Методическая статья

Количественная оценка глобальной диастолической функции по кинематическая Моделирование на основе анализа трансмитрального кровотока через Заполнение формализма Параметризованный диастолической

10.7K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/51471

⸱

1 сентября 2014 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Точная, причинность основе количественная оценка глобальной диастолической функции было достигнуто за счет кинематической моделирования на основе анализа трансмитрального потока через параметризированном диастолического наполнения (PDF) формализма. PDF генерирует уникальные жесткости, расслабления и параметров нагрузки и освещает 'новый' физиологию, обеспечивая чувствительных и специфичных показателей дисфункции.

Аннотация

Количественная оценка сердечной функции остается проблемой для физиологов и врачей. Хотя исторически инвазивные методы состоит единственное средство доступно, развитие неинвазивных методов визуализации (эхокардиография, МРТ, КТ), имеющий высокую временную и пространственную разбивку обеспечить новое окно для количественной оценки диастолической функции. Эхокардиография соответствует стандартам для оценки диастолической функции, но индексы в текущей клинической практике лишь использовать выбран особенности Размеры камеры (М-режим) или движение крови / ткани (Doppler) сигналов без включения физиологические причинные детерминанты самого движения. Признание того, что все левые желудочки (LV) инициировать заполнение служа механических насосов всасывающих позволяет глобальная диастолическая функция должна оцениваться на основе законов движения, которые применяются ко всем камерам. Что отличает одно сердце от другого являются параметрами уравнения движения, что GovERNs наполнения. Соответственно, развитие Заполнение Параметризованный диастолической (PDF) формализм показал, что весь спектр клинически наблюдается ранней трансмитрального потока (доплеровский E-печь) модели являются чрезвычайно хорошо подходят по законам затухающего колебательного движения. Это позволяет проводить анализ отдельных E-волн в соответствии с причинно-следственной механизма (отдачи инициативе всасывания), что дает три (численно) уникальные сосредоточенными параметрами, чьи физиологические аналоги камера жесткость (к), вязкоупругость / релаксации (с), и нагрузка (X о). Запись трансмитрального потока (доплеровский E-волн) является стандартной практикой в ​​клинической кардиологии и, следовательно, способ записи эхокардиографии только краткий обзор. Наше внимание сосредоточено на определении параметров PDF из записанных регулярно E-волновых данных. Как выделенные результаты показывают, когда параметры PDF были получены из соответствующего количества нагрузки разной E-волн, Инвесtigator может свободно использовать параметры или построить индексы по параметрам (например, запасенной энергии 1/2 кх O 2, максимальное давление А.В. градиент KX о, независимой нагрузкой индекс диастолической функции, и т.д..) и выберите аспект физиологии или патофизиологии чтобы быть количественно.

Введение

Пионерские исследования по Кац 1 в 1930 показал, что у млекопитающих левый желудочек инициирует наполнение, как на механический всасывающий насос, и много усилий с тех пор была посвящена разгадке, как работает диастолы. На протяжении многих лет, инвазивные методы были единственные варианты, доступные для клинических или исследовательских оценки диастолической функции (DF) 2-16. В 1970-х годах, однако, технические достижения и разработки в эхокардиографии, наконец, дал кардиологов и физиологов практических инструментов для неинвазивной характеристике DF.

Без единой теории причинной или парадигмы диастолы о том, как работает сердце, когда он заполняет, исследователи предложили многочисленные индексы феноменологических основе корреляции с клиническими особенностями. Криволинейный быстро поднимается и опускается форму контура трансмитрального кровотока скорости в начале, быстрого наполнения, например, аппроксимировалась треугольника и диастолического фуnction индексы были определены из геометрических характеристик (высота, ширина, площадь и т.д..) этого треугольника. Технические достижения в области эхокардиографии позволили движение ткани, процедить и скорости деформации во время наполнения измерить, например, и каждый технический прогресс принес с собой новый урожай феноменологической индексов, коррелирует с клиническими особенностями. Тем не менее, индексы остаются корреляционная, а не причинным и многие индексы различные меры одной и той же базовой физиологии. Это не удивительно поэтому, что в настоящее время используемые клинические показатели DF ограничили специфичность и чувствительность.

