cardiac pressure-volume loops cardiac terminology afterload - aarccab

Real time left ventricular (LV) pressure-volume loops provide a framework for ... output, ejection fraction, myocardial contractility, etc. can be determined from these loops. .... However, studies have shown that this parameter may not be a valid ...
329KB taille 3 téléchargements 350 vues
A plot of a system's pressure versus volume has long been used to measure the work done by the system and  its efficiency. This analysis can be applied to heat engines and pumps, including the heart. A considerable  amount of information on cardiac performance can be determined from the pressure vs. volume plot (pressure  volume diagram). 

CARDIAC PRESSURE‐VOLUME LOOPS 

 

    Figure 1: Idealized pressure‐volume diagram featuring cardiac cycle components.  Real time left ventricular (LV) pressure‐volume loops provide a framework for understanding cardiac mechanics  in experimental animals and humans. Such loops can be generated by real time measurement of pressure and  volume within the left ventricle. Several physiologically relevant hemodynamic parameters such as stroke  volume, cardiac output, ejection fraction, myocardial contractility, etc. can be determined from these loops.  To generate a PV loop for the left ventricle, the LV pressure is plotted against LV volume at multiple time points  during a single cardiac cycle. 

CARDIAC TERMINOLOGY  AFTERLOAD  Afterload is the mean tension produced by a chamber of the heart in order to contract. It can also be  considered as the ‘load’ that the heart must eject blood against. Afterload is therefore a consequence of aortic  large vessel compliance, wave reflection and small vessel resistance (LV afterload) or similar pulmonary artery  parameters (RV afterload).  Left ventricular afterload is affected by various disease conditions. Hypertension increases the afterload since  the LV has to work harder to overcome the elevated arterial peripheral resistance and decreased compliance.  Aortic valve diseases like aortic stenosis and insufficiency also increase the afterload whereas mitral valve  regurgitation decreases the afterload. 

PRELOAD  Preload is described as the stretching of a single cardiac myocyte immediately prior to contraction and is  therefore related to the sarcomere length. Since sarcomere length cannot be determined in the intact heart,  other indices of preload such as ventricular end diastolic volume or pressure are used.  As an example, preload increases when venous return is increased. This is because the end‐diastolic pressure  and volume of the ventricle are increased, which stretches the sarcomeres. Quantitatively, preload can be  calculated as  preload= (LVEDP×LVEDR)/2h  where  LVEDP = left ventricular end diastolic pressure  LVEDR = left ventricular end diastolic radius (at midpoint of ventricle)  h = thickness of ventricle 

PRESSURE‐VOLUME PARAMETERS  STROKE VOLUME  Stroke volume (SV) is the volume of blood ejected by the right/left ventricle in a single contraction. It is the  difference between the end diastolic volume (EDV) and the end systolic volume (ESV).  Mathematically, SV = EDV – ESV  The stroke volume is affected by changes in preload, afterload and inotropy (contractility). In normal hearts,  the SV is not strongly influenced by afterload whereas in failing hearts, the SV is highly sensitive to afterload  changes. 

STROKE WORK  Ventricular stroke work (SW) is defined as the work performed by the left or right ventricle to eject the stroke  volume into the aorta or pulmonary artery, respectively. The area enclosed by the PV loop is a measure of the  ventricular stroke work, which is a product of the stroke volume and the mean aortic or pulmonary artery  pressure (afterload), depending on whether one is considering the left or the right ventricle. The area within a  pressure‐volume loop only provides an estimate of cardiac stroke work due to the following factors.  PV loops fail to account for the heart rate (which has an effect on myocardial oxygen consumption, which in  turn is proportional to cardiac work)  PV loops fail to account for changes in resting wall tension, which may also alter oxygen consumption. 

CARDIAC OUTPUT  Cardiac output (CO) is defined as the amount of blood pumped by the ventricle in unit time.  Mathematically, CO = SV x heart rate 

CO is an indicator of how well the heart is performing its function of transporting blood to deliver oxygen,  nutrients and chemicals to various cells of the body and to remove the cellular wastes. CO is regulated  principally by the demand for oxygen by the cells of the body.  Physiologic relevance  Diseases of the cardiovascular system, such as hypertension and heart failure, are often associated with  changes in CO. Cardiomyopathy and heart failure cause a reduction in cardiac output whereas infection and  sepsis are known to increase cardiac output. Hence, the ability to accurately measure CO is important in  physiology as it provides for improved diagnosis of abnormalities, and can be used to guide the development of  new treatment strategies. However, CO is dependent upon loading conditions and is inferior to hemodynamic  parameters defined by the PV plane. 

