Ocena CTCA w ocenie patologii i fizjologii płytki nazębnej

PROJEKT BADANIA

1. Rekrutacja pacjentów Siedemdziesięciu pacjentów z typowymi objawami dławicy piersiowej, u których wykonano planową koronarografię wykazującą co najmniej jedną złożoną (tj. zmianę bifurkacyjną, zmianę długą, zmianę zwapniałą) zmianę obturacyjną (>70% zwężenie średnicy w koronarografii lub ułamkowa rezerwa przepływu <0,80) którzy zostaną uznani za odpowiednich do przezskórnej interwencji wieńcowej (PCI) pod kontrolą IVUS, zostaną włączeni do badania. Kryteria wykluczenia to: 1) wiek >75 lat, 2) OZW w ciągu <3 miesięcy, 2) eGFR <60ml/min/1,73m2, 3) przebyta operacja pomostowania aortalno-wieńcowego, 3) zdekompensowana niewydolność serca lub frakcja wyrzutowa lewej komory ≤30%, 4) alergia na kontrast dożylny lub niemożność przyjęcia aspiryny, heparyny lub tienopirydyny, 5) przewidywana długość życia < 1 rok, 6) przeszczep serca w wywiadzie, 7) pacjent wymagający rewaskularyzacji chirurgicznej oraz 8) rozległa choroba wieńcowa (tj. liczne przewlekłe całkowite niedrożności) lub kręta anatomia naczyń wieńcowych, która nie pozwala na ocenę tętnic wieńcowych za pomocą obrazowania NIRS-IVUS. Zrekrutowani pacjenci wyrażą świadomą zgodę i zostaną poddani obrazowaniu CTCA przy użyciu dedykowanego dwuźródłowego skanera CT trzeciej generacji (Siemens Force). Pierwsze 4 miesiące prac badawczych zostaną poświęcone optymalizacji protokołów akwizycji obrazu, tak aby uzyskane dane CTCA nadawały się do automatycznej segmentacji. Wydajne matryce obrazowania zostaną wykorzystane do poprawy rozdzielczości przestrzennej w płaszczyźnie, a jądra rekonstrukcji będą ostrzejsze, a algorytmy rekonstrukcji iteracyjnej zostaną wdrożone w celu zwiększenia segmentacji obrazu.

   Dwa tygodnie po obrazowaniu CTCA pacjenci zostaną poddani planowej PCI. Podczas PCI zostaną podjęte wysiłki w celu zbadania wszystkich 3 nasierdziowych tętnic wieńcowych – w tym zmiany zwężonej – i niektórych z ich głównych bocznych odgałęzień (tj. ) z połączonym cewnikiem NIRS-IVUS. Po PCI uczestnicy zostaną wypisani z optymalnym leczeniem.

2. Segmentacja danych obrazowych CTCA i rekonstrukcja anatomii tętnicy wieńcowej Dane obrazowe zostaną zanonimizowane i przeanalizowane bez szczegółów klinicznych przez doświadczonego operatora korzystającego z dedykowanej stacji roboczej. Anatomiczne punkty orientacyjne (tj. odgałęzienia boczne) zostaną zidentyfikowane w danych obrazowych CTCA i NIRS-IVUS i zostaną wykorzystane do zdefiniowania interesujących segmentów.

   Analiza danych CTCA zostanie przeprowadzona przy użyciu dedykowanego oprogramowania, które umożliwia automatyczną ekstrakcję środkowej linii światła naczynia, półautomatyczne wykrywanie światła i zewnętrznych granic ściany naczynia oraz ilościową ocenę obciążenia blaszką miażdżycową, a także zawiera algorytm charakteryzacji blaszki, który umożliwia automatyczną charakterystykę płytki skład płytki. Algorytm charakteryzacji blaszek bierze pod uwagę wstępnie zdefiniowane wartości odcięcia o stałym natężeniu jednostek Hounsfielda oraz podejście adaptacyjne, które umożliwia modyfikację tych wartości odcięcia zgodnie z tłumieniem obrazu. Obecnie proces segmentacji trwa średnio 3h na pacjenta. W tym projekcie badacze dążą do optymalizacji algorytmów akwizycji i segmentacji obrazu CTCA, tak aby proces ten został zautomatyzowany i skrócił czas segmentacji CTCA do <1 godziny.

