Summary
Hochfrequenz-Doppler-Ultraschall ist eine neue Technologie für die Beurteilung der regionalen Myokardfunktion. Diese Arbeit präsentiert erste Nachweis einer Anwendbarkeit dieses vielseitige Imaging-Plattform für die wiederholte Messung der myokardialen Belastung, dp / dt und Mitralinsuffizienz in der Ischämie-Reperfusion (IR) murine Herzen.
Abstract
Ischämie-Reperfusion (IR) wurde chirurgisch in murinen Herzen, die dann wiederholt Bildgebung unterzogen wurden, um zeitliche Veränderungen in funktioneller Parameter von zentraler klinischer Bedeutung Monitor durchgeführt. Zweidimensionale Filme wurden bei hoher Frame-Rate (8 kHz) erworben und wurden eingesetzt, um hochwertige myokardialen Belastung abzuschätzen. Zweidimensionale elastograms (Stamm Bilder), sowie Dehnungs-Profile wurden visualisiert. Die Ergebnisse wurden in quantitativ beurteilen IR-induzierten Veränderungen der kardialen Ereignissen einschließlich linksventrikulären (LV) Kontraktion, LV Entspannung und isovolumetrischen Phasen sowohl vor als auch IR-und Post-IR schlagenden Herzen in intakten Mäusen stark. Darüber hinaus wurden kompromittiert Sektor-weise Wandbewegung und anatomischen Verformungen im Infarktareal visualisiert. Die elastograms waren eindeutig in der Lage, Informationen über die folgenden Parameter zusätzlich zur Standard-physiologischen Indizes, die bekanntermaßen durch Herzinfarkt in der Maus betroffen sind bereitzustellen: Innendurchmesser von Mitralklappen-Öffnung und der Aorta, effektive Refluxwolke Öffnung, Myokardinfarkt Stamm (umlaufende sowie als radial), Turbulenzen im Blutfluss, wie es durch die Farb-Doppler-Filme und Geschwindigkeitsprofile, Asynchronie in LV-Sektor, und Veränderungen in der Länge und Richtung von Vektoren zeigen langsamer und asymmetrischen Wand Bewegung offenbart. Diese Arbeit unterstreicht die visuelle Demonstration, wie solche Analysen durchgeführt werden.
Protocol
Experimentelle Protokolle
Die folgende unterschiedliche Protokolle verwendet wurden, um die Machbarkeit der Messungen bei der Untersuchung der IR murinen Herzen nicht-invasiv ausgerichtet ist. Baseline echokardiographischen Bildgebung wurde durch chirurgische Induktion der Ischämie-Reperfusion (IR, Protokoll 1), die durch Echokardiographie an mehreren Zeitpunkten während der Erholung von IR wurde gefolgt.
Protokoll 1. Linken vorderen absteigenden (LAD) Arterie IR: Surgical Procedure
Männlich C57BL / 6 erwachsenen Mäusen (8-Wochen alte, 24,5 ± 1,5 g, Mittelwert ± SD; Harlan Technologies, IN) wurden unter Standardbedingungen im Labor Wohnverhältnisse mit Zugang zu Futter und Trinkwasser ad libitum gehalten. Die Mäuse wurden narkotisiert mit intraperitonealer Injektion einer Mischung von Ketamin (100 mg / kg) und Xylazin (10mg/kg), an einem warmen OP-Tisch gelegt und intubiert endotracheal. Proper Betäubung Flugzeug für Nagetiere wird durch eine Einstellung der Vorspur Prise Reflexe und eine Verlangsamung der Atmung abgeleitet. Instruments wurden über 70% Ethanol gewaschen und Autoklavieren sterilisiert. Alle Instrumente, die das sterile Feld links wurden in ein Wärmetönungssensoren Instrument Sterilisator für 1 Minute, bevor Sie fortfahren Verwendung eingefügt. Die Mäuse wurden beatmet (Harvard Apparatus, Boston, MA) unter Verwendung von Luft-Isofluran-Gemisch in einem angemessenen Verhältnis und Tidalvolumen. Elektrokardiographie wurde während der Operation mit einem Drei-Kanal-EKG-Setup überwacht und Änderungen wurden mit PC Powerlab Software (AD Instruments).
