Фенотипирование недостаточности левого желудочка с использованием гемодинамических биомаркеров на основе 4D-потоковой магнитно-резонансной томографии (TRANSLATE)

Исследование включает ретроспективное и проспективное направления, охватывающие методологическую разработку, клиническую валидацию и трансляционную имплементацию продвинутых инструментов анализа на основе МРТ.

В рамках ретроспективного направления база данных короткоосевых кино-изображений сбалансированного стационарного свободного прецессионного сигнала (bSSFP) левого желудочка будет ретроспективно извлечена и анонимизирована перед анализом. Набор данных будет разделен на обучающую выборку (примерно 75% случаев) и тестовую выборку (примерно 25%).

Для всех наборов данных МРТ, включенных в обучающую выборку, эндокардиальные контуры левого желудочка будут очерчены на протяжении всего сердечного цикла с использованием полуавтоматических инструментов сегментации (Medviso Segment) с ручными коррекциями, применяемыми по мере необходимости для обеспечения точности.

Обучающий набор данных вместе с соответствующими эталонными эндокардиальными сегментациями левого желудочка будет использоваться для обучения глубокой сверточной нейронной сети (CNN), например, архитектуры ResNet, для автоматического очерчивания эндокардиальных контуров левого желудочка из короткоосевых кино-изображений.

Оставшаяся тестовая выборка будет использоваться для оценки производительности обученной CNN. Автоматически сгенерированные эндокардиальные контуры левого желудочка будут сравниваться с соответствующими ручными сегментациями для оценки точности и надежности сегментации.

В рамках проспективного направления исследования включенные пациенты будут проходить неконтрастную 4D Flow МРТ до запланированного вмешательства по транскатетерной имплантации аортального клапана (TAVR).

МРТ-исследования будут выполняться на сканере 1,5 Тесла (MAGNETOM Aera, Siemens Healthcare, Эрланген, Германия). Стандартные кино-последовательности bSSFP с ретроспективной ЭКГ-синхронизацией будут использоваться для получения короткоосевых и длинноосевых изображений левого желудочка (толщина среза 8 мм, без промежутков между срезами, 30 реконструированных сердечных фаз). В той же сессии визуализации данные 4D Flow МРТ будут получены с использованием прототипной временно-разрешенной трехмерной градиент-эхо последовательности с трехнаправленным кодированием скорости. Будет использовано парасагиттально ориентированное поле зрения, охватывающее весь левый желудочек. Сканирование будет проводиться при свободном дыхании с ретроспективной ЭКГ-синхронизацией и адаптивной респираторной синхронизацией. Параметры сканирования будут соответствовать обновлению 2023 года Консенсусного заявления по 4D Flow сердечно-сосудистой магнитно-резонансной томографии. Контрастное вещество вводиться не будет. Неинвазивное непрерывное артериальное давление и соответствующие гемодинамические параметры также будут регистрироваться по артериальной волне давления на пальце с использованием клинического устройства (например, Finapres® NOVA).

Во время процедуры TAVR будут одновременно проводиться инвазивные измерения артериального давления в восходящей аорте и в левом желудочке с использованием двух катетеров типа «пигтейл», как до, так и после имплантации клапана, в соответствии со стандартной клинической практикой при TAVR, таким образом не влияя на клинический рабочий процесс.

По сравнению со стандартной клинической практикой не ожидается изменений в процедурах профилактики или последующего наблюдения. Следовательно, участие в исследовании не связано с дополнительными физическими, психологическими или социальными рисками или прямыми преимуществами.

Постобработка данных 4D Flow МРТ будет выполняться с использованием специализированного рабочего процесса, включающего внутреннее программное обеспечение, написанное на Matlab (The MathWorks Inc., Натик, Массачусетс, США), на основе предыдущего опыта. Шаги обработки будут включать коррекцию на вихревые токи и алиасинг скорости. Интракавитарные поля скорости левого желудочка будут извлекаться с использованием как внутреннего полуавтоматического инструмента сегментации, так и автоматизированного инструмента маскирования левого желудочка на основе глубокого обучения, разработанного в ретроспективном направлении.

