Aorta regurgitation er en hjertesygdom i aortaklappen. Dette manuskript viser, hvordan firedimensionel flow magnetisk resonansbilleddannelse kan evaluere aorta regurgitation ved hjælp af in vitro hjerteventiler, der efterligner aorta regurgitation.
Aorta regurgitation (AR) refererer til baglæns blodgennemstrømning fra aorta ind i venstre ventrikel (LV) under ventrikulær diastol. Den regurgitante stråle, der stammer fra den komplekse form, er kendetegnet ved den tredimensionelle strømning og højhastighedsgradient, hvilket undertiden begrænser en nøjagtig måling af regurgitantvolumenet ved hjælp af 2D-ekkokardiografi. Nyligt udviklet firedimensionel flowmagnetisk resonansbilleddannelse (4D flow MRI) muliggør tredimensionelle volumetriske flowmålinger, som kan bruges til nøjagtigt at kvantificere mængden af regurgitationen. Denne undersøgelse fokuserer på (i) magnetisk resonanskompatibel AR-modelfabrikation (dilatation, perforering og prolaps) og (ii) systematisk analyse af ydeevnen af 4D-flow MR i AR-kvantificering. Resultaterne viste, at dannelsen af de fremadgående og bagudgående jetfly over tid var meget afhængig af typerne af AR-oprindelse. Mængden af regurgitation volume bias for modeltyperne var -7,04%, -33,21%, 6,75% og 37,04% sammenlignet med jorden sandhed (48 ml) volumen målt fra pumpens slagvolumen. Den største fejl i regurgitationsfraktionen var omkring 12%. Disse resultater indikerer, at omhyggeligt valg af billeddannelsesparametre er påkrævet, når absolut regurgitationsvolumen er vigtig. Det foreslåede in vitro-flowfantom kan let modificeres til at simulere andre valvulære sygdomme såsom aortastenose eller bicuspid aortaklappen (BAV) og kan bruges som en standardplatform til at teste forskellige MR-sekvenser i fremtiden.
Aorta regurgitation (AR) refererer til den baglæns strøm fra aorta ind i venstre ventrikel under den diastoliske fase af ventriklen. AR klassificeres typisk i aortadilatation, kopper prolaps, kopper perforering, kopper tilbagetrækning og andre1. Kronisk AR kan forårsage volumenoverbelastning af LV hovedsageligt på grund af hypertrofi og dilatation og i sidste ende forårsager dens dekompensation2. Akut AR er hovedsageligt forårsaget af infektiøs endokarditis, aortadissektion og traumatisk brud, hvilket fører til hæmodynamiske nødsituationer2.
Nuværende kliniske standarder for AR-diagnose er hovedsageligt baseret på transthoracic ekkokardiografi (TTE) eller transesophageal ekkokardiografi (TEE)3. På trods af fordelene ved billeddannelse i realtid og kort eksamenstid er nøjagtigheden af ekkokardiografi meget operatørafhængig. Især for måling af regurgitantvolumen er direkte måling af regurgitantvolumenet begrænset, da regurgitantstrålen skifter ud af det todimensionelle (2D) måleplan på grund af aortaklappens bevægelse. Indirekte estimering ved hjælp af proksimale iso-hastighed overfladeareal (PISA) metoder anvendes ofte, men antagelser såsom cirkulært åbningsareal begrænser ofte den nøjagtige måling4.
Nylige medicinske retningslinjer5 anbefaler også hjerte-MR (CMR), især for moderate eller svære AR-patienter for at kompensere for begrænsningen af ekkokardiografi ved at måle LV’s masse og globale funktion. Strukturelle parametre såsom aortafoldere og LV-størrelse og flowparametre såsom jetbredde, vena contracta-bredde og regurgitantvolumen kan også overvejes grundigt i AR-diagnose6 . Imidlertid kan aorta regurgitationsvolumen estimeret med LV globale funktion mislykkes, især for patienter med andre hjertevalvulære sygdomme eller shunt.
Alternativt er 4D-flow MR blevet betragtet som en lovende teknik, der direkte kan måle regurgitantvolumenet med tidsopløst hastighedsinformation inden for mængden af interesse7. Ventilens bevægelse i henhold til tiden kan let spores og kompenseres ved måling af regurgitantstrømningsvolumen 8,9. Et vilkårligt plan vinkelret på regurgitantstrålen kan også placeres retrospektivt, hvilket øger målingens nøjagtighed10. Men da 4D-flow MR i sagens natur opnår de rumligt tidsmæssigt gennemsnitlige oplysninger, berettiger nøjagtigheden af denne teknik stadig validering ved hjælp af velkontrollerede in vitro-floweksperimenter.
Denne undersøgelse har til formål at (i) udvikle MR-kompatibel in vitro-eksperimentel platform, der kan reproducere de forskellige kliniske scenarier for AR (dilatation, perforering og prolaps) og (ii) berige vores forståelse af 4D-flow MR-ydeevne ved kvantificering af forskellige AR ved disse AR-modeller. Derudover blev 3D hæmodynamisk visualisering og kvantificering baseret på 4D flow MR udført i henhold til de forskellige kliniske scenarier. Denne protokol er ikke begrænset til AR og kan udvides til andre typer valvulære sygdomsundersøgelser, der kræver en række in vitro-eksperimenter og hæmodynamisk kvantificering.
