Quantificazione di Global Funzione diastolica da Analisi basata su modellazione cinematica del flusso transmitralico tramite il formalismo di riempimento parametrizzate diastolica

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

Preciso, a base di causalità-quantificazione della funzione diastolica globale è stato raggiunto cinematica analisi basato sulla modellazione del flusso transmitralico tramite il parametrizzate diastolica di riempimento (PDF) formalismo. PDF genera rigidità, relax, e parametri di carico unici e delucida 'nuovo' fisiologia, fornendo indici sensibili e specifici di disfunzione.

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

Valutazione della funzione cardiaca quantitativa rimane una sfida per i fisiologi e medici. Anche se i metodi invasivi storicamente hanno costituito l'unico mezzo a disposizione, lo sviluppo di modalità di imaging non invasive (ecocardiografia, risonanza magnetica, TAC) con alta risoluzione temporale e spaziale fornisce una nuova finestra per la valutazione della funzione diastolica quantitativa. L'ecocardiografia è il concordato standard per la valutazione della funzione diastolica, ma gli indici di corrente uso clinico semplicemente utilizzano caratteristiche di dimensione della camera (M-mode) o il movimento del sangue / tessuti (Doppler) forme d'onda selezionata senza incorporare le determinanti causali fisiologiche del movimento stesso. Il riconoscimento che tutti ventricolo sinistro (LV) avviare la compilazione servendo come pompe di aspirazione meccanica permette la funzione diastolica globale per essere valutata sulla base di leggi del moto che si applicano a tutte le camere. Ciò che differenzia un cuore da un altro sono i parametri dell'equazione di moto che govriempimento RER. Di conseguenza, lo sviluppo del riempimento diastolico parametrizzate (PDF) formalismo ha dimostrato che l'intera gamma di clinicamente osservato precoce flusso transmitralico (E-Doppler a microonde) i modelli sono estremamente ben in forma con le leggi del moto oscillatorio smorzato. Ciò consente l'analisi dei singoli E-onde in base a un meccanismo causale (aspirazione rinculo-iniziati) che produce tre (numericamente) parametri concentrati unici i cui analoghi fisiologica sono rigidità camera (k), viscoelasticità / rilassamento (c), e del carico (x o). La registrazione del flusso transmitralico (Doppler E-onde) è una pratica standard in cardiologia clinica e, quindi, il metodo di registrazione ecocardiografica è solo brevemente recensione. Il nostro obiettivo è la determinazione dei parametri di PDF da dati E-onda regolarmente registrati. Poiché i risultati evidenziati indicano, una volta che i parametri PDF sono stati ottenuti da un numero adeguato di carico variabile E-onde, gli invetigator è libero di utilizzare i parametri o costruire gli indici dei parametri (come l'energia immagazzinata mezzo kx o 2, pressione massima pendenza AV kx o, Indice di carico indipendente della funzione diastolica, ecc.) e selezionare l'aspetto della fisiologia o la fisiopatologia da quantificare.

Introduction

Studi pionieristici di Katz 1 nel 1930 ha rivelato che il ventricolo sinistro mammiferi inizia il riempimento con l'essere una pompa di aspirazione meccanica, e molto sforzo da allora è stata dedicata a svelare i meccanismi della diastole. Per molti anni, metodi invasivi erano le uniche opzioni disponibili per la valutazione clinica o di ricerca di funzione diastolica (DF) 2-16. Nel 1970, tuttavia, i progressi tecnici e gli sviluppi in ecocardiografia finalmente dato cardiologi e fisiologi strumenti pratici per la caratterizzazione non invasiva di DF.

