Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/11765
Title: Functional analysis of the beating heart based on morphometric assessment
Other Titles: Εκτίμηση λειτουργίας πάλλουσας καρδιάς μέσω ανάλυσης μορφομετρικών παραμέτρων
Authors: Γρίβας, Κωνσταντίνος
Keywords: Langendorff
Heart
Exvivo
Contactless
Keywords (translated): Σύστημα Langendorff
Καρδιά
Abstract: The Langendorff model is an ex vivo beating heart preservation method. The heart is removed from the animal’s body, placed on the Langendorff apparatus and retrograde-perfused through the aorta with a solution enriched with oxygen, nutrients and electrolytes. Thus, the heart can continue to function for several hours. The model is highly valued today, since it remains the main method to study the molecular processes of ischemia as well as the impact of new drugs. For over a century, Left Ventricular Developed Pressure (LVDP) is the most widely used measurement of the cardiac performance on the Langendorff’s isolated heart perfusion system. More specifically, a water-filled balloon is inserted in the left ventricle and transfers the pressure through a hydraulic system to an appropriate recording system (piezoelectric and fiber optic sensor technologies). The pressure change recording allows the evaluation of the cardiac function. Although the model has evolved over the last years, there are certain imperfections of the method which add significant bias on the results: a) there is no clear methodology regarding the appropriate balloon size and as a result the balloon can increase the diastolic load and affect the LVDP, b) The water pressure of the water-filled balloon compromises the myocardial perfusion, especially as the heart becomes edematous, c) due to the shape inconformity of a spherical balloon in the pyramid shaped ventricle, the pressure exercised on the ventricular wall is not symmetrical and d) it is impossible to correlate the recorded pressure with the volume change, since the shape of the balloon does not allow for the left ventricle’s volume to change during the cardiac cycle. Thus, the present methods used to evaluate the cardiac function in the Langendorff model are not suitable for the study of the diastolic function of the heart and consequently the diastolic dysfunction, which has been proved an early indice of the heart dysfunction. In this study, a new method is presented with a double objective: First, a contactless evaluation of the cardiac function in order to ensure unbiased results and, second, the ability to evaluate the diastolic function in the Langendorff ex vivo model. Twelve small animals were used in the experiments: six rabbits and six rats. Their hearts were removed and placed in the Langendorff apparatus. The heart function was recorded with a commercial Sony HD camera (1920x1080, 30fps) before and after hypoxia was induced. Each video was converted into RGB images and then into binary images. In all images of each cardiac cycle, four morphometric parameters were calculated: the percentile change of the projected surface, the percentile change of the vertical length, the change of the ratio (vertical length divided by horizontal length) and the maximum relative velocity of the heart’s apex during the systolic and the diastolic phase. In order to evaluate the diastolic function of the heart, a fifth morphometric parameter was calculated: the maximum and the minimum value of ratio in each cardiac cycle, which correspond to end diastole and end systole respectively. For each heart, normal and compromised, the mean values of all five morphometric parameters were calculated, in all cardiac cycles. Comparing normal and compromised hearts, the values of the percentile change of the projected surface, the percentile change of the vertical length, the change of the ratio and the maximum relative velocity (in both diastolic and systolic phase) were found significantly smaller in the compromised hearts of the rabbits as well as the rats. Statistical analysis showed that the above morphometric parameters are a reliable indicator of the cardiac function (p value < 0.05). As to the fifth morphometric parameter, the maximum value of ratio in each cardiac cycle, which corresponds to end diastole, the compromised heart’s value was found significantly smaller than the normal heart’s value. Statistical analysis showed that the diastolic function is widely affected in the compromised hearts (p value < 0.05). It is noted that for the minimum value of ratio in each cardiac cycle, which corresponds to end systole, the deviation between compromised and normal hearts was small (p value > 0.05). Thus, it is concluded that the end systolic phase is not much affected by ischemia. On the contrary, the compromised heart has showed important diastolic dysfunction.
