Panoramic Voltage-Sensitive Optical Mapping of Contracting Hearts using Cooperative Multi-View Motion Tracking with 12 to 24 Cameras

Deze studie introduceert een baanbrekend panoramisch optisch mapping-systeem met 12 tot 24 camera's dat het mogelijk maakt om voor het eerst de volledige interactie tussen elektrische activiteit en mechanische contractie in een sluitend, deformatie ondergaand hart met hoge resolutie in 3D te visualiseren.

De kern

Hartslag in 3D: Een nieuwe manier om het kloppende hart te zien

Stel je voor dat je een hart wilt bestuderen. Normaal gesproken is dit als proberen een dansende ballerina te fotograferen terwijl je haar vasthoudt om haar stil te zetten. In de wetenschap doen ze dit al decennia: ze verlammen het hart met medicijnen zodat het stopt met bewegen, en dan kunnen ze de elektrische signalen (de 'dansstappen') goed zien. Maar dat is niet de echte realiteit. Een hart dat stopt met bewegen, is geen hart dat werkt.

De auteurs van dit paper hebben een oplossing gevonden. Ze hebben een systeem gebouwd dat het hart laat dansen, en toch elke beweging en elke elektrische golf perfect kan volgen.

Hier is hoe ze dat deden, vertaald in alledaagse termen:

1. De "Voetbal" Kamer

Stel je een kamer voor die eruitziet als een gigantische voetbal (een afgeknotte icosahedra). In plaats van muren heeft deze kamer 24 ramen.

• Het hart: Een konijnshart drijft in het midden, alsof het in een zwembad zweeft.
• De camera's: Rondom dit hart staan tot wel 24 hoge snelheidscamera's (in dit experiment gebruikten ze er 12). Ze kijken allemaal tegelijk naar het hart, net als een menigte toeschouwers rond een dansvloer.
• Het licht: Er zijn ook tot 48 lampjes (LED's) die het hart van alle kanten gelijkmatig verlichten, zodat er geen schaduwen zijn.

2. Het Probleem: Een dansende film

Het grootste probleem bij het filmen van een kloppend hart is dat het hart niet alleen klopt, maar ook draait, krimpt en uitrekt. Als je met één camera filmt, is het alsof je probeert een dansende acrobaat te filmen terwijl je zelf ook beweegt. Het beeld wordt wazig en je kunt de details niet zien.

In het verleden moesten wetenschappers het hart verlammen om dit op te lossen. Maar deze nieuwe methode doet iets slimms: digitale bewegingscompensatie.

3. De Oplossing: Een digitaal spook

Stel je voor dat je een 3D-puzzel van het hart maakt. De software kijkt naar alle 12 camera's tegelijk en bouwt een driedimensionaal model van het hart op.

• De 'Template': De computer kiest één moment (bijvoorbeeld net voordat het hart slaat) en maakt daar een digitaal raster (een net van lijnen) overheen.
• Het Spoor: Vervolgens kijkt de software frame per frame (500 keer per seconde!) naar hoe elk puntje van dat raster beweegt in de beelden van alle camera's.
• De Magie: De software "plakt" dit digitale raster op het echte hart. Zelfs als het hart draait of krimpt, blijft het digitale raster er perfect op zitten. Het is alsof je een onzichtbaar pakje op het hart doet dat meebeweegt.

Door dit te doen, kunnen ze de beelden "stabiliseren". Het hart lijkt voor de computer stil te staan, terwijl het in werkelijkheid wild rondspringt. Hierdoor kunnen ze de kleine elektrische signalen zien zonder dat de beweging het beeld verstoort.

4. Wat hebben ze ontdekt?

Met deze nieuwe "voetbalkamer" en de slimme software hebben ze drie belangrijke dingen gezien:

• De elektrische golf: Ze zagen hoe de elektrische prikkeling (die het hart laat kloppen) zich als een golf over het hele hart verspreidt. Dit gebeurt razendsnel, in minder dan 20 milliseconden.
• De mechanische golf: Ze zagen dat het hart niet direct krimpt zodra de elektrische golf er is. Er is een klein vertragingetje (ongeveer 5 milliseconden). Ze zagen ook hoe het hart zich als een torsie (draaiing) beweegt, alsof het een handdoek uitwringt.
• De chaos (Fibrillatie): Bij een hartritmestoornis (fibrillatie) draait het hart in de war. De elektrische golven draaien als spiraaltjes (vortexen). Ze zagen dat de mechanische beweging van het hart ook deze spiraaltjes volgt. Het is alsof je ziet hoe een storm in een kom soep de soep in draaikolken laat draaien.

Waarom is dit zo belangrijk?

Voorheen was het alsof we een auto bekeken die stilstond op een testbank om te zien hoe de motor liep. Nu kunnen we de auto op de snelweg laten rijden, terwijl we toch elke cilinder en elke veer in detail kunnen zien.

Dit systeem is goedkoper dan de oude methoden (geen dure camera's nodig, maar veel goedkope camera's) en het werkt zonder het hart te verlammen. Hierdoor kunnen artsen en onderzoekers eindelijk begrijpen hoe elektriciteit en beweging samenwerken in een gezond hart, en wat er misgaat bij ziektes. Het is een enorme stap voorwaarts in het begrijpen van het menselijk hart.

Technische samenvatting

Hier is een gedetailleerde technische samenvatting van het artikel "Panoramic Voltage-Sensitive Optical Mapping of Contracting Hearts using Cooperative Multi-View Motion Tracking with 12 to 24 Cameras", geschreven in het Nederlands.

Probleemstelling

Voltage-gevoelige fluorescentie-imaging is een standaardtechniek om actiepotentialen in het hart te visualiseren. Echter, een groot technisch obstakel is dat deze metingen traditioneel alleen mogelijk zijn in hartweefsel dat farmacologisch is verlamd (gecontracteerd) om bewegingsartefacten te voorkomen. Dit beperkt het onderzoek naar de koppeling tussen cardiale elektrofysiologie en weefselmechanica (electromechanica), aangezien de interactie tussen elektrische golven en mechanische contractie in een slaand hart niet bestudeerd kan worden.

Bestaande methoden voor 3D-optische mapping van bewegende harten hebben beperkingen:

• Ze vereisen vaak fiduciële markers (markeringen) op het hartoppervlak, wat de resolutie verlaagt en de mechanica beïnvloedt.
• Ze vereisen een statische reconstructie van het hart na het experiment (bijv. met Blebbistatin), wat de tijd voor metingen beperkt en post-processing bemoeilijkt.
• Ze hebben vaak te weinig camera's om het volledige hartoppervlak (360°) met hoge resolutie te dekken tijdens sterke deformatie.

Methodologie

De auteurs introduceren een nieuw systeem voor panoramische optische mapping dat in staat is actiepotentialen en mechanische deformatie simultaan te meten op een sterk contraherend hart.

1. Hardware-opzet:

• Imaging Chamber: Een bolvormige, 3D-geprinte kamer (vorm van een voetbal) met 24 vensters. Hierin kan een geïsoleerd konijnenhart worden geplaatst.
• Camera's: Het systeem gebruikt 12 (potentieel tot 24) high-speed CMOS-camera's (Basler acA720-520um) die rond de kamer zijn gepositioneerd. Dit zorgt voor een dichte dekking waarbij elk punt op het hartoppervlak door minimaal 3 camera's gelijktijdig wordt waargenomen.
• Verlichting: Tot 48 LED's (RGBW) zorgen voor uniforme verlichting vanuit alle richtingen.
• Perfusie: Het hart wordt via een Langendorff-perfusiesysteem op constante druk (50 mmHg) en temperatuur (37°C) gehouden.

2. Imaging en Signaalverwerking:

• Ratiometrische Imaging: Om bewegingsartefacten te minimaliseren, wordt gebruikgemaakt van gepulseerde verlichting met afwisselend groen en blauw licht.
  • Groen licht: Exciteert de voltage-gevoelige kleurstof (Di-4-ANEPPS) en bevat het signaal van het actiepotentiaal.
  • Blauw licht: Geen excitatie van de kleurstof, maar dient als referentie voor lokale veranderingen in verlichting door beweging.
  • Door de verhouding (ratio) van de signalen te nemen, worden bewegingsartefacten die door veranderingen in verlichting ontstaan, geëlimineerd.
• Synchronisatie: De camera's en LED's worden gesynchroniseerd met een frequentie van 500 fps (effectief 250 fps per kleurkanaal).

