Ad alta frequenza ad alta risoluzione Ecocardiografia: Prima Prova a non invasiva misura ripetuta di deformazione miocardica, contrattilità, e rigurgito mitralico in Ischemia-riperfuso Cuore Murine

Riepilogo

Alta frequenza Doppler è una nuova tecnologia per la valutazione della funzione miocardica regionale. Questo lavoro presenta prima prova che dimostrano l'applicabilità di questa piattaforma di imaging versatile per la misura ripetuta di ceppo del miocardio, insufficienza dp / dt, e mitralica nella ischemia-riperfuso (IR) cuore murini.

Abstract

Ischemia-riperfusione (IR) è stata eseguita chirurgicamente nei cuori murini che sono stati poi sottoposti a ripetute immagini per monitorare i cambiamenti temporali nei parametri funzionali della chiave significato clinico. Bidimensionale filmati sono stati acquisiti a frame rate elevato (8 kHz) e sono stati utilizzati per la stima di alta qualità ceppo del miocardio. Bidimensionali elastograms (immagini ceppo), così come i profili ceppo, sono state visualizzate. I risultati sono stati potenti a valutare quantitativamente IR cambiamenti indotti in eventi cardiaci tra cui ventricolare sinistra (LV) contrazione, il rilassamento LV e fasi isovolumetric di entrambi i cuori di pre-e post-IR IR battendo nei topi intatto. Inoltre, compromessa settore-saggio movimento della parete e deformazioni anatomiche nel miocardio infartuato sono state visualizzate. Il elastograms sono stati l'unica in grado di fornire informazioni sui seguenti parametri in aggiunta allo standard indici fisiologici che sono noti per essere colpiti da infarto miocardico nel topo: diametro interno dell'orifizio della valvola mitrale e aortica, efficace orifizio di rigurgito, ceppo del miocardio (circonferenziale e come radiale), nel modello di turbolenza del flusso sanguigno, come rivelato dal film Doppler colore e profili di velocità, asincronia nel settore LV, e cambiamenti nella lunghezza e direzione dei vettori di movimento della parete dimostrando più lenta e asimmetrica. Questo lavoro evidenzia sulla dimostrazione visiva di come tali analisi vengono eseguite.

Protocollo

Protocolli sperimentali

I seguenti protocolli differenti sono stati utilizzati per stabilire la fattibilità di misure volto a indagare il cuore IR murino in modo non invasivo. Immagini ecocardiografiche di base è stata seguita da induzione chirurgica di ischemia-riperfusione (IR, protocollo 1) che è stato seguito da ecocardiografia in più punti di tempo durante il recupero da IR.

Protocollo 1. Discendente anteriore sinistra (LAD) arteria IR: procedura chirurgica

Maschio C57BL / 6 topi adulti (8-settimana di vita; 24,5 ± 1,5 g, media ± DS; Tecnologie Harlan, IN) sono stati mantenuti in condizioni standard di laboratorio abitative con accesso a cibo e acqua potabile ad libitum. I topi sono stati anestetizzati mediante iniezione intraperitoneale di una miscela di ketamina (100 mg / kg) e xilazina (10mg/kg), distesa su un tavolo chirurgico caldo, e intubato endotracheally. Una corretta aereo anestetico per i roditori si deduce da una cessazione di riflessi pizzico punta e un rallentamento della respirazione. Strumenti sono stati sterilizzati attraverso lavaggi etanolo al 70% e in autoclave. Gli strumenti che ha lasciato il campo sterile sono stati inseriti in un hot-tallone sterilizzatore strumento per 1 minuto prima di utilizzo continuativo. I topi sono stati ventilati (Harvard Apparatus, Boston, MA) con miscela aria-isoflurano ad un tasso adeguato e di volume corrente. Elettrofisiologia cardiaca è stata monitorata per tutta la chirurgia con un tre-lead ECG configurazione e le modifiche sono state registrate tramite PC Powerlab software (Strumenti dC).

