Hjertehæmodynamik under venstre ventrikulær Assist (FlowVAD)

1. BAGGRUND

   I de senere år har brugen af ​​den mekaniske kredsløbsstøtteanordning, HeartMate 3 (HM3) (Abbott Laboratories, Lake Forest, IL), fået betydelig opmærksomhed inden for kredsløbsstøtte til fremskreden hjertesvigt. De håndgribelige fordele ved HM3, herunder forbedret hæmokompatibilitet, der fører til reducerede tromboemboliske hændelser og forbedrede overlevelsesrater sammenlignet med dens forgængere. Overgangen til HM3 er særligt bemærkelsesværdig, da systemet sandsynligvis ikke kun vil tjene som en bro til hjertetransplantation eller beslutningstagning, men i stigende grad bliver diskuteret som en effektiv destinationsterapi. På trods af disse fremskridt er der stadig et krav om omhyggelig hæmodynamisk overvågning gennem enhver mekanisk cirkulationsstøttebehandling. Traditionelt er ekkokardiografi overvejende blevet anvendt som den hæmodynamiske billeddannelsesmodalitet. Imidlertid giver ekkokardiografiske evalueringer af disse patienter bemærkelsesværdige udfordringer, især med hensyn til skygger fra pumpens metal, hvilket gør det vanskeligt fuldt ud at forstå hjertefunktion og hæmodynamik under behandlingen.

   I løbet af det seneste årti har computertomografi (CT) oplevet hurtige fremskridt, med moderne udstyr, der nu letter anatomisk billeddannelse af hjertet i høj opløsning gennem hele hjertecyklussen (4D CT). Indtil for nylig udgjorde CT dog også en udfordring for undersøgelsen af ​​patienter med mekaniske kredsløbsstøtteanordninger på grund af betydelige metalartefakter. Den nyligt introducerede foton-tællende computertomografi (PC-CT) muliggør dog nu scanninger, der giver billeder med højere opløsning med reducerede metalartefakter. Fra tidsopløst CT kan funktionel information efterfølgende udledes og udtrækkes. Teknikker til automatisk sporing af hjertevægs bevægelse gennem hele hjertecyklussen, sammen med udnyttelsen af ​​beregningsdynamik til numerisk løsning af væskemekaniske ligninger, er tidligere blevet vist, som har vist sig at muliggøre simuleringer af intrakardielle hæmodynamiske kort.

   De stigende indikationer for behandling med mekanisk kredsløbsstøtte understreger det nuværende behov for løbende forbedret plejekvalitet og klinisk forståelse af denne terapeutiske mulighed. Selvom behandlingen forbedrer både prognose og livskvalitet, er alvorlige og dødelige komplikationer fortsat tilbagevendende. Så vidt efterforskernes viden er, har der endnu ikke været udført forskning, der adresserer den potentielle anvendelse af den nye PC-CT hos patienter med mekaniske kredsløbsstøtteanordninger, og bestemt ingen, der har etableret numeriske rammer for disse data i et forsøg på at beregne, visualisere , og udforskende forstå intrakardial hæmodynamik under behandlingen.

   1.2 MÅL

   1.2.1 FORMÅL

   Formålet med denne observationelle undersøgelse er at undersøge intrakardial geometri og hæmodynamik hos patienter med igangværende HeartMate 3-terapi i den svenske sydostlige sundhedsregion.

   1.2.2 PRIMÆR VIDENSKABELIGE SPØRGSMÅL

   Hvordan påvirker forskellige flowniveauer i HeartMate 3-hjælpeanordningen til venstre ventrikel intrakardial geometri og hæmodynamik?

2. METODER

2.1 STUDIEDESIGN

Denne undersøgelse har et eksplorativt analytisk (multiple) tværsnitsdesign. Undersøgelsen søger at afdække ny indsigt, mønstre og sammenhænge i dataene, delvist uden forudbestemte hypoteser. Yderligere undersøger undersøgelsen relationer eller sammenhænge mellem variabler for at udlede meningsfulde konklusioner fra dataene. Undersøgelsen vil undersøge tre forskellige observationer af variablerne, hvor forsøgspersonernes enhedsindstillinger vil variere. Disse observationer vil dog blive udført i umiddelbar nærhed, med intervaller på cirka 15 minutter mellem hver. Som sådan, mens undersøgelsen ikke fuldt ud er i overensstemmelse med kriterierne for et multipelt tværsnitsstudiedesign, stemmer det heller ikke overens med en traditionel engangs-tværsnitstilgang.

