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Medicine

经食管超声心动图在心脏手术中无创地测定涡旋形成时间

Published: November 28, 2018 doi: 10.3791/58374

Summary

我们描述了一个协议来测量涡流形成时间, 左心室充盈效率的指标, 使用标准的经食管超声心动图技术在心脏手术患者。我们应用这项技术来分析不同心脏病变的几组患者的涡旋形成时间。

Abstract

经二尖瓣血流产生三维旋转的流体体, 称为涡环, 与连续线性射流相比, 提高了左心室填充的效率。涡旋环的发展最常用的是涡旋形成时间 (vft), 这是一个基于刚性管的流体喷射的无量纲参数。我们的小组对影响心脏手术期间 lv 灌装效率的因素感兴趣。在本报告中, 我们描述了如何使用标准二维 (2d) 和多普勒经食管超声心动图 (tee), 以非侵入性推导计算 vft 所需的变量。我们计算了心房充盈分数 (β) 的速度-时间积分的反二尖瓣早期 lv 充盈和心房收缩血流速度波形测量在中食管四室 tee 视图。行程体积 (sv) 计算为 lv 流出轨迹直径的乘积, 在中食管长轴 tee 视图中测量, 并在深经胃视图中使用脉冲波确定的流出轨迹的血流速度-时间积分多 普 勒。最后, 确定二尖瓣直径 (d) 为分别在正交食管中双轴和长轴成像平面上测量的主轴长度和小轴长度的平均值。然后将 vft 计算为 4x (1-β) xsv/(d 3)。我们已经使用这种技术来分析 vft 的几个组不同的心脏异常患者。我们讨论了我们在这一技术上的应用及其潜在的局限性, 并回顾了我们迄今的结果。在接受心脏手术的麻醉病人中, 使用 tee 进行 vft 无创测量是很简单的。该技术可以让心脏麻醉师和外科医生实时评估病理条件和手术干预对 lv 灌装效率的影响。

Introduction

流体力学是左心室 (lv) 充盈的一个关键但往往不被重视的决定因素。当流体穿过孔 123时, 就会产生一个三维旋转的流体体, 称为涡旋环.与连续线性射流4相比, 该涡流环提高了流体输运效率。在早期 lv 灌装过程中, 血液通过二尖瓣的运动会导致涡环形成5678, 并通过保持流体动量和动能9。这些行动提高了 lv 灌装效率410111213。环不仅抑制血流停滞在 lv先端 14,15,16, 17, 但也引导流动优先下的前二尖瓣小叶7,18、分别降低顶部血栓形成风险、促进 lv 流出轨道19的充填效果。对比超声心动图17, 多普勒矢量血流映射6,20, 21, 磁共振成像7, 和粒子成像测速9,22 23,24已被用来证明在正常和病理条件下反二尖瓣涡旋环的外观和行为。左心房-lv 压力梯度、舒张二尖瓣环状偏移程度、舒张期最小 lv 压力以及 lv 松弛的速率和程度是决定其持续时间、大小、流量强度和位置的四个主要因素。反二尖瓣环2,12,25,26,27, 28, 29.

涡旋环发育最常用的量化与无量纲参数 (涡旋形成时间;vft) 基于刚性管3的流体喷射, 其中 vft 被定义为时间平均流体速度和喷射持续时间除以孔直径的乘积。当 vft 在体外为4时, 涡旋环的最佳尺寸是由, 因为尾随射流和能量限制使其无法达到较大的大小3,4。二尖瓣 vft 已近似临床使用经胸超声心动图8,30,31。基于对反式二尖瓣血流速度和二尖瓣直径 (d) 的分析, 可以很容易地显示8 , vft = 4x (1-β) xefxxxxα3, 其中β = 心房充盈分数, ef = lv 射血分数, 和α= edv \/d, 其中 edv =终末期舒张量。弹射分数是行程体积 (sv) 和 edv 的比率, 允许将该方程简化为 vft = 4x (1-β) xsv2 (d3)。由于 vft 是无量纲的 (体积/体积), 因此该指数允许在不调整体重或体表面积8的情况下直接比较不同大小的患者。在健康受试者8中, 最佳 vft 范围在3.3 到5.5 之间, 结果与流体动力学模型3,32中获得的结果一致。vft 在抑郁的 lv 收缩期功能患者中被证明是≤2.0, 这一发现也得到了理论预测8的支持.vft 的减少独立预测心力衰竭患者的发病率和死亡率30。lv 后负荷升高33, 阿尔茨海默氏症34, 舒张功能异常 19, 用假体35取代原生二尖瓣也被证明可以降低 vft。vft 的测量也可用于识别急性心肌梗死患者的血流淤积或血栓形成 36,37.

