Quantifizierung der globalen diastolischen Funktion durch kinematische Modellierung basierende Analyse der transmitralen Fluss über die diastolische Füllung Parametrisierte Formalismus

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
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Bioengineering

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Summary

Präzise, ​​Kausalität basierte Quantifizierung der globalen diastolischen Funktion durch kinematische Modellierung basierende Analyse des transmitralen Fluss über die Parametrisierte diastolische Füllung (PDF) Formalismus erreicht. PDF erzeugt einzigartige Steifigkeit, Entspannung und Belastungsparameter und erläutert "neuen" Physiologie und gleichzeitig sensitive und spezifische Indizes der Dysfunktion.

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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).

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Abstract

Quantitative Beurteilung der Herzfunktion bleibt eine Herausforderung für Physiologen und Kliniker. Obwohl historisch invasive Methoden die einzige Möglichkeit besteht, die Entwicklung von nicht-invasiven bildgebenden Verfahren (Echokardiographie, MRT, CT) mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung liefern ein neues Fenster für die quantitative Beurteilung diastolischen Funktion. Die Echokardiographie ist das auf Standard für die diastolische Funktion Einschätzung überein, aber Indizes in aktuellen klinischen Einsatz nur ausgewählte Merkmale Kammer Dimension (M-Modus) oder Blut / Gewebebewegung (Doppler) Wellenformen zu nutzen, ohne Einbeziehung der physiologischen kausalen Determinanten der Bewegung selber. Die Erkenntnis, dass alle linken Ventrikel (LV) initiieren Füllen durch mechanische Absaugpumpen dienen können globalen diastolischen Funktion basierend auf Bewegungsgesetze, die für alle gelten Kammern bewertet werden. Was unterscheidet ein Herz von einem anderen sind die Parameter der Bewegungsgleichung, die govErns-Füllung. Dementsprechend Entwicklung der diastolische Füllung Parametrisierte (PDF) Formalismus hat gezeigt, dass der gesamte Bereich der klinisch beobachteten frühen transmitralen Strom (Doppler-E-Welle) Muster sind sehr gut Passform durch die Gesetze der gedämpften Schwingungsbewegung. Dies ermöglicht eine Analyse der individuellen E-Wellen in Übereinstimmung mit einer kausalen Mechanismus (Rückstoß initiiert Ansaugen), die drei (numerisch) einzigartig konzentrierten Parameter, deren physiologische Analoga Kammer Steifigkeit (k), Viskoelastizität / Entspannung (c) und Last (x ergibt o). Die Aufzeichnung der transmitralen Strom (Doppler-E-Wellen) ist gängige Praxis in der klinischen Kardiologie und daher die echokardiographischen Aufnahmeverfahren nur kurz überprüft. Unser Fokus liegt auf der Bestimmung der Parameter von PDF routinemäßig aufgezeichnet E-Wave-Daten. Da die hervorgehobenen Ergebnisse zeigen, wenn die PDF-Parameter aus einer geeigneten Anzahl von Last erhalten worden unterschiedlichen E-Wellen, die Investigator ist frei, um die Parameter zu verwenden oder zu konstruieren Indizes aus den Parametern (wie gespeicherte Energie 2.1 kx o 2, maximal AV Druckgefälle kx o, Lastindex von unabhängigen diastolischen Funktion, etc.), und wählen Sie den Aspekt der Physiologie oder Pathophysiologie quantifiziert werden.

Introduction

Bahnbrechenden Studien von Katz 1 im Jahr 1930 ergab, dass die linke Herzkammer initiiert Säugetier Füllung, indem sie eine mechanische Saugpumpe und viel Mühe hat sich seitdem zu der Entschlüsselung der Funktionsweise der Diastole gewidmet. Seit vielen Jahren waren invasive Methoden die einzigen Optionen für die klinische Forschung oder Beurteilung der diastolischen Funktion (DF) 2-16 zur Verfügung. In den 1970er Jahren jedoch technische Weiterentwicklungen und Entwicklungen in der Echokardiographie gab schließlich Kardiologen und Physiologen praktische Werkzeuge für die nichtinvasive Charakterisierung von DF.

