Phänotypisierung der linksventrikulären Insuffizienz mit hämodynamischen Biomarkern aus der 4D-Fluss-Magnetresonanztomographie (TRANSLATE)

Die Studie umfasst einen retrospektiven und einen prospektiven Arm, die methodische Entwicklung, klinische Validierung und translationale Implementierung fortschrittlicher MRT-basierter Analysetools behandeln.

Im retrospektiven Arm wird eine Datenbank von Kurzachsen-Cine-bSSFP-Bildern (balanced Steady-State Free Precession) des linken Ventrikels (LV) retrospektiv abgerufen und vor der Analyse anonymisiert. Der Datensatz wird in einen Trainingssatz (etwa 75 % der Fälle) und einen Testsatz (etwa 25 %) aufgeteilt.

Für alle MRT-Datensätze im Trainingssatz werden endokardiale LV-Konturen über den gesamten Herzzyklus hinweg unter Verwendung halbautomatischer Segmentierungswerkzeuge (Medviso Segment) mit manuellen Korrekturen nach Bedarf zur Gewährleistung der Genauigkeit nachgezeichnet.

Der Trainingsdatensatz zusammen mit den entsprechenden Ground-Truth-LV-endokardialen Segmentierungen wird verwendet, um ein tiefes lernendes Convolutional Neural Network (CNN), z. B. eine ResNet-Architektur, für die automatische Nachzeichnung von LV-endokardialen Konturen aus Kurzachsen-Cine-Bildern zu trainieren.

Der verbleibende Testsatz wird verwendet, um die Leistung des trainierten CNN zu bewerten. Automatisch generierte LV-endokardiale Konturen werden mit den entsprechenden manuellen Segmentierungen verglichen, um die Segmentierungsgenauigkeit und Robustheit zu benchmarken.

Im Rahmen des prospektiven Arms der Studie werden eingeschlossene Patienten vor der geplanten Intervention zur transkatheteraortenklappenimplantation (TAVI) einer kontrastmittelfreien 4D-Flow-MRT-Akquisition unterzogen.

Die MRT-Untersuchungen werden an einem 1,5-Tesla-Scanner (MAGNETOM Aera, Siemens Healthcare, Erlangen, Deutschland) durchgeführt. Standard-bSSFP-Cine-Sequenzen mit retrospektivem EKG-Gating werden verwendet, um Kurzachsen- und Langachsen-LV-Ansichten (Schichtdicke 8 mm, kein Schichtabstand, 30 rekonstruierte Herzphasen) zu akquirieren. In derselben Bildgebungssitzung werden 4D-Flow-MRT-Daten unter Verwendung einer Prototyp-zeitaufgelösten dreidimensionalen Gradientenechosequenz mit dreidimensionaler Geschwindigkeitskodierung akquiriert. Ein parasagittal ausgerichtetes Field of View, das den gesamten LV abdeckt, wird verwendet. Die Akquisitionen werden während freier Atmung mit retrospektivem EKG-Triggering und adaptivem Atemgating durchgeführt. Die Scanparameter entsprechen der Aktualisierung 2023 der 4D-Flow-Kardiovaskulären-Magnetresonanz-Konsenserklärung. Es wird kein Kontrastmittel verabreicht. Nicht-invasive kontinuierliche Blutdruck- und relevante hämodynamische Parameter werden ebenfalls aus dem Fingerarteriendruckwellenform unter Verwendung eines klinischen Geräts (z. B. Finapres® NOVA) aufgezeichnet.

Während des TAVI-Eingriffs werden simultane invasive Blutdruckmessungen in der Aorta ascendens und im LV unter Verwendung zweier Pigtail-Katheter sowohl vor als auch nach der Klappenimplantation gemäß der Standardklinikpraxis während TAVI durchgeführt, ohne den klinischen Workflow zu beeinflussen.

Es werden keine Abweichungen bei Prophylaxe- oder Nachsorgeverfahren im Vergleich zur Standardklinikpraxis erwartet. Daher sind mit der Studienteilnahme keine zusätzlichen physischen, psychologischen oder sozialen Risiken oder direkten Vorteile verbunden.

Die Nachverarbeitung der 4D-Flow-MRT-Daten wird unter Verwendung eines dedizierten Workflows durchgeführt, der hauseigene Software in Matlab (The MathWorks Inc., Natick, MA, USA) basierend auf früherer Erfahrung integriert. Verarbeitungsschritte umfassen Korrekturen für Wirbelströme und Geschwindigkeits-Aliasing. Intrakavitäre LV-Geschwindigkeitsfelder werden unter Verwendung sowohl eines hauseigenen halbautomatischen Segmentierungswerkzeugs als auch des im retrospektiven Arm entwickelten automatisierten, tiefenlernbasierten LV-Maskierungswerkzeugs extrahiert.

