eRapport

Noninvasive, transient fractional flow reserve measurements for coronary artery disease

Prosjekt
Prosjektnummer
90062300
Ansvarlig person
Anders Tjellaug Bråten
Institusjon
NTNU, MH-fakultetet, Institutt for sirkulasjon og bildediagnostikk
Prosjektkategori
Doktorgradsstipend
Helsekategori
Cardiovascular
Forskningsaktivitet
4. Detection and Diagnosis
Rapporter
2022 - sluttrapport
De siste 10 årene har bruk av koronar CT angiografi fått en stadig mer sentral rolle ved utredning av pasienter med mistenkt koronar hjertesykdom. Bakgrunnen er internasjonale forskningsresultater som viser at dette er en god undersøkelse for å utelukke kransåresykdom. Hos pasienter med koronarsykdom benyttes også metoden til å avgjøre om det er indikasjon for invasiv utredning (koronar angiografi). Studier har imidlertid vist at når en påviser trange partier på CT har metoden en tendens til å overvurdere graden av sykdom og økt bruk av CT kan da føre til økt bruk av invasiv koronar angiografi uten klinisk gevinst. Fraksjonert flow reserve (FFR) er en kateterbasert undersøkelse som kan gjøres i forbindelse med invasiv koronar angiografi hvor en måler blodtrykk foran og bak det trange partiet for å avgjøre om stenosen reduserer blodstrømmen eller ikke. Funn ved denne trykkmålingen avgjør om en skal behandle med utblokking og stent eller ikke. Målet med dette prosjektet var å videreutvikle CT-FFR som diagnostisk verktøy. Ved hjelp av avanserte computerbaserte analyser og i tett samarbeid med det teknologiske miljøet ved NTNU har vi utviklet en ny algoritme for å beregne CT-FFR. Et annet mål med studien var å evaluere moderne stress ekkokardiografi opp mot invasivt målt FFR for påvisning av klinisk relevant koronarsykdom. Bakgrunnen for denne delen av prosjektet er at det er små studier fra 90-tallet som har definert tiltaksgrenser for invasive trykkmålinger. I prosjektet har vi utviklet en CT-FFR metode som er raskere og som krever mindre datakraft enn CT-FFR metoder som er i klinisk bruk. Hvis en i dag skal få målt CT-FFR i klinisk praksis må CT-bilder sendes til utlandet for analyse på supercomputere. Vår metode har potensial til å fungere som en beslutningsstøtte på en standard computer ved granskning av CT undersøkelsen. Resultatene av valideringsstudien viser at CT-FFR beregningene korrelerer godt med invasivt målt FFR og har sammenlignbare resultater med hva som er publisert tidligere. Den viser også at CT-FFR har signifikant bedre diagnostisk nøyaktighet sammenlignet med vurdering av CT alene. Den viktigste forbedringen er bedring i spesifisitet, det vil si at CT-FFR gir færre falske positive funn enn standard vurdering av CT og har dermed potensiale til å redusere antall unødvendige invasive angiografier. I vårt materiale ble 25 av 33(75%) av de falske positive CT undersøkelsene kategorisert riktig ved å legge til analyse med vår CT-FFR metode. Over 100 pasienter som inngikk i studien ble også undersøkt med stressekkokardiografi hvor analysene viser moderat samsvar mellom påvist iskemi ved stressekkokardiografi og invasivt målt FFR benyttet som gullstandard. Våre resultater viste sensitivitet på i underkant av 40% og moderat spesifisitet på 75%. Tilsvarende funn er gjort i en dansk studie hvor det ble benyttet myokardscintigrafi og perfusjonsopptak med MR. Dette er nok å betrakte som overraskende funn som vil reise en ny debatt om validitet av ulike metoder for påvisning av myokardiskemi. En mulig forklaring på denne diskrepansen kan være at grensen for hva som defineres som iskemi ved invasiv FFR måling er satt for høyt. Våre funn bekrefter derved relevansen av å stille spørsmål ved validiteten av invasiv FFR og definerte tiltaksgrenser som har vært rådende siden 90-tallet. Funnene inviterer til flere spennende fysiologiske betraktninger, blant annet til betraktninger rundt mikrovaskulær dysfunksjon som er en tilstand det er blitt økende oppmerksom på de senere årene. Dette prosjektet er en del av Klinisk Akademisk Gruppe (KAG) som ble etablert og tildelt Klinikk for hjertemedisin i 2019. Det er den første av en rekke studier som ser på bruk av koronar CT på et vidt spekter av hjertepasienter. Prosjektet har tilført klinikken en