Ohne eine vereinheitlichende Theorie kausaler oder Paradigma für die Diastole über, wie das Herz funktioniert, wenn es füllt, schlug die Forscher zahlreiche phänomenologische Indizes basierend auf der Korrelation mit klinischen Merkmalen. Die gekrümmte, rasch steigende und fallende Form des transmitralen Blutflussgeschwindigkeit in der frühen Kontur, schnelle Befüllung, zum Beispiel, wurde als ein Dreieck und diastolischen fu angenähertnktion Indizes wurden von geometrischen Merkmalen des Dreiecks definiert (Höhe, Breite, Fläche, etc..). Technische Fortschritte in der Echokardiographie haben Gewebebewegung, Dehnung, Dehnungsrate und erlaubt während der Befüllung gemessen werden soll, zum Beispiel, und jeder technische Fortschritt brachte eine neue Ernte von phänomenologischen Indizes mit klinischen Merkmalen korreliert werden. Allerdings bleiben die Indizes korreliert und nicht kausal und viele Indizes sind verschiedene Maßnahmen der gleichen zugrunde liegenden Physiologie. Es ist nicht verwunderlich, dass derzeit beschäftigt klinischen Indizes der DF haben Spezifität und Sensitivität begrenzt.

Um diese Einschränkungen, die die parametrisierten diastolische Füllung (PDF) Formalismus, ein kausaler kinematische zu überwinden, wurde in einen Topf geworfen Parameter-Modell der linksventrikulären Füllung, die durch motiviert ist und beinhaltet die Saugpumpe Physiologie der Diastole entwickelt und validiert 17. Es Modelle diastolischen Funktion (wie durch die gekrümmten Formen manifestiertvon transmitralen Fluss Konturen) in Übereinstimmung mit den Regeln des gedämpften harmonischen Schwingungsbewegung. Die Gleichung für die gedämpfte harmonische Schwingungen auf Newtons zweites Gesetz und kann geschrieben werden, pro Masseneinheit, zB:

Gleichung 1 Gleichung 1

Diese lineare 2. Ordnung Differentialgleichung hat drei Parameter: k - Kammer Steifigkeit, c - Viskoelastizität / Entspannung, und x o - des Oszillators Anfangsverschiebung / Vorspannung. Das Modell sagt voraus, dass die verschiedenen klinisch beobachtet diastolischen Füllung Muster sind das Ergebnis der Änderung in dem numerischen Wert dieser drei Modellparameter. Basierend auf der PDF-Formalismus und der klassischen Mechanik, kann E-Wellen als von unter-oder über-gedämpft gedämpft Regime der Bewegung bestimmt klassifiziert werden. Zahlreiche Studien 21. Das Verfahren zur Extraktion von Modellparametern aus klinisch aufgezeichnet E-Wave-Daten ist in den Methoden unten detailliert.

Im Gegensatz zu typischen Indizes der DF in der aktuellen klinischen Einsatz sind drei Parameter des PDF-Modells Kausalität. Wie in den Methoden unten diskutiert wird, können zusätzliche Indizes der diastolischen Physiologie von diesen Grundparameter und von der Anwendung der PDF-Formalismus, um Aspekte der Diastole andere als transmitralen Strom abgeleitet werden. In dieser Arbeit Methoden der PDF-basierten Analyse transmitralen Strom und physiologischen Beziehungen, die aus der PDF-Ansatz gezogen werden kann, die Parameter und die abgeleiteten Indizes beschrieben. Zusätzlich wird gezeigt, dass die PDF-Parameter oder Indizes daraus ableitbaren teaseabgesehen intrinsischen Eigenschaften Kammer von den externen Auswirkungen der Belastung kann Korrelate zu herkömmlichen invasiven definierten Parameter bieten und kann zwischen normalen und pathologischen Gruppen zu differenzieren.

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Protocol

Das Verfahren für die Erfassung und Analyse von echokardiographischen Bilder sie, um die PDF-Parameter zu erhalten wird im Folgenden aufgeführt. Obwohl Herzkatheter wird in der Betreff-Auswahlabschnitt unten erwähnt, gilt die beschriebene Methode nur auf die echokardiographischen Teil. Die Beschreibung der Katheterisierung Teil wurde für die unabhängige Validierung der modellbasierten Vorhersagen enthalten und ist nicht mit der Analyse der E-Wellen über die PDF-Formalismus. Vor der Datenerfassung, bieten alle Fächer unterzeichnet, informierte Zustimmung für die Teilnahme an der Studie in Übereinstimmung mit der Institutional Review Board (Human Research Protection Amt) an der Washington University School of Medicine.

HINWEIS: Alle Software-Programme (zusammen mit Tutorials, wie man sie benutzt) in diesem Abschnitt beschrieben kann heruntergeladen werden http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

1. Auswahl Betreff

HINWEIS: Alle Patienten in der Herz-Kreislauf-Labor Biophysik Database hatte gleichzeitige Echokardiographie und Herzkatheter durchgeführt und wurden von ihren Ärzten für diagnostische Herzkatheter bezeichnet. Die Datenbankeinschlusskriterien sind: 1) Fehlen größerer Klappenanomalien, 2) die Abwesenheit von Wandbewegungsstörungen oder Schenkelblock im EKG, 3) Vorhandensein einer zufriedenstell echokardiographische Fenster mit eindeutig identifizierbaren E-und A-Wellen.