我们的小组对影响心脏手术期间 lv 灌装效率的因素感兴趣38,39,40,41。我们使用标准的二维和多普勒食管超声心动图 (tee), 非侵入性地推导出计算 vft 所需的变量。在本报告中, 我们详细介绍了这一方法, 并回顾了我们迄今的调查结果。

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Protocol

克莱门特·扎布洛基退伍军人事务医疗中心机构审查委员会批准了这些协议。由于在我们机构接受心脏手术的所有患者中, 通常都会使用侵入性心脏监测和 tee, 因此放弃了书面知情同意。对 tee 有相对或绝对禁忌症的患者、正在接受重复中位胸骨切开术或急诊手术的患者以及有心房或室性心律失常的患者被排除在参与之外。

1. 麻醉

  1. 为每位患者提供静脉注射咪唑安定 (1 至3毫克) 和芬太尼 (50 至150微克), 以便在手术前进行有意识的镇静。
  2. 使用局部麻醉 (皮下1% 利多卡因) 插入静脉和径向动脉导管。用针刺测试局部麻醉的质量。
  3. 确保患者使用鼻腔插管 (2 至 4 lmmin) 获得补充氧气。
  4. 在无菌条件下, 通过右或左颈内静脉, 在适当临床适应症的超声指导下, 使用局部麻醉 (皮下1% 利多卡因) 放置中心静脉或肺动脉导管。
  5. 使用静脉注射芬太尼 (5 mcgkg)、异丙酚 (1 至 2mgskg) 和罗库溴铵 (0.1 mg kg) 进行麻醉。在空气-氧混合物、芬太尼 (1 至 2μgg h) 和滴定的 rocuronium (0.05 mg kg) 中使用吸入的异氟醚 (潮末浓度为 1%) 保持麻醉, 以使用神经肌肉监测生效。
  6. 用胃管吸胃。
  7. 将超声波果冻放在患者的下咽中。前抬起下颌, 用温和的压力将 tee 探针推进食道, 以克服低刺肌的抵抗力。

2. 经食管超声心动图

  1. 根据美国超声心动图学会心血管麻醉师指南42对每个患者进行全面的 tee 检查。
  2. 在二尖瓣的尖端之间放置一个脉冲波多普勒样本量, 以记录中食管四室 tee 成像平面中的反二尖瓣血流速度 (图 1)。
  3. 识别经二尖瓣血流速度的早期 lv 充盈和心房收缩血流波形, 并使用 超声心动图设备的集成软件包 (图 1)。
  4. 计算心房充盈分数 (β) 为心房与总 lv 填充的比率:
    Equation 1
  5. 测量收缩期中段主动脉瓣长轴主动脉瓣正下方的 lv 流出道的最大直径 (图 2a)。
  6. 计算 lv 流出道的面积, 假设圆形几何为/4 的乘积和直径的平方 (见上面的步骤 2.5)。
  7. 获得深经胃长轴 tee 视图, 并在 lv 流出道远端放置一个脉冲波多普勒样本体积, 以记录与测量直径相同水平的血流速度包络 (图 2b) (见上文步骤 2.5);利用超声心动图设备的软件包集成该波形的面积, 以获得 vti。
  8. 将 lv 流出轨迹的所产生的速度时间积分 (vti) 乘以流出轨迹的区域 (图 2b), 以获得行程体积 (sv)。
  9. 记录食管中双轴和 lv 长轴 tee 成像平面的视频剪辑, 分别为 42。请务必在每次录制中包括几个心脏周期。
  10. 目视检查慢动作图像的视频剪辑 (见步骤2.9 上文) 后, 心电图 t 波选择二尖瓣小叶的最大开口。
  11. 使用超声心动图设备的 "卡尺" 功能测量二尖瓣 (图 3a3A) 之间的距离。
  12. 计算二尖瓣直径 (d) 为主要 (经共体前-后部-内侧) 和次要 (前后) 长度的平均值。
  13. 使用公式计算 vft:
    Equation 2
  14. 在结束时进行所有定量超声心动图测量, 一式三份。

3. 实验设计

  1. 确定10例冠状动脉下正常术前 lv 射血分数患者的 vft、左旋舒张功能指标和稳态情况下血流动力学, 前30分钟和体外循环 (cpb) 后15、30和60分钟手术来检验 cpb 瞬时降低 vft 39 的假设
  2. 测试主动脉瓣狭窄产生的 lv 压力过载肥大减少 vft 的假设, 方法是检查 (在一组8例接受主动脉瓣置换术的患者中) 严重主动脉狭窄, 并将观察结果与另一组8人进行比较经冠状动脉手术治疗的 lv 壁厚正常 40例。在 cpb 前30分钟的稳态条件下测量 vft、lv 舒张功能、血流动力学和舒张终壁厚度。
  3. 试验8例主动脉瓣狭窄和中度主动脉功能不全患者中进入 lv 的舒张血流量异常对经二尖瓣 lv 充盈效率的假设, 而8例主动脉狭窄患者没有返流瓣膜38. 测量 vft 和上述其他参数 (步骤 3.2)。
  4. 测试老年与7只八旬老人 (82±2岁) 使用 vft 量化的 lv 灌装效率下降的假设, 而在7个年轻患者 (55±6岁) 中接受冠状动脉手术的情况是 41年。确保两组患者术前都有正常的 lv 射血分数。测量 vft 和上述其他参数 (步骤 3.2)。

4. 统计

  1. 将数据显示为平均值±标准偏差。
  2. 使用方差分析 (anova) 评估数据, 然后使用邦费罗尼修改学生的t测试。
  3. 采用线性回归分析确定 vft 与舒张终后壁厚度之间以及 vft 与年龄之间的关系。
  4. 当 p & lt; 0.05 时拒绝零假设。

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Representative Results

目前的技术使我们能够在各种临床条件下可靠地测量心脏手术期间的 vft, 方法是从标准 tee 成像平面上的血流和尺寸记录中获得每个决定因素。在食管中段四室视图的二尖瓣小叶尖端放置脉冲波多普勒样本体积, 得到计算心房充盈分数所需的反式二尖瓣血流速度剖面 (β;图 1)。行程体积是使用连续性方程 (lv 流出轨迹的速度时间积分, 血流速度波形乘以流出轨迹的面积) 确定的, lv 流出轨迹直径是在中道 lv 长轴视图中测量的 (图 2a), 而通过流出道的血液流动是在深胃经胃短轴成像平面 (图 2A) 中确定的。最后, 将二尖瓣平均直径计算为在食管中双轴和 lv 长轴平面测量的主要轴和小轴直径的平均值 (分别为图 3 a 和 3A)。vft 的测量与观察者内部和观察者之间的变异性分别为5% 和7% 有关, 类似于使用 tee 测量的其他维度和血流指数 (未显示数据)。利用这种技术, 我们首先表明, 暴露在 cpb 减少 vft (5.3±1.8 之前与4.4±1.5 在旁路后 15分钟, p & lt; 0.05; 图 4)在接受冠状动脉手术的病人中vft 在 cpb 后60分钟内恢复到基线值。β的增加 (0.33±0.04 前与 0.41±0.07 在 cpb 后15分钟的增加, p & lt; 0.05) 与对 lv 灌装的心房贡献大是导致 vft 下降的主要原因, 因为 sv 和二尖瓣直径保持不变。