kompetanseheving og en økt oppmerksomhet når det gjelder bruk av koronar CT i diagnostikk av hjertepasienter. Vi ser en stadig økende bruk av koronar CT, både ved utredning av brystsmerteproblematikk, men også for å avklare koronarstatus på pasienter med andre hjertelidelser som klaffesykdom og kardiomyopatier, der det før hadde vært naturlig å velge invasiv koronar angiografi. En annen direkte og vesentlig endring ved St.Olavs hospital er at koronar CT nå granskes og beskrives av kardiolog i samarbeid med intervensjonsradiologer. Det vil si at de som tolker CT undersøkelsene også er de som sitter med hovedansvaret for både videre behandling og utredning av pasientene. Dette representerer en kvalitetsforbedring. I kjølvannet av dette prosjektet er det i KAG’en etablerte flere prosjekter med koronar CT angiografi og i ett av disse prosjektene deltar samtlige sykehus i Helse Midt-Norge. Dette betyr kompetansespredning til andre sykehus i regionen. Dette arbeidet har også ført til et tettere samarbeid både mellom Klinikk for hjertemedisin, det teknologiske miljøet på NTNU, og Klinikk for bildediagnostikk. Disse tre aktørene inngår nå i felleskap i til sammen fire pågående PhD-prosjekter relatert til koronar CT angiografi. Oppsummert er vi på vei mot en stadig bedre og mer presis diagnostikk av koronarsykdom hvor vesentlige gevinster er mer desentralisert utredning og mindre invasive undersøkelser.
2021
CT koronar angiografi brukes ved utredning av koronar hjertesykdom. Kombinert med matematiske blodstrømsberegninger kan man estimere blodtrykksvariasjoner i blodårene som forsyner hjertet med blod, en metode som kalles CT-FFR. Målet er å utvikle CT-FFR og vurdere diagnostisk nøyaktighet mot kateterbasert måling av FFR og stressekkokardiografi.CT koronar angiografi er en ikke invasiv undersøkelsesmetode som i økende grad benyttes for å utrede pasienter med mistanke om koronar hjertesykdom. Metoden har vist god diagnostisk nøyaktighet, hvor man ved normale funn kan utelukke koronarsykdom som årsak til pasientens plager. I de tilfellene hvor det foreligger forsnevringer på kransårene har metoden imidlertid vist en tendens til å overestimere graden av disse og det har vært bekymring for at utredning med CT koronar angiografi vil øke antall pasienter som henvises til kateterbasert undersøkelse av kransårene, invasiv koronar angiografi. Ved å gjennomføre matematiske strømningsberegninger med utgangspunkt i 3-dimensjonale bilder fra pasientens CT koronar angiografi kan en beregne blodtrykksvariasjoner i blodårene som forsyner hjertet med blod. Den matematiske modelleringen gir mulighet for beregninger som forteller om eventuelle forsnevringer er behandlingstrengende, det vil si om de trenger utblokking eller operasjon. Dette er en relativt ny metode som kalles CT-FFR. Utgangspunktet for vår studie er videreutvikling av CT-FFR som metode og å evaluere dens diagnostiske nøyaktighet opp mot en gullstandard hvor referansetesten er invasiv, kateterbasert måling av FFR og mot dobutamin stressekkokardiografi med bruk av nyeste ultralydscannere, ultralyd kontrast og avanserte deformasjonsanalyser. Det overordnede mål med prosjektet er å videreutvikle CT-teknikken slik at færre pasienter trenger invasiv kateterutredning. Studien er REK godkjent og inklusjon startet etter plan våren 2017. Rekruttering til studien har vært god og ble avsluttet våren 2021. Første vitenskapelige artikkel ble publisert desember 2018 i Cardiovascular Engineering and Technology av Fossan et al som blant annet understreket viktigheten av gode beregninger av blodstrøm til koronartreet i hvile og under belastning for å få pålitelige resultater. Andre vitenskapelige artikkel ble publisert i International journal for numerical Methods in Biomedical Engineering august 2019 av Muller et al hvor vi benyttet flere forskjellige metoder for å bestemme blodstrøm til koronartreet og forskjellige metoder for å distribuere blodstrøm til de forskjellige koronararteriene. Dette så vi hadde betydning for den diagnostiske nøyaktigheten til CT-FFR, men at nøyaktig stenosegradering og estimering av blodstrøm under belastning er de viktigste faktorene for FFR prediksjon. I den tredje artikkelen, som