Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

כימות של פונקציה הגלובלית הדיאסטולי על ידי ניתוח המבוסס על דוגמנות Kinematic של Transmitral זרימה באמצעות הפורמליזם מילוי Parametrized הדיאסטולי

Published: September 1, 2014 doi: 10.3791/51471
Automatic Translation
2,5, 2,5, 1,5, 3,5, 1,5, 4,5
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

Summary

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.

Abstract

הערכת תפקוד לב כמותי עדיין מהוות אתגר עבור פיזיולוגים ורופאים. למרות ששיטות היסטורית פולשנית שהיוו את האמצעי היחיד זמינה, הפיתוח של שיטות הדמיה לא פולשנית (אקו, MRI, CT) שיש רזולוציה של זמן ומרחב גבוה מספק חלון חדש להערכת תפקוד הדיאסטולי כמותיים. אקו הוא מוסכם סטנדרטי להערכת תפקוד הדיאסטולי, אבל אינדקסים בשימוש קליני נוכחי רק מנצלים נבחרו תכונות של ממד קאמרי (M-mode) או צורות גל תנועת דם / רקמה (דופלר) ללא שילוב הגורמים סיבתיים הפיזיולוגיים של התנועה עצמה. ההכרה בכך שכל חדרי הלב השמאלי (LV) ליזום מילוי על ידי המשרת כמשאבות יניקה מכאניות מאפשרת תפקוד הדיאסטולי הגלובלי תוערך בהתבסס על חוקי התנועה שחלים על כל התאים. מה שמבדיל את לב אחד למשנהו הם הפרמטרים של המשוואה של תנועה שהגובמילוי erns. בהתאם לכך, הפיתוח של מילוי Parametrized הדיאסטולי פורמליזם (PDF) הראה כי כל הטווח של זרימת transmitral המוקדמת נצפתה קליני דפוסים (דופלר E-גל) הם טובים מאוד בכושר על ידי חוקי תנועת oscillatory דכאה. זה מאפשר ניתוח של E-גלים בודדים בהתאם למנגנון סיבתי (יניקה ביוזמת רתיעה) שמניבה שלושה (מבחינה מספרית) x פרמטרים ייחודיים להיכרך אנלוגים שפיסיולוגיים הם תא נוקשות (k), viscoelasticity / הרפיה (ג), ועומס ( o). ההקלטה של ​​זרימת transmitral (דופלר E-גלים) היא פרקטיקה סטנדרטית בקרדיולוגיה הקליניים, ולכן, שיטת הקלטת אקו נבחנה רק לזמן קצר. המיקוד שלנו הוא על קביעת הפרמטרים PDF מנתונים E-גל שנרשמו באופן שיגרתי. מאחר שהתוצאות מודגשות מצביעות, פעם אחת הפרמטרים PDF התקבלו ממספר מתאים של עומס משתנים E-גלים, investigator חופשי להשתמש בפרמטרים או לבנות אינדקסים מהפרמטרים (כגון אנרגיה אצורה 1/2 kx o 2, o לחץ AV מרבי kx השיפוע, מדד עצמאי עומס של תפקוד הדיאסטולי, וכו '.) ובחר את ההיבט של פיזיולוגיה או הפתופיזיולוגיה לכימות.

Introduction

מחקריו החלוציים על ידי 1 כץ בשנת 1930 גילו כי החדר השמאלי של היונקים יוזם מילוי על ידי להיות משאבה מכאנית יניקה, ומאמץ רב מאז הוקדש להתרת פעולתו של ירוויח. במשך שנים רבות, שיטות פולשניות היו האפשרויות זמינות רק להערכה קלינית או מחקר של תפקוד הדיאסטולי (DF) 2-16. ב1970s, לעומת זאת, התקדמות והתפתחויות בבדיקת אקו הטכניות סופו של דבר נתנו לי קרדיולוגים ופיזיולוגים כלים מעשיים לאפיון לא פולשנית של DF.

בלי תאוריה מאחדת סיבתי או הפרדיגמה לתרוויח בנוגע לאופן שהלב עובד כאשר הוא ממלא, חוקרים הציעו אינדקסים של תופעה רבות המבוססים על מתאם עם מאפיינים קליניים. המעוגל, מהירות עולה ויורד בצורה של קווי המתאר מהירות זרימת דם transmitral במהלך מוקדם, מילוי מהיר, למשל, היה מקורב כמו פו משולש ודיאסטולימדדי nction הוגדרו מתכונות גיאומטריות (גובה, רוחב, שטח, וכו '.) של משולש ש. התקדמות טכנולוגית בבדיקת אקו אפשרה תנועת רקמות, מתח, ושיעור מתח במהלך מילוי שיש למדוד, למשל, וכל התקדמות טכנית הביאה עימו יבול חדש של מדדים הפנומנולוגית להיות מתואמת עם מאפיינים קליניים. עם זאת, המדדים יישארו גומלים ולא סיבתיים ואינדקסים רבים אמצעים שונים של אותה הפיסיולוגיה הבסיסית. זה לא מפתיע, לכן, שמדדים קליניים מועסקים כיום של DF יש סגוליות ורגישות מוגבלת.

