Kvantifisering av Global diastolisk funksjon av Kinetisk modellering basert analyse av transmitral Flow via Parametrized diastolisk Fylling 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

Nøyaktig, kausalitet basert kvantifisering av globale diastolisk funksjon har blitt oppnådd ved kinematisk modellering basert analyse av transmitral mengde via Parametrized diastolisk Fylling (PDF) formalisme. PDF genererer unike stivhet, avslapping og belastningsparametere og belyser "nye" fysiologi og samtidig gi sensitive og spesifikke indeksene dysfunksjon.

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 hjertefunksjon vurderingen, er fortsatt en utfordring for fysiologer og klinikere. Selv om historisk invasive metoder har omfattet de eneste midler som er tilgjengelige, utvikling av invasiv bildediagnostikk (ekkokardiografi, MRI, CT) med høy tidsmessig og romlig oppløsning gir et nytt vindu for kvantitativ diastolisk funksjonsevaluering. Ekkokardiografi er avtalt standard for diastolisk funksjon vurdering, men indeksene i dagens klinisk bruk bare utnytte valgte funksjoner i kammeret dimensjon (M-modus) eller blod / vev bevegelse (doppler) kurver uten å innlemme de fysiologiske årsaksfaktorer for bevegelsen selv. Erkjennelsen av at alle venstre ventriklene (LV) Ta initiativ til å fylle ved å fungere som mekaniske sugepumper tillater global diastolisk funksjon skal vurderes basert på lover om bevegelse som gjelder for alle kamrene. Hva skiller ett hjerte fra en annen er parametrene av bevegelsesligningen som governs fylling. Følgelig utvikling av Parametrized diastolisk Fylling (PDF) formalisme har vist at hele spekteret av klinisk observert tidlig transmitral flow (Doppler E-wave) mønstre er svært godt skikket av lovene i dempet svingebevegelsen. Dette muliggjør analyse av de enkelte E-bølger i samsvar med en kausal mekanisme (rekyl-initiert suge) som gir tre (numerisk) unike lumped parametere som fysiologisk analoger er kammeret stivhet (k), viskoelastisitet / avslapning (c), og belastningen (x o). Innspillingen av transmitral flyt (Doppler E-bølger) er standard praksis i klinisk kardiologi og derfor den ekkokardiografisk metode for registrering er bare kort anmeldt. Vårt fokus er på fastsettelse av PDF-parametere fra rutinemessig registrert E-bølgedata. Som de markerte resultatene indikerer, når PDF-parametrene er hentet fra et passende antall last varierende E-bølger, de investigator er gratis å bruke parametrene eller konstruere indekser fra parameterne (for eksempel lagret energi 1/2 kx o to, maksimum AV trykkgradient kx o, last uavhengig indeks over diastolisk funksjon, etc.) og velg aspekt av fysiologi eller patofysiologi skal kvantifiseres.

Introduction

Banebrytende studier av Katz 1 i 1930 avslørte at pattedyr venstre ventrikkel initierer fylling ved å være en mekanisk sugepumpe, og mye innsats siden da har vært viet til å rakne arbeidet i diastolen. For mange år, invasive metoder var de eneste alternativene som er tilgjengelige for klinisk eller forskning vurdering av diastolisk funksjon (DF) 2-16. På 1970-tallet derimot, tekniske fremskritt og utviklingen i ekkokardiografi slutt ga kardiologer og fysiologer praktiske verktøy for ikke-invasiv karakterisering av DF.

