Articolo metodologico

Quantificazione di Global Funzione diastolica da Analisi basata su modellazione cinematica del flusso transmitralico tramite il formalismo di riempimento parametrizzate diastolica

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DOI:

10.3791/51471

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1 settembre 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 questo articolo

Sommario

Preciso, a base di causalità-quantificazione della funzione diastolica globale è stato raggiunto cinematica analisi basato sulla modellazione del flusso transmitralico tramite il parametrizzate diastolica di riempimento (PDF) formalismo. PDF genera rigidità, relax, e parametri di carico unici e delucida 'nuovo' fisiologia, fornendo indici sensibili e specifici di disfunzione.

Abstract

Valutazione della funzione cardiaca quantitativa rimane una sfida per i fisiologi e medici. Anche se i metodi invasivi storicamente hanno costituito l'unico mezzo a disposizione, lo sviluppo di modalità di imaging non invasive (ecocardiografia, risonanza magnetica, TAC) con alta risoluzione temporale e spaziale fornisce una nuova finestra per la valutazione della funzione diastolica quantitativa. L'ecocardiografia è il concordato standard per la valutazione della funzione diastolica, ma gli indici di corrente uso clinico semplicemente utilizzano caratteristiche di dimensione della camera (M-mode) o il movimento del sangue / tessuti (Doppler) forme d'onda selezionata senza incorporare le determinanti causali fisiologiche del movimento stesso. Il riconoscimento che tutti ventricolo sinistro (LV) avviare la compilazione servendo come pompe di aspirazione meccanica permette la funzione diastolica globale per essere valutata sulla base di leggi del moto che si applicano a tutte le camere. Ciò che differenzia un cuore da un altro sono i parametri dell'equazione di moto che govriempimento RER. Di conseguenza, lo sviluppo del riempimento diastolico parametrizzate (PDF) formalismo ha dimostrato che l'intera gamma di clinicamente osservato precoce flusso transmitralico (E-Doppler a microonde) i modelli sono estremamente ben in forma con le leggi del moto oscillatorio smorzato. Ciò consente l'analisi dei singoli E-onde in base a un meccanismo causale (aspirazione rinculo-iniziati) che produce tre (numericamente) parametri concentrati unici i cui analoghi fisiologica sono rigidità camera (k), viscoelasticità / rilassamento (c), e del carico (x o). La registrazione del flusso transmitralico (Doppler E-onde) è una pratica standard in cardiologia clinica e, quindi, il metodo di registrazione ecocardiografica è solo brevemente recensione. Il nostro obiettivo è la determinazione dei parametri di PDF da dati E-onda regolarmente registrati. Poiché i risultati evidenziati indicano, una volta che i parametri PDF sono stati ottenuti da un numero adeguato di carico variabile E-onde, gli invetigator è libero di utilizzare i parametri o costruire gli indici dei parametri (come l'energia immagazzinata mezzo kx o 2, pressione massima pendenza AV kx o, Indice di carico indipendente della funzione diastolica, ecc.) e selezionare l'aspetto della fisiologia o la fisiopatologia da quantificare.

Introduzione

Studi pionieristici di Katz 1 nel 1930 ha rivelato che il ventricolo sinistro mammiferi inizia il riempimento con l'essere una pompa di aspirazione meccanica, e molto sforzo da allora è stata dedicata a svelare i meccanismi della diastole. Per molti anni, metodi invasivi erano le uniche opzioni disponibili per la valutazione clinica o di ricerca di funzione diastolica (DF) 2-16. Nel 1970, tuttavia, i progressi tecnici e gli sviluppi in ecocardiografia finalmente dato cardiologi e fisiologi strumenti pratici per la caratterizzazione non invasiva di DF.

