المريض محددة النمذجة من القلب: تقدير توجهات الألياف البطيني
Summary
يوصف منهجية لتقدير توجهات الألياف البطين من الصور في الجسم الحي من قلب المريض هندستها لنمذجة الشخصية. المصادقة على منهجية تنفيذها باستخدام العادية وعدم قلوب الكلاب إثبات أن عدم وجود فروق ذات دلالة إحصائية بين اتجاهات الألياف يقدر وحصلت على مستوى ملاحظتها سريريا.
Abstract
وأعاقت المريض محددة المحاكاة وظيفة (DYS) تهدف إلى إضفاء الطابع الشخصي على القلب العلاج القلب بسبب عدم وجود تكنولوجيا التصوير في الجسم الحي للحصول على الألياف سريريا التوجهات عضلة القلب. وكان الهدف من هذا المشروع هو وضع منهجية لتقدير توجهات الألياف القلب من الجسم الحي في الصور وهندستها القلب المريض. أعيد بناؤها تمثيل دقيق للهندسة والتوجهات الألياف البطين، على التوالي، من عالية الدقة بالرنين المغناطيسي فيفو السابقين الهيكلية (MR) ونشر الموترة (DT) الصور MR من قلب الإنسان العادي، ويشار إلى الأطلس. تم استخراج هندسة البطين من قلب المريض، عن طريق تجزئة نصف أوتوماتيكية، من الجسم الحي في الصورة محسوب (CT) التصوير المقطعي. باستخدام خوارزميات تحويل الصور، ومشوهة هندسة البطين الأطلس في المباراة التي من المريض. وأخيرا، تم تطبيق الحقل إلى تشوه orientat الألياف الأطلسالأيونات للحصول على تقدير للتوجهات الألياف المريض. تم تقييم دقة التقديرات الألياف الطبيعية باستخدام ستة وثلاثة قلوب الكلاب الفشل. كان فرق المتوسط بين زوايا الميل المطلق لتوجهات الألياف المكتسبة وتقدر 15،4 درجة. وأشار المحاكاة الحاسوبية من الخرائط وتفعيل البطين الزائفة رسم القلب في إيقاع الجيوب الأنفية وعدم انتظام دقات القلب البطيني أنه لا توجد فروق ذات دلالة إحصائية بين اتجاهات الألياف يقدر وحصلت على رؤى جديدة يمكن ملاحظتها سريريا level.The تم الحصول عليها من المشروع سيمهد الطريق لتطوير المريض محددة نماذج من القلب التي يمكن أن تساعد الأطباء في تشخيص الشخصية والقرارات بشأن التدخلات الكهربية.
Introduction
النهج الحسابية أصبح المركزية للنهوض فهم وظيفة القلب في الصحة والمرض. يتم حاليا دولة من بين الفن كله القلب الكهربية ونماذج من الميكانيكية الكهربائية المستخدمة لدراسة مجموعة واسعة من الظواهر، مثل انتشار البطين العادي، عدم انتظام ضربات القلب، صدمات الكهربائية، واقتران الكهروميكانيكية، وإعادة المزامنة القلب 1. ومع ذلك، للنهج الحسابية لتكون قابلة للتطبيق مباشرة في البيئة السريرية، لا بد أن يكون المريض نماذج محددة، أي يجب أن تستند النماذج على بنية محددة وخصائص الكهربية أو الكهروميكانيكية من قلب المريض المريضة. والمحاكاة مع مثل هذه النماذج تساعد الأطباء إلى التوصل إلى قرارات شخصية للغاية للتدخلات الكهربية وكذلك الوقاية، وبالتالي تحسين القلب بشكل كبير الرعاية الصحية 2-4.
