Summary
Este estudio evaluó una nueva metodología con un modelo enderezado generado a partir de la secuencia de tomografía computarizada cardíaca de cuatro dimensiones para obtener las mediciones deseadas para el dimensionamiento de la válvula en la aplicación del reemplazo de la válvula pulmonar transcatéter.
Abstract
Las mediciones del ventrículo derecho (RV) y la arteria pulmonar (AP), para seleccionar el tamaño óptimo de la prótesis para el reemplazo de la válvula pulmonar transcatéter (TPVR), varían considerablemente. Las imágenes de tomografía computarizada (TC) tridimensionales (3D) para la predicción del tamaño del dispositivo son insuficientes para evaluar el desplazamiento del tracto de salida del ventrículo derecho (RVOT) y la AF, lo que podría aumentar el riesgo de extravío del stent y fuga paravalvular. El objetivo de este estudio es proporcionar un modelo dinámico para visualizar y cuantificar la anatomía del RVOT a PA durante todo el ciclo cardíaco mediante la reconstrucción de TC cardíaca de cuatro dimensiones (4D) para obtener una evaluación cuantitativa precisa del tamaño de la válvula requerido. En este estudio piloto, se eligió la TC cardíaca de ovejas J para ilustrar los procedimientos. La TC cardíaca 3D se importó al software de reconstrucción 3D para construir una secuencia 4D que se dividió en once cuadros a lo largo del ciclo cardíaco para visualizar la deformación del corazón. El diámetro, el área de sección transversal y la circunferencia de cinco planos de imagen en la AP principal, la unión sinotubular, el seno, el plano basal de la válvula pulmonar (BPV) y la RVOT se midieron en cada marco en modelos enderezados en 4D antes de la implantación de la válvula para predecir el tamaño de la válvula. Mientras tanto, también se midieron los cambios dinámicos en el volumen de RV para evaluar la fracción de eyección del ventrículo derecho (FEVR). Se obtuvieron mediciones 3D al final de la diástole para su comparación con las mediciones 4D. En ovejas J, las mediciones de TC 4D del modelo enderezado dieron como resultado la misma elección del tamaño de la válvula para TPVR (30 mm) que las mediciones 3D. El FEVR de oveja j de pre-TC fue del 62,1 %. En contraste con 3D CT, el modelo de reconstrucción 4D enderezado no solo permitió una predicción precisa para la selección del tamaño de la válvula para TPVR, sino que también proporcionó una realidad virtual ideal, presentando así un método prometedor para TPVR y la innovación de dispositivos TPVR.
Introduction
La disfunción del tracto de salida del ventrículo derecho (RVOT) y las anomalías de la válvula pulmonar son dos de las consecuencias más frecuentes de la cardiopatía congénita grave, por ejemplo, pacientes con tetralogía de Fallot reparada (TOF), ciertos tipos de ventrículo derecho de doble salida (DORV) y transposición de las grandes arterias1,2,3 . La mayoría de estos pacientes se enfrentan a múltiples operaciones a lo largo de su vida y, junto con la edad avanzada, aumentan los riesgos de complejidad y comorbilidades. Estos pacientes pueden beneficiarse del reemplazo transcatéter de la válvula pulmonar (TPVR) como tratamiento mínimamente invasivo4. Hasta la fecha, ha habido un crecimiento constante en el número de pacientes sometidos a TPVR y varios miles de estos procedimientos se han realizado en todo el mundo. En comparación con la cirugía tradicional a corazón abierto, la TPVR requiere una medición anatómica más precisa del xenoinjerto u homoinjerto desde el ventrículo derecho (RV) hasta la arteria pulmonar (AP), así como la reparación de la estenosis pulmonar y RVOT mediante parche transanular, mediante angiografía por tomografía computarizada (CTA) antes de la intervención y para garantizar que los pacientes estén libres de fractura de stent y fuga paravalvular (PVL)5, 6.
