Hemodynamika serca podczas wspomagania lewej komory (FlowVAD)

1. TŁO

   W ostatnich latach zastosowanie mechanicznego urządzenia wspomagającego krążenie HeartMate 3 (HM3) (Abbott Laboratories, Lake Forest, IL) wzbudziło duże zainteresowanie w dziedzinie wspomagania krążenia w zaawansowanej niewydolności serca. Wymierne zalety HM3, w tym zwiększona hemokompatybilność prowadząca do zmniejszenia liczby zdarzeń zakrzepowo-zatorowych i poprawy wskaźników przeżycia w porównaniu do jego poprzedników. Przejście na HM3 jest szczególnie godne uwagi, ponieważ system ten nie tylko prawdopodobnie będzie służyć jako pomost do przeszczepienia serca lub podejmowania decyzji, ale jest coraz częściej omawiany jako skuteczna terapia docelowa. Pomimo tych postępów konieczne jest dokładne monitorowanie parametrów hemodynamicznych podczas każdego leczenia mechanicznego wspomagania krążenia. Tradycyjnie jako metodę obrazowania hemodynamicznego stosowano głównie echokardiografię. Jednakże ocena echokardiograficzna tych pacjentów stwarza znaczące wyzwania, szczególnie w zakresie cieni rzucanych przez metal pompy, co utrudnia pełne zrozumienie czynności serca i hemodynamiki podczas leczenia.

   W ciągu ostatniej dekady tomografia komputerowa (CT) dokonała szybkiego postępu, a nowoczesny sprzęt umożliwia obecnie obrazowanie anatomiczne serca w wysokiej rozdzielczości przez cały cykl pracy serca (4D CT). Jednak do niedawna tomografia komputerowa stanowiła również wyzwanie w badaniu pacjentów z mechanicznymi urządzeniami wspomagającymi krążenie ze względu na istotne artefakty metalowe. Jednakże nowo wprowadzona tomografia komputerowa zliczająca fotony (PC-CT) umożliwia obecnie skanowanie, które pozwala uzyskać obrazy o wyższej rozdzielczości i z mniejszą liczbą artefaktów metalicznych. Z czasowo rozdzielczej tomografii komputerowej można następnie uzyskać i wyodrębnić informacje funkcjonalne. Wcześniej wykazano techniki automatycznego śledzenia ruchu ścian serca w całym cyklu pracy serca, wraz z wykorzystaniem dynamiki obliczeniowej do numerycznego rozwiązywania równań mechanicznych płynów, co, jak udowodniono, umożliwia symulację wewnątrzsercowych map hemodynamicznych.

   Rosnąca liczba wskazań do leczenia mechanicznym wspomaganiem krążenia podkreśla obecne zapotrzebowanie na ciągłą poprawę jakości opieki i klinicznego zrozumienia tej opcji terapeutycznej. Chociaż leczenie poprawia zarówno rokowanie, jak i jakość życia, poważne i śmiertelne powikłania nadal nawracają. Według wiedzy badaczy nie przeprowadzono jeszcze żadnych badań dotyczących potencjalnego zastosowania nowatorskiej metody PC-CT u pacjentów z mechanicznymi urządzeniami wspomagającymi krążenie, a już na pewno nie przeprowadzono żadnych badań, w których ustalono ramy liczbowe na podstawie tych danych w celu obliczenia, wizualizacji i eksploracyjnego zrozumienia hemodynamiki wewnątrzsercowej podczas leczenia.

   1.2 CELE

   1.2.1 CEL

   Celem tego badania obserwacyjnego jest eksploracyjne zbadanie geometrii i hemodynamiki wewnątrzsercowej u pacjentów otrzymujących terapię HeartMate 3 w południowo-wschodnim szwedzkim regionie opieki zdrowotnej.

   1.2.2 PODSTAWOWE PYTANIE NAUKOWE

   W jaki sposób różne poziomy przepływu w urządzeniu do wspomagania lewej komory HeartMate 3 wpływają na geometrię i hemodynamikę wewnątrzsercową?

2. METODY

2.1 PROJEKT BADANIA

Niniejsze badanie ma charakter eksploracyjno-analityczny (wielokrotny) przekrojowy. Badanie ma na celu odkrycie nowych spostrzeżeń, wzorców i powiązań w danych, częściowo bez z góry ustalonych hipotez. Ponadto w badaniu badane są relacje lub powiązania między zmiennymi w celu wyciągnięcia znaczących wniosków z danych. W badaniu zbadane zostaną trzy różne obserwacje zmiennych, w przypadku których ustawienia urządzeń badanych będą się różnić. Obserwacje te będą jednak przeprowadzane w bliskiej odległości czasowej, w odstępach około 15 minut pomiędzy nimi. W związku z tym, chociaż badanie nie jest w pełni zgodne z kryteriami projektu badania wieloprzekrojowego, nie jest również zgodne z tradycyjnym podejściem przekrojowym, obejmującym jeden punkt czasowy.

2.2 USTAWIENIA OGÓLNE

Uczestnicy biorący udział w badaniu proszeni są o poddanie się trzem tomografii komputerowej i niektórym badaniom echokardiograficznym podczas jednej sesji. HM3 osoby badanej jest podłączony do oprogramowania, które umożliwia zmianę przepływu pompy pomiędzy tymi kolekcjami obrazów. Wszystkie badania zostaną przeprowadzone w Centrum Nauki o Obrazie Medycznym i Wizualizacji (CMIV) na Uniwersytecie w Linköping w Szwecji. Rekrutacja i egzamin w ramach badania odbędzie się w okresie styczeń-grudzień 2023 roku. Badanie zostało zatwierdzone przez szwedzki organ ds. kontroli etycznej (numer referencyjny: 2022-06934-01).

2.2 UCZESTNICY

Wszyscy pacjenci ze szwedzkiego południowo-wschodniego regionu opieki zdrowotnej, obejmującego hrabstwa Östergötland, Jönköping i Kalmar, którzy spełniają kryteria włączenia i żadne z kryteriów wykluczenia, zostaną zaproszeni do udziału w tym badaniu w 2023 r. Badania przesiewowe pod kątem włączenia przeprowadzają lekarze odpowiedzialni za LVAD na Oddziale Kardiologii Szpitala Uniwersyteckiego w Linköping.

2.3 ZMIENNE

Jeśli chodzi o specyfikację zmiennych, które będą badane, istotne jest wyjaśnienie, że ze względu na eksploracyjny charakter badań i złożoną dynamikę związaną zarówno ze stosowaniem ram numerycznych do obliczania wewnątrzsercowych map hemodynamicznych, jak i dynamiczną geometryczną naturą tomografii komputerowej z rozdzielczością czasową, wszystkie zmienne na początku badania nie są z góry określone. W miarę postępu analizy i ujawnienia się pełnego zakresu danych można zidentyfikować i uwzględnić dodatkowe zmienne. Późniejszy proces decyzyjny dotyczący włączenia lub wyłączenia tych nowo odkrytych zmiennych zostanie rygorystycznie udokumentowany, aby zapewnić przejrzystość i solidność podejścia badawczego.

Zmienne ilościowe zostaną porównane pod kątem szacowanego przepływu pompy (l/min), mocy (W), wskaźnika pulsacji i prędkości obrotowej wirnika (rpm). Jeśli to możliwe, w oparciu o jakość obrazu, wyniki zostaną również powiązane z pomiarami echokardiograficznymi i porównane z nimi, aby omówić ważność metody. Aby zmniejszyć ryzyko wystąpienia niezamierzonych czynników zakłócających i zminimalizować ryzyko błędu systematycznego, zebranych zostanie również kilka danych wyjściowych dotyczących uczestników badania objętych badaniem. Zmienne te obejmują wiek (lata), płeć, datę implantacji HM3, wskaźnik masy ciała (BMI, kg/m^2) i kody diagnostyczne układu sercowo-naczyniowego (ICD-10), morfologię krwi (komórki/µl lub x10^9/l), elektrolity (mmol/L), testy czynności wątroby (U/L lub µkat/L dla enzymów i g/dL lub µmol/L dla substancji), dehydrogenaza mleczanowa (U/L), NT-proBNP (pg/mL lub ng /L) i prokalcytoninę (ng/ml).

2.4 ŹRÓDŁA DANYCH I POMIARY

2.4.1 BADANIE PC-CT Badania PCCT zostaną przeprowadzone przy użyciu systemu tomografii komputerowej zliczającej fotony ze znakiem CE (NAETOM Alpha, Siemens Healthineer, Erlangen, Niemcy). Akwizycje będą realizowane przy napięciu 120 kVp i poziomie jakości obrazu (IQ) ustawionym na 70. Zastosowany zostanie protokół dwufazowego podawania kontrastu, aby zagwarantować zmętnienie we wszystkich czterech komorach serca. Cały zakres skanowania zostanie poddany wielofazowym rekonstrukcjom w odstępach odpowiadających każdym 5% cyklu serca, których kulminacją będzie 20 odrębnych faz. Uzyskane obrazy CT przekazano do instytucji do systemu archiwizacji i komunikacji obrazów (PACS, IDS7, Sectra Medical Systems, Linköping, Szwecja).

2.4.2 SEGMENTACJA I ŚLEDZENIE RUCHU ŚCIAN

Ruch wsierdzia będzie śledzony na podstawie uzyskanych danych z tomografii komputerowej. W tym procesie wsierdzie zostanie obrysowane półautomatycznie za pomocą ITK-SNAP (wersja 3.8.0). Geometria zostanie następnie udoskonalona przy użyciu oprogramowania Ansys SpaceClaim w wersji 2019 R3 (Ansys Inc, Canonsburg, PA 15317 USA). Następnie powierzchnia wsierdzia zostanie przekształcona przy użyciu niesztywnej, iteracyjnej metody punktu zamkniętego, aby dopasować ją do segmentacji opartej na progach z pozostałych 19 faz serca.

2.4.3 SYMULACJE CFD

Prędkość przepływu krwi, ciśnienie bezwzględne, energia kinetyczna turbulencji i zastój krwi oraz inne potencjalne zmienne hemodynamiczne zostaną wyprowadzone za pomocą symulacji obliczeniowej dynamiki płynów (CFD), biorąc pod uwagę ruch ścian serca specyficzny dla uczestnika. Symulacje CFD zostaną przeprowadzone przy użyciu oprogramowania Ansys Fluent w wersji 2019 R3, w oparciu o proces wcześniej zweryfikowany przy użyciu przepływowego MRI 4D. Zastosowane zostaną dwa modele serca. Lewy model będzie obejmował żyły płucne, lewy przedsionek, lewą komorę, HM3, przeszczep odpływowy, drogę odpływu lewej komory i aortę wstępującą. Właściwy model będzie obejmował żyłę główną górną, żyłę główną dolną, prawy przedsionek, prawą komorę, drogę odpływu prawej komory i tętnicę płucną. Wszystkie otwory zostaną zamodelowane jako otwory ciśnieniowe, z natężeniem przepływu wynikającym z ruchu wsierdzia.

2.4.3 ZMIENNE POMPY I CIŚNIENIE KRWI

Przed każdym indywidualnym tomografią komputerową z monitora systemu HeartMate 3 zostanie pobrany szacowany przepływ (l/min), moc (W), wskaźnik pulsacji i prędkość wirnika (rpm) wraz z uzyskanym skurczowym ciśnieniem krwi (mmHg) z wykorzystaniem technologii dopplerowskiej tętnicy promieniowej. Dane te zostaną przeniesione do ustalonego zbioru danych w ramach projektu.

2.4.5 ECHOKARDIOGRAFIA

Wybrane badania echokardiograficzne będą wykonywane pomiędzy każdym badaniem TK. Określony protokół badania wywodzi się z rutynowego protokołu klinicznego stosowanego do badania tej grupy pacjentów, ale jest wybierany na podstawie aspektu czasowego pełnego badania w projekcie badawczym. Testy przeprowadzi personel kliniczny doświadczony w przeprowadzaniu tych badań.

2.4.6 CHARAKTERYSTYKA PACJENTA

Zmienne charakterystyczne osób biorących udział w badaniach zostaną pozyskane z dokumentacji medycznej osób objętych badaniami. Ponadto zostaną uzyskane wyniki najnowszych klinicznych badań krwi. Dane te zostaną przeniesione do ustalonego zbioru danych w ramach projektu.

2.5 ODCHYLENIE

Ze względu na eksploracyjny charakter badania istnieje nieodłączne ryzyko systematycznego i niesystematycznego błędu systematycznego. Po pierwsze, zmienne podlegające badaniu nie są całkowicie z góry określone na początku ze względu na eksploracyjny projekt badania, co może wprowadzić błąd. Aby temu przeciwdziałać, proces decyzyjny dotyczący włączenia lub wyłączenia pojawiających się zmiennych będzie skrupulatnie dokumentowany, aby zapewnić przejrzystość i solidność metodologii badań. Kolejną istotną kwestią w tym badaniu jest wykorzystanie symulacji CFD. Symulacje te, choć skuteczne w modelowaniu dynamiki płynów w układzie sercowo-naczyniowym, są podatne na błędy systematyczne wynikające z parametrów wejściowych, warunków brzegowych i zastosowanych metod numerycznych. Wybrana rozdzielczość siatki, modele turbulencji i założenia dotyczące reologii krwi mogą mieć wpływ na wyniki. Aby zwiększyć wiarygodność ilościowych wyników CFD, kluczową próbą walidacji w tym badaniu jest włączenie ocen echokardiograficznych. Jednakże jakość obrazu echokardiograficznego będzie różna u poszczególnych pacjentów, co samo w sobie może wprowadzić błąd i zakłócić możliwości odpowiedniej walidacji symulacji CFD.

2.6 ROZMIAR BADANIA

Określenie wymaganej wielkości próby dla tego projektu stanowi wyzwanie, ponieważ metoda nie została wcześniej oceniona. Biorąc pod uwagę ten kontekst, badacze oparli się na dostępnej literaturze pochodzącej z badań echokardiograficznych i próbowali wyprowadzić z niej istotne klinicznie różnice w oparciu o ustawienia pompy. Celem badania jest rekrutacja maksymalnie 35 uczestników, aby zapewnić interpretowalne wyniki.

2.7 METODY STATYSTYCZNE

Porównania międzygrupowe zostaną przeprowadzone przy użyciu testu t dla dwóch próbek. Aby ocenić powiązanie między zmiennymi, takimi jak zmienne CFD i parametry geometryczne, przeprowadzona zostanie analiza regresji liniowej. Wszystkie obliczenia statystyczne zostaną wykonane przy użyciu MATLAB R2021b, a poziom istotności zostanie ustawiony na 5%.