Summary

Icke-invasiv bestämning av Vortex bildandet tid använda Transesophageal ekokardiografi under hjärtkirurgi

Published: November 28, 2018
doi:

Summary

Här beskriver vi ett protokoll för att mäta vortex bildandet tid, ett index över vänster ventrikulära fyllning effektivitet, med standard transesophageal ekokardiografi tekniker hos patienter som genomgår hjärtkirurgi. Vi tillämpar denna teknik för att analysera vortex bildandet tid i flera grupper av patienter med olika hjärt sjukdomar.

Abstract

Trans-mitral blodflödet producerar en tredimensionell roterande kropp av vätska, kallas en vortex ring, som förbättrar effektiviteten av vänsterkammardysfunktion (LV) fylla jämfört med en kontinuerlig linjär jet. Vortex ring utveckling kvantifieras ofta med vortex bildandet tid (VFT), en dimensionslös parameter som baseras på flytande utmatning från en styv slang. Vår grupp är intresserad av faktorer som påverkar LV fylla effektivitet under hjärtkirurgi. I den här rapporten beskriver vi hur du använder standard tvådimensionell (2D) och Doppler transesophageal ekokardiografi (TEE) att noninvasivt härleda variablerna som behövs för att beräkna VFT. Vi beräknar förmaksflimmer fyllning bråkdel (β) från velocity-tid integraler av trans-mitral tidiga LV fyllning och förmaksflimmer systole blod flöde hastighet vågformer mätt i mitten av-esofagus fyra kammare TEE vyn. Slagvolym (SV) beräknas som produkten av diametern på LV utflöde banan mätt i vyn mid-esofagus långa axeln TEE och velocity-tidsintegralen av blodflödet genom utflöde spår bestäms i vyn djupa transgastriskt med puls-wave Doppler. Slutligen, mitralisklaffstenos diameter (D) bestäms som ett genomsnitt av större och mindre axis längder mäts i ortogonala mid-esofagus bicommissural och långa axeln imaging plan, respektive. VFT beräknas sedan som 4 × (1-β) × SV / (πD3). Vi har använt denna teknik för att analysera VFT i flera grupper av patienter med olika hjärt avvikelser. Vi diskuterar vår applikation av denna teknik och dess potentiella begränsningar och även granska våra resultat hittills. Icke-invasiv mätning av VFT använder TEE är okomplicerat sövda patienter som genomgår hjärtkirurgi. Tekniken kan tillåta hjärt narkosläkare och kirurger att bedöma effekterna av sjukdomstillstånd och kirurgiska ingrepp på LV fylla effektivitet i realtid.

Introduction

Strömningslära är en kritisk men ofta underskattad faktor av vänster kammare (LV) fyllning. En tredimensionell roterande kropp av vätska, kallas en vortex ring, genereras när en vätska korsar en öppning1,2,3. Denna vortex ring förbättrar effektiviteten i vätsketransport jämfört med en kontinuerlig linjär jet4. Förflyttning av blod genom mitralklaffen under tidiga LV fyllning orsakar en vortex ring att bilda5,6,7,8 och underlättar dess förökning in i kammaren genom att bevara flytande fart och kinetisk energi9. Dessa åtgärder förbättra LV fylla effektivitet4,10,11,12,13. Ringen inte bara hämmar blod flöde Stas i LV apex14,15,16,17 men också styr flödet företrädesvis under den främre mitral bipacksedel7, 18, effekter som minskar risken för apikala tromb bildning och underlätta fyllning av LV utflödet spåra19, respektive. Kontrast ekokardiografi17, Doppler vektor flöde mappning6,20,21, magnetisk resonanstomografi7och partikel imaging Velocimetri9,22 ,23,24 har använts för att demonstrera utseendet och beteendet för trans-mitral vortex ringar under normala och patologiska förhållanden. Vänster förmak-LV tryckgradienten, graden av diastoliskt mitral ringformig utflykt, det lägsta LV-trycket uppnåtts under diastole, och hastigheten och omfattningen av LV avkoppling är de fyra viktigaste faktorerna för varaktighet, storlek, flöde intensitet och position trans-mitral ring2,12,25,26,27,28,29.

