Denna artikel beskriver förfaranden för att implantera en ny hydrogel i att missa hjärtan och kvantifiera dess effekt på vänster kammares vägg stress och funktion. Dessa förfaranden har med framgång använts i hundar och människor.
Injektion av Algisyl-LVR, en behandling under klinisk utveckling, är avsett för behandling av patienter med dilaterad kardiomyopati. Denna behandling användes nyligen för första gången hos patienter som hade symptomatisk hjärtsvikt. I alla patienter, förbättrad hjärtfunktion av vänster kammare (LV) avsevärt, vilket manifesteras genom konsekvent minskning av LV volym och vägg stress. Här beskriver vi denna nya behandling förfarande och de metoder som används för att kvantifiera dess effekter på LV vägg stress och funktion.
Algisyl-LVR är en biopolymer gel bestående av Na +-alginat och Ca 2 +-Alginat. Behandlingen förfarande genomfördes genom blandning av dessa båda komponenter och sedan kombinera dem till en spruta för intramyocardial injektioner. Denna blandning injicerades vid 10 till 19 platser halvvägs mellan botten och toppen av LV fria väggen i patienter.
Magnetisk resonanstomografi (MRT), tillsammansmed matematisk modellering, användes för att kvantifiera effekterna av denna behandling i patienter före behandling och vid olika tidpunkter under återhämtning. Epicardial och endokardiala ytorna först digitaliseras från MR-bilder för att rekonstruera LV geometrin i slutet systole och vid utgången av diastole. Vänsterkammarfunktion hålighet volymer mättes sedan från dessa rekonstruerade ytor.
Matematiska modeller av LV skapades från dessa MRI-rekonstruerade ytor att beräkna regionala myofiber stress. Varje LV modellen konstruerades så att 1) det deformeras enligt ett tidigare validerat spänning-töjning i hjärtmuskeln, och 2) den förutsagda LV kavitetsvolymen från dessa modeller matchar motsvarande MR-uppmätta volymen i slutet diastole och end-systole . Diastoliska fyllnaden simulerades genom att ladda LV endokardiala ytan med en föreskrivna diastoliska trycket. Systoliskt kontraktion simulerades genom att samtidigt laddar slutetocardial ytan med en föreskriven end-systoliska trycket och lägga aktiv kontraktion i myofiber riktning. Regional myofiber stress i slutet diastole och end-systole beräknades från den deformerade LV utifrån stress-stammen relation.
Minskning av ventrikulära väggen stress anses vara en hörnsten i behandlingen av hjärtsvikt 1. I sin enklaste form ges av Laplaces lag är ventrikulära väggen spänningen direkt proportionell mot diametern av ventrikeln och den ventrikulära trycket, och är omvänt proportionell mot väggtjockleken av ventrikeln. Det anses allmänt att ökad ventricular väggen stress är ansvarig för den negativa remodeling process där kamrarna successivt blir vidgade, så småningom leder till hjärtsvikt 2. Kliniska och djurstudier har visat att ökad vägg stressen framkallar förändringar i proteiner, kontraktila inslag syntes och genuttryck som stödjer remodelleringsprocessen 3,4,5. Ökad vägg stress har också visat sig vara en oberoende prediktor för efterföljande LV ombyggnad 6,7.
Många nya kirurgiska behandlingar och anordningar har utvecklats med acentral syftet att minska stressen ventricular väggen i ett försök att förhindra och vända utvecklingen av hjärtsvikt hos patienter 8,9,10. Även om dessa behandlingar har samma mål, uppnå de det annorlunda. Till exempel vill den kirurgiska ventricular nedsättningsförfarandet 10 för att minska stressen ventricular väggen genom kirurgiskt minska storleken på en dilaterad vänster kammare, men dess resultat är föremål för kontroverser 11,12.
Nyligen har injektion av ett biokompatibelt material, Algisyl-LVR, in i den vänstra ventrikeln som en behandling för dilaterad kardiomyopati rönt stor uppmärksamhet i det medicinska samfundet. Denna behandling har visat sig vara effektivt för att förhindra eller ens vända utvecklingen av hjärtsvikt i djurstudier 13,14 och nu senast i ett kliniskt försök för människa 15. I motsats till andra enheter, söker denna behandling för att minska stressen ventrikulära väggen genom att injicera material inden vänstra ventrikulära väggen för att förtjocka den.
Detaljerad kunskap om ventrikulära väggen stress, särskilt hos människor, dock fortfarande instabil. Denna brist på kunskap är främst eftersom krafter eller påfrestningar inte kan mätas direkt i intakt kamrarna 16. Även slutna bildar analytiska ekvationer såsom Laplaces lag kan uppskatta vänster stressen ventricular väggen, har de utvecklat bygger på restriktiva antaganden som inkluderar axel-symmetri LV, material isotropi och homogenitet inom LV. På grund av dessa faktorer, är förutsägelsen av ventrikelväggen stress i verkliga LV med Laplaces lag felaktig 17. För att ta bort dessa begränsningar och att få mer exakt förutsägelse av ventrikulära väggen stress, matematisk modellering med hjälp av finita element (FE) metoden med patientspecifika ventrikulär geometri bör användas i stället för en förenklad Laplaces lag 17.
FE-metoden är ett numerical teknik som ofta används för att lösa en uppsättning av partiella differentialekvationer (PDE) som beskriver ett randvärdesproblem. Denna metod är särskilt användbar när en sluten lösning är svårt eller inte kan erhållas analytiskt. I samband med en matematisk LV modell som används för att kvantifiera stressen ventrikulära väggen, den uppsättning av PDE är de styrande ekvationerna för mekanisk jämvikt (summan av linjär momentum) som beskriver LV rörelse när trycket eller belastning appliceras på LV: s endokardiala ytan. När FE-metoden används, är LV väggen upp i sammankopplade subdomäner eller element (oftast hexahedron med 8 hörnnoderna) som deformeras enligt en föreskriven spänning-töjning i hjärtmuskulaturen.