2. echokardiographische Datenerfassung

  1. Nehmen Sie eine komplette 2D / Echo-Doppler-Studie für alle Themen im Einklang mit der American Society of Echokardiographie Kriterien 16. HINWEIS: Die Screening Echokardiogramme wurden an einem klinischen Standardbildkamera von einem Untersucher erfasst. Falls gewünscht, können zusätzliche transthorakalen Echokardiografie Aufzeichnungs zur Verifizierung Zweck durchgeführt werden,s nach einer geeigneten, HiFi-Katheter wird in die LV fortgeschrittene LV Hämodynamik gleichzeitig messen.
  2. Bild Themen in der Rückenlage. In einer nonresearch Einstellung können Standard linken seitlichen Positionierung ohne Verlust der Allgemeingültigkeit der Verfahren verwendet werden. Erhalten apikalen Vierkammerblick mit einem 2,5 MHz-Wandler, der das Probenvolumen auf 1,5-5 mm zwischen den Spitzen der Mitralklappensegel und orthogonal zu der Ebene MV (Ausrichtungseffekte zu minimieren gerichtet gated on als farb M-Modus-Doppler gesehen ), der Wandfilter unter 1 (125 Hz) oder 2 (250 Hz), der Grundlinie eingestellt, die Vorteile der vollen Höhe des Displays und der Geschwindigkeitsskala angepasst, um den Dynamikbereich des Ausgabe ohne Aliasing nutzen Aufnahmen macht.
  3. Führen Doppler Gewebe-Bildgebung mit dem Probenvolumen bei 2,5 mm eingezäunt und an den seitlichen und Septum-Tränke der Mitralannulus positioniert.
  4. Sparen Doppler-Untersuchungen im DICOM-Format in der Echomaschine und Aufzeichnung auf DVD mit simultaneously aufgezeichnet Elektrokardiogramm (EKG).

3. Doppler Bildverarbeitung und konventionelle Analyse

Hinweis: Dieser Abschnitt beschreibt zwei benutzerdefinierte MATLAB-Programme. Das erste Programm wird in Schritt 3.1 beschrieben, und das zweite Programm in den Schritten 3.2-3.5 beschrieben. Alle Software-Programme (zusammen mit Tutorials, wie man sie benutzt) kann heruntergeladen werden unter http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

  1. Bilder aus dem DICOM-Format zu konvertieren, um Video-und Bitmap (BMP)-Dateien (mit einem benutzerdefinierten MATLAB-Programm). HINWEIS: Die unten beschriebenen Doppler E-Wellen und Gewebe-Doppler-E'-Wellen passen Verfahren ist in Abbildung 1 dargestellt.
  2. Laden Sie die Bitmap-Bilddateien auf einem anderen benutzerdefinierten MATLAB-Programm zu herkömmlichen transmitralen Strömungsparameter wie E Gipfel, ein Spitzen, E dur messen 'Spitzen, A' Spitze, etc. und beschneiden Sie die Bilder für PDF-Analyse. Wählen Sie Bilder mit erkennbaren transmitralen Strömungskontur und komplette Herzzyklus durch EKG-Analyse ergab.
  3. Die Zeit an Abtastrate (in Pixeln / s auf der horizontalen Achse gemessen) und die Geschwindigkeit Abtastrate (in Pixel / (m / s gemessen) entlang der vertikalen Achse) in den Bildern. Identifizieren Sie die komplette Herzzyklus mit der Feststellung und Kennzeichnung aufeinanderfolgenden R-Zacken (oder ein besonderes Merkmal des EKG) auf dem Bild.
  4. Markieren Sie die transmitralen Doppler E-und A-Welle oder Gewebe-Doppler E'- und A'- Welle im ausgewählten Herzzyklus.
    1. Wählen Sie die E-Doppler-Wellenscheitelpunkt also. E Gipfel, (oder E 'peak) und markieren den Beginn der Welle mit der Linie, die die Spitze zu Beginn als Leitfaden für die Beschleunigung Steigung der E-Welle (oder E'-Welle) entsprechen. Der Start der Welle wird das Intervall vom Anfang berechnen peak Fluss bezeichnet als E-Welle (oder E'-Welle) Beschleunigungszeit (AT).
    2. Markieren das Ende der E-Welle (oder E'-Welle) mit der Linie, die die Spitze bis zum Ende als Leitfaden für die Bremsrampe entsprechen. Dies wird verwendet, um den Abstand von der Spitze zur Basislinie als die Verzögerungszeit (DT) bezeichnet berechnen. Das Intervall vom Beginn bis zum Ende der Welle ist die Dauer der E-Welle (E dur = AT + DT). Das Programm führt den Anwender durch den gesamten Prozess mit entsprechenden Anweisungen.
  5. Filter A-Welle unter Verwendung eines ähnlichen Verfahrens wie dem E-Welle. Sowohl mit der E-und A-Wellen markiert das Programm berechnet die E Spitzen / A-Peak-Verhältnis.
    HINWEIS: Das Programm speichert die markierten Wellen als beschnittene Bilder, die die E-und A-Wellen nur. Das Programm erstellt auch eine Datendatei mit dem Zuschneiden und Messparameter für jeden Takt.

