Wir danken Drs. Raimond Winslow, Elliot McVeigh und Patrick Helm an der Johns Hopkins University für die Bereitstellung der ex vivo Datensätze online.This Forschung wurde von den National Institutes of Health grant R01-HL082729 und National Science Foundation CBET-0.933.029 unterstützt.

Ein. Faserorientierungen Schätzung <ol><li> Erwerben strukturelle MRT und DTMRI Bilder von einem normalen erwachsenen menschlichen Herzens in Diastole, bei einer Auflösung von 1 mm 3. Verwendung ImageJ, extrahieren die ventrikuläre Myokard aus dem Atlas strukturellen Bildes durch Verschraubung, für jeden kurzen Achse Scheibe, geschlossen Splines durch eine Reihe von Punkten entlang der Landmarke epikardialen und endokardialen Grenzen in der Scheibe (2A &amp; 2B) angeordnet sind. Führen Sie die Platzierung der Wahrzeichen Punkte manuell für jede 10 th Slice im Bild. Besorgen Sie sich die Wahrzeichen Punkte für die restlichen Scheiben durch lineare Interpolation die manuell identifizierten Punkten mit MATLAB.Reconstruct die Faserorientierung des Atlas Herzen durch die Berechnung der primären Eigenvektoren der DTs im DTMRI Bild (Abbildung 2C). </li><li> Erwerben Sie ein Bild von der Geometrie des Patienten Herz in der Diastole mit in vivo Herz-CT oder MRT. Reconstruct den Patienten Herzgeometrie aus dem Bild ähnlich der Art und Weise der Atlas gebaut (3A &amp; 3B) wurde. Der Patient Bild sollte vor der Rekonstruktion werden, dass die in-plane Auflösung 1 mm 2 ist neu abgetastet. Ebenso muss die Anzahl der Scheiben, für die Sehenswürdigkeiten manuell kommissioniert werden, und das Intervall von Out-of-Plane-Interpolation so eingestellt werden, dass das segmentierte Patienten Herzen Bild eine Schichtdicke von 1 mm hat. </li><li> Deform der Atlas ventrikuläre Bild entsprechend den Patienten Geometrie Bild in zwei Schritten. Im ersten Schritt, Durchführen einer affinen Transformation auf einem Satz von dreizehn Landmarken Punkten: der linke Ventrikel (LV) der Spitze, die beiden rechten ventrikulären (RV) Einfügepunkte an der Basis, die zwei RV Einfügepunkte Mitte zwischen Basis und der Spitze, und vier Sätze von zwei Punkten, die gleichmäßig aufzuteilen RV und LV epikardialen Konturen an der Basis, und auf halbem Weg zwischen Basis und Spitze (4A &amp; <strong&gt; Abbildung 4B). Im zweiten Schritt, der affine verformen Ventrikel-transformierten Atlas weiter, um den Patienten Geometrie entsprechen, unter Verwendung Großdeformationstransformation diffeomorph Metrik Mapping (LDDMM) (4C). </li><li> Morph die DTMRI Bild des Atlas durch Neupositionierung des Bildes Voxel und Neuausrichtung der DTs nach der Transformationsmatrix der affine Matching und die Verformung Bereich der LDDMM Transformation. Führen Sie die Neuorientierung der DTS über die Erhaltung der Hauptrichtungen (PPD)-Methode. </li><li> Besorgen Sie sich die Schätzung der Patienten Faserorientierungen aus dem morphed atlas DTMRI Bild durch Berechnung der primären Eigenvektor der DTS (Abbildung 5). </li></ol> 2. Messung der Schätzfehler <ol><li> Erwerben ex vivo strukturelle MR und DTMR Bilder von sechs normale und drei andernfalls canine Herzen, bei einer Auflösung von 312,5 × 312,5 × 800 um 3. Hier Herzen faiKöder sollte in den Eckzähnen via Radiofrequenz-Ablation des Linksschenkelblock von 3 Wochen tachypacing bei 210 min -1 folgt erzeugt werden. </li><li> Segment die Ventrikel von den Hunden Herzen ähnlich dem menschlichen atlas Herz, wie in § 1.1 beschrieben. Bezeichnen Ventrikel segmentierte von normalen Hunden Herzen als hearts 1 bis 6, und die segmentierte aus der Nichtbeachtung canine Herzen als Herz 7 bis 9 (Abbildung 6). </li><li> Erhalten fünf verschiedenen Schätzungen der ventrikulären Faserorientierungen des Herzens 1 mit jeweils hearts 2 bis 6 als