パラメータ化拡張期充満フォーマリズムを経由Transmitral流れの運動学的モデルベースの​​解析によるグローバル拡張期機能の定量化

要約

グローバル拡張機能を正確に、因果関係に基づく定量は、パラメータ化され拡張期経由 transmitralフロー充填（PDF）形式主義の運動学的モデリングベースの分析によって達成された。 PDFファイルは、固有の剛性、リラクゼーション、および負荷パラメータを生成し、機能障害の高感度かつ特異的インデックスを提供しながら、「新しい」の生理を解明。

要約

定量的心機能評価は、生理学者や臨床医のための課題である。歴史的に侵襲的な方法が利用できる唯一の​​手段で構成されているが、高い時間および空間分解能を有する非侵襲性の画像診断法（心エコー、MRI、CT）の開発が量的拡張機能評価のための新しいウィンドウを提供します。心エコー検査は、心臓拡張機能評価のための標準に合意されていますが、現在の臨床使用されているインデックスは、単に運動自体の生理的因果決定因子を組み込まずにチャンバー寸法（Mモード）または血液/組織の動き（ドップラー）波形の選択された特徴を利用する。すべて左心室（LV）は、機械的吸引ポンプとして機能することで充填を開始するとの認識は、グローバル拡張機能は、すべてのチャンバに適用される運動の法則に基づいて評価することができます。何から別の心を区別することはGOV運動方程式のパラメータであるERNS充填。したがって、パラメータ化拡張期充填の開発は（PDF）形式主義は、臨床的に観察された初期のtransmitral流れの全体の範囲は（ドップラーE波）のパターンは減衰振動運動の法則によって非常によく適合していることが示されている。これは、生理学的類似体チャンバ剛性（k）は 、粘弾性/弛緩（c）及び負荷（ のx三つ（数値的に）ユニークな集中パラメータを与える因果機構（反跳が開始吸引）に従って個別E-波の解析を可能にする_○）。 transmitral流れ（ドップラーE波）の記録は、臨床心臓病学における標準的な慣行であり、それゆえ、心エコー記録方法は簡単にしか見直される。私たちの焦点は、日常的に記録されたE-波データからPDFパラメータの決定である。強調表示された結果が示すように、PDFパラメータは、E波、invesに変化する負荷の適当な数から得られた後tigator、パラメータを使用するか、またはパラメータからインデックスを構築して自由である（そのような蓄積されたエネルギーとして1月2日KX _O ^2、最大のAV圧力勾配KX o _を 、拡張機能の負荷に依存しないインデックスなど ）と生理学や病態生理学のアスペクトを選択定量化される。

概要

1930年カッツ¹による先駆的な研究は、哺乳動物の左心室が、その後拡張期の働きを解明することに専念してきているので、機械的吸引ポンプであることによって充填を開始し、多くの努力ことを明らかにした。長年にわたり、侵襲的な方法は、拡張機能^（DF）2-16の臨床や研究評価のために利用可能な唯一の選択肢だった。 1970年代には、しかし、心エコー検査における技術の進歩と発展は、最終的には心臓病専門医や生理学者のDFの非侵襲的特性評価のための実用的なツールを与えた。

それがいっぱいになると、心臓がどのように機能するかについては、拡張期のための統一因果理論やパラダイムがなければ、研究者は臨床的特徴との相関に基づいて、多数のphenomenologicインデックスを提案した。曲線の早期の間経僧帽弁血流速度輪郭の急速に立ち上がりと立ち下がりの形状は、急速な充填は、例えば、三角形および拡張期fuのように近似したnctionインデックスは、（高さ、幅、面積など ）の幾何学的特徴から定義された三角形た。心エコー検査における技術的進歩は、例えば、測定されるべき充填中に組織の動き、歪み、及び歪み速度を可能にした、そしてそれを現象論的インデックスの新しい作物をもたらしたそれぞれの技術的進歩は、臨床的特徴と相関する。しかし、インデックスは因果相関せずに残り、多くのインデックスが同じ基礎生理学の異なる尺度である。これはDFの現在採用臨床インデックスは特異性と感度が限られていること、したがって、驚くことではありません。

これらの制限パラメータ化拡張期充満（PDF）形式主義、因果キネマを克服するために、が動機と拡張期の吸引ポンプの生理機能を搭載している左心室充満の集中定数モデルが開発され^、17を検証した。このモデル曲線の形​​状によって明示されるよう拡張機能（減衰高調波振動運動の規則に従ってtransmitral流輪郭）の。減衰高調波振動運動のための方程式は、ニュートンの第二法則に基づいているとして、単位質量当たり、書くことができます。

