JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engenharia

In vitro Evaluación de la regurgitación aórtica mediante imágenes de resonancia magnética de flujo cuatridimensional

Published: February 25, 2022
doi:
10.3791/63491
, ,
1Interdisciplinary Program in Biohealth-Machinery Convergence Engineering,Kangwon National University, 2Medical Device Development Center,DGMIF

Summary

La regurgitación aórtica es una enfermedad cardíaca de la válvula aórtica. Este manuscrito demuestra cómo las imágenes de resonancia magnética de flujo cuatridimensional pueden evaluar la regurgitación aórtica utilizando válvulas cardíacas in vitro que imitan la regurgitación aórtica.

Abstract

La regurgitación aórtica (AR) se refiere al flujo sanguíneo hacia atrás desde la aorta hacia el ventrículo izquierdo (VI) durante la diástole ventricular. El chorro regurgitante que surge de la forma compleja se caracteriza por el flujo tridimensional y el gradiente de alta velocidad, lo que a veces limita una medición precisa del volumen regurgitante mediante ecocardiografía 2D. La resonancia magnética de flujo cuatridimensional recientemente desarrollada (MRI de flujo 4D) permite mediciones de flujo volumétrico tridimensional, que se pueden usar para cuantificar con precisión la cantidad de regurgitación. Este estudio se centra en (i) la fabricación de modelos AR compatibles con resonancia magnética (dilatación, perforación y prolapso) y (ii) el análisis sistemático del rendimiento de la resonancia magnética de flujo 4D en la cuantificación de AR. Los resultados indicaron que la formación de los chorros hacia adelante y hacia atrás a lo largo del tiempo dependía en gran medida de los tipos de origen ar. La cantidad de sesgo de volumen de regurgitación para los tipos de modelo fue de -7,04%, -33,21%, 6,75% y 37,04% en comparación con el volumen de verdad del suelo (48 ml) medido a partir del volumen de carrera de la bomba. El mayor error de la fracción de regurgitación fue de alrededor del 12%. Estos resultados indican que se requiere una cuidadosa selección de los parámetros de imagen cuando el volumen de regurgitación absoluta es importante. El fantasma de flujo in vitro sugerido se puede modificar fácilmente para simular otras enfermedades valvulares como la estenosis aórtica o la válvula aórtica bicúspide (BAV) y se puede utilizar como una plataforma estándar para probar diferentes secuencias de resonancia magnética en el futuro.

Introduction

La regurgitación aórtica (AR) se refiere al flujo hacia atrás desde la aorta hacia el ventrículo izquierdo durante la fase diastólica del ventrículo. La RA se clasifica típicamente en dilatación aórtica, prolapso de copas, perforación de copas, retracción de copas y otros1. La RA crónica puede causar la sobrecarga de volumen del VI principalmente debido a la hipertrofia y la dilatación, y eventualmente causa su descompensación2. La RA aguda es causada principalmente por endocarditis infecciosa, disección aórtica y ruptura traumática, lo que conduce a emergencias hemodinámicas2.

Los estándares clínicos actuales para el diagnóstico de AR se basan principalmente en la ecocardiografía transtorácica (TET) o la ecocardiografía transesofágica (TEE)3. A pesar de las ventajas de las imágenes en tiempo real y el corto tiempo de examen, la precisión de la ecocardiografía depende en gran medida del operador. Especialmente para la medición del volumen regurgitante, la medición directa del volumen regurgitante está limitada a medida que el chorro regurgitante se desplaza fuera del plano de medición bidimensional (2D) debido al movimiento de la válvula aórtica. A menudo se utiliza la estimación indirecta utilizando métodos de área de superficie de isovelocidad proximal (PISA), pero suposiciones como el área de orificio circular a menudo limitan la medición precisa4.

Las guías médicas recientes5 también recomiendan la RM cardíaca (RMM), especialmente para pacientes con AR moderada o grave para compensar la limitación de la ecocardiografía midiendo la masa y la función global del VI. Los parámetros estructurales como las valvas aórticas y el tamaño del VI, y los parámetros de flujo como el ancho del chorro, el ancho de la vena contracta y el volumen regurgitante también se pueden considerar exhaustivamente en el diagnóstico de AR6 . Sin embargo, el volumen de regurgitación aórtica estimado con la función global del VI puede fallar especialmente para pacientes con otras enfermedades valvulares cardíacas o derivación.