Un estudio prospectivo multicéntrico demostró que un algoritmo de dimensionamiento anular por TC multidetector jugó un papel importante en la selección del tamaño de válvula adecuado, lo que podría disminuir el grado de regurgitación paravalvular7. En los últimos años, el análisis cuantitativo se ha aplicado cada vez más en la medicina clínica. El análisis cuantitativo tiene un enorme potencial para permitir una interpretación objetiva y correcta de las imágenes clínicas y para verificar que los pacientes estén libres de fractura de stent y fuga paravalvular, lo que puede mejorar la terapia específica del paciente y la evaluación de la respuesta al tratamiento. En la práctica clínica previa, fue factible reconstruir la tc a partir de tres planos (sagital, coronal y axial) con TC bidimensional (2D) para obtener un modelo de visualización8. La TC con electrocardiograma (ECG) con contraste mejorado se ha vuelto más importante en la evaluación de la morfología y función rvot/PA 3D, así como en la identificación de pacientes con un sitio de implantación RVOT adecuado que sea capaz de mantener la estabilidad de TPVR durante todo el ciclo cardíaco9,10.
Sin embargo, en los entornos clínicos y preclínicos estándar contemporáneos, los datos adquiridos de TC 4D generalmente se traducen en planos 3D para la cuantificación manual y la evaluación visual que no pueden mostrar información dinámica 3D/ 4D11. Además, incluso con información 3D, las mediciones obtenidas de la reconstrucción multiplanar (MPR) tienen diversas limitaciones, como la mala calidad de la visualización y la falta de deformación dinámica debido a las diferentes direcciones del flujo sanguíneo en el corazón derecho12. Las mediciones requieren mucho tiempo para recopilarse y son propensas a errores, ya que la alineación y la sección 2D pueden ser imprecisas, lo que resulta en una mala interpretación y distensibilidad. Actualmente, no hay consenso sobre qué medición de RVOT-PA podría proporcionar información precisa de manera confiable sobre las indicaciones y el tamaño de la válvula para TPVR en pacientes con RVOT disfuncional y / o enfermedad de la válvula pulmonar.
En este estudio, se proporciona el método para medir RVOT-PA utilizando un modelo de corazón derecho enderezado a través de una secuencia de TC cardíaca 4D para determinar la mejor manera de caracterizar las deformaciones 3D de RVOT-PA a lo largo del ciclo cardíaco. La imagen de correlación espacio-temporal se completó incluyendo la dimensión temporal y, por lo tanto, pudieron medir las variaciones en la magnitud RVOT-PA. Además, la deformación de los modelos enderezados podría tener un impacto positivo en el tamaño de la válvula TPVR y la planificación del procedimiento.
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Protocol
Todos los datos de TC cardíaca se obtuvieron de los ensayos preclínicos de GrOwnValve con la aprobación del comité legal y ético de la Oficina Regional de Salud y Asuntos Sociales, Berlín (LAGeSo). Todos los animales recibieron atención humanitaria de conformidad con las directrices de las Sociedades Europea y Alemana de Ciencia de Animales de Laboratorio (FELASA, GV-SOLAS). En este estudio, se eligió el Pre-CT de oveja j para ilustrar los procedimientos.
1. Realizar TC cardíaca 3D en ovejas
- Anestesia intravenosa
- Tranquilizar a las ovejas (3 años, 47 kg, hembra, Ovis aries) con premedicación de midazolam (2 mg/mL, 0,4 mg/kg), butorfanol (10 mg/mL, 0,4 mg/kg) y bromuro de glicopirronio (200 mcg/mL, 0,011 mg/kg) mediante inyección intramuscular.
- Verifique la condición física de las ovejas cuando se volvieron dóciles, 15 minutos después de la inyección.
- Coloque un catéter de 18 G con puerto de inyección asépticamente en la vena cefálica con líneas de perfusión unidas a un conector T para anestesia y agente de contraste.
- Anestesiar a las ovejas inyectando por vía intravenosa propofol (20 mg/ml, 1-2,5 mg/kg) y fentanilo (0,01 mg/kg). Verifique si hay síntomas de tranquilización como relajación de la mandíbula, pérdida de la deglución y reflejo ciliar. Intubar a las ovejas con una sonda traqueal de 6,5 mm a 8 mm, y colocar una sonda gástrica en el estómago para la aspiración de líquido gástrico seguida de una inyección intravenosa de propofol (20 mg / ml, 1-2,5 mg / kg) y fentanilo (0,01 mg / kg).