Чтобы преодолеть эти ограничения Параметризованный диастолического наполнения (PDF) формализма, причинная кинематические, сосредоточенных параметров модели заполнения левого желудочка, что мотивируется и включает всасывания насоса физиологию диастолы была разработана и утверждена 17. Он моделирует диастолическая функция (как проявляется криволинейных формтрансмитрального потока контуры) в соответствии с правилами, смоченной гармонического колебательного движения. Уравнение для затухающего гармонического колебательного движения основана на втором законе Ньютона и можно записать, на единицу массы, как:

figure-introduction-1 Уравнение 1

Эта линейная 2-й дифференциальный порядок уравнение имеет три параметры: K - камера жесткости, C - вязкоупругости / релаксации и х о - начальное смещение / преднагрузку осциллятора. Модель предсказывает, что различные клинически наблюдаемые образцы заполнения диастолическое являются результатом различий в численном значении этих трех параметров модели. На основе PDF формализма и классической механики, E-волны могут быть классифицированы как время определяется в соответствии затухающих или более-затухают режимов движения. Многочисленные исследования 17-21 уже подтверждено, что клинически записанные E-волновые контуры и PDF модель предсказал контуры показывают превосходную соглашение и выяснены гемодинамические / физиологические аналоги трех PDF параметры 21. Процесс извлечения параметров модели от клинически записанных данных E-волн, подробно изложены в приведенных ниже методов.

В отличие от типичных показателей DF в текущем клинического применения, три параметра в PDF оборудование модели являются причинность основе. Как обсуждалось в приведенных ниже методов, дополнительные показатели диастолического физиологии могут быть получены из этих основных параметров и с применением PDF формализма аспектам диастолы друга, чем трансмитрального потока. В этой работе, методы PDF на основе анализа трансмитрального потока и физиологических отношений, которые можно извлечь из подхода PDF, его параметры и производные показатели описаны. Кроме того, было показано, что параметры PDF или индексы, полученные из них могут дразнитькроме внутренние свойства пространства от внешнего воздействия нагрузки может обеспечить коррелирует с традиционными инвазивно определенных параметров и может различать нормальных и патологических групп.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Порядок приобретения эхокардиографических изображений и их анализа с целью получения параметров PDF Ниже подробно. Хотя катетеризация сердца упоминается в части выбора подлежат ниже, методология, описанная относится только к эхокардиографической части. Описание катетеризации части был включен для независимого подтверждения основе моделей предсказаний и не имеет отношения к анализу E-волн через PDF формализма. До приобретения данных, все субъекты обеспечивают подписали информированное согласие на участие в исследовании в соответствии с ведомственного комитета по вопросам (Office Protection Research человека) в Вашингтоне школы медицины университета.

ПРИМЕЧАНИЕ: Все компьютерные программы (вместе с руководства о том, чтобы использовать их), описанных в этом разделе можно скачать с http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

Выбор 1 Тема

ПРИМЕЧАНИЕ: Все предметы в базе Сердечно-сосудистая лаборатория биофизики было одновременное эхокардиографию и катетеризацию сердца и звучали называют их врачами для диагностики катетеризации сердца. Критерии включения базы данных являются: 1) отсутствие каких-либо существенных отклонений клапанных, 2) отсутствие нарушений движения стенки или пучка Гиса на ЭКГ, 3) наличием удовлетворительной эхокардиографического окна с четко определенным E- и А-волн.