EJECTION FRACTION  Ejection fraction (EF) is defined as the fraction of end diastolic volume that is ejected out of the ventricle during  each contraction.  Mathematically, EF = SV/EDV  Healthy ventricles typically have ejection fractions greater than 0.55. However, EF is also dependent on loading  conditions and inferior to hemodynamic parameters defined by the PV plane.  Physiologic relevance  Myocardial infarction or cardiomyopathy causes damage to the myocardium, which impairs the heart's ability  to eject blood and therefore reduces ejection fraction. This reduction in the ejection fraction can manifest itself  as heart failure.  Low EF usually indicates systolic dysfunction and severe heart failure can result in EF lower than 0.2. EF is also  used as a clinical indicator of the inotropy (contractility) of the heart. Increasing inotropy leads to an increase in  EF, while decreasing inotropy decreases EF. 

DP/DT M I N  & DP/DT M A X   These represent the minimum and maximum rate of pressure change in the ventricle. Peak dP/dt has  historically been used as an index of ventricular performance. However, it is known to be load dependent and  inferior to hemodynamic parameters defined by the PV plane.  An increase in contractility is manifested as an increase in dP/dtmax during isovolumic contraction. However,  dP/dtmax is also influenced by preload, afterload, heart rate and myocardial hypertrophy. Hence the  relationship between ventricular end‐diastolic volume and dP/dt is a more accurate index of contractility than  dP/dt alone.  Similarly, an increase in diastolic function or an increase in relaxation (lusitropy) causes increased dP/dtmin  during isovolumic relaxation. Hence, dP/dtmin has been used as a valuable tool in the analysis of isovolumic  relaxation. However, studies have shown that this parameter may not be a valid measure of LV relaxation rate,  especially during acute alterations in contractility or afterload. 

ISOVOLUMIC RELAXATION CONSTANT (ΤAU) 

    Figure 2. Calculation of Tau (Glantz method)  Tau represents the exponential decay of the ventricular pressure during isovolumic relaxation. Several studies  have shown that Tau is a preload independent measure of isovolumic relaxation.  The accurate estimation of Tau is highly dependent on the accuracy of ventricular pressure measurements.  Thus, high fidelity pressure transducers are required to obtain real time instantaneous ventricular pressures.  Calculation of Tau (Glantz method)  P(t)= P0e‐t⁄τE +Pα  where  P = pressure at time t  P0 = amplitude constant  τE = Glantz relaxation constant  Pα = non zero asymptote due to pleural and pericardial pressure 

PV LOOP ANALYSIS  Due to the load dependency of the previous parameters, more accurate measures of ventricular function are  available in the PV plane. 

END SYSTOLIC PRESSURE VOLUME RELATIONSHIP 

 

Pressure‐Volume loops showing end systolic pressure volume relationship  End systolic pressure volume relationship (ESPVR) describes the maximal pressure that can be developed by  the ventricle at any given LV volume. This implies that the PV loop cannot cross over the line defining ESPVR for  any given contractile state.  The slope of ESPVR (Ees) represents the end‐systolic elastance, which provides an index of myocardial  contractility. The ESPVR is relatively insensitive to changes in preload, afterload and heart rate. This makes it an  improved index of systolic function over other hemodynamic parameters like ejection fraction, cardiac output  and stroke volume.  The ESPVR becomes steeper and shifts to the left as inotropy (contractility) increases. The ESPVR becomes  flatter and shifts to the right as inotropy decreases. 

END DIASTOLIC PRESSURE VOLUME RELATIONSHIP 

    End diastolic pressure volume relationship.  End diastolic pressure volume relationship (EDPVR) describes the passive filling curve for the ventricle and thus  the passive properties of the myocardium. The slope of the EDPVR at any point along this curve is the  reciprocal of ventricular compliance (or ventricular stiffness).  For example, if ventricular compliance is decreased (such as in ventricular hypertrophy), the ventricle is stiffer.  This results in higher ventricular end‐diastolic pressures (EDP) at any given end‐diastolic volume (EDV).  Alternatively, for a given EDP, a less compliant ventricle would have a smaller EDV due to impaired filling.  If ventricular compliance increases (such as in dilated cardiomyopathy where the ventricle becomes highly  dilated without appreciable thickening of the wall), the EDV may be very high but the EDP may not be greatly  elevated. 