- Lograr la anestesia total inyectando propofol (10 mg/ml, 2,5-8,0 mg/kg/h) y ketamina (10 mg/mL, 2-5 mg/kg/h) por vía intravenosa, en preparación para la TC cardíaca.
- TC cardíaca
- Transfiera las ovejas de los Institutos de Investigación de Medicina Experimental (FEM) a la sala de TC del Centro Alemán del Corazón de Berlín (DHZB) después de los preparativos. Escanee a todas las ovejas en la posición prona después de fijarlas de manera segura en la cama de TC con 3 vendajes en los brazos, el abdomen y las piernas.
- Realice una TC cardíaca en un sistema de TC multidetector de doble fuente de 64 cortes con ECG-gating utilizando los siguientes parámetros. Establezca los parámetros técnicos de adquisición estándar de la siguiente manera: tiempo de rotación del pórtico 0.33 s, 100-320 mAs por rotación, voltaje del tubo de 120 kV, matriz 256 con una profundidad de 16 bits, desviación efectiva de la dosis de rayos X 15.5± 11.6 mSv, espesor de corte 0.75 mm.
- Logre una mejora del contraste administrando 2 -2.5 mL/kg de agente de contraste yodado a una velocidad de 5 mL/s a través del conector T- en el brazo.
- Realice el protocolo de exploración 4D CT en secuencial. Divida todo el ciclo cardíaco en 11 cuadros de 0% a 100% con un 10% del intervalo de onda R a onda R (RR) que cubre el ciclo cardíaco. Realizar una fase diastólica final aproximadamente al 70% del intervalo RR para su análisis para la serie 3D. Obtener datos sagitales, coronales y axiales en cada fotograma de la TC 4D, así como en el 70% de las series 3D.
- Utilice un método de seguimiento del bolo para el tiempo del bolo de contraste en la región de interés en la arteria pulmonar principal para lograr una sincronización ideal. No administre betabloqueantes en ninguna oveja.
- Transfiera las ovejas de vuelta al FEM y detenga la perfusión de propofol y ketamina después de la exploración. Las ovejas recuperaron la conciencia 10 - 20 minutos después de la extubación. Los anestesiólogos y veterinarios supervisaron todo el tratamiento de anestesia hasta que las ovejas estaban completamente despiertas y podían moverse libremente.
2. Configuración de la aplicación de software de reconstrucción 3D de código abierto e instalaciones de extensión
- Haga clic en Editar en el menú superior para modificar la configuración de la aplicación después de iniciar el software de reconstrucción 3D.
- Haga clic en DICOM, luego en Acquisition Geometry Regularization y seleccione Apply Regularization Transform en la sección DICOM Scalar Volume Plugin . Seleccione Secuencia de volumen como el formato de importación multivolumen preferido en la sección Complemento de importador de volúmenes múltiples .
- Haga clic en Vistas, seleccione Ejes pequeños. En el marcador Orientación, seleccione Regla delgada.
- Reinicie el software de segmentación de datos 3D para guardar la configuración de la aplicación.
- Haga clic en el Administrador de extensiones en la barra de herramientas para abrir la página de extensiones.
- Busque las extensiones necesarias y haga clic con el botón izquierdo para instalarlas. Utilice las siguientes extensiones en este estudio: Sequence Registration, Slicer Elastix, Sandbox, Slice Heart, Slicer IGT, Slicer VMTK, DICOM web Browser, Intensity Segmenter, Markups To Model, Easy Clip, mp Review, Slicer Prostate y VASSTAUgorithms.
- Reinicie el software de segmentación de datos 3D para confirmar la instalación de las extensiones seleccionadas.
3. Cargue datos de TC cardíaca en una cortadora 3D desde los archivos DICOM
- Utilice uno de los dos pasos que se describen a continuación para cargar los datos de la TC cardíaca en la cortadora 3D desde los archivos DIOCM (Figura 1).
