Summary
يوضح هذا البروتوكول سير عمل منصة SILICOFCM لتوليد نموذج حدودي للبطين الأيسر تلقائيا من صور الموجات فوق الصوتية الخاصة بالمريض من خلال تطبيق نموذج كهروميكانيكي متعدد المقاييس للقلب. تتيح هذه المنصة في التجارب السريرية السيليكو التي تهدف إلى تقليل التجارب السريرية الحقيقية وتعظيم النتائج العلاجية الإيجابية.
Abstract
يهدف مشروع SILICOFCM بشكل أساسي إلى تطوير منصة حسابية للتجارب السريرية في السيليكو لاعتلال عضلة القلب العائلي (FCMs). السمة الفريدة للمنصة هي دمج بيانات التصوير البيولوجي والجيني والسريري الخاصة بالمريض. تسمح المنصة باختبار العلاج الطبي وتحسينه لتحقيق أقصى قدر من النتائج العلاجية الإيجابية. وبالتالي ، يمكن تجنب الآثار الضارة والتفاعلات الدوائية ، ويمكن منع الموت القلبي المفاجئ ، ويمكن تقصير الوقت بين بدء العلاج الدوائي والنتيجة المرجوة. تقدم هذه المقالة نموذجا بارامتريا للبطين الأيسر يتم إنشاؤه تلقائيا من صور الموجات فوق الصوتية الخاصة بالمريض عن طريق تطبيق نموذج كهروميكانيكي للقلب. تم وصف تأثيرات الدواء من خلال شروط حدودية محددة لتدفق المدخل والمخرج ، وقياسات ECG ، ووظيفة الكالسيوم لخصائص عضلة القلب. تم دمج البيانات الجينية من المرضى من خلال الخاصية المادية لجدار البطين. يتضمن تحليل الرؤية القمية تقسيم البطين الأيسر باستخدام إطار U-net مدرب مسبقا وحساب المستطيل الحدودي بناء على طول البطين الأيسر في الدورة الانبساطية والانقباضي. يتضمن تحليل عرض الوضع M حدود المناطق المميزة للبطين الأيسر في عرض الوضع M. بعد استخراج أبعاد البطين الأيسر ، تم إنشاء شبكة عناصر محدودة بناء على خيارات الشبكة ، وتم تشغيل محاكاة تحليل العناصر المحدودة بسرعات مدخل ومخرج مقدمة من المستخدم. يمكن للمستخدمين تصور نتائج المحاكاة المختلفة مباشرة على المنصة مثل حجم الضغط ، وإجهاد الضغط ، ومخططات وقت عمل عضلة القلب ، بالإضافة إلى الرسوم المتحركة لمجالات مختلفة مثل الإزاحة والضغوط والسرعة وضغوط القص.
Introduction
يوفر التطور السريع لتقنيات المعلومات وحزم برامج المحاكاة والأجهزة الطبية في السنوات الأخيرة الفرصة لجمع كمية كبيرة من المعلومات السريرية. لذلك ، أصبح إنشاء أدوات حسابية شاملة ومفصلة أمرا ضروريا لمعالجة معلومات محددة من وفرة البيانات المتاحة.
من وجهة نظر الأطباء ، من الأهمية بمكان التمييز بين الأنماط الظاهرية "الطبيعية" مقابل "غير الطبيعية" في مريض معين لتقدير تطور المرض والاستجابات العلاجية والمخاطر المستقبلية. حسنت النماذج الحسابية الحديثة بشكل كبير الفهم التكاملي لسلوك عضلات القلب في اعتلال عضلة القلب الضخامي (HCM) والتوسعي (DCM)1. من الأهمية بمكان استخدام نموذج عالي الدقة ومفصل ودقيق تشريحيا للنشاط الكهربائي للقلب بالكامل ، مما يتطلب أوقات حساب هائلة وبرامج مخصصة وأجهزة كمبيوتر عملاقة1،2،3. تم مؤخرا تطوير منهجية لنموذج قلب 3D حقيقي باستخدام نموذج خطي مرن ومواد تقويم يعتمد على تجارب Holzapfel ، والتي يمكنها التنبؤ بدقة بمجال نقل الإشارات الكهربائية والإزاحة داخل القلب4. يمكن أن يكون تطوير مناهج النمذجة التكاملية الجديدة أداة فعالة للتمييز بين نوع وشدة الأعراض لدى المرضى الذين يعانون من اضطرابات متعددة الجينات وتقييم درجة الضعف في النشاط البدني الطبيعي.
ومع ذلك ، هناك العديد من التحديات الجديدة للنمذجة الخاصة بالمريض. الخصائص الفيزيائية والبيولوجية لقلب الإنسان غير ممكن تحديدها بشكل كامل. عادة ما تتضمن القياسات غير الغازية بيانات صاخبة يصعب من خلالها تقدير معلمات محددة للمريض الفردي. يتطلب الحساب على نطاق واسع الكثير من الوقت للتشغيل ، في حين أن الإطار الزمني السريري محدود. يجب إدارة البيانات الشخصية للمريض بطريقة يمكن من خلالها إعادة استخدام البيانات الوصفية التي تم إنشاؤها دون المساس بسرية المريض. على الرغم من هذه التحديات ، يمكن أن تتضمن نماذج القلب متعددة المقاييس مستوى كافيا من التفاصيل لتحقيق التنبؤات التي تتبع عن كثب الاستجابات العابرة المرصودة ، وبالتالي توفير الوعد للتطبيقات السريرية المستقبلية.
