כימות של פונקציה הגלובלית הדיאסטולי על ידי ניתוח המבוסס על דוגמנות Kinematic של Transmitral זרימה באמצעות הפורמליזם מילוי Parametrized הדיאסטולי
1 בספטמבר 2014
כימות של פונקציה הדיאסטולי הגלובלית מדויקת, המבוסס על סיבתיות הושגה על ידי ניתוח המבוסס על המודלים kinematic של זרימת transmitral באמצעות הדיאסטולי Parametrized מילוי פורמליזם (PDF). PDF יוצר נוקשות, הרפיה, ופרמטרי עומס ייחודיים ומבהיר פיזיולוגיה 'חדשה', תוך מתן מדדים רגישים וספציפיים להפרעה בתפקוד.
המטרה הכללית של הליך זה היא להעריך את תפקוד הדיאסטולי הגלובלי של החדר השמאלי בחולה באמצעות פורמליזם מילוי דיאסטולי מפרימטרי (PDF). הדבר מתבצע תחילה על ידי איסוף נתונים על התפקוד הדיאסטולי מבדיקה אקו-לב מלאה של תפקוד הלב והעברת הנתונים למחשב לצורך ניתוח. השלב השני הוא עבודה עם תמונות זרימה דרך המסתם המיטרלי והתמקדות בפעימה אחת של הלב.
תוכנה ייעודית מחלצת פרמטרים קונבנציונליים של תפקוד דיאסטולי עבור גלי e ו-a ומבצעת עיבוד מקדים של התמונה לשלב הבא בניתוח. לאחר מכן, תמונת זרימת ה-trans mitral שעברה עיבוד מקדים נטענת לתוכנת התאמה (fitting) חצי-אוטומטית. מקטע של ה-EWA נבחר לצורך התאמה, ומודל פרמטרי ראשוני של מילוי דיאסטולי נוצר ומונח על גבי התמונה.
השלב האחרון הוא לשפר את ההתאמה במידת הצורך, ולהנחות את התוכנה להפיק את הפרמטרים הסופיים של מודל מילוי הדיאסטולי הפרמטרי המבוססים על ה-ewa שהוזן. בסופו של דבר, התהליך מניב פרמטרים המכמתים את הרפיון, הנוקשות והעומס האחראים לתפקוד הדיאסטולי של המטופל. פרמטרים אלו שימשו להבחנה בין תפקוד נורמלי לתפקוד פתולוגי ולהבהרת פיזיולוגיה חדשה.
היתרון המרכזי של טכניקת ה-PDF הוא שהיא משלבת את חוקי התנועה של ניוטון עם הפיזיולוגיה הממשיקה של משאבת היניקה בשלב הדיאסטולה, וזאת כדי להפיק פרמטרים של תפקוד דיאסטולי הרלוונטיים מבחינה פיזיולוגית וקלינית מתוך צורת הגל עצמה. בפיזיולוגיה של הלב, הרפיה וקשיחות הם פרמטרים פיזיולוגיים מבוססים מאוד המאפיינים את הדיאסטולה. שיטת ה-PDF יכולה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח בתחום הפיזיולוגיה של הלב, מכיוון שהיא מפרידה בין הגורמים המניעים המרכזיים של הדיאסטולה לבין פרמטרים הניתנים למדידה באופן לא פולשני.
שיטת ה-PDF היא טכניקה לא פולשנית שעשויה לספק תובנות לגבי גורמים משפיעים על הדיאסטולה שעד כה ניתן היה למדוד רק באמצעים פולשניים. היתרון בשיטה זו הוא שהיא חלה על כל אלמנט ב-DTE שנמצא בתנועה, ולכן היא תקפה באותה מידה לזרימת דם דרך המסתם המיטרלי. באשר לתנועת הרקמה של הטבע המיטרלי, ניתוח הסונוגרם יבוצע באמצעות תוכנות MATLAB ו-lab view מותאמות.
השתמש בכלי העזר המותאם של MATLAB כדי להמיר את התמונות בפורמט DICOM לקובצי bitmap. לאחר מכן, לחץ על הכפתור find folder with images כדי לטעון את קובצי ה-bitmap לתוכנת ה-MATLAB המותאמת למדידת פרמטרים של זרימה טרנס-מיטרלית (trans mitral flow). לחץ על show next image כדי לסקור את התמונות, ולאחר מכן בחר תמונה בעלת קונטור זרימה טרנס-מיטרלית ברור ומחזור לבבי מלא.