Alternativamente, la resonancia magnética de flujo 4D se ha considerado como una técnica prometedora que puede medir directamente el volumen regurgitante con información de velocidad resuelta en el tiempo dentro del volumen de interés7. El movimiento de la válvula de acuerdo con el tiempo se puede rastrear y compensar fácilmente al medir el volumen de flujo de regurgitante 8,9. Además, se puede colocar retrospectivamente un plano arbitrario perpendicular al chorro regurgitante, lo que aumenta la precisión de la medición10. Sin embargo, como la resonancia magnética de flujo 4D obtiene inherentemente la información promediada espaciotemporalmente, la precisión de esta técnica aún justifica la validación mediante el uso de experimentos de flujo in vitro bien controlados.

Este estudio tiene como objetivo (i) desarrollar una plataforma experimental in vitro compatible con MRI que pueda reproducir los diferentes escenarios clínicos de AR (dilatación, perforación y prolapso) y (ii) enriquecer nuestra comprensión del rendimiento de MRI de flujo 4D en la cuantificación de diferentes AR en estos modelos de AR. Además, se realizó visualización hemodinámica 3D y cuantificación basada en RM de flujo 4D según los distintos escenarios clínicos. Este protocolo no se limita a la RA y puede extenderse a otros tipos de estudios de enfermedad valvular que requieren una serie de experimentos in vitro y cuantificación hemodinámica.

