Computer-assisted analysis and modeling of stress testing based on imaging methods in patients with aortic coarctation

Einleitung: Belastungsuntersuchungen können in der klinischen Diagnostik von Herz-Kreislauf-Erkrankungen eingesetzt werden, um unter Ruhebedingungen nicht vorhandene Symptome und pathologische Veränderungen zu demaskieren. Bei Patienten mit einer Aortenisthmusstenose können pharmakologische Belastungsuntersuchungen genutzt werden, um die hämodynamische Relevanz des Vitiums besser einzuschätzen. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines numerischen Modells zur Voraussage von Druckgradienten unter Belastung bei Patienten mit Aortenisthmusstenose sowie die Überprüfung der Ergebnisse anhand von Herzkathetermessungen. Methoden: Das Belastungsmodell wurde basierend auf Literaturdaten zu hämodynamischen Veränderungen unter Dobutamin-induziertem Stress sowie der computergestützten Berechnung von Druckkarten aus magnetresonanztomographischen Flussmessungen bei 21 Patienten mit Aortenisthmusstenose entwickelt. Als Eingabeparameter wurden die Herzfrequenz, das Schlagvolumen, der Stenosegrad sowie der Druckgradient in Ruhe herangezogen, um die Veränderung des Druckgradienten durch Dobutamin-induzierten Stress zu berechnen. Das entwickelte Belastungsmodell wurde in einer weiteren Kohorte von 21 Patienten mit Aortenisthmusstenose angewendet. Bei diesen Patienten erfolgten im Rahmen der klinischen Routinediagnostik Flussmessungen mittels zweidimensionaler, geschwindigkeitskodierter Magnetresonanztomographie und pharmakologische Stresstestungen während der Herzkatheteruntersuchung. Anschließend wurde die Übereinstimmung zwischen modellierten und invasiv gemessenen Dobutamin-induzierten Druckgradienten statistisch ausgewertet. Ergebnisse: Bei 19 von 21 Patienten zeigte sich eine adäquate Reaktion auf Dobutaminbelastung mit einem Anstieg der Herzfrequenz von 74,2 ± 13,66 bpm in Ruhe auf 93,8 ± 16,93 bpm unter Belastung (p < 0,001) und des Druckgradienten von 15,7 ± 5,06 mmHg auf 33,6 ± 10,33 mmHg (p<0,001). Zwischen modellierten und invasiv gemessenen Druckgradienten unter Dobutamin-induziertem Stress bestand eine lineare Korrelation (R2 = 0,743; p < 0,001). In der Bland-Altman-Analyse betrug der Mittelwert der Differenz zwischen Modell und invasiver Messung -2,16 mmHg mit Übereinstimmungsgrenzen von ±11,16 mmHg. Bei Äquivalenzgrenzen von ±5,0 mmHg zeigten sich beide Methoden äquivalent zueinander (Modell versus Kathetermessung; 31,5 ± 11,5 mmHg versus 33,6 ± 10,33 mmHg; zwei einseitige t-Tests der Äquivalenz; p = 0,021). Schlussfolgerungen: Das entwickelte Belastungsmodell ermöglicht eine Voraussage von Dobutamin-induzierten Druckgradienten bei Patienten mit Aortenisthmusstenose anhand von unter Ruhebedingungen erhobenen Parametern. Die modellierten Werte zeigen eine gute Übereinstimmung mit invasiv gemessenen Druckgradienten unter Dobutamin-induziertem Stress. Die sofortige Bestimmung des Zielparameters mittels eines online verfügbaren Rechners ermöglicht die Integration in bestehende klinische Abläufe. In Kombination mit nichtinvasiven diagnostischen Methoden kann das entwickelte Modell zu einer individualisierten Therapieplanung in dieser Patientengruppe beitragen.Introduction: Stress testing can be used in the clinical diagnosis of cardiovascular diseases to unmask symptoms and pathological changes not present under resting conditions. In patients with aortic coarctation, pharmacological stress testing can be used to further assess the hemodynamic relevance of the disease. The aim of this study was to develop a numerical model to predict pressure gradients during stress in patients with aortic coarctation and to test the results using cardiac catheter-derived measurements. Methods: The stress model was developed based on data from the literature regarding hemodynamic changes under dobutamine-induced stress and computational calculation of pressure maps from magnetic resonance imaging flow measurements in 21 patients with aortic coarctation. Heart rate, stroke volume, degree of stenosis, and pressure gradient at rest were used as input parameters to calculate the change in pressure gradient caused by dobutamine-induced stress. The developed stress model was applied in another cohort of 21 patients with aortic coarctation. In these patients, flow measurements by two-dimensional velocity encoded magnetic resonance imaging and pharmacological stress testing during cardiac catheterization were performed as part of clinical routine diagnostics. The agreement between modeled and invasively measured dobutamine-induced pressure gradients was then statistically evaluated. Results: Out of 21 patients, 19 showed an adequate response to dobutamine stress with an increase in heart rate from 74.2 ± 13.66 bpm at rest to 93.8 ± 16.93 bpm during stress (p < 0.001) and in pressure gradient from 15.7 ± 5.06 mmHg to 33.6 ± 10.33 mmHg (p < 0.001). There was a linear correlation between modeled and invasively measured pressure gradients under dobutamine-induced stress (R2 = 0.743, p < 0.001). Bland-Altman analysis showed a mean difference of -2.16 mmHg between the model and invasive measurements with limits of agreement of ±11.16 mmHg. With noninferiority margins of ±5.0mmHg, both methods were equivalent to each other (model versus catheter measurement, 31.5 ± 11.5 mmHg versus 33.6 ± 10.33 mmHg, two one-sided tests of equivalence, p = 0.021). Conclusions: The developed stress model allows prediction of dobutamine-induced pressure gradients in patients with aortic coarctation using input parameters obtained under resting conditions. The modeled values show good agreement with invasively measured pressure gradients during dobutamine-induced stress. Instantaneous determination of the target parameter using an online available calculator allows integration into existing clinical workflows. In combination with non-invasive diagnostics, the developed model can contribute to individualized therapy planning in this patient population