Quantification of Anatomical and Fluid-Dynamic Anomalies in Fontan Patients Based on Magnetic Resonance Imaging

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorSignorini, Giulia
dc.contributor.authorTirelli, Stefania
dc.contributor.authorPiatti, Filippo
dc.contributor.authorPluchinotta, Francesca
dc.contributor.authorSiryk, Sergii
dc.contributor.authorVotta, Emiliano
dc.contributor.authorLombardi, Massimo
dc.contributor.authorRedaelli, Alberto
dc.contributor.authorСиньйоріні, Джулія
dc.contributor.authorТіреллі, Стефанія
dc.contributor.authorП’ятті, Філіппо
dc.contributor.authorПлучінотта, Франческа
dc.contributor.authorСірик, Сергій Валентинович
dc.contributor.authorВотта, Емільяно
dc.contributor.authorЛомбарді, Массімо
dc.contributor.authorРедаеллі, Альберто
dc.contributor.authorСиньйорини, Джулия
dc.contributor.authorТирелли, Стефания
dc.contributor.authorПьятти, Филиппо
dc.contributor.authorПлучинотта, Франческа
dc.contributor.authorСирык, Сергей Валентинович
dc.contributor.authorВотта, Эмилиано
dc.contributor.authorЛомбарди, Массимо
dc.contributor.authorРэдаелли, Альберто
dc.date.accessioned2018-07-31T12:26:10Z
dc.date.available2018-07-31T12:26:10Z
dc.date.issued2017
dc.description.abstractenBackground. Univentricular diseases are lethal congenital diseases affecting about 2 % of newborns in the western world. Due to these pathologies, only one ventricle pumps blood into the circulatory bed, and arterial and venous blood are mixed, preventing from properly providing tissues and organs with oxygen. These pathologies are currently treated through the so-called Fontan procedure, which is a multi-step and complex surgical approach. The Fontan procedure aims at obtaining the anatomical separation between the systemic and pulmonary circulations, and hence between oxygenated and non-oxygenated blood. However, the only ventricle present in the heart remains the only pumping organ, and blood flow in the pulmonary circulation is merely passive. Also, and importantly, the post-surgical anatomy of the junction between systemic veins and pulmonary arteries is markedly non-physiological. As such, it is associated with altered blood fluid dynamics, undesired energy losses, and, ultimately, sub-optimal quality of life and short life expectancy. Objective. On this basis, clinicians need tools to 1) quantify the post-surgical anatomical and fluid-dynamic alterations, 2) correlate these anatomies to the patients’ prognosis, and 3) identify criteria to improve Fontan surgery. Methods. In order to support the pursue of these goals, we developed a computational tool for the processing of 4D flow data, i.e., phase contrast magnetic resonance images yielding information on the velocity of tissues within a 3D domain. The tool allows for reconstructing the 3D geometry of the surgically treated anatomical district and, through a semi-automated user-interface, extracting relevant geometrical scores, as well as quantifying flow rates in the different vessels, energy losses, and wall shear stresses. A numerical method based on the finite element approach was implemented to estimate relative pressures. Results. The developed tool was preliminarily applied to the analysis of the datasets of six pediatric patients. The analysis of data obtained by two independent users highlighted a good repeatability of geometrical reconstructions, and hence of the quantification of geometrical scores. The method for the quantification of relative pressures was preliminarily tested in a simplified model of the thoracic aorta, with encouraging results. Conclusions. The developed computational tool, which, to the best of our knowledge, is completely novel, helps clinicians to quantify the post-surgical anatomical and fluid-dynamic alterations. Ongoing activities include its application to the real datasets, and the extension of the analysis to a wider cohort of patients, so to check for correlations between the quantitative geometrical and fluid-dynamic indexes with the patients’ prognosis. Such possible correlations could help identifying criteria to improve Fontan surgery.uk