Il cuore era accessibile tramite toracotomia sinistra. Il polmone sinistro è stato ritirato per consentire l'accesso al pericardio. L'atrio sinistro è stato elevato a esporre l'arteria coronaria discendente anteriore, che è stato isolato utilizzando 7-0 sutura Prolene montato su un ago conico. La sutura è stato rafforzato nel corso di un pezzo di tubo in PE-10 di indurre ischemia reversibile. LAD è stato occluso per 60 minuti. Dopo 60 minuti, la sutura è stato rilasciato per consentire riperfusione del miocardio feriti. Su riperfusione di successo, il torace è stato chiuso con 7-0 punti di sutura interrotta Prolene così come l'incisione cutanea con 5-0 punti di sutura Prolene.

Tutta la chirurgia, la temperatura corporea è stata mantenuta a 36,7 ± 0,5 ° C utilizzando una tabella riscaldato chirurgico e monitorato con una sonda rettale termico. L'episodio ischemico-cause colorazione pallida della LV miocardio che può essere visivamente apprezzato. Torace è stato chiuso, suturata, e tubo tracheale è stato scollegato il mouse permette di respirare da solo. L'animale è stato poi restituito alla sua gabbia e messo su un blocco di riscaldamento impostato a 37 ° C. Una volta che la ripresa è stata completa, l'animale è stato restituito al gruppo vivaio roditore prima di immagini ecocardiografiche. Tutte le procedure sono state approvate dal Servizio Istituzionale animali di laboratorio e Comitato uso (ILACUC) della Ohio State University.

Protocollo n. 2. M-mode protocollo per la determinazione della funzione cardiaca e il rilevamento di anomalie di movimento della parete

Per valutare i cambiamenti radiali e longitudinali della funzione cardiaca e anomalie di movimento della parete, abbiamo effettuato pre-IR utilizzando immagini ad alta frequenza, ecografo ad alta risoluzione (Visual Sonics Inc., Toronto, Canada). Standard M-mode parametri ecocardiografia, quali le dimensioni della parete, i volumi a tutto volume sistole, diastole e ictus, frazione di eiezione (EF), frazione di accorciamento (FS), la gittata cardiaca (CO), e diametri interni in sistole e diastole, sono stati valutati utilizzando in costruito M-mode protocollo in ogni fase (pre-IR, giorno 3 e il giorno 7).

Il protocollo n. 3. VevoStrain Speckle protocollo algoritmo di tracciamento

B-mode film sono stati acquistati e sottoposti a processo con incorporato VevoStrain algoritmo di eseguire analisi di deformazione. Questo consente la valutazione della velocità, spostamento, deformazione e velocità di deformazione attraverso pulsanti separati fornito nell'interfaccia dando trame interattive e M-mode immagini insieme ai valori dei dati che è stato fatto facendo clic su icone desiderate nel pannello di controllo.

Valutazione speckle tracking di ceppi

2-D in scala di grigi cine loop sono stati acquisiti nel breve asse-LV ad un frame rate di> 275 frame / s. Per ogni esperimento, almeno tre cicli consecutivi cardiaca sono state registrate digitalmente e memorizzati su un disco rigido per l'analisi offline su una workstation. Abbiamo usato un algoritmo di speckle-tracking incorporato Vevo2100. L'analisi è stata effettuata dal ceppo stesso osservatore addestrato. La regione di interesse è stato sovrapposto in una sezione trasversale del ventricolo l'immagine corrispondente all'area minima endocardica. L'algoritmo software automaticamente diviso l'asse corto LV vista in sei segmenti di speckle inseguimento per tutto il ciclo cardiaco. La qualità del monitoraggio è stato poi ispezionato visivamente, e, se è stata soddisfacente per almeno cinque segmenti, il tracciato è stato accettatoed.

Protocollo n. 4. Doppler misurazione del flusso del protocollo

Per studiare il rigurgito della valvola mitrale e di calcolare il tasso di variazione della pressione arteriosa sistolica LV (dP / dt), protocollo di rilevamento Doppler è stato utilizzato. A tal fine, power Doppler sangue profili di velocità di flusso sono stati acquisiti ponendo la sonda sul jet di rigurgito della valvola mitrale e aortica jet. Imaging della velocità del flusso sanguigno è stata seguita da misurazione per ottenere valori dei parametri, come picco e velocità media, picco e media gradienti di pressione, tempo integrale velocità e tempo. Per il calcolo del dP / dt, il profilo di rigurgito della valvola mitrale di velocità è stato utilizzato per misurare la velocità in sistole precoce (più ripida pendenza del profilo di velocità per ridurre la dipendenza del carico) e il tempo corrispondente di pendenza. Infine, l'equazione di Bernoulli s fornito la velocità-pressione di conversione per determinare il tasso di aumento della pressione sistolica.