PRESSURE‐VOLUME AREA  The Pressure‐volume area (PVA) represents the total mechanical energy generated by ventricular contraction.  This is equal to the sum of the stroke work (SW), encompassed within the PV loop, and the elastic potential  energy (PE).  Mathematically, PVA = PE + SW  also, 

PE = PES(VES – V0)/2 – PED(VED – V0)/4  where  PES – end systolic pressure  PED – end diastolic pressure  VES – end systolic volume  VED – end diastolic volume  V0 – theoretical volume when no pressure is generated  Physiologic relevance 

Ea  Ees 

V0 

Ved 

 

  Pressure‐volume area plot.  There is a highly linear correlation between the PVA and cardiac oxygen consumption per beat. This  relationship holds true under a variety of loading and contractile conditions. This estimation of myocardial  oxygen consumption (MVO2) is used to study the coupling of mechanical work and the energy requirement of  the heart in various disease states, such as diabetes, ventricular hypertrophy and heart failure. MVO2 is also  used in the calculation of cardiac efficiency, which is the ratio of cardiac stroke work to MVO2.   

THE TIME‐VARYING ELASTANCE  All pressure –volume relations intercept roughly at the same V0 and, except ofr times close to the end of  diastole, are reasonably linear. By plotting the slopes (or elastance) of PVrelations at each time between the  end of diastole and the end of systole againt time, we obtain a function called the time‐varying elastance E(t):  E(t) = P(V,t)/(V(t)‐V0) 

  If we analyse the time‐varying elastance, we can note that the time zero of the time‐varying elastance  corresponds to the end diastolic point. The maximal slope is called Emax 

   

THE DP/DTMAX – END DIASTOLIC VOLUME RELATIONSHIP (LITTLE 1985)  In the model of time‐varying elastance, pressure at time t is expressed as:    P(t)=E(t) x (V(t) – V0)  Where  E(t)= is the elastance at t  V(t) the volume at time t  V0 the minimal volume at which the ventricle generates a pressure.   The Time derivative of pressure can be expressed as:  dP/d(t)=d(E(t) x (V(t) – V0))/dt  Under normal conditions, dP/dt reaches its maximum value during isovolumic contraction when V(t)=Ved,  thus :  dP/d(t)max=(dE(t)/dtmax) x (Ved – V0) 

dE(t)/dtmax) => proportional to Emax/tmax and independent of load conditions  The relation dP/d(t)max / Ved should also be load‐independent and more sensitive than Emax because Emax  and tmax vary in opposite with a change in contractility.  

   

PRELOAD RECRUITABLE STROKE WORK  Preload recruitable stroke work (PRSW) is determined by the linear regression of stroke work with the end  diastolic volume. The slope of the PRSW relationship is a highly linear index of myocardial contractility that is  insensitive to preload and afterload.  Physiologic relevance 

    Preload recruitable stroke work.  During heart failure, myocardial contractility is reduced which decreases the slope of the PRSW relationship.  Recent studies also indicate that the volume axis intercept of the PRSW relationship (not the slope) may be a  better indicator of the severity of contractile dysfunction.       

Frank–Starling curve 

    Frank–Starling curve.  “The heart will pump what it receives”‐ Starling’s law of the heart  The Frank–Starling mechanism describes the ability of the heart to change its force of contraction (and hence  stroke volume) in response to changes in venous return. In other words, if the end diastolic volume increases,  there is a corresponding increase in stroke volume.  The Frank–Starling mechanism can be explained on the basis of preload. As the heart fills with more blood than  usual, there is an increase in the load experienced by each myocyte. This stretches the muscle fibers, increasing  the affinity of troponin C to Ca2+ ions causing a greater number of cross‐bridges to form within the muscle  fibers. This increases the contractile force of the cardiac muscle, resulting in increased stroke volume.  Frank–Starling curves can be used as an indicator of muscle contractility (inotropy). However, there is no single  Frank–Starling curve on which the ventricle operates, but rather a family of curves, each of which is defined by  the afterload and inotropic state of the heart. Increased afterload or decreased inotropy shifts the curve down  and to the right. Decreased afterload and increased inotropy shifts the curve up and to the left. 

ARTERIAL ELASTANCE 

    Arterial elastance  Arterial elastance (Ea) is a measure of arterial load and is calculated as the simple ratio of ventricular end‐ systolic pressure to stroke volume. 

Mathematically, Ea = ESP/SV  By characterizing both the ventricular and arterial systems in terms of pressure and stroke volume, it is possible  to study the ventriculo‐arterial coupling (the interaction between the heart and the arterial system). 