3. 3D Bewegingstracking en Reconstructie:

• Cooperatieve Multi-View Tracking: In plaats van markers, wordt een algoritme gebruikt dat op computerzicht-technieken is gebaseerd (geïnspireerd door COLMAP en mesh-tracking).
  • Eerst wordt een statische 3D-reconstructie (raw mesh) per frame gemaakt.
  • Vervolgens wordt een "template mesh" (een referentiemesh van het hart) gebruikt om de beweging van het hartoppervlak over de tijd te volgen via een cooperatieve optimalisatie-algoritme.
  • Het algoritme zoekt corresponderende weefselsegmenten in de beelden van alle camera's en past de mesh-vertices aan om de beweging te volgen zonder dat de topologie verandert.
• Post-processing: De video-data wordt "gewarped" naar een meebewegend referentiekader (co-moving frame) om bewegingsartefacten volledig te verwijderen. Vervolgens worden de signalen per pixel genormaliseerd.

Belangrijkste Bijdragen

1. Eerste volledige panoramische mapping: Het is het eerste systeem dat actiepotentialen en mechanica simultaan meet over het hele 360° ventriculaire oppervlak van een sterk contraherend hart zonder farmacologische verlamming.
2. Geen markers of statische reconstructie: Het systeem vereist geen markers op het hart en geen extra experimentele stap (zoals het verlammen van het hart na de meting) om de 3D-vorm te bepalen. De reconstructie gebeurt dynamisch en automatisch tijdens de meting.
3. Hoge resolutie: Het systeem bereikt een ruimtelijke resolutie van ongeveer 120 µm per pixel (totaal 0,5 - 1 miljoen pixels op het ventriculaire oppervlak) en een temporele resolutie van 2 ms.
4. Kosteneffectiviteit: Door gebruik te maken van industriële, goedkope camera's in plaats van dure wetenschappelijke camera's, is het systeem betaalbaar (ongeveer $20.000 voor 24 camera's) en toegankelijker voor onderzoeksgroepen.

Resultaten

Het systeem werd succesvol getest op geïsoleerde konijnenharten in verschillende ritmes:

• Sinusritme:

  • Het systeem visualiseerde de voortplanting van actiepotentialen en de daaropvolgende mechanische contractie over het hele hart.
  • Er werd een duidelijke tijdscheiding waargenomen tussen depolarisatie en het begin van contractie (ongeveer 30 ms vertraging).
  • De torsie (draaiing) van het hart rond de apex werd nauwkeurig in 3D gemeten.
  • Bij farmacologische blokkade van kaliumkanalen (verlenging van het actiepotentiaal) werd een verkorting van de contractie en een verandering in de electromechanische venster waargenomen.

• Gepacete Ritmes:

  • Bij stimulatie van een specifiek punt werd een focale elektrische golf waargenomen.
  • De mechanische golf (overgang van rek naar compressie) volgde de elektrische golf met een korte vertraging van gemiddeld 5,0 ± 2,4 ms.
  • De voortplantingssnelheid van de elektrische (0,55 m/s) en mechanische (0,49 m/s) golven bleek vergelijkbaar.

• Ventriculaire Fibrillatie (VF):

  • Het systeem kon zelfs bij VF, waar het hart nog steeds licht beweegt, bewegingsartefacten elimineren.
  • Er werden complexe, roterende elektrische vortexen (spiraalgolven) en bijbehorende 3D mechanische deformatiepatronen (curls) waargenomen.
  • Fasesingulariteiten (rotatiekernen) in het elektrische signaal correleerden met topologische defecten in de mechanische vervorming van het hartweefsel.

Significantie

Deze studie markeert een doorbraak in de cardiovasculaire research:

• Ongekende details: Het biedt voor het eerst inzicht in de elektromechanische fysiologie van het hart in een natuurlijke, contraherende staat met ongekende ruimtelijke en temporele resolutie.
• Klinische relevantie: De techniek kan helpen bij het begrijpen van ziektemechanismen zoals hartritmestoornissen (aritmieën) en het effect van geneesmiddelen op zowel de elektrische als mechanische functie.
• Validatie van modellen: De data kan dienen als "ground truth" voor het kalibreren en valideren van complexe elektromechanische computermodellen van het hart.
• Toekomstperspectief: De auteurs anticiperen dat het systeem in de toekomst kan worden uitgebreid met 24 camera's om ook de boezems (atria) in beeld te brengen, en mogelijk zelfs calciumgolven tegelijkertijd met voltage en contractie kan meten.

Kortom, dit systeem overbrugt de kloof tussen elektrofysiologie en biomechanica, wat decennia lang een uitdaging is geweest door de noodzaak om het hart te verlammen voor metingen.