Kwantificering van Global diastolische functie door Kinematisch Modeling-gebaseerde analyse van transmitraal Flow via de Geparameteriseerde diastolische Vullen 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

Nauwkeurige, causaliteit kwantificering van de wereldwijde diastolische functie is bereikt door kinematische-modeling gebaseerde analyse van transmitraal stroom via de Geparameteriseerde diastolische Vullen (PDF) formalisme. PDF genereert unieke stijfheid, ontspanning, en de belasting parameters en belicht 'nieuwe' fysiologie, terwijl het verstrekken van gevoelige en specifieke indexen van disfunctie.

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

Kwantitatieve hartfunctie evaluatie blijft een uitdaging voor de fysiologen en artsen. Hoewel historisch invasieve methoden bestaat de enige beschikbare middelen, de ontwikkeling van niet-invasieve beeldvormende technieken (echografie, MRI, CT) met een hoge temporele en ruimtelijke resolutie bieden een nieuw venster voor kwantitatieve diastolische functie evaluatie. Echocardiografie wordt de overeengekomen norm voor de diastolische functie assessment, maar indexen in de huidige klinische gebruik alleen maar maken gebruik van geselecteerde kenmerken van de kamer dimensie (M-modus) of bloed / weefsel beweging (Doppler) golfvormen zonder integratie van de fysiologische causale determinanten van de beweging zelf. De erkenning dat alle linker ventrikel (LV) initiëren vullen door te dienen als mechanische afzuigers maakt globale diastolische functie te worden beoordeeld op basis van wetten van de beweging die van toepassing zijn op alle kamers. Wat onderscheidt een hart van een ander zijn de parameters van de vergelijking van de beweging die govErns vulling. Dienovereenkomstig, de ontwikkeling van de Geparameteriseerde diastolische Vullen (PDF) formalisme heeft aangetoond dat het hele scala van klinisch waargenomen vroege transmitraal flow (Doppler E-wave) patronen zijn uitermate geschikt door de wetten van de gedempte oscillerende beweging. Dit maakt analyse van afzonderlijke E-golven volgens een oorzakelijkheidsorganisme (terugslag ingeleid zuiging) dat drie (numeriek) unieke geconcentreerde fysiologische parameters waarvan analogen kamer stijfheid (k), viscoelasticiteit / relaxatie (c) en belasting (x geeft o). De opname van transmitraal flow (Doppler E-golven) is de gangbare praktijk in de klinische cardiologie en daarom de echocardiografische opname methode wordt slechts kort beoordeeld. Onze focus ligt op het bepalen van de PDF-parameters routinematig opgenomen E-wave data. Aangezien de gemarkeerde resultaten geven, wanneer de PDF parameters werden verkregen uit een geschikt aantal belastingscycli variërende E-golven, de invesmoor is vrij om de parameters te gebruiken of te construeren indexen van de parameters (zoals opgeslagen energie 1/2 kx o 2, maximaal AV drukgradiënt kx o, belasting onafhankelijke index van diastolische functie, etc.) en selecteer het aspect van de fysiologie en pathofysiologie worden gekwantificeerd.

Introduction

Baanbrekende studies van Katz 1 in 1930 bleek dat het zoogdier linker ventrikel initieert vullen door als een mechanische zuigpomp en veel moeite sindsdien gewijd aan het ontrafelen van de werking van diastole. Gedurende vele jaren, invasieve methoden waren de enige opties die beschikbaar zijn voor klinisch onderzoek of beoordeling van de diastolische functie (DF) 2-16. In de jaren 1970, echter, de technische vooruitgang en de ontwikkelingen in echocardiografie gaf uiteindelijk cardiologen en fysiologen praktische instrumenten voor niet-invasieve karakterisering van DF.

