SE534636C2 - Ett system för kvantifiering och visualisering av hjärtats rotationsmönster - Google Patents

Description

534 636 Figur 2 visar ett exempel på hur visualiseringen av rotationsaxelns rörelse över tiden beskrivs genom analyssystemet.

Figur 3 illustrerar den globala rotationsaxeln (torsioiisaxelnj av vänster kammare, enligt krav 9.

Fullständig beskrivning av figurer Figur 1. Schematisk beskrivning av beräkningen av rotationsplan. illustrationen till vänster och i mitten visar vänster kammare från tre olika längdsnitt. De svarta fyllda punkterna representerar regionala uppmätta rotationsvärden i vänster kammare. De mindre, ej fyllda punkterna representerar motsvarande värde (genom interpolering) i motstående vägg. Mellan varje par av matchande rotationsvärden i motstående väggar skapas en rotationslinje [svart linje mellan dessa punkter). lllustrationen uppe till höger visar en schematisk bild av primära modellen med 18 koordinater (en punkt i varje knutpunkt mellan de svarta linjerna), som beskriver vänster kammares geometri. Dessutom ses även ett beräknat rotationsplan (vit yta med svart kantlinje) som baseras på de beräknade rotationslinjerna vid samma nivå i vänster kammare. Normalvektorn till rotatíonsplanet (n) är densamma som rotationsaxeln i vänster kammare vid den specifika nivån. Lutningen på rotationsaxeln (vinkel z, °j är relativ till vänster kammare longitudinella axel. Rotationsaxeln riktning (vinkel xy, °) med 0° lateralt och stigande vinklar motsols, se illustration nere till höger. Ant, anteriort; Lat, lateralt; Post, posteriort; lnf, inferiort; Sept, septalt; Antsept, anteroseptalt Figur 2. Medelvärde av rotationsaxelns riktning och lutning hos 39 friska personer vid olika tidpunkter under hjärtcykeln vid olika nivåer i vänster kammare (basal, midventrikulär, apikal och transitionsplanet). Lutningen (vinkel z, "j presenteras på den axiala skalan i plottarna och riktningen (vinkel xy, °) presenteras på den církulära skalan (O-360°). Tidpunkterna är kodade enligt beskrivning nedtill i bild. Ant, anteriort; Lat, lateralt; Post, posteriort; Inf, inferiort; Sept, septalt; Antsept, anteroseptalt; lVC, isovolumetrisk kontraktion; AVO, aortaklafföppning; AVC aortaklaffstängning; lVR, isovolumetrisk relaxation; MVO, mitralldafföppning; .E-peak, maximal hastighet under tidig fyllnad; E-end, slut på tidig fyllnad; A-onset, start av sen fyllnad.

Figur 3. illustration av torsionsaxeln i vänster kammare vid tiden för slutsystole baserat på medelvärde från 39 friska individer. Torsionsaxeln är vinkelrät mot rotationsplanen vid varje specifik nivå och motsvarar rotationsaxlarna för hela ventrikeln. Torsionsaxeln baseras på rotationsplanen vid basal, midventrikulär och apikal nivå. Torsionsaxeln är den svarta böjda linjen. De svarta raka linjerna representerar rotationsplan.

Detaljerad beskrivning l detta avsnitt beskrivs uppfinningen i detalj. Denna uppfinning relaterar till ett icke-invasivt analyssystem för att kvantiñera och visualisera hjärtats rotationsmönster. Analyssystemet innefattar två undersystem där undersystem 1 är en datainsamlingsenhet och undersystem 2 är en analysenhet l datainsamlingsenheten innefattas ett eller flera system som har möjlighet att registrera variabler för att kvantifiera rotation i hjärtat. Olika tekniker för att registrera rotation finns. Ett exempel är ultraljudsteknik som är en vanlig teknik för detta och kommer att beskrivas i följande text. Undersystem 2, analysenheten utför beräkningarna av rotationsplan och rotationsaxlar genom att konstruera en modell av en av ventriklarna i hjärtat baserat på rotationsparametrar från undersystem 1, datainsamlíngsenheten. Modellen som skapas ses i figur 1 och kommer att beskrivas för vänster kammare av hjärtat Undersystem 2 inkluderar även en visualiseringsenhet där rörelsemönstret av rotationsaxlarna beskrivs i en axial-cirkulär graf. Undersystem 2 kan vara ett separat system eller ett integrerat system i undersystem 1. För att underlätta förståelsen för den detaljerade beskrivningen av systemet följer en lista med definitioner. 534 636 Definitioner Rotationslinje - en linje mellan två punkter med samma eller nära samma rotationsvårde i motsatta väggar i kammaren, sett från en apikal långaxelbild (från bas till apex). Minst en av dessa två punkter finns vid basal, mid eller apikal nivå, se figur 1.

