Waiting
Login processing...

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

Medicine

Icke-invasiv bestämning av Vortex bildandet tid använda Transesophageal ekokardiografi under hjärtkirurgi

Published: November 28, 2018 doi: 10.3791/58374

Summary

Här beskriver vi ett protokoll för att mäta vortex bildandet tid, ett index över vänster ventrikulära fyllning effektivitet, med standard transesophageal ekokardiografi tekniker hos patienter som genomgår hjärtkirurgi. Vi tillämpar denna teknik för att analysera vortex bildandet tid i flera grupper av patienter med olika hjärt sjukdomar.

Abstract

Trans-mitral blodflödet producerar en tredimensionell roterande kropp av vätska, kallas en vortex ring, som förbättrar effektiviteten av vänsterkammardysfunktion (LV) fylla jämfört med en kontinuerlig linjär jet. Vortex ring utveckling kvantifieras ofta med vortex bildandet tid (VFT), en dimensionslös parameter som baseras på flytande utmatning från en styv slang. Vår grupp är intresserad av faktorer som påverkar LV fylla effektivitet under hjärtkirurgi. I den här rapporten beskriver vi hur du använder standard tvådimensionell (2D) och Doppler transesophageal ekokardiografi (TEE) att noninvasivt härleda variablerna som behövs för att beräkna VFT. Vi beräknar förmaksflimmer fyllning bråkdel (β) från velocity-tid integraler av trans-mitral tidiga LV fyllning och förmaksflimmer systole blod flöde hastighet vågformer mätt i mitten av-esofagus fyra kammare TEE vyn. Slagvolym (SV) beräknas som produkten av diametern på LV utflöde banan mätt i vyn mid-esofagus långa axeln TEE och velocity-tidsintegralen av blodflödet genom utflöde spår bestäms i vyn djupa transgastriskt med puls-wave Doppler. Slutligen, mitralisklaffstenos diameter (D) bestäms som ett genomsnitt av större och mindre axis längder mäts i ortogonala mid-esofagus bicommissural och långa axeln imaging plan, respektive. VFT beräknas sedan som 4 × (1-β) × SV / (πD3). Vi har använt denna teknik för att analysera VFT i flera grupper av patienter med olika hjärt avvikelser. Vi diskuterar vår applikation av denna teknik och dess potentiella begränsningar och även granska våra resultat hittills. Icke-invasiv mätning av VFT använder TEE är okomplicerat sövda patienter som genomgår hjärtkirurgi. Tekniken kan tillåta hjärt narkosläkare och kirurger att bedöma effekterna av sjukdomstillstånd och kirurgiska ingrepp på LV fylla effektivitet i realtid.

Introduction

Strömningslära är en kritisk men ofta underskattad faktor av vänster kammare (LV) fyllning. En tredimensionell roterande kropp av vätska, kallas en vortex ring, genereras när en vätska korsar en öppning1,2,3. Denna vortex ring förbättrar effektiviteten i vätsketransport jämfört med en kontinuerlig linjär jet4. Förflyttning av blod genom mitralklaffen under tidiga LV fyllning orsakar en vortex ring att bilda5,6,7,8 och underlättar dess förökning in i kammaren genom att bevara flytande fart och kinetisk energi9. Dessa åtgärder förbättra LV fylla effektivitet4,10,11,12,13. Ringen inte bara hämmar blod flöde Stas i LV apex14,15,16,17 men också styr flödet företrädesvis under den främre mitral bipacksedel7, 18, effekter som minskar risken för apikala tromb bildning och underlätta fyllning av LV utflödet spåra19, respektive. Kontrast ekokardiografi17, Doppler vektor flöde mappning6,20,21, magnetisk resonanstomografi7och partikel imaging Velocimetri9,22 ,23,24 har använts för att demonstrera utseendet och beteendet för trans-mitral vortex ringar under normala och patologiska förhållanden. Vänster förmak-LV tryckgradienten, graden av diastoliskt mitral ringformig utflykt, det lägsta LV-trycket uppnåtts under diastole, och hastigheten och omfattningen av LV avkoppling är de fyra viktigaste faktorerna för varaktighet, storlek, flöde intensitet och position trans-mitral ring2,12,25,26,27,28,29.

Vortex ring utveckling kvantifieras ofta med en dimensionslös parameter (vortex bildandet tid; VFT) baserat på flytande utmatning från en styv tube3, där VFT definieras som produkten av tid-genomsnitt vätska hastigheten och varaktigheten av utskjutningen dividerat med strypfläns diameter. Den optimala storleken av en vortex ring uppnås när VFT är 4 i vitro eftersom trailing jets och energisk begränsningar hindra den från att uppnå en större storlek3,4. Mitralisklaffstenos VFT har varit approximeras kliniskt använder transtorakal ekokardiografi8,30,31. Baserat på analys av trans-mitral blod strömningshastighet och mitralisklaffstenos diameter (D), kan man enkelt visat8 att VFT = 4 × (1-β) × EF × α3, där β = förmaksflimmer fyllning bråkdel, EF = LV ejektionsfraktion och α = EDV1/3/d, där EDV = slutet-diastoliskt volym. Ejektionsfraktion är förhållandet mellan Slagvolym (SV) och EDV, tillåter denna ekvation förenklas till VFT = 4 × (1-β) × SV / (πD3). Eftersom VFT är dimensionslös (volym/volym), gör detta index direkt jämförelse mellan patienter med varierande storlek utan justering för vikt och yta8. Optimal VFT varierar mellan 3,3 och 5.5 i friska försökspersoner8och resultat överensstämmer med dem som erhålls i fluiddynamik modeller3,32. VFT visade sig vara ≤ 2.0 hos patienter med deprimerad LV systolisk funktion, fynd som också stöds av teoretiska förutsägelser8. Minskningar i VFT förutspådde självständigt sjuklighet och dödlighet hos patienter med hjärtsvikt30. Förhöjd LV afterload33Alzheimers sjukdom34, onormal diastoliska funktion19och byte av infödda mitralklaffen med en protes35 har också visat sig minska VFT. Mätning av VFT kan också vara användbart för att identifiera blod flöde stasis eller blodpropp hos patienter med akut hjärtinfarkt36,37.