式（1）

-室内のこわばり、C -粘弾性/リラクゼーション、そしてx _O -発振器の初期変位/プリロードK：この線形²次微分方程式は、次の3つのパラメータを持っています。モデルは、異なる臨床的に観察された拡張期充満パターンは、これらの3つのモデルのパラメータの数値の変動の結果であることを予測する。 PDF形式主義と古典力学に基づいて、E-波が減衰アンダーまたはオーバー減衰運動の政権によって決定されるものとして分類することができる。多数の研究 ^{17-21は、臨床的に記録された電子波の輪郭とPDFモデルは輪郭が素晴らしい一致を示し、三、PDFの血行動態/生理学的類似体は、21パラメータ解明し予測していることを検証してきた。臨床的に記録されたE-波データからモデルパラメータを抽出するためのプロセスは、以下の方法に詳述されている。}

現在の臨床使用されているDFの典型的な索引とは異なり、PDFモデルの3つのパラメータは、因果ベースです。以下の方法で説明したように、拡張期生理学の追加のインデックスは、これらの基本的なパラメータから、およびPDF形式主義のアプリケーションからtransmitral流れより拡張期の他の側面に導出することができる。この研究では、transmitral流れとPDFのアプローチから引き出すことができる生理学的関係のPDFベースの分析方法は、そのパラメータおよび派生インデックスが記載されている。加えて、それらに由来するPDFパラメータまたはインデックスがいじめができることが示されている負荷の外部影響から離れて本来のチャンバーの特性は、従来の侵襲的に定義されたパラメータに相関を提供することができ、正常および病的なグループを区別することができます。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

プロトコル

心エコー検査画像を取得し、PDFパラメータを取得するためにそれらを分析するための手順は、以下に詳述する。心臓カテーテルは、以下の対象選択部に記載されていますが、記載された方法論は、心エコーの部分に適用されます。カテーテル挿入部分の記述は、モデルベースの予測の独立した検証のために含まれたPDF形式主義を経由して E波の分析とは関係ありませんした。データ収集の前に、すべての被験者が提供するワシントン大学医学部での治験審査委員会（ヒューマン研究保護庁）に応じて、研究への参加のためのインフォームドコンセントに署名した。

注：このセクションで説明する（それらを使用する方法についてのチュートリアルと一緒に）すべてのソフトウェアプログラムはからダウンロードすることができますhttp://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

1件名の選択

注：心血管生物物理学研究室のデータベース内のすべての被験者は、同時エコー検査および心臓カテーテル検査を行い、診断心臓カテーテルのための彼らの医師が呼ばれていましたがありました。データベース選択基準は以下のとおりです。重大な心臓弁膜異常の1）が存在しない、心電図、明確に識別E-及び波との良好な心エコーウィンドウの3）存在に壁運動異常や脚ブロックの2）不在。

2心エコーデータ収集

1. 心エコー検査基準¹⁶のアメリカの社会に従って、すべての被験者のための完全な2D /エコー·ドップラー研究を記録します。注：スクリーニング心エコーは、超音波検査技師による標準的な臨床イメージャで記録した。所望であれば、追加の経胸壁心エコー記録は、検証目的のために行うことができ適切な、高忠実度のカテーテル後のsは同時に左心室血行動態を測定するために、LVに進められる。
2. 仰臥位の画像科目。 nonresearch設定では、標準の左横方向の位置決めは、本方法の一般性を失うことなく使用することができる。カラーMモード、ドップラーで見られるように（アライメント効果を最小化するために、僧帽弁尖とMV平面に直交の先端の間に導か1.5〜5ミリメ​​ートルで、ゲーテッドサンプル容量で、2.5 MHzのトランスデューサーを使用して、心尖四室·ビューを取得する1（125ヘルツ）または2（250 Hz）の設定）、ウォールフィルタ、ベースラインは、ディスプレイの全高と、エイリアシングすることなく出力のダイナミックレンジを活用するように調整速度スケールを利用するために調整した。
3. サンプル容量2.5ミリメートルでゲートされ、僧帽弁輪の側方および中隔ポーションに位置してドップラー組織画像化を実行します。
4. simultでDVDにエコーマシンとレコードにDICOM形式でドップラー検査を保存するaneously記録した心電図（ECG）。

3ドップラー画像処理および従来の分析

注：この項では、2つのカスタムMATLABプログラムを記述します。最初のプログラムは、ステップ3.1に記載されており、第二のプログラムは、ステップ3.2-3.5に記載されている。 （それらを使用する方法についてのチュートリアルと一緒に）すべてのソフトウェアプログラムは、以下からダウンロードできますhttp://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

