Fenotypowanie niewydolności lewej komory przy użyciu biomarkerów hemodynamicznych z 4D Flow rezonansu magnetycznego (TRANSLATE)

Badanie obejmuje ramię retrospektywne i prospektywne, skupiając się na rozwoju metodologicznym, walidacji klinicznej oraz translacyjnej implementacji zaawansowanych narzędzi analizy opartych na MRI.

W ramach ramienia retrospektywnego, baza danych obrazów krótkoosiowych filmów bSSFP (balanced steady-state free precession) LV zostanie pozyskana retrospektywnie i anonimizowana przed analizą. Zbiór danych zostanie podzielony na zestaw treningowy (około 75% przypadków) i zestaw testowy (około 25%).

Dla wszystkich zestawów danych MRI włączonych do zestawu treningowego, kontury wsierdzia LV zostaną wyznaczone w całym cyklu serca, z wykorzystaniem półautomatycznych narzędzi segmentacji (Medviso Segment) z ręcznymi korektami w razie potrzeby w celu zapewnienia dokładności.

Zestaw treningowy wraz z odpowiadającymi mu ręcznie wyznaczonymi segmentacjami wsierdzia LV zostanie użyty do wytrenowania głębokiej sieci neuronowej konwolucyjnej (CNN), np. architektury ResNet, do automatycznego wyznaczania konturów wsierdzia LV z krótkoosiowych obrazów filmowych.

Pozostały zestaw testowy zostanie użyty do oceny wydajności wytrenowanej CNN. Automatycznie wygenerowane kontury wsierdzia LV zostaną porównane z odpowiadającymi im ręcznymi segmentacjami w celu określenia dokładności i niezawodności segmentacji.

W ramach prospektywnego ramienia badania, włączeni pacjenci przejdą niekontrastowe badanie 4D Flow MRI przed planowaną interwencją przezcewnikowej wymiany zastawki aortalnej (TAVR).

Badania MRI będą wykonywane na skanerze 1,5 Tesli (MAGNETOM Aera, Siemens Healthcare, Erlangen, Niemcy). Standardowe sekwencje filmowe bSSFP z retrospektywnym gatingiem EKG zostaną użyte do pozyskania krótko- i długoosiowych projekcji LV (grubość skanu 8 mm, brak przerw między skanami, 30 rekonstruowanych faz serca). W tej samej sesji obrazowania, dane 4D Flow MRI zostaną pozyskane przy użyciu prototypowej sekwencji gradientowej 3D z kodowaniem prędkości w trzech kierunkach. Zastosowane zostanie pole widzenia w orientacji parasagitalnej obejmujące cały LV. Akwizycje będą przeprowadzane podczas swobodnego oddychania z retrospektywnym gatingiem EKG i adaptacyjnym gatingiem oddechowym. Parametry skanowania będą zgodne z aktualizacją z 2023 roku Konsensusu 4D Flow Cardiovascular Magnetic Resonance. Środek kontrastowy nie będzie podawany. Nieinwazyjne ciągłe ciśnienie krwi i istotne parametry hemodynamiczne będą również rejestrowane z fali ciśnienia tętniczego palca przy użyciu urządzenia klinicznego (np. Finapres® NOVA).

Podczas procedury TAVR, jednoczesne inwazyjne pomiary ciśnienia krwi będą uzyskiwane w aorcie wstępującej i w LV przy użyciu dwóch cewników pigtail, zarówno przed, jak i po implantacji zastawki, zgodnie ze standardową praktyką kliniczną podczas TAVR, bez wpływu na przebieg kliniczny.

Nie przewiduje się zmian w procedurach profilaktyki lub obserwacji w porównaniu ze standardową praktyką kliniczną. Dlatego udział w badaniu nie wiąże się z dodatkowym ryzykiem fizycznym, psychicznym lub społecznym ani bezpośrednimi korzyściami.

Post-processing danych 4D Flow MRI będzie przeprowadzany przy użyciu dedykowanego workflow obejmującego oprogramowanie wewnętrzne napisane w Matlabie (The MathWorks Inc., Natick, MA, USA), opartego na wcześniejszym doświadczeniu. Kroki przetwarzania obejmą korekcję prądów wirowych i aliasingu prędkości. Pola prędkości wewnątrzjamowe LV zostaną wyodrębnione przy użyciu zarówno wewnętrznego półautomatycznego narzędzia segmentacji, jak i automatycznego narzędzia maskowania LV opartego na głębokim uczeniu opracowanego w ramieniu retrospektywnym.

