Fenotypizace selhání levé komory pomocí hemodynamických biomarkerů z 4D tokové magnetické rezonance (TRANSLATE)

Studie zahrnuje retrospektivní a prospektivní část, která se zaměřuje na metodický vývoj, klinické ověření a translační implementaci pokročilých analytických nástrojů založených na MRI.

V rámci retrospektivní části bude před analýzou zpětně vyhledána a anonymizována databáze krátkoosých kinematografických obrazů levé komory (LV) získaných metodou vyváženého steady-state free precession (bSSFP). Datová sada bude rozdělena na trénovací sadu (přibližně 75 % případů) a testovací sadu (přibližně 25 %).

Pro všechny sady MRI dat zahrnuté v trénovací sadě budou endokardiální kontury LV vykresleny během celého srdečního cyklu za použití poloautomatických segmentačních nástrojů (Medviso Segment) s ručními korekcemi aplikovanými podle potřeby pro zajištění přesnosti.

Trénovací datová sada spolu s odpovídajícími referenčními segmentacemi endokardu LV bude použita k trénování konvoluční neuronové sítě (CNN) hlubokého učení, například architektury ResNet, pro automatické vykreslování endokardiálních kontur LV z krátkoosých kinematografických snímků.

Zbývající testovací sada bude použita k vyhodnocení výkonnosti natrénované CNN. Automaticky generované endokardiální kontury LV budou porovnány s odpovídajícími ručními segmentacemi pro benchmarkování přesnosti a robustnosti segmentace.

Jako součást prospektivní části studie podstoupí zařazení pacienti před plánovaným výkonem transkatetrové aortální náhrady chlopně (TAVR) neinvazivní akvizici 4D Flow MRI.

MRI vyšetření budou provedena na 1,5 Tesla skeneru (MAGNETOM Aera, Siemens Healthcare, Erlangen, Německo). Standardní kinematografické sekvence bSSFP s retrospektivní EKG synchronizací budou použity pro akvizici krátkoosých a dlouhoosých pohledů LV (tloušťka řezu 8 mm, bez mezery mezi řezy, 30 rekonstruovaných srdečních fází). Ve stejné zobrazovací relaci budou data 4D Flow MRI získána pomocí prototypové časově rozlišené trojrozměrné gradientní echo sekvence s trojsměrným kódováním rychlosti. Bude použit parasagitálně orientovaný zobrazovací objem pokrývající celou LV. Akvizice budou provedeny během volného dýchání s retrospektivní EKG trigeringem a adaptivní respirační gating. Parametry skenování budou v souladu s aktualizací z roku 2023 Konsensuálního prohlášení pro 4D Flow kardiovaskulární magnetickou rezonanci. Kontrastní látka nebude podána. Neinvazivní kontinuální krevní tlak a relevantní hemodynamické parametry budou také zaznamenány z arteriální tlakové křivky prstu pomocí klinického zařízení (např. Finapres® NOVA).

Během výkonu TAVR budou podle standardní klinické praxe během TAVR, a tedy bez vlivu na klinický pracovní postup, získány simultánní invazivní měření krevního tlaku v ascendentní aortě a v LV pomocí dvou pigtail katetrů, a to před i po implantaci chlopně.

Ve srovnání se standardní klinickou praxí se neočekávají žádné odchylky v profylaxi nebo následných postupech. Účast ve studii tedy není spojena s žádnými dalšími fyzickými, psychologickými nebo sociálními riziky ani přímými přínosy.

Zpracování dat 4D Flow MRI bude provedeno pomocí specializovaného pracovního postupu zahrnujícího vlastní software napsaný v Matlabu (The MathWorks Inc., Natick, MA, USA), založeného na předchozích zkušenostech. Kroky zpracování budou zahrnovat korekci vířivých proudů a aliasingu rychlosti. Intrakavitární rychlostní pole LV budou extrahována pomocí vlastního poloautomatického segmentačního nástroje i automatizovaného nástroje pro maskování LV založeného na hlubokém učení, vyvinutého v retrospektivní části.

