई, और regurgitant मात्रा को भी एआर निदान6 में व्यापक रूप से माना जा सकता है . हालांकि, एलवी वैश्विक समारोह के साथ अनुमानित महाधमनी regurgitation मात्रा विशेष रूप से अन्य दिल valvular रोगों या शंट के साथ रोगियों के लिए विफल हो सकता है।

वैकल्पिक रूप से, 4 डी प्रवाह एमआरआई को एक आशाजनक तकनीक के रूप में माना जाता है जो ब्याज 7 की मात्रा के भीतर समय-हल वेग जानकारी के साथ regurgitant मात्रा को सीधे माप सकताहै। समय के अनुसार वाल्व की गति को आसानी से ट्रैक किया जा सकता है और जब regurgitant प्रवाह मात्रा 8,9 को मापने की क्षतिपूर्ति की जा सकती है। इसके अलावा, regurgitant जेट के लिए लंबवत एक मनमाना विमान पूर्वव्यापी रूप से तैनात किया जा सकता है, जो माप10 की सटीकता को बढ़ाता है। हालांकि, जैसा कि 4 डी प्रवाह एमआरआई स्वाभाविक रूप से स्पैटिओटेम्पोरल रूप से औसत जानकारी प्राप्त करता है, इस तकनीक की सटीकता अभी भी विट्रो प्रवाह प्रयोगों में अच्छी तरह से नियंत्रित का उपयोग करके सत्यापन की गारंटी देती है।

इस अध्ययन का उद्देश्य (i) विट्रो प्रयोगात्मक मंच में एमआरआई संगत विकसित करना है जो एआर (फैलाव, छिद्र, और प्रोलैप्स) के विभिन्न नैदानिक परिदृश्यों को पुन: पेश कर सकता है और (ii) इन एआर मॉडलों में विभिन्न एआर को मापने में 4 डी प्रवाह एमआरआई प्रदर्शन की हमारी समझ को समृद्ध कर सकता है। इसके अलावा, 4 डी प्रवाह एमआरआई के आधार पर 3 डी हेमोडायनामिक विज़ुअलाइज़ेशन और परिमाणीकरण विभिन्न नैदानिक परिदृश्यों के अनुसार आयोजित किया गया था। यह प्रोटोकॉल एआर तक सीमित नहीं है और इसे अन्य प्रकार के वाल्वुलर रोग अध्ययनों तक बढ़ाया जा सकता है जिनके लिए इन विट्रो प्रयोगों और हेमोडायनामिक परिमाणीकरण की एक श्रृंखला की आवश्यकता होती है।

Protocol

नोट: प्रोटोकॉल काफी हद तक तीन चरणों से बना है: (1) मॉडल निर्माण, (2) एमआरआई स्कैन और पैरामीटर चयन, और (3) डेटा विश्लेषण। चित्र 1 एक प्रवाह आरेख है जो प्रोटोकॉल की समग्र प्रक्रिया को दर्शाता है।