3. Segmentacja danych obrazowych NIRS-IVUS i rekonstrukcja anatomii tętnicy wieńcowej Dane NIRS-IVUS przedstawiające interesujące segmenty zostaną przeanalizowane przez doświadczonego operatora, nie znającego szczegółów klinicznych i danych obrazowych CTCA, z 3-miesięczną przerwą od analiza danych CTCA za pomocą oprogramowania umożliwiającego wykrywanie światła i zewnętrznych granic ściany naczynia, ilościową ocenę obciążenia blaszką miażdżycową oraz adnotację składnika tkanki zwapniałej w IVUS. Wynikiem analizy danych obrazowania NIRS jest chemogram, który jest kolorową mapą rozmieszczenia składnika lipidowego wzdłuż ściany naczynia (żółty oznacza zwiększone prawdopodobieństwo, a czerwony niskie prawdopodobieństwo tkanki tłuszczowej). Miarą obciążenia lipidami jest wskaźnik obciążenia rdzenia lipidowego (LCBI), który jest obliczany jako ułamek żółtych pikseli odpowiadający składnikowi lipidowemu podzielony przez 1000. Dodatkowo dla każdego segmentu 2 mm generowany jest chemogram blokowy, który zawiera podsumowanie chemogramu dla tego segmentu i przedstawia prawdopodobieństwo obecności tkanki lipidowej w 2 mm bloku tętnicy wieńcowej. Chemiogram blokowy został zweryfikowany pod kątem histologii i wykazano, że umożliwia dokładne wykrywanie blaszek bogatych w lipidy.

   Segmentowane dane NIRS-IVUS zostaną wykorzystane do rekonstrukcji anatomii naczyń wieńcowych przy użyciu ustalonej i dobrze zweryfikowanej metodologii. Boczne odgałęzienia o średnicy >1,5 mm zostaną zrekonstruowane na podstawie danych angiograficznych i połączone z geometrią głównego naczynia zrekonstruowaną z NIRS-IVUS, ponieważ wykazano, że boczne rozgałęzienia wpływają na dystrybucję ESS.

4. Symulacja przepływu krwi Identyczne warunki brzegowe zostaną zastosowane zarówno do modeli opartych na IVUS, jak i CTCA. Krew będzie uważana za laminarny i nieściśliwy płyn newtonowski o lepkości dynamicznej 0,0035 Pa•s i gęstości 1050 kg/m3. Stały profil przepływu zostanie narzucony przy napływie światła, ponieważ skraca to czas obliczeń i istnieją dowody na to, że nie ma znaczącej różnicy w szacowanym ESS, gdy stosowany jest stały lub pulsacyjny profil przepływu. Teoria stałej ESS Murraya zostanie wykorzystana do wyprowadzenia warunków brzegowych w głównej i bocznej gałęzi. Ściana tętnicy zostanie uznana za sztywną, a na powierzchni światła zostaną zastosowane warunki antypoślizgowe. Szybkość przepływu zostanie oszacowana na podstawie danych angiograficznych poprzez pomiar liczby klatek wymaganych do przejścia środka kontrastowego z wlotu do wylotu zrekonstruowanego segmentu, objętości segmentu na linii podstawowej i liczby klatek na sekundę.
5. Analiza danych obrazowych NIRS-IVUS i CTCA Przewiduje się, że obrazowanie NIRS-IVUS będzie wykonywane średnio w 2,5 naczyniach na pacjenta; z tych 40 losowo wybranych naczyń zostanie wykorzystanych do trenowania algorytmów segmentacji CTCA i charakteryzacji płytek (zbiór danych treningowych), a pozostałe do celów walidacji (zbiór danych walidacyjnych).

W zbiorze treningowym interesujące segmenty zrekonstruowane z danych CTCA i NIRS-IVUS zostaną podzielone na segmenty 2 mm, a odpowiadające im segmenty 2 mm zostaną zidentyfikowane w modelach CTCA i NIRS-IVUS. Dla każdego 2-milimetrowego segmentu w modelach NIRS-IVUS zostaną oszacowane następujące wskaźniki: średnia powierzchnia światła, średnia powierzchnia zewnętrznej ściany naczynia, średnia powierzchnia blaszki, średnie obciążenie blaszką (zdefiniowane jako: 100 x powierzchnia blaszki/powierzchnia naczynia), średnia powierzchnia zwapnień , LCBI i dominujący ESS. Ponadto każdy segment zostanie sklasyfikowany jako bogaty w lipidy lub niebogaty w lipidy zgodnie ze schematem blokowym.

Podobnie w modelach CTCA średni obszar światła, obszar zewnętrznej ściany naczynia, obszar blaszki, obciążenie blaszką, obszar zwapnienia i średnia dominująca ESS zostaną oszacowane dla każdego segmentu 2 mm i porównane z oszacowaniami NIRS-IVUS. Przetestowanych zostanie kilka podejść w celu optymalizacji segmentacji granic ścian naczynia, a najlepsze zostaną przyjęte. Segmenty ze zwiększonym obciążeniem wapiennym i artefaktami wykwitów zostaną zidentyfikowane, aw przypadku znaczących różnic między adnotacjami CTCA i NIRS-IVUS, zostaną wdrożone techniki uczenia maszynowego, które wykorzystują informacje dostarczone przez NIRS-IVUS, w celu optymalizacji segmentacji CTCA. Zostaną zdefiniowane adaptacyjne wartości graniczne jednostek Hounsfielda, które najlepiej identyfikują tkankę lipidową i zwapniałą. Zostaną utworzone wykresy rozłożonych naczyń przedstawiające rozmieszczenie tkanki lipidowej w modelach CTCA, na których LCBICT zostanie oszacowany dla każdego segmentu 2 mm i porównany z wynikiem NIRS. Analiza pola powierzchni pod krzywą (AUC) zostanie wykorzystana do określenia najlepszego obciążenia płytkami na podstawie CT, wartości odcięcia LCBI i ESS, które odpowiadają wartościom odcięcia NIRS-IVUS wskazującym na płytki wysokiego ryzyka (obciążenie płytkami: 67%, LCBI: 178 i ESS: 1 Pa). Chemiogram blokowy w NIRS-IVUS zostanie wykorzystany do identyfikacji 2 mm punktu odcięcia LCBICT, który umożliwia dokładną klasyfikację segmentów 2 mm jako lipidowych lub nielipidowych. Dokładność tych punktów odcięcia zostanie przetestowana w zbiorze danych do walidacji.

Ponadto w zbiorze danych walidacyjnych dane NIRS-IVUS zostaną wykorzystane do identyfikacji zmian w tętnicach wieńcowych – zdefiniowanych jako segmenty z obciążeniem blaszką >40% w 3 kolejnych klatkach. Dla każdej zmiany zostanie oszacowany jej wskaźnik przebudowy i wykorzystany do zaklasyfikowania ich jako zmian z dodatnim lub ujemnym przemodelowaniem. Dane z NIRS-IVUS zostaną wykorzystane do scharakteryzowania ich fenotypu i sklasyfikowania ich jako: patologiczne pogrubienie błony wewnętrznej/blaszki włókniste, płytki włóknisto-wapienne, włókniaki miażdżycowe (FA) i zwapniałe włókniaki miażdżycowe. Klasyfikacja zmian chorobowych NIRS-IVUS zostanie wykorzystana jako wzorzec odniesienia w celu oceny dokładności CTCA w charakterystyce fenotypu zmian chorobowych.

ANALIZA STATYSTYCZNA - OBLICZANIE MOCY Pierwszorzędowym punktem końcowym badania jest zdolność CTCA do wykrywania FA. W badaniu Garcia-Garcia, które obejmowało 129 pacjentów poddawanych obrazowaniu IVUS pojedynczego naczynia, zidentyfikowano 1,7 zmiany na pacjenta. W badaniu Puri i wsp. 45% zmian było FA w badaniu histologicznym. W badaniu tym NIRS w połączeniu z IVUS umożliwiło wykrycie FA z doskonałą dokładnością (c-index: 0,80). Przewidujemy, że będziemy w stanie wykonać obrazowanie NIRS-IVUS w 2,5 tętnicach wieńcowych na pacjenta, a jakość obrazowania CTCA będzie optymalna u 93% badanych pacjentów. Jeśli zrekrutujemy 70 pacjentów, spodziewamy się pomyślnego przeprowadzenia badań za pomocą 162 naczyń NIRS-IVUS i CTCA, z których 120 (203 zmiany - 92 FA) zostanie wykorzystanych jako zestaw danych do walidacji. Oczekuje się, że ten zestaw danych da 80% mocy do wykazania przy użyciu 5% poziomu istotności, że czułość CTCA w identyfikacji FA nie różni się od NIRS-IVUS (AUC zakresu CTCA: 0,89-0,71), zakładając rzeczywistą czułość 0,80 dla NIRS-IVUS.

Drugorzędowymi punktami końcowymi badania są dokładność CTCA w identyfikacji: a) segmentów bogatych w lipidy (przy użyciu chemogramu blokowego NIRS-IVUS jako standardu złota) oraz b) segmentów narażonych na niskie ESS (<1 Pa, przy użyciu ESS oszacowanego w modele NIRS-IVUS jako wzorzec odniesienia).