2 Эхокардиографическое сбора данных

  1. Запишите полное 2D / эхо-допплерография для всех субъектов в соответствии с Американского общества критериев эхокардиографии 16. ПРИМЕЧАНИЕ: Скрининг эхокардиографии были записаны на стандартной клинической тепловизор с помощью УЗИ. При желании, дополнительный трансторакальная эхокардиографии запись может выполняться для проверки целис после подходит, высокой точностью катетер продвигают в ЛЖ для измерения LV гемодинамики одновременно.
  2. Предметы изображения в положении лежа на спине. В nonresearch обстановке, стандарт левого бокового позиционирования можно использовать без ограничения общности метода. Получить верхушечные вид четыре-камерные, используя датчик 2,5 МГц, с объемом образца закрытого на 1,5-5 мм, направленных между концами листовок митрального клапана и ортогональной к М.В. плоскости (для минимизации воздействий выравнивания, как видно на цветной М-режим Доплера ), фильтр стены заход в 1 (125 Гц) или 2 (250 Гц), базовой скорректированной воспользоваться полной высоты дисплея и шкале скоростей скорректированной использовать динамический диапазон на выходе без наложения.
  3. Выполните визуализацию Доплера тканей с объемом выборки закрытом на 2,5 мм и расположенным на боковых и перегородки зелий митрального кольца.
  4. Сохранить доплеровские экзамены в формате DICOM в эхо-машины и записи на DVD с одноврaneously записал электрокардиограммы (ЭКГ).

3 Доплера Обработка изображений и традиционный анализ

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе описываются две программы на заказ MATLAB. Первая программа будет описано на стадии 3.1, и вторая программа описан в пунктах 3.2-3.5. Все компьютерные программы (вместе с руководства о том, чтобы использовать их) можно скачать с http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

  1. Преобразование изображения из формата DICOM и видео, чтобы растровое изображение (.bmp) файлов (с помощью пользовательской программы MATLAB). ПРИМЕЧАНИЕ: Процедура, описанная ниже, чтобы соответствовать доплеровские E-волн и ткани доплеровские E'-волны показана на рисунке 1.
  2. Загрузите файлы растрового изображения на другую программу пользовательского MATLAB для измерения обычные параметры трансмитрального кровотока, такие как E пика, пика, E мажор , E 'пик,' пик, и т.д.. и обрезать изображения для анализа PDF. Выберите изображения с заметной трансмитрального контура потока и полного сердечного цикла, как указано ЭКГ для анализа.
  3. Марк время частота дискретизации (измеряется в пикселях / с по горизонтальной оси) и частота дискретизации скорость (измеряется в пикселях / (м / сек) по вертикальной оси) в изображениях. Определить полное сердечного цикла, отметив и маркировки последовательных пиков R (или любой отличную особенность ЭКГ) на изображении.
  4. Марк трансмитрального Доплера Е и А-волна или тканевой допплерографии E'- и A'- волна в выбранном сердечного цикла.
    1. Выберите пик точку IE Доплера E-волн. E пик, (или пик E ') и отметить начало волны, используя линию, соединяющую вершины в начале в качестве руководства, чтобы соответствовать ускорения наклон E-волны (или E'-волны). Начало волны используется, чтобы вычислить интервал от начала до реак поток обозначается как E-волны (или E'-волна) время ускорения (AT).
    2. Отметить конец E-волны (или E'волны) с помощью линии, соединяющей вершины до конца в качестве руководства, чтобы соответствовать замедления склону. Это используется для расчета интервал от пика до базовой обозначенной в качестве времени замедления (DT). Интервал от начала до конца волны продолжительность E-волны (E мажор = AT + DT). Программа проведет пользователя через весь процесс с соответствующими инструкциями.
  5. Марк-волна используя процедуру, аналогичную описанной в E-волны. В обоих Е- и А-волн отмечены программа вычисляет пика E / A пиковое соотношение.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Программа сохраняет отмеченные волны как вырезанный изображения, содержащие Е- и только-волны. Программа также создает файл данных с земледелия и измеряемых параметров для каждой доли.