1. मॉडल निर्माण

  1. महाधमनी रूट मॉडल
    1. जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है, महाधमनी जड़ के पैरामीटर मानों को निर्धारित करें, जैसे कि वाल्व बेस व्यास और साइनस त्रिज्या। इस प्रयोग के लिए, मान DA = 32.24 मिमी, DO = 26 मिमी, LB = 8.84 मिमी, LA = 26 मिमी, rmin = 16.64 मिमी, rअधिकतम = 21.32 मिमी थे।
    2. स्केच चित्र > स्केच > उपकरण स्केच उपकरण क्लिक करके 3 डी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर चलाएँ।
      नोट: Solidwork प्रयोग में 3 डी मॉडलिंग के लिए उपयोग किया जाता है।
    3. एक साइनस मॉडल बनाने के लिए, स्केच सर्कल उपकरण का उपयोग करके आरअधिकतम और आरमिनट के अनुरूप सर्कल। मुक्त वक्र समारोह11 का उपयोग कर साइनस की एक घुमावदार रेखा आकर्षित करें, मचान उपकरण पर क्लिक करें और मचान के लिए स्केच क्षेत्र का चयन करें।
    4. वर्तमान मॉडल के ऊपर और नीचे अतिरिक्त हलकों को स्केच करें, एक्सट्रूड टूल क्लिक करें, और हलकों का चयन करें। विकल्पों को 20 मिमी नीचे और 30 मिमी ऊपर की ओर सेट करें। इसी तरह से 100 मिमी x 100 मिमी x 76 मिमी आकार का एक हेक्साहेड्रॉन मॉडल बनाएं।
    5. सम्मिलित करें > सुविधाएँ > संयोजित करें से उपकरण संयोजित करें क्लिक करें. गुण प्रबंधक में घटाएँ का चयन करें. हेक्साहेड्रॉन मॉडल और साइनस मॉडल का चयन करें। निर्माता के निर्देश के अनुसार 5-अक्ष सीएनसी मशीन के साथ एक ऐक्रेलिक मॉडल के रूप में अंतिम डिजाइन का निर्माण करें।
  2. वाल्व फ़्रेम
    1. 3 डी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर चलाने के लिए और एक नया स्केच खोलें। मैन्युअल रूप से वाल्व आधार के लिए केंद्र में 100 मिमी x 100 मिमी आकार का एक वर्ग और 25 मिमी का एक सर्कल ड्रा करें। Extrude उपकरण पर क्लिक करें और वाल्व आधार की ऊंचाई को 5 मिमी के लिए समायोजित करें।
    2. 23.5 मिमी की ऊंचाई और 3 मिमी मोटी की मोटाई के साथ सर्कल को बाहर निकालें। लाइन टूल का उपयोग करके मॉडल को 12 समान टुकड़ों में विभाजित करें ताकि प्रत्येक टुकड़े में 30 डिग्री हो। 120° अंतराल के साथ तीन टुकड़ों का चयन करें और तीन स्तंभ बनाने के लिए 16.5 मिमी की ऊंचाई के साथ बाहर निकालें।
    3. Fillet उपकरण क्लिक करें और स्तंभों का चयन करें. ऊपर और नीचे फिलेट त्रिज्या को क्रमशः 4 मिमी और 10 मिमी के रूप में समायोजित करें। इसे किसी STL फ़ाइल स्वरूप में सहेजें.
    4. 3डी वाल्व फ्रेम प्रिंट. इनफिल घनत्व को 100% पर सेट करें और भरने की सामग्री के रूप में acrylonitrile butadiene styrene का उपयोग करें। महाधमनी वाल्व फ्रेम के आकार और आयामों के लिए चित्र3 देखें।
  3. विस्तारित polytetrafluoroethylene (ePTFE) का उपयोग करके महाधमनी regurgitation मॉडल
    1. 3 डी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर चलाने के लिए और एक नया स्केच खोलें। चित्र 4A के सन्दर्भ में 23.24 मिमी की क्षैतिज रेखा और 15 मिमी की ऊर्ध्वाधर रेखा खींचें।
      नोट: वाल्व के आधार, ऊंचाई, और पत्रक मुक्त-किनारे की लंबाई के ज्यामितीय मापदंडों को पिछले अध्ययन12 के अनुसार चुना गया था।
    2. आर्क कमांड मैनेजर से 3 पॉइंट आर्क टूल पर क्लिक करें और क्षैतिज रेखा के प्रत्येक छोर पर दो बिंदु और ऊर्ध्वाधर रेखा के अंत में अंतिम बिंदु सेट करें। 5 मिमी की मोटाई के साथ स्केच को बाहर निकालें। STL फ़ाइल स्वरूप के साथ मॉडल निर्यात करें और 3D इसे मुद्रित करें।
    3. दो परतों में ePTFE झिल्ली ओवरलैप और मुद्रित पत्रक का उपयोग कर 2 मिमी के अंतराल पर तीन पत्रक सीमाओं आकर्षित। 0.1 मिमी के व्यास के साथ एक polyamide टांका के साथ 1 मिमी अंतराल पर खींची गई रेखाओं और पक्ष सीमाओं के साथ टांका। 1 मिमी के अंतराल पर फ्रेम पर ऊपर से नीचे तक ePTFE वाल्व को सीवन करें।
    4. झिल्ली के बाहरी हिस्से को काटें और इसे एक-दूसरे के साथ सीवन करें। तीन अलग-अलग मॉडल प्राप्त करने के लिए निम्न तीन संशोधनों का निष्पादन करें।
      1. फैलाव मॉडल: डिज़ाइन किए गए पत्रक पैरामीटर के अनुपात को 90% तक कम करें।
      2. छिद्र मॉडल: एक पत्रक के केंद्र में कैंची का उपयोग करके 2 मिमी के व्यास के साथ एक परिपत्र छेद बनाएं।
      3. Prolapse: एक कम पोस्ट ऊंचाई के साथ एक छेद पर वाल्व के दो commissures ठीक करें।
        नोट: चित्रा 4 ePTFE वाल्व की सामग्री और निर्माण विधि से पता चलता है. चित्र5 प्रत्येक एआर-प्रकार की विशेषताओं को दर्शाता है।