כדי להתגבר על מגבלות אלה הפורמליזם Parametrized הדיאסטולי תדלוק (PDF), kinematic סיבתי, מודל פרמטר להיכרך של מילוי של חדר השמאלי שמונע על ידי ומשלב את הפיסיולוגיה יניקת המשאבה של ירוויח פותח ומאומתים 17. מודלים זה פונקציה הדיאסטולי (כפי שבאו לידי ביטוי על ידי הצורות מעוגלותזרימת transmitral קווי המתאר) בהתאם לכללים של תנועת oscillatory הרמונית מרוסנת. המשוואה עבור תנועת oscillatory הרמונית דכאה מבוססת על החוק השני של ניוטון ויכולה להיות כתובה, לכל יחידת מסה, כמו:

משוואת 1 משוואת 1

יש משוואת ההפרש צו זה ליניארי 2 nd שלושה פרמטרים: k - קאמרי נוקשות, ג - viscoelasticity / הרפיה, וx o - העקירה / preload הראשוני של מתנד. המודל מנבא כי דפוסי המילוי הדיאסטולי נצפו קליני השונים הם התוצאה של שינוי בערך המספרי של שלושה פרמטרים במודל הבאים. בהתבסס על הפורמליזם PDF ומכניקה קלאסית, ניתן לסווג E-גלים שכנקבעו על ידי משטרים דכאו מעל או דכאו תחת של תנועה. מחקרים רבים 21. שיטת הפקה של פרמטרים במודל מנתונים E-גל רשמו קליני היא מפורטת בשיטות הבאות.

בניגוד למדדים אופייניים של DF בשימוש קליני נוכחי, שלושת הפרמטרים של מודל PDF הם סיבתיות מבוססת. כפי שנדון בשיטות שלהלן, מדדים נוספים של פיזיולוגיה הדיאסטולי יכולים לנבוע מפרמטרים הבסיסיים אלה ומיישום של הפורמליזם PDF להיבטים של אחרים ירוויח יותר מזרימת transmitral. בעבודה זו, שיטות של ניתוח מבוסס PDF של זרימת transmitral והיחסים הפיזיולוגיים שניתן להסיק מהגישה PDF, הפרמטרים שלה והמדדים נגזרים מתוארות. בנוסף, הוא הראה כי הפרמטרים PDF או מדדים נגזרים מהם יכולים להקניטמלבד תכונות תא פנימיות מההשפעות חיצוניות של עומס יכולות לספק קושרת לפרמטרים מסורתיים מוגדרים פולשני ויכולות להבחין בין קבוצות נורמליות ופתולוגיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ההליך לרכישת תמונות אקו וניתוחם כדי לקבל את הפרמטרים PDF מפורט להלן. למרות שצנתור לב מוזכר בחלק בחירת הנושא להלן, המתודולוגיה שתוארה חלה רק על חלק אקו. התיאור של חלק הצנתור נכלל לאימות עצמאית של תחזיות מודל מבוססת ואינו קשור לניתוח של E-גלים באמצעות הפורמליזם PDF. לפני רכישת נתונים, כל הנושאים מספקים חתמו, הסכמה מדעת להשתתפות במחקר בהתאם למוסדית המועצה לביקורת (Office אדם הגנת מחקר) בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת וושינגטון.

הערה: כל התוכנות (יחד עם הדרכות על אופן שימוש בם) המתוארות בסעיף זה ניתן להוריד מhttp://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

בחירת .1 בכפוף

הערה: כל הנושאים במאגר המעבדה לביופיסיקה לב וכלי דם היה אקו בו זמנית וצנתור לב שבוצע והופנו על ידי הרופאים שלהם לצנתור לב אבחונים. הקריטריונים להכללת בסיס הנתונים הם: 1) היעדר חריגות מסתמית משמעותיות, 2) היעדר חריגות קיר תנועה או לחסום סניף צרור באק"ג, 3) נוכחות של חלון אקו משביע רצון עם E- לזיהוי בבירור וגלים.

