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Quantification de Global diastolique fonction de l'analyse basée sur la modélisation cinématique de transmitral débit via le formalisme de remplissage diastolique paramétrée

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DOI :

10.3791/51471

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1 septembre 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

Dans cet article

Résumé

Précis, quantification basée sur la causalité de la fonction diastolique global a été réalisé par l'analyse cinématique basée sur la modélisation des flux transmitral via le paramétrée diastolique de remplissage (PDF) de formalisme. PDF génère rigidité, la relaxation et les paramètres de charge unique et met en lumière «nouvelle» physiologie tout en fournissant des indices sensibles et spécifiques de la dysfonction.

Résumé

L'évaluation quantitative de la fonction cardiaque reste un défi pour les physiologistes et les cliniciens. Bien que les méthodes invasives ont historiquement constitué le seul moyen disponible, le développement des techniques d'imagerie non invasives (échographie, IRM, CT) ayant une résolution spatiale et temporelle de fournir une nouvelle fenêtre pour l'évaluation quantitative de la fonction diastolique. L'échocardiographie est la norme convenue pour l'évaluation de la fonction diastolique, mais des indices de l'utilisation clinique courante simplement utiliser les fonctionnalités de chambre dimension (M-mode) ou le mouvement de sang / tissu (Doppler) des formes d'onde choisie sans intégrer les déterminants de causalité physiologiques de la motion elle-même. La reconnaissance du fait que toutes les ventricules gauche (VG) lancer le remplissage en servant de pompes mécaniques d'aspiration permet la fonction diastolique globale évaluée en fonction de lois du mouvement qui s'appliquent à toutes les chambres. Ce qui différencie un coeur d'un autre sont les paramètres de l'équation du mouvement qui gouremplissage Ems. En conséquence, le développement de l'Remplissage paramétrée diastolique (PDF) formalisme a montré que l'ensemble des flux transmitral début cliniquement observé (Doppler E-ondes) modèles sont extrêmement bien aménagée par les lois du mouvement oscillatoire amorti. Cela permet l'analyse de chaque e-ondes conformément à un mécanisme de causalité (recul initiée par aspiration) qui produit trois (numériquement) paramètres localisés uniques dont les analogues physiologique sont la rigidité de la chambre (k), la viscoélasticité / relaxation (c), et de la charge (x o). L'enregistrement de flux transmitral (Doppler E-ondes) est une pratique courante en cardiologie clinique et, par conséquent, la méthode d'enregistrement échocardiographique est brièvement passé en revue. Notre accent est mis sur la détermination des paramètres PDF à partir de données e-ondes enregistrées systématiquement. Comme les résultats mis en évidence indiquent, une fois que les paramètres de PDF ont été obtenus à partir d'un nombre approprié de charge variable E-ondes, les investigator est libre d'utiliser les paramètres ou construire des indices à partir des paramètres (tels que l'énergie stockée moitié kx o 2, la pression maximale AV gradient kx o, charge indice indépendant de la fonction diastolique, etc.) et sélectionnez l'aspect de la physiologie ou la physiopathologie à quantifier.

Introduction

Travaux pionniers de Katz 1 en 1930 ont révélé que le ventricule gauche chez les mammifères initie remplissage en étant une pompe d'aspiration mécanique, et beaucoup d'efforts depuis lors, a été consacrée à démêler les rouages ​​de la diastole. Depuis de nombreuses années, des méthodes invasives étaient les seules options disponibles pour l'évaluation clinique ou de la recherche de la fonction diastolique (DF) 2-16. Dans les années 1970, cependant, les progrès et les développements dans l'échocardiographie techniques ont finalement donné les cardiologues et les physiologistes outils pratiques pour la caractérisation non invasive de la DF.

Sans une théorie causale unification ou paradigme pour la diastole concernant le fonctionnement du cœur quand il se remplit, les chercheurs ont proposé de nombreux indices phénoménologiques sur la base de la corrélation avec des caractéristiques cliniques. Le curviligne, augmente rapidement et la baisse de forme de la transmitral contour de la vitesse d'écoulement de sang au début, remplissage rapide, par exemple, a été approchée par un triangle et diastolique fuindices de nction ont été définies à partir des caractéristiques géométriques (hauteur, largeur, surface, etc.) de ce triangle. Progrès techniques en échocardiographie ont permis un mouvement tissulaire, la souche, et la vitesse de déformation pendant le remplissage doit être mesurée, par exemple, et chaque progrès technique apporté avec elle une nouvelle culture d'indices phénoménologiques à être en corrélation avec les caractéristiques cliniques. Toutefois, les indices restent corrélative et non causales et de nombreux indices sont des mesures différentes de la même physiologie sous-jacente. Il n'est pas surprenant, donc, que les indices cliniques actuellement employées de DF ont spécificité et une sensibilité limitée.