Extrahierte Geschwindigkeitsfelder werden verwendet, um die LV-Blutflussenergetik zu bewerten, einschließlich kinetischer Energie und viskoser Energiedissipation, Flusskomponentenunterteilung, intraventrikulärer Druckgradienten und intrakavitärer flussvermittelter hämodynamischer Kräfte (HDFs). Die resultierenden HDF-Vektoren werden in basal-apikale, septal-laterale und inferior-anteriore Komponenten zerlegt, und ihre Root-Mean-Square (RMS)-Werte werden über den Herzzyklus berechnet.

Nicht-invasive kontinuierliche Blutdrucksignale, die aus Fingerarterienwellenformen abgeleitet werden, werden mit MRT-abgeleiteten LV-Volumina kombiniert, um nicht-invasive LV-Druck-Volumen (PV)-Schleifen unter Verwendung einer etablierten Methodik abzuschätzen. Parallel dazu werden invasive LV-Druckdaten, die während des TAVI-Eingriffs über Pigtail-Katheter erfasst wurden, verwendet, um katheterbasierte PV-Schleifen zu generieren. Nicht-invasive MRT-basierte PV-Schleifenparameter werden quantitativ mit katheterbasierten Messungen unter Verwendung klinisch relevanter LV-Indizes verglichen.

Intrakavitäre Druckgradienten werden aus den Navier-Stokes-Gleichungen berechnet, um HDF-Vektoren für jeden Herzrahmen durch Integration der Druckgradienten über das gesamte LV-Volumen abzuleiten. HDF-Vektoren werden auf drei orthogonale anatomische Richtungen (basal-apikal, septal-lateral, inferior-anterior) projiziert, und RMS-Werte jeder Komponente werden über den Herzzyklus berechnet. Vereinfachte HDFs werden unter Verwendung einer kürzlich entwickelten Methode berechnet, die keine 4D-Flow-MRT-Daten erfordert, und sie werden patientenspezifisch systematisch mit standardmäßigen 4D-Flow-MRT-basierten HDFs verglichen. Zu Validierungszwecken werden sowohl vereinfachte als auch 4D-Flow-abgeleitete HDFs auch mit entsprechenden Messungen verglichen, die unter Verwendung des im kommerziellen Medis Suite MR-Software verfügbaren Prototyp-HDF-Tools erhalten wurden.

Konventionelle MRT-abgeleitete Parameter, die routinemäßig zur Bewertung der LV-Funktion verwendet werden, einschließlich enddiastolisches Volumen, endsystolisches Volumen und globale longitudinale Dehnung, werden ebenfalls erfasst.

Demografische Variablen (z. B. Alter und Geschlecht), relevante klinische Merkmale, verabreichte medikamentöse Therapie, prozedurale TAVI-Daten und Begleitmedikationen werden erfasst und vor der Analyse anonymisiert.

Es sind keine Nachsorgetermine oder -bewertungen im Rahmen dieser Studie geplant.

Eine Standalone-Anwendung für intrakardiale 4D-Flow-MRT-Analyse wird nach einem inkrementellen Entwicklungsmodell entworfen. Der Prozess konzentriert sich auf die Definition der Systemanforderungsspezifikation (SyRS), Softwareanforderungsspezifikation (SRS) und der gesamten Softwarearchitektur.

Eine kritische Bewertung bestehender state-of-the-art 4D-Flow-MRT-Workflows, die in der klinischen Forschung verwendet werden, und von Prototyp-Werkzeugen in kommerzieller Software (z. B. Medis Suite MR) wird durchgeführt, um Stärken und Grenzen zu identifizieren. Die Entwicklung erfolgt in aufeinanderfolgenden Stufen, wobei jede Stufe eine spezifische funktionale Komponente des Gesamtframeworks implementiert.

Die Standalone-Anwendung baut auf bestehenden hauseigenen Matlab-basierten Algorithmen auf, wird jedoch in einer kompilierten Programmiersprache implementiert, was die Ausführung ohne vorinstallierte Software auf dem Endbenutzersystem ermöglicht. Die Entwicklung wird von einem spezialisierten Beratungsdienst unterstützt.

Eine Vorabversion der Standalone-Anwendung wird internen Tests, Benchmarking und strukturierter Bewertung durch eine kleine Gruppe klinischer Endbenutzer mit früherer Erfahrung in der 4D-Flow-MRT-Forschung unterzogen. Benutzer werden die Software unabhängig an vordefinierten Anwendungsfällen testen. Klinisches Feedback, Kritik und Vorschläge für weitere Entwicklung werden durch strukturierte Fragebögen oder Interviews gesammelt und zur Steuerung nachfolgender Verfeinerung und klinischen Translation verwendet.