Senza una teoria causale di unificazione o di paradigma per quanto riguarda diastole come funziona il cuore quando si riempie, i ricercatori hanno proposto numerosi indici fenomenologici sulla base di correlazione con le caratteristiche cliniche. Il curvilineo, rapidamente salire e scendere la forma del transmitralico flusso di sangue velocità di contorno durante la prima, riempimento rapido, per esempio, è stata approssimata come un triangolo e diastolica fuindici nzioni sono state definite da caratteristiche geometriche (altezza, larghezza, zona, ecc.), di tale triangolo. Progressi tecnici in ecocardiografia hanno permesso il movimento dei tessuti, deformazione e velocità di deformazione durante il riempimento da misurare, per esempio, e ogni progresso tecnico ha portato con sé un nuovo raccolto di indici fenomenologici per essere correlata con caratteristiche cliniche. Tuttavia, gli indici rimangono correlativa e non causali e molti indici sono diverse misure della stessa fisiologia sottostante. Non sorprende, quindi, che gli indici clinici attualmente impiegati di DF hanno limitato la specificità e sensibilità.

Per superare queste limitazioni il riempimento (PDF) formalismo parametrizzate diastolica, un cinematica causale, modello a parametri concentrati di riempimento ventricolare sinistro che è motivato dalla e incorpora la fisiologia di aspirazione-pompa di diastole è stato sviluppato e validato 17. Modella funzione diastolica (come manifestato dalle forme curvilineecontorni di flusso transmitralico) in conformità con le regole del moto oscillatorio armonico smorzato. L'equazione per smorzato moto oscillatorio armonico si basa sulla seconda legge di Newton e può essere scritta, per unità di massa, come:

Equazione 1 Equazione 1

Questo 2 ° equazione differenziale di ordine lineare ha tre parametri: k - rigidezza camera, c - viscoelasticità / relax, e x o - dell'oscillatore iniziale spostamento / precarico. Il modello prevede che i diversi pattern di riempimento diastolico clinicamente osservati sono il risultato di variazione nel valore numerico di questi tre parametri del modello. Sulla base del formalismo PDF e meccanica classica, E-onde possono essere classificate come determinato da o over-smorzato regimi sotto-smorzate del moto. Numerosi studi 21. Il processo per l'estrazione di parametri del modello da clinicamente registrati dati E-onda è dettagliato nei metodi indicati.

A differenza di indici tipici di DF in corrente uso clinico, tre parametri del modello PDF sono basati causalità. Come discusso nei metodi indicati, indici aggiuntivi di fisiologia diastolica possono essere derivate da questi parametri fondamentali e dall'applicazione del formalismo PDF per aspetti di altri diastole di flusso transmitralico. In questo lavoro, metodi di analisi basati su PDF del flusso transmitralico e le relazioni fisiologiche che si possono trarre da un approccio PDF, i suoi parametri e gli indici derivati ​​sono descritti. Inoltre, è dimostrato che i parametri PDF o indici da essi derivati ​​possono prendere in giroa parte le proprietà intrinseche della camera dagli effetti esterni di carico in grado di fornire correlati ai parametri definiti invasivo tradizionali e possono distinguere tra i gruppi normali e patologici.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

La procedura per l'acquisizione di immagini ecocardiografiche e analizzarli per ottenere i parametri PDF è descritto di seguito. Anche se cateterismo cardiaco è menzionato nella porzione selezione soggetto sotto, la metodologia descritta si applica solo alla parte ecocardiografica. La descrizione della porzione cateterizzazione è stata inclusa per la validazione indipendente del modello basato previsioni e non è correlato all'analisi di E-onde tramite il formalismo PDF. Prima di acquisizione dei dati, tutti i soggetti forniscono firmato, il consenso informato per la partecipazione allo studio in conformità con la Institutional Review Board (Ufficio Protezione umano di ricerca) presso la Washington University School of Medicine.

NOTA: Tutti i programmi software (insieme con tutorial su come usarli) descritte in questa sezione possono essere scaricati dal http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

1 Oggetto Selezione

NOTA: Tutti i soggetti presenti nel Database cardiovascolare Laboratorio di Biofisica avevano ecocardiografia simultanea e cateterismo cardiaco effettuato e sono stati indirizzati dai loro medici per la diagnostica cateterismo cardiaco. I criteri di inclusione del database sono: 1) assenza di significative anomalie valvolari, 2) assenza di anomalie di movimento della parete o blocco di branca di ECG, 3) la presenza di una finestra ecocardiografica soddisfacente con E-chiaramente identificabili e A-onde.

