5.3 Czynność regionalna komory – model myszy Tgαq*44
5.3.2 Porównanie czynności warstwy środkowej i podstawnej LV
myszy Tgαq*44 (TG-2m) to: wydłużenie IVRT (rys. 24B) i spadek wartości pa-rametru Z (rys. 24F) na warstwie podstawnej, wydłużenie IVCT na warstwie środkowej (rys. 24D) oraz skrócenie FT na obu warstwach (rys. 24C) gdy po-równywano do grupy kontrolnej FVB-2m. Dla grupy myszy starszych (TG-8m) widoczne były dalsze zmiany: dla czasów FT i IVCT, parametru Z a także MPI na obu warstwach, gdy porównywane były do grupy kontrolnej FVB-8m (na rys. 24C,D,E,F oznaczone jako klamry) i jedynie na warstwie podstawnej, gdy po-równywane do TG-2m (oznaczone jako "+"). Porównanie warstw między sobą
(oznaczone jako "*") w grupach pokazało istotne wydłużenie IVRT przy podsta-wie komory dla wszystkich grup poza FVB-2m oraz istotne skrócenie FT dla dwóch grup Tgαq*44 oraz spadek parametru Z (rys. 24F). Między badanymi grupami kontrolnymi nie obserwowano różnic w zależności od wieku.
Rysunek 24: Średnie wartości indeksów czasowych (A)-(D), MPI (E) oraz Z (F) oceniane na warstwie podstawnej i środkowej lewej komory w badanych grupach. Czas wyrzutu ET (A), IVRT (B), czas napełniania FT (C), IVCT (D).+ TG-8m vs TG-2m (test t, p<0.05), * warstwa podstawna vs środkowa (test t dla zmiennych zależnych, p<0.05)
Tempo wyrzutu i napełniania komory: Ocena tempa wczesnego wyrzutu krwi z komory (eER) wykazała zmianę w grupie myszy starszych w stosunku do myszy kontrolnych (TG-8m vs FVB-8m), ale tylko w warstwie podstawnej. Nie obserwowano natomiast zmian w grupach myszy młodszych niezależnie od warstwy (rys. 25A).
Tempo wczesnego napełniania komory (eFR) miało podwyższoną wartość już u myszy TG-2m w porównaniu do FVB-2m jedynie na warstwie podstawnej komory (rys. 25B). Zarówno dla myszy kontrolnych FVB jak i Tgαq*44 eFR wzrosło nieistotnie statystycznie na warstwie środkowej i nie zmieniło się na warstwie podstawnej między dwu-miesięcznymi i ośmiomiesięcznymi. Wartości eFR w trzech grupach (poza TG-2m) było istotnie wyższe na środku komory.
Tempo napełniania zależne od przedsionka (aFR) malało niezależnie od warstwy i szczepu wraz z wiekiem myszy, jednak istotny statystycznie był jedy-nie spadek między FVB-8m a FVB-2m, obserwowany na warstwie środkowej. Dla myszy szczepu Tgαq*44 w wieku 8 miesięcy faza ta staje się nierozróżnialna przy podstawie LV (rys. 25C).
Rysunek 25: Średnie tempo wcze-snego wyrzutu eER (A), wczewcze-snego eFR (B) oraz późnego napełniania aFR (C) komory na warstwie podstawnej i środkowej komory w badanych gru-pach. Wartości normalizowane do indywidu-alnych wartości RR myszy oraz EDA [EDA/RR]. + FVB-8m vs FVB-2m, * warstwa podstawna vs środkowa (test t dla zmiennych zależnych, p<0.05)
6 Dyskusja uzyskanych wyników
6.1 Zastosowanie regresji segmentowej do
parametryzowania czynności LV
Podstawowym celem niniejszej pracy było opracowanie metody zobiekty-wizowanej parametryzacji czynności skurczowo-rozkurczowej mięśnia sercowe-go w zastosowaniu do badania wybranych mysich modeli niewydolności serca. Zadanie to zrealizowano wdrażając metodę modelowania krzywej TAC pocho-dzącej z dynamicznych pomiarów MR przy użyciu liniowej regresji segmentowej (PLR) połączonej z niezależną metodą szacowania jej złożoności przez kryterium Akaike. Podstawą przyjętego modelu było założenie, że przebieg krzywej daje się przybliżyć przy pomocy ciągu liniowych segmentów, a ich liczba, nieznana przed wykonaniem analizy, musiała zostać określona. Takie postępowanie pozwalało na oszacowanie optymalnego stopnia komplikacji modelu w zależności od da-nych opisujących krzywą TAC, a zatem na określenie liczby faz cyklu, które można uznać za występujące dla określonego zbioru danych. To w konsekwencji dało możliwość parametryzacji krzywych TAC i w dalszym ciągu możliwość zo-biektywizowanego ich porównania.