4. Automatisierte Montage von transmitralen Fluss Mit dem PDF-Formalismus

Die automatisierte Montage von Doppler E-und A-Welle und Gewebe-Doppler E'- und A'- Wellenkonturen wird mit einem benutzerdefinierten Programm LabView 18,19 getan.
  1. Legen Sie das zugeschnittene Bild, und das Programm berechnet automatisch die maximale Geschwindigkeit Umschlag (MVE). Wählen Sie das MVE, indem die Schwelle, so daß MVE annähert transmitralen Strom, wie in 1 gezeigt. Der Beginn und die Beendigung der Punkte, die MVE definieren, entlang der Zeitachse durch den Bediener ausgewählt werden, dass nur MVE Punkte die gute Übereinstimmung bereitzustellen dem eigentlichen ausgewählten Abschnitt der Welle als Eingabe für den nachträglichen Einbau verwendet.
  • HINWEIS: Die vom Benutzer ausgewählte MVE Punkte sind die Eingabe in das Computerprogramm, das automatisch passt die PDF-Modell-Lösung für die Geschwindigkeit als Funktion der Zeit unter Verwendung eines Levenberg-Marquardt (iterative) Algorithmus. Der Beschlag ist mit der Forderung erreicht, daß der mittlere quadratische Fehler zwischen dem klinischen (Eingang)Daten (MVE) und das PDF-Modell vorhergesagten Kontur minimiert werden. Da das Modell linear ist, wird ein eindeutiger Satz von Parametern für jede Doppler-E-Welle abgeleiteten MVE als Eingabe verwendet wird, erhalten. So numerisch einzigartige k, c und x o-Werte werden für jede E-Welle und k ', c' und x o 'für jeden E'-Welle erzeugt.
  • Im Falle der Sitz ist offensichtlich suboptimal, wenn der Sitz auf der E-Welle überlagert (oder E'-Welle) Bild (dh. Der Algorithmus versucht, Rauschen in dem MVE beispiels enthalten passen) unter Verwendung von mehr modifizieren MVE / weniger Punkte, wodurch das Modell vorhergesagten Änderung Kontur mit daraus folgenden Änderung der PDF-Parameter, um eine bessere Passform zu erzielen.
  • Speichern Sie die Daten, wenn die entsprechenden PDF-Passform erzeugt wurde. Hinweis: Das Programm wird geschrieben, um die Daten in Bild-und Textdateien, die PDF-Parameter enthalten, automatisch zu speichern unddie Konturinformationen.
    Die PDF-Parameter aus dem oben beschriebenen Verfahren erhalten werden, können verwendet werden, um neue Physiologie aufzuklären und zwischen normalen und pathologischen Physiologie im Repräsentative Ergebnisse weiter unten detailliert beschrieben.

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    Representative Results

    Doppler-Wellenformen repräsentativ für die vier verschiedenen Arten von Füllmustern (normal, pseudonormal, verzögerte Erholung, konstriktive beschränke) unter Verwendung der oben beschriebenen Methode, sind in der Abbildung 2 dargestellt. 2A zeigt das normale Muster, die von selbst nicht von der pseudonormal ist Muster. 2B zeigt eine verzögerte Erholung und 2C zeigt eine Eingrenzungs einschränkendes Muster mit schweren diastolische Dysfunktion. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden die PDF-Modell vorhergesagte passt auf den Bildern überlagert. Die herkömmlichen Echoparameter (E Gipfel ein Spitzen, E-Welle an, und E-Welle DT) und die PDF-Parameter (k, c, x o) sind unter jedem Bild aufgeführt. Wie die Zahlen zeigen, passt das PDF-Formalismus (prognostiziert) alle drei dieser Füllung Muster sehr gut. Die PDF-Parameter liefern auch Informationen über Kammer Eigenschaften. Die deEntspannung gelegt Muster (2B) hat typischerweise höhere Viskoelastizität / Entspannung PDF Parameter c als der normale Muster (Abbildung 2a). Eingrenzungs einschränkendes Muster (2C) hat typischerweise eine höhere Steifigkeit (PDF Parameters k) als der normale Muster.