Rotationsplan - ett plan konstruerat från tre rotationslinjer som utgår från samma nivå, se figur 1. ' Rotationaxel - den centrala normalvektom till ett rotationsplan, dvs den axel omkring vilken vänster kammare roterar vid rotationsplanet, se figur 1, Transitionsplan - ett rotationsplan med noll eller nära noll grader rotation.

Lutning - vinkeln mellan rotationsaxeln och den longitudienlla centnimaxeln för vänster kammare, benämns som (vinkel z), se figur 1 uppe till höger.

Riktning - rotationsaxelns riktning i ett tvârsnittsplan av vänster kammare [0-360°], benämns som (vinkel xy). Noll grader vid lateral vägg och stigande grader motsols, se figur 1 nere till höger. z-nivà - distansen i procent mellan apex och transitionsplanets medelhöjd (z-koordinat) vid en specifik tidpunkt. 0% motsvarar apex och 100% den basala nivån.

Bildgenerering och analys Bilderna kan genereras med olika typer av 2D eller 3D avbildningsmodaliteter, såsom ultraljud och magnetresonanstomografi. I den här texten kommer bildgenereringen dock endast att beskrivas enligt ultraljudstekniken. Ekokardiografiska kortaxelbilder på basal, midventrikulär och apikal nivå, liksom apikal långaxelbild registreras med tillräckligt hög temporal upplösning Slutsystollsk och slutdiastolisk diameter av vänster kammare mäts sedan i varje kortaxelbild samt det ungefärliga avståndet fór varje nivå i förhållande till apex i de apikala bilderna. Tiden till aortaklaffens öppning (AVO), aortaklaffens stängning (AVE), mitralisldaffens öppning (MVG), maximala hastigheten under den tidiga fyllnaden (E-peak), slutet av den tidiga fyllnaden (E- end) och onset av den sena fyllnaden (A-onset) mäts med spektral-Doppler och dessa tidsintervall applicerades därefter på en annan hjärtcykel med en liknande hjärtfrekvens.

Regionala rotztionsvärden mäts offline vid varje kortaxelnivå med speckle tracking-teknik Analysens start - och slutpunkt sätts till starten av QRS-komplexeti två efterföljande hjärtcyklar i det överlagrade EKGt. l varje kortaxelbild markeras det område av hjärtmuskeln som ska analyseras. Området delas vanligen av programvaran ini sex lika stora segment (anteroseptal, anterior, lateral, posterior, inferior och septal). Rotationsvärdena från analysen exporteras, där rotationen presenteras i grader som medelvärdet av varje segment i varje registrerad tidpunkt Mjukvara för beräkning av rotationsaxeln Mjukvaran bygger på en förenklad modell av vänster kammare som skapas utifrån de 18 mätpunkterna i de sex segmenten i kortaxelbilderna på basal, midventrikulär och apikal nivå (figur 1). Rotationsvärdena importeras till Matlab 7.0.1 (MathWorks Inc., Natick, MA, USA) där mjukvaran utvecklats. Varje rotationsvärde tilldelas en xyz-koordinat, med z längs den längsgående axeln av vänster kammare och x, y längs kortaxelplanet av vänster kammare, vilket resulterar i en första modell med 18 koordinater, en koordinat var sextionde grad i kortaxelplanen på de tre nivåerna (figur 1). Ytterligare indataparainetrar var slutdiastolisk och slutsystolisk kortaxeldiameter av den vänstra kammaren på basal, midventrikulär och apikal nivå, avståndet från apex till varje nivå och tiden mellan Q-vågen i EKGt och AVC. Mjukvaran börjar sedan med att automatiskt selektera en hjärtcykel, genom att identifiera tiden då rotationen är noll, vilket var samma definition av en hjärtcykel som i speckle tracking analysen. 534 636 Modellens geometrifö rändríng bestämdes genom att sätta slutdiastolíska diametern vid början och slutet av hjärtcykeln och genom att sätta slutsystolisk diameter vid AVC. Mellan de uppmätta diametrarna tillämpades linjär interpolation i tiden för att få koordinater under hela hjärtcykeln. För att skapa en modell med hög spatiell upplösning tillämpas linjär interpolation i den longitudinella riktningen, det vill säga nya koordinater genererades mellan basal, midventrikulär och apikal nivå. Detta resulterar i 0,1 mm mellan alla xyz-koordinater med ett medelvärde av totalt ca 3000 koordinater i modellen.