Wyodrębnione pola prędkości zostaną użyte do oceny energetyki przepływu krwi w LV, w tym energii kinetycznej i dyssypacji energii lepkości, podziału na komponenty przepływu, gradientów ciśnienia wewnątrzkomorowego oraz hemodynamicznych sił przepływu (HDF) wewnątrz jamy. Wynikowe wektory HDF zostaną rozłożone na składowe podstawowo-szczytową, przegrodowo-boczną i dolno-przednią, a ich wartości skuteczne (RMS) zostaną obliczone w całym cyklu serca.

Nieinwazyjne ciągłe sygnały ciśnienia krwi pochodzące z fal tętniczych palca zostaną połączone z objętościami LV pochodzącymi z MRI w celu oszacowania nieinwazyjnych pętli ciśnienie-objętość (PV) LV przy użyciu ustalonej metodologii. Równolegle, inwazyjne dane ciśnienia LV pozyskane podczas procedury TAVR za pomocą cewnika pigtail zostaną użyte do wygenerowania pętli PV opartych na cewniku. Parametry pętli PV opartych na nieinwazyjnym MRI zostaną ilościowo porównane z pomiarami opartymi na cewniku przy użyciu klinicznie istotnych wskaźników LV.

Gradienty ciśnienia wewnątrz jamy zostaną obliczone z równań Naviera-Stokesa w celu wyprowadzenia wektorów HDF dla każdej klatki serca poprzez całkowanie gradientów ciśnienia w całej objętości LV. Wektory HDF zostaną rzutowane na trzy ortogonalne kierunki anatomiczne (podstawowo-szczytowy, przegrodowo-boczny, dolno-przedni), a wartości skuteczne (RMS) każdej składowej zostaną obliczone w całym cyklu serca. Uproszczone HDF zostaną obliczone przy użyciu niedawno opracowanej metody, która nie wymaga danych 4D Flow MRI, i będą systematycznie porównywane ze standardowymi HDF opartymi na 4D Flow MRI w ujęciu indywidualnym dla pacjenta. W celach walidacyjnych, zarówno uproszczone, jak i pochodzące z 4D Flow HDF zostaną również porównane z odpowiadającymi pomiarami uzyskanymi przy użyciu prototypowego narzędzia HDF dostępnego w komercyjnym oprogramowaniu Medis Suite MR.

Konwencjonalne parametry pochodzące z MRI rutynowo używane do oceny funkcji LV, w tym objętość końcoworozkurczowa, objętość końcowoskurczowa i globalne odkształcenie podłużne, również zostaną zebrane.

Zmienne demograficzne (np. wiek i płeć), istotne cechy kliniczne, stosowane leczenie farmakologiczne, dane proceduralne TAVR oraz leki towarzyszące zostaną zebrane i anonimizowane przed analizą.

W ramach tego badania nie planuje się wizyt kontrolnych ani ocen.

Samodzielna aplikacja do analizy wewnątrzsercowego 4D Flow MRI zostanie zaprojektowana zgodnie z przyrostowym modelem rozwoju. Proces skupi się na zdefiniowaniu specyfikacji wymagań systemowych (SyRS), specyfikacji wymagań oprogramowania (SRS) oraz ogólnej architektury oprogramowania.

Przeprowadzona zostanie krytyczna ocena istniejących zaawansowanych workflow 4D Flow MRI stosowanych w badaniach klinicznych oraz prototypowych narzędzi dostępnych w oprogramowaniu komercyjnym (np. Medis Suite MR) w celu zidentyfikowania mocnych stron i ograniczeń. Rozwój będzie postępował przez kolejne etapy, z każdym etapem implementującym konkretny komponent funkcjonalny całej struktury.

Samodzielna aplikacja będzie oparta na istniejących wewnętrznych algorytmach w Matlabie, ale zostanie zaimplementowana w skompilowanym języku programowania, umożliwiając wykonanie bez konieczności posiadania wstępnie zainstalowanego oprogramowania na systemie użytkownika końcowego. Rozwój będzie wspierany przez wyspecjalizowaną usługę konsultingową.

Wstępna wersja samodzielnej aplikacji przejdzie wewnętrzne testy, benchmarki i ustrukturyzowaną ocenę przez małą grupę klinicznych użytkowników końcowych z wcześniejszym doświadczeniem w badaniach 4D Flow MRI. Użytkownicy samodzielnie przetestują oprogramowanie na zdefiniowanych przypadkach użycia. Opinie kliniczne, krytyki i sugestie dotyczące dalszego rozwoju zostaną zebrane poprzez ustrukturyzowane kwestionariusze lub wywiady i wykorzystane do ukierunkowania dalszego udoskonalania i translacji klinicznej.