في المختبر تقييم قلس الأبهر باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي للتدفق رباعي الأبعاد
Summary
قلس الأبهر هو مرض القلب في الصمام الأبهري. توضح هذه المخطوطة كيف يمكن لتصوير الرنين المغناطيسي للتدفق رباعي الأبعاد تقييم قلس الأبهر باستخدام صمامات القلب في المختبر التي تحاكي قلس الأبهر.
Abstract
يشير قلس الأبهر (AR) إلى تدفق الدم إلى الخلف من الشريان الأورطي إلى البطين الأيسر (LV) أثناء الانبساط البطيني. تتميز نفاثة القلس الناشئة عن الشكل المعقد بالتدفق ثلاثي الأبعاد والتدرج عالي السرعة ، مما يحد أحيانا من قياس دقيق لحجم القلس باستخدام تخطيط صدى القلب 2D. يتيح التصوير بالرنين المغناطيسي للتدفق رباعي الأبعاد (4D flow MRI) الذي تم تطويره مؤخرا قياسات التدفق الحجمي ثلاثي الأبعاد ، والتي يمكن استخدامها لتحديد كمية القلس بدقة. تركز هذه الدراسة على (i) تصنيع نموذج AR المتوافق مع الرنين المغناطيسي (التمدد والثقب والهبوط) و (ii) التحليل المنهجي لأداء التصوير بالرنين المغناطيسي 4D في تحديد كمية AR. أشارت النتائج إلى أن تشكيل الطائرات الأمامية والخلفية بمرور الوقت كان يعتمد بشكل كبير على أنواع أصل AR. كان مقدار تحيز حجم القلس لأنواع النماذج -7.04٪ ، -33.21٪ ، 6.75٪ ، و 37.04٪ مقارنة بحجم الحقيقة الأرضية (48 مل) الذي تم قياسه من حجم شوط المضخة. كان أكبر خطأ في جزء القلس حوالي 12٪. تشير هذه النتائج إلى أن الاختيار الدقيق لمعلمات التصوير مطلوب عندما يكون حجم القلس المطلق مهما. يمكن بسهولة تعديل شبح التدفق في المختبر المقترح لمحاكاة أمراض الصمامات الأخرى مثل تضيق الأبهر أو الصمام الأبهري ثنائي الشرف (BAV) ويمكن استخدامه كمنصة قياسية لاختبار تسلسلات التصوير بالرنين المغناطيسي المختلفة في المستقبل.
Introduction
يشير قلس الأبهر (AR) إلى التدفق الخلفي من الشريان الأورطي إلى البطين الأيسر خلال المرحلة الانبساطية من البطين. عادة ما يتم تصنيف AR إلى توسع الأبهر ، هبوط الأكواب ، ثقب الأكواب ، تراجع الأكواب ، وغيرها1. قد يتسبب الواقع المعزز المزمن في زيادة حجم الجهد المنخفض بشكل رئيسي بسبب التضخم والتمدد ، وفي النهاية يتسبب في إلغاء التعويض2. يحدث AR الحاد بشكل رئيسي بسبب التهاب الشغاف المعدي ، وتسلخ الأبهر ، والتمزق الرضحي ، مما يؤدي إلى حالات الطوارئ الديناميكية الدموية2.
تعتمد المعايير السريرية الحالية لتشخيص الواقع المعزز بشكل أساسي على تخطيط صدى القلب عبر الصدر (TTE) أو تخطيط صدى القلب عبر المريء (TEE)3. على الرغم من مزايا التصوير في الوقت الفعلي ووقت الفحص القصير ، فإن دقة تخطيط صدى القلب تعتمد بشكل كبير على المشغل. خاصة بالنسبة لقياس حجم القلس ، يكون القياس المباشر لحجم القلس محدودا حيث تنتقل نفاثة القلس من مستوى القياس ثنائي الأبعاد (2D) بسبب حركة الصمام الأبهري. غالبا ما يستخدم التقدير غير المباشر باستخدام طرق مساحة السطح المتساوية السرعة القريبة (PISA) ، ولكن الافتراضات مثل منطقة الفتحة الدائرية غالبا ما تحد من القياس الدقيق4.
توصي الإرشادات الطبية الحديثة5 أيضا بالتصوير بالرنين المغناطيسي للقلب (CMR) ، خاصة بالنسبة لمرضى AR المعتدلين أو الشديدين للتعويض عن الحد من تخطيط صدى القلب عن طريق قياس الكتلة والوظيفة العالمية ل LV. يمكن أيضا النظر بشكل شامل في المعلمات الهيكلية مثل منشورات الأبهر وحجم LV ، ومعلمات التدفق مثل العرض النفاث ، وعرض الوريد العقدي ، وحجم القلس بشكل شامل في تشخيص AR6 . ومع ذلك ، قد يفشل حجم قلس الأبهر المقدر مع وظيفة LV العالمية خاصة للمرضى الذين يعانون من أمراض صمامات القلب الأخرى أو التحويلة.