Ecocardiografica Acquisizione Dati

Topi sono stati ripreso in uno stato di coscienza ad una temperatura ambiente di 37 ° C con diminuzione illuminazione ambientale, mentre detenuti da un gestore di esperienza in posizione prona decubito sinistra. Il cuore è stato ripreso in modalità 2-D in vista parasternale a lungo ea breve assi con impostazione della profondità di 1,0 cm e ad un frame rate di ≥ 270 frame / s. Un M-mode immagine è stata ottenuta ad una velocità di scansione di 200 mm / s. Tutte le misurazioni sono state effettuate secondo le linee guida fornite dalla Società Americana di Ecocardiografia.

Imaging è stato eseguito su topi consapevole al pari della registrazione tandem dell'elettrocardiogramma. Sistole fine è stata definita come la superficie minima LV. Segmentale circ S ed S le curve rad sono stati poi costruiti integrando i segnali appropriati a partire dalla fine diastole punti e poi una media di ottenere curve di media tensione segmentale. Telesistolico ceppi sono stati poi ricavata dalla curva di tensione media.

Rappresentante Risultati

Bidimensionale filmati acquisiti a frame rate elevato (8 kHz) sono stati utilizzati per la stima di alta qualità ceppo del miocardio. Elastograms bidimensionali (immagini ceppo), così come i profili deformazione in funzione del tempo hanno contribuito apprezzare la conseguenza funzionale di IR. Il suddetto approccio ha portato alla rilevazione affidabile dei seguenti parametri:

Risultati di serie IR (comunemente riportati in letteratura)

• ventricolare sinistra (LV) contrazione
  • lesione compromette la contrazione e relax nel cuore con conseguente perdita funzionale
  • cambiamenti nella zona LV da camera e di massa (ipertrofia)
• LV rilassamento delle fasi isovolumetric di entrambi i pre-IR e post-IR di battere i cuori
• compromessa settore-saggio muro movimento
• nel modello di turbolenza del flusso sanguigno, come rivelato dal film Doppler colore e profili di velocità
• Cambia forma LV verso sfericità
• frazione di eiezione compromessa
• attenuato accorciamento frazionale

Unico post-IR Risultati

(Mai riportato in un ambiente murino IR, ma noto per essere di rilevanza clinica negli esseri umani)

• effettiva dell'orifizio rigurgitante (ERO)
  • una misura fondamentale di incompetenza valvolare
• diminuzione ceppi del miocardio (circonferenziale e radiale)
  • una misura fondamentale di forza del miocardio e di deformazione anatomica
• asincronia nei settori LV
  • una misura fondamentale di caratteristiche intrinseche periodica di pompaggio del cuore
• muro di movimento e la simmetria
  • variazioni di intensità e direzione dei vettori dimostrando grandezza, la direzione e la simmetria nel sito interessato
• dimensione della valvola mitrale e aortica
  • variazioni di diametro interno dell'orifizio della valvola mitrale e aortica
• rigurgito mitralico
  • riflusso di sangue dalla LV a dell'atrio sinistro a causa della chiusura incompleta di volantini mitrale

• settore-saggio cambiamenti nella grandezza della radiale (SRAD) e circonferenziale (SCIR) ceppo
• variazioni dei tassi di deformazione con la variazione marcata nei loro modelli di cambiamento rispetto al pre-IR dati
• sincronicità dei settori LV come divisa secondo la Società Americana di Ecocardiografia
• associazione di sincronicità ventricolare meccanica con la rigidità del miocardio e riduzione della forza del miocardio come valutato dal Doppler tissutale e la tensione di imaging
• variazioni di intensità e direzione dei vettori mostrato in movimento filmati raffiguranti compromessa (lenta e asimmetrica) del IR colpite sito
• diametro interno della valvola mitrale ORIFghiaccio e aorta