Extrahovaná rychlostní pole budou použita k vyhodnocení energetiky krevního toku LV, včetně kinetické energie a viskózní disipace energie, rozdělení složek toku, intraventrikulárních tlakových gradientů a intrakavitárních hemodynamických sil (HDF) zprostředkovaných tokem. Výsledné vektory HDF budou rozloženy na bazálně-apikální, septálně-laterální a inferiálně-anteriální složky a jejich střední kvadratické (RMS) hodnoty budou vypočteny během srdečního cyklu.

Neinvazivní kontinuální signály krevního tlaku odvozené z arteriálních křivek prstu budou kombinovány s objemy LV odvozenými z MRI pro odhad neinvazivních tlakově-objemových (PV) smyček LV pomocí zavedené metodologie. Paralelně budou invazivní data tlaku LV získaná během výkonu TAVR pomocí pigtail katetru použita k vytvoření katetrem založených PV smyček. Parametry neinvazivních PV smyček založených na MRI budou kvantitativně porovnány s měřeními založenými na katetru pomocí klinicky relevantních indexů LV.

Intrakavitární tlakové gradienty budou vypočteny z Navier-Stokesových rovnic pro odvození vektorů HDF pro každý srdeční snímek integrací tlakových gradientů přes celý objem LV. Vektory HDF budou promítnuty do tří ortogonálních anatomických směrů (bazálně-apikální, septálně-laterální, inferiálně-anteriální) a střední kvadratické (RMS) hodnoty každé složky budou vypočteny během srdečního cyklu. Zjednodušené HDF budou vypočteny pomocí nedávno vyvinuté metody, která nevyžaduje data 4D Flow MRI, a budou systematicky porovnány se standardními HDF založenými na 4D Flow MRI na bázi jednotlivých pacientů. Pro účely validace budou jak zjednodušené, tak 4D Flow odvozené HDF také porovnány s odpovídajícími měřeními získanými pomocí prototypového nástroje HDF dostupného v komerčním softwaru Medis Suite MR.

Budou také shromážděny konvenční parametry odvozené z MRI rutinně používané k hodnocení funkce LV, včetně end-diastolického objemu, end-systolického objemu a globálního podélného přetvoření.

Demografické proměnné (např. věk a pohlaví), relevantní klinické charakteristiky, podávaná medikamentózní léčba, procedurální data TAVR a současně užívané léky budou shromážděny a anonymizovány před analýzou.

V rámci této studie nejsou plánovány žádné kontrolní návštěvy ani vyšetření.

Samostatná aplikace pro analýzu intrakardiální 4D Flow MRI bude navržena podle inkrementálního vývojového modelu. Proces se zaměří na definici specifikace systémových požadavků (SyRS), specifikace softwarových požadavků (SRS) a celkové softwarové architektury.

Bude provedeno kritické zhodnocení stávajících špičkových pracovních postupů 4D Flow MRI používaných v klinickém výzkumu a prototypových nástrojů dostupných v komerčním softwaru (např. Medis Suite MR) za účelem identifikace silných stránek a omezení. Vývoj bude pokračovat postupnými fázemi, přičemž každá fáze implementuje specifickou funkční komponentu celkového rámce.

Samostatná aplikace bude vycházet z existujících vlastních algoritmů založených na Matlabu, ale bude implementována v kompilovaném programovacím jazyce, což umožní spuštění bez nutnosti předinstalovaného softwaru v systému koncového uživatele. Vývoj bude podporován specializovanou konzultační službou.

Předběžná verze samostatné aplikace projde interním testováním, benchmarkováním a strukturovaným hodnocením malou skupinou klinických koncových uživatelů s předchozí zkušeností ve výzkumu 4D Flow MRI. Uživatelé nezávisle otestují software na předdefinovaných případech použití. Klinická zpětná vazba, kritiky a návrhy na další vývoj budou shromážděny prostřednictvím strukturovaných dotazníků nebo rozhovorů a použity k vedení následného zdokonalení a klinické translační implementace.