Protocol

NOTA: El protocolo se compone en gran medida de tres etapas: (1) fabricación de modelos, (2) resonancia magnética y selección de parámetros, y (3) análisis de datos. La Figura 1 es un diagrama de flujo que muestra el proceso general del protocolo. 1. Fabricación del modelo Modelo de raíz aórtica Como se muestra en la Figura 2, determine los valores de los parámetros de la raíz aórtica, como el diámetro de la base de la válvula y el radio sinusal. Para este experimento, los valores fueron DA = 32,24 mm, DO = 26 mm, LB = 8,84 mm, LA = 26 mm, rmin = 16,64 mm, rmax = 21,32 mm. Ejecute el software de modelado 3D haciendo clic en Esbozo > Herramientas de esbozo > Imagen de boceto.NOTA: Solidwork se utiliza para el modelado 3D en el experimento. Para hacer un modelo sinusal, esboce los círculos correspondientes a rmax y rmin utilizando la herramienta de círculo. Dibuje una línea curva del seno utilizando la función de curva libre11, haga clic en Herramienta Loft y seleccione el área de esbozo para loft. Dibuje círculos adicionales en la parte superior e inferior del modelo actual, haga clic en Herramienta de extrusión y seleccione los círculos. Establezca las opciones como 20 mm hacia abajo y 30 mm hacia arriba. Haga un modelo de hexaedro de tamaño 100 mm x 100 mm x 76 mm de la misma manera. Haga clic en Combinar herramienta en Insertar > características > Combinar. Seleccione Restar en el administrador de la propiedad. Seleccione el modelo de hexaedro y el modelo sinusal. Fabrique el diseño final como un modelo acrílico con una máquina CNC de 5 ejes según las instrucciones del fabricante. Marco de la válvula Ejecute el software de modelado 3D y abra un nuevo boceto. Dibuje un cuadrado de tamaño 100 mm x 100 mm y un círculo de 25 mm en el centro para la base de la válvula, manualmente. Haga clic en la herramienta de extrusión y ajuste la altura de la base de la válvula a 5 mm. Extruir el círculo con una altura de 23,5 mm y un grosor de 3 mm de espesor. Divida el modelo en 12 piezas uniformes utilizando Line Tool para que cada pieza tenga 30°. Selecciona tres piezas con intervalos de 120° y extruye con una altura de 16,5 mm para hacer tres pilares. Haga clic en Herramienta de filete y seleccione los pilares. Ajuste el radio del filete en la parte superior e inferior como 4 mm y 10 mm, respectivamente. Guárdelo en un formato de archivo STL. Imprima en 3D el marco de la válvula. Ajuste la densidad de relleno al 100% y use acrilonitrilo butadieno estireno como material de relleno. Consulte la Figura 3 para conocer la forma y las dimensiones del marco de la válvula aórtica. Modelo de regurgitación aórtica utilizando politetrafluoroetileno expandido (ePTFE) Ejecute el software de modelado 3D y abra un nuevo boceto. Dibuje una línea horizontal de 23,24 mm y una línea vertical de 15 mm con referencia a la Figura 4A.NOTA: Los parámetros geométricos de la base de la válvula, la altura y la longitud del borde libre de la válvula se eligieron de acuerdo con un estudio previo12. Haga clic en 3 Point Arc Tool en el administrador de comandos de arco y establezca dos puntos en cada extremo de la línea horizontal y el último punto al final de la línea vertical. Extruir el boceto con un grosor de 5 mm. Exporte el modelo con formato de archivo STL e imprímalo en 3D. Superponga la membrana de ePTFE en dos capas y dibuje tres bordes de folletos a intervalos de 2 mm utilizando el folleto impreso. Sutura a lo largo de las líneas dibujadas y los bordes laterales a intervalos de 1 mm con una sutura de poliamida con un diámetro de 0,1 mm. Sutura la válvula ePTFE de arriba a abajo en el marco a intervalos de 1 mm. Cortar el lado exterior de la membrana y suturarlo entre sí. Realice las siguientes tres modificaciones para obtener tres modelos diferentes. Modelo de dilatación: Reducir la proporción de los parámetros del prospecto diseñado al 90%. Modelo de perforación: Hacer un orificio circular con un diámetro de 2 mm usando tijeras en el centro de una valva. Prolapso: Fije las dos comisuras de la válvula en un orificio con una altura de poste baja.NOTA: La Figura 4 muestra los materiales y el método de fabricación de la válvula ePTFE. La Figura 5 muestra las características de cada tipo ar. 2. Resonancia magnética y selección de parámetros Prepare el sistema experimental que consiste en un modelo ar, un modelo de seno aórtico, una bomba de simulación cardíaca y una resonancia magnética. Coloque los modelos del experimento en la sala de resonancia magnética y conecte la bomba, el depósito y los modelos utilizando un tubo de silicona de 25 mm (diámetro interior). Utilice una atadura de cable de 10 cm de largo para sujetar las piezas de conexión y evitar posibles fugas. Utilice una bomba de pistón controlada por motor para simular las formas de onda del flujo sanguíneo aórtico para generar una forma de onda de flujo fisiológico a través del sistema de circuito de flujo. Use agua como fluido de trabajo y conecte válvulas unidireccionales a la entrada y salida para evitar el reflujo. Los detalles de la bomba de flujo se pueden encontrar en el estudio anterior23. Localice el modelo dentro del campo de visión (FOV) de la resonancia magnética. Realice un escaneo scout para observar imágenes fantasmas en las vistas coronal, axial y sagital en el monitor de la consola operativa mri. Esta imagen se utiliza como guía para posicionar las siguientes secuencias de imágenes. Localice el plano de imagen 2D en el centro del modelo de aorta. Ejecute una imagen de contraste de fase 2D de parámetro de codificación de velocidad variable (VENC) para seleccionar el valor VENC más adecuado para la resonancia magnética de flujo 4D. Establezca VENC en un valor un 10% más alto en la resonancia magnética de flujo 4D para minimizar el posible aliasing de velocidad7. Introduzca la resolución espacial deseada y la resolución temporal en la consola de resonancia magnética. Se recomienda que la resolución espacial y temporal del flujo aórtico sea de 2-3 mm y 20-40 ms, respectivamente7. La Tabla 2 muestra los parámetros de la resonancia magnética. Adquiera datos tanto para con como sin flujo utilizando los 3 tipos de válvulas AR y la válvula sin válvula. 3. Análisis de datos Clasificación y corrección de datos Copie los archivos de datos sin procesar del escáner para continuar con el análisis de datos. Ordene los archivos dicom de acuerdo con el encabezado denominado descripción de la serie utilizando el software de clasificación Dicom. Haga clic en Ordenar imágenes en el software de clasificación Dicom para ordenar las imágenes de fase tridireccional y las imágenes de magnitud en carpetas separadas. Cargue la imagen de magnitud en el software ITK-snap. Haga clic en Pincel en el complemento ITK y pinte manualmente la región fluida interna del fantasma con la herramienta Pincel. Guardar imagen segmentada. (Opcional) Cargue los datos de imagen de ambas fases obtenidos con el flujo encendido y apagado mediante MATLAB. Reste los datos con el flujo por los datos sin flujo para eliminar los errores de fondo. Repita esto para cada dirección y ciclo cardíaco. Calcule la velocidad de los datos de fase de la matriz 5D (fila x columna x segmento x dirección x tiempo) utilizando una ecuación de píxel a velocidad específica del proveedor. En general, la intensidad máxima del píxel corresponde al valor VENC seleccionado. Visualización Cargue la velocidad de la matriz 5D desde el paso 3.1.4 en el software de análisis de visualización de flujo.NOTA: La matriz de velocidad de entrada puede variar según el software de análisis. Los usuarios de Ensight deben seguir la guía de formato de caja de oro de Ensight13. Haga clic en la pieza de isosuperficie, cambie el tipo de datos de isosuperficie a isovolumen para el análisis 3D haciendo clic en el botón Isovolumen . Arrastre los datos de velocidad en el administrador de comandos de variables, agréguelos al isovolumen para verificar la distribución de velocidad del modelo. Haga clic en Herramienta Emisores de traza de partículas en el menú principal. Marque la opción Avanzada para un análisis más preciso. Seleccione la visualización deseada, como Streamlines o Pathlines en la creación. Para este experimento, establezca el siguiente valor: Opción Emitir desde = Pieza, ID de pieza = 2, No. de Emisores = 10000, Dirección = +/-. Cree y compruebe los resultados a lo largo del tiempo. Haga clic con el botón secundario en el modelo de seguimiento de partículas y haga clic en color por. Seleccione el componente de velocidad para colorear la línea de corriente con la velocidad. Cuantificación Cargue los datos de velocidad (paso 3.1.4) y la imagen segmentada (paso 3.1.2) en MATLAB. Establezca la velocidad fuera de la región de segmentación en cero. Esto se puede realizar fácilmente multiplicando por elementos los datos de la matriz segmentada y los datos de la matriz de velocidad. Compruebe si los datos de velocidad tienen envoltura de fase mediante la función Imshow de MATLAB. La inversión de la dirección de la velocidad indica envoltura de fase. Corte el plano deseado de los datos de la matriz. Suma todos los datos de velocidad dentro del plano y multiplica la resolución espacial para calcular el caudal a través del plano. Suma todos los caudales a lo largo del ciclo cardíaco y multiplica la resolución temporal para calcular el volumen sistólico.

