좌심실 보조 중 심장 혈역학 (FlowVAD)

1. 배경

   최근에는 기계식 순환 보조 장치인 HeartMate 3(HM3)(Abbott Laboratories, Lake Forest, IL)의 사용이 진행성 심부전에 대한 순환 보조 분야에서 큰 주목을 받아 왔습니다. 향상된 혈액적합성을 포함하여 HM3의 실질적인 장점은 이전 제품에 비해 혈전색전증 발생 감소 및 생존율 향상으로 이어집니다. HM3로의 전환은 이 시스템이 심장 이식이나 의사 결정에 대한 가교 역할을 할 가능성이 있을 뿐만 아니라 효과적인 대상 치료법으로 점점 더 논의되고 있기 때문에 특히 주목할 만합니다. 이러한 발전에도 불구하고 기계적 순환 지원 치료 전반에 걸쳐 세심한 혈역학 모니터링이 필수적입니다. 전통적으로 심장초음파검사는 혈역학적 영상 기법으로 주로 사용되어 왔습니다. 그러나 이러한 환자의 심장초음파 평가는 특히 펌프 금속의 그림자와 관련하여 주목할만한 과제를 제시하므로 치료 중 심장 기능과 혈역학을 완전히 이해하기 어렵습니다.

   지난 10년 동안 컴퓨터 단층촬영(CT)은 급속한 발전을 이루었으며 현대 장비를 통해 심장 주기 전반에 걸쳐 심장의 고해상도 해부학적 영상 촬영이 가능해졌습니다(4D CT). 그러나 최근까지 CT는 심각한 금속 인공물로 인해 기계적 순환 보조 장치를 사용하는 환자를 검사하는 데에도 어려움을 겪었습니다. 그러나 새로 도입된 광자계수 컴퓨터 단층촬영(PC-CT)을 사용하면 이제 금속 인공물을 줄이면서 더 높은 해상도의 이미지를 생성하는 스캔이 가능해졌습니다. 시간 분해 CT로부터 기능적 정보가 연속적으로 도출되고 추출될 수 있습니다. 유체 역학 방정식을 수치적으로 풀기 위한 전산 역학의 활용과 함께 심장 주기 전반에 걸쳐 심장 벽 운동을 자동 추적하는 기술이 이전에 나타났으며, 이는 심장 내 혈역학 맵 시뮬레이션을 가능하게 하는 것으로 입증되었습니다.

   기계적 순환 보조 장치를 이용한 치료에 대한 적응증이 증가함에 따라 지속적으로 개선된 치료 품질과 이 치료 옵션에 대한 임상적 이해에 대한 현재의 요구가 강조되고 있습니다. 치료가 예후와 삶의 질을 모두 향상시키더라도 심각하고 치명적인 합병증은 여전히 ​​재발됩니다. 연구자들이 아는 한, 기계적 순환 보조 장치를 사용하는 환자에게 새로운 PC-CT의 잠재적 적용을 다루는 연구는 아직 수행되지 않았으며, 계산, 시각화를 시도하기 위해 이 데이터에 대한 수치 프레임워크를 확립한 연구도 확실히 없습니다. , 치료 중 심장 내 혈역학을 탐색적으로 이해합니다.

   1.2 목적

   1.2.1 목표

   이 관찰 연구의 목적은 스웨덴 남동부 의료 지역에서 HeartMate 3 치료를 진행 중인 환자의 심장 내 구조와 혈역학을 탐구적으로 조사하는 것입니다.

   1.2.2 기본과학적 질문

   HeartMate 3 좌심실 보조 장치의 다양한 흐름 수준이 심장 내 구조와 혈역학에 어떤 영향을 미치나요?

2. 행동 양식

2.1 연구 설계

이 연구는 탐색적 분석(다중) 단면 설계를 가지고 있습니다. 이 연구는 부분적으로 미리 정해진 가설 없이 데이터 내에서 새로운 통찰력, 패턴 및 연관성을 밝히려고 합니다. 또한 이 연구에서는 변수 간의 관계나 연관성을 조사하여 데이터에서 의미 있는 결론을 도출합니다. 이 연구에서는 피험자의 장치 설정이 달라지는 변수에 대한 세 가지 뚜렷한 관찰을 조사할 것입니다. 그러나 이러한 관찰은 각각 약 15분 간격으로 가까운 시간적으로 근접하게 실행됩니다. 따라서 이 연구는 다중 횡단면 연구 설계 기준을 완전히 따르지는 않지만 전통적인 일회성 횡단면 접근 방식에도 부합하지 않습니다.

