Kvantificering af Global diastolisk funktion ved Kinematisk Modeling-baseret analyse af Transmitral Flow via parametriserede diastolisk Filling Formalisme

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
Published 9/01/2014
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Bioengineering

You must be subscribed to JoVE to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit," you agree to our policies.

 

Summary

Præcis, kausalitet-baserede kvantificering af den globale diastolisk funktion er opnået ved kinematisk modellering-baseret analyse af transmitral strøm via parametriserede diastolisk fyldning (PDF) formalisme. PDF skaber unikke stivhed, afslapning og Indlæsningsparametre og belyser "nye" fysiologi samtidig give følsomme og specifikke indeks på dysfunktion.

Cite this Article

Copy Citation

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).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Kvantitativ hjertefunktion vurdering fortsat en udfordring for fysiologer og klinikere. Selvom historisk invasive metoder har omfattet det eneste tilgængelige middel, udvikling af ikke-invasive billeddiagnostiske metoder (ekkokardiografi, MRI, CT) med høj tidslig og rumlig opløsning giver et nyt vindue til kvantitativ diastolisk funktion vurdering. Ekkokardiografi er den aftalte standard for diastolisk funktion vurdering, men indekser i den aktuelle klinisk brug blot Udnyt udvalgte funktioner i kammerets dimension (M-mode) eller blod / væv bevægelse (Doppler) bølgeformer uden at inkorporere de fysiologiske kausale determinanter for bevægelsen selv. Erkendelsen af, at alle venstre ventrikler (LV) Påbegynde påfyldning ved at tjene som mekaniske sugepumper tillader globale diastolisk funktion, der skal vurderes på baggrund af love om bevægelse, der gælder for alle kamre. Hvad adskiller et hjerte fra en anden er de parametre af ligningen af ​​bevægelse, natioErns påfyldning. Følgelig udvikling af parametriserede diastolisk Påfyldning (PDF) formalisme har vist, at hele spektret af klinisk observerede tidligt transmitral flow (Doppler E-bølge) mønstre er særdeles godt fit af lovene i dæmpede svingninger. Dette tillader analyse af individuelle e-bølger i overensstemmelse med en kausal mekanisme (rekyl-initieret sugning), der giver tre (numerisk) unikke klumpet parametre, hvis fysiologisk analoger er kammer stivhed (k), viskoelasticitet / afslapning (C), og belastning (x o). Optagelsen af ​​transmitral flow (Doppler E-bølger) er almindelig praksis i klinisk kardiologi og derfor ekkokardiografiske optagelse metode er kun kortvarigt revideret. Vores fokus er på bestemmelse af PDF-parametre fra rutinemæssigt optaget E-wave-data. Da de fremhævede resultater indikerer, når PDF-parametre er blevet indhentet fra et passende antal belastning varierende E-bølgerne, undersøforskers er gratis at bruge parametre eller konstruere indekser fra parametrene (såsom oplagret energi 1/2 kx O 2, maksimal AV trykgradient kx o, belastning uafhængig indeks for diastolisk funktion, mv.), og vælg det aspekt af fysiologi eller patofysiologi skal kvantificeres.

Introduction

Banebrydende studier af Katz 1 i 1930 viste, at pattedyrs venstre ventrikel initierer fyldning ved at være en mekanisk sugepumpe, og en stor indsats siden da har været afsat til at udrede arbejdet i diastole. For mange år, invasive metoder var de eneste muligheder for kliniske eller forskning vurdering af diastolisk funktion (DF) 2-16. I 1970'erne imidlertid tekniske fremskridt og udviklingen i ekkokardiografi endelig gav kardiologer og fysiologer praktiske værktøjer til invasiv karakterisering af DF.