2.2 SAMLET INDSTILLING

Deltagende forskningspersoner opfordres til at gennemgå tre fulgte PC-CT-scanninger, samt visse ekkokardiografiske billeddannelser, alt sammen i én session. Forskerpersonens HM3 er forbundet med software, der giver mulighed for variationer i pumpens flow mellem disse billedsamlinger. Alle undersøgelser vil blive udført på Center for Medical Image Science and Visualization (CMIV) ved Linköpings Universitet, Sverige. Rekruttering og eksamen inden for studiet vil gennemgå i løbet af januar-december 2023. Undersøgelsen er godkendt af den svenske etikvurderingsmyndighed (Referencenummer: 2022-06934-01).

2.2 DELTAGERE

Alle patienter i den svenske sydøstlige sundhedsregion, der omfatter Östergötland, Jönköping og Kalmar amter, som opfylder inklusionskriterierne og ingen af ​​eksklusionskriterierne, vil blive inviteret til at deltage i denne undersøgelse i løbet af 2023. Screening for inklusion udføres af de LVAD-ansvarlige læger på Kardiologisk Afdeling på Linköpings Universitetshospital.

2.3 VARIABLER

Med hensyn til specifikation af variabler, der vil blive undersøgt, er det væsentligt at præcisere, at på grund af forskningens udforskende karakter og den indviklede dynamik, der er forbundet med både at bruge numeriske rammer til beregning af intrakardiale hæmodynamiske kort og den dynamiske geometriske karakter af tidsopløst CT, alle variabler ved studiestart er ikke foruddefinerede. Efterhånden som analysen skrider frem, og den fulde dybde af dataene bliver tydelig, kan yderligere variabler identificeres og inkorporeres. Efterfølgende beslutningsproces vedrørende inklusion eller udelukkelse af disse nyopdagede variabler vil blive nøje dokumenteret for at sikre gennemsigtighed og robusthed i undersøgelsestilgangen.

Kvantificerede variabler vil blive sammenlignet med hensyn til pumpens estimerede flow (L/min), effekt (W), pulsatilitetsindeks og rotorhastighed (rpm). Når det er muligt, baseret på billedkvalitet, vil resultaterne også blive relateret til og sammenlignet med ekkokardiografiske målinger for at diskutere validiteten af ​​metoden. For at reducere risikoen for utilsigtede forvirrende faktorer og for at minimere potentialet for bias, vil der også blive indsamlet adskillige baseline data vedrørende de inkluderede forskningsemner. Disse variabler inkluderer alder (år), køn, HM3 implantationsdato body mass index (BMI, kg/m^2) og kardiovaskulære diagnostiske koder (ICD-10), blodtal (celler/μL eller x10^9/L), elektrolytter (mmol/L), leverfunktionsprøver (U/L eller µkat/L for enzymer og g/dL eller µmol/L for stoffer), laktatdehydrogenase (U/L), NT-proBNP (pg/ml eller ng /L) og procalcitonin (ng/ml).

2.4 DATAKILDER OG MÅLINGER

2.4.1 PC-CT-UNDERSØGELSE PCCT-undersøgelser vil blive udført ved hjælp af et CE-mærket foton-tællende computertomografisystem (NAETOM Alpha, Siemens Healthineer, Erlangen, Tyskland). Opkøbene vil blive effektueret ved 120 kVp med billedkvalitetsniveauer (IQ) sat til 70. En bifasisk kontrastadministrationsprotokol vil blive anvendt for at garantere uigennemsigtighed på tværs af alle fire hjertekamre. Hele scanningsområdet vil gennemgå flerfaserekonstruktioner med intervaller svarende til hver 5 % af hjertecyklussen, kulminerende i 20 forskellige faser. Erhvervede CT-billeder blev videresendt til institutionens billedarkiverings- og kommunikationssystem (PACS, IDS7, Sectra Medical Systems, Linköping, Sverige).

2.4.2 SEGMENTERING OG VÆGBEVÆGELSESSPORING

Bevægelsen af ​​endokardiet vil blive sporet fra de indhentede CT-data. I denne proces vil endokardiet semi-automatisk blive skitseret med ITK-SNAP (version 3.8.0). Geometrien vil derefter blive forfinet ved hjælp af Ansys SpaceClaim version 2019 R3 (Ansys Inc, Canonsburg, PA 15317 USA). Efter dette vil den endokardieoverflade blive omformet ved hjælp af en ikke-rigid iterativ lukket punktmetode for at tilpasse sig tærskelbaserede segmenteringer fra de resterende 19 hjertefaser.

