Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Kvantifiering av Global diastoliska funktionen av kinematisk modellering baserad Analys av Transmitral Flow via Parametrized diastoliska Filling Formalism

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

Exakt, kausalitet baserad kvantifiering av globala diastoliska funktionen har uppnåtts genom kinematisk modellering baserad analys av transmitral flöde via Parametrized diastoliska Fyllning (PDF) formalism. PDF genererar unika stelhet, avslappning, och lastparametrar och belyser "nya" fysiologi samtidigt som känsliga och specifika index av dysfunktion.

Abstract

Kvantitativ bedömning hjärtfunktionen är fortfarande en utmaning för fysiologer och läkare. Även historiskt invasiva metoder har bestått det enda medlet som finns, utveckling av icke-invasiv avbildningsmetoder (ekokardiografi, MR, CT) med hög temporal och spatial upplösning ger ett nytt fönster för kvantitativ bedömning diastoliska funktionen. Ekokardiografi är den överenskomna standarden för bedömning diastoliska funktionen, men index i nuvarande klinisk användning enbart utnyttjar utvalda funktioner i kammardimensionen (M-läge) eller blod / vävnadsrörelse (Doppler) vågformer utan att införliva de fysiologiska orsaksfaktorer i rörelsen själv. Erkännandet att alla vänster kammare (LV) initiera fylla genom att fungera som mekanisk sugpumpar möjliggör global diastoliska funktionen som skall bedömas utifrån rörelselagar som gäller för alla avdelningar. Vad skiljer ett hjärta från en annan är parametrarna för rörelseekvationen som govErns fyllning. Följaktligen utveckling av Parametrized diastoliska Fyllning (PDF) formalism har visat att hela sortimentet av kliniskt observerade tidigt transmitral flöde (Doppler E-våg) mönster är extremt bra passform av lagarna i dämpad oscillerande rörelse. Detta möjliggör analys av enskilda E-vågor enligt en orsaksmekanism (rekyl initierade sug) som ger tre (numeriskt) unika klumpas parametrar vars fysiologiska analoger är kammarstyvhet (k), viskoelasticitet / avslappning (c), och last (x o). Inspelningen av transmitral flöde (Doppler E-vågor) är praxis i klinisk kardiologi och därför ekokardiografisk inspelningsmetoden är endast kortfattat omdömet. Vårt fokus ligger på bestämning av PDF-parametrarna från rutinmässigt inspelade E-ljuddata. Eftersom de markerade resultat indikerar, när PDF-parametrarna har erhållits från ett lämpligt antal last varierande E-vågor, de undersöktigator är gratis att använda parametrarna eller bygga index från parametrarna (t.ex. lagrad energi halv kx o 2, max AV tryckgradient kx o, lastoberoende index för diastolisk funktion, osv.) och välj aspekten av fysiologi eller patofysiologi att kvantifiera.

Introduction

Banbrytande studier av Katz 1 1930 visade att däggdjurens vänster kammare initierar fyllningen genom att vara en mekanisk sugpump, och mycket arbete sedan dess har ägnats åt att reda ut arbetet i diastole. Under många år, invasiva metoder var de enda alternativ som finns för klinisk eller forsknings bedömning av diastolisk funktion (DF) 2-16. På 1970-talet, men tekniska framsteg och utvecklingen i ekokardiografi slutligen gav kardiologer och fysiologer praktiska verktyg för icke-invasiv karakterisering av DF.

Utan en enande orsaks teori eller paradigm för diastole om hur hjärtat fungerar när den fyller föreslog forskare många phenomenologic index bygger på korrelation med kliniska funktioner. Den krökt, snabbt stigande och fallande form transmitral blodflödet hastighet kontur under tidig, snabb fyllning, till exempel, var approximeras som en triangel och diastoliskt funktion index definierades från geometriska egenskaper (höjd, bredd, område, osv.) i denna triangel. Tekniska framsteg inom ekokardiografi har tillåtit vävnad rörelse, stam och stam takt under fyllning som skall mätas, till exempel, och varje teknisk utveckling förde med sig en ny gröda av fenomenologiska index som korreleras med kliniska funktioner. Men indexen förblir korrelat och inte kausal och många index är olika mått på samma underliggande fysiologin. Det är därför inte förvånande, som för närvarande är anställda kliniska index av DF har begränsad specificitet och sensitivitet.