Vår grupp är intresserad av faktorer som påverkar LV fylla effektivitet under hjärtkirurgi38,39,40,41. Vi använder standard tvådimensionell och Doppler transesophageal ekokardiografi (TEE) att noninvasivt härleda de variabler som krävs för att beräkna VFT. I detta betänkande, vi beskriva denna metod i detalj och granska våra resultat hittills.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Den institutionella Review Board av de Clement J. Zablocki Veterans Affairs Medical Center godkända protokollen. Skriftligt informerat samtycke avfärdades eftersom invasiva kardiella övervakning och TEE används rutinmässigt för alla patienter som genomgår hjärtkirurgi i vår institution. Patienter med relativa eller absoluta kontraindikationer för TEE, som genomgår upprepade median sternotomi eller akut kirurgi och de med förmaksflimmer eller ventrikulär takyarytmi exkluderades från deltagande.

1. anestesi

  1. Ge varje patient intravenöst midazolam (1-3 mg) och fentanyl (50 till 150 µg) för sedering före operation.
  2. Använda lokalbedövning (subkutan 1% lidokain) för införande av intravenös och radiala artären katetrar. Testa kvaliteten på den lokal anestesi med ett nålstick.
  3. Se till att patienten får syrgas med en näsgrimma (2 till 4 L/min).
  4. Placera en central venös eller lungartären kateter med lokalbedövning (subkutan 1% lidokain) under sterila förhållanden genom höger eller vänster inre halsvenen med ultraljud vägledning baserat på lämpliga kliniska indikationer.
  5. Inducera anestesi med intravenös fentanyl (5 mikrogram/kg), propofol (1 till 2 mg/kg) och rokuronium (0,1 mg/kg). Underhålla anestesi med inhalerade isofluran (end-tidal koncentration av 1%) i en blandning av luft och syre, fentanyl (1 till 2 µg/kg/h), och rokuronium (0,05 mg/kg) titreras till effekt med neuromuskulär kontroll.
  6. Sug magen med en oral-gastric röret.
  7. Placera ultraljud gelé i patientens hypofarynx. Lyft käken anteriorly och avancera en TEE sond i matstrupen med lätt tryck att övervinna motstånd av hypopharygeus muskeln.

2. Transesophageal ekokardiografi

  1. Utföra en omfattande TEE undersökning efter amerikanska samhället av ekokardiografi och samhälle av kardiovaskulära narkosläkare riktlinjer42 hos varje patient.
  2. Placera en puls-våg Doppler provvolymen mellan tips av mitral flygbladen till rekord trans-mitral blod strömningshastighet i mitten av-esofagus fyra kammare TEE imaging planet (figur 1).
  3. Identifiera tidiga LV fyllning och förmaksflimmer systole blod flöde vågformer av trans-mitral blod strömningshastighet och mäta deras motsvarande maximala hastigheter och hastighet-tid integraler (VTIE och VTIA, respektive) använder den ekokardiografi Equipments integrerat programpaket (figur 1).
  4. Beräkna andelen förmaksflimmer fyllning (β) som förhållandet mellan förmaksflimmer till totala LV fyllning:
    Equation 1
  5. Mäta maximal diameter av LV utflöde tarmkanalen omedelbart nedanför aortaklaffen i mitten av-esofagus aortaklaffen längdriktning TEE view under mitten av systole (figur 2A).
  6. Beräkna område av LV utflöde tarmkanalen förutsatt att cirkulär geometri som produkten av π/4 och torget i diameter (se steg 2.5 ovan).
  7. Få en djup transgastriskt långa axeln TEE view och placera en puls-våg Doppler provvolymen i distala LV utflöde tarmkanalen att spela in ett blod flöde hastighet kuvert (figur 2B) på samma nivå där diameter mättes (se steg 2.5 ovan); integrera området i denna vågform med ekokardiografi utrustningens programpaket få VTI.
  8. Multiplicera den resulterande velocity-tid integralen (VTI) av LV utflöde spår blod flöde hastighet vågformen (figur 2B) av området av utflödet spåra (se steg 2,6) för att få Slagvolym (SV).
  9. Spela in videoklipp av mid-esofagus bicommissural och LV långa axeln TEE imaging plan, respektive42. Glöm inte att inkludera flera hjärt cykler i varje inspelning.
  10. Inspektera visuellt slowmotion-bilder på videoklipp (se steg 2.9 ovan) efter ECG ten-wave att välja maximal öppnandet av mitral ventilen broschyrer.
  11. Mät avståndet mellan mitral flygbladen (siffror 3A och 3B) med ekokardiografi utrustningens ”krumcirkel”-funktionen.
  12. Beräkna mitralisklaffstenos diameter (D) som ett genomsnitt av major (transcommissural främre-lateral-posterior-medial) och mindre (anterior-posterior) längder.
  13. Beräkna VFT med hjälp av formeln:
    Equation 2
  14. Utför alla kvantitativa ekokardiografiska mätningar i tre exemplar på slutet-förfallodagen.

3. experimentell Design

  1. Bestämma VFT, index för LV diastolisk funktion, och hemodynamiken under steady-state-förhållanden 30 minuter före och 15, 30 och 60 minuter efter hjärt bypass (CPB) av 10 patienter med normal preoperativ LV ejektionsfraktion under kranskärl kirurgi att testa hypotesen att CPB normalnivå minskar VFT39.
  2. Testa hypotesen att LV tryck-overload hypertrofi produceras av aortaklaffen stenos minskar VFT genom att undersöka (i en grupp av 8 patienter som genomgår aortaklaffen ersättning) för svår aortastenos och jämföra yttrande till en annan grupp 8 patienter med normal LV väggtjocklek som genomgick koronar kirurgi40. Mäta VFT, LV diastolisk funktion, hemodynamik och slutet-diastoliskt bakre väggtjocklek under steady-state-förhållanden 30 minuter innan CPB.
  3. Testa hypotesen att onormala diastoliska flödet in LV påverkar trans-mitral LV fylla effektivitet hos 8 patienter med aortaklaffen stenos och måttlig aorta insufficiens kontra 8 patienter med aortastenos som inte har regurgitant ventiler 38. åtgärd VFT och andra parametrar som beskrivs ovan (steg 3,2).
  4. Testa hypotesen att hög ålder är associerat med en minskning av LV fylla effektivitet kvantifieras med VFT i 7 octogenarians (82 ± 2 år) jämfört med 7 yngre patienter (55 ± 6 år)41 som genomgått koronar kirurgi. Se till att båda grupperna har normal preoperativ LV ejektionsfraktion. Mäta VFT och andra parametrar som beskrivs ovan (steg 3,2).