2 ecocardiografica Acquisizione Dati

  1. Registrare un completo studio / eco-Doppler 2D per tutti i soggetti, in conformità della Società Americana di Ecocardiografia criteri 16. NOTA: Gli ecocardiogrammi di screening sono stati registrati su un imager clinica standard da un ecografista. Se lo si desidera, ulteriori registrazione ecocardiografica transtoracica può essere eseguita per fini di verificas dopo un catetere adatto, l'alta fedeltà è avanzata nella LV per misurare l'emodinamica LV contemporaneamente.
  2. Soggetti immagine nella posizione supina. In un ambiente nonresearch, posizionamento laterale sinistro standard può essere utilizzato senza perdita di generalità del metodo. Ottenere apicali vista quattro camere utilizzando un trasduttore 2,5 MHz, con il volume del campione gated a 1,5-5 mm diretti tra le punte dei lembi della valvola mitrale e ortogonale al piano MV (per minimizzare gli effetti di allineamento come visto sul colore di modo M Doppler ), il filtro parete impostato a 1 (125 Hz) o 2 (250 Hz), la linea di base adeguato per sfruttare tutta l'altezza del display e la scala di velocità adeguato per sfruttare la gamma dinamica dell'uscita, senza aliasing.
  3. Eseguire l'imaging Doppler tissutale con il volume del campione gated a 2,5 mm e posizionato le pozioni laterale e settale della mitrale.
  4. Salva esami Doppler in formato DICOM nella macchina eco e registrare su DVD con simultelettrocardiogramma aneously registrati (ECG).

Immagine 3 Doppler elaborazione e l'analisi convenzionale

NOTA: Questa sezione descrive due programmi personalizzati MATLAB. Il primo programma è descritta nel passo 3.1 e il secondo programma è descritto nei passaggi 3,2-3,5. Tutti i programmi software (insieme con tutorial su come usarli) possono essere scaricati da http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

  1. Convertire le immagini dal formato DICOM e video in file bitmap (bmp) (utilizzando un programma MATLAB personalizzato). NOTA: La procedura descritta di seguito per adattarsi Doppler E-onde e Doppler tissutale E'-onde è mostrato in Figura 1.
  2. Caricare i file di immagine bitmap su un altro programma MATLAB personalizzato per misurare parametri di flusso transmitralico convenzionali come picco E, A picco, E dur 'picco, A' picco, ecc. e ritagliare le immagini per l'analisi in formato PDF. Selezionare le immagini con contorno distinguibile flusso transmitralico e ciclo cardiaco completo come indicato dalla ECG per l'analisi.
  3. Seleziona il tasso di tempo di campionamento (misurata in pixel / s sull'asse orizzontale) e frequenza di campionamento velocità (misurata in pixel / (m / sec) lungo l'asse verticale) nelle immagini. Identificare il ciclo cardiaco completo osservando e marcatura picchi consecutivi R (o qualsiasi caratteristica distinta del ECG) sull'immagine.
  4. Segna il Doppler transmitralico E e A-onda o tessuto Doppler E'- e A'- onda nel ciclo cardiaco selezionato.
    1. Selezionare il Doppler E-onda punto di picco cioè. E picco, (o E 'di picco) e segnare l'inizio dell'onda utilizzando la linea che collega il picco all'inizio come guida per abbinare la pendenza accelerazione della E-onda (o E'-onde). L'inizio dell'onda viene utilizzato per calcolare l'intervallo dall'inizio alla peflusso ak denotato come l'E-onda (o E'-onde) tempo di accelerazione (AT).
    2. Segna la fine della E-onda (o E'-onde) utilizzando la linea che collega il picco alla fine come guida per abbinare la pendenza di decelerazione. Questo viene utilizzato per calcolare l'intervallo dal picco alla linea di base indicato come il tempo di decelerazione (DT). L'intervallo dall'inizio alla fine dell'onda è la durata della E-onda (E dur = AT + DT). Il programma guida l'utente attraverso l'intero processo con istruzioni appropriate.
  5. Mark l'A-onda utilizzando una procedura simile a quella della E-onda. Con sia la E e A-onde ha segnato il programma calcola il picco rapporto E / A di picco.
    NOTA: Il programma salva le onde marcate come immagini ritagliate contenenti la E e solo A-onde. Il programma crea anche un file di dati con i parametri di ritaglio e misurati per ogni battito.

