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Quantifizierung der globalen diastolischen Funktion durch kinematische Modellierung basierende Analyse der transmitralen Fluss über die diastolische Füllung Parametrisierte Formalismus

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DOI:

10.3791/51471

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1. September 2014

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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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Präzise, ​​Kausalität basierte Quantifizierung der globalen diastolischen Funktion durch kinematische Modellierung basierende Analyse des transmitralen Fluss über die Parametrisierte diastolische Füllung (PDF) Formalismus erreicht. PDF erzeugt einzigartige Steifigkeit, Entspannung und Belastungsparameter und erläutert "neuen" Physiologie und gleichzeitig sensitive und spezifische Indizes der Dysfunktion.

Zusammenfassung

Quantitative Beurteilung der Herzfunktion bleibt eine Herausforderung für Physiologen und Kliniker. Obwohl historisch invasive Methoden die einzige Möglichkeit besteht, die Entwicklung von nicht-invasiven bildgebenden Verfahren (Echokardiographie, MRT, CT) mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung liefern ein neues Fenster für die quantitative Beurteilung diastolischen Funktion. Die Echokardiographie ist das auf Standard für die diastolische Funktion Einschätzung überein, aber Indizes in aktuellen klinischen Einsatz nur ausgewählte Merkmale Kammer Dimension (M-Modus) oder Blut / Gewebebewegung (Doppler) Wellenformen zu nutzen, ohne Einbeziehung der physiologischen kausalen Determinanten der Bewegung selber. Die Erkenntnis, dass alle linken Ventrikel (LV) initiieren Füllen durch mechanische Absaugpumpen dienen können globalen diastolischen Funktion basierend auf Bewegungsgesetze, die für alle gelten Kammern bewertet werden. Was unterscheidet ein Herz von einem anderen sind die Parameter der Bewegungsgleichung, die govErns-Füllung. Dementsprechend Entwicklung der diastolische Füllung Parametrisierte (PDF) Formalismus hat gezeigt, dass der gesamte Bereich der klinisch beobachteten frühen transmitralen Strom (Doppler-E-Welle) Muster sind sehr gut Passform durch die Gesetze der gedämpften Schwingungsbewegung. Dies ermöglicht eine Analyse der individuellen E-Wellen in Übereinstimmung mit einer kausalen Mechanismus (Rückstoß initiiert Ansaugen), die drei (numerisch) einzigartig konzentrierten Parameter, deren physiologische Analoga Kammer Steifigkeit (k), Viskoelastizität / Entspannung (c) und Last (x ergibt o). Die Aufzeichnung der transmitralen Strom (Doppler-E-Wellen) ist gängige Praxis in der klinischen Kardiologie und daher die echokardiographischen Aufnahmeverfahren nur kurz überprüft. Unser Fokus liegt auf der Bestimmung der Parameter von PDF routinemäßig aufgezeichnet E-Wave-Daten. Da die hervorgehobenen Ergebnisse zeigen, wenn die PDF-Parameter aus einer geeigneten Anzahl von Last erhalten worden unterschiedlichen E-Wellen, die Investigator ist frei, um die Parameter zu verwenden oder zu konstruieren Indizes aus den Parametern (wie gespeicherte Energie 2.1 kx o 2, maximal AV Druckgefälle kx o, Lastindex von unabhängigen diastolischen Funktion, etc.), und wählen Sie den Aspekt der Physiologie oder Pathophysiologie quantifiziert werden.

Einleitung

Bahnbrechenden Studien von Katz 1 im Jahr 1930 ergab, dass die linke Herzkammer initiiert Säugetier Füllung, indem sie eine mechanische Saugpumpe und viel Mühe hat sich seitdem zu der Entschlüsselung der Funktionsweise der Diastole gewidmet. Seit vielen Jahren waren invasive Methoden die einzigen Optionen für die klinische Forschung oder Beurteilung der diastolischen Funktion (DF) 2-16 zur Verfügung. In den 1970er Jahren jedoch technische Weiterentwicklungen und Entwicklungen in der Echokardiographie gab schließlich Kardiologen und Physiologen praktische Werkzeuge für die nichtinvasive Charakterisierung von DF.