Abstract (translated): Το σύστημα Langendorff είναι μια τεχνική διατήρησης της λειτουργίας της καρδιάς ex vivo. Η καρδιά αφαιρείται από το σώμα του ζώου, τοποθετείται στη συσκευή Langendorff και τροφοδοτείται αντίστροφα, μέσω της αορτής, με ένα διάλυμα εμπλουτισμένο με οξυγόνο, θρεπτικά συστατικά και ηλεκτρολύτες. Έτσι, είναι δυνατή η συνέχιση της λειτουργίας της για αρκετές ώρες. Με αυτόν τον τρόπο, αποφεύγονται οι επιπλοκές των in vivo πειραμάτων, όπως οι επιδράσεις του νευρικού συστήματος και των ορμονών του ζωντανού ζώου. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε στο παρελθόν για την ανακάλυψη των μηχανισμών της φυσιολογίας της καρδιάς. Σήμερα, η αξία του μοντέλου παραμένει μεγάλη, καθώς αποτελεί την κυριότερη μέθοδο για τη μελέτη τόσο του μοριακού μηχανισμού της ισχαιμίας όσο και της επίδρασης νέων φαρμάκων. Εδώ και πάνω από έναν αιώνα, η μέτρηση της πίεσης της αριστερής κοιλίας παραμένει ο κύριος τρόπος εκτίμησης της καρδιακής λειτουργίας στο σύστημα Langendorff. Συγκεκριμένα, ένα μπαλόνι γεμάτο νερό εισέρχεται στην αριστερή κοιλία και μεταδίδει την πίεση που του ασκείται σε κατάλληλο μέσο καταγραφής (πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο ή αισθητήρα οπτικής ίνας). Η καταγραφή της μεταβολής της πίεσης επιτρέπει την αξιολόγηση της καρδιακής λειτουργίας. Παρόλο που τα τελευταία χρόνια το σύστημα έχει εξελιχθεί, παραμένουν ορισμένα προβλήματα που συνοψίζονται στα εξής: α) Δεν υπάρχει σαφής μεθοδολογία για το κατάλληλο μέγεθος του μπαλονιού που εισάγουμε στην αριστερή κοιλία σε σχέση με το μέγεθος της καρδιάς, με αποτέλεσμα πολλές φορές το μπαλόνι να αυξάνει το διαστολικό φορτίο και να επηρεάζει την αύξηση της συστολικής πίεσης της αριστερής κοιλίας. β) Το μπαλόνι λόγω του υγρού είναι ασυμπίεστο, με αποτέλεσμα την αδυναμία πλήρους συστολής των τοιχωμάτων της αριστερής κοιλίας και κατά συνέπεια την επιδείνωση της οξυγόνωσης του μυοκαρδίου. γ) Λόγω της ασυμφωνίας του σφαιρικού σχήματος του μπαλονιού με το πυραμιδοειδές σχήμα της αριστερής κοιλίας, η πίεση στο καρδιακό τοίχωμα δεν ασκείται συμμετρικά. δ) Παρατηρείται αδυναμία συσχέτισης της καταγραφόμενης πίεσης με τη μεταβολή του όγκου, καθώς το σχήμα του μπαλονιού δεν επιτρέπει την αλλαγή του όγκου της αριστερής κοιλίας κατά τον καρδιακό κύκλο. Άρα, στο σύστημα Langendorff δεν είναι δυνατή η μελέτη της διαστολικής λειτουργίας της καρδιάς, λόγω της ακινησίας των τοιχωμάτων της, και κατά συνέπεια της διαστολικής δυσλειτουργίας, η οποία έχει αποδειχθεί πρώιμος δείκτης της καρδιακής δυσλειτουργίας. Στην παρούσα μελέτη, παρουσιάζεται μια νέα μέθοδος με δύο στόχους: Πρώτον, τη μη παρεμβατική εκτίμηση της καρδιακής λειτουργίας για ανεπηρέαστα αποτελέσματα και, δεύτερον, τη δυνατότητα εκτίμησης της διαστολικής λειτουργίας σε ex vivo μοντέλο. Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε περιλάμβανε μια διάταξη Langendorff και μια κάμερα Sony HDR-CX100 Full-HD (1920x1080, 30fps). Τα πειραματόζωα που επιλέχθηκαν ήταν 6 κόνικλοι και 6 αρουραίοι. Αρχικά, τα ζώα αναισθητοποιήθηκαν με χρήση κεταμίνης (50 mg/kg) και ξυλαζίνης (10 mg/kg). Η καρδιά αφαιρέθηκε χειρουργικά (χρήση ηπαρίνης) και τοποθετήθηκε στο σύστημα Langendorff όπου διατηρήθηκε σε λειτουργία με οξυγονωμένο διάλυμα Krebs–Henseleit (KH). Έγινε εκτίμηση της καρδιακής λειτουργίας με μέτρηση της συστολικής πίεσης στο χρόνο. Έπειτα, η λειτουργία της καρδιάς βιντεοσκοπήθηκε για ένα λεπτό από απόσταση 20 cm. Στη συνέχεια, προκλήθηκε υποξεία στην καρδιά με διακοπή της παροχής του KH διαλύματος για 1.5 min. 2.5 min μετά την επανέναρξη της παροχής, πραγματοποιήθηκε εκ νέου μέτρηση της συστολικής πίεσης στο χρόνο και επαναλήφθηκε η βιντεοσκόπηση. Από κάθε βίντεο (30 frames/sec) έγινε εξαγωγή εικόνων RGB bmp 1920 x1080 με χρήση του λογισμικού FFmpeg. Έπειτα, χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό MATLAB για να απομονωθεί η καρδιά από το φόντο της εικόνας και να μετατραπεί κάθε εικόνα RGB bmp σε δυαδική. Επιπλέον κώδικας χρησιμοποιήθηκε προκειμένου να απομακρυνθεί ο θόρυβος που προήλθε από τη ροή του διαλύματος KH στην επιφάνεια της καρδιάς. Σε κάθε δυαδική εικόνα, επιλέχθηκαν και μετρήθηκαν οι εξής παράμετροι: το εμβαδόν, το κατακόρυφο μήκος και το πλάτος της καρδιάς. Επιπλέον, υπολογίστηκε η ταχύτητα της κορυφής της καρδιάς (μεταβολή του μήκους της μεταξύ δύο εικόνων στη μονάδα του χρόνου) καθώς και η αναλογία κατακόρυφου μήκους προς πλάτος. Με δεδομένο ότι το εμβαδόν, το μήκος και η ταχύτητα της κορυφής κάθε καρδιάς εξαρτώνται από το μέγεθος του ζώου, καθώς και από την εστίαση και την απόσταση της κάμερας, είναι αναγκαίο να υπολογιστεί η σχετική ποσοστιαία μεταβολή του εμβαδού και του μήκους καθώς και η σχετική ταχύτητα. Η σχετική ποσοστιαία μεταβολή του εμβαδού εκφράζεται σε κάθε εικόνα ως επί τοις εκατό μεταβολή του εμβαδού σε σχέση με το ελάχιστο εμβαδό που αντιστοιχεί στο τέλος της συστολικής φάσης. Η σχετική ποσοστιαία μεταβολή του μήκους εκφράζεται σε κάθε εικόνα ως επί τοις εκατό μεταβολή του μήκους ως προς το ελάχιστο μήκος που αντιστοιχεί στο τέλος της συστολικής φάσης. Η σχετική ταχύτητα εκφράζεται με το λόγο της μεταβολής του μήκους (μεταξύ δύο εικόνων) προς το ελάχιστο μήκος ανά μονάδα χρόνου. Σε κάθε καρδιακό κύκλο, υπολογίζεται η μέγιστη σχετική ταχύτητα κατά τη διαστολική φάση και η μέγιστη σχετική ταχύτητα κατά τη συστολική φάση. Με την παραπάνω κανονικοποίηση, προκύπτουν τρεις μορφομετρικές παράμετροι: η σχετική ποσοστιαία μεταβολή του εμβαδού, η σχετική ποσοστιαία μεταβολή του μήκους και η μέγιστη σχετική