我们还发现, 与正常 lv 壁厚 (分别为 3.0±0.6 vs. 4.3±0.5; p & lt; 0.05; 图 5)。早期 lv 灌装被衰减 (例如, e/a, 0.77±0.11 与 1.23±0.13; β, 0.43±0.09 相比, 0.35±0.02; p & lt; 0.05), 在与无 lv 高压的患者, sv 减少 (72±12 ml, p & lt; 0.05)奥皮;然而, 二尖瓣直径在组之间是相似的。线性回归分析 (vft =-2.57xpwt + 6.81; r = 0.408; p = 0.017) 显示 vft 与后壁厚度 (pwt) 之间存在显著的负相关关系。此外, 我们使用该技术的结果表明, 与没有中度主动脉功能不全相比, 严重主动脉瓣狭窄患者的 vft 增加了 vft (分别为 5.7±1.7; 3.0 ±0.6; p & lt; 0.05;图 5)二尖瓣直径下降 (分别为2.2±0.2 对2.6±0.1 厘米; p & lt; 0.05), 而两组间的 lv 舒张功能障碍和 sv 指数相似. 最后, 我们能够使用我们的 vft 测量技术, 以表明 vft 在八旬老人中低于年轻患者 (3.0±0.9 vs 4.5±1.2 ; p & lt; 0.05) 伴随 lv 舒张功能障碍的松弛模式 (例如.. e/a 为 0.81±0.16 vs .1.29±0.19;β值为0.44±0.05 与 0.35±0.03, p & lt; 0.05 为). vft 与年龄之间的显著负相关 (vft =-0.0627xgd + 8.24; r = 0.0627; p = 0.0139;图 6)。

Figure 1
图 1: 经二尖瓣血流速度波形.在食管中四室 tee 视图 (图像左侧) 中获得的早期 lv 充盈 (e) 和心房收缩 (a) 中的二尖瓣血流速度波形;利用设备的软件对每个包络的面积进行了集成, 得到了速度-时间积分 (图像右侧), 并计算了心房填充分数 (β)。在本例中, β= 4.28 cm/(4.28 厘米 + 6.73 厘米) = 0.39 (见文本)。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: lv 流出轨迹直径的测量.主动脉瓣长轴 tee 视图 (a) (直径= 2.23 厘米) 中收缩期 lv 流出轨迹直径的测量;(b) 使用深胃长轴 tee 视图测量远端 lv 流出轨迹中的血流速度, 并使用设备软件集成产生的包络面积 (面板 b 的左侧), 以获得速度时间积分 (白色箭头, 面板 b 的右侧)。在本例中, 笔画体积 =/4x (2.23 厘米 ) 2x19.8 cm = 77 毫升 (见文本)。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: 平均二尖瓣直径计算为在食管中双轴和 lv 长轴平面测量的主要轴和小轴直径的平均值.食管中二元通道 (a) 和 lv 流出道 (b) tee 图像分别用于确定主 (经皮前-后-内内侧内侧) 和小 (前后) 轴直径。在本例中, 二尖瓣直径 = (3.04 厘米 + 2.18 cm)/2 = 2.18 厘米。这一数字是经 elsevier38允许转载的。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4: vft 中的时间变化.冠状动脉手术患者体外循环 (cpb) 前后15、30和 60分钟 vft 的时间变化;* 表示与 "cpb 前" 测量值有显著差异 (p & lt; 0.05)。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 5
图 5: 在接受主动脉瓣置换术的患者中, 由于主动脉瓣狭窄而导致的 lv 压力过载肥大的影响.接受冠状动脉手术的 lv 壁厚正常的患者起到对照组 (正常) 的作用。* 明显 (p & lt; 0.05) 与正常不同;·明显 (p & lt; 0.05) 与正常和超营养的 ai 不同。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 6
图 6:14 例冠状动脉手术患者年龄与 vft 的相关性.vft =-0.0627x27 x 年龄 + 8.24;r = 0.639;p = 0.0139。请点击这里查看此图的较大版本.