Zonder een verenigende causale theorie of paradigma voor diastole over hoe het hart werkt als het vult, onderzoekers voorgesteld talrijke fenomenologische indexen op basis van correlatie met de klinische kenmerken. De kromlijnige, snel stijgende en dalende vorm van de transmitraal bloedstromingssnelheid contour tijdens de vroege, snelle vulling, bijvoorbeeld, werd benaderd als een driehoek en diastolische functies indexen werden gedefinieerd op basis van geometrische kenmerken (hoogte, breedte, oppervlakte, etc..) van die driehoek. Technische vooruitgang in de echocardiografie hebben toegestaan ​​weefsel beweging, spanning en reksnelheid tijdens het vullen te meten, bijvoorbeeld, en elke technische vooruitgang bracht een nieuwe oogst van fenomenologische indexen worden gecorreleerd met klinische kenmerken. Echter, de indexen blijven correlatieve en niet causaal en veel indexen zijn verschillende maatregelen van dezelfde onderliggende fysiologie. Het is dan ook niet verwonderlijk, dat momenteel in dienst klinische indexen van DF hebben beperkte specificiteit en sensitiviteit.

Om deze beperkingen de Geparameteriseerde diastolische Vullen (PDF) formalisme, een causaal kinematische overwinnen, hoop gegooid parameter model van de linker ventrikel vulling die wordt gemotiveerd door en is voorzien van de zuig-pomp fysiologie van diastole is ontwikkeld en gevalideerd 17. Het modellen diastolische functie (zoals blijkt uit de gebogen vormenvan transmitraal stroom contouren) in overeenstemming met de regels van de gedempte harmonische oscillerende beweging. De vergelijking voor gedempte harmonische oscillerende beweging is gebaseerd op de tweede wet van Newton en geschreven kan worden, per massa-eenheid, zoals:

Vergelijking 1 Vergelijking 1

Deze lineaire 2de orde differentiaalvergelijking heeft drie parameters: k - kamer stijfheid, c - visco-elasticiteit / ontspanning, en x o - de oscillator initiële verplaatsing / preload. Het model voorspelt dat de verschillende klinisch waargenomen diastolische vulling zijn het resultaat van de variatie in de numerieke waarde van deze drie modelparameters. Op basis van de PDF-formalisme en de klassieke mechanica, kan E-waves worden aangemerkt als zijnde bepaald door onder-gedempt of over-gedempte regimes van de beweging. Talrijke studies 21. Het proces voor het extraheren van model parameters van klinisch opgenomen E-wave data wordt gedetailleerd beschreven in de volgende methoden.

In tegenstelling tot de typische indexen van de DF in de huidige klinische gebruik, drie parameters van de PDF-model zijn causaliteit gebaseerd. Zoals in de volgende methoden kunnen bijkomende indexen van diastolische fysiologie ontlenen aan deze fundamentele parameters en de toepassing van de PDF formalisme aspecten van diastole dan transmitraal flow. In dit werk, methoden van PDF-gebaseerde analyse van transmitraal flow en de fysiologische relaties die kunnen worden getrokken uit de PDF-aanpak, de parameters en de afgeleide indexen worden beschreven. Daarnaast is aangetoond dat de PDF parameters of indexen daaruit kunnen plagenafgezien intrinsieke kamer eigenschappen van de externe effecten van de belasting kan correlaties geven aan traditionele invasieve gedefinieerde parameters en kan onderscheid maken tussen normale en pathologische groepen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

De procedure voor het verkrijgen van echocardiografische beelden en analyseren van hen om het PDF-parameters te verkrijgen wordt hieronder beschreven. Hoewel hartkatheterisatie wordt vermeld in het onderwerp selectie deel hieronder, de beschreven methode is alleen van toepassing op de echocardiografische gedeelte. De beschrijving van de catheterisatie deel werd opgenomen voor een onafhankelijke validatie van het model op basis van voorspellingen en staat los van de analyse van de E-golven via de PDF-formalisme. Voorafgaand aan de data-acquisitie, bieden alle vakken getekend, geïnformeerde toestemming voor deelname aan het onderzoek in overeenstemming met de Institutional Review Board (Human Research Protection Office) aan de Washington University School of Medicine.

NB: Alle programma's (samen met tutorials over hoe ze te gebruiken) in dit gedeelte worden beschreven kan worden gedownload van http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

1 Onderwerpsselectie

OPMERKING: Alle onderwerpen in het Cardiovascular Biofysica Laboratorium Database had gelijktijdige echocardiografie en hartkatheterisatie uitgevoerd en werden door hun artsen voor diagnostische hartkatheterisatie. De criteria databank opnemen, zijn: 1) ontbreken van belangrijke valvular afwijkingen, 2) gebrek aan wandbewegingsafwijkingen of bundeltakblok op ECG, 3) aanwezigheid van een bevredigende echocardiografische raam met duidelijk herkenbare E-en A-golven.

