УДК 621.087
Чумарная Т.В.1,2,3, Быков А. Н. 4, Михайлов С.П.3,4, Идов Э.М.3,4, Соловьева О.Э.1,2
1Институт иммунологии и физиологии УрО РАН, 620049, Екатеринбург, Первомайская 106
2Уральский федеральный университет, 620002, Екатеринбург, Мира 19;
3Уральский государственный медицинский университет, 620028, г.Екатеринбург, ул. Репина, 3;
4Свердловская областная клиническая больница № 1 620102, г.Екатеринбург, ул. Волгоградская, 185.

Оценка систолической функции трансплантированного сердца с помощью классификационной модели на основе параметров функциональной геометрии левого желудочка сердца

Целью данного исследования является оценка состояния систолической функции ЛЖ в течение длительного периода времени после трансплантации сердца (ТС) с использованием параметров функциональной геометрии ЛЖ.

Ключевые слова: Трансплантация сердца, функциональная геометрия, линейный дискриминантный анализ

Контактное лицо:

Чумарная Татьяна Владиславовна
К.б.н., старший научный сотрудник лаборатории математической физиологии ИИФ УрО РАН
г.Екатеринбург ул. Первомайская, 106, тел.(343) 3623458, электронная почта: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Chumarnaya T.V. 1,2,3, Bykov A.N.4,
Idov E.M.3,4, Mikhaylov S.P. 3,4, Solovyova O.E.1,2
1Institute of Immunology and Physiology, Ural Branch of Russian Academy of Sciences
2Ural Federal University
3Urals State Medical University
4Yekaterinburg Regional Clinical Hospital#1, Yekaterinburg, Russian Federation

Evaluation of the transplanted heart systolic function using a classification model based on the parameters of the functional geometry of the left ventricle of the heart

The purpose of this study is to assess the state of the systolic function of the LV for a long period of time after heart transplantation (HT) using the parameters of the functional geometry of the LV.

Key words: heart transplantation, functional geometry, linear discriminant analysis

Contact person:

Chumarnaja T.V.,
c. b. s., senior researcher of the laboratory of mathematical physiology IIF Uro RAS Ekaterinburg,
Pervomayskaya str., 106, tel. (343) 3623458, e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Введение. Трансплантация сердца (ТС) до сих пор остается эффективным способом продления жизни для пациентов с хронической сердечной недостаточностью (ХСН) в конечной стадии [5]. Острое отторжение, хроническое отторжение и васкулопатия коронарных артерий являются основными причинами потери трансплантата [5]. Ранние выявление неблагоприятных изменений в функции трансплантата является актуальной задачей для этой группы пациентов [1,5].
В настоящее время «золотым стандартом» для диагностики отторжения аллотрансплантата и васкулопатии является катетеризация сердца с целью эндомиокардиальной биопсии или коронарной ангиографии соответственно. Эта процедура инвазивна, несет в себе риск и может недооценивать ухудшение состояния трансплантата [1,3]. Поиск неинвазивных методов для оценки состояния аллотрансплантата сердца остается первоочередной задачей для клинической практики [1,3].
Динамические изменения в конфигурации левого желудочка (ЛЖ) в течение сердечного цикла вносят существенный вклад в эффективную работу сердца [6]. Эти изменения называют «функциональной геометрией» ЛЖ. Было продемонстрировано, что при сердечной патологии, молекулярном и клеточном ремоделировании миокарда существенно меняется координация пространственно-временных движений сегментов стенки ЛЖ [2, 4].

Цель данного исследования - оценка состояния систолической функции ЛЖ в течение длительного периода времени после ТС с использованием параметров функциональной геометрии ЛЖ и проверка гипотезы о том, что эти изменения могут быть использованы в качестве ранних предикторов дисфункции аллотрансплантата у пациентов с ТС.

Материалы и методы. Мы исследовали 31 пациента после ортотопической ТС, у которых послеоперационный период составлял от 1 до 9 лет. 20 пациентов с послеоперационном периодом до 2 лет рассматривались на предмет острого отторжения. В среднем каждый пациент совершал 5 визитов за весь срок наблюдения, в общем для этой группы пациентов собрана информация о 105 визитах, из них в 38 случаях обнаружено острое отторжение. Острое отторжение подтверждалось эндомиокардиальной биопсией. 17 пациентов входили в группу с послеоперационным периодом более 2 лет рассматривались на предмет прогрессирования хронической сердечной недостаточности (ХСН). Общее число всех визитов пациентов в этой подгруппе составили 67 (в среднем 4 визита на пациента). Из них 27 случаев II класс ХСН, 25 случаев III или IV класс ХСН и 15 случаев, был определен II класс ХСН, но в течение месяца наблюдалось прогрессирование и увеличение класса ХСН. Класс ХСН определялся в соответствии с классификацией Американской Ассоциацией Кардиологов (AHA).
В качестве тренировочных наборов для классификационных моделей рассматривались группы пациентов с различной степенью систолической дисфункции. В частности, первая группа состояла из 24 здоровых добровольцев без признаков сердечно-сосудистых заболеваний, с нормальной систолической функцией ЛЖ (NSF). Вторая группа состояла из пациентов с умеренно сниженной систолической функцией ЛЖ с сохраненной фракцией выброса (фракция выброса> 50%), в нее входили 52 пациента, страдающих ишемической болезнью сердца (MSD). И третья группа со значительной систолической дисфункцией ЛЖ (фракция выброса <35%) состояла из 25 пациентов с дилатационной кардиомиопатией (SSD).

