全球舒张功能通过静脉流的通过参数化舒张形式主义运动学建模为基础的定量分析

摘要

准确，因果关系为基础的全球舒张功能的定量已经被通过参数化舒张肺静脉流灌装（PDF格式）形式主义的运动造型为基础的分析来实现的。 PDF生成唯一的僵硬，放松和负载参数和阐发了“新”的生理，同时提供功能障碍的敏感和特异的指标。

摘要

定量心脏功能的评估仍然是生理学家和临床医生的一个挑战。尽管历史上有创方法都包含唯一的手段可用，无创成像方式的发展（超声心动图，MRI，CT），具有高时空分辨率为定量舒张功能评估的新窗口。超声心动图是同意的标准舒张功能的评估，但目前临床使用的索引仅仅是利用所选室尺寸（M模式）或血液/组织运动（多普勒）波形的功能，而结合了运动本身的生理因果决定因素。所有的左心室（LV）的启动按作为机械吸泵灌装承认允许根据适用于所有室内运动定律全球舒张功能进行评估。什么从另一个区分各个心脏的运动是GOV方程的参数ERNS灌装。因此，参数化舒张期充盈的发展（PDF格式）形式主义表明，临床上观察到的早期二尖瓣流量的整个范围（多普勒E波）模式是非常好的契合了阻尼振荡运动的规律。这允许按照因果机制（反冲启动吸）能产生3（数字）独特的集总参数，其生理类似物室刚度（K），粘弹性/休闲（c）和负载（X个人电子波的分析_O）。静脉流（多普勒电子波）的记录是在临床心脏病学的标准做法，因此，超声心动图的记录方法只简要回顾。我们的重点是确定从日常记录的电子波数据的PDF参数。作为突出的结果表明，一旦PDF参数已经从负载的适当数量而获得不同的E-波的不变拟tigator是免费使用的参数或者参数的构造指标（如储存能量半KX _O ^2，最大的AV压力梯度KX _O，舒张功能的负载独立指数等 ），并选择生理或病理生理的角度进行量化。

引言

由卡茨¹于1930年开创性的研究表明，哺乳动物左心室由是机械抽气泵，从那时起一直致力于解开舒张的运作多的努力开始灌装。多年以来，侵入性方法，可供舒张功能^（DF）2-16临床或科研评价的唯一选择。在20世纪70年代，但是，技术进步和发展，超声心动图终于给了心脏病学家和生理学家实用的工具，东风无创性的表征。

如果没有一个统一的因果理论或范式关于如何当它填补了心脏舒张的作品，研究人员提出了一种基于临床特征的关系很多phenomenologic指标。的曲线，迅速上升，并在早，迅速填充落入二尖瓣血流速度轮廓的形状，例如，被近似为三角形和舒张复nction索引是从几何特征限定了三角形的（高度，宽度，面积等 ）。在超声心动图技术的进步已经允许组织运动，应变和应变率填充到被测量，例如在，并带来了现象学指数的新作物各技术进步与临床特征相关。不过，指数仍然相关，而不是因果关系，很多指标都是相同的底层生理不同的措施。这并不奇怪，因此，东风目前使用的临床指标有限的特异性和灵敏度。

为了克服这些限制的参数化舒张功能（PDF格式）形式主义，因果运动，左室充盈是由动机，并采用舒张的抽吸泵生理学集总参数模型的开发和验证^17。该模型舒张功能（如表现在曲线形状的静脉流轮廓）按照阻尼谐波振荡运动的规则。该方程阻尼谐波振荡运动是基于牛顿第二定律和可写，每单位质量，如：