4 Montaggio automatico del flusso transmitralico utilizzando il formalismo PDF

Il montaggio automatizzato di Doppler E e A-wave e del tessuto Doppler E'- e contorni onda A'- viene fatto utilizzando un programma LabView personalizzato 18,19.
  1. Caricare l'immagine ritagliata, e il programma calcola automaticamente la busta velocità massima (MVE). Selezionare il MVE impostando la soglia così che MVE approssima flusso transmitralico come mostrato in Figura 1. L'inizio e terminazione dei punti che definiscono la MVE può essere selezionato nel tempo asse dall'operatore tale che solo MVE punti che forniscono buona corrispondenza alla porzione effettiva selezionata dell'onda sono utilizzati come ingresso per il successivo montaggio.
  • NOTA: I punti di MVE selezionati dall'utente sono l'ingresso al programma per computer che si adatta automaticamente la soluzione di modello PDF per la velocità in funzione del tempo utilizzando un algoritmo Levenberg- Marquardt (iterativo). L'apparecchio è realizzato con la condizione che l'errore quadratico medio tra la clinica (ingresso)dati (MVE) e il modello PDF contorno previsto essere ridotti al minimo. Dal momento che il modello è lineare, si ottiene un insieme unico di parametri per ciascun Doppler E-onda derivato MVE utilizzato come input. Così numericamente k, c, ed i valori x o unici sono generati per ogni E-wave e k ', c', e x o 'per ogni E'-onda.
  • Nel caso in cui la misura è ovviamente ottimale quando la misura si sovrappone su E-onda (o E'-onde) immagine (cioè. L'algoritmo ha tentato di adattarsi rumore incluso nel MVE ad esempio) modificare la MVE utilizzando più / meno punti, modificando in tal modo il modello previsto profilo con conseguente modifica dei parametri PDF per ottenere una migliore vestibilità.
  • Salvare i dati quando è stato generato l'appropriato adattamento PDF. NOTA: Il programma è scritto per salvare automaticamente i dati in immagini e file di testo contenenti i parametri di PDF ele informazioni di contorno.
    I parametri PDF ottenuti dalla procedura sopra descritta può essere utilizzata per chiarire nuova fisiologia e distinguere tra fisiologia normale e patologico, come descritto nella sezione Rappresentante dei risultati qui sotto.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Representative Results

    Forme d'onda Doppler rappresentante dei quattro diversi tipi di pattern di riempimento (normale, pseudonormale, rilassamento ritardato, costrittiva restrittivo) utilizzando il metodo sopra descritto sono illustrati nella Figura 2. Figura 2A mostra il modello normale, che, di per sé è indistinguibile dalla pseudonormale modello. Figura 2B mostra un ritardo relax e Figura 2C mostra un modello costrittiva-restrittiva associata a grave disfunzione diastolica. Per chiarezza, il modello-fits predetto PDF sono sovrapposte le immagini. I parametri convenzionali eco (E punta, un picco, E-wave AT, e E-onda DT) ed i parametri in formato PDF (k, c, x o) sono elencate sotto ogni immagine. Mentre le cifre indicano, il formalismo PDF adatta (prevede) tutti e tre questi modelli di riempimento molto bene. I parametri PDF forniscono anche informazioni sulle proprietà da camera. Il deposato modello relax (Figura 2B) ha tipicamente superiore viscoelasticità / relax parametro PDF c rispetto al modello normale (Figura 2A). Costrittiva-restrittiva modello (Figura 2C) ha tipicamente una rigidità superiore (parametro PDF k) rispetto al modello normale.

