Sydämen hemodynamiikka vasemman kammion avustamisen aikana (FlowVAD)

1. TAUSTA

   Viime vuosina mekaanisen verenkiertoa tukevan laitteen HeartMate 3 (HM3) (Abbott Laboratories, Lake Forest, IL) käyttö on saanut merkittävää huomiota edenneen sydämen vajaatoiminnan tukialueella. HM3:n konkreettiset edut, mukaan lukien parantunut hemoyhteensopivuus, joka johtaa tromboembolisten tapahtumien vähenemiseen ja parantuneeseen eloonjäämisasteeseen verrattuna edeltäjiinsä. Siirtyminen kohti HM3:a on erityisen huomionarvoinen, koska järjestelmä ei todennäköisesti toimi vain siltana sydämensiirtoon tai päätöksentekoon, vaan siitä keskustellaan yhä enemmän tehokkaana kohdeterapiana. Näistä edistysaskelista huolimatta huolellinen hemodynaaminen seuranta on edelleen välttämätöntä kaiken mekaanisen verenkiertoa tukevan hoidon ajan. Perinteisesti kaikukardiografiaa on käytetty pääasiassa hemodynaamisena kuvantamismenetelmänä. Näiden potilaiden kaikukardiografiset arvioinnit aiheuttavat kuitenkin merkittäviä haasteita, erityisesti pumpun metallin varjojen suhteen, mikä vaikeuttaa sydämen toiminnan ja hemodynamiikan täydellistä ymmärtämistä hoidon aikana.

   Viime vuosikymmenen aikana tietokonetomografia (CT) on kehittynyt nopeasti, ja nykyaikaiset laitteet mahdollistavat nyt korkearesoluutioisen sydämen anatomisen kuvantamisen koko sydämen syklin ajan (4D CT). Viime aikoihin asti TT oli kuitenkin haasteena myös potilaiden tutkimuksessa mekaanisilla verenkiertoa tukevilla laitteilla merkittävien metalliesineiden vuoksi. Äskettäin esitelty fotoneja laskeva tietokonetomografia (PC-CT) mahdollistaa nyt skannaukset, jotka tuottavat korkeamman resoluution kuvia, joissa on vähemmän metalliesineitä. Aikaerotetusta CT:stä voidaan myöhemmin johtaa ja poimia toiminnallista tietoa. Aiemmin on esitetty tekniikoita sydämen seinämän liikkeen automaattiseen seurantaan koko sydämen syklin ajan sekä laskennallisen dynamiikan hyödyntäminen nestemekaanisten yhtälöiden numeerisessa ratkaisemisessa, mikä on osoittautunut mahdollistavan sydämensisäisten hemodynaamisten karttojen simuloinnin.

   Kasvavat käyttöaiheet hoitoon mekaanisella verenkiertotuella korostavat nykyistä tarvetta parantaa jatkuvasti hoidon laatua ja kliinistä ymmärrystä tästä hoitovaihtoehdosta. Vaikka hoito parantaa sekä ennustetta että elämänlaatua, vakavat ja kuolemaan johtaneet komplikaatiot jatkuvat toistuvasti. Tutkijoiden tietojen mukaan ei ole vielä tehty tutkimusta uuden PC-CT:n mahdollisesta soveltamisesta potilaille, joilla on mekaaniset verenkiertoa tukevat laitteet, eikä varmasti ole yhtään tutkimusta, joka olisi luonut näille tiedoille numeerisia viitteitä yrittäessään laskea, visualisoida. ja ymmärtää tutkivasti intrakardiaalista hemodynamiikkaa hoidon aikana.

   1.2 TAVOITTEET

   1.2.1 TAVOITE

   Tämän havainnointitutkimuksen tavoitteena on tutkia sydämensisäistä geometriaa ja hemodynamiikkaa potilailla, joilla on meneillään HeartMate 3 -hoito Ruotsin kaakkoisterveydenhuollon alueella.

