Fenotypning av Vänsterkammarsvikt med Hemodynamiska Biomarkörer från 4D Flödes Magnetisk Resonanstomografi (TRANSLATE)

Studien inkluderar en retrospektiv och en prospektiv del, med fokus på metodutveckling, klinisk validering och translationell implementering av avancerade MRI-baserade analysverktyg.

I den retrospektiva delen kommer en databas med short-axis cine balanserad steady-state free precession (bSSFP)-bilder av vänsterkammare att hämtas retrospektivt och anonymiseras före analys. Datasetet kommer att delas in i en träningsuppsättning (cirka 75% av fallen) och en testuppsättning (cirka 25%).

För alla MRI-dataset som ingår i träningsuppsättningen kommer LV-endokardkonturer att avgränsas genom hela hjärtcykeln med hjälp av semiautomatiska segmenteringsverktyg (Medviso Segment) med manuella korrigeringar tillämpade efter behov för att säkerställa noggrannhet.

Träningsdatasetet, tillsammans med motsvarande grundsanning LV-endokardsegmenteringar, kommer att användas för att träna ett djupinlärningskonvolutionellt neuralt nätverk (CNN), t.ex. en ResNet-arkitektur, för automatisk avgränsning av LV-endokardkonturer från short-axis cine-bilder.

Den återstående testuppsättningen kommer att användas för att utvärdera prestandan hos det tränade CNN:et. Automatiskt genererade LV-endokardkonturer kommer att jämföras med motsvarande manuella segmenteringar för att mäta segmenteringsnoggrannhet och robusthet.

Som en del av studiens prospektiva del kommer inskrivna patienter att genomgå kontrastmedelsfri 4D Flow MRI-undersökning före den planerade interventionen för transkateter aortaklaffbyte (TAVR).

MRI-undersökningar kommer att utföras på en 1,5 Tesla-skanner (MAGNETOM Aera, Siemens Healthcare, Erlangen, Tyskland). Standard bSSFP cine-sekvenser med retrospektiv EKG-gating kommer att användas för att ta short-axis- och long-axis-bilder av vänsterkammare (skivtjocklek 8 mm, inget mellanrum mellan skivor, 30 rekonstruerade hjärtfaser). Under samma undersökningstillfälle kommer 4D Flow MRI-data att samlas in med en prototyp av en tidsupplöst tredimensionell gradient echo-sekvens med tredimensionell hastighetskodning. Ett parasagittalt orienterat synfält som täcker hela vänsterkammaren kommer att användas. Insamlingar kommer att utföras under fritt andetag med retrospektiv EKG-utlösning och adaptiv andningsgating. Skanningsparametrar kommer att följa 2023-uppdateringen av 4D Flow Cardiovascular Magnetic Resonance Consensus Statement. Inget kontrastmedel kommer att administreras. Icke-invasivt kontinuerligt blodtryck och relevanta hemodynamiska parametrar kommer också att registreras från fingerartärtrycksvågformen med en kliniskt godkänd enhet (t.ex. Finapres® NOVA).

Under TAVR-ingreppet kommer simultana invasiva blodtrycksmätningar att erhållas i aorta ascendens och i vänsterkammare med två pigtail-katetrar, både före och efter klaffimplantation, enligt standard klinisk praxis under TAVR, utan att påverka det kliniska arbetsflödet.

Inga variationer i profylax eller uppföljningsprocedurer förväntas jämfört med standard klinisk praxis. Därför finns inga ytterligare fysiska, psykologiska eller sociala risker eller direkta fördelar förknippade med deltagande i studien.

Efterbearbetning av 4D Flow MRI-data kommer att utföras med ett dedikerat arbetsflöde som inkluderar in-house-programvara skriven i Matlab (The MathWorks Inc., Natick, MA, USA), baserat på tidigare erfarenhet. Bearbetningssteg kommer att inkludera korrigering för virvelströmmar och hastighetsalias. Intrakavitära LV-hastighetsfält kommer att extraheras med både ett in-house semiautomatiskt segmenteringsverktyg och det automatiserade djupinlärningsbaserade LV-maskeringsverktyget som utvecklats i den retrospektiva delen.