المحتوى "> إنشاء نماذج واقعية القلب يتطلب الحصول على بنية الهندسة والألياف من قلب المريض. التوجهات الألياف تحديد الاتجاهات من انتشار سلالة الكهربائية والتوزيعات في القلب، وبالتالي الحصول عليهما من الضروري النمذجة القلب 5، 6. مع التطورات الحديثة في مجال التصوير الطبي، فمن الممكن الآن للحصول على الهندسة من قلب المريض، وإعادة عرض includingstructural مثل احتشاء، في الجسم الحي مع ارتفاع القرار باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) والتصوير المقطعي المحوسب التكنولوجيات (CT)، ولكن ليس هناك طريقة عملية للحصول على هيكل من ألياف من قلب المريض في الجسم الحي. إنتشار الموترة (DT) MRI 7 و 8 و التقنية الوحيدة للحصول على الألياف التوجهات من القلب سليمة، غير متوفر على نطاق واسع في الجسم الحي بسبب بعض القيود 9. وصف موجز يمكن أن توجد من الجهود السابقة لترجمة DTMRI إلى الإعداد السريرية elsewhيحرث 2. على الرغم من منهجيات مثل قائم على قواعد إسناد توجهات توفير بدائل لألياف DTMRI، هذه المنهجيات على قيود معينة خطيرة 2 و 10. وبالتالي صعوبات في الحصول على هيكل من ألياف القلب في الجسم الحي تعيق حاليا تطبيق المحاكاة الكهربية القلب والكهروميكانيكية في إعداد سريرية. وكان الهدف من هذا البحث لمعالجة هذه الحاجة مباشرة.افترضنا أنه يمكن توجهات الألياف البطين من القلب بدقة نظرا لتوقع هندسة القلب وأطلس، حيث يعد الأطلس الذي قلب الذين الهندسة والألياف التوجهات المتاحة. وفقا لذلك، كنا دولة من أحدث التقنيات لتطوير منهجية لتقدير توجهات الألياف القلب في الجسم الحي، واختبار الفرضية في الحالات العادية وعدم البطينين الكلاب 2. الفكرة المركزية من الألياف لدينا منهجية تقدير هو استغلال similaritieق في التوجهات الألياف، نسبة إلى الهندسة، بين القلوب المختلفة من أجل بناء الألياف تقريبي من قلب (الهدف) التي هندسة المعلومات فقط هو متاح. في قلب منهجية تقديرنا هو تسجيل للهندسة أطلس مع هندسة الهدف باستخدام خرائط كبيرة diffeomorphic تشوه متري (LDDMM) 11، وتتحول من التوجهات الألياف الأطلس باستخدام المكونات الرئيسية الحفاظ على (PPD) 2، 12. وdiffeomorphicproperty ضمانات LDDMM أن الأطلس لا "foldover" نفسها خلال تشوه، ومن ثم حفظ الهياكل التشريحية integrityof. ويبين الشكل 1 خط أنابيب تجهيز منهجيتنا. قسم النص بروتوكول § 1 يصف مختلف مكونات خط أنابيب من خلال إظهار كيف يمكن إجراء تقدير للمريض سبيل المثال. الأرقام داخل بعض الكتل في الشكل 1 الرجوع إلى المقابلةالأقسام الفرعية تحت الباب § 1 من النص البروتوكول.
قمنا بتقييم أداء المنهجية المقترحة عن طريق قياس خطأ في التقدير، وقياس أثر هذا الخطأ onsimulations من القلب الكهربية، من خلال محاكاة حسابي المحلية الخرائط التنشيط الكهربائي وكذلك شبه كهربية (شبه رسم القلب). نظرا لعدم وجود قلوب البشر، أجري تقييم الأداء باستخدام الكلاب القلوب المتاحة من الدراسات السابقة 13-15. تم احتساب خطأ في التقدير من خلال زوايا الميل 16، تقليد followingthe من الأنسجة، حيث القياسات الزاوي هي أقسام النسيج performedon أن يتم قطع موازية لepicardialsurface. منذ anglebetween الاتجاه الألياف والمستوي المماس نخابي هو generallysmall 17 و 18، وفقدان المعلومات في وصف fiberdirection تماما باستخدام زاويته الميل غير ذات أهمية. لالحواسيببنيت محاكاة الاقلية البرلمانية، الصورة القائمة على النماذج وعن 19 سابقا (20 عاما) والأنسجة القلبية في نماذج ومثل يعتمد على تقنيات رياضية وإنشاء بيانات تجريبية 21-25. كان إيقاع الجيوب الأنفية محاكاة عن طريق تفعيل تكرار القادمة من الشبكة العصبية 26، وعدم انتظام دقات القلب البطيني، من قبل سرعة S1-S2 بروتوكول 27. حسبت الزائفة رسم القلب 28 و مقارنة باستخدام الانحراف المتوسط المطلقة (MAD) متري 29.
Protocol
Representative Results
Discussion
هذا البحث يوضح أن كميا، في غياب DTMRI، يمكن تقدير توجهات الألياف عضلة القلب من البطينين طبيعية وعدم المجراة من في الصور وهندستها من أجل استخدامها في عمليات المحاكاة الكهربية من القلب. ويتجلى المنهجية المقترحة في البيانات مع CT الجسم الحي، لكنه ينطبق …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر الدكاترة. وأيد ريمون ينسلو، ماكفي إليوت، وباتريك الحلم في جامعة جونز هوبكنز لتوفير البحوث المجراة سابقا من قبل مجموعات البيانات online.This المعاهد الوطنية للصحة منح R01-HL082729، والمؤسسة الوطنية للعلوم منحة CBET-0933029.