    Analisi di Doppler E-onde utilizzando il formalismo PDF è stato utilizzato per distinguere tra i gruppi normali e patologici e scoprire nuove fisiologia. Di seguito sono elencati alcuni risultati pubblicati selezionati di PDF formalismo analisi DF basato destinati a distinguere tra patologico e normale fisiologia e applicazioni selezionate del formalismo PDF per chiarire nuova fisiologia.

    DIABETE

    Il metodo è stato dimostrato per quantificare le differenze di DF tra soggetti di controllo e diabetici di pari età. Mentre gli indici convenzionali come E-onda di decelerazione tempo-DT, E c era significativamente differente tra i gruppi di 22. Inoltre, il gradiente di pressione atrio-ventricolare di punta, che può essere calcolata in base ai parametri di PDF come kx o 23 è stata significativamente più alta nel gruppo diabetico. Inoltre, vedere l'efficienza di riempimento cinematica, applicato ai diabetici sotto.

    IPERTENSIONE

    Il metodo è stato utilizzato per analizzare i modelli di riempimento transmitralico in soggetti ipertesi rispetto ai controlli 24. Doppler convenzionale indici derivati ​​erano in grado di distinguere tra i gruppi, ma il parametro PDF c era significativamente più alta nel gruppo di soggetti ipertesi rispetto ai controlli nonhypertensive.

    Restrizione calorica rallenta l'invecchiamento CARDIACO >

    Il metodo ha valutato l'effetto della restrizione calorica sul DF negli esseri umani 25. DF è stata valutata in soggetti che praticano la restrizione calorica misurando il flusso transmitralico e confronto con controlli appaiati per età. DF era significativamente migliore nel gruppo restrizione calorica come quantificato dal più alto valore di E / A e superiori di riempimento precoce (E-onda) frazione. Inoltre, il parametro k PDF, in rappresentanza LV rigidità camera, e C, rappresentano viscoelasticità, era significativamente più basso nei soggetti restrizione calorica. Dal momento che il picco E non era significativamente differente tra i due gruppi, il gruppo di controllo spende più energia per raggiungere la stessa velocità di riempimento di picco. Questo ha rivelato che la restrizione calorica è associato a più efficiente DF. Inoltre il ripieno in anziani soggetti a restrizioni caloriche era paragonabile a una coorte più giovane normale, suggerendo che la restrizione calorica rallenta l'invecchiamento cardiaco 26.

    _content "> PRESENZA VS. ASSENZA DI mitrale ANULARI OSCILLAZIONI

    Il formalismo PDF è stato utilizzato anche per analizzare le oscillazioni anulari mitrali (MAO) dopo la E'-onda (il -wave E ", E '' '-. Onda, ecc). Questo 'squillo' della mitrale è stato osservato nell'uomo 20, ma la caratterizzazione della presenza e assenza di oscillazioni successive è stata carente. Il metodo ha permesso l'ipotesi da testare che l'assenza di MAO si spiega con un aumento degli effetti viscoelastici causa di rilassamento meno o più lentamente efficace. Confrontando 35 soggetti con MAO a 20 soggetti senza MAO, si è constatato che la rigidità longitudinale (k ') e il longitudinale viscoelasticità / relax (c') erano più alti nel gruppo senza MAO. La forza di rinculo iniziale e l'energia di rinculo sia immagazzinata erano più alti nel gruppo con MAO. Inoltre, è stato dimostrato che l'assenza di MAO era concordant con il relax legati disfunzione diastolica 27. Da qui l'analisi PDF di Tissue Doppler E'- onde rivela che l'assenza di MAO indica relax relative disfunzione diastolica.

