मॉडलिंग दिल के रोगी विशेष: Ventricular फाइबर झुकाव का आकलन

Bioengineering

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Summary

व्यक्तिगत मॉडलिंग के लिए रोगी के हृदय geometries के vivo छवियों में से वेंट्रिकुलर फाइबर झुकाव का अनुमान पद्धति में वर्णित है. पद्धति के मान्यकरण प्रदर्शन सामान्य और असफल कुत्ते दिल प्रदर्शित कि कि वहाँ एक चिकित्सकीय नमूदार स्तर पर कोई अनुमान है और हासिल कर ली फाइबर झुकाव के बीच महत्वपूर्ण मतभेद रहे हैं.

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Vadakkumpadan, F., Arevalo, H., Trayanova, N. A. Patient-specific Modeling of the Heart: Estimation of Ventricular Fiber Orientations. J. Vis. Exp. (71), e50125, doi:10.3791/50125 (2013).

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Abstract

दिल (dys) हृदय चिकित्सा personalizing के उद्देश्य से एक समारोह के रोगी विशेष सिमुलेशन चिकित्सकीय दौरे फाइबर झुकाव को प्राप्त करने लिए vivo इमेजिंग प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में की अनुपस्थिति से बाधा उत्पन्न कर रहे हैं. इस परियोजना का उद्देश्य के लिए एक कार्यप्रणाली विकसित करने के लिए रोगी के हृदय geometries के vivo छवियों में से हृदय फाइबर झुकाव का अनुमान किया गया था. वेंट्रिकुलर ज्यामिति और फाइबर झुकाव का सही प्रतिनिधित्व खंगाला था, क्रमशः उच्च संकल्प पूर्व vivo संरचनात्मक चुंबकीय (एमआर) गूंज और प्रसार tensor (डीटी) एक सामान्य इंसान के दिल, एटलस के रूप में जाना जाता एमआर छवियों से. एक रोगी के हृदय की Ventricular ज्यामिति, semiautomatic विभाजन के माध्यम से निकाला गया था, vivo गणना टोमोग्राफी (सीटी) छवि में एक से. छवि परिवर्तन एल्गोरिदम का प्रयोग, एटलस वेंट्रिकुलर ज्यामिति के लिए रोगी की है कि मैच विकृत किया गया था. अंत में, विरूपण क्षेत्र एटलस फाइबर orientat करने के लिए लागू किया गया थारोगी फाइबर झुकाव एक अनुमान प्राप्त करने के आयनों. फाइबर अनुमानों की सटीकता छह सामान्य और तीन में नाकाम रहने के कुत्ते दिल का उपयोग मूल्यांकन किया गया था. हासिल कर लिया और अनुमानित फाइबर झुकाव झुकाव कोण के बीच का मतलब पूर्ण अंतर 15.4 डिग्री था. वेंट्रिकुलर सक्रियण नक्शे और साइनस लय और ventricular tachycardia में छद्म ECGs कम्प्यूटेशनल सिमुलेशन संकेत दिया है कि वहाँ एक चिकित्सकीय से नमूदार level.The नई परियोजना से प्राप्त अंतर्दृष्टि में कोई अनुमान है और हासिल कर ली फाइबर झुकाव के बीच महत्वपूर्ण मतभेद रहे हैं के विकास के लिए मार्ग प्रशस्त होगा दिल है कि व्यक्तिगत निदान में चिकित्सकों और electrophysiological हस्तक्षेप के बारे में निर्णय सहायता कर सकते हैं के रोगी विशेष मॉडल.

Introduction

कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोण स्वास्थ्य और रोग में दिल के समारोह की समझ की उन्नति के लिए केंद्रीय होता जा रहा है. वर्तमान में राज्य के कला इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी और electromechanics पूरे दिल मॉडल घटना की एक विस्तृत ऐसे सामान्य वेंट्रिकुलर प्रचार, अतालता, defibrillation, विद्युत युग्मन, और हृदय resynchronization 1 के रूप में, श्रृंखला का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया जा रहा है. हालांकि, कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोण के लिए सीधे नैदानिक ​​वातावरण में लागू हो, यह जरूरी है कि रोगी विशेष मॉडल यानी, मॉडल विशिष्ट आर्किटेक्चर और रोगी रोगग्रस्त हृदय के electrophysiological या विद्युत गुण के आधार पर किया जाना चाहिए है. इस तरह के मॉडल के साथ सिमुलेशन चिकित्सकों सहायता electrophysiological के रूप में के रूप में अच्छी तरह से हस्तक्षेप प्रोफिलैक्सिस के लिए बेहद व्यक्तिगत निर्णय पर पहुंचने के लिए, जिससे नाटकीय रूप से हृदय स्वास्थ्य 2-4 देखभाल में सुधार होगा.