ومع ذلك ، بغض النظر عن الجهد العلمي الكبير الذي بذلته مختبرات الأبحاث المتعددة والمبلغ الكبير من دعم المنح ، لا يوجد حاليا سوى حزمة برامج واحدة متاحة تجاريا لمحاكاة القلب متعدد النطاقات وكامل ، تسمى SIMULIA Living Heart Model5. ويشمل المحاكاة الكهروميكانيكية الديناميكية ، وهندسة القلب المكررة ، ونموذج تدفق الدم ، والتوصيف الكامل لأنسجة القلب ، بما في ذلك الخصائص السلبية والنشطة ، والطبيعة الليفية ، والمسارات الكهربائية. يستهدف هذا النموذج استخدامه في الطب الشخصي ، لكن توصيف المواد النشطة يعتمد على نموذج ظاهري قدمه Guccione et al.6,7. لذلك ، لا يمكن ل SIMULIA أن تترجم بشكل مباشر ودقيق التغيرات في الخصائص الوظيفية للبروتين المقلص التي لوحظت في العديد من أمراض القلب. تحدث هذه التغييرات بسبب الطفرات والتشوهات الأخرى على المستويين الجزيئي وتحت الخلوي6. يعد الاستخدام المحدود لبرنامج SIMULIA لعدد صغير من التطبيقات في الممارسة السريرية مثالا رائعا على صراعات اليوم في تطوير نماذج قلب بشرية متعددة المستويات عالية المستوى. من ناحية أخرى ، فإنه يحفز تطوير جيل جديد من حزم البرامج متعددة المقاييس التي يمكنها تتبع آثار الطفرات من النطاق الجزيئي إلى مقياس الأعضاء.
الهدف الرئيسي من الفيزيولوجيا الكهربية للقلب هو تحديد انتشار الإشارة داخل الجذع وخصائص جميع المقصورات4،5،6. يتنبأ مشروع SILICOFCM8 بتطور مرض اعتلال عضلة القلب باستخدام بيانات التصوير البيولوجي والجيني والسريري الخاصة بالمريض. يتم تحقيق ذلك من خلال النمذجة متعددة المقاييس لنظام الساركومريك الواقعي ، والملف الجيني للمريض ، واتجاه الألياف العضلية ، وتفاعل بنية السوائل ، واقتران الفيزيولوجيا الكهربية. تعطي تأثيرات تشوه البطين الأيسر وحركة الصمام التاجي وديناميكا الدم المعقدة سلوكا وظيفيا مفصلا لأمراض القلب لدى مريض معين.
توضح هذه المقالة استخدام منصة SILICOFCM لنموذج حدودي للبطين الأيسر (LV) يتم إنشاؤه تلقائيا من صور الموجات فوق الصوتية الخاصة بالمريض باستخدام نموذج قلب ذو بنية سائلة مع اقتران كهروميكانيكي. تم إنشاء تحليلات العرض القمي وعرض الوضع M ل LV باستخدام خوارزمية التعلم العميق. بعد ذلك ، باستخدام مولد الشبكة ، تم بناء نموذج العناصر المحدودة تلقائيا لمحاكاة الظروف الحدودية المختلفة للدورة الكاملة لانكماش الجهد المنخفض9. على هذا النظام الأساسي ، يمكن للمستخدمين تصور نتائج المحاكاة مباشرة مثل حجم الضغط ، وإجهاد الضغط ، ومخططات وقت عمل عضلة القلب ، بالإضافة إلى الرسوم المتحركة لمجالات مختلفة مثل الإزاحة والضغوط والسرعة وضغوط القص. معلمات الإدخال من مرضى محددين هي الهندسة من صور الموجات فوق الصوتية ، وملف تعريف السرعة في ظروف تدفق حدود الإدخال والإخراج ل LV ، والعلاج الدوائي المحدد (على سبيل المثال ، entresto ، digoxin ، mavacamten ، إلخ).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
تمت الموافقة على البروتوكول في هذه الدراسة من قبل لجنة أخلاقيات البحوث البحثية التابعة لهيئة البحوث الصحية الوطنية في المملكة المتحدة في شمال شرق تاين ووير ساوث برقم مرجعي 18 / NE / 0318 في 6 فبراير 2019 وتم اعتماده من قبل مجلس المراجعة المؤسسية لكل مركز مشارك. أجريت الدراسة ضمن مبادئ الممارسة السريرية الجيدة وبعد إعلان هلسنكي. تم الحصول على موافقة مستنيرة من جميع الأشخاص المشاركين في الدراسة. يتم الاحتفاظ بمعلومات المريض مجهولة.
