【文章分享】了解在心臟壓力體積測量系統中PV導管校正的重要性

 

壓力體積迴圈( PV Loop)是直接、即時測量心臟功能的黃金指標，目前有兩種測量PV Loop的方法，即Admittance和Conductance。

這兩種方法都需要對系統進行校正的步驟，然而由於操作步驟繁瑣，目前有業者宣稱在Admittance系統中可以使用估計值，省略校正步驟，實際上可行嗎?

此篇文章中作者直接進行動物實驗，並比較使用估計值與實際值校正後數據的差異。

 

首先，為什麼要做校正程序?

為了準確算出某些體積衍生的測量值，如心輸出量 (SV) 和收縮末期體積 (ESV)，Admittance和Conductance系統都需要一系列體積校正步驟，修正兩個主要的誤差來源。

1. Parallel Volume Calibration

因為心房或心室周圍的心臟組織也會導電，在測量體積訊號時也會被計算進去，稱之為Parallel Volume，必須要將其扣除才是心室或心房真正被測量到的體積。

在Conductance系統是利用高濃度鹽水注射到血液中進行校正；而Admittance系統則是利用血液與心肌細胞導電度不同的特性從計算式中剃除。

 

2. Field Correction Factor Calibration

其次，因為導管產生的電場並不是均勻分布的，也必須經過校正所測得的體積數值才正確。

如果要解決這個問題，就必須要另外測量SV，計算出Field Correction Factor後再對體積訊號做調整。

但是，針對SV另外測量會需要更昂貴的設備和更侵入式的外科手術。

 

那麼因為上述種種原因不做校正程序會怎樣呢?

以下作者使用五隻健康大鼠，利用Admittance和Conductance系統紀錄PV Loop數據，並探討兩種系統中校正與否對數據的影響。

 

使用估計值替Parallel Volume Calibration的影響

首先，先看看如果利用估計值來代替兩個系統中Parallel Volume (Vp)校正，對數據會有甚麼影響。在這裡以收縮末期體積(ESV)作為指標。

 

Conductance系統中怎麼做?

在Conductance系統中，Vp校正是透過注入高濃度食鹽水到動物體內，改變血液的導電率，進而得知周圍心臟組織對訊號所造成的影響比例。

對每個動物都進行此校正步驟較繁瑣且耗時，因此為了跳過此步驟，有些客戶會隨機取樣幾隻動物取平均值來代替。

 

這些預估值如何影響你的數據?

將這個假設應用於這五隻大鼠時(圖1)，發現因為小組裡有極端值出現，導致平均Vp與經校正後所算出來的ESV有顯著的不同。

                                                       圖1 使用平均 Vp 對生理食鹽水校正去除電導系統中的平行體積的影響 (n=5)。

 

**使用 Vp 的平均值代替每隻動物的生理食鹽水校正可能會導致某些動物的 ESV 出現錯誤。

 

Admittance系統中怎麼做?

在Admittance系統當中，會有第二根導管探頭用於測量心肌細胞的電特性(導電率/電容率)或稱作S/E比率，然後從計算公式中自動扣除Parallel Volume。

由於心臟探頭必須要透過開胸手術接觸到心臟(在某些情況下很難做到)，並在在跳動的心臟上穩定放置探頭並獲得一致的讀值也不是件容易的事情，因此大部分使用者都會使用系統預設的S/E值。

在此實驗中，亦沒有辦法準確地獲得真實的S/E值，因此改用探討3種不同的S/E值:健康、心肌梗塞(MI)和心肌肥大對您的數據會產生怎樣的影響。

 

這些預估值如何影響你的數據?

將S/E值預估值從健康的個體(800K)更改為MI心臟(900K)，最後是心臟肥大(700K)對每隻動物ESV數據報告的線性影響如下圖。

                        圖2 使用估計值的S/E去除Admittance系統中Parallel Volume的影響(n=5)

 

雖然使用預估的S/E值看起來是非常方便的選擇，但是選錯S/E值來代表您的動物模型可能會對數據造成誤判的可能。

比如說您的實驗中有三個組別，健康、患病(MI)、患病但已治療。

假設在健康組與患病組之中，由於心肌梗塞的成功建模，S/E值800K與900K可以充分的表現出兩組之間的差異。(但你能確定每次建模的程度都一樣嗎?)

再來是已患病然後治療的組別，他們應該要被認為是患病(MI)還是健康呢?任何一種選擇都會影響到數據偏向健康組或是患病組。

因為您選擇的 S/E（如果不是直接測量的）會人為地改變了 ESV 的值（或任何絕對體積值），所以要考慮您選擇的動物模型校準線是否是真的能代表動物模型的差異。

 

**在我們調查預設S/E值的影響時發現，在原始的文獻之中，建議的S/E值範圍是1100K到1800K1 ，而目前Admittance系統之中的S/E建議值是卻離這個範圍非常遠2，並不清楚這些後來的建議值是何而來，為何而來。

 

使用估計值對Field Correction Factor Calibration的影響

接下來利用心輸出量(SV)來看Field Correction Factor 使用估計值會有甚麼影響。

 

Conductance系統中怎麼做?

