Quantification of Global Diastolic Function by Kinematic Modeling-based Analysis of Transmitral Flow via the Parametrized Diastolic Filling Formalism

Sina Mossahebi; Simeng Zhu; Howard Chen; Leonid Shmuylovich; Erina Ghosh; S&#225;ndor J. Kov&#225;cs

doi:10.3791/51471

JoVE Journal > Bioengineering

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생체공학

Parametrized डायस्टोलिक भरने रीतिवाद के माध्यम से Transmitral फ्लो की विज्ञान सम्बन्धी मॉडलिंग आधारित विश्लेषण द्वारा ग्लोबल डायस्टोलिक समारोह की मात्रा

Published: September 01, 2014

doi:

10.3791/51471

Sina Mossahebi⁵, Simeng Zhu⁵, Howard Chen⁵, Leonid Shmuylovich⁵, Erina Ghosh⁵, Sándor J. Kovács⁵

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

Summary

वैश्विक डायस्टोलिक समारोह का सटीक, करणीय आधारित मात्रा का ठहराव parametrized डायस्टोलिक माध्यम transmitral प्रवाह भरने (पीडीएफ) रीतिवाद के विज्ञान सम्बन्धी मॉडलिंग आधारित विश्लेषण द्वारा हासिल किया गया है. पीडीएफ अद्वितीय कठोरता, विश्राम, और भार मापदंडों उत्पन्न करता है और रोग के प्रति संवेदनशील और विशिष्ट अनुक्रमित प्रदान करते हुए 'नया' फिजियोलॉजी elucidates.

Abstract

मात्रात्मक हृदय समारोह आकलन physiologists और चिकित्सकों के लिए एक चुनौती बनी हुई है. ऐतिहासिक रूप से आक्रामक तरीके एकमात्र साधन उपलब्ध शामिल है, noninvasive इमेजिंग तौर तरीकों का विकास (इकोकार्डियोग्राफी, एमआरआई, सीटी) उच्च अस्थायी और स्थानिक संकल्प होने मात्रात्मक डायस्टोलिक समारोह आकलन के लिए एक नई खिड़की प्रदान करते हैं. इकोकार्डियोग्राफी डायस्टोलिक समारोह आकलन के लिए मानक पर सहमति हुई है, लेकिन वर्तमान नैदानिक प्रयोग में अनुक्रमित केवल प्रस्ताव के ही शारीरिक कारण निर्धारकों को शामिल किए बिना कक्ष आयाम (एम मोड) या रक्त / ऊतक गति (डॉपलर) waveforms की सुविधाओं चयनित उपयोग. सभी बाएं निलय (एल.वी.) यांत्रिक सक्शन पंप के रूप में सेवारत द्वारा भरने आरंभ कर देते मान्यता वैश्विक डायस्टोलिक समारोह सभी कक्षों पर लागू होने वाली गति के नियमों के आधार पर मूल्यांकन किया जा अनुमति देता है. क्या एक से एक दिल differentiates gov कि गति के समीकरण के मापदंडों हैंerns भरने. तदनुसार, parametrized डायस्टोलिक भरने का विकास (पीडीएफ) रीतिवाद चिकित्सकीय मनाया जल्दी transmitral प्रवाह की पूरी रेंज (डॉपलर ई लहर) पैटर्न damped oscillatory गति के नियमों से बहुत अच्छी तरह से फिट हैं कि दिखाया गया है. यह एक कारण तंत्र तीन (संख्यानुसार) जिसका शारीरिक analogues कक्ष कठोरता (कश्मीर), viscoelasticity / छूट (ग), और लोड कर रहे हैं अद्वितीय lumped मानकों (एक्स कि पैदावार (हटना द्वारा आरंभ चूषण) के अनुसार व्यक्तिगत ई तरंगों का विश्लेषण परमिट ) _ओ. transmitral प्रवाह (डॉपलर ई तरंगों) की रिकॉर्डिंग नैदानिक कार्डियोलॉजी में मानक अभ्यास और, इसलिए, एचोकर्दिओग्रफिक रिकॉर्डिंग विधि केवल संक्षिप्त समीक्षा की है. हमारा ध्यान नियमित तौर पर दर्ज की गई ई लहर डेटा से पीडीएफ मापदंडों के निर्धारण पर है. प्रकाश डाला परिणामों से संकेत मिलता है के रूप में, पीडीएफ मापदंडों ई लहरों, जांच अलग भार का एक उपयुक्त संख्या से प्राप्त किया गया है एक बारtigator मापदंडों का उपयोग करें या मापदंडों से अनुक्रमित का निर्माण करने के लिए स्वतंत्र है (जैसे संग्रहित ऊर्जा के रूप में 1/2 KX _ओ ^2, अधिकतम ए वी दबाव ढाल KX _ओ, डायस्टोलिक समारोह का भार स्वतंत्र सूचकांक, आदि.) और शरीर विज्ञान या pathophysiology के पहलू का चयन मात्रा निर्धारित किया जाना है.