Uden en samlende kausal teori eller paradigme for diastole om, hvordan hjertet fungerer, når det fylder, foreslog forskerne talrige phenomenologic indekser baseret på korrelation med kliniske funktioner. Den krum, hastigt stigende og faldende form transmitral blodgennemstrømning hastighed konturen under tidlig, hurtig fyldning, for eksempel, blev tilnærmet som en trekant og diastolisk function indekser blev defineret fra geometriske træk (højde, bredde, areal, etc..) i denne trekant. Tekniske fremskridt i ekkokardiografi har tilladt væv bevægelse, stamme, og stamme sats under påfyldning der skal måles, for eksempel, og hver teknisk fremskridt bragte med sig en ny afgrøde af fænomenologiske indekser at være korreleret med kliniske funktioner. Men indekser forblive korrelative og ikke kausale og mange indekser er forskellige mål for den samme underliggende fysiologi. Det er derfor ikke overraskende, at øjeblikket er beskæftiget kliniske indekser for DF har begrænset specificitet og sensitivitet.

For at overvinde disse begrænsninger den parametriserede diastolisk fyldning (PDF) formalisme, en kausal kinematiske blev slået parameter model af venstre ventrikel fyldning, der er motiveret af og inkorporerer suge-pumpe fysiologi diastole udviklet og valideret 17. It-modeller diastolisk funktion (som manifesteret ved de krumme formeraf transmitral flow konturer) i overensstemmelse med reglerne i dæmpet harmonisk oscillerende bevægelse. Ligningen for dæmpet harmonisk oscillerende bevægelse er baseret på Newtons anden lov og kan skrives, pr masseenhed, som:

Ligning 1 Ligning 1

Denne lineære 2. orden differentialligning har tre parametre: K - kammer stivhed c - viskoelasticitet / afslapning, og x O - oscillator oprindelige forskydning / forspænding. Modellen forudsiger, at de forskellige klinisk observerede diastolisk påfyldning mønstre er resultatet af variationen i den numeriske værdi af disse tre modelparametre. Baseret på PDF-formalisme og klassisk mekanik, kan e-bølger klassificeres som værende bestemt af under-dæmpede, eller over-dæmpet regimer bevægelse. Talrige undersøgelser 21. Processen for at udvinde modelparametre fra klinisk indspillet E-bølge data er detaljeret beskrevet i nedenstående metoder.

I modsætning til typiske indekser for DF i nuværende klinisk brug, PDF modellens tre parametre er årsagssammenhæng baseret på. Som omtalt i nedenstående metoder kan yderligere indekser diastolisk fysiologi udledes disse grundlæggende parametre, og ved anvendelsen af ​​PDF formalisme aspekter af diastole andet end transmitral flow. I dette arbejde, metoder til PDF-baseret analyse af transmitral flow og de fysiologiske relationer, der kan drages fra PDF tilgang, dens parametre og de afledte indekser er beskrevet. Derudover er det vist, at de PDF-parametre eller indekser er afledt af dem kan drillehinanden iboende egenskaber kammeret de eksterne virkninger af belastning kan give korrelater til traditionelle invasivt definerede parametre og kan skelne mellem normale og patologiske grupper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Proceduren for at erhverve ekkokardiografiske billeder og analysere dem for at opnå de PDF-parametre beskrevet nedenfor. Selvom hjertekateterisation er nævnt i emnet udvælgelse del nedenfor, er metoden kun gælder for ekkokardiografisk del. Beskrivelsen af kateterisation del blev medtaget for uafhængig validering af model baserede forudsigelser og er relateret til analyse af E-bølger via PDF-formalisme. Forud for dataopsamling, giver alle fag underskrevet, informeret samtykke til at deltage i undersøgelsen i overensstemmelse med Institutional Review Board (Human Research Protection Office) ved Washington University School of Medicine.

BEMÆRK: Alle programmer (sammen med tutorials om hvordan man bruger dem), der er beskrevet i dette afsnit kan downloades fra http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

1. Emnevalg

BEMÆRK: Alle emner i Cardiovascular Biofysik Laboratory Database havde samtidig ekkokardiografi og hjertekateterisation udføres, og er blevet henvist af deres læger til diagnostisk hjertekateterisation. Kriterierne for database integration er: 1) fravær af nævneværdige valvulær abnormiteter, 2) fravær af væggenes bevægelse abnormiteter eller grenblok på EKG, 3) tilstedeværelsen af ​​et tilfredsstillende ekkokardiografisk vindue med klart identificerbare E og A-bølger.