بدلا من ذلك ، تم اعتبار التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D تقنية واعدة يمكنها قياس حجم القلس مباشرة مع معلومات السرعة التي تم حلها بمرور الوقت ضمن حجم الاهتمام7. يمكن تتبع حركة الصمام وفقا للوقت بسهولة وتعويضها عند قياس حجم تدفق القلس 8,9. أيضا ، يمكن وضع مستوى تعسفي عمودي على طائرة القلس بأثر رجعي ، مما يزيد من دقة القياس10. ومع ذلك ، نظرا لأن التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D يحصل بطبيعته على متوسط المعلومات المكانية الزمانية ، فإن دقة هذه التقنية لا تزال تستحق التحقق من الصحة باستخدام تجارب تدفق المختبر التي يتم التحكم فيها جيدا.
تهدف هذه الدراسة إلى (i) تطوير منصة تجريبية متوافقة مع التصوير بالرنين المغناطيسي في المختبر يمكنها إعادة إنتاج السيناريوهات السريرية المختلفة للواقع المعزز (التمدد والثقب والهبوط) و (ii) إثراء فهمنا لأداء التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D في تحديد كمية AR المختلفة في نماذج AR هذه. بالإضافة إلى ذلك ، تم إجراء التصور الديناميكي الدموي ثلاثي الأبعاد والقياس الكمي بناء على التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D وفقا لمختلف السيناريوهات السريرية. لا يقتصر هذا البروتوكول على الواقع المعزز ويمكن توسيعه ليشمل أنواعا أخرى من دراسات أمراض الصمامات التي تتطلب سلسلة من التجارب في المختبر والقياس الكمي للديناميكا الدموية.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم التحقق مؤخرا من التصوير بالرنين المغناطيسي للتدفق رباعي الأبعاد من قبل العديد من الدراسات خارج الجسم الحي وفي الجسم الحي كتطبيق للاستخدام الروتيني السريري14. نظرا لأن التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D يحصل على معلومات السرعة ثلاثية الأبعاد على مدار دورة القلب بأكملها ، فإن أحد التطبيقات القوية هو تحديد كمي مباشر لحجم قلس الصمامات ، والذي لا يستطيع تخطيط صدى القلب التقليدي 2D Doppler تحديد15. في المختبر التجارب باستخدام 4D تدفق التصوير بالرنين المغناطيسي يمكن أن توفر سرعة تدفق 3D والمعلمات الديناميكية الدموية ذات الصلة التي يمكن استخدامها للتحقيق في العلاقة بين أمراض القلب والأوعية الدموية وديناميكا الدم. ومع ذلك ، على الرغم من قدرته الواعدة ، لم يتم الإبلاغ عن أي دراسات منهجية حول هذا التطبيق حتى الآن. ربما يرجع ذلك إلى عدم وجود تجارب جيدة التحكم في المختبر تحاكي قلس الصمامات ثلاثية الوريقات.
قدمت التطورات الأخيرة في الدراسات المخبرية طرقا تجريبية أكثر دقة وواقعية للوصول إلى ديناميكا الدم قبل وبعد الصمامات16,17. إلى جانب قياس سرعة صورة الجسيمات البصرية القائمة على الصور (PIV) ، كان من الممكن إجراء قياس دقيق وتحديد كمية التدفق حول الصمام في الدراسات السابقة في المختبر 18. ومع ذلك ، كانت حقول تدفق 3D الدقيقة ، خاصة بالنسبة للتدفق ما بعد الصمامات ، محدودة بسبب النموذج غير الشفاف والانكسار. من ناحية أخرى ، كانت قياسات السرعة ثلاثية الأبعاد باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي محدودة أيضا ، حيث لا يمكن استخدام المكونات المعدنية 19,20.
وبالتالي في هذه الدراسة ، تم تقديم بروتوكول لبناء منصة تجريبية للتدفق متوافقة مع MR وقابلة للتعديل بدرجة عالية لإعادة إنتاج سيناريوهات سريرية مختلفة لأمراض الصمامات. يستخدم غشاء ePTFE لتقليد الصمام ثلاثي الشرف بدون مكونات معدنية حيث تم استخدامه على نطاق واسع كصمام ومواد ترقيع وعائية بسبب قوة الشد العالية والمقاومة الكيميائية17،21،22. استنادا إلى أفلام ePTFE ، تم إعادة إنتاج ثلاثة أصول مختلفة من AR (التمدد ، الثقب ، والهبوط) بالإضافة إلى نموذج بدون صمام للمقارنة. الخطوة المهمة التالية في هذا البروتوكول التجريبي للتدفق هي التصوير بالرنين المغناطيسي والقياس الكمي. يتم استخدام مضخة مكبس يتم التحكم فيها بمحرك يمكنها محاكاة الأشكال الموجية لتدفق الدم الأبهري لتوليد شكل موجي تدفق فسيولوجي من خلال نظام دائرة التدفق. يمكن العثور على تفاصيل مضخة التدفق في الدراسة السابقة23. نظرا لأن هذه الدراسة تهدف أيضا إلى التحقق من صحة دقة التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D في تحديد كمية التدفق ، يتم اختيار جميع معلمات التصوير بناء على الدراسة السابقة التي تلخص المعلمات التي يمكن استخدامها في الروتين السريري24. نظرا لأن نظام التصوير بالرنين المغناطيسي يتضمن أخطاء متأصلة بسبب عيوب مثل تيارات الدوامة وعدم خطية المجال المغناطيسي25 ، يتم تطبيق استراتيجية تصحيح الخلفية قبل تحديد كمية البيانات الفعلية كما هو موضح في الخطوة 3.1.3.