2. एमआरआई स्कैन और पैरामीटर चयन

  1. एक एआर मॉडल, महाधमनी साइनस मॉडल, एक दिल सिमुलेशन पंप, और एमआरआई से मिलकर प्रयोगात्मक प्रणाली तैयार करें।
  2. एमआरआई कमरे में प्रयोग मॉडल सेट करें और 25 मिमी (आंतरिक व्यास) सिलिकॉन ट्यूब का उपयोग करके पंप, जलाशय और मॉडल को कनेक्ट करें। संभावित रिसाव को रोकने के लिए कनेक्शन भागों को जकड़ने के लिए 10 सेमी लंबी केबल टाई का उपयोग करें।
  3. प्रवाह सर्किट प्रणाली के माध्यम से एक शारीरिक प्रवाह तरंग उत्पन्न करने के लिए महाधमनी रक्त प्रवाह waveforms अनुकरण करने के लिए एक मोटर नियंत्रित पिस्टन पंप का उपयोग करें। काम करने वाले तरल पदार्थ के रूप में पानी का उपयोग करें और बैकफ्लो को रोकने के लिए इनलेट और आउटलेट में एक तरफा वाल्व संलग्न करें। प्रवाह पंप का विवरण पिछले अध्ययन23 में पाया जा सकता है।
  4. एमआरआई के दृश्य (FOV) के क्षेत्र के भीतर मॉडल का पता लगाएं। एमआरआई ऑपरेटिंग कंसोल मॉनिटर में कोरोनल, अक्षीय, और सैगिटल दृश्यों में प्रेत छवियों का निरीक्षण करने के लिए एक स्काउट स्कैन करें। इस छवि का उपयोग निम्नलिखित छवि अनुक्रमों की स्थिति के लिए एक गाइड के रूप में किया जाता है।
  5. महाधमनी मॉडल के केंद्र में 2 डी छवि विमान का पता लगाएं। 4D प्रवाह MRI के लिए सबसे उपयुक्त VENC मान का चयन करने के लिए एक चर वेग-एन्कोडिंग पैरामीटर (VENC) 2D चरण-कंट्रास्ट इमेजिंग चलाएँ।
  6. संभव वेग aliasing7 को कम करने के लिए 4 डी प्रवाह एमआरआई में एक 10% अधिक मान के लिए VENC सेट करें। एमआरआई कंसोल पर वांछित स्थानिक रिज़ॉल्यूशन और टेम्पोरल रिज़ॉल्यूशन दर्ज करें। महाधमनी प्रवाह के लिए स्थानिक और अस्थायी संकल्प क्रमशः 2-3 मिमी और 20-40 एमएस होने की सिफारिश की जातीहै। तालिका 2 एमआरआई स्कैन पैरामीटर दिखाता है।
  7. एआर वाल्व के 3 प्रकार और वाल्व के बिना दोनों प्रकार का उपयोग करके प्रवाह के साथ और बिना दोनों के लिए डेटा प्राप्त करें।