4 Автоматизированная Место трансмитрального потока Использование PDF формализм

  1. Автоматизированная Место доплеровского E- и волны и тканевой допплерографии E'- и A'- волна контуры делается с помощью пользовательской программы LabView 18,19.
    1. Загрузите кадрирования, и программа автоматически вычисляет максимальную конверт скорости (MVE). Выберите MVe, установив порог, так что MVE приближается ТМП, как показано на рисунке 1. Начале и прекращении точек, определяющих MVe может быть выбран по оси времени от оператора, так что только MVE точки, которые обеспечивают хорошее соответствие к фактической выбранной части волны используются в качестве входных данных для последующего крепления.
  2. ПРИМЕЧАНИЕ: выбранные пользователем MVE точки входа в компьютерную программу, которая автоматически приспосабливает PDF модельный решение для скорости как функции времени с помощью Levenberg- Макуарда (итерационный) алгоритм. Место осуществляется с требованием, что средний квадрат ошибки между клинической (вход)данные (MVE) и PDF модель предсказано контура быть сведено к минимуму. Так как модель является линейной, уникальный набор параметров получается для каждого MVE доплеровского E-волн происходит, используемой в качестве входных данных. Таким образом численно уникальные K, C и X O значения генерируются для каждого E-волны и к ', с', и х о 'для каждого E'-волны.
  3. В случае, если подходит, очевидно, ниже оптимального, когда подходит накладывается на E-волны (или E'-волны) изображения (то есть. Алгоритм попытались установить шум, включенный в MVE например) изменить MVE с помощью более / менее очков, тем самым, изменяющие модель предсказал контур с последующим модификации параметров PDF достижения лучшего нужным.

Сохраните данные, когда соответствующая PDF подходят была сформирована. ПРИМЕЧАНИЕ: Программа написана для автоматического сохранения данных в изображения и текстовые файлы, содержащие параметры PDF иИнформация контур.
Параметры PDF, полученные от описанной выше процедуры могут быть использованы для выяснения новую физиологию и различать нормальной и патологической физиологии, как описано в разделе ниже Представитель Результаты.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Доплеровские сигналы представитель из четырех различных типов заполнения шаблонов (нормальной, псевдонормальный, задержка релаксации, констриктивно-ограничительный) с помощью метода подробно выше, показаны на рисунке 2. 2А показывает нормальную структуру, которая, сама по себе не отличается от псевдонормальный рисунок. Рисунок 2B показывает замедленную релаксацию и Фиг.2С показывает конструктивную ограничительных шаблон, связанный с тяжелой диастолической дисфункции. Дл...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В соответствии с нашей методической направленности, ключевые аспекты методов, которые облегчают получение точных и значимых результатов выделены.

ЭХОКАРДИОГРАФИЯ

Американское общество эхокардиографии (ASE) имеет руководящие принципы для выполнения трансторакальной исследований 16. Во время эхо экзамен, существует множество факторов, которые влияют на качество изображения. Факторы, которые находятся вне контроля УЗИ включают: технические возможности том...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

У авторов нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

Эта работа была частично поддержана со стороны Алана А. и Эдит Л. Вольф Благотворительный фонд, Сент-Луис, и Барнс-еврейской больницы Фонд. Л. Шмуйлович и Е. Гош были частично поддержана predoctoral стипендий от Heartland филиале Американской ассоциации сердца. С. Чжу получил частичную поддержку от Вашингтонского университета Программы Compton ученых и Колледжа искусств и Летний Бакалавриат исследовательского премии наук. С. Mossahebi получил частичную поддержку от кафедры физики.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Philips iE33Philips (Андовер, Массачусетс)
LabView 6.0National Instrumentsверсия 6.0.2
MATLABMathWorks Версия R2010b