Atlas (Abbildung 7). </li><li> Schätzen Faserorientierungen für jede der andernfalls Ventrikel mit Herz 1 als Atlas (Abbildung 8). </li><li> Foreach Datenpunkt jeder Satz von geschätzten Faserorientierungen, berechnen die Schätzfehler als | θ c-θ a |, wobei θ c und θ a sind die Neigungswinkel der veranschlagte eind erworbenen Faserorientierungen an diesem Punkt sind. </li><li> Für jeden Datenpunkt in jedem Satz von geschätzten Faserorientierungen, berechnen die spitzen Winkel betweenestimated und erworbenen Faserrichtungen in drei Dimensionen (3D) mittels thevector Skalarprodukts. </li></ol> 3. Messung der Auswirkungen der Schätzfehler auf Simulationen <ol><li> Von Herzen 1, konstruieren sechs Modelle, eines mit den DTMRI erworbenen Faserorientierungen des Herzens 1 (bezeichnet als Modell 1) und fünf mit den fünf geschätzten Faserorientierungen Datensätze (Modelle 2 bis 6). Für jede der drei Herzinsuffizienz Geometrien, bauen ventrikuläres zwei Modelle, eines mit den DTMRI erworbenen Faserorientierungen und der andere mit den geschätzten Faserorientierungen. Hier ist die räumliche Auflösung der Modelle, in Bezug auf die mittlere Kantenlänge der Maschen berechnet, sollte etwa 600 um betragen. Bezeichnen die Herzinsuffizienz Modelle mit DTMRI erworbenen Fasern als Modelle 7 bis 9, und die mit geschätztened Fasern als Modelle 10 bis 12.In die Modelle verwenden Monodomäne Darstellung zur Herzgewebe beschreiben, mit bestimmenden Gleichungen: </li></ol><img src="/files/ftp_upload/50125/50125eq1.jpg" alt="Gleichung 1" fo:content-width="2.18in" fo:src="/files/ftp_upload/50125/50125eq1highres.jpg" /> wobei σ b die Masse-Leitfähigkeit, die aus den Tensor bidomain Leitfähigkeit Tensoren berechnet wird, wie durch 30 Potse et al beschrieben ist, V m die Transmembranpotential, C m ist die Membran spezifische Kapazität, und I-Ion ist die Dichte des transmembranen Strom, was wiederum hängt von V m und einer Reihe von Zustandsvariablen μ beschreibt die Dynamik der Ionenströme über die membrane.For C m, mit einem Wert von 1 μ F / cm 2. Für σ i im normalen Hundeherz Modelle verwenden Längsinterne und Querleitfähigkeit Werte von 0,34 S / m und 0,06 S / m sind. Stellen l lon von den Greenstein-Winslow ionischen Modelle der Hund Ventrikelmyocyten. Verringern Sie die elektrische Leitfähigkeit in canine Herzinsuffizienz ventrikuläre Modelle von 30% (Abbildung 9). <ol start="2"><li> Mit dem Software-Paket CARP (CardioSolv, LLC), simulieren Sinusrhythmus mit allen Modellen. Induzieren einspringenden ventrikuläre Tachykardie (VT) in den sechs andernfalls Modelle unter Verwendung eines S1-S2 Pacing-Protokoll. Wählen das Timing zwischen S1 und S2 auf aufrechterhalten VT Aktivität für 2 Sekunden zu erhalten, nachdem S2 Lieferung. Wenn VT ist nicht für jeden S1-S2 Zeitpunkt induziert, verringern die Leitfähigkeit um bis zu 70% bis VT induziert wurde (Abbildung 10). </li><li> Für jede Simulation, Berechnung Pseudo-EKGs, indem die Differenz der extrazellulären Potentiale zwischen zwei Punkten in einem isotropen Bad Umgebung die Herzen. Zeigen die zwei Punkte in der Nähe der Basis des Herzens abgetrenntvon 18 cm, so dass die Verbindungslinie zwischen ihnen senkrecht zu der Basis-Ebene des Scheitels Septum wie in Abbildung 10 dargestellt. Für jede Simulation mit geschätzten Faserorientierungen, berechnen Sie die MAD Metrik </li></ol><img src="/files/ftp_upload/50125/50125eq2.jpg" alt="Gleichung 2" fo:content-width="2.77in" fo:src="/files/ftp_upload/50125/50125eq2highres.jpg" /> wobei X der EKG-Wellenform der Simulation mit geschätzten Faserorientierungen ist, Y die EKG-Wellenform von thecorresponding Simulation mit erworbenen Faserorientierungen ist, X der Mittelwert von X ist, Y ist der Mittelwert von Y, und n die Länge von X und Y.