1. سير العمل للموجات فوق الصوتية M- الوضع أو عرض القمي تحليل صورة DICOM واستخراج معلمة LV
ملاحظة: لبدء هذا البروتوكول ، يجب على المستخدم تسجيل الدخول إلى منصة SILICOFCM8 واختيار سير العمل المناسب (أي تحليل صورة الموجات فوق الصوتية باستخدام الوضع M أو العرض القمي). يتضمن سير العمل لتحليل صورة DICOM بالموجات فوق الصوتية M-mode واستخراج معلمة LV ، على سبيل المثال ، عدة خطوات. الخطوة الأولى هي مطابقة القالب. تتضمن القوالب المراد مطابقتها جميع الحدود الضرورية ذات الصلة. يجب التأكيد على أنه بالنسبة لكل مجموعة بيانات جديدة ، يجب استخراج القالب يدويا مرة واحدة فقط لكل مجموعة بيانات تتوافق مع جهاز الموجات فوق الصوتية المحدد. يتم عرض مخطط سير العمل في الشكل 1. سيتم استخراج المنطقة المطابقة للقالب من الصورة التي تم تحليلها بعد أن تجد خوارزمية تجزئة الصور الفعالة القائمة على الرسم البياني من Felsenszwalb حدودا "قوية" تتوافق مع حدود الحاجز وجدار LV. بناء على هذه الحدود والأماكن التي تكون فيها أقطار القلب هي الأكبر (يتوافق مع القطر في الانبساط) والأصغر (يتوافق مع القطر في الانقباض) ، سيتم حساب أبعاد LV المختلفة. يجب على المستخدم تحديد ما إذا كان العرض هو الوضع M أو العرض القمي.
- قم بتسجيل الدخول إلى النظام الأساسي باستخدام اسم مستخدم وكلمة مرور. ضمن وحدة السكان الظاهرية، اختر وضع M بالموجات فوق الصوتية أو سير عمل العرض القمي.
- في قائمة مهام سير العمل المتوفرة، حدد سير العمل المدمج بالموجات فوق الصوتية .
- في قسم تحميل الملفات ، قم بتحميل الصور وملفات DICOM المخزنة محليا على كمبيوتر المستخدم (الشكل 2).
ملاحظة: المدخلات إلى عرض الوحدة النمطية M-mode تحليل صورة DICOM من مريض معين واستخراج معلمة الجهد المنخفض هي صورة الاختبار (التي يقدمها المستخدم بتنسيق DICOM الذي يمثل الوضع M أو العرض القمي) والملفات الثابتة (الشكل 1). تتكون الملفات الثابتة من أ) ملف الإدخال .txt ، وهو ملف قالب يستخدم للكتابة فوق مقاييس الإخراج المحسوبة من الوحدة النمطية (يتم إنشاء ملفات إخراج جديدة ، بدورها ، من هذا الملف) ، و ب) ملف صورة القالب ، والذي يستخدم لمطابقة القالب (أي template_dicom_GEMS.jpg). - حدد إما المجلدات الخاصة أو العمومية كمجلد الوجهة للملفات. اكتب التعليق أو الملاحظة المطلوبة في قسم التعليقات قبل بدء سير العمل. حدد العرض القمي وصور الموجات فوق الصوتية LV في الوضع M وملفات DICOM التي تم تحميلها مسبقا (الخطوة 1.3.) (الشكل 3).
ملاحظة: تتكون أداة تجزئة القلب بالموجات فوق الصوتية من وحدتين فرعيتين: العرض القمي وعرض الوضع M. يتم الوصول إلى كلتا الوحدتين عبر النظام الأساسي. يتضمن التحليل حساب المعلمات المميزة المرئية في المقاطع العرضية المقابلة. في كلتا الحالتين ، تتم كتابة القيم الضرورية إلى ملف يتم أخذه كمدخل لنموذج القلب البارامتري من جانب المستخدم (انظر المناقشة للحصول على التفاصيل). - انقر فوق الزر "تنفيذ". تقوم المنصة التفاعلية بإعلام المستخدم عند انتهاء سير العمل قيد التشغيل.
- تصور الهندسة التي تم إنشاؤها من LV مباشرة على النظام الأساسي (سيظهر نموذج 3D تلقائيا على الشاشة ، والذي يمكن تدويره باستخدام الماوس). تتضمن الخيارات المتاحة نماذج Shaded و Wireframe للتصور.
ملاحظة: بعد استخراج أبعاد الجهد المنخفض ، بناء على خيارات الشبكة ، يتم إنشاء شبكة العناصر المحدودة ، ويتم تشغيل محاكاة تحليل العناصر المحدودة بسرعات مدخل ومخرج يحددها المستخدم (انظر أدناه).
2. حل العناصر المحدودة PAK لمحاكاة بنية السوائل (FS)
ملاحظة: يمكن استخدام هذه الأداة لتحليل العناصر المحدودة لمشاكل السوائل الصلبة المقترنة. وهو يدعم كلا من اقتران قوي وفضفاض بين الصلبة والسائلة. يمكن أن تكون العناصر سداسية السطوح أو رباعية السطوح ، مع أو بدون عقدة إضافية في وسط العنصر. يحتوي هذا الحل على نماذج مواد مدمجة مثل نموذج Holzapfel ونموذج عضلات الصياد وما إلى ذلك. يوضح الشكل 4 مخطط تدفق المعلومات PAK-FS. يبدأ من ملف الإدخال والمعالج المسبق PAK. تقوم أداة المعالج المسبق PAK بإخراج ملف DAT ، والذي سيكون بمثابة ملف إدخال لحل العناصر المحدودة. الناتج النهائي من الحل هو ملفات VTK التي تتضمن نتائج محاكاة العناصر المحدودة: السرعات والضغوط والسلالات والضغوط في البطين الأيسر.