Introduction

1930 में Katz ¹ से अग्रणी अध्ययन के स्तनधारी बाएं वेंट्रिकल तो पाद लंबा के कामकाज unraveling करने के लिए समर्पित किया गया है के बाद से एक यांत्रिक चूषण पंप, और अधिक प्रयास किया जा रहा द्वारा भरने शुरू की है कि पता चला. कई सालों के लिए, आक्रामक तरीके डायस्टोलिक समारोह (डीएफ) ^2-16 के नैदानिक या अनुसंधान मूल्यांकन के लिए उपलब्ध एकमात्र विकल्प थे. 1970 के दशक में, हालांकि, तकनीकी प्रगति और इकोकार्डियोग्राफी में विकास के अंत में डीएफ के noninvasive लक्षण वर्णन के लिए हृदय रोग विशेषज्ञों और physiologists व्यावहारिक उपकरण दिया.

यह भरता है जब दिल कैसे काम करता है के बारे में पाद लंबा के लिए एक एकीकृत कारण सिद्धांत या प्रतिमान के बिना, शोधकर्ताओं नैदानिक सुविधाओं के साथ संबंध पर आधारित कई phenomenologic अनुक्रमित प्रस्तावित. वक्रीय, तेजी से बढ़ रहा है और उदाहरण के लिए, जल्दी, तेजी से भरने के दौरान transmitral रक्त प्रवाह वेग समोच्च का आकार गिरने, एक त्रिकोण और डायस्टोलिक फू के रूप में अनुमानित किया गया थाnction अनुक्रमित ज्यामितीय सुविधाओं से परिभाषित किया गया (ऊंचाई, चौड़ाई, क्षेत्र, आदि.) कि त्रिकोण की. इकोकार्डियोग्राफी में तकनीकी प्रगति उदाहरण के लिए, मापा जा भरने के दौरान ऊतक गति, तनाव, और तनाव दर की अनुमति दी है, और इसके साथ phenomenological अनुक्रमित की एक नई फसल लाया प्रत्येक तकनीकी उन्नति नैदानिक सुविधाओं के साथ जोड़ा जाए. हालांकि, अनुक्रमित correlative रहना और कारण नहीं है और कई अनुक्रमित एक ही अंतर्निहित शरीर क्रिया विज्ञान के विभिन्न उपाय कर रहे हैं. यह लोमो के वर्तमान में कार्यरत नैदानिक अनुक्रमित विशिष्टता और संवेदनशीलता सीमित है, इसलिए है कि आश्चर्य की बात नहीं है.

इन सीमाओं parametrized डायस्टोलिक भरने (पीडीएफ) रीतिवाद, एक कारण विज्ञान सम्बन्धी काबू पाने के लिए, से प्रेरित और पाद लंबा की सक्शन पंप शरीर विज्ञान को शामिल किया गया है कि बाएं निलय भरने की lumped पैरामीटर मॉडल विकसित किया है और ¹⁷ मान्य किया गया था. यह मॉडल वक्रीय आकार द्वारा प्रकट रूप डायस्टोलिक समारोह (damped हार्मोनिक oscillatory गति के नियमों के अनुसार transmitral प्रवाह आकृति) के. damped हार्मोनिक oscillatory गति के लिए समीकरण न्यूटन के दूसरे कानून पर आधारित है और के रूप में, इकाई द्रव्यमान प्रति, लिखा जा सकता है:

समीकरण 1

– कक्ष कठोरता, सी – viscoelasticity / विश्राम, और एक्स _ओ – थरथरानवाला के प्रारंभिक विस्थापन / प्रीलोड K: यह रेखीय 2 ^{एन डी} आदेश अंतर समीकरण तीन मानकों है. मॉडल विभिन्न चिकित्सकीय मनाया डायस्टोलिक भरने पैटर्न इन तीन मॉडल मापदंडों के संख्यात्मक मूल्य में बदलाव का परिणाम है कि भविष्यवाणी की है. पीडीएफ रीतिवाद और शास्त्रीय यांत्रिकी के आधार पर, ई लहरों प्रस्ताव के तहत damped या अधिक damped शासनों द्वारा निर्धारित किया जा रहा है के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है. कई अध्ययनों से <sup> 17-21 चिकित्सकीय दर्ज ई लहर आकृति और पीडीएफ मॉडल आकृति शानदार समझौते दिखाने और तीन पीडीएफ के hemodynamic / शारीरिक analogues ²¹ पैरामीटर elucidated है कि भविष्यवाणी की पुष्टि की है. चिकित्सकीय दर्ज ई लहर डेटा से मॉडल मापदंडों निकालने के लिए प्रक्रिया नीचे तरीकों में विस्तृत है.

वर्तमान नैदानिक प्रयोग में डीएफ के विशिष्ट अनुक्रमित के विपरीत, पीडीएफ मॉडल के तीन मानकों करणीय आधारित हैं. नीचे दिए गए तरीकों में चर्चा की, डायस्टोलिक शरीर क्रिया विज्ञान के अतिरिक्त अनुक्रमित इन बुनियादी मानकों से और पीडीएफ रीतिवाद के आवेदन से transmitral प्रवाह से पाद लंबा अन्य के पहलुओं को प्राप्त किया जा सकता है. इस काम में, पीडीएफ दृष्टिकोण से खींचा जा सकता है कि transmitral प्रवाह और शारीरिक संबंधों की पीडीएफ आधारित विश्लेषण के तरीकों, उसके मापदंडों और व्युत्पन्न अनुक्रमित वर्णित हैं. इसके अतिरिक्त, यह उनमें से प्राप्त पीडीएफ मापदंडों या अनुक्रमित तंग कर सकते हैं कि दिखाया गया हैलोड के बाहरी प्रभाव से अलग आंतरिक कक्ष गुण पारंपरिक invasively परिभाषित मापदंडों को संबद्ध प्रदान कर सकते हैं और सामान्य और वैकृत समूहों के बीच अंतर कर सकते हैं.

Protocol

एचोकर्दिओग्रफिक छवियों को प्राप्त करने और पीडीएफ पैरामीटर प्राप्त करने के लिए उन्हें का विश्लेषण करने के लिए प्रक्रिया का विवरण नीचे दिया गया है. कार्डियक कैथीटेराइजेशन नीचे विषय चयन भाग में उल्लेख…

Representative Results

ऊपर विस्तृत विधि का उपयोग (constrictive प्रतिबंधात्मक सामान्य, pseudonormal, देरी छूट,) चित्रा 2 में दिखाया गया भरने पैटर्न के चार अलग अलग प्रकार के डॉपलर waveforms प्रतिनिधि. चित्रा 2A pseudonormal से अप्रभेद्य है स्वयं क?…

Discussion

हमारे methodologic ध्यान के साथ ध्यान में रखते हुए, सही और सार्थक परिणाम प्राप्त करने की सुविधा है कि तरीकों के महत्वपूर्ण पहलुओं पर प्रकाश डाला जाता है.

इकोकार्डियोग्राफी

इकोकार्डियोग?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

इस काम एलन ए और एडिथ एल Wolff चैरिटेबल ट्रस्ट, सेंट लुइस, और बार्न्स यहूदी अस्पताल फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था. एल Shmuylovich और ई घोष आंशिक रूप से अमेरिकन हार्ट एसोसिएशन के गढ़ सम्बन्ध से predoctoral फेलोशिप पुरस्कार द्वारा समर्थित थे. एस झू वाशिंगटन विश्वविद्यालय कॉम्पटन विद्वान कार्यक्रम और कॉलेज ऑफ आर्ट्स एंड साइंसेज 'समर अंडर अनुसंधान पुरस्कार से आंशिक समर्थन प्राप्त किया. एस Mossahebi भौतिकी विभाग से आंशिक समर्थन प्राप्त किया.

Materials

Name of Equipment/ Software	Company	Catalog Number	Comments/Description
Philips iE33	Philips (Andover, MA.)
LabVIEW 6.0	National Instruments		Version 6.0.2
MATLAB	MathWorks		Version R2010b

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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).