.2 אקו Data Acquisition

  1. רשום מחקר / הד-דופלר מלא 2D לכל הנושאים בהתאם לאגודה האמריקנית של קריטריוני אקו 16. הערה: echocardiograms ההקרנה נרשם על תרמי קליני סטנדרטי על ידי sonographer. אם ארצה בכך, הקלטת אקו transthoracic נוספת ניתן לבצע לצורך אימותים לאחר קטטר איכות גבוהה מתאימה, הוא התקדם לתוך LV למדוד פרמטרים המודינמיים LV בו זמנית.
  2. נושאי תמונה במצב שכיבה. בהגדרת nonresearch, מיצוב לרוחב שמאל סטנדרטי ניתן להשתמש ללא הגבלת כלליות של השיטה. להשיג צפיות בפסגה הארבע קאמריות באמצעות מתמר 2.5 MHz, עם המדגם מגודר ב1.5-5 מ"מ ביים בין העצות של עלוני שסתום צניפי והמאונכים למישור MV (כדי למזער את השפעות יישור הנפח כפי שניתן לראות בדופלר M-מצב הצבע ), מסנן הקיר נקבע ליום 1 ב( 125 Hz) או 2 (250 הרץ), הבסיס המותאם ללנצל את הגובה המלא של התצוגה ואת קנה המידה המהירות המותאם ללנצל את הטווח הדינמי של הפלט ללא aliasing.
  3. לבצע הדמיה של רקמות דופלר עם המדגם מגודר ב2.5 מ"מ והוא מוצב בשיקויים לרוחב ומחיצה של annulus מיטרלי הנפח.
  4. להציל את בדיקות דופלר בפורמט DICOM במכונה ושיא ההד על DVD עם simultרל נרשם aneously (ECG).

עיבוד תמונה .3 דופלר וניתוח קונבנציונלי

הערה: סעיף זה מתאר שתי תוכניות MATLAB המותאם אישית. התכנית הראשונה מתוארת בשלב 3.1 והתכנית השנייה מתוארת בצעדים 3.2-3.5. כל התוכנות (יחד עם הדרכות על אופן שימוש בם) ניתן להוריד מhttp://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

  1. המרת תמונות בפורמט DICOM ווידאו למפה סיביות (bmp) קבצים (באמצעות תכנית MATLAB מותאמת אישית). הערה: ההליך המתואר להלן כדי להתאים דופלר E-גלים וE' גלי דופלר הרקמה מוצגת באיור 1.
  2. טען את קבצי תמונת מפת הסיביות בתכנית MATLAB המותאם אישית אחרת כדי למדוד את זרימת transmitral פרמטרים קונבנציונליים כגון שיא E, שיא, dur E 'השיא,' E שיא, וכו '. ולחתוך את התמונות לניתוח PDF. בחר תמונות עם זרימת מתאר transmitral ניכר ומחזור לב שלם כפי שצוין על ידי א.ק.ג. לניתוח.
  3. סמן את שיעור זמן הדגימה (נמדד בפיקסלים / s על הציר האופקי) וקצב דגימה מהיר (נמדד בפיקסלים / (מ '/ שנייה) לאורך הציר האנכי) בתמונות. זהה את מחזור הלב השלם על ידי ציון וסימון פסגות רצופות R (או כל תכונה מובהקת של ECG) בתמונה.
  4. מארק transmitral דופלר E- וגל או רקמת גל דופלר E'- וA'- במחזור הלב שנבחר.
    1. בחר כלומר נקודת שיא E-גל דופלר. שיא E, (או השיא 'ה) ולסמן את תחילתו של הגל באמצעות הקו המחבר בין השיא להתחלה כמדריך כדי להתאים את מדרון ההאצה של E-הגל (או E'גל). תחילתו של הגל משמשת לחישוב מרווח מתחילתו ועד peזרימת ak מסומנת כזמן E-גל (או E'גל) האצה (AT).
    2. לסמן את סופו של E-הגל (או E'גל) באמצעות הקו המחבר בין השיא לסוף כמדריך כדי להתאים את מדרון ההאטה. זה משמש לחשב את הרווח מהפסגה לנקודת ההתחלה מצוינת כזמן האטה (DT). מרווח מתחילתו ועד סופו של הגל הוא משך הזמן של E-הגל (E dur = AT + DT). התכנית מנחה את המשתמש לאורך התהליך כולו עם הוראות מתאימות.
  5. סמן את הגל באמצעות הליך דומה כמו E-הגל. עם שני E- וגלים מסומנים בתכנית מחשבת את שיא E / יחס שיא.
    הערה: התכנית שומרת את הגלים המסומנים כתמונות קצוצות המכילות E- וגלים בלבד. התכנית גם יוצרת קובץ נתונים עם הפרמטרים חיתוך ונמדד בכל פעימה.