2 Echocardiografische Data Acquisition

  1. Het opnemen van een volledige 2D / echo-Doppler onderzoek voor alle vakken in overeenstemming met de American Society of echocardiografie criteria 16. OPMERKING: De screening echocardiograms werden opgenomen op een standaard klinische imager door een sonographer. Indien gewenst, kunnen extra transthoracale echocardiografisch opname voor verificatie doeleinden worden uitgevoerds na een geschikte, high fidelity katheter wordt gevorderd in de LV naar LV hemodynamiek tegelijkertijd meten.
  2. Afbeelding onderwerpen in rugligging. In een nonresearch instelling, kan standaard linker laterale positionering zonder verlies van algemeenheid van de methode worden gebruikt. Verkrijgen apicale bezoekers vier-kamer met een 2,5 MHz transducer, met het monstervolume gated bij 1.5-5 mm gericht tussen de uiteinden van de mitrale klepbladen en loodrecht op de MV vlak (om aanpassing te minimaliseren zoals gezien op kleur M-mode Doppler ), de wand filter ingesteld op 1 (125 Hz) of 2 (250 Hz), de basislijn aangepast om te profiteren van de volledige hoogte van het scherm en de snelheidsschaal aangepast aan de dynamiek van de output benutten zonder aliasing.
  3. Voeren Doppler weefsel beeldvorming met het monster volume gated bij 2,5 mm en geplaatst aan de laterale en septum drankjes van de mitralis annulus.
  4. Spaar Doppler examens in DICOM-formaat in het echo apparaat en opnemen op DVD met simultaneously opgenomen elektrocardiogram (ECG).

3 Doppler Beeldverwerking en Conventionele Analyse

OPMERKING: Dit hoofdstuk beschrijft twee aangepaste MATLAB programma's. Het eerste programma is beschreven in stap 3.1 en het tweede programma wordt beschreven in stappen 3,2-3,5. Alle programma's (samen met tutorials over hoe ze te gebruiken) kan worden gedownload van http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

  1. Afbeeldingen converteren van de DICOM-formaat en video naar bitmap (BMP) bestanden (met behulp van een aangepaste MATLAB-programma). OPMERKING: De hieronder beschreven Doppler E-golven en tissue Doppler E'-toppen passen procedure is weergegeven in figuur 1.
  2. Laad de afbeelding bitmap-bestanden op een andere maat MATLAB programma om conventionele transmitraal stroom parameters zoals E piek, een piek, E dur meten 'piek, een' piek, etc. en bijsnijden van de beelden voor PDF-analyse. Selecteer beelden met waarneembare transmitraal stroom contour en volledige hartcyclus zoals door ECG voor analyse.
  3. Markeer de samplesnelheid (gemeten in pixels / s op de horizontale as) en de snelheid sampling rate (gemeten in pixels / (m / sec) langs de verticale as) in de afbeeldingen. Identificeer de volledige hartcyclus door op te merken en markeren opeenvolgende R pieken (of een kenmerkende eigenschap van het ECG) op het beeld.
  4. Markeer de transmitraal Doppler E en A-wave of tissue Doppler E'- en A'- golf in de geselecteerde hartcyclus.
    1. Selecteer de Doppler E-wave piek punt dwz. E piek, (of E 'peak) en markeert het begin van de golf met behulp van de lijn die de piek aan het begin als een leidraad voor de versnelling helling van de E-golf (of E'-wave) overeenkomen. De start van de golf wordt gebruikt om het interval start berekenen peak stroom aangeduid als de E-golf (of E'-wave) acceleratietijd (AT).
    2. Markeren het einde van de E-golf (of E'-wave) met behulp van de lijn die de piek aan het eind als een leidraad voor de vertraging helling aan te passen. Dit wordt gebruikt om te berekenen van de piek tot de basislijn aangeduid als de vertragingstijd (DT). De interval van begin tot einde van de golf is de duur van de E-golf (E dur = AT + DT). Het programma leidt de gebruiker door het gehele proces met de nodige instructies.
  5. Markeer de A-golf met een soortgelijke procedure als E-wave. Met zowel de E-en A-golven markeerde het programma berekent de E piek / A piek verhouding.
    OPMERKING: Het programma slaat de gemarkeerde golven als bijgesneden beelden met de E-en de enige A-golven. Het programma maakt ook een databestand met de uitsnede en de gemeten parameters voor elke beat.