Senza una teoria causale di unificazione o di paradigma per quanto riguarda diastole come funziona il cuore quando si riempie, i ricercatori hanno proposto numerosi indici fenomenologici sulla base di correlazione con le caratteristiche cliniche. Il curvilineo, rapidamente salire e scendere la forma del transmitralico flusso di sangue velocità di contorno durante la prima, riempimento rapido, per esempio, è stata approssimata come un triangolo e diastolica fuindici nzioni sono state definite da caratteristiche geometriche (altezza, larghezza, zona, ecc.), di tale triangolo. Progressi tecnici in ecocardiografia hanno permesso il movimento dei tessuti, deformazione e velocità di deformazione durante il riempimento da misurare, per esempio, e ogni progresso tecnico ha portato con sé un nuovo raccolto di indici fenomenologici per essere correlata con caratteristiche cliniche. Tuttavia, gli indici rimangono correlativa e non causali e molti indici sono diverse misure della stessa fisiologia sottostante. Non sorprende, quindi, che gli indici clinici attualmente impiegati di DF hanno limitato la specificità e sensibilità.

Per superare queste limitazioni il riempimento (PDF) formalismo parametrizzate diastolica, un cinematica causale, modello a parametri concentrati di riempimento ventricolare sinistro che è motivato dalla e incorpora la fisiologia di aspirazione-pompa di diastole è stato sviluppato e validato 17. Modella funzione diastolica (come manifestato dalle forme curvilineecontorni di flusso transmitralico) in conformità con le regole del moto oscillatorio armonico smorzato. L'equazione per smorzato moto oscillatorio armonico si basa sulla seconda legge di Newton e può essere scritta, per unità di massa, come:

figure-introduction-1 Equazione 1

Questo 2 ° equazione differenziale di ordine lineare ha tre parametri: k - rigidezza camera, c - viscoelasticità / relax, e x o - dell'oscillatore iniziale spostamento / precarico. Il modello prevede che i diversi pattern di riempimento diastolico clinicamente osservati sono il risultato di variazione nel valore numerico di questi tre parametri del modello. Sulla base del formalismo PDF e meccanica classica, E-onde possono essere classificate come determinato da o over-smorzato regimi sotto-smorzate del moto. Numerosi studi 17-21 hanno convalidato che clinicamente registrati contorni E-wave e il modello PDF previsti contorni mostrano accordo superbo e hanno chiarito le emodinamiche / analoghi fisiologici dei tre parametri PDF 21. Il processo per l'estrazione di parametri del modello da clinicamente registrati dati E-onda è dettagliato nei metodi indicati.

A differenza di indici tipici di DF in corrente uso clinico, tre parametri del modello PDF sono basati causalità. Come discusso nei metodi indicati, indici aggiuntivi di fisiologia diastolica possono essere derivate da questi parametri fondamentali e dall'applicazione del formalismo PDF per aspetti di altri diastole di flusso transmitralico. In questo lavoro, metodi di analisi basati su PDF del flusso transmitralico e le relazioni fisiologiche che si possono trarre da un approccio PDF, i suoi parametri e gli indici derivati ​​sono descritti. Inoltre, è dimostrato che i parametri PDF o indici da essi derivati ​​possono prendere in giroa parte le proprietà intrinseche della camera dagli effetti esterni di carico in grado di fornire correlati ai parametri definiti invasivo tradizionali e possono distinguere tra i gruppi normali e patologici.

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Protocollo

La procedura per l'acquisizione di immagini ecocardiografiche e analizzarli per ottenere i parametri PDF è descritto di seguito. Anche se cateterismo cardiaco è menzionato nella porzione selezione soggetto sotto, la metodologia descritta si applica solo alla parte ecocardiografica. La descrizione della porzione cateterizzazione è stata inclusa per la validazione indipendente del modello basato previsioni e non è correlato all'analisi di E-onde tramite il formalismo PDF. Prima di acquisizione dei dati, tutti i soggetti forniscono firmato, il consenso informato per la partecipazione allo studio in conformità con la Institutional Review Board (Ufficio Protezione umano di ricerca) presso la Washington University School of Medicine.

NOTA: Tutti i programmi software (insieme con tutorial su come usarli) descritte in questa sezione possono essere scaricati dal http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

1 Oggetto Selezione

NOTA: Tutti i soggetti presenti nel Database cardiovascolare Laboratorio di Biofisica avevano ecocardiografia simultanea e cateterismo cardiaco effettuato e sono stati indirizzati dai loro medici per la diagnostica cateterismo cardiaco. I criteri di inclusione del database sono: 1) assenza di significative anomalie valvolari, 2) assenza di anomalie di movimento della parete o blocco di branca di ECG, 3) la presenza di una finestra ecocardiografica soddisfacente con E-chiaramente identificabili e A-onde.

