Hjertehemodynamikk under venstre ventrikkelassistent (FlowVAD)

1. BAKGRUNN

   De siste årene har bruken av den mekaniske sirkulasjonsstøtten, HeartMate 3 (HM3) (Abbott Laboratories, Lake Forest, IL), fått betydelig oppmerksomhet innen sirkulasjonsstøtte for avansert hjertesvikt. De håndgripelige fordelene med HM3, inkludert forbedret hemokompatibilitet som fører til reduserte tromboemboliske hendelser og forbedret overlevelse sammenlignet med forgjengerne. Overgangen mot HM3 er spesielt bemerkelsesverdig ettersom systemet sannsynligvis ikke bare vil tjene som en bro til hjertetransplantasjon eller beslutningstaking, men i økende grad blir diskutert som en effektiv destinasjonsterapi. Til tross for disse fremskrittene er det fortsatt et imperativ for grundig hemodynamisk overvåking gjennom enhver mekanisk sirkulasjonsstøttebehandling. Tradisjonelt har ekkokardiografi hovedsakelig blitt brukt som den hemodynamiske avbildningsmodaliteten. Imidlertid gir ekkokardiografiske evalueringer av disse pasientene betydelige utfordringer, spesielt når det gjelder skygger fra pumpens metall, noe som gjør det vanskelig å fullt ut forstå hjertefunksjon og hemodynamikk under behandlingen.

   I løpet av det siste tiåret har computertomografi (CT) sett raske fremskritt, med moderne utstyr som nå legger til rette for høyoppløselig anatomisk avbildning av hjertet gjennom hele hjertesyklusen (4D CT). Inntil nylig utgjorde imidlertid CT også en utfordring for undersøkelsen av pasienter med mekaniske sirkulasjonsstøtteenheter på grunn av betydelige metallartefakter. Den nylig introduserte foton-telle datatomografien (PC-CT) muliggjør imidlertid nå skanninger som gir bilder med høyere oppløsning med reduserte metallartefakter. Fra tidsløst CT kan funksjonell informasjon i ettertid utledes og trekkes ut. Teknikker for automatisk sporing av hjerteveggbevegelse gjennom hele hjertesyklusen, sammen med bruk av beregningsdynamikk for å numerisk løse væskemekaniske ligninger, er tidligere vist, som har vist seg å muliggjøre simuleringer av intrakardiale hemodynamiske kart.

   De økende indikasjonene for behandling med mekanisk sirkulasjonsstøtte understreker dagens krav om kontinuerlig forbedret pleiekvalitet og klinisk forståelse av dette terapeutiske alternativet. Selv om behandlingen forbedrer både prognose og livskvalitet, er alvorlige og dødelige komplikasjoner fortsatt tilbakevendende. Så vidt etterforskerne kjenner til, har det ennå ikke vært utført forskning som tar for seg den potensielle anvendelsen av den nye PC-CT hos pasienter med mekaniske sirkulasjonsstøtteenheter, og absolutt ingen som har etablert numeriske rammer for disse dataene i et forsøk på å beregne, visualisere , og utforskende forstå intrakardial hemodynamikk under behandlingen.

   1.2 MÅL

   1.2.1 MÅL

   Målet med denne observasjonsstudien er å utforskende undersøke intrakardial geometri og hemodynamikk hos pasienter med pågående HeartMate 3-terapi i den svenske Southeast Healthcare-regionen.

   1.2.2 VITENSKAPLIG PRIMÆRSPØRSMÅL

   Hvordan påvirker ulike strømningsnivåer i HeartMate 3 venstre ventrikkel-hjelpeenhet intrakardial geometri og hemodynamikk?

2. METODER

2.1 STUDIEDESIGN

Denne studien har et utforskende analytisk (multippelt) tverrsnittsdesign. Studien søker å avdekke ny innsikt, mønstre og assosiasjoner innenfor dataene, delvis uten forhåndsbestemte hypoteser. Videre undersøker studien sammenhenger eller assosiasjoner mellom variabler for å trekke meningsfulle konklusjoner fra dataene. Studien vil undersøke tre distinkte observasjoner av variablene, der forsøkspersonenes enhetsinnstillinger vil variere. Disse observasjonene vil imidlertid bli utført i umiddelbar nærhet, med intervaller på omtrent 15 minutter mellom hver. Som sådan, mens studien ikke fullt ut samsvarer med kriteriene for et multippeltverrsnittsstudiedesign, stemmer den heller ikke overens med en tradisjonell engangs-tverrsnittstilnærming.

2.2 OVERORDNET INNSTILLING

Deltakende forskningspersoner blir bedt om å gjennomgå tre fulgte PC-CT-skanninger, samt visse ekkokardiografiske avbildninger, alt i én økt. Forskerobjektets HM3 er koblet til programvare som gir mulighet for variasjoner i pumpens flyt mellom disse bildesamlingene. Alle undersøkelser vil bli utført ved Center for Medical Image Science and Visualization (CMIV) ved Linköpings universitet, Sverige. Rekruttering og eksamen innen studiet vil gjennomgå i løpet av januar-desember 2023. Studien er godkjent av den svenske etikkvurderingsmyndigheten (Referansenummer: 2022-06934-01).

2.2 DELTAKERE

Alle pasienter i den svenske sørøstlige helseregionen, som omfatter Östergötland, Jönköping og Kalmar fylker, som oppfyller inklusjonskriteriene og ingen av eksklusjonskriteriene, vil bli invitert til å delta i denne studien i løpet av 2023. Screening for inkludering utføres av de LVAD-ansvarlige legene ved kardiologisk avdeling ved Linköpings universitetssykehus.

2.3 VARIABLER

Når det gjelder spesifikasjon av variabler som vil bli studert, er det viktig å klargjøre at på grunn av den utforskende karakteren til forskningen og den intrikate dynamikken som ligger i både bruk av numeriske rammeverk for beregning av intrakardiale hemodynamiske kart og den dynamiske geometriske karakteren til tidsløst CT, alle variabler ved studiestart er ikke forhåndsdefinert. Etter hvert som analysen skrider frem, og hele dybden av dataene blir tydelig, kan ytterligere variabler identifiseres og inkorporeres. Påfølgende beslutningsprosess knyttet til inkludering eller ekskludering av disse nyoppdagede variablene vil bli strengt dokumentert for å sikre åpenhet og robusthet i studietilnærmingen.

Kvantifiserte variabler vil bli sammenlignet med hensyn til pumpens estimerte strømning (L/min), effekt (W), pulsatilitetsindeks og rotorhastighet (rpm). Når det er mulig, basert på bildekvalitet, vil resultatene også relateres til og sammenlignes med ekkokardiografiske målinger for å diskutere validiteten til metoden. For å redusere risikoen for utilsiktede forvirrende faktorer og for å minimere potensialet for skjevhet, vil det også samles inn flere grunndata om de inkluderte forskningsemnene. Disse variablene inkluderer alder (år), kjønn, HM3 implantasjonsdato kroppsmasseindeks (BMI, kg/m^2) og kardiovaskulære diagnostiske koder (ICD-10), blodtall (celler/μL eller x10^9/L), elektrolytter (mmol/L), leverfunksjonstester (U/L eller µkat/L for enzymer, og g/dL eller µmol/L for stoffer), laktatdehydrogenase (U/L), NT-proBNP (pg/mL eller ng /L), og prokalsitonin (ng/ml).

2.4 DATAKILDER OG MÅLINGER

2.4.1 PC-CT-UNDERSØKELSE PCCT-undersøkelser vil bli utført ved bruk av et CE-merket foton-telling datatomografisystem (NAETOM Alpha, Siemens Healthineer, Erlangen, Tyskland). Oppkjøpene vil bli utført ved 120 kVp med bildekvalitetsnivåer (IQ) satt til 70. En bifasisk kontrastadministrasjonsprotokoll vil bli brukt for å garantere uklarhet på tvers av alle fire hjertekamrene. Hele skanningsområdet vil gjennomgå flerfaserekonstruksjoner med intervaller som tilsvarer hver 5 % av hjertesyklusen, og kulminerer i 20 distinkte faser. Innhentede CT-bilder ble videresendt til institusjonens bildearkiverings- og kommunikasjonssystem (PACS, IDS7, Sectra Medical Systems, Linköping, Sverige).

2.4.2 SEGMENTERING OG VEGGBEVEGELSESSPORING

Bevegelsen til endokardiet vil bli sporet fra de innhentede CT-dataene. I denne prosessen vil endokardiet halvautomatisk skisseres med ITK-SNAP (versjon 3.8.0). Geometrien vil deretter bli foredlet ved å bruke Ansys SpaceClaim versjon 2019 R3 (Ansys Inc, Canonsburg, PA 15317 USA). Etter dette vil den endokardiale overflaten omformes ved hjelp av en ikke-rigid iterativ lukket punktmetode for å tilpasse seg terskelbaserte segmenteringer fra de resterende 19 hjertefasene.

2.4.3 CFD-SIMULASJONER

Blodstrømningshastighet, absolutt trykk, kinetisk turbulensenergi og blodstase og andre potensielle hemodynamiske variabler vil bli utledet ved hjelp av Computational Fluid Dynamics (CFD) simuleringer, med tanke på deltakerspesifikke hjerteveggbevegelser. CFD-simuleringene vil bli utført ved bruk av Ansys Fluent versjon 2019 R3, basert på prosessen som tidligere er validert ved bruk av 4D flow MRI. To hjertemodeller vil bli brukt. Den venstre modellen vil inkludere lungevener, venstre atrium, venstre ventrikkel, HM3, utstrømningsgraft, venstre ventrikkelutstrømningskanal og ascendens aorta. Den riktige modellen vil inkludere superior vena cava, inferior vena cava, høyre atrium, høyre ventrikkel, høyre ventrikulær utstrømningskanal og lungearterien. Alle åpninger vil bli modellert som trykkåpninger, med strømningshastigheten et resultat av bevegelsen til endokardiet.

2.4.3 PUMPEVARIABLER OG BLODTRYKK

Før hver individuelle CT-skanning vil estimert strømning (L/min), effekt (W), pulsatilitetsindeks og rotorhastighet (rpm), hentes fra HeartMate 3 System Monitor sammen med systolisk blodtrykk (mmHg), registrert ved bruk av doppler-teknologi av den radiale arterien. Disse detaljene vil bli overført til et etablert datasett i prosjektet.

2.4.5 EKOKARDIGRAFI

Valgt ekkokardiografisk avbildning vil bli utført mellom hver CT-skanning. Den spesifiserte protokollen for studien er avledet fra den rutinemessige kliniske protokollen som brukes til å undersøke denne pasientgruppen, men velges basert på tidsaspektet for den fullstendige undersøkelsen i forskningsprosjektet. Klinisk personell med erfaring i disse undersøkelsene vil utføre testene.

2.4.6 PASIENT KARAKTERISTIKA

Karakteristiske variabler for forskningsemnene vil bli hentet fra journalen til forskningsemnene. Videre vil resultater fra de siste kliniske blodprøvene innhentes. Disse detaljene vil bli overført til et etablert datasett i prosjektet.

2.5 BIAS

På grunn av den utforskende karakteren til studien, er det iboende risikoer for både systematisk og ikke-systematisk skjevhet. For det første er variablene som skal studeres ikke helt forhåndsdefinerte i utgangspunktet på grunn av forskningens utforskende design, som kan introdusere skjevhet. For å motvirke dette vil beslutningsprosessen rundt inkludering eller ekskludering av fremvoksende variabler bli grundig dokumentert for å sikre transparens og robusthet i forskningsmetodikken. En annen viktig vurdering i denne studien er bruken av CFD-simuleringer. Disse simuleringene, selv om de er kraftige i modellering av væskedynamikk i det kardiovaskulære systemet, er mottakelige for skjevheter basert på inngangsparametrene, grensebetingelsene og numeriske metoder som brukes. Den valgte maskeoppløsningen, turbulensmodellene og antakelsene om blodreologi kan alle påvirke resultatene. For å styrke validiteten til de kvantifiserte CFD-resultatene, er et sentralt valideringsforsøk i denne studien inkludering av ekkokardiografivurderinger. Den ekkokardiografiske bildekvaliteten vil imidlertid variere mellom pasientene, noe som i seg selv kan introdusere skjevhet og svekke mulighetene for adekvat validering av CFD-simuleringene.

2.6 STUDIESTØRRELSE

Å bestemme den nødvendige utvalgsstørrelsen for dette prosjektet er en utfordring på grunn av at metoden ikke har vært tidligere evaluert. Gitt denne konteksten har etterforskerne derfor trukket på tilgjengelig litteratur fra ekkokardiografistudier og forsøkt å utlede klinisk signifikante forskjeller basert på pumpeinnstillinger fra dette. Studien har som mål å rekruttere opptil 35 deltakere for å sikre tolkbare resultater.

2.7 STATISTISKE METODER

Sammenligninger mellom grupper vil bli utført ved å bruke to-utvalgs t-test. For å vurdere sammenhengen mellom variabler, som CFD-variabler og geometriske parametere, vil det bli utført lineær regresjonsanalyse. Alle statistiske beregninger vil bli gjort ved hjelp av MATLAB R2021b og signifikansnivået settes til 5 %.