2. ekkokardiografisk Data Acquisition

  1. Optag en komplet 2D / ekko-Doppler-undersøgelse for alle fag i overensstemmelse med American Society of Ekkokardiografi kriterier 16. BEMÆRK: De screening ekkokardiogrammer blev registreret på en standard klinisk imager med en sonographer. Hvis det ønskes, kan yderligere transtorakal ekkokardiografisk optagelse udføres til verifikation formåls efter en passende, high fidelity Kateteret fremføres ind i LV for at måle LV hæmodynamik samtidigt.
  2. Billede fag i liggende stilling. I en nonresearch indstilling, kan standard venstre laterale positionering anvendes uden tab af generalitet af metoden. Opnå apikale visninger fire-kammer ved hjælp af en 2,5 MHz transducer med prøvevolumen gated på 1,5-5 mm rettet mellem spidserne af mitralklappen foldere og vinkelret på MV plan (for at minimere tilpasning effekter, som ses på farve M-tilstand Doppler ), væg-filter sat til 1 (125 Hz) eller 2 (250 Hz), baseline justeret for at tage fordel af den fulde højde af displayet, og hastigheden skalaen justeres til at udnytte det dynamiske område af produktionen uden aliasing.
  3. Udfør Doppler væv billedbehandling med prøven volumen gated på 2,5 mm og placeret i det laterale og septumdefekter potions af mitralannulus.
  4. Spar Doppler undersøgelser i DICOM-format i ekko maskine og optage på DVD med simultaneously optaget elektrokardiogram (EKG).

3. Doppler Billedbehandling og konventionel analyse

BEMÆRK: Dette afsnit beskriver to brugerdefinerede MATLAB programmer. Det første program er beskrevet i trin 3.1 og det andet program er beskrevet i trin 3.2-3.5. Alle programmer (sammen med tutorials om hvordan man bruger dem) kan downloades fra http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

  1. Konvertere billeder fra DICOM format og video til bitmap (bmp) filer (ved hjælp af en brugerdefineret Matlab-program). BEMÆRK: beskrevet nedenfor for at passe Doppler E-bølger og væv Doppler e'-bølger fremgangsmåde er vist i figur 1.
  2. Indlæse bitmap billedfiler på en anden skik MATLAB program til at måle konventionelle transmitral flow parametre såsom E højdepunkt, En top, E dur 'peak, A' peak etc. og beskære billeder til PDF-analyse. Vælg billeder med mærkbar transmitral flow kontur og komplet hjertecyklus som angivet ved EKG til analyse.
  3. Markér den tid samplingfrekvens (målt i pixels / s på den vandrette akse) og prøvetagning hastighed sats (målt i pixels / (m / s) langs den lodrette akse) i billederne. Identificere hele hjertecyklus ved at bemærke og mærkning på hinanden følgende R-toppe (eller nogen særligt træk ved EKG) på billedet.
  4. Markér transmitral Doppler E og A-bølge eller væv Doppler E'- og A'- bølge i den valgte hjertecyklus.
    1. Vælg Doppler E-bølge højdepunkt dvs. E højdepunkt, (eller E 'peak) og markerer starten på den bølge ved hjælp af den linje, der forbinder top til start som en guide til at matche accelerationen hældning af E-bølge (eller e'-bølge). Starten af ​​bølgen anvendes til at beregne intervallet fra start til peak flow betegnes som E-bølge (eller e'-bølge) accelerationstid (AT).
    2. Markere afslutningen af ​​E-bølge (eller e'-bølge) ved hjælp af den linje, der forbinder toppen til enden som en guide til at matche deceleration hældning. Dette bruges til at beregne intervallet fra top til grundlinjen betegnet som decelerationstiden (DT). Intervallet fra start til slutningen af den bølge er varigheden af E-bølge (E dur = AT + DT). Programmet guider brugeren gennem hele processen med passende instruktioner.
  5. Mark A-bølge under anvendelse af en lignende fremgangsmåde som E-bølge. Med både E- og A-bølger markerede Programmet beregner E peak / En top-forholdet.
    BEMÆRK: Programmet gemmer de markerede bølger som beskårede billeder, der indeholder E og kun en-bølger. Programmet skaber også en datafil med dyrkningssystemer og målte parametre for hvert slag.