Извлеченные поля скорости будут использоваться для оценки энергетики кровотока в левом желудочке, включая кинетическую энергию и вязкое рассеяние энергии, разделение компонентов потока, внутрижелудочковые градиенты давления и интракавитарные гемодинамические силы (HDF), опосредованные потоком. Полученные векторы HDF будут разложены на базально-апикальные, септально-латеральные и нижне-передние компоненты, и их среднеквадратические (RMS) значения будут вычислены за сердечный цикл.

Неинвазивные непрерывные сигналы артериального давления, полученные из артериальных волн давления на пальце, будут объединены с объемами левого желудочка, полученными по МРТ, для оценки неинвазивных петель давление-объем (PV) левого желудочка с использованием установленной методологии. Параллельно инвазивные данные давления в левом желудочке, полученные во время процедуры TAVR через катетер типа «пигтейл», будут использоваться для генерации катетерных петель PV. Параметры неинвазивных петель PV на основе МРТ будут количественно сравниваться с катетерными измерениями с использованием клинически значимых индексов левого желудочка.

Интракавитарные градиенты давления будут вычисляться из уравнений Навье-Стокса для получения векторов HDF для каждого сердечного кадра путем интегрирования градиентов давления по всему объему левого желудочка. Векторы HDF будут проецироваться на три ортогональных анатомических направления (базально-апикальное, септально-латеральное, нижне-переднее), и среднеквадратические (RMS) значения каждого компонента будут рассчитываться за сердечный цикл. Упрощенные HDF будут вычисляться с использованием недавно разработанного метода, который не требует данных 4D Flow МРТ, и они будут систематически сравниваться со стандартными HDF на основе 4D Flow МРТ для каждого пациента индивидуально. Для целей валидации как упрощенные, так и полученные из 4D Flow HDF также будут сравниваться с соответствующими измерениями, полученными с использованием прототипного инструмента HDF, доступного в коммерческом программном обеспечении Medis Suite MR.

Также будут собираться стандартные параметры, полученные по МРТ, обычно используемые для оценки функции левого желудочка, включая конечно-диастолический объем, конечно-систолический объем и глобальную продольную деформацию.

Демографические переменные (например, возраст и пол), соответствующие клинические характеристики, проводимая медикаментозная терапия, данные процедуры TAVR и сопутствующие лекарства будут собираться и анонимизироваться перед анализом.

Последующие визиты или оценки в рамках данного исследования не планируются.

Автономное приложение для анализа интракардиальной 4D Flow МРТ будет разработано по модели инкрементальной сборки. Процесс будет сосредоточен на определении спецификации системных требований (SyRS), спецификации программных требований (SRS) и общей архитектуры программного обеспечения.

Будет проведена критическая оценка существующих современных рабочих процессов 4D Flow МРТ, используемых в клинических исследованиях, и прототипных инструментов, доступных в коммерческом программном обеспечении (например, Medis Suite MR), для выявления сильных сторон и ограничений. Разработка будет проходить через последовательные этапы, каждый из которых будет реализовывать конкретный функциональный компонент общей структуры.

Автономное приложение будет основано на существующих внутренних алгоритмах на основе Matlab, но будет реализовано на компилируемом языке программирования, позволяющем выполнение без необходимости предустановленного программного обеспечения на системе конечного пользователя. Разработка будет поддерживаться специализированной консалтинговой службой.

Предварительная версия автономного приложения пройдет внутреннее тестирование, бенчмаркинг и структурированную оценку небольшой группой клинических конечных пользователей, имеющих предыдущий опыт исследований 4D Flow МРТ. Пользователи будут независимо тестировать программное обеспечение на предопределенных случаях использования. Клинические отзывы, критика и предложения по дальнейшей разработке будут собираться с помощью структурированных анкет или интервью и использоваться для руководства последующим усовершенствованием и клинической трансляцией.