לצורך הניתוח, בתמונה שהועמסה מופיע הזמן על הציר האופקי והמהירות על הציר האנכי. קבעו את קצב דגימת הזמן על ידי לחיצה על כפתור ה-TSR. השתמשו בסימני השורה (hash marks) שבתמונה כדי לזהות שתי נקודות זמן בציר הזמן המרוחצות בשנייה אחת.
לאחר מכן, השתמשו בכוונת כדי ללחוץ על הצד השמאלי התחתון של סימון החריץ הראשון. כדי להגדיל את התמונה בתצוגה המוגדלת, לחצו על הקצה השמאלי של סימון החריץ הרצוי, והתמונה תתרחק. חזרו על אותו הליך עבור סימון החריץ השני.
זהו בדיוק אחת שנייה לאחר סימון ההאש הראשון. כדי למצוא תחילה את קצב דגימת המהירות, הגדירו את יחידת המהירות שתסומן בתיבה שליד כפתור ה-VSR. ברירת המחדל היא מטר אחד לשנייה או 100 סנטימטרים לשנייה.
לחצו על כפתור ה-VSR והשתמשו בכוונת כדי ללחוץ על הצד השמאלי התחתון של נקודת מהירות האפס כדי למקם את V equals zero בתמונה המוגדלת. שימו לב היכן מוצג סולם המהירות בתמונה. לחצו על הקצה התחתון של נקודת מהירות האפס והתמונה תקטן.
כעת לחצו בצד שמאל למטה של נקודת המהירות בערך הנבחר, בדרך כלל 100 centimeters per second, וסמנו את הקצה התחתון של הנקודה השנייה. כדי להשלים את כיול המהירות בפיקסלים, לחצו על הסימון e ועל כפתור הגל. תחילה, הגדירו את ההתחלה והסיום של מחזור לבבי אחד.
בצעו זאת על ידי סימון סמוך לשיאים של ה-ECG, תוך שימוש באותו הליך ששימש לסימון נקודות הזמן והמהירות. משך הפעימה יחושב על סמך מספר הפיקסלים וקצב דגימת הזמן. לאחר חישוב קצב הלב, השתמשו במדדים פיזיולוגיים כדי להגדיר את תחילת מרווח ההרפיה האיזו-וולומית.
בשלב הבא, השגו תצוגה מוגדלת של הגלים הרלוונטיים על ידי לחיצה מעל שיא הגל הגבוה ביותר. עם סיום הפעולה, השתמשו בכוונת כדי לבחור את נקודת השיא של ה-doppler EWA. פעולה זו מקבעת את הכוונת.
בשלב הבא, העבירו את כוונת הצלב לתחילת ה-ewa. שימו לב שכוונת הצלב מגדירה קו שקציו מעוגן בשיא ה-EWA. לפני הלחיצה, ודאו שהקו המעוגן מתחיל בתחילת ה-ewa.
כעת סמנו את סוף ה-ewa. העבירו את הקו המעוגן והקליקו בסוף ה-ewa. נקודות אלו, שנקבעו באופן חזותי, מאפשרות חישוב של זמני ההאצה וההאטה של ה-EWA; המשיכו לסמן את הגל באופן דומה.
לאחר השלמת פעולה זו, התוכנה תיצור באופן אוטומטי קובץ עם פרמטרי הד קונבנציונליים שנמדדו ותמונות חתוכות המכילות רק את גלי ה-e וה-a שנבחרו לביצוע ניתוח פרמטרי של מילוי הדיאסטולי של גל ה-e. בתוכנת ה-lab view המותאמת, ניתן לבצע שלבים דומים עבור גל ה-A. זהה וטען את קובץ התמונה שנוצר במהלך הניתוח הקונבנציונלי.
תוכנת ה-LabVIEW בוחרת באופן אוטומטי את הפיקסלים להתאמה ומציגה אותם בכחול, ירוק ואדום כדי לבחור פיקסלים המייצגים טוב יותר את קווי המתאר של הגל. ודאו כי האפשרות change MVE נבחרה תחת show fit. לאחר מכן השתמשו במחליקי רמות הסף של מעטפת המהירות המקסימלית (maximum velocity envelope threshold level) משמאל לתמונה.