4. Automatiseret Montering af Transmitral Flow Brug PDF Formalisme

Den automatiserede montering af Doppler E og A-bølge og væv Doppler E'- og A'- bølge konturer sker ved hjælp af en brugerdefineret LabView program 18,19.
  1. Læg det beskårne billede, og programmet beregner automatisk den maksimale hastighed kuvert (MVE). Vælg MVE ved at indstille den tærskel, således at MVE tilnærmer transmitral flow, som vist i figur 1. Starten og afslutning af de punkter, der definerer MVE kan vælges langs tidsaksen af operatøren således at kun MVE punkter, der giver god korrespondance til den faktiske valgte del af bølgen anvendes som input til den efterfølgende montering.
  • BEMÆRK: De brugervalgte MVE punkter er input til den computer program, der automatisk passer PDF model løsning for hastighed som en funktion af tid ved hjælp af en Levenberg- Marquardt (iterativ) algoritme. Beslaget er opnået med kravet om, at den gennemsnitlige square error mellem den kliniske (input)data (MVE) og PDF modellen forudsagte kontur minimeres. Eftersom modellen er lineær, er et unikt sæt af parametre opnået for hver Doppler E-bølge afledt MVE anvendt som input. Således numerisk unikke k, c og x Ø værdier genereres for hver e-bølge og K ', c' og x o 'for hver e'-bølge.
  • I tilfælde pasformen er naturligvis ikke optimalt, når pasningen er overlejret på E-bølge (eller e'-bølge) billede (dvs.. Algoritmen forsøgt at passe støj indeholdt i MVE for eksempel) ændre MVE ved anvendelse af mere / mindre point, og dermed ændrer modellen forudsagde kontur med deraf følgende ændring af PDF-parametre for at opnå en bedre pasform.
  • Gem data, når den relevante PDF-fit er blevet genereret. BEMÆRK: Programmet er skrevet til automatisk at gemme data i billede og tekst filer, der indeholder PDF-parametre, ogkonturen oplysninger.
    PDF parametre opnået fra den ovenfor beskrevne fremgangsmåde kan anvendes til at belyse nye fysiologi og skelne mellem normal og patologisk fysiologi som beskrevet i Repræsentative resultater afsnittet nedenfor.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    Doppler bølgeformer repræsenterer de fire forskellige typer af påfyldningsmaskiner mønstre (normal, pseudonormal, forsinket afslapning, konstriktiv-begrænsende) under anvendelse af fremgangsmåden beskrevet ovenfor er vist i figur 2. Figur 2A viser det normale mønster, som i sig selv ikke kan skelnes fra den pseudonormal mønster. Figur 2B viser en forsinket afslapning og figur 2C viser et snærende-restriktiv mønster forbundet med alvorlig diastolisk dysfunktion. For overskuelighedens skyld er PDF-model-forudsagte passer oven på billederne. De konventionelle ekko parametre (E peak, et højdepunkt, E-bølge på, og E-bølge DT) og PDF-parametre (k, c, x o) er angivet under hvert billede. Som tallene indikerer, PDF formalisme passer (forudsiger) alle tre af disse påfyldning mønstre meget godt. PDF parametre giver også oplysninger om kammer egenskaber. Den delagt afslapning mønster (figur 2B) har typisk højere viskoelasticitet / afslapning PDF parameteren c end det normale mønster (figur 2A). Snærende restriktiv mønster (figur 2C) typisk har en højere stivhed (PDF-parameter K) end det normale mønster.

