Downloaded from UvA-DARE, the institutional repository of the University of Amsterdam (UvA) http://hdl.handle.net/11245/2.114608
File ID Filename Version
uvapub:114608 Samenvatting unknown
SOURCE (OR PART OF THE FOLLOWING SOURCE): Type PhD thesis Title Multiscale analysis of coronary branching and collateral connectivity: coupling vascular structure and perfusion in 3D Author(s) P. van Horssen Faculty AMC-UvA Year 2012
FULL BIBLIOGRAPHIC DETAILS: http://hdl.handle.net/11245/1.385935
Copyright It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content licence (like Creative Commons). UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl) (pagedate: 2014-11-24)
Samenvatting
153
Samenvatting Doel van dit proefschrift is om de vasculaire structuur van de vaten in het hart te relateren aan de doorbloeding van de hartspier. Een goed begrip van de vasculaire structuur is van belang voor het voorspellen van het verloop van hart- en vaatziektes. Tot op heden was dit echter niet mogelijk door de geringe mogelijkheden voor het afbeelden van kleine vaten in het hart. De koppeling van vaatstructuur met lokale perfusie maakt het mogelijk om de directe impact te onderzoeken van vasculaire problemen, maar kan ook gebruikt worden om basale relaties tussen de vaatboom en de doorbloeding te toetsen. Tevens kan zulke informatie dienen als basis voor mathematische modellen die het hart in zieke en gezonde toestand beschrijven en het effect van verminderde doorbloeding tijdens ziekte van de hartspier kunnen voorspellen. Verscheidene beeldvormende technieken zijn in staat om de vaatstructuur van het hart in kaart te brengen. Bij het merendeel van deze technieken is de resolutie echter beperkt en is er geen mogelijkheid tot het meten van lokale doorbloeding. Het gebruik van een zogenaamde imaging cryomicrotoom maakt dit wel mogelijk. Bij deze techniek worden tijdens een experiment kleine fluorescente partikels, genaamd microsferen, aan de bloedstroom toegevoegd. Deze kleine partikels zijn 15 micrometer groot en blijven vast zitten nog voor de het capillaire netwerk. Na het experiment worden de bloedvaten gevuld met een fluorescent plastic. Het hart wordt vervolgens bevroren waarna er opvolgend plakken in de orde van enkele micrometers vanaf worden gesneden. Na iedere snede wordt er een foto van het oppervlak gemaakt. Tijdens het fotograferen kan dan met behulp van de juiste excitatie en emissie filters een afbeelding gemaakt worden van enkel de vaten of enkel de fluorescente partikels. Door de fluorescente eigenschappen kunnen ook deze microsferen uniek gedetecteerd worden. Flow meting tijdens injectie maakt het mogelijk de microsfeer distributie te relateren aan een fractie van gemeten flow. De methode van cryomicrotoom analyse kent een veelvoud van toepassingen, echter in dit proefschrift ligt de nadruk op vaatstructuur en doorbloeding in de hartspier. In hoofdstuk 1 wordt een algemene introductie gegeven over de werking van het hart. Hierin ligt de focus op de coronaire vaatstructuur en er wordt in het kort beschreven hoe perfusie in de hartspier gereguleerd wordt. Tevens wordt er uiteengezet hoe de arteriële vaatboom tot nu toe kwantitatief beschreven is. De nadruk hierbij ligt op de aanwezigheid van schaalregels tussen de verschillende grootheden in de boom. Het hoofdstuk sluit af met een korte beschrijving van de huidige cryomicrotoom typen welke inmiddels bij verschillende onderzoeksgroepen ontwikkeld zijn. Een uitvoerige beschrijving van de cryomicrotoom opstelling wordt gegeven in hoofdstuk 2. De werking van het systeem en tevens het proces van voorbereiding van de samples wordt beschreven. Drie verschillende harten worden in detail uitgewerkt als illustratie van de functionaliteit van de opstelling, een mensenhart, varkenshart en hondenhart. De beeldverwerkingstappen om tot een correcte driedimensionale weergave van de vaatboom te komen worden in detail beschreven. Een fantoom dataset laat zien dat diameter
154
Samenvatting