    Analyse von Doppler E-Wellen unter Verwendung des PDF-Formalismus verwendet wurde, um zwischen der normalen und pathologischen Gruppen abzuheben und neue Physiologie entdecken. Im Folgenden sind einige ausgewählte veröffentlichten Ergebnisse der PDF-basierten Formalismus DF-Analyse soll zwischen pathologischen und normalen Physiologie und ausgewählte Anwendungen der PDF-Formalismus differenzieren, um neue Physiologie aufzuklären.

    DIABETES

    Das Verfahren hat sich gezeigt, dass die Unterschiede in der DF zwischen diabetischen und altersangepassten Kontrollpatienten quantifizieren. Während die herkömmliche Indizes wie E-Wellenverzögerungszeit DT, E c signifikant verschieden zwischen den beiden Gruppen 22. Zusätzlich wird die Spitzen atrioventrikulären Druckgradienten, die aus den PDF Parameter kx O 23 berechnet werden kann, war in der diabetischen Gruppe signifikant höher. Siehe auch kinematische Füllgrad, für Diabetiker unten aufgetragen.

    BLUTHOCHDRUCK

    Das Verfahren wurde verwendet, um transmitralen Füllmuster in hypertensive Probanden im Vergleich zu den Kontrollen 24 zu analysieren. Konventionellen Doppler abgeleitet Indizes konnten zwischen den Gruppen, aber die PDF-Parameter C wurde in der hypertensiven Probanden-Gruppe signifikant höher im Vergleich zu nonhypertensive Kontrollen differenzieren.

    Kalorische Restriktion VERLANGSAMT HERZ AGING >

    Das Verfahren beurteilt die Wirkung der kalorischen Restriktion auf DF beim Menschen 25. DF wurde bei Patienten üben kalorische Restriktion durch Messung transmitralen Fluss und im Vergleich zu Kontrollpersonen alters- bewertet. DF war in der kalorischen Restriktion Gruppe deutlich besser als durch höhere Wert von E / A und höher frühen Füllung (E-Welle) Fraktion quantifiziert. Zusätzlich wird die PDF-Parameter k, was LV Kammer Steifigkeit und c, was Viskoelastizität, war in kalorische Restriktion Themen deutlich niedriger. Da der E Peak war nicht signifikant verschieden zwischen den beiden Gruppen, die Kontrollgruppe verbraucht mehr Energie, um die gleiche Spitzenabfüllgeschwindigkeit zu erreichen. Dies zeigte, dass Kalorienrestriktion ist mit effizienter DF verbunden. Darüber hinaus ist die Füllung bei älteren Probanden Kalorien beschränkt war vergleichbar mit einer jüngeren Kohorte normalen, was darauf hindeutet, dass kalorische Restriktion verlangsamt Herzalterung 26.

    _content "> Präsenz VS. KEINE Mitral RINGSCHWINGUNGEN

    Die PDF-Formalismus ist auch verwendet worden, um Mitral ringförmigen Schwingungen (MAO) nach der E'-Welle zu analysieren (die E "-wave, E '' '-. Welle, etc). Diese "Klingeln" des Mitralanulus bei Menschen beobachtet worden, aber 20 Charakterisierung der Anwesenheit und Abwesenheit der nachfolgenden Schwingungen fehlte. Das Verfahren erlaubt die Hypothese zu testen, dass die Abwesenheit von MAO durch erhöhte viskoelastische Effekte aufgrund geringer oder langsamer wirksame Entspannung erläutert. Durch Vergleichen 35 Probanden mit MAO 20 Probanden ohne MAO wurde gefunden, daß die Längssteifigkeit (k ') und die Längs Viskoelastizität / Entspannung (c') wurden in der Gruppe höher ohne MAO. Der anfängliche Rückstoß und der Rückstoßenergie gespeichert beide waren in der Gruppe mit MAO höher. Zusätzlich wurde gezeigt, dass das Fehlen von MAO wurde konzordant mit Entspannung bezogenen diastolische Dysfunktion 27. Daher die PDF-Analyse von Gewebe-Doppler E'- Wellen zeigt, daß die Abwesenheit von MAO zeigt Entspannung bezogen diastolische Dysfunktion.