ble publisert i 2021 i Computer methods in applied mechanics and engineering utviklet vi en modell for beregning av CTFFR basert på maskinlæring og så på effekten av å inkorporere fysikkbasert kunnskap i læringsprosessen, hvor vi fant at dette bedret prediksjonen av FFR signifikant. Fossan disputerte i November 2020 på arbeidet han har gjort i dette prosjektet under titellen "Physics-based and data-driven reduced -order blood flow models: Applications to coronary artery disease diagnostics". Neste trinn av prosjektet er å validere den nye algoritmen for CT-FFR beregning på et blindet pasientmateriale på over 100 studiedeltagere.
2020
CT koronar angiografi brukes ved utredning av koronar hjertesykdom. Kombinert med matematiske blodstrømsberegninger kan man estimere blodtrykksvariasjoner i blodårene som forsyner hjertet med blod, en metode som kalles CT-FFR. Målet er å utvikle CT-FFR og vurdere diagnostisk nøyaktighet mot kateterbasert måling av FFR og stressekkokardiografi.CT koronar angiografi er en ikke invasiv undersøkelsesmetode som i økende grad benyttes for å utrede pasienter med mistanke om koronar hjertesykdom. Metoden har vist god diagnostisk nøyaktighet, hvor man ved normale funn kan utelukke koronarsykdom som årsak til pasientens plager. I de tilfellene hvor det foreligger forsnevringer på kransårene har metoden imidlertid vist en tendens til å overestimere graden av disse og det har vært bekymring for at utredning med CT koronar angiografi vil øke antall pasienter som henvises til kateterbasert undersøkelse av kransårene, invasiv koronar angiografi. Ved å gjennomføre matematiske strømningsberegninger med utgangspunkt i 3-dimensjonale bilder fra pasientens CT koronar angiografi kan en beregne blodtrykksvariasjoner i blodårene som forsyner hjertet med blod. Den matematiske modelleringen gir mulighet for beregninger som forteller om eventuelle forsnevringer er behandlingstrengende, det vil si om de trenger utblokking eller operasjon. Dette er en relativt ny metode som kalles CT-FFR. Utgangspunktet for vår studie er videreutvikling av CT-FFR som metode og å evaluere dens diagnostiske nøyaktighet opp mot en gullstandard hvor referansetesten er invasiv, kateterbasert måling av FFR og mot dobutamin stressekkokardiografi med bruk av nyeste ultralydscannere, ultralyd kontrast og avanserte deformasjonsanalyser. Det overordnede mål med prosjektet er å videreutvikle CT-teknikken slik at færre pasienter trenger invasiv kateterutredning. Studien er REK godkjent og inklusjon startet etter plan våren 2017. Rekruttering til studien har vært god og er nå i ferd med å avsluttes. Første vitenskapelige artikkel ble publisert desember 2018 i Cardiovascular Engineering and Technology av Fossan et al som blant annet understreket viktigheten av gode beregninger av blodstrøm til koronartreet i hvile og under belastning for å få pålitelige resultater. Fossan disputerte i November 2020 på arbeidet han har gjort i dette prosjektet under titellen "Physics-based and data-driven reduced -order blood flow models: Applications to coronary artery disease diagnostics". Andre vitenskapelige artikkel ble publisert i International journal for numerical Methods in Biomedical Engineering august 2019 av Muller et al hvor vi benyttet flere forskjellige metoder for å bestemme blodstrøm til koronartreet og forskjellige metoder for å distribuere blodstrøm til de forskjellige koronararteriene. Dette så vi hadde betydning for den diagnostiske nøyaktigheten til CT-FFR, men at nøyaktig stenosegradering og estimering av blodstrøm under belastning er de viktigste faktorene for FFR prediksjon. Neste trinn av prosjektet er å validere den nye algoritmen for CT-FFR beregning på et blindet pasientmateriale på over 100 studiedeltagere.
2019