Szczególnie ważne dla analizy przebiegów TAC opartych na danych uzy-skanych z obrazowania czynności serca myszy na początkowych etapach dys-funkcji serca jest śledzenie parametrów świadczących o wczesnych zmianach czynności serca, które ze względu na trudności ich oceny są rzadko szacowane w badaniach eksperymentalnych. Tego rodzaju pomiary nabierają dodatkowego znaczenia w przypadku badań realizowanych na granicy przestrzenno-czasowej zdolności rozdzielczej metody obrazowania MR. Ma to miejsce w przypadku ob-razowania dynamicznego, w szczególności kinematograficznego, czynności serca małych zwierząt laboratoryjnych, takich jak myszy. Małe rozmiary obiektu i jego szybki ruch nakładają silne ograniczenia na możliwość pozyskiwania informacji zarówno w świetle przedstawionych wyników jak i prac innych autorów [43,44].
Ograniczenia te są szczególnie istotne, gdy rytmika serca jest dodatkowo przy-spieszona, jak w trakcie badania rezerw czynności, tj. badań z obciążeniem (np. z dobutaminą). Stosunkowo krótki czas działania dobutaminy (bądź potencjal-nie innych leków, których efekty można by oceniać w odpotencjal-niesieniu do czynności serca) ogranicza całkowity czas trwania akwizycji. Skutkuje to tym, że w tego typu protokole pomiar całej komory warstwa po warstwie jest niemożliwy by uchwycić rezerwy czynności. Powoduje to, iż praktycznie dostępny jest pomiar tylko jednej warstwy. Jako reprezentatywną i charakterystyczną, więc i powta-rzalną wybiera się pojedynczą warstwę w projekcji osi krótkiej LV, przeważnie w środkowej jej części na przekroju mięśni brodawkowatych.
Możliwie precyzyjna ocena pracy serca jest szczególnie ciekawa i ważna ze względu na schorzenia tego organu jakie mogą się rozwijać bez wyraźnych symptomów zaburzenia jego podstawowej czynności, a przede wszystkim ze względu na tzw. niewydolność rozkurczową. W cyklu pracy serca niewydolność rozkurczowa może manifestować się wieloparametrowymi, równoczesnymi zmianami, przede wszystkim nieprawidłowymi ciśnieniami i zmieniającymi się prędkościami napływu krwi do komory oraz zmienionymi czasami trwania nie-których faz cyklu. Diagnostyka tego schorzenia u ludzi jest dość dobrze rozwi-nięta i wykorzystuje głównie metody echokardiografii dopplerowskiej do oceny prędkości i cewnikowanie serca do pomiarów ciśnienia [5]. W modelach zwie-rzęcych jednakże, zwłaszcza mysich, niektóre z tych technik pomiarowych napo-tykają trudności. Wymaga to dużego doświadczenia osoby przeprowadzającej pomiar echokardiograficzny na tak małych obiektach jak myszy oraz uzyskania odpowiedniej rozdzielczości czasowo-przestrzennej zarówno w echokardiografii jak i w obrazowaniu MR.
O ile ocena średniego tempa odkształcania mięśnia sercowego została wy-konana w kilku badaniach CMR myszy [15,76], o tyle nie ma doniesień literatu-rowych na temat pomiaru czasu trwania poszczególnych faz cyklu. Dlatego pró-ba wyznaczenia tych parametrów w pró-badaniu modeli zwierzęcych jest szczególnie ciekawa. Opublikowane prace dotyczące parametryzacji przebiegów TAC z po-miarów MR oparte głównie na szacowaniu maksymalnych wartości prędkości skurczowej (PER) i rozkurczowej (PFR). Ocena taka wykonywana jest na pod-stawie pierwszej pochodnej krzywej TAC wygładzonej metodą spline [28,30,40] lub metodą Fouriera [26,41,42]. Jako, że podejście to pozwala określać
najwięk-sze prędkości chwilowe odkształcania mięśnia sercowego jedynie na podstawie dwóch punktów krzywej TAC, daje ono stosunkowo ograniczoną informację. Co więcej, nie pozwala ono na obiektywne określenie parametrów czasowych co stanowi zasadnicze ograniczenie.