4 Geautomatiseerde Montage van transmitraal Flow Met behulp van de PDF-formalisme

De geautomatiseerde montage van Doppler E en A-golf en tissue Doppler E'- en A'- golf contouren wordt gedaan met behulp van een aangepaste LabView programma 18,19.
  1. Laad de bijgesneden afbeelding, en het programma berekent automatisch de maximale snelheid envelop (MVE). Selecteer de MVE door de drempel zodat MVE benadert transmitraal stroming zoals getoond in figuur 1. Het begin en einde van de punten die de MVE gedefinieerd kan langs de tijdsas worden geselecteerd door de gebruiker, zodat alleen MVE punten die goede overeenkomst bieden de werkelijke geselecteerde deel van de golf worden gebruikt als input voor de latere inbouw.
  • OPMERKING: De gebruiker geselecteerde MVE punten zijn de invoer voor de computer programma dat automatisch sluit de PDF model oplossing snelheid als functie van de tijd met een Levenberg- Marquardt (iteratief) algoritme. De montage gebeurt met de eis dat de gemiddelde kwadratische fout tussen de klinische (input)data (MVE) en de PDF-model voorspelde contour worden geminimaliseerd. Omdat het model lineair is een unieke set parameters verkregen voor elke Doppler E-wave afkomstige MVE als input. Aldus numeriek unieke k, c, x en o-waarden worden gegenereerd voor elke E-wave en k ', c' en x o "voor elk E'-wave.
  • Indien de pasvorm is duidelijk suboptimaal wanneer de pasvorm wordt gesuperponeerd op de E-wave (of E'-wave) beeld (dwz. Het algoritme getracht ruis in de MVE bijvoorbeeld overeenkomen) wijzigt de MVE door meer / minder punten, waardoor het bewerken van het model voorspelde contour met grote wijzigingen van PDF parameters om een ​​betere pasvorm te bereiken.
  • Sla de data wanneer de juiste PDF-fit is gegenereerd. OPMERKING: Het programma is geschreven om de gegevens in beeld en tekst bestanden met de PDF-parameters automatisch op te slaan ende contourinformatie.
    De PDF parameters, verkregen uit de hierboven beschreven procedure kan worden gebruikt om nieuwe fysiologie verhelderen en onderscheid tussen normale en pathologische fysiologie zoals beschreven in de paragraaf Representatieve resultaten hieronder.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    Doppler golfvormen vertegenwoordiger van de vier verschillende vulpatronen (normaal, pseudonormal, vertraagde relaxatie, constrictieve-beperkende) volgens de werkwijze die hierboven beschreven zijn getoond in Figuur 2. Figuur 2A toont het normale patroon, dat op zich samenvalt met het pseudonormal patroon. Figuur 2B toont een vertraagde ontspanning en figuur 2C toont een constrictive-beperkende patroon geassocieerd met ernstige diastolische dysfunctie. Voor de duidelijkheid worden de PDF-model voorspelde past overlay op de beelden. De conventionele echo parameters (E piek, een piek, E-golf bij, en E-golf DT) en de PDF-parameters (k, c, x o) worden vermeld onder elke afbeelding. Zoals uit de cijfers blijkt, de PDF-formalisme past (voorspelt) alle drie van deze vullen patronen heel goed. De PDF parameters informatie ook op kamer eigenschappen. De degelegd ontspanning patroon (Figuur 2B) heeft meestal een hogere visco-elasticiteit / ontspanning PDF parameter c dan het normale patroon (Figuur 2A). Constrictiva beperkend patroon (figuur 2C) heeft typisch een hogere stijfheid (PDF parameter k) dan het normale patroon.