أظهر نموذج قلس الأبهر المصنوع يدويا المقترح في هذه الدراسة خصائص ديناميكية دموية مماثلة لنفاثة القلس وفقا لتصنيف النموذج حيث أفادت الدراسات السابقة ب26,27. كان الشكل المغلق متماثلا ، وحدثت نفاثة مستقيمة في مركز الصمام في نموذج التوسع. تظهر طائرة غريبة الأطوار موجهة خلفيا بسبب تلف العتبة في نموذج الثقب. يظهر التدلي الجزئي للصمام طائرة نفاثة تم ثني اتجاهها من كأس الجاني بسبب محدودية الحركة. تم المبالغة في تقدير حجم قلس الأبهر الذي تم قياسه مباشرة باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D في نموذج بدون صمام وتوسيع ، في حين تم التقليل من شأنه إلى حد كبير في نموذج التدلي عند مقارنته بالحقيقة الأرضية. ومع ذلك ، عندما تم حساب جزء القلس ، كان أكبر تحيز 11٪ فقط في نموذج الهبوط. هذا يشير بقوة إلى أنه ليس فقط تدفق القلس ولكن أيضا النفاثة الأبهرية الطبيعية قد تأثرت بالتصوير بالرنين المغناطيسي. في المرحلة الحالية ، لم يتم تحسين معلمات الفحص الفردية لكل نموذج AR. قد تؤدي دراسة المعلمات الجهازية المستقبلية إلى تحسين دقة قياس حجم القلس. بدلا من ذلك ، يكون استخدام جزء القلس أكثر قوة لأنه يلغي الأخطاء المتأصلة في التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D ولكنه أيضا أكثر ملاءمة سريريا من مجرد قياس حجم القلس المطلق.
في الختام ، تقترح هذه الدراسة نموذجا تجريبيا للتدفق المختبري متوافقا مع MR قابلا للتعديل بدرجة عالية لمحاكاة أنواع مختلفة من AR. أيضا ، تمت مقارنة دقة قياس حجم AR باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي لتدفق 4D. الحد من هذه الدراسة هو أن حركة الصمام الأبهري لم تتم محاكاتها ، والتي يمكن أن تؤثر على التطور الفعلي للطائرة القلس. بالإضافة إلى ذلك ، قد يحد تأثير الحجم الجزئي وطبيعة المتوسط الزمني للتصوير بالرنين المغناطيسي 4D-flow من دقة قياس التدفق ، خاصة بالنظر إلى النطاق الديناميكي العالي للسرعة داخل الطائرة والمناطق المحيطة. لذلك ، هناك حاجة إلى مزيد من الدراسة المنهجية للمعلمات.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا البحث من قبل برنامج أبحاث العلوم الأساسية من خلال المؤسسة الوطنية للبحوث في كوريا ، والتي تمولها وزارة التعليم (2021R1I1A3040346 ، 2020R1A4A1019475 ، 2021R1C1C1003481 ، و HI19C0760). تم دعم هذه الدراسة أيضا من خلال منحة الأبحاث لعام 2018 (PoINT) من جامعة كانغوون الوطنية.
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 |
References
- 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).
- Bekeredjian, R., Grayburn, P. A. Valvular heart disease: aortic regurgitation. Circulation. 112 (1), 125-134 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Fallahiarezoudar, E., Ahmadipourroudposht, M., Yusof, N. M. Geometric modeling of aortic heart valve. Procedia Manufacturing. 2, 135-140 (2015).
- Computational Engineering International. EnSight User Manual for Version 10.2. Computational Engineering International, Inc. , (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hargreaves, B., et al. Metal induced artifacts in MRI. AJR. American Journal of Roentgenology. 197 (3), 547 (2011).
- 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).
- Ebnesajjad, S. . Expanded PTFE applications handbook: Technology, manufacturing and applications. , (2016).
- 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).
- Dyverfeldt, P., et al. 4D flow cardiovascular magnetic resonance consensus statement. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 17 (1), 1-19 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
