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La cuantificación de la función diastólica por Global Análisis basado en Modelado cinemático de flujo transmitral mediante el formalismo de llenado diastólico parametrizada

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DOI:

10.3791/51471

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1 de septiembre de 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

En este artículo

Resumen

Exacta cuantificación, basada en la causalidad de la función diastólica global ha sido alcanzado por el análisis basado en la modelización cinemática de flujo transmitral a través de la parametrizada llenado diastólico (PDF) formalismo. PDF genera rigidez, la relajación, y los parámetros de carga única y aclara "nuevo" fisiología mientras que proporciona índices de sensibilidad y especificidad de la disfunción.

Resumen

Cuantitativa evaluación de la función cardíaca continúa siendo un desafío para los fisiólogos y médicos. Aunque los métodos invasivos históricamente han conformado el único medio disponible, el desarrollo de técnicas de imagen no invasivas (ecocardiografía, resonancia magnética, CT) que tiene una alta resolución temporal y espacial proporcionan una nueva ventana para la evaluación cuantitativa de la función diastólica. La ecocardiografía es la acordada estándar para la evaluación de la función diastólica, pero los índices de uso clínico actual simplemente utilizar las características de dimensión de la cámara (modo M) o el movimiento de la sangre / tejido (Doppler) formas de onda seleccionada sin incorporar los determinantes causales fisiológicas del movimiento mismo. El reconocimiento de que todos los ventrículos izquierdo (LV) iniciar el llenado, al servir como bombas de succión mecánica permite la función diastólica global para ser evaluado sobre la base de las leyes del movimiento que se aplican a todas las cámaras. Lo que diferencia a un corazón de la otra son los parámetros de la ecuación de movimiento que govllenado Erns. De acuerdo con ello, el desarrollo del llenado diastólico parametrizada (PDF) formalismo ha demostrado que toda la gama de flujo transmitral precoz observado clínicamente patrones (Doppler E-onda) son extremadamente bien en forma por las leyes del movimiento oscilatorio amortiguado. Esto permite el análisis del E-ondas individuales de acuerdo con un mecanismo causal (succión de retroceso-iniciado) que produce tres (numéricamente) parámetros concentrados únicos cuyos análogos fisiológica son rigidez de la cámara (k), viscoelasticidad / relajación (c), y la carga (x o). La grabación del flujo transmitral Doppler (E-ondas) es una práctica estándar en la cardiología clínica y, por lo tanto, el método de grabación ecocardiográfico se revisa brevemente. Nuestra atención se centra en la determinación de los parámetros de PDF a partir de datos de ondas E registrados de forma rutinaria. Como los resultados resaltados indican, una vez que los parámetros PDF se han obtenido a partir de un número adecuado de carga variable E-ondas, las Invesinves- es libre de utilizar los parámetros o construir índices de los parámetros (como la energía almacenada medio kx o 2, la presión máxima AV o gradiente kx, índice de carga independiente de la función diastólica, etc.) y seleccionar el aspecto de la fisiología o fisiopatología ser cuantificados.

Introducción

Estudios pioneros por Katz 1 en 1930 revelaron que el ventrículo izquierdo de mamíferos inicia llenado por ser una bomba de succión mecánica, y mucho esfuerzo desde entonces se ha dedicado a desentrañar el funcionamiento de la diástole. Durante muchos años, los métodos invasivos eran las únicas opciones disponibles para la evaluación clínica o la investigación de la función diastólica (DF) 2-16. En la década de 1970, sin embargo, los avances y desarrollos en la ecocardiografía técnicos finalmente dieron cardiólogos y fisiólogos herramientas prácticas para la caracterización no invasiva del DF.

Sin una teoría causal unificación o paradigma para la diástole con respecto a cómo trabaja el corazón cuando se llena, los investigadores propusieron numerosos índices fenomenológicos basados ​​en la correlación con las características clínicas. La curvilínea, rápidamente subiendo y bajando forma de la velocidad del flujo sanguíneo transmitral contorno durante la primera, llenado rápido, por ejemplo, se aproxima como un triángulo y diastólica fuíndices ncio se definen a partir de las características geométricas (altura, anchura, área, etc.) de ese triángulo. Los avances técnicos en ecocardiografía han permitido que el movimiento del tejido, la tensión, y la velocidad de deformación durante el llenado a medir, por ejemplo, y cada avance técnico trajo consigo una nueva cosecha de índices fenomenológicas que se correlaciona con las características clínicas. Sin embargo, los índices siguen siendo correlativo y no causal y muchos índices son diferentes medidas de la misma fisiología subyacente. No es de extrañar, por tanto, que los índices clínicos actualmente empleados de DF han especificidad y una sensibilidad limitada.