3. डेटा विश्लेषण

  1. डेटा सॉर्टिंग और सुधार
    1. डेटा विश्लेषण के साथ आगे बढ़ने के लिए स्कैनर से कच्ची डेटा फ़ाइलों की प्रतिलिपि बनाएँ. Dicom सॉर्ट सॉफ़्टवेयर का उपयोग कर श्रृंखला विवरण नामक शीर्ष लेख के अनुसार dicom फ़ाइलों को सॉर्ट करें। तीन-दिशात्मक चरण छवियों और परिमाण छवियों को अलग-अलग फ़ोल्डरों में सॉर्ट करने के लिए Dicom सॉर्ट सॉफ़्टवेयर में छवियाँ सॉर्ट करें क्लिक करें.
    2. आईटीके-स्नैप सॉफ़्टवेयर में परिमाण छवि लोड करें. ITK-स्नैप में ब्रश करें क्लिक करें और ब्रश टूल का उपयोग करके फैंटम के आंतरिक द्रव क्षेत्र को मैन्युअल रूप से पेंट करें। खंडित छवि सहेजें.
    3. (वैकल्पिक) MATLAB का उपयोग कर पर और बंद प्रवाह के साथ प्राप्त दोनों चरण छवि डेटा लोड करें। पृष्ठभूमि त्रुटियों को दूर करने के लिए प्रवाह के बिना डेटा द्वारा प्रवाह के साथ डेटा घटाएं। इसे हर दिशा और हृदय चक्र के लिए दोहराएं।
    4. विक्रेता-विशिष्ट पिक्सेल-से-वेग समीकरण का उपयोग करके 5D मैट्रिक्स फेज डेटा (पंक्ति x स्तंभ x स्लाइस x दिशा x समय) के वेग की गणना करें. सामान्य तौर पर, पिक्सेल की अधिकतम तीव्रता चयनित VENC मान से मेल खाती है।
  2. दृश्य
    1. प्रवाह विज़ुअलाइज़ेशन विश्लेषण सॉफ़्टवेयर में चरण 3.1.4 से 5D मैट्रिक्स वेग लोड करें।
      नोट:: इनपुट वेग मैट्रिक्स विश्लेषण सॉफ़्टवेयर के अनुसार भिन्न हो सकता है। Ensight उपयोगकर्ताओं को Ensight गोल्ड केस प्रारूप गाइड13 का पालन करना चाहिए।
    2. Isosurface भाग पर क्लिक करें, Isovolume बटन पर क्लिक करके 3D विश्लेषण के लिए isosurface से isovolume करने के लिए डेटा प्रकार परिवर्तित करें। चर कमांड मैनेजर में गति डेटा खींचें, मॉडल के वेग वितरण की जांच करने के लिए इसे isovolume में जोड़ें।
    3. मुख्य मेनू में कण ट्रेस Emitters उपकरण क्लिक करें। अधिक सटीक विश्लेषण के लिए उन्नत विकल्प की जाँच करें. निर्माण में सुव्यवस्थित या पथरेखाएँ जैसे इच्छित विज़ुअलाइज़ेशन का चयन करें.
    4. इस प्रयोग के लिए, निम्न मान सेट करें: विकल्प से उत्सर्जित करें = भाग, भाग ID = 2, नहीं। उत्सर्जकों की = 10000, दिशा = +/-। समय के साथ परिणाम बनाएँ और जाँचें.
    5. कण ट्रेस मॉडल राइट-क्लिक करें और द्वारा रंग क्लिक करें। वेग के साथ सुव्यवस्थित रंग करने के लिए वेग घटक का चयन करें।
  3. प्रमात्रीकरण
    1. MATLAB पर वेग डेटा (चरण 3.1.4) और खंडित छवि (चरण 3.1.2) लोड करें। विभाजन क्षेत्र के बाहर के वेग को शून्य पर सेट करें. यह आसानी से खंडित मैट्रिक्स डेटा और वेग मैट्रिक्स डेटा को तत्ववार गुणा करके किया जा सकता है।
    2. जाँचें कि क्या वेग डेटा में MATLAB के Imshow फ़ंक्शन का उपयोग करके चरण-रैपिंग है। वेग दिशा का व्युत्क्रमण चरण-लपेटन को इंगित करता है।
    3. मैट्रिक्स डेटा के वांछित विमान को स्लाइस करें। विमान के भीतर सभी वेग डेटा का योग करें और विमान के माध्यम से प्रवाह दर की गणना करने के लिए स्थानिक रिज़ॉल्यूशन को गुणा करें। कार्डियक चक्र में सभी प्रवाह दरों का योग करें और स्ट्रोक की मात्रा की गणना करने के लिए अस्थायी रिज़ॉल्यूशन को गुणा करें।

Representative Results

महाधमनी regurgitation मॉडल के तीन प्रतिनिधि वर्गों गढ़े गए थे, और एक वाल्व के बिना एक मामले की तुलना के लिए गढ़ा गया था (चित्रा 3). फैलाव मॉडल ने स्पष्ट रूप से छोटे आकार के पत्रकों के कारण वाल्व पत्रक के अधूरे बंद होने को दिखाया। छिद्र मॉडल की नकल करने के लिए कैंची का उपयोग करके पत्रकों में से एक पर एक छेद पंक्चर किया गया था। प्रोलैप्स मॉडल का एक पत्रक अन्य दो पत्रकों की तुलना में छोटा दिखता था क्योंकि दो कमिस्योर को मूल ऊंचाई से कम स्थिति में टांका गया था। शीर्ष दृश्य से कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं था।

