Пациент конкретного моделирования сердца: оценка ориентации волокон Желудочковая

Summary

Методология оценки ориентации волокон желудочков с в естественных изображений пациента геометрии сердца для персонализированной моделирования описаны. Проверка осуществляется с использованием методологии и отсутствии нормального собачьего сердца продемонстрировать, что нет никаких существенных различий между оценивается и приобрел ориентации волокон в клинически наблюдаемые уровне.

Abstract

Пациент конкретного моделирования сердца (дисфункция) функции, направленные на персонализации терапии сердечной мешает отсутствие в технологии визуализации естественных условиях для приобретения клинических инфарктом ориентации волокон. Цель этого проекта заключалась в разработке методологии оценки сердечной ориентации волокон в естественных условиях из фотографий пациентов геометрии сердца. Точное представление о геометрии желудочков и волокон ориентации была реконструирована, соответственно, с высоким разрешением бывших естественных условиях структурной магнитного резонанса (МР) и тензора диффузии (DT) МРТ нормального человеческого сердца, называют атлас. Желудочковая геометрии сердца пациента был извлечен, с помощью полуавтоматической сегментации, от в естественных условиях компьютерной томографии (КТ) изображения. Использование алгоритмов преобразования изображения, геометрия атлас желудочка была деформирована, совпадающее с пациентом. Наконец, деформация поля был применен к атласу волокна orientatионы, чтобы получить оценку пациента ориентации волокон. Точность оценки волокна оценивали с помощью шести нормальных и три отсутствии собачьего сердца. Средняя абсолютная разница между углами наклона приобрел и приблизительно ориентации волокон составляла 15,4 °. Вычислительного моделирования желудочковой активации карты и псевдо-ЭКГ с синусовым ритмом и желудочковой тахикардии указал, что нет никаких существенных различий между оценивается и приобрел ориентации волокон в клинически наблюдаемые level.The новые идеи получены из проекта проложит путь для развития Пациент конкретные модели сердца, которая может помочь врачам в диагностике и персонализированные решения, касающиеся электрофизиологических вмешательства.

Introduction

Вычислительный подход становится центральным в развитие понимания функции сердца в норме и патологии. Государство-оф-искусство целого сердца моделей электрофизиологии и электромеханика в настоящее время используются для изучения широкого круга явлений, таких как нормальное распространение желудочка, аритмия, дефибрилляции, электромеханической связи и сердечной ресинхронизации ^1. Тем не менее, для вычислительного подхода к их непосредственного применения в клинических условиях, крайне важно, что модели, будьте терпеливы конкретные, т.е. модель должна быть основана на определенной архитектуры и электрофизиологические или электромеханические свойства больное сердце пациента. Моделирование с такими моделями, поможет врачам, чтобы прийти к высоко персонализированные решения для электрофизиологических вмешательств, а также профилактика, тем самым значительно улучшая сердечную здравоохранения ^2-4.

Содержание "> создание реалистичных моделей требует сердечного приобретение геометрию и структуру волокна больного сердца. Волоконно ориентации определяют направления электрического распространения и распределения деформаций в сердце, и поэтому их приобретение необходимо для моделирования сердечной ^{5, 6.} С последних достижений в области медицинской визуализации, то теперь возможно получить геометрию пациента сердце, includingstructural ремоделирования миокарда, таких как, в естественных условиях с высоким разрешением использованием магнитно-резонансной томографии (МРТ) и компьютерной томографии (КТ) технологий. Тем не менее, нет никаких Практический метод для приобретения волокнистой структуры пациента сердца в естественных условиях. тензора диффузии (DT) МРТ ^{7, 8,} единственный метод получить волокно ориентации нетронутым сердцем, не является широко доступной в естественных условиях в связи с определенными ограничениями ^9. Краткое описание из предыдущих усилий, чтобы перевести DTMRI в клинических условиях может быть найдено elsewhпрежде чем ^2. Хотя такие методологии, как на основе правил назначения волоконно ориентации предложить альтернативу DTMRI, эти методики имеют ряд серьезных ограничений ^{2, 10.} Таким образом, трудности в приобретении сердечного волокнистой структуры в естественных условиях в настоящее время препятствуют применению электрофизиологических и электромеханических сердечной моделирования в клинических условиях. Целью данного исследования было напрямую обратиться к этой потребности.