    Diastatisch STEIFIGKEIT VON E-Wellenanalyse

    Während die Steigung der enddiastolische Druck-Volumen-Verhältnis (EDPVR) bietet die bekannte Steifigkeit basierte Index, die Steigung (AP / AV) des diastatisch Druck-Volumen (PV)-Beziehung (D-PVR) stellt die in-vivo- Steifigkeit des LV entspannt. Echokardiographie, (dh Doppler E-Welle), Analyse nur relativ zu schaffen, nicht als absolute Druckinformationen. Dementsprechend wurde gezeigt, dass die entspannte (diastatisch) Steifigkeit des LV direkt aus E-Wellenanalyse allein 28 berechnet werden. Mit dem PDF-Formalismus und Bernoulli-Gleichung Druck und Volumen bei Diastase (Ende der E-Welle) abgeleitet wird. Die abgeleitete P, V Punkte, wenn über fitlineare Regression erzeugen die D-PVR von E-Wellenanalyse (D-PVR E-Welle), deren Steigung wurde diastatisch Steifigkeit K E-Welle berechnet. Die Ergebnisse ergaben ausgezeichnete Korrelation (R 2 = 0,92) zwischen diastatisch Steifigkeit aus PDF-basierte E-Wellenanalyse (K E-Welle) und die gleichzeitige Messung der Goldstandard diastatisch Steifigkeit aus der gleichzeitigen PV-Daten (K CATH) in 30 Probanden (444 Gesamt Herzzyklen) mit normaler LVEF (LVEF> 55%).

    KINEMATIC Fülleffizienz INDEX

    Von einer kinematischen Modellierung Perspektive erzeugt eine erhöhte Entspannung / Viskosität konstant c der Befüllung erhöhten Widerstand. Daher ist eine natürliche Wahl für idealisierte Füllungs ist ein Szenario, aufgrund nur Entspannung und Rückstoß, dh keine Dämpfung (c = 0). Die kinematische Füllung Effizienzindex (KFEI) definiert und abgeleitet 29 als dimensionslose Verhältnis der tatsächlichen Volumen gebening den linken Ventrikel (LV) (Geschwindigkeitszeitintegral [VTI] realer E-Welle mit PDF Parameter c, k, x o) der idealen Leistung (VTI idealer E-Welle, die gleiche k und x o, aber keinen Widerstand Füllen [c = 0]). Bei 36 Patienten mit normaler Herzfunktion (17 Diabetiker und 19 gut angepaßt nichtdiabetischen Kontrollen) wurde gezeigt, dass 30 KFEI der E-Wellen in diabetischen Patienten (49,1 ± 3,3%) war wesentlich geringer als bei normalen Patienten (55,8 ± 3,3%) . Dies bedeutet, dass selbst dann, wenn die LVEF ist normal, füllt Effizienz bei Diabetikern im Vergleich zu Nichtdiabetikern beeinträchtigt.

    Füllungsgrad verschlechtert sich mit AGE

    Angesichts der Fähigkeit der kinematischen Füllung Effizienzindex (KFEI) 29 zu beurteilen Ausfüllen Diabetes vs. nicht-diabetischen Kontrollen, die Altersabhängigkeit der KFEI bestimmt. Es wurde gezeigt, dass KFEI nimmt in der GrößeAlter und korreliert sehr stark mit dem Alter (R 2 = 0,80) durch die Analyse 72 Kontrollpersonen mit normaler LVEF (LVEF> 55%) und ohne kardiovaskuläre Pathologie 30. Die Altersabhängigkeit der andere herkömmliche Parameter DF wurde ebenfalls bewertet. In Übereinstimmung mit anderen nicht-invasiven Maßnahmen DF bekannt, mit dem Alter abnimmt, verringert sich und korreliert sehr stark mit dem Alter (R 2 = 0,80) KFEI. Multivariate Analysen zeigten, dass das Alter der wichtigste Faktor für KFEI (p = 0,003).

    Lastunabhängigen INDEX diastolischen Funktion

    E-Wellenkonturen zeigen Takt-für-Takt sich in Reaktion auf die Atmung und somit zeigen starke Lastabhängigkeit. In der Tat alle Indizes der DF sind lastabhängig. Dies ist problematisch, weil sie in Frage gestellt, ob die beobachteten Unterschiede in der DF-Indizes sind das Ergebnis der Lastvariation oder das Ergebnis der inneren Kammer Eigenschaft Variation. Theoretische Vorhersage und Experimental Validierung eines lastunabhängigen Index der diastolischen Funktion (LIIDF) hat eine lange gesucht ungelöstes Problem in der Physiologie / Kardiologie. Um die Frage der Lastabhängigkeit begegnen, wurde die PDF Formalismus E-Wellen gemessen bei variablen Lasten aufgebracht. Durch kinematische Modellierung und mathematische Ableitung wurde eine lastunabhängige Index abgeleitet, die zwischen den E-Wellen, gemessen bei unterschiedlichen Lasten erhalten wird. Für jeden Mess E-Welle, die PDF-Parameter k und o x multipliziert werden, um Ausbeute kx o, prognostizierte das Modell Spitzenkraftwert analog der höchste momentane Druckgefälle Fahrfluss und die PDF-Parameter c wird durch die Spitzengeschwindigkeit E Spitzen multipliziert , um einen Wert für die Spitzenkraft widerFüllung ergeben. Plotten kx o vs. E c Spitze als ein geordnetes Paar für jeden E-Welle erzeugt ein hochlineare Beziehung, deren (dimensionslose) Steigung M ist die sought nach Last unabhängigen Index und bleibt trotz Last konserviert erzeugten Veränderungen in der E-Wellen.