Ohne eine vereinheitlichende Theorie kausaler oder Paradigma für die Diastole über, wie das Herz funktioniert, wenn es füllt, schlug die Forscher zahlreiche phänomenologische Indizes basierend auf der Korrelation mit klinischen Merkmalen. Die gekrümmte, rasch steigende und fallende Form des transmitralen Blutflussgeschwindigkeit in der frühen Kontur, schnelle Befüllung, zum Beispiel, wurde als ein Dreieck und diastolischen fu angenähertnktion Indizes wurden von geometrischen Merkmalen des Dreiecks definiert (Höhe, Breite, Fläche, etc..). Technische Fortschritte in der Echokardiographie haben Gewebebewegung, Dehnung, Dehnungsrate und erlaubt während der Befüllung gemessen werden soll, zum Beispiel, und jeder technische Fortschritt brachte eine neue Ernte von phänomenologischen Indizes mit klinischen Merkmalen korreliert werden. Allerdings bleiben die Indizes korreliert und nicht kausal und viele Indizes sind verschiedene Maßnahmen der gleichen zugrunde liegenden Physiologie. Es ist nicht verwunderlich, dass derzeit beschäftigt klinischen Indizes der DF haben Spezifität und Sensitivität begrenzt.

Um diese Einschränkungen, die die parametrisierten diastolische Füllung (PDF) Formalismus, ein kausaler kinematische zu überwinden, wurde in einen Topf geworfen Parameter-Modell der linksventrikulären Füllung, die durch motiviert ist und beinhaltet die Saugpumpe Physiologie der Diastole entwickelt und validiert 17. Es Modelle diastolischen Funktion (wie durch die gekrümmten Formen manifestiertvon transmitralen Fluss Konturen) in Übereinstimmung mit den Regeln des gedämpften harmonischen Schwingungsbewegung. Die Gleichung für die gedämpfte harmonische Schwingungen auf Newtons zweites Gesetz und kann geschrieben werden, pro Masseneinheit, zB:

figure-introduction-1 Gleichung 1

Diese lineare 2. Ordnung Differentialgleichung hat drei Parameter: k - Kammer Steifigkeit, c - Viskoelastizität / Entspannung, und x o - des Oszillators Anfangsverschiebung / Vorspannung. Das Modell sagt voraus, dass die verschiedenen klinisch beobachtet diastolischen Füllung Muster sind das Ergebnis der Änderung in dem numerischen Wert dieser drei Modellparameter. Basierend auf der PDF-Formalismus und der klassischen Mechanik, kann E-Wellen als von unter-oder über-gedämpft gedämpft Regime der Bewegung bestimmt klassifiziert werden. Zahlreiche Studien 17-21 haben bestätigt, dass klinisch aufgezeichnet E-Wellenkonturen und PDF-Modell vorhergesagt Konturen zeigen hervorragende Vereinbarung und haben die hämodynamischen aufgeklärt / physiologischen Analoga der drei PDF Parameter 21. Das Verfahren zur Extraktion von Modellparametern aus klinisch aufgezeichnet E-Wave-Daten ist in den Methoden unten detailliert.

Im Gegensatz zu typischen Indizes der DF in der aktuellen klinischen Einsatz sind drei Parameter des PDF-Modells Kausalität. Wie in den Methoden unten diskutiert wird, können zusätzliche Indizes der diastolischen Physiologie von diesen Grundparameter und von der Anwendung der PDF-Formalismus, um Aspekte der Diastole andere als transmitralen Strom abgeleitet werden. In dieser Arbeit Methoden der PDF-basierten Analyse transmitralen Strom und physiologischen Beziehungen, die aus der PDF-Ansatz gezogen werden kann, die Parameter und die abgeleiteten Indizes beschrieben. Zusätzlich wird gezeigt, dass die PDF-Parameter oder Indizes daraus ableitbaren teaseabgesehen intrinsischen Eigenschaften Kammer von den externen Auswirkungen der Belastung kann Korrelate zu herkömmlichen invasiven definierten Parameter bieten und kann zwischen normalen und pathologischen Gruppen zu differenzieren.