.4 התאמה אוטומטית של Transmitral זרימה באמצעות הפורמליזם PDF

המתאים האוטומטי של דופלר E- וגל והרקמה דופלר E'- וקווי מתאר גל A'- נעשה באמצעות תכנית LabView מותאמת אישית 18,19.
  1. טען את התמונה החתוכה, ותכנית המחשב באופן אוטומטי את המעטפה המרבית מהירות (MVE). בחר MVE על ידי קביעת הסף כזה שMVE הקרוב זרימת transmitral כפי שמוצג באיור 1. תחילת והסיום של הנקודות המגדירות את MVE ניתן לבחור יחד בזמן הציר על ידי המפעיל כזה שרק MVE נקודות המספקות התכתבות טובה לחלק נבחר בפועל של הגל משמשים כקלט לראוי שלאחר מכן.
  • הערה: נקודות MVE המשתמש שנבחר הן הקלט לתכנית המחשב באופן אוטומטי מתאימה את פתרון מודל PDF למהירות כפונקציה של זמן באמצעות Marquardt Levenberg- אלגוריתם (איטרטיבי). הראוי מושגת באמצעות הדרישה כי הטעות מרובעת הממוצעת בין הקליני (הקלט)נתונים (MVE) ואת קווי המתאר הצפויים מודל PDF להיות ממוזערים. מאחר שהמודל הוא ליניארי, קבוצה ייחודית של פרמטרים מתקבלת עבור כל MVE דופלר E-גל נגזר משמש כקלט. כך מבחינה מספרית k, c, וערכי o x ייחודיים שנוצרו עבור כל E-גל וk ', ג', וo x "עבור כל E'גל.
  • במקרה המתאים הוא ללא ספק הכי מוצלח כאשר בכושר הוא על גבי E-הגל (או E'גל) תמונה (כלומר. האלגוריתם ניסה להתאים רעש הכלול בMVE למשל) לשנות את MVE באמצעות יותר / פחות נקודות, ובכך לשנות את המודל חזו גובה עם שינוי הסוגר של פרמטרים PDF כדי להשיג התאמה טובה יותר.

    • שמור את הנתונים כאשר כושר PDF המתאים כבר נוצר. הערה: התכנית כתובה לשמירה אוטומטית של נתונים בתמונות וקבצי טקסט המכילים את הפרמטרים PDF ומידע מתאר.
    הפרמטרים PDF המתקבלים מההליך שתואר לעיל יכולים לשמש כדי להבהיר פיזיולוגיה חדשה ולהבחין בין פיזיולוגיה הנורמלית ופתולוגיים, כמפורט בסעיף נציג התוצאות בהמשך.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    נציג גל דופלר של ארבעה סוגים שונים של דפוסי מילוי בשיטה שפורטה לעיל (, הרפיה רגילה, pseudonormal מתעכב, מגביל-מגביל) מוצגים באיור 2. איור 2A מציג את הדפוס הרגיל, אשר, על ידי עצמו הוא שאין להבחין בין pseudonormal הדפוס. איור 2B מראה הרפיה מושהה ואיור 2C מציג דפוס מגביל-מגביל הקשורים בתפקוד הדיאסטולי חמור. לשם בהירות, מתאים לחזה מודל PDF הם כיסו על התמונות. הפרמטרים קונבנציונלי ההד (שיא E, שיא, E-גל AT, וE-הגל DT) ופרמטרי PDF (k, c, x o) רשומים מתחת לכל תמונה. כנתונים מצביעים, פורמליזם PDF מתאים (צופה) טוב מאוד את כל שלושת דפוסי מילוי אלה. הפרמטרים PDF מספקים גם מידע על תכונות תא. דהדפוס ההרפיה layed (איור 2) בדרך כלל יש פרמטר PDF viscoelasticity / הרפיה גבוהה יותר ג מהתוואי הרגיל (איור 2 א). דפוס מגביל-מגביל (איור 2 ג) בדרך כלל יש קשיחות גבוהה יותר (k פרמטר PDF) מהתוואי הרגיל.

    ניתוח של דופלר E-גלים באמצעות הפורמליזם PDF נעשה שימוש כדי להבחין בין קבוצות נורמליות ופתולוגיים ולגלות פיזיולוגיה חדשה. להלן כמה נבחרות תוצאות שפורסמו של ניתוח DF מבוסס הפורמליזם PDF נועדו להבדיל בין פתולוגיים ופיזיולוגיה נורמלית ויישומים נבחרים של פורמליזם PDF להבהיר פיזיולוגיה חדשה.