Uten en samlende årsaksteori eller paradigme for diastolen om hvordan hjertet fungerer når det fyller, forskere foreslått mange fenomenologisk indekser basert på korrelasjon med kliniske funksjoner. Den krumlinjet, hurtig stigende og fallende form transmitral blodstrømningshastigheten kontur under tidlig, hurtig fylling, for eksempel, ble tilnærmet som en trekant, og diastolisk fun k indekser ble definert fra geometriske funksjoner (høyde, bredde, område, etc.) av den trekanten. Tekniske fremskritt i ekkokardiografi har tillatt vev bevegelse, belastning og tøyning under fylling som skal måles, for eksempel, og hver teknisk avansement brakte med seg en ny avling av fenomenologiske indekser å være korrelert med kliniske funksjoner. Men indeksene fortsatt trene seg og ikke årsakssammenheng og mange indekser er ulike mål på den samme underliggende fysiologi. Det er ikke overraskende derfor at tiden ansatt kliniske indekser av DF har begrenset spesifisitet og sensitivitet.

For å overvinne disse begrensningene den Parametrized diastolisk Fylling (PDF) formalisme, en årsaks kinematiske, ble slått i hartkorn parameter modell av venstre ventrikkel fylling som er motivert av og inkorporerer sugepumpe fysiologi av diastolen utviklet og validert 17. Det modeller diastolisk funksjon (som manifestert ved krumlinjet figurerav transmitral flyt konturer) i samsvar med reglene i dempet harmonisk oscillasjon bevegelse. Ligningen for dempet harmonisk oscillasjon bevegelse er basert på Newtons andre lov og kan bli skrevet, per masseenhet, som:

Ligning 1 Ligning 1

Denne lineære 2. ordens differensiallikning har tre parametere: k - kammer stivhet, c - viskoelastisitet / avslapping, og x o - oscillator innledende fortrengning / forspenning. Modellen forutsier at de forskjellige klinisk observerte diastolisk fylling mønstre er et resultat av variasjonen i den numeriske verdien av disse tre modellparametere. Basert på PDF-formalisme og klassisk mekanikk, kan e-bølger klassifiseres som blir bestemt av under-dempede eller over dempet regimer for bevegelse. Tallrike studier 21. Fremgangsmåte for ekstrahering av modellparametere fra klinisk innspilt E-bølgedata er beskrevet i metodene nedenfor.

I motsetning til typiske indekser av DF i dagens klinisk bruk, PDF modellens tre parametrene er kausalitet basert. Som omtalt i metodene nedenfor, kan flere indekser av diastolisk fysiologi være avledet fra disse grunnleggende parametre og fra anvendelsen av PDF formalisme til aspekter av diastolen annet enn transmitral flyt. I dette arbeidet, metoder for PDF-basert analyse av transmitral flyt og de fysiologiske forbindelser som kan trekkes fra PDF-tilnærming, er dens parametere og avledet indeksene beskrevet. I tillegg er det vist at PDF-parametere eller indekser avledet fra dem kan ertehverandre iboende kammer egenskaper fra de eksterne virkningene av belastning kan gi korrelater til tradisjonelle invasiv definerte parametere og kan skille mellom normale og patologiske grupper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Prosedyren for å anskaffe ekkokardiografiske bilder og analysere dem for å få PDF-parametrene er beskrevet nedenfor. Selv hjertekateterisering er nevnt i emnevalg delen nedenfor, metoden beskrevet gjelder kun for ekkokardiografisk delen. Beskrivelsen av kateterisering del ble inkludert for uavhengig validering av modellbaserte prediksjoner og er ikke relatert til analysen av E-bølger via PDF formalisme. Før datainnsamling, gir alle fag signert, informert samtykke til deltakelse i studien i samsvar med Institutional Review Board (menneskelig Forskning Protection Office) ved Washington University School of Medicine.

MERK: Alle programmer (sammen med tutorials på hvordan du bruker dem) som er beskrevet i denne delen kan lastes ned fra http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

1. Med forbehold Selection

MERK: Alle fag i Cardiovascular biofysikk Laboratory Database hadde simultan ekkokardiografi og hjertekateterisering utføres og ble henvist av sine leger for diagnostisk hjertekateterisering. Inklusjons database kriteriene er: 1) fravær av vesentlige klaffefeil, 2) fravær av vegg bevegelses unormalt eller grenblokk på EKG, 3) tilstedeværelse av en tilfredsstillende ekkokardiografisk vindu med klart identifiserbar E- og A-bølger.