    Analyse af Doppler E-bølger ved hjælp af PDF formalisme er blevet anvendt til at skelne mellem normale og patologiske grupper og for at opdage nye fysiologi. Anført nedenfor er nogle udvalgte offentliggjorte resultater af PDF formalisme baseret DF analyse har til formål at skelne mellem patologiske og normal fysiologi og udvalgte anvendelser af PDF formalisme at belyse nye fysiologi.

    DIABETES

    Metoden har vist sig at kvantificere forskelle i DF mellem diabetiske og aldersmatchede kontrolpersoner. Mens de konventionelle indekser såsom e-bølge deceleration tid-DT, E C var signifikant forskellig mellem grupperne 22. Derudover peak atrioventrikulær trykgradient, som kan beregnes ud fra de pdf-parametre KX o 23 var signifikant højere i den diabetiske gruppe. Se også kinematisk påfyldning effektivitet, anvendt til diabetikere nedenfor.

    HYPERTENSION

    Metoden er blevet anvendt til at analysere transmitral påfyldning mønstre i hypertensive patienter sammenlignet med kontroller 24. Konventionel Doppler afledte indekser var ude af stand til at skelne mellem grupper, men PDF-parameteren AC var signifikant højere i hypertensive forsøgspersoner gruppe sammenlignet med nonhypertensive kontroller.

    Kaloriefattige begrænsning bremser CARDIAC Aging >

    Metoden vurderede effekten af kaloriefattige begrænsning på DF i mennesker 25. DF blev vurderet hos patienter, der praktiserer kaloriefattige begrænsning ved at måle transmitral flow og sammenligne med samme alderskategori kontrol. DF var signifikant bedre i kaloriefattige begrænsning gruppen som kvantificeret ved højere værdi af E / A og højere tidlig fyldning (E-bølge) fraktion. Derudover PDF-parameteren k, der repræsenterer LV kammer stivhed, og C, der repræsenterer viskoelasticitet, var signifikant lavere i kaloriefattige begrænsning fag. Da E højdepunkt var ikke signifikant forskellig mellem de to grupper, kontrolgruppen bruger mere energi for at opnå den samme top påfyldning hastighed. Det fremgik, at kaloriefattige begrænsning er forbundet med mere effektiv DF. Desuden fyldet i ældre kaloriefattige begrænsede forsøgspersoner var sammenlignelig med en yngre normal kohorte, hvilket tyder på, at kaloriefattige begrænsning bremser kardiel aldring 26.

    _content "> NÆRVÆR VS. MANGLENDE mitral ringformede Svingninger

    PDF formalisme er også blevet anvendt til at analysere mitral ringformede svingninger (MAO) efter e'-bølge (E "-wave, E '' '-. Bølge, osv). Denne "ringning" af mitralannulus er blevet observeret hos mennesker 20 men karakterisering af nærvær og fravær af de efterfølgende svingninger manglede. Metoden tillod hypotesen, der skal testes, at fraværet af MAO kan forklares ved øgede viskoelastiske virkninger på grund af mindre eller langsommere effektiv afslapning. Ved at sammenligne 35 forsøgspersoner med MAO til 20 personer uden MAO, blev det konstateret, at den langsgående stivhed (K ') og i længderetningen viskoelasticitet / afslapning (c') var højere i gruppen uden MAO. Den indledende rekyl kraft, og den lagrede rekyl energi både var højere i gruppen med MAO. Desuden blev det vist, at fraværet af MAO var koncordant med afslapning-relaterede diastolisk dysfunktion 27. Derfor PDF analyse af væv Doppler E'- bølger afslører, at fraværet af MAO indikerer afslapning relateret diastolisk dysfunktion.