העלאת ערך הסף תבחר פיקסלים עם בהירות גבוהה יותר. לאחר קביעת הסף, עברו לסליידר של תחילת ה-EWA. כדי להתחיל בבחירת טווחי הזמן, מקמו את הסליידר כך שיחריג את הרעש בתחילת ה-EWA ואת הקו האנכי הנלווה החותך את השיפוע העולה בערך במחצית מהמהירות השיא או מעליה.
כעת עברו למכוון הקצה של ה-EWA ומקמו את הקו האנכי הנלווה בערך במחצית המדרון של ההאטה, כך שהרעש הרגיל הקרוב לקו הבסיס יסונן. שימו לב כי הפיקסלים בטווח הנבחר מוצגים בירוק. לאחר מכן, לחצו על fit EWA כדי להתחיל את התאמת ה-PDF; כדי לראות את התוצאות, הפעילו את מתג ה-show fit.
נתונים רועשים עלולים להפוך את ההתאמה לרגישה מאוד לסף המהירות המקסימלית שנבחר. אם ההתאמה אינה מהווה קירוב טוב ל-ewa, התאימו אותה על ידי שינוי מחווני זמן ה-EWA וסף מעטפת המהירות המקסימלית. ניתן גם לשנות את פרמטרי ה-EWA באופן ישיר.
פרמטרי ההתאמה מוצגים על המסך וניתן להזין ערכים בתיבות הטקסט שלהם. ניתן לשנותם גם באמצעות החיצים למעלה ולמטה. ככל שהפרמטרים ישונו, העקומה הירוקה המייצגת את ההתאמה תשתנה עד להשגת התאמה מספקת.
לחצו על update כדי לקבל את הערך המעודכן של השגיאה הריבועית הממוצעת. לאחר אופטימיזציה של ה-EWA, לחצו על done כדי להפיק גרפים וקבצי נתונים לצורך ניתוח מאוחר יותר. זהו תבנית EWA נורמלית או פסאודו-נורמלית, אשר אינן ניתנות להבחנה באמצעות מדדים קונבנציונליים.
פרמטרי תפקוד דיאסטולי קונבנציונליים שנגזרו מ-EWA מוצגים מתחת לתמונה. ערכי הפרמטרים של ה-PDF מוצגים גם הם. בנוסף, התאמת המודל החזויה של ה-PDF מופיעה מעל התמונה בירוק.
הוא מראה התאמה מצוינת. זהו תבנית של הרפיה מושהית עם התאמת מודל ה-PDF שלה. שימו לב שבהשוואה למצב נורמלי, ל-EWA זו יש אמפליטודה וזמן האטה נמוכים יותר.
פרמטר C של מודל ה-PDF, המשקף את הוויסקו-אלסטיות או ההרפיה של הפרוזדורים, גבוה יותר מאשר בדפוס הנורמלי. ההתאמה החזויה של מודל ה-PDF עבור דפוס הגבלתי-מצמצם (constrictive restrictive) זה תואמת במידה רבה את קו המתאר הקליני של ה-EWA. דפוס EWA הגבלתי-מצמצם, הגבוה והצר, נוצר על ידי פרוזדורים בעלי קשיחות מוגברת וfrac ejection מופחת.
בדוגמה זו, פרמטר הקשיחות PDF K גבוה יותר הן מדפוסי הרפיה הנורמליים והן מדפוסי הרפיה מושהים. לאחר השליטה בטכניקה, ניתן לבצע אותה תוך דקה עד שתי דקות עבור כל EWA שנבחר לאניליזה, במידה והיא מבוצעת כראוי. בעת ביצוע הליך זה, חשוב לזכור לבחור EWA נטולי רעשים יחסית, שמעטפת המהירות המיטרלית שלהם עוקבת אחר השליטה של זרימת ה-trans mitral.
