Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Количественная оценка глобальной диастолической функции по кинематическая Моделирование на основе анализа трансмитрального кровотока через Заполнение формализма Параметризованный диастолической

Published: September 1, 2014 doi: 10.3791/51471
Automatic Translation
2,5, 2,5, 1,5, 3,5, 1,5, 4,5
1Department of Biomedical Engineering, Washington University in St. Louis, 2Department of Physics, Washington University in St. Louis, 3Division of Biology and Biomedical Sciences, Washington University in St. Louis, 4Department of Medicine, Cardiovascular Division, Washington University in St. Louis, 5Cardiovascular Biophysics Lab, Washington University in St. Louis

Summary

Точная, причинность основе количественная оценка глобальной диастолической функции было достигнуто за счет кинематической моделирования на основе анализа трансмитрального потока через параметризированном диастолического наполнения (PDF) формализма. PDF генерирует уникальные жесткости, расслабления и параметров нагрузки и освещает 'новый' физиологию, обеспечивая чувствительных и специфичных показателей дисфункции.

Abstract

Количественная оценка сердечной функции остается проблемой для физиологов и врачей. Хотя исторически инвазивные методы состоит единственное средство доступно, развитие неинвазивных методов визуализации (эхокардиография, МРТ, КТ), имеющий высокую временную и пространственную разбивку обеспечить новое окно для количественной оценки диастолической функции. Эхокардиография соответствует стандартам для оценки диастолической функции, но индексы в текущей клинической практике лишь использовать выбран особенности Размеры камеры (М-режим) или движение крови / ткани (Doppler) сигналов без включения физиологические причинные детерминанты самого движения. Признание того, что все левые желудочки (LV) инициировать заполнение служа механических насосов всасывающих позволяет глобальная диастолическая функция должна оцениваться на основе законов движения, которые применяются ко всем камерам. Что отличает одно сердце от другого являются параметрами уравнения движения, что GovERNs наполнения. Соответственно, развитие Заполнение Параметризованный диастолической (PDF) формализм показал, что весь спектр клинически наблюдается ранней трансмитрального потока (доплеровский E-печь) модели являются чрезвычайно хорошо подходят по законам затухающего колебательного движения. Это позволяет проводить анализ отдельных E-волн в соответствии с причинно-следственной механизма (отдачи инициативе всасывания), что дает три (численно) уникальные сосредоточенными параметрами, чьи физиологические аналоги камера жесткость (к), вязкоупругость / релаксации (с), и нагрузка (X о). Запись трансмитрального потока (доплеровский E-волн) является стандартной практикой в ​​клинической кардиологии и, следовательно, способ записи эхокардиографии только краткий обзор. Наше внимание сосредоточено на определении параметров PDF из записанных регулярно E-волновых данных. Как выделенные результаты показывают, когда параметры PDF были получены из соответствующего количества нагрузки разной E-волн, Инвесtigator может свободно использовать параметры или построить индексы по параметрам (например, запасенной энергии 1/2 кх O 2, максимальное давление А.В. градиент KX о, независимой нагрузкой индекс диастолической функции, и т.д..) и выберите аспект физиологии или патофизиологии чтобы быть количественно.

Introduction

Пионерские исследования по Кац 1 в 1930 показал, что у млекопитающих левый желудочек инициирует наполнение, как на механический всасывающий насос, и много усилий с тех пор была посвящена разгадке, как работает диастолы. На протяжении многих лет, инвазивные методы были единственные варианты, доступные для клинических или исследовательских оценки диастолической функции (DF) 2-16. В 1970-х годах, однако, технические достижения и разработки в эхокардиографии, наконец, дал кардиологов и физиологов практических инструментов для неинвазивной характеристике DF.

Без единой теории причинной или парадигмы диастолы о том, как работает сердце, когда он заполняет, исследователи предложили многочисленные индексы феноменологических основе корреляции с клиническими особенностями. Криволинейный быстро поднимается и опускается форму контура трансмитрального кровотока скорости в начале, быстрого наполнения, например, аппроксимировалась треугольника и диастолического фуnction индексы были определены из геометрических характеристик (высота, ширина, площадь и т.д..) этого треугольника. Технические достижения в области эхокардиографии позволили движение ткани, процедить и скорости деформации во время наполнения измерить, например, и каждый технический прогресс принес с собой новый урожай феноменологической индексов, коррелирует с клиническими особенностями. Тем не менее, индексы остаются корреляционная, а не причинным и многие индексы различные меры одной и той же базовой физиологии. Это не удивительно поэтому, что в настоящее время используемые клинические показатели DF ограничили специфичность и чувствительность.