ταχύτητα στη διαστολή και στη συστολή. Η τέταρτη μορφομετρική παράμετρος, δηλαδή η μεταβολή της αναλογίας (λόγου) κατακόρυφου μήκους προς πλάτος της καρδιάς (σε σχέση με την ελάχιστη τιμή της κατά τη συστολική φάση), δεν χρειάζεται κανονικοποίηση, καθώς αποτελεί λόγο δύο τιμών της καρδιάς. Για την εκτίμηση της διαστολικής λειτουργίας της καρδιάς, υπολογίζεται μια πέμπτη μορφομετρική παράμετρος: η μέγιστη τιμή της αναλογίας κατακόρυφου μήκους προς πλάτος σε κάθε καρδιακό κύκλο, η οποία αντιστοιχεί στην τελοδιαστολική φάση κάθε καρδιακού κύκλου. Για κάθε καρδιά, φυσιολογική και ισχαιμική, υπολογίστηκε η μέση τιμή και των πέντε μορφομετρικών παραμέτρων σε όλους τους καρδιακούς κύκλους. Κατά τη σύγκριση μεταξύ φυσιολογικών και ισχαιμικών καρδιών, οι τιμές των μορφομετρικών παραμέτρων της σχετικής ποσοστιαίας μεταβολής του εμβαδού, της σχετικής ποσοστιαίας μεταβολής του μήκους και της μεταβολής της αναλογίας (λόγου) κατακόρυφου μήκους προς πλάτος της καρδιάς βρέθηκαν σημαντικά μικρότερες στις ισχαιμικές καρδιές, τόσο των κονίκλων όσο και των αρουραίων. Η στατιστική ανάλυση απέδειξε ότι οι παραπάνω μορφομετρικές παράμετροι εκτιμούν αξιόπιστα την καρδιακή λειτουργία (p value < 0.05). Επίσης κατά τη σύγκριση μεταξύ φυσιολογικών και ισχαιμικών καρδιών, η τιμή της μορφομετρικής παραμέτρου της μέγιστης σχετικής ταχύτητας, τόσο στη διαστολική όσο και στη συστολική φάση, βρέθηκε σημαντικά μικρότερη στις ισχαιμικές καρδιές των κονίκλων και των αρουραίων. Η στατιστική ανάλυση απέδειξε ότι επίσης εκτιμά αξιόπιστα την καρδιακή λειτουργία (p value < 0.05). Όσον αφορά την πέμπτη μορφομετρική παράμετρο, δηλαδή τη μέγιστη τιμή της αναλογίας κατακόρυφου μήκους προς πλάτος σε κάθε καρδιακό κύκλο (που αντιστοιχεί στην τελοδιαστολική φάση), παρατηρήθηκε ότι η τιμή στις ισχαιμικές καρδιές ήταν σημαντικά μικρότερη σε σχέση με τις φυσιολογικές. Η στατιστική ανάλυση έδειξε ότι η διαστολική λειτουργία επηρεάζεται σημαντικά στις ισχαιμικές καρδιές (p value < 0.05). Αξίζει να σημειωθεί ότι η ελάχιστη τιμή της αναλογίας (που αντιστοιχεί στην τελοσυστολική φάση του καρδιακού κύκλου) είχε μικρή απόκλιση μεταξύ ισχαιμικών και φυσιολογικών καρδιών (p value > 0.05). Συμπερασματικά, η τελοσυστολική φάση δεν επηρεάζεται σημαντικά από την ισχαιμία. Αντίθετα, στην ισχαιμική καρδιά παρουσιάζεται σημαντική διαστολική δυσλειτουργία. Η νέα μέθοδος που προτείνεται είναι μη παρεμβατική και μπορεί να εκτιμήσει τη λειτουργία της καρδιάς με 4 μορφομετρικές παραμέτρους. Επιπλέον, παρέχει τη δυνατότητα εκτίμησης της διαστολικής δυσλειτουργίας μέσω της πέμπτης μορφομετρικής παραμέτρου.
Appears in Collections:Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Γρίβας Κωνσταντίνος.pdf2.09 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons