Fenotypering van Linkerventrikelfalen met Hemodynamische Biomarkers uit 4D Flow Magnetische Resonantiebeeldvorming (TRANSLATE)

De studie omvat een retrospectieve en een prospectieve arm, gericht op methodologische ontwikkeling, klinische validatie en translationele implementatie van geavanceerde op MRI gebaseerde analysetools.

Binnen de retrospectieve arm zal een database van korte-as cine balanced steady-state free precession (bSSFP) beelden van de linkerventrikel retrospectief worden opgehaald en geanonimiseerd voorafgaand aan analyse. De dataset zal worden verdeeld in een trainingsset (ongeveer 75% van de gevallen) en een testset (ongeveer 25%).

Voor alle MRI-datasets in de trainingsset zullen endocardiale contouren van de linkerventrikel worden afgebakend gedurende de hartcyclus, waarbij semi-automatische segmentatietools (Medviso Segment) worden ingezet met handmatige correcties waar nodig om nauwkeurigheid te waarborgen.

De trainingsdataset, samen met de bijbehorende grondwaarheid endocardiale segmentaties van de linkerventrikel, zal worden gebruikt om een deep learning convolutioneel neuraal netwerk (CNN), bijvoorbeeld een ResNet-architectuur, te trainen voor de automatische afbakening van endocardiale contouren van de linkerventrikel vanuit korte-as cine beelden.

De overige testset zal worden gebruikt om de prestaties van het getrainde CNN te evalueren. Automatisch gegenereerde endocardiale contouren van de linkerventrikel zullen worden vergeleken met de bijbehorende handmatige segmentaties om de segmentatienauwkeurigheid en robuustheid te benchmarken.

Als onderdeel van de prospectieve arm van de studie zullen ingeschreven patiënten een niet-contrast 4D Flow MRI-acquisitie ondergaan voorafgaand aan de geplande interventie voor transcatheter aortaklepvervanging (TAVR).

MRI-onderzoeken worden verworven op een 1.5 Tesla scanner (MAGNETOM Aera, Siemens Healthcare, Erlangen, Duitsland). Standaard bSSFP cine sequenties met retrospectieve ECG-gating zullen worden gebruikt om korte-as en lange-as beelden van de linkerventrikel te verkrijgen (snijdikte 8 mm, geen tussenruimte, 30 gereconstrueerde hartfasen). In dezelfde beeldvormingssessie zullen 4D Flow MRI-gegevens worden verworven met behulp van een prototype tijdopgeloste driedimensionale gradient echo sequentie met driedirectionele snelheidscodering. Een parasagittaal georiënteerd beeldveld dat de gehele linkerventrikel omvat, zal worden toegepast. Acquisities worden uitgevoerd tijdens spontane ademhaling met retrospectieve ECG-triggering en adaptieve respiratoire gating. Scanparameters zullen voldoen aan de 2023 update van de 4D Flow Cardiovasculaire Magnetische Resonantie Consensusverklaring. Er zal geen contrastmiddel worden toegediend. Niet-invasieve continue bloeddruk en relevante hemodynamische parameters zullen ook worden geregistreerd vanuit de vingerarteriële drukcurve met behulp van een klinisch apparaat (bijv. Finapres® NOVA).

Tijdens de TAVR-procedure zullen gelijktijdige invasieve bloeddrukmetingen worden verkregen in de aorta ascendens en in de linkerventrikel met behulp van twee pigtailkatheters, zowel voor als na klepimplantatie, zoals vereist door de standaard klinische praktijk tijdens TAVR, dus zonder impact op de klinische workflow.

Er worden geen variaties in profylaxe of follow-upprocedures verwacht in vergelijking met standaard klinische praktijk. Daarom zijn er geen extra fysieke, psychologische of sociale risico's of directe voordelen verbonden aan deelname aan de studie.

Nabewerking van 4D Flow MRI-gegevens zal worden uitgevoerd met behulp van een specifieke workflow die in-house software geschreven in Matlab (The MathWorks Inc., Natick, MA, VS) omvat, gebaseerd op eerdere ervaring. Verwerkingsstappen omvatten correctie voor wervelstromen en snelheidsaliasing. Intracavitaire snelheidsvelden van de linkerventrikel zullen worden geëxtraheerd met behulp van zowel een in-house semi-automatisch segmentatietool als de geautomatiseerde deep learning-gebaseerde LV-maskingtool ontwikkeld in de retrospectieve arm.

Geëxtraheerde snelheidsvelden zullen worden gebruikt om de energetica van de bloedstroom in de linkerventrikel te evalueren, inclusief kinetische energie en viskeuze energiedissipatie, stromingscomponentonderverdeling, intraventriculaire drukgradiënten en intracavitaire stromingsgemedieerde hemodynamische krachten (HDFs). De resulterende HDF-vectoren zullen worden ontleed in basaal-apexale, septaal-laterale en inferieur-anterieure componenten, en hun wortelgemiddelde-kwadraat (RMS) waarden zullen worden berekend over de hartcyclus.

Niet-invasieve continue bloeddruksignalen afgeleid van vingerarteriële curves zullen worden gecombineerd met MRI-afgeleide volumes van de linkerventrikel om niet-invasieve LV druk-volume (PV) lussen te schatten met behulp van een gevestigde methodologie. Parallel hieraan zullen invasieve LV-drukgegevens verkregen tijdens de TAVR-procedure via pigtailkatheter worden gebruikt om kathetergebaseerde PV-lussen te genereren. Niet-invasieve MRI-gebaseerde PV-lusparameters zullen kwantitatief worden vergeleken met kathetergebaseerde metingen met behulp van klinisch relevante LV-indices.

Intracavitaire drukgradiënten zullen worden berekend vanuit de Navier-Stokes-vergelijkingen om HDF-vectoren af te leiden voor elk hartframe door drukgradiënten te integreren over het gehele LV-volume. HDF-vectoren zullen worden geprojecteerd op drie orthogonale anatomische richtingen (basaal-apexaal, septaal-lateraal, inferieur-anterieur), en wortelgemiddelde-kwadraat (RMS) waarden van elke component worden berekend over de hartcyclus. Vereenvoudigde HDFs zullen worden berekend met behulp van een recent ontwikkelde methode die geen 4D Flow MRI-gegevens vereist en zij zullen systematisch worden vergeleken met standaard 4D Flow MRI-gebaseerde HDFs op patiëntspecifieke basis. Voor validatiedoeleinden zullen zowel vereenvoudigde als 4D Flow-afgeleide HDFs ook worden vergeleken met overeenkomstige metingen verkregen met behulp van het prototype HDF-tool beschikbaar in de commerciële Medis Suite MR-software.

Conventionele MRI-afgeleide parameters routinematig gebruikt om LV-functie te beoordelen, waaronder einddiastolisch volume, eindsystolisch volume en globale longitudinale strain, zullen ook worden verzameld.

Demografische variabelen (bijv. leeftijd en geslacht), relevante klinische kenmerken, toegediende medische therapie, procedurele TAVR-gegevens en gelijktijdige medicatie zullen worden verzameld en geanonimiseerd voorafgaand aan analyse.

Er zijn geen follow-upbezoeken of beoordelingen gepland als onderdeel van deze studie.

Een standalone applicatie voor intracardiale 4D Flow MRI-analyse zal worden ontworpen volgens een incrementeel ontwikkelmodel. Het proces zal zich richten op het definiëren van de systeemvereisten specificatie (SyRS), softwarevereisten specificatie (SRS) en de algehele softwarearchitectuur.

Een kritische evaluatie van bestaande state-of-the-art 4D Flow MRI-workflows gebruikt in klinisch onderzoek en van prototype tools beschikbaar in commerciële software (bijv. Medis Suite MR) zal worden uitgevoerd om sterke punten en beperkingen te identificeren. Ontwikkeling zal voortgaan door opeenvolgende fasen, waarbij elke fase een specifieke functionele component van het algehele raamwerk implementeert.

De standalone applicatie zal voortbouwen op bestaande in-house Matlab-gebaseerde algoritmen, maar zal worden geïmplementeerd in een gecompileerde programmeertaal, waardoor uitvoering mogelijk is zonder vooraf geïnstalleerde software op het systeem van de eindgebruiker. Ontwikkeling zal worden ondersteund door een gespecialiseerde consultancydienst.

Een voorlopige versie van de standalone applicatie zal interne testen, benchmarking en gestructureerde evaluatie ondergaan door een kleine groep klinische eindgebruikers met eerdere ervaring in 4D Flow MRI-onderzoek. Gebruikers zullen de software onafhankelijk testen op vooraf gedefinieerde use cases. Klinische feedback, kritiek en suggesties voor verdere ontwikkeling zullen worden verzameld via gestructureerde vragenlijsten of interviews en gebruikt om verdere verfijning en klinische translatie te sturen.