Patient-specifik modellering av hjärta: Uppskattning av riktlinjer Ventrikulära Fiber

Summary

En metod för att uppskatta riktlinjer ventrikulära fiber från in vivo bilder av patientens hjärta geometrier för personlig modellering beskrivs. Validering av metoden med användning av normala och inte hund hjärtan visar att det inte finns några signifikanta skillnader mellan beräknade och förvärvade fiberorienteringar på en kliniskt observerbar nivå.

Abstract

Patientspecifika simuleringar av hjärtat (dys) funktion som syftar till att anpassa hjärt terapi hindras av avsaknaden av in vivo-bildteknik för kliniskt förvärva myokardiella fiberorienteringar. Syftet med detta projekt var att utveckla en metod för att uppskatta hjärt fiberorienteringar från in vivo bilder av patientens hjärta geometrier. En korrekt bild av ventrikulär geometri och riktlinjer fiber rekonstruerades respektive från högupplösta ex vivo strukturell magnetisk resonans (MR) och diffusion tensor (DT) MR-bilder av en vanlig människas hjärta, kallad Atlas. Ventrikulär geometri av en patients hjärta extraherades via halvautomatisk segmentering, från en in vivo-datortomografi (CT) bilden. Använda algoritmer bildtransformering var atlas ventrikulär geometri deformeras så att de matchar patienten. Slutligen deformationen fältet appliceras på atlas fiberns orientatjoner för att få en uppskattning av patientens fiberorienteringar. Noggrannheten hos fibern beräkningar bedömdes med sex normala och tre sviktande hund hjärtan. Den genomsnittliga absoluta skillnaden mellan lutningsvinklar av förvärvade och uppskattade fiberorienteringar var 15,4 °. Computational simuleringar av kartor ventrikulära aktivering och pseudo-EKG i sinusrytm och ventrikulär takykardi visade att det inte finns några signifikanta skillnader mellan beräknade och förvärvade fiberorienteringar på en kliniskt observerbara level.The nya insikter som erhållits från projektet kommer att bana väg för utvecklingen av patientspecifika modeller av hjärtat som kan hjälpa läkare i personlig diagnos och beslut om elektrofysiologiska åtgärder.

Introduction

Den beräkningsmässiga angreppssätt blir centrala för att främja förståelsen av funktionen av hjärtat i hälsa och sjukdom. State-of-the-art hela-hjärta modeller av elektrofysiologi och elektromekanik närvarande används för att studera ett brett spektrum av fenomen, till exempel normal ventrikulär förökning, arytmi, defibrillering, elektromekanisk koppling och hjärt omsynkronisering ^1. Men för beräkningsmässig strategi att vara direkt tillämplig i den kliniska miljön, är det viktigt att modellerna är patientspecifika, dvs modellerna skall baseras på den specifika arkitekturen och elektrofysiologiska eller elektromekaniska egenskaper patientens sjuka hjärta. Simulering med sådana modeller kommer att hjälpa läkare att komma fram till mycket personliga beslut för elektrofysiologiska insatser liksom profylax, vilket dramatiskt förbättrar hjärt vård ^2-4.

innehåll "> Skapande av realistiska hjärt modeller kräver förvärvet av geometri och fiberstrukturen hos en patient hjärta. fiberorienteringar bestämmer riktningar av elektrisk utbredning och fördelningar stam i hjärtat, och därför förvärva dem är avgörande för hjärt modellering ^{5, 6.} Med senaste framstegen inom medicinsk bildbehandling, är det nu möjligt att få geometrin hos en patient hjärta includingstructural ombyggnad som infarkt, in vivo med hög upplösning med magnetisk resonanstomografi (MRT) och datortomografi (CT) teknik. Men det finns ingen praktisk metod för att förvärva fiberstruktur av en patients hjärta in vivo. diffusion tensor (DT) MRT ^{7, 8,} den enda teknik att förvärva fiberorienteringarna av den intakta hjärtat, är inte allmänt tillgängliga in vivo på grund av vissa begränsningar ^9. En kort beskrivning av de tidigare insatserna för att översätta DTMRI till den kliniska miljön kan hittas Elseere ^2. Även metoder som regelbaserad tilldelning av fiberorienteringar erbjuder alternativ till DTMRI, dessa metoder har vissa allvarliga begränsningar ^{2, 10.} Således svårigheter att skaffa hjärt fiberstruktur in vivo hindra närvarande tillämpningen av elektrofysiologiska och elektromekaniska hjärt simuleringar i klinisk miljö. Syftet med denna forskning var att direkt ta itu med detta behov.