Stress-töjningssamband beskriver stor deformation av LV under passiva fyllning i diastole och under aktiv kontraktion i systole har tidigare validerat i stora djurstudier. LV modellerasatt vara ungefär tre gånger styvare i myofiber riktning än i riktningarna vinkelrätt mot myofiber riktning under diastole 18. Aktiv kontraktion under systole modelleras genom att öka styvheten hos LV längs myofiber riktningen. Denna ökning i styvhet är en funktion av tiden och beror på experimentellt bestämda variabler såsom den intracellulära kalciumkoncentrationen och sarcomere längd 19.
Med hjälp av denna föreskriven spänning-töjning i hjärtmuskeln, beräknar FE metoden de nya knutpunkter positioner baserade på last (er) appliceras på LV. När de nya knutpunkter positionerna beräknas, kan den resulterande stammen (ett mått av deformation) och stress bestämmas i varje element för att producera påfrestningar och stress fördelning inom LV.
Vi presenterar här de åtgärder som krävs för att implantera Algisyl-LVR hos patienter och att skapa motsvarande patientspecifika LVmatematiska modeller före och efter behandlingen för att kvantifiera LV väggen stress.
Algisyl-LVR injektion terapi
Injektion av material in i LV fria väggen för att minska stress ventrikulära väggen är en ny behandling avsedd för patienter med dilaterad kardiomyopati. Denna behandling har visat sig lovande i både prekliniska och kliniska studier 15. En randomiserad, kontrollerad studie för att utvärdera denna behandling som en metod för LV augmentation för patienter med svår hjärtsvikt (Augment-HF) har pågått sedan februari 2012.
Flera iterationer av produkten utvecklas som riktar olika läkare segment och kliniska behov. I den kirurgiska produkten versionen för kardiotorakala kirurger, är alginat levereras i en vanlig spruta och anpassade nålsystem avsedd för kirurger att utföra injektioner genom ett litet kirurgiskt snitt i bröstkorgen (minimal torakotomi). Den ingreppet utförs på ett slående hjärta. De fysikaliska egenskaperna hos alginat hydRogel vid injektion i hjärtmuskeln är liknande den i det diastoliska myokardiet, och bli ett permanent implantat. Varaktigheten av den totala operativa förfarandet förväntas vara mindre än 60 minuter i de flesta fall, att begränsa exponeringen av patienten till en minimal anestesi tid. En andra produkt version kan erbjuda patienter med hjärtsvikt ett förfarande som kan utföras av interventionella kardiologer och i vissa enstaka fall, andra specialister i en icke-invasiv eller hybrid kardiologi laboratorium. Det skulle också möjliggöra akuta effekter studeras.
Kvantifiering av vänster kammares stressen med hjälp av matematisk modellering
Metoden att använda matematisk modellering med FE-metoden är för närvarande det enda sättet att exakt kvantifiera in-vivo regionala väggen stress i kamrarna. Kombinera matematisk modellering med medicinsk avbildning, såsom MRI gör en att beräkna in-vivo regionala väggen stress i patientspecifika Ventricles för att hjälpa till att förstå den funktionella tillståndet för dessa ventriklar och kvantifiera de mekaniska effekterna av injektionsbehandling hos patienter.
Även om vi har behandlat LV som ett homogent material här, kan denna metod vara (och har) utvidgats till att kvantifiera in vivo stressen ventrikulära väggen i inhomogena ventriklarna, i synnerhet, när hjärtinfarkt är närvarande. I sådana fall är gränserna mellan infarkten och dess intilliggande borderzone måste identifieras från MRI med gadolinium som kontrastmedel. Dessa gränser importeras till TrueGrid att skapa element som enbart finns inom en och samma region, nämligen infarkt, det borderzone och den avlägsna regionen. Materialparametrar återspeglar patologiska förändringar i varje region kan tilldelas genom respektive element i LS-DYNA. Dessa parametrar har påträffats i en patient med en hjärtinfarkt med in-vivo myocardial stammen mätt från taggas MRI21. Patienter som behöver kirurgisk revaskularisering kommer ofta uppleva förmaksflimmer under den postoperativa perioden, vilket är förenat med mycket dåliga taggade kvalitet MRI data. Dessa patienter kräver också ett par dagar för att återhämta sig från operationen. Således, 3D ekokardiografi och fläckig spårning kan vara en mer lämplig avbildningsmodalitet och myocardial töjningsmätning teknik än taggade MRI för att studera akuta effekter av kirurgiska ingrepp.
Slutligen använde vi den kommersiella mjukvaran Rapidform, Truegrid och LS-DYNA i processen att skapa patientspecifika matematiska modeller av kamrarna, eftersom vi har funnit dem vara generellt effektiv i att åstadkomma sina respektive uppgifter. Dock finns andra program tillgängliga, såsom Cubit (för att generera FE mesh) och Abaqus (a FE lösare) som också kan vara lämpliga för att skapa matematiska modeller av kamrarna.
The authors have nothing to disclose.
Denna studie stöddes av National Heart, Lung, and Blood Institute Grants R01-HL-77.921 och -86.400 (till JM Guccione).
REGENTS | |||
Na+-Alginate | LoneStar Heart, Inc | ||
Ca2+-Alginate | LoneStar Heart, Inc | ||
EQUIPMENT | |||
MevisLab | Mevis Medical Solution | ||
TrueGrid | XYZ Scientific Application, Inc | ||
Rapidform | Inus Technology, Inc | ||
LS-Dyna | Livermore Software Technology Corporation |