    סוכרת

    השיטה הוכח לכמת את ההבדלים בDF בין נבדקי ביקורת סוכרתיים וגיל בהתאמה. בעוד המדדים קונבנציונליים כגון האטת E-גל-זמן DT, E ג viscoelasticity PDF / ההרפיה היה שונה משמעותי בין קבוצות 22. בנוסף, שיפוע שיא atrio-חדרית לחץ, אשר יכול להיות מחושב מפרמטרי PDF כkx o 23 היה גבוה יותר משמעותי בקבוצה הסוכרתית. כמו כן, רואה את יעילות מילוי kinematic, פנתה לחולי סוכרת בהמשך.

    יתר לחץ דם

    השיטה נעשתה שימוש כדי לנתח את דפוסי מילוי transmitral בנושאי יתר לחץ דם בהשוואה לקבוצת ביקורת 24. מדדים נגזרים דופלר הקונבנציונלי לא הצליחו להבחין בין קבוצות, אך פרמטר PDF היה גבוה יותר משמעותי בקבוצת הנבדקים עם יתר לחץ דם בהשוואה לקבוצת ביקורת nonhypertensive.

    הגבלת קלוריה מאיטה הזדקנות CARDIAC >

    השיטה העריכה את ההשפעה של הגבלת קלוריה על DF בבני האדם 25. DF הוערך בנושאי תרגול הגבלת קלוריה על ידי מדידת זרימת transmitral והשוואה לגיל ביקורות תואמות. DF היה טוב יותר באופן משמעותי בקבוצת הגבלת הקלוריות כלכמת ידי ערך גבוה יותר של E / ומילוי המוקדם גבוה יותר חלק (E-גל). בנוסף, k פרמטר PDF, המייצג את תא נוקשות LV, וג, המייצגים viscoelasticity, היה נמוך באופן משמעותי בנושאי הגבלת קלוריה. מאז שיא E לא היה שונה באופן משמעותי בין שתי הקבוצות, קבוצת הביקורת מבזבזת יותר אנרגיה כדי להשיג את אותה מהירות מילוי השיא. זה גילה כי הגבלת קלוריה קשורה DF יעיל יותר. יתר על כן את המילוי בנושאי קלוריות קשישים מוגבלים היה דומה למחזור רגיל צעיר, המצביע על כך הגבלת קלוריה מאיטה הזדקנות לב 26.

    _content "> נוכחות VS. העדר התנודות טבעתית צניפי

    הפורמליזם PDF גם נעשה שימוש כדי לנתח את תנודות צניפי טבעתיים (MAO) לאחר E'הגל (-wave E ", E '' '-. הגל, וכו'). 'צלצול' זה של annulus מיטרלי נצפה בבני אדם 20 אבל אפיון של הנוכחות והיעדרות של התנודות שלאחר מכן היה חסר. השיטה אפשרה להשערה להיבדק כי היעדר MAO מוסבר על ידי אפקטי viscoelastic מוגברים בשל פחות או יעילה יותר איטי הרפיה. על ידי השוואת 35 נושאים עם MAO ל20 נושאים ללא MAO, נמצא כי קשיחות אורכית (k ') וviscoelasticity / ההרפיה האורך (ג') היתה גבוהות יותר בקבוצה ללא MAO. הכוח הראשוני הרתיעה ואנרגיית הרתיעה מאוחסנת שניהם היו גבוהים יותר בקבוצה עם MAO. בנוסף, נמצא כי היעדר MAO היה קונצרט כלשהוordant עם בעיות בתפקוד הדיאסטולי הקשורות להרפיה 27. מכאן ניתוח PDF של גלי דופלר E'- רקמה מגלה כי היעדר MAO מציין בעיות בתפקוד הדיאסטולי הרפיה קשורה.

    נוקשות DIASTATIC מE-WAVE ANALYSIS

    בעוד השיפוע של יחסי לחץ בנפח הקצה הדיאסטולי (EDPVR) מספק מדד המבוסס על נוקשות המוכרות, מדרון יחסים (D-PVR) (ΔP / ΔV) של לחץ בנפח diastatic (PV) מספק-vivo ב נוקשות של LV רגוע. אקו, (כלומר דופלר E-גל), ניתוח יכול לספק רק ביחס, ולא מידע לחץ אבסולוטי. בהתאם לכך, זה כבר הראה כי הנוקשות רגועות (diastatic) של LV ניתן לחשב ישירות מניתוח E-גל לבד 28. באמצעות הפורמליזם PDF ולחץ משוואת ברנולי והנפח בdiastasis (סוף E-הגל) נגזר. P נגזר, נקודות V כאשר כושר באמצעותרגרסיה ליניארית ליצור D-PVR מניתוח E-גל (D-PVR E-גל) ששיפועו, נוקשות diastatic K E-הגל חושבה. התוצאות הניבו מתאם מצוין (R 2 = 0.92) בין נוקשות diastatic מניתוח E-גל PDF מבוסס (K E-גל) והמדידה בו זמנית הזהב הסטנדרטי של קשיחות diastatic מנתוני PV בו זמנית (K קת) ב30 נושאים (סה"כ 444 מחזורי לב) עם LVEF הנורמלי (LVEF> 55%).