Чтобы преодолеть эти ограничения Параметризованный диастолического наполнения (PDF) формализма, причинная кинематические, сосредоточенных параметров модели заполнения левого желудочка, что мотивируется и включает всасывания насоса физиологию диастолы была разработана и утверждена 17. Он моделирует диастолическая функция (как проявляется криволинейных формтрансмитрального потока контуры) в соответствии с правилами, смоченной гармонического колебательного движения. Уравнение для затухающего гармонического колебательного движения основана на втором законе Ньютона и можно записать, на единицу массы, как:

Уравнение 1 Уравнение 1

Эта линейная 2-й дифференциальный порядок уравнение имеет три параметры: K - камера жесткости, C - вязкоупругости / релаксации и х о - начальное смещение / преднагрузку осциллятора. Модель предсказывает, что различные клинически наблюдаемые образцы заполнения диастолическое являются результатом различий в численном значении этих трех параметров модели. На основе PDF формализма и классической механики, E-волны могут быть классифицированы как время определяется в соответствии затухающих или более-затухают режимов движения. Многочисленные исследования 21. Процесс извлечения параметров модели от клинически записанных данных E-волн, подробно изложены в приведенных ниже методов.

В отличие от типичных показателей DF в текущем клинического применения, три параметра в PDF оборудование модели являются причинность основе. Как обсуждалось в приведенных ниже методов, дополнительные показатели диастолического физиологии могут быть получены из этих основных параметров и с применением PDF формализма аспектам диастолы друга, чем трансмитрального потока. В этой работе, методы PDF на основе анализа трансмитрального потока и физиологических отношений, которые можно извлечь из подхода PDF, его параметры и производные показатели описаны. Кроме того, было показано, что параметры PDF или индексы, полученные из них могут дразнитькроме внутренние свойства пространства от внешнего воздействия нагрузки может обеспечить коррелирует с традиционными инвазивно определенных параметров и может различать нормальных и патологических групп.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Порядок приобретения эхокардиографических изображений и их анализа с целью получения параметров PDF Ниже подробно. Хотя катетеризация сердца упоминается в части выбора подлежат ниже, методология, описанная относится только к эхокардиографической части. Описание катетеризации части был включен для независимого подтверждения основе моделей предсказаний и не имеет отношения к анализу E-волн через PDF формализма. До приобретения данных, все субъекты обеспечивают подписали информированное согласие на участие в исследовании в соответствии с ведомственного комитета по вопросам (Office Protection Research человека) в Вашингтоне школы медицины университета.

ПРИМЕЧАНИЕ: Все компьютерные программы (вместе с руководства о том, чтобы использовать их), описанных в этом разделе можно скачать с http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

Выбор 1 Тема

ПРИМЕЧАНИЕ: Все предметы в базе Сердечно-сосудистая лаборатория биофизики было одновременное эхокардиографию и катетеризацию сердца и звучали называют их врачами для диагностики катетеризации сердца. Критерии включения базы данных являются: 1) отсутствие каких-либо существенных отклонений клапанных, 2) отсутствие нарушений движения стенки или пучка Гиса на ЭКГ, 3) наличием удовлетворительной эхокардиографического окна с четко определенным E- и А-волн.

2 Эхокардиографическое сбора данных

  1. Запишите полное 2D / эхо-допплерография для всех субъектов в соответствии с Американского общества критериев эхокардиографии 16. ПРИМЕЧАНИЕ: Скрининг эхокардиографии были записаны на стандартной клинической тепловизор с помощью УЗИ. При желании, дополнительный трансторакальная эхокардиографии запись может выполняться для проверки целис после подходит, высокой точностью катетер продвигают в ЛЖ для измерения LV гемодинамики одновременно.
  2. Предметы изображения в положении лежа на спине. В nonresearch обстановке, стандарт левого бокового позиционирования можно использовать без ограничения общности метода. Получить верхушечные вид четыре-камерные, используя датчик 2,5 МГц, с объемом образца закрытого на 1,5-5 мм, направленных между концами листовок митрального клапана и ортогональной к М.В. плоскости (для минимизации воздействий выравнивания, как видно на цветной М-режим Доплера ), фильтр стены заход в 1 (125 Гц) или 2 (250 Гц), базовой скорректированной воспользоваться полной высоты дисплея и шкале скоростей скорректированной использовать динамический диапазон на выходе без наложения.
  3. Выполните визуализацию Доплера тканей с объемом выборки закрытом на 2,5 мм и расположенным на боковых и перегородки зелий митрального кольца.
  4. Сохранить доплеровские экзамены в формате DICOM в эхо-машины и записи на DVD с одноврaneously записал электрокардиограммы (ЭКГ).