- قم بتنزيل ملفات القوالب لشروط حدود سرعات المدخل والمخرج باستخدام الأزرار الموجودة في القسم السفلي (الشكل 3) ؛ في حالة توفر شروط حدود التدفق الخاصة بالمريض، قم بتنزيل هذه الملفات واستخدامها. قم بتنزيل خيارات الشبكة بالنقر فوق الزر المقابل في القسم السفلي. احفظ هذه الملفات في مجلدات خاصة أو عامة.
- قم بتحميل هذه الملفات بطريقة مشابهة لتحميل الصور (الشكل 3). تحاكي سرعات المدخل والمخرج الموصوفة حالة الدواء ، بينما تتحكم خيارات الشبكة في كثافة شبكة العناصر المحدودة. لمحاكاة الحالات الخاصة بالمريض ، قم بتعديل القيم الافتراضية للضغط والتدفق وخصائص المواد ووظيفة الكالسيوم.
- انقر فوق الزر "تنفيذ". سيظهر سير عمل جديد قيد التشغيل في القائمة. إذا كان أي من أقسام سير العمل غير واضح ، فانقر فوق ملف المساعدة زر (الشكل 3) لعرض إرشادات مفصلة حول كيفية استخدام سير العمل هذا ، وكذلك لتفسير النتائج.
ملاحظة: إذا تم تنفيذ كل شيء دون أخطاء ، فستتغير حالة سير العمل من "قيد التشغيل" إلى "انتهى موافق". - عرض النتائج مع العديد من الخيارات. بدلا من ذلك ، قم بتنزيل النتائج ؛ يحتوي مجلد النتائج على ملفات VTK وملفات CSV والرسوم المتحركة.
- انقر على زر العين لعرض الكسر القذفي وقيم كفاءة العمل العالمية ، بالإضافة إلى الرسوم البيانية للضغط مقابل الحجم ، والضغط مقابل الإجهاد ، وعمل عضلة القلب مقابل الوقت.
- انقر على زر الكاميرا لمعاينة وتشغيل الرسوم المتحركة للإزاحة والضغط وضغوط القص وحقول السرعة.
- انقر فوق زر التصور 3D لتصور المخرجات عبر الإنترنت في ParaView Glance.
- قم بتحميل ملفات VTK متعددة تم تنزيلها مسبقا كنتائج. شاهد العديد من المعلمات ذات الأهمية وقم بتغيير الحقل ، على سبيل المثال ، إلى السرعة للتصور.
- قم بتدوير النموذج أو تغيير نظام الألوان. اختر السطح ذو الحواف أو الإطار السلكي لتمثيل السطح. قم بتطبيق نفس المنهجية على كل ملف VTK تم تحميله.
3. تحديد تسلسل تنشيط البطين من قياس تخطيط القلب
ملاحظة: تم تنفيذ نموذج FitzHugh-Nagumo المعدل للخلية القلبية. تم تصميم الخيوط العمودية باستخدام الأقطاب الكهربائية الستة القياسية. تم تحسين إمكانات القلب باستخدام تخطيط القلب العكسي. بدءا من التنشيط في العقدة الجيبية الأذينية (وهي دالة للوقت) ، مع إمكانية عمل غير متجانسة من خلال القلب والجذع ، يمكن للمستخدم الحصول على نشاط كهربائي على نموذج الجذع الكلي. يرد مخطط تدفق معلومات PAK-TORSO في الشكل 5. يوفر المستخدم تحجيم نموذج الجذع في جميع الاتجاهات (x ، y ، z) ووظيفة إشارة ECG. ثم يتم إنشاء النموذج المتدرج ، ويتم محاكاة سلوكه باستخدام حل PAK-FS. يوفر المستخدم قيم الإدخال هذه في ملف نصي. إخراج المحاكاة هو ملف VTK مع النشاط الكهربائي للقلب في البيئة المضمنة في الجذع.
- في الصفحة الرئيسية، انتقل إلى تنفيذ سير العمل ثم اختر torse-cwl في قائمة مهام سير العمل المتوفرة. أضف تعليقا أو ملاحظة في قسم التعليقات قبل تنفيذ سير العمل.
- انقر فوق الزر "ملف قالب الإدخال " واحفظ المحتوى المعروض على صفحة الويب كملف إدخال .txt ، والذي سيتم استخدامه لنموذج الجذع. في حقل ملف الإدخال، حدد ملف الإدخال .txt الذي تم تنزيله. بعد استيراد الملف ، انقر فوق الزر " تنفيذ" لبدء الحساب.