    RIGIDITA diastatico da E-WAVE ANALISI

    Mentre la pendenza della relazione pressione-volume telediastolico (EDPVR) fornisce l'indice basato sulla rigidezza-familiare, la pendenza (Ap / ΔV) della pressione-volume diastatico (PV) rapporto (D-PVR), prevede l'in-vivo rigidità del ventricolo sinistro rilassato. Ecocardiografica, (vale a dire Doppler E-onda), l'analisi può fornire solo relativa, piuttosto che le informazioni di pressione assoluta. Pertanto, è stato dimostrato che il rilassato (diastatico) rigidità del ventricolo sinistro può essere calcolato direttamente dall'analisi dell'onda E solo 28. Utilizzando il formalismo PDF e la pressione equazione di Bernoulli e il volume alla diastasi (fine della E-wave) è derivato. Il P derivata, punti V quando fit viaregressione lineare genera il D-PVR dall'analisi dell'onda E (D-PVR E-wave) la cui pendenza, rigidità diastatico K E-onda è stata calcolata. I risultati hanno prodotto eccellente correlazione (R 2 = 0.92) tra rigidità diastatico dall'analisi PDF basati E-onda (K E-onda) e la contestuale oro misura standard di rigidità diastatico dai dati PV simultanea (K Cath) in 30 soggetti (444 totale cicli cardiaci) con normale FEVS (LVEF> 55%).

    RIEMPIMENTO CINEMATICA EFFICIENZA INDICE

    Dal punto di vista di modellazione cinematica, un aumento del rilassamento / viscosità costante c genera maggiore resistenza al riempimento. Quindi una scelta naturale per il riempimento ventricolare idealizzata è uno scenario a causa di rinculo solo e completo relax, vale a dire senza smorzamento (c = 0). L'indice di efficienza cinematico di riempimento (KFEI) è stato definito e derivato 29 come il rapporto adimensionale di volume effettivo entrarezione del ventricolo sinistro (LV) (tempo di velocità integrale [VTI] di reale E-onda con parametri PDF c, k, x O) per il volume ideale (VTI ideale di E-onda con lo stesso k e x o, ma senza resistenza riempimento [c = 0]). Nei 36 pazienti con normale funzione ventricolare (17 diabetici e 19 controlli non diabetici ben assortita) è stato dimostrato che il 30 KFEI di E-onde in pazienti diabetici (49,1 ± 3,3%) era significativamente più bassa rispetto ai pazienti normali (55,8 ± 3,3%) . Ciò significa che anche quando LVEF è normale, l'efficienza di riempimento è alterata nei pazienti diabetici rispetto ai non diabetici.

    RIEMPIMENTO EFFICIENZA deteriora con l'AGE

    Alla luce della capacità di cinematica indice di efficienza di riempimento (KFEI) 29 per valutare il riempimento nel diabete vs. controlli non diabetici, la dipendenza dell'età di KFEI è stato determinato. E 'stato dimostrato che KFEI, diminuisce in ampiezzacon l'età e correla fortemente con l'età (R 2 = 0,80), analizzando 72 soggetti di controllo con normale FEVS (LVEF> 55%) e senza patologia cardiovascolare 30. La dipendenza età di altri parametri convenzionali di DF è stata anche valutata. In concordanza con altre misure non invasive DF noti a diminuire con l'età, KFEI diminuisce e correla fortemente con l'età (R 2 = 0,80). L'analisi multivariata ha mostrato che l'età è il singolo fattore più importante per KFEI (p = 0,003).

    INDICE DI CARICO INDIPENDENTE funzione diastolica

    Contorni E-onda dimostrano cambiamenti battito-per-battito in risposta alla respirazione e, quindi, dimostrano una forte dipendenza del carico. Infatti tutti gli indici di DF sono dipendente dal carico. Questo è problematico, perché mette in discussione se le differenze osservate negli indici DF sono il risultato di variazione di carico o il risultato di intrinseca variabilità proprietà camera. Previsione teorica e sperimentazioneAl validazione di un indice di carico indipendente della funzione diastolica (LIIDF) è stato un problema irrisolto a lungo cercato in fisiologia / cardiologia. Per affrontare la questione della dipendenza del carico, il formalismo PDF è stato applicato a E-onde misurate a carichi variabili. Attraverso la modellazione cinematica e derivazione matematica, un indice indipendente di carico è stato derivato, che si conserva tra E-onde misurate con carichi diversi. Per ogni E-onda misurati, i parametri PDF ke x o sono moltiplicati a cedere kx o, il modello ha predetto valore di forza di picco analogo al picco di flusso gradiente di pressione istantanea di guida, e il parametro PDF c viene moltiplicata per il picco picco di velocità E per produrre un valore per il picco di forza resistente riempimento. Tracciare kx o vs. Picco c E come una coppia ordinata per ogni E-onda genera un rapporto altamente lineare il cui (adimensionale) pendenza M è il sought dopo il carico indice indipendente e rimane conservata nonostante carico generato cambiamenti di E-onde.