式（1）

这种线性²阶差分方程有三个参数：K -腔僵硬，C -粘弹性/松弛，和_×○ -振荡器的初始位移/预紧力。该模型预测，不同临床观察舒张图案变化在这三个模型参数的数值的结果。基于PDF形式主义和经典力学，电子波可以归类为欠阻尼或过阻尼运动的制度来确定。许多研究 ^{17-21已经证实，临床上记录的E波的轮廓和PDF模型预测的轮廓展现高超的协议，并已阐明三个PDF格式的血流动力学/生理类似物参数21。这个过程从临床记录的E波的数据中提取模型参数是在下面的方法的详细。}

与东风在目前临床使用的典型指标，PDF格式模型的三个参数是基于因果关系。如下面的方法所讨论的，舒张生理学的额外的索引可以从这些基本参数和从应用程序中的PDF形式主义的舒张其他方面比静脉流。在这项工作中，静脉流和生理关系的基于PDF的分析，可以从PDF方法绘制的方法，其参数与导出指标进行说明。另外，它表明，从它们衍生的PDF参数或索引可以逗从负载的外部效应内在相距室性可以提供关联到传统的侵入性定义的参数和正常和病理组之间可以分化。

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研究方案

获取超声图像，并对其进行分析，以获得PDF格式参数的过程详述如下。虽然心导管被提及在下面的受试者选择部分，所描述的方法只适用于超声心动图的部分。在导管部分的描述被列入为基础的模型预测的独立验证，是无关的电子波通过 PDF形式主义的分析。此前数据采集，所有科目提供签署知情同意参与这项研究符合机构审查委员会（人类研究保护办公室）在华盛顿大学医学院。

注：所有的软件程序（以及如何使用它们教程）本节描述可以从下载http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

1，选题

注：在心血管生物物理实验室数据库中的所有对象必须同时进行超声心动图及进行心导管检查和他们的医生进行诊断心导管转介。该数据库的入选标准是：1）没有任何显著瓣膜异常，2）无室壁运动异常或束支传导阻滞的心电图，3）存在一个令人满意的超声心动图的窗口有清晰可辨的E-和A波。

2，超声心动图数据采集

1. 记录为依据的超声心动图标准¹⁶与美国社会的所有科目的完整的2D /超声多普勒研究。注：超声心动图筛查，记录在标准的临床成像仪由超声医师。如果需要，额外的经胸超声心动图记录可核查的目的进行一个合适的，高逼真度导管后我国推进到LV的同时测量左室血流动力学。
2. 在仰卧位影像科。在非研究设置，可以使用标准的左横向定位，而不方法的损失一般性。获得使用2.5 MHz传感器心尖四腔观，与门控在1.5-5毫米的二尖瓣瓣叶的提示和垂直于平面的MV（最小化取向的影响之间的定向样品体积上看到彩色M型多普勒），壁滤波器设置为1（125赫兹）或2（250赫兹），调整以显示画面的全高度，并调整为利用输出的动态范围，而不会走样的速度刻度的优点基线。
3. 同门为2.5毫米，位于二尖瓣环的横向和间隔药水样本量进行多普勒组织成像。
4. 保存为DICOM格式多普勒检查回声机记录的DVD与SIMULTaneously记录心电图（ECG）。

3，多普勒图像处理与常规分析

注意：本节介绍了两个自定义的MATLAB程序。所述第一程序在步骤3.1中所述的第二程序中的步骤3.2-3.5中描述。所有的软件程序（以及如何使用它们教程）可以从下载http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