4. statistik

  1. Presentera data som medelvärde ± standardavvikelse.
  2. Utvärdera data med variansanalys (ANOVA) följt av Bonferronis ändring av Students t-test.
  3. Använda linjär regressionsanalys för att fastställa relationerna mellan VFT och slutet-diastoliskt bakre väggtjocklek och VFT och ålder.
  4. Förkasta nollhypotesen när p < 0,05.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den nuvarande tekniken tillät oss att tillförlitligt mäta VFT under hjärt operation under en mängd kliniska tillstånd genom att få varje determinant från blodflödet och dimensionell inspelningar i standard TEE imaging plan. En puls-våg Doppler provvolymen placerades på tips av mitral broschyrerna i mitten av-esofagus fyra kammare anser att erhålla trans-mitral blod flöde ljudhastighetsprofilen nödvändigt att beräkna förmaksflimmer fyllning bråkdel (β; (Se figur 1). Slagvolym bestämdes med hjälp av kontinuitet ekvation (velocity-tidsintegralen av LV utflöde spår blod flöde hastighet vågformen multiplicerat med området av utflöde spår) och LV utflöde spår diameter mättes i en mitten-esofagus LV lång-axis Visa ( Figur 2A), medan blodflödet genom utflöde tarmkanalen bestämdes i djupa transgastriskt korta axeln imaging planet (figur 2B). Slutligen genomsnittliga mitralisklaffstenos diameter beräknades som genomsnittet av större och mindre axel diameter mätt i mitten av-esofagus bicommissural och LV lång-axliga flygplan (figur 3A och 3B, respektive). Mätning av VFT var associerade med intra- och interobserver variabiliteten hos 5% och 7%, respektive, liknar andra index av dimension och blod flödet mätt med TEE (inga data anges). Med denna teknik, vi först visade att exponering för CPB minskas VFT (5,3 ± 1,8 innan vs 4,0 ± 1,5 15 minuter efter bypass, p < 0,05; Figur 4) hos patienter som genomgick koronar kirurgi. VFT återhämtade sig utgångsvärden inom 60 minuter efter CPB. En ökning av β (0,33 ± 0,04 innan vs. 0,41 ± 0,07 15 minuter efter CPB, p < 0,05) överensstämmer med större förmaksflimmer bidrag till LV fylla var primärt ansvarig för nedgången i VFT eftersom SV och mitralisklaffstenos diameter var oförändrad.

Vi visade också att en minskning av VFT förekommer hos patienter med svår aortaklaffen stenos och LV tryck-overload hypertrofi jämfört med de med normal LV väggtjocklek (3,0 ± 0,6 vs. 4,3 ± 0,5, respektive; p < 0,05; (Se figur 5). Tidiga LV fyllning var försvagade (t.ex., E/A, 0,77 ± 0,11 jämfört med 1,23 ± 0,13; β, 0,43 ± 0,09 jämfört med 0,35 ± 0,02; p < 0,05 för varje), och SV minskades (72 ± 12 mL jämfört med 95 ± 10 mL; p < 0,05) hos patienter med vs. utan LV hypertr ledningsstil; mitralisklaffstenos diameter var dock mellan grupperna. En betydande invers korrelation mellan VFT och bakre väggtjocklek (PWT) visades med linjär regressionsanalys (VFT =-2.57 × PWT + 6.81; r = 0.408; p = 0,017). Dessutom våra resultat med denna teknik visat att närvaro jämfört med avsaknad av måttlig aorta insufficiens hos patienter med svår aortaklaffen stenos ökade VFT (5,7 ± 1,7 vs 3,0 ± 0,6, respektive; p < 0,05; Figur 5) samtidig med en minskning av mitralisklaffstenos diameter (2,2 0,2 vs. 2,6 ± 0.1 cm, respektive; p < 0,05), medan index för LV diastolisk dysfunktion och SV var liknande mellan grupperna. Slutligen kunde vi använda vår teknik för att mäta VFT Visa att VFT var lägre i octogenarians jämfört med yngre patienter (3,0 ± 0,9 vs. 4,5 ± 1,2; p < 0,05) som är samtidig med en nedsatt avkoppling mönster av LV diastolisk dysfunktion (t.ex. ., E/A 0,81 ± 0,16 vs.1,29 ± 0,19; Β i 0,44 ± 0,05 vs.0,35 ± 0,03, p < 0,05 för varje). En betydande invers korrelation mellan VFT och ålder visades också (VFT =-0.0627 × ålder + 8.24; r = 0.639; p = 0.0139; (Se figur 6).