Pour surmonter ces limitations le remplissage (PDF) de formalisme paramétrée diastolique, une cinématique de causalité, modèle de paramètres localisés de remplissage du ventricule gauche qui est motivée par et intègre la physiologie pompe aspirante de la diastole a été développé et validé 17. Il modélise la fonction diastolique (qui se manifeste par des formes curvilignesdes contours flux transmitral) en conformité avec les règles de mouvement oscillatoire amortie harmonique. L'équation de mouvement oscillatoire amortie harmonique est basé sur la deuxième loi de Newton et peut être écrit, par unité de masse, comme:

figure-introduction-1 L'équation 1

Cette 2 e équation différentielle afin linéaire a trois paramètres: k - rigidité de la chambre, c - viscoélasticité / relaxation, et x o - initiale déplacement / précharge de l'oscillateur. Le modèle prédit que les différents modèles de remplissage diastolique cliniquement observées sont le résultat d'une variation de la valeur numérique de ces trois paramètres du modèle. Basé sur le formalisme de PDF et la mécanique classique, E-ondes peuvent être classés comme étant déterminé par ou sur-amortie régimes sous-amortis de mouvement. De nombreuses études 17-21 ont validé que les contours e-ondes cliniquement enregistrées et modèle PDF prédit contours montrent superbe accord et ont élucidé les hémodynamiques / analogues physiologiques des trois paramètres PDF 21. Le procédé d'extraction de paramètres du modèle à partir de données E-onde cliniquement enregistrée est détaillée dans les méthodes ci-dessous.

Contrairement indices typiques de DF dans l'utilisation clinique actuelle, trois paramètres du modèle de PDF sont causalité base. Comme indiqué dans les méthodes ci-dessous, les indices supplémentaires de la physiologie diastolique peuvent être obtenues à partir de ces paramètres fondamentaux et de l'application du formalisme de PDF à des aspects de la diastole autres que les flux transmitral. Dans ce travail, les méthodes d'analyse basé PDF de flux transmitral et les relations physiologiques qui peuvent être tirées de l'approche de PDF, les paramètres et les indices dérivés sont décrits. En outre, il est démontré que les paramètres de PDF ou des index qui en découlent peuvent taquinerintervalle propriétés intrinsèques de la chambre des effets externes de charge peuvent fournir des corrélats de paramètres traditionnels invasive définis et peuvent se différencier entre les groupes normaux et pathologiques.

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Protocole

La procédure d'acquisition d'images échographiques et de les analyser afin d'obtenir les paramètres de PDF est détaillé ci-dessous. Bien que le cathétérisme cardiaque est mentionné dans la partie de sélection de l'objet ci-après, la méthode décrite ne s'applique qu'à la portion de échocardiographique. La description de la partie de cathétérisme a été inclus pour la validation indépendante des prédictions du modèle sur la base et n'est pas lié à l'analyse des e-ondes par le formalisme de PDF. Avant l'acquisition de données, tous les sujets fournissent signé, consentement éclairé pour la participation à l'étude en accord avec le Conseil d'examen institutionnel (Office Human Research Protection) à l'école de médecine de l'Université de Washington.

REMARQUE: Tous les programmes de logiciels (ainsi que des tutoriels sur la façon de les utiliser) décrits dans cette section peut être téléchargé à partir http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

Sélection 1 Objet

REMARQUE: Tous les sujets de la base de données de cardiologie Laboratoire de Biophysique avaient échocardiographie simultanée et cathétérisme cardiaque effectué et ont été référés par leur médecin pour un cathétérisme cardiaque diagnostique. Les critères d'inclusion de base de données sont les suivants: 1) l'absence de toute anomalie valvulaire significative, 2) l'absence d'anomalies de mouvement de la paroi ou bloc de branche sur l'ECG, 3) la présence d'une fenêtre échocardiographique satisfaisant avec E clairement identifiable et A-ondes.