    Analyse van Doppler E-golven met de PDF formalisme is gebruikt om onderscheid tussen normale en pathologische groepen en nieuwe fysiologie ontdekken. Hieronder zijn enkele geselecteerde gepubliceerde resultaten van PDF formalisme gebaseerd DF analyse bedoeld om onderscheid te maken tussen pathologische en normale fysiologie en de geselecteerde toepassingen van de PDF-formalisme om nieuwe fysiologie helderen.

    DIABETES

    De methode is aangetoond dat de verschillen tussen DF diabetische en leeftijd gematchte controlepersonen kwantificeren. Terwijl de conventionele indexen, zoals E-wave vertraging tijd-DT, E c was significant verschillend tussen de groepen 22. Bovendien, de piek atrio-ventriculaire drukgradiënt, die kan worden berekend uit de PDF parameters kx o 23 was significant hoger in de diabetische groep. Zie ook kinematische vullingsgraad, toegepast diabetici hieronder.

    HYPERTENSIE

    De methode is gebruikt om transmitraal vulpatronen in hypertensieve patiënten vergeleken met controles 24 analyseren. Conventionele Doppler indices konden maken tussen groepen maar het PDF parameter c was significant hoger bij de hypertensieve patiënten vergeleken met controles nonhypertensive.

    Caloriebeperking VERTRAAGT CARDIAC AGING >

    De werkwijze beoordeelde het effect van calorische beperking DF mens 25. DF werd geëvalueerd bij personen oefenen caloriebeperking door het meten transmitraal flow en vergeleken met gematchte controles van dezelfde leeftijd. DF was significant beter in de caloriebeperking groep als gekwantificeerd door de hogere waarde van de E / A en hogere vroege vulling (E-golf) fractie. Daarnaast is de PDF parameter k vertegenwoordigt LV kamer stijfheid en c, die viscoelasticiteit, was significant lager in warmtebeperking onderwerpen. Aangezien de E piek was niet significant verschillend tussen de twee groepen, de controlegroep verbruikt meer energie om dezelfde piek vulling snelheid bereiken. Hieruit bleek dat calorische restrictie wordt geassocieerd met efficiëntere DF. Bovendien is de vulling bij oudere calorie beperkt proefpersonen was vergelijkbaar met een normale jongere cohort, wat erop wijst dat calorische restrictie vertraagt ​​cardiale veroudering 26.

    _content "> AANWEZIGHEID VS. ZONDER mitralisklep RINGVORMIGE OSCILLATIES

    De PDF formalisme is ook gebruikt om mitrale ringvormige oscillaties (MAO) na de E'-wave ervan (de E "-wave, E '' '-. Wave, etc). Deze "rinkelen" van de mitrale annulus is waargenomen bij mensen 20 maar karakterisatie van de aanwezigheid en afwezigheid van de daaropvolgende oscillaties ontbrak. De werkwijze kon de hypothese te testen dat het ontbreken van MAO wordt verklaard door de toegenomen viscoelastische effecten door minder of langer effectief ontspanning. Bij 35 patiënten met MAO vergelijking met 20 personen zonder MAO werd vastgesteld dat de longitudinale stijfheid (k) en de longitudinale visco-elasticiteit / ontspanning (c) waren hoger in de groep zonder MAO. De initiële terugtrekkracht en opgeslagen terugslagenergie zowel hoger in de groep met MAO. Bovendien werd aangetoond dat de afwezigheid van MAO was concordant met-rust-gerelateerde diastolische dysfunctie 27. Vandaar de PDF analyse van tissue Doppler E'- golven blijkt dat het ontbreken van MAO geeft relaxatie gerelateerd diastolische dysfunctie.