Figure 1
Figur 1: Trans-mitral blod flöde hastighet vågformer. Trans-mitral blod flöde hastighet vågformer under tidiga LV fyllning (E) och förmaksflimmer systole (A) erhålls i vyn TEE mid-esofagus fyra kammare (vänster i bild); området i varje kuvert integrerades med utrustningens programvara för att få hastighet-tid integraler (höger i bild) och förmaksflimmer fyllning fraktionen (β) beräknades. I detta exempel, β = 4,28 cm / (4,28 cm + 6.73 cm) = 0,39 (se text). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: mätning av LV utflöde spår diameter. Mätning av LV utflöde spår diameter under mitten av systole i aortaklaffen längdriktning TEE view (A) (diameter = 2,23 cm); (B) blod flödeshastighet mättes i den i distala LV utflöde spåret med djupa transgastriskt längdriktning TEE view och området av det resulterande kuvertet (vänster sida av panelen B) integrerade med utrustningens programvara för att få en hastighet-tid integral (vit pil, höger sida av panelen B). I det här exemplet stroke volym = π/4 × (2.23 cm)2 × 19,8 cm = 77 mL (se text). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: genomsnittliga mitralisklaffstenos diameter beräknades som genomsnittet av större och mindre axel diameter mätt i mitten av-esofagus bicommissural och LV lång-axliga flygplan. Mid-esofagus bicommissural (A) och LV utflöde tarmkanalen (B) TEE bilder användes för att bestämma major (transcommissural främre-lateral-posterior-medial) och mindre (anterior-posterior) Axel diametrar, respektive. I detta exempel, mitralisklaffstenos diameter = (3.04 cm + 2.18 cm) / 2 = 2,61 cm. Denna siffra är Reproducerad med tillstånd från Elsevier38. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: tidsmässiga förändringar i VFT. Tidsmässiga förändringar i VFT före och 15, 30 och 60 minuter efter hjärt bypass (CPB) hos patienter som genomgick koronar kirurgi; * indikerar signifikant (p < 0,05) skillnad från ”innan CPB” mätningen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: effekterna av LV tryck-overload hypertrofi resulterar från svår aortaklaffen stenos i frånvaro (-) eller närvaro (+) av måttlig aorta insufficiens (AI) hos patienter som genomgår aortaklaffen ersättning. Patienter med normal LV väggtjocklek som genomgick koronar kirurgi fungerade som kontroller (normal). * Signifikant (p < 0,05) skiljer sig från normala; †Significantly (p < 0,05) skiljer sig från både normal och hypertrofi-AI. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: samband mellan ålder och VFT på 14 patienter som genomgick koronar kirurgi. VFT =-0.0627 × ålder + 8.24; r = 0.639; p = 0.0139. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De nuvarande resultaten visar att VFT kan mätas tillförlitligt under hjärtkirurgi med TEE metoder som beskrivs här. Tidigare beskrivningar av VFT används transtorakal ekokardiografi i medvetna ämnen, men denna metod kan inte användas när bröstet är öppen. Vi använde intraoperativ TEE för att avgöra VFT de sövda patienter som genomgår hjärtkirurgi under vilken förändringar i LV fylla dynamics påträffas ofta till följd av ischemi-reperfusionsskada eller kirurgiska ingrepp. Våra fynd visar att VFT mätningar återspeglar förändringar i LV fylla effektivitet som produceras av övergående CPB-inducerad nedsatt avkoppling mönster diastolisk dysfunktion, aortaklaffen sjukdom och åldrande. Den nuvarande tekniken för beräkning av VFT under hjärtkirurgi kräver hög kvalitet TEE bilder och videoklipp under steady state hemodynamik att säkerställa exakta mätningar av mitralisklaffstenos och LV utflöde tarmkanalen dimension och blod flöde ( Figur 1, figur 2och figur 3). Inte alla patienter kommer att ha optimal avbildning windows på grund av off-axeln rotation i hjärtat eller patologiska förändringar i hjärtats geometri. Trots dessa potentiella begränsningar, bör erfarna intraoperativ echocardiographers kunna enkelt få den nödvändiga mid-esofagus fyra-kammare, mid-esofagus bicommissural, mitten-esofagus LV långa axeln och djupa transgastriskt långa axeln visningar under de omfattande TEE granskning42. Tekniken kan också vara opålitliga när snabbt föränderliga hemodynamik är närvarande. Den ger inte direkt visualisering blod flöde rörlighet inom LV är associerad med vortex, som tidigare karakteriseras med hjälp av Doppler vektor flöde mappning6,20,21 eller partikel imaging Velocimetri 9 , 22 , 23 , 24. noggrann mätning av LV utflöde spår diameter med tvådimensionell ekokardiografi är särskilt viktigt eftersom denna variabel är kvadrat i beräkningen av området och fel förstoras till följd. Likaså är noggranna mätningar av mitralisklaffstenos mindre och större Axel Längd avgörande eftersom kuben av genomsnittet av dessa två dimensioner visas i nämnaren i VFT formeln. Tvådimensionell ekokardiografi underskattar konsekvent aorta och mitralisklaffstenos områden jämfört med tredimensionell rekonstruktion tekniker43,44. Effekten av dessa skillnader mellan två - och tredimensionella TEE på VFT är ett område av aktuell forskning av vår grupp.

Dessutom användes isofluran för underhåll av anestesi i våra studier. Denna flyktiga anestetika är en vasodilaterande negativ inotrop som minskar LV preload och afterload, minskar myokardkontraktilitet och påverkar LV diastoliska funktion i ett dosrelaterat sätt45,46. Dessa kardiovaskulära förändringar kan ha påverkat förmaksflimmer fyllning bråk och stroke volume i våra studier. Dock värdena för VFT erhölls hos sövda patienter med normal preoperativ LV ejektionsfraktion genomgick koronar kirurgi innan CPB liknade dem beskrivs i medvetna friska8. Dessa data tyder på att baslinjen anestesi inte väsentligt ändras LV fylla effektivitet, men vi undersöker för närvarande denna hypotes. VFT tidigare visats vara en oberoende prediktor för dödlighet hos patienter med hjärtsvikt30, men det är okänt om intraoperativ förändringar i VFT är prediktiva för perioperativ sjuklighet eller dödlighet i hjärtkirurgi patienter. Detta ämne är också ett område av intresse som vi bedriver aktivt.