Fig. . 1i misurazione della deformazione del miocardio: telediastole pieno relax dimostra più breve vettori (M1)

Fig. . 1ii misurazione della deformazione del miocardio: LV sta contraendo dimostrato da lunghezza e la direzione dei vettori, il sito di lesione (punto verde) ha limitato la contrazione (M2)

Fig. . 1iii misurazione della deformazione del miocardio: fine sistole, la contrazione completa dimostra più breve vettori (M3)

Fig. . 1iv misura del miocardio ceppo: asse lungo in diastole (M4)

Fig. 1v miocardico sforzo radiale (S _rad) misura:. Curve di codice colore rappresentano la deformazione a rispettivi punti di colore nelle immagini di Fig1.i-iv (M5)

Fig. 1vi miocardico sforzo circonferenziale (S _CIR) misura:. Curve di codice colore rappresentano la deformazione a rispettivi punti di colore nelle immagini di Fig1.i-iv (M6)

Figura 1. B-mode film visualizzando telediastole (ED) e di fine sistole (ES) e cambiamenti nella dimensione LV camera di post-IR.
B-mode immagini per determinare ventricolare sinistra (LV) ceppo circonferenziale (S _circ) e lo sforzo radiale (S _rad) da due-dimensionale ecocardiografia speckle tracking.

VevoStrain speckle algoritmo di tracking per osservare i vettori che rappresentano la grandezza e la direzione del movimento del miocardio, assiali e viste parasternale asse lungo dimostrazione dei vettori nel sito della lesione del miocardio alterata.

Tensioni radiali e longitudinali di un mouse di base e un post del mouse a infrarossi day7. Il codice colore profili ceppo che mostra punti di colore diverso codice in siti sul miocardio del valore basale (pre-IR) e trattati (post-IR, day7) cuori. LV-ventricolo sinistro, RV-ventricolo destro, S _rad-radiale ceppo, S _{cir-circonferenziale} ceppo.

Figura 2. Miocardico sincronicità settoriali.
Le analisi sulla base dei dati ceppo pre-e post-IR. LV diviso in sei settori (1 = basale posteriore, 4 = basale anteriore, posteriore 2 = media, 5 = metà anteriore, 3 = apice posteriore, anteriore 6 = apice) in base alla Società Americana di Ecocardiografia. Convalida della sincronia ventricolare meccanica di vedere la sua associazione con la rigidità del miocardio come valutato dal Doppler tissutale e di imaging di deformazione.

Colore del pannello che mostra l'immagine codificata settori 1-6 con i valori per il tempo a picco sul settori corrispondenti in millisecondi. Sincronicità radiali e longitudinali previsti pre-IR e post-IR in termini di grafici. I colori di grafici che corrispondono ai colori dei settori corrispondenti.

Fig. . 3i misure anatomiche: rigurgito mitrale diametro orifizio nel cuore di topi (linee blu con misure ripetute), volume del campione in aorta (linee gialle) (M8)

Fig. 3ii. Profili flusso di rigurgito nel cuore del mouse, avanti superiori ed inferiori reflusso a valvola mitrale (M9)

Fig. 3iii. Aortica i profili velocità di flusso nel cuore del mouse (M10)

Fig. 3iV. Orifizio di rigurgito della valvola mitrale a, Ao = aorta, LA = atrio sinistro, LV = ventricolo sinistro, r = raggio (M11)

Figura 3. Frazione di rigurgito della valvola mitrale V (RF).
Immagine del pannello ecocardiografico per la misurazione della frazione di rigurgito (RF). Misurazione del diametro aortico (AOD) e diametro dell'orifizio della valvola mitrale (MVD) che mostra il posizionamento del volume campione nel getto di rigurgito e aorta. Queste misurazioni forniscono i profili di velocità del flusso di rigurgito e dell'aorta ascendente, in cui profili di velocità sopra e sotto al basale indicano avanti e indietro il flusso di sangue al VL e ritorno a atrio sinistro. RF (in%) calcolo utilizzando la formula, RF = MV CSA * VTI di getto MV in diastole - Ao CSA * VTI di getto Ao in sistole) * 100 / MV CSA * VTIdi MV.

Quantificazione della frazione di rigurgito che mostra la frazione di rigurgito in post-IR indicatore topi per rigurgitato valvola mitrale. Variazioni orifizio di rigurgito della valvola mitrale efficace (ERO) post-IR a causa di sfericità di LV. Rappresentante immagini a colori raffiguranti Doppler sangue che cadeva da atrio sinistro al ventricolo sinistro. Allargata orifizio flusso di sangue indica il flusso turbolento e una maggiore velocità del flusso anormale. ERO indicando incompetenza valvolare. La velocità di flusso alias. L'onda pulsata viene utilizzato da poter beneficiare nella determinazione transizione da laminare a flusso turbolento. ERO calcolata utilizzando la formula, ERO = Flusso / Vmax = r2 2 π Va / Vmax, Va = velocità Aliasing, r = raggio orifizio, Vmax = velocità massima.

Fig. 4i. Misurazione dei parametri funzionali in fase di pre-IR del mouse. Software morbido calcola i parametri di tracciamento, linea verticale rossa = diastole, sistole linea verde verticale (M12)

Fig. 4ii. Misurazione dei parametri funzionali in post-IR del mouse. Software morbido calcola i parametri di tracciamento, linea verticale rossa = diastole, sistole linea verde verticale (M13)

Figura 4. Il tasso di variazione della pressione sistolica ventricolare (dP / dt): pre-e post-IR.
Correlazione della frazione di eiezione (EF) con dP / dt. Immagine del pannello che mostra un M-mode da cui sono tratte le misure funzionali di base.

La discriminazione della contrattilità cardiaca nel tempo, grafici a barre che mostrano dP / dt post-IR. Indicando la misura di un parametro fornisce informazioni cliniche per l'altro.

Figura 5. Asse breve filmato dimostra pre-IR misurazione della deformazione.
Film ecocardiografici ottenuti dal punto di vista parasternale del cuore di visualizzare la morfologia, nel cuore del mouse pre-IR.

Figura 6. Asse breve filmato dimostra post-IR misurazione della deformazione LV
Film rappresentativi assiale di un LV topo risalire al endocardio dimostrando i vettori tessuto ceppo con cinque punti specifici di misura considerato.

Figura 7. Parasternale asse lungo film color Doppler
Color Doppler film dimostra il sangue pompato in atrio sinistro dal attraverso la valvola mitrale nel LV durante la diastole e il sangue viene pompato fuori attraverso l'aorta durante la fase di sistole del cuore con la direzione del flusso di colore blu e rosso lontano verso (BART) la sonda ad ultrasuoni.

Discussione

I dati di tensione in base alla misura utilizzando speckle algoritmo di tracking è osservatore relativamente meno dipendente come la maggior parte delle analisi viene eseguita dal software. Tuttavia l'osservatore deve fare attenzione durante tracciare i confini di epicardio ed endocardio in B-mode film che dipende più dalla esperienza. Inoltre, M-modalità di analisi e misura di profili di velocità è anche osservatore minimo dipendente. Tuttavia, nella misura di aumento della pressione e misurazione dei tempi, richiede attenzione osservatore molto attento durante le misure perché la pressione dipende direttamente con il quadrato della velocità di picco, come espresso dalla formula di Bernoulli s in cui anche una piccola quantità di errore di misura può produrre effetti sul quadrato l'errore totale nella misurazione del dP / dt. Inoltre, l'orifizio di rigurgito non è necessariamente costante per tutta la sistole, e questo può potenzialmente influenzare la stima della severità di rigurgito. Le dosi più elevate di anestesia può provocare la drastica riduzione del accorciamento frazionale interessano altri parametri funzionali. Pertanto, l'uso standard di sedazione è importante per un migliore risultato. La maggior parte dei parametri possono essere misurati con altre modalità, ad esempio, tagging risonanza magnetica in grado di misurare tensioni 2D e 3D. Tuttavia, l'ecocardiografia è più facile da usare.

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Vevo2100	VisualSonics, inc.	SN2100-0032
Ventilation device	Harvard Apparatus	n/a
PC Powerlab software	ADInstruments	n/a
Isoflurane	Vedco, Inc.	5260-04-12
Aquasonic gel 100	Parker Laboratories Inc.	01-02