    Diastatiske STIVHED FRA E-WAVE ANALYSE

    Mens hældningen af ​​den endelige diastoliske tryk-volumen forhold (EDPVR) giver den velkendte stivhed-baserede indeks, hældningen (AP / AV) i diastatiske tryk-volumen (PV) forholdet (D-PVR) giver in vivo stivhed af den afslappede LV. Ekkokardiografisk (dvs. Doppler E-bølge), analyse kan give kun relativ, snarere end absolut tryk oplysninger. Derfor er det blevet vist, at den afslappede (diastatiske) stivhed LV kan beregnes direkte fra E-bølge analyse alene 28. Brug af PDF-formalisme og Bernoullis ligning tryk og volumen ved diastasis (i slutningen af ​​e-bølge) er afledt. Den afledte P, V punkter, når Montering vialineær regression generere D-PVR fra E-bølge analyse (D-PVR E-bølge), hvis hældning, diastatiske stivhed K E-bølge blev beregnet. Resultaterne gav fremragende korrelation (R2 = 0,92) mellem diastatiske stivhed fra PDF-baseret e-bølge analyse (K E-bølge) og den samtidige guldstandard måling af diastatiske stivhed fra samtidige PV data (K Cath) i 30 forsøgspersoner (444 i alt hjertecyklusser) med normal LVEF (LVEF> 55%).

    KINEMATISK PÅFYLDNING effektivitets index

    Fra en kinematisk modellering perspektiv, genererer en øget afslapning / viskositet konstanten c øget resistens over for påfyldning. Derfor et naturligt valg for idealiseret ventrikelfyldning er et scenarie skyldes rekyl kun og fuldstændig afslapning, dvs ingen dæmpning (c = 0). Den kinematiske påfyldning effektivitet indeks (KFEI) blev defineret og udledt 29 som den dimensionsløse forholdet mellem den faktiske volumen indtasteing af venstre ventrikel (LV) (Hastighedstidsintegral [VTI] af ægte e-bølge med PDF-parametre c, k, x o) den ideelle volumen (VTI for ideel E-bølge, der har samme k og x o men uden modstand påfyldning [c = 0]). Det var i 36 patienter med normal ventrikelfunktion (17 diabetiker og 19 godt matchede ikke-diabetiske kontroller) viser, at 30 KFEI af E-bølger i diabetiske patienter (49,1 ± 3,3%) var signifikant lavere end i normale patienter (55,8 ± 3,3%) . Det betyder, at selv når LVEF er normal, fylder effektivitet forringes hos diabetikere i forhold til nondiabetics.

    PÅFYLDNING EFFEKTIVITET forringes WITH AGE

    I lyset af den evne kinematiske påfyldning effektivitet indeks (KFEI) 29 for at vurdere udfylde diabetes vs. diabetiske kontroller blev alder afhængighed KFEI bestemt. Det blev vist, at KFEI, aftager i størrelsemed alderen og korrelerer meget stærkt med alderen (R2 = 0,80) ved at analysere 72 kontrolpersoner med normal LVEF (LVEF> 55%) og uden kardiovaskulær patologi 30. Alder afhængighed af andre konventionelle parametre for DF blev også evalueret. I konkordans med andre invasive DF foranstaltninger, der vides at falde med alderen, KFEI falder og korrelerer meget stærkt med alderen (R2 = 0,80). Multivariat analyse viste, at alder er den vigtigste bidragyder til KFEI (p = 0,003).

    LAST UAFHÆNGIGE INDEKS OVER diastolisk FUNKTION

    E-bølge konturer demonstrere beat-by-beat ændringer som reaktion på respiration og dermed demonstrere stærk belastning afhængighed. Faktisk alle indekser for DF er belastning-afhængige. Dette er problematisk, fordi det sætter spørgsmålstegn hvorvidt observerede forskelle i DF indekser er resultatet af belastningen variation eller resultatet af iboende kammer ejendom variation. Teoretisk forudsigelse og eksperimental validering af en belastning uafhængig indeks for diastolisk funktion (LIIDF) har været en lang søgt uløst problem i fysiologi / kardiologi. For at løse spørgsmålet om belastning afhængighed blev PDF formalisme anvendes på e-bølger målt ved variable belastninger. Gennem kinematisk modellering og matematisk beregning, blev en belastning uafhængig indeks afledt, som er bevaret mellem E-bølger målt på forskellige belastninger. For hver målte E-bølge, PDF parametre k og x o multipliceres til opnåelse kx o modellen forudsagte spidskraften værdi svarende til den maksimale øjeblikkelige trykgradient kørsel flow, og PDF parameteren c ganges peak hastighed E peak til opnåelse af en værdi for den maksimale kraft modsætter påfyldning. Plotning kx o vs. C E højdepunkt som et ordnet par for hver e-bølge genererer en meget lineær sammenhæng, hvis (dimensionsløs) hældning M er souGHT efter belastning uafhængig indeks og forbliver bevaret trods belastning genererede ændringer i E-bølger.