Vi använde först denna teknik noninvasivt beräkna VFT i en studie som undersöker effekterna av CPB på VFT i isofluran-fentanyl-sövda patienter med normal preoperativ LV ejektionsfraktion genomgick koronar kirurgi39. LV diastolisk dysfunktion inträffar efter hjärt bypass till följd av globala ischemi-reperfusionsskada och en djupgående systemisk inflammatorisk reaktion47,48,49. Detta diastolisk dysfunktion återvinner så småningom inom minuter till timmar baserat på effekten av hjärtinfarkt skydd under och varaktigheten av CPB50. Ja, våra resultat bekräftat att LV diastolisk dysfunktion uppstår efter CPB. Denna effekt åtföljdes av övergående sänkningar av VFT som återhämtade sig inom en timme efter separation från CPB. Nedgången i VFT resulterade från en ökning av β och en blygsam minskning SV eftersom mitralisklaffstenos diameter var oförändrad. Återkrav av VFT, β, E/A och SV efter CPB var liknande. Noterbart observerats VFT här inte sjunka under den normala utbud av VFT (3.3 till 5,5) hos friska individer. Våra patienter hade normal preoperativ LV systolisk och diastolisk funktion, utsattes för att relativt korta CPB gånger (93 ± 27 min), och behandlades med regelbundna doser av antegrade och bakåtsträvande cardioplegia. Dessa faktorer kombinerat förmodligen för att minska ischemi-reperfusionsskada under aorta cross-clamp ansökan39. CPB har också visat att orsaka övergående nedgång i trans-mitral blod flödar förökning hastighet (Vp) överensstämmer med försvagat tidiga LV fyllning hos patienter som genomgått koronar kirurgi49 till följd av minskar i LV överensstämmelse 51 och minskningar i tidig intraventrikulär diastoliskt övertoningar52. En relation mellan vortex ring bildandet och Vp var tidigare visat53, och våra resultat stöds av andra utredare49 i liknande patientgrupper.

Vi undersökte därefter effekterna av tryck-overload LV hypertrofi producerad av svår calcific degenerativa aortaklaffen stenos hos patienter med bevarade LV systoliska funktion som genomgår aortaklaffen ersättning40. En andra grupp av patienter med normal LV väggtjocklek som genomgick koronar kirurgi fungerade som kontroller. Kroniskt förhöjda LV slutet-systoliskt vägg stress orsakar LV tryck-overload hypertrofi som kompensatoriska svar i närvaro av aortaklaffen stenos54. LV vägg förtjockning utan dilatation uppstår till följd av en ökning av diametern på enskilda myocyter. Detta LV remodeling är associerad med interstitiell fibros55,56. Förseningar i apikala rekyl57,58 också uppstå att ytterligare dämpar tidiga LV fyller58,59, som orsakar LV diastolisk dysfunktion genom att fördröja LV avkoppling och minska LV efterlevnad55 , 60. således VFT reduceras i närvaro av fördröjd avkoppling i patienter med LV tryck-overload hypertrofi vs. de med normal LV väggens tjocklek. Våra fynd tillskrevs ökning β och nedgången i SV vid liknande fyllning tryck överensstämmer med en minskning av LV efterlevnad. Ett signifikant samband mellan minskning i VFT och svårighetsgraden av hypertrofi visades med hjälp av linjär regressionsanalys. Denna observation tyder på att graden av tryck-overload hypertrofi är omvänt relaterad till LV fylla effektivitet kvantifieras med hjälp av vortex bildandet tid.

Valvulär insufficiens uppstår ofta i samband med svår calcific degenerativa aortaklaffen stenos eftersom framstående bipacksedel förkalkning förhindrar fullständig coaptation. Vi har utfört en annan undersökning för att fastställa huruvida regurgitant blodflödet i LV genom en inkompetent aortaklaffen påverkar LV fylla effektivitet genom att störa trans-mitral blod flöde38. Vi jämförde patienter med svår aortaklaffen stenos som genomgår ventil ersättning som hade måttligt centralt styrda aorta insufficiens med en andra grupp av patienter som inte fick uppstötningar. Vi kvantifieras aorta insufficiens med regurgitant jet bredd LV utflöde spår diameter baserat åtgärden med färg Doppler M-mode ekokardiografi61. Våra resultat visade att måttlig aorta insufficiens ökar VFT hos patienter med aortaklaffen stenos. Denna ökning i VFT föreslår dock inte en förbättring i LV fylla effektivitet har uppstått på grund av onormal regurgitant flöde in LV genom aortaklaffen. LV diastoliskt tryck ökar snabbt i måttlig till svår aorta insufficiens62, förmildrande trans-mitral LV fyllning och minska mitralisklaffstenos området63,64,65. Resultaten indikerar att mitralisklaffen diameter och området minskades hos patienter med måttlig aorta insufficiens jämfört med de utan uppstötningar. Dessa observationer troligen på grund av en minskning i mindre axel längd, följd av försvagade främre mitral bipacksedel öppning orsakas av aorta regurgitant under LV fyllning, därmed, falskt förhöjda VFT. VFT rapporterade i vår studie (5,7 ± 1,7) var faktiskt större än den övre gränsen för normala VFT (5.5) i friska medvetna individer8 och patienter med normal LV geometri under anestesi (4,3 ± 0,5)40. Därför är det mycket troligt att onormala diastoliska flödet till LV upphäver VFT som ett index av LV fylla effektivitet.

Vi har nyligen studerat påverkan av hög ålder på VTF hos äldre patienter som genomgick koronar kirurgi41. Progressiv LV diastoliskt styva66, minskade intraventrikulär diastoliskt rörelseenergi67, och försvagade diastoliskt sug68 orsaka LV diastoliska funktion i äldre69,70, 71,72. Octogenarians med normal preoperativ LV utmatning jämfördes med en yngre kohort av patienter (≤ 62 år gammal). Vi fann att VFT var lägre i octogenarians jämfört med yngre patienter. Dessa observationer var väntat och uppstod i samband med en försämrad avkoppling mönster av LV diastolisk dysfunktion och en blygsam minskning av SV på liknande LV fyllning pressar. Mitralisklaffstenos diameter var octogenarians jämfört med yngre patienter och bidrog inte till skillnaderna i VFT mellan grupper. Det är anmärkningsvärt att VFT var liknande i octogenarians jämfört med patienter med svår aortaklaffen stenos som vi tidigare rapporterat38,40. Aortastenos är faktiskt ett annat tillstånd som kännetecknas av nedsatt avkoppling LV diastolisk dysfunktion och minskningar i LV efterlevnad. En betydande invers korrelation mellan VFT och ålder visades också trots den lilla urvalet (n = 7 per grupp; (Se figur 6). Nedgången i VFT som uppstår med åldern som kan till slut bli omöjlig att skilja från hjärtsvikt produceras av patologiska processer såsom restriktiva diastolisk dysfunktion19 eller dilaterad kardiomyopati8. Våra resultat överensstämde med minskningar i tidig topp diastoliskt intraventrikulär kinetisk energi hos äldre patienter med deprimerad LV funktion67.

