Summary

Noninvasiv besluttsomhet Vortex formasjon tid ved hjelp av Transesophageal Echocardiography under kirurgi

Published: November 28, 2018
doi:

Summary

Vi beskriver en protokoll for å måle vortex formasjon tid, en indeks av venstre ventrikkel fylling effektivitet, med standard transesophageal echocardiography teknikkene i pasienter som gjennomgår kirurgi. Vi bruker denne teknikken for å analysere vortex formasjonen i flere grupper av pasienter med ulike cardiac patologi.

Abstract

Trans-mitral blodstrøm produserer en tredimensjonale rotasjons kroppen væske, kjent som en vortex ring, som forbedrer effektiviteten av venstre ventrikkel (LV) fylle sammenlignet med en kontinuerlig lineær jet. Vortex ring utvikling er oftest kvantifisert vortex formasjon tid (VFT), en dimensjonsløs parameter basert på flytende utstøting fra en stive rør. Vår gruppe er interessert i faktorer som påvirker LV fylling effektivitet under kirurgi. I denne rapporten beskriver vi hvordan du bruker standard todimensjonal (2D) og Doppler transesophageal echocardiography (TEE) noninvasively avlede variablene trengte å beregne VFT. Vi beregne atrial fylling brøkdel (β) fra hastighet / tid integraler av trans-mitral tidlig LV fylling og atrial Systolen blodet flyt hastighet bølgeformer målt i midt-esophageal fire-kammer TEE visningen. Slagvolum (SV) beregnes som produktet av diameteren på LV ut sporet målt i midt-esophageal lange aksen TEE visningen og hastighet-tiden integrert av blodstrøm gjennom utløp sporet fastsatt i dyp transgastric visningen med puls-bølge Doppler. Endelig bestemmes mitral ventil diameter (D) som gjennomsnittet av hovedversjoner og underordnede aksen lengder målt i ortogonale midt-esophageal bicommissural og lange aksen tenkelig fly, henholdsvis. VFT beregnes som 4 × (1-β) × SV / (πD3). Vi har brukt denne teknikken til å analysere VFT i flere grupper av pasienter med ulike kardial unormalt. Vi diskutere vår bruk av denne teknikken og mulige begrensninger og også se våre resultater. Noninvasiv måling av VFT bruker TEE er enkel i bedøvet pasienter som gjennomgår kirurgi. Teknikken kan gi cardiac anesthesiologists og kirurger for å vurdere effekten av patologiske forhold og tiltak på LV fylle effektivitet i sanntid.

Introduction

Væske mekanikk er en viktig men ofte underappreciated determinant av venstre ventrikkel (LV) fylling. En tredimensjonale rotasjons kroppen væske, kjent som en vortex ring, genereres når en væske passerer en orifice1,2,3. Denne virvelen ringen forbedrer effektiviteten av væske sammenlignet med en kontinuerlig lineær jet4. Bevegelse av blod gjennom mitral ventil under tidlig LV fylle forårsaker en vortex ring til5,6,7,8 og forenkler dens utbredelse i kammeret beholde væske momentum og kinetisk energi9. Disse handlingene forbedre LV fylle effektivitet,4,,10,,11,,12,,13. Ringen ikke bare hemmer blod flyte stasis i LV apex14,15,16,17 men også styrer flyten fortrinnsvis under fremre mitral pakningsvedlegget7, 18, som reduserer risikoen for apikale dannelse og tilrettelegge fylling av LV utstrømming spore19, henholdsvis. Kontrast echocardiography17, Doppler vektor flyt kartlegging6,20,21, magnetisk resonans imaging7og partikkel imaging velocimetry9,22 ,23,24 har blitt brukt til å demonstrere utseendet og virkemåten av trans-mitral vortex ringer under normal og patologiske forhold. Venstre atrial-LV trykkgradient, graden av diastolisk mitral ringformede utflukt, minimum LV trykket oppnådd under diastolen, og hastigheten og omfanget av LV er de fire store determinantene for varighet, størrelse, flyt intensitet og posisjon den trans-mitral ring2,12,25,26,27,28,29.