1. 从DICOM格式和视频图像转换为位图（BMP）文件（使用自定义的MATLAB程序）。注意：下面描述的，以适应多普勒E-波和组织多普勒E'-波的过程示于图1。
2. 上加载其他自定义的MATLAB程序的位图图像文件来衡量传统二尖瓣血流参数，如E _峰 ，A _峰 ，E _杜尔 E' _峰值 ，A“ _峰 等 。并裁剪图像的PDF分析。通过心电图分析表明选择了明显的静脉流的轮廓和完整的心动周期的图像。
3. 图像中的标志的时间采样速率（在横轴上以像素/秒测量）和速度的采样率（像素/（米/秒测量）沿垂直轴）。通过记录和标记连续的R峰（或心电图的任何显着的特征）在图像上找出完整的心动周期。
4. 马克的二尖瓣多普勒E和所选择的心动周期的A-波或组织多普勒E'-和A'-波。
   1. 选择多普勒E波峰值点即 。 E _峰 ，（或E' _峰 ）和标记使用的高峰连接到开始为指导，以配合电子波（或E'波）的加速斜坡行波的开始。波开始被用来计算从开始的间隔时间，以PEAK流表示为在E-波（或E'-波）加速时间（AT）。
   2. 标记E波（或E'-波）利用峰连接到端部为导向，以匹配减速斜率的线的末端。这被用来计算从峰值到表示为减速时间（DT）的基线的时间间隔。从开始到波的结束的时间间隔是E-波（E _杜尔 = AT + DT）的持续时间。该计划将指导通过与适当的指示，整个过程用户。
5. 马克使用相同的程序，在E波的A波。同时与E-和A波标志着程序计算E _峰 / A _峰比值。
   注：该程序保存为包含E和只有A波裁剪图像的显着海浪。该方案还创建具有裁剪和测量参数为每个节拍的数据文件。

静脉流的4自动拟合使用PDF形式主义

1. 做多普勒E-的自动装配和A波和组织多普勒E'-和A'-波轮廓是使用自定义的LabVIEW程序^18,19。
   1. 加载裁剪的图像，并且该程序自动地计算出最大速度包络线（MVE）。通过设置这样的MVE近似于静脉流阈值， 如图1中选择的MVE的发病和终止定义的MVE的点可沿时间轴由操作者进行选择，使得只MVE提供良好的对应点向波的实际选择的部分被用作输入用于随后的装配。
2. 注意：用户选择的MVE点是输入到该自动适合于速度作为时间使用Levenberg-马夸特（迭代）算法的函数的PDF模型溶液的计算机程序。嵌合完成的要求，即临床（输入）之间的均方误差数据（MVE）和PDF模型预测的轮廓最小化。由于模型是线性时，获得了用作输入每个派生多普勒E波MVE唯一的一组参数。因此数值上产生独特的K，C和X _O值，每个E波和K'，C'，而x _O'每个E'波。
3. 在该事件的拟合是显然不理想时的配合被叠加在电子波（或E'-波）图像（ 即该算法试图适应包括在MVE例如噪声）通过使用多个修改MVE /少点，从而改变该模型预测的轮廓与PDF参数因之变形，以达到更好的配合。

保存数据时，适当的PDF适合已经生成。注：该程序被写入自动保存图像数据，并包含PDF文本参数文件和轮廓信息。
从上面描述的方法获得的PDF格式参数可以用来阐明新生理和正常和病理生理学区分，如下面的代表结果部分详述。

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结果

多普勒波形代表了四种不同类型的填充图案的使用上文详述的方法（正常，假性，延迟松弛，缩窄限制性的）示于图2的图2A中示出的正常模式，其中，其本身是从假性难以区别图案。 图2B显示延迟的放松和图2C显示了严重的舒张功能障碍相关的紧缩限制性格局。为清楚起见，将PDF模型预测拟合叠加在图像上。传统的回声参数（E _峰 ，A _...

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讨论

按照我们的方法学重点，这有利于获得准确和有意义的结果的方法的关键环节突出显示。

超声心动图

美国超声心动图学会（ASE）有胸研究¹⁶的性能准则。期间的回声检查，有众多的影响图像质量的因素。这超出了超声医师的控制因素包括：热像仪的技术能力被利用，心脏率，患者的体型，在位置的个体差异，解剖结构的方向和“回声窗​​”的质...

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材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Philips iE33	Philips (Andover, MA)
LabView 6.0	National Instruments		Version 6.0.2
MATLAB	MathWorks		Version R2010b