För att övervinna dessa begränsningar för Parametrized diastoliska Fyllning (PDF) formalism, ett orsaks kinematiska var klumpas parameter modell av vänsterkammar fyllning som motiveras av och innefattar sug-pump fysiologi diastole utvecklas och valideras 17. It-modeller diastoliska funktion (vilket visar sig i de krökta formerav transmitral flöde konturer) i enlighet med reglerna i dämpade harmoniska oscillerande rörelse. Ekvationen för dämpad harmonisk oscillerande rörelse bygger på Newtons andra lag och kan skrivas, per massenhet, som:

Ekvation 1 Ekvation 1

Denna linjära 2: a ordningens differentialekvation har tre parametrar: k - kammar styvhet, c - viskoelasticitet / avslappning och x o - oscillator ursprungliga förskjutning / förspänning. Modellen förutspår att de olika kliniskt observerade diastoliska fyllningsmönster är resultatet av variationen i det numeriska värdet av dessa tre modellparametrar. Baserat på PDF formalism och klassisk mekanik, kan E-vågor klassificeras som bestäms av under-dämpade eller över dämpad regimer rörelse. Ett stort antal studier 21. Förfarandet för extrahering av modellparametrar från kliniskt inspelad E-våg data är detaljerad i metoderna nedan.

Till skillnad från vanliga index av DF i nuvarande klinisk användning, PDF-modellens tre parametrar är orsaksbaserade. Som diskuteras i metoderna nedan kan ytterligare index för diastoliskt fysiologi härledas från dessa grundläggande parametrar och från tillämpningen av PDF formalism aspekter av diastole annat än transmitral flöde. I detta arbete, metoder för PDF-baserade analyser av transmitral flöde och de fysiologiska relationer som kan dras från PDF tillvägagångssätt, dess parametrar och härledda index beskrivs. Dessutom är det visat att PDF-parametrar eller index som härrör från dem kan retaförutom inneboende kammar egenskaper från de externa effekterna av belastning kan ge korrelerar till traditionella invasivt definierade parametrar och kan skilja mellan normala och patologiska grupper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Förfarandet för att förvärva ekokardiografiska bilder och analysera dem för att få PDF-parametrar nedan. Även hjärtkateterisering nämns i ämnet urvalsdelen nedan, den metod som beskrivs gäller bara för ekokardiografisk delen. Beskrivningen av kateterisering delen ingick för oberoende validering av modellbaserade prognoser och har inget samband med analysen av E-vågor via PDF formalism. Innan datainsamling, ger alla ämnen undertecknad informerade samtycke till att delta i studien enligt Institutional Review Board (Human Research Protection Office) vid Washington University School of Medicine.

OBS: Alla program (tillsammans med instruktioner om hur man använder dem) som beskrivs i detta avsnitt kan laddas ner från http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

1 Ämne Selection

OBS: Alla ämnen i Cardiovascular biofysik Laboratory Databas hade samtidig ekokardiografi och hjärtkateterisering utföras och remitterades av sin läkare för diagnostisk hjärtkateterisering. Kriterierna databas integration är: 1) Eftersom inga signifikanta klaff avvikelser, 2) avsaknad av väggrörelse avvikelser eller grenblock på EKG, 3) förekomst av en tillfredsställande ekokardiografisk fönster med klart identifierbar E och A-vågor.

2. ekokardiografisk Datainsamling

  1. Spela in ett komplett 2D / echo-Doppler studie för alla ämnen enligt American Society of ekokardiografi kriterier 16. OBS: De screening ekokardiogram registrerades på en vanlig klinisk kameran av en sonographer. Om så önskas kan ytterligare transtorakal ekokardiografisk registrering utföras för verifiering ändamåls efter en lämplig, high fidelity kateter förs in i LV för att mäta LV hemodynamiken samtidigt.
  2. Bild patienter i ryggläge. I en nonresearch inställning kan standard vänstra lateral positionering användas utan förlust av allmängiltighet av metoden. Skaffa apikala fyra kammar vyer med hjälp av en 2,5 MHz givare, med provvolymen gated på 1,5-5 mm riktade mellan spetsarna mitralisklaffen broschyrer och ortogonala till MV-planet (för att minimera anpassningseffekter som kan ses på färg M-mode Doppler ), väggfiltret satt till 1 (125 Hz) eller 2 (250 Hz), baslinjen justeras för att dra nytta av den fulla höjden på displayen och hastigheten skalan justeras för att utnyttja det dynamiska omfånget av produktionen utan aliasing.
  3. Utför Doppler vävnad avbildning med provvolymen gated vid 2,5 mm och placeras på de laterala och septala potions av annulus mitralis.
  4. Spara dopplerundersökningar i DICOM-format i eko maskinen och spela in på DVD med simultaneously inspelade elektrokardiogram (EKG).

