Quantificação da função global diastólica por análise baseada em Modelagem cinemática de transmitral fluxo através do formalismo de enchimento parametrizada diastólica

Resumo

Accurate, quantificação baseada em causalidade da função diastólica global tem sido alcançado por meio de análise baseada na modelização cinemática do fluxo transmitral através do parametrizada enchimento diastólico formalismo (PDF). PDF gera rigidez, relaxamento e parâmetros de carga únicas e elucida 'novo' fisiologia, proporcionando índices sensíveis e específicos de disfunção.

Resumo

Avaliação da função cardíaca quantitativa continua a ser um desafio para os fisiologistas e médicos. Embora os métodos invasivos têm historicamente constituído o único meio disponível, o desenvolvimento de métodos de imagem não invasivos (ecocardiograma, ressonância magnética, tomografia computadorizada) com alta resolução temporal e espacial proporcionar uma nova janela para a avaliação quantitativa da função diastólica. O ecocardiograma é o acordado padrão para avaliação da função diastólica, mas os índices de uso clínico atual simplesmente utilizar recursos de dimensão câmara (M-mode) ou movimento de sangue / tecido (Doppler) formas de onda selecionado sem incorporar os determinantes causais fisiológicas do próprio movimento. O reconhecimento de que todos os ventrículos esquerdo (VE) iniciado o enchimento, servindo como bombas de sucção mecânica permite que a função diastólica global a ser avaliada com base em leis do movimento que se aplicam a todas as câmaras. O que diferencia um coração de outro são os parâmetros da equação de movimento que govenchimento Erns. Assim, o desenvolvimento do enchimento parametrizada diastólica (PDF) formalismo tem mostrado que toda a gama de fluxo transmitral precoce clinicamente observados (Doppler E-Wave) padrões são extremamente bem em forma, as leis do movimento oscilatório amortecido. Isto permite a análise de E-ondas individuais de acordo com um mecanismo causal (sucção iniciada pelo recuo) que rende três (numericamente) parâmetros concentrados únicas cujos análogos fisiológico são câmara de rigidez (k), viscoelasticidade / relaxamento (c) e carga (x _o). A gravação do fluxo transmitral (Doppler E-ondas) é uma prática comum em cardiologia clínica e, portanto, o método de gravação ecocardiográfico é apenas brevemente revisto. Nosso foco é a determinação dos parâmetros de PDF a partir de dados E-onda rotineiramente registrados. Conforme os resultados, destacam indicar, uma vez que os parâmetros de PDF foram obtidos a partir de um número adequado de carga variável E-ondas, os investigator é livre para usar os parâmetros ou construir índices a partir dos parâmetros (como a energia armazenada meia kx _o ^2, pressão máxima AV gradiente kx _o, índice de carga independente da função diastólica, etc.) e selecionar o aspecto da fisiologia ou fisiopatologia ser quantificado.

Introdução

Estudos pioneiros de Katz ¹ em 1930 revelou que o ventrículo esquerdo mamíferos inicia enchimento por ser uma bomba de sucção mecânica, e muito esforço, desde então, tem se dedicado a desvendar o funcionamento da diástole. Por muitos anos, os métodos invasivos eram as únicas opções disponíveis para a avaliação clínica ou de investigação da função diastólica (DF) ^2-16. Na década de 1970, no entanto, os avanços técnicos e desenvolvimentos na ecocardiografia finalmente deu cardiologistas e fisiologistas ferramentas práticas para a caracterização não invasiva do DF.