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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Diese Untersuchung zeigt quantitativ, daß in der Abwesenheit von DTMRI, myokardialer Faserorientierungen von normalen und andernfalls Ventrikel von in-vivo-Bilder ihrer Geometrien zur Verwendung in der Herz-Elektrophysiologie Simulationen kann abgeschätzt werden. Die vorgeschlagene Methodik wird in vivo CT-Daten gezeigt, aber es ist gleichermaßen für in vivo MR-Bilder von ventrikulären Geometrie, sie den Mangel an Fähigkeit, direkt zu erwerben Patienten Faserorientierungen. Es ist somit ...

<html> Die rechnerische Ansatz wird immer von zentraler Bedeutung für die Weiterentwicklung des Verständnisses der Funktion des Herzens in Gesundheit und Krankheit. State-of-the-art ganzen Herzen Modellen der Elektrophysiologie und Elektromechanik werden derzeit verwendet, um eine breite Palette von Phänomenen, wie normale ventrikuläre Ausbreitung, Arrhythmie, Defibrillation, elektromechanischen Kopplung und kardialen Resynchronisationstherapie 1 studieren. Jedoch zur rechnerischen Ansatz unmittelbar in der klinischen Umgebung, ist es unerlässlich, dass die Modelle patientenspezifischen, dh die Modelle an der spezifischen Architektur und elektrophysiologische oder elektromechanischen Eigenschaften des Patienten erkrankten Herzens beruhen muss sein. Simulation mit solchen Modellen wird die Mediziner auf sehr persönliche Entscheidungen für elektrophysiologische Eingriffe sowie Prophylaxe ankommen, dadurch drastisch verbessern kardiale Gesundheit 2-4. Inhalt &quot;&gt; Erstellung von realistischen Herz Modellen erfordert die Erfassung der Geometrie und Faserstruktur eines Patienten Herz. Fiber Orientierungen bestimmen Richtungen elektrische Ausbreitung und Dehnungsverteilung im Herzen, und deshalb Erwerb ihnen ist wichtig, Herz Modellierung 5, 6. Mit jüngsten Fortschritte in der medizinischen Bildgebung, ist es nun möglich, die Geometrie des Herzens eines Patienten, includingstructural Remodelling wie Infarkt, in vivo mit hoher Auflösung unter Verwendung der Kernspintomographie (MRI) und Computertomographie (CT)-Technologien erhalten. Jedoch gibt es keinen praktische Methode zum Erfassen Faserstruktur Herz eines Patienten in vivo. Diffusion Tensor (DT) MRT 7, 8, die einzige Technik, um Faserorientierungen des intakten Herzens zu machen, ist nicht weit verbreitet in vivo aufgrund bestimmter Grenzen 9. Eine kurze Beschreibung der die bisherigen Bemühungen um DTMRI der klinischen Einstellung übersetzen kann elsewh gefunden werdenere 2. Obwohl Methoden wie regelbasierte Zuordnung der Faserorientierungen Alternativen zu DTMRI anbieten, haben diese Methoden bestimmte schwerwiegende Einschränkungen 2, 10. So Schwierigkeiten beim Erwerb Herz Faserstruktur in vivo derzeit behindern die Anwendung von elektrophysiologischen und elektromechanische Herz Simulationen im klinischen Umfeld. Das Ziel dieser Untersuchung war es, direkt an dieses Bedürfnis. Wir nahmen an, dass ventrikuläre Faserorientierungen eines Herzens exakt vorgegebenen die Geometrie des Herzens und einem Atlas, wobei der Atlas ist ein Herz, deren Geometrie und Faserorientierungen stehen vorhergesagt werden. Dementsprechend haben wir modernste Techniken, um eine Methodik zur Abschätzung der kardialen Faserorientierungen in vivo zu entwickeln, und testeten die Hypothese, in normalen und andernfalls canine Ventrikel 2. Die zentrale Idee unserer Faser Schätzung Methodik ist similaritie nutzens in Faserorientierungen, bezogen auf Geometrie, zwischen verschiedenen Herzen, um ungefähre der Faserstruktur eines (Ziel-) Herzen, für die nur die Geometrie Informationen verfügbar sind. Im Herzen unserer Einschätzung Methodik ist die Registrierung des atlas Geometrie mit der Soll-Geometrie mit großen Verformungen diffeomorph metrischen Mapping (LDDMM) 11, und das Morphing von atlas Faserorientierungen mit Erhalt der Hauptkomponenten (PPD) 2, 12. Die diffeomorphicproperty der LDDMM garantiert, dass der Atlas nicht &quot;foldover&quot; selbst während der Verformung und damit die Erhaltung der integrityof anatomischen Strukturen. Abbildung 1 die Verarbeitungs-Pipeline unserer Methodik veranschaulicht. Das Protokoll Textteil § 1 beschreibt die verschiedenen Komponenten der Rohrleitung durch den Nachweis, wie die Schätzung für ein Beispiel Patienten durchgeführt werden kann. Die Zahlen in einige der Blöcke in 1 beziehen sich auf die entsprechendeUnterabschnitte gemäß § § 1 des Protokolls Text. Wir untersuchten die Leistung der vorgeschlagenen Methodik durch die Quantifizierung der Schätzfehler, und Messen der Auswirkung dieses Fehlers onsimulations der Elektrophysiologie des Herzens, indem rechnerisch simuliert lokale elektrische Ansteuerung Karten sowie Pseudo-Elektrokardiogramm (pseudo-EKGs). Aufgrund der Nichtverfügbarkeit der menschlichen Herzen, wurde die Leistungsbewertung unter Verwendung canine Herzen Verfügung aus früheren Studien 13-15. Der Schätzfehler wurde mittels Neigungswinkeln 16, followingthe Tradition der Histologie, wo Winkelmessungen sind performedon Gewebeschnitten, die geschnitten parallel zur epicardialsurface berechnet. Da die angleBetween die Faserrichtung und epikardialen Tangentialebene generallysmall 17, 18, ​​der Informationsverlust bei der Beschreibung eines fiberdirection vollständig mit ihr Neigungswinkel ist unerheblich. Für die computationale Simulationen bildbasierten Modelle wurden gebaut wie zuvor berichtet 19, 20, und Herzgewebe in den Modellen wurde basierend auf festgelegten mathematischen Techniken und experimentellen Daten von 21 bis 25 repräsentiert. Sinusrhythmus wurde simuliert durch die Replikation aktiviert, die aus der Purkinje-Netzwerk 26 und ventrikuläre Tachykardie, von einem S1-S2 Stimulation Protokoll 27. Pseudo-EKGs wurden 28 berechnet und verglichen mit der mittlere absolute Abweichung (MAD) metrisch 29.