בעקבות הליך זה, ניתן לבצע שיטות אחרות, כגון התאמה של תנועת הרקמה, במטרה להשיב על שאלות נוספות הנוגעות לנוקשות ולרלקסציה של התא לאורך ציר האורך. לאחר הגזרתן המושגית ותיקופן in vivo, סללו טכניקות אלו את הדרך עבור חוקרים בפיזיולוגיה קרדיו-וסקולרית לכמת את העכבה הרוחבית לעומת האורכית. בשלב הדיאסטולה, ניתן להפיק מדד לתפקוד הדיאסטולי שאינו תלוי בעומס, ולחלק את זמן ההאטה של ה-EWA לרכיבי נוקשות ורלקסציה.
בעבודה שנערכה לאחרונה, נעשה שימוש בטכניקות אלו כדי לבחון את הקשר בין התפקוד הדיאסטולי לבין יצירת זרימה סיבובית (vortex flow) במצבים בריאים ובמצבי מחלה. לאחר קריאת המאמר וצפייה בסרטון זה, אמורה להיות לכם הבנה מושגית טובה לגבי האופן שבו ניתן להעריך תפקוד דיאסטולי גלובלי של החדר השמאלי באמצעות פורמליזם ה-PDF.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג שיטה לא פולשנית להערכה כמותית של התפקוד הדיאסטולי הגלובלי של החדר השמאלי באמצעות פורמליזם של מילוי דיאסטולי פרמטרי (PDF). על ידי ניתוח נתוני גל E בבדיקת דופלר אקו-לב, הטכניקה מחלצת פרמטרים בעלי משמעות פיזיולוגית — קשיחות, רלקסציה ועומס — המאפיינים את התפקוד הדיאסטולי, ובכך מספקת תובנות שהיו נגישות בעבר רק באמצעות שיטות פולשניות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- פיזיולוגיה של הלב
- דימות רפואי
- קרדיולוגיה קלינית
רקע
- הערכת תפקוד דיאסטולי מסורתית התבססה על טכניקות פולשניות.
- שיטות דימות לא פולשניות, כגון אקו-קרדיוגרפיה, מספקות כיום נתונים ברזולוציה גבוהה לצורך ניתוח תפקוד הלב.
- מדדים אקו-קרדיוגרפיים קונבנציונליים חסרים לעיתים קרובות פרשנות פיזיולוגית ישירה.
- הפורמליזם של PDF ממדל את המילוי הדיאסטולי כתנודה ריסנית, ובכך מאפשר הפקה של פרמטרים פיזיולוגיים סיבתיים.
מטרת המחקר
- להדגמת זרימת עבודה להפקת פרמטרי PDF מנתוני E-wave אקו-לבביים סטנדרטיים.
- לספק הערכה כמותית ומבוססת פיזיולוגית של התפקוד הדיאסטולי.
- להבחין בין דפוסים דיאסטוליים תקינים לפתולוגיים באמצעות שיטות לא פולשניות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- רכישת תמונות דופלר אקו-קרדיוגרפיות של זרימה טרנס-מיטרלית.
- עיבוד מקדים וכיול של התמונות באמצעות תוכניות MATLAB ו-LabVIEW מותאמות אישית.
- בחירה והתאמה חצי-אוטומטית של קווי מתאר של גל E למודל ה-PDF.
- הפקה ודיוק של פרמטרי PDF (קשיחות, רלקסציה, עומס) מתוך הנתונים שהותאמו.
תוצאות עיקריות
- מודל ה-PDF מספק התאמה מצוינת למגוון רחב של דפוסי E-wave שנצפו באופן קליני.
- הפרמטרים שהופקו מבדילים בהצלחה בין דפוסים דיאסטוליים נורמליים, של הרפיה מושהית, ושל constrictive/restrictive.
- השיטה מאפשרת ניתוח מהיר (1–2 דקות לכל E-wave) וניתן לשחזור.
- פרמטרי ה-PDF מספקים תובנות מכניסטיות לגבי פיזיולוגיה ופתופיזיולוגיה דיאסטולית.
מסקנות
- הפורמליזם של ה-PDF מאפשר הערכה כמותית ולא פולשנית של התפקוד הדיאסטולי בהתבסס על עקרונות פיזיקליים בסיסיים.
- הוא מספק פרמטרים הניתנים לפירוש פיזיולוגי שיכולים להבחין בין מצבים תקינים למצבי מחלה.
