Aorta regurgitation er en aorta ventil hjertesykdom. Dette manuskriptet demonstrerer hvordan firedimensjonal strømning magnetisk resonansavbildning kan evaluere aortaregurgitasjon ved hjelp av in vitro hjerteklaffer som etterligner aortaregurgitasjon.
Aorta regurgitation (AR) refererer til bakover blodstrøm fra aorta inn i venstre ventrikel (LV) under ventrikulær diastole. Den regurgitante strålen som oppstår fra den komplekse formen er preget av den tredimensjonale strømmen og høyhastighetsgradienten, noe som noen ganger begrenser en nøyaktig måling av regurgitantvolumet ved hjelp av 2D-ekkokardiografi. Nylig utviklet firedimensjonal strømning magnetisk resonansavbildning (4D flow MR) muliggjør tredimensjonale volumetriske strømningsmålinger, som kan brukes til å nøyaktig kvantifisere mengden av oppblåstheten. Denne studien fokuserer på (i) magnetisk resonanskompatibel AR-modellproduksjon (dilatasjon, perforering og prolaps) og (ii) systematisk analyse av ytelsen til 4D-strømning MR i AR-kvantifisering. Resultatene indikerte at dannelsen av forover- og bakoverstrålene over tid var svært avhengig av typen AR-opprinnelse. Mengden regurgitasjonsvolumbias for modelltypene var -7,04%, -33,21%, 6,75% og 37,04% sammenlignet med bakken sannhet (48 ml) volum målt fra pumpeslagvolumet. Den største feilen i regurgitation fraksjonen var rundt 12%. Disse resultatene indikerer at nøye valg av bildeparametere er nødvendig når absolutt regurgitation volum er viktig. Det foreslåtte in vitro flow-fantomet kan enkelt modifiseres for å simulere andre valvulære sykdommer som aortastenose eller bikuspitt aortaventil (BAV) og kan brukes som en standardplattform for å teste forskjellige MR-sekvenser i fremtiden.
Aorta regurgitation (AR) refererer til bakoverstrømmen fra aorta inn i venstre ventrikel under den diastoliske fasen av ventrikelen. AR er vanligvis klassifisert i aorta dilatasjon, kopper prolaps, kopper perforering, kopper tilbaketrekning, og andre1. Kronisk AR kan forårsake volumoverbelastning av LV hovedsakelig på grunn av hypertrofi og dilatasjon, og til slutt forårsaker dekompensasjon2. Akutt AR er hovedsakelig forårsaket av smittsom endokarditt, aorta disseksjon og traumatisk brudd, noe som fører til hemodynamiske nødsituasjoner2.
Gjeldende kliniske standarder for AR-diagnose er hovedsakelig basert på transthoracic ekkokardiografi (TTE) eller transøsofageal ekkokardiografi (TEE)3. Til tross for fordelene med sanntidsavbildning og kort eksamenstid, er nøyaktigheten av ekkokardiografi svært operatøravhengig. Spesielt for den regurgitante volummålingen er direkte måling av regurgitantvolumet begrenset ettersom regurgitantstrålen skifter ut av det todimensjonale (2D) måleplanet på grunn av aortaventilens bevegelse. Indirekte estimering ved hjelp av proksimale metoder for isohastighetsoverflate (PISA) brukes ofte, men forutsetninger som sirkulært åpningsområde begrenser ofte den nøyaktige målingen4.
Nylige medisinske retningslinjer5 anbefaler også hjerte MR (CMR), spesielt for moderate eller alvorlige AR-pasienter for å kompensere for begrensningen av ekkokardiografi ved å måle massen og den globale funksjonen til LV. Strukturelle parametere som aortabrosjyrer og LV-størrelse, og strømningsparametere som jetbredde, vena contracta bredde og regurgitantvolum kan også vurderes grundig i AR-diagnose6 . Imidlertid kan aortaregurgitasjonsvolum estimert med LV global funksjon mislykkes spesielt for pasienter med andre hjerte valvulære sykdommer eller shunt.
Alternativt har 4D flow MR blitt ansett som en lovende teknikk som direkte kan måle regurgitantvolumet med tids løst hastighetsinformasjon innenfor volumet av interesse7. Bevegelsen av ventilen i henhold til tiden kan enkelt spores og kompenseres ved måling av regurgitantstrømningsvolumet 8,9. Også et vilkårlig plan vinkelrett på regurgitantstrålen kan plasseres retrospektivt, noe som øker nøyaktigheten av målingen10. Men etter hvert som 4D-flyten MR i seg selv innhenter den romlig gjennomsnittlige informasjonen, garanterer nøyaktigheten av denne teknikken fortsatt validering ved hjelp av godt kontrollerte in vitro flow-eksperimenter.
Denne studien tar sikte på å (i) utvikle MR-kompatibel in vitro eksperimentell plattform som kan reprodusere de forskjellige kliniske scenariene for AR (dilatasjon, perforering og prolaps) og (ii) berike vår forståelse av 4D flow MR-ytelse i kvantifisering av forskjellig AR ved disse AR-modellene. I tillegg ble 3D hemodynamisk visualisering og kvantifisering basert på 4D-strømning MR utført i henhold til de ulike kliniske scenariene. Denne protokollen er ikke begrenset til AR og kan utvides til andre typer valvulære sykdomsstudier som krever en rekke in vitro-eksperimenter og hemodynamisk kvantifisering.
