Srdeční hemodynamika během asistence levé komory (FlowVAD)

1. POZADÍ

   V posledních letech si použití zařízení na mechanickou podporu oběhu HeartMate 3 (HM3) (Abbott Laboratories, Lake Forest, IL) získalo významnou pozornost v oblasti oběhové podpory u pokročilého srdečního selhání. Hmatatelné výhody HM3, včetně zvýšené hemokompatibility vedoucí ke snížení tromboembolických příhod a zlepšené míře přežití ve srovnání s jeho předchůdci. Přechod na HM3 je zvláště pozoruhodný, protože systém pravděpodobně nebude sloužit pouze jako most k transplantaci srdce nebo rozhodování, ale stále více se o něm diskutuje jako o účinné cílové terapii. Navzdory těmto pokrokům zůstává nutnost pečlivého hemodynamického monitorování během jakékoli léčby mechanické podpory oběhu. Tradičně se jako hemodynamická zobrazovací modalita používá převážně echokardiografie. Echokardiografická vyšetření těchto pacientů však představují značné problémy, zejména pokud jde o stíny z kovu pumpy, což ztěžuje úplné pochopení srdeční funkce a hemodynamiky během léčby.

   V posledním desetiletí zaznamenala počítačová tomografie (CT) rychlý pokrok a moderní vybavení nyní umožňuje anatomické zobrazení srdce s vysokým rozlišením v průběhu srdečního cyklu (4D CT). Donedávna však CT představovalo výzvu také pro vyšetření pacientů s mechanickými zařízeními na podporu oběhu kvůli významným kovovým artefaktům. Nově představená počítačová tomografie s počítáním fotonů (PC-CT) však nyní umožňuje skenování, které poskytuje snímky s vyšším rozlišením se sníženými kovovými artefakty. Z časově rozlišeného CT lze následně odvodit a extrahovat funkční informace. Již dříve byly ukázány techniky pro automatické sledování pohybu srdeční stěny v průběhu srdečního cyklu spolu s využitím výpočetní dynamiky k numerickému řešení kapalinomechanických rovnic, které prokazatelně umožňují simulace intrakardiálních hemodynamických map.

   Rostoucí indikace pro léčbu mechanickou oběhovou podporou podtrhují současnou poptávku po neustále zlepšované kvalitě péče a klinickém porozumění této terapeutické možnosti. Přestože léčba zlepšuje prognózu i kvalitu života, závažné a fatální komplikace zůstávají recidivující. Pokud je vědcům známo, dosud nebyl proveden žádný výzkum, který by se zabýval potenciální aplikací nového PC-CT u pacientů s mechanickými zařízeními pro podporu oběhu, a rozhodně žádný, který by vytvořil numerické rámce pro tato data ve snaze vypočítat, vizualizovat a explorativně porozumět intrakardiální hemodynamice během léčby.

   1.2 CÍLE

   1.2.1 CÍL

   Cílem této observační studie je explorativně prozkoumat intrakardiální geometrii a hemodynamiku u pacientů s probíhající terapií HeartMate 3 v regionu švédské jihovýchodní zdravotní péče.

   1.2.2 PRIMÁRNÍ VĚDECKÁ OTÁZKA

   Jak různé úrovně průtoku v zařízení na podporu levé komory HeartMate 3 ovlivňují intrakardiální geometrii a hemodynamiku?

2. METODY

2.1 NÁVRH STUDIE

Tato studie má explorativní analytický (vícenásobný) průřezový design. Studie se snaží odhalit nové poznatky, vzorce a asociace v datech, částečně bez předem stanovených hypotéz. Dále studie zkoumá vztahy nebo asociace mezi proměnnými, aby z dat odvodila smysluplné závěry. Studie bude zkoumat tři různá pozorování proměnných, přičemž nastavení zařízení subjektů se bude lišit. Tato pozorování však budou prováděna v těsné časové blízkosti, s intervaly mezi nimi přibližně 15 minut. Studie jako taková sice plně nevyhovuje kritériím návrhu více průřezové studie, ale také není v souladu s tradičním jednorázovým bodovým průřezovým přístupem.