3 Doppler Bildbehandling och Konventionell analys

OBS: Det här avsnittet beskrivs två anpassade MATLAB-program. Det första programmet beskrivs i steg 3.1 och det andra programmet beskrivs i steg från 3,2 till 3,5. Alla program (tillsammans med instruktioner om hur man använder dem) kan laddas ner från http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

  1. Konvertera bilder från DICOM-format och video till bitmap (bmp) filer (med en anpassad MATLAB-program). OBS: Proceduren som beskrivs nedan för att passa Doppler E-vågor och vävnadsdoppler E'-vågor visas i figur 1.
  2. Fyll på bitmap bildfiler på en annan anpassad MATLAB-program för att mäta konventionella transmitral flödesparametrar som E topp, En ​​topp, E dur 'peak, A' peak osv. och beskära bilderna för PDF-analys. Välj bilder med urskiljbara transmitral flöde kontur och fullständig hjärtcykel som anges av EKG för analys.
  3. Mark samplingshastigheten tid (mätt i pixlar / s på den horisontella axeln) och hastighet samplingshastighet (mätt i pixlar / (m / sek) längs den vertikala axeln) i bilderna. Identifiera hela hjärtcykeln genom att notera och märkning på varandra följande R-toppar (eller någon utmärker EKG) på bilden.
  4. Markera transmitral Doppler E och A-våg eller vävnadsdoppler E'- och A'- vågen i den valda hjärtcykeln.
    1. Välj Doppler E-våg toppunkten dvs. E topp, (eller E 'peak) och markera början på den våg använder linjen ansluter topp till start som en guide för att matcha accelerationen sluttningen av E-vågen (eller E'-våg). Starten av den våg används för att beräkna tidsintervallet från början till peak flöde betecknas som E-vågen (eller E'-wave) accelerationstid (AT).
    2. Markera änden av E-vågen (eller E'-vågen) med linje mellan toppen till slutet som en guide för att matcha retardation lutning. Detta används för att beräkna intervallet från topp till baslinjen betecknas som retardationstid (DT). Intervallet från början till slutet av vågen är längden på E-vågen (E dur = AT + DT). Programmet vägleder användaren genom hela processen med lämpliga instruktioner.
  5. Märk A-våg med ett liknande förfarande som det E-vågen. Med både E och A-vågor markerade programmet beräknar E peak / En topp-förhållande.
    OBS: Programmet sparar de markerade vågorna som beskurna bilder som innehåller E och endast A-vågor. Programmet skapar också en datafil med beskärnings och uppmätta parametrar för varje taktslag.

4 Automatiserad Montering av Transmitral Flow Använda PDF Formalism

Den automatiserade montering av Doppler E och A-våg och vävnadsdoppler E'- och A'- våg konturer görs med en anpassad LabView program 18,19.
  1. Ladda den beskurna bilden, och programmet räknar automatiskt den maximala hastigheten kuvertet (MVE). Välj MVE genom att ställa tröskeln så att MVE approximerar transmitral flöde som visas i figur 1. Uppkomsten och uppsägning av de punkter som definierar MVE kan väljas utmed tidsaxeln av operatören så att endast MVE punkter som ger god överensstämmelse till själva utvald del av vågen används som underlag för den efterföljande montering.
  • OBS: De användarvalda MVE punkter är ingången till datorprogram som passar automatiskt PDF-modellen lösningen för hastigheten som funktion av tiden med hjälp av en Levenberg- Marquardt (iterativ) algoritm. Beslaget åstadkommes med kravet på att medelkvadratfelet mellan den kliniska (ingång)data (MVE) och PDF-modellen förutspådde kontur minimeras. Eftersom modellen är linjär, är en unik uppsättning parametrar erhålls för varje Doppler E-wave härledd MVE användas som indata. Således numeriskt unika k, c och x o värden genereras för varje e-wave och k ', c' och x o "för varje E'-våg.
  • I händelse passformen är uppenbarligen suboptimal när passformen överlagras på E-vågen (eller E'-wave) bild (dvs. Algoritmen försökte passa buller ingår i MVE till exempel) modifiera MVE genom att använda mer / mindre poäng, därmed modifierar modellen förutspådde konturen med åtföljande ändring av PDF-parametrar för att uppnå en bättre passform.

    • Spara data när den lämpliga PDF passform har genererats. OBS: Programmet är skrivet för att automatiskt spara data i bilden och textfiler som innehåller PDF-parametrarna ochkonturinformation.
    PDF-parametrarna, som erhölls från det förfarande som beskrivs ovan kan användas för att belysa ny fysiologi och skilja mellan normal och patologisk fysiologi som beskrivs i avsnittet Representativa resultat nedan.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    Doppler vågformer representativa för de fyra olika typer av fyllningsmönster (normal, pseudonormal, fördröjd avslappning, konstriktiv begränsande) med hjälp av metoden beskrivs ovan visas i figur 2. Figur 2A visar det normala mönstret, som i sig självt är omöjlig att skilja från pseudonormal mönster. Figur 2B visar en fördröjd avslappning och Figur 2C visar en sammandragande restriktiv mönster i samband med svår diastolisk dysfunktion. För tydlighetens skull är PDF modell förutspått passar överlagras på bilderna. De konventionella eko parametrar (E topp, en topp, E-våg AT, och E-wave DT) och PDF-parametrar (k, c, x o) är listade nedan varje bild. Som siffrorna visar, passar PDF formalism (förutspår) alla dessa tre fyllningsmönster mycket väl. PDF-parametrarna ger också information om kammar egenskaper. Det dela avslappning mönster (Figur 2B) har oftast högre viskoelasticitet / avslappning PDF parameter c än det normala mönstret (Figur 2A). Constrictive begränsande mönster (figur 2C) har vanligtvis en högre styvhet (PDF parameter k) än det normala mönstret.

    Analys av Doppler E-vågor med hjälp av PDF formalism har använts för att skilja mellan normala och patologiska grupper och att upptäcka nya fysiologi. Nedan listas några utvalda publicerade resultat av PDF formalism baserade DF-analys som syftar till att skilja mellan patologisk och normal fysiologi och utvalda tillämpningar av PDF formalism att belysa ny fysiologi.

    DIABETES

    Metoden har visat att kvantifiera skillnaderna i DF mellan diabetes och åldersmatchade kontrollpersoner. Medan de konventionella index som E-wave retardation tid-DT, E c var signifikant mellan grupperna 22. Dessutom topp atrioventrikulär tryckgradient, som kan beräknas från PDF-parametrarna som kx o 23 var signifikant högre i den diabetiska gruppen. Se även kinematisk fyllning effektivitet, tillämpas på diabetiker nedan.

    HYPERTONI

    Metoden har använts för att analysera transmitral fyllningsmönster i hypertensiva patienter jämfört med kontroller 24. Konventionell Doppler härledda index inte kunde skilja mellan grupper men PDF-parametern c var signifikant högre i hypertensiva försöksgruppen jämfört med nonhypertensive kontroller.

    Kalorimängden BROMSAR HJÄRT AGING >

    Metoden bedömde effekten av kalorirestriktion DF hos människor 25. DF utvärderades hos individer som utövar kalorimängden genom att mäta transmitral flöde och jämföra med åldersmatchade kontroller. DF var signifikant bättre i kalorimängden gruppen som kvantifieras genom högre värde på E / A och högre tidigt fyllning (E-wave) fraktionen. Dessutom PDF-parametern k, representerande LV kammarstyvhet, och c, som representerar viskoelasticitet, var signifikant lägre i kalorirestriktions ämnen. Eftersom E topp var inte signifikant olika mellan de två grupperna, expends kontrollgruppen mer energi för att uppnå samma maximala fyllningshastighet. Detta visade att kalorimängden är associerad med effektivare DF. Dessutom fyllningen hos äldre kalori begränsade ämnen var jämförbar med en yngre normal kohort, vilket tyder på att kalorirestriktion bromsar hjärt åldrande 26.

    _content "> NÄRVARO VS. FRÅNVARO AV mitral ringformig Oscillations

    PDF formalism har också använts för att analysera mitral ringformade oscillationer (MAO) efter den E'-vågen (den E "-våg, E" '-. Vågor, etc.). Denna "ringande" av annulus mitralis har observerats hos människor 20 men karakterisering av närvaro och frånvaro av de efterföljande svängningar saknades. Metoden tillät hypotesen som ska testas att frånvaron av MAO förklaras av ökad viskoelastiska effekter på grund av mindre eller långsammare effektiv avkoppling. Genom att jämföra 35 försökspersoner med MAO till 20 försökspersoner utan MAO, visade det sig att den längsgående styvhet (k ') och den längsgående viskoelasticiteten / avslappning (c') var högre i gruppen utan MAO. Den initiala rekylkraften och den lagrade rekylenergi båda var högre i gruppen med MAO. Dessutom visade det sig att det saknas MAO var koncordant med avkoppling relaterade diastolisk dysfunktion 27. Därav PDF analys av vävnadsdoppler E'- vågor visar att avsaknaden av MAO indikerar avslappning relaterade diastolisk dysfunktion.

    Diastatiska STYVHET FRÅN E-WAVE ANALYS

    Medan lutningen på slut diastoliskt tryck-volymförhållande (EDPVR) ger den välbekanta styvhet baserade index, lutningen (AP / AV-) i diastatiska tryck volym (PV) förhållande (D-PVR) ger in-vivo styvhet avslappnade LV. Ekokardiografisk, (dvs Doppler E-vågen), analys kan ge endast relativ, snarare än absolut information trycket. Följaktligen har det visats att den avslappnade (diastatiskt) styvhet LV kan beräknas direkt från E-våg analys ensam 28. Använda PDF formalism och Bernoullis ekvation tryck och volym vid diastas (slutet av E-vågen) härstammar. Den härledda P, V poäng när passning vialinjär regression generera D-PVR från E-wave-analys (D-PVR E-vågen), vars lutning, diastatiska styvhet K E-våg beräknades. Resultaten gav utmärkt korrelation (R 2 = 0,92) mellan diastatiska styvhet från PDF baserade E-wave analys (K E-vågen) och den samtidiga guldmyntfot mätning av diastatiska styvhet från samtidig PV data (K Cath) i 30 patienter (444 totalt hjärtcykler) med normal LVEF (LVEF> 55%).

    KINEMATISK FYLLNING EFFEKTIVITET INDEX

    Från en kinematisk modellering perspektiv genererar en ökad avslappning / viskositetskonstant c ökad motståndskraft mot fyllning. Därav ett naturligt val för idealiserad ventrikelfyllnad är ett scenario på grund av rekyl bara och fullständig avkoppling, dvs ingen dämpning (c = 0). Den kinematiska påfyllningseffektivitetsindex (KFEI) definierades och härstammar 29 som dimensionslösa förhållandet mellan faktiska volymen angeing vänster kammare (LV) (hastighetstidsintegral [VTI] verkliga E-våg med PDF-parametrar c, k, x o) till den perfekta volymen (VTI ideal E-våg med samma k och x o men utan motstånd fyllning [c = 0]). I 36 patienter med normal kammarfunktion (17 diabetiker och 19 väl matchade nondiabetic kontroller) visades att 30 KFEI av E-vågor i diabetespatienter (49,1 ± 3,3%) var signifikant lägre än hos friska patienter (55,8 ± 3,3%) . Detta innebär att även när LVEF är normalt, fyller effektiviteten nedsatt hos diabetiker jämfört med nondiabetics.

    FYLLNING EFFEKTIVITET försämras MED ÅLDER

    Mot bakgrund av möjligheten för kinematiska fyllning effektivitetsindex (KFEI) 29 för att bedöma fylla i diabetes vs. nondiabetic kontroller, var åldersberoende KFEI bestämd. Det visades att KFEI, minskar i storlekmed ålder och korrelerar starkt med åldern (R2 = 0,80) genom att analysera 72 kontrollpersoner med normal LVEF (LVEF> 55%) och utan kardiovaskulär patologi 30. Åldersberoende andra konventionella parametrar för DF utvärderades också. I överensstämmelse med andra icke-invasiv DF åtgärder som är kända för att minska med åldern, minskar KFEI och korrelerar starkt med åldern (R2 = 0,80). Multivariat analys visade att ålder är den enskilt viktigaste bidragsgivaren till KFEI (p = 0,003).

    LADDA OBEROENDE INDEX ÖVER diastolisk funktion

    E-wave konturer visar beat-för-slag ändras som svar på andning och därmed uppvisa starka lastberoende. Faktiskt alla index i DF är lastberoende. Detta är problematiskt eftersom det väcker frågan om observerade skillnader i DF index är resultatet av belastningsvariation eller ett resultat av inneboende kammarfastighets variation. Teoretisk prognos och experimental validering av ett lastoberoende index för diastolisk funktion (LIIDF) har varit en länge sökt olöst problem i fysiologi / kardiologi. För att ta upp frågan om belastningsberoende, var PDF formalism tillämpas på E-vågor värderade till variabla laster. Genom kinematisk modellering och matematisk härledning, var en lastoberoende index som härleds, som är bevarad mellan E-vågor som uppmäts vid olika belastningar. För varje uppmätt E-våg, PDF-parametrarna k och x o multipliceras för att ge kx o, modellen förutspådde toppkraft värde analog med topp momentana tryckgradienten drivande flöde och PDF-parametern c multipliceras med topphastigheten E topp för att ge ett värde för toppkraft motstår fyllning. Plottning kx o vs. C E topp som ett ordnat par för varje e-vågen genererar ett mycket linjärt förhållande vars (dimensionslös) lutning M är sought efter lastoberoende index och förblir bevarad trots belastningen genererade förändringar i E-vågor.

    För validerings E-vågor som registrerats under belastning varierades via tiltbord (huvudet upp, horisontella, och huvudet ner) i 16 friska frivilliga försökspersoner analyserades. Resultaten 33 gav mycket hög korrelation (R 2 = 0,98) mellan kx o och c E topp som förutspåtts. Förmågan hos M att skilja mellan normala och diastolisk dysfunktion patienter bedömdes också genom analys av samtidiga cath-eko data i diastolisk dysfunktion patienter vs. kontroller. Genomsnittlig M för diastolisk dysfunktion gruppen (M = 0,98 ± 0,07) var betydligt lägre än kontroller (M = 1,17 ± 0,05, P <0,001) 33.

    Figur 1
    Figur 1 Sekvens av operativa åtgärderför montering (A) en E-vågen och (B) ett E'-våg via PDF formalism. A) Från vänster till höger Transmitral flöde bilden beskärs för att få dopplerhastighetsprofil. E-wave maximal hastighet kuvert (MVE) för att vara fit är vald (visas i grönt med tidsfrister i blått). Fel minimerar PDF passning erhålls via Levenberg- Marquardt algoritm som resulterar i PDF-parametrar och ett mått på godhet passar. B) Liknande förfarande för vävnadsdopplerbild. Bild inverteras efter beskärning. Se text för detaljer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    Figur 2
    Figur 2 Tre E-vågmönster med PDF passar. A) Normal / Pseudonormal fyllningsmönster. B) Fördröjd avkoppling mönster. C) Constrictive-begränsande mönster. Se text för detaljer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    I enlighet med vår methodologic fokus är de viktigaste aspekterna av de metoder som underlättar erhålla korrekta och meningsfulla resultat markeras.

    Echocardiography

    American Society of ekokardiografi (ASE) har riktlinjer för utförandet av transthorakal studier 16. Under ett eko tenta, det finns en mängd olika faktorer som påverkar bildkvaliteten. Faktorer som ligger utanför kontrollen av sonografen är: tekniska kapacitet kameran används, hjärtfrekvens, tålmodig kroppshabitus, individuell variation i placering, orientering av anatomiska strukturer samt kvalitet på "echo fönster", med hänvisning till egenskaperna hos ultraljuds överföring i ett givet ämne vävnad. Faktorer som är direkt kontrolleras av sonografen inkluderar maskininställningar, inklusive val av givare. Eftersom trohet av PDF analysen är beroende av eko bild qualhet, bör man under bilden förvärvsprocessen för att uppnå bästa möjliga bilderna.

    För optimal E-våg bildkvalitet för PDF-analys, maximera E-våg storlek i förhållande till skärmen och inställning av svephastighet till 100 mm / sek är önskvärda. Hög svephastighet och använda hela skärmstorleken för att fastställa maximal hastighet skala ger ökad tidsupplösning (dvs fler poäng för att vara fit) längs båda tid och hastighetsaxlar. Baseline filterinställningar kan också vara bättre beslut med högre svep hastigheter. Antalet hjärtcykler inspelade varierar mycket mellan eko labb. För meningsfull PDF analys kontinuerlig inspelning genom flera (3 eller 4) andningscykler är mest önskvärt. Vid en typisk vilopuls på 75 slag / min och 12 andetag / min, 4 andningscykler uppgår till 20 sek i kontinuerlig inspelning som ska ge 25 hjärtcykler. Spela detta antal cykler är motiverat på grund av belastningen varying konsekvens av lugn andning, så att LIIDF kan beräknas om så önskas. Observera att beräkningsvärdena för x o, c och k baserade på 25 slag genomsnittet är ett legitimt sätt att karakterisera diastole. Kan också genereras Last variation under klinisk inspelning av Valsalva eller Mueller manövrar eller genom passiv ben höjd med hjälp av en 30 ° skum kil.

    PDF parameterbestämning

    Algoritmisk DETALJER

    Den Rörelseekvationen för en dämpad harmonisk oscillator och den matematiska lösningen är standard kursinnehåll i ingenjörs matematik, fysik och mekanik 34. Valet av datorspråk (C ++, Fortran, LabView, MATLAB, osv.) Genom vilken den genomförs också efter bedömning av användaren / utredare. Standard numeriska metoder finns och är väl kända 35. Andra grupper har genomfört PDF formalism av writing egen numerisk algoritm och har självständigt replik våra resultat, inklusive numeriska värden för PDF Parametrar 36 i en stor studie med drygt 1000 patienter. Även pågående arbetet ingår att utveckla webbaserade PDF analysverktyg, kan den optimala, bred nå nytta av metoden uppnås bäst genom inkorporering av PDF formalism i den egenutvecklade analyspaket kommersiella ekokardiografiska kameror.

    Operatörsberoende aspekter

    När E-wave bilder har importerats och klippta (se figur 1) fastställande av den maximala hastigheten kuvertet, det vill säga den faktiska uppsättning punkter som lösning av dämpade harmoniska oscillerande hastighet ska passa med den metod, avgörs. Som framgår av den sekvens av paneler och operativa steg i figur 1 och diskuterats ovan är utgångs buller samt ovidkommande brus som påverkar konturen often del av bilden. Operatören kan bestämma kontinuerlig uppsättning punkter för att vara fit, som visas i figur 1, genom att justera läget för de vertikala blå linjer som definierar början och slutet av de punkter som passar. Metoden visar passningen direkt över den importerade bilden och operatören kan enkelt bedöma om den är meningsfull eller inte.

    Pulsen har en effekt på hur länge diastole och funktioner i E-vågen 37, och man måste vara uppmärksam för att tolka resultaten av beslaget algoritmen i samband med patientens hjärtfrekvens. Vid typiska hjärtfrekvens under 80 slag / min, i sinusrytm E-och A-vågor är åtskilda av en kort period av diastas. Detta underlättar införandet av retardationen delen av E-vågen. Som hjärtfrekvenser ökar, minskar diastas och försvinner, eftersom A-våg debut sker innan e-wave uppsägning. Vid snabba hjärtfrekvenser, ovanför 90 slag / min, ligger över A-våg retardationen delen av E-vågoch PDF-analys av E-vågen blir otillförlitligt på grund av det begränsade antalet MVE poäng som att vara vältränad. För meningsfull analys minst halv till 2/3 av den totala retardation E-wave vågform ska vara tillgänglig för montering.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Acknowledgments

    Detta arbete stöddes delvis av Alan A. och Edith L. Wolff Charitable Trust, St Louis, och Barnes-Jewish Hospital Foundation. L. Shmuylovich och E. Ghosh var delvis stöd av Predoctoral gemenskap utmärkelser från Heartland Affiliate av American Heart Association. S. Zhu fått partiellt stöd från Washington University Compton Scholars Program och Konstfack och vetenskaper 'Summer Grundutbildning Research Award. S. Mossahebi fått partiellt stöd från institutionen för fysik.

    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

    Bioteknik kardiovaskulär fysiologi kammar mekanik diastolisk funktion matematisk modellering Doppler ekokardiografi hemodynamik biomekanik
    Kvantifiering av Global diastoliska funktionen av kinematisk modellering baserad Analys av Transmitral Flow via Parametrized diastoliska Filling Formalism
    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