2. ekkokardiografisk Data Acquisition

  1. Ta opp en komplett 2D / ekko-Doppler undersøkelse for alle fag i henhold til American Society of Echocardiography kriterier 16. MERK: screening echocardiograms ble spilt inn på en standard klinisk imager av en sonographer. Om ønskelig kan ytterligere transtorakal ekkokardiografisk opptak utføres for verifisering formåls etter en egnet, high fidelity kateter avanserte inn i LV for å måle LV hemodynamics samtidig.
  2. Bilde fag i liggende stilling. I en nonresearch setting, kan standard venstre lateral posisjonering brukes uten tap av generalitet av metoden. Skaff apikale visninger fire-kammer ved hjelp av en 2,5 MHz svinger, med prøvevolumet gated på 1.5-5 mm rettet mellom tuppen av mitralklaffen brosjyrer og ortogonale til MV planet (for å minimere justeringseffekter som sett på farge M-modus Doppler ), veggen filter satt til 1 (125 Hz) eller 2 (250 Hz), basislinje justert for å ta seg av hele høyden av skjermen og hastighetsskalaen justert for å utnytte det dynamiske området for utgangs uten aliasing.
  3. Utfør Doppler vev bildebehandling med prøvevolumet gated på 2,5 mm og plassert på den laterale og septal potions av mitralannulus.
  4. Lagre Doppler eksamen i DICOM-format i ekkomaskinen og ta opp på DVD med simultaneously registrert elektrokardiogram (EKG).

3. Doppler bildebehandling og konvensjonell analyse

MERK: Denne delen beskriver to tilpassede MATLAB programmer. Den første program er beskrevet i trinn 3.1 og den andre programmet er beskrevet i trinn 3.2 til 3.5. Alle programmer (sammen med tutorials på hvordan du bruker dem) kan lastes ned fra http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

  1. Konvertere bilder fra DICOM format og video til bitmap (BMP) filer (ved hjelp av en tilpasset MATLAB program). NB: Den fremgangsmåte som er beskrevet nedenfor for å passe Doppler E-bølger og vevsdoppler E'-bølger er vist i figur 1.
  2. Laste bitmap bildefiler på en annen tilpasset MATLAB program for å måle konvensjonelle transmitral strømningsparametere som E topp, en topp, E dur 'peak, A' peak, etc. og beskjære bildene for PDF analyse. Velg bilder med merkbar transmitral flyt kontur og fullstendig hjertesyklus som indikert av EKG for analyse.
  3. Mark tidssamplingshastighet (målt i bildepunkter / s på den horisontale akse), og hastighetssamplingshastighet (målt i bildepunkter / (m / sek) langs den vertikale akse) i bildene. Identifiser komplett hjertesyklus ved å notere og merking påfølgende R topper (eller noen distinkt funksjon av EKG) på bildet.
  4. Marker transmitral Doppler E og A-bølge eller vevsdoppler E'- og A'- bølge i den valgte hjertesyklusen.
    1. Velg Doppler E-bølge peak punkt ie. E peak, (eller E 'peak) og markere starten på bølgen ved hjelp av linje fra topp til start som en guide for å matche akselerasjonen skråningen av E-wave (eller E'-bølge). Starten av bølgen blir brukt til å beregne intervallet fra start til peak flyt betegnet som E-wave (eller E'-bølge) akselerasjonstiden (AT).
    2. Markere slutten på E-wave (eller E'-bølge) med linje fra topp til slutten som en guide for å matche retardasjon skråningen. Dette brukes til å beregne intervall fra topp til grunnlinjen betegnes som forsinkelsestiden (DT). Intervallet fra start til slutt av bølgen er varigheten av den E-bølge (E dur = AT + DT). Programmet guider brukeren gjennom hele prosessen med riktige instruksjonene.
  5. Mark A-bølgen ved hjelp av en lignende fremgangsmåte som den E-bølge. Med både E-og A-bølger merket programmet beregner E peak / A topp-forhold.
    MERK: Programmet lagrer de merkede bølger som beskjærte bilder som inneholder E- og bare A-bølger. Programmet oppretter også en datafil med beskjærings og målte parametere for hver beat.

