Desenvolvimento de corações virtuais gerados por computador usando ecocardiografia

Fora da medicina, gêmeos virtuais gerados por computador de máquinas reais, como carros ou aviões, têm sido usados ​​na engenharia para permitir a modelagem em um ambiente virtual. Isso é usado para avaliação da aerodinâmica e para identificar áreas de grande tensão e o desempenho das máquinas sob várias condições. Nos últimos dois anos, várias empresas médicas desenvolveram tecnologia semelhante de "gêmeo digital" para modelar o coração de um paciente ou outros órgãos para uso em um ambiente de teste virtual. Semelhante a testar o projeto de um carro ou avião de alto desempenho, essa modelagem está sendo programada para ver o impacto potencial de vários medicamentos, cirurgias ou intervenções de dispositivo em um paciente específico.

"Isso é usar o poder crescente dos computadores para fazer virtualmente e rapidamente o que alguém normalmente faria de forma invasiva, com pesquisa de bancada ou ao longo dos anos. Isso permite a modelagem fisiológica em escala de órgãos", explicou  Mark Cartoski, MD,  especialista em imagens cardíacas e cardioloy pediátrico no Hospital Nemours Alfred I. duPont para Crianças em Wilmington, Del. Ele falou sobre essa tecnologia no  encontro anual da Sociedade Americana de Ecocardiografia (ASE) de 2021  e disse que essa tecnologia pode mudar a forma como os pacientes são examinados e tratados nos próximos anos .

Os fornecedores que desenvolveram essas tecnologias também sugeriram que gêmeos digitais criados a partir de pacientes reais poderiam ser usados ​​para testar novos medicamentos ou dispositivos médicos. Este teste de ambiente virtual pode ajudar a resolver problemas antes do início de qualquer teste clínico. A modelagem virtual também pode mostrar como uma cirurgia ou dispositivo implantável afetará um paciente com base em sua anatomia e fisiologia específicas, ou como um procedimento pode ser modificado para se ajustar melhor a esse paciente. Isso pode alterar significativamente o planejamento prévio dos procedimentos nos próximos anos.

Esses modelos são criados a partir do conjunto de dados de exames de imagem de ressonância magnética (MRI) ou tomografia computadorizada (TC) de um paciente, pós-processamento de visualização avançada e outros dados, como ECG, para definir a fisiologia do órgão. 

Esse tipo de modelagem virtual com base na tomografia computadorizada cardíaca de um paciente já está integrada em uma tecnologia de dinâmica de fluidos computacional desenvolvida pela HeartFlow. Esta tecnologia aprovada pela FDA cria um modelo 3-D das artérias coronárias do paciente e usa algoritmos de supercomputador para criar uma sobreposição virtual de reserva de fluxo fracionada (FFR) codificada por cores para todos os segmentos das artérias. Mostra bloqueios que precisam ser revascularizados e quais podem ser tratados com medicamentos. No final de 2019, a empresa apresentou mais uma inovação em que stents virtuais podem ser colocados nos vasos do modelo 3-D e o algoritmo irá alterar o modelo para mostrar o impacto potencial no fluxo sanguíneo no segmento de vaso modificado.

Em 2019, a Siemens Healthineers também anunciou o desenvolvimento de um aplicativo gêmeo virtual, onde órgãos como o coração podem ser modelados a partir de pacientes reais usando imagens médicas e outros dados de pacientes alimentados em um algoritmo inteligente. O gêmeo digital Siemens de um coração demonstrado na conferência HIMSS 2019 foi criado para mostrar a atividade elétrica do coração e determinar a posição ideal dos eletrodos para um desfibrilador cardioversor implantável (CDI). 

Para criar esses modelos de gêmeos virtuais, Cartoski disse que você precisa ter uma maneira de representar a fisiologia com precisão usando a ciência da computação, o que requer uma colaboração de abordagem de equipe entre médicos, programadores e cientistas de dados. “No nosso caso, precisávamos de uma representação da fisiologia do cardiomiócito e dos elementos finitos que compõem o modelo e como diferentes tipos de elementos dentro do modelo interagem entre si”, explicou.

“Você precisa de algo para basear seu modelo, e é aí que entram os dados de imagem específicos do paciente”, continuou Cartoski. "Então, você pode usar um sistema de computador de alta potência para realizar modelagens e simulações." 

Ele disse que a imagem do paciente é realizada por meio de tomografia computadorizada ou ressonância magnética e, em seguida, segmentada. Regiões específicas do órgão são atribuídas a propriedades técnicas exclusivas com base nas propriedades dinâmicas da imagem. Um modelo 3D é então criado. Também com base nas imagens, a orientação da fibra miocárdica específica do paciente é gerada dentro do modelo para corresponder ao coração real do paciente, disse Cartoski. 

Em sua apresentação, ele usou o exemplo de um exame de ressonância magnética cardíaca realçado com gadolínio, onde a anatomia do coração foi segmentada e um modelo 3-D criado. O modelo de computador então aplicou fibras miocárdicas com base na orientação vista na ressonância magnética. Ele disse que combinar a forma como as fibras estão no coração do paciente permite que o modelo tenha a mesma biomecânica e condução elétrica do coração real. O modelo criado foi então usado para simular a estimulação cardíaca rápida e induzir taquicardia ventricular para estratificação de risco. 

O papel potencial da ecocardiografia na criação de órgãos virtuais

Cartoski disse que a ecocardiografia pode permitir um uso mais amplo dessa tecnologia porque é mais barata, potencialmente menos invasiva e mais acessível do que a tomografia computadorizada e ressonância magnética cardíaca. O uso de eco 3-D pode servir como os dados volumétricos necessários para a segmentação. O eco de deformação miocárdica pode ajudar a identificar a variabilidade regional na função miocárdica, ajudando a definir os elementos finitos regionais dentro do modelo. O ultrassom também oferece velocidades Doppler para o diretor e velocidade do fluxo sanguíneo no coração, além de oferecer anatomia. A imagem de deformação do miocárdio pode ser usada para atribuir propriedades regionais dentro de um modelo específico para formar comportamento de elemento finito para fibrose regional ou cicatriz, sobrecarga de ferro, cardiomiopatias ou insuficiência cardíaca.