Firedimensionel flow-MR er for nylig blevet verificeret af forskellige ex vivo – og in vivo-undersøgelser som en applikation til klinisk rutinemæssig brug14. Da 4D-flow MR opnår 3D-hastighedsinformation over hele hjertecyklussen, er en stærk anvendelse en direkte kvantificering af det valvulære regurgitantvolumen, som konventionel 2D Doppler-ekkokardiografi ikke er i stand til at kvantificere15. In vitro-eksperimenter ved hjælp af 4D Flow MR kan give 3D-strømningshastigheden og relaterede hæmodynamiske parametre, som kan bruges til at undersøge forholdet mellem hjerte-kar-sygdomme og hæmodynamik. På trods af sin lovende kapacitet er der imidlertid endnu ikke rapporteret om systematiske undersøgelser af denne applikation. Dette skyldes muligvis manglen på velkontrollerede in vitro-eksperimenter , der efterligner regurgitationen af tri-brochureventilerne.
Den seneste udvikling inden for in vitro-undersøgelser har givet mere præcise og realistiske eksperimentelle metoder til at få adgang til den præ- og postvalvulære hæmodynamik16,17. Sammen med en optisk billedbaseret partikelbilledvelocimetri (PIV) var nøjagtig måling og kvantificering af flowet omkring ventilen mulig i tidligere in vitro-undersøgelser 18. Imidlertid var nøjagtige 3D-flowfelter, især for postvalvulært flow, begrænset på grund af den uigennemsigtige model og brydning. På den anden side var 3D-hastighedsmålinger ved hjælp af MR også begrænsede, da metalkomponenter ikke kan bruges19,20.
Derfor introduceres i denne undersøgelse en protokol til opbygning af en flow eksperimentel platform, der er MR-kompatibel og meget modificerbar til at reproducere forskellige kliniske scenarier for valvulære sygdomme. ePTFE-membranen bruges til at efterligne tricuspidventilen uden metalkomponenter, da den i vid udstrækning er blevet anvendt som ventil og vaskulært transplantatmateriale på grund af dens høje trækstyrke og kemiske resistens 17,21,22. Baseret på ePTFE-film er tre forskellige oprindelser af AR blevet gengivet (dilatation, perforering og prolaps) samt en model uden en ventil til sammenligning. Det næste vigtige skridt i denne flow eksperimentelle protokol er MR-billeddannelse og kvantificering. En motorstyret stempelpumpe, der kan simulere aortablodstrømbølgeformerne, bruges til at generere en fysiologisk strømningsbølgeform gennem flowkredsløbssystemet. Detaljer om flowpumpen findes i den tidligere undersøgelse23. Da denne undersøgelse også har til formål at validere nøjagtigheden af 4D-flow MR i flowkvantificering, vælges alle billeddannelsesparametre baseret på den tidligere undersøgelse, der opsummerer de parametre, der kan anvendes i den kliniske rutine24. Da MR-systemet omfatter iboende fejl som følge af ufuldkommenheder såsom hvirvelstrømme og magnetfeltets ikke-lineæritet25, anvendes baggrundskorrektionsstrategien forud for den faktiske datakvantificering som beskrevet i trin 3.1.3.
Den håndlavede aorta regurgitationsmodel, der blev foreslået i denne undersøgelse, viste lignende hæmodynamiske egenskaber ved regurgitantstråle i henhold til modelklassificering, da tidligere undersøgelser rapporterede26,27. Den lukkede form var symmetrisk, og der opstod en lige stråle i midten af ventilen i dilatationsmodellen. En bagudrettet excentrisk stråle vises på grund af cusp-skader i perforeringsmodellen. Delvis prolaps af ventilen viser en stråle, hvis retning blev bøjet fra synderkoppen på grund af begrænset mobilitet. Aorta regurgitationsvolumenet direkte målt ved hjælp af 4D flow MR blev overvurderet i uden ventil og dilatationsmodellen, mens det stort set blev undervurderet i prolapsmodellen sammenlignet med jordsandheden. Men når regurgitantfraktionen blev beregnet, var den største bias kun 11% i prolapsmodellen. Dette indikerer stærkt, at ikke kun regurgitantstrømmen, men også den normale aortastråle blev påvirket af MR-scanningen. På nuværende tidspunkt blev individuelle scanningsparametre ikke optimeret for hver AR-model. En fremtidig systemisk parameterundersøgelse kan forbedre nøjagtigheden af måling af regurgitantvolumen. Alternativt er brugen af regurgitant fraktion mere robust, da den annullerer de iboende fejl i 4D-flow MR, men også er klinisk mere relevant end blot at måle det absolutte regurgitantvolumen.
Afslutningsvis foreslår denne undersøgelse en MR-kompatibel in vitro flow eksperimentel model, der er meget modificerbar til at simulere forskellige typer AR. Nøjagtigheden af AR-volumenmåling ved hjælp af 4D-flow MR blev også sammenlignet. Begrænsningen af denne undersøgelse er, at aortaklappens bevægelse ikke blev simuleret, hvilket kan påvirke den faktiske udvikling af regurgitantstrålen. Desuden kan 4D-flow-MR’ens partielle volumeneffekt og tidsmæssige gennemsnitskarakter begrænse nøjagtigheden af flowmålingen, især i betragtning af det høje dynamiske hastighedsområde i strålen og omgivelserne. Derfor er der behov for yderligere systematisk parameterundersøgelse.
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning blev støttet af Basic Science Research Program gennem National Research Foundation of Korea, som er finansieret af Undervisningsministeriet (2021R1I1A3040346, 2020R1A4A1019475, 2021R1C1C1003481 og HI19C0760). Denne undersøgelse blev også støttet af 2018 Research Grant (PoINT) fra 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 |