Representative Results

Se fabricaron tres clases representativas de modelos de regurgitación aórtica, y se fabricó una caja sin válvula para la comparación (Figura 3). El modelo de dilatación mostró claramente un cierre incompleto de la valva de la válvula debido a las valvas de menor tamaño. Se perforó un agujero en uno de los folletos usando tijeras para imitar el modelo de perforación. Un folíolo del modelo de prolapso parecía más pequeño que los otros dos folíolos porque los dos comisuras se suturaron en una posición más baja que la altura original. No hubo diferencias significativas con respecto a la vista superior. Con la información de velocidad 3D adquirida a lo largo del tiempo utilizando resonancia magnética de flujo 4D, se visualizaron líneas aerodinámicas de chorros normales y de regurgitación durante la sístole y la diástole (Figura 6). El chorro delantero era recto en todos los modelos, excepto en el modelo de perforación. En el modelo de perforación, se produjo un chorro sesgado de pared durante la fase de sístole. El chorro regurgitador mostró una velocidad y forma diferentes de acuerdo con la clasificación AR. En el caso de no tener válvula, se produjo un flujo general hacia adelante y hacia atrás. El chorro regurgitante del modelo de dilatación salía del centro y tendía a cambiar de dirección con el tiempo. El chorro regurgitante modelo de perforación y prolapso se inclinó hacia la pared. La velocidad máxima del chorro delantero y regurgitante fue de 0,28 m/s, -0,29 m/s en el modelo sin válvula, 2,03 m/s, -3,53 m/s en el modelo de dilatación, 2,52 m/s, -3,13 m/s en el modelo de perforación, y 2,76 m/s, -2,88 m/s en el modelo de prolapso. La Figura 7 muestra el caudal de cada válvula y los volúmenes de avance y regurgitante en un plano 3D alejado de la base de la válvula. Los caudales mostraron diferentes formas de onda y cantidades para cada modelo. La cantidad de volumen de regurgitación fue de 51,38 ml, 63,94 ml, 44,76 ml y 30,22 ml para los modelos sin válvula, dilatación, perforación y prolapso, respectivamente. El sesgo para el modelo sin válvula, dilatación, perforación y prolapso fue de -7,04%, -33,21%, 6,75% y 37,04%, respectivamente, en comparación con la verdad del suelo (48 ml) medida a partir del volumen de carrera de la bomba. Los valores porcentuales positivos indican subestimación, mientras que los valores porcentuales negativos representan una sobreestimación. El error de fracción de regurgitación fue de -7,78%, -6,00%, 0,33% y -11,18% para el modelo sin válvula, dilatación, perforación y prolapso, respectivamente. Figura 1: Diagrama de flujo de trabajo del protocolo. Este protocolo experimental consiste principalmente en la fabricación de modelos, la resonancia magnética y el análisis de datos. En el paso de fabricación del modelo, se fabrica el modelo de raíz aórtica externa y cuatro tipos diferentes de modelo AR (sin válvula, dilatación, prolapso y perforación). Durante la resonancia magnética, se realizan imágenes exploratorias seguidas de exploración multi-VENC y resonancia magnética de flujo 4D. La parte de análisis de datos incluye clasificación de datos, segmentación de imágenes, cálculo de velocidad, visualización y cuantificación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2: Modelo acrílico esquemático y diseñado de la raíz aórtica (A) Caracterización geométrica y parámetros de la geometría de la raíz aórtica. (B) Modelo 3D de raíz aórtica en vista multidimensional. DA: diámetro de la unión sinotubular (STJ), DO: diámetro del anillo, rmax: diámetro máximo de los senos paranasales, rmin: diámetro mínimo de los senos paranasales, LA: altura de los senos paranasales, LB: altura de STJ. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3: Marco y modelo de regurgitación aórtica (A) Información geométrica del marco de la válvula aórtica que se utiliza para sostener la valva. Los agujeros alrededor del cuerpo del marco es donde pasa la línea de sutura. (B) Ejemplo de válvula suturada por membrana ePTFE. (C) Vista frontal de los modelos in vitro : sin válvula, dilatación, perforación y prolapso fabricados en este estudio. La flecha indica la cúspide dañada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 4: Material y etapa de fabricación del prospecto de ePTFE. (A) Utilizando folletos impresos en 3D como guía, los folletos se hacen utilizando membrana de ePTFE. (B) Pasos de dibujo, sutura, corte y fijación de la válvula ePTFE. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 5: Métodos de fabricación de diferentes modelos ar. (A) Modelo de dilatación, (B) modelo de perforación y (C) modelo de prolapso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 6: Optimizar la visualización según el tipo de regurgitación aórtica. Una visualización optimizada en sístole (izquierda de cada panel) y diástole (derecha de cada panel) según el tipo de regurgitación aórtica. (A) Modelo sin válvula (la imagen de diástole/sístole es la misma debido a la falta de una válvula), (B) dilatación, (C) perforación y (D) prolapso. Se tomaron datos de sístole y diástole donde la velocidad de entrada es la más alta y la más baja durante el ciclo cardíaco. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 7: Caudal y volumen sistólico. El caudal y el volumen sistólico para el modelo (A) sin válvula, (B) dilatación, (C) perforación y (D) prolapso. El caudal y el volumen sistólico se miden en el plano (línea sólida) de tres diámetros aguas abajo hasta el anillo de la válvula. Los colores azul y rojo indican los flujos hacia adelante y regurgitando, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Proporción(Do= 26 mm) DA/Do LA/Do LB/Do rmax/Do rmin/Do 1.24 1 0.34 0.82 0.64 Tabla 1. Parámetros geométricos de la geometría de la raíz aórtica que se muestran en la Figura 1. Resolución temporal 0.025 ms/40 fases Resolución espacial 2mm x 2mm/0.5 píxeles por 1 mm Matriz 96 x 160 x 26 píxeles Grosor de la rebanada 2 milímetros Tiempo de eco 2,54 ms Velocidad de codificación 25-330 cm/s Tabla 2. Parámetros de secuencia de resonancia magnética de flujo 4D in vitro.