ملاحظة: سيظهر سير عمل جديد في أسفل اليسار ، مع عرض حالته على أنها "قيد التشغيل" ؛ يستمر الحساب حوالي 0.5 ساعة ، ثم ستتغير الحالة إلى "انتهى موافق". - انقر على أزرار العين أو الكاميرا في الزاوية اليسرى السفلية لتصور تقارير المحاكاة أو الرسوم المتحركة المتاحة مباشرة على النظام الأساسي.
ملاحظة: تتضمن النتائج توزيعات المجال الكهربائي والسرعة والضغط وإجهاد القص والتشوه في كل خطوة زمنية. يمكن عرض الرسوم المتحركة لكل من هذه التوزيعات لدورة القلب الإجمالية. - بدلا من ذلك ، انقر فوق زر التصور 3D لتصور المخرجات عبر الإنترنت في ParaView Glance.
- حدد الزر فتح ملف ، وانتقل إلى علامة التبويب GIRDER ، وأدخل بيانات اعتماد المستخدم إذا طلب منك ذلك ، وافتح المجلد الخاص.
- في الصفحة التالية ، حدد مجلد مخرجات سير العمل ، وافتح مجلد torso-cwl . افتح المجلد الأول في القائمة.
- راجع قائمة ملفات VTK التي تمثل نتائج المحاكاة. اختر ملفا واحدا أو أكثر وانقر فوق الزر SELECT لتحميل الملف في ParaView Glance.
- تعامل مع هندسة النموذج (أي النقل أو التدوير أو التكبير أو التصغير ، إلخ) باستخدام الماوس.
- حدد خيارات مختلفة لتمثيل النموذج كما يلي.
- اختر خيار الإطار السلكي لرؤية الجزء الداخلي من الجذع بقلب مدمج داخل الجذع. اختر خيار النقاط لعرض تمثيل منقط لنموذج الجذع بشبكة قلب كاملة.
- اضبط قيمة حجم النقطة لتغيير نتائج العرض. اضبط قيمة العتامة لرؤية الجزء الداخلي من الجذع وعرض النتائج داخل شبكة القلب.
- انقر فوق القائمة المنسدلة Color By واختر الخيار المطلوب ، على سبيل المثال ، الجهد الكهربائي. قم بتغيير مقياس اللون الافتراضي إلى أي من الخيارات المدرجة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
على سبيل المثال ، يتم عرض سير العمل لتحليل صورة DICOM بالموجات فوق الصوتية M-mode واستخراج معلمة LV في الشكل 1. يمكن اختبار الوضع M والعرض القمي بشكل منفصل أو واحدا تلو الآخر ، اعتمادا على المعلمات ذات الاهتمام. إذا تم اختبارها واحدة تلو الأخرى ، يتم إلحاق النتائج بملف واحد مشترك (بشكل منفصل لمراحل الانقباض والانبساط). إذا تم اختبار طريقة عرض واحدة فقط ، يتم أخذ قيم المعلمات غير المعروفة من إدخال الملف الافتراضي .txt (الشكل 1). تقوم أداة SILICOFCM بتحليل الصور اعتمادا على وضع العرض ، على النحو التالي.
يتضمن تحليل العرض القمي تجزئة LV باستخدام إطار U-net تم تدريبه مسبقا وحساب المستطيل الحدودي ، بناء على المعلمات LV الطول ، الانبساطي ، 2D (LVLd [cm]) وطول LV ، الانقباضي ، 2D (LVLs [cm]) يتم حسابها. يجب على المستخدم تحديد ما إذا كان العرض يمثل المرحلة الانقباضية أو الانبساطي. ملفات الإخراج هي كما يلي: أ) input_parametric_diastole.stl أو input_parametric_systole.stl ، والتي تمثل ملف الإدخال ل PAK solver مع الهندسة التي تم إنشاؤها ، بما في ذلك القيمة المحسوبة ل LVLd[cm] أو LVLs[cm] اعتمادا على إدخال المستخدم لما إذا كانت الصورة تمثل الانبساط أو الانقباض ؛ ب) output_Apical_view.txt ، الذي يحتوي على بيانات LVLd[cm] أو LVLs[cm] ، اعتمادا على إدخال المستخدم لما إذا كانت الصورة تمثل الانبساط أو الانقباض.
يتضمن تحليل عرض الوضع M حدود المناطق المميزة ل LV في طريقة العرض هذه. بناء على هذه المناطق ، يتم حساب المعلمات المختلفة. ملفات الإخراج هي كما يلي: أ) input_parametric_diastole.stl و input_parametric_systole.stl ، والتي تمثل هندسة الإدخال لحل PAK ، بما في ذلك القيم المحسوبة لسمك الحاجز بين البطينين ، الانبساطي ، الوضع M (IVSd [cm]) ، سمك الحاجز بين البطينين ، الانقباضي ، الوضع M (IVSs [cm]) ، البعد الداخلي LV ، الانبساطي ، الوضع M (LVIDd [cm]) ، البعد الداخلي LV ، الانقباضي ، الوضع M (LVIDs [cm]) ، سمك الجدار الخلفي LV ، الانبساطي ، الوضع M (LVPWd [cm]) ، وسمك الجدار الخلفي LV ، الانقباضي ، الوضع M (LVPWs [cm]) ؛ ب) output_M_mode.txt ، الذي يحتوي على بيانات IVSd [cm] و IVSs [cm] و LVIDd [cm] و LVIDs [cm] و LVPWd [cm] و LVPWs [cm].