Vortex ring utveckling kvantifieras ofta med en dimensionslös parameter (vortex bildandet tid; VFT) baserat på flytande utmatning från en styv tube3, där VFT definieras som produkten av tid-genomsnitt vätska hastigheten och varaktigheten av utskjutningen dividerat med strypfläns diameter. Den optimala storleken av en vortex ring uppnås när VFT är 4 i vitro eftersom trailing jets och energisk begränsningar hindra den från att uppnå en större storlek3,4. Mitralisklaffstenos VFT har varit approximeras kliniskt använder transtorakal ekokardiografi8,30,31. Baserat på analys av trans-mitral blod strömningshastighet och mitralisklaffstenos diameter (D), kan man enkelt visat8 att VFT = 4 × (1-β) × EF × α3, där β = förmaksflimmer fyllning bråkdel, EF = LV ejektionsfraktion och α = EDV1/3/d, där EDV = slutet-diastoliskt volym. Ejektionsfraktion är förhållandet mellan Slagvolym (SV) och EDV, tillåter denna ekvation förenklas till VFT = 4 × (1-β) × SV / (πD3). Eftersom VFT är dimensionslös (volym/volym), gör detta index direkt jämförelse mellan patienter med varierande storlek utan justering för vikt och yta8. Optimal VFT varierar mellan 3,3 och 5.5 i friska försökspersoner8och resultat överensstämmer med dem som erhålls i fluiddynamik modeller3,32. VFT visade sig vara ≤ 2.0 hos patienter med deprimerad LV systolisk funktion, fynd som också stöds av teoretiska förutsägelser8. Minskningar i VFT förutspådde självständigt sjuklighet och dödlighet hos patienter med hjärtsvikt30. Förhöjd LV afterload33Alzheimers sjukdom34, onormal diastoliska funktion19och byte av infödda mitralklaffen med en protes35 har också visat sig minska VFT. Mätning av VFT kan också vara användbart för att identifiera blod flöde stasis eller blodpropp hos patienter med akut hjärtinfarkt36,37.

Vår grupp är intresserad av faktorer som påverkar LV fylla effektivitet under hjärtkirurgi38,39,40,41. Vi använder standard tvådimensionell och Doppler transesophageal ekokardiografi (TEE) att noninvasivt härleda de variabler som krävs för att beräkna VFT. I detta betänkande, vi beskriva denna metod i detalj och granska våra resultat hittills.

Protocol

Den institutionella Review Board av de Clement J. Zablocki Veterans Affairs Medical Center godkända protokollen. Skriftligt informerat samtycke avfärdades eftersom invasiva kardiella övervakning och TEE används rutinmässigt för alla patienter som genomgår hjärtkirurgi i vår institution. Patienter med relativa eller absoluta kontraindikationer för TEE, som genomgår upprepade median sternotomi eller akut kirurgi och de med förmaksflimmer eller ventrikulär takyarytmi exkluderades från deltagande. <p class=…

Representative Results

Den nuvarande tekniken tillät oss att tillförlitligt mäta VFT under hjärt operation under en mängd kliniska tillstånd genom att få varje determinant från blodflödet och dimensionell inspelningar i standard TEE imaging plan. En puls-våg Doppler provvolymen placerades på tips av mitral broschyrerna i mitten av-esofagus fyra kammare anser att erhålla trans-mitral blod flöde ljudhastighetsprofilen nödvändigt att beräkna förmaksflimmer fyllning bråkdel (β; (Se <strong class=…

Discussion

De nuvarande resultaten visar att VFT kan mätas tillförlitligt under hjärtkirurgi med TEE metoder som beskrivs här. Tidigare beskrivningar av VFT används transtorakal ekokardiografi i medvetna ämnen, men denna metod kan inte användas när bröstet är öppen. Vi använde intraoperativ TEE för att avgöra VFT de sövda patienter som genomgår hjärtkirurgi under vilken förändringar i LV fylla dynamics påträffas ofta till följd av ischemi-reperfusionsskada eller kirurgiska ingrepp. Våra fynd visar att VFT mä…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta material är resultatet av arbete stödjas med resurser och användning av faciliteterna på de Clement J. Zablocki Veterans Affairs Medical Center i Milwaukee, Wisconsin.

Materials

Echocardiography Machine Philips Ultrasound, Bothall, WA iE33
Transesophageal Echocardiography Probe Philips Ultrasound, Bothall, WA X7-2t
Statistical Software AnalystSoft, Walnut, CA StatPlus:mac Pro

References

  1. Collier, E., Hertzberg, J., Shandas, R. Regression analysis for vortex ring characteristics during left ventricular filling. Biomedical Sciences Instrumentation. 38 (2), 307-311 (2002).
  2. Kheradvar, A., Gharib, M. Influence of ventricular pressure drop on mitral annulus dynamics through the process of vortex ring formation. Annals of Biomedical Engineering. 35 (12), 2050-2064 (2007).
  3. Gharib, M., Rambod, E., Shariff, K. A universal time scale for vortex ring formation. Journal of Fluid Mechanics. 360 (1), 121-140 (1998).
  4. Krueger, P. S., Gharib, M. The significance of vortex ring formation to the impulse and thrust of a starting jet. Physics of Fluids. 15 (5), 1271-1281 (2003).
  5. Reul, H., Talukder, N., Muller, W. Fluid mechanics of the natural mitral valve. Journal of Biomechanics. 14 (5), 361-372 (1981).
  6. Kim, W. Y., et al. Two-dimensional mitral flow velocity profiles in pig models using epicardial Doppler echocardiography. Journal of the American College of Cardiology. 24 (2), 532-545 (1994).
  7. Kilner, P. J., et al. Asymmetic redirection of flow through the heart. Nature. 404 (6779), 759-761 (2000).
  8. Gharib, M., Rambod, E., Kheradvar, A., Sahn, D. J., Dabiri, J. O. Optimal vortex formation as an index of cardiac health. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 103 (16), 6305-6308 (2006).
  9. Rodriguez Munoz, D., et al. Intracardiac flow visualization: current status and future directions. European Heart Journal Cardiovascular Imaging. 14 (11), 1029-1038 (2013).
  10. Martinez-Legazpi, P., et al. Contribution of the diastolic vortex ring to left ventricular filling. Journal of the American College of Cardiology. 64 (16), 1711-1721 (2014).
  11. Dabiri, J. O., Gharib, M. The role of optimal vortex formation in biological fluid transport. Proceedings of the Royal Society B. 272 (1572), 1557-1560 (2003).
  12. Kheradvar, A., Gharib, M. On mitral valve dynamics and its connection to early diastolic flow. Annals of Biomedical Engineering. 37 (1), 1-13 (2009).
  13. Linden, P. F., Turner, J. S. The formation of "optimal" vortex rings, and the efficiency of propulsion devices. Journal of Fluid Mechanics. 427 (1), 61-72 (2001).
  14. Domenichini, F., Pedrizzetti, G., Baccani, B. Three-dimensional filling flow into a model left ventricle. Journal of Fluid Mechanics. 539 (1), 179-198 (2005).
  15. Sengupta, P. P., et al. Left ventricular isovolumic flow sequence during sinus and paced rhythms: new insights from use of high-resolution Doppler and ultrasonic digital particle imaging velocimetry. Journal of the American College of Cardiology. 49 (8), 899-908 (2007).
  16. Rodriguez Munoz, D., et al. Flow mapping inside a left ventricular aneurysm: a potential tool to demonstrate thrombogenicity. Echocardiography. 31 (1), E10-E12 (2014).
  17. Son, J. W., et al. Abnormal left ventricular vortex flow patterns in association with left ventricular apical thrombus formation in patients with anterior myocardial infarction: a quantitative analysis by contrast echocardiography. Circulation Journal. 76 (11), 2640-2646 (2012).
  18. Kheradvar, A., Falahatpisheh, A. The effects of dynamic saddle annulus and leaflet length on trans-mitral flow pattern and leaflet stress of a bileaflet bioprosthetic mitral valve. The Journal of Heart Valve Disease. 21 (2), 225-233 (2012).
  19. Kheradvar, A., Assadi, R., Falahatpisheh, A., Sengupta, P. P. Assessment of trans-mitral vortex formation in patients with diastolic dysfunction. Journal of the American Society of Echocardiography. 25 (2), 220-227 (2012).
  20. Chen, R., et al. Assessment of left ventricular hemodynamics and function of patients with uremia by vortex formation using vector flow mapping. Echocardiography. 29 (9), 1081-1090 (2012).
