3D 초음파를 이용한 승모판 탈출증의 AI 기반 형태 및 기능 분석 (AI4MVP)
실시간 3D 심초음파(RT3DE)를 통한 승모판막 탈출증(MVP)의 AI 기반 형태학적 분석 및 생체역학적 수치 평가
본 연구는 실시간 3차원 경식도 심초음파(RT3DE)를 사용하여 승모판 탈출증(MVP) 분석을 위한 완전 자동화된 영상 및 모델링 파이프라인을 개발하고 검증하는 것을 목표로 합니다. 주요 목표는 승모판(MV) 하부 구조를 자동으로 분할하고 해부학적 랜드마크를 추출하며 MV 장치의 3D 모델을 생성하여 퇴행성 MVP의 형태학적 및 기능적 특성을 규명하는 것입니다. 자동화된 분석을 가능하게 하기 위해 고급 딥러닝 기술과 기하학적 처리 도구가 적용될 것입니다.
2차 목표는 RT3DE 데이터를 기반으로 환자 맞춤형 유한 요소(FE) 모델을 구축하여 MVP의 생체역학적 결과를 평가하고 수술적 수리 효과를 시뮬레이션하는 것입니다. 이러한 시뮬레이션은 MV 장치 내의 응력 분포와 힘 전달을 평가할 것입니다.
또한, MV 조직의 상당한 수술적 절제가 발생하는 경우, 절제된 판막 샘플을 수집하여 조직학적 및 형태계측 분석을 위해 보존할 것입니다.
연구 개요
상태
상세 설명
이 전향적 연구는 RT3DEE 및 고급 인공지능(AI) 기반 영상 분석 기술을 사용하여 MVP의 해부학적 및 생체역학적 특성을 조사하는 것을 목표로 합니다. 목표는 MV 장치의 분할 및 형태학적 평가를 위한 자동화된 프레임워크를 개발하고, 퇴행성 MVP 및 관련 수술적 수복의 생체역학적 함의를 평가하기 위해 FE 모델링을 수행하는 것입니다.
영상 프로토콜 수술 중 RT3DE는 수술적 MVP 수복 동안 표준 영상 프로토콜의 일부로 수술실에서 수행됩니다. 6VT 4D 다중 평면 RT3DE 프로브가 장착된 Vivid S70N 초음파 시스템(GE Healthcare)이 사용됩니다. 표준 중간 식도 RT3DE 뷰가 획득되며, 이는 완전한 좌심실(LV) 심실 용적 및 MV 복합체(환륜, 판막, 유두근)의 확대, 게이트된 3D 뷰를 포함합니다. 영상 품질을 향상시키기 위해, 확대 획득은 전체 승모판 복합체를 포착하는 가장 작은 피라미드 용적으로 제한되어 프레임 속도 ≥20 Hz를 보장합니다. 모든 영상 데이터셋은 분석 전에 익명화됩니다.
수술 프로토콜 MVP 수술적 수복은 일반 마취 하에 우측 미니 흉부 절개술을 통해 수행됩니다. 수술 기법은 다음을 포함합니다: i) 판막 절제(과도한 판막 조직 제거); ii) 신경삭 이식(팽창 폴리테트라플루오로에틸렌, ePTFE, 인공 건삭 배치); 환륜 성형술(환륜 안정화를 위한 환륜 성형술 링 또는 심막 밴드 이식).
상당한 판막 조직이 절제된 경우(≥10×10 mm), 샘플은 채취되어 조직학적 및 형태계측 분석을 위해 기관 BioCor 생물은행에 저장됩니다. 샘플은 오염 제거, 동결 보존되며 -80°C에 보관됩니다. 조직학적 평가 후, 모든 생물학적 물질은 파기됩니다.
임상 데이터 수집 인구통계학적(예: 연령, 성별) 및 임상 데이터(예: 진단, 약물, 동반 질환)는 의료 기록에서 얻어지고 익명화됩니다.
영상 분할을 위한 신경망 훈련 익명화된 RT3DE 데이터셋은 고급 영상 분석 소프트웨어(예: 3D Slicer)를 사용하여 전문 운영자가 수동으로 분할합니다. 최소 150개의 RT3DE 획득 데이터가 처리되어 MV 환륜, 판막 및 유두근의 이진 마스크를 생성합니다.
이러한 분할된 데이터셋은 컨볼루션 신경망(CNN)을 훈련하는 데 사용될 것이며, 아마도 3D U-Net 아키텍처를 기반으로 할 것입니다; 데이터셋의 70%는 훈련 데이터로 사용되고 30%는 테스트 및 검증을 위해 예약됩니다.
CNN은 MV 구조를 자동으로 분할하고 3D 표면 모델을 생성하는 방법을 학습할 것입니다. 환륜 윤곽, 판막 자유 가장자리, 판막 접합부 및 유두근 위치와 같은 주요 해부학적 특징이 자동으로 추출됩니다.
정량적 기하학적 매개변수는 환륜 면적, 둘레, 전후 직경, 판막 접합부 너비, 환륜 높이 및 타원도, 판막 치수, 밀착 영역 및 팽출 범위를 포함합니다.
FE 분석 승모판의 환자 특이적 3D 모델은 분할된 RT3DE 데이터에서 재구성됩니다. 이러한 모델은 구조적 FE 분석을 위한 고품질 메쉬를 생성하기 위해 평활화 및 재메싱을 거칩니다. 건삭은 확립된 해부학적 템플릿을 기반으로 모델링되고 생리학적 길이와 일치하도록 조정됩니다. 조직 재료 특성은 발표된 실험 데이터를 기반으로 할당됩니다.
FE 시뮬레이션은 MV 판막의 응력 분포를 정량화하고, 판막과 유두근 간의 하중 전달을 평가하며, 수술적 중재(예: 신경삭 이식, 환륜 성형술)의 기계적 효과를 평가하는 데 사용될 것입니다. 이러한 시뮬레이션은 후향적이고 탐색적이며, 수술적 의사 결정에 영향을 미치지 않습니다.
추적 관찰 표준 임상 치료를 넘어서는 수술 후 추적 관찰은 필요하지 않습니다. 이 연구는 수술 중 영상 및 조직 수집에 초점을 맞추고, 이어지는 오프라인 영상 분석 및 계산 모델링에 중점을 둡니다.
연구 유형
등록 (추정된)
연락처 및 위치
연구 연락처
- 이름: Francesco Sturla
- 전화번호: +390252774353
- 이메일: francesco.sturla@grupposandonato.it
연구 연락처 백업
- 이름: Diana Crina Benea
- 전화번호: +390252774765
- 이메일: dianacrina.benea@grupposandonato.it
연구 장소
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San Donato Milanese, 이탈리아, 20097
- 모병
- IRCCS Policlinico San Donato
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연락하다:
- Francesco Sturla
- 전화번호: +390252774353
- 이메일: francesco.sturla@grupposandonato.it
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연락하다:
- Diana Benea
- 전화번호: +390252774765
- 이메일: dianacrina.benea@grupposandonato.it
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수석 연구원:
- Francesco Sturla
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부수사관:
- Diana Crina Benea
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부수사관:
- Marco Diena
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부수사관:
- Davide Tondi
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부수사관:
- Emiliano Votta
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참여기준
자격 기준
공부할 수 있는 나이
- 성인
- 고령자
건강한 자원 봉사자를 받아들입니다
샘플링 방법
연구 인구
설명
포함 기준:
- 성인 환자 (연령 > 18세);
- 심장 팀 결정에 따라 MVP 수술적 수복이 필요한 증상성 퇴행성 MR이 문서화된 경우;
- MVP 수술적 수복 중 형태학적 평가 및 유도를 위한 임상 표준 방식인 승모판 장치의 수술 주변 경식도 3DRTE;
- 서명된 동의서.
제외 기준:
- 예를 들어 환자 특이적 음향 창이 부적절하여 3DRTE 영상의 품질이 부적절한 경우;
- 시간 해상도가 < 20 Hz인 3DRTE 영상;
- 인공 승모판막 치환술을 통해 치료받은 환자.
공부 계획
연구는 어떻게 설계됩니까?
디자인 세부사항
연구는 무엇을 측정합니까?
주요 결과 측정
결과 측정 |
측정값 설명 |
기간 |
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RT3DE를 통한 자동화된 승모판막 구조 분할 및 해부학적 랜드마크 추출의 정확도
기간: 36개월
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RT3DE에서 MV 하부 구조(전방 및 후방 판막, 승모륜, 유두근)의 AI 기반 자동 분할 정확도는 전문가 수동 분할을 기준 표준으로 사용하여 평가되며, 다음 측정값을 분석합니다: i) 다이스 유사성 계수(DSC, -); ii) 평균 표면 거리(MSD, mm); iii) 하우스도르프 거리(HD, mm).
퇴행성 승모판 탈출증과 관련된 주요 MV 해부학적 랜드마크의 AI 기반 자동 식별 정확도는 전문가 수동 주석과 비교하여 평가되며, 자동화된 랜드마크와 전문가 정의 랜드마크(륜 힌지 지점, 판막 자유 가장자리 지점, 접합선, 유두근 끝단) 간의 유클리드 거리 오차(mm)를 분석합니다. |
36개월
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2차 결과 측정
결과 측정 |
측정값 설명 |
기간 |
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MV 형태 및 기능 지표의 자동화된 정량화
기간: 36개월
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RT3DE를 통한 퇴행성 MVP의 임상적으로 중요한 형태측정 및 기능적 지표에 대한 자동화 파이프라인의 일관된 정량화 능력 - 상용 RT3DE 처리 솔루션과 비교하여 - : i) 승모판륜 치수 (투영 면적, mm²; 둘레, mm; 전후경 및 판연결부 직경, mm; 높이, mm; 타원도, -); ii) 판막 표면적 및 볼륨 팽창 (mm², mm³); 판막 탈출 높이 및 탈출 용적 (mm, mm³); 협착 길이 및 협착 면적 (mm, mm²).
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36개월
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수술적 승모판막 성형술 후 승모판막 전단의 기계적 스트레스 변화
기간: MVP 수술적 수리 후 최대 1개월
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RT3DE에서 유도된 환자별 FE MV 모델을 사용하여 외과적 MVP 수술 후 MV 판막의 기계적 스트레스 변화 평가, 퇴행성 MVP와 수술 후 상태 간의 최대 및 평균 판막 스트레스(kPa) 비교.
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MVP 수술적 수리 후 최대 1개월
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수술적 승모판 수복 후 승모판 하부 장치로의 기계적 하중 전달 변화
기간: MVP 수술적 수복 후 최대 1개월
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RT3DE에서 파생된 환자별 FE MV 모델을 사용하여 MV 수술적 수리 후 MV 하부 구조로의 기계적 하중 전달 변화 평가, 퇴행성 MVP와 수리 후 상태 간의 MV 유두근(N)으로의 힘줄 힘과 하중 전달 비교.
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MVP 수술적 수복 후 최대 1개월
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외과적 승모판막 성형술 후 승모판 유두근의 기계적 스트레스 변화
기간: MVP 수술적 수복 후 최대 1개월
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RT3DE에서 도출된 환자별 유한요소 승모판 모델을 사용하여 수술적 승모판 재건 후 승모판 유두근에 작용하는 기계적 스트레스 변화를 평가하고, 퇴행성 승모판 탈출증과 수술 후 상태 간의 최대 및 평균 스트레스(kPa)를 비교합니다.
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MVP 수술적 수복 후 최대 1개월
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외과적 승모판 수술 후 승모판 엽의 접합 변화
기간: MVP 수술적 수복 후 최대 1개월까지
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RT3DE로부터 유도된 환자 맞춤형 FE 승모판 모델을 사용한 수술적 승모판 성형술 후 승모판 판막 접합 변화 평가: 변성성 승모판 탈출증과 수술 후 상태 간 접합 길이 및 면적(mm, mm²) 비교
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MVP 수술적 수복 후 최대 1개월까지
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MVP 수술적 수리 중 절제된 승모판막 조직의 두께
기간: MVP 수술적 수복 후 최대 2주까지
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외과적 승모판막 성형술(MVP) 수리 중 실질적인 판막 절제로 인해 절제된 승모판막(MV) 조직의 두께(mm) 평가
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MVP 수술적 수복 후 최대 2주까지
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절제된 승모판 판막 조직의 점액종성 변성 정도
기간: MVP 수술적 수복 후 최대 2주까지
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MVP 수술적 교정 중 수술적으로 절제된 승모판 판막 조직의 점액양 변성 정도를 육안 및 조직형태계측으로 평가하며, 반정량적 점수(0-3)를 사용함: 0 = 없음(육안 또는 조직학적 증거 없음); 1 = 경증(제한된 국소성 점액양/프로테오글리칸 세포외기질 확장과 경도의 콜라겐 구조 이상); 2 = 중등도(확산성 또는 다발성 점액양/프로테오글리칸 확장과 중등도의 콜라겐 단편화/구조 이상 및 판막 비후); 3 = 중증(광범위/확산성 점액양 변성과 현저한 세포외기질 확장, 심한 콜라겐 파괴 및 현저한 판막 비후/과잉).
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MVP 수술적 수복 후 최대 2주까지
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절제된 점액종성 승모판 엽 조직의 구조적 조직학적 분석
기간: MVP 수술적 수복 후 최대 2주
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승모판 탈출증(MVP) 수술적 수리 중 절제된 승모판(MV) 판막 조직의 점액성 변성에 대한 정량적 조직학적 평가, 구조적 염색을 통한 콜라겐 및 엘라스틴 함량(% 조직 면적) 정량.
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MVP 수술적 수복 후 최대 2주
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공동 작업자 및 조사자
연구 기록 날짜
연구 주요 날짜
연구 시작 (실제)
기본 완료 (추정된)
연구 완료 (추정된)
연구 등록 날짜
최초 제출
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처음 게시됨 (실제)
연구 기록 업데이트
마지막 업데이트 게시됨 (실제)
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