Analiza kształtu i funkcji wypadania płatka zastawki mitralnej z wykorzystaniem sztucznej inteligencji w oparciu o ultradźwięki 3D (AI4MVP)

Niniejsze prospektywne badanie ma na celu zbadanie anatomicznych i biomechanicznych cech wypadania płatka zastawki mitralnej (MVP) przy użyciu trójwymiarowej echokardiografii w czasie rzeczywistym (RT3DEE) oraz zaawansowanych technik analizy obrazu opartych na sztucznej inteligencji (AI). Celem jest opracowanie zautomatyzowanego systemu do segmentacji i oceny morfologicznej aparatu zastawki mitralnej (MV) oraz przeprowadzenie modelowania metodą elementów skończonych (FE) w celu oceny biomechanicznych implikacji zwyrodnieniowego MVP i związanych z nim napraw chirurgicznych.

Protokół obrazowania Dooperacyjne RT3DE będzie wykonywane na sali operacyjnej jako część standardowego protokołu obrazowania podczas chirurgicznej naprawy MVP. Zostanie użyty system ultrasonograficzny Vivid S70N (GE Healthcare) wyposażony w sondę RT3DE 6VT 4D multiplane. Zostaną pozyskane standardowe śródpokarmowe widoki RT3DE, obejmujące pełne objętości komory lewej (LV) oraz powiększone, zsynchronizowane widoki 3D kompleksu zastawki mitralnej (pierścień, płatki i mięśnie brodawkowate). W celu poprawy jakości obrazu, powiększone akwizycje będą ograniczone do najmniejszej objętości piramidalnej obejmującej cały kompleks mitralny, zapewniając częstotliwość klatek ≥20 Hz. Wszystkie zbiory danych obrazowych zostaną zanonimizowane przed analizą.

Protokół chirurgiczny Chirurgiczna naprawa MVP będzie przeprowadzana w znieczuleniu ogólnym poprzez prawostronną mini-torakotomiię. Techniki chirurgiczne będą obejmować: i) resekcję płatka (usunięcie nadmiaru tkanki płatka); ii) implantację neochord (umieszczenie sztucznych chord z ekspandowanego politetrafluoroetylenu, ePTFE); iii) anuloplastykę (implantację pierścienia anuloplastyki lub taśmy osierdziowej w celu stabilizacji pierścienia).

W przypadkach, gdy znacząca ilość tkanki płatka zostanie wycięta (≥10×10 mm), próbki zostaną pobrane i przechowywane w instytucjonalnym biobanku BioCor do analizy histologicznej i morfometrycznej. Próbki zostaną zdezynfekowane, krioprezerwowane i przechowywane w temperaturze -80°C. Po ocenie histologicznej, cały materiał biologiczny zostanie zniszczony.

Zbiór danych klinicznych Dane demograficzne (np. wiek, płeć) i kliniczne (np. diagnoza, leki, choroby współistniejące) zostaną pozyskane z dokumentacji medycznej i zanonimizowane.

Szkolenie sieci neuronowej do segmentacji obrazu Zanonimizowane zbiory danych RT3DE zostaną ręcznie wysegmentowane przez doświadczonych operatorów przy użyciu zaawansowanego oprogramowania do analizy obrazu (np. 3D Slicer). Co najmniej 150 akwizycji RT3DE zostanie przetworzonych w celu wygenerowania binarnych masek pierścienia, płatków i mięśni brodawkowatych MV.

Te wysegmentowane zbiory danych zostaną użyte do wytrenowania konwolucyjnej sieci neuronowej (CNN), prawdopodobnie opartej na architekturze 3D U-Net; 70% zbiorów danych zostanie użytych jako dane treningowe, a 30% zostanie zarezerwowanych do testowania i walidacji.

CNN nauczy się automatycznie segmentować struktury MV i generować modele powierzchniowe 3D. Kluczowe cechy anatomiczne – takie jak kontur pierścienia, wolna krawędź płatka, komisury i pozycje mięśni brodawkowatych – zostaną wyodrębnione automatycznie.

Ilościowe parametry geometryczne będą obejmować powierzchnię pierścienia, obwód, średnicę przednio-tylną, szerokość komisuralną, wysokość i eliptyczność pierścienia, wymiary płatków, strefy koaptacji oraz zakres wybrzuszenia.

Analiza FE Pacjento-specyficzne modele 3D zastawki mitralnej zostaną zrekonstruowane z wysegmentowanych danych RT3DE. Modele te zostaną poddane wygładzaniu i ponownemu siatkowaniu w celu wygenerowania wysokiej jakości siatek do strukturalnej analizy FE. Chordae tendineae zostaną zamodelowane na podstawie ustalonych szablonów anatomicznych i dostrojone do dopasowania długości fizjologicznych. Właściwości materiałowe tkanek zostaną przypisane na podstawie opublikowanych danych eksperymentalnych.

Symulacje FE zostaną użyte do ilościowego określenia rozkładu naprężeń na płatkach MV, oceny transferu obciążenia między płatkami a mięśniami brodawkowatymi oraz oceny mechanicznych efektów interwencji chirurgicznych (np. implantacji neochord, anuloplastyki). Symulacje te mają charakter retrospektywny i eksploracyjny; nie będą wpływać na podejmowanie decyzji chirurgicznych.

Obserwacja pooperacyjna Nie jest wymagana obserwacja pooperacyjna poza standardową opieką kliniczną. Badanie koncentruje się na dooperacyjnym obrazowaniu i pobieraniu tkanek, a następnie na analizie obrazu offline i modelowaniu obliczeniowym.