    Per la convalida E-onde registrate mentre il carico è stata variata con tavolo tilt (testa alta, orizzontale, e la testa in giù) in 16 volontari sani è stato analizzato. I risultati di 33 ha prodotto molto elevata correlazione (R 2 = 0,98) tra kx o e picco ec E come previsto. La capacità di M di distinguere tra soggetti normali e disfunzione diastolica è stata valutata anche mediante l'analisi dei dati cath-eco simultanee in soggetti disfunzione diastolica vs. controlli. M Media per il gruppo di disfunzione diastolica (M = 0.98 ± 0.07) era significativamente inferiore rispetto ai controlli (M = 1.17 ± 0.05, p <0.001) 33.

    Figura 1
    Figura 1 Sequenza di fasi operativeper il montaggio (A) una E-wave e (B) un E'-wave tramite il formalismo PDF. A) Da sinistra a destra sopra l'immagine flusso transmitralico è ritagliata per ottenere Doppler profilo di velocità. E-onda massima busta velocità (MVE) per essere in forma è selezionato (evidenziato in verde con limiti di tempo in blu). Errore minimizzando in forma PDF è ottenuto tramite un algoritmo Levenberg- Marquardt conseguente parametri PDF e una misura della bontà di adattamento. B) Procedura simile per l'immagine Doppler tissutale. L'immagine è invertita dopo il ritaglio. Vedere il testo per i dettagli. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

    Figura 2
    Figura 2 Tre modelli di E-onda con PDF adatta. A) Normal / pseudonormale riempimento pattern. B) ritardato rilassamento modello. C) modello costrittiva-restrittivo. Vedere il testo per i dettagli. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    In linea con il nostro obiettivo metodologico, sono evidenziati gli aspetti chiave dei metodi che facilitano ottenere risultati accurati e significativi.

    ECOCARDIOGRAFIA

    La Società Americana di Ecocardiografia (ASE) ha linee guida per la realizzazione di studi transtoracici 16. Durante un esame eco, ci sono una moltitudine di fattori che influenzano la qualità dell'immagine. I fattori che sfuggono al controllo del ecografista includono: capacità tecniche della termocamera in uso, frequenza cardiaca, habitus corporeo del paziente, variazione individuale nella posizione, orientamento delle strutture anatomiche, e la qualità di 'finestra echo', che si riferiscono alle caratteristiche del trasmissione degli ultrasuoni nel tessuto di un dato soggetto. I fattori che sono direttamente controllabili dal ecografista includono impostazioni della macchina, tra cui la scelta del trasduttore. Poiché la fedeltà dell'analisi PDF dipende sull'immagine qual ecolità, occorre prestare attenzione durante il processo di acquisizione delle immagini per ottenere le migliori immagini possibili.

    Per ottimale E-onda immagini di qualità per l'analisi PDF, massimizzando formato E-onda rispetto al display e impostare la velocità di scansione a 100 mm / sec sono desiderabili. Alta velocità di scansione e l'utilizzo del formato pieno schermo nel determinare la massima velocità di scala offre una maggiore risoluzione temporale (vale a dire più punti per essere in forma), lungo entrambi gli assi tempo e la velocità. Impostazioni del filtro della linea di base può anche essere meglio determinato con impostazioni di velocità di scansione superiori. Il numero di cicli cardiaci registrati è molto variabile tra i laboratori eco. Per significativo PDF analisi registrazione continua attraverso vari (3 o 4) cicli respiratori è più desiderabile. In una tipica frequenza cardiaca a riposo di 75 battiti / min, e 12 respirazioni / min, 4 cicli respiratori ammontano a 20 secondi di registrazione continua che dovrebbe fornire 25 cicli cardiaci. Registrazione questo numero di cicli è giustificato a causa del carico di varying conseguenza della respirazione calma, in modo che il LIIDF può essere calcolata se desiderato. Nota, che i valori di calcolo per x O, C, e k basati sulla media battuta 25 è un modo legittimo per caratterizzare diastole. Variazione del carico può anche essere generato durante la registrazione clinica dalle manovre di Valsalva o Mueller, o da elevazione della gamba passiva mediante l'impiego di un cuneo di schiuma di 30 °.