4 डी प्रवाह एमआरआई का उपयोग करके समय के साथ प्राप्त 3 डी वेग जानकारी के साथ, सिस्टोल और डायस्टोल (चित्रा 6) के दौरान सामान्य और regurgitation जेट विमानों के सुव्यवस्थित की कल्पना की गई थी। आगे जेट वेध मॉडल को छोड़कर सभी मॉडलों में सीधा था। छिद्र मॉडल में, सिस्टोल चरण के दौरान एक दीवार-पक्षपाती जेट हुआ। regurgitating जेट एआर वर्गीकरण के अनुसार एक अलग वेग और आकार दिखाया। वाल्व के बिना के मामले में, एक समग्र आगे और पीछे का प्रवाह हुआ। फैलाव मॉडल का पुनरुत्थान जेट केंद्र से बाहर आया और समय के साथ दिशाओं को बदलने की प्रवृत्ति रखता था। वेध और प्रोलैप्स मॉडल regurgitant जेट दीवार की ओर झुक गया। आगे और regurgitant जेट का चरम वेग वाल्व के बिना मॉडल में 0.28 मीटर / सेकंड, -0.29 मीटर / सेकंड, 2.03 मीटर / सेकंड, फैलाव मॉडल में -3.53 मीटर / सेकंड, 2.52 मीटर / सेकंड, वेध मॉडल में -3.13 मीटर / सेकंड, और प्रोलैप्स मॉडल में 2.76 मीटर / सेकंड, -2.88 मीटर / सेकंड था।

चित्रा 7 वाल्व आधार से दूर एक 3 डी विमान में प्रत्येक वाल्व और आगे और regurgitant मात्रा के लिए प्रवाह दर से पता चलता है. प्रवाह दरों ने प्रत्येक मॉडल के लिए अलग-अलग तरंगों और मात्राओं को दिखाया। regurgitation मात्रा की मात्रा क्रमशः 51.38 mL, 63.94 mL, 44.76 mL, और 30.22 mL बिना वाल्व, फैलाव, छिद्र, और प्रोलैप्स मॉडल के लिए थी। वाल्व, फैलाव, छिद्र, और प्रोलैप्स मॉडल के बिना पूर्वाग्रह -7.04%, -33.21%, 6.75%, और 37.04% क्रमशः पंप स्ट्रोक की मात्रा से मापा गया जमीनी सत्य (48 एमएल) की तुलना में था। सकारात्मक प्रतिशत मान कम करके आंकने का संकेत देते हैं जबकि नकारात्मक प्रतिशत मान अनुमान पर प्रतिनिधित्व करते हैं। regurgitation अंश त्रुटि -7.78%, -6.00%, 0.33% और -11.18% वाल्व, फैलाव, छिद्र और prolapse मॉडल के बिना के लिए क्रमशः था।

