Aortauppstötning är en aortaklaff hjärtsjukdom. Detta manuskript visar hur fyrdimensionell flödesmagnetisk resonanstomografi kan utvärdera aortauppstötningar med hjälp av in vitro-hjärtklaffar som efterliknar aortauppstötningar.
Aortauppstötning (AR) avser bakåt blodflöde från aortan till vänster kammare (LV) under ventrikulär diastol. Den regurgitatstrålen som härrör från den komplexa formen kännetecknas av det tredimensionella flödet och höghastighetsgradienten, vilket ibland begränsar en noggrann mätning av den regurgitenta volymen med hjälp av 2D-ekokardiografi. Nyligen utvecklad fyrdimensionell flödesmagnetisk resonanstomografi (4D-flödes-MRT) möjliggör tredimensionella volymetriska flödesmätningar, som kan användas för att exakt kvantifiera mängden uppstötningar. Denna studie fokuserar på (i) magnetisk resonanskompatibel AR-modelltillverkning (dilatation, perforering och prolaps) och (ii) systematisk analys av prestanda för 4D-flödes-MRI i AR-kvantifiering. Resultaten indikerade att bildandet av de främre och bakåtriktade strålarna över tiden var mycket beroende av typerna av AR-ursprung. Mängden uppstötningsvolymförskjutning för modelltyperna var -7,04%, -33,21%, 6,75% och 37,04% jämfört med marksanningen (48 ml) volym mätt från pumpens slagvolym. Det största felet i uppstötningsfraktionen var cirka 12%. Dessa resultat indikerar att noggrant urval av bildparametrar krävs när absolut uppstötningsvolym är viktig. Den föreslagna in vitro-flödesfantomen kan enkelt modifieras för att simulera andra valvulärsjukdomar som aortastenos eller bicuspid aortaklaff (BAV) och kan användas som en standardplattform för att testa olika MR-sekvenser i framtiden.
Aortauppstötning (AR) avser bakåtflödet från aortan till vänster kammare under den diastoliska fasen av ventrikeln. AR klassificeras vanligtvis i aortadilatation, koppar prolaps, koppar perforering, koppar indragning och andra1. Kronisk AR kan orsaka volymöverbelastning av LV främst på grund av hypertrofi och dilatation, och så småningom orsakar dess dekompensation2. Akut AR orsakas huvudsakligen av infektiös endokardit, aortadissektion och traumatisk bristning, vilket leder till hemodynamiska nödsituationer2.
Nuvarande kliniska standarder för AR-diagnos är huvudsakligen baserade på transthoracic echocardiography (TTE) eller transesofageal ekokardiografi (TEE)3. Trots fördelarna med realtidsavbildning och kort tentamenstid är ekkardiografins noggrannhet mycket operatörsberoende. Speciellt för den regurgitenta volymmätningen är direkt mätning av regurgitantvolymen begränsad eftersom regurgitantstrålen skiftar ut ur det tvådimensionella (2D) mätplanet på grund av aortaklaffens rörelse. Indirekt uppskattning med hjälp av PISA-metoder (Proximal iso-velocity surface area) används ofta, men antaganden som cirkulär öppningsområde begränsar ofta den exakta mätningen4.
Nya medicinska riktlinjer5 rekommenderar också hjärt-MR (CMR), särskilt för måttliga eller svåra AR-patienter för att kompensera för begränsningen av ekokardiografi genom att mäta LV: s massa och globala funktion. Strukturella parametrar som aortablad och LV-storlek och flödesparametrar som jetbredd, vena contracta bredd och uppstötningsvolym kan också övervägas fullständigt vid AR-diagnos6 . Aortauppstötningsvolymen uppskattad med LV: s globala funktion kan dock misslyckas särskilt för patienter med andra hjärtklaffulära sjukdomar eller shunt.
Alternativt har 4D-flödes-MR betraktats som en lovande teknik som direkt kan mäta den uppringande volymen med tidsupplöst hastighetsinformation inom volymen av intresse7. Ventilens rörelse enligt tiden kan enkelt spåras och kompenseras vid mätning av regurgitantflödesvolymen 8,9. Ett godtyckligt plan vinkelrätt mot regurgitantstrålen kan också placeras retrospektivt, vilket ökar noggrannheten i mätningen10. Men eftersom 4D-flödes-MRI i sig erhåller den spatiotemporalt genomsnittliga informationen, motiverar noggrannheten i denna teknik fortfarande validering genom att använda välkontrollerade in vitro-flödesexperiment.
Denna studie syftar till att (i) utveckla MR-kompatibel in vitro-experimentell plattform som kan reproducera de olika kliniska scenarierna för AR (dilatation, perforering och prolaps) och (ii) berika vår förståelse av 4D-flödes MR-prestanda vid kvantifiering av olika AR vid dessa AR-modeller. Dessutom genomfördes 3D hemodynamisk visualisering och kvantifiering baserad på 4D-flödes-MR enligt de olika kliniska scenarierna. Detta protokoll är inte begränsat till AR och kan utvidgas till andra typer av studier av valvulär sjukdom som kräver en serie in vitro-experiment och hemodynamisk kvantifiering.