2 ecocardiografica Acquisizione Dati

  1. Registrare un completo studio / eco-Doppler 2D per tutti i soggetti, in conformità della Società Americana di Ecocardiografia criteri 16. NOTA: Gli ecocardiogrammi di screening sono stati registrati su un imager clinica standard da un ecografista. Se lo si desidera, ulteriori registrazione ecocardiografica transtoracica può essere eseguita per fini di verificas dopo un catetere adatto, l'alta fedeltà è avanzata nella LV per misurare l'emodinamica LV contemporaneamente.
  2. Soggetti immagine nella posizione supina. In un ambiente nonresearch, posizionamento laterale sinistro standard può essere utilizzato senza perdita di generalità del metodo. Ottenere apicali vista quattro camere utilizzando un trasduttore 2,5 MHz, con il volume del campione gated a 1,5-5 mm diretti tra le punte dei lembi della valvola mitrale e ortogonale al piano MV (per minimizzare gli effetti di allineamento come visto sul colore di modo M Doppler ), il filtro parete impostato a 1 (125 Hz) o 2 (250 Hz), la linea di base adeguato per sfruttare tutta l'altezza del display e la scala di velocità adeguato per sfruttare la gamma dinamica dell'uscita, senza aliasing.
  3. Eseguire l'imaging Doppler tissutale con il volume del campione gated a 2,5 mm e posizionato le pozioni laterale e settale della mitrale.
  4. Salva esami Doppler in formato DICOM nella macchina eco e registrare su DVD con simultelettrocardiogramma aneously registrati (ECG).

Immagine 3 Doppler elaborazione e l'analisi convenzionale

NOTA: Questa sezione descrive due programmi personalizzati MATLAB. Il primo programma è descritta nel passo 3.1 e il secondo programma è descritto nei passaggi 3,2-3,5. Tutti i programmi software (insieme con tutorial su come usarli) possono essere scaricati da http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

  1. Convertire le immagini dal formato DICOM e video in file bitmap (bmp) (utilizzando un programma MATLAB personalizzato). NOTA: La procedura descritta di seguito per adattarsi Doppler E-onde e Doppler tissutale E'-onde è mostrato in Figura 1.
  2. Caricare i file di immagine bitmap su un altro programma MATLAB personalizzato per misurare parametri di flusso transmitralico convenzionali come picco E, A picco, E dur , E 'picco, A' picco, ecc. e ritagliare le immagini per l'analisi in formato PDF. Selezionare le immagini con contorno distinguibile flusso transmitralico e ciclo cardiaco completo come indicato dalla ECG per l'analisi.
  3. Seleziona il tasso di tempo di campionamento (misurata in pixel / s sull'asse orizzontale) e frequenza di campionamento velocità (misurata in pixel / (m / sec) lungo l'asse verticale) nelle immagini. Identificare il ciclo cardiaco completo osservando e marcatura picchi consecutivi R (o qualsiasi caratteristica distinta del ECG) sull'immagine.
  4. Segna il Doppler transmitralico E e A-onda o tessuto Doppler E'- e A'- onda nel ciclo cardiaco selezionato.
    1. Selezionare il Doppler E-onda punto di picco cioè. E picco, (o E 'di picco) e segnare l'inizio dell'onda utilizzando la linea che collega il picco all'inizio come guida per abbinare la pendenza accelerazione della E-onda (o E'-onde). L'inizio dell'onda viene utilizzato per calcolare l'intervallo dall'inizio alla peflusso ak denotato come l'E-onda (o E'-onde) tempo di accelerazione (AT).
    2. Segna la fine della E-onda (o E'-onde) utilizzando la linea che collega il picco alla fine come guida per abbinare la pendenza di decelerazione. Questo viene utilizzato per calcolare l'intervallo dal picco alla linea di base indicato come il tempo di decelerazione (DT). L'intervallo dall'inizio alla fine dell'onda è la durata della E-onda (E dur = AT + DT). Il programma guida l'utente attraverso l'intero processo con istruzioni appropriate.
  5. Mark l'A-onda utilizzando una procedura simile a quella della E-onda. Con sia la E e A-onde ha segnato il programma calcola il picco rapporto E / A di picco.
    NOTA: Il programma salva le onde marcate come immagini ritagliate contenenti la E e solo A-onde. Il programma crea anche un file di dati con i parametri di ritaglio e misurati per ogni battito.