    Zur Validierung E-Wellen aufgezeichnet, wobei die Belastung über Kipptisch variiert (Kopf hoch, horizontal, und Kopf nach unten) in 16 gesunden Probanden untersucht. Die Ergebnisse 33 ergab die sehr hohe Korrelation (R 2 = 0,98) zwischen kx o und c E Spitzen wie vorhergesagt. Die Fähigkeit von M, zwischen normalen und diastolischen Dysfunktion Themen unterscheiden wurde auch von der gleichzeitigen Analyse Cath-Echo-Daten in diastolische Dysfunktion Themen vs bewertet. Kontrollen. Durchschnittliche M für die diastolische Dysfunktion Gruppe (M = 0,98 ± 0,07) signifikant niedriger als bei den Kontrollen (M = 1,17 ± 0,05, p <0,001) 33.

    Figur 1
    Abbildung 1. Sequenz von Arbeitsschrittenfür die Montage (A) einer E-Welle und (B) eine E'-Welle über den PDF-Formalismus. A) Von links nach rechts Bild transmitralen Strom wird so beschnitten, dass Doppler-Geschwindigkeitsprofil zu erhalten. E-Welle maximale Geschwindigkeit Umschlag (MVE) ausgewählt ist fit zu sein (in grün mit Fristen in blau dargestellt). Fehler minimiert PDF fit wird über Levenberg-Marquardt-Algorithmus, was zu PDF-Parameter und Maß der Güte der Anpassung. B) Ähnliche Verfahren für die Gewebe-Doppler-Bild erhalten. Bild wird nach dem Zuschneiden invertiert. Details siehe Text. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

    Figur 2
    Abbildung 2. Drei E-Wellenmuster mit PDF passt. A) Normal / Pseudonormal Füllung Muster. B) Verzögerte Erholung Muster. C) Constrictiva restriktive Muster. Details siehe Text. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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    Discussion

    Im Einklang mit unserer methodischen Schwerpunkt werden die wichtigsten Aspekte der Methoden, die erleichtern, um genaue und aussagekräftige Ergebnisse hervorgehoben.

    ECHOKARDIOGRAPHIE

    Die American Society of Echokardiographie (ASE) hat Richtlinien für die Durchführung von Studien transthorakale 16. Während eines Echoprüfung gibt es eine Vielzahl von Faktoren, die die Bildqualität beeinträchtigen. Faktoren, die außerhalb der Kontrolle der Untersucher sind, sind etwa technische Fähigkeiten des Bildkamera eingesetzt, Herzfrequenz, Patienten Habitus, individuelle Variation in der Lage, die Ausrichtung der anatomischen Strukturen und Qualität der "Echo-Fenster", die sich auf die Eigenschaften der Ultraschallübertragung in einem bestimmten Subjekts Gewebe. Faktoren, die durch den Untersucher direkt steuerbar sind, gehören Maschineneinstellungen, einschließlich Wahl des Wandlers. Da die Genauigkeit der PDF-Analyse ist abhängig von der Echobild Qualkeit, sollte darauf bei der Bildaufnahme-Prozess ergriffen werden, um die bestmöglichen Bilder zu erhalten.

    E für eine optimale Wellenbildqualität für PDF-Analyse, die Maximierung E-Welle relativ zur Größe der Anzeige und Einstellung der Durchlaufgeschwindigkeit auf 100 mm / s erwünscht. Hochlaufgeschwindigkeit und die Nutzung der vollen Bildschirmgröße bei der Bestimmung maximale Geschwindigkeit Scale stellt entlang der beiden Achsen Zeit und Geschwindigkeit erhöht zeitliche Auflösung (dh mehr Punkte fit zu sein). Baseline-Filtereinstellungen können auch mit höheren Laufgeschwindigkeit Einstellungen besser bestimmt werden. Die Anzahl der Herzzyklen aufgezeichnet ist sehr variabel zwischen Echo Labs. Für eine sinnvolle Analyse PDF kontinuierliche Aufzeichnung über mehrere (3 oder 4) Atemzyklen ist höchst wünschenswert. Bei einer typischen Ruheherzfrequenz von 75 Schlägen / min und 12 Atemzüge / min, 4 Atemzyklen betragen 20 Sekunden kontinuierlicher Aufnahme, die 25 Herzzyklen bieten sollte. Aufzeichnung diese Anzahl von Zyklen ist gerechtfertigt, weil der Last varying Folge der ruhigen Atmung, so dass die LIIDF kann, falls gewünscht, berechnet werden. Beachten Sie, dass Rechenwerte für x O, C, und k auf der Grundlage der durchschnittlichen 25 Beat ist ein legitimer Weg, um Diastole zu charakterisieren. Laständerung kann auch während der klinischen Aufnahme durch die Valsalva Manöver oder Müller, oder durch passive Bein Höhe mit einer 30 ° Schaumstoffkeil erzeugt werden.