metingen gedaan met de cryomicrotoom overeenkomen met diameter metingen zoals gedaan met een microscoop. Het mensenhart dient als illustratie voor deze methode. Met behulp van een additionele voorzetlens in de opstelling kan een resolutie van 3 micrometer bereikt worden. Een regio binnen een varkenshart, gevuld met een fluorescerend plastic wat doordrong tot op het capillaire niveau, wordt getoond in dit hoofdstuk als illustratie van deze techniek. Ter afsluiting wordt tevens een simulatie van de doorbloeding gedaan op vaatdata afkomstig van het hondenhart. Hondenharten staan er om bekend een groot aantal preexistente collateralen te bevatten. Collaterale vaten zijn vaten welke twee slagaders met elkaar verbinden. In een gezonde situatie stroomt er om die reden weinig bloed door collaterale vaten. In ziekte echter, kunnen collaterale vaten als natuurlijke bypass functioneren door een deel van het hart wat te weinig bloed ontvangt, te verbinden met een gedeelte wat nog wel voldoende wordt doorbloed. Het reguleren en voortbestaan van de collaterale vaten is afhankelijk van de wrijving die het bloed uitoefent op de cellen aan de binnenzijde van het vat, dit is de zogenaamde schuifspanning. De bloedstroom simulatie toont aan dat ook in het gezonde hart, bloed door de collateralen vaten stroomt met een schuifspanning in dezelfde orde als de omliggende vasculatuur. In hoofdstuk 3 wordt dieper ingegaan op de distributie van het collaterale netwerk in hondenharten. Zes harten vormen de basis voor de dataset. Special voor deze toepassing ontwikkelde software maakt het mogelijk dat de collaterale segmenten automatisch worden gedetecteerd. Collaterale segmenten worden geclassificeerd in intra- en inter-coronaire collateralen afhankelijk van hun positie. De intra liggen binnenin de coronaire arteriën waar de inter tussen de coronaire arteriën liggen. Het blijkt dat de collateralen vaten geen preferente connectiviteit hebben. Wel is er sprake van een hogere dichtheid naar mate de binnenste, de endocardiale, laag van het hart bereikt wordt. De diameter van deze preexistente collateralen is vrijwel identiek en rond de 100 micrometer. De verdeling op basis van connectiviteit laat geen verschil in diameter zien tussen intra- en inter-coronaire collateralen. Zelfs als de collaterale diameter gerelateerd wordt aan de grootte van de gekoppelde perfusie gebieden is er geen relatie tussen diameter en gebiedgrootte te zien. Wel neemt het aantal collaterale vaten toe. De conclusie van deze studie is dat de collaterale vaten niet zozeer aanwezig zijn in gebieden met daartussen een mogelijke drukgradiënt, maar dat deze collateralen segmenten onderdeel zijn van een gelijkwaardig verdeelt netwerk. Hetgeen de hartspier evenredig beschermt laat in het geval van een coronaire occlusie. Een specifiek geval van collaterale groei wordt getoond in hoofdstuk 4. De beschreven techniek van collateraal detectie is hier toegepast op een mensenhart dat beschikbaar was gekomen na transplantatie. Dit hart had vanaf de vroege ontwikkeling slecht één coronair arterie met in dit geval repetitieve ischemie tot gevolg, waardoor er een malformatie van vaatgroei was ontstaan. Dit uitte zich in de vorm van een vasculaire plexus, een parallelle bundel van vaten in het endocard. Hoewel dit al eerder beschreven is vanuit een kwalitatief oogpunt, is het voor het eerste kwantitatief gemaakt in dit hoofdstuk. De hart bevatte in een conservatieve schatting 113 collateralen waarvan 75% als deel van de plexus. De
Samenvatting
155
observaties uit dit hoofdstuk kunnen als leidraad dienen voor eerdere herkenning van een dergelijke plexus in de kliniek. In hoofdstuk 5 wordt een methode uiteengezet die het aantal te detecteren fluorescenten in de cryomicrotome opstelling verhoogt, en tevens de detectie verbeterd. Doordat er overlap bestaat in de excitatie en emissie spectra van de mogelijk fluorescente labels, is het slechts mogelijk om 4 labels uniek in beeld te brengen. Echter dit aantal kan verhoogt worden door beelden met een gemeenschappelijke gemeten labels van elkaar af te trekken. De beschreven techniek verhoogt het aantal labels tot 6. De transparantie van het weefsel kan tot valse identificatie van een fluorescent partikel leiden. Een per slice aanpak wordt beschreven om de aanwezige transparantie met behulp van de zogenaamde punt spreid functie te verwijderen op een