Varje koordinat i modellen tilldelas ett rotationsvärde i varje registrerad bildruta av hjärtcykeln genom att använda linjär interpolation i tiden mellan de 18 uppmätta rotationsvärdena. l två motsatta väggar, sett från en apíkal långaxelbild, väljs två stycken punkter ut med liknande rotationsvärden vid varje nivå (en genom mätning och den andra genom interpolation). Dessa punkter definierar en rotationslinje, se figur 1. Vid varje nivå skär rotationslinjen punkten för en av de två uppmätta rotationsvärdena. När det finns två möjliga rotationslinjer väljs endast en av linjerna ut för att vara med och påverka beräkningen av rotationsplanet på denna nivå. Den linjen som väljs ut är den som bäst motsvarar liten skillnad i rotationsvärden samtidigt som den genomsnittliga z-koordinaten är nära den aktuella nivån. Urvalskriterierna for vilken rotationslinje som väljs kan generellt beskrivas på följande sätt. Om slutpunkterna på linjen har mindre än 0,05° skillnad i rotationsvärden väljs den rotationslinje vars genomsnittliga z- koordinat är närmast motsvarande nivå. Om ingen rotationslinje uppfyller detta första kriterium väljs linjen med den minsta skillnaden i rotationsvärden så länge skillnaden i rotationsvärden är mindre än 0,5°. Om skillnaden inte år mindre än 0,5° för någon linje, väljs ingen linje alls utan dessa punkter betraktas som ett såkallade "missing values". När det är möjligt att välja tre rotationslinjer mellan motsatta väggar från samma nivå kan ett rotationsplan på denna nivå beräknas.

Det minsta antal koordinater som krävs för att definiera ett plan år tre. De sex koordinaterna från de tre linjerna medelvärdesbildas enligt (1-3) till tre punkter som sedan ska bygga upp planet; antj., y, 1), antsept (x, y, z), septfg m), infpt. y. z), Postnr m), latpt y, 1) är xyz-koordinater för varje utvald punkt i de olika väggarna i kammaren. p: = (1) __ FWï(x.yzJ"ïflf(x.ï-2) - , (21 P2 ^ _ _14.

P3 = (3) Planet som byggs upp av de tre punkterna PvP, och P, definieras som rotationsplanet vid respektive nivå. Om båda xyz-koordinaterna saknas i minst en av ekvationerna 1-3 kan inget rotationsplan beräknas. Om bara en av xyz-koordinaterna saknas sätts den motsvarande medelpunkten P, P2 eller P3 till det värdet som inte saknas. För att beskriva rotationsplanet; rörelsemönster beräknas planets normalvektor (n), det vill säga planets rotationsaxel, genom att ta krossprodukten av de tvâ vektorerna V1 och V; mellan punkterna P1, P2 och P3 enligt (4-6).

W=fi"fl W V2 = P1. " Ps (5) 534 636 :x y z n = Vi X lå = detP/l: V14' (Ö) V2; VZJ, V21 Rotationsaxelns riktning (angleq) och vinkel mot z-axeln (augleg beräknas som: angle, = cos'1(dot(ê,n)/lnl) (7) anglen, = tan* :lg (8) Ett transitionsplan som beskriver en nivå där rotationsvården är nära noll beräknas också.

Detta plan beräknas på samma sätt som de andra planen vid de tre olika nivåerna enligt ekvationerna 1-8. Men för att hitta xyz-koordinaterna i varje vägg identiñerade man de så kallade nollpunkterna, det vill saga där rotationsvärdena skiftade från att vara positiva till att bli ' negativa.