CT koronar angiografi brukes ved utredning av koronar hjertesykdom. Kombinert med matematiske blodstrøms beregninger kan man estimere blodtrykksvariasjoner i blodåreene som forsyner hjertet med blod, en metode som kalles CT-FFR. Målet er å utvikle CT-FFR og vurdere diagnostisk nøyaktighet mot kateterbasert måling av FFR og stressekkokardiografi.CT koronar angiografi er en ikke invasiv undersøkelsesmetode som i økende grad benyttes for å utrede pasienter med mistanke om koronar hjertesykdom. Metoden har vist god diagnostisk nøyaktighet, hvor man ved normale funn kan utelukke koronarsykdom som årsak til pasientens plager. I de tilfellene hvor det foreligger forsnevringer på kransårene har metoden imidlertid vist en tendens til å overestimere graden av disse og det har vært bekymring for at utredning med CT koronar angiografi vil øke antall pasienter som henvises til kateterbasert undersøkelse av kransårene, invasiv koronar angiografi. Ved å gjennomføre matematiske strømningsberegninger med utgangspunkt i 3-dimensjonale bilder fra pasientens CT koronar angiografi kan en beregne blodtrykksvariasjoner i blodårene som forsyner hjertet med blod. Den matematiske modelleringen gir mulighet for beregninger som forteller om eventuelle forsnevringer er behandlingstrengende, det vil si om de trenger utblokking eller operasjon. Dette er en relativt ny metode som kalles CT-FFR. Utgangspunktet for vår studie er videreutvikling av CT-FFR som metode og å evaluere dens diagnostiske nøyaktighet opp mot en gullstandard hvor referansetesten er invasiv, kateterbasert måling av FFR og mot dobutamin stressekkokardiografi med bruk av nyeste ultralydscannere, ultralyd kontrast og avanserte deformasjonsanalyser. Det overordnede mål med prosjektet er å videreutvikle CT-teknikken slik at færre pasienter trenger invasiv kateterutredning. Studien er REK godkjent og inklusjon startet etter plan våren 2017. Rekruttering til studien har vært god og første vitenskapelige artikkel ble publisert desember 2018 i Cardiovascular Engineering and Technology av Fossan et al som blant annet understreket viktigheten av gode beregninger av blodstrøm til koronartreet i hvile og under belastning for å få pålitelige resultater. Andre vitenskapelige artikkel ble publisert i International journal for numerical Methods in Biomedical Engineering august 2019 av Muller et al hvor vi benyttet flere forskjellige metoder for å bestemme blodstrøm til koronartreet og forskjellige metoder for å distribuere blodstrøm til de forskjellige koronararteriene. Dette så vi hadde betydning for den diagnostiske nøyaktigheten til CT-FFR, men at nøyaktig stenosegradering og estimering av blodstrøm under belastning er de viktigste faktorene for FFR prediksjon.
2018
CT koronar angiografi brukes ved utredning av koronar hjertesykdom. Kombinert med matematiske blodstrøms beregninger kan man estimere blodtrykksvariasjoner i blodåreene som forsyner hjertet med blod, en metode som kalles CT-FFR. Målet er å utvikle CT-FFR og vurdere diagnostisk nøyaktighet mot kateterbasert måling av FFR og stressekkokardiografi.CT koronar angiografi er en ikke invasiv undersøkelsesmetode som i økende grad benyttes for å utrede pasienter med mistanke om koronar hjertesykdom. Metoden har vist god diagnostisk nøyaktighet, hvor man ved normale funn kan utelukke koronarsykdom som årsak til pasientens plager. I de tilfellene hvor det foreligger forsnevringer på kransårene har metoden imidlertid vist en tendens til å overestimere graden av disse og det har vært bekymring for at utredning med CT koronar angiografi vil øke antall pasienter som henvises til kateterbasert undersøkelse av kransårene, invasiv koronar angiografi. Ved å gjennomføre matematiske strømningsberegninger med utgangspunkt i 3-dimensjonale bilder fra pasientens CT koronar angiografi kan en beregne blodtrykksvariasjoner i blodårene som forsyner hjertet med blod. Den matematiske modelleringen gir mulighet for beregninger som forteller om eventuelle forsnevringer er behandlingstrengende, det vil si om de trenger utblokking eller operasjon. Dette er en relativt ny metode som kalles CT-FFR. Utgangspunktet for vår studie er videreutvikling av CT-FFR som metode og å evaluere dens diagnostiske nøyaktighet opp mot en gullstandard hvor referansetesten er invasiv, kateterbasert måling av FFR og mot dobutamin stressekkokardiografi med bruk av nyeste ultralydscannere, ultralyd kontrast og avanserte deformasjonsanalyser. Det overordnede mål med prosjektet er å videreutvikle CT-teknikken slik at færre pasienter trenger invasiv kateterutredning. Studien er REK godkjent og inklusjon startet etter plan våren 2017. Rekruttering til studien har vært god og første vitenskapelige artikkel ble publisert desember 2018 i Cardiovascular Engineering and Technology av Fossan et al som blant annet understreket viktigheten av gode beregninger av blodstrøm til koronartreet i hvile og under belastning for å få pålitelige resultater.
2017
CT koronar angiografi brukes ved utredning av koronar hjertesykdom. Kombinert med matematiske modeller kan man beregne blodtrykksvariasjoner i blodårene som forsyner hjertet med blod, en metode som kalles CT-FFR. Målet er å videreutvikle CT-FFR og vurdere dens diagnostiske nøyaktighet mot kateterbasert måling av FFR og stressekkokardiografi.CT koronar angiografi er en ikke invasiv undersøkelsesmetode som i økende grad benyttes for å utrede pasienter med mistanke om koronar hjertesykdom. Metoden har vist god diagnostisk nøyaktighet, hvor man ved normale funn kan utelukke koronarsykdom som årsak til pasientens plager. I de tilfellene hvor det foreligger forsnevringer på kransårene har metoden imidlertid vist en tendens til å overestimere graden av disse og det har vært bekymring for at utredning med CT koronar angiografi vil øke antall pasienter som henvises til kateterbasert undersøkelse av kransårene, invasiv koronar angiografi. Ved å gjennomføre matematiske strømningsberegninger med utgangspunkt i 3-dimensjonale bilder fra pasientens CT koronar angiografi kan en beregne blodtrykksvariasjoner i blodårene som forsyner hjertet med blod. Den matematiske modelleringen gir mulighet for beregninger som forteller om eventuelle forsnevringer er behandlingstrengende, dvs om de trenger utblokking eller operasjon. Dette er en relativt ny metode som kalles CT-FFR. Utgangspunktet for vår studie er videreutvikling av CT-FFR som metode og å evaluere dens diagnostiske nøyaktighet opp mot en gullstandard hvor referansetesten er invasiv, kateterbasert måling av FFR og mot dobutamin stressekkokardiografi med bruk av nyeste ultralydscannere, ultralyd kontrast og avanserte deformasjonsanalyser. Det overordnede mål med prosjektet er å utvikle CT-teknikken slik at færre pasienter trenger invasiv kateterutredning. Studien er REK godkjent og inklusjon startet etter plan våren 2017.
2016
CT koronar angiografi brukes ved utredning av koronar hjertesykdom. Kombinert med matematiske modeller kan man beregne blodtrykksvariasjoner i blodårene som forsyner hjertet med blod, en metoden som kalles CT-FFR. Målet er å videreutvikle CT-FFR og vurdere dens diagnostiske nøyaktighet mot kateterbasert måling av FFR og stressekkokardiografi.CT koronar angiografi er en ikke invasiv undersøkelsesmetode som i økende grad benyttes for å utrede pasienter med mistanke om koronar hjertesykdom. Metoden har vist god diagnostisk nøyaktighet, hvor man ved normale funn kan utelukke koronarsykdom som årsak til pasientens plager. I de tilfellene hvor det foreligger forsnevringer på kransårene har metoden imidlertid vist en tendens til å overestimere graden av disse og det har vært bekymring for at utredning med CT koronar angiografi vil øke antall pasienter som henvises til kateterbasert undersøkelse av kransårene, invasiv koronar angiografi. Ved å gjennomføre matematiske strømningsberegninger med utgangspunkt i 3-dimensjonale bilder fra pasientens CT koronar angiografi kan en beregne blodtrykksvariasjoner i blodårene som forsyner hjertet med blod. De matematiske simuleringene gir mulighet for beregninger som forteller om eventuelle forsnevringer er behandlingstrengende, dvs om de trenger utblokking eller operasjon. Dette er en relativt ny metode som kalles CT-FFR. Utgangspunktet for vår studie er videreutvikling av CT-FFR som metode og å evaluere dens diagnostiske nøyaktighet opp mot en gullstandard hvor referansetesten er invasiv, kateterbasert måling av FFR og mot dobutamin stressekkokardiografi med bruk av nyeste ultralydscannere, ultralyd kontrast avanserte deformasjonsanalyser. Det overordnede mål med prosjektet er å utvikle CT-teknikken slik at færre pasienter trenger invasiv kateterutredning. Studien er REK godkjent og vi er klare til å starte inklusjon i løpet av nær fremtid.
Vitenskapelige artikler
Müller LO, Fossan FE, Bråten AT, Jørgensen A, Wiseth R, Hellevik LR