- גישה זו מקלה על חקירה מעמיקה יותר של המכניקה הלבבית ועשויה לסייע הן למחקר והן לפרקטיקה הקלינית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
הערכה כמותית של התפקוד הדיאסטולי הגלובלי באמצעות מידול קינמטי של זרימה טרנס-מיטרלית מאפשרת הפחתת סיכונים מכניסטית וביטחון חיזויי בתיקוף מוקדם של מטרות קרדיווסקולריות. פורמליזם המילוי הדיאסטולי הפרמטרי (PDF) מספק פרמטרים לא-פולשניים מבוססי פיזיולוגיה—קשיחות, הרפיה ועומס—התומכים ברצף תרגומי משלב הגילוי ועד למחקר הפרה-קליני. גישה זו משפרת את קבלת ההחלטות לגבי תיקי פיתוח על ידי מתן אפשרות לבידול כמותי הדיר וניתן לשחזור בין תפקוד לבבי נורמלי לפתולוגי.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה מונחית-השערה של המכניקה הדיאסטולית של הלב באמצעות פרמטרים כמותיים שאינם פולשניים.
- תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי הפרדה בין קשיחות התא, הרפיה ועומס כמשתנים בלתי תלויים.
- מסייע בביסוס ביטחון חיזוי באישור מטרה על ידי קישור מאפייני גלי ה-waveform למניעים פיזיולוגיים.
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- מכין קריאות כמותיות ומתוּקפות לצורך סריקה המשכית של מודולטורים לבביים או הפרעות גנטיות.
- מנstandardize את הערכת התפקוד הדיאסטולי באמצעות פלטים מבוססי-מודל הניתנים לשחזור בין מחקרים שונים.
- מאפשר ניתוח מהיר וניתן להרחבה (scalable) של נתוני E-wave עבור השוואות בתפוקה גבוהה (high-throughput) או השוואות בין קהות (cross-cohort).
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה מדדים לא פולשניים של תפקוד דיאסטולי למודלים רלוונטיים למחלה ולביומרקרים תרגומיים.
- תומכת ברצף מהשלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני, על ידי אספקת נקודות קצה מכניסטיות לתפקוד לבבי.
- מאפשר קבלת החלטות לגבי קידום מבוסס התאמת סיכונים, על בסיס פרמטרים כמותיים הניתנים לפירוש פיזיולוגי.
אינטגרציה של תהליכי עבודה (Pipeline & Workflow)
הפורמליזם של ה-PDF משתלב ברצף שבין הגילוי לשלב הפרה-קלני על ידי אספקת שיטה כמותית וסטנדרטית להערכת תפקוד דיאסטולי מתוך נתוני אקו-קרדיוגרפיה.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת השערות ובבירור מסלולים ביולוגיים באמצעות כימות רלקסציה, קשיחות ועומס מ-Doppler E-waves.
- סריקה: מספק פלטים כמותיים הניתנים לשחזור לצורך מוכנות של בדיקות והערכת תרכובות.
- אנליטיקה: מספק פרמטרים נגזרים ממודל ופלטים סטטיסטיים לצורך השוואה חסונה של מצבים לבביים.
- מחקר תרגומי: מקשר בין דימות לא פולשני לבין נקודות סיום פרה-קליניות ואסטרטגיות של סמנים ביולוגיים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס יכולת אנליטית הניתנת לשימוש חוזר להערכת תפקוד לבבי לאורך תוכניות שונות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית בתיקוף של מטרות לבביות.
- ערך תפעולי: מספק ניתוח סטנדרטי, מהיר וניתן לשחזור של התפקוד הדיאסטולי.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות של המשך או הפסקה (go/no-go) ויעילות הון על ידי מתן אפשרות להערכה מכניסטית כמותית.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים ובקידום של נכסים קרדיווסקולריים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות ברכישת נתונים ובפירוש של בדיקות אקו-לב.
- דורש גישה לתוכנות ניתוח מותאמות אישית ב-MATLAB ו-LabVIEW לעיבוד תמונות והפקת פרמטרים.
- דורש סטנדרטיזציה של פרוטוקולי איסוף וניתוח נתונים בין צוותים שונים.
- ניתן להתאמה למודלים קרדיאליים ומערכות דימות שונות באמצעות כיול מתאים.
- תלוי באיכות התמונה ובצמצום הרעשים לצורך התאמה אופטימלית של הפרמטרים.