4. Automatisert Montering av transmitral Flow Bruke PDF formalisme

Den automatiserte montering av Doppler E- og A-bølge og vevsdoppler E'- og A'- bølge konturer gjøres ved hjelp av en tilpasset LabView program 18,19.
  1. Laste det beskårede bildet, og programmet beregner automatisk den maksimale hastighet konvolutt (MVE). Velg MVE ved å sette terskelen slik at MVE tilnærmet transmitral strøm som vist i figur 1. Start og avslutning av de punktene som definerer MVE kan velges langs tidsaksen av operatøren slik at bare MVE punkter som gir god korrespondanse til selve valgte delen av bølgen blir brukt som inngang for den etterfølgende montering.
  • MERK: brukervalgte MVE poeng er innspill til dataprogram som tilpasser automatisk PDF-modellen løsningen for hastighet som funksjon av tid ved hjelp av en Levenberg- Marquardt (iterativ) algoritme. Beslaget er skjedd med kravet om at den midlere kvadratiske feilen mellom den kliniske (input)data (MVE) og PDF-modellen spådd kontur minimeres. Siden modellen er lineær, er et unikt sett av parametere oppnådd for hver doppler-E-bølge utledet MVE brukt som inngang. Således numerisk unike k, c og x o verdier blir generert for hvert E-bølge, og k ', c', og x o 'for hver E'-bølge.
  • I tilfelle det passer er åpenbart suboptimal når det passer blir overlagret på det E-bølge (eller E'-bølge) bilde (dvs.. Algoritmen forsøkt å passe støy som inngår i MVE for eksempel) modifisere MVE ved å bruke mer / mindre poeng, og dermed modifisere modellen spådd kontur med påfølgende endring av PDF-parametere for å oppnå en bedre passform.
  • Lagre data når den aktuelle PDF passform har blitt generert. MERK: Programmet er skrevet for å automatisk lagre dataene i bilde og tekstfiler som inneholder PDF-parametere ogkonturen informasjon.
    PDF parametere oppnådd fra fremgangsmåten beskrevet ovenfor kan brukes til å belyse nye fysiologi og skille mellom normale og patologiske fysiologiske som beskrevet i Representative resultater nedenfor.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    Doppler-bølgeformene er representative for de fire forskjellige typer av fyllemønstre (normal, pseudonormal, forsinket avslapning, konstriktiv-begrensende) ved hjelp av metoden beskrevet ovenfor er vist i figur 2. Figur 2A viser det normale mønster, som i seg selv ikke kan skilles fra pseudonormal mønster. Figur 2B viser en forsinket avslapping og Figur 2C viser en konstriktiv-restriktiv mønster assosiert med alvorlig diastolisk dysfunksjon. For oversiktens skyld er PDF modell spådd passer kledde på bildene. De konvensjonelle ekkoparametere (E peak, en topp, E-bølge på, og E-bølge DT) og PDF-parametre (K, C, x o) er listet opp under hvert bilde. Som tallene viser, PDF formalisme passer (spår) alle disse tre fyllestasjoner mønstre svært godt. PDF parametrene gir også informasjon om kammer egenskaper. Det delegges avslapping mønster (figur 2B) har vanligvis høyere viskoelastisitet / avslapping PDF parameter c enn det normale mønsteret (figur 2A). Konstriktiv-restriktiv mønster (figur 2C) har vanligvis en høyere stivhet (PDF parameter k) enn det normale mønsteret.