Extraherade hastighetsfält kommer att användas för att utvärdera LV-blodflödesenergetik, inklusive kinetisk energi och viskös energiförlust, flödeskomponentindelning, intraventrikulära tryckgradienter och intrakavitära flödesmedierade hemodynamiska krafter (HDF). Resulterande HDF-vektorer kommer att dekomponeras i basala-apikala, septala-laterala och inferiöra-anteriöra komponenter, och deras rotmedelkvadratvärden (RMS) kommer att beräknas över hjärtcykeln.

Icke-invasiva kontinuerliga blodtryckssignaler från fingerartärvågformer kommer att kombineras med MRI-härledda LV-volymer för att uppskatta icke-invasiva LV tryck-volym (PV)-loopar med en etablerad metodologi. Parallellt kommer invasiva LV-trycksdata insamlade under TAVR-ingreppet via pigtail-kateter att användas för att generera kateterbaserade PV-loopar. Icke-invasiva MRI-baserade PV-loops-parametrar kommer att kvantitativt jämföras med kateterbaserade mätningar med kliniskt relevanta LV-index.

Intrakavitära tryckgradienter kommer att beräknas från Navier-Stokes ekvationer för att härleda HDF-vektorer för varje hjärtram genom att integrera tryckgradienter över hela LV-volymen. HDF-vektorer kommer att projiceras på tre ortogonala anatomiska riktningar (basala-apikala, septala-laterala, inferiöra-anteriöra), och rotmedelkvadratvärden (RMS) för varje komponent kommer att beräknas över hjärtcykeln. Förenklade HDF kommer att beräknas med en nyligen utvecklad metod som inte kräver 4D Flow MRI-data och de kommer att systematisk jämföras med standard 4D Flow MRI-baserade HDF på en patientspecifik basis. För valideringsändamål kommer både förenklade och 4D Flow-härledda HDF också att jämföras med motsvarande mätningar erhållna med prototyp-HDF-verktyget tillgängligt i den kommersiella Medis Suite MR-programvaran.

Konventionella MRI-härledda parametrar som rutinmässigt används för att bedöma LV-funktion, inklusive enddiastolisk volym, endsystolisk volym och global longitudinell töjning, kommer också att samlas in.

Demografiska variabler (t.ex. ålder och kön), relevanta kliniska egenskaper, administrerad medicinsk behandling, procedurrelaterade TAVR-data och samtidig medicinering kommer att samlas in och anonymiseras före analys.

Inga uppföljningsbesök eller utvärderingar är planerade som en del av denna studie.

En fristående applikation för intrakardiell 4D Flow MRI-analys kommer att utformas efter en inkrementell utvecklingsmodell. Processen kommer att fokusera på att definiera systemkravsspecifikationen (SyRS), programvarukravsspecifikationen (SRS) och den övergripande programvaruarkitekturen.

En kritisk utvärdering av befintliga state-of-the-art 4D Flow MRI-arbetsflöden som används i klinisk forskning och av prototypverktyg tillgängliga i kommersiell programvara (t.ex. Medis Suite MR) kommer att genomföras för att identifiera styrkor och begränsningar. Utvecklingen kommer att fortskrida genom successiva stadier, där varje stadium implementerar en specifik funktionell komponent av det övergripande ramverket.

Den fristående applikationen kommer att bygga på befintliga in-house Matlab-baserade algoritmer men kommer att implementeras i ett kompilerat programmeringsspråk, vilket möjliggör exekvering utan förinstallerad programvara på slutanvändarens system. Utvecklingen kommer att stödjas av en specialiserad konsulttjänst.

En preliminär version av den fristående applikationen kommer att genomgå intern testning, prestandamätning och strukturerad utvärdering av en liten grupp kliniska slutanvändare med tidigare erfarenhet av 4D Flow MRI-forskning. Användare kommer att självständigt testa programvaran på fördefinierade användningsfall. Klinisk feedback, kritik och förslag för vidare utveckling kommer att samlas in genom strukturerade enkäter eller intervjuer och användas för att vägleda efterföljande förfining och klinisk translation.