PV LOOP CHANGES DURING CARDIAC ABNORMALITIES  DILATED CARDIOMYOPATHY 

    Dilated Cardiomyopathy  In dilated cardiomyopathy, the ventricle becomes dilated without compensatory thickening of the wall. The LV  is unable to pump enough blood to meet the metabolic demands of the organism.  The end systolic and diastolic volumes increase and the pressures remain relatively unchanged. The ESPVR and  EDPVR curves are shifted to the right. 

LEFT VENTRICULAR HYPERTROPHY 

    Left Ventricular Hypertrophy  Left ventricular hypertrophy (LVH) is an increase in the thickness and mass of the myocardium. This could be a  normal reversible response to cardiovascular conditioning (athletic heart) or an abnormal irreversible response  to chronically increased volume load (preload) or increased pressure load (afterload). 

The thickening of the ventricular muscle results in decreased chamber compliance. As a result, LV pressures are  elevated, the ESV is increased and the EDV is decreased, causing an overall reduction in cardiac output. 

RESTRICTIVE CARDIOMYOPATHY 

    Restrictive cardiomyopathy  Restrictive cardiomyopathy includes a group of heart disorders in which the walls of the ventricles become stiff  (but not necessarily thickened) and resist normal filling with blood between heartbeats.  This condition occurs when heart muscle is gradually infiltrated or replaced by scar tissue or when abnormal  substances accumulate in the heart muscle. The ventricular systolic pressure remains normal, diastolic pressure  is elevated and the cardiac output is reduced. 

VALVE DISEASES  AORTIC STENOSIS 

    Aortic stenosis  Aortic valve stenosis is abnormal narrowing of the aortic valve. This results in the LV pressures being much  greater than the aortic pressures during LV ejection. The magnitude of the pressure gradient is determined by  the severity of the stenosis and the flow rate across the valve.  Severe aortic stenosis results in 

reduced ventricular stroke volume due to increased afterload (which decreases ejection velocity)  increased end‐systolic volume  compensatory increase in end‐diastolic volume and pressure  usually no change in end‐diastolic volume   

AORTIC REGURGITATION 

    Aortic regurgitation  Aortic insufficiency (AI) is a condition in which the aortic valve fails to close completely at the end of systolic  ejection, causing leakage of blood back through the valve during LV diastole.  The constant backflow of blood through the leaky aortic valve implies that there is no true phase of isovolumic  relaxation. The LV volume is greatly increased due to the enhanced ventricular filling.  When the LV begins to contract and develop pressure, blood is still entering the LV from the aorta (since aortic  pressure is higher than LV pressure), implying that there is no true isovolumic contraction. Once the LV  pressure exceeds the aortic diastolic pressure, the LV begins to eject blood into the aorta.  The increased end‐diastolic volume (increased preload) activates the Frank–Starling mechanism to increase the  force of contraction, LV systolic pressure, and stroke volume.     

MITRAL STENOSIS 

    Mitral stenosis  This is a narrowing of the mitral valve orifice when the valve is open. Mitral stenosis impairs LV filling so that  there is a decrease in end‐diastolic volume (preload). This leads to a decrease in stroke volume by the Frank– Starling mechanism and a fall in cardiac output and aortic pressure. This reduction in afterload (particularly  aortic diastolic pressure) enables the end‐systolic volume to decrease slightly, but not enough to overcome the  decline in end‐diastolic volume. Therefore, because end‐diastolic volume decreases more than end‐systolic  volume decreases, the stroke volume decreases. 

1. MITRAL REGURGITATION 

    Mitral regurgitation  Mitral regurgitation (MR) occurs when the mitral valve fails to close completely, causing blood to flow back into  the left atrium during ventricular systole.  The constant backflow of blood through the leaky mitral valve implies that there is no true phase of isovolumic  contraction. Since the afterload imposed on the ventricle is reduced, end‐systolic volume can be smaller than  normal.  There is also no true period of isovolumic relaxation because some LV blood flows back into the left atrium  through the leaky mitral valve. During ventricular diastolic filling, the elevated atrial pressure is transmitted to  the LV during filling so that LV end‐diastolic volume (and pressure) increases. This would cause the afterload to 

increase if it were not for the reduced outflow resistance (due to mitral regurgitation) that tends to decrease  afterload during ejection. The net effect of these changes is that the width of the PV loop is increased (i.e.,  ventricular stroke volume is increased). However, ejection into the aorta (forward flow) is reduced. The  increased ventricular stroke volume in this case includes the volume of blood ejected into the aorta as well as  the volume ejected back into the left atrium.