    PDF PARAMETRO DETERMINAZIONE

    DETTAGLI algoritmico

    L'equazione del moto per un oscillatore armonico smorzato e la sua soluzione matematica è il contenuto del corso standard di ingegneria matematica, in fisica e meccanica 34. La scelta del linguaggio di programmazione (C ++, Fortran, LabView, MATLAB, ecc.), Da cui è attuata anche a discrezione dell'utente / ricercatore. Esistono metodi numerici standard e sono ben noti 35. Altri gruppi hanno attuato il formalismo PDF da wRiting proprio algoritmo numerico e hanno replicato in modo indipendente i nostri risultati, compresi i valori numerici per il PDF parametri 36 in un ampio studio che ha coinvolto oltre 1.000 pazienti. Mentre lavori in corso comprende lo sviluppo di strumenti di analisi PDF web-based, l'ottimale, ampio beneficio raggiungimento del metodo potrebbe essere meglio realizzato per incorporazione della formalismo PDF nel pacchetto di analisi di proprietà di imager ecocardiografici commerciali.

    OPERATORE ASPETTI DIPENDENTI

    Una volta che l'immagine dell'onda E 'stato importato e ritagliata (vedere Figura 1) determinazione della busta massima velocità, cioè l'insieme effettivo di punti per cui la soluzione di velocità oscillatorio armonico smorzato è da adattarsi con il metodo, è determinata. Come mostrato dalla sequenza di pannelli e fasi operative di figura 1 e discusso in precedenza, rumore di fondo così come rumore estraneo che colpisce il contorno è often parte dell'immagine. L'operatore può determinare l'insieme continuo di punti per essere in forma, come mostrato in Figura 1, regolando la posizione delle linee blu verticali che definiscono l'inizio e la fine dei punti per essere in forma. Il metodo visualizza la misura direttamente sull'immagine importata e l'operatore può facilmente valutare se è significativo o meno.

    La frequenza cardiaca ha un effetto sulla durata della diastole e le caratteristiche della E-onda 37, e la cura deve essere presa per interpretare i risultati dell'algoritmo raccordo nel contesto della frequenza cardiaca del paziente. A frequenze cardiache tipici inferiori a 80 battiti / min, in ritmo sinusale E-e A-onde sono separati da un breve periodo di diastasi. Questo facilita l'inserimento della porzione decelerazione della E-onda. Come frequenza cardiaca aumentano, diastasi diminuisce e scompare, poiché A-onda esordio avviene prima della cessazione E-onda. A frequenze cardiache veloci, sopra 90 battiti / min, l'A-onda si sovrappone la parte decelerazione del E-ondae analisi PDF della E-onda diventa inaffidabile a causa del numero limitato di punti MVE disponibili per essere in forma. Per un'analisi significativa almeno mezzo a due terzi della decelerazione dell'onda E la forma d'onda totale dovrebbe essere disponibile per il montaggio.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Acknowledgements

    Questo lavoro è stato sostenuto in parte da Alan A. e Edith L. Wolff Charitable Trust, St. Louis, e l'Ospedale Fondazione Barnes-Jewish. L. Shmuylovich e E. Ghosh sono stati in parte supportati da borse di studio premi predoctoral dal Affiliato Heartland della American Heart Association. S. Zhu ha ricevuto il sostegno parziale della Washington University Compton Scholars Program e il College of Arts e Summer Undergraduate Research Award Scienze '. S. Mossahebi ricevuto il sostegno parziale da parte del Dipartimento di Fisica.

    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