सामग्री "> यथार्थवादी हृदय मॉडलों के निर्माण एक मरीज ​​के दिल की ज्यामिति और फाइबर की संरचना के अधिग्रहण की आवश्यकता फाइबर झुकाव दिल में बिजली के प्रसार और तनाव वितरण के निर्देशों का निर्धारण, और इसलिए उन्हें प्राप्त हृदय मॉडलिंग 5, 6 के लिए आवश्यक है. मेडिकल इमेजिंग में हाल के अग्रिमों, यह अब संभव है एक मरीज ​​के दिल, उच्च चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) और गणना टोमोग्राफी (सीटी) प्रौद्योगिकी का उपयोग करने के संकल्प के साथ vivo में infarction के रूप में includingstructural remodeling, ज्यामिति प्राप्त हालांकि, वहाँ कोई है. vivo में एक मरीज ​​के दिल के फाइबर संरचना को प्राप्त करने के लिए व्यावहारिक विधि प्रसार tensor (डीटी) 7 एमआरआई, 8, केवल तकनीक बरकरार दिल की फाइबर झुकाव प्राप्त करने के लिए, कुछ सीमाओं के कारण 9 vivo में व्यापक रूप से उपलब्ध नहीं है. एक संक्षिप्त विवरण है पिछले नैदानिक ​​सेटिंग DTMRI अनुवाद के प्रयासों elsewh पाया जा सकता है2 अरे. हालांकि फाइबर झुकाव काम नियम - आधारित के रूप में इस तरह के तरीके DTMRI करने के लिए विकल्प प्रदान करते हैं, इन तरीकों में कुछ गंभीर 2 सीमाओं, 10 है. इस प्रकार वर्तमान में vivo में हृदय फाइबर संरचना प्राप्त करने में कठिनाइयों नैदानिक ​​सेटिंग में electrophysiological और विद्युत हृदय सिमुलेशन के आवेदन में बाधा. इस शोध का उद्देश्य के लिए सीधे इस जरूरत को संबोधित करने के लिए गया था.

हम धारणा है कि एक दिल की वेंट्रिकुलर फाइबर झुकाव सही दिल और एक एटलस, जहां एटलस एक दिल ज्यामिति और फाइबर जिसका झुकाव उपलब्ध हैं की ज्यामिति को देखते हुए अनुमान लगाया जा सकता है. तदनुसार, हम अत्याधुनिक तकनीकों का इस्तेमाल किया vivo में हृदय फाइबर झुकाव के आकलन के लिए एक कार्यप्रणाली विकसित करने के लिए, और सामान्य में और में नाकाम रहने के कुत्ते 2 ventricles परिकल्पना का परीक्षण किया. हमारे फाइबर आकलन पद्धति के केंद्रीय विचार similaritie शोषण हैफाइबर झुकाव, ज्यामिति के सापेक्ष, क्रम में लगभग एक (लक्ष्य) दिल के लिए जो केवल ज्यामिति जानकारी उपलब्ध है फाइबर संरचना अलग दिलों के बीच में है. हमारे आकलन पद्धति के दिल में लक्ष्य बड़े विरूपण diffeomorphic मीट्रिक (LDDMM) मानचित्रण 11, और एटलस फाइबर प्रिंसिपल घटकों (पीपीडी) 2, 12 के संरक्षण का उपयोग झुकाव morphing का उपयोग ज्यामिति के साथ एटलस ज्यामिति के पंजीकरण diffeomorphicproperty है. की LDDMM की गारंटी देता है कि एटलस "चंगुल" नहीं विरूपण के दौरान ही, जिससे integrityof संरचनात्मक ढांचे के संरक्षण करता है. चित्रा 1 हमारी पद्धति के प्रसंस्करण पाइपलाइन दिखाता. प्रोटोकॉल पाठ 1 § अनुभाग प्रदर्शन कैसे अनुमान एक उदाहरण रोगी के लिए किया जा सकता है के द्वारा पाइप लाइन के विभिन्न घटकों का वर्णन करता है. चित्रा 1 में ब्लॉक के कुछ अंदर संख्या इसी उल्लेखअनुभाग के तहत उपखंड § प्रोटोकॉल पाठ के 1.