2. échocardiographique d'acquisition de données

  1. Enregistrer une étude / écho-Doppler complète 2D pour tous les sujets, conformément à l'American Society of critères de échocardiographie 16. REMARQUE: Les échocardiographies de dépistage ont été enregistrés sur un imageur clinique standard par un échographiste. Si on le désire, l'échocardiographie transthoracique enregistrement supplémentaire peut être effectué à des fins de vérification,s après un cathéter approprié, haute fidélité est avancé dans la LV pour mesurer l'hémodynamique BT simultanément.
  2. sujets de l'image dans la position couchée sur le dos. Dans un cadre non axés, positionnement latéral gauche standard peut être utilisé sans perte de généralité de la méthode. Obtenir une vue de quatre chambre apicale en utilisant un transducteur de 2,5 MHz, avec le volume de l'échantillon fermée à 1,5-5 mm dirigés entre les extrémités des feuillets de la valve mitrale et orthogonal au plan MV (pour minimiser les effets d'alignement comme on le voit sur la couleur en mode M Doppler ), le filtre de paroi fixée au 1 (125 Hz) ou 2 (250 Hz), la ligne de base ajusté pour profiter de toute la hauteur de l'écran et l'échelle de vitesse ajusté à exploiter la gamme dynamique de la sortie sans aliasing.
  3. Effectuer une imagerie Doppler des tissus avec le volume d'échantillon fermée à 2,5 mm et positionné au niveau de la potion septum latéral et de l'anneau mitral.
  4. Enregistrer examens Doppler en format DICOM dans la machine d'écho et d'enregistrer sur DVD avec simultélectrocardiogramme aneously enregistrée (ECG).

3. Doppler Traitement et analyse des images classiques

NOTE: Cette section décrit deux programmes personnalisés MATLAB. Le premier programme est décrit dans l'étape 3.1 et le deuxième programme est décrit dans les étapes 3.2 à 3.5. Tous les logiciels (ainsi que des tutoriels sur la façon de les utiliser) peuvent être téléchargés à partir http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

  1. Convertir les images de format DICOM et vidéo des fichiers bitmap (bmp) (en utilisant un programme MATLAB personnalisé). NOTE: La procédure décrite ci-dessous pour s'adapter Doppler E-ondes et Doppler tissulaire E'-ondes est illustré à la figure 1.
  2. Charger les fichiers d'image bitmap sur un autre programme de MATLAB personnalisé pour mesurer les paramètres de flux de transmitral classiques tels que E pointe, un pic, E dur , E 'pic, A' pic, etc. et recadrer les images pour l'analyse de PDF. Sélectionnez les images à contours flux transmitral perceptible et le cycle cardiaque complet, comme indiqué par l'ECG pour l'analyse.
  3. Marquer le taux de temps d'échantillonnage (mesurée en pixels / s sur l'axe horizontal) et la fréquence d'échantillonnage de vitesse (mesurée en pixels / (m / s) le long de l'axe vertical) dans les images. Identifier le cycle cardiaque complet en notant et marquage des pics consécutifs de R (ou tout autre élément distinct de l'ECG) sur l'image.
  4. Mark le transmitral Doppler E et A-ondes ou Doppler tissulaire E'- et A'- vague dans le cycle cardiaque sélectionné.
    1. Sélectionnez le point de pic Doppler E-onde dire. E pic, (ou pic E ') et marquera le début de la vague en utilisant la ligne reliant le sommet au début comme un guide pour correspondre à la pente d'accélération de l'onde E (ou E'-ondes). Le début de l'onde est utilisé pour calculer l'intervalle de début de peflux ak noté que l'onde E (ou E'-ondes) temps d'accélération (AT).
    2. Marquer la fin de l'onde E (ou E '-onde) à l'aide de la ligne reliant la pointe de l'extrémité de guide pour correspondre à la pente de décélération. Il est utilisé pour calculer l'intervalle de pic à la valeur de référence désignée en tant que le temps de décélération (DT). L'intervalle du début à la fin de la vague est la durée de l'onde E (E dur = AT + DT). Le programme guide l'utilisateur à travers le processus avec des instructions appropriées.
  5. Mark l'onde A l'aide d'une procédure similaire à celle de l'E-onde. Avec à la fois E et A-ondes marqué le programme calcule le pic E / Un rapport de pointe.
    REMARQUE: Le programme enregistre les ondes marqués comme des images recadrées contenant E et seulement A-ondes. Le programme crée également un fichier de données avec les cultures et paramètres mesurés pour chaque battement.