2.2 전체 설정

참여하는 연구 대상자는 한 세션에서 세 번의 후속 PC-CT 스캔과 특정 심초음파 영상을 모두 받아야 합니다. 연구 대상의 HM3는 이러한 이미지 컬렉션 사이의 펌프 흐름의 변화를 허용하는 소프트웨어에 연결됩니다. 모든 검사는 스웨덴 린셰핑 대학교의 의료 영상 과학 및 시각화 센터(CMIV)에서 수행됩니다. 연구 내 모집 및 시험은 2023년 1월부터 12월까지 진행됩니다. 본 연구는 스웨덴 윤리심사기관(참조번호: 2022-06934-01)의 승인을 받았습니다.

2.2 참가자

Östergötland, Jönköping 및 Kalmar 카운티를 포함하는 스웨덴 남동부 의료 지역 내에서 포함 기준을 충족하고 제외 기준을 충족하지 않는 모든 환자는 2023년 동안 이 연구에 참여하도록 초대됩니다. 포함 여부에 대한 심사는 Linköping University Hospital의 심장학과 내 LVAD 담당 의사가 수행합니다.

2.3 변수

연구할 변수의 지정과 관련하여 연구의 탐색적 특성과 심장 내 혈류역학 맵을 계산하기 위한 수치 프레임워크 사용 및 시간 분해 CT의 동적 기하학적 특성을 사용하는 데 내재된 복잡한 역학으로 인해 모든 연구 시작 시 변수는 사전 정의되지 않습니다. 분석이 진행되고 데이터의 전체 깊이가 분명해지면 추가 변수가 식별되고 통합될 수 있습니다. 새로 발견된 변수의 포함 또는 제외와 관련된 후속 의사 결정 프로세스는 연구 접근 방식의 투명성과 견고성을 보장하기 위해 엄격하게 문서화됩니다.

정량화된 변수는 펌프의 추정 유량(L/min), 출력(W), 맥동성 지수 및 로터 속도(rpm)와 관련하여 비교됩니다. 가능할 때마다 영상 품질을 기반으로 결과를 심장초음파 측정과 연관시키고 비교하여 방법의 타당성을 논의합니다. 의도하지 않은 교란 요인의 위험을 줄이고 편견 가능성을 최소화하기 위해 포함된 연구 주제에 관한 몇 가지 기본 데이터도 수집됩니다. 이러한 변수에는 연령(년), 성별, HM3 이식 날짜 체질량 지수(BMI, kg/m^2), 심혈관 진단 코드(ICD-10), 혈구 수(세포/μL 또는 x10^9/L), 전해질(mmol/L), 간 기능 검사(효소의 경우 U/L 또는 µkat/L, 물질의 경우 g/dL 또는 µmol/L), 젖산 탈수소효소(U/L), NT-proBNP(pg/mL 또는 ng /L) 및 프로칼시토닌(ng/mL).

2.4 데이터 소스 및 측정

2.4.1 PC-CT 검사 PCCT 검사는 CE 인증을 받은 광자 계수 컴퓨터 단층 촬영 시스템(NAETOM Alpha, Siemens Healthineer, Erlangen, Germany)을 사용하여 수행됩니다. 획득은 이미지 품질(IQ) 레벨이 70으로 설정된 120kVp에서 수행됩니다. 4개 심장 챔버 전체에 걸쳐 혼탁을 보장하기 위해 이상성 조영제 투여 프로토콜이 사용됩니다. 전체 스캔 범위는 심장 주기의 5%마다 해당하는 간격으로 다단계 재구성을 거쳐 20개의 개별 단계로 끝납니다. 획득한 CT 이미지는 해당 기관의 사진 보관 및 통신 시스템(PACS, IDS7, Sectra Medical Systems, Linköping, 스웨덴)으로 전달되었습니다.

2.4.2 분할 및 벽 움직임 추적

획득한 CT 데이터를 통해 심장내막의 움직임을 추적합니다. 이 과정에서 심장내막은 ITK-SNAP(버전 3.8.0)을 사용하여 반자동으로 윤곽이 지정됩니다. 그런 다음 Ansys SpaceClaim 버전 2019 R3(Ansys Inc, Canonsburg, PA 15317 USA)를 사용하여 형상을 개선합니다. 이후 심장내막 표면은 나머지 19개 심장 단계의 임계값 기반 분할과 정렬하기 위해 비강성 반복 폐쇄점 방법을 사용하여 재구성됩니다.

2.4.3 CFD 시뮬레이션

참가자별 심장벽 움직임을 고려하여 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 사용하여 혈류 속도, 절대 압력, 난류 운동 에너지, 혈액 정체 및 기타 잠재적인 혈역학적 변수를 도출합니다. CFD 시뮬레이션은 이전에 4D 흐름 MRI를 사용하여 검증된 프로세스를 기반으로 Ansys Fluent 버전 2019 R3을 사용하여 수행됩니다. 두 가지 심장 모델이 적용됩니다. 왼쪽 모델에는 폐정맥, 좌심방, 좌심실, HM3, 유출 이식편, 좌심실 유출관 및 오름차순 대동맥이 포함됩니다. 올바른 모델에는 상대정맥, 하대정맥, 우심방, 우심실, 우심실 유출관 및 폐동맥이 포함됩니다. 모든 개구부는 압력 개구부로 모델링되며, 유속은 심장내막의 움직임으로 인해 발생합니다.

2.4.3 펌프 변수 및 혈압

모든 개별 CT 스캔 전에 추정 유량(L/min), 전력(W), 박동 지수 및 로터 속도(rpm)는 수축기 혈압(mmHg)과 함께 HeartMate 3 시스템 모니터에서 획득됩니다. 요골 동맥의 도플러 기술을 사용합니다. 이러한 세부 정보는 프로젝트 내의 설정된 데이터 세트로 전송됩니다.

2.4.5 심장초음파검사

선택된 심장초음파 영상은 각 CT 스캔 사이에 수행됩니다. 연구에 대해 지정된 프로토콜은 이 환자 그룹을 검사하는 데 사용되는 일상적인 임상 프로토콜에서 파생되지만 연구 프로젝트에서 전체 검사의 시간 측면을 기준으로 선택됩니다. 이러한 검사에 경험이 풍부한 임상 직원이 검사를 수행합니다.

2.4.6 환자 특성

연구 대상자의 특성 변수는 연구 대상자의 의료 기록으로부터 획득됩니다. 또한, 가장 최근의 임상 혈액 검사 결과도 얻을 수 있습니다. 이러한 세부 정보는 프로젝트 내의 설정된 데이터 세트로 전송됩니다.

2.5 편견

연구의 탐색적 특성으로 인해 체계적 편견과 비체계적 편견 모두에 내재된 위험이 있습니다. 첫째, 연구의 탐색적 설계로 인해 연구할 변수가 처음에 완전히 사전 정의되지 않아 편향이 발생할 수 있습니다. 이에 대응하기 위해 새로운 변수의 포함 또는 제외를 둘러싼 의사 결정 프로세스를 꼼꼼하게 문서화하여 연구 방법론의 투명성과 견고성을 보장할 것입니다. 본 연구에서 또 다른 중요한 고려사항은 CFD 시뮬레이션의 사용입니다. 이러한 시뮬레이션은 심혈관계 내 유체 역학 모델링에 강력하지만 입력 매개변수, 경계 조건 및 사용된 수치 방법에 따른 편향에 취약합니다. 선택한 메쉬 해상도, 난류 모델 및 혈액 유변학에 대한 가정이 모두 결과에 영향을 미칠 수 있습니다. 정량화된 CFD 결과의 타당성을 강화하기 위해 이 연구의 주요 검증 시도는 심장초음파 평가를 포함시키는 것입니다. 그러나 심장초음파 영상 품질은 환자마다 다르며, 이로 인해 그 자체로 편향이 발생하고 CFD 시뮬레이션의 적절한 검증 가능성이 손상될 수 있습니다.

2.6 연구 규모

이 프로젝트에 필요한 표본 크기를 결정하는 것은 이전에 평가된 방법이 없기 때문에 어려운 일입니다. 이러한 맥락을 고려하여 연구자들은 심장초음파 연구에서 이용 가능한 문헌을 활용하고 이로부터 펌프 설정을 기반으로 임상적으로 유의미한 차이를 도출하려고 시도했습니다. 이 연구는 해석 가능한 결과를 보장하기 위해 최대 35명의 참가자를 모집하는 것을 목표로 합니다.

2.7 통계적 방법

그룹간 비교는 2-표본 t-검정을 사용하여 수행됩니다. CFD 변수와 기하학적 매개변수와 같은 변수 간의 연관성을 평가하기 위해 선형 회귀 분석이 수행됩니다. 모든 통계 계산은 MATLAB R2021b를 사용하여 수행되며 유의 수준은 5%로 설정됩니다.