- Importar datos de TC: Agregue datos de TC cardíaca (se seleccionó el Pre-CT de oveja J para ilustrar los procedimientos) a la base de datos de la aplicación cambiando al módulo DICOM y arrastrando y soltando archivos a la ventana de la aplicación.
- Cargar datos de TC: Cargue objetos de datos en la escena haciendo doble clic en los elementos (en ovejas J, el EKG- Ao asc 0.75 126f 3 70% es la secuencia 3D en la fase diastólica final, y Funkion EKG- Ao asc 0.75 126f 3 0- 100% Matrix 256 es la secuencia 4D como una secuencia de volumen de 11 cuadros por ciclo cardíaco).
- Haga clic con el botón izquierdo en los iconos Ojo del árbol de datos para mostrar las secuencias 3D y 4D de las vistas axial, sagital y coronal en los visores 2D.
- Haga clic con el botón izquierdo en el icono de diseño de segmentación de datos en la barra de herramientas superior y seleccione Diseño de cuatro arriba o convencional.
- Haga clic en el icono Enlaces en la esquina superior izquierda para vincular los tres espectadores, y en el icono Ojo para mostrar las rebanadas en 3D Viewer.
- Haga clic en el icono Guardar y guarde todos los datos cargados en la segmentación de datos 3D en un destino seleccionado para crear un conjunto de datos para la segmentación y la edición de volúmenes.
4. Crea un volumen cardíaco que late en 4D y un volumen cardíaco derecho que late
- Seleccione Renderizado de volumen en el menú desplegable módulos y, a continuación, seleccione la secuencia 4D en el menú desplegable Volumen .
- Seleccione CT-Cardiac3 en el menú desplegable Preset para mostrar el corazón 4D. Ajuste el cursor debajo del menú desplegable Preset para mostrar solo el corazón.
- Haga clic en Navegador de secuencias en el menú desplegable de módulos para seleccionar y mostrar la secuencia 4D. El corazón latiendo está en la escena. Arrastre el corazón 4D a la escena 3D para observar el corazón desde varias direcciones.
- Seleccione las funciones Habilitar y Mostrar ROI en las opciones Recortar debajo de la barra de cambios para recortar el volumen 4D del corazón que late con el fin de observar mejor las estructuras del corazón.
- Cree el volumen cardíaco que late en 4D como se describió anteriormente. Seleccione Editor de segmentos en el menú desplegable de módulos y, a continuación, haga clic en el efecto Tijeras con la operación Rellenar dentro para cortar un solo fotograma.
- Haga clic en el efecto Volumen de máscara y aplíquelo para vincular la segmentación al corazón 4D como un volumen enmascarado. El volumen de entrada y el volumen de salida en el efecto de volumen de máscara son las secuencias 4D.
- Seleccione el efecto Tijeras con la operación Borrar dentro para eliminar los huesos y otras áreas inesperadas. Seleccione el efecto Islas con la operación Mantener isla más grande para eliminar áreas pequeñas.
- Elija el efecto Borrar con el cepillo de esfera al 1-3% para eliminar los tejidos en el arco aórtico con conexiones a la arteria pulmonar principal, así como el tejido entre la aorta ascendente y la vena cava superior. Después de cada paso, aplique el efecto Volumen de máscara para enmascarar el volumen 4D.
- Repita los pasos 4.7 a 4.8 para continuar eliminando las áreas hasta que se muestre el modelo de corazón derecho en la escena 3D.
- Haga clic en el Navegador de secuencia y vaya al siguiente fotograma. Utilice el efecto Tijeras con la operación Borrar dentro para cortar cualquier área de la escena 3D; el modelo de corazón derecho aparecerá automáticamente en el marco contemporáneo. Aplique el mismo método al resto de fotogramas hasta que se haya segmentado toda la secuencia 4D.
- Haga clic en el botón Navegador de secuencia para mostrar el volumen 4D del corazón derecho.
NOTA: Al extirpar la arteria coronaria descendente anterior izquierda en algunos marcos, así como la bifurcación de la arteria coronaria izquierda, eliminará una pequeña porción del ventrículo derecho. Debido a esto, es muy recomendable mantener una pequeña parte de estas coronarias para mantener el volumen ventricular derecho en cada cuadro.