Fyrdimensionell flödes-MR har nyligen verifierats av olika ex vivo – och in vivo-studier som en applikation för klinisk rutinmässig användning14. Eftersom 4D-flödes-MRI erhåller 3D-hastighetsinformation över hela hjärtcykeln är en stark applikation en direkt kvantifiering av den valvulella regurgitantvolymen, vilken konventionell 2D Doppler-ekokardiografi inte kan kvantifiera15. In vitro-experiment med 4D Flow MRI kan ge 3D-flödeshastighet och relaterade hemodynamiska parametrar som kan användas för att undersöka förhållandet mellan hjärt-kärlsjukdom och hemodynamik. Trots sin lovande förmåga har dock inga systematiska studier på denna applikation rapporterats ännu. Detta beror möjligen på bristen på välkontrollerade in vitro-experiment som efterliknar upprepningen av tri-leaflet-ventilerna.
Den senaste utvecklingen inom in vitro-studier har gett mer exakta och realistiska experimentella metoder för att få tillgång till pre- och postvalvulär hemodynamik16,17. Tillsammans med en optisk bildbaserad partikelbildsslöjacimetri (PIV) var noggrann mätning och kvantifiering av flödet runt ventilen möjlig i tidigare in vitro-studier 18. Exakta 3D-flödesfält, särskilt för det postvalvulala flödet, begränsades dock på grund av den ogenomskinliga modellen och brytningen. Å andra sidan var 3D-hastighetsmätningar med MR också begränsade, eftersom metallkomponenter inte kan användas19,20.
Därför introduceras i denna studie ett protokoll för att bygga en flödesexperimentell plattform som är MR-kompatibel och mycket modifierbar för att reproducera olika kliniska scenarier av valvulärsjukdomar. ePTFE-membranet används för att efterlikna tricuspidventilen utan metallkomponenter eftersom det har använts i stor utsträckning som ventil- och vaskulärt transplantatmaterial på grund av dess höga draghållfasthet och kemiska beständighet 17,21,22. Baserat på ePTFE-filmer har tre olika ursprung för AR reproducerats (dilatation, perforering och prolaps) samt en modell utan ventil för jämförelse. Nästa viktiga steg i detta flödesexperimentella protokoll är MR-avbildning och kvantifiering. En motorstyrd kolvpump som kan simulera aortablodflödesvågformerna används för att generera en fysiologisk flödesvågform genom flödeskretssystemet. Detaljer om flödespumpen finns i den tidigare studien23. Eftersom denna studie också syftar till att validera noggrannheten i 4D-flödes-MRI i flödeskvantifiering, väljs alla bildparametrar utifrån den tidigare studien som sammanfattar de parametrar som kan användas i den kliniska rutinen24. Eftersom MR-systemet innehåller inneboende fel på grund av brister som virvelströmmar och magnetfältets olinjäritet25 tillämpas bakgrundskorrigeringsstrategin före den faktiska datakvantifieringen enligt beskrivningen i steg 3.1.3.
Den handgjorda aortauppstötningsmodellen som föreslogs i denna studie visade liknande hemodynamiska egenskaper hos regurgitantstråle enligt modellklassificering som tidigare studier rapporterade26,27. Den slutna formen var symmetrisk och en rak stråle inträffade i mitten av ventilen i dilatationsmodellen. En bakre riktad excentrisk stråle visas på grund av cuspskador i perforeringsmodellen. Partiell prolaps av ventilen visar en stråle vars riktning böjdes från den skyldige koppen på grund av begränsad rörlighet. Aortauppstötningsvolymen som direkt mättes med hjälp av 4D-flödes-MRI överskattades i utan ventil- och dilatationsmodellen, medan den till stor del underskattades i prolapsmodellen jämfört med marksanningen. Men när den regurgitenta fraktionen beräknades var den största bias endast 11% i prolapsmodellen. Detta indikerar starkt att inte bara det uppstötande flödet utan också den normala aortastrålen påverkades av MR-skanningen. I det aktuella skedet optimerades inte enskilda skanningsparametrar för varje AR-modell. En framtida systemisk parameterstudie kan förbättra noggrannheten i upprepningsvolymmätningen. Alternativt är användningen av upprepningsfraktion mer robust eftersom den upphäver de inneboende felen i 4D-flödes-MRI men också är kliniskt mer relevant än att bara mäta den absoluta upprepningsvolymen.
Sammanfattningsvis föreslår denna studie en MR-kompatibel in vitro-flödesexperimentell modell som är mycket modifierbar för att simulera olika typer av AR. Dessutom jämfördes noggrannheten för AR-volymmätning med 4D-flödes-MR. Begränsningen av denna studie är att aortaklaffens rörelse inte simulerades, vilket kan påverka den faktiska utvecklingen av regurgitantstrålen. Dessutom kan den partiella volymeffekten och den tidsmässiga medelvärdet av 4D-flödes-MRT begränsa flödesmätningens noggrannhet, särskilt med tanke på det höga dynamiska hastighetsområdet inom strålen och omgivningen. Därför krävs ytterligare systematisk parameterstudie.
The authors have nothing to disclose.
Denna forskning stöddes av Basic Science Research Program genom National Research Foundation of Korea, som finansieras av utbildningsministeriet (2021R1I1A3040346, 2020R1A4A1019475, 2021R1C1C1003481 och HI19C0760). Denna studie stöddes också av 2018 Research Grant (PoINT) från 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 |