Preliminära resultat Programvaran för att beräkna hjärtats rotationsaxlar testadesi en grupp bestående av 39 friska personer och en patient med anteroseptal hjärtinfarkt. Vinkel och riktning för rotationsaxlarna beräknades vid 12 tidpunkter under hjårtcykeln, se figur 2 till höger. Vid de flesta av hjärtcykelns tidpunkter var rotationsaxlarnas vinklar störst på den basala nivån, och generellt minst uttalade på mittennivån. Rotationsaxlarnas vinkel var signifikant skild från noll i alla testade tidpunkter, vilket betyder att hjärtats rotationsaxlar inte sammanfaller med vänsterkammarens longitudinell centrumaxel. Rayleigh-tester for uniformitet visade en signifikant medelriktning för rotationsaxlarna vid de flesta av de testade tidpunkterna. Figur 2 visar medelvärdet för vinkel (axiell) och riktning (cirkulär) för rotationsaxeln på midnivån i de 39 friska försökspersonema vid de12 tidpunkterna.

Dessutom analyserades nollplanets (transitionsplanet) position (definierad som avståndet i procent mellan apex och rotationsplanet, 0% = apex, 100% = bas) och det visade sig att nollplanet var beläget vid den övre delen av papillarmusklerna (60-65% av kammarens längd] under större delen av hiärtcykeln. Riktningen och vinkeln på nollplanets rotationsaxel liknade rotationsplanen vid midventrikulâr och basal nivå. Det nya systemet uppvisar en acceptabel reproducerbarhet, utom på apikal nivå, där det är små skillnader i rotation mellan olika segment, vilket gör att rotationsaxlarna blir mer känsliga för regionala förändringar i rotation.

Den nya uppfinningen introducerar ett helt nytt koncept för att utvärdera vänsterkammarfunktion, genom att uppskatta rotationsplan på olika nivåer i vänster kammare, och genom att beskriva rörelsemönstret för rotationsaxlarna. Denna första pilotstudie visade att vänster kammare inte roterar runt sin longitudinella centrumaxel, utan har ett komplext rotationsmönster under hjärtcykeln. Genom analyser av vinkel och riktning på rotationsaxlarna på olika nivåer fås en unik överblick över vänster kammares rotationsmönster. 534 636 Skillnader i riktning och vinkel för rotationsaxlarna under preejektionsfasen och under ejektionen indikerar olika roterande funktioner i subendokardiella och subepikardiella muskellager, vilket kan tyda på olika myokardiella lager påverkar rotationsmöntret vid olika faser i hjärtcykeln. Rotationsaxlarna var riktade mot det anterolaterala området under preejektionsfasen, vilket skulle kunna vara en effekt av en tidig aktivering av subendokardiella fibrer. Under ejektionsfasen, när de subepicardial fibrerna, i alla fall teoretiskt, borde vara ansvariga för merparten av rotationsrörelsen, så ändrades rotationsaxlarnas riktning och pekade mot utflödestrakten i vänster kammare.

Orienteringen på rotationsaxlarna är stationär så länge förändringeni rotationsamplituder är likadan i alla delar av vänsterkammaren. Däremot om rotationen i ett eller ett fåtal segment förändras i förhållande till de andra segmenten, kommer orienteringen av rotationsaxlarna att ändras. Detta indikerar att systemet har potential att skilja stabila från instabila rotationsmönster, där ett stabilt rotationsmönster beskriver symmetriska ändringar i rotationsamplituder. Dessutom visar frånvaron av nollplanet att alla nivåer i vänsterkammaren roterar i samma riktning, vilket innebär att det inte finns någon effektiv twist. Frånvaro och positionen av nollplanet kan därför båda vara markörer för kardiell dysfunktion. Tydliga skillnader i rotationsmönster mellan den friska gruppen och patienten med anteroseptal infarkt bekräftar detta. , Referenser Buchalter MB, Rademakers FE, Weiss IL, Rogers WI, Weisfeldt ML, Shapiro EP. Rotational deformation of the canine left ventricle measured by magnetic resonance tagging: effects of catecholamines, ischaemia, and pacing. Cardiovasc Res 1994;28:629-3S.

Dong SI, Hees PS, Huang WM, Buffer SA, Ir., Weiss IL, Shapiro EP. Independent effects of preload. afterload, and contractiiity on left ventricular torsion. Am 1 Physiol 1999; 277:il10S3-60.