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Protokoll

Das Verfahren für die Erfassung und Analyse von echokardiographischen Bilder sie, um die PDF-Parameter zu erhalten wird im Folgenden aufgeführt. Obwohl Herzkatheter wird in der Betreff-Auswahlabschnitt unten erwähnt, gilt die beschriebene Methode nur auf die echokardiographischen Teil. Die Beschreibung der Katheterisierung Teil wurde für die unabhängige Validierung der modellbasierten Vorhersagen enthalten und ist nicht mit der Analyse der E-Wellen über die PDF-Formalismus. Vor der Datenerfassung, bieten alle Fächer unterzeichnet, informierte Zustimmung für die Teilnahme an der Studie in Übereinstimmung mit der Institutional Review Board (Human Research Protection Amt) an der Washington University School of Medicine.

HINWEIS: Alle Software-Programme (zusammen mit Tutorials, wie man sie benutzt) in diesem Abschnitt beschrieben kann heruntergeladen werden http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

1. Auswahl Betreff

HINWEIS: Alle Patienten in der Herz-Kreislauf-Labor Biophysik Database hatte gleichzeitige Echokardiographie und Herzkatheter durchgeführt und wurden von ihren Ärzten für diagnostische Herzkatheter bezeichnet. Die Datenbankeinschlusskriterien sind: 1) Fehlen größerer Klappenanomalien, 2) die Abwesenheit von Wandbewegungsstörungen oder Schenkelblock im EKG, 3) Vorhandensein einer zufriedenstell echokardiographische Fenster mit eindeutig identifizierbaren E-und A-Wellen.

2. echokardiographische Datenerfassung

  1. Nehmen Sie eine komplette 2D / Echo-Doppler-Studie für alle Themen im Einklang mit der American Society of Echokardiographie Kriterien 16. HINWEIS: Die Screening Echokardiogramme wurden an einem klinischen Standardbildkamera von einem Untersucher erfasst. Falls gewünscht, können zusätzliche transthorakalen Echokardiografie Aufzeichnungs zur Verifizierung Zweck durchgeführt werden,s nach einer geeigneten, HiFi-Katheter wird in die LV fortgeschrittene LV Hämodynamik gleichzeitig messen.
  2. Bild Themen in der Rückenlage. In einer nonresearch Einstellung können Standard linken seitlichen Positionierung ohne Verlust der Allgemeingültigkeit der Verfahren verwendet werden. Erhalten apikalen Vierkammerblick mit einem 2,5 MHz-Wandler, der das Probenvolumen auf 1,5-5 mm zwischen den Spitzen der Mitralklappensegel und orthogonal zu der Ebene MV (Ausrichtungseffekte zu minimieren gerichtet gated on als farb M-Modus-Doppler gesehen ), der Wandfilter unter 1 (125 Hz) oder 2 (250 Hz), der Grundlinie eingestellt, die Vorteile der vollen Höhe des Displays und der Geschwindigkeitsskala angepasst, um den Dynamikbereich des Ausgabe ohne Aliasing nutzen Aufnahmen macht.
  3. Führen Doppler Gewebe-Bildgebung mit dem Probenvolumen bei 2,5 mm eingezäunt und an den seitlichen und Septum-Tränke der Mitralannulus positioniert.
  4. Sparen Doppler-Untersuchungen im DICOM-Format in der Echomaschine und Aufzeichnung auf DVD mit simultaneously aufgezeichnet Elektrokardiogramm (EKG).