Sem uma teoria causal unificação ou paradigma para a diástole a respeito de como o coração funciona quando se enche, os pesquisadores propuseram vários índices fenomenológica com base na correlação com características clínicas. A curvilínea, rapidamente subindo e descendo forma do fluxo sanguíneo velocidade contorno transmitral durante cedo, enchimento rápido, por exemplo, foi aproximada como um triângulo e diastólica fuíndices nction foram definidos a partir de características geométricas (altura, largura, área, etc.) desse triângulo. Avanços técnicos na ecocardiografia permitiram movimento do tecido, tensão e taxa de deformação durante o enchimento a ser medida, por exemplo, e cada avanço técnico trouxe com ele uma nova safra de índices fenomenológicas para ser correlacionados com características clínicas. No entanto, os índices permanecem correlativo e não causal e muitos índices são diferentes medidas do mesmo fisiologia subjacente. Não é surpreendente, portanto, que os índices clínicos atualmente empregados do DF têm sensibilidade e especificidade limitadas.

Para superar essas limitações o recheio formalismo (PDF) parametrizada diastólica, a cinemática causal, modelo parâmetro amontoado de enchimento do ventrículo esquerdo, que é motivado por e incorpora a fisiologia de sucção da bomba de diástole foi desenvolvido e validado ^17. Ele modela a função diastólica (que se manifesta pelas formas curvilíneasde contornos fluxo transmitral), de acordo com as regras do movimento oscilatório amortecido harmônica. A equação para o movimento oscilatório amortecido harmónica é baseado na segunda lei de Newton, e podem ser escritos, por unidade de massa, como:

Equação 1

Esta equação diferencial ^de 2 ^ª ordem linear tem três parâmetros: k - rigidez câmara, c - viscoelasticidade / relaxamento, e x _o - inicial de deslocamento / pré-carga do oscilador. O modelo prevê que os diferentes padrões de enchimento diastólica clinicamente observados são o resultado de variação no valor numérico destes três parâmetros do modelo. Com base no formalismo PDF e mecânica clássica, E-ondas pode ser classificado como sendo determinada por ou sobre-amortecida regimes sub-amortecidos do movimento. Numerosos estudos ^{17-21 validaram que contornos E-onda clinicamente gravadas e modelo PDF previsto contornos mostram excelente concordância e elucidaram os hemodinâmicos / análogos fisiológicas dos três parâmetros PDF 21. O processo para a extração de parâmetros do modelo a partir de dados da onda E clinicamente registrada é detalhada nos métodos abaixo.}

Ao contrário índices típicos de DF em uso clínico atual, três parâmetros do modelo PDF são causalidade baseado. Como discutido nos métodos a seguir, de índices adicionais de fisiologia diastólica podem ser derivadas a partir destes parâmetros fundamentais e da aplicação do formalismo PDF para os aspectos da diástole excepto fluxos através. Neste trabalho, métodos de análise baseados em PDF das relações fisiológicas fluxo mitral e que podem ser extraídas a partir da abordagem PDF, seus parâmetros e os índices derivados são descritos. Além disso, mostra-se que os parâmetros PDF ou índices derivadas deles podem provocarAlém propriedades intrínsecas da câmara dos efeitos externos da carga pode fornecer correlações com parâmetros definidos tradicionais invasiva e pode diferenciar entre os grupos normal e patológica.

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Protocolo

O procedimento para a aquisição de imagens diagnósticas e analisá-los para obter os parâmetros de PDF é detalhado abaixo. Apesar de cateterismo cardíaco é mencionado na porção seleção assunto abaixo, a metodologia descrita aplica-se apenas à parte ecocardiográfico. A descrição da parte cateterismo foi incluído para validação independente de previsões baseadas em modelos e não está relacionado com a análise de E-ondas através do formalismo PDF. Antes da aquisição de dados, todos os indivíduos fornecem assinado, o consentimento informado para participação no estudo, de acordo com o Conselho de Revisão Institucional (Proteção Human Research Office) da Escola de Medicina da Universidade de Washington.