3 Доплера Обработка изображений и традиционный анализ

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе описываются две программы на заказ MATLAB. Первая программа будет описано на стадии 3.1, и вторая программа описан в пунктах 3.2-3.5. Все компьютерные программы (вместе с руководства о том, чтобы использовать их) можно скачать с http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

  1. Преобразование изображения из формата DICOM и видео, чтобы растровое изображение (.bmp) файлов (с помощью пользовательской программы MATLAB). ПРИМЕЧАНИЕ: Процедура, описанная ниже, чтобы соответствовать доплеровские E-волн и ткани доплеровские E'-волны показана на рисунке 1.
  2. Загрузите файлы растрового изображения на другую программу пользовательского MATLAB для измерения обычные параметры трансмитрального кровотока, такие как E пика, пика, E мажор 'пик,' пик, и т.д.. и обрезать изображения для анализа PDF. Выберите изображения с заметной трансмитрального контура потока и полного сердечного цикла, как указано ЭКГ для анализа.
  3. Марк время частота дискретизации (измеряется в пикселях / с по горизонтальной оси) и частота дискретизации скорость (измеряется в пикселях / (м / сек) по вертикальной оси) в изображениях. Определить полное сердечного цикла, отметив и маркировки последовательных пиков R (или любой отличную особенность ЭКГ) на изображении.
  4. Марк трансмитрального Доплера Е и А-волна или тканевой допплерографии E'- и A'- волна в выбранном сердечного цикла.
    1. Выберите пик точку IE Доплера E-волн. E пик, (или пик E ') и отметить начало волны, используя линию, соединяющую вершины в начале в качестве руководства, чтобы соответствовать ускорения наклон E-волны (или E'-волны). Начало волны используется, чтобы вычислить интервал от начала до реак поток обозначается как E-волны (или E'-волна) время ускорения (AT).
    2. Отметить конец E-волны (или E'волны) с помощью линии, соединяющей вершины до конца в качестве руководства, чтобы соответствовать замедления склону. Это используется для расчета интервал от пика до базовой обозначенной в качестве времени замедления (DT). Интервал от начала до конца волны продолжительность E-волны (E мажор = AT + DT). Программа проведет пользователя через весь процесс с соответствующими инструкциями.
  5. Марк-волна используя процедуру, аналогичную описанной в E-волны. В обоих Е- и А-волн отмечены программа вычисляет пика E / A пиковое соотношение.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Программа сохраняет отмеченные волны как вырезанный изображения, содержащие Е- и только-волны. Программа также создает файл данных с земледелия и измеряемых параметров для каждой доли.

4 Автоматизированная Место трансмитрального потока Использование PDF формализм

Автоматизированная Место доплеровского E- и волны и тканевой допплерографии E'- и A'- волна контуры делается с помощью пользовательской программы LabView 18,19.
  1. Загрузите кадрирования, и программа автоматически вычисляет максимальную конверт скорости (MVE). Выберите MVe, установив порог, так что MVE приближается ТМП, как показано на рисунке 1. Начале и прекращении точек, определяющих MVe может быть выбран по оси времени от оператора, так что только MVE точки, которые обеспечивают хорошее соответствие к фактической выбранной части волны используются в качестве входных данных для последующего крепления.
  • ПРИМЕЧАНИЕ: выбранные пользователем MVE точки входа в компьютерную программу, которая автоматически приспосабливает PDF модельный решение для скорости как функции времени с помощью Levenberg- Макуарда (итерационный) алгоритм. Место осуществляется с требованием, что средний квадрат ошибки между клинической (вход)данные (MVE) и PDF модель предсказано контура быть сведено к минимуму. Так как модель является линейной, уникальный набор параметров получается для каждого MVE доплеровского E-волн происходит, используемой в качестве входных данных. Таким образом численно уникальные K, C и X O значения генерируются для каждого E-волны и к ', с', и х о 'для каждого E'-волны.
  • В случае, если подходит, очевидно, ниже оптимального, когда подходит накладывается на E-волны (или E'-волны) изображения (то есть. Алгоритм попытались установить шум, включенный в MVE например) изменить MVE с помощью более / менее очков, тем самым, изменяющие модель предсказал контур с последующим модификации параметров PDF достижения лучшего нужным.

    • Сохраните данные, когда соответствующая PDF подходят была сформирована. ПРИМЕЧАНИЕ: Программа написана для автоматического сохранения данных в изображения и текстовые файлы, содержащие параметры PDF иИнформация контур.
    Параметры PDF, полученные от описанной выше процедуры могут быть использованы для выяснения новую физиологию и различать нормальной и патологической физиологии, как описано в разделе ниже Представитель Результаты.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    Доплеровские сигналы представитель из четырех различных типов заполнения шаблонов (нормальной, псевдонормальный, задержка релаксации, констриктивно-ограничительный) с помощью метода подробно выше, показаны на рисунке 2. 2А показывает нормальную структуру, которая, сама по себе не отличается от псевдонормальный рисунок. Рисунок 2B показывает замедленную релаксацию и Фиг.2С показывает конструктивную ограничительных шаблон, связанный с тяжелой диастолической дисфункции. Для ясности, PDF модели-предсказал подходит накладываются на изображение. Обычные параметры эхо (E пиковые, пиковые, E-волны на, и E-волна DT) и параметры PDF (К, С, х п), перечислены ниже каждого изображения. Как цифры указывают, PDF формализм подходит (предсказывает) все эти три автозаправочных шаблонов очень хорошо. Параметры PDF также предоставить информацию о свойствах камеры. Дезаложен шаблон релаксации (Рисунок 2B), как правило, имеет более высокий вязкоупругость / релаксации PDF параметр C по сравнению с нормальным рисунком (Рисунок 2А). Констриктивные-ограничительный модели (Рисунок 2C), как правило, имеет более высокую жесткость (PDF параметр К), чем обычной модели.

    Анализ доплеровских E-волн по PDF формализм был использован для различения нормальных и патологических групп и открыть для себя новые физиологию. Ниже перечислены некоторые выбранные опубликованные результаты PDF формализм, основанный анализа DF, предназначенные для дифференциации патологических и нормальной физиологии и отдельных приложениях PDF формализма выяснить новый физиологию.

    ДИАБЕТ

    Способ было показано, что количественно различия в DF между сахарным диабетом и подобранных по возрасту контрольных субъектов. В то время как обычные индексы, такие как E-волны замедления время-DT, E с существенно отличалась между группами 22. Кроме того, пик предсердно-желудочковой градиент давления, которое может быть вычислено из параметров PDF, как кх O 23 была значительно выше в группе диабетиков. Кроме того, увидеть кинематической эффективность наполнения, применяемых для диабетиков ниже.

    Артериальная гипертензия

    Метод был использован для анализа трансмитрального шаблоны заполнения АГ по сравнению с контрольной группой 24. Обычные доплеровские полученные показатели были не в состоянии различать групп, но PDF параметр с была значительно выше в гипертонической группы субъектов по сравнению с nonhypertensive управления.

    Ограничение калорийности замедляет сердечной СТАРЕНИЕ >

    Метод оценивали влияние ограничения калорийности на DF в людях 25. DF оценивали по предметам практикующих ограничение калорийности путем измерения трансмитрального потока и по сравнению с их возрасту контрольной группы. DF была значительно лучше в калорийности группы ограничения как количественно более высоким значением E / A и высшего начале заполнения фракции (E-волна). Кроме того, параметр PDF к, представляющий LV камеры жесткость, и С, представляющий вязкоупругость, была значительно ниже в калориях субъектов рестрикции. Поскольку пик E существенно не отличается между двумя группами, в контрольной группе расходует больше энергии для достижения той же скорости пик наполнения. Это показало, что ограничение калорийности связано с более эффективным DF. Кроме того начинка у пожилых калорийности ограниченных предметов была сопоставима с младшей нормальной когорте, предполагая, что ограничение калорийности замедляет сердечный старение 26.

    _content "> ПРИСУТСТВИЕ VS. ОТСУТСТВИЕ митрального кольца КОЛЕБАНИЙ

    PDF формализм был также использован для анализа митрального кольца колебания (МАО) после E'-волны (волны- E ", E '' '-. Волна, и т.д.). Это 'звон' митрального кольца наблюдается у человека 20, но не хватало характеристика присутствии и отсутствии последующих колебаний. Метод позволил гипотеза для проверки, что отсутствие МАО объясняется увеличением вязкоупругих эффектов, связанных с меньшим или медленнее эффективной релаксации. Сравнивая 35 субъектов с МАО в 20 субъектов без МАО, было установлено, что продольная жесткость (K ') и продольной вязкоупругости / релаксации (с') были выше в группе, не МАО. Начальная сила отдачи, и запасенная энергия отдачи оба были выше в группе с МАО. Кроме того, было показано, что отсутствие МАО концordant с релаксации, связанных с диастолической дисфункции 27. Таким образом, в формате PDF анализ тканей доплеровского E'- волн показывает, что отсутствие МАО показывает релаксации, связанных с диастолической дисфункции.

    Диастатической жесткости из E-волновой анализ

    В то время как наклон конечного диастолического давления объема отношений (EDPVR) предоставляет знакомый жесткости на основе индекса, наклон (p, / у Av) из диастатической давления-объема (PV) отношения (D-PVR) обеспечивает в естественных условиях Жесткость непринужденной LV. Эхокардиографическое, (т.е. Доплера E-волна), анализ может обеспечить только относительное, но не абсолютное информации давления. Таким образом, было показано, что расслаблены (диастатической) жесткость ЛЖ может быть вычислена непосредственно из анализа электронной волны в покое 28. Использование PDF формализм и давление уравнение Бернулли и объем в диастаза (конец E-волны) происходит. Полученная P, V точки, когда подходят черезлинейная регрессия генерировать D-PVR от анализа E-волн (D-PVR E-волна), наклон, диастатической жесткость K E-волна была вычислена. Результаты дали отличную корреляцию (R 2 = 0,92) между диастатической жесткости из PDF на основе анализа E-волн (К E-волна) и одновременное золотой стандарт измерение диастатической жесткости из данных одновременное PV (K CATH) в 30 субъектах (444 всего сердечные циклы) с нормальной ФВ ЛЖ (ФВ ЛЖ> 55%).

    КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ЗАПОЛНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНДЕКС

    От кинематической точки зрения моделирования, увеличился релаксации / вязкость постоянная с генерирует повышенное сопротивление к заполнению. Поэтому естественным выбором для заполнения идеализированной желудочка не является сценарий за отдачи только и полную релаксацию, то есть не демпфирования (с = 0). Индекс кинематическая эффективность наполнения (KFEI) был определен и получены 29 как безразмерного соотношения фактического объема вводачисле в левый желудочек (ЛЖ) (время скорость неотъемлемой [ВТИ] недвижимого E-волны с параметрами PDF С, К, х о) в идеальном объема (ВТИ идеального E-волны, имеющей тот же к и х о, но без сопротивления заполнение [C = 0]). В 36 пациентов с нормальной функцией желудочков (17 диабетической и 19 хорошо подобранная без диабета управления) было показано, что 30 KFEI Е-волн у больных сахарным диабетом (49,1 ± 3,3%) был значительно ниже, чем в обычных пациентов (55,8 ± 3,3%) . Это означает, что даже если фракция выброса левого желудочка нормально, заполняя эффективность нарушается у больных сахарным диабетом по сравнению с недиабетиков.

    ЗАПОЛНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ухудшается с возрастом

    В свете способности кинематическая индекса эффективности наполнения (KFEI) 29 для оценки заполнения диабета против. без диабета управления, возраст зависимость KFEI определялась. Было показано, что KFEI, уменьшается по величинес возрастом и коррелирует очень сильно с возрастом (R 2 = 0,80), анализируя 72 субъектов управления с нормальной ФВ ЛЖ (ФВ ЛЖ> 55%) и без сердечно-сосудистой патологии 30. Возраст зависимость другими обычными параметрами DF также оценивали. В соответствии с другими неинвазивных мер DF известных уменьшаться с возрастом, KFEI уменьшается и коррелирует очень сильно с возрастной (R 2 = 0,80). Многофакторный анализ показал, что возраст является наиболее важным фактором, способствующим KFEI (р = 0,003).

    Независимой нагрузкой ИНДЕКС диастолической функции

    E-волновые контуры продемонстрировать бит-от-такт изменения в связи с дыханием и, следовательно, демонстрируют сильную зависимость нагрузки. Действительно, все показатели DF являются в зависимости от нагрузки. Это проблематично, потому что это ставит под вопрос, являются ли наблюдаемые различия в DF индексов результатом изменения нагрузки или в результате внутренней вариации камера собственности. Теоретическое предсказание и эксперименталь проверка нагрузки независимого индекса диастолической функции (LIIDF) был долго искал нерешенной проблемой в физиологии / кардиологии. Для решения вопроса о зависимости нагрузки, PDF формализм был применен к E-волн, измеренных в различных нагрузок. Через кинематической моделирования и математической выводе, независимой нагрузкой индекс был получен, которая сохраняется между E-волн, измеренных в различных нагрузок. Для каждой измеренной E-волны, параметры PDF к и х о умножаются с получением KX о, модель на максимальную величину силы, аналогичной потока пик градиент мгновенное давление вождения, а параметр PDF C умножается на пик пик скорость E с получением значение пиковой силы сопротивлении заполнению. Построение кх о против. С Е пик как упорядоченная пара для каждого E-волны генерирует весьма линейную зависимость которого (безразмерная) наклон М является суGHT после нагрузки независимого индекса и остается сохранение, несмотря на нагрузку, создаваемую изменения в E-волн.

    Для проверки E-волн, записанных во время нагрузки варьировалась с помощью наклона стола (возглавить, горизонтальный, и голову) в 16 здоровых добровольцев была проанализирована. Результаты 33 дали очень высокую корреляцию (R 2 = 0,98) между кх о и с E пика, как предсказано. Способность М различать нормальных и диастолического субъектов дисфункции также оценивали с помощью анализа одновременных CATH эха данных в диастолического субъектов дисфункции VS. управления. Средний M для диастолического дисфункции группы (M = 0,98 ± 0,07) был значительно ниже, чем в контрольной (М = 1,17 ± 0,05, р <0,001) 33.

    Рисунок 1
    Рис.1 Последовательность рабочих операцийдля фитинга (а) E-волны и (Б) E'волны через PDF формализма. А) слева правой трансмитральной изображение поток обрезается получить профиль скорости доплеровский. E-волны максимальная конверт скорость (MVE), чтобы быть в хорошей форме выбран (показаны зеленым с сроков синим цветом). Ошибка минимизации PDF посадку получается с помощью алгоритма Levenberg- Марквардта в результате параметров PDF и меры доброте нужным. B) Похожие процедуры для ткани Доплера изображения. Изображение переворачивается после обрезания. Подробности в тексте. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    Рисунок 2
    Фигура 2 Три E-волновые паттерны с PDF припадков. А) Нормааль / псевдонормальный заполнения шаблон. B) с задержкой релаксации рисунок. C) Констриктивные-ограничительный рисунок. Подробности в тексте. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    В соответствии с нашей методической направленности, ключевые аспекты методов, которые облегчают получение точных и значимых результатов выделены.

    ЭХОКАРДИОГРАФИЯ

    Американское общество эхокардиографии (ASE) имеет руководящие принципы для выполнения трансторакальной исследований 16. Во время эхо экзамен, существует множество факторов, которые влияют на качество изображения. Факторы, которые находятся вне контроля УЗИ включают: технические возможности томографа используется, частота сердечных сокращений, пациент Habitus тело, индивидуальные различия в месте, ориентация анатомических структур, и качество "эхо окне", ссылаясь на характеристиках передачи ультразвука в ткани данного субъекта. Факторы, непосредственно управляемым по УЗИ включают настройки аппарата, в том числе выбора преобразователя. Так как точность анализа PDF зависит от эхо-Qual изображенияность, следует позаботиться в процессе захвата изображений, чтобы получить наилучшие изображения.

    Для обеспечения оптимального качества E-волновой изображения для анализа PDF, максимизации E-волновой размер по сравнению с дисплеем и установив скорость развертки до 100 мм / сек желательны. Высокая скорость развертки и использование полного размера дисплея в определении максимального масштаб скорости обеспечивает повышенную временное разрешение (т.е. больше очков, чтобы быть в хорошей форме) по обеим времени и скорости осей. Базовые настройки фильтра также может быть лучше решимости с более высокими настройками скорости развертки. Число сердечных циклов записанных сильно варьирует между лабораториями эхо. Для содержательного анализа PDF непрерывной записи через несколько (3 или 4) дыхательных циклов является наиболее желательным. В типичной ЧСС 75 уд / мин, и 12 дыханий / мин, 4 дыхательных циклов составит 20 сек непрерывной съемки, которые должны обеспечить 25 сердечных циклов. Запись этого количество циклов является оправданным, поскольку нагрузки противarying следствие тихой дыхания, так что LIIDF может быть вычислена, если это необходимо. Обратите внимание, что вычислительные значения х O, C, и к основе биений среднем 25 является законным способ охарактеризовать диастолу. Изменение нагрузки также могут быть получены в ходе клинических записи на маневрах Вальсальвы или Мюллера, или путем пассивной высоты ног с помощью пены клин 30 °.

    PDF ПАРАМЕТР ОПРЕДЕЛЕНИЕ

    АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ

    Уравнение движения для затухающего гармонического осциллятора и его математического решения является стандартное содержание курса в инженерных математики, в физике и механике 34. Выбор компьютерного языка (C ++, Fortran, LabView, MATLAB, и т.д..), С помощью которого она выполнена, также по усмотрению пользователя / следователя. Существуют стандартные численные методы и хорошо известны 35. Другие группы реализовали PDF формализм на жriting свой ​​собственный численный алгоритм и независимо воспроизведены наши результаты, в том числе численных значений для PDF параметры 36 в большом исследовании с участием более 1000 пациентов. В то время как текущая работа включает разработку веб-инструменты анализа PDF, оптимальный, широкая достижения преимуществом метода можно лучше всего достигается путем включения в PDF формализма в пакет фирменной анализа коммерческих эхокардиографии томографах.

    Зависит от оператора АСПЕКТЫ

    После того, как E-волна изображение было импортировано и обрезано (рисунок 1) определение максимальной конверте скорости, т.е. фактического множества точек, к которым решение затухающей гармонической колебательной скорости должен быть соответствовать методом, определяется. Как показано на последовательность панелей и оперативных шагов в рисунке 1 и говорилось выше, исходный шум, а также посторонний шум, который влияет на контур, является ofteн часть изображения. Оператор может определить непрерывное множество точек, чтобы быть в хорошей форме, как показано на рисунке 1, регулируя положение вертикальных синих линий, которые определяют начало и конец точках, чтобы быть в форме. Метод отображает посадку непосредственно над импортируемого изображения и оператор может легко оценить, если это имеет смысл или нет.