    Diastatisch STIFFNESS VAN E-WAVE ANALYSE

    De helling van het eind-diastolische druk-volume verhouding (EDPVR) geeft de bekende stijfheid gebaseerde index, de helling (AP / AV) van de diastatic druk-volume (PV) relatie (D-PVR) levert de in-vivo stijfheid van de ontspannen LV. Echocardiografische, (dwz Doppler E-golf), de analyse kan alleen relatieve bieden, in plaats van absolute druk informatie. Dienovereenkomstig is aangetoond dat de ontspannen (diastatic) stijfheid van de LV direct worden berekend uit E-golfanalyse alleen 28. Met behulp van de PDF-formalisme en Bernoulli's vergelijking druk en volume bij diastase (einde van de E-golf) is afgeleid. De afgeleide P, V-punten wanneer fit vialineaire regressie genereren van de D-PVR van E-wave analyse (D-PVR E-golf), waarvan de helling, werd diastatische stijfheid K E-wave berekend. De resultaten leverden uitstekende correlatie (R2 = 0,92) tussen diastatic stijfheid van PDF gebaseerde E-wave analyse (K E-golf) en de gelijktijdige gouden standaard meting van diastatic stijfheid van de gelijktijdige PV data (K CATH) in 30 patiënten (444 in totaal cardiale cycli) met normale LVEF (LVEF> 55%).

    KINEMATICA vullingsgraad INDEX

    Van een kinematische modellering perspectief, genereert een grotere ontspanning / viscositeit constante c verhoogde weerstand tegen het invullen. Vandaar dat een natuurlijke keuze voor geïdealiseerde ventriculaire vulling is een scenario te wijten aan enige en volledige ontspanning terugslag, dwz geen demping (c = 0). De kinematische vulling efficiëntie-index (KFEI) werd gedefinieerd en afgeleid 29 als de dimensieloze verhouding van werkelijke volume in te voerening van de linker ventrikel (LV) (velocity tijd integraal [VTI] van echte E-golf met PDF parameters c, k, x o) om het ideale volume (VTI van ideale E-golf met dezelfde k en x o, maar met geen weerstand vullen [c = 0]). Bij 36 patiënten met een normale ventrikelfunctie (17 diabetische en 19 goed afgestemd diabetische controles) werd aangetoond dat 30 KFEI van E-golven in diabetische patiënten (49,1 ± 3,3%) was significant lager dan bij normale patiënten (55,8 ± 3,3%) . Dit betekent dat zelfs wanneer LVEF normaal, vult efficiëntie verminderen bij diabetici opzichte nondiabetics.

    Vullingsgraad verslechtert MET LEEFTIJD

    In het licht van het vermogen van kinematische vulling-efficiëntie-index (KFEI) 29 om te beoordelen invullen van diabetes vs. nondiabetic controles, de leeftijd afhankelijkheid van KFEI werd bepaald. Er werd aangetoond dat KFEI, afneemt in omvangmet de leeftijd en correleert sterk met de leeftijd (R2 = 0,80) door het analyseren van 72 controlepatiënten met een normale LVEF (LVEF> 55%) en zonder cardiovasculaire pathologie 30. De leeftijd afhankelijkheid van andere conventionele parameters van DF werd ook geëvalueerd. In overeenstemming met andere niet-invasieve DF maatregelen bekend te verminderen met de leeftijd, KFEI vermindert en correleert zeer sterk met de leeftijd (R2 = 0,80). Multivariate analyse toonde aan dat de leeftijd is de belangrijkste bijdrage aan KFEI (p = 0,003).

    LOAD ONAFHANKELIJKE INDEX voor de diastolische functie

    E-wave contouren tonen ritme-by-beat veranderingen in reactie op de ademhaling en daarmee aan te tonen sterke belasting afhankelijkheid. Inderdaad alle indexen van DF zijn afhankelijk van de belasting. Dit is problematisch omdat het de vraag doet rijzen of de waargenomen verschillen in DF indexen zijn het resultaat van de verandering van de belasting of het gevolg zijn van intrinsieke kamer woning variatie. Theoretische voorspelling en experimental validatie van een last onafhankelijke index van diastolische functie (LIIDF) heeft een lang gezochte onopgelost probleem in de fysiologie / cardiologie geweest. Op de vraag van de belasting afhankelijkheid te doen, werd het PDF-formalisme toegepast op e-golven gemeten op variabele belastingen. Door kinematische modellering en wiskundige afleiding, werd een lading onafhankelijke index afgeleid, die wordt geconserveerd tussen E-golven gemeten bij verschillende belastingen. Voor elke gemeten E-golf, de PDF parameters k en x o vermenigvuldigd ter verkrijging kx o, het model voorspelde piekkracht waarde analoog aan de maximale momentane drukgradiënt vinden stroming en de PDF parameter c wordt vermenigvuldigd met de pieksnelheid E peak een waarde voor de piekkracht weerstand vulling opleveren. Plotten kx o vs. C E piek als een geordend paar voor elk E-golf genereert een sterk lineair verband waarvan (dimensieloos) helling M is de sought na lading onafhankelijke index en blijft behouden ondanks de belasting gegenereerd veranderingen in de E-golven.