हम आकलन त्रुटि को बढ़ाता है, और हृदय इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी इस त्रुटि onsimulations के प्रभाव को मापने के द्वारा computationally स्थानीय बिजली सक्रियण के रूप में के रूप में अच्छी तरह से नक्शे छद्म electrocardiograms (छद्म ईसीजी) का अनुकरण द्वारा प्रस्तावित पद्धति के प्रदर्शन का मूल्यांकन किया. मानव मन की अनुपलब्धता के कारण, प्रदर्शन मूल्यांकन कुत्ते पिछले अध्ययनों 13-15 से उपलब्ध दिल का उपयोग कर आयोजित किया गया. आकलन त्रुटि झुकाव 16 कोण, ऊतक विज्ञान, जहां कोणीय माप performedon ऊतक वर्गों कि epicardialsurface के समानांतर काट रहे हैं followingthe परंपरा के माध्यम से गणना की गई. चूंकि फाइबर दिशा anglebetween और epicardial स्पर्शरेखा विमान 17 generallysmall, 18, ​​एक पूरी तरह से अपने झुकाव कोण का उपयोग fiberdirection का वर्णन करने में नुकसान की जानकारी नगण्य है. कंप्यूटर के लिएational सिमुलेशन, छवि आधारित मॉडल के रूप में पहले से 19, 20, और मॉडलों में हृदय ऊतक स्थापित गणितीय तकनीकों और प्रयोगात्मक 21-25 डेटा के आधार पर प्रतिनिधित्व था बनाया गया था. साइनस लय नकल एक S1-S2 पेसिंग 27 प्रोटोकॉल Purkinje नेटवर्क 26, और ventricular tachycardia, से प्रारंभिक सक्रियण द्वारा प्रेरित था. छद्म ECGs 28 computed गया और मतलब निरपेक्ष (MAD) विचलन 29 मीट्रिक का उपयोग की तुलना में.

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Protocol

1. फाइबर झुकाव आकलन

  1. अनुशिथिलन में एक सामान्य वयस्क मानव हृदय की संरचनात्मक एमआरआई और DTMRI छवियों 1 3 मिमी के एक संकल्प पर मोल. ImageJ का प्रयोग, एटलस संरचनात्मक छवि से फिटिंग द्वारा निलय मायोकार्डियम, प्रत्येक छोटी अक्ष टुकड़ा लिए, निकालने मील का पत्थर के साथ रखा टुकड़ा में epicardial और endocardial सीमाओं (चित्रा 2A और चित्रा 2B) अंक का एक सेट के माध्यम से splines बंद कर दिया. छवि में हर 10 वें टुकड़ा के लिए मील का पत्थर अंक के स्थान मैन्युअल रूप से प्रदर्शन. रैखिक मैन्युअल की पहचान अंक interpolating, एटलस दिल की फाइबर झुकाव MATLAB.Reconstruct डीटीएस में DTMRI छवि (चित्रा 2C) की प्राथमिक eigenvectors कंप्यूटिंग का उपयोग करके शेष स्लाइस के लिए मील का पत्थर अंक प्राप्त करते हैं.
  2. Vivo कार्डियक सीटी या एमआरआई में उपयोग हृत्प्रसार में रोगी के हृदय की ज्यामिति के एक छवि मोल. टोहछवि से रोगी के हृदय इसी तरह जिस तरह से एटलस (चित्रा 3A और 3B चित्रा) बनाया गया था ज्यामिति struct. रोगी छवि के पहले इस तरह के पुनर्निर्माण के लिए किया जाना चाहिए फिर से जांचा कि संकल्प में विमान 1 2 मिमी है. इसी तरह, स्लाइस जिसके लिए स्थलों स्वयं उठाया जाता है, और बाहर के विमान के प्रक्षेप के अंतराल की संख्या इतना समायोजित किया जाना चाहिए है कि खंडों रोगी के हृदय की छवि 1 मिमी की एक टुकड़ा मोटाई.
  3. ख़राब एटलस वेंट्रिकुलर छवि दो चरणों में रोगी ज्यामिति छवि मैच के लिए. पहले चरण में, एक affine तेरह स्थलों अंक का एक सेट के आधार पर परिवर्तन प्रदर्शन: बाएं निलय (LV) सुप्रीम, दो सही (आर वी) के आधार पर वेंट्रिकुलर प्रविष्टि अंक, आधार और शीर्ष के बीच दो आर.वी. प्रविष्टि अंक बीच, और दो ​​अंक है कि समान आधार पर आर.वी. और एल.वी. epicardial आकृति विभाजित है, और आधार और शीर्ष के बीच बीच के चार सेट (4A चित्रा & (चित्रा 4C) का उपयोग.
  4. छवि voxels affine मिलान के परिवर्तन मैट्रिक्स और LDDMM परिवर्तन के विरूपण क्षेत्र के अनुसार और फिर से orientating डीटीएस की स्थिति से एटलस के रूप DTMRI छवि. प्रिंसिपल दिशाओं (पीपीडी) विधि के संरक्षण का उपयोग डीटीएस पुनर्भिविन्यास प्रदर्शन.
  5. डीटीएस की प्राथमिक आइजन्वेक्टर (5 चित्रा) कंप्यूटिंग से द्वारा morphed एटलस DTMRI छवि से रोगी फाइबर झुकाव के अनुमान से प्राप्त करते हैं.