Um caso de uso específico é o eco 3D para criar estruturas ventriculares ou valvares. "Ele permite uma definição superior da morfologia completa da válvula quando comparado ao movimento das válvulas planas como na ecocardiografia 2-D. Também tem correlação comprovada com a ressonância magnética na avaliação da função sistólica ventricular", explicou Cartoski.

Exemplos desse tipo de imagem foram mostrados a partir de alguns estudos para modelar as válvulas mitral e tricúspide de pacientes. 

Uma equipe de pesquisa da Sapienza University of Rome, Italy, construiu um modelo de válvula mitral virtual usando dados ecocardiográficos 3D de um paciente com ruptura de cordas posteriores e regurgitação mitral grave. [1] Com o uso do modelo virtual, uma parte do folheto posterior prolapsado foi removida, e foram realizadas plicatura e sutura virtuais. Um anel de anuloplastia de tamanho adequado foi reconstruído e a anuloplastia com anel virtual foi realizada sobrepondo o anel e o anel mitral. O modelo modificado específico do paciente foi então testado para ver qual seria o impacto do movimento anular e do gradiente de pressão transvalvar fisiológico. O modelo mostrou que esta cirurgia restauraria a coaptação do folheto.

Os autores escreveram que esse tipo de simulação específica do paciente para reparo da válvula mitral virtual mostra um grande potencial para ajudar na seleção pré-operatória das técnicas de reparo de VM ideais específicas do paciente e permite um planejamento cirúrgico inovador. [1]

Outra equipe de pesquisa usou a dinâmica de fluidos computacional para aprimorar o modelo criado a partir de um ecocardiograma 3-D. [2] Uma equipe de pesquisadores do Centro Médico Infantil de Xangai, em Xangai, na China, usou ecocardiogramas e o software Ansys-Fluent para criar os modelos. 

Os pesquisadores do estudo disseram que o mapeamento vetorial de fluxo (VFM) e a velocimetria de imagem de partículas de eco (EPIV) são baseados em imagens de ultrassom cardíaco e permitem a visualização do fluxo no ventrículo esquerdo. Essas tecnologias, desenvolvidas pela Hitachi, GE Healthcare e outros, rastreiam células sanguíneas específicas na imagem para rastrear seu caminho e padrões de fluxo e mostram claramente características como vórtices de fluxo. No entanto, os pesquisadores também disseram que essas técnicas de imagem têm, inerentemente, baixas resoluções temporais e espaciais por causa dos limites atuais da tecnologia de ultra-som. 

Por esse motivo, eles aplicaram a dinâmica de fluidos computacional (CFD) para investigar a dinâmica do fluxo sanguíneo no vaso, bem como no ventrículo e no átrio. O CFD pode analisar os padrões sanguíneos em qualquer coração com quaisquer anormalidades anatômicas devido a nenhuma limitação de suposição de geometria. Até onde sabem, este foi o primeiro estudo sobre o fluxo intraventricular de ventrículo direito único usando CFD. Este estudo teve como objetivo, em particular, analisar vórtices durante a diástole em pacientes com coração congênito com um único ventrículo direito (VRS) para fornecer informações detalhadas aos médicos para dar aos pacientes uma intervenção oportuna o mais rápido possível.

Barreiras ao uso de modelagem anatômica dupla digital

Antes que esse tipo de modelagem digital específica para o paciente se torne comum, Cartoski disse que é necessário padronizar a maneira como esses modelos são criados e funcionam. Por exemplo, ele disse que há uma variedade de técnicas de geração de modelagem de malha. Além disso, a criação desses modelos atualmente leva de dias a meses, o que não é realista para o atendimento ao paciente em tempo real. O tempo envolvido e, portanto, o custo, precisará diminuir significativamente antes que essa tecnologia seja viável e se torne amplamente disponível. Por último, ele disse que precisa haver validação clínica de que a modelagem funciona e é uma representação precisa da anatomia real do paciente.

"Tudo se resume à validação clínica. Essas lindas fotos são ótimas, mas esse trabalho ajudou alguém? Cada vez mais vemos que é esse o caso, mas o júri ainda está decidido", disse Cartoski

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Referências:

1.  Rim Y. Choi A, Mcpherson D., et al. Personalized Computational Modeling of Mitral Valve Prolapse: virtual Leaflet Resection. Plos One. 23 de junho de 2015; 10 (6). 

2.  Chen L, Tong Z, Wang Q. Viabilidade da dinâmica de fluxo computacional para avaliar a hemodinâmica no ventrículo direito único com base em imagens ecocardiográficas. BioMed Research Intl. 2018: 1042038. Publicado online em 16 de janeiro de 2018. doi: 10.1155 / 2018/1042038.

Imagem: Imagens, ou válvula mitral dupla digital de um paciente, criadas a partir de ultrassom cardíaco que foram usadas para realizar um procedimento cirúrgico virtual para testar como a intervenção impactaria o paciente antes de realmente realizar o procedimento. A imagem certa mostra um código de cores para estresses absolutos nos folhetos da válvula antes e depois da cirurgia virtual. A imagem à esquerda mostra o modelo de quantificação da coaptação do folheto no pico da sístole antes da cirurgia virtual. Leia o artigo original na Plos One.

Fonte: https://www.itnonline.com/article/development-computer-generated-virtual-hearts-using-echocardiography