2.4.3 CFD-SIMULATIONER

Blodstrømningshastighed, absolut tryk, turbulens kinetisk energi og blodstase og andre potentielle hæmodynamiske variabler vil blive udledt ved hjælp af Computational Fluid Dynamics (CFD) simuleringer, under hensyntagen til den deltagerspecifikke hjertevægs bevægelse. CFD-simuleringerne vil blive udført ved hjælp af Ansys Fluent version 2019 R3, baseret på den proces, der tidligere er valideret ved hjælp af 4D flow MRI. To hjertemodeller vil blive anvendt. Den venstre model vil omfatte pulmonale vener, venstre atrium, venstre ventrikel, HM3, udløbstransplantat, venstre ventrikulære udstrømningskanal og ascendens aorta. Den rigtige model vil omfatte vena cava superior, inferior vena cava, højre atrium, højre ventrikel, højre ventrikulære udstrømningskanal og lungearterien. Alle åbninger vil blive modelleret som trykåbninger, hvor flowhastigheden er et resultat af endokardiets bevægelse.

2.4.3 PUMPEVARIABLER OG BLODTRYK

Forud for hver individuel CT-scanning vil estimeret flow (L/min), effekt (W), pulsatilitetsindeks og rotorhastighed (rpm) blive indhentet fra HeartMate 3 System Monitor sammen med systolisk blodtryk (mmHg), målt ved hjælp af doppler-teknologi af den radiale arterie. Disse detaljer vil blive overført til et etableret datasæt i projektet.

2.4.5 EKOKARDIGRAFI

Udvalgt ekkokardiografisk billeddannelse vil blive udført mellem hver CT-scanning. Den specificerede protokol for undersøgelsen er afledt af den rutinemæssige kliniske protokol, der bruges til at undersøge denne patientgruppe, men er udvalgt ud fra tidsaspektet af den fulde undersøgelse i forskningsprojektet. Klinisk personale med erfaring i disse undersøgelser vil udføre testene.

2.4.6 PATIENT KARAKTERISTIKA

Karakteristiske variabler for forskningsemnerne vil blive hentet fra forskningspersonernes journal. Endvidere vil der blive indhentet resultater fra de seneste kliniske blodprøver. Disse detaljer vil blive overført til et etableret datasæt i projektet.

2.5 BIAS

På grund af undersøgelsens eksplorative karakter er der iboende risici for både systematisk og ikke-systematisk bias. For det første er de variabler, der skal undersøges, ikke helt foruddefinerede i starten på grund af forskningens eksplorative design, som kan introducere bias. For at modvirke dette vil beslutningsprocessen omkring inklusion eller udelukkelse af emergent variable blive nøje dokumenteret for at sikre gennemsigtighed og robusthed i forskningsmetodikken. En anden væsentlig overvejelse i denne undersøgelse er brugen af ​​CFD-simuleringer. Selvom disse simuleringer er effektive til at modellere væskedynamik i det kardiovaskulære system, er de modtagelige for skævheder baseret på inputparametrene, randbetingelserne og de anvendte numeriske metoder. Den valgte mesh-opløsning, turbulensmodeller og antagelser om blodreologi kan alle påvirke resultaterne. For at styrke validiteten af ​​de kvantificerede CFD-resultater er et vigtigt valideringsforsøg i denne undersøgelse at inkludere ekkokardiografi-vurderinger. Den ekkokardiografiske billedkvalitet vil dog variere mellem patienter, hvilket i sig selv kan indføre bias og forringe mulighederne for tilstrækkelig validering af CFD-simuleringerne.

2.6 UNDERSØGELSESSTØRRELSE

Det er en udfordring at bestemme den nødvendige stikprøvestørrelse for dette projekt, da metoden ikke tidligere er blevet evalueret. I lyset af denne sammenhæng har efterforskerne således trukket på den tilgængelige litteratur fra ekkokardiografiundersøgelser og forsøgt at udlede klinisk signifikante forskelle baseret på pumpeindstillinger fra dette. Undersøgelsen sigter mod at rekruttere op til 35 deltagere for at sikre fortolkbare resultater.

2.7 STATISTISKE METODER

Inter-gruppe sammenligninger vil blive udført ved hjælp af to-sample t-test. For at vurdere sammenhængen mellem variabler, såsom CFD-variabler og geometriske parametre, vil der blive udført lineær regressionsanalyse. Alle statistiske beregninger vil blive udført ved hjælp af MATLAB R2021b, og signifikansniveauet vil blive sat til 5%.