I sammanfattning, icke-invasiv mätning av VFT är med standard tvådimensionell och Doppler TEE okomplicerad sövda patienter som genomgår hjärtkirurgi. Denna teknik kan tillåta hjärt narkosläkare och kirurger att bedöma effekterna av sjukdomstillstånd och kirurgiska ingrepp på LV fylla effektivitet i realtid.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingen konkurrerande ekonomiska intressen eller andra intressekonflikter i enlighet med detta arbete.

Acknowledgments

Detta material är resultatet av arbete stödjas med resurser och användning av faciliteterna på de Clement J. Zablocki Veterans Affairs Medical Center i Milwaukee, Wisconsin.

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

References

  1. Collier, E., Hertzberg, J., Shandas, R. Regression analysis for vortex ring characteristics during left ventricular filling. Biomedical Sciences Instrumentation. 38 (2), 307-311 (2002).
  2. Kheradvar, A., Gharib, M. Influence of ventricular pressure drop on mitral annulus dynamics through the process of vortex ring formation. Annals of Biomedical Engineering. 35 (12), 2050-2064 (2007).
  3. Gharib, M., Rambod, E., Shariff, K. A universal time scale for vortex ring formation. Journal of Fluid Mechanics. 360 (1), 121-140 (1998).
  4. Krueger, P. S., Gharib, M. The significance of vortex ring formation to the impulse and thrust of a starting jet. Physics of Fluids. 15 (5), 1271-1281 (2003).
  5. Reul, H., Talukder, N., Muller, W. Fluid mechanics of the natural mitral valve. Journal of Biomechanics. 14 (5), 361-372 (1981).
  6. Kim, W. Y., et al. Two-dimensional mitral flow velocity profiles in pig models using epicardial Doppler echocardiography. Journal of the American College of Cardiology. 24 (2), 532-545 (1994).
  7. Kilner, P. J., et al. Asymmetic redirection of flow through the heart. Nature. 404 (6779), 759-761 (2000).
  8. Gharib, M., Rambod, E., Kheradvar, A., Sahn, D. J., Dabiri, J. O. Optimal vortex formation as an index of cardiac health. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 103 (16), 6305-6308 (2006).
  9. Rodriguez Munoz, D., et al. Intracardiac flow visualization: current status and future directions. European Heart Journal Cardiovascular Imaging. 14 (11), 1029-1038 (2013).
  10. Martinez-Legazpi, P., et al. Contribution of the diastolic vortex ring to left ventricular filling. Journal of the American College of Cardiology. 64 (16), 1711-1721 (2014).
  11. Dabiri, J. O., Gharib, M. The role of optimal vortex formation in biological fluid transport. Proceedings of the Royal Society B. 272 (1572), 1557-1560 (2003).
  12. Kheradvar, A., Gharib, M. On mitral valve dynamics and its connection to early diastolic flow. Annals of Biomedical Engineering. 37 (1), 1-13 (2009).
  13. Linden, P. F., Turner, J. S. The formation of "optimal" vortex rings, and the efficiency of propulsion devices. Journal of Fluid Mechanics. 427 (1), 61-72 (2001).
  14. Domenichini, F., Pedrizzetti, G., Baccani, B. Three-dimensional filling flow into a model left ventricle. Journal of Fluid Mechanics. 539 (1), 179-198 (2005).
  15. Sengupta, P. P., et al. Left ventricular isovolumic flow sequence during sinus and paced rhythms: new insights from use of high-resolution Doppler and ultrasonic digital particle imaging velocimetry. Journal of the American College of Cardiology. 49 (8), 899-908 (2007).
  16. Rodriguez Munoz, D., et al. Flow mapping inside a left ventricular aneurysm: a potential tool to demonstrate thrombogenicity. Echocardiography. 31 (1), E10-E12 (2014).
  17. Son, J. W., et al. Abnormal left ventricular vortex flow patterns in association with left ventricular apical thrombus formation in patients with anterior myocardial infarction: a quantitative analysis by contrast echocardiography. Circulation Journal. 76 (11), 2640-2646 (2012).
  18. Kheradvar, A., Falahatpisheh, A. The effects of dynamic saddle annulus and leaflet length on trans-mitral flow pattern and leaflet stress of a bileaflet bioprosthetic mitral valve. The Journal of Heart Valve Disease. 21 (2), 225-233 (2012).
  19. Kheradvar, A., Assadi, R., Falahatpisheh, A., Sengupta, P. P. Assessment of trans-mitral vortex formation in patients with diastolic dysfunction. Journal of the American Society of Echocardiography. 25 (2), 220-227 (2012).
  20. Chen, R., et al. Assessment of left ventricular hemodynamics and function of patients with uremia by vortex formation using vector flow mapping. Echocardiography. 29 (9), 1081-1090 (2012).
  21. Hendabadi, S., et al. Topology of blood transport in the human left ventricle by novel processing of Doppler echocardiography. Annals of Biomedical Engineering. 41 (12), 2603-2616 (2013).
  22. Sengupta, P. P., Pedrizetti, G., Narula, J. Multiplaner visualization of blood flow using echocardiographic particle imaging velocimetry. Journal of the American College of Cardiology Cardiovascular Imaging. 5 (5), 566-569 (2012).
  23. Sengupta, P. P., et al. Emerging trends in CV flow visualization. Journal of the American College of Cardiology Cardiovascular Imaging. 5 (3), 305-316 (2012).
  24. Hong, G. R., Kim, M., Pedrizzetti, G., Vannan, M. A. Current clinical application of intracardiac flow analysis using echocardiography. Journal of Cardiovascular Ultrasound. 21 (4), 155-162 (2013).
  25. Kheradvar, A., Milano, M., Gharib, M. Correlation between vortex ring formation and mitral annulus dynamics during ventricular rapid filling. American Society for Artificial Internal Organs Journal. 53 (1), 8-16 (2007).