Ссылки

  1. Katz, L. N. The role played by the ventricular relaxation process in filling the ventricle. Am. J. Physiol. 95, 542-553 (1930).
  2. Frais, M. A., Bergman, D. W., Kingma, I., Smiseth, O. A., Smith, E. R., Tyberg, J. V. The dependence of the time constant of left ventricular isovolumic relaxation on pericardial pressure. Circulation. 81, 1071-1080 (1990).
  3. Weiss, J. L., Frederiksen, J. W., Weisfeldt, M. L. Hemodynamic determinants of the time-course of fall in canine left ventricular pressure. J. Clin Invest. 58, 751-760 (1976).
  4. Weisfeldt, M. L., Weiss, J. L., Frederiksen, J. W., Yin, F. C. P. Quantification of incomplete left ventricular relaxation: Relationship to the time constant for isovolumic pressure fall. Eur. Heart J. 1, 119-129 (1980).
  5. Thompson, D. S., et al. Analysis of left ventricular pressure during isovolumic relaxation in coronary artery disease. Circulation. 65, 690-697 (1982).
  6. Ludbrook, P. A., Bryne, J. D., Kurnik, P. B., McKnight, R. C. Influence of reduction of preload and afterload by nitroglycerin on left ventricular diastolic pressure-volume relations and relaxation in man. Circulation. 56, 937-943 (1977).
  7. Tyberg, J. V., Misbach, G. A., Glantz, S. A., Moores, W. Y., Parmley, W. W. A mechanism for shifts in the diastolic, left ventricular, pressure-volume curve: The role of the pericardium. Eur. J. Cardiol. 7, 163-175 (1978).
  8. Suga, H. Theoretical analysis of a left-ventricular pumping model based on the systolic time-varying pressure/volume ratio. IEEE Trans. Biomed. Eng. 24, 29-38 (1977).
  9. Raff, G. L., Glantz, S. A. Volume loading slows left ventricular isovolumic relaxation rate. Circ. Res. 48, 813-824 (1981).
  10. Suga, H., et al. Systolic pressure-volume area (PVA) as the energy of contraction in Starling’s law of the heart. Heart Vessels. 6, 65-70 (1991).
  11. Murakami, T., Hess, O., Gage, J., Grimm, J., Krayenbuehl, H. Diastolic filling dynamics in patients with aortic stenosis. Circulation. 73, 1162-1174 (1986).
  12. Baan, J., et al. Continuous measurement of left ventricular volume in animals and humans by conductance catheter. Circulation. 70, 812-823 (1984).
  13. Falsetti, H. L., Verani, M. S., Chen, C. J., Cramer, J. A. Regional pressure differences in the left ventricle. Catheter Cardiovasc. Diag. 6, 123-134 (1980).
  14. Kass, D. A. Assessment of diastolic dysfunction. Invasive modalities. Cardiol. Clin. 18 (3), 571-586 (2000).
  15. Suga, H. Cardiac energetics: from EMAX to pressure-volume area. Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 30, 580-585 (2003).
  16. Gottdiener, J. S., et al. American Society of Echocardiography recommendations for use of echocardiography in clinical trials. JASE. 17, 1086-1119 (2004).
  17. Kovács, S. J. Jr, Barzilai, B., Pérez, J. E. Evaluation of diastolic function with Doppler echocardiography: the PDF formalism. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 252, H178-H187 (1987).
  18. Hall, A. F., Aronovitz, J. A., Nudelman, S. P., Kovács, S. J. Automated method for characterization of diastolic transmitral Doppler velocity contours: Late atrial filling. Ultrasound Med. Biol. 20, 859-869 (1994).
  19. Hall, A. F., Kovács, S. J. Automated method for characterization of diastolic transmitral Doppler velocity contours: Early rapid filling. Ultrasound Med. Biol. 20, 107-116 (1994).