    מדד יעיל מילוי Kinematic

    מנקודת מבט דוגמנות kinematic, ג הקבוע עלתה הרפיה / צמיגות מייצר גדל התנגדות למילוי. מכאן בחירה טבעית למילוי של חדר אידיאלי הוא תרחיש בשל רתיעת הרפיה בלבד ומלא, כלומר אין דעיכת (c = 0). מדד יעילות מילוי kinematic (KFEI) הוגדר ונגזר 29 כיחס הממדים של נפח בפועל להיכנסing החדר השמאלי (LV) (זמן מהירות [VTI] נפרד מE-גל אמיתי עם ג הפרמטרים PDF, k, x o) לנפח האידיאלי (VTI של E-גל אידיאלי נתקל באותה k וx o אבל ללא התנגדות מילוי [c = 0]). ב36 חולים עם תפקוד חדרים נורמלים (17 סוכרתיים ולא סוכרתיות 19 בקרות מתאימות היטב) זה היה הראה כי 30 KFEI של E-גלים בחולי סוכרת (49.1 ± .3.3%) היה נמוך באופן משמעותי מאשר בחולים רגילים (55.8 ± .3.3%) . משמעות דבר היא כי גם כאשר LVEF הוא נורמלי, יעילות מילוי נפגעת אצל חולי סוכרת בהשוואה לnondiabetics.

    יעילות מילוי מתדרדרת עם גיל

    לאור היכולת של מדד יעילות מילוי kinematic (KFEI) 29 להעריך מילוי בסוכרת לעומת. בקרות לא סוכרתיות, תלות גיל KFEI נקבעו. זה היה הראה כי KFEI, הירידה בגודלעם גיל וקושר בצורה חזקה מאוד עם גיל (R 2 = 0.80) על ידי ניתוח 72 נבדקי ביקורת עם LVEF הנורמלי (LVEF> 55%) וללא פתולוגיה לב וכלי דם 30. תלות גיל פרמטרים קונבנציונליים אחרים של DF הייתה גם הערכה. בהתאמה עם צעדי DF לא פולשנית אחרים הידועים לירידה עם גיל, KFEI יורד וקושר בצורה חזקה מאוד עם גיל (R 2 = 0.80). ניתוח רב משתני הראה כי גיל הוא התורם החשוב ביותר לKFEI (p = 0.003).

    מדד עצמאי עומס של תפקוד הדיאסטולי

    קווי המתאר E-גל ממחישים שינויי פעימה-by-פעימה בתגובה לנשימה ולכן להפגין תלות עומס חזקה. ואכן כל האינדקסים של DF הם עומס תלוי. זה בעייתי משום שזה מעמיד בספק אם הבדלים שנצפו במדדי DF הם התוצאה של וריאציה עומס או התוצאה של וריאציה קאמרית רכוש מהותי. חיזוי וניסוי תיאורטיאימות אל של מדד עצמאי עומס של תפקוד הדיאסטולי (LIIDF) כבר בעיה בלתי פתורה ארוך חיפשה בפיזיולוגיה / קרדיולוגיה. כדי לתת מענה לשאלה של תלות עומס, פורמליזם PDF היה מוחל על E-גלים שנמדדו בעומסים משתנים. דרך דוגמנות kinematic וגזירה מתמטית, מדד עצמאי עומס נגזר, שנשמר בין E-גלים הנמדדים בעומסים שונים. עבור כל E-גל שנמדד, הפרמטרים PDF k וx o מוכפלים להניב kx o, המודל חזה ערך שיא כוח מקביל לזרימת מפל לחצים מיידי שיא הנהיגה, וג פרמטר PDF מוכפל בשיא E מהירות השיא להניב ערך עבור שיא הכוח להתנגד מילוי. זומם kx o vs. שיא E ג כזוג סדור לכל E-גל יוצר קשר ליניארי מאוד שM מדרון (ממדים) הוא סוght לאחר מדד עצמאי עומס ונשאר נשמרים למרות עומס שנוצר שינויים בE-גלים.

    עבור E-גלי אימות נרשמו בעת העומס היה מגוון באמצעות שולחן הטיה (ראש למעלה, אופקי, ואת הראש למטה) ב16 מתנדבים בריאים נותח. התוצאות 33 הניבו גבוה מאוד מתאם (R 2 = 0.98) בין o kx ושיא E ג כפי שחזה. היכולת של M להבחין בין נושאי הפרעות בתפקוד נורמלים ודיאסטולי גם הוערכה על ידי ניתוח של נתונים קת הד בו זמנית בנושאי בעיות בתפקוד הדיאסטולי vs. בקרות. M ממוצע של קבוצת דיאסטולי תפקוד לקוי (M = 0.98 ± 0.07) היה נמוך באופן משמעותי מקבוצת ביקורת (M = 1.17 ± 0.05, P <0.001) 33.