    Ter validatie E-golven opgenomen terwijl belasting werd gevarieerd via tilt tafel (hoofd omhoog, horizontaal, en hoofd naar beneden) in 16 gezonde vrijwilligers werd geanalyseerd. De resultaten 33 leverde de hoge correlatie (R 2 = 0,98) tussen kx o en c E piek zoals voorspeld. Het vermogen van M te maken tussen normaal en diastolische dysfunctie patiënten werd ook beoordeeld door het analyseren van gelijktijdige cath-echo data in diastolische dysfunctie patiënten vs. controles. Gemiddelde M voor de diastolische dysfunctie groep (M = 0,98 ± 0,07) significant lager dan controles (M = 1,17 ± 0,05, P <0,001) 33.

    Figuur 1
    Figuur 1 Verloop van operationele stappenvoor de montage van (A) een E-wave en (B) een E'-wave via de PDF-formalisme. A) Van links naar rechts-afbeelding transmitraal stroom wordt bijgesneden om Dopplersnelheid profiel te verkrijgen. E-wave maximumsnelheid envelop (MVE) om fit is geselecteerd worden (in het groen met de termijnen in het blauw). Fout minimaliseren PDF fit wordt verkregen via Levenberg- Marquardt algoritme resulteert in PDF-parameters en een zekere mate van goedheid van fit. B) Vergelijkbare procedure voor het het weefsel Doppler. Het beeld is omgekeerd na het bijsnijden. Zie tekst voor details. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

    Figuur 2
    Figuur 2 Drie E-golfpatronen met PDF past. A) Normal / Pseudonormal vulling patroon. B) Vertraagde ontspanning patroon. C) Constrictiva-beperkende patroon. Zie tekst voor details. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    In overeenstemming met onze methodologische focus, zijn de belangrijkste aspecten van de methoden die een eenvoudige verkrijgen van nauwkeurige en zinvolle resultaten gemarkeerd.

    Echocardiografie

    De American Society of echocardiografie (ASE) heeft richtlijnen voor de uitvoering van transthoracale studies 16. Tijdens een echo examen, er een veelheid van factoren die de beeldkwaliteit beïnvloeden. Factoren die buiten de controle van de sonographer zijn: technische mogelijkheden van de imager wordt gebruikt, de hartslag, de patiënt habitus, individuele variatie in de locatie, oriëntatie van anatomische structuren, en de kwaliteit van de 'echo-venster', verwijzend naar de kenmerken van ultrasound transmissie in het weefsel een bepaald onderwerp. Factoren die direct controleerbaar door de sonograaf omvatten machine-instellingen, met inbegrip van de keuze van de transducer. Aangezien de betrouwbaarheid van de PDF analyse afhankelijk van de echo beeld qualteit, zorg moet worden genomen tijdens het beeld acquisitie proces om de best mogelijke beelden te verkrijgen.

    Voor een optimale E-wave beeldkwaliteit voor PDF-analyse, het maximaliseren van E-wave grootte in verhouding tot de weergave en het instellen van de sweep snelheid tot 100 mm / sec zijn wenselijk. Hoge loopsnelheid en het gebruik van de volledige schermgrootte bepalen maximum snelheidsschaal biedt extra temporele resolutie (dat wil zeggen meer punten fit) langs tijd en snelheid assen. Basislijnfilter instellingen kunnen ook beter worden bepaald met een hogere loopsnelheid instellingen. Het aantal cardiale cycli opgenomen is zeer variabel tussen echo labs. Voor zinvolle PDF analyse continu opnemen door verschillende (3 of 4) ademhalingscycli zeer gewenst. Op een typische rusthartslag van 75 slagen / min, en 12 ademhalingen / min, 4 ademhalingscycli bedragen 20 sec ononderbroken opnemen dat 25 hartcyclussen moet bieden. Het opnemen van dit aantal cycli is gerechtvaardigd vanwege de belasting varying gevolg rustige ademhaling, waardoor de LIIDF kan worden berekend indien gewenst. Merk op, dat gegevensverwerking waarden voor x o, c en k op basis van de gemiddelde 25 tel is een legitieme manier om diastole karakteriseren. Load variatie kan ook worden gegenereerd tijdens klinische opname door de Valsalva of Mueller rijden of door passieve been verhoging met 30 ° vulblok.

