Fenotyping av venstre ventrikkel svikt med hemodynamiske biomarkører fra 4D strømnings magnetresonanstomografi (TRANSLATE)

Studien inkluderer en retrospektiv og en prospektiv arm, og tar for seg metodologisk utvikling, klinisk validering og translasjonell implementering av avanserte MRI-baserte analyseverktøy.

Innenfor den retrospektive armen vil en database med kortakse-cine balanced steady-state free precession (bSSFP)-bilder av LV hentes retrospektivt og anonymiseres før analyse. Datasettet vil bli delt inn i et treningssett (omtrent 75 % av tilfellene) og et testsett (omtrent 25 %).

For alle MRI-datasett inkludert i treningssettet, vil LV endokardiale konturer bli tegnet ut gjennom hjertesykelen, ved hjelp av semiautomatiske segmenteringsverktøy (Medviso Segment) med manuelle korreksjoner utført etter behov for å sikre nøyaktighet.

Treningsdatasettet, sammen med de tilsvarende sanne LV endokardiale segmenteringene, vil bli brukt til å trene et dyp lærings konvolusjonelt nevralt nettverk (CNN), f.eks. en ResNet-arkitektur, for automatisk tegning av LV endokardiale konturer fra kortakse-cine-bilder.

Det resterende testsettet vil bli brukt til å evaluere ytelsen til det trente CNN. Automatisk genererte LV endokardiale konturer vil bli sammenlignet med de tilsvarende manuelle segmenteringene for å måle segmenteringsnøyaktighet og robusthet.

Som en del av den prospektive armen av studien, vil innskrevne pasienter gjennomgå ikke-kontrast 4D Flow MRI-innhenting før den planlagte intervensjonen for transkateter aortaklaffutskifting (TAVR).

MRI-undersøkelser vil bli utført på en 1,5 Tesla skanner (MAGNETOM Aera, Siemens Healthcare, Erlangen, Tyskland). Standard bSSFP cine-sekvenser med retrospektiv EKG-gating vil bli brukt til å innhente kortakse- og langakse LV-visninger (skivetykkelse 8 mm, ingen mellomrom mellom skiver, 30 rekonstruerte hjartefaser). I samme avbildningsøkt vil 4D Flow MRI-data bli innhentet ved hjelp av en prototypetidsløst tredimensjonalt gradient ekko-sekvens med tretetningshastighetskoding. Et parasagittal-orientert synsfelt som dekker hele LV vil bli benyttet. Innhentinger vil bli utført under frie pust med retrospektiv EKG-utløsning og adaptiv respirasjonsgating. Skanningsparametere vil være i samsvar med 2023-oppdateringen av 4D Flow Cardiovascular Magnetic Resonance Consensus Statement. Ingen kontrastmiddel vil bli administrert. Ikke-invasivt kontinuerlig blodtrykk og relevante hemodynamiske parametere vil også bli registrert fra fingerarterietrykkbølgeformen ved hjelp av en klinisk gradert enhet (f.eks. Finapres® NOVA).

Under TAVR-prosedyren vil samtidige invasive blodtrykksmålinger bli oppnådd i stigende aorta og i LV ved hjelp av to pigtail-katetre, både før og etter klaffimplantasjon, som kreves av standard klinisk praksis under TAVR, og vil dermed ikke påvirke den kliniske arbeidsflyten.

Ingen variasjoner i profylakse- eller oppfølgingsprosedyrer forventes sammenlignet med standard klinisk praksis. Derfor er ingen ytterligere fysiske, psykologiske eller sosiale risikoer eller direkte fordeler forbundet med deltakelse i studien.

Etterbehandling av 4D Flow MRI-data vil bli utført ved hjelp av en dedikert arbeidsflyt som inkorporerer internprogramvare skrevet i Matlab (The MathWorks Inc., Natick, MA, USA), basert på tidligere erfaring. Behandlingstrinn vil inkludere korreksjon for virvelstrømmer og hastighetsalias. Intrakavitære LV-hastighetsfelt vil bli ekstrahert ved hjelp av både et internt semiautomatisk segmenteringsverktøy og det automatiserte dyp læringsbaserte LV-maskeringsverktøyet utviklet i den retrospektive armen.

Ekstraherte hastighetsfelt vil bli brukt til å evaluere LV-blodstrømenergetikk, inkludert kinetisk energi og viskøs energidissipasjon, strømkomponentinndeling, intraventrikulære trykkgradienter og intrakavitære strømmediert hemodynamiske krefter (HDF). De resulterende HDF-vektorene vil bli dekomponert i basal-apikale, septal-laterale og inferior-anteriore komponenter, og deres rotmiddelkvadrat (RMS)-verdier vil bli beregnet over hjertesykelen.

Ikke-invasivt kontinuerlig blodtrykkssignaler avledet fra fingerarteriebølgeformer vil bli kombinert med MRI-avledede LV-volumer for å estimere ikke-invasive LV trykk-volum (PV)-løkker ved hjelp av en etablert metodikk. Parallelt vil invasive LV-trykkdata innhentet under TAVR-prosedyren via pigtail-kateter bli brukt til å generere kateterbaserte PV-løkker. Ikke-invasive MRI-baserte PV-løkkeparametere vil bli kvantitativt sammenlignet med kateterbaserte målinger ved hjelp av klinisk relevante LV-indekser.

Intrakavitære trykkgradienter vil bli beregnet fra Navier-Stokes-ligningene for å utlede HDF-vektorer for hver hjertemaskinramme ved å integrere trykkgradienter over hele LV-volumet. HDF-vektorer vil bli projisert på tre ortogonale anatomiske retninger (basal-apikal, septal-lateral, inferior-anterior), og rotmiddelkvadrat (RMS)-verdier av hver komponent beregnet over hjertesykelen. Forenklede HDF-er vil bli beregnet ved hjelp av en nylig utviklet metode som ikke krever 4D Flow MRI-data, og de vil bli systematisk sammenlignet med standard 4D Flow MRI-baserte HDF-er på en pasientspesifikk basis. For valideringsformål vil både forenklede og 4D Flow-avledede HDF-er også bli sammenlignet med tilsvarende målinger oppnådd ved hjelp av prototypen HDF-verktøyet tilgjengelig i den kommersielle Medis Suite MR-programvaren.

Konvensjonelle MRI-avledede parametere rutinemessig brukt til å vurdere LV-funksjon, inkludert end-diastolisk volum, end-systolisk volum og global longitudinell strekk, vil også bli samlet inn.

Demografiske variabler (f.eks. alder og kjønn), relevante kliniske egenskaper, administrert medisinsk behandling, prosedyre TAVR-data og samtidige medisiner vil bli samlet inn og anonymisert før analyse.

Ingen oppfølgingsbesøk eller vurderinger er planlagt som en del av denne studien.

En frittstående applikasjon for intrakardiell 4D Flow MRI-analyse vil bli designet etter en inkrementell byggeutviklingsmodell. Prosessen vil fokusere på å definere systemkravspesifikasjonen (SyRS), programvarekravspesifikasjonen (SRS) og den overordnede programvarearkitekturen.

En kritisk evaluering av eksisterende toppmoderne 4D Flow MRI-arbeidsflyter brukt i klinisk forskning og av prototypeverktøy tilgjengelig i kommersiell programvare (f.eks. Medis Suite MR) vil bli utført for å identifisere styrker og begrensninger. Utvikling vil fortsette gjennom påfølgende stadier, hvor hvert stadium implementerer en spesifikk funksjonell komponent av det overordnede rammeverket.

Den frittstående applikasjonen vil bygge på eksisterende interne Matlab-baserte algoritmer, men vil bli implementert i et kompilert programmeringsspråk, noe som tillater utførelse uten å kreve forhåndsinstallert programvare på sluttbrukerens system. Utvikling vil bli støttet av en spesialisert konsulenttjeneste.

En foreløpig versjon av den frittstående applikasjonen vil gjennomgå intern testing, benchmarking og strukturert evaluering av en liten gruppe kliniske sluttbrukere med tidligere erfaring i 4D Flow MRI-forskning. Brukere vil uavhengig teste programvaren på forhåndsdefinerte brukstilfeller. Klinisk tilbakemelding, kritikk og forslag til videre utvikling vil bli samlet inn gjennom strukturerte spørreskjemaer eller intervjuer og brukt til å veilede påfølgende forbedring og klinisk oversettelse.