    PDF Parameterbestimmung

    ALGORITHMIC DETAILS

    Die Bewegungsgleichung für einen gedämpften harmonischen Oszillator und ihre mathematische Lösung ist Standard Lehrinhalte in technische Mathematik, Physik und Mechanik 34. Die Wahl der Programmiersprache (C ++, Fortran, LabView, Matlab, etc..), Durch die es durchgeführt wird, ist auch im Ermessen des Anwenders / Ermittler. Standard numerische Methoden existieren und bekannt sind 35. Andere Gruppen haben die PDF-Formalismus durch w umgesetztriting eigenen numerischen Algorithmus und haben unabhängig repliziert unsere Ergebnisse, einschließlich der Zahlenwerte für die PDF-Parameter 36 in einer großen Studie mit mehr als 1.000 Patienten. Während die laufenden Arbeiten gehört die Entwicklung von Web-basierten PDF-Analyse-Tools, die optimale, breite reichende Nutzen der Verfahren könnte am besten durch den Einbau des PDF-Formalismus in die proprietären Analysepaket der kommerziellen echokardiographischen Bildkameras erzielt werden.

    Betreiberabhängig ASPEKTE

    Sobald die E-Welle Bild wurde eingeführt und abgeschnitten (siehe Abbildung 1) Bestimmen der maximalen Geschwindigkeit Hüllkurve, dh die tatsächliche Menge der Punkte, auf die die Lösung des gedämpften harmonischen Schwingungsgeschwindigkeit ist, durch das Verfahren angepasst werden, bestimmt wird. Wie durch die Folge von Platten und Verfahrensschritte in Figur 1 gezeigt und oben diskutiert, ist das Basislinienrauschen und Nebengeräusche, die die Kontur betrifft often Teil des Bildes. Der Bediener feststellen kann, die kontinuierliche Reihe von Punkten zu passen, wie in 1 gezeigt ist, durch Einstellen der Position der vertikalen blauen Linien, die den Beginn und das Ende der Punkte definieren fit. Die Methode zeigt die Passform direkt über das importierte Bild und der Bediener kann leicht beurteilen, ob es sinnvoll ist oder nicht.

    Herzfrequenz hat eine Wirkung auf die Dauer der Diastole und der Merkmale der E-Welle 37 und ist darauf zu achten, um die Ergebnisse des Anpassungsalgorithmus im Zusammenhang mit der Herzfrequenz des Patienten zu interpretieren. Bei typischen Herzfrequenzen unterhalb von 80 Schlägen / min, in Sinusrhythmus E-und A-Wellen werden von einer kurzen Periode der Diastase getrennt. Dies erleichtert die Integration des Verzögerungsabschnitt der E-Welle. Als Herzraten zu erhöhen, verringert sich Diastase und verschwindet, da A-Welle vor Beginn E-Welle Kündigung erfolgt. Bei schnellen Herzfrequenzen über 90 Schläge / min, liegt über die A-Welle die Verzögerungs Teil der E-Welleund PDF-Analyse der E-Welle wird aufgrund der begrenzten Anzahl von Punkten vorhanden MVE fit sein unzuverlässig. Für aussagekräftige Analyse mindestens 2.1 bis 3.2 der Gesamtverzögerung E-Welle Wellenform sollte für die Montage zur Verfügung.

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    Acknowledgements

    Diese Arbeit wurde zum Teil durch die Alan A. und Edith L. Wolff Charitable Trust, St. Louis, und dem Barnes-Jewish Hospital Foundation unterstützt. L. und E. Shmuylovich Ghosh wurden teilweise durch Promotionsstipendium Auszeichnungen von der Heartland Partner der American Heart Association. S. Zhu erhielt teilweise Unterstützung von der Washington University Compton Scholars Program und der Hochschule der Künste und Wissenschaften 'Summer Undergraduate Research Award. S. Mossahebi erhalten teilweise Unterstützung von der Fakultät für Physik.

    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

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