5. Crea modelos enderezados a partir de la secuencia 4D
NOTA: Es muy recomendable construir cada 10% del marco del ciclo cardíaco en una sola carpeta de segmentación de datos 3D, de lo contrario habrá demasiados árboles de datos alineados en el módulo DATA, lo que hace que sea ineficiente crear los modelos enderezados. Para obtener la única carpeta de segmentación de datos 3D de cada fotograma del 10%, debe cargar la secuencia 4D varias veces, elegir cada fotograma y guardarlos en una sola carpeta.
- Cree segmentaciones de corazón derecha para cada fotograma seleccionando el módulo Editor de segmentos en la barra de herramientas. Agregue dos segmentaciones para cada fotograma del 10% de la secuencia 4D y asígneles el nombre correspondiente, por ejemplo, segmentación del 60% y Otros.
- Seleccione la herramienta Efecto Pintura en el módulo Editor de segmentos con Rango de intensidad editable que depende de las imágenes de TC para pintar el corazón derecho con la secuencia vena cava superior, aurícula derecha, ventrículo derecho y arteria pulmonar.
- Haga clic en Otra segmentación, use la herramienta de pintura para pintar otras áreas para trazar los límites del corazón derecho en general.
- Seleccione el efecto Cultivar a partir de semillas , seleccione Inicializar y Aplicar para aplicar el efecto. Haga clic en el botón Mostrar 3D en el módulo Editor de segmentos para mostrar el modelo 3D del marco contemporáneo.
- Repita los pasos 4.7 a 4.8 para eliminar o mejorar el modelo 3D de acuerdo con las imágenes de TC en las tres direcciones. Retire las ramas izquierda y derecha de la arteria pulmonar en la bifurcación. El modelo 3D del corazón derecho mostrará la escena 3D en cada fotograma.
NOTA: Es muy recomendable pintar los límites del corazón derecho con un pincel de esfera de 1% - 2% de diámetro en las uniones entre la arteria pulmonar y las arterias coronarias, así como la arteria pulmonar y la vena cava superior. - Clone las segmentaciones en el árbol DATA como una copia de seguridad, nombre las segmentaciones, por ejemplo, 10% segmentación original y 10% segmentación para modelo enderezado.
- Agregue una línea central al modelo de corazón derecho como se describe a continuación.
- Seleccione Extraer línea central en el menú desplegable módulos.
- Seleccione Segmentación en el menú desplegable de superficie en la sección Entradas del módulo de línea central de extracción. Esto crea una segmentación, como la segmentación del 10% para el modelo enderezado como segmento. Haga clic en Create New Markups Fiducial en el menú desplegable endpoints. Haga clic en el botón Colocar un punto de marcado para agregar puntos finales en el plano superior del SVC y el plano final de la arteria pulmonar principal.
- Seleccione Crear un nuevo modelo como modelo de línea central y Crear nueva curva de marcado como curva de línea central en el árbol del menú Salidas. Haga clic en Aplicar para mostrar el modelo de corazón derecho de la línea central.
- Haga clic en el módulo DATA , luego haga clic con el botón derecho en la curva de línea central para editar sus propiedades. Haga clic en el icono Ojo para mostrar los puntos de control y, en la sección Volver a muestrear , establezca el número de puntos remuestreados en 40 para reducir la carga del equipo.
- Crear un modelo enderezado
- Seleccione Cambio de formato plano curvo en el menú desplegable módulos.
- Desplace el cursor después de la resolución de curva y la resolución de corte a 0,8 mm, establezca el tamaño de corte en 130140 mm, que estaba de acuerdo con el rango del ventrículo derecho que se muestra en las imágenes y, a continuación, seleccione Crear un nuevo volumen como volumen enderezado de salida.
- Haga clic en Aplicar para obtener el volumen enderezado.
- Seleccione Renderizado de volumen en el menú desplegable del módulo para mostrar el volumen enderezado. Seleccione el volumen enderezado en el menú desplegable de volumen y haga clic en el icono Ojo . Seleccione CT-Cardiac3 como preset, mueva el cursor Shift para mostrar el volumen del corazón derecho enderezado en la escena 3D.