Zastosowanie metody PLR umożliwiło określenie średniego tempa od-kształcania mięśnia sercowego w danej fazie cyklu oraz, a może przede wszyst-kim, czasów trwania diagnostycznie istotnych jego składowych, takich jak IVRT czy IVCT określających jego czynność skurczowo-rozkurczową. Metoda ta zosta-ła wdrożona w postaci wzosta-łasnej procedury, a jej dziazosta-łanie polegało na dopasowy-waniu do danych pomiarowych ciągu odcinków liniowych i optymalizodopasowy-waniu położenia ich granic (rys. 10, str. 44). Stopień złożoności przebiegu TAC oszaco-wany był za pomocą kryterium Akaike spośród rodziny sześciu modeli kandydu-jących o narastającym stopniu komplikacji. Liczba segmentów oceniana przez zmianę wartości AIC w grupie modeli nie zawsze wzrastała jednostajnie w mo-delach o większej złożoności. W efekcie dodawania kolejnych segmentów, war-tości kryterium AIC przestawały maleć, jako optymalny model wybierano ten z mniejszą liczbą segmentów mimo, że dodawanie kolejnych poprawiało jakość dopasowania w rozumieniu minimalizowania kwadratów reszt. Czynnik "kary" występujący w wyrażeniu na AIC, który zwiększa się w przypadku występowania kolejnych parametrów modelu przy nieznacznej poprawie jakości dopasowania, ograniczał jego złożoność. Pozwalało to eliminować proste współliniowe i o nie-znaczącym wpływie na parametryzację krzywej. W efekcie otrzymywane krzywe w większości przypadków były zgodne z fizjologiczną złożonością modelu [1]. Przeprowadzona analiza pozwala wnioskować, że przyjęte założenie o liniowości dostatecznie dobrze oddało przebieg TAC w poszczególnych segmentach. W świetlne prac z zakresu modelowania przebiegów w różnorodnych badaniach (biologicznych, chemicznych, ekologicznych i interdyscyplinarnych) wykorzy-stujących metodę PLR [70,77-79] można uznać ją za cenną w użyciu do parame-tryzowania złożonych nieliniowych bądź wielo-liniowych nieparametrycznych zależności, w tym także krzywej TAC. Zaletami metody są głównie prostota apli-kacji i możliwość bezpośredniego interpretowania współczynników kierunko-wych prostych. Ze względu na stosunkowo niewielką liczbę punków TAC, nawet w przypadku metody retrospektywnej, wielomiany wyższego rzędu wydają się zbyt złożoną postacią prezentowania przebiegów TAC. Prosta postać modelu
oznacza stosunkowo niewielką liczbę parametrów do szacowania, co czyni pro-blem estymacji względnie łatwym. W przypadku prostych segmentów liniowych możliwe było ich dopasowanie zarówno do przebiegów TAC złożonych z dużej liczby punków jak i ze stosunkowo niewielkiej ich liczby, jak to miało miejsce w przypadku danych pochodzących z obrazowania z synchronizacją prospek-tywną. Dzięki temu metoda uznana została na uniwersalną w opisanym zasto-sowaniu.
Opisane postępowanie oznacza, że poza oceną standardowych parametrów czynności serca, jak wielkość powierzchni/objętości LV serca oraz FAC, możliwa jest automatyczna ocena czasów trwania faz izowolumetrycznych IVRT i IVCT oraz tempa odkształcania mięśnia sercowego, głównie w fazie wczesnego roz-kurczu (eFR opisujący podatność komory). Uzyskano zgodność między warto-ściami parametrów otrzymanych na drodze oceny manualnej wykonanej przez eksperta z oceną półautomatyczną opartą na dopasowaniu optymalnego modelu segmentami liniowego (rys. 14, str. 53). Zaletą oceny automatycznej jest większa powtarzalność, szybkość oraz to, że nie wymaga pracy osoby mającej duże do-świadczenie w tej dziedzinie, jak to jest w przypadku analiz całkowicie manual-nych. Czasy IVRT i IVCT są kluczowe w ocenie wczesnych etapów niewydolności serca. Natomiast wskaźniki MPI i Z określone m.in. na podstawie czasów IVRT i IVCT opisują jednocześnie czynność skurczowo-rozkurczową, lepiej charakte-ryzują serce niż parametry podstawowe oceniane osobno [80] i wyraźnie poka-zują zmiany postępujące z pogarszającą się kondycją serca. Dysfunkcja skurczo-wa wiąże się z wydłużeniem IVCT i skróceniem ET, dysfunkcja rozkurczoskurczo-wa na-tomiast prowadzi często do wydłużenia IVRT, więc zarówno w jednej jak i dru-giej dysfunkcji występuje wzrost wskaźnika MPI.
Nieliczne badania eksperymentalne z użyciem myszy podejmujące wyzwa-nie oceny czasu trwania IVRT czy IVCT korzystają z metody echokardiografii [72,81-83]. Jak dotychczas nie ma doniesień dotyczących określenia tych wiel-kości na drodze obrazowania MR. Wyniki uzyskane za pomocą zaproponowanej metodyki PLR w ramach niniejszej pracy nie tylko zgodziły się z wynikami otrzymanymi przez niezależną analizę przeprowadzoną manualnie przez eksper-ta, ale co istotne, także dla grup myszy kontrolnych były zgodne co do wartości średnich z danymi przedstawionymi w literaturze uzyskanymi przy użyciu tech-nik echokardiograficznych [72,82]. Modelowanie przebiegów TAC ułatwiło
in-terpolację danych konieczną do utworzenia wykresów uśrednionych przebiegów dla całych grup myszy (rys. 16, 20; str. 55, 65). Wizualizacja skomplikowanych wieloparametrowych zmian (takich jak na przykład po dobutaminie), pozwala-jąca zaprezentować je w wygodnej formie, służy szybkiej ocenie przebiegów i uzupełnia opis parametryczny. Podsumowując, przeprowadzony test metody, mimo jego wykonania przy użyciu stosunkowo niskiej jakości danych pochodzą-cych z eksperymentów obrazowania MR synchronizowanych prospektywnie (4.7 T) pozwolił na ocenę szczegółowych parametrów czynności LV serca. Zgod-ność wyników metody z oceną manualną dała podstawę do jej zastosowania w dalszym toku niniejszej pracy.