Das Herz war über linksseitige Thorakotomie abgerufen. Die linke Lunge war eingefahren, um den Zugang zu den Herzbeutel zu ermöglichen. Die linke Ohrmuschel wurde erhöht, um die koronare LAD, die isoliert mit 7-0 Prolene Naht auf einem sich verjüngenden Nadel befestigt war aussetzen. Die Naht wurde über ein Stück PE-10 Schlauch angezogen, um reversible Ischämie zu induzieren. LAD wurde für 60 Minuten verschlossen. Nach 60 Minuten wurde der Faden freigegeben für Reperfusion des verletzten Herzmuskel zu ermöglichen. Nach erfolgreicher Reperfusion wurde der Brustkorb mit unterbrochenen 7-0 Prolene Nähte sowie der Hautschnitt mit 5-0 Prolene Nähten verschlossen.
Während der Operation, die Körpertemperatur war mit 36,7 gepflegt ± 0,5 ° C über einen beheizten OP-Tisch und überwacht mit einer rektalen Temperatursonde. Der ischämische Episoden Ursachen blasse Färbung der LV Myokard, die visuell erkannt werden kann. Thorax geschlossen wurde, vernäht und Trachealtubus wurde getrennt damit die Maus, um auf eigene atmen. Das Tier wurde dann in seinen Käfig zurück und platziert auf einem Heizblock gesetzt auf 37 ° C. Sobald die Wiederherstellung beendet war, wurde das Tier auf das Nagetier Vivarium Einheit vor dem echokardiographischen Bildgebung zurückgegeben. Alle Verfahren wurden von der Institutional Laboratory Animal Care und Verwenden Committee (ILACUC) der Ohio State University zugelassen.
Das Protokoll Nr. 2. M-Mode-Bildgebung Protokoll für die Bestimmung der Herzfunktion und den Nachweis von Wandbewegung Anomalie
Um zu beurteilen, Radial-und Längs-Veränderungen der Herzfunktion und Wandbewegungsstörungen, führten wir vor IR-Imaging mit hoher Frequenz, hochauflösendem Ultraschall-Scanner (Visual Sonics Inc., Toronto, Canada). Standard-M-Mode-Echokardiographie Parameter wie Wand Dimensionen wurden Volumina bei Systole, Diastole und Schlagvolumen, Auswurffraktion (EF), fraktionelle Verkürzung (FS), die Herzleistung (CO) und einem Innendurchmesser bei Systole und Diastole, beurteilt den Einsatz in gebauten M-Mode-Protokoll zu jedem Zeitpunkt (pre-IR, Tag 3 und Tag 7).
Protokoll Nr. 3. VevoStrain Speckle-Tracking-Algorithmus Protokoll
B-Mode-Filmen erworben wurden und einer Prozess mit in-built VevoStrain Algorithmus zur Belastung Analysen durchzuführen. Dies ermöglicht die Beurteilung der Geschwindigkeit, Weg, Dehnung und Dehnrate durch separate Optionsfelder in der Schnittstelle geben interaktiven Plots und M-Mode-Bilder zusammen mit den Daten Werte, die durch Anklicken gewünschten Symbole in der Systemsteuerung vorgenommen wurde zur Verfügung gestellt.
Speckle-Tracking Beurteilung der Stämme
2-D Graustufen cine Schleifen in der LV kurzen Achse wurden bei einer Bildrate von> 275 Bilder / s aufgenommen Für jedes Experiment wurden mindestens drei aufeinander folgenden Herzzyklen erfasst und digital auf einer Festplatte gespeichert sind für die Offline-Analyse auf einer Workstation. Wir verwendeten eine Speckle-Tracking-Algorithmus in Vevo2100 eingearbeitet. Die Dehnungs-Analyse wurde von der gleichen geschulten Beobachter durchgeführt. Die Region von Interesse war über einen Querschnitt des Ventrikels auf das Bild entsprechend der minimal endokardiale Bereich überlagert. Die Software-Algorithmus dann automatisch die LV kurzen Achse in sechs Segmente unterteilt für Speckle-Tracking in der gesamten Herzzyklus. Die Tracking-Qualität wurde dann visuell geprüft und, wenn es zufriedenstellend für mindestens fünf Segmente war, wurde die Verfolgung zu akzeptierenhg.
Das Protokoll Nr. 4. Doppler-Messprotokoll
Um die Mitralklappen-Regurgitation zu studieren und die Änderungsrate der systolischer Blutdruck (dP / dt) zu berechnen, wurde Doppler-Erkennung Protokoll verwendet. Zu diesem Zweck wurden Power-Doppler-Blutflussgeschwindigkeit Profile, indem Sie die Sonde auf die Mitralklappe Refluxwolke und Aorten-jet erworben. Imaging der Blutflussgeschwindigkeit wurde durch Messung gefolgt, um Werte für die Parameter wie Peak-und mittlere Geschwindigkeit, Peak zu erhalten und die mittlere Druckgradienten, Geschwindigkeit Zeitintegral und Zeit. Für die Berechnung von dP / dt, war Mitralklappe Refluxwolke Geschwindigkeitsprofil verwendet, um die Geschwindigkeit in einem frühen Systole (steilste Steigung der Geschwindigkeitsprofil zu laden Abhängigkeit zu minimieren) und der entsprechenden Zeit der Piste zu messen. Schließlich stellte Bernoulli-Gleichung die Geschwindigkeit-Druck-Umstellung auf die Zuwachsrate des systolischen Druckes zu bestimmen.
Echokardiographische Data Acquisition
Die Mäuse wurden in einem bewussten Zustand bei einer Raumtemperatur von 37 ° C abgebildet mit verminderter Grundbeleuchtung, während sie von einem erfahrenen Handler in Bauchlage links Dekubitus Position gehalten. Das Herz war in der 2-D-Modus in der parasternalen langen und kurzen Achse Ansichten mit einer Tiefeneinstellung von 1,0 cm und einer Bildrate von ≥ 270 Frames / s. abgebildet Ein M-Mode-Bild wurde bei einer Durchlaufgeschwindigkeit von 200 mm / s. erreicht Alle Messungen wurden nach den Richtlinien der American Society of Echokardiographie zur Verfügung gestellt getan.
Imaging wurde bewusst Mäusen zusammen mit Tandem-Registrierung des Elektrokardiogramms durchgeführt. Ende der Systole wurde als die minimale LV-Bereich definiert. Segmentale S circ und S rad Kurven wurden dann durch die Integration von entsprechenden Signalen ab dem enddiastolischen Punkte konstruiert und dann gemittelt, um durchschnittliche segmentale Dehnungskurven zu erhalten. End-systolische Stämme wurden dann aus dem Durchschnitt Dehnungs-Kurve erhalten.
Repräsentative Ergebnisse
Zweidimensionale Filme in hoher Bildrate (8 kHz) erworben wurden verwendet, um qualitativ hochwertige myokardialen Belastung abzuschätzen. Zweidimensionale elastograms (Stamm Bilder), sowie Dehnungs-Profile als Funktion der Zeit geholfen schätzen die funktionale Konsequenz der IR. Die oben genannten Ansatz führte zu den zuverlässigen Nachweis von folgenden Parametern:
Standard IR Outcomes (üblicherweise in der Literatur berichtet)
- linksventrikulären (LV) Kontraktion
- Verletzungen beeinträchtigt die Kontraktion und Entspannung im Herzen führt Funktionsverlust
- Änderungen in LV Kammerbereich und Masse (Hypertrophie)
- LV Entspannung der isovolumetrischen Phasen sowohl vor als auch IR-und Post-IR von schlagenden Herzen
- kompromittiert Sektor-weise Wandbewegung
- Turbulenzen im Blutfluss, wie es durch die Farb-Doppler-Filme und Geschwindigkeitsprofile ergab
- LV Formveränderungen in Richtung Kugelform
- kompromittiert Auswurffraktion
- abgeschwächt fraktionelle Verkürzung
Einzigartige post-IR Outcomes
(Nie zuvor in einem murinen IR-Einstellung angegeben, aber bekannt, von klinischer Bedeutung beim Menschen)
- effektive Refluxwolke Öffnung (ERO)
- ein grundlegendes Maß für Klappeninsuffizienz
- verringerte myokardiale Stämme (umlaufende sowie radial)
- ein grundlegendes Maß für Herzinfarkt Stärke und anatomischer Deformation
- Asynchronie in LV Sektoren
- ein grundlegendes Maß für inhärente periodische Pumpeigenschaften des Herzens
- Wandbewegung und Symmetrie
- Veränderungen in Größe und Richtung der Vektoren zeigen Größe, Richtung und Symmetrie an der betroffenen Stelle
- Dimension der Mitralklappe und der Aorta
- Veränderungen in einem Innendurchmesser von Mitralklappen-Öffnung und der Aorta
- Mitralinsuffizienz
- Rückfluss des Blutes aus LV zur linken Vorhof durch unvollständige Schließung des Mitral-Broschüren
- Sektor-weise Änderungen in Größe der radial (Srad) und radiale (scir)-Stamm
- Änderungen in Dehnraten zusammen mit den markierten Variation in ihren wechselnden Mustern in Bezug auf einen IR-Daten
- Synchronität der LV Sektoren wie nach der American Society of Echokardiographie geteilt
- Verband der ventrikulären mechanischen Synchronizität mit der myokardialen Steifigkeit und verminderte myokardiale Stärke von Gewebe-Doppler und Strain Imaging bewertet
- Veränderungen in Größe und Richtung der Vektoren in Filmen darstellen kompromittiert Bewegung (langsam und asymmetrisch) der IR-betroffene Stelle gezeigt
- Innendurchmesser von Mitralklappe ORIFEis und Aorta
Abb.. . 1i myokardialen Dehnungsmessung: Enddiastole voller Entspannung kürzesten Vektoren (M1) gezeigt
Abb.. . 1II myokardialen Dehnungsmessung: LV ist Contracting dargestellt durch Länge und Richtung von Vektoren, die verletzte Stelle (grüner Punkt) Kontraktion begrenzt (M2)
Abb.. . 1iii myokardialen Dehnungsmessung: Ende der Systole, voller Kontraktion kürzesten Vektoren (M3) gezeigt
Abb.. . 1iv myokardialen Dehnungsmessung: lange Achse bei der Diastole (M4)
Abb.. 1v myokardialen radiale Belastung (S rad) Messung:. Die farbcodierten Kurven stellen die Belastung an den jeweiligen farbigen Punkte in den Bildern von Fig1.i-iv (M5)
Abb.. 1VI myokardialen umlaufenden Stamm (S cir) Messung:. Die farbcodierten Kurven stellen die Belastung an den jeweiligen farbigen Punkte in den Bildern von Fig1.i-iv (M6)
Abbildung 1. B-mode-Filme visualisieren Enddiastole (ED) und End-Systole (ES) und Veränderungen in der LV Kammergröße post-IR.
B-Mode-Bilder der linksventrikulären (LV) umlaufenden Stamm (S circ) und radiale Belastung (S rad) durch zweidimensionale bestimmen Speckle-Tracking Echokardiographie.
VevoStrain Speckle-Tracking-Algorithmus, um Vektoren Darstellung der Größe und Richtung der Bewegung des Herzmuskels, axial und parasternal lange Achse Ansichten zeigen die Vektoren auf die verletzte Stelle des Herzmuskels beeinträchtigt zu beobachten.
Radial-und Längs-Stämme auf einem Baseline-Maus und eine Maus post IR Day7. Die farbkodierte Belastung Profile zeigen verschiedene, farbkodierte Punkte in Websites auf das Myokard des Ausgangswertes (pre-IR) und behandelt (post-IR, Day7) Herzen. LV-linken Ventrikel, RV-rechte Herzkammer, S rad-radiale Belastung, S CIR-Umfangsdehnung.
Abbildung 2. Myocardial sektoralen Synchronizität.
Analysen, die auf die Belastung Daten Pre-und Post-IR basiert. LV in sechs Sektoren (1 = posterior basal, 4 = vorderen basalen, 2 = posterior Mitte, 5 = vordere Mitte, 3 = hinteren Spitze, 6 = vordere Spitze) nach der American Society of Echokardiographie unterteilt. Validation von ventrikulären mechanischen synchron zu seiner Vereinigung mit myokardialen Steifigkeit zu sehen, wie durch Gewebe-Doppler und Strain Imaging untersucht.
Farbkodierte Image Panel zeigt den Bereichen 1 bis 6 mit den Werten für Zeit, sich auf die entsprechenden Sektoren in Millisekunden Höhepunkt. Radial-und Längs-Synchronizitäten für Pre-IR-und Post-IR in Bezug auf die Grafiken zur Verfügung gestellt. Die Farben auf den Graphen, um die Farben der entsprechenden Sektoren entsprechen.
Abb.. . 3i anatomische Messungen: Mitralinsuffizienz Blendendurchmesser in Mäusen Herz (blaue Linien mit wiederholten Messungen), Probenvolumen in der Aorta (gelbe Linien) (M8)
Abb.. 3II. Refluxwolke Strömungsprofile in Mäuseherzen, oberen vorderen und unteren Rückfluss bei Mitralklappe (M9)
Abb.. 3iii. Aorten-out Strömungsgeschwindigkeit Profile in Mäuseherzen (M10)
Abb.. 3iV. Refluxwolke Öffnung am Mitralklappe, Ao = Aorta, LA = linker Vorhof, LV = linker Ventrikel, r = Radius (M11)
Abbildung 3. Mitralklappen-V Refluxwolke Fraktion (RF).
Echokardiographische Image Panel für die Messung von Refluxwolke Fraktion (RF). Die Messung der Aorten-Durchmesser (AoD) und Mitralklappe Düsendurchmesser (MVD) zeigt Platzierung des Probenvolumens in die Refluxwolke und Aorta. Diese Messungen liefern die Refluxwolke Geschwindigkeitsprofile und aufsteigenden Aorta-Fluss in die Geschwindigkeitsprofile über und unter den Ausgangswert zeigen nach vorne und hinten den Blutfluss in den LV und zurück zum linken Vorhof. RF (in%) Berechnung nach der Formel, RF = MV CSA * VTI der MV-Jet in der Diastole - Ao CSA * VTI von Ao jet bei Systole) * 100 / MV CSA * VTIvon MV.
Die Quantifizierung der Refluxwolke Bruchteil zeigt die Refluxwolke Fraktion im post-IR Mäusen Indikator regurgitated Mitralklappe. Änderungen in Mitralklappe effektive Refluxwolke Öffnung (ERO) Post-IR wegen Kugelgestalt der LV. Vertreter Farb-Doppler-Bilder, die die Blut aus linkem Vorhof der LV. Vergrößerte Blutfluss Öffnung zeigt eine turbulente Strömung und erhöhte abnormale Strömungsgeschwindigkeit. ERO Angabe Klappeninsuffizienz. Die Strömungsgeschwindigkeit aliased. Die gepulste Welle ist als bei der Bestimmung Übergänge von einer laminaren zu einer turbulenten Strömung profitieren genutzt. ERO mit der Formel, ERO = Flow / Vmax = 2 π r2 Va / Vmax, Va = Aliasing Geschwindigkeit, r = Radius Öffnung, Vmax = maximale Geschwindigkeit.