dc.description.abstractruПроблематика. Случай сердца с одним желудочком является летальным врожденным заболеванием, поражающим около 2 % новорожденных в западном мире. Из-за таких патологий только один желудочек качает кровь в кровеносное русло, артериальная и венозная кровь смешиваются, что препятствует обеспечению тканей и органов кислородом должным образом. Эти патологии в настоящее время лечат с помощью так называемой процедуры Фонтана (Fontanprocedure), которая представляет собой многоступенчатый и сложный хирургический подход. Эта процедура направлена на получение анатомического разделения между системным и легочным кругами кровообращения и, следовательно, между обогащенной и необогащенной кислородом кровью. Тем не менее, поскольку кровь накачивается только одним желудочком, кровоток в малом круге кровообращения является пассивным. Кроме того, послеоперационная анатомия соединения между системными венами и легочными артериями при этом становится явно нефизиологической. По существу, это связано с изменениями в динамике крови, нежелательными потерями энергии, что, в конечном счете, ведет к значительному дискомфорту пациента и короткой продолжительности его жизни. Цели исследования. С учетом причин, изложенных выше, врачи нуждаются в вычислительных инструментах, реализованных в виде компьютерного программного обеспечения, для: I) количественной оценки послеоперационных анатомических и гидродинамических изменений; II) сопоставления различных вариантов анатомии для прогноза у больных; III) определения критериев улучшения хирургии процедуры Фонтана. Методика реализации. Для достижения обозначенных целей мы разработали вычислительный инструмент в виде компьютерного программного обеспечения для обработки потоковых 4D-данных, т.е. фазово-контрастных магнитно-резонансных изображений, дающих информацию о распределении скоростей в тканях в трехмерной области. Разработанное программное обеспечение позволяет реконструировать 3D-геометрию подлежащей хирургическому лечению анатомической области и, с помощью полуавтоматического пользовательского интерфейса, извлекать соответствующие геометрические оценки сосудов и количественные оценки скоростей потоков в различных сосудах, оценивать потери энергии, а также пристеночные сдвиговые напряжения. Численный метод, основанный на подходе метода конечных элементов, был реализован для оценки распределения относительного давления. Результаты исследований. Разработанные инструменты были предварительно применены к анализу наборов данных шести педиатрических больных. Анализ данных, полученных с помощью двух независимых пользователей показал хорошую воспроизводимость геометрических реконструкций, и, следовательно, получения количественных геометрических оценок. Метод определения относительных давлений предварительно был протестирован на упрощенной модели грудной аорты, с обнадеживающими результатами. Выводы. Разработанный вычислительный инструмент, который, насколько нам известно, является полностью новым, помогает врачам количественно оценивать послеоперационные анатомические и гидродинамические изменения. Проводимые в настоящий момент исследования включают его применение на реальных наборах данных, а также расширение проводимого анализа к более широкой группе пациентов, чтобы проверить наличие корреляций между количественными геометрическими и гидродинамическими показателями с прогнозом пациентов. Такие возможные корреляции могли бы помочь при определении критериев для дальнейшего улучшения хирургии процедуры Фонтана.uk
dc.description.abstractukПроблематика. Випадок серця з одним шлуночком є летальним вродженим захворюванням, що вражає близько 2 % новонароджених в західному світі. Через такі патології тільки один шлуночок качає кров у кровоносне русло, артеріальна і венозна кров змішуються, що перешкоджає забезпеченню тканин і органів киснем належним чином. Ці патології сьогодні лікують за допомогою так званої процедури Фонтана (Fontan procedure), що являє собою багатоступеневий і складний хірургічний підхід. Ця процедура спрямована на отримання анатомічного поділу між системним і легеневим колами кровообігу і, отже, між збагаченою та незбагаченою киснем кров’ю. Проте оскільки кров накачується тільки одним шлуночком, кровоток у малому колі кровообігу є пасивним. Крім того, післяопераційна анатомія з’єднання між системними венами і легеневими артеріями при цьому стає явно нефізіологічною. По суті, це пов’язано зі змінами в динаміці крові, небажаними втратами