Figure 1
चित्र 1: प्रोटोकॉल का वर्कफ़्लो आरेख. इस प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल में मुख्य रूप से मॉडल निर्माण, एमआरआई स्कैन और डेटा विश्लेषण शामिल हैं। मॉडल निर्माण चरण में, बाहरी महाधमनी रूट मॉडल और चार अलग-अलग प्रकार के एआर मॉडल (वाल्व, फैलाव, प्रोलैप्स और छिद्र के बिना) गढ़े जाते हैं। एमआरआई स्कैन के दौरान, स्काउट इमेजिंग के बाद मल्टी-वीईएनसी स्कैन और 4 डी फ्लो एमआरआई किया जाता है। डेटा विश्लेषण भाग में डेटा सॉर्टिंग, छवि विभाजन, वेग गणना, विज़ुअलाइज़ेशन और परिमाणीकरण शामिल हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: महाधमनी जड़ (ए) ज्यामितीय लक्षण वर्णन और महाधमनी जड़ ज्यामिति के मापदंडों के योजनाबद्ध और डिजाइन ऐक्रेलिक मॉडल। (बी) बहु-आयामी दृश्य में महाधमनी रूट 3 डी मॉडल। डीए: सिनोट्यूबलर जंक्शन (एसटीजे) का व्यास, डीओ: एनुलस का व्यास, आरअधिकतम: अधिकतम साइनस व्यास, आरमिनट: न्यूनतम साइनस व्यास, एलए: साइनस की ऊंचाई, एलबी: एसटीजे की ऊंचाई। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: महाधमनी regurgitation फ्रेम और मॉडल (ए) महाधमनी वाल्व फ्रेम जो पत्रक को पकड़ने के लिए प्रयोग किया जाता है की ज्यामितीय जानकारी. फ्रेम के शरीर के चारों ओर छेद वह जगह है जहां सीवन लाइन गुजरती है। (बी) ईपीटीएफई झिल्ली टांकेदार वाल्व का उदाहरण। (सी) इन विट्रो मॉडल का एन-फेस व्यू: इस अध्ययन में निर्मित वाल्व, फैलाव, छिद्र और प्रोलैप्स के बिना। तीर क्षतिग्रस्त cusp को इंगित करता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: ePTFE पत्रक की सामग्री और निर्माण चरण( A) एक गाइड के रूप में 3D मुद्रित पत्रकों का उपयोग करते हुए, ePTFE झिल्ली का उपयोग करके पत्रक बनाए जाते हैं। (बी) ड्राइंग, suturing, काटने और ePTFE वाल्व के चरणों को ठीक. कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्रा 5: विभिन्न एआर मॉडल के निर्माण के तरीके( ए) फैलाव मॉडल, (बी) छिद्र मॉडल, और (सी) प्रोलैप्स मॉडल। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्रा 6: महाधमनी regurgitation प्रकार के अनुसार दृश्य को सुव्यवस्थित करें। सिस्टोल (प्रत्येक पैनल के बाएं) और डायस्टोल (प्रत्येक पैनल के दाएं) पर एक सुव्यवस्थित विज़ुअलाइज़ेशन महाधमनी regurgitation प्रकार के अनुसार। (ए) वाल्व के बिना मॉडल (एक वाल्व की कमी के कारण डायस्टोल / सिस्टोल छवि समान होती है), (बी) फैलाव, (सी) छिद्र, और (डी) प्रोलैप्स। सिस्टोल और डायस्टोल डेटा लिया गया था जहां इनलेट वेग हृदय चक्र के दौरान उच्चतम और सबसे कम होता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्रा 7: प्रवाह दर और स्ट्रोक की मात्रा. वाल्व के बिना (ए) मॉडल के लिए प्रवाह दर और स्ट्रोक की मात्रा, (बी) फैलाव, (सी) छिद्र, और (डी) प्रोलैप्स। प्रवाह दर और स्ट्रोक की मात्रा को विमान (ठोस रेखा) पर मापा जाता है, जो वाल्व एनुलस के लिए डाउनस्ट्रीम तीन-व्यास होता है। नीले और लाल रंग क्रमशः आगे और regurgitating प्रवाह का संकेत देते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपात
(Do = 26 mm)		 DA/Do LA/Do LB/Do rmax/Do rmin/Do
1.24 1 0.34 0.82 0.64

तालिका 1. महाधमनी जड़ ज्यामिति के ज्यामितीय पैरामीटर चित्र 1 में दिखाए गए हैं।

अस्थायी संकल्प 0.025 ms/40 चरणों
स्थानिक संकल्प 2mm x 2mm/
मैट्रिक्स 96 x 160 x 26 पिक्सेल
स्लाइस मोटाई 2 मिमी
प्रतिध्वनि समय 2.54 ms
एन्कोडिंग वेग 25-330 सेमी/सेकंड