    PDF PARAMETER VASTSTELLING

    Algoritmische DETAILS

    De bewegingsvergelijking voor een gedempte harmonische oscillator en de wiskundige oplossing is standaard inhoud van de cursus in de techniek wiskunde, natuurkunde en mechanica 34. De keuze van de programmeertaal (C ++, Fortran, LabView, MATLAB, etc.) Waarmee het wordt uitgevoerd is ook naar het oordeel van de gebruiker / onderzoeker. Standaard numerieke methoden bestaan ​​en zijn bekend 35. Andere groepen hebben het PDF-formalisme door w geïmplementeerdriting hun eigen numerieke algoritme en hebben onafhankelijk gerepliceerd onze resultaten, met inbegrip van numerieke waarden voor de PDF-parameters 36 in een grote studie met meer dan 1000 patiënten. Terwijl de lopende werkzaamheden omvat het ontwikkelen van web-based PDF-analyse-instrumenten, kan de optimale, brede bereiken van voordeel van de methode die het beste worden bereikt door het opnemen van de PDF-formalisme in de eigen analyse pakket van commerciële echocardiografische warmtebeeldcamera.

    Afhankelijk van de operator ASPECTEN

    Zodra het de E-golf is geïmporteerd en bijgesneden (zie figuur 1) het bepalen van de maximale snelheid envelop, dat wil zeggen de feitelijke verzameling van punten waarop de oplossing van gedempte harmonische oscillerende snelheid is te passen door de methode wordt bepaald. Zoals blijkt uit de sequentie van panelen en operationele stappen in Figuur 1 en hierboven besproken, basislijnruis en externe ruis die de contour van invloed is often deel van het beeld. De bediener kan bepalen de continue wissel te passen, zoals getoond in figuur 1, door de positie van de verticale blauwe lijnen die het begin en einde van het definiëren fit. De werkwijze geeft het is direct boven het ingevoerde beeld en de gebruiker kan gemakkelijk beoordelen of het zinvol is of niet.

    Hartslag heeft een effect op de duur van diastole en de kenmerken van de E-golf 37 en zorg moet worden genomen om de resultaten van de fitting algoritme in de context van de patiënt hartfrequentie interpreteren. In typische hartslagen onder 80 slagen / min, in sinusritme E-en A-golven worden gescheiden door een korte periode van diastase. Dit maakt opneming van de vertraging gedeelte van de E-golf. Zoals hart te verhogen, diastase vermindert en verdwijnt, want A-wave begin plaatsvindt vóór E-wave beëindiging. In snelle hartslag boven 90 slagen / min, de A-golf ligt over de vertraging gedeelte van de E-waveen PDF-analyse van de E-golf wordt onbetrouwbaar vanwege het beperkte aantal MVE punten beschikbaar om fit te zijn. Om zinvolle analyse tenminste 1/2 tot 2/3 van de totale vertraging E-golf golfvorm dienen voor montage zijn.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Acknowledgements

    Dit werk werd mede ondersteund door de Alan A. en Edith L. Wolff Charitable Trust, St. Louis, en het Barnes-Jewish Hospital Foundation. L. Shmuylovich en E. Ghosh werd gedeeltelijk ondersteund door predoctorale fellowship awards van de Heartland Partner van de American Heart Association. S. Zhu kreeg gedeeltelijke steun van de Washington University Compton Scholars Program en de Hogeschool voor de Kunsten en Wetenschappen 'Summer Undergraduate Research Award. S. Mossahebi ontvangen gedeeltelijke steun van de Afdeling Natuurkunde.

    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