Goffinet C, Chenot F, Robert A, Pouleur AC, le Polain de Waroux IB, Vancrayenest D, Gerard O, Pasquet A, Gerber BL, Vanoverschelde IL. Assessment of subendocardial vs. subepicardial left ventricular rotation and twist using two-dímensional speckle tracking echocardiography: comparison with tagged cardiac magnetic resonance. Eur Heart] 2009; 30:608-17.

Gustafsson U, Lindqvist P, Momer S, Waldenstrom A. Assessment of regional rotation patterns improves the understanding of the systolic and diastolic left ventricular function: an echocardiographic speckle- tracking study in healthy individuals. Eur] Echocardiogr 2009;10.S6-61.

Notomi Y, Lysyansky P, Setser RM, Shiota T, Popovic ZB, Martin-Miklovic MG, Weaver IA, Oryszak SI, Greenberg NL, White RD, Thomas ID. Measurement of ventricular torsion by two-dimensional ultrasound speckle tracking imaging. j Am Coll Cardio! 2005;45:2034-41, Stuber M, Scheidegger MB, Fischer SE, Nagel E, Steinemann F, Hess OM, Boesiger P. Alterations in the local myocardial motion pattern in patients suffering from pressure overload due to aortic stenosis. Cfraflation 1999;l00:361-8.

Takeuchi M, Nakai H, Kokumai M, Nishikage T, Otani S, Lang RM. Age-related changes in left ventricular twist assessed by two-dimensional speckle-tracking imaging. [Am Soc Echocardiogr 2006; 19: 1077-84.

Tibayan FA, Rodriguez F, Langer F, Zasio MK, Bailey L, Liang D, Daughters GT, Ingels NB, Ir., Miller DC.

Alterations in left ventricular torsion and diastolic recoil after myocardial infarction with and without chronic ischemic mitral regurgitatio n. Circulatíon 2004; 110111109-14.

Claims (10)

534 636 Patentkxav

1. Ett icke-invasivt analyssystem, innefattande en eller flera datainsamlingsenheter och en analysenhet, varvid analyssystemet år anpassat att kvantiñera och visualisera rotationsmönster i hjärtat, kännetecknad av att nämnda en eller flera dataínsamlingsenheter är anpassade att registrera rotationsinforrnation av hj ärtmuskelrörelse vid att antal tidpunkter och för ett antal nivåer i hjärtat under hjärtcykeln, och att nämnda analysenhet är anpassad att beräkna rotationsplan för olika nivåer i hjärtat över tiden, och att konstruera rotationsplan från minst tre rotationslinjer som utgår från samma nivå i hjärtat, och varvid var och en av rotationslinjema skapas mellan två punkter med matchande rotationsvärden i motsatta väggar i hjärtat, och att beräkna en rotationsaxel för rotationsplanet för varje vald nivå, och att analysenheten vidare är anpassad att skapa en modell av hjärtats rotationsmönster där vinkel och riktning på rotationsaxlarna för rotationsplanen på valda nívåeri hjärtat kvantifieras och visualiseras.

2. System enligt patentkrav 1, kännetecknad av att analysenheten är separerad eller integrerad i datainsamlingsenheten.

3. System enligt patentkrav l eller 2, kännetecknad av att datainsarnlingsenheten är ett ultraljudssystemtmed reflektorbaserad teknik.

4. System enligt patentkrav 1 eller 2, kânnetecknad av att datainsamlingsenheten är ett ultraljudssystem med Dopplerteknik.

5. System enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av att datainsamlingsenheten är ett magnetkarnerasystem.

6. System enligt patentkrav l eller 2, kännetecknar! av att datainsamlingsenheten är ett bildgivande system med möjlighet att kvantifiera rotationsamplituder.

7. System enligt patentkrav l eller 2, kännetecknad av att analysenheten visualiserar rotationsaxlarnas rörelse på någon nivå i kammaren i axiell-cirkulära grafer.

8. System enligt patentkrav l eller 2, kännetecknad av att analysenheten presenterar information om nollplanets position i kammaren. 534 636

9. System enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av att analysenheten visualiserar och kvantifierar en global torsíonsaxel för kammaren, det vill säga, en rotationsaxel som byggs upp av de enskilda rotationsaxlarna på varje nivå i kammaren.

10. System enligt patentkrav något av patentkraven 1-9, kíinneteclmad av att en punkt för rotationslínjen för en vald nivå skapas genom mätning och den andra genom intexpolation.