Patient-specifikke Modeling of the Heart: Estimering af Ventrikulære fiberorienteringer

Summary

En metode til at estimere ventrikulære fiberorienteringer fra in vivo billeder af patientens hjerte geometrier til personlig modellering er beskrevet. Validering af den metode, der udføres ved hjælp af normal og svigtende hunde hjerter godtgøre, at der ikke er signifikante forskelle mellem anslået og erhvervede fiberorienteringer på et klinisk observerbar niveau.

Abstract

Patient-specifikke simuleringer af hjertet (dys) funktion med henblik på at tilpasse hjerteterapi hæmmes af mangel på in vivo imaging-teknologi for klinisk erhverve myocardiale fiberorienteringer. Formålet med dette projekt var at udvikle en metode til at estimere hjerte fiberorienteringer fra in vivo billeder af patientens hjerte geometrier. En nøjagtig gengivelse af ventrikulær geometri og fiberorienteringer blev rekonstrueret fra henholdsvis høj opløsning ex vivo strukturel magnetisk resonans (MR) og diffusion tensor (DT) MR-billeder af en normal menneskelige hjerte, kaldet atlas. Ventrikulær geometri af en patients hjerte blev ekstraheret via halvautomatisk segmentering, fra en in vivo computertomografi (CT) billede. Brug af billeder transformation algoritmer, blev atlas ventrikulære geometri deformeret til at passe til patienten. Endelig blev deformation felt påføres atlas fiber orientationer for at opnå et skøn over patientens fiberorienteringer. Nøjagtigheden af ​​fiber estimater blev vurderet ved anvendelse af seks normale og tre svigtende hunde hjerter. Den gennemsnitlige absolutte forskel mellem hældningsvinkler af tilkøbte og estimeret fiberorienteringer var 15,4 °. Modelberegninger af ventrikelaktivering kort og pseudo-EKG'er i sinusrytme og ventrikulær takykardi indikerede, at der ikke er signifikante forskelle mellem anslået og erhvervede fiberorienteringer på et klinisk observerbare level.The nye indsigter opnået fra projektet vil bane vejen for udviklingen af patient-specifikke modeller af hjertet, der kan hjælpe læger i personlig diagnose og afgørelser vedrørende elektrofysiologiske indgreb.

Introduction

Den beregningsmæssige tilgang bliver central til at fremme forståelsen af ​​hjertets funktion i sundhed og sygdom. State-of-the-art hel-hjerte modeller af elektrofysiologi og elektromekanik er i øjeblikket anvendes til at studere en bred vifte af fænomener, såsom normal ventrikulær formering, arytmi, defibrillering, elektromekaniske kobling, og kardiel resynkronisering ^1. Men for den beregningsmæssige tilgang til at være direkte anvendelig i det kliniske miljø, er det bydende nødvendigt, at modellerne være patient-specifikke, dvs modeller skal baseres på den specifikke arkitektur og elektrofysiologiske eller elektromekaniske egenskaber af patientens syge hjerte. Simulering med sådanne modeller vil hjælpe læger til at nå frem til meget personlige beslutninger for elektrofysiologiske indgreb samt profylakse og dermed dramatisk forbedring af hjertefunktionen sundhedspleje ^2-4.

indhold "> Oprettelse af realistiske hjerte modeller kræver erhvervelse af geometrien og fiberstrukturen af en patients hjerte. fiberorienteringer bestemme retninger af elektrisk formering og stamme distributioner i hjertet, og derfor erhverve dem er afgørende for hjerte-modellering ^{5, 6.} Med seneste fremskridt inden for medicinsk billeddannelse, er det nu muligt at opnå geometrien af en patients hjerte, includingstructural remodeling såsom infarkt, in vivo med høj opløsning ved hjælp af magnetisk resonans (MRI) og computertomografi (CT)-teknologier. Der er imidlertid ingen praktisk metode til at opnå fiberstruktur af en patients hjerte in vivo. diffusion tensor (DT) MRI ^{7, 8,} den eneste teknik at opnå fiberorienteringer af det intakte hjerte, er ikke almindeligt tilgængelig in vivo på grund af visse begrænsninger ^9. En kort beskrivelse af de tidligere bestræbelser på at omsætte DTMRI til det kliniske miljø kan findes elsewhere ^2. Selvom metoder såsom regelbaseret tildeling af fiberorienteringer tilbyde alternativer til DTMRI, disse metoder har visse alvorlige begrænsninger ^{2, 10.} Således problemer med at erhverve hjertets fiberstruktur in vivo øjeblikket hindre anvendelsen af elektrofysiologiske og elektromekaniske kardiale simuleringer i kliniske omgivelser. Formålet med denne undersøgelse var at henvende sig direkte dette behov.