енергії, що, зрештою, веде до значного дискомфорту пацієнта та короткої тривалості його життя. Мета дослідження. З урахуванням причин, викладених вище, лікарі потребують обчислювальних інструментів, реалі­зованих у вигляді комп’ютерного програмного забезпечення, для: I) кількісної оцінки післяопераційних анатомічних і гідро­ди­намічних змін; II) зіставлення різних варіантів анатомії для прогнозу у хворих; III) визначення критеріїв поліпшення хірургії процедури Фонтана. Методика реалізації. Для досягнення зазначених цілей ми розробили обчислювальний інструмент у вигляді комп’ю­терного програмного забезпечення для обробки потокових 4D-даних, тобто фазово-контрастних магнітно-резонансних зображень, що дають інформацію про розподіл швидкостей у тканинах у тривимірній області. Розроблене програмне забезпечення дає змогу реконструювати 3D-геометрію анатомічної області, що підлягає хірургічному лікуванню, і, за допомогою напів­авто­матичного користувацького інтерфейсу, отримувати відповідні геометричні оцінки судин та кількісні оцінки швидкостей потоків у різних судинах, оцінювати втрати енергії, а також зсувні напруження біля стінок. Числовий метод, заснований на підході методу скінченних елементів, був реалізований для оцінки розподілу відносного тиску. Результати досліджень. Розроблені інструменти були попередньо застосовані до аналізу наборів даних шести педіат­ричних хворих. Аналіз даних, отриманих двома незалежними користувачами, показав хорошу відтворюваність геометричних реконструкцій і, отже, отримання кількісних геометричних оцінок. Метод визначення відносних тисків попередньо був протестований на спрощеній моделі грудної аорти, з обнадійливими результатами. Висновки. Розроблений обчислювальний інструмент, який, наскільки нам відомо, є повністю новим, покликаний допомогти лікарям кількісно оцінювати післяопераційні анатомічні та гідродинамічні зміни. Дослідження, що продовжуються по цей день, включають його застосування на реальних наборах даних, а також розширення проведеного аналізу до ширшої групи пацієнтів, щоб перевірити наявність кореляцій між кількісними геометричними і гідродинамічними показниками з прогнозом пацієнтів. Такі можливі кореляції могли б допомогти при визначенні критеріїв для подальшого поліпшення хірургії процедури Фонтана.uk
dc.description.sponsorshipThe authors gratefully acknowledge the support of the project AMMODIT funded within EU H2020-MSCA-RICEuk
dc.format.pagerangeС. 79-86uk
dc.identifier.citationQuantification of Anatomical and Fluid-Dynamic Anomalies in Fontan Patients Based on Magnetic Resonance Imaging / G. Signorini, S. Tirelli, F. Piatti, F. Pluchinotta, S. Siryk, E. Votta, M. Lombardi, A. Redaelli // Наукові вісті НТУУ «КПІ» : міжнародний науково-технічний журнал. – 2017. – № 1(111). – С. 79–86. – Бібліогр.: 9 назв.uk
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/1810-0546.2017.1.94670
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/24090
dc.language.isoenuk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорськогоuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.sourceНаукові вісті НТУУ «КПІ» : міжнародний науково-технічний журнал, 2017, № 1(111)uk
dc.subjectmagnetic resonance imaginguk
dc.subject4D flowuk
dc.subjectfluid dynamicsuk
dc.subjectFontan procedureuk
dc.subjectмагнітно-резонансна томографіяuk
dc.subject4D-потікuk
dc.subjectгідродинамікаuk
dc.subjectпроцедура Фонтанаuk
dc.subjectмагнитно-резонансная томографияuk
dc.subject4D-потокuk
dc.subjectгидродинамикаuk
dc.subject.udc519.63: 536.25: 532.5uk
dc.titleQuantification of Anatomical and Fluid-Dynamic Anomalies in Fontan Patients Based on Magnetic Resonance Imaginguk
dc.title.alternativeКількісне визначення анатомічних і гідродинамічних відхилень у пацієнтів, які проходять операцію Фонтана, на основі магнітно-резонансної томографіїuk
dc.title.alternativeКоличественное определение анатомических и гидродинамических отклонений у пациентов, которые проходят операцию Фонтана, на основе магнитно-резонансной томографииuk
dc.typeArticleuk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
NVKPI2017-1_09.pdf
Розмір:
427.25 KB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
7.74 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Наукові вісті НТУУ «КПІ»: міжнародний науково-технічний журнал, № 1(111)