    Til validering E-bølger, der er optaget, mens belastningen blev varieret via tilt tabel (hoved op, vandret, og hovedet ned) i 16 raske frivillige blev analyseret. Resultaterne 33 gav meget høj korrelation (R2 = 0,98) mellem kx o og C E højdepunkt som forudsagt. Evne M til at skelne mellem normal og diastolisk dysfunktion forsøgspersoner blev også vurderet ved analyse af samtidige cath-ekko data i diastolisk dysfunktion fag vs. kontroller. Gennemsnitlig M for diastolisk dysfunktion gruppen (M = 0,98 ± 0,07) var signifikant lavere end kontroller (M = 1,17 ± 0,05, p <0,001) 33.

    Figur 1
    Figur 1. Sekvens af operationelle trintil montering (A) en E-bølge og (B) en e'-bølge via PDF-formalisme. A) fra venstre til højre-Transmitral flow billedet beskæres for at opnå Doppler hastighedsprofil. E-bølge maksimal hastighed kuvert (MVE) for at være egnet er valgt (vist i grønt med tidsfrister i blåt). Fejl minimere PDF pasform opnås via Levenberg- Marquardt algoritmen resulterer i PDF-parametre, og et mål for goodness of fit. B) lignende procedure for væv dopplerbillede. Billedet er vendt efter beskæring. Se tekst for detaljer. Klik her for at se en større version af dette tal.

    Figur 2
    Figur 2. Tre E-bølge mønstre med PDF passer. A) Normal / Pseudonormal fyldning mønster. B) Forsinket afslapning mønster. C) Snærende restriktiv mønster. Se tekst for detaljer. Klik her for at se en større version af dette tal.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    I overensstemmelse med vores methodologic fokus, er de vigtigste aspekter af de metoder, der fremmer opnår nøjagtige og meningsfulde resultater fremhævet.

    Ekkokardiografi

    American Society of Ekkokardiografi (ASE) har retningslinjer for udførelsen af transthoracic undersøgelser 16. Under et ekko eksamen, er der et væld af faktorer, der påvirker billedkvaliteten. Faktorer, der er uden for kontrol af sonographer nævnes: tekniske egenskaber imager bliver brugt, puls, tålmodig krop habitus, individuel variation i placering, orientering af anatomiske strukturer, og kvaliteten af ​​»ekko vinduet ', der refererer til de særlige kendetegn ved ultralyd transmission i et givet emne væv. Faktorer, som er direkte styres af sonographer omfatter maskinens indstillinger, herunder valg af transducer. Siden troskab af PDF analyse er afhængig af ekko billede kvaltet, bør forsigtighed under billedet erhvervelse proces at opnå de bedst mulige billeder.