Discussion

La resonancia magnética de flujo cuatridimensional ha sido verificada recientemente por diversos estudios ex vivo e in vivo como una aplicación para uso clínico rutinario14. Como la resonancia magnética de flujo 4D obtiene información de velocidad 3D durante todo el ciclo cardíaco, una aplicación fuerte es una cuantificación directa del volumen regurgitante valvular, que la ecocardiografía Doppler 2D convencional no es capaz de cuantificar15. Los experimentos in vitro que utilizan 4D Flow MRI pueden proporcionar la velocidad de flujo 3D y los parámetros hemodinámicos relacionados que se pueden utilizar para investigar la relación entre la enfermedad cardiovascular y la hemodinámica. Sin embargo, a pesar de su capacidad prometedora, aún no se han reportado estudios sistemáticos sobre esta aplicación. Esto se debe posiblemente a la falta de experimentos in vitro bien controlados que imiten la regurgitación de las válvulas de tres valvas.

Los desarrollos recientes en estudios in vitro han proporcionado métodos experimentales más precisos y realistas para acceder a la hemodinámica pre y post-valvular16,17. Junto con una velocimetría óptica de imagen de partículas (PIV) basada en imágenes, la medición y cuantificación precisas del flujo alrededor de la válvula fueron posibles en estudios in vitro previos18. Sin embargo, los campos de flujo 3D precisos, especialmente para el flujo post-valvular, fueron limitados debido al modelo opaco y la refracción. Por otro lado, las mediciones de velocidad 3D mediante resonancia magnética también fueron limitadas, ya que los componentes metálicos no se pueden usar19,20.

De ahí que en este estudio se introduzca un protocolo para construir una plataforma experimental de flujo compatible con RM y altamente modificable para reproducir diversos escenarios clínicos de enfermedades valvulares. La membrana ePTFE se utiliza para imitar la válvula tricúspide sin componentes metálicos, ya que ha sido ampliamente utilizada como válvula y material de injerto vascular debido a su alta resistencia a la tracción y resistencia química 17,21,22. Basado en películas de ePTFE, se han reproducido tres orígenes diferentes de la AR (dilatación, perforación y prolapso), así como un modelo sin válvula para la comparación. El siguiente paso importante en este protocolo experimental de flujo es la rmografía y cuantificación. Una bomba de pistón controlada por motor que puede simular las formas de onda del flujo sanguíneo aórtico se utiliza para generar una forma de onda de flujo fisiológico a través del sistema de circuito de flujo. Los detalles de la bomba de flujo se pueden encontrar en el estudio anterior23. Como este estudio también tiene como objetivo validar la precisión de la resonancia magnética de flujo 4D en la cuantificación de flujo, todos los parámetros de imagen se seleccionan en función del estudio previo que resume los parámetros que se pueden utilizar en la rutina clínica24. Como el sistema de resonancia magnética incluye errores inherentes debidos a imperfecciones como corrientes de Foucault y no linealidad del campo magnético25, la estrategia de corrección de fondo se aplica antes de la cuantificación real de los datos como se describe en el paso 3.1.3.