1. DICOMフォーマットとビデオからの画像は（カスタムMATLABプログラムを使用して）（.BMP）ファイルをビットマップに変換します。 NOTE：ドップラーE波および組織ドプラE'-波に合わせて下記の手順は、 図1に示されている。
2. そのようなE _ピーク 、 _ピーク 、E _DURのような従来のtransmitralフローパラメータを測定するために別のカスタムMATLABプログラムにビットマップイメージファイルをロードします など E ' _ピーク ' _ピーク 。とPDF解析のために画像をトリミング。識別可能なtransmitral流れ輪郭の画像を選択して、分析用に心電図で示されるように、心周期を完了します。
3. 画像中の（垂直軸に沿ったピクセル/（1m /秒で測定））（横軸上のピクセル/秒で測定される）マークの時間サンプリングレートと速度サンプリングレート。画像上に連続したRピーク（または心電図のいずれかの異なる機能）に注目し、マークすることで、完全な心周期を特定します。
4. マークtransmitralドップラーE-及び波または選択された心臓周期における組織ドプラE'-及びA'-波。
   1. ドップラーE波ピーク点すなわちを選択します。 E _ピーク 、（またはE ' _ピーク ）とE波（またはE'-波）の加速勾配に合わせて、ガイドとして先頭にピークを結ぶ線を使用して、波の開始をマークします。波の開始は、開始からPEに間隔を計算するために使用されAKフローはE波（またはE'-波）加速時間（AT）と表記。
   2. 減速の傾きに合わせて、ガイドとして最後にピークを結ぶ線を使用して、E-波（またはE'-波）の終わりをマークします。これは、減速時間（DT）として示されるベースラインのピークから間隔を計算するために使用される。波の開始から終了までの間隔は、E-波（E _DUR = + DT AT）の持続時間である。プログラムは、適切な指示を持つプロセス全体を通してユーザーをガイドします。
5. マークE波と同様の手順を用いて、A波。 E-および波の両方を持つプログラムは、Eの_ピーク / _ピーク比を算出マーク。
   注：プログラムはのみE-および波を含むマーク波などのトリミングされた画像を保存します。プログラムはまた、ビート毎のトリミングと測定されたパラメータを持つデータファイルを作成します。

PDF形式主義を使用したTransmitralフロー4。自動フィッティング

1. ドップラーE-の自動化されたフィッティングと波および組織ドップラーE'-とA'-波輪郭は、カスタムLabVIEWプログラム^18,19を使用して行われます。
   1. トリミングされた画像をロードし、プログラムが自動的に最高速度エンベロープ（MVE）を算出する。 図1に示すように、MVEはtransmitral流れを近似するように閾値を設定することにより、MVEを選択する。発症およびMVEを定義する点を終了すると、オペレータが時間軸に沿って選択することができるように良好な対応を提供するだけMVEポイント波の実際の選択された部分に続いて嵌合するための入力として使用される。
2. 注：ユーザーが選択したMVEポイントは自動的にLevenberg-マルカート（反復）アルゴリズムを使用して時間の関数としての速度のためのPDFのモデル溶液に適合するコンピュータプログラムに入力される。フィッティングは、臨床（入力）との間の平均二乗誤差要件によって達成されるデータ（MVE）及びPDFモデル予測された輪郭を最小限にすること。モデルは線形であるので、パラメータの固有のセットを入力として使用し、各ドップラーE波由来のMVE得られる。このように数値的にユニークK、C、およびX _oを値は、各E波およびk '、c'は 、各E'-波のためのx _{o '}は生成されます。
3. フィットは、E波（またはE'-波）画像に重畳されたときに、イベントではフィット感は明らかに最適ではない（ つまり、アルゴリズムはノイズが例えばMVEに含ま収まるようにしようとした）より多く/少なく使って、MVEを変更それによって、モデルを修正する点は、より良いフィット感を実現するために、PDFパラメータの結果としての変更で輪郭を予測した。

適切なPDFのフィットが生成されたデータを保存します。注記：プログラムは自動的に画像のデータとPDFのパラメータを含むテキストフ​​ァイルを保存するために書かれており、輪郭情報。
上記の手順から得られたPDFのパラメータが新たな生理機能を解明し、以下の代表的な結果のセクションで詳述されるように、正常および病的な生理機能を区別するために使用することができる。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

結果

充填パターンは4つの異なるタイプのドップラー波形代表上記で詳述した方法を用いて、（通常の、pseudonormal、遅延弛緩、収縮制限的）は、図2に示されている。 図2Aは、それ自体でpseudonormalと区別できない、正常パターンを示しているパターン。 図2Bは 、遅延緩和を示し、 図2Cは、重度の拡張機能障害に関連した狭窄制限的パターンを示し?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

ディスカッション

私たちの方法論の焦点に沿って、正確で意味のある結果を得ることを容易にする方法の重要な側面が強調表示されます。

心エコー

心エコーのアメリカの社会（ASE）は経胸壁の研究¹⁶の実施のためのガイドラインを持っています。エコー検査中に、画質に影響を与える多数の要因がある。音波検査者の制御を超えている要因には、使用されてい...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

資料

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