    For optimal E-bølge billedkvalitet til PDF-analyse, hvilket maksimerer E-bølge størrelse i forhold til skærmen og indstille feje hastighed på 100 mm / sek er ønskelige. Høj hastighed og brug af fuld skærmstørrelse ved fastsættelsen af maksimal hastighed skala giver øget tidsmæssig opløsning (dvs. flere point for at være fit) langs både tid og hastighed akser. Baseline filter indstillinger kan også være bedre målrettet med højere indstillinger scanningshastighed. Antallet af hjertecyklusser optaget varierer meget mellem ECHO laboratorier. For meningsfyldt PDF analyse kontinuerlig optagelse gennem flere (3 eller 4) respiratoriske cyklusser er mest ønskelig. På en typisk hvilepuls på 75 slag / min, og 12 respirations / min 4 respiratoriske cykler udgør 20 sek kontinuerlig optagelse, der skal give 25 hjertecyklusser. Optagelse dette antal cykler er berettiget på grund af belastningen varying konsekvens af rolige åndedræt, således at LIIDF kan beregnes, hvis det ønskes. Bemærk, at computing værdier for x o, c og k er baseret på taktslag gennemsnit 25 er en legitim måde at karakterisere diastole. Belastningsvariationen kan også genereres under den kliniske optagelse af Valsalva eller Mueller manøvrer, eller ved passiv ben elevation anvendelse af en 30 ° skumkile.

    PDF parameterbestemmelse

    Algoritmisk DETALJER

    Ligningen af forslag til en dæmpet harmonisk oscillator og sin matematiske løsning er standard kursusindhold i Matematik, i fysik og mekanik 34. Valget af edb-sprog (C ++, Fortran, LabView, Matlab, mv.), Som det er gennemført, er også på foranledning af brugeren / investigator. Findes Standard numeriske metoder og er velkendte 35. Andre grupper har gennemført PDF formalismen med writing deres egen numerisk algoritme og har uafhængigt replikeret vores resultater, herunder numeriske værdier for PDF-parametre 36 i en stor undersøgelse, der involverer langt over 1.000 patienter. Mens igangværende arbejde omfatter udvikling af web-baserede PDF analyseværktøjer, kan den optimale, bred nå gavn af metoden opnås bedst ved inkorporering af PDF-formalisme i den proprietære analyse pakke af kommercielle ekkokardiografiske kameraer.

    Operatørafhængig ASPEKTER

    Når e-bølge billede er blevet importeret og beskåret (se figur 1) bestemmelse af den maksimale hastighed kuvert, dvs den egentlige sæt af punkter, som løsning af dæmpede harmoniske oscillerende hastighed skal passe ved fremgangsmåden, bestemmes. Som det fremgår af sekvensen af paneler og operationelle trin i figur 1 og beskrevet ovenfor baseline støj såvel som støj, der påvirker konturen oftenn del af billedet. Operatøren kan bestemme kontinuerlige sæt af punkter at være egnet, som vist i figur 1, ved at justere positionen af de lodrette blå linjer, der definerer starten og slutningen af de punkter, der skal passe. Metoden viser passer direkte over det importerede billede, og operatøren kan nemt vurdere, om det er fornuftigt eller ej.

    Puls har en effekt på varigheden af diastole og funktioner i E-bølge 37, og skal være omhyggelig med at fortolke resultaterne af den montering algoritme i forbindelse med patientens puls. Ved typiske puls under 80 slag / min, i sinusrytme E-og A-bølger er adskilt af en kort periode diastasis. Dette letter inklusion af deceleration del af E-bølge. Som hjerte stiger, diastasis aftager og forsvinder, da A-bølge debut indtræffer før E-bølge opsigelse. Ved hurtige hjertefrekvenser, over 90 slag / min, A-bølge overlejrer deceleration del af E-bølgeog PDF-analyse af E-bølgen bliver upålidelig på grund af det begrænsede antal MVE point til rådighed at være egnet. For meningsfuld analyse mindst 1/2 til 2/3 af det samlede deceleration E-bølge bølgeform bør være tilgængelig for montering.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Acknowledgements

    Dette arbejde blev støttet delvist af Alan A. og Edith L. Wolff Charitable Trust, St. Louis, og Barnes-Jewish Hospital Foundation. L. Shmuylovich og E. Ghosh blev delvist støttet af predoctoral stipendier fra Heartland Affiliate af American Heart Association. S. Zhu fik delvis støtte fra Washington University Compton Lærde Program og College of Arts og Sciences 'Sommer Undergraduate Research Award. S. Mossahebi fik delvis støtte fra Institut for 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).

    Comments

    0 Comments


      Post a Question / Comment / Request

      You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

      Video Stats