El modelo de regurgitación aórtica hecho a mano sugerido en este estudio mostró características hemodinámicas similares del chorro regurgitante según la clasificación del modelo como lo informaron estudios previos26,27. La forma cerrada era simétrica, y se produjo un chorro recto en el centro de la válvula en el modelo de dilatación. Un chorro excéntrico dirigido posteriormente aparece debido al daño de la cúspide en el modelo de perforación. El prolapso parcial de la válvula muestra un chorro cuya dirección se dobló desde la copa culpable debido a la movilidad limitada. El volumen de regurgitación aórtica medido directamente utilizando la resonancia magnética de flujo 4D se sobreestimó en el modelo sin válvula y dilatación, mientras que se subestimó en gran medida en el modelo de prolapso en comparación con la verdad del suelo. Sin embargo, cuando se calculó la fracción regurgitante, el mayor sesgo fue solo del 11% en el modelo de prolapso. Esto indica fuertemente que no solo el flujo de regurgitante sino también el chorro aórtico normal se vieron afectados por la resonancia magnética. En la etapa actual, los parámetros de escaneo individuales no se optimizaron para cada modelo de AR. Un futuro estudio de parámetros sistémicos puede mejorar la precisión de la medición del volumen de regurgitante. Alternativamente, el uso de la fracción regurgitante es más robusto, ya que cancela los errores inherentes en la resonancia magnética de flujo 4D, pero también es clínicamente más relevante que simplemente medir el volumen absoluto de regurgitante.

En conclusión, este estudio sugiere un modelo experimental de flujo in vitro compatible con MR que es altamente modificable para simular varios tipos de AR. Además, se comparó la precisión de la medición del volumen ar utilizando resonancia magnética de flujo 4D. La limitación de este estudio es que no se simuló el movimiento de la válvula aórtica, lo que puede afectar el desarrollo real del chorro regurgitante. Además, el efecto de volumen parcial y la naturaleza de promedio temporal de la resonancia magnética de flujo 4D pueden limitar la precisión de la medición de flujo, especialmente teniendo en cuenta el alto rango dinámico de velocidad dentro del chorro y sus alrededores. Por lo tanto, se requiere un estudio sistemático adicional de los parámetros.

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Esta investigación fue apoyada por el Programa de Investigación en Ciencias Básicas a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea, que está financiada por el Ministerio de Educación (2021R1I1A3040346, 2020R1A4A1019475, 2021R1C1C1003481 y HI19C0760). Este estudio también fue apoyado por la Beca de Investigación 2018 (PoINT) de la Universidad Nacional de Kangwon.