Vi antager, at ventrikulære fiberorienteringer af et hjerte kan forudsiges nøjagtigt i betragtning geometrien af ​​hjertet og et atlas, hvor atlas er et hjerte, hvis geometri og fiberorienteringer er tilgængelige. Derfor brugte vi state of the art teknikker til at udvikle en metode til vurdering af kardielle fiberorienteringer in vivo, og testede den hypotese i normal og svigtende hunde ventrikler ^2. Den centrale ide i vores fiber estimering metode er at udnytte similaritiesi fiberorienteringer, i forhold til geometri, mellem forskellige hjerter med henblik på at tilnærme fiberstrukturen af ​​en (mål) hjerte hvor der kun geometrien information er tilgængelig. Kernen i vores vurdering metodologi er registreringen af atlas geometri med mål geometri ved hjælp af stor deformation diffeomorf metriske kortlægning (LDDMM) ^11, og det morphing af Atlas fiberorienteringer hjælp bevarelse af de vigtigste komponenter (PPD) ^{2, 12.} Den diffeomorphicproperty af LDDMM garanterer, at atlas ikke "Foldover" sig under deformation og dermed bevare de integrityof anatomiske strukturer. Figur 1 viser behandlingen pipeline af vores metode. Protokollen tekstdel § 1 beskriver de forskellige komponenter af rørledningen ved at vise, hvordan skøn kan udføres for eksempel patient. Tallene inde nogle af blokkene i figur 1 henviser til de tilsvarendeunderafsnit under afsnit § 1 i protokollen tekst.

Vi foretaget en vurdering af den foreslåede metodologi ved at kvantificere estimationen fejl, og måle effekten af ​​denne fejl onsimulations af hjertets elektrofysiologi, ved beregningsmæssigt simulere lokale elektriske aktivering kort samt pseudo-elektrokardiogram (pseudo-EKG'er). På grund af den manglende adgang til menneskers hjerter, blev evaluering af ydeevne udføres med hunde hjerter til rådighed fra tidligere undersøgelser ^13-15. Skønnet fejl blev beregnet ved hjælp af hældningsvinkler ^16, followingthe tradition for histologi, hvor kantede målinger performedon vævssnit, som er skåret parallelt med epicardialsurface. Siden anglebetween fiberretningen og epikardielle tangentplan er generallysmall ^{17, 18,} ​​de oplysninger, tab i at beskrive en fiberdirection helt ved hjælp af sin hældningsvinkel er ubetydelig. For computereationale simuleringer, image-baserede modeller blev bygget som rapporteret tidligere ^{19, 20,} og hjertevæv i modellerne var repræsenteret baseret på etablerede matematiske teknikker og eksperimentelle data ^21-25. Sinusrytme blev simuleret ved replikerende aktivering stammer fra Purkinje netværket ^26, og ventrikulær takykardi, ved en S1-S2 pacingprotokol ^27. Pseudo-EKG'er blev beregnet ²⁸ og sammenlignet med den gennemsnitlige absolutte afvigelse (MAD) metrisk ^29.

Protocol

1. Fiberorienteringer Estimation Erhverve strukturelle MRI og DTMRI billeder af et normalt voksent menneske hjerte i diastole, ved en opløsning på 1 mm3. Brug ImageJ, den ventrikulære myocardium ekstrakt fra den atlas strukturelle billedet ved montering for hvert kort akse skive, lukkede splines gennem et sæt af skelsættende punkter anbragt langs epikardielle og endokardial grænser i skive (figur 2A & 2B). Udfør placeringen af skelsættende punkter manue…

Representative Results

Figur 11, AC viser strømlinede visualiseringer af skønnes samt DTMRI-afledte fiberorienteringer i normale og svigtende hjerter. Kvalitativ undersøgelse viser, at estimerede fiberorienteringer tilpasse godt med DTMRI-afledte dem. Panel D viser, overlejret af geometrien af ​​hjerte 1, fordelingen af ​​fejl i normale hjerter 'hældningsvinkler i gennemsnit på tværs af alle fem estimater. Panel E viser den gennemsnitlige fordeling af fejl ved at undlade hjerter 'hældningsvinkler, overl…

Discussion

Denne forskning viser kvantitativt, at, i fravær af DTMRI, kan myokardial fiberorienteringer af normale og svigtende ventrikler estimeres ud fra in vivo billeder af deres geometrier til anvendelse ved simulering af hjerteelektrofysiologi. Den foreslåede metode er demonstreret med in vivo CT-data, men det er lige så anvendelig til in vivo MR-billeder af ventrikulær geometri, som omhandler den manglende evne til direkte erhverve patientens fiberorienteringer. Det er således et vigtigt skrid…

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