    איור 1
    רצף איור 1 של צעדים אופרטיבייםעבור הולם () E-גל וE' גל באמצעות הפורמליזם PDF (B). ) משמאל לימין זרימת תמונת Transmitral תיחתך להשיג פרופיל מהירות דופלר. E-גל מעטפת מהירות המרבית (MVE) להיות בכושר נבחר (מוצג בירוק עם מגבלות זמן בכחול). שגיאת מזעור כושר PDF מתקבלת באמצעות אלגוריתם Levenberg- Marquardt וכתוצאה מפרמטרי PDF ומידה של טיב התאמה. B) הליך דומה לתמונת דופלר הרקמה. תמונה מתהפכת לאחר החיתוך. ראה טקסט לפרטים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

    איור 2
    .2 שלושה דפוסי E-גל איור עם התקפי PDF. נורם)דפוס Constrictive-המגביל אל / Pseudonormal מילוי תבנית. B) מושהה הרפיה דפוס. C). ראה טקסט לפרטים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    בהתאם להתמקדות המתודולוגית שלנו, ההיבטים המרכזיים של השיטות המקלות על קבלת תוצאות מדויקות ומשמעותיות מודגשים.

    אקו

    יש האגודה האמריקנית של אקו (ASE) הנחיות לביצוע מחקרי transthoracic 16. במהלך בחינת הד, יש שפע של גורמים המשפיעים על איכות תמונה. גורמים שהם מעבר לשליטה של ​​sonographer כוללים: יכולות טכניות של תרמי בשימוש, קצב לב, מבנה גוף מטופל, וריאציה בודדת במיקום, כיוון של מבנים אנטומיים, ואיכות של 'חלון הד', המתייחסות למאפיינים של שידור אולטרסאונד ברקמה של נושא נתון. גורמים ששליטה ישירה על ידי sonographer כוללים גדרות מכשירות, כולל בחירה של מתמר. מאז הנאמנות של ניתוח PDF תלויה בqual תמונת ההדity, יש להיזהר בעת תהליך רכישת תמונה כדי להשיג את התמונות הטובות ביותר אפשריות.

    לקבלת איכות אופטימלית E-גל תמונה לניתוח PDF, למקסם את E-גל גודלו יחסי לתצוגה וקביעת מהירות סריקה ל100 מ"מ / שנייה הם רצויים. מהירות סריקה גבוהה ושימוש בגודל תצוגה מלא בקביעת קנה מידה מהירות המרבית מספק הגדילו רזולוציה של זמן (כלומר יותר נקודות כדי להיות בכושר) לאורך שני צירי הזמן ומהירות. הגדרות מסננת Baseline יכולות להיות גם טוב יותר נחושות עם הגדרות מהירות לטאטא גבוהות יותר. מספר מחזורי לב שנרשמו הוא משתנה מאוד בין מעבדות הד. לניתוח משמעותי PDF הקלטה רציפה באמצעות מספר (3 או 4) מחזורי נשימה הוא רצוי ביותר. בקצב לב במנוחה אופייני ל75 פעימות / דקה, ו12 נשימות / דקה, 4 מחזורי נשימה יסתכמו 20 שניות של הקלטה רציפה שאמורים לספק 25 מחזורי לב. הקלטת מספר זה של מחזורים היא מוצדקת, בהתחשב בנ העומסarying תוצאה של נשימה שקטה, כדי שLIIDF ניתן לחשב אם תרצה בכך. שימו לב, כי ערכי המחשוב לo x, c, וk מבוססים על ממוצע הפעימה 25 הוא דרך לגיטימית לאפיין תרוויח. וריאציה עומס יכולה גם להיות שנוצרה במהלך הקלטה קלינית על ידי תמרוני Valsalva או מולר, או על ידי העלאת רגל פסיבית באמצעות טריז קצף 30 מעלות.