Para superar estas limitaciones, el llenado (PDF) formalismo parametrizada diastólica, una cinemática causal, modelo de parámetros concentrados de llenado del ventrículo izquierdo que está motivado por e incorpora la fisiología de succión de la bomba de la diástole fue desarrollado y validado 17. Modela la función diastólica (tal como se manifiesta en las formas curvilíneasde los contornos de flujo transmitral) de acuerdo con las reglas de movimiento oscilatorio amortiguado armónico. La ecuación de movimiento oscilatorio armónico amortiguado se basa en la segunda ley de Newton y se puede escribir, por unidad de masa, como:

figure-introduction-1 Ecuación 1

Esta 2 ª ecuación diferencial de orden lineal tiene tres parámetros: K - rigidez de la cámara, c - viscoelasticidad / relajación, y x o - desplazamiento inicial / precarga del oscilador. El modelo predice que los diferentes patrones de llenado diastólico observadas clínicamente son el resultado de la variación en el valor numérico de estos tres parámetros del modelo. Con base en el formalismo de PDF y la mecánica clásica, E-ondas pueden ser clasificados como siendo determinado por bajo amortiguadas-o sobre-amortiguado regímenes de movimiento. Numerosos estudios 17-21 han validado que clínicamente registrados contornos de onda E y el modelo PDF predijeron contornos muestran excelente acuerdo y han dilucidado los hemodinámicos / análogos fisiológicos de los tres parámetros PDF 21. El proceso para la extracción de los parámetros del modelo de vista clínico registrado datos de la onda E se detalla en los siguientes métodos.

A diferencia de los índices típicos de DF en uso clínico actual, tres parámetros del modelo PDF son la causalidad basada. Como se discute en los siguientes métodos, índices adicionales de la fisiología diastólica se pueden derivar de estos parámetros fundamentales y de la aplicación del formalismo PDF a aspectos de la diástole otro que el flujo transmitral. En este trabajo, los métodos de análisis basado en PDF de flujo transmitral y de las relaciones fisiológicas que se pueden extraer del enfoque PDF, se describen los parámetros y los índices derivados. Además, se muestra que los parámetros PDF o índices derivadas de ellos pueden burlarseaparte las propiedades intrínsecas de la cámara de los efectos externos de la carga pueden proporcionar correlaciones con los parámetros definidos invasiva tradicionales y pueden diferenciar entre los grupos normales y patológicos.

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Protocolo

El procedimiento para la adquisición de imágenes ecocardiográficas y análisis de los mismos para obtener los parámetros PDF se detalla a continuación. Aunque el cateterismo cardíaco se menciona en la parte de selección de sujetos por debajo, la metodología descrita se aplica sólo a la porción ecocardiográfico. La descripción de la parte de cateterismo se incluyó para la validación independiente de las predicciones del modelo con base y no está relacionada con el análisis de los E-ondas a través del formalismo PDF. Antes de la adquisición de datos, todos los sujetos proporcionan firmaron su consentimiento informado para la participación en el estudio, de acuerdo con la Junta de Revisión Institucional (Oficina de Protección de la Investigación Humana) en la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington.

NOTA: Todos los programas de software (junto con tutoriales sobre cómo usarlas) descritos en esta sección se puede descargar desde http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

1. Selección del Objeto

NOTA: Todos los sujetos en la base de datos Cardiovascular Laboratorio de Biofísica tenían ecocardiografía simultánea y el cateterismo cardíaco realizado y fueron referidos por sus médicos para cateterismo cardiaco diagnóstico. Los criterios de inclusión de bases de datos son: 1) ausencia de anomalías valvulares significativas, 2) ausencia de alteraciones de la o bloqueo de rama en el ECG, 3) la presencia de una ventana ecocardiográfica satisfactorio con E-claramente identificables y A-ondas.