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Discussion

目前的结果表明, vft 可以可靠地测量心脏手术期间使用这里描述的 tee 技术。以前对 vft 的描述在有意识的受试者中使用了经胸超声心动图, 但当胸部打开时, 这种方法无法使用。我们使用术中 tee 来确定心脏手术麻醉患者的 vft, 在此期间, 由于缺血再灌注损伤或手术干预, lv 充盈动力学的变化经常会发生。我们的研究结果表明, vft 测量反映了瞬态 cb 诱导的松弛型舒张功能障碍、主动脉瓣疾病和衰老所产生的 lv 填充效率的变化。目前在心脏手术中计算 vft 的技术需要在稳态血流动力学条件下提供高质量的 tee 图像和视频剪辑, 以确保精确测量二尖瓣和 lv 流出道尺寸和血液流动 (图 1图 2图 3)。并非所有患者都会有最佳的成像窗口, 因为心脏的离轴旋转或心脏几何的病理变化。尽管有这些潜在的局限性, 有经验的术中超声心动图医生应该能够很容易地获得必要的中食管四室, 中食管双管, 中食管 lv 长轴, 和深胃长轴意见在全面 tee 考试42。当存在快速变化的血流动力学条件时, 该技术也可能不可靠。它不提供与涡流相关的 lv 内血液流动运动的直接可视化, 如以前使用多普勒矢量血流映射62021或粒子成像测速所描述的那样9,22,23,24. 使用二维超声心动图准确测量低压流出轨道直径特别重要, 因为在计算面积时, 这个变量是平方的, 因此误差会被放大。同样, 准确测量二尖瓣小轴和主轴长度也是必不可少的, 因为这两个维度的平均值的立方体出现在 vft 公式的分母中。二维超声心动图一直低估主动脉和二尖瓣区域与三维重建技术43,44。这些二维和三维 tee 差异对 vft 的影响是我们小组目前研究的一个领域。

此外, 异氟醚用于维持麻醉在我们的研究。这种挥发性麻醉剂是一种血管舒张阴性的内紧剂, 可减少 lv 预紧和后负荷, 降低心肌收缩力, 并以剂量相关的方式影响 lv 舒张功能45,46。这些心血管变化可能影响了我们研究中的心房充盈分数和中风体积。然而, 在 cpb 前接受冠状动脉手术的正常术前 lv 射血分数麻醉患者中, vft 的值与健康意识受试者8所描述的相似。这些数据表明, 基线麻醉并没有实质性地改变 lv 灌装效率, 但我们目前正在研究这一假设。vft 先前已被证明是充血性心力衰竭患者死亡的独立预测指标, 但目前尚不清楚 vft 术中的变化是否能预测心脏手术围手术期的发病率或死亡率患者。这个话题也是我们正在积极追求的一个感兴趣的领域。

我们首先使用这种非侵入性计算 vft 的技术, 在研究 cpb 对 vft 的影响异氟醚-芬妥必要麻醉患者正常术前 lv 射血分数行冠状动脉手术39。由于全球缺血再灌注损伤和深刻的全身炎症反应 47, 48, 49,外循环后发生 lv舒张功能障碍.根据 cpb50期间心肌保护的效果, 这种舒张功能障碍最终在几分钟到几小时内恢复。事实上, 我们的发现证实, lv 舒张功能障碍发生在 cpb 之后。在产生这种影响的同时, vft 也会暂时减少, 而 vft 在与 cpb 分离后一小时内恢复。由于二尖瓣直径不变, vft 的下降是由于β的增加和 sv 的适度下降造成的。cpb 后 vft、β、e/a 和 sv 的回收率相似。值得注意的是, 在健康人群中, vft 在这里观察到的含量并没有低于 vft 的正常范围 (3.3 至 5.5)。我们的患者术前 lv 收缩和舒张功能正常, 暴露在相对较短的 cpb 时间 (93±27分钟), 并定期接受常规剂量的前路和逆行性心绞痛治疗。这些因素可能结合在一起, 减少缺血再灌注损伤在主动脉交叉夹应用39。cpb 还被证明会导致经二尖瓣血流传播速度 (vp) 的短暂下降, 与冠状动脉手术49患者早期 lv 填充衰减的减少一致 , 原因是 lv 依从性降低51和早期舒张室内压力梯度降低 52。此前已经证明了涡旋环形成与 vp 之间的关系是53, 我们的发现支持了其他研究人员在类似患者群体中的 49

随后, 我们研究了严重的钙化退行性主动脉瓣狭窄引起的压力过载 lv 肥大对保留性 lv 收缩功能患者在主动脉瓣置换40的影响.第二组接受冠状动脉手术的 lv 壁厚正常患者作为对照组。在主动脉瓣狭窄54的情况下, 长期升高的 lv 终期收缩壁应力会导致 lv 压力过载肥大作为补偿反应.lv 壁增厚没有扩张发生的结果是单个肌细胞直径的增加。这种 lv 重塑与间质纤维化55,56有关。在顶部后坐力57,58也发生进一步减弱早期 lv 填充58,59, 这导致 lv 舒张功能障碍延迟 lv 松弛和降低 lv 依从性55,60. 因此, 与正常 lv 壁厚的患者相比, lv 压力过载肥大患者延迟松弛的情况下, vft 会减少。我们的发现归因于β的增加和 sv 在类似的填充压力下的下降, 与 lv 依从性的下降一致。利用线性回归分析显示了 vft 的下降与肥大严重程度之间的显著相关性。这一观察表明, 压力过载肥大的程度与利用涡流形成时间量化的 lv 灌装效率成反比。

瓣膜功能不全往往与严重的钙化退行性主动脉瓣狭窄有关, 因为突出的小叶钙化可以防止完全合并。我们进行了另一项调查, 以确定通过不称职的主动脉瓣进入 lv 的返流血液是否通过干扰反二尖瓣血流38影响 lv 充盈效率.我们将严重主动脉瓣狭窄的患者进行瓣膜置换术, 其中有中度中央定向主动脉功能不全, 与第二组没有返流的患者进行了比较。我们用彩色多普勒 m 型超声心动图测量主动脉功能不全进行了量化.我们的结果表明, 中度主动脉功能不全增加 vft 的患者主动脉瓣狭窄。然而, vft 的增加并不表明 lv 灌装效率的提高已经发生, 因为异常的回流通过主动脉瓣流入 lv。lv 舒张压在中度至重度主动脉功能不全62 迅速增加, 减弱经二尖瓣 lv 充盈和减少二尖瓣面积63,64,65。结果表明, 中度主动脉功能不全患者与无返流患者相比, 二尖瓣直径和面积降低. 这些观察最可能是由于小轴长度的减少, 由于在 lv 充盈过程中主动脉返流引起的二尖瓣前叶开口衰减, 从而错误地升高了 vft。事实上, 我们的研究报告的 vft (5.7±1.7) 在健康意识个体8和正常 lv 几何 (4.4±0.5) 40 患者中大于正常 vft 上限 (5.5).因此, 异常舒张流进入 lv 很有可能使 vft 作为 lv 灌装效率的指标失效。

本文最近研究了老年冠状动脉手术41患者的老年 vtf 对 vtf 的影响。进步 lv 舒张僵硬66, 减少脑室内舒张动能67, 减毒舒张吸力 68导致 lv 舒张功能在老年人 69,70 ,71,72。比较了正常术前 lv 排斥的八旬老人与较年轻的一组患者 (≤ 62岁)。我们发现, 与年轻患者相比, 八旬老人的 vft 较低。这些观察是预期的, 并发生与 lv 舒张功能障碍的放松模式和在类似的 lv 填充压力下 sv 略有减少。八旬老人年轻患者的二尖瓣直径相似, 且不导致两组 vft 的差异。值得注意的是, 八旬老人的 vft 与严重主动脉瓣狭窄的患者相似, 我们之前报告的是 38,40。事实上, 主动脉狭窄是另一种条件, 其特点是放松障碍 lv 舒张功能障碍和减少 lv 依从性。尽管样本量较小 (n = 每组 7), 但 vft 与年龄之间的显著负相关也表现为显著的负相关;图 6)。随着年龄的发展, vft 的下降最终可能与限制性舒张功能障碍19或扩张型心肌病8等病理过程产生的心力衰竭无法区分.我们的结果与老年低 lv 功能67患者早期舒张期脑室内动能的减少是一致的。

总之, 在接受心脏手术的麻醉病人中, 使用标准二维和多普勒 tee 对 vft 进行无创测量是很简单的。这项技术可以让心脏麻醉师和外科医生实时评估病理条件和手术干预对 lv 灌装效率的影响。

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Disclosures

根据这项工作, 提交人没有相互竞争的经济利益或其他利益冲突。

Acknowledgments

这些材料是在威斯康星州密尔沃基克莱门特·扎布洛基退伍军人事务中心开展的工作和使用这些设施的结果。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Echocardiography Machine Philips Ultrasound, Bothall, WA iE33
Transesophageal Echocardiography Probe Philips Ultrasound, Bothall, WA X7-2t
Statistical Software AnalystSoft, Walnut, CA StatPlus:mac Pro

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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