Abb.. 4i. Messung von funktionellen Parametern in pre-IR-Maus. Soft-ware errechnet Parameter durch das Aufspüren, rote vertikale Linie = Diastole grüne vertikale Linie Systole (M12)
Abb.. 4ii. Messung von funktionellen Parametern in post-IR-Maus. Soft-ware errechnet Parameter durch das Aufspüren, rote vertikale Linie = Diastole, grüne vertikale Linie Systole (M13)
Abbildung 4. Die Veränderungsrate des systolischen Drucks (dP / dt): Pre-und Post-IR.
Die Korrelation der Ejektionsfraktion (EF) mit dP / dt. Bild-Panel zeigt eine M-Modus, aus dem die grundlegenden funktionellen Messungen durchgeführt werden.
Die Diskriminierung von Herz-Kontraktilität im Laufe der Zeit; Balkendiagramme zeigen dP / dt post-IR. Anzeige Messung von einem Parameter gibt klinische Informationen zu den anderen.
Abbildung 5. Kurze Achse Film demonstriert pre-IR Dehnungsmessung.
Echokardiographische Film aus dem parasternalen Blick des Herzens auf die Morphologie in der Maus Herzen pre-IR visualisieren erhalten.
Abbildung 6. Kurze Achse Film zeigt post-IR LV Dehnungsmessung
Vertreter axiale Film einer Maus LV verfolgt zu Endokard zeigt das Gewebe belasten Vektoren mit fünf spezifische Punkte bei der Messung berücksichtigt.
Abbildung 7. Parasternalen langen Achse Farb-Doppler-Film
Farb-Doppler-Flow Film zeigt das Blut gepumpt, von linken Vorhof durch Mitralklappe in den LV während der Diastole und das Blut wird durch die Aorta während der Systole Phase des Herz gepumpt mit der Fließrichtung blaue Farbe weg und rote Farbe auf (BART) der Ultraschallsonde.
Discussion
Die Belastung Daten über die Messung mit Basis Speckle-Tracking-Algorithmus ist vergleichsweise weniger Beobachter abhängig als die meisten der Analyse wird von der Software durchgeführt. Doch die Beobachter sollten während Tracing die Grenzen von Epikard und Endokard in der B-Mode-Filme, die mehr ist abhängig von der Erfahrung vorsichtig sein. Darüber hinaus ist M-Mode-Analyse und Messung der Geschwindigkeitsprofile auch minimal Beobachter abhängig. Jedoch in der Messung von Druckanstieg und Messung von Zeiten, erfordert Beobachter sehr sorgfältige Aufmerksamkeit während der Messungen, weil der Druck hängt direkt mit dem Quadrat der Spitzengeschwindigkeit, wie Bernoulli-Formel, in der auch eine kleine Menge Fehler bei der Messung kann ausgedrückt produzieren Quadrat Wirkung auf die gesamte Fehler bei der Messung von dP / dt. Darüber hinaus ist die Refluxwolke Öffnung nicht unbedingt konstant Systole, und dies kann möglicherweise Einfluss auf die Einschätzung der Schwere Refluxwolke. Die höheren Dosierungen von Anästhesie kann in der dramatischen Reduzierung der fraktionelle Verkürzung Auswirkungen auf andere funktionelle Parameter führen. Daher ist serienmäßige Einsatz von Sedierung für besseres Ergebnis wichtig. Die meisten Parameter können gemessen mit anderen Modalitäten, zum Beispiel, MRI-Tagging können 2D-und 3D-Stämmen zu messen. Allerdings ist der Echokardiographie benutzerfreundlicher.
Acknowledgments
NHLBI R01 HL073087 zu CKS.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Vevo2100 | VisualSonics, inc. | SN2100-0032 | |
| Ventilation device | Harvard Apparatus | n/a | |
| PC Powerlab software |  ADInstruments |
n/a | |
| Isoflurane | Vedco, Inc. | 5260-04-12 | |
| Aquasonic gel 100 | Parker Laboratories Inc. | 01-02 |
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