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 |
Referências
- Trayanova, N. Whole Heart Modeling: Applications to Cardiac Electrophysiology and Electromechanics. Circulation Research. 108, 113-128 .
- Vadakkumpadan, F., Arevalo, H., Ceritoglu, C., Miller, M., Trayanova, N. Image-Based Estimation of Ventricular Fiber Orientations for Personalized Modeling of Cardiac Electrophysiology. IEEE Transactions on Medical Imaging. 31 (5), 1051-1060 .
- Vadakkumpadan, F., Gurev, V., Constantino, J., Arevalo, H., Trayanova, N., Kerckhoffs, R. Modeling of Whole-Heart Electrophysiology and Mechanics: Towards Patient-Specific Simulations. Patient-Specific Modeling of the Cardiovascular System: Technology-Driven Personalized Medicine. , 145-165 (2010).
- Buxton, A. E., Lee, K. L., DiCarlo, L., Gold, M. R., Greer, G. S., Prystowsky, E. N., O’Toole, M. F., Tang, A., Fisher, J. D., Coromilas, J., Talajic, M., Hafley, G. Electrophysiologic testing to identify patients with coronary artery disease who are at risk for sudden death. Multicenter Unsustained Tachycardia Trial Investigators. The New England Journal of Medicine. 342 (26), 1937-1945 (2000).
- Wei, D., Okazaki, O., Harumi, K., Harasawa, E., Hosaka, H. Comparative simulation of excitation and body surface electrocardiogram with isotropic and anisotropic computer heart models. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 42 (4), 343-357 (1995).
- Leon, L. J., Horacek, B. M. Computer model of excitation and recovery in the anisotropic myocardium. II. Excitation in the simplified left ventricle. Journal of Electrocardiology. 24 (1), 17-31 (1991).
- Rohmer, D., Sitek, A., Gullberg, G. T. Reconstruction and Visualization of Fiber and Laminar Structure in the Normal Human Heart from Ex Vivo Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging (DTMRI) Data. Investigative Radiology. 42 (11), 777-789 (2007).
- Daubert, J. P., Zareba, W., Hall, W. J., Schuger, C., Corsello, A., Leon, A. R., Andrews, M. L., McNitt, S., Huang, D. T., Moss, A. J., Investigators, M. I. S. Predictive value of ventricular arrhythmia inducibility for subsequent ventricular tachycardia or ventricular fibrillation in Multicenter Automatic Defibrillator Implantation Trial (MADIT) II patients. Journal of Americal College of Cardiology. 47 (1), 98-107 (2006).
- Sosnovik, D. E., Wang, R., Dai, G., Reese, T. G., Wedeen, V. J. Diffusion MR tractography of the heart. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 11 (1), 47-61 (2009).
- Sundar, H., Shen, D., Biros, G., Litt, H., Davatzikos, C. Estimating myocardial fiber orientations by template warping. Proc. IEEE International Symposium on Biomedical Imaging. , 73-76 (2006).
- Beg, M. F., Helm, P. A., McVeigh, E., Miller, M. I., Winslow, R. L. Computational Cardiac Anatomy Using MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 52 (5), 1167-1174 (2004).
- Alexander, D. C., Pierpaoli, C., Basser, P. J., Gee, J. C. Spatial Transformations of Diffusion Tensor Magnetic Resonance Images. IEEE Transactions on Medical Imaging. 20, 1131-1139 (2001).
- Helm, P. A., Younes, L., Beg, M. F., Ennis, D. B., Leclercq, C., Faris, O. P., McVeigh, E., Kass, D., Miller, M. I., Winslow, R. L. Evidence of Structural Remodeling in the Dyssynchronous Failing Heart. Circulation Research. 98, 125-132 (2006).
- Helm, P., Beg, M. F., Miller, M., Winslow, R. Measuring and mapping cardiac fiber and laminar architecture using diffusion tensor MR imaging. Annals of the New York Academy of Sciences. 1047, 296-307 (2005).
- Helm, P. A., Tseng, H. -. J., Younes, L., McVeigh, E. R., Winslow, R. L. Ex vivo 3D diffusion tensor imaging and quantification of cardiac laminar structure. Magnetic Resonance in Imaging. 54, 850-859 (2005).