NOTA: Todos os programas de software (junto com tutoriais sobre como usá-los) descritos nesta secção podem ser baixados do http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

Seleção 1. Assunto

NOTA: Todos os indivíduos na base de dados Cardiovascular Biofísica Laboratório teve ecocardiografia simultânea e cateterismo cardíaco realizado e foram encaminhados por seus médicos para cateterismo cardíaco diagnóstico. Os critérios de inclusão do banco de dados são: 1) ausência de quaisquer anormalidades valvares significativas, 2) ausência de anormalidades de movimento de parede ou bloqueio do ramo no ECG, 3) presença de uma janela ecocardiográfica satisfatória com E- claramente identificável e A-ondas.

2. Ecocardiográfica Aquisição de Dados

1. Gravar um estudo completo / eco-Doppler 2D para todas as disciplinas, de acordo com a Sociedade Americana de Ecocardiografia ¹⁶ critérios. NOTA: Os ecocardiogramas de triagem foram registrados em uma câmara clínico padrão por um ultra-sonografista. Se desejado, a gravação ecocardiográfica transtorácica adicional pode ser realizada para fins de verificaçãos depois de um cateter adequado, de alta fidelidade é avançado no LV para medir simultaneamente a hemodinâmica LV.
2. Assuntos da imagem em decúbito dorsal. Numa configuração nonresearch, posicionamento lateral esquerda padrão pode ser utilizado sem perda de generalidade do método. Obter visualizações apical de quatro câmaras, utilizando um transdutor de 2,5 MHz, com o volume de amostra fechado em 1,5-5 mm dirigidos entre as pontas dos folhetos da válvula mitral e ortogonal ao plano MV (para minimizar os efeitos de alinhamento, como visto na cor-mode M Doppler ), a parede de filtro fixado em 1 (125 Hz) e 2 (250 Hz), a linha de base adaptado para tomar vantagem de toda a altura do ecrã e da velocidade de escala ajustado para explorar a gama dinâmica de saída sem serrilhado.
3. Realize Doppler tecidual com o volume da amostra fechado em 2,5 mm e posicionados nas poções lateral e septal do anel mitral.
4. Salve exames Doppler em formato DICOM na máquina de eco e registro em DVD com simulteletrocardiograma aneously registada (ECG).

3. Doppler Processamento de Imagem e Análise convencional

NOTA: Esta seção descreve dois programas personalizados MATLAB. O primeiro programa é descrito no passo 3.1 e o segundo programa é descrito nos passos 3,2-3,5. Todos os programas de software (junto com tutoriais sobre como usá-los) pode ser baixado do http://cbl1.wustl.edu/SoftwareAgreement.htm

1. Converta imagens do formato DICOM e vídeo para arquivos de bitmap (bmp) (usando um programa MATLAB costume). NOTA: O procedimento descrito abaixo para caber Doppler E-ondas e Doppler tecido E'- ondas é mostrado na Figura 1.
2. Coloque os arquivos de imagem bitmap em outro programa MATLAB personalizado para medir parâmetros de fluxo transmitral convencionais, tais como E _{pico, de pico,} E _dur , _'pico, A' E _{de pico,} etc. e recortar as imagens para análise PDF. Escolha imagens com contorno fluxos através discernível e ciclo cardíaco completo como indicado pelo ECG para análise.
3. Marcar a taxa de amostragem de tempo (medido em pixels / s no eixo horizontal) e taxa de amostragem de velocidade (medida em pixels / (m / s) ao longo do eixo vertical) nas imagens. Identificar o ciclo cardíaco completo observando e marcação picos consecutivos (R ou qualquer característica distinta do ECG) na imagem.
4. Mark transmitral Doppler E e A-onda ou tecido e Doppler? -E? A'- onda do ciclo cardíaco seleccionado.
   1. Selecione o Doppler E-ondas ponto de pico ie. E _pico, (ou _pico E ') e marcar o início da onda usando a linha que liga o pico para o início como uma guia para coincidir com a aceleração da inclinação da onda E (ou E'-ondas). O início da onda é utilizado para calcular o intervalo do início ao pefluxo ak denotado como o tempo da onda E (ou E'-wave) aceleração (AT).
   2. Marca o fim da onda E (ou E'-ondas), utilizando a linha que liga o pico para o final como um guia para corresponder ao declive de desaceleração. Isto é usado para calcular o intervalo de pico para a linha de base como indicado o tempo de desaceleração (DT). O intervalo do início ao fim da onda é a duração da onda E (E _dur = NO + DT). O programa guia o usuário através de todo o processo com instruções apropriadas.
5. Marcar a onda A usando um processo semelhante ao do E-ondas. Com ambos os E-e A-ondas marcado o programa calcula o _pico E / A proporção _{de pico.}
   NOTA: O programa salva as ondas marcadas como imagens recortadas contendo o E e apenas A-ondas. O programa também cria um ficheiro de dados com os parâmetros de corte e medidos para cada batimento.

