Анализ формы и функции пролапса митрального клапана на основе искусственного интеллекта с использованием 3D-УЗИ (AI4MVP)

Данное проспективное исследование направлено на изучение анатомических и биомеханических характеристик митральной недостаточности с использованием реального трехмерного эхокардиографического исследования и передовых методов анализа изображений на основе искусственного интеллекта. Целью является разработка автоматизированной системы для сегментации и морфологической оценки аппарата митрального клапана, а также проведение конечно-элементного моделирования для оценки биомеханических последствий дегенеративной митральной недостаточности и связанных с ней хирургических вмешательств.

Протокол визуализации. Интраоперационное реальное трехмерное эхокардиографическое исследование будет проводиться в операционной в рамках стандартного протокола визуализации во время хирургического восстановления митрального клапана. Будет использоваться ультразвуковая система Vivid S70N (GE Healthcare), оснащенная 6VT 4D мультипланарным датчиком для реального трехмерного эхокардиографического исследования. Будут получены стандартные среднепищеводные изображения реального трехмерного эхокардиографического исследования, включая полные объемы левого желудочка и увеличенные, синхронизированные 3D-виды митрального комплекса (кольцо, створки и папиллярные мышцы). Для улучшения качества изображения увеличенные съемки будут ограничены минимальным пирамидальным объемом, охватывающим весь митральный комплекс, обеспечивая частоту кадров ≥20 Гц. Все наборы данных визуализации будут обезличены перед анализом.

Хирургический протокол. Хирургическое восстановление митрального клапана будет проводиться под общей анестезией через правостороннюю мини-торакотомию. Хирургические техники будут включать: i) резекцию створки (удаление избыточной ткани створки); ii) имплантацию неохорд (установка искусственных хорд из расширенного политетрафторэтилена); аннулопластику (имплантация аннулопластического кольца или перикардиальной ленты для стабилизации кольца).

В случаях значительного иссечения ткани створки (≥10×10 мм) образцы будут собраны и сохранены в институциональном биобанке BioCor для гистологического и морфометрического анализа. Образцы будут дезинфицированы, криоконсервированы и храниться при -80°C. После гистологической оценки весь биологический материал будет уничтожен.

Сбор клинических данных. Демографические (например, возраст, пол) и клинические данные (например, диагноз, медикаменты, сопутствующие заболевания) будут получены из медицинских записей и обезличены.

Обучение нейронной сети для сегментации изображений. Обезличенные наборы данных реального трехмерного эхокардиографического исследования будут вручную сегментированы экспертами с использованием передового программного обеспечения для анализа изображений (например, 3D Slicer). Будет обработано не менее 150 записей реального трехмерного эхокардиографического исследования для создания бинарных масок кольца митрального клапана, створок и папиллярных мышц.

Эти сегментированные наборы данных будут использованы для обучения сверточной нейронной сети, вероятно, на основе архитектуры 3D U-Net; 70% наборов данных будут использоваться в качестве обучающих данных, а 30% будут зарезервированы для тестирования и валидации.

Сверточная нейронная сеть научится автоматически сегментировать структуры митрального клапана и генерировать 3D-поверхностные модели. Ключевые анатомические особенности, такие как контур кольца, свободный край створки, комиссуры и положение папиллярных мышц, будут извлекаться автоматически.

Количественные геометрические параметры будут включать площадь кольца, периметр, переднезадний диаметр, комиссуральную ширину, высоту и эллиптичность кольца, размеры створок, зоны коаптации и степень выбухания.

Конечно-элементный анализ. Пациент-специфичные 3D-модели митрального клапана будут восстановлены из сегментированных данных реального трехмерного эхокардиографического исследования. Эти модели пройдут сглаживание и ремешинг для создания высококачественных сеток для структурного конечно-элементного анализа. Хорды будут смоделированы на основе установленных анатомических шаблонов и настроены в соответствии с физиологическими длинами. Материальные свойства тканей будут назначены на основе опубликованных экспериментальных данных.

Конечно-элементное моделирование будет использоваться для количественной оценки распределения напряжений на створках митрального клапана, оценки передачи нагрузки между створками и папиллярными мышцами и оценки механических эффектов хирургических вмешательств (например, имплантации неохорд, аннулопластики). Эти симуляции являются ретроспективными и исследовательскими; они не будут влиять на принятие хирургических решений.

Наблюдение. Послеоперационное наблюдение не требуется за пределами стандартного клинического ухода. Исследование сосредоточено на интраоперационной визуализации и сборе тканей, за которыми следуют оффлайн-анализ изображений и вычислительное моделирование.