  21. Hendabadi, S., et al. Topology of blood transport in the human left ventricle by novel processing of Doppler echocardiography. Annals of Biomedical Engineering. 41 (12), 2603-2616 (2013).
  22. Sengupta, P. P., Pedrizetti, G., Narula, J. Multiplaner visualization of blood flow using echocardiographic particle imaging velocimetry. Journal of the American College of Cardiology Cardiovascular Imaging. 5 (5), 566-569 (2012).
  23. Sengupta, P. P., et al. Emerging trends in CV flow visualization. Journal of the American College of Cardiology Cardiovascular Imaging. 5 (3), 305-316 (2012).
  24. Hong, G. R., Kim, M., Pedrizzetti, G., Vannan, M. A. Current clinical application of intracardiac flow analysis using echocardiography. Journal of Cardiovascular Ultrasound. 21 (4), 155-162 (2013).
  25. Kheradvar, A., Milano, M., Gharib, M. Correlation between vortex ring formation and mitral annulus dynamics during ventricular rapid filling. American Society for Artificial Internal Organs Journal. 53 (1), 8-16 (2007).
  26. Hong, G. R., et al. Characterization and quantification of vortex flow in the human left ventricle by contrast echocardiography using vector particle image velocimetry. Journal of the American College of Cardiology Cardiovascular Imaging. 1 (6), 705-717 (2008).
  27. Zhang, H., et al. The evolution of intraventricular vortex during ejection studied by using vector flow mapping. Echocardiography. 30 (1), 27-36 (2013).
  28. Nogami, Y., et al. Abnormal early diastolic intraventricular flow ‘kinetic energy index’ assessed by vector flow mapping in patients with elevated filling pressure. European Heart Journal Cardiovascular Imaging. 14 (3), 253-260 (2013).
  29. Zhang, H., et al. The left ventricular intracavity vortex during the isovolumic contraction period as detected by vector flow mapping. Echocardiography. 29 (5), 579-587 (2012).
  30. Poh, K. K., et al. Left ventricular filling dynamics in heart failure: echocardiographic measurement and utilities of vortex formation time. European Heart Journal Cardiovascular Imaging. 13 (5), 385-393 (2012).
  31. Belohlavek, M. Vortex formation time: an emerging echocardiographic index of left ventricular filling efficiency?. European Heart Journal Cardiovascular Imaging. 13 (5), 367-369 (2012).
  32. Dabiri, J. O., Gharib, M. Starting flow through nozzles with temporally variable exit diameter. Journal of Fluid Mechanics. 538 (1), 111-136 (2005).
  33. Jiamsripong, P., et al. Impact of acute moderate elevation in left ventricular afterload on diastolic trans-mitral flow efficiency: analysis by vortex formation time. Journal of the American Society of Echocardiography. 22 (4), 427-431 (2009).
  34. Belohlavek, M., et al. Patients with Alzheimer disease have altered trans-mitral flow: echocardiographic analysis of the vortex formation time. Journal of Ultrasound in Medicine. 28 (11), 1493-1500 (2009).
  35. Pedrizzetti, G., Domenichini, F., Tonti, G. On the left ventricular vortex reversal after mitral valve replacement. Annals of Biomedical Engineering. 38 (3), 769-773 (2010).
  36. Martinez-Legazpi, P., et al. Stasis mapping using ultrasound: a prospective study in acute myocardial infarction. Journal of the American College of Cardiology Cardiovascular Imaging. 11 (3), 514-515 (2018).
  37. Harfi, T. T., et al. The E-wave propagation index (EPI): a novel echocardiographic parameter for prediction of left ventricular thrombus. Derivation from computational fluid dynamic modeling and validation on human subjects. International Journal of Cardiology. 227 (1), 662-667 (2017).
  38. Pagel, P. S., Boettcher, B. T., De Vry, D. J., Freed, J. K., Iqbal, Z. Moderate aortic valvular insufficiency invalidates vortex formation time as an index of left ventricular filling efficiency in patients with severe degenerative calcific aortic stenosis undergoing aortic valve replacement. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 30 (5), 1260-1265 (2016).
  39. Pagel, P. S., Gandhi, S. D., Iqbal, Z., Hudetz, J. A. Cardiopulmonary bypass transiently inhibits intraventricular vortex ring formation in patients undergoing coronary artery bypass graft surgery. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 26 (3), 376-380 (2012).
  40. Pagel, P. S., Hudetz, J. A. Chronic pressure-overload hypertrophy attenuates vortex formation time in patients with severe aortic stenosis and preserved left ventricular systolic function undergoing aortic valve replacement. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 27 (4), 660-664 (2013).
  41. Pagel, P. S., Dye, L., Boettcher, B. T., Freed, J. K. Advanced age attenuates left ventricular filling efficiency quantified using vortex formation time: a study of octogenarians with normal left ventricular systolic function undergoing coronary artery surgery. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 32 (4), 1775-1779 (2018).
  42. Shanewise, J. S., et al. ASE/SCA guidelines for performing a comprehensive intraoperative multiplane transesophageal echocardiography examination: recommendations of the American Society of Echocardiography Council for Intraoperative Echocardiography and the Society of Cardiovascular Anesthesiologists Task Force for Certification in Perioperative Transesophageal Echocardiography. Journal of the American Society of Echocardiography. 12 (10), 884-900 (1999).
  43. Gaspar, T., et al. Three-dimensional imaging of the left ventricular outflow tract: impact on aortic valve area estimation by the continuity equation. Journal of the American Society of Echocardiography. 25 (7), 749-757 (2012).
  44. Karamnov, S., Burbano-Vera, N., Huang, C. C., Fox, J. A., Shernan, S. A. Echocardiographic assessment of mitral stenosis orifice area: a comparison of a novel three-dimensional method versus conventional techniques. Anesthesia and Analgesia. 125 (3), 774-780 (2017).
  45. Pagel, P. S., Kampine, J. P., Schmeling, W. T., Warltier, D. C. Comparison of end-systolic pressure-length relations and preload recruitable stroke work as indices of myocardial contractility in the conscious and anesthetized, chronically instrumented dog. Anesthesiology. 73 (2), 278-290 (1990).
  46. Pagel, P. S., Kampine, J. P., Schmeling, W. T., Warltier, D. C. Alteration of left ventricular diastolic function by desflurane, isoflurane, and halothane in the chronically instrumented dog with autonomic nervous system blockade. Anesthesiology. 74 (6), 1103-1114 (1991).
  47. De Hert, S. G., Rodrigus, I. E., Haenen, L. R., De Mulder, P. A., Gillebert, T. C. Recovery of systolic and diastolic left ventricular function early after cardiopulmonary bypass. Anesthesiology. 85 (5), 1063-1075 (1996).
  48. Gorcsan, J., Diana, P., Lee, J., Katz, W. E., Hattler, B. G. Reversible diastolic dysfunction after successful coronary artery bypass surgery. Assessment by transesophageal Doppler echocardiography. Chest. 106 (5), 1364-1369 (1994).
  49. Djaiani, G. N., et al. Mitral flow propagation velocity identifies patients with abnormal diastolic function during coronary artery bypass graft surgery. Anesthesia and Analgesia. 95 (3), 524-530 (2002).
  50. Casthely, P. A., et al. Left ventricular diastolic function after coronary artery bypass grafting: a correlative study with three different myocardial protection techniques. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 114 (2), 254-260 (1997).
  51. Tulner, S. A., et al. Perioperative assessment of left ventricular function by pressure-volume loops using the conductance catheter method. Anesthesia and Analgesia. 97 (4), 950-957 (2003).
  52. Firstenberg, M. S., et al. Relationship between early diastolic intraventricular pressure gradients, an index of elastic recoil, and improvements in systolic and diastolic function. Circulation. 104 (12 Suppl 1), I330-I335 (2001).