- Coloque la columna el volumen enderezado en el árbol DATA en el nombre del volumen enderezado para la segmentación y haga clic con el botón secundario para segmentar este volumen enderezado.
- Seleccione el efecto Umbral en el módulo editor de segmentos para colorear el corazón derecho enderezado deseado y haga clic en Aplicar para aplicar la operación. Seleccione el efecto Volumen de máscara para enmascarar el volumen enderezado eligiendo volumen enderezado para segmentación, volumen como volumen de entrada y volumen de salida y haga clic en Aplicar para aplicar la operación.
- Haga clic en Aplicar para aplicar la misma operación que se describe anteriormente en los pasos 4.7 a 4.8 para mantener solo la segmentación del corazón derecho enderezada. Compruebe el volumen del corazón derecho enderezado y el modelo 3D de la segmentación del corazón derecho enderezado en la escena 3D.
- Haga clic en Aplicar para aplicar la misma operación descrita anteriormente para otros fotogramas a fin de obtener la representación del volumen del corazón derecho enderezada y las segmentaciones enderezadas y guardarlas en la carpeta de cada fotograma.
6. Exportar las figuras y los archivos STL
- Exporte las figuras de la representación del volumen enderezado haciendo clic en el efecto Capturar y asignar un nombre a una vista de escena en la barra de herramientas y guardando las escenas en la vista 3D.
- Exporte los archivos STL de las segmentaciones 3D enderezadas haciendo clic en el módulo Segmentación .
7. Realizar cinco mediciones planas
- Realice una medición de cinco planos del perímetro, el área de sección transversal y la circunferencia en los modelos enderezados a partir de la secuencia 4D y las mediciones de volumen ventricular derecho en el modelo enderezado como se describe a continuación.
- Aplicar los siguientes cinco ajustes planos: Plano A: en la arteria pulmonar principal 2 cm de desplazamiento del plano de la unión sinotubular; Plano B: en la unión sinotubular; Plano C: en el seno; Plano D: en la base del folleto; Plano E: en RVOT 1 cm de desplazamiento de D.
- Agregue todos los cinco planos anteriores a los modelos enderezados en cada fotograma manteniendo presionada la tecla Mayús en el teclado y utilizando la función de cruz en la barra de herramientas a los cinco planos. Haga clic en el módulo Crear y colocar de la barra de herramientas para seleccionar el efecto Plano .
- Seleccione el efecto Línea para medir los perímetros, seleccione el efecto Curva cerrada para obtener las circunferencias y el área de sección transversal. Copie los datos para crear el conjunto de datos.
- Realice mediciones del volumen ventricular derecho en el modelo enderezado como se describe a continuación.
- Coloque en columna la segmentación enderezada en cada fotograma obtenido de la secuencia 4D y etiquete la segmentación de acuerdo con el marco correspondiente para la medición del volumen.
- Seleccione el módulo Estadísticas de segmento en el menú desplegable del módulo. Seleccione la segmentación X% para la medición del volumen después de la segmentación y el volumen escalar en el menú de entradas. Seleccione Crear nueva tabla como tabla de salida y, a continuación, haga clic en Aplicar para aplicar las operaciones para obtener la tabla de volúmenes.
- Copie los datos de volumen para crear el conjunto de datos de medición de volumen para cada fotograma de la segmentación enderezada.
8.3D las mediciones de reconstrucción multiplanar (MPR) y la medición del volumen ventricular derecho a partir de la secuencia 3D (la fase mejor reconstruida al final de la diástole)
NOTA: En este estudio, se eligió la oveja J Pre-CT para ilustrar los procedimientos de medición de MPR.
- Cargue la secuencia 3D diastólica como se ilustra en los pasos siguientes. Seleccione la flecha hacia abajo junto al efecto de cruz, elija Jump Slices- Offset, Basic+ Intersection, Fine Crosshair y The Slice Intersections para la configuración de crosshair.