3. Doppler Bildverarbeitung und konventionelle Analyse

Hinweis: Dieser Abschnitt beschreibt zwei benutzerdefinierte MATLAB-Programme. Das erste Programm wird in Schritt 3.1 beschrieben, und das zweite Programm in den Schritten 3.2-3.5 beschrieben. Alle Software-Programme (zusammen mit Tutorials, wie man sie benutzt) kann heruntergeladen werden unter http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

  1. Bilder aus dem DICOM-Format zu konvertieren, um Video-und Bitmap (BMP)-Dateien (mit einem benutzerdefinierten MATLAB-Programm). HINWEIS: Die unten beschriebenen Doppler E-Wellen und Gewebe-Doppler-E'-Wellen passen Verfahren ist in Abbildung 1 dargestellt.
  2. Laden Sie die Bitmap-Bilddateien auf einem anderen benutzerdefinierten MATLAB-Programm zu herkömmlichen transmitralen Strömungsparameter wie E Gipfel, ein Spitzen, E dur messen , E 'Spitzen, A' Spitze, etc. und beschneiden Sie die Bilder für PDF-Analyse. Wählen Sie Bilder mit erkennbaren transmitralen Strömungskontur und komplette Herzzyklus durch EKG-Analyse ergab.
  3. Die Zeit an Abtastrate (in Pixeln / s auf der horizontalen Achse gemessen) und die Geschwindigkeit Abtastrate (in Pixel / (m / s gemessen) entlang der vertikalen Achse) in den Bildern. Identifizieren Sie die komplette Herzzyklus mit der Feststellung und Kennzeichnung aufeinanderfolgenden R-Zacken (oder ein besonderes Merkmal des EKG) auf dem Bild.
  4. Markieren Sie die transmitralen Doppler E-und A-Welle oder Gewebe-Doppler E'- und A'- Welle im ausgewählten Herzzyklus.
    1. Wählen Sie die E-Doppler-Wellenscheitelpunkt also. E Gipfel, (oder E 'peak) und markieren den Beginn der Welle mit der Linie, die die Spitze zu Beginn als Leitfaden für die Beschleunigung Steigung der E-Welle (oder E'-Welle) entsprechen. Der Start der Welle wird das Intervall vom Anfang berechnen peak Fluss bezeichnet als E-Welle (oder E'-Welle) Beschleunigungszeit (AT).
    2. Markieren das Ende der E-Welle (oder E'-Welle) mit der Linie, die die Spitze bis zum Ende als Leitfaden für die Bremsrampe entsprechen. Dies wird verwendet, um den Abstand von der Spitze zur Basislinie als die Verzögerungszeit (DT) bezeichnet berechnen. Das Intervall vom Beginn bis zum Ende der Welle ist die Dauer der E-Welle (E dur = AT + DT). Das Programm führt den Anwender durch den gesamten Prozess mit entsprechenden Anweisungen.
  5. Filter A-Welle unter Verwendung eines ähnlichen Verfahrens wie dem E-Welle. Sowohl mit der E-und A-Wellen markiert das Programm berechnet die E Spitzen / A-Peak-Verhältnis.
    HINWEIS: Das Programm speichert die markierten Wellen als beschnittene Bilder, die die E-und A-Wellen nur. Das Programm erstellt auch eine Datendatei mit dem Zuschneiden und Messparameter für jeden Takt.

