Cardiale hemodynamiek tijdens linkerventrikelondersteuning (FlowVAD)

1. ACHTERGROND

   De afgelopen jaren heeft het gebruik van het mechanische apparaat voor ondersteuning van de bloedsomloop, HeartMate 3 (HM3) (Abbott Laboratories, Lake Forest, IL), aanzienlijke aandacht gekregen op het gebied van ondersteuning van de bloedsomloop bij gevorderd hartfalen. De tastbare voordelen van de HM3, waaronder verbeterde hemocompatibiliteit die leidt tot minder trombo-embolische voorvallen en verbeterde overlevingspercentages in vergelijking met zijn voorgangers. De overgang naar HM3 is bijzonder opmerkelijk omdat het systeem waarschijnlijk niet alleen zal dienen als brug naar harttransplantatie of besluitvorming, maar ook steeds vaker wordt besproken als een effectieve bestemmingstherapie. Ondanks deze vooruitgang blijft het noodzakelijk om nauwgezette hemodynamische monitoring uit te voeren tijdens elke mechanische behandeling ter ondersteuning van de bloedsomloop. Traditioneel wordt echocardiografie voornamelijk gebruikt als hemodynamische beeldvormingsmodaliteit. Echocardiografische evaluaties van deze patiënten brengen echter opmerkelijke uitdagingen met zich mee, vooral wat betreft schaduwen van het metaal van de pomp, waardoor het moeilijk wordt om de hartfunctie en de hemodynamiek tijdens de behandeling volledig te begrijpen.

   De afgelopen tien jaar heeft computertomografie (CT) snelle vooruitgang geboekt, waarbij moderne apparatuur nu anatomische beeldvorming met hoge resolutie van het hart gedurende de hele hartcyclus (4D CT) mogelijk maakt. Tot voor kort vormde CT echter ook een uitdaging voor het onderzoek van patiënten met mechanische hulpmiddelen ter ondersteuning van de bloedsomloop vanwege aanzienlijke metaalartefacten. De nieuw geïntroduceerde computertomografie met fotonentelling (PC-CT) maakt nu echter scans mogelijk die beelden met een hogere resolutie opleveren met minder metaalartefacten. Uit tijdsopgeloste CT kan vervolgens functionele informatie worden afgeleid en geëxtraheerd. Er zijn eerder technieken getoond voor het automatisch volgen van de beweging van de hartwand gedurende de gehele hartcyclus, samen met het gebruik van computerdynamica om vloeistofmechanische vergelijkingen numeriek op te lossen, waarvan is bewezen dat ze simulaties van intracardiale hemodynamische kaarten mogelijk maken.

   De toenemende indicaties voor behandeling met mechanische ondersteuning van de bloedsomloop onderstrepen de huidige vraag naar voortdurend verbeterde zorgkwaliteit en klinisch begrip van deze therapeutische optie. Hoewel de behandeling zowel de prognose als de kwaliteit van leven verbetert, blijven ernstige en fatale complicaties terugkeren. Voor zover de onderzoekers weten, is er nog geen onderzoek gedaan naar de mogelijke toepassing van de nieuwe PC-CT bij patiënten met mechanische apparaten die de bloedsomloop ondersteunen, en zeker geen onderzoek dat numerieke raamwerken op basis van deze gegevens heeft opgesteld in een poging om de bloedsomloop te berekenen en te visualiseren. en de intracardiale hemodynamiek tijdens de behandeling verkennend begrijpen.

   1.2 DOELSTELLINGEN

   1.2.1 DOEL

   Het doel van deze observationele studie is om de intracardiale geometrie en hemodynamiek verkennend te onderzoeken bij patiënten met een lopende HeartMate 3-therapie in de Zweedse Zuidoost-Zweedse gezondheidszorgregio.

   1.2.2 PRIMAIRE WETENSCHAPPELIJKE VRAAG

   Hoe beïnvloeden verschillende stroomniveaus in het HeartMate 3 linkerventrikelhulpapparaat de intracardiale geometrie en hemodynamiek?

2. METHODEN

2.1 STUDIEONTWERP

Deze studie heeft een exploratief analytisch (meervoudig) cross-sectioneel ontwerp. Het onderzoek probeert nieuwe inzichten, patronen en associaties binnen de gegevens bloot te leggen, deels zonder vooraf bepaalde hypothesen. Verder onderzoekt de studie relaties of associaties tussen variabelen om betekenisvolle conclusies uit de gegevens af te leiden. De studie zal drie verschillende observaties van de variabelen onderzoeken, waarbij de apparaatinstellingen van de proefpersonen zullen variëren. Deze waarnemingen zullen echter in korte temporele nabijheid worden uitgevoerd, met tussenpozen van ongeveer 15 minuten ertussen. Hoewel het onderzoek dus niet volledig voldoet aan de criteria van een meervoudig cross-sectioneel onderzoeksontwerp, sluit het ook niet aan bij een traditionele, eenmalige cross-sectionele benadering.

2.2 ALGEMENE INSTELLING

Deelnemende proefpersonen worden opgeroepen om in één sessie drie gevolgde PC-CT-scans en bepaalde echocardiografische beeldvormingen te ondergaan. De HM3 van de proefpersoon is verbonden met software die variaties in de pompstroom tussen deze beeldcollecties mogelijk maakt. Alle onderzoeken zullen worden uitgevoerd bij het Center for Medical Image Science and Visualization (CMIV) aan de Linköping Universiteit, Zweden. Werving en examen binnen de studie zullen plaatsvinden in de periode januari-december 2023. Het onderzoek is goedgekeurd door de Zweedse ethische beoordelingsautoriteit (referentienummer: 2022-06934-01).

2.2 DEELNEMERS

Alle patiënten binnen de Zweedse zuidoostelijke gezondheidszorgregio, die de provincies Östergötland, Jönköping en Kalmar omvat, die voldoen aan de inclusiecriteria en aan geen van de uitsluitingscriteria, zullen worden uitgenodigd om in 2023 aan dit onderzoek deel te nemen. Screening voor opname wordt uitgevoerd door de LVAD-verantwoordelijke artsen binnen de afdeling Cardiologie van het Linköping Universitair Ziekenhuis.

2.3 VARIABELEN

Met betrekking tot de specificatie van variabelen die zullen worden bestudeerd, is het essentieel om te verduidelijken dat vanwege het verkennende karakter van het onderzoek en de ingewikkelde dynamiek die inherent is aan zowel het gebruik van numerieke raamwerken voor het berekenen van intracardiale hemodynamische kaarten als de dynamische geometrische aard van tijdsopgeloste CT, alle variabelen bij het begin van de studie zijn niet vooraf gedefinieerd. Naarmate de analyse vordert en de volledige diepte van de gegevens duidelijk wordt, kunnen aanvullende variabelen worden geïdentificeerd en opgenomen. Het daaropvolgende besluitvormingsproces met betrekking tot de opname of uitsluiting van deze nieuw ontdekte variabelen zal rigoureus worden gedocumenteerd om transparantie en robuustheid in de onderzoeksaanpak te garanderen.

Gekwantificeerde variabelen zullen worden vergeleken met betrekking tot het geschatte debiet (l/min), het vermogen (W), de pulsatiliteitsindex en de rotorsnelheid (tpm) van de pomp. Waar mogelijk zullen de resultaten, op basis van de beeldkwaliteit, ook worden gerelateerd aan en vergeleken met echocardiografische metingen om de validiteit van de methode te bespreken. Om het risico op onbedoelde verstorende factoren te verminderen en de kans op vertekening te minimaliseren, zullen ook verschillende basisgegevens over de opgenomen proefpersonen worden verzameld. Deze variabelen omvatten leeftijd (jaren), geslacht, HM3-implantatiedatum, body mass index (BMI, kg/m^2), en cardiovasculaire diagnostische codes (ICD-10), bloedbeeld (cellen/μl of x10^9/l), elektrolyten (mmol/L), leverfunctietesten (U/L of µkat/L voor enzymen, en g/dL of µmol/L voor stoffen), lactaatdehydrogenase (U/L), NT-proBNP (pg/mL of ng /L) en procalcitonine (ng/ml).

2.4 GEGEVENSBRONNEN EN METINGEN

2.4.1 PC-CT-ONDERZOEK PCCT-onderzoeken zullen worden uitgevoerd met behulp van een CE-gemarkeerd computertomografiesysteem met fotonentelling (NAETOM Alpha, Siemens Healthineer, Erlangen, Duitsland). De acquisities zullen worden uitgevoerd bij 120 kVp met een beeldkwaliteit (IQ) op 70. Er zal een bifasisch contrasttoedieningsprotocol worden gebruikt om opacificatie in alle vier de hartkamers te garanderen. Het gehele scanbereik zal meerfasige reconstructies ondergaan met intervallen die overeenkomen met elke 5% van de hartcyclus, met als hoogtepunt twintig verschillende fasen. Verkregen CT-beelden werden doorgegeven aan het Picture Archiving and Communication System van de instelling (PACS, IDS7, Sectra Medical Systems, Linköping, Zweden).

2.4.2 SEGMENTATIE EN WANDBEWEGINGSTRACERING

De beweging van het endocardium zal worden gevolgd op basis van de verkregen CT-gegevens. In dit proces wordt het endocardium semi-automatisch omlijnd met ITK-SNAP (versie 3.8.0). De geometrie zal vervolgens worden verfijnd met behulp van Ansys SpaceClaim versie 2019 R3 (Ansys Inc, Canonsburg, PA 15317 VS). Hierna zal het endocardiale oppervlak opnieuw worden vormgegeven met behulp van een niet-rigide iteratieve gesloten-puntmethode om uit te lijnen met op drempels gebaseerde segmentaties van de resterende 19 hartfasen.

2.4.3 CFD-SIMULATIES

Bloedstroomsnelheid, absolute druk, turbulentie-kinetische energie en bloedstasis en andere potentiële hemodynamische variabelen zullen worden afgeleid met behulp van Computational Fluid Dynamics (CFD)-simulaties, rekening houdend met de deelnemerspecifieke beweging van de hartwand. De CFD-simulaties zullen worden uitgevoerd met behulp van Ansys Fluent versie 2019 R3, gebaseerd op het proces dat eerder werd gevalideerd met behulp van 4D-flow-MRI. Er zullen twee cardiale modellen worden toegepast. Het linkermodel omvat longaders, linkerboezem, linkerventrikel, de HM3, uitstroomtransplantaat, linkerventrikeluitstroomkanaal en stijgende aorta. Het juiste model omvat de superieure vena cava, de inferieure vena cava, het rechter atrium, het rechterventrikel, het uitstroomkanaal van het rechterventrikel en de longslagader. Alle openingen worden gemodelleerd als drukopeningen, waarbij de stroomsnelheid het resultaat is van de beweging van het endocardium.

2.4.3 POMPVARIABELEN EN BLOEDDRUK

Voorafgaand aan elke individuele CT-scan worden de geschatte flow (l/min), het vermogen (W), de pulsatiliteitsindex en de rotorsnelheid (rpm) verkregen van de HeartMate 3-systeemmonitor, samen met de systolische bloeddruk (mmHg), verkregen met behulp van dopplertechnologie van de radiale slagader. Deze gegevens worden overgebracht naar een bestaande dataset binnen het project.

2.4.5 ECHOCARDIOGRAFIE

Tussen elke CT-scan wordt een geselecteerde echocardiografische beeldvorming uitgevoerd. Het gespecificeerde protocol voor het onderzoek is afgeleid van het routinematige klinische protocol dat wordt gebruikt om deze patiëntengroep te onderzoeken, maar wordt geselecteerd op basis van het tijdsaspect van het volledige onderzoek in het onderzoeksproject. Klinisch personeel met ervaring in deze onderzoeken zal de tests uitvoeren.

2.4.6 PATIËNTKENMERKEN

Karakteristieke variabelen van de proefpersonen zullen worden ontleend aan het medisch dossier van de proefpersonen. Bovendien worden de resultaten van de meest recente klinische bloedonderzoeken verkregen. Deze gegevens worden overgebracht naar een bestaande dataset binnen het project.

2.5 VOORSPAARHEID

Vanwege het verkennende karakter van het onderzoek zijn er inherente risico's van zowel systematische als niet-systematische vertekening. In de eerste plaats zijn de te onderzoeken variabelen van meet af aan niet volledig vooraf gedefinieerd vanwege de verkennende opzet van het onderzoek, wat voor vertekening kan zorgen. Om dit tegen te gaan, zal het besluitvormingsproces rondom het opnemen of uitsluiten van opkomende variabelen nauwgezet worden gedocumenteerd om transparantie en robuustheid van de onderzoeksmethodologie te garanderen. Een andere belangrijke overweging in dit onderzoek is het gebruik van CFD-simulaties. Hoewel deze simulaties krachtig zijn in het modelleren van de vloeistofdynamica binnen het cardiovasculaire systeem, zijn ze gevoelig voor vertekeningen op basis van de invoerparameters, randvoorwaarden en gebruikte numerieke methoden. De gekozen meshresolutie, turbulentiemodellen en aannames over bloedreologie kunnen allemaal de resultaten beïnvloeden. Om de validiteit van de gekwantificeerde CFD-resultaten te versterken, is een belangrijke validatiepoging in dit onderzoek het opnemen van echocardiografische beoordelingen. De echocardiografische beeldkwaliteit zal echter variëren tussen patiënten, wat op zichzelf vertekening kan veroorzaken en de mogelijkheden voor adequate validatie van de CFD-simulaties kan aantasten.

2.6 STUDIEOMVANG

Het bepalen van de vereiste steekproefomvang voor dit project is een uitdaging omdat de methode niet eerder is geëvalueerd. Gegeven deze context hebben de onderzoekers dus gebruik gemaakt van de beschikbare literatuur uit echocardiografische onderzoeken en geprobeerd hieruit klinisch significante verschillen af ​​te leiden op basis van pompinstellingen. Het doel van het onderzoek is om maximaal 35 deelnemers te rekruteren om interpreteerbare resultaten te garanderen.

2.7 STATISTISCHE METHODEN

Vergelijkingen tussen groepen zullen worden uitgevoerd met behulp van een t-test met twee steekproeven. Om de associatie tussen variabelen, zoals CFD-variabelen en geometrische parameters, te beoordelen, zal lineaire regressieanalyse worden uitgevoerd. Alle statistische berekeningen zullen worden uitgevoerd met behulp van MATLAB R2021b en het significantieniveau zal worden vastgesteld op 5%.