Firedimensjonal strømning MR har nylig blitt verifisert av ulike ex vivo – og in vivo-studier som søknad om klinisk rutinemessig bruk14. Ettersom 4D-strømmen MR får 3D-hastighetsinformasjon over hele hjertesyklusen, er en sterk applikasjon en direkte kvantifisering av det valvulære regurgitantvolumet, som konvensjonell 2D Doppler-ekkokardiografi ikke er i stand til å kvantifisere15. In vitro eksperimenter ved hjelp av 4D Flow MR kan gi 3D-strømningshastighet og relaterte hemodynamiske parametere som kan brukes til å undersøke forholdet mellom kardiovaskulær sykdom og hemodynamikk. Til tross for sin lovende evne, er det imidlertid ikke rapportert noen systematiske studier på denne applikasjonen ennå. Dette skyldes muligens mangelen på velkontrollerte in vitro-eksperimenter som etterligner oppblåstheten av tri-brosjyreventilene.
Den siste tidens utvikling i in vitro-studier har gitt mer nøyaktige og realistiske eksperimentelle metoder for å få tilgang til pre- og post-valvulær hemodynamikk16,17. Kombinert med en optisk bildebasert partikkelbilde velocimetry (PIV), var nøyaktig måling og kvantifisering av strømmen rundt ventilen mulig i tidligere in vitro-studier 18. Imidlertid var nøyaktige 3D-strømningsfelt, spesielt for post-valvulær strømning, begrenset på grunn av den ugjennomsiktige modellen og brytningen. På den annen side var 3D-hastighetsmålinger ved bruk av MR også begrenset, da metallkomponenter ikke kan brukes19,20.
Derfor i denne studien introduseres en protokoll for å bygge en strømnings eksperimentell plattform som er MR-kompatibel og svært modifiserbar for å reprodusere ulike kliniske scenarier av valvulære sykdommer. ePTFE-membranen brukes til å etterligne trikuspidventilen uten metallkomponenter, da den har blitt mye brukt som ventil og vaskulært graftmateriale på grunn av sin høye strekkfasthet og kjemiske motstand 17,21,22. Basert på ePTFE-filmer har tre forskjellige opprinnelser av AR blitt reprodusert (dilatasjon, perforering og prolaps) samt en modell uten ventil for sammenligning. Det neste viktige trinnet i denne eksperimentelle flytprotokollen er MR-avbildning og kvantifisering. En motorstyrt stempelpumpe som kan simulere aortablodstrømbølgeformene, brukes til å generere en fysiologisk strømningsbølgeform gjennom strømningskretssystemet. Detaljer om strømningspumpen finnes i forrige studie23. Siden denne studien også tar sikte på å validere nøyaktigheten av 4D-strømmen MR i strømningskvartifisering, velges alle bildeparameterne basert på den forrige studien som oppsummerer parametrene som kan brukes i den kliniske rutinen24. Siden MR-systemet inneholder iboende feil på grunn av ufullkommenheter som virvelstrømmer og ikke-lineæritet i magnetfeltet25, brukes bakgrunnskorrigeringsstrategien før den faktiske datakvartifiseringen som beskrevet i trinn 3.1.3.
Den håndlagde aorta-regurgitasjonsmodellen som ble foreslått i denne studien, viste lignende hemodynamiske egenskaper ved regurgitant jet i henhold til modellklassifisering som tidligere studier rapporterte26,27. Den lukkede formen var symmetrisk, og en rett stråle skjedde i midten av ventilen i dilatasjonsmodellen. En bakre rettet eksentrisk jet vises på grunn av cusp skade i perforeringsmodellen. Delvis prolaps av ventilen viser en stråle hvis retning var bøyd fra den skyldige koppen på grunn av begrenset mobilitet. Det aorta-regurgitasjonsvolumet som ble direkte målt ved hjelp av 4D-strømnings-MR-en, ble overvurdert i uten ventil- og dilatasjonsmodellen, mens den i stor grad ble undervurdert i prolapsmodellen sammenlignet med bakkens sannhet. Men da den regurgitante fraksjonen ble beregnet, var den største skjevheten bare 11% i prolapsmodellen. Dette indikerer sterkt at ikke bare den regurgitante strømmen, men også den normale aortastrålen ble påvirket av MR-skanningen. På gjeldende stadium ble individuelle skanneparametere ikke optimalisert for hver AR-modell. En fremtidig systemisk parameterstudie kan forbedre nøyaktigheten av regurgitant volummåling. Alternativt er bruken av regurgitantfraksjon mer robust da den avbryter de iboende feilene i 4D-strømning MR, men er også klinisk mer relevant enn bare å måle det absolutte regurgitantvolumet.
Til slutt antyder denne studien en MR-kompatibel in vitro flow eksperimentell modell som er svært modifiserbar for å simulere ulike typer AR. Også nøyaktigheten av AR-volummåling ved hjelp av 4D-strømning MR ble sammenlignet. Begrensningen av denne studien er at bevegelsen av aortaventilen ikke ble simulert, noe som kan påvirke den faktiske utviklingen av regurgitantstrålen. I tillegg kan den delvise volumeffekten og den tidsmessige gjennomsnittsarten til 4D-flow MR begrense nøyaktigheten av strømningsmålingen, spesielt med tanke på det høye dynamiske hastighetsområdet i strålen og omgivelsene. Derfor er det nødvendig med ytterligere systematisk parameterstudie.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskningen ble støttet av Basic Science Research Program gjennom National Research Foundation of Korea, som er finansiert av Kunnskapsdepartementet (2021R1I1A3040346, 2020R1A4A1019475, 2021R1C1C1003481 og HI19C0760). Denne studien ble også støttet av 2018 Research Grant (PoINT) fra Kangwon National University.
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 |