Materials

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Koo, H. J., et al. Functional classification of aortic regurgitation using cardiac computed tomography: comparison with surgical inspection. The International Journal of Cardiovascular Imaging. 34 (8), 1295-1303 (2018).
  2. Bekeredjian, R., Grayburn, P. A. Valvular heart disease: aortic regurgitation. Circulation. 112 (1), 125-134 (2005).
  3. Lancellotti, P., et al. European Association of Echocardiography recommendations for the assessment of valvular regurgitation. Part 1: aortic and pulmonary regurgitation (native valve disease). European Journal of Echocardiography. 11 (3), 223-244 (2010).
  4. Zo, J. H. Echocardiographic Evaluation of Valvular Regurgitation:Semiquantitation Based on the Color Flow is Enough in Everyday Clinical Practice. Korean Circulation Journal. 29 (10), 1144-1150 (1999).
  5. Falk, V., et al. ESC/EACTS Guidelines for the management of valvular heart disease. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 52 (4), 616-664 (2017).
  6. Members, W. C., et al. ACC/AHA guideline for the management of patients with valvular heart disease: a report of the American College of Cardiology/American Heart Association Joint Committee on Clinical Practice Guidelines. Journal of the American College of Cardiology. 77 (4), 25 (2021).
  7. Ha, H., Huh, H., Yang, D. H., Kim, N. Quantification of Hemodynamic Parameters Using Four-Dimensional Flow MRI. Journal of the Korean Society of Radiology. 80 (2), 239-258 (2019).
  8. vander Geest, R. J., Garg, P. Advanced analysis techniques for intra-cardiac flow evaluation from 4D flow MRI. Current Radiology Reports. 4 (7), 38 (2016).
  9. Blanken, C. P., et al. Quantification of mitral valve regurgitation from 4D flow MRI using semiautomated flow tracking. Radiology: Cardiothoracic Imaging. 2 (5), 200004 (2020).
  10. Kim, B. G., et al. Evaluation of aortic regurgitation by using PC MRI: a comparison of the accuracies at different image plane locations. Journal of the Korean Physical Society. 61 (11), 1884-1888 (2012).
  11. de Tullio, M. D., Pedrizzetti, G., Verzicco, R. On the effect of aortic root geometry on the coronary entry-flow after a bileaflet mechanical heart valve implant: a numerical study. Acta Mechanica. 216 (1), 147-163 (2011).
  12. Fallahiarezoudar, E., Ahmadipourroudposht, M., Yusof, N. M. Geometric modeling of aortic heart valve. Procedia Manufacturing. 2, 135-140 (2015).
  13. Computational Engineering International. EnSight User Manual for Version 10.2. Computational Engineering International, Inc. , (2017).
  14. Garg, P., et al. Comparison of fast acquisition strategies in whole-heart four-dimensional flow cardiac MR: Two-center, 1.5 Tesla, phantom and in vivo validation study. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 47 (1), 272-281 (2018).
  15. Gabbour, M., et al. 4-D flow magnetic resonance imaging: blood flow quantification compared to 2-D phase-contrast magnetic resonance imaging and Doppler echocardiography. Pediatric Radiology. 45 (6), 804-813 (2015).
  16. Kvitting, J. P. E., et al. et al. In vitro assessment of flow patterns and turbulence intensity in prosthetic heart valves using generalized phase-contrast MRI. Journal of Magnetic Resonance Imaging: An Official Journal of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine. 31 (5), 1075-1080 (2010).
  17. Chang, T. I., et al. In vitro study of trileaflet polytetrafluoroethylene conduit and its valve-in-valve transformation. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery. 30 (3), 408-416 (2020).
  18. Kim, D., et al. Comparison of Four-Dimensional Flow Magnetic Resonance Imaging and Particle Image Velocimetry to Quantify Velocity and Turbulence Parameters. Fluids. 6 (8), 277 (2021).
  19. Bai, K., Katz, J. On the refractive index of sodium iodide solutions for index matching in PIV. Experiments in Fluids. 55 (4), 1-6 (2014).
  20. Hargreaves, B., et al. Metal induced artifacts in MRI. AJR. American Journal of Roentgenology. 197 (3), 547 (2011).
  21. Zhu, G., Ismail, M. B., Nakao, M., Yuan, Q., Yeo, J. H. Numerical and in-vitro experimental assessment of the performance of a novel designed expanded-polytetrafluoroethylene stentless bi-leaflet valve for aortic valve replacement. PloS One. 14 (1), 0210780 (2019).
  22. Ebnesajjad, S. . Expanded PTFE applications handbook: Technology, manufacturing and applications. , (2016).
  23. Kim, J., Lee, Y., Choi, S., Ha, H. Pulsatile flow pump based on an iterative controlled piston pump actuator as an in-vitro cardiovascular flow model. Medical Engineering & Physics. 77, 118-124 (2020).
  24. Dyverfeldt, P., et al. 4D flow cardiovascular magnetic resonance consensus statement. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 17 (1), 1-19 (2015).
  25. Stankovic, Z., Allen, B. D., Garcia, J., Jarvis, K. B., Markl, M. 4D flow imaging with MRI. Cardiovascular Diagnosis and Therapy. 4 (2), 173 (2014).
  26. Patel, P. A., et al. Aortic regurgitation in acute type-A aortic dissection: a clinical classification for the perioperative echocardiographer in the era of the functional aortic annulus. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 32 (1), 586-597 (2018).
  27. Boodhwani, M., et al. Repair-oriented classification of aortic insufficiency: impact on surgical techniques and clinical outcomes. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 137 (2), 286-294 (2009).

Tags

4D Flow MRIAortic RegurgitationIn Vitro AssessmentValve ModelingFlow VisualizationDICOM Imaging3D Velocity Field

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Kim, D., Huh, H. K., Ha, H. In vitro Assessment of Aortic Regurgitation Using Four-Dimensional Flow Magnetic Resonance Imaging. J. Vis. Exp. (180), e63491, doi:10.3791/63491 (2022).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image