4. montage automatisé de transmitral flux en utilisant le formalisme de PDF

  1. Le montage automatisé de Doppler E et A-ondes et Doppler tissulaire E'- et les contours d'onde A'- se fait en utilisant un programme LabView personnalisé 18,19.
    1. Chargez l'image recadrée, et le programme calcule automatiquement l'enveloppe de la vitesse maximale (MVE). Sélectionner le MVE en fixant le seuil de telle sorte que l'écoulement se rapproche de MVE transmitral comme représenté sur la figure 1. L'apparition et la cessation des points qui définissent la MVE peut être sélectionné le long de l'axe des temps par l'opérateur de telle sorte que seuls les points MVE qui offrent une bonne correspondance à la partie réelle choisi de l'onde sont utilisées comme entrée pour le montage ultérieur.
  2. REMARQUE: Les points MVE sont sélectionnées par l'utilisateur à l'entrée du programme d'ordinateur qui s'adapte automatiquement la solution de modèle PDF de vitesse en fonction du temps en utilisant un Levenberg- Marquardt (itérative) algorithme. Le montage se fait à l'exigence que l'erreur quadratique moyenne entre la clinique (entrée)données (MVE) et le modèle de PDF contour prédit être minimisés. Etant donné que le modèle est linéaire, un ensemble unique de paramètres est obtenue pour chaque MVE Doppler E-onde dérivé utilisé en tant qu'entrée. Ainsi numérique k, c, et les valeurs uniques x o sont générés pour chaque onde E et k ', c', et x o 'pour chaque E'-ondes.
  3. Dans le cas où l'ajustement est évidemment sous-optimale lorsque l'ajustement est superposé sur l'E-onde (ou E'-ondes) l'image (c.-à-. L'algorithme a tenté de s'adapter bruit inclus dans le MVE par exemple) modifier le MVE en utilisant plus / moins points, modifiant ainsi le modèle prédit contour avec une modification conséquente des paramètres PDF pour obtenir un meilleur ajustement.

Enregistrer les données lors de l'ajustement approprié PDF a été généré. NOTE: Le programme est écrit pour enregistrer automatiquement les données de l'image et des fichiers texte contenant les paramètres PDF etl'information de contour.
Les paramètres PDF obtenus à partir de la procédure décrite ci-dessus peuvent être utilisés pour élucider nouvelle physiologie et la distinction entre la physiologie normale et pathologique tel que décrit dans la section des résultats représentatifs ci-dessous.

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Résultats

formes d'onde Doppler représentant des quatre types de motifs différents de remplissage (normal, pseudonormal, relaxation retardée, constrictive restrictive) en utilisant la méthode décrite ci-dessus sont représentées sur la figure 2. Figure 2A montre le schéma normal, qui, par lui-même est impossible à distinguer de la pseudonormal modèle. Figure 2B montre une relaxation retardée et la figure 2C montre un modèle de constriction restrictive associée à une dysfonctio...

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Discussion

En accord avec notre objectif méthodologique, les principaux aspects des méthodes qui facilitent l'obtention de résultats précis et significatifs sont mis en évidence.

ÉCHOCARDIOGRAPHIE

La Société américaine d'échocardiographie (ASE) a des lignes directrices pour la réalisation d'études transthoracique 16. Lors d'un examen écho, il ya une multitude de facteurs qui affectent la qualité de l'image. Les facteurs qui sont hors du contrô...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.

Remerciements

Ce travail a été financé en partie par le Alan A. et Edith L. Wolff Charitable Trust, Saint-Louis, et la Fondation de l'Hôpital Barnes-Jewish. L. Shmuylovich et E. Ghosh ont été partiellement pris en charge par doctorales bourses de recherche de la Heartland affiliation de l'American Heart Association. S. Zhu a reçu un soutien partiel du Programme de Compton chercheurs de l'Université de Washington et de l'Ordre des Arts et bourse de recherche de premier cycle d'été de sciences. S. Mossahebi reçu un soutien partiel du Département de physique.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Philips iE33Philips (Andover, MA)
LabView 6.0National InstrumentsVersion 6.0.2
MATLABMathWorks  ;Version R2010b

Références

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Analyse chocardiographiqueOnde E DopplerFonction ventriculaire gaucheRigidit des cavit sRelaxation cardiaquevaluation cardiaque non invasive

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