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

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:

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 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.

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 '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

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. Для ясности, PDF модели-предсказал подходит накладываются на изображение. Обычные параметры эхо (E пиковые, пиковые, E-волны на, и E-волна DT) и параметры PDF (К, С, х п), перечислены ниже каждого изображения. Как цифры указывают, PDF формализм подходит (предсказывает) все эти три автозаправочных шаблонов очень хорошо. Параметры PDF также предоставить информацию о свойствах камеры. Дезаложен шаблон релаксации (Рисунок 2B), как правило, имеет более высокий вязкоупругость / релаксации PDF параметр C по сравнению с нормальным рисунком (Рисунок 2А). Констриктивные-ограничительный модели (Рисунок 2C), как правило, имеет более высокую жесткость (PDF параметр К), чем обычной модели.

Анализ доплеровских E-волн по PDF формализм был использован для различения нормальных и патологических групп и открыть для себя новые физиологию. Ниже перечислены некоторые выбранные опубликованные результаты PDF формализм, основанный анализа DF, предназначенные для дифференциации патологических и нормальной физиологии и отдельных приложениях PDF формализма выяснить новый физиологию.

ДИАБЕТ

Способ было показано, что количественно различия в DF между сахарным диабетом и подобранных по возрасту контрольных субъектов. В то время как обычные индексы, такие как E-волны замедления время-DT, E с существенно отличалась между группами 22. Кроме того, пик предсердно-желудочковой градиент давления, которое может быть вычислено из параметров PDF, как кх O 23 была значительно выше в группе диабетиков. Кроме того, увидеть кинематической эффективность наполнения, применяемых для диабетиков ниже.

Артериальная гипертензия

Метод был использован для анализа трансмитрального шаблоны заполнения АГ по сравнению с контрольной группой 24. Обычные доплеровские полученные показатели были не в состоянии различать групп, но PDF параметр с была значительно выше в гипертонической группы субъектов по сравнению с nonhypertensive управления.

Ограничение калорийности замедляет сердечной СТАРЕНИЕ

Метод оценивали влияние ограничения калорийности на DF в людях 25. DF оценивали по предметам практикующих ограничение калорийности путем измерения трансмитрального потока и по сравнению с их возрасту контрольной группы. DF была значительно лучше в калорийности группы ограничения как количественно более высоким значением E / A и высшего начале заполнения фракции (E-волна). Кроме того, параметр PDF к, представляющий LV камеры жесткость, и С, представляющий вязкоупругость, была значительно ниже в калориях субъектов рестрикции. Поскольку пик E существенно не отличается между двумя группами, в контрольной группе расходует больше энергии для достижения той же скорости пик наполнения. Это показало, что ограничение калорийности связано с более эффективным DF. Кроме того начинка у пожилых калорийности ограниченных предметов была сопоставима с младшей нормальной когорте, предполагая, что ограничение калорийности замедляет сердечный старение 26.

PDF формализм был также использован для анализа митрального кольца колебания (МАО) после E'-волны (волны- E ", E '' '-. Волна, и т.д.). Это 'звон' митрального кольца наблюдается у человека 20, но не хватало характеристика присутствии и отсутствии последующих колебаний. Метод позволил гипотеза для проверки, что отсутствие МАО объясняется увеличением вязкоупругих эффектов, связанных с меньшим или медленнее эффективной релаксации. Сравнивая 35 субъектов с МАО в 20 субъектов без МАО, было установлено, что продольная жесткость (K ') и продольной вязкоупругости / релаксации (с') были выше в группе, не МАО. Начальная сила отдачи, и запасенная энергия отдачи оба были выше в группе с МАО. Кроме того, было показано, что отсутствие МАО концordant с релаксации, связанных с диастолической дисфункции 27. Таким образом, в формате PDF анализ тканей доплеровского E'- волн показывает, что отсутствие МАО показывает релаксации, связанных с диастолической дисфункции.

Диастатической жесткости из E-волновой анализ

В то время как наклон конечного диастолического давления объема отношений (EDPVR) предоставляет знакомый жесткости на основе индекса, наклон (p, / у Av) из диастатической давления-объема (PV) отношения (D-PVR) обеспечивает в естественных условиях Жесткость непринужденной LV. Эхокардиографическое, (т.е. Доплера E-волна), анализ может обеспечить только относительное, но не абсолютное информации давления. Таким образом, было показано, что расслаблены (диастатической) жесткость ЛЖ может быть вычислена непосредственно из анализа электронной волны в покое 28. Использование PDF формализм и давление уравнение Бернулли и объем в диастаза (конец E-волны) происходит. Полученная P, V точки, когда подходят черезлинейная регрессия генерировать D-PVR от анализа E-волн (D-PVR E-волна), наклон, диастатической жесткость K E-волна была вычислена. Результаты дали отличную корреляцию (R 2 = 0,92) между диастатической жесткости из PDF на основе анализа E-волн (К E-волна) и одновременное золотой стандарт измерение диастатической жесткости из данных одновременное PV (K CATH) в 30 субъектах (444 всего сердечные циклы) с нормальной ФВ ЛЖ (ФВ ЛЖ> 55%).

КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ЗАПОЛНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНДЕКС

От кинематической точки зрения моделирования, увеличился релаксации / вязкость постоянная с генерирует повышенное сопротивление к заполнению. Поэтому естественным выбором для заполнения идеализированной желудочка не является сценарий за отдачи только и полную релаксацию, то есть не демпфирования (с = 0). Индекс кинематическая эффективность наполнения (KFEI) был определен и получены 29 как безразмерного соотношения фактического объема вводачисле в левый желудочек (ЛЖ) (время скорость неотъемлемой [ВТИ] недвижимого E-волны с параметрами PDF С, К, х о) в идеальном объема (ВТИ идеального E-волны, имеющей тот же к и х о, но без сопротивления заполнение [C = 0]). В 36 пациентов с нормальной функцией желудочков (17 диабетической и 19 хорошо подобранная без диабета управления) было показано, что 30 KFEI Е-волн у больных сахарным диабетом (49,1 ± 3,3%) был значительно ниже, чем в обычных пациентов (55,8 ± 3,3%) . Это означает, что даже если фракция выброса левого желудочка нормально, заполняя эффективность нарушается у больных сахарным диабетом по сравнению с недиабетиков.

ЗАПОЛНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ухудшается с возрастом

В свете способности кинематическая индекса эффективности наполнения (KFEI) 29 для оценки заполнения диабета против. без диабета управления, возраст зависимость KFEI определялась. Было показано, что KFEI, уменьшается по величинес возрастом и коррелирует очень сильно с возрастом (R 2 = 0,80), анализируя 72 субъектов управления с нормальной ФВ ЛЖ (ФВ ЛЖ> 55%) и без сердечно-сосудистой патологии 30. Возраст зависимость другими обычными параметрами DF также оценивали. В соответствии с другими неинвазивных мер DF известных уменьшаться с возрастом, KFEI уменьшается и коррелирует очень сильно с возрастной (R 2 = 0,80). Многофакторный анализ показал, что возраст является наиболее важным фактором, способствующим KFEI (р = 0,003).

Независимой нагрузкой ИНДЕКС диастолической функции

E-волновые контуры продемонстрировать бит-от-такт изменения в связи с дыханием и, следовательно, демонстрируют сильную зависимость нагрузки. Действительно, все показатели DF являются в зависимости от нагрузки. Это проблематично, потому что это ставит под вопрос, являются ли наблюдаемые различия в DF индексов результатом изменения нагрузки или в результате внутренней вариации камера собственности. Теоретическое предсказание и эксперименталь проверка нагрузки независимого индекса диастолической функции (LIIDF) был долго искал нерешенной проблемой в физиологии / кардиологии. Для решения вопроса о зависимости нагрузки, PDF формализм был применен к E-волн, измеренных в различных нагрузок. Через кинематической моделирования и математической выводе, независимой нагрузкой индекс был получен, которая сохраняется между E-волн, измеренных в различных нагрузок. Для каждой измеренной E-волны, параметры PDF к и х о умножаются с получением KX о, модель на максимальную величину силы, аналогичной потока пик градиент мгновенное давление вождения, а параметр PDF C умножается на пик пик скорость E с получением значение пиковой силы сопротивлении заполнению. Построение кх о против. С Е пик как упорядоченная пара для каждого E-волны генерирует весьма линейную зависимость которого (безразмерная) наклон М является суGHT после нагрузки независимого индекса и остается сохранение, несмотря на нагрузку, создаваемую изменения в E-волн.

Для проверки E-волн, записанных во время нагрузки варьировалась с помощью наклона стола (возглавить, горизонтальный, и голову) в 16 здоровых добровольцев была проанализирована. Результаты 33 дали очень высокую корреляцию (R 2 = 0,98) между кх о и с E пика, как предсказано. Способность М различать нормальных и диастолического субъектов дисфункции также оценивали с помощью анализа одновременных CATH эха данных в диастолического субъектов дисфункции VS. управления. Средний M для диастолического дисфункции группы (M = 0,98 ± 0,07) был значительно ниже, чем в контрольной (М = 1,17 ± 0,05, р <0,001) 33.

Рис.1 Последовательность рабочих операцийдля фитинга (а) E-волны и (Б) E'волны через PDF формализма. А) слева правой трансмитральной изображение поток обрезается получить профиль скорости доплеровский. E-волны максимальная конверт скорость (MVE), чтобы быть в хорошей форме выбран (показаны зеленым с сроков синим цветом). Ошибка минимизации PDF посадку получается с помощью алгоритма Levenberg- Марквардта в результате параметров PDF и меры доброте нужным. B) Похожие процедуры для ткани Доплера изображения. Изображение переворачивается после обрезания. Подробности в тексте. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Фигура 2 Три E-волновые паттерны с PDF припадков. А) Нормааль / псевдонормальный заполнения шаблон. B) с задержкой релаксации рисунок. C) Констриктивные-ограничительный рисунок. Подробности в тексте. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

У авторов нет конкурирующих финансовых интересов.