   1.2.2 TIETEELLINEN KYSYMYS

   Miten HeartMate 3:n vasemman kammion apulaitteen erilaiset virtaustasot vaikuttavat sydämensisäiseen geometriaan ja hemodynamiikkaan?

2. MENETELMÄT

2.1 TUTKIMUSSUUNNITTELU

Tällä tutkimuksella on tutkiva analyyttinen (useita) poikkileikkaussuunnittelu. Tutkimus pyrkii paljastamaan uusia oivalluksia, malleja ja assosiaatioita tiedoista, osittain ilman ennalta määritettyjä hypoteeseja. Lisäksi tutkimuksessa tutkitaan muuttujien välisiä suhteita tai assosiaatioita mielekkäiden johtopäätösten tekemiseksi tiedoista. Tutkimuksessa tarkastellaan kolmea erilaista havaintoa muuttujista, joissa koehenkilöiden laiteasetukset vaihtelevat. Nämä havainnot suoritetaan kuitenkin ajallisesti lähekkäin, noin 15 minuutin välein. Sellaisenaan vaikka tutkimus ei täysin vastaa usean poikkileikkaustutkimuksen suunnittelun kriteerejä, se ei myöskään ole linjassa perinteisen yhden pisteen poikkileikkausmenetelmän kanssa.

2.2 YLEINEN ASETUS

Osallistuvia tutkimushenkilöitä pyydetään suorittamaan kolme seurattua PC-CT-skannausta sekä tiettyjä kaikukardiografiakuvauksia, kaikki yhdessä istunnossa. Tutkittavan HM3 on yhdistetty ohjelmistoon, joka mahdollistaa vaihtelut pumpun virtauksessa näiden kuvakokoelmien välillä. Kaikki tutkimukset tehdään Linköpingin yliopiston lääketieteellisen kuvatieteen ja visualisoinnin keskuskeskuksessa (CMIV). Rekrytointi ja tutkinto tutkimuksessa suoritetaan tammi-joulukuun 2023 aikana. Tutkimuksen on hyväksynyt Ruotsin eettinen arviointiviranomainen (viitenumero: 2022-06934-01).

2.2 OSALLISTUJAT

Kaikki potilaat Ruotsin Kaakkois-terveydenhuollon alueella, mukaan lukien Östergötlandin, Jönköpingin ja Kalmarin maakunnat, jotka täyttävät mukaanottokriteerit eivätkä mitkään poissulkemiskriteerit, kutsutaan osallistumaan tähän tutkimukseen vuoden 2023 aikana. Inkluusioseulonnan suorittavat LVAD-vastaavat lääkärit Linköpingin yliopistollisen sairaalan kardiologian osastolla.

2.3 MUUTTUJAT

Mitä tulee tutkittavien muuttujien määrittelyyn, on olennaista selventää, että johtuen tutkimuksen tutkivasta luonteesta ja monimutkaisesta dynamiikasta, joka on luontainen sekä numeeristen viitekehysten käytölle sydämensisäisten hemodynaamisten karttojen laskemiseen että aikaresoluution TT:n dynaamiseen geometriseen luonteeseen, kaikki muuttujia tutkimuksen alkaessa ei ole ennalta määritetty. Analyysin edetessä ja tietojen koko syvyys tulee ilmi, lisämuuttujia voidaan tunnistaa ja sisällyttää. Myöhempi päätöksentekoprosessi, joka liittyy näiden äskettäin löydettyjen muuttujien sisällyttämiseen tai poissulkemiseen, dokumentoidaan tarkasti, jotta varmistetaan tutkimuslähestymistavan avoimuus ja vankkaus.

Kvantifioituja muuttujia verrataan suhteessa pumpun arvioituun virtaukseen (L/min), tehoon (W), pulsiteettiindeksiin ja roottorin nopeuteen (rpm). Aina kun mahdollista, kuvanlaadun perusteella tuloksia myös verrataan ja verrataan kaikukardiografisiin mittauksiin menetelmän pätevyyden selvittämiseksi. Ei-toivottujen häiritsevien tekijöiden riskin pienentämiseksi ja harhamahdollisuuden minimoimiseksi kerätään myös useita perustietoja mukana olevista tutkimuskohteista. Näitä muuttujia ovat ikä (vuodet), sukupuoli, HM3-istutuspäivän kehon massaindeksi (BMI, kg/m^2) ja sydän- ja verisuonijärjestelmän diagnostiset koodit (ICD-10), verenkuva (solut/μl tai x10^9/l), elektrolyytit (mmol/L), maksan toimintakokeet (U/L tai µkat/L entsyymeille ja g/dl tai µmol/L aineille), laktaattidehydrogenaasi (U/L), NT-proBNP (pg/ml tai ng /L) ja prokalsitoniini (ng/ml).

2.4 TIETOLÄHTEET JA MITTAUKSET

2.4.1 PC-CT-TUTKIMUS PCCT-tutkimukset suoritetaan käyttämällä CE-merkittyä fotoneja laskevaa tietokonetomografiajärjestelmää (NAETOM Alpha, Siemens Healthineer, Erlangen, Saksa). Hankinnat toteutetaan 120 kVp:n taajuudella ja kuvanlaadun (IQ) tasolle 70. Kaksivaiheista kontrastinantoprotokollaa käytetään takaamaan opasiteetti kaikissa neljässä sydämen kammiossa. Koko skannausalueelle tehdään monivaiheiset rekonstruktiot välein, joka vastaa jokaista 5 % sydämen syklistä, mikä huipentuu 20 erilliseen vaiheeseen. Hankitut CT-kuvat välitettiin laitoksen kuvien arkistointi- ja viestintäjärjestelmään (PACS, IDS7, Sectra Medical Systems, Linköping, Ruotsi).

2.4.2 SEGMENTOINTI JA SEINÄN LIIKKEESEURANTA

Endokardiumin liikettä seurataan hankituista CT-tiedoista. Tässä prosessissa sydänlihaksen ääriviivat piirretään puoliautomaattisesti ITK-SNAP:lla (versio 3.8.0). Geometriaa hiotaan sitten käyttämällä Ansys SpaceClaim -versiota 2019 R3 (Ansys Inc, Canonsburg, PA 15317 USA). Tämän jälkeen endokardiaalinen pinta muotoillaan uudelleen käyttämällä ei-jäykkää iteratiivista suljetun pisteen menetelmää linjaamaan kynnyspohjaisten segmenttien kanssa jäljellä olevista 19 sydämen vaiheesta.

2.4.3 CFD-SImulaatiot

Veren virtausnopeus, absoluuttinen paine, turbulenssin kineettinen energia ja veren staasi ja muut mahdolliset hemodynaamiset muuttujat johdetaan Computational Fluid Dynamics (CFD) -simulaatioilla ottaen huomioon osallistujakohtaisen sydämen seinämän liikkeen. CFD-simulaatiot suoritetaan Ansys Fluent -versiolla 2019 R3, joka perustuu aiemmin 4D-virtaus-MRI:llä validoituun prosessiin. Käytetään kahta sydänmallia. Vasen malli sisältää keuhkolaskimot, vasemman eteisen, vasemman kammion, HM3:n, ulosvirtaussiirteen, vasemman kammion ulosvirtauskanavan ja nousevan aortan. Oikeaan malliin kuuluvat yläonttolaskimo, inferiori onttolaskimo, oikea eteinen, oikea kammio, oikean kammion ulosvirtauskanava ja keuhkovaltimo. Kaikki aukot mallinnetaan paineaukoiksi, jolloin virtausnopeus johtuu endokardiumin liikkeestä.

2.4.3 PUMPPUMUUTTUJAT JA VERENPAINE

Ennen jokaista yksittäistä TT-skannausta arvioitu virtaus (L/min), teho (W), sykeindeksi ja roottorin nopeus (rpm) saadaan HeartMate 3 -järjestelmämonitorista yhdessä systolisen verenpaineen (mmHg) kanssa. käyttämällä säteittäisen valtimon doppler-tekniikkaa. Nämä tiedot siirretään projektin aikana muodostettuun tietojoukkoon.

2.4.5 KEHOKARDIOGRAFIA

Jokaisen TT-skannauksen välillä tehdään valittu kaikukuvaus. Määritelty tutkimuksen protokolla on johdettu tämän potilasryhmän tutkimiseen käytetystä rutiininomaisesta kliinisestä protokollasta, mutta se valitaan tutkimusprojektin täyden tutkimuksen aikanäkökohdan perusteella. Näistä tutkimuksista kokenut kliininen henkilökunta suorittaa testit.

2.4.6 POTILAS OMINAISUUDET

Tutkittavien luonteenomaiset muuttujat saadaan tutkittavien potilastiedot. Lisäksi saadaan tulokset viimeisimmistä kliinisistä verikokeista. Nämä tiedot siirretään projektin aikana muodostettuun tietojoukkoon.

2.5 BIAS

Tutkimuksen luonteesta johtuen sekä systemaattisesta että ei-systeemisestä harhasta on luontaisia ​​riskejä. Ensinnäkin tutkittavat muuttujat eivät ole alussa täysin ennalta määriteltyjä tutkimuksen tutkimuksellisen suunnittelun vuoksi, mikä voi aiheuttaa harhaa. Tämän torjumiseksi syntyvien muuttujien sisällyttämiseen tai poissulkemiseen liittyvä päätöksentekoprosessi dokumentoidaan huolellisesti, jotta varmistetaan tutkimusmetodologian avoimuus ja vankkaus. Toinen tärkeä näkökohta tässä tutkimuksessa on CFD-simulaatioiden käyttö. Vaikka nämä simulaatiot ovatkin tehokkaita nestedynamiikan mallintamisessa sydän- ja verisuonijärjestelmässä, ne ovat alttiita syöttöparametreihin, reunaehtoihin ja käytettyihin numeerisiin menetelmiin perustuville harhoille. Valittu mesh-resoluutio, turbulenssimallit ja oletukset veren reologiasta voivat kaikki vaikuttaa tuloksiin. Kvantifioitujen CFD-tulosten validiteetin vahvistamiseksi keskeinen validointiyritys tässä tutkimuksessa on kaikukardiografiaarviointien sisällyttäminen. Kuitenkin kaikukardiografisen kuvan laatu vaihtelee potilaiden välillä, mikä sinänsä voi aiheuttaa harhaa ja heikentää mahdollisuuksia CFD-simulaatioiden riittävään validointiin.

2.6 TUTKIMUKSEN KOKO

Tämän projektin tarvittavan otoskoon määrittäminen on haaste, koska menetelmää ei ole arvioitu aiemmin. Tässä yhteydessä tutkijat ovat siis hyödyntäneet saatavilla olevaa kirjallisuutta kaikukardiografiatutkimuksista ja yrittäneet johtaa kliinisesti merkittäviä eroja pumpun asetusten perusteella. Tutkimuksen tavoitteena on saada mukaan jopa 35 osallistujaa tulkittavien tulosten varmistamiseksi.

2.7 TILASTOTIEDOT

Ryhmien väliset vertailut suoritetaan käyttämällä kahden otoksen t-testiä. Muuttujien, kuten CFD-muuttujien ja geometristen parametrien välisen yhteyden arvioimiseksi suoritetaan lineaarinen regressioanalyysi. Kaikki tilastolliset laskelmat tehdään MATLAB R2021b:llä ja merkitsevyystasoksi asetetaan 5 %.