  53. Cooke, J., Hertzberg, J., Boardman, M., Shandas, R. Characterizing vortex ring behavior during ventricular filling with Doppler echocardiography: an in vitro study. Annals of Biomedical Engineering. 32 (2), 245-256 (2004).
  54. Grossman, W., Jones, D., McLaurin, L. P. Wall stress and patterns of hypertrophy in the human left ventricle. Journal of Clinical Investigation. 56 (1), 56-64 (1975).
  55. Hess, O. M., et al. Diastolic function and myocardial structure in patients with myocardial hypertrophy. Special reference to normalized viscoelastic data. Circulation. 63 (2), 360-371 (1981).
  56. Hess, O. M., et al. Diastolic stiffness and myocardial structure in aortic valve disease before and after valve replacement. Circulation. 69 (5), 855-865 (1984).
  57. Sandstede, J. J. W., et al. Cardiac systolic rotation and contraction before and after valve replacement for aortic stenosis: a myocardial tagging study using MR imaging. American Journal of Roentgenology. 178 (4), 953-958 (2002).
  58. Stuber, M., et al. Alterations in the local myocardial motion pattern in patients suffering from pressure overload due to aortic stenosis. Circulation. 100 (4), 361-368 (1999).
  59. Nagel, E., et al. Cardiac rotation and relaxation in patients with aortic valve stenosis. European Heart Journal. 21 (7), 582-589 (2000).
  60. Rakowski, H., et al. Canadian consensus recommendations for the measurement and reporting of diastolic dysfunction by echocardiography: from the Investigators of Consensus on Diastolic Dysfunction by Echocardiography. Journal of the American Society of Echocardiography. 9 (5), 736-760 (1996).
  61. Homeyer, P., Oxorn, D. C. Aortic regurgitation: echocardiographic diagnosis. Anesthesia and Analgesia. 122 (1), 37-42 (2016).
  62. Landzberg, J. S., et al. Etiology of the Austin Flint murmur. Journal of the American College of Cardiology. 20 (2), 408-413 (1992).
  63. Flint, A. On cardiac murmurs. American Journal of Medical Sciences. 91 (1), 27 (1886).
  64. Botvinick, E. H., Schiller, N. B., Wickramasekaran, R., Klausner, S. C., Gertz, E. Echocardiographic demonstration of early mitral valve closure in severe aortic insufficiency. Its clinical implications. Circulation. 51 (5), 836-847 (1975).
  65. Mann, T., McLaurin, L., Grossman, W., Craige, E. Assessing the hemodynamic severity of acute aortic regurgitation due to infective endocarditis. New England Journal of Medicine. 293 (3), 108-113 (1975).
  66. Borlaug, B. A., et al. Longitudinal changes in left ventricular stiffness: a community-based study. Circulation Heart Failure. 6 (5), 944-952 (2013).
  67. Wong, J., et al. Age-related changes in intraventricular kinetic energy: a physiological or pathological adaptation?. American Journal of Physiology Heart Circulatory Physiology. 310 (6), H747-H755 (2016).
  68. Carrick-Ranson, G., et al. Effect of healthy aging on left ventricular relaxation and diastolic suction. American Journal of Physiology Heart Circulatory Physiology. 303 (3), H315-H322 (2012).
  69. Iskandrian, A. S., Hakki, A. H. Age-related changes in left ventricular diastolic performance. American Heart Journal. 112 (1), 75-78 (1986).
  70. Schulman, S. P., et al. Age-related decline in left ventricular filling at rest and exercise. American Journal of Physiology. 263 (6 Pt 2), H1932-H1938 (1992).
  71. Stork, M., et al. Age-related hemodynamic changes during diastole: a combined M-mode and Doppler echo study. Internal Journal of Cardiovascular Imaging. 6 (1), 23-30 (1991).
  72. Sanders, D., Dudley, M., Groban, L. Diastolic dysfunction, cardiovascular aging, and the anesthesiologist. Anesthesiology Clinics. 27 (3), 497-517 (2009).
check_url/kr/58374?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Pagel, P. S., Dye III, L., Hill, G. E., Vega, J. L., Tawil, J. N., De Vry, D. J., Chandrashekarappa, K., Iqbal, Z., Boettcher, B. T., Freed, J. K. Noninvasive Determination of Vortex Formation Time Using Transesophageal Echocardiography During Cardiac Surgery. J. Vis. Exp. (141), e58374, doi:10.3791/58374 (2018).

View Video