لتوليد مثال على الجهد المنخفض ، واقعي قدر الإمكان ، تم إنشاء نوع بارامتري من النموذج بأجزاء محددة ، وهي الجزء الأساسي ، والصمامات (الأبهري والتاجي) ، وجزء التوصيل (أي الاتصال بين القاعدة والصمامات) ، عبر محاكاة العناصر المحدودة PAK (الخطوة 2) باستخدام المعلمات المحسوبة لهندسة الجهد المنخفض. كل جزء له طوله ونصف قطره ، وكذلك عدد الطبقات (التقسيم). يتكون نموذج العنصر المحدود من مجال سائل محاط بجدار صلب متصل بالقاعدة وجزء من طبقة الاتصال. لمحاكاة السلوك الواقعي لنموذج الجهد المنخفض ، الوظائف المحددة للسرعات عند المدخل (التاجي ؛ الشكل 6 أ) ومخرج (الأبهر; الشكل 6 ب) تم استخدام الصمامات. تم تطبيق خوارزمية للحساب التلقائي لاتجاه الألياف على نموذج العناصر المحدودة هذا. يوضح الشكل 7 نتائج التمثيل الصلب لطبقة واحدة وثلاث طبقات.
يعرض الشكل 8 توزيع الضغط داخل النموذج البارامتري خلال دورة زمنية مدتها 1 ثانية ، مقسمة إلى 10 خطوات زمنية. خلال الخطوات الخمس الأولى ، لا توجد تغييرات كبيرة في الضغط حتى الانكماش ، عندما يصل إلى أعلى قيمة على المقياس ويبدأ حجم النموذج في الزيادة في نفس الوقت. يوضح الشكل 9 كيفية توزيع السرعة داخل الجزء المائع من نموذج الجهد المنخفض. كما هو موضح ، هناك قمم قيمة ملحوظة داخل الفروع ، ناتجة عن تدفق السوائل أثناء دورة التحميل / التفريغ. يوضح الشكل 10 كيفية توزيع الإزاحات على طول النموذج. على غرار تغير الضغط ، خلال الخطوتين الأوليين ، تكون الإزاحات ضئيلة حتى الانكماش ، عندما تصبح قصوى في الجزء السفلي من النموذج. طوال الوقت المتبقي ، يعود النموذج ببطء إلى حالته غير المشوهة. يوضح الشكل 11 مخطط حجم الضغط الناتج (PV). يوضح الشكل 12 التمثيل الاتجاهي للسرعات داخل الجزء المائع من نموذج البطين. توجد ناقلات سرعة الطور داخل الصمام التاجي أثناء تدفق السائل ، وبعد امتلاء البطين بالسائل من 0.7 ثانية ، يخرج السائل عبر الجزء الأبهري.
تم تطبيق معادلات أحادية المجال لنظام جذع القلب المقترن بالكامل من أجل محاكاة الفيزيولوجيا الكهربية. يتم تعريف الموصلية عضلة القلب والجذع في الجدول 110،11،12،13،14. تم استخدام التدفق الصفري ل Vm كشرط حدودي لجميع الحدود الداخلية الملامسة للرئتين والجذع والقلب. لذلك ، −n · Γ = 0 ، حيث n هي الوحدة المتجه الطبيعي للخارج على الحدود و Γ هو متجه التدفق عبر هذا الحد للجهد داخل الخلايا ، يساوي Γ = - σ · ∂ فولتم / ∂ ن. بعد ذلك ، تم تنفيذ الأساليب الكلاسيكية لحل مشكلة معكوس ECG باستخدام صياغة إمكانات النخاب. كانت الطرق المستخدمة هي عائلة طرق تيخونوف والطرق القائمة على التنظيمL 10،11،12،13،14.
يتم عرض النشاط الكهربائي للقلب بالكامل في البيئة المدمجة بالجذع في الشكل 13. تم دمج نظام توصيل متخصص مع مورفولوجيا جهد العمل غير المتجانسة في جميع أنحاء القلب في بدء التنشيط في العقدة الجيبية الأذينية. يوضح الشكل 14 خرائط إمكانات سطح الجسم في موضوع سليم أثناء تقدم تنشيط البطين في تسعة تسلسلات تتوافق مع إشارة تخطيط القلب المقاسة.