<table border="1"><tbody><tr><td> LDDMM </td><td> Johns Hopkins University </td><td></td><td> <a href="http://cis.jhu.edu/software/lddmm-volume/index.php" target="_blank">http://cis.jhu.edu/software/lddmm-volume/index.php</a> </td></tr><tr><td> MATLAB </td><td> Mathworks, Inc. </td><td> R2011b </td><td> <a href="http://www.mathworks.com/products/matlab/" target="_blank">http://www.mathworks.com/products/matlab/</a> </td></tr><tr><td> ImageJ </td><td> National Institutes of Health </td><td></td><td> <a href="http://rsbweb.nih.gov/ij/" target="_blank">http://rsbweb.nih.gov/ij/</a> </td></tr><tr><td> Tarantel </td><td> CAE Software Solutions </td><td></td><td> <a href="http://www.meshing.at/Spiderhome/Tarantula.html" target="_blank">http://www.meshing.at/Spiderhome/Tarantula.html</a> </td></tr><tr><td> CARP </td><td> CardioSolv</td><td></td><td> <a href="http://cardiosolv.com/" target="_blank">http://cardiosolv.com/</a> </td></tr><tr><td> Canine Bilder </td><td> Johns Hopkins University </td><td></td><td> <a href="http://www.ccbm.jhu.edu/research/DTMRIDS.php" target="_blank">http://www.ccbm.jhu.edu/research/DTMRIDS.php</a> </td></tr></tbody></table>

patient-specific modeling of the heart: estimation of ventricular fiber orientations

Patientenspezifische Simulationen des Herzens (dys) Funktion bei Personalisierung Herztherapie gerichtet sind durch die Abwesenheit von in-vivo-Bildgebung für klinisch Erfassen myokardialen Faserorientierungen behindert. Das Ziel dieses Projektes war es, eine Methodik zur kardialen Faserorientierung in vivo-Bilder des Patienten Herzen Geometrien schätzen zu entwickeln. Eine genaue Darstellung der Geometrie und ventrikulären Faserorientierungen rekonstruiert jeweils von hochauflösenden ex vivo strukturellen Magnetresonanz (MR) und Diffusionstensors (DT) MR-Bilder eines normalen menschlichen Herzens, bezeichnet als Atlas. Ventrikelgeometrie Herzen eines Patienten gewonnen wurde, über halbautomatischen Segmentierung, einer In-vivo-Computertomographie (CT) Bild. Mit Bildumwandlungsalgorithmen wurde der Atlas Ventrikelgeometrie verformt, dass der Patient entsprechen. Schließlich wurde die Verformungsfeld dem Atlas Faser aufgebracht orientatIonen, um eine Schätzung des Patienten Faserorientierungen erhalten. Die Genauigkeit der Faser Schätzungen wurde anhand sechs normale und drei andernfalls canine Herzen. Die mittlere absolute Differenz zwischen Neigungswinkeln von erworbenen und geschätzt Faserorientierungen betrug 15,4 °. Computersimulationen ventrikuläre Aktivierung Karten und pseudo-EKGs im Sinusrhythmus und ventrikuläre Tachykardie angegeben, dass es keine signifikanten Unterschiede zwischen geschätzten und erwarb Faserorientierungen an einer klinisch beobachtbaren level.The neue Erkenntnisse aus dem Projekt erhalten wird den Weg für die Entwicklung von ebnen Patienten-spezifischen Modellen des Herzens, die Ärzte in der personalisierten Diagnostik und Entscheidungen über elektrophysiologische Eingriffe helfen kann.

Abbildung 11 zeigt AC gestrafft Visualisierungen geschätzt sowie DTMRI-derived Faserorientierungen in normalen und versagenden Herzen. Qualitative Untersuchung zeigt, dass die geschätzten Faserorientierungen genau über DTMRI-derived diejenigen. Tafel D zeigt, überlagert von der Geometrie des Herzens 1, die Verteilung der Fehler im normalen Herzen &#39;Neigungswinkeln, gemittelt über alle fünf Schätzungen. Tafel E zeigt die mittlere Verteilung der Fehler im versagenden Herzen &#39;Neigungswinkel, ...