तालिका 2. विट्रो में 4 डी प्रवाह एमआरआई अनुक्रम पैरामीटर।

Discussion

चार आयामी प्रवाह एमआरआई हाल ही में नैदानिक नियमित उपयोग14 के लिए एक आवेदन के रूप में विभिन्न पूर्व विवो और विवो अध्ययनों में द्वारा सत्यापित किया गया है। जैसा कि 4 डी प्रवाह एमआरआई पूरे कार्डियक चक्र पर 3 डी वेग जानकारी प्राप्त करता है, एक मजबूत आवेदन वाल्वुलर रेगर्जिटेंट वॉल्यूम का एक प्रत्यक्ष परिमाणीकरण है, जो पारंपरिक 2 डी डॉपलर इकोकार्डियोग्राफी15 को मापने में सक्षम नहीं है। 4 डी फ्लो एमआरआई का उपयोग करके इन विट्रो प्रयोग 3 डी प्रवाह वेग और संबंधित हेमोडायनामिक पैरामीटर प्रदान कर सकते हैं जिनका उपयोग हृदय रोग और हेमोडायनामिक्स के बीच संबंधों की जांच के लिए किया जा सकता है। हालांकि, इसकी आशाजनक क्षमता के बावजूद, इस आवेदन पर कोई व्यवस्थित अध्ययन अभी तक रिपोर्ट नहीं किया गया है। यह संभवतः विट्रो प्रयोगों में अच्छी तरह से नियंत्रित की कमी के कारण है जो त्रि-पत्रक वाल्वों के पुनरुत्थान की नकल करते हैं।

इन विट्रो अध्ययनों में हाल के विकास ने पूर्व और बाद के वाल्वुलर हेमोडायनामिक्स16,17 तक पहुंचने के लिए अधिक सटीक और यथार्थवादी प्रयोगात्मक तरीके प्रदान किए हैं। एक ऑप्टिकल छवि-आधारित कण छवि velocimetry (PIV) के साथ युग्मित, वाल्व के चारों ओर प्रवाह का सटीक माप और परिमाणीकरण पिछले इन विट्रो अध्ययनों में संभव था। हालांकि, सटीक 3 डी प्रवाह क्षेत्र, विशेष रूप से पोस्ट-वाल्वुलर प्रवाह के लिए, अपारदर्शी मॉडल और अपवर्तन के कारण सीमित थे। दूसरी ओर, एमआरआई का उपयोग करके 3 डी वेग माप भी सीमित थे, क्योंकि धातु घटकों का उपयोग19,20 नहीं किया जा सकता है।

इसलिए इस अध्ययन में, एक प्रवाह प्रयोगात्मक मंच का निर्माण करने के लिए एक प्रोटोकॉल पेश किया गया है जो एमआर संगत है और वाल्वुलर रोगों के विभिन्न नैदानिक परिदृश्यों को पुन: पेश करने के लिए अत्यधिक परिवर्तनीय है। ePTFE झिल्ली का उपयोग धातु घटकों के बिना tricuspid वाल्व की नकल करने के लिए किया जाता है क्योंकि यह व्यापक रूप से इसकी उच्च तन्यता शक्ति और रासायनिक प्रतिरोध17,21,22 के कारण वाल्व और संवहनी ग्राफ्ट सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है। EPTFE फिल्मों के आधार पर, एआर के तीन अलग-अलग मूल ों को पुन: पेश किया गया है (फैलाव, छिद्र, और प्रोलैप्स) साथ ही तुलना के लिए वाल्व के बिना एक मॉडल। इस प्रवाह प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल में अगला महत्वपूर्ण कदम एमआर इमेजिंग और परिमाणीकरण है। एक मोटर-नियंत्रित पिस्टन पंप जो महाधमनी रक्त प्रवाह तरंगों का अनुकरण कर सकता है, का उपयोग प्रवाह सर्किट प्रणाली के माध्यम से एक शारीरिक प्रवाह तरंग उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। प्रवाह पंप का विवरण पिछले अध्ययन23 में पाया जा सकता है। चूंकि इस अध्ययन का उद्देश्य प्रवाह परिमाणीकरण में 4 डी प्रवाह एमआरआई की सटीकता को मान्य करना भी है, इसलिए सभी इमेजिंग मापदंडों को पिछले अध्ययन के आधार पर चुना जाता है जो नैदानिक दिनचर्या24 में उपयोग किए जा सकने वाले मापदंडों को सारांशित करता है। चूंकि एमआरआई प्रणाली में एडी धाराओं और चुंबकीय क्षेत्र25 की गैर-रैखिकता जैसी खामियों के कारण अंतर्निहित त्रुटियां शामिल हैं, पृष्ठभूमि सुधार रणनीति को चरण 3.1.3 में वर्णित वास्तविक डेटा परिमाणीकरण से पहले लागू किया जाता है।