Мы использовали линейный дискриминантный анализ (LDA) для построения модели на основе паттернов систолической дисфункции  в рассматриваемых группах. Была построена модель на основе классических эхокардиографических
(ЭхоКГ) параметров (см. таб. 1), модель на основе стандартных ЭхоКГ параметров и параметров деформации стенки ЛЖ (GLS) и модель а основе только параметров функциональной геометрии ЛЖ [2], мы использовали: индексы пространственно и временной неоднородности движения стенки ЛЖ; индекс сферичности; индекс Фурье, отражающий сложность формы ЛЖ; индекс конусности.

Результаты. В предыдущих работах мы исследовали различия в параметрах функциональной геометрии ЛЖ между группами пациентов с разной степенью систолической дисфункции ЛЖ [2]. Характеристики функциональной геометрии ЛЖ в
группах NSF, MSD, SSD, использованных для построения классификационных моделей, приведены в таблице 1. Классификационные модели. Используя LDA, мы построили три классификационные модели, основанные на данных тренировочного набора из групп пациентов NSF, MSD и SSD. Первая модель использовала данные стандартного протокола ЭхоКГ и показала точность классификации 13% для NSF, 96% для MSD и 100% для SSD  (Рис. 1A).

Таким образом, эта модель не смогла разделить группы NSF и MSD. Когда в дополнение к обычным ЭхоКГ параметрам добавили значения GLS, качество классификации улучшилось, показывая точность 45% для NSF, 90% для MSD и 100% для SSF. Но эта модель также не могла четко разделить группы NSF и MSD (Рис. 1В). Третья модель, построенная только с использованием характеристик функциональной геометрии ЛЖ, стратифицировала данные всех трех групп с точностью 100% (рис. 1С). Стратификация пациентов с ТС. Каждая из трех моделей LDA использовалась для классификации данных пациентов с ТС с послеоперационным периодом менее 2 лет с точки зрения возможности прогнозирования острого отторжения
аллотрансплантата. Модель, основанная на параметрах стандартного протокола ЭхоКГ, отнесла 94% случаев без отторжения в группу MSD и только 21% случаев острого отторжения в группу SSD и остальные случаи в группу MSD (Рис. 2 A).
Точность стратификации не улучшилась при использовании модели основанной на стандартном протоколе ЭхоКГ плюс GLS. Эта модель отнесла 94% случаев без отторжения в группу MSD и 24% случаев острого отторжения в группу SSD и остальные случаи в группу MSD (Рис. 2 B). Таким образом, модели, основанные на стандартном протоколе ЭхоКГ, показали низкую точность в стратификации данных между группой острого отторжения аллографа и группой без отторжения.
Модель, построенная с использованием данных функциональной геометрии ЛЖ, отнесла 90% случаев с острым отторжением в группу SSD, а 82% случаев без отторжения в группу MSD (Рис. 2 C), тем самым показывая высокую точность стратификации и высокую мощность в прогнозировании острого отторжения аллографа. Данные пациентов с ТС с послеоперационным периодом более 2 лет были классифицированы с использованием моделей LDA с точки зрения возможности прогнозирования прогрессирования ХСН. Все модели продемонстрировали высокую точность стратификации данных в соответствии с классификацией ХСН. Более 90% случаев пациентов II класса ХСН были классифицированы как группа MSD, и больше чем 90% случаев пациентов III и IV класса ХСН были классифицированы как группа SSD. Наивысшая точность в 100% классификации была продемонстрирована моделью LDA, основанной на данных функциональной геометрии ЛЖ (рис.
3). Затем мы использовали модели LDA для классификации данных 15 случаев, которые были оценены за месяца до ухудшения состояния, когда через месяц после визита было подтверждено прогрессирование ХСН, как повышение класса
ХСН. Модели, основанные на стандартных ЭхоКГ характеристиках и GLS, отнесли только 1 из 15 случаев в группу SSD, тогда как остальные данные были классифицированы в группу MSD. Напротив, модель, основанная на данных функциональной геометрии, классифицировала 14 из 15 случаев в группу SSD, тем самым предсказав прогрессирование ХСН до явного ухудшения состояния пациентов (рис. 3).

Выводы. Таким образом, классификационная модель LDA, построенная на основе параметров функциональной геометрии ЛЖ, продемонстрировала высокую эффективность в прогнозировании острого отторжения аллографта и неблагоприятных
исходов прогрессирования ХСН у пациентов с ТС. Благодарности. «Работа выполнена в рамках госзадания ИИФ УрО РАН (тема № АААА-А18-118020590031-8)» и поддержана постановлением Правительства РФ № 211 от 16.03.2013
(соглашение 02.A03.21.0006)».

Литература:
1. Alraies M.C., Eckman P. Adult heart transplant: indications and outcomes // Journal of thoracic disease. - 2014 - V. 6 # 8 - P.1120 - 8.
2. Chumarnaya T., Alueva Y.S., Kochmasheva V., Mihailov S., et. al.. Features of the Left ventricular functional geometry in patients with myocardial diseases with varying degrees of systolic dysfunction // Bulletin of experimental biology and medicine. - 2016 - V.162 #1 - P.30-4.
3. Mangini S., Alves B.R., Silvestre O.M., Pires P.V., et. al. Heart transplantation: review //Einstein.- 2015 - V. 13 #2 - P.310-8.
4. Markhasin V.S., Solovyova O., Chumarnaya T.V., Sukhareva S.V. Problem of heterogeneity of myocardial // Russian Journal of Physiology - 2009 - V. 95 #9 - P. 919-43.
5. Sabia C., Picascia A., Grimaldi V., Amarelli C., et. al. The epigenetic promise to improve prognosis of heart failure and heart transplantation // Transplantation Reviews. - 2017 - V. 31 - P. 249-56.
6. Sengupta P.P., Korinek J., Belohlavek M., Narula J., et. al. Left ventricular structure and function: basic science for cardiac imaging // Journal of the American College of Cardiology. - 2006 - V. 48 #10 - P. 1988-2001.