4. montagem automatizada de transmitral Fluxo Usando o formalismo PDF

1. A montagem automatizada de Doppler E e A-ondas e Doppler tecidual e os contornos? -E? Onda A'- é feito usando um programa LabView costume ^18,19.
   1. Coloque a imagem cortada, eo programa calcula automaticamente o envelope velocidade máxima (MVE). Seleccione o MVE, definindo o limite de tal forma que se aproxima de fluxos através MVE como mostrado na Figura 1. O início e terminação dos pontos que definem o MVA pode ser seleccionada ao longo do eixo de tempo por parte do operador de modo a que apenas o MVE pontos que proporcionem boa correspondência para a parte seleccionada real da onda são usados ​​como entrada para a montagem posterior.
2. NOTA: Os pontos MVE selecionadas pelo usuário são a entrada para o programa de computador que se adapta automaticamente a solução do modelo PDF para a velocidade em função do tempo, utilizando um Marquardt Levenberg (iterativo) algoritmo. A montagem é realizada com a exigência de que o erro quadrático médio entre a clínica (de entrada)dados (MVE) e o modelo de PDF contorno previsto ser minimizada. Uma vez que o modelo é linear, um único conjunto de parâmetros é obtida para cada Doppler de onda E derivada MVE utilizado como entrada. Assim numericamente k, C e valores X _O exclusivos são gerados para cada onda E e K ', c', e x _o 'para cada onda E'.
3. No caso do ajuste é obviamente subóptima quando o ajuste é sobreposta sobre a onda E (ou E'-ondas) imagem (isto é. Algoritmo tentou encaixar ruído incluídos no MVE por exemplo) modificar o MVE usando mais / menos pontos, modificando assim, o modelo previu contorno com conseqüente modificação dos parâmetros de PDF para conseguir um melhor ajuste.

Salve os dados quando o ajuste apropriado PDF foi gerado. NOTA: O programa é escrito para salvar automaticamente os dados de imagem e arquivos de texto contendo os parâmetros PDF ea informação de contorno.
Os parâmetros obtidos PDF a partir do procedimento acima descrito pode ser utilizado para elucidar novo fisiologia e distinguir entre a fisiologia normal e patológica, como detalhado na secção de resultados representativos abaixo.

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Resultados

As formas de onda de Doppler representante dos quatro diferentes tipos de padrões de enchimento (, pseudormal relaxamento retardada normal, constritiva restritiva) usando o método descrito acima são mostrados na Figura 2. Figura 2A mostra o padrão normal, o que, por si só, é indistinguível da pseudonormal padrão. Figura 2B mostra um relaxamento retardada e a Figura 2C mostra um padrão constritiva restritiva associada com disfunção diastólica grave. Para maio...

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Discussão

De acordo com nosso foco metodológico, os principais aspectos dos métodos que facilitem a obtenção de resultados precisos e significativos são destacados.

ECOCARDIOGRAFIA

A Sociedade Americana de Ecocardiografia (ASE) tem diretrizes para a realização de estudos transtorácicas ^16. Durante um exame de eco, há uma infinidade de fatores que afetam a qualidade da imagem. Os fatores que estão além do controle do ultra-sonografista incluem: capacid...

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Materiais

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