niet rekenintensieve manier. Detectie in de gecorrigeerde dataset wordt gedaan op basis van de uiterlijke kenmerken van de microsferen. De koppeling tussen perfusie en vaatstructuur wordt gemaakt in hoofdstuk 6. Voor het verwijderen van tumor weefsel in nieren wordt cryoablatie gebruikt. Hierbij wordt het weefsel lokaal geableerd doormiddel van 3 naalden die tot -80 graden Celsius gekoeld worden. Kennis van het verloop van de vaatschade in de tijd is hierbij van belang. Het effect van deze techniek is onderzocht voor gezonde varkensnieren voor oplopende tijd na ablatie. Doordat zowel de vaatstructuur als ook de locatie van de geïnjecteerde microsferen bekend zijn kan er een reconstructie van de schade aan vaatboom en perfusie gedaan worden. Hieruit volgt dat acuut na de ablatie, alle kleine vaten van onder de 180 micrometer in diameter verdwenen zijn en tevens de perfusie in het geableerde gebied. Echter pas na 2 weken is er sprake van volledige vernietiging van de vaatstructuur binnen het gebied. Toetsing van het effect van de cryoablatie in de kliniek kan dus het best pas na 2 weken gedaan worden. Hoofdstuk 7 beschrijft een onderverdeling van de transmurale vaten van het hart op basis van de gemiddelde positie van de terminale segmenten. Takken zijn zo op te splitsen in drie typen op basis van transmurale diepte. Het weefsel van de hartspier wordt toegekend aan de dichtstbijzijnde takken door een Voronoi verdeling op basis van de terminale segmenten. Het volume van de Voronoi cellen van een specifieke tak vormt het bijbehorende perfusie gebeid. Deze analyse was uitgevoerd voor 8 hondenharten. In tegenstelling tot een strikt transmurale verdeling van de vaten, heeft iedere laag een aantal subtakken die specifiek verantwoordelijk zijn voor de perfusie binnen dat gebied. Met name de endocardiale laag van het hart heeft een klein aantal takken specifiek voor deze diepte, die per stuk verantwoordelijk zijn voor een relatief groot gebied. Voor de verdeling op basis van deze takken is te zien dat de endocardiale takken een hogere vaatdichtheid hebben ten opzichte van de midmyocardiale en vooral de epicardiale takken. De hogere dichtheid heeft als direct gevolg dat schaalregels tussen weefselvolume en vaatvolume anders zijn. Deze observaties hebben invloed op enerzijds de manier waarop nu schaalregels bestudeerd worden maar ook op de manier waarop de vaatboom in mathematische modellen gereconstrueerd wordt.
156
Samenvatting
In hoofdstuk 8 wordt een non-invasie methode van het inschatten van de ernst van een vernauwing gevalideerd voor hoge resolutie data. De ernst van een coronaire vernauwing wordt doorgaans bepaalt door de FFR waarde op basis van drukmetingen. Echter het is aangetoond in voorgaand werk dat met behulp van angiogrammen ook een inschatting gemaakt kan worden van de FFR op non-invasieve wijze. Dit is mogelijk doordat enerzijds contrast wash-out in het angiogram gebruikt wordt als flow meting en anderzijds doordat het vaatvolume in de beelden gerelateerd kan worden aan maximale hyperemische flow indien er geen vernauwing was. Dit laatste kan doordat er een schaalrelatie van de vorm Y=aXb bestaat tussen vaatvolume en maximale hyperemische flow. In het hoofdstuk 8 wordt deze schaalrelatie getoetst voor cryomicrotoom data voor vijf hondenharten met microsfeer injecties in de LAD. Vervolgens wordt het level van detail in de data kunstmatig vermindert om zo het effect van verminderde beeldkwaliteit in de kliniek te simuleren. Uit de data volgt dat de vorm van de schaalrelatie standhoudt, maar dat de exponent b in waarde afneemt. Deze observatie is van belang voor een mogelijke correctie van de exponent b voor klinische beeldvorming waarbij niet alle vaten meegenomen worden in de volume bepaling. Dit kan namelijk betekenen dat de maximale hyperemische flow en daaruit volgende de FFR bepaling onder of overschat wordt indien hier geen rekening mee wordt gehouden. In hoofdstuk 9 worden de resultaten bediscussieert van de onderwerpen die aanbod zijn gekomen in het proefschrift. De relevante fysiologische conclusies worden besproken per onderwerp gevolgd door een uitgebreid overzicht van mogelijke toekomstige studies.