在小動物中，心室的大小和形狀導致導管的電場幾乎與導管平行，因此Field Correction Factor(alpha)非常接近13，因此可以假設為1。

另一種方法則是使用平均的alpha值來代表整群族群。

 

這些預估值如何影響你的數據?

若單看個別的 PV Loop 數據（圖3），在假設 alpha 為 1與使用 Echo* 系統校正相比，您很可能會低估實際的心室體積。

而在另一方面，若您使用平均 alpha 值卻可能會導致對該動物的心室體積估計過高。

圖3 使用估計值（alpha=1 或平均 alpha）進行Field Correction Factor Calibration (alpha) 對Conductance系統 (n=1) 中 PV Loop數據的影響

 

若比較此兩個假設估計值在整體數據上的影響時（圖 4），您可以看到與 Echo 系統測量的心輸出量*相比，假設 alpha 值為 1 會導致心輸出量的低估（平均39 µl) 。

在使用平均alpha值所得到的心輸出量也與Echo 系統所測得的完全不同，但會保持在一定的誤差範圍內。

圖 4 使用估計值（alpha=1，或平均 alpha）進行Field Correction Factor Calibration (alpha) 對Conductance系統（n=5）報告的 SV 的影響

 

Admittance系統中怎麼做?

在Admittance系統中，有多種對SV的估計方法來校正Field Correction Factor。使用者被建議使用系統提供的 SV 估計值，而不是使用輔助設備（如 Echo）來獲得實際的 SV 測量值。

而這些估計值是根據健康或特定體種之下的動物所得到的4。

在此，我們將這些建議的 SV 估計值與使用 Echo測量的SV進行Field Correction Factor Calibration後比較PV Loop數據。

 

這些預估值如何影響你的數據?

單看個別的 PV Loop數據（圖 5），比較使用建議的SV 估計值(200 µl) 與使用Echo 測量的SV 進行Field Correction Factor Calibration時，有非常大的差異。

此外，當我們使用其他建議的估計值時(根據動物的重量)，計算出的 SV有更大的差異。

圖 5 使用估計值（按動物健康或體重）進行Field Correction Factor Calibration對Admittance系統中 PV Loop數據的影響（n=1）

 

當使用估計值應用於5隻大鼠中（圖 6）時，與 Echo 校正相比，對健康大鼠使用 200 µl 的“建議值”都會導致對心輸出量的高估。

此外，5隻動物的SV變異性也會降低，數據都散落在200µl建議值周圍。

因為一開始就已經假設每隻動物的心輸出量躥考值，因此就無法使用SV作為組間比較的參數了。

同樣可以發現，若是使用體重來使用SV估計值，與 Echo 校正相比之下也會高估SV值(平均 134 μl)。

 

從結果中可以很清楚的看見，如果像大部分Admittance使用者一樣，用SV估計值來進行校正，而不是使用輔助機器（如 Echo）來獲得實際的 SV 測量值，可能會給你一組不再與生理相關的結果。

 

圖 6 使用估計值（按動物健康或體重）進行Field Correction Factor Calibration對Admittance系統中的 SV 的影響（n=5）

 

*使用 M 型超聲心動圖(M-mode echocardiography)計算參考心輸出量。

 

結論

正如結果所見，若沒有正確執行校正步驟可能會導致兩個PV Loop測量系統中出現錯誤數據和錯誤結果。

選擇使用估計值來繞過任一校正步驟可能都會影響您報告中某些心臟測量值的能力，如 SV、ESV、CO 和 EF(需要絕對體積)。

本文著重於校正對穩定狀態體積參數的影響，我們的結論並未討論到使用不同估計方法對其他心臟參數（如收縮力）的影響。但是，我們預測這些參數會受到不同程度的影響，而且影響程度比本文中報告的要小。

因此，我們強烈建議您思考一下在任一PV Loop系統中未正確校正導管可能對您的研究結果產生的影響，因為某些參數（如 SV 和 ESV）可能對您的研究問題很重要，並且極有可能因為未正確校正而得到不正確的結果。

 

參考文獻

1. Raghavan, K., Porterfield, J.E., Kottam, A.T.G. et al. (2009) Electrical Conductivity and Permittivity of Murine Myocardium. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 56(8), 2044-2053. doi: 10.1109/TBME.2009.2012401. PMID: 19605306.
2. Konecny, F. (2014). PV Workbook: Tools & Techniques for Pressure-Volume Hemodynamic Studies. Ithaca, NY: Transonic Systems Inc.®️
3. Yang, B., Larson, D.F., Beischel, J. et al. (2001) Validation of Conductance Catheter System for Quantification of Murine Pressure-Volume Loops. Journal of Investigative Surgery, 14(6), 341-355. doi: 10.1080/089419301753435710. PMID: 11905502.
4. Mulla, W., Etzion, S., Elyagon, S. et al. (2017) Prominent differences in left ventricular performance and myocardial properties between right ventricular and left ventricular-based pacing modes in rats. Sci Rep 7, 5931. https://doi.org/10.1038/s41598-017-06197-w