Vortex ring utvikling er oftest kvantifisert med en dimensjonsløs parameter (vortex formasjon tid; VFT) basert på flytende utstøting fra en stive rør3, hvor VFT defineres som produktet av gjennomsnittlige væske hastigheten og varigheten av utstøting delt orifice diameter. Den optimale størrelsen på en vortex ring oppnås når VFT er 4 i vitro fordi etterfølgende jets og energisk begrensninger hindre den fra å oppnå en større størrelse3,4. Mitral ventil VFT har vært tilnærmes med klinisk transthoracic echocardiography8,30,31. Basert på analyse av trans-mitral blod flyten hastighet og mitral ventil diameter (D), kan det være lett vist8 som VFT = 4 × (1-β) × EF × α3, hvor β = atrial fylling brøk, EF = LV utstøting brøk og α = EDV1/3/D, hvor EDV = ende-diastolisk volum. Utstøting brøkdel er forholdet mellom Slagvolum (SV) og EDV, slik at denne ligningen til forenkles til VFT = 4 × (1-β) × SV / (πD3). Fordi VFT dimensjonsløs (volum/volum), kan denne indeksen direkte sammenligning mellom pasienter av varierende størrelse uten justering for vekt eller kroppen areal8. Optimal VFT varierer mellom 3.3 og 5.5 i friske8, og resultatene er konsistente med regnskapsprinsippene innhentet i fluid dynamikk modeller3,32. VFT viste seg å være ≤ 2.0 hos pasienter med deprimert LV systolisk funksjon, funn som støttes også av teoretiske spådommer8. Reduksjoner i VFT spådd uavhengig sykelighet og dødelighet hos pasienter med hjertesvikt30. Forhøyet LV afterload33Alzheimers34, unormal diastolisk funksjonen19og utskifting av de innfødte mitral ventilen med en protese35 har også blitt vist å redusere VFT. Måling av VFT kan også være nyttig for å identifisere blodet flyt stasis eller blodpropp i pasienter med akutt hjerteinfarkt36,37.

Vår gruppe er interessert i faktorer som påvirker LV fylling effektivitet under kirurgi38,39,40,41. Vi bruker standard todimensjonal og Doppler transesophageal echocardiography (TEE) noninvasively utlede variablene som kreves til å beregne VFT. I denne rapporten vi beskrive denne metodikken i detalj og gjennomgå våre funn hittil.

Protocol

Institusjonelle gjennomgang styret av Clement J. Zablocki Veterans Affairs medisinske senter godkjent protokollene. Skriftlig samtykke ble frafalt fordi invasiv cardiac overvåking og TEE rutinemessig brukes i alle pasienter som gjennomgår kirurgi i våre institusjon. Pasienter med relativ eller absolutt kontraindikasjoner for TEE, de som gjennomgår gjenta median sternotomy eller akutt kirurgi, og de med atrial eller ventrikulær tachyarrhythmias ble ekskludert fra deltakelse. 1. anestesi …

Representative Results

Gjeldende teknikken tillot oss å måle pålitelig VFT under kirurgi under en rekke klinisk betingelser ved å skaffe hver determinant fra blodstrøm og dimensjonale opptakene i standard TEE tenkelig fly. En puls-bølge Doppler eksempel volumet ble plassert på tuppen av mitral løpesedler i visningen for midt-esophageal fire-kammer å få trans-mitral blodet flyt hastighet profilen må beregne atrial fylling brøkdel (β; Figur 1). Slagvolum identifiserte me…

Discussion

Gjeldende resultater viser at VFT kan måles pålitelig under kirurgi med TEE teknikkene som beskrives her. Tidligere beskrivelser av VFT brukt transthoracic echocardiography i bevisst fag, men denne tilnærmingen kan ikke brukes når brystet er åpen. Vi brukte intraoperativ TEE for å bestemme VFT bedøvet pasienter gjennomgår kirurgi der endringer i LV fylle dynamics er ofte møtte ischemia-reperfusion skade eller tiltak. Våre resultater indikerer at VFT mål gjenspeiler endringer i LV fylle effektiviteten produsert…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette materialet er resultatet av arbeidet støttes og bruk av fasilitetene på 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

Referências

  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/pt/58374?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
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