Fænotypning af venstre ventrikelsvigt med hemodynamiske biomarkører fra 4D flow magnetisk resonansbilleddannelse (TRANSLATE)

Studiet inkluderer en retrospektiv og en prospektiv del, der adresserer metodisk udvikling, klinisk validering og translationel implementering af avancerede MRI-baserede analyseværktøjer.

I den retrospektive del vil en database med kort-akse cine balanced steady-state free precession (bSSFP) billeder af venstre ventrikel (LV) blive hentet retrospektivt og anonymiseret før analyse. Datasættet vil blive opdelt i et træningssæt (ca. 75% af tilfældene) og et testsæt (ca. 25%).

For alle MRI-datasæt inkluderet i træningssættet vil endokardiale konturer af LV blive afgrænset gennem hele hjertecyklussen ved brug af semiautomatiske segmenteringsværktøjer (Medviso Segment) med manuelle korrektioner anvendt efter behov for at sikre nøjagtighed.

Træningsdatasættet sammen med de tilsvarende sandheds-LV-endokardiale segmenteringer vil blive brugt til at træne et dyb lærings konvolutionelt neuralt netværk (CNN), f.eks. en ResNet-arkitektur, til den automatiske afgrænsning af LV-endokardiale konturer fra kort-akse cine billeder.

Det resterende testsæt vil blive brugt til at evaluere ydeevnen af det trænede CNN. Automatisk genererede LV-endokardiale konturer vil blive sammenlignet med de tilsvarende manuelle segmenteringer for at benchmarke segmenteringsnøjagtighed og robusthed.

Som en del af den prospektive del af studiet vil indrullerede patienter gennemgå ikke-kontrast 4D Flow MRI-indhentning før den planlagte intervention for transkateter aortaklapsubstitution (TAVR).

MRI-undersøgelser vil blive indhentet på en 1,5 Tesla scanner (MAGNETOM Aera, Siemens Healthcare, Erlangen, Tyskland). Standard bSSFP cine-sekvenser med retrospektiv EKG-gating vil blive brugt til at indhente kort-akse og lang-akse LV-visninger (skivetykkelse 8 mm, intet mellemrum mellem skiver, 30 rekonstruerede hjertefaser). I samme billeddannelsessession vil 4D Flow MRI-data blive indhentet ved brug af en prototype tidsopløst tredimensionel gradient echo-sekvens med tretetning hastighedskodning. Et parasagitalt orienteret synsfelt, der dækker hele LV, vil blive anvendt. Indhentninger vil blive udført under frit åndedræt med retrospektiv EKG-udløsning og adaptiv respiratorisk gating. Scanparametre vil overholde 2023-opdateringen af 4D Flow Cardiovascular Magnetic Resonance Consensus Statement. Intet kontrastmiddel vil blive administreret. Ikke-invasivt kontinuerligt blodtryk og relevante hemodynamiske parametre vil også blive registreret fra fingerarterietryksbølgeformen ved brug af en klinisk grad enhed (f.eks. Finapres® NOVA).

Under TAVR-proceduren vil samtidige invasive blodtryksmålinger blive opnået i aorta ascendens og i LV ved brug af to pigtail-katetre, både før og efter klapimplantation, som krævet af standard klinisk praksis under TAVR, og vil dermed ikke påvirke den kliniske arbejdsgang.

Ingen variationer i profylakse- eller opfølgningsprocedurer forventes sammenlignet med standard klinisk praksis. Derfor er der ingen yderligere fysiske, psykologiske eller sociale risici eller direkte fordele forbundet med deltagelse i studiet.

Efterbehandling af 4D Flow MRI-data vil blive udført ved brug af en dedikeret arbejdsgang, der inkorporerer intern software skrevet i Matlab (The MathWorks Inc., Natick, MA, USA), baseret på tidligere erfaring. Behandlingstrin vil inkludere korrektion for eddystrømme og hastighedsaliasing. Intrakavitære LV-hastighedsfelter vil blive ekstraheret ved brug af både et internt semiautomatisk segmenteringsværktøj og det automatiserede dyb læringsbaserede LV-maskeringsværktøj udviklet i den retrospektive del.

Ekstraherede hastighedsfelter vil blive brugt til at evaluere LV-blodstrømsenergetik, inklusive kinetisk energi og viskøs energidissipation, strømkomponentopdeling, intraventrikulære trykgradienter og intrakavitære strømmedierede hemodynamiske kræfter (HDF'er). De resulterende HDF-vektorer vil blive dekomponeret i basal-apikale, septal-laterale og inferior-anteriore komponenter, og deres root mean square (RMS)-værdier vil blive beregnet over hjertecyklussen.

Ikke-invasivt kontinuerlige blodtrykssignaler afledt fra fingerarteriebølgeformer vil blive kombineret med MRI-afledte LV-volumener for at estimere ikke-invasive LV-tryk-volumen (PV)-løkker ved brug af en etableret metodologi. Samtidigt vil invasive LV-trykdata indhentet under TAVR-proceduren via pigtail-kateter blive brugt til at generere kateterbaserede PV-løkker. Ikke-invasive MRI-baserede PV-løkkeparametre vil blive kvantitativt sammenlignet med kateterbaserede målinger ved brug af klinisk relevante LV-indekser.

Intrakavitære trykgradienter vil blive beregnet fra Navier-Stokes-ligningerne for at aflede HDF-vektorer for hver hjerteramme ved at integrere trykgradienter over hele LV-volumenet. HDF-vektorer vil blive projiceret på tre ortogonale anatomiske retninger (basal-apikal, septal-lateral, inferior-anterior), og root mean square (RMS)-værdier for hver komponent vil blive beregnet over hjertecyklussen. Forenklede HDF'er vil blive beregnet ved brug af en nyligt udviklet metode, der ikke kræver 4D Flow MRI-data, og de vil systematisk blive sammenlignet med standard 4D Flow MRI-baserede HDF'er på en patientspecifik basis. Til valideringsformål vil både forenklede og 4D Flow-afledte HDF'er også blive sammenlignet med tilsvarende målinger opnået ved brug af prototype HDF-værktøjet tilgængeligt i den kommercielle Medis Suite MR-software.

Konventionelle MRI-afledte parametre rutinemæssigt brugt til at vurdere LV-funktion, inklusive enddiastolisk volumen, endsystolisk volumen og global longitudinal strain, vil også blive indsamlet.

Demografiske variable (f.eks. alder og køn), relevante kliniske karakteristika, administreret medicinsk behandling, proceduremæssige TAVR-data og samtidig medicin vil blive indsamlet og anonymiseret før analyse.

Ingen opfølgningsbesøg eller vurderinger er planlagt som en del af dette studie.

En selvstændig applikation til intrakardial 4D Flow MRI-analyse vil blive designet efter en inkrementel udviklingsmodel. Processen vil fokusere på at definere systemkravsspecifikationen (SyRS), softwarekravsspecifikationen (SRS) og den overordnede softwarearkitektur.

En kritisk evaluering af eksisterende state-of-the-art 4D Flow MRI-arbejdsgange brugt i klinisk forskning og af prototypeværktøjer tilgængelige i kommerciel software (f.eks. Medis Suite MR) vil blive udført for at identificere styrker og begrænsninger. Udvikling vil fortsætte gennem successivt trin, hvor hvert trin implementerer en specifik funktionel komponent af det overordnede rammeværk.

Den selvstændige applikation vil bygge videre på eksisterende interne Matlab-baserede algoritmer, men vil blive implementeret i et kompileret programmeringssprog, hvilket tillader udførelse uden at kræve forinstalleret software på slutbrugerens system. Udviklingen vil blive understøttet af en specialiseret konsulenttjeneste.

En foreløbig version af den selvstændige applikation vil gennemgå intern testning, benchmarking og struktureret evaluering af en lille gruppe kliniske slutbrugere med tidligere erfaring i 4D Flow MRI-forskning. Brugere vil selvstændigt teste softwaren på foruddefinerede use cases. Klinisk feedback, kritik og forslag til yderligere udvikling vil blive indsamlet gennem strukturerede spørgeskemaer eller interviews og brugt til at guide efterfølgende forfinelse og klinisk translation.