2. ecocardiográfica Adquisición de Datos

  1. Grabar un estudio completo / eco-Doppler 2D para todos los sujetos de acuerdo con la Sociedad Americana de Ecocardiografía 16 criterios. NOTA: Los ecocardiogramas de cribado se registraron en una cámara clínica estándar por un ecografista. Si se desea, la grabación ecocardiográfico transtorácico adicional se puede realizar para el propósito de la verificacións después de un catéter, de alta fidelidad adecuada se avanza en el LV para medir la hemodinámica LV simultáneamente.
  2. Los sujetos de la imagen en la posición supina. En un entorno no experimental, el posicionamiento lateral izquierda estándar se puede utilizar sin pérdida de generalidad del método. Obtener apical cuatro cámaras que utilizan un transductor de 2,5 MHz, con el volumen de la muestra cerrada en 1.5-5 mm dirigidas entre las puntas de las valvas de la válvula mitral y ortogonal al plano MV (para minimizar los efectos de alineación como se ve en el color Doppler modo M ), el filtro de pared puesta a 1 (125 Hz) o 2 (250 Hz), la línea de base ajustado para tener ventaja de la altura total de la pantalla y la escala de velocidad ajustado para explotar el rango dinámico de la salida sin aliasing.
  3. Realice Doppler tisular con el volumen de la muestra cerrada en 2,5 mm y se coloca en las pociones lateral y septal del anillo mitral.
  4. Ahorra exámenes Doppler en formato DICOM en la máquina de eco y grabar en DVD con simultelectrocardiograma aneously registrado (ECG).

3. Doppler de la Imagen y Análisis Convencional

NOTA: En esta sección se describen dos programas a medida de MATLAB. El primer programa se describe en el paso 3.1 y el segundo programa se describe en los pasos 3.2 a 3.5. Todos los programas de software (junto con tutoriales sobre cómo usarlas) se pueden descargar desde http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

  1. Convertir imágenes desde el formato DICOM y vídeo a mapa de bits (bmp) archivos (usando un programa MATLAB personalizado). NOTA: El procedimiento descrito a continuación para ajustar Doppler E-ondas y Doppler tisular E'ondas se muestra en la Figura 1.
  2. Cargue los archivos de imagen de mapa de bits en otro programa MATLAB personalizada para medir los parámetros de flujo transmitral convencionales tales como pico E, A pico, E dur , 'pico, A' E pico, etc. y recortar las imágenes para el análisis de PDF. Imágenes con discernible contorno flujo transmitral y ciclo cardíaco completo Seleccione según lo indicado por ECG para su análisis.
  3. Marcar la tasa de tiempo de muestreo (medida en píxeles / s en el eje horizontal) y la tasa de muestreo de la velocidad (medida en píxeles / (m / seg) a lo largo del eje vertical) en las imágenes. Identificar el ciclo cardíaco completo observando y marcado picos consecutivos R (o cualquier característica distintiva de la ECG) en la imagen.
  4. Marque la transmitral Doppler E y A-onda o tejido Doppler E'- y A'- ola en el ciclo cardíaco seleccionado.
    1. Seleccione el punto de pico es decir Doppler E-ola. Pico E, (o pico E ') y marcar el inicio de la onda utilizando la línea que conecta el pico del comienzo como una guía para que coincida con la pendiente de aceleración de la onda E (o de la onda E'). El comienzo de la onda se utiliza para calcular el intervalo de principio a peflujo ak denota como la onda E (o E'onda) tiempo de aceleración (AT).
    2. Marcar el final de la onda E (o de la onda E ') usando la línea que conecta el pico hasta el final como una guía para que coincida con la pendiente de desaceleración. Esto se utiliza para calcular el intervalo de desde el pico de la línea de base denotado como el tiempo de desaceleración (DT). El intervalo de desde el principio hasta el final de la onda es la duración de la onda E (E dur = AT + DT). El programa guía al usuario durante todo el proceso con las debidas instrucciones.
  5. Marcar la A-onda usando un procedimiento similar a la de la onda E. Tanto con el E y A-ondas marcó el programa calcula el pico relación E / A pico.
    NOTA: El programa guarda las ondas marcadas como imágenes recortadas que contienen el E y sólo A-ondas. El programa también crea un archivo de datos con los parámetros de cultivo y medidos para cada latido.