- Scollan, D. F., Holmes, A., Winslow, R., Forder, J. Histological validation of myocardial microstructure obtained from diffusion tensor magnetic resonance imaging. American Journal of Physiology – Heart and Circulatory Physiology. 275 (6), H2308-H2318 (1998).
- Lombaert, H., Peyrat, J., Croisille, P., Rapacchi, S., Fanton, L., Cheriet, F., Clarysse, P., Magnin, I., Delingette, H., Ayache, N. Human Atlas of the Cardiac Fiber Architecture: Study on a Healthy Population. IEEE Transactions on Medical Imaging. 31 (7), 1436-1447 (2012).
- Streeter, D. D. . Gross morphology and fiber geometry of the heart. , (1979).
- Vadakkumpadan, F., Rantner, L. J., Tice, B., Boyle, P., Prassl, A. J., Vigmond, E., Plank, G., Trayanova, N. Image-Based Models of Cardiac Structure with Applications in Arrhythmia and Defibrillation Studies. Journal of Electrocardiology. 42, 151.e1-151.e10 (2009).
- Plank, G., Zhou, L., Greenstein, J. L., Plank, G., Zhou, L., Greenstein, J. L., Cortassa, S., Winslow, R. L., O’Rourke, B., Trayanova, N. A. From mitochondrial ion channels to arrhythmias in the heart: computational techniques to bridge the spatio-temporal scales. Philosophical Transactions Series A, Mathematical, Physical, and Engineering Sciences. 366 (1879), 3381-3409 (2008).
- Roberts, D. E., Scher, A. M. Effect of tissue anisotropy on extracellular potential fields in canine myocardium in situ. Circulation Research. 50, 342-351 (1982).
- Greenstein, J., Wu, R., Po, S., Tomaselli, G. F., Winslow, R. L. Role of the Calcium-Independent Transient Outward Current I(to1) in Shaping Action Potential Morphology and Duration. Circulation Research. 87, 1026-1033 (2000).
- Winslow, R., Rice, J., Jafri, S., Marbán, E., O’Rourke, B. Mechanisms of altered excitation-contraction coupling in canine tachycardia-induced heart failure, II: model studies. Circulation Research. 84 (5), 571-586 (1999).
- Akar, F., Nass, R., Hahn, S., Cingolani, E., Shah, M., Hesketh, G., DiSilvestre, D., Tunin, R., Kass, D., Tomaselli, G. Dynamic Changes in Conduction Velocity and Gap Junction Properties During Development of Pacing-Induced Heart Failure. American Journal of Physiology – Heart and Circulatory Physiology. 293 (2), H1223-H1230 (2007).
- Gurev, V., Constantino, J., Rice, J. J., Trayanova, N. Distribution of Electromechanical Delay in the Ventricles:Insights from a 3D Electromechanical Model of the Heart. Biophysical Journal. 99 (3), 745-754 .
- Ten Tusscher, K. H. W. J., Hren, R., Panfilov, A. V. Organization of Ventricular Fibrillation in the Human Heart. Circulation Research. 100 (12), e87-e101 (2007).
- Gima, K., Rudy, Y. Ionic Current Basis of Electrocardiographic Waveforms. Circulation Research. 90, 889-896 (2002).
- Gerstenfeld, E., Dixit, S., Callans, D., Rajawat, Y., Rho, R., Marchlinski, F. Quantitative comparison of spontaneous and paced 12-lead electrocardiogram during right ventricular outflow tract ventricular tachycardia. Journal of Americal College of Cardiology. 41 (11), 2046-2053 (2003).
- Potse, M., Dube, B., Richer, J., Vinet, A., Gulrajani, R. M. A comparison of monodomain and bidomain reaction-diffusion models for action potential propagation in the human heart. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 53 (12), 2425-2435 (2006).
- Peyrat, J. -. M., Sermesant, M., Pennec, X., Delingette, H., Chenyang, X., McVeigh, E. R., Ayache, N. A Computational Framework for the Statistical Analysis of Cardiac Diffusion Tensors: Application to a Small Database of Canine Hearts. IEEE Transactions on Medical Imaging. 26, 1500-1514 (2007).
- Chen, J., Song, S. -. K., Liu, W., McLean, M., Allen, S. J., Tan, J., Wickline, S. A., Yu, X. Remodeling of cardiac fiber structure after infarction in rats quantified with diffusion tensor MRI. American Journal of Physiology – Heart and Circulatory Physiology. 285 (3), H946-H954 (2003).
- Stecker, E. C., Chugh, S. S. Prediction of sudden cardiac death: next steps in pursuit of effective methodology. Journal of Interventional Cardiac Electrophysiolog. 31 (2), 101-107 (2011).