    Analyse av Doppler E-bølger ved hjelp av PDF formalisme har blitt brukt til å skille mellom normale og patologiske grupper og å oppdage nye fysiologi. Nedenfor finner du noen utvalgte publiserte resultatene av PDF formalisme basert DF analyse ment å skille mellom patologisk og normal fysiologi og utvalgte anvendelser av PDF formalisme å belyse nye fysiologi.

    DIABETES

    Metoden har vist seg å kvantifisere forskjellen i DF mellom diabetikere og alderstilpassede kontrollpersoner. Mens de konvensjonelle indekser som E-bølge retardasjon tid-DT, E c var signifikant forskjellig mellom gruppene 22. I tillegg peak atrioventrikulær trykkgradient, som kan beregnes fra PDF-parametere som KX o 23 var signifikant høyere i diabetiker gruppen. Se også kinematisk fylling effektivitet, anvendt på diabetikere under.

    Hypertensjon

    Metoden har blitt brukt til å analysere transmitral fylling mønstre i hypertensive personer sammenlignet med kontrollene 24. Konvensjonell Doppler avledet indeksene var ikke i stand til å skille mellom gruppene, men PDF parameter c var signifikant høyere i hypertensive fagene gruppen sammenlignet med nonhypertensive kontroller.

    Caloric begrensning SLOWS CARDIAC aldring >

    Metoden bedømmes virkningen av kalorirestriksjon på DF hos mennesker 25. DF ble vurdert hos personer som praktiserer kaloribegrensning ved å måle transmitral flyt og sammenligne med alders matchede kontroller. DF var betydelig bedre i caloric begrensning gruppe som kvantifisert ved høyere verdi av E / A og høyere tidlig fylling (E-bølge) fraksjonen. I tillegg PDF parameter k, som representerer LV kammer stivhet, og c, som representerer viskoelastisitet, var signifikant lavere i kalori begrensning fag. Ettersom E topp var ikke signifikant forskjellig mellom de to gruppene, expends kontrollgruppen mer energi for å oppnå den tilsvarende topp fyllehastighet. Dette viste at kaloribegrensning er forbundet med mer effektive DF. Videre fyllet i eldre caloric begrenset fagene var sammenlignbar med en yngre normal årsklasse, noe som tyder på at caloric begrensning bremser hjerte aldring 26.

    _content "> NÆRVÆR VS. FRAVÆR AV mitral ringformet Svingninger

    PDF formalisme har også blitt brukt til å analysere mitral ringformede svingninger (MAO) etter E'-wave (E "-wave, E '' '-. Bølge, etc). Denne "ringing" av mitralannulus er observert hos mennesker, men 20 karakterisering av tilstedeværelse og fravær av etterfølgende svingninger manglet. Fremgangsmåten tillot hypotesen som skal testes at fravær av MAO er forklart av økte viskoelastiske virkninger på grunn av mindre eller langsommere effektiv avkobling. Ved å sammenligne 35 forsøkspersoner med MAO til 20 individer uten MAO, ble det funnet at den langsgående stivhet (k ') og den langsgående viskoelastisitet / avslapning (c') var høyere i gruppen uten MAO. Den opprinnelige rekylkraften og den lagrede rekylenergi begge var høyere i gruppen med MAO. I tillegg, ble det vist at ved fravær av MAO ble konsordant med avslapning relaterte diastolisk dysfunksjon 27. Derav PDF analyse av vev Doppler E'- bølger avslører at fravær av MAO indikerer avslapning relatert diastolisk dysfunksjon.