2.2 CELKOVÉ NASTAVENÍ

Zúčastněné výzkumné subjekty jsou vyzvány, aby podstoupily tři následná skenování PC-CT a také určité echokardiografické zobrazování, vše v jednom sezení. HM3 výzkumného subjektu je připojen k softwaru, který umožňuje změny průtoku pumpou mezi těmito kolekcemi snímků. Všechna vyšetření budou prováděna v Centre for Medical Image Science and Visualization (CMIV) na Linköping University ve Švédsku. Nábor a zkoušky v rámci studia proběhnou v průběhu ledna až prosince 2023. Studie byla schválena švédským úřadem pro etické hodnocení (referenční číslo: 2022-06934-01).

2.2 ÚČASTNÍCI

Všichni pacienti ve švédském jihovýchodním zdravotnickém regionu, včetně okresů Östergötland, Jönköping a Kalmar, kteří splňují kritéria pro zařazení a žádné z kritérií pro vyloučení, budou pozváni k účasti na této studii během roku 2023. Screening pro zařazení provádějí lékaři odpovědní za LVAD na kardiologickém oddělení ve Fakultní nemocnici Linköping.

2.3 PROMĚNNÉ

Pokud jde o specifikaci proměnných, které budou studovány, je nezbytné objasnit, že vzhledem k průzkumné povaze výzkumu a složité dynamice vlastní jak používání numerických rámců pro výpočet intrakardiálních hemodynamických map, tak dynamické geometrické povaze časově rozlišeného CT, všechny proměnné na začátku studie nejsou předem definovány. Jak analýza postupuje a je zřejmá plná hloubka dat, mohou být identifikovány a začleněny další proměnné. Následný rozhodovací proces týkající se zahrnutí nebo vyloučení těchto nově objevených proměnných bude důsledně zdokumentován, aby byla zajištěna transparentnost a robustnost studijního přístupu.

Kvantifikované proměnné budou porovnány s ohledem na odhadovaný průtok čerpadla (l/min), výkon (W), index pulsatility a rychlost rotoru (ot/min). Kdykoli je to možné, na základě kvality obrazu budou výsledky také vztaženy a porovnány s echokardiografickými měřeními, aby se prodiskutovala platnost metody. Aby se snížilo riziko nezamýšlených matoucích faktorů a minimalizoval se potenciál zkreslení, bude také shromážděno několik výchozích údajů týkajících se zahrnutých výzkumných subjektů. Tyto proměnné zahrnují věk (roky), pohlaví, datum implantace HM3 index tělesné hmotnosti (BMI, kg/m^2) a kardiovaskulární diagnostické kódy (ICD-10), krevní obraz (buňky/μL nebo x10^9/L), elektrolyty (mmol/L), jaterní testy (U/L nebo µkat/L pro enzymy a g/dl nebo µmol/L pro látky), laktátdehydrogenáza (U/L), NT-proBNP (pg/ml nebo ng /l) a prokalcitonin (ng/ml).

2.4 ZDROJE DAT A MĚŘENÍ

2.4.1 VYŠETŘENÍ PC-CT Vyšetření PCCT se bude provádět pomocí systému výpočetní tomografie pro počítání fotonů s označením CE (NAETOM Alpha, Siemens Healthineer, Erlangen, Německo). Akvizice budou prováděny při 120 kVp s úrovní kvality obrazu (IQ) nastavenou na 70. K zajištění zákalu ve všech čtyřech srdečních komorách bude použit dvoufázový protokol podávání kontrastní látky. Celý rozsah skenování bude podroben vícefázovým rekonstrukcím v intervalech odpovídajících každých 5 % srdečního cyklu, které vyvrcholí ve 20 různých fázích. Získané CT snímky byly předány do systému archivace obrázků a komunikace instituce (PACS, IDS7, Sectra Medical Systems, Linköping, Švédsko).

2.4.2 SEGMENTACE A SLEDOVÁNÍ POHYBU STĚN

Pohyb endokardu bude sledován ze získaných CT dat. V tomto procesu bude endokard poloautomaticky obrysován pomocí ITK-SNAP (verze 3.8.0). Geometrie bude poté upřesněna pomocí Ansys SpaceClaim verze 2019 R3 (Ansys Inc, Canonsburg, PA 15317 USA). Poté bude endokardiální povrch přetvarován pomocí nerigidní iterativní metody uzavřeného bodu, aby se vyrovnal s prahovými segmentacemi ze zbývajících 19 srdečních fází.