  26. Hong, G. R., et al. Characterization and quantification of vortex flow in the human left ventricle by contrast echocardiography using vector particle image velocimetry. Journal of the American College of Cardiology Cardiovascular Imaging. 1 (6), 705-717 (2008).
  27. Zhang, H., et al. The evolution of intraventricular vortex during ejection studied by using vector flow mapping. Echocardiography. 30 (1), 27-36 (2013).
  28. Nogami, Y., et al. Abnormal early diastolic intraventricular flow 'kinetic energy index' assessed by vector flow mapping in patients with elevated filling pressure. European Heart Journal Cardiovascular Imaging. 14 (3), 253-260 (2013).
  29. Zhang, H., et al. The left ventricular intracavity vortex during the isovolumic contraction period as detected by vector flow mapping. Echocardiography. 29 (5), 579-587 (2012).
  30. Poh, K. K., et al. Left ventricular filling dynamics in heart failure: echocardiographic measurement and utilities of vortex formation time. European Heart Journal Cardiovascular Imaging. 13 (5), 385-393 (2012).
  31. Belohlavek, M. Vortex formation time: an emerging echocardiographic index of left ventricular filling efficiency? European Heart Journal Cardiovascular Imaging. 13 (5), 367-369 (2012).
  32. Dabiri, J. O., Gharib, M. Starting flow through nozzles with temporally variable exit diameter. Journal of Fluid Mechanics. 538 (1), 111-136 (2005).
  33. Jiamsripong, P., et al. Impact of acute moderate elevation in left ventricular afterload on diastolic trans-mitral flow efficiency: analysis by vortex formation time. Journal of the American Society of Echocardiography. 22 (4), 427-431 (2009).
  34. Belohlavek, M., et al. Patients with Alzheimer disease have altered trans-mitral flow: echocardiographic analysis of the vortex formation time. Journal of Ultrasound in Medicine. 28 (11), 1493-1500 (2009).
  35. Pedrizzetti, G., Domenichini, F., Tonti, G. On the left ventricular vortex reversal after mitral valve replacement. Annals of Biomedical Engineering. 38 (3), 769-773 (2010).
  36. Martinez-Legazpi, P., et al. Stasis mapping using ultrasound: a prospective study in acute myocardial infarction. Journal of the American College of Cardiology Cardiovascular Imaging. 11 (3), 514-515 (2018).
  37. Harfi, T. T., et al. The E-wave propagation index (EPI): a novel echocardiographic parameter for prediction of left ventricular thrombus. Derivation from computational fluid dynamic modeling and validation on human subjects. International Journal of Cardiology. 227 (1), 662-667 (2017).
  38. Pagel, P. S., Boettcher, B. T., De Vry, D. J., Freed, J. K., Iqbal, Z. Moderate aortic valvular insufficiency invalidates vortex formation time as an index of left ventricular filling efficiency in patients with severe degenerative calcific aortic stenosis undergoing aortic valve replacement. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 30 (5), 1260-1265 (2016).
  39. Pagel, P. S., Gandhi, S. D., Iqbal, Z., Hudetz, J. A. Cardiopulmonary bypass transiently inhibits intraventricular vortex ring formation in patients undergoing coronary artery bypass graft surgery. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 26 (3), 376-380 (2012).
  40. Pagel, P. S., Hudetz, J. A. Chronic pressure-overload hypertrophy attenuates vortex formation time in patients with severe aortic stenosis and preserved left ventricular systolic function undergoing aortic valve replacement. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 27 (4), 660-664 (2013).
  41. Pagel, P. S., Dye, L., Boettcher, B. T., Freed, J. K. Advanced age attenuates left ventricular filling efficiency quantified using vortex formation time: a study of octogenarians with normal left ventricular systolic function undergoing coronary artery surgery. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 32 (4), 1775-1779 (2018).
  42. Shanewise, J. S., et al. ASE/SCA guidelines for performing a comprehensive intraoperative multiplane transesophageal echocardiography examination: recommendations of the American Society of Echocardiography Council for Intraoperative Echocardiography and the Society of Cardiovascular Anesthesiologists Task Force for Certification in Perioperative Transesophageal Echocardiography. Journal of the American Society of Echocardiography. 12 (10), 884-900 (1999).
  43. Gaspar, T., et al. Three-dimensional imaging of the left ventricular outflow tract: impact on aortic valve area estimation by the continuity equation. Journal of the American Society of Echocardiography. 25 (7), 749-757 (2012).
  44. Karamnov, S., Burbano-Vera, N., Huang, C. C., Fox, J. A., Shernan, S. A. Echocardiographic assessment of mitral stenosis orifice area: a comparison of a novel three-dimensional method versus conventional techniques. Anesthesia and Analgesia. 125 (3), 774-780 (2017).
  45. Pagel, P. S., Kampine, J. P., Schmeling, W. T., Warltier, D. C. Comparison of end-systolic pressure-length relations and preload recruitable stroke work as indices of myocardial contractility in the conscious and anesthetized, chronically instrumented dog. Anesthesiology. 73 (2), 278-290 (1990).
  46. Pagel, P. S., Kampine, J. P., Schmeling, W. T., Warltier, D. C. Alteration of left ventricular diastolic function by desflurane, isoflurane, and halothane in the chronically instrumented dog with autonomic nervous system blockade. Anesthesiology. 74 (6), 1103-1114 (1991).
  47. De Hert, S. G., Rodrigus, I. E., Haenen, L. R., De Mulder, P. A., Gillebert, T. C. Recovery of systolic and diastolic left ventricular function early after cardiopulmonary bypass. Anesthesiology. 85 (5), 1063-1075 (1996).