    Diastatiske stivhet E-Wave analyse

    Selv om helningen av ende-diastolisk trykk-volumforholdet (EDPVR) gir den kjente stivhet baserte indeks, helningen (AP / ΔV) av diastatic trykk-volum (PV) forholdet (D-PVR) gir en in-vivo stivhet av den avslappede LV. Ekkokardiografisk, (dvs. Doppler E-bølge), analyse kan gi bare relativ, snarere enn absolutt trykk informasjon. Følgelig har det vist seg at den avslappede (diastatic) stivhet i LV kan beregnes direkte fra E-bølge analyse alene 28. Bruke PDF formalisme og Bernoullis ligning trykk og volum på diastase (slutten av E-bølge) er avledet. Den avledet P, V poeng når fit vialineær regresjon generere D-PVR fra E-bølge analyse (D-PVR E-bølge) hvor bakkene, diastatic stivhet K E-bølgen ble beregnet. Resultatene ga utmerket korrelasjon (R 2 = 0,92) mellom diastatic stivhet fra PDF basert E-bølge analyse (K E-bølge) og den samtidige gullstandarden måling av diastatic stivhet fra samtidige PV data (K Cath) i 30 fag (444 totalt hjerte sykluser) med normal LVEF (LVEF> 55%).

    Kinematisk FYLLE EFFEKTIVITET INDEX

    Fra en kinematisk modellering perspektiv, genererer en økt avslapning / viskositet konstant c økt motstand mot å fylle. Derav et naturlig valg for idealisert ventrikkel fylling er et scenario på grunn av rekyl bare og fullstendig avslapning, dvs. ingen demping (c = 0). Den kinematiske fylling effektiviteten indeks (KFEI) ble definert og avledet 29 som den dimensjons forholdet mellom faktiske volumet inning venstre ventrikkel (LV) (hastighet tidsintegralet [VTI] av fast E-bølge med PDF-parametere c, k, x o) til den ideelle volum (VTI av ideelle E-bølge som har samme k og x o men uten motstand fylling [c = 0]). I 36 pasienter med normal ventrikkelfunksjon (17 diabetiker og 19 godt matchet nondiabetic kontroller) ble det vist at 30 KFEI av E-bølger i diabetespasienter (49,1 ± 3,3%) var signifikant lavere enn hos normale pasienter (55,8 ± 3,3%) . Dette betyr at selv når LVEF er normalt, er å fylle effektivitet svekket hos diabetikere sammenlignet nondiabetics.

    FYLLE blir dårligere effekt med alderen

    I lys av evne til kinematisk fylling effektiviteten indeks (KFEI) 29 for å vurdere fylle diabetes vs. nondiabetic kontroller, ble alders avhengighet av KFEI bestemt. Det ble vist at KFEI, reduseres i omfangmed alder og korrelerer meget sterkt med alderen (R2 = 0,80) ved å analysere 72 kontrollpersoner med normal LVEF (LVEF> 55%) og uten kardiovaskulær patologi 30. Alderen avhengighet av andre konvensjonelle parametere for DF ble også evaluert. I samsvar med andre ikke-invasiv DF tiltak kjent for å avta med alderen, KFEI minker og korrelerer meget sterkt med alderen (R2 = 0,80). Multivariat analyse viste at alder er den viktigste bidragsyteren til KFEI (p = 0,003).

    LAST INDEPENDENT indeks over diastolisk FUNKSJON

    E-bølge konturer viser kryss-for-slag endres som reaksjon på respirasjon og dermed demonstrere sterk belastning avhengighet. Faktisk alle indekser av DF er lastavhengig. Dette er problematisk fordi den setter spørsmålstegn ved om de observerte forskjellene i DF indekser er et resultat av belasting eller resultatet av indre kammeret eiendom variasjon. Teoretisk prediksjon og eksperimental validering av en last uavhengig indeks over diastolisk funksjon (LIIDF) har vært en lenge søkt uløst problem i fysiologi / kardiologi. For å adressere spørsmålet om lasten avhengighet, ble PDF formalisme gjaldt E-bølger målt ved varierende belastning. Gjennom kinematisk modellering og matematiske utledning, ble en belastning uavhengig indeks avledet, som er konservert mellom E-bølger målt ved forskjellige belastninger. For hver målte E-bølge, PDF parametrene k og x o multipliseres for å gi kx o, forutsagt av modellen peak force verdi som er analog til toppen momentant trykkgradienten kjørestrømmen, og PDF parameter c multipliseres med topphastighet E peak for å gi en verdi for toppkraften motstå fylling. Plotting kx o vs. C E topp som et ordnet par for hver e-bølge genererer en svært lineær sammenheng som (dimensjonsløs) skråningen M er sought etter belastning uavhengig indeks og forblir bevart til tross for belastningen endringer i e-bølger.