4. Automatisierte Montage von transmitralen Fluss Mit dem PDF-Formalismus

  1. Die automatisierte Montage von Doppler E-und A-Welle und Gewebe-Doppler E'- und A'- Wellenkonturen wird mit einem benutzerdefinierten Programm LabView 18,19 getan.
    1. Legen Sie das zugeschnittene Bild, und das Programm berechnet automatisch die maximale Geschwindigkeit Umschlag (MVE). Wählen Sie das MVE, indem die Schwelle, so daß MVE annähert transmitralen Strom, wie in 1 gezeigt. Der Beginn und die Beendigung der Punkte, die MVE definieren, entlang der Zeitachse durch den Bediener ausgewählt werden, dass nur MVE Punkte die gute Übereinstimmung bereitzustellen dem eigentlichen ausgewählten Abschnitt der Welle als Eingabe für den nachträglichen Einbau verwendet.
  2. HINWEIS: Die vom Benutzer ausgewählte MVE Punkte sind die Eingabe in das Computerprogramm, das automatisch passt die PDF-Modell-Lösung für die Geschwindigkeit als Funktion der Zeit unter Verwendung eines Levenberg-Marquardt (iterative) Algorithmus. Der Beschlag ist mit der Forderung erreicht, daß der mittlere quadratische Fehler zwischen dem klinischen (Eingang)Daten (MVE) und das PDF-Modell vorhergesagten Kontur minimiert werden. Da das Modell linear ist, wird ein eindeutiger Satz von Parametern für jede Doppler-E-Welle abgeleiteten MVE als Eingabe verwendet wird, erhalten. So numerisch einzigartige k, c und x o-Werte werden für jede E-Welle und k ', c' und x o 'für jeden E'-Welle erzeugt.
  3. Im Falle der Sitz ist offensichtlich suboptimal, wenn der Sitz auf der E-Welle überlagert (oder E'-Welle) Bild (dh. Der Algorithmus versucht, Rauschen in dem MVE beispiels enthalten passen) unter Verwendung von mehr modifizieren MVE / weniger Punkte, wodurch das Modell vorhergesagten Änderung Kontur mit daraus folgenden Änderung der PDF-Parameter, um eine bessere Passform zu erzielen.

Speichern Sie die Daten, wenn die entsprechenden PDF-Passform erzeugt wurde. Hinweis: Das Programm wird geschrieben, um die Daten in Bild-und Textdateien, die PDF-Parameter enthalten, automatisch zu speichern unddie Konturinformationen.
Die PDF-Parameter aus dem oben beschriebenen Verfahren erhalten werden, können verwendet werden, um neue Physiologie aufzuklären und zwischen normalen und pathologischen Physiologie im Repräsentative Ergebnisse weiter unten detailliert beschrieben.

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Ergebnisse

Doppler-Wellenformen repräsentativ für die vier verschiedenen Arten von Füllmustern (normal, pseudonormal, verzögerte Erholung, konstriktive beschränke) unter Verwendung der oben beschriebenen Methode, sind in der Abbildung 2 dargestellt. 2A zeigt das normale Muster, die von selbst nicht von der pseudonormal ist Muster. 2B zeigt eine verzögerte Erholung und 2C zeigt eine Eingrenzungs einschränkendes Muster mit schweren diastolische Dysfunktion. Aus Grün...

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Diskussion

Im Einklang mit unserer methodischen Schwerpunkt werden die wichtigsten Aspekte der Methoden, die erleichtern, um genaue und aussagekräftige Ergebnisse hervorgehoben.

ECHOKARDIOGRAPHIE

Die American Society of Echokardiographie (ASE) hat Richtlinien für die Durchführung von Studien transthorakale 16. Während eines Echoprüfung gibt es eine Vielzahl von Faktoren, die die Bildqualität beeinträchtigen. Faktoren, die außerhalb der Kontrolle der Untersucher s...

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Offenlegungen

Die Autoren haben keine konkurrierenden finanziellen Interessen.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde zum Teil durch die Alan A. und Edith L. Wolff Charitable Trust, St. Louis, und dem Barnes-Jewish Hospital Foundation unterstützt. L. und E. Shmuylovich Ghosh wurden teilweise durch Promotionsstipendium Auszeichnungen von der Heartland Partner der American Heart Association. S. Zhu erhielt teilweise Unterstützung von der Washington University Compton Scholars Program und der Hochschule der Künste und Wissenschaften 'Summer Undergraduate Research Award. S. Mossahebi erhalten teilweise Unterstützung von der Fakultät für Physik.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Philips iE33Philips (Andover, MA)
LabView 6.0National InstrumentsVersion 6.0.2
MATLABMathWorks Fassung R2010b

Referenzen

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Echokardiographische AnalyseDoppler E Wellelinksventrikul re FunktionKammersteifigkeitkardiale Relaxationnicht invasive kardiale Beurteilung

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