  20. Riordan, M. M., Kovács, S. J. Quantitation of Mitral Annular Oscillations and Longitudinal 'Ringing' of the Left Ventricle: A New Window into Longitudinal Diastolic Function. J. Appl. Physiol. 100, 112-119 (2006).
  21. Kovács, S. J., Meisner, J. S., Yellin, E. L. Modeling of diastole. Cardiol. Clin. 18, 459-487 (2000).
  22. Riordan, M. M., Chung, C. S., Kovács, S. J. Diabetes and Diastolic Function: Stiffness and Relaxation from Transmitral Flow. Ultrasound Med. Biol. 31, 1589-1596 (2005).
  23. Bauman, L., Chung, C. S., Karamanoglu, M., Kovács, S. J. The peak atrioventricular pressure gradient to transmitral flow relation: kinematic model prediction with in vivo validation. J. Am. Soc. Echocardiogr. 17 (8), 839-844 (2004).
  24. Kovács, S. J. Jr, Rosado, J., Manson-McGuire, A. L., Hall, A. F. Can Transmitral Doppler E-waves Differentiate Hypertensive Hearts From Normal? Hypertension. 30, 788-795 (1997).
  25. Riordan, M. M., et al. The Effects of Caloric Restriction- and Exercise-Induced Weight Loss on Left Ventricular Diastolic Function. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 294, H1174-H1182 (2008).
  26. Meyer, T. E., Kovács, S. J., Ehsani, A. A., Klein, S., Holloszy, J. O., Fontana, L. Long-term Caloric Restriction Slows Cardiac Aging in Humans. J. Am. Coll. Cardiol. 47, 398-402 (2006).
  27. Riordan, M. M., Kovács, S. J. Absence of diastolic mitral annular oscillations is a marker for relaxation- related diastolic dysfunction. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 292, H2952-H2958 (2007).
  28. Mossahebi, S., Kovács, S. J. Kinematic Modeling-based Left Ventricular Diastatic (Passive) Chamber Stiffness Determination with In-Vivo Validation. Annals BME. 40 (5), 987-995 (2012).
  29. Zhang, W., Chung, C. S., Riordan, M. M., Wu, Y., Shmuylovich, L., Kovács, S. J. The Kinematic Filling Efficiency Index of the Left Ventricle: Contrasting Normal vs. Diabetic Physiology. Ultrasound Med. Biol. 33, 842-850 (2007).
  30. Zhang, W., Kovács, S. J. The Age Dependence of Left Ventricular Filling Efficiency. Ultrasound Med. Biol. 35, 1076-1085 (2009).
  31. Courtois, M., Kovács, S. J., Ludbrook, P. A. Transmitral pressure-flow velocity relation. Importance of regional pressure gradients in the left ventricle during diastole. Circulation. 78, 661-671 (1988).
  32. Zhang, W., Shmuylovich, L., Kovács, S. J. The E-wave delayed relaxation pattern to LV pressure contour relation: model-based prediction with in vivo validation. Ultrasound Med. Biol. 36 (3), 497-511 (2010).
  33. Shmuylovich, L., Kovács, S. J. A load-independent index of diastolic filling: model-based derivation with in-vivo validation in control and diastolic dysfunction subjects. J. Appl. Physiol. 101, 92-101 (2006).
  34. Kreyszig, E. Advanced Engineering Mathematics. , 10th, John Wiley and Sons. Hoboken NJ. (2011).
  35. Press, W. H., Teukolsky, S. A., Vetterling, W. T., Flannery, B. P. Numerical recipes 3rd Edition: The Art of Scientific Computing. , Cambridge University Press. New York, NY. (2007).
  36. Claessens, T., et al. The Parametrized Diastolic Filling Formalism: Application in the Asklepios Population. Am. Soc. Mech. Eng. Summer Bioengineering Conference Proceedings. Farmington PA, , (2011).
  37. Chung, C. S., Kovács, S. J. Consequences of Increasing Heart Rate on Deceleration Time, Velocity Time Integral, and E/A. Am. J. Cardiol. 97, 130-136 (2006).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

E

Похожие статьи