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Patient-specific Modeling of the Heart: Estimation of Ventricular Fiber Orientations

Eine Methodik zur ventrikulären Faserorientierung in vivo-Bilder des Patienten Herzen Geometrien für personalisierte Modellierung abzuschätzen beschrieben. Validierung der Methodik unter Verwendung von normalen und andernfalls caninen Herzen zeigen, dass, dass es keine signifikanten Unterschiede zwischen geschätzten und erworbenen Faserorientierungen in einer klinisch beobachtbaren Ebene.

Patienten-spezifischer Modellierung des Herz: Schätzung der Ventrikuläre Faserorientierungen

Patient-specific  simulations of heart (dys)function aimed at personalizing cardiac therapy are hampered  by the absence of in vivo imaging technology for ...

patient-specific-modeling-heart-estimation-ventricular-fiber

Research

JoVE Journal

Bioengineering

13.6K Aufrufe.  Johns Hopkins University. Eine Methodik zur ventrikulären Faserorientierung in vivo-Bilder des Patienten Herzen Geometrien für personalisierte Modellierung abzuschätzen beschrieben. Validierung der Methodik unter Verwendung von normalen und andernfalls caninen Herzen zeigen, dass, dass es keine signifikanten Unterschiede zwischen geschätzten und erworbenen Faserorientierungen in einer klinisch beobachtbaren Ebene.

Serie: Patient-specific Modeling of the Heart: Estimation of Ventricular Fiber Orientations

High-resolution Fiber-optic Microendoscopy for in situ Cellular Imaging

Many biological and clinical studies require the longitudinal study and analysis of morphology and function with cellular level resolution. Traditionally, multiple experiments are run in parallel, with individual samples removed from the study at sequential time points for evaluation by light microscopy. Several intravital techniques have been developed, with confocal, multiphoton, and second harmonic microscopy all demonstrating their ability to be used for imaging in situ 1. With these systems, however, the required infrastructure is complex and expensive, involving scanning laser systems and complex light sources. Here we present a protocol for the design and assembly of a high-resolution microendoscope which can be built in a day using off-the-shelf components for under US$5,000. The platform offers flexibility in terms of image resolution, field-of-view, and operating wavelength, and we describe how these parameters can be easily modified to meet the specific needs of the end user.
We and others have explored the use of the high-resolution microendoscope (HRME) in in vitro cell culture 2-5, in excised 6 and living animal tissues 2,5, and in human tissues in vivo 2,7. Users have reported the use of several different fluorescent contrast agents, including proflavine 2-4, benzoporphyrin-derivative monoacid ring A (BPD-MA) 5, and fluoroscein 6,7, all of which have received full, or investigational approval from the FDA for use in human subjects. High-resolution microendoscopy, in the form described here, may appeal to a wide range of researchers working in the basic and clinical sciences. The technique offers an effective and economical approach which complements traditional benchtop microscopy, by enabling the user to perform high-resolution, longitudinal imaging in situ.

High-resolution Fiber-optic Microendoscopy for in situ Cellular Imaging

In many biological and clinical situations it is advantageous to study cellular processes as they evolve in their native microenvironment. Here we describe the assembly and use of a low-cost fiber-optic microscope which can provide real time imaging in cell culture, animal studies, and clinical patient studies.

Hochauflösende LWL-Mikroendoskopiesysteme für In situ Cellular Imaging

Many biological and clinical studies require the longitudinal study and analysis of morphology and function with cellular level resolution.  ...

Forschung

Biotechnik

Multiparametric Optical Mapping of the Langendorff-perfused Rabbit Heart

Optical imaging and fluorescent probes have significantly advanced research methodology in the field of cardiac electrophysiology in ways that could not have been accomplished by other approaches1. With the use of the calcium- and voltage-sensitive dyes, optical mapping allows measurement of transmembrane action potentials and calcium transients with high spatial resolution without the physical contact with the tissue. This makes measurements of the cardiac electrical activity possible under many conditions where the use of electrodes is inconvenient or impossible1. For example, optical recordings provide accurate morphological changes of membrane potential during and immediately after stimulation and defibrillation, while conventional electrode techniques suffer from stimulus-induced artifacts during and after stimuli due to electrode polarization1. 
The Langendorff-perfused rabbit heart is one of the most studied models of human heart physiology and pathophysiology. Many types of arrhythmias observed clinically could be recapitulated in the rabbit heart model. It was shown that wave patterns in the rabbit heart during ventricular arrhythmias, determined by effective size of the heart and the wavelength of reentry, are very similar to that in the human heart2. It was also shown that critical aspects of excitation-contraction (EC) coupling in rabbit myocardium, such as the relative contribution of sarcoplasmic reticulum (SR), is very similar to human EC coupling3. Here we present the basic procedures of optical mapping experiments in Langendorff-perfused rabbit hearts, including the Langendorff perfusion system setup, the optical mapping systems setup, the isolation and cannulation of the heart, perfusion and dye-staining of the heart, excitation-contraction uncoupling, and collection of optical signals. These methods could be also applied to the heart from species other than rabbit with adjustments to flow rates, optics, solutions, etc.
Two optical mapping systems are described. The panoramic mapping system is used to map the entire epicardium of the rabbit heart4-7. This system provides a global view of the evolution of reentrant circuits during arrhythmogenesis and defibrillation, and has been used to study the mechanisms of arrhythmias and antiarrhythmia therapy8,9. The dual mapping system is used to map the action potential (AP) and calcium transient (CaT) simultaneously from the same field of view10-13. This approach has enhanced our understanding of the important role of calcium in the electrical alternans and the induction of arrhythmia14-16.

This article describes the basic procedures for conducting optical mapping experiments in the Langendorff-perfused rabbit heart using the panoramic imaging system, and the dual (voltage and calcium) imaging modality.

Multiparametrische Optical Mapping der Langendorff-perfundierten Rabbit Heart

Optical imaging and fluorescent probes have significantly advanced research methodology in the field of cardiac electrophysiology in ways that could not ...

Targeting Neuronal Fiber Tracts for Deep Brain Stimulation Therapy Using Interactive, Patient-Specific Models

Deep brain stimulation (DBS), which involves insertion of an electrode to deliver stimulation to a localized brain region, is an established therapy for movement disorders and is being applied to a growing number of disorders. Computational modeling has been successfully used to predict the clinical effects of DBS; however, there is a need for novel modeling techniques to keep pace with the growing complexity of DBS devices. These models also need to generate predictions quickly and accurately. The goal of this project is to develop an image processing pipeline to incorporate structural magnetic resonance imaging (MRI) and diffusion weighted imaging (DWI) into an interactive, patient specific model to simulate the effects of DBS. A virtual DBS lead can be placed inside of the patient model, along with active contacts and stimulation settings, where changes in lead position or orientation generate a new finite element mesh and solution of the bioelectric field problem in near real-time, a timespan of approximately 10 seconds. This system also enables the simulation of multiple leads in close proximity to allow for current steering by varying anodes and cathodes on different leads. The techniques presented in this paper reduce the burden of generating and using computational models while providing meaningful feedback about the effects of electrode position, electrode design, and stimulation configurations to researchers or clinicians who may not be modeling experts.

The goal of this project is to develop an interactive, patient-specific modeling pipeline to simulate the effects of deep brain stimulation in near real-time and provide meaningful feedback as to how these devices influence neural activity in the brain.

Targeting neuronalen Faser Traktate für Deep Brain Stimulationstherapie mit interaktiven, patientenspezifische Modelle

Deep brain stimulation (DBS), which involves insertion of an electrode to deliver stimulation to a localized brain region, is an established therapy for ...

Light-sheet Fluorescence Microscopy for the Study of the Murine Heart

Light-sheet fluorescence microscopy has been widely used for rapid image acquisition with a high axial resolution from micrometer to millimeter scale. Traditional light-sheet techniques involve the use of a single illumination beam directed orthogonally at sample tissue. Images of large samples that are produced using a single illumination beam contain stripes or artifacts and suffer from a reduced resolution due to the scattering and absorption of light by the tissue. This study uses a dual-sided illumination beam and a simplified CLARITY optical clearing technique for the murine heart. These techniques allow for deeper imaging by removing lipids from the heart and produce a large field of imaging, greater than 10 x 10 x 10 mm3. As a result, this strategy enables us to quantify the ventricular dimensions, track the cardiac lineage, and localize the spatial distribution of cardiac-specific proteins and ion-channels from the post-natal to adult mouse hearts with sufficient contrast and resolution.

This study uses a dual-sided illumination light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) technique combined with optical clearing to study the murine heart.

Licht-Blatt Fluoreszenzmikroskopie for the Study of Murine Herzen

Light-sheet fluorescence microscopy has been widely used for rapid image acquisition with a high axial resolution from micrometer to millimeter scale. ...

Biaxial Mechanical Characterizations of Atrioventricular Heart Valves

Extensive biaxial mechanical testing of the atrioventricular heart valve leaflets can be utilized to derive&#160;optimal parameters used in constitutive models, which provide a mathematical representation of the mechanical function of those structures. This presented biaxial mechanical testing protocol involves (i) tissue acquisition, (ii) the preparation of tissue specimens, (iii) biaxial mechanical testing, and (iv) postprocessing of the acquired data. First, tissue acquisition requires obtaining porcine or ovine hearts from a local Food and Drug Administration-approved abattoir for later dissection to retrieve the valve leaflets. Second, tissue preparation requires using tissue specimen cutters on the leaflet tissue to extract a clear zone for testing. Third, biaxial mechanical testing of the leaflet specimen requires the use of a commercial biaxial mechanical tester, which consists of force-controlled, displacement-controlled, and stress-relaxation testing protocols to characterize the leaflet tissue&#39;s mechanical properties. Finally, post-processing requires the use of data image correlation techniques and force and displacement readings to summarize the tissue&#39;s mechanical behaviors in response to external loading. In general, results from biaxial testing demonstrate that the leaflet tissues yield a nonlinear, anisotropic mechanical response. The presented biaxial testing procedure is advantageous to other methods since the method presented here allows for a more comprehensive characterization of the valve leaflet tissue under one unified testing scheme, as opposed to separate testing protocols on different tissue specimens. The proposed testing method has its limitations in that shear stress is potentially present in the tissue sample. However, any potential shear is presumed negligible.

This protocol involves characterizations of atrioventricular valve leaflets with force-controlled, displacement-controlled, and stress-relaxation biaxial mechanical testing procedures. Results acquired with this protocol can be used for constitutive model development to simulate the mechanical behavior of functioning valves under a finite element simulation framework.

Biaxiale mechanische Charakterisierung von ventrikulären Herzklappen

Extensive biaxial mechanical testing of the atrioventricular heart valve leaflets can be utilized to derive&#160;optimal parameters used in constitutive ...

Optical Imaging of Isolated Murine Ventricular Myocytes

The ability to isolate adult cardiac myocytes has permitted researchers to study a variety of cardiac pathologies at the single cell level. While advances in calcium sensitive dyes have permitted the robust optical recording of single cell calcium dynamics, recording of robust transmembrane optical voltage signals has remained difficult. Arguably, this is because of the low single to noise ratio, phototoxicity, and photobleaching of traditional potentiometric dyes. Therefore, single cell voltage measurements have long been confined to the patch clamp technique which while the gold standard, is technically demanding and low throughput. However, with the development of novel potentiometric dyes, large, fast optical responses to changes in voltage can be obtained with little to no phototoxicity and photobleaching. This protocol describes in detail how to isolate adult murine myocytes which can be used for cellular shortening, calcium, and optical voltage measurements. Specifically, the protocol describes how to use a ratiometric calcium dye, a single-excitation calcium dye, and a single excitation voltage dye. This approach can be used to assess the cardiotoxicity and arrhythmogenicity of various chemical agents. While phototoxicity is still an issue at the single cell level, methodology is discussed on how to reduce it.

We present the methodology for the isolation of murine myocytes and how to obtain voltage or calcium traces simultaneously with sarcomere shortening traces using fluorescence photometry with simultaneous digital cell geometry measurements.

Optische Bildgebung von isolierten ventrikulären Myozyten

The ability to isolate adult cardiac myocytes has permitted researchers to study a variety of cardiac pathologies at the single cell level. While advances ...

Evaluation of Left Ventricular Structure and Function using 3D Echocardiography

Three-dimensional (3D) quantification of the left ventricle (LV) provides significant added value in terms of diagnostic accuracy and precise risk stratification in various cardiac disorders. Recently, 3D echocardiography became available in routine cardiology practice; however, high-quality image acquisition and subsequent analysis have a steep learning curve. The present article aims to guide the reader through a detailed 3D protocol by presenting tips and tricks and also by highlighting the potential pitfalls to facilitate the widespread but technically sound use of this important technique concerning the LV. First and foremost, we show the acquisition of a high-quality 3D dataset with optimal spatial and temporal resolution. Then, we present the analytical steps toward a detailed quantification of the LV by using one of the most widely applied built-in software. We will quantify LV volumes, sphericity, mass and also systolic function by measuring ejection fraction and myocardial deformation (longitudinal and circumferential strain). We will discuss and provide clinical examples about the essential scenarios where the transition from a conventional echocardiographic approach to a 3D-based quantification is highly recommended.

In this article, we provide a step-by-step acquisition and analysis protocol for the volumetric assessment and speckle-tracking analysis of the left ventricle by 3D echocardiography, particularly focusing on practical aspects that maximize the feasibility of this technique.

Bewertung der linksventrikulären Struktur und Funktion mittels 3D-Echokardiographie

Three-dimensional (3D) quantification of the left ventricle (LV) provides significant added value in terms of diagnostic accuracy and precise risk ...

Patient-Specific Polyvinyl Alcohol Phantom Fabrication with Ultrasound and X-Ray Contrast for Brain Tumor Surgery Planning

Phantoms are essential tools for clinical training, surgical planning and the development of novel medical devices. However, it is challenging to create anatomically accurate head phantoms with realistic brain imaging properties because standard fabrication methods are not optimized to replicate any patient-specific anatomical detail and 3D printing materials are not optimized for imaging properties. In order to test and validate a novel navigation system for use during brain tumor surgery, an anatomically accurate phantom with realistic imaging and mechanical properties was required. Therefore, a phantom was developed using real patient data as input and 3D printing of molds to fabricate a patient-specific head phantom comprising the skull, brain and tumor with both ultrasound and X-ray contrast. The phantom also had mechanical properties that allowed the phantom tissue to be manipulated in a similar manner to how human brain tissue is handled during surgery. The phantom was successfully tested during a surgical simulation in a virtual operating room.
The phantom fabrication method uses commercially available materials and is easy to reproduce. The 3D printing files can be readily shared, and the technique can be adapted to encompass many different types of tumor.