    ЧСС влияет на продолжительность диастолы и особенностей E-волны 37, и необходимо позаботиться, чтобы интерпретировать результаты алгоритм подбора в контексте пациента ЧСС. В типичных ЧСС ниже 80 уд / мин, в синусового ритма E-и-волн разделены краткого периода диастаза. Это облегчает включение замедления части E-волны. Как ЧСС увеличить, диастаз уменьшается и исчезает, так как волны начала происходит до прекращения E-волн. В быстрыми темпами сердца, выше 90 уд / мин, волны перекрывает замедления часть E-волныи PDF анализ E-волны становится ненадежным, потому что из ограниченного числа MVe пунктов, доступных, чтобы быть пригодными. Для содержательного анализа, по крайней мере 1/2 до 2/3 от общего замедления E-волны сигнала должны быть доступны для установки.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Acknowledgments

    Эта работа была частично поддержана со стороны Алана А. и Эдит Л. Вольф Благотворительный фонд, Сент-Луис, и Барнс-еврейской больницы Фонд. Л. Шмуйлович и Е. Гош были частично поддержана predoctoral стипендий от Heartland филиале Американской ассоциации сердца. С. Чжу получил частичную поддержку от Вашингтонского университета Программы Compton ученых и Колледжа искусств и Летний Бакалавриат исследовательского премии наук. С. Mossahebi получил частичную поддержку от кафедры физики.

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    Philips iE33 Philips (Andover, MA)
    LabView 6.0 National Instruments Version 6.0.2
    MATLAB MathWorks  Version R2010b