    For validering E-bølger tatt opp mens lasten var variert via tilt table (hodet opp, horisontal, og hodet ned) i 16 friske frivillige ble analysert. Resultatene 33 ga svært høy korrelasjon (R 2 = 0,98) mellom kx o og c E peak som spådd. Evnen til M for å skille mellom normale og diastolisk dysfunksjon fagene ble også vurdert ved analyse av samtidige Cath-ekko data i diastolisk dysfunksjon fag vs. kontroller. Gjennomsnittlig M for diastolisk dysfunksjon gruppen (M = 0.98 ± 0.07) var signifikant lavere enn kontrollgruppen (M = 1.17 ± 0.05, P <0,001) 33.

    Figur 1
    Figur 1. Sekvens av operasjonelle skrittfor montering (A) en e-wave og (B) en E'-bølge via PDF formalisme. A) fra venstre til høyre-transmitral flyt bildet er beskåret for å få Doppler hastighetsprofil. E-bølge maksimal hastighet konvolutt (MVE) for å være fit er valgt (vist i grønt med frister i blått). Feil minimere PDF fit oppnås via Levenberg- Marquardt algoritme som resulterer i PDF-parametere og et mål på egnethets. B) Lignende prosedyre for vevsdoppler bildet. Bildet er snudd etter beskjæring. Se teksten for detaljer. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

    Figur 2
    Figur 2. Tre E-bølgemønstre med PDF passer. A) NormB al / Pseudonormal fylling mønster.) Forsinket avslapping mønster. C) Klypende-restriktiv mønster. Se teksten for detaljer. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    I tråd med vår methodologic fokus, er de viktigste aspektene ved metodene som kan motta nøyaktige og meningsfulle resultater uthevet.

    Ekkokardiografi

    The American Society of Ekkokardiografi (ASE) har retningslinjer for utførelsen av Transtorakal studier 16. Under et ekko eksamen, er det en rekke faktorer som påvirker bildekvaliteten. Faktorer som er utenfor kontroll av sonographer inkluderer: tekniske egenskapene til imager blir brukt, puls, pasient kroppshabitus, individuell variasjon i plassering, orientering av anatomiske strukturer, og kvaliteten på 'ekko window ", med henvisning til hva som kjennetegner ultralydoverføring i en gitt subjektets vev. Faktorer som er direkte kontrollerbar ved sonographer inkluderer maskininnstillinger, inkludert valg av svinger. Siden fidelity av PDF-analyse er avhengig av ekko bilde qualtet, bør man være forsiktig under bildet anskaffelsesprosessen for å oppnå best mulige bilder.

    For optimal E-bølge bildekvalitet for PDF analyse, maksimere E-bølge størrelse i forhold til skjermen og sette sveipehastighet til 100 mm / sek er ønskelig. Høy viskerhastighet og bruk av hele skjermstørrelsen i å bestemme maksimal hastighetsskalaen gir økt tidsoppløsning (dvs. flere poeng for å være passe) langs både tid og hastighet akser. Baseline filterinnstillingene kan også være bedre bestemt med høyere hastighetsinnstillinger feie. Antallet hjertesykluser registrert, er svært variabel mellom ekko laboratorier. For menings PDF analyse kontinuerlig opptak gjennom flere (3 eller 4) respirasjonssyklusene er mest ønskelig. På en typisk hvilepuls på 75 slag / min og 12 respirations / min, 4 respirasjonssyklusene beløpe seg til 20 sek for kontinuerlig opptak som skal gi 25 hjertesykluser. Opptak dette antall sykluser er berettiget på grunn av belastningen varying konsekvens av ro respirasjon, slik at LIIDF kan beregnes hvis ønskelig. Oppmerksom på at dataverdier for x o, c og k basert på 25 slag gjennomsnitt er en legitim måte å karakter diastolen. Belasting kan også genereres under klinisk opptak av Valsalva eller Mueller manøvrer, eller ved passiv ben høyde ved hjelp av en 30 ° skum kile.