This protocol describes the fabrication of a patient specific skull, brain and tumor phantom. It uses 3D printing to create molds, and polyvinyl alcohol (PVA-c) is used as the tissue mimicking material.

Patientenspezifische Polyvinylalkohol-Phantomfertigung mit Ultraschall- und Röntgenkontrast für die Planung von Hirntumorchirurgie

Phantoms are essential tools for clinical training, surgical planning and the development of novel medical devices. However, it is challenging to create ...

Evaluating Regional Pulmonary Deposition using Patient-Specific 3D Printed Lung Models

Development of targeted therapies for pulmonary diseases is limited by the availability of preclinical testing methods with the ability to predict regional aerosol delivery. Leveraging 3D printing to generate patient-specific lung models, we outline the design of a high-throughput, in vitro experimental setup for quantifying lobular pulmonary deposition. This system is made with a combination of commercially available and 3D printed components and allows the flow rate through each lobe of the lung to be independently controlled. Delivery of fluorescent aerosols to each lobe is measured using fluorescence microscopy. This protocol has the potential to promote the growth of personalized medicine for respiratory diseases through its ability to model a wide range of patient demographics and disease states. Both the geometry of the 3D printed lung model and the air flow profile setting can be easily modulated to reflect clinical data for patients with varying age, race, and gender. Clinically relevant drug delivery devices, such as the endotracheal tube shown here, can be incorporated into the testing setup to more accurately predict a device&#8217;s capacity to target therapeutic delivery to a diseased region of the lung. The versatility of this experimental setup allows it to be customized to reflect a multitude of inhalation conditions, enhancing the rigor of preclinical therapeutic testing.

We present a high-throughput, in vitro method for quantifying regional pulmonary deposition at the lobe level using CT scan-derived, 3D printed lung models with tunable air flow profiles.

Bewertung der regionalen Lungenabscheidung mit patientenspezifischen 3D-gedruckten Lungenmodellen

Development of targeted therapies for pulmonary diseases is limited by the availability of preclinical testing methods with the ability to predict ...

Quantification of Mouse Heart Left Ventricular Function, Myocardial Strain, and Hemodynamic Forces by Cardiovascular Magnetic Resonance Imaging

Mouse models have contributed significantly to understanding genetic and physiological factors involved in healthy cardiac function, how perturbations result in pathology, and how myocardial diseases may be treated. Cardiovascular magnetic resonance imaging (CMR) has become an indispensable tool for a comprehensive in vivo assessment of cardiac anatomy and function. This protocol shows detailed measurements of mouse heart left ventricular function, myocardial strain, and hemodynamic forces using 7-Tesla CMR. First, animal preparation and positioning in the scanner are demonstrated. Survey scans are performed for planning imaging slices in various short- and long-axis views. A series of prospective ECG-triggered short-axis (SA) movies (or CINE images) are acquired covering the heart from apex to base, capturing end-systolic and end-diastolic phases. Subsequently, single-slice, retrospectively gated CINE images are acquired in a midventricular SA view, and in 2-, 3-, and 4-chamber views, to be reconstructed into high-temporal resolution CINE images using custom-built and open-source software. CINE images are subsequently analyzed using dedicated CMR image analysis software.
Delineating endomyocardial and epicardial borders in SA end-systolic and end-diastolic CINE images allows for the calculation of end-systolic and end-diastolic volumes, ejection fraction, and cardiac output. The midventricular SA CINE images are delineated for all cardiac time frames to extract a detailed volume-time curve. Its time derivative allows for the calculation of the diastolic function as the ratio of the early filling and atrial contraction waves. Finally, left ventricular endocardial walls in the 2-, 3-, and 4-chamber views are delineated using feature-tracking, from which longitudinal myocardial strain parameters and left ventricular hemodynamic forces are calculated. In conclusion, this protocol provides detailed in vivo quantification of the mouse cardiac parameters, which can be used to study temporal alterations in cardiac function in various mouse models of heart disease.

This study describes a comprehensive cardiovascular magnetic resonance imaging (CMR) protocol to quantify the left ventricular functional parameters of the mouse heart. The protocol describes the acquisition, post-processing, and analysis of the CMR images as well as assessment of different cardiac functional parameters.

Quantifizierung der linksventrikulären Funktion des Mausherzens, des Myokardstamms und der hämodynamischen Kräfte durch kardiovaskuläre Magnetresonanztomographie

Mouse models have contributed significantly to understanding genetic and physiological factors involved in healthy cardiac function, how perturbations ...