4 Montaggio automatico del flusso transmitralico utilizzando il formalismo PDF

  1. Il montaggio automatizzato di Doppler E e A-wave e del tessuto Doppler E'- e contorni onda A'- viene fatto utilizzando un programma LabView personalizzato 18,19.
    1. Caricare l'immagine ritagliata, e il programma calcola automaticamente la busta velocità massima (MVE). Selezionare il MVE impostando la soglia così che MVE approssima flusso transmitralico come mostrato in Figura 1. L'inizio e terminazione dei punti che definiscono la MVE può essere selezionato nel tempo asse dall'operatore tale che solo MVE punti che forniscono buona corrispondenza alla porzione effettiva selezionata dell'onda sono utilizzati come ingresso per il successivo montaggio.
  2. NOTA: I punti di MVE selezionati dall'utente sono l'ingresso al programma per computer che si adatta automaticamente la soluzione di modello PDF per la velocità in funzione del tempo utilizzando un algoritmo Levenberg- Marquardt (iterativo). L'apparecchio è realizzato con la condizione che l'errore quadratico medio tra la clinica (ingresso)dati (MVE) e il modello PDF contorno previsto essere ridotti al minimo. Dal momento che il modello è lineare, si ottiene un insieme unico di parametri per ciascun Doppler E-onda derivato MVE utilizzato come input. Così numericamente k, c, ed i valori x o unici sono generati per ogni E-wave e k ', c', e x o 'per ogni E'-onda.
  3. Nel caso in cui la misura è ovviamente ottimale quando la misura si sovrappone su E-onda (o E'-onde) immagine (cioè. L'algoritmo ha tentato di adattarsi rumore incluso nel MVE ad esempio) modificare la MVE utilizzando più / meno punti, modificando in tal modo il modello previsto profilo con conseguente modifica dei parametri PDF per ottenere una migliore vestibilità.

Salvare i dati quando è stato generato l'appropriato adattamento PDF. NOTA: Il programma è scritto per salvare automaticamente i dati in immagini e file di testo contenenti i parametri di PDF ele informazioni di contorno.
I parametri PDF ottenuti dalla procedura sopra descritta può essere utilizzata per chiarire nuova fisiologia e distinguere tra fisiologia normale e patologico, come descritto nella sezione Rappresentante dei risultati qui sotto.

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Risultati

Forme d'onda Doppler rappresentante dei quattro diversi tipi di pattern di riempimento (normale, pseudonormale, rilassamento ritardato, costrittiva restrittivo) utilizzando il metodo sopra descritto sono illustrati nella Figura 2. Figura 2A mostra il modello normale, che, di per sé è indistinguibile dalla pseudonormale modello. Figura 2B mostra un ritardo relax e Figura 2C mostra un modello costrittiva-restrittiva associata a grave disfunzione diastolica. Per chiare...

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Discussione

In linea con il nostro obiettivo metodologico, sono evidenziati gli aspetti chiave dei metodi che facilitano ottenere risultati accurati e significativi.

ECOCARDIOGRAFIA

La Società Americana di Ecocardiografia (ASE) ha linee guida per la realizzazione di studi transtoracici 16. Durante un esame eco, ci sono una moltitudine di fattori che influenzano la qualità dell'immagine. I fattori che sfuggono al controllo del ecografista includono: capacità te...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno interessi finanziari concorrenti.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato sostenuto in parte da Alan A. e Edith L. Wolff Charitable Trust, St. Louis, e l'Ospedale Fondazione Barnes-Jewish. L. Shmuylovich e E. Ghosh sono stati in parte supportati da borse di studio premi predoctoral dal Affiliato Heartland della American Heart Association. S. Zhu ha ricevuto il sostegno parziale della Washington University Compton Scholars Program e il College of Arts e Summer Undergraduate Research Award Scienze '. S. Mossahebi ricevuto il sostegno parziale da parte del Dipartimento di Fisica.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Philips iE33Philips (Andover, MA)
LabView 6.0National InstrumentsVersione 6.0.2
MATLABMathWorks Versione R2010b

Riferimenti

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