4. de montaje automatizada de flujo transmitral Utilizando el formalismo PDF

  1. El montaje automatizado de Doppler E y A de la onda y el tejido Doppler E'- y los contornos de onda A'- se hace usando un programa de LabView personalizado 18,19.
    1. Cargue la imagen recortada, y el programa calcula automáticamente el sobre velocidad máxima (MVE). Seleccione la MVE estableciendo el umbral de tal manera que se aproxima a MVE flujo transmitral como se muestra en la Figura 1. El inicio y la terminación de los puntos que definen el MVE se puede seleccionar a lo largo del eje de tiempo por el operador de tal manera que sólo MVE puntos que proporcionan buena correspondencia a la parte real seleccionado de la onda se utilizan como entrada para la instalación posterior.
  2. NOTA: Los puntos MVE-seleccionados por el usuario son la entrada para el programa de ordenador que se ajuste automáticamente el modelo de solución PDF para la velocidad en función del tiempo utilizando un Levenberg-Marquardt (iterativo) algoritmo. El ajuste se realiza con el requisito de que el error cuadrático medio entre la clínica (de entrada)minimizarse datos (MVE) y el modelo PDF contorno predicho. Puesto que el modelo es lineal, se obtiene un conjunto único de parámetros para cada Doppler de la onda E derivada MVE utilizado como entrada. Por lo tanto numéricamente k, c, y valores únicos x o se generan para cada onda E y k ', c', y x o 'para cada onda E'.
  3. En el caso de que el ajuste es obviamente subóptima cuando el ajuste se superpone a la onda E (o de la onda E ') imagen (es decir. El algoritmo intentó ajustarse ruido incluido en el MVE por ejemplo) modificar el MVE mediante el uso de más / menos puntos, modificando de este modo el modelo predijo contorno con la consiguiente modificación de los parámetros PDF para lograr un mejor ajuste.

Guardar los datos cuando el ajuste apropiado PDF se haya generado. NOTA: El programa está escrito para guardar automáticamente los datos de imagen y archivos de texto que contienen los parámetros de PDF yla información de contorno.
Los parámetros PDF obtenidos a partir del procedimiento descrito anteriormente se pueden utilizar para elucidar la fisiología y la nueva distinguir entre la fisiología normal y patológica como se detalla en la sección de resultados representativos a continuación.

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Resultados

Formas de onda Doppler representante de los cuatro tipos diferentes de patrones de llenado (, seudonormal, la relajación normal de retraso,-constrictiva restrictivo) usando el método detallado anteriormente se muestran en la Figura 2. Figura 2A muestra el patrón normal, lo que, por sí mismo es indistinguible de la seudonormal patrón. Figura 2B muestra una relajación retardada y la Figura 2C muestra un patrón de constrictiva restrictivo asociado con la disfunción diastól...

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Discusión

En consonancia con nuestro enfoque metodológico, se resaltan los aspectos clave de los métodos que facilitan la obtención de resultados precisos y significativos.

ECOCARDIOGRAFÍA

La Sociedad Americana de Ecocardiografía (ASE) tiene pautas para la realización de estudios transtorácica 16. Durante un examen de eco, hay una multitud de factores que afectan la calidad de la imagen. Los factores que están más allá del control del ecografista incluyen: capac...

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Divulgaciones

Los autores no tienen intereses financieros contrapuestos.

Agradecimientos

Este trabajo fue apoyado en parte por el Alan A. y Edith L. Wolff Charitable Trust, St. Louis, y la Fundación Barnes-Jewish Hospital de. L. Shmuylovich y E. Ghosh fueron parcialmente compatibles con las becas concedidas predoctorales del Heartland de afiliados de la Asociación Americana del Corazón. S. Zhu recibió apoyo parcial del Programa de Compton Los estudiosos de la Universidad de Washington y el Colegio de Artes y Premio de Investigación Licenciatura Verano Ciencias. S. Mossahebi recibió apoyo parcial del Departamento de Física.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Philips iE33Philips (Andover, MA)
LabView 6.0National Instrumentsversión 6.0.2
MATLABMathWorks Versión R2010b

Referencias

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