    PDF PARAMETER BESTEMMELSE

    Algoritmisk INFORMASJON

    Bevegelsesligningen for en dempet harmonisk oscillator og dens matematiske løsningen er standard kursinnhold i ingeniør matematikk, fysikk og mekanikk 34. Valget av dataspråk (C ++, Fortran, LabView, MATLAB, etc.) Der den iverksettes er også på skjønn av brukeren / etterforsker. Standard numeriske metoder eksisterer og er velkjente for 35. Andre grupper har implementert PDF formalisme av writing sitt eget numerisk algoritme og har uavhengig replikert våre resultater, inkludert tallverdier for PDF parameter 36 i en stor studie med godt over 1000 pasienter. Mens pågående arbeidet omfatter å utvikle web-baserte PDF analyseverktøy, kan den optimale, bred nå nytte av metoden best oppnås ved inkorporering av PDF formalisme i den proprietære analyse pakke med kommersielle ekkokardiografiske kameraer.

    Operatøravhengig ASPEKTER

    Når E-bølge bilde har blitt importert og beskjæres (se figur 1) bestemmelse av den maksimale hastighet konvolutten, dvs. det faktiske sett av punkter som gjelder oppløsning av dempede harmoniske svingningshastighet skal passe ved fremgangsmåten, blir bestemt. Som vist av sekvensen av paneler og driftsfremgangsmåten i figur 1 og diskutert ovenfor, er utgangsstøy så vel som fremmedstøy som påvirker konturen Often del av bildet. Operatøren kan avgjøre den kontinuerlige sett av punkter for å være skikket, som vist i figur 1, ved å justere posisjonen til de vertikale blå linjer som definerer starten og slutten av punktene for å være skikket. Metoden viser passe direkte over importerte bildet og operatøren lett kan vurdere om det er meningsfull eller ikke.

    Hjertefrekvensen har en effekt på varigheten av diastolen og funksjonene i E-bølge 37, og omsorg må tas for å tolke resultatene av beslaget algoritmen i sammenheng med pasientens puls. På typiske hjertefrekvens under 80 slag / min, sinusrytme E-og A-bølger er atskilt med en kort periode med diastase. Dette muliggjør inkludering av retardasjon delen av E-bølge. Som hjerte priser øker, minker diastase og forsvinner, siden A-bølge utbruddet skjer før E-bølge oppsigelse. Ved rask hjerte priser, over 90 slag / min, A-bølge ligger over retardasjon delen av E-bølgenog PDF analyse av E-bølgen blir upålitelig på grunn av det begrensede antallet MVE poeng tilgjengelig for å være passe. For meningsfull analyse på minst 1.2 til 2.3 av det totale retardasjon E-bølgepulsform bør være tilgjengelig for montering.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Acknowledgements

    Dette arbeidet ble støttet delvis av Alan A. og Edith L. Wolff Charitable Trust, St. Louis, og Barnes-Jewish Hospital Foundation. L. Shmuylovich og E. Ghosh ble delvis støttet av predoctoral stipend utmerkelser fra Heartland Affiliate av American Heart Association. S. Zhu fikk delvis støtte fra Washington University Compton Scholars Program og College of Arts and Sciences 'Summer Undergraduate Forskning Award. S. Mossahebi fikk delvis støtte fra Institutt for fysikk.

    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