2. आकलन त्रुटि के मापन

  1. पूर्व vivo संरचनात्मक एमआर और छह सामान्य और तीन में नाकाम रहने के कुत्ते दिलों की DTMR छवियों मोल, 312.5 के एक संकल्प पर 312.5 × × 800 3 सुक्ष्ममापी. यहाँ, दिल faiलालच छोड़ दिया -1 मिनट 210 में tachypacing के 3 सप्ताह बाद बंडल शाखा रेडियोफ्रीक्वेंसी पृथक के माध्यम से कुत्तों में उत्पन्न किया जाना चाहिए.
  2. इसी तरह मानव एटलस दिल के लिए, के रूप में 1.1 § में वर्णित कुत्ते दिल से ventricles खंड. 6 के माध्यम से 1 दिल के रूप में सामान्य कुत्ते दिल से हिस्सों में बंटा हुआ है, और 9 के माध्यम से 7 दिल (चित्रा 6) के रूप में कुत्ते दिल में नाकाम रहने से उन खंडों ventricles निरूपित.
  3. 1 दिल की वेंट्रिकुलर फाइबर झुकाव पाँच विभिन्न अनुमानों 6 एक एटलस (चित्रा 7) के रूप में 2 दिल में से प्रत्येक का उपयोग करके प्राप्त करते हैं.
  4. असफल एटलस (8 चित्रा) के रूप में एक दिल का उपयोग ventricles में से प्रत्येक के लिए फाइबर झुकाव का अनुमान है.
  5. Θ - θ एक | | जहां, θ और θ का झुकाव कोण का अनुमान है एक Foreach अनुमानित फाइबर झुकाव के प्रत्येक सेट में डेटा बिंदु के रूप में आकलन त्रुटि की गणनाउस बिंदु पर फाइबर झुकाव क्रमशः हासिल कर लिए.
  6. अनुमानित फाइबर झुकाव के प्रत्येक सेट में प्रत्येक डेटा बिंदु के लिए, तीव्र betweenestimated और फाइबर दिशाओं thevector डॉट उत्पाद के माध्यम से हासिल कर ली तीन आयामों (3 डी) में कोण की गणना.

3. आकलन त्रुटि के प्रभाव के सिमुलेशन पर मापन

  1. 1 दिल से, छह मॉडलों का निर्माण करने के लिए, तीन असफल दिल में से प्रत्येक के लिए एक 1 दिल (एक मॉडल के रूप में करने के लिए भेजा गया है), और पाँच पाँच अनुमानित फाइबर झुकाव डेटासेट (2 6 मॉडल) के साथ के DTMRI अधिग्रहण फाइबर झुकाव के साथ. geometries, दो वेंट्रिकुलर मॉडलों का निर्माण, एक DTMRI अधिग्रहण फाइबर झुकाव और अनुमानित फाइबर झुकाव के साथ अन्य के साथ. यहाँ मॉडलों के स्थानिक संकल्प, meshes की औसत बढ़त लंबाई के मामले में गणना 600 सुक्ष्ममापी के बारे में होना चाहिए. 7 9 मॉडल के रूप में फाइबर DTMRI अधिग्रहण के साथ दिल की विफलता मॉडल निरूपित, और उन estimat साथ10 से 12.In मॉडल के रूप में एड फाइबर, monodomain प्रतिनिधित्व का उपयोग करने के लिए शासी समीकरण के साथ हृदय ऊतक, वर्णन:

1 समीकरण
σ b थोक चालकता tensor जो bidomain चालकता tensors से गणना की है के रूप में Potse एट अल 30 द्वारा वर्णित है, जहां, वी transmembrane क्षमता है, सी झिल्ली विशिष्ट समाई है, और मैं वर्तमान transmembrane के आयन घनत्व है, जो बारी में वी मीटर और राज्य चर membrane.For सी मीटर भर में ईओण अपशिष्टों की गतिशीलता का वर्णन μ का एक सेट पर निर्भर करता है, 1 / एफ 2 सेमी μ के एक मूल्य का उपयोग करें. मैं सामान्य कुत्ते दिल मॉडल में σ, longitudi उपयोगएनएएल और अनुप्रस्थ 0.34 / s मीटर और 0.06 / s मीटर, क्रमशः चालकता मूल्यों. कुत्ते वेंट्रिकुलर myocyte की Greenstein Winslow ईओण मॉडल एल लंदन का प्रतिनिधित्व करते हैं. 30% (9 चित्रा) से कुत्ते दिल विफलता वेंट्रिकुलर मॉडल में बिजली conductivities घटाएँ.

  1. सॉफ्टवेयर पैकेज (CardioSolv, LLC) कार्प, अनुकरण सभी मॉडलों के साथ साइनस ताल का उपयोग. छह में नाकाम रहने के मॉडल में एक पेसिंग S1-S2 प्रोटोकॉल का उपयोग रैत्रांत ventricular tachycardia (VT) से प्रेरित. S1 और 2 सेकंड के लिए S2 वितरण के बाद निरंतर VT गतिविधि प्राप्त S2 के बीच समय चुनें. यदि VT S1-S2 किसी भी समय के लिए प्रेरित नहीं है, द्वारा conductivities 70% तक की कमी जब तक VT (10 चित्रा) प्रेरित किया गया था.
  2. प्रत्येक अनुकरण के लिए, एक isotropic दिल आसपास स्नान में दो अंक के बीच बाह्य क्षमता के अंतर लेने के द्वारा छद्म ECGs की गणना. अलग दिल के आधार के पास दो अंक प्लेस18 सेमी, जैसे कि उन्हें लाइन को जोड़ने के पट के आधार सुप्रीम विमान सीधा है के रूप में 10 चित्र में सचित्र. अनुमानित फाइबर झुकाव के साथ प्रत्येक अनुकरण के लिए, MAD मीट्रिक के रूप में गणना