    קביעת פרמטר PDF

    פרטים אלגוריתמיים

    המשוואה של תנועה למתנד הרמוני דכא והפתרון המתמטי שלה היא תוכן סטנדרטי כמובן במתמטיקה הנדסה, בפיסיקה ובמכניקה 34. הבחירה של שפת מחשב (C ++, Fortran, LabView, MATLAB, וכו '.) שבו הוא מיושם גם בשיקול דעתו של המשתמש / חוקר. שיטות מספריות סטנדרטיים קיימות וידועות 35 גם. קבוצות אחרות לא יישמו את הפורמליזם PDF על ידי writing האלגוריתם המספרי שלהם ויש להם באופן עצמאי משוכפל התוצאות שלנו, כולל ערכים מספריים לפרמטרי PDF 36 במחקר גדול הכולל גם מעל 1,000 מטופלים. בעוד עבודה שוטפת כוללת פיתוח כלי ניתוח PDF מבוסס אינטרנט, התועלת האופטימלית, רחבה לכת של השיטה יכולה להיות הטובה ביותר להשיג על ידי שילוב של פורמליזם PDF לתוך חבילת ניתוח קנייני של הדמית אקו המסחרית.

    היבטים תלויים מפעיל

    ברגע שתמונת E-הגל כבר מיובאת וקצוצה (ראה איור 1) קביעת מעטפת המהירות המרבית, כלומר סט בפועל של נקודות שאליו הפתרון של מהירות oscillatory הרמונית מרוסנת הוא להיות בכושר על ידי השיטה, נקבע. כפי שניתן לראות על ידי הרצף של פנלים וצעדים אופרטיביים באיור 1 ושנדון לעיל, רעש בנקודת ההתחלה, כמו גם רעש מיותר שמשפיע על הגובה הוא ofteחלק n של התמונה. המפעיל יכול לקבוע את הסט הרציף של נקודות כדי להיות בכושר, כפי שמוצג באיור 1, על ידי התאמת המיקום של הקווים הכחולים האנכיים המגדירים את ההתחלה וסיום של הנקודות כדי להיות בכושר. השיטה מציגה את ההתאמה ישירות על התמונה מיובאת והמפעיל יכול בקלות להעריך אם הוא משמעותי או לא.

    יש קצב לב משפיע על המשך תרוויח והתכונות של E-הגל 37, ויש להקפיד לפרש את התוצאות של האלגוריתם המתאים בהקשר של קצב לב מטופל. בשיעורים טיפוסיים לב מתחת 80 פעימות / דקה, בE-וגלי קצב סינוס מופרדים על ידי תקופה קצרה של diastasis. זה מקל על הכללת חלק ההאטה של ​​E-הגל. שיעורי לב להגדיל, diastasis פוחת ונעלם, מאז תחילת הגל מתרחשת לפני סיום E-גל. בקצב לב מהיר, מעל 90 פעימות / דקה, הגל overlies חלק ההאטה של ​​E-הגלוניתוח PDF של E-הגל הופך לא אמין בגלל המספר המוגבל של נקודות MVE זמינות כדי להיות בכושר. לניתוח משמעותי לפחות 1/2 ל2/3 בסך הכל צורת גל E-גל האטה צריך להיות זמין לראוי.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Acknowledgments

    עבודה זו נתמכה בחלקו על ידי א 'אלן וקרן הצדקה אדית ל' וולף, סנט לואיס, ובארנס היהודי בית החולים הקרן. ל 'Shmuylovich וא גוש נתמכו באופן חלקי על ידי פרסים מלגת predoctoral משותפי Heartland של איגוד הלב האמריקאי. ס ג 'ו קיבל תמיכה חלקית מתכנית אוניברסיטת וושינגטון קומפטון החוקרים והמכללה לאמנות ו'מדעי הקיץ לתואר ראשון פרס מחקר. ס Mossahebi קיבל תמיכה חלקית מהמחלקה לפיזיקה.

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    Philips iE33 Philips (Andover, MA)
    LabView 6.0 National Instruments Version 6.0.2
    MATLAB MathWorks  Version R2010b

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

    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).

    Tags

    הנדסת ביוטכנולוגיה גיליון 91 פיזיולוגיה לב וכלי דם מכניקת חדרית תפקוד הדיאסטולי מודלים מתמטיים אקו דופלר פרמטרים המודינמיים ביומכניקה
    כימות של פונקציה הגלובלית הדיאסטולי על ידי ניתוח המבוסס על דוגמנות Kinematic של Transmitral זרימה באמצעות הפורמליזם מילוי Parametrized הדיאסטולי
    Play Video
    PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

    Cite this Article

    Mossahebi, S., Zhu, S., Chen, H.,… More

    Mossahebi, S., Zhu, S., Chen, H., Shmuylovich, L., Ghosh, E., Kovács, S. J. Quantification of Global Diastolic Function by Kinematic Modeling-based Analysis of Transmitral Flow via the Parametrized Diastolic Filling Formalism. J. Vis. Exp. (91), e51471, doi:10.3791/51471 (2014).

    Less
    Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
    View Video

    Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

    Waiting X
    Simple Hit Counter