الشكل 1: مخطط تدفق المعلومات لتحليل صورة DICOM بالموجات فوق الصوتية في الوضع M واستخراج معلمة LV. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 2: تحميل ملفات جديدة لتحليلها. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 3: واجهة المستخدم للموجات فوق الصوتية عرض قمي تحليل صورة DICOM واستخراج معلمة LV. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 4: مخطط تدفق معلومات PAK-FS. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 5: مخطط تدفق معلومات PAK-TORSO. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 6: ملف تعريف السرعة . (أ) دالة مدخل السرعة عند المقطع العرضي للصمام التاجي، و(ب) دالة سرعة المخرج عند المقطع العرضي للصمام الأبهري. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 7: نموذج الجهد المنخفض البارامتري مع اتجاه الألياف . (أ) جدار صلب أحادي الطبقة، و(ب) تمثيل جدار صلب ثلاثي الطبقات. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 8: مجال الضغط داخل نموذج الجهد المنخفض البارامتري. يتم تقديم خمس خطوات زمنية مختلفة. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 9: مجال السرعة داخل نموذج الجهد المنخفض البارامتري. يتم تقديم خمس خطوات زمنية مختلفة. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 10: الإزاحات في نموذج الجهد المنخفض البارامتري. يتم تقديم خمس خطوات زمنية مختلفة. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 11: مخطط الضغط مقابل الحجم (PV) لنموذج تفاعل بنية السوائل LV. تنقسم مدة الدورة المحددة البالغة 1 ثانية إلى 10 خطوات زمنية. يتم عرض خمس خطوات زمنية تمثيلية. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 12: التمثيل الاتجاهي للسرعات في النموذج البارامتري للبطين الأيسر. يتم عرض أربع خطوات زمنية تمثيلية. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 13: محاكاة تنشيط القلب بالكامل في نقاط زمنية مختلفة على إشارة ECG II الرئيسية. تتوافق تسلسلات التنشيط 1-9 في (B) مع إشارة ECG في (A). يشار إلى إمكانات الغشاء بالمللي فولت بواسطة شريط الألوان. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 14: خرائط لإمكانات سطح الجسم في موضوع صحي. تطور تنشيط البطين في تسعة تسلسلات (اللوحة السفلية) المقابلة لإشارة ECG (اللوحة العلوية). يشار إلى نطاق نشاط القلب بالمللي فولت بواسطة شريط الألوان. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
| البارامتر | سان | اتريا | AVN | صفحته | BNL | بوركينجي | البطينين | |
| A | -0.6 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | 0.13 | |
| B | -0.3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| ج1 (AsV−1 م−3) | 1000 | 2.6 | 2.6 | 2.6 | 2.6 | 2.6 | 2.6 | |
| ج2 (AsV−1 م−3) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |
| D | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |
| e | 0.066 | 0.0132 | 0.0132 | 0.005 | 0.0022 | 0.0047 | 0.006 | |
| أ (مللي فولت) | 33 | 140 | 140 | 140 | 140 | 140 | 140 | |
| ب (مللي فولت) | -22 | -85 | -85 | -85 | -85 | -85 | -85 | |
| k | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 | |
| σ (مللي ثانية · م -1) | 0.5 | 8 | 0.5 | 10 | 15 | 35 | 8 | |
الجدول 1: معلمات نموذج المجال الأحادي مع معادلات FitzHugh-Nahumo المعدلة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
مشروع SILICOFCM عبارة عن منصة تجارب سريرية في السيليكو لتصميم مجموعات افتراضية من المرضى للتنبؤ بالمخاطر ، واختبار آثار العلاج الدوائي ، وتقليل التجارب على الحيوانات والتجارب السريرية البشرية. تم اختبار آثار العلاج الدوائي على غرار ظروف تدفق حدود المدخل / المخرج الموصوفة ، ووظيفة الكالسيوم ، وخصائص جدار المواد. تدمج هذه المنصة طرقا متعددة المقاييس على المستوى الساركوميري مع أداء القلب بالكامل ومستوى التحسين الوظيفي للتنبؤ بمخاطر الحالات الخاصة بالمريض أثناء تطور مرض اعتلال عضلة القلب.
تم تقديم نمذجة القلب لاعتلال عضلة القلب والاقتران الكهروميكانيكي ل LV في مشروع SILICOFCM8 . تضمنت هندسة نموذج القلب سبع مناطق مختلفة: 1) العقدة الجيبية الأذينية. 2) الأذينين. 3) العقدة الأذينية البطينية. 4) حزمته. 5) حزمة الألياف. 6) ألياف بوركينجي. و 7) عضلة القلب البطينية. تم تقديم خرائط إمكانات سطح الجسم في موضوع صحي أثناء تقدم تنشيط البطين في تسعة تسلسلات تتوافق مع إشارة تخطيط القلب.
بعد استخراج أبعاد البطين الأيسر ، بناء على خيارات الشبكة ، يتم إنشاء شبكة العناصر المحدودة ويتم تشغيل محاكاة تحليل العناصر المحدودة بسرعات مدخل ومخرج يحددها المستخدم. يمكن للمستخدمين تصور الحلول مباشرة على النظام الأساسي من خلال النظر في الرسوم المتحركة والرسوم البيانية المتاحة. يمكن للمستخدمين تصور حجم الضغط وإجهاد الضغط ومخططات وقت عمل عضلة القلب من خلال النقر على رمز العين. إذا نقر المستخدمون على زر الكاميرا ، فستظهر قائمة الرسوم المتحركة المتاحة لمختلف المجالات (الإزاحة ، الضغوط ، السرعة ، ضغوط القص).