- Mayús + clic izquierdo para arrastrar la cruz al plano, por ejemplo, el seno. Presione Ctrl+Alt para ajustar la cruz a la posición deseada en las escenas axiales, sagitales y coronales perfectamente en el centro de la posición objetivo.
- Seleccione el efecto Línea para realizar las mediciones en cada plano, como se ilustra en el paso 7.4. Copie los datos para crear el conjunto de datos de medición de MPR 3D.
- Haga clic en el módulo Editor de segmentos para crear una segmentación ventricular derecha como se describe anteriormente en el paso 5.8.6.
- Haga clic en el módulo Estadísticas de segmentos para realizar la medición del volumen ventricular derecho como se describe anteriormente en el paso 7.5.2.
- Copie la información del volumen para crear el conjunto de datos de volumen del ventrículo derecho 3D diastólico.
9. Cálculo para la selección de la válvula cardíaca con stent
NOTA: En esta sección, se utilizaron las medidas de la unión sinotubular para ilustrar el procedimiento.
- Calcule la media de los perímetros axial largo (d1) y axial corto (d2) = (d3), seguido de la media de d1, d2 y d3 para obtener d4, como se muestra en las fórmulas (1) - (2).
- Divida el cálculo del área de sección transversal (S1) por π para obtener d5 seguido de la raíz cuadrada de d5 para obtener d6, y luego la media de d5 y d6, como se muestra en las fórmulas (3) - (5).
- Divida la circunferencia (C1) por π para obtener d8, como se muestra en la fórmula (6).
- Obtenga el diámetro general total d9 calculando la media de d4, d7 y d8, como se muestra en la fórmula (7).
- Aplique la fórmula (8) para calcular la mejor elección del tamaño de la válvula (h).
NOTA: La válvula cardíaca con stent está disponible en diámetros de 30 mm, 26 mm y 23 mm. El tamaño de la válvula (h) muestra la coincidencia como un porcentaje para los tres diámetros, es decir, una coincidencia ideal como 10-20%, grande para la implantación como 30% y superior, y pequeña para la implantación por debajo del 10%. - Importe los datos 3D y 4D en un software de estadística versátil para construir los diagramas de tendencia de las mediciones en los cinco planos y exporte los diagramas en formato TIFF. Importe todas las figuras en un software de gráficos para la organización.
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Representative Results
En ovejas J, los modelos 4D de corazón total y corazón derecho se generaron con éxito a partir de la secuencia de TC cardíaca 4D que mostró la deformación a lo largo de todo el ciclo cardíaco. Para una mejor visualización, toda la deformación del corazón que late y el corazón derecho se exhibe en todas las direcciones en la Figura 3 - Figura 4 y en el Video 1 - Video 2.
Los modelos de corazón derecho enderezado se obtuvieron siguiendo el volumen de la máscara en cada 10% de la segmentación para ilustrar las deformaciones del corazón derecho en un modelo enderezado en ovejas J Pre-CT (Figura 5)..
Se agregaron cinco planos en las ubicaciones deseadas para realizar las mediciones como se muestra en la Figura 2A, así como las mediciones de MPR en el software de reconstrucción 3D y no el método convencional de cultivo del volumen 4D en ovejas J Pre-CT que se muestra en la Figura 2B. Los cambios en el área de la sección transversal, el perímetro y la circunferencia se obtuvieron en diferentes fases del ciclo cardíaco para generar los diagramas de tendencia como se muestra en la Figura 6. Los datos originales de las mediciones de TC 4D y las mediciones de TC 3D se muestran en el archivo complementario 1. En ovejas J, las mediciones de TC 4D del modelo enderezado dieron como resultado la misma elección del tamaño de la válvula para TPVR (30 mm) que las mediciones de MPR de la serie diastólica final, con las ventajas de una realidad virtual notable y resultados confiables. Hubo diferencias significativas en el área transversal medida (RVOT: 3,42 cm2 en 4D versus 4,28 cm2 en 2D, BPV: 2,96 cm2 en 4D versus 3,92 cm2 en 2D), y la circunferencia (RVOT: 76,1 mm en 4D versus 87,06 mm en 2D, BPV: 67,65 mm en 4D versus 75,73 mm en 2D) en RVOT y el plano basal de la válvula pulmonar. La fracción de eyección ventricular derecha de ovejas J de la pre-TC fue del 62,1%.