  48. Gorcsan, J., Diana, P., Lee, J., Katz, W. E., Hattler, B. G. Reversible diastolic dysfunction after successful coronary artery bypass surgery. Assessment by transesophageal Doppler echocardiography. Chest. 106 (5), 1364-1369 (1994).
  49. Djaiani, G. N., et al. Mitral flow propagation velocity identifies patients with abnormal diastolic function during coronary artery bypass graft surgery. Anesthesia and Analgesia. 95 (3), 524-530 (2002).
  50. Casthely, P. A., et al. Left ventricular diastolic function after coronary artery bypass grafting: a correlative study with three different myocardial protection techniques. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 114 (2), 254-260 (1997).
  51. Tulner, S. A., et al. Perioperative assessment of left ventricular function by pressure-volume loops using the conductance catheter method. Anesthesia and Analgesia. 97 (4), 950-957 (2003).
  52. Firstenberg, M. S., et al. Relationship between early diastolic intraventricular pressure gradients, an index of elastic recoil, and improvements in systolic and diastolic function. Circulation. 104 (12 Suppl 1), I330-I335 (2001).
  53. Cooke, J., Hertzberg, J., Boardman, M., Shandas, R. Characterizing vortex ring behavior during ventricular filling with Doppler echocardiography: an in vitro study. Annals of Biomedical Engineering. 32 (2), 245-256 (2004).
  54. Grossman, W., Jones, D., McLaurin, L. P. Wall stress and patterns of hypertrophy in the human left ventricle. Journal of Clinical Investigation. 56 (1), 56-64 (1975).
  55. Hess, O. M., et al. Diastolic function and myocardial structure in patients with myocardial hypertrophy. Special reference to normalized viscoelastic data. Circulation. 63 (2), 360-371 (1981).
  56. Hess, O. M., et al. Diastolic stiffness and myocardial structure in aortic valve disease before and after valve replacement. Circulation. 69 (5), 855-865 (1984).
  57. Sandstede, J. J. W., et al. Cardiac systolic rotation and contraction before and after valve replacement for aortic stenosis: a myocardial tagging study using MR imaging. American Journal of Roentgenology. 178 (4), 953-958 (2002).
  58. Stuber, M., et al. Alterations in the local myocardial motion pattern in patients suffering from pressure overload due to aortic stenosis. Circulation. 100 (4), 361-368 (1999).
  59. Nagel, E., et al. Cardiac rotation and relaxation in patients with aortic valve stenosis. European Heart Journal. 21 (7), 582-589 (2000).
  60. Rakowski, H., et al. Canadian consensus recommendations for the measurement and reporting of diastolic dysfunction by echocardiography: from the Investigators of Consensus on Diastolic Dysfunction by Echocardiography. Journal of the American Society of Echocardiography. 9 (5), 736-760 (1996).
  61. Homeyer, P., Oxorn, D. C. Aortic regurgitation: echocardiographic diagnosis. Anesthesia and Analgesia. 122 (1), 37-42 (2016).
  62. Landzberg, J. S., et al. Etiology of the Austin Flint murmur. Journal of the American College of Cardiology. 20 (2), 408-413 (1992).
  63. Flint, A. On cardiac murmurs. American Journal of Medical Sciences. 91 (1), 27 (1886).
  64. Botvinick, E. H., Schiller, N. B., Wickramasekaran, R., Klausner, S. C., Gertz, E. Echocardiographic demonstration of early mitral valve closure in severe aortic insufficiency. Its clinical implications. Circulation. 51 (5), 836-847 (1975).
  65. Mann, T., McLaurin, L., Grossman, W., Craige, E. Assessing the hemodynamic severity of acute aortic regurgitation due to infective endocarditis. New England Journal of Medicine. 293 (3), 108-113 (1975).
  66. Borlaug, B. A., et al. Longitudinal changes in left ventricular stiffness: a community-based study. Circulation Heart Failure. 6 (5), 944-952 (2013).
  67. Wong, J., et al. Age-related changes in intraventricular kinetic energy: a physiological or pathological adaptation? American Journal of Physiology Heart Circulatory Physiology. 310 (6), H747-H755 (2016).
  68. Carrick-Ranson, G., et al. Effect of healthy aging on left ventricular relaxation and diastolic suction. American Journal of Physiology Heart Circulatory Physiology. 303 (3), H315-H322 (2012).
  69. Iskandrian, A. S., Hakki, A. H. Age-related changes in left ventricular diastolic performance. American Heart Journal. 112 (1), 75-78 (1986).
  70. Schulman, S. P., et al. Age-related decline in left ventricular filling at rest and exercise. American Journal of Physiology. 263 (6 Pt 2), H1932-H1938 (1992).
  71. Stork, M., et al. Age-related hemodynamic changes during diastole: a combined M-mode and Doppler echo study. Internal Journal of Cardiovascular Imaging. 6 (1), 23-30 (1991).
  72. Sanders, D., Dudley, M., Groban, L. Diastolic dysfunction, cardiovascular aging, and the anesthesiologist. Anesthesiology Clinics. 27 (3), 497-517 (2009).

Tags

Medicin fråga 141 Trans-mitral blod flöde effektivitet vortex bildandet tid tidig vänster ventrikulära fyllning strömningslära diastolisk funktion intraventrikulära blodflödet Kontinuitetslikställande transesophageal ekokardiografi
Icke-invasiv bestämning av Vortex bildandet tid använda Transesophageal ekokardiografi under hjärtkirurgi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pagel, P. S., Dye III, L., Hill, G.More

Pagel, P. S., Dye III, L., Hill, G. E. D., Vega, J. L., Tawil, J. N., De Vry, D. J., Chandrashekarappa, K., Iqbal, Z., Boettcher, B. T., Freed, J. K. Noninvasive Determination of Vortex Formation Time Using Transesophageal Echocardiography During Cardiac Surgery. J. Vis. Exp. (141), e58374, doi:10.3791/58374 (2018).

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