2.4.3 CFD SIMULACE

Rychlost průtoku krve, absolutní tlak, kinetická energie turbulence a stagnace krve a další potenciální hemodynamické proměnné budou odvozeny pomocí simulací Computational Fluid Dynamics (CFD) s ohledem na pohyb srdeční stěny konkrétního účastníka. Simulace CFD budou prováděny pomocí Ansys Fluent verze 2019 R3 na základě procesu dříve ověřeného pomocí 4D průtokové MRI. Budou použity dva modely srdce. Levý model bude zahrnovat plicní žíly, levou síň, levou komoru, HM3, výtokový štěp, výtokový trakt levé komory a vzestupnou aortu. Pravý model bude zahrnovat horní dutou žílu, dolní dutou žílu, pravou síň, pravou komoru, výtokový trakt pravé komory a plicní tepnu. Všechny otvory budou modelovány jako tlakové, s průtokem vyplývajícím z pohybu endokardu.

2.4.3 PROMĚNNÉ ČERPADLA A KREVNÍ TLAK

Před každým jednotlivým CT skenem budou z monitoru systému HeartMate 3 získány odhadovaný průtok (l/min), výkon (W), index pulsatility a rychlost rotoru (ot./min) spolu se systolickým krevním tlakem (mmHg). pomocí dopplerovské technologie a. radialis. Tyto údaje budou přeneseny do zavedeného souboru dat v rámci projektu.

2.4.5 ECHOKARDIOGRAFIE

Mezi každým CT vyšetřením bude provedeno vybrané echokardiografické zobrazení. Specifikovaný protokol pro studii je odvozen z rutinního klinického protokolu používaného k vyšetření této skupiny pacientů, ale je vybrán na základě časového hlediska úplného vyšetření ve výzkumném projektu. Testy provede klinický personál se zkušenostmi s těmito vyšetřeními.

2.4.6 CHARAKTERISTIKY PACIENTA

Charakteristické proměnné výzkumných subjektů budou získány z lékařského záznamu výzkumných subjektů. Dále budou získány výsledky nejnovějších klinických krevních testů. Tyto údaje budou přeneseny do zavedeného souboru dat v rámci projektu.

2.5 BIAS

Vzhledem k průzkumné povaze studie existují inherentní rizika systematické i nesystematické zaujatosti. Za prvé, proměnné, které mají být studovány, nejsou na začátku zcela předem definovány kvůli průzkumnému designu výzkumu, což může způsobit zkreslení. Aby se tomu zabránilo, bude rozhodovací proces týkající se zahrnutí nebo vyloučení vznikajících proměnných pečlivě zdokumentován, aby byla zajištěna transparentnost a robustnost metodologie výzkumu. Dalším významným aspektem této studie je použití CFD simulací. Tyto simulace, i když jsou účinné při modelování dynamiky tekutin v kardiovaskulárním systému, jsou náchylné ke zkreslení na základě vstupních parametrů, okrajových podmínek a použitých numerických metod. Zvolené rozlišení sítě, modely turbulence a předpoklady o reologii krve, to vše může ovlivnit výsledky. Pro posílení platnosti kvantifikovaných výsledků CFD je klíčovým pokusem o validaci v této studii zahrnutí echokardiografických vyšetření. Kvalita echokardiografického obrazu se však bude u jednotlivých pacientů lišit, což samo o sobě může způsobit zkreslení a zhoršit možnosti adekvátní validace CFD simulací.

2.6 VELIKOST STUDIE

Stanovení požadované velikosti vzorku pro tento projekt je náročné, protože metoda nebyla dříve hodnocena. S ohledem na tento kontext tak výzkumníci vycházeli z dostupné literatury z echokardiografických studií a pokusili se z toho odvodit klinicky významné rozdíly založené na nastavení pumpy. Cílem studie je získat až 35 účastníků, aby byly zajištěny interpretovatelné výsledky.

2.7 STATISTICKÉ METODY

Meziskupinová srovnání budou provedena pomocí dvouvýběrového t-testu. Pro posouzení asociace mezi proměnnými, jako jsou CFD-proměnné a geometrické parametry, bude provedena lineární regresní analýza. Všechny statistické výpočty budou provedeny pomocí MATLABu R2021b a hladina významnosti bude nastavena na 5 %.