Impact of baseline coronary flow and its distribution on fractional flow reserve prediction.

Int J Numer Method Biomed Eng 2021 11;37(11):e3246. Epub 2019 des 9

PMID: 31397083

Fossan FE, Sturdy J, Müller LO, Strand A, Bråten AT, Jørgensen A, Wiseth R, Hellevik LR

Uncertainty Quantification and Sensitivity Analysis for Computational FFR Estimation in Stable Coronary Artery Disease.

Cardiovasc Eng Technol 2018 Dec;9(4):597-622. Epub 2018 okt 31

PMID: 30382522

Fredrik E. Fossan , Lucas O. Müller, Jacob Sturdy, Anders T. Bråten, Arve Jørgensen , Rune Wiseth, Leif R. Hellevik

Machine learning augmented reduced-order models for FFR-prediction

Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2021

Doktorgrader
Fredrik Eikeland Fossan

Physics-based and data-driven reduced-order blood flow models: Applications to coronary artery disease diagnostics

Disputert:
november 2020
Hovedveileder:
Leif Rune Hellevik
Deltagere
  • Lucas Mueller Postdoktorstipendiat
  • Espen Holte Prosjektdeltaker
  • Arve Jørgensen Prosjektdeltaker
  • Stefano Fiorentini Doktorgradsstipendiat
  • Fredrik Eikeland Fossan Doktorgradsstipendiat
  • Knut Haakon Stensæth Medveileder, biveileder
  • Svend Aakhus Medveileder, biveileder
  • Leif Rune Hellevik Prosjektdeltaker
  • Hans Garman Torp Prosjektdeltaker
  • Rune Wiseth Hovedveileder
  • Lucas Muller Postdoktorstipendiat

eRapport er utarbeidet av Sølvi Lerfald og Reidar Thorstensen, Regionalt kompetansesenter for klinisk forskning, Helse Vest RHF, og videreutvikles av de fire RHF-ene i fellesskap, med støtte fra Helse Vest IKT

Alle henvendelser rettes til Helse Midt-Norge RHF - Samarbeidsorganet og FFU

Personvern  -  Informasjonskapsler