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

    1. Katz, L. N. The role played by the ventricular relaxation process in filling the ventricle. Am. J. Physiol. 95, 542-553 (1930).
    2. Frais, M. A., Bergman, D. W., Kingma, I., Smiseth, O. A., Smith, E. R., Tyberg, J. V. The dependence of the time constant of left ventricular isovolumic relaxation on pericardial pressure. Circulation. 81, 1071-1080 (1990).
    3. Weiss, J. L., Frederiksen, J. W., Weisfeldt, M. L. Hemodynamic determinants of the time-course of fall in canine left ventricular pressure. J. Clin Invest. 58, 751-760 (1976).
    4. Weisfeldt, M. L., Weiss, J. L., Frederiksen, J. W., Yin, F. C. P. Quantification of incomplete left ventricular relaxation: Relationship to the time constant for isovolumic pressure fall. Eur. Heart J. 1, 119-129 (1980).
    5. Thompson, D. S., et al. Analysis of left ventricular pressure during isovolumic relaxation in coronary artery disease. Circulation. 65, 690-697 (1982).
    6. Ludbrook, P. A., Bryne, J. D., Kurnik, P. B., McKnight, R. C. Influence of reduction of preload and afterload by nitroglycerin on left ventricular diastolic pressure-volume relations and relaxation in man. Circulation. 56, 937-943 (1977).
    7. Tyberg, J. V., Misbach, G. A., Glantz, S. A., Moores, W. Y., Parmley, W. W. A mechanism for shifts in the diastolic, left ventricular, pressure-volume curve: The role of the pericardium. Eur. J. Cardiol. 7, 163-175 (1978).
    8. Suga, H. Theoretical analysis of a left-ventricular pumping model based on the systolic time-varying pressure/volume ratio. IEEE Trans. Biomed. Eng. 24, 29-38 (1977).
    9. Raff, G. L., Glantz, S. A. Volume loading slows left ventricular isovolumic relaxation rate. Circ. Res. 48, 813-824 (1981).
    10. Suga, H., et al. Systolic pressure-volume area (PVA) as the energy of contraction in Starling’s law of the heart. Heart Vessels. 6, 65-70 (1991).
    11. Murakami, T., Hess, O., Gage, J., Grimm, J., Krayenbuehl, H. Diastolic filling dynamics in patients with aortic stenosis. Circulation. 73, 1162-1174 (1986).
    12. Baan, J., et al. Continuous measurement of left ventricular volume in animals and humans by conductance catheter. Circulation. 70, 812-823 (1984).
    13. Falsetti, H. L., Verani, M. S., Chen, C. J., Cramer, J. A. Regional pressure differences in the left ventricle. Catheter Cardiovasc. Diag. 6, 123-134 (1980).
    14. Kass, D. A. Assessment of diastolic dysfunction. Invasive modalities. Cardiol. Clin. 18 (3), 571-586 (2000).
    15. Suga, H. Cardiac energetics: from EMAX to pressure-volume area. Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 30, 580-585 (2003).
    16. Gottdiener, J. S., et al. American Society of Echocardiography recommendations for use of echocardiography in clinical trials. JASE. 17, 1086-1119 (2004).
    17. Kovács, S. J. Jr, Barzilai, B., Pérez, J. E. Evaluation of diastolic function with Doppler echocardiography: the PDF formalism. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 252, H178-H187 (1987).
    18. Hall, A. F., Aronovitz, J. A., Nudelman, S. P., Kovács, S. J. Automated method for characterization of diastolic transmitral Doppler velocity contours: Late atrial filling. Ultrasound Med. Biol. 20, 859-869 (1994).
    19. Hall, A. F., Kovács, S. J. Automated method for characterization of diastolic transmitral Doppler velocity contours: Early rapid filling. Ultrasound Med. Biol. 20, 107-116 (1994).
    20. Riordan, M. M., Kovács, S. J. Quantitation of Mitral Annular Oscillations and Longitudinal 'Ringing' of the Left Ventricle: A New Window into Longitudinal Diastolic Function. J. Appl. Physiol. 100, 112-119 (2006).
    21. Kovács, S. J., Meisner, J. S., Yellin, E. L. Modeling of diastole. Cardiol. Clin. 18, 459-487 (2000).
    22. Riordan, M. M., Chung, C. S., Kovács, S. J. Diabetes and Diastolic Function: Stiffness and Relaxation from Transmitral Flow. Ultrasound Med. Biol. 31, 1589-1596 (2005).
    23. Bauman, L., Chung, C. S., Karamanoglu, M., Kovács, S. J. The peak atrioventricular pressure gradient to transmitral flow relation: kinematic model prediction with in vivo validation. J. Am. Soc. Echocardiogr. 17 (8), 839-844 (2004).
    24. Kovács, S. J. Jr, Rosado, J., Manson-McGuire, A. L., Hall, A. F. Can Transmitral Doppler E-waves Differentiate Hypertensive Hearts From Normal? Hypertension. 30, 788-795 (1997).
    25. Riordan, M. M., et al. The Effects of Caloric Restriction- and Exercise-Induced Weight Loss on Left Ventricular Diastolic Function. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 294, H1174-H1182 (2008).
    26. Meyer, T. E., Kovács, S. J., Ehsani, A. A., Klein, S., Holloszy, J. O., Fontana, L. Long-term Caloric Restriction Slows Cardiac Aging in Humans. J. Am. Coll. Cardiol. 47, 398-402 (2006).
    27. Riordan, M. M., Kovács, S. J. Absence of diastolic mitral annular oscillations is a marker for relaxation- related diastolic dysfunction. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 292, H2952-H2958 (2007).
    28. Mossahebi, S., Kovács, S. J. Kinematic Modeling-based Left Ventricular Diastatic (Passive) Chamber Stiffness Determination with In-Vivo Validation. Annals BME. 40 (5), 987-995 (2012).
    29. Zhang, W., Chung, C. S., Riordan, M. M., Wu, Y., Shmuylovich, L., Kovács, S. J. The Kinematic Filling Efficiency Index of the Left Ventricle: Contrasting Normal vs. Diabetic Physiology. Ultrasound Med. Biol. 33, 842-850 (2007).
    30. Zhang, W., Kovács, S. J. The Age Dependence of Left Ventricular Filling Efficiency. Ultrasound Med. Biol. 35, 1076-1085 (2009).
    31. Courtois, M., Kovács, S. J., Ludbrook, P. A. Transmitral pressure-flow velocity relation. Importance of regional pressure gradients in the left ventricle during diastole. Circulation. 78, 661-671 (1988).
    32. Zhang, W., Shmuylovich, L., Kovács, S. J. The E-wave delayed relaxation pattern to LV pressure contour relation: model-based prediction with in vivo validation. Ultrasound Med. Biol. 36 (3), 497-511 (2010).
    33. Shmuylovich, L., Kovács, S. J. A load-independent index of diastolic filling: model-based derivation with in-vivo validation in control and diastolic dysfunction subjects. J. Appl. Physiol. 101, 92-101 (2006).
    34. Kreyszig, E. Advanced Engineering Mathematics. , 10th, John Wiley and Sons. Hoboken NJ. (2011).
    35. Press, W. H., Teukolsky, S. A., Vetterling, W. T., Flannery, B. P. Numerical recipes 3rd Edition: The Art of Scientific Computing. , Cambridge University Press. New York, NY. (2007).
    36. Claessens, T., et al. The Parametrized Diastolic Filling Formalism: Application in the Asklepios Population. Am. Soc. Mech. Eng. Summer Bioengineering Conference Proceedings. Farmington PA, , (2011).
    37. Chung, C. S., Kovács, S. J. Consequences of Increasing Heart Rate on Deceleration Time, Velocity Time Integral, and E/A. Am. J. Cardiol. 97, 130-136 (2006).

    Tags

    Биоинженерия выпуск 91 сердечно-сосудистой физиологии механики желудочковая диастолическая функция математическое моделирование эходопплеркардиография гемодинамика биомеханика
    Количественная оценка глобальной диастолической функции по кинематическая Моделирование на основе анализа трансмитрального кровотока через Заполнение формализма Параметризованный диастолической
    Play Video
    PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

    Cite this Article

    Mossahebi, S., Zhu, S., Chen, H.,… More

    Mossahebi, S., Zhu, S., Chen, H., Shmuylovich, L., Ghosh, E., Kovács, S. J. Quantification of Global Diastolic Function by Kinematic Modeling-based Analysis of Transmitral Flow via the Parametrized Diastolic Filling Formalism. J. Vis. Exp. (91), e51471, doi:10.3791/51471 (2014).

    Less
    Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
    View Video

    Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

    Waiting X
    Simple Hit Counter