2 समीकरण
जहां एक्स अनुमानित फाइबर झुकाव के साथ अनुकरण की ईसीजी तरंग है, वाई हासिल कर ली फाइबर झुकाव के साथ अनुकरण thecorresponding की ईसीजी तरंग है, एक्स एक्स का मतलब मूल्य है, वाई वाई का मतलब मूल्य है, और n एक्स की लंबाई है और वाई.

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Representative Results

11 चित्रा, एसी के रूप में के रूप में अच्छी तरह का अनुमान DTMRI व्युत्पन्न सामान्य और असफल दिल में फाइबर झुकाव के सुव्यवस्थित visualizations प्रदर्शित करता है. गुणात्मक परीक्षा से पता चलता है कि अनुमानित फाइबर झुकाव के DTMRI व्युत्पन्न लोगों के साथ पंक्ति में अच्छी तरह. पैनल डी दिखाता है, 1 दिल की ज्यामिति पर मढ़ा, सामान्य 'दिल झुकाव कोण में त्रुटि के वितरण, सभी पांच का अनुमान है भर में औसत. पैनल ई असफल दिल झुकाव कोण, 1 दिल की ज्यामिति पर मढ़ा में त्रुटि का मतलब वितरण से पता चलता है. ध्यान दें कि झुकाव कोण -90 ° और 90 ° के बीच मूल्यों है, और इसलिए, 0 ° और 180 ° के बीच आकलन त्रुटि पर्वतमाला. पैनलों एफ और जी पैनलों डी और ई में वितरण से ऊतक की वर्तमान वर्गों, क्रमशः. यह त्रुटि के transmural परिवर्तन पर प्रकाश डाला गया. पैनल एच में त्रुटियों की histograms सुझाव है कि सबसे दौरे voxels छोटे त्रुटि मान है. Voxels के बारे में 80% और 75% हैत्रुटियों को सामान्य और असफल ventricles में कम से कम 20 ° क्रमशः. यह पाया गया कि इसका मतलब त्रुटि, सभी अनुमानित डेटासेट में औसत है, और सभी छवि voxels कि मायोकार्डियम के थे, 14.4 डिग्री और सामान्य और असफल ventricles में 16.9 °, क्रमशः थे. पूरे मायोकार्डियम में मतलब त्रुटि, सामान्य और असफल संयुक्त मामलों में 15.4 ° था. मतलब का अनुमान और अधिग्रहण फाइबर दिशाओं के बीच 3 डी न्यूनकोण 17.5 डिग्री और सामान्य और असफल ventricles में 18.8 °, क्रमशः थे. 3-D कोण अनुमान errors.These परिणाम बताते हैं कि भविष्यवाणी की फाइबर झुकाव झुकाव कोण पूर्व vivo DTMRI भर में राज्य के कला technique.The त्रुटि के मानक विचलन द्वारा अधिग्रहीत उन लोगों के लिए तुलना कर रहे हैं तुलना कर रहे हैं 1 दिल की फाइबर झुकाव fivedifferent अनुमान 1.9 ही था, यह दर्शाता है कि दूसरे के लिए oneatlas से आकलन गुणवत्ता में परिवर्तन छोटा है.

13 क्रमशः साइनस सामान्य में ताल सक्रियण और असफल वेंट्रिकुलर मॉडल का एक हरा नकली सक्रियण नक्शे मौजूद है,. उत्पादन अनुमानित फाइबर झुकाव के साथ मॉडल सक्रियण बहुत अधिग्रहण झुकाव के साथ मॉडलों के उन लोगों के लिए समान नक्शे, जल्द से जल्द epicardial activations ही साइटों पर होते हैं, और प्रचार के निर्देश के रूप में अच्छी तरह से मैच. सामान्य वेंट्रिकुलर मॉडल में अधिग्रहण कर लिया और अनुमान फाइबर उन्मुखीकरण मामलों के बीच कुल सक्रियण समय में समग्र मतलब अंतर सभी का अनुमान है और मेष नोड्स पर औसतन 5.7 एमएस, जो कुल सक्रियण का एक छोटा सा अंश है (औसत पर 3.7%) है समय. 12C चित्रा यह दर्शाता है कि 1 और 3 मॉडल साइनस लय सिमुलेशन के साथ के लिए प्राप्त छद्म ECGs समान morphologies है कि. इन दो waveforms के बीच MAD स्कोर 4.14% थी. औसत पर, प्रत्येक 2 मॉडलों के साथ साइनस लय छद्म ECGs के बीच MAD स्कोर 6 और मॉडल1 10.9% थी वेंट्रिकुलर मॉडल में नाकाम रहने के साथ साइनस लय हासिल कर लिया और अनुमानित फाइबर झुकाव के साथ मॉडलों के बीच कुल सक्रियण समय में मतलब अंतर के सिमुलेशन में केवल 5.2 एमएस (3.1%) था, जबकि इसका मतलब MAD स्कोर 4.68% थी. इन परिणामों से संकेत मिलता है कि सामान्य में साइनस लय में वेंट्रिकुलर सक्रियण और फाइबर वर्तमान पद्धति के साथ अनुमानित झुकाव के साथ कुत्ते वेंट्रिकुलर मॉडल असफल का अनुकरण के परिणामों अधिग्रहण झुकाव के साथ मिलकर उन मैच. विशेष रूप से, दिल की विफलता की उपस्थिति आकलन की सटीकता को कम नहीं किया.

14 चित्रा ventricles की शिखर विचार में नकली सक्रियण नक्शे प्रेरित VT के एक चक्र के दौरान दिल की विफलता के मॉडल में, और छद्म ECGs इसी से पता चलता है. हासिल कर लिया और अनुमानित फाइबर उन्मुखीकरण के साथ सिमुलेशन दोनों समान आंकड़ा आठ रैत्रांत पैटर्न दिखा रहे हैं. ईसीजी फाइबर का अनुमान और अधिग्रहण करने के लिए इसी morphologiesझुकाव अच्छे समझौते में थे. मतलब MAD स्कोर 9.3% थी. इन परिणामों से संकेत मिलता है कि अनुमानित फाइबर झुकाव के साथ कुत्ते दिल की विफलता मॉडल बारीकी VT सिमुलेशन के परिणामों का उपयोग फाइबर झुकाव का अधिग्रहण प्रदर्शन को दोहराने कर सकते हैं.

चित्रा 1
चित्रा 1. हमारे vivo में वेंट्रिकुलर फाइबर झुकाव का आकलन करने के लिए प्रसंस्करण पाइपलाइन. बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें .

चित्रा 2
चित्रा 2 एक की ज्यामिति और फाइबर झुकावtlas ventricles. (ए) (लाल) epicardial और endocardial splines (हरे और मैजंटा), और इसी स्थलों (पीला) एटलस छवि का एक उदाहरण टुकड़ा पर मढ़ा. (बी) 3 डी में एटलस ventricles. (सी) एटलस फाइबर झुकाव.

चित्रा 3
चित्रा 3 रोगी वेंट्रिकुलर ज्यामिति पुनर्निर्माण. (ए) (लाल) epicardial endocardial और splines (हरे और मैजंटा), और इसी स्थलों (पीला) एक छवि टुकड़ा पर मढ़ा. (बी) 3 डी में रोगी ventricles.

चित्रा 4
चित्रा 4 एटलस रोगी ventricles मैच ventricles के विकार. एटलस के ventricles के superimposition (ए) (मैजंटा देखते हैं, ong> चित्रा) 2B और रोगी (लाल, 3B चित्र देखें). (बी) रोगी ventricles और affine तब्दील एटलस ventricles. (सी) रोगी ventricles और LDDMM तब्दील एटलस ventricles.

चित्रा 5
चित्रा 5 चित्रा 3B में रोगी के हृदय की अनुमानित फाइबर झुकाव.

चित्रा 6
चित्रा 6 कुत्ते दिल का विभाजन. (नीला) epicardial और endocardial (लाल और मैजंटा), splines, और इसी स्थलों (हरा) एक सामान्य कुत्ते दिल का एक उदाहरण टुकड़ा पर मढ़ा.

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7 आंकड़ा हासिल कर लिया और अनुमान के अनुसार 1 दिल की फाइबर झुकाव.

चित्रा 8
8 आंकड़ा हासिल कर लिया और 7-9 दिल का अनुमान फाइबर झुकाव.

9 चित्रा
9 चित्रा. वाम पैनल कम्प्यूटेशनल 1 दिल के मॉडल के लिए उत्पन्न जाल दिखाता है. दाईं तरफ, सामान्य कुत्ते निलय मायोकार्डियम गणना की कार्रवाई संभावित वक्र Greenstein - Winslow मॉडल का उपयोग कर प्रदर्शित किया जाता है.


10 चित्रा साइनस लय और VT का अनुकरण की साइटों पेसिंग है, के रूप में 7 दिल की ज्यामिति पर मढ़ा. E1E2 नेतृत्व छद्म ईसीजी गणना में इस्तेमाल वेक्टर दिखाता है.

11 चित्रा
11 चित्रा DTMRI व्युत्पन्न झुकाव के साथ अनुमानित फाइबर झुकाव की तुलना द्वारा फाइबर अभिविन्यास आकलन पद्धति की मान्यता. (ए) DTMRI अधिग्रहण फाइबर (हरा पीला) झुकाव और अनुमानित फाइबर झुकाव 1 दिल के एक सेट (सियान) के superimposition. (बी) एक्वायर्ड और अनुमान के अनुसार 7 दिल के फाइबर झुकाव. (सी) (बी) को दिखाने का एक बढ़े हुए भागहासिल कर लिया और अनुमानित फाइबर झुकाव के बीच संरेखण. ध्यान दें कि दृश्य उद्देश्यों के लिए ही किया गया streamlines मायोकार्डियम भीतर यादृच्छिक स्थानों पर उत्पन्न, और इसलिए उनके पदों सटीक अप्रासंगिक हैं. (डी) सामान्य ventricles में त्रुटि मतलब आकलन के वितरण. (ई) असफल ventricles में त्रुटि मतलब आकलन के वितरण. (एफ) ऊतक का एक खंड (डी) से निकाली गई. (G) ऊतक का एक वर्ग (ई) से निकाले. colorbar महानिदेशक के लिए लागू होता है. (एच) सामान्य और असफल ventricles में त्रुटियों की Histograms. आवृत्ति एक दिया त्रुटि होने voxels की संख्या को दर्शाता है.

12 चित्रा
12 चित्रा साइनस लय सामान्य कुत्ते वेंट्रिकुलर मॉडल में एक हरा के सिमुलेशन से परिणाम. (ए) सक्रियकरण नक्शा नकली अधिग्रहीत fibe साथ मॉडल का उपयोग करr झुकाव (1 मॉडल). (बी) के नकली सक्रियण हासिल कर ली फाइबर झुकाव के साथ एक वेंट्रिकुलर मॉडल से प्राप्त नक्शे के बीच पूर्ण अंतर अनुमानित फाइबर झुकाव के साथ, पर औसतन पाँच का अनुमान है. (सी) नकली मॉडल 1 और 3 के साथ छद्म ECGs. (डी) के अनुमानित फाइबर झुकाव मॉडल (2-6) के साथ ventricles से नकली सक्रियण नक्शे.

13 चित्रा
13 चित्रा असफल दिल मॉडल में साइनस ताल का एक हरा के सिमुलेशन से परिणाम. वें ई प्रथम स्तंभ में पंक्तियों 1-3 शो सक्रियण नक्शे 7-9 मॉडल का उपयोग कर की गणना, क्रमशः. दूसरे स्तंभ में, पंक्तियाँ 1-3 10-12 मॉडल, क्रमशः के साथ सिमुलेशन के प्रदर्शन का परिणाम है. तीसरे स्तंभ में 1-3 पंक्तियाँ सक्रियण फाई में दिखाया नक्शे के बीच पूर्ण अंतर चित्रितrst और दूसरा इसी पंक्ति के स्तंभ. चौथे स्तंभ में पंक्तियों इसी पंक्ति के पहले और दूसरे कॉलम में मॉडल से छद्म ECGs नकली प्रदर्शित करते हैं.

14 चित्रा
14 चित्रा VT प्रेरण के सिमुलेशन से असफल दिल मॉडल के साथ परिणाम. पहले 7-9 मॉडल, क्रमशः के साथ सिमुलेशन में स्तंभ शो रैत्रांत गतिविधि के एक चक्र के दौरान सक्रियण नक्शे में 1-3 पंक्तियाँ. दूसरे स्तंभ शो सक्रियण 10-12 मॉडल के लिए इसी नक्शे में 1-3 पंक्तियाँ क्रमशः. तीसरे स्तंभ में पंक्तियाँ इसी पंक्ति के पहले और दूसरे कॉलम में मॉडल से छद्म ECGs वर्णन.

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Discussion

इस शोध मात्रात्मक दर्शाता है कि, DTMRI की अनुपस्थिति में, सामान्य और असफल ventricles के दौरे फाइबर झुकाव हृदय इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी सिमुलेशन में उपयोग करने के लिए अपने geometries के इन विवो छवियों से अनुमान लगाया जा सकता है. प्रस्तावित कार्यप्रणाली vivo सीटी डेटा में प्रदर्शन किया है, लेकिन यह भी उतना ही vivo एमआर छवियों में वेंट्रिकुलर ज्यामिति के लिए लागू है, के लिए सीधे मरीज ​​फाइबर झुकाव को हासिल करने की क्षमता की कमी को संबोधित. यह इस प्रकार नैदानिक ​​अनुप्रयोगों के लिए वेंट्रिकुलर इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी की व्यक्तिगत मॉडलों के विकास की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है. कार्यप्रणाली भी उच्च संकल्प के साथ पूर्व vivo दिलों में फाइबर झुकाव का अनुमान लगाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. यह विशेष रूप से उपयोगी है जब प्राप्त उप मिलीमीटर संकल्प DTMRI छवियों मुश्किल या बेहद महंगा है, बहुत लंबे समय के अधिग्रहण के समय के कारण है.

हमारे electrophysiological simulaमाहौल का सुझाव दिया है कि सक्रियण नक्शे बहुत फाइबर झुकाव में बदलाव के प्रति संवेदनशील नहीं थे. अधिक महत्वपूर्ण बात, हम दिखा दिया कि छद्म ECGs की MAD स्कोर के माध्यम से एक चिकित्सकीय नमूदार स्तर पर सकल इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी पर फाइबर आकलन त्रुटियों का प्रभाव नगण्य थे. MAD मीट्रिक suitablebecause यह नैदानिक ​​अध्ययन में उपयोग किया गया है रैत्रांत है और रैत्रांत 29 सर्किट का आयोजन केन्द्रों localizationof के लिए पुस्तक है प्रचार गतिविधि के compareECGs था. कम से कम 12% की एक MADscore, एक सीमा है कि हमारे परिणाम को संतुष्ट, यह संकेत मिलता है कि दो अंतर्निहित propagationpatterns चिकित्सकीय equivalent.Note रहे हैं कि प्रचार पैटर्न के समानता यांत्रिक सक्रियण पैटर्न में कम अंतर के रूप में अच्छी तरह से अनुवाद करेंगे, रिपोर्ट प्रयोगों के रूप में दिखाने के लिए है कि स्थानीय साइनस ताल के दौरान विद्युत और यांत्रिक सक्रियण बार अत्यधिक सहसंबद्ध होते हैं. सारांश में, हमारे शोध वेंट्रिकुलर किसी भी विशेष का अनुकरण अध्ययन की सुविधा होगीस्वास्थ्य और रोग में cies जब यह फाइबर झुकाव का उपयोग कर DTMRI प्राप्त करने के लिए संभव नहीं है. विशेष रूप से, प्रस्तावित कार्यप्रणाली वेंट्रिकुलर पूरे दिल इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी (और संभवतः) vivo में नैदानिक ​​इमेजिंग डेटा पर ही आधारित electromechanics मॉडलिंग रोगी विशेष के लिए रास्ता प्रशस्त. इस तरह के मॉडल के साथ सिमुलेशन अंततः चिकित्सकों चिकित्सीय हस्तक्षेप के रूप में के रूप में अच्छी तरह से प्रोफिलैक्सिस के लिए बेहद व्यक्तिगत निर्णय पर पहुंचने में सहायता करने के लिए हो सकता है. संयोग से, हमारे परिणामों से संकेत दिया है कि प्रस्तावित पद्धति का प्रदर्शन atlas.Accordingly की पसंद के इस अध्ययन के प्रयोजनों के लिए स्वतंत्र था, एक सांख्यिकीय एटलस 17, 31 की आवश्यकता नहीं किया जा सकता.

वर्तमान अध्ययन में कुछ सीमाएँ हैं. सबसे पहले, मानव हृदय छवि डेटा हमारे पास उपलब्ध नहीं थे और इसलिए theproposed आकलन कार्यप्रणाली कुत्ते दिल imagesof साथ मान्य किया गया था. हमें उम्मीद है कि इस पद्धति गुंजन में फाइबर झुकाव accuratelyestimateएक दिल के रूप में अच्छी तरह से है, क्योंकि कुत्ते दिल में बस के रूप में, फाइबर ज्यामिति के लिए रिश्तेदार झुकाव करने के विभिन्न मानव 17 दिलों के बीच इसी तरह होना दिखाया गया है. इसके अलावा, हम केवल सामान्य andfailing दिल में हमारी पद्धति का परीक्षण किया. यह महत्वपूर्ण हो सकता है यह रोधगलन और अतिवृद्धि, जहां फाइबर disorganizations के लिए 33 32, एक हो जाना जाता है के रूप में इस तरह की स्थितियों के तहत परीक्षण होगा.

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Disclosures

ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.

Acknowledgements

हम डीआरएस धन्यवाद. Raimond Winslow, इलियट McVeigh, और पैट्रिक जॉन्स हॉपकिन्स विश्वविद्यालय पर पूर्व vivo डेटासेट online.This अनुसंधान प्रदान करने के लिए पतवार के राष्ट्रीय संस्थानों स्वास्थ्य अनुदान R01 HL082729, और राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन CBET 0,933,029 अनुदान द्वारा समर्थित किया गया.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
LDDMM Johns Hopkins University http://cis.jhu.edu/software/lddmm-volume/index.php
MATLAB Mathworks, Inc. R2011b http://www.mathworks.com/products/matlab/
ImageJ National Institutes of Health http://rsbweb.nih.gov/ij/
Tarantula CAE Software Solutions http://www.meshing.at/Spiderhome/Tarantula.html
CARP CardioSolv http://cardiosolv.com/
Canine images Johns Hopkins University http://www.ccbm.jhu.edu/research/DTMRIDS.php

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