Мы предположили, что желудочковая ориентации волокон сердца можно точно предсказать, учитывая геометрию сердца и атлас, атлас, где есть сердце, геометрия и ориентация волокон доступны. Соответственно, мы использовали современные методы разработки методологии для оценки сердечной ориентации волокон в живом организме, и проверили гипотезу в нормальных и отсутствии собачьей желудочков ^2. Основная идея нашей методологии оценки волокно является использование сродствахъс клетчаткой ориентации по отношению к геометрии, между различными сердца, чтобы приблизить структуру волокна (цель) сердца, для которых только геометрия информации. В основе нашей методики оценки является регистрация атлас геометрии с целевой геометрии с помощью больших деформаций диффеоморфных метрических отображения (LDDMM) ^11, и морфинг атлас ориентации волокон использованием сохранении основных компонентов (PPD) ^{2, 12.} Diffeomorphicproperty LDDMM из гарантий того, что атлас не "Foldover" себя во время деформации, тем самым сохраняя integrityof анатомические структуры. рисунке 1 показана обработка трубопровода нашей методологии. В разделе текст протокола § 1 описываются различные компоненты трубопровода, демонстрируя, как оценка может быть выполнена для примера пациента. Цифры внутри некоторых блоков на рисунке 1 обратитесь к соответствующемуподразделы в разделе § 1 текст протокола.

Мы оценили эффективность предлагаемой методики по количественной оценке ошибки, и измерение влияния этой ошибки onsimulations сердечной электрофизиологии, в вычислительном моделировании местной электрической активации карт, а также псевдо-ЭКГ (псевдо-ЭКГ). Из-за отсутствия человеческих сердец, оценка эффективности был проведен с использованием собачьего сердца доступны из предыдущих исследований, ^13-15. Погрешность рассчитывается путем углами наклона ^16, followingthe традиции гистологии, где угловых измерений performedon срезов тканей, которые вырезаются параллельно epicardialsurface. С anglebetween направление волокон и эпикарда касательной плоскости составляет ^{17 generallysmall, 18,} ​​потери информации при описании fiberdirection, полностью используя свой ​​угол наклона невелик. Для вычислительныхРОКУ Национальная моделирования, на основе изображения модели были построены как сообщалось ранее ^{19, 20,} и сердечная ткань в модели был представлен на основе установленных математических методов и экспериментальных данных ^21-25. Синусовый ритм был смоделирован путем репликации активации, происходящих из Пуркинье сети ²⁶ и желудочковой тахикардии, по S1-S2 стимуляции протокола ^27. Псевдо-ЭКГ были вычислены ²⁸ и сравнивали с использованием среднее абсолютное отклонение (MAD) метрику ^29.

Protocol

1. Оценка ориентации волокон Приобретать структурных МРТ и DTMRI изображения нормального взрослого человеческого сердца в диастолу, с разрешением 1 мм 3. Использование ImageJ, извлекать миокарда желудочков из атласа структурного изображения путем установки для каждой короткой о…

Representative Results

Рисунок 11, AC отображает обтекаемой визуализации приблизительно так же как DTMRI полученного волокна ориентации в нормальных и отсутствии сердца. Качественный анализ показывает, что предполагаемое ориентации волокон выровнять хорошо с DTMRI полученных из них. Группа D показывает, …

Discussion

Это исследование показывает, количественно, что, в отсутствие DTMRI, инфаркт ориентации волокон нормальных и отсутствии желудочков может быть оценена в естественных изображений их геометрии для использования в моделировании сердечной электрофизиологии. Предложенная методика пок?…

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