Figura 1. Interfaz de usuario en software de reconstrucción en 3 dimensiones. La barra de herramientas, el árbol de datos y otros menús funcionales del software de reconstrucción en 3 dimensiones se muestran para operar el programa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Cinco planos en el modelo enderezado para medición y reconstrucción multiplanar en la secuencia tridimensional (fase diastólica final). (A) Plano a: arteria pulmonar principal, 20 mm de desplazamiento del plano b; plano b: unión sinotubular; plano c: seno de la válvula pulmonar; plano d: parte inferior de la válvula pulmonar; plano e: en el tracto de salida del ventrículo derecho, desplazamiento de 10 mm desde el plano d. (B) Mediciones de MPR en la secuencia 3D de la fase diastólica final en cinco planos: 10 mm de desplazamiento desde la parte inferior de la válvula pulmonar, parte inferior de la válvula pulmonar, seno de la válvula pulmonar, unión sinotubular y arteria pulmonar principal (20 mm de desplazamiento desde la unión sinotubular). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Deformaciones cardíacas en 4 dimensiones a lo largo del ciclo cardíaco. Las deformaciones cardíacas totales de la tomografía precomputarizada de ovejas J muestran que la forma cambia del 0% al 100% del ciclo cardíaco. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. Deformación del corazón derecho en 4 dimensiones a lo largo del ciclo cardíaco. Las deformaciones del corazón derecho de las ovejas J la tomografía precomputada muestra que la forma cambia del 0% al 100% del ciclo cardíaco. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. Deformación enderezada del corazón derecho de la oveja J pre-tomografía computarizada a lo largo del ciclo cardíaco. Las deformaciones enderezadas del corazón derecho de las ovejas J la tomografía precomputada muestra que la forma cambia del 0% al 100% del ciclo cardíaco. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6. Cambios en la circunferencia, el diámetro promedio, el área de la sección transversal y el volumen ventricular derecho a lo largo del ciclo cardíaco. (A) Cambios en la circunferencia durante el ciclo cardíaco en los cinco planos. (B) Cambios en el diámetro promedio (calculado utilizando la fórmula 1 en el paso 9.1) durante el ciclo cardíaco en los cinco planos. (C) Cambios en el área de la sección transversal durante el ciclo cardíaco en los cinco planos. (D) Cambio en el volumen del ventrículo derecho durante el ciclo cardíaco. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Video 1. Deformación total del corazón en 4 dimensiones. A lo largo del ciclo cardíaco, la reconstrucción cardíaca completa en 4 dimensiones se puede visualizar en todas las direcciones. Haga clic aquí para descargar este video.
Video 2. Deformación del corazón derecho de 4 dimensiones. El corazón que late (vena cava superior, aurícula derecha, ventrículo derecho y arteria pulmonar) se puede visualizar en todas las direcciones a lo largo de todo el ciclo cardíaco. Haga clic aquí para descargar este video.
Expediente complementario 1. La tabla presenta los datos originales de las mediciones de TC 4D y las mediciones de TC 3D generadas siguiendo el protocolo descrito, incluidos los parámetros de la arteria pulmonar, el volumen ventricular derecho y las mediciones de la aorta de la tomografía precomputarizada J de oveja. Haga clic aquí para descargar este archivo.
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Discussion
Hasta la fecha, este es el primer estudio que ilustra una medición específica del paciente de la morfología y los parámetros dinámicos de RVOT-PA con un modelo cardíaco enderezado generado a partir de una secuencia de TC 4D, que se puede aplicar para predecir el tamaño óptimo de la válvula para TPVR. Esta metodología se ilustró utilizando imágenes pre-TC de oveja J para obtener las deformaciones dinámicas, los volúmenes ventriculares derechos, la función ventricular derecha y la magnitud del cambio RVOT/PA del RVOT al tronco pulmonar en cinco planos cada 10% de reconstrucción del ciclo cardíaco. En comparación con las imágