本文介绍了一种新型水凝胶植入失败的心和量化其影响左心室壁应力和功能的过程。这些程序已经成功应用在狗和人类。
注射,治疗根据临床开发,Algisyl LVR用于治疗扩张型心肌病。这种治疗方法最近被用于第一次在有症状的心脏衰竭的病人。所有患者的左心室(LV),心功能明显改善,表现为持续减少的LV体积和墙体应力。在这里,我们描述了这种新的治疗方法和所采用的方法来量化其对左心室壁应力和功能。
algisyl-LVR的Na + -海藻酸和Ca 2 + -海藻酸的生物聚合物凝胶组成。的处理流程进行了由这两种成分混合,然后把它们合并成一个注射器用于心肌内注射。此混合物注入在10至19之间的中间位置的患者的左心室游离壁的基部和先端。
磁共振成像(MRI),连同数学建模,用来量化这种治疗的效果,患者治疗前,并在不同时间点的恢复过程中。心外膜和心内膜表面首先从MR图像进行数字化重建LV几何收缩末期和舒张末期。然后从这些重建表面测量左室腔体积。
建立数学模型的LV从这些MRI重建表面区域肌纤维应力的计算。被构造成使得每个LV模式1)根据先前验证的应力 – 应变关系的心肌变形,以及2)的低压腔的容积从这些模型预测在舒张末期和收缩末期相匹配的相应的MRI测定的体积。充盈规定的舒张末压加载LV内膜的表面模拟。收缩期收缩同时加载结束模拟表面ocardial一个规定最终收缩压和加入活跃收缩肌纤维方向。区域肌纤维舒张末期和收缩末期压力计算的应力 – 应变关系的基础上,从变形的LV。
室壁应力减少被认为是在治疗心脏衰竭1的基石。在其最简单的形式给出的拉普拉斯定律,室壁应力心室和左心室压力的直径成正比,心室的壁厚是成反比的。人们普遍认为,室壁应力增加负责的不良重塑的过程中,逐步成为心室扩张,最终导致心脏衰竭2。临床和动物研究表明,增加的壁应力诱导的蛋白质,收缩元件的合成和基因表达,支持重塑过程3,4,5。壁压力增加也被证明是一个独立的预测后续左室重构6,7。
交流,已经制定了许多新的手术治疗方法和设备entral目的是降低室壁应力力图防止和扭转8,9,10患者心脏衰竭的进展。虽然这些治疗方法共享相同的目标,他们不同的方式实现它。例如,手术减少心室程序10旨在通过手术降低左心室扩张的大小,以减少室壁应力,但其结果是一个争论的主题11,12。
近日,注射液的生物相容性材料,Algisyl LVR,进入左心室扩张型心肌病的治疗在医学界已经获得了相当的关注。这种治疗方法已被证明是有效的预防或即使扭转心脏衰竭的进展在动物研究中13,14和,最近一段时间,在人类临床试验15。相反到其他设备,治疗目的是为了减少室壁应力注入材料到左心室壁加厚。
详细了解室壁应力,特别是在人类,但是,仍然是难以捉摸的。这种缺乏了解主要是因为力或应力不能直接测量,在完整的心室16。虽然封闭形式的解析,如拉普拉斯定律方程可以估算左心室壁的压力,他们开发基于严格的假设,其中包括轴对称的LV,材料的各向同性和同质内的LV。由于这些因素,室壁应力预测在实际LV,使用拉普拉斯的法律是不准确的17。要消除这些限制,以获得更准确的预测数学建模室壁应力,采用有限元(FE)方法与特定病人的心室几何应使用简化拉普拉斯的第17条代替。
有限元法是一种NUmerical技术,经常被用来解决一系列偏微分方程(PDE)描述的边界值问题。这种方法是特别有用的,当一个封闭的形式的解决方案是难以或不能获得解析。在LV的数学模型用于量化室壁应力的背景下,偏微分方程组力学平衡方程(线性动量平衡)描述的LV LV的内膜表面运动时,施加压力或负荷。当FE方法被使用时,左心室壁被分成相互连接的子域或元素(通常有8个角节点六面体),根据一个规定的应力 – 应变关系的心肌变形。
在被动充盈舒张和收缩的主动收缩期间的LV描述大变形的应力 – 应变关系,此前已在大型动物研究验证。 LV是仿照约3倍,更严厉的肌纤维方向上比在方向垂直于肌纤维方向在舒张期18。在收缩期的主动收缩是仿照通过增加沿肌纤维方向上的刚度的LV。这种刚度增加是时间的函数,并依赖于实验确定的变量,如细 胞内钙浓度和肌节长度19。
使用此规定的应力 – 应变关系的心肌,有限元方法计算负载(s)适用于LV的新的基于节点的位置。一旦新的节点位置的计算,所得到的应变和应力(变形的量度)可确定在每个元素中产生的应变和应力分布的LV内。
在这里,我们勾勒出所需的步骤,植入患者的Algisyl LVR,并创建相应的特定病人的LV治疗前后的数学模型来量化的左心室壁应力。
Algisyl LVR注射疗法
注射进入左室游离壁材料以降低室壁应力为扩张型心肌病患设计的一种新的治疗。这种治疗方法已在临床前和临床研究15渐露头角。自2012年2月以来一直在进行一项随机对照研究,以评估这种治疗严重的心脏衰竭患者(增加HF)LV隆胸的方法。
多个迭代的产品正在开发针对不同细分医师和临床需要。心胸外科医生在手术的产品版本,海藻酸钠交付在一个标准的注射器和自定义针系统专为外科医生进行注射,通过一个小切口在胸部手术(最小开胸)。一颗跳动的心脏上进行植入手术。藻酸盐的物理性能,液压后,注射到心肌肥犊类似心肌舒张,并成为一个永久的植入物。预期总手术过程的持续时间不超过60分钟,在大多数情况下,病人的曝光限制在最小的麻醉时间。第二个产品版本,可提供的程序,可以进行介入心脏病学专家和其他专家,在一些孤立的情况下,在一种非侵入性或混合性心脏病学实验室与心脏衰竭的病人。它也将允许研究急性效果。
使用数学建模量化左心室压力
用数学建模的方法,用有限元方法是目前唯一的方式来精确量化体内局部室壁应力心室。结合数学建模,医疗成像如MRI,使人们能够在特定病人的VEN计算体内局部室壁应力tricles,以帮助了解这些心室的功能状态和量化注射治疗的患者的机械效应。
尽管我们已经处理的LV,在这里作为一种均匀的材料,这种方法可以是(已)的适用范围,在非均质心室,特别是量化的被检体内的室壁应力时,心肌梗死是本。在这种情况下,边界梗死和及其相邻borderzone有从MRI使用钆作为对比剂的被识别。 TrueGrid导入这些边界创建纯粹居住的元素,每个不同的区域内,即,梗死,的borderzone和偏远地区。材料参数反映病理变化在每个区域可以被分配通过LS-DYNA中各个元素。心肌梗死的病人,使用体内心肌劳损从标签MRI测量这些参数已被发现21。谁需要手术血运重建的患者往往会出现房颤,在手术后的时期,这是与质量很差标签MRI数据。这类患者也需要从手术休养几天。因此,三维超声心动图和斑点追踪可能会是一个更合适的成像方式和心肌应变测量技术比标签磁共振成像研究外科手术的急性效应。
最后,我们使用的商业软件Rapidform软件,Truegrid和LS-DYNA在这个过程中产生心室患者特定的数学模型,因为我们发现他们是在完成各自的任务效率一般。然而,其他的软件是可用的,如腕尺(用于生成有限元网格)和Abaqus(有限元求解器),也可能是适合建立数学模型的心室。
The authors have nothing to disclose.
支持这项研究是由美国国家心脏,肺和血液研究所资助R01-HL-77921和-86400(古奇奥尼JM)。
REGENTS | |||
Na+-Alginate | LoneStar Heart, Inc | ||
Ca2+-Alginate | LoneStar Heart, Inc | ||
EQUIPMENT | |||
MevisLab | Mevis Medical Solution | ||
TrueGrid | XYZ Scientific Application, Inc | ||
Rapidform | Inus Technology, Inc | ||
LS-Dyna | Livermore Software Technology Corporation |