هناك بعض القيود على الدراسة. تم استخراج هندسة الجهد المنخفض البارامترية من صور الموجات فوق الصوتية. ستدخل النسخة المستقبلية في إعادة بناء هندسية أكثر تفصيلا. لا يتم تقديم اتصال مباشر مع أدوية محددة لاعتلال عضلة القلب في هذه المخطوطة. في هذه الدراسة ، يتم التحكم فيه من خلال الظروف الحدودية للتدفق والضغط. يتم دمج البيانات الجينية حاليا من خلال وظيفة عضلة القلب الكالسيوم وخاصية المواد غير الخطية للجدار. في الإصدار المستقبلي ، سيتم النظر في مزيد من التفاصيل من إعادة بناء الصور والبيانات الجينية لمرض اعتلال عضلة القلب الخاص بالمريض (المتغير الجيني الضخامي والمتوسع).
ستفتح منصة SILICOFCM الحسابية8 طريقا جديدا للتجارب السريرية في السيليكو ، وتحديدا لأمراض القلب والتنبؤ بالمخاطر للحالة الخاصة بالمريض. المعيار الذهبي للممارسة السريرية اليوم للتنبؤ بالمخاطر هو حاسبة البقاء على قيد الحياة القياسية لمرضى اعتلال عضلة القلب. يمكن أن توفر المنصة المستخدمة هنا مزيدا من المعلومات مقارنة بالمعيار الطبي الحالي ، حيث لا تشمل النمذجة المؤشرات الحيوية فحسب ، بل تشمل أيضا الهندسة الخاصة بالمريض ، وظروف ديناميكا الدم للتدفق والضغط ، وخصائص مواد الجدار (من التشوه في الصور) ، والاستجابة للأدوية مع مجموعات مختلفة من الظروف الحدودية ، وظيفة الكالسيوم ، وخصائص المواد.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
هذه الدراسة مدعومة من قبل برنامج البحث والابتكار Horizon 2020 التابع للاتحاد الأوروبي بموجب اتفاقية منحة SILICOFCM 777204 ووزارة التعليم والعلوم والتنمية التكنولوجية في جمهورية صربيا من خلال العقود رقم 451-03-68 / 2022-14 / 200107. تعكس هذه المقالة آراء المؤلفين فقط. المفوضية الأوروبية ليست مسؤولة عن أي استخدام قد يتم للمعلومات التي تحتوي عليها المقالة.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| SILICOFCM project | www.silicofcm.eu | open access for registered users |
References
- Gibbons Kroeker, C. A., Adeeb, S., Tyberg, J. V., Shrive, N. G. A 2D FE model of the heart demonstrates the role of the pericardium in ventricular deformation. American Journal of Physiology. 291 (5), 2229-2236 (2006).
- Pullan, A. J., Buist, M. L., Cheng, L. K. Mathematically Modelling the Electrical Activity of the Heart - From Cell To Body Surface and Back Again. , World Scientific. (2005).
- Trudel, M. -C., Dub´e, B., Potse, M., Gulrajani, R. M., Leon, L. J. Simulation of QRST integral maps with a membrane based computer heart model employing parallel processing. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 51 (8), 1319-1329 (2004).
- Kojic, M., et al. Smeared multiscale finite element models for mass transport and electrophysiology coupled to muscle mechanics. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 7, 381 (2019).
- Baillargeon, B., Rebelo, N., Fox, D. D., Taylor, R. L., Kuhl, E. The Living Heart Project: A robust and integrative simulator for human heart function. European Journal of Mechanics - A/Solids. 48, 38-47 (2014).
- Guccione, J. M., McCulloch, A. D. Mechanics of active contraction in cardiac muscle: Part I--Constitutive relations for fiber stress that describe deactivation. TheJournal of Biomechanical Engineering. 115, 72-81 (1993).
- Guccione, J. M., Waldman, L. K., McCulloch, A. D. Mechanics of active contraction in cardiac muscle: Part II--Cylindrical models of the systolic left ventricle. The Journal of Biomechanical Engineering. 115, 82-90 (1993).
- H2020 project SILICOFCM: In Silico. trials for drug tracing the effects of sarcomeric protein mutations leading to familial cardiomyopathy. , Available from: www.silicofcm.eu 2018-2022 (2022).
- Kojic, M., et al. Smeared multiscale finite element model for electrophysiology and ionic transport in biological tissue. Computers in Biology and Medicine. 108, 288-304 (2019).
- Wang, Y., Rudy, Y. Application of the method of fundamental solutions to potential-based inverse electrocardiography. Annals of Biomedical Engineering. 34 (8), 1272-1288 (2006).
- Van Oosterom, A. The use of the spatial covariance in computing pericardial potentials. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 46 (7), 778-787 (1999).
- Van Oosterom, A. The spatial covariance used in computing the pericardial potential distribution. Computational Inverse Problems in Electrocardiography. , 1-50 (2001).
- Van Oosterom, A. Source models in inverse electrocardiography. International Journal of Bioelectromagnetism. 5, 211-214 (2003).
- Van Oosterom, A. The equivalent double layer: source models for repolarization. Comprehensive Electrocardiology. , Springer. 227-246 (2010).