Vi antog att ventrikulära fiberorienteringar av ett hjärta noggrant kan förutsägas eftersom geometrin hos hjärtat och en atlas, där Atlas är ett hjärta vars geometri och fiber orienteringar är tillgängliga. Därför använde vi toppmoderna tekniker för att utveckla en metod för uppskattning av hjärt fiberorienteringar in vivo, och testade hypotesen i normal och inte hund ventriklarna ^2. Den centrala idén i vår fibrer uppskattning metod är att utnyttja similaritiesi fiberorienteringar i förhållande till geometrin, mellan olika hjärtan, för att approximera fiberstrukturen av en (mål) hjärta som bara geometrin information finns tillgänglig. I hjärtat av vår uppskattning metodik är registreringen av Atlas geometri med målet geometri med stor deformation diffeomorphic metriska kartläggning (LDDMM) ^11, och morphing Atlas fiberorienteringar med bevarandet av huvudkomponenter (PPD) ^{2, 12.} Den diffeomorphicproperty av LDDMM garanterar att atlas inte "Foldover" sig under deformation och därmed bevara de integrityof anatomiska strukturer. Figur 1 illustrerar bearbetning pipeline vår metodik. Protokollet textavsnitt § 1 beskriver de olika komponenterna i rörledningen genom att visa hur uppskattning kan göras för ett exempel patienten. Siffrorna inom några av blocken i figur 1 hänvisar till motsvarandeunderavdelningar i avsnitt § 1 i protokollet text.

Vi utvärderade prestandan hos föreslagna metoden genom att kvantifiera uppskattning fel, och mäta effekten av detta fel onsimulations av hjärtats elektrofysiologi, genom beräkningsmässigt simulera lokala elektriska aktivering kartor samt pseudo-EKG (pseudo-EKG). På grund av avsaknad av människors hjärtan, har utvärderingen av prestanda utförs med hund hjärtan tillgängliga från tidigare studier ^13-15. Uppskattningen fel beräknades med hjälp av lutningsvinklar ^16, followingthe tradition av histologi, där kantiga mätningar performedon vävnadssnitt som skärs parallellt med epicardialsurface. Eftersom anglebetween fiberriktningen och epikardiella tangentplan är generallysmall ^{17, 18,} ​​förlust av information för att beskriva en fiberdirection helt med sin lutningsvinkeln är obetydlig. För computtiva simuleringar, bild-baserade modeller byggdes som tidigare rapporterats ^{19, 20} och hjärtvävnad i modellerna var representerad utifrån fastställda matematiska tekniker och experimentella data ^21-25. Sinusrytm simulerades genom replikerande aktivering härrör från Purkinje nätverket ^26, och ventrikulär takykardi, genom en S1-S2 stimulering protokoll ^27. Pseudo-EKG beräknades ²⁸ och jämfördes med den genomsnittliga absoluta avvikelsen (MAD) metriskt ^29.

Protocol

1. Fiberorienteringar Uppskattning Förvärva strukturell MR och DTMRI bilder av en normal vuxen människa hjärta i diastole, med en upplösning på 1 mm 3. Med hjälp av ImageJ, extrahera ventrikulära hjärtmuskeln från Atlas strukturella bilden av montering för varje kort axel skiva, stängda splines genom en uppsättning landmärke punkter placerade längs epikardiella och endokardiella gränser i segmentet (Figur 2A och figur 2B). Utför placeringen av land…

Representative Results

Figur 11 visar AC strömlinjeformade visualiseringar av beräknade samt DTMRI-härledda fiberorienteringar i normala och misslyckas hjärtan. Kvalitativ undersökning visar att beräknade fiberorienteringar anpassa väl med DTMRI-härledda sådana. Panel D visar, överlagras på geometri hjärtats 1, fördelningen av fel i normala hjärtan "lutningsvinklar i genomsnitt över alla fem uppskattningar. Panel E visar den genomsnittliga fördelningen av fel i att inte hjärtan "lutningsvinklar, put…

Discussion

Denna forskning visar kvantitativt att, i avsaknad av DTMRI, kan myokardiala fiberorienteringar av normala och sviktande ventriklarna uppskattas från in vivo bilder av deras geometrier för användning i simuleringar av hjärtats elektrofysiologi. Den föreslagna metoden demonstreras med in vivo CT-data, men det är lika tillämplig på in vivo MR bilder av ventrikulär geometri, behandlar bristande förmåga att direkt skaffa patientens fiberorienteringar. Det är därför ett viktigt steg m…

Materials

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