इस अध्ययन में सुझाए गए हाथ से बने महाधमनी regurgitation मॉडल ने मॉडल वर्गीकरण के अनुसार regurgitant जेट की समान हेमोडायनामिक विशेषताओं को दिखाया क्योंकि पिछलेअध्ययनों ने 26,27 की सूचना दी थी। बंद आकार सममित था, और फैलाव मॉडल में वाल्व के केंद्र में एक सीधा जेट हुआ। एक पश्चवर्ती निर्देशित सनकी जेट वेध मॉडल में cusp क्षति के कारण प्रकट होता है। वाल्व का आंशिक प्रोलैप्स एक जेट दिखाता है जिसकी दिशा सीमित गतिशीलता के कारण अपराधी कप से मुड़ी हुई थी। 4 डी प्रवाह एमआरआई का उपयोग करके सीधे मापा गया महाधमनी regurgitation मात्रा वाल्व और फैलाव मॉडल के बिना overestimated था, जबकि यह काफी हद तक जमीन की सच्चाई के साथ तुलना में prolapse मॉडल में underestimated था। हालांकि, जब regurgitant अंश की गणना की गई थी, तो सबसे बड़ा पूर्वाग्रह प्रोलैप्स मॉडल में केवल 11% था। यह दृढ़ता से इंगित करता है कि न केवल regurgitant प्रवाह, लेकिन यह भी सामान्य महाधमनी जेट एमआर स्कैन से प्रभावित था। वर्तमान चरण में, प्रत्येक एआर मॉडल के लिए अलग-अलग स्कैन पैरामीटर अनुकूलित नहीं किए गए थे। एक भविष्य प्रणालीगत पैरामीटर अध्ययन regurgitant मात्रा माप की सटीकता में सुधार कर सकते हैं। वैकल्पिक रूप से, regurgitant अंश का उपयोग अधिक मजबूत है क्योंकि यह 4 डी प्रवाह एमआरआई में अंतर्निहित त्रुटियों को रद्द कर देता है, लेकिन यह भी नैदानिक रूप से पूर्ण regurgitant मात्रा को मापने की तुलना में अधिक प्रासंगिक है।

निष्कर्ष में, यह अध्ययन एक एमआर संगत इन विट्रो फ्लो प्रयोगात्मक मॉडल का सुझाव देता है जो विभिन्न प्रकार के एआर का अनुकरण करने के लिए अत्यधिक परिवर्तनीय है। इसके अलावा, 4 डी प्रवाह एमआरआई का उपयोग करके एआर वॉल्यूम माप की सटीकता की तुलना की गई थी। इस अध्ययन की सीमा यह है कि महाधमनी वाल्व की गति नकली नहीं थी, जो रेगुर्गिटेंट जेट के वास्तविक विकास को प्रभावित कर सकती है। इसके अलावा, आंशिक मात्रा प्रभाव और 4 डी-प्रवाह एमआरआई की अस्थायी औसत प्रकृति प्रवाह माप की सटीकता को सीमित कर सकती है, विशेष रूप से जेट और परिवेश के भीतर वेग की उच्च गतिशील सीमा पर विचार कर सकती है। इसलिए, आगे व्यवस्थित पैरामीटर अध्ययन की आवश्यकता है।

Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

इस शोध को कोरिया के राष्ट्रीय अनुसंधान फाउंडेशन के माध्यम से बुनियादी विज्ञान अनुसंधान कार्यक्रम द्वारा समर्थित किया गया था, जिसे शिक्षा मंत्रालय (2021R1I1A3040346, 2020R1A4A1019475, 2021R1C1C1003481, और HI19C0760) द्वारा वित्त पोषित किया गया है। इस अध्ययन को कांगवोन नेशनल यूनिवर्सिटी से 2018 रिसर्च ग्रांट (PoINT) द्वारा भी समर्थित किया गया था।

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

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इंजीनियरिंग मुद्दा 180 महाधमनी regurgitation एआर चार आयामी प्रवाह चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग 4 डी प्रवाह एमआरआई हेमोडायनामिक्स विस्तारित polytetrafluoroethylene ePTFE परिमाणीकरण इन विट्रो प्रयोग
<em>इन विट्रो</em> चार आयामी प्रवाह चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग का उपयोग कर महाधमनी regurgitation का आकलन
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Kim, D., Huh, H. K., Ha, H. In vitro Assessment of Aortic Regurgitation Using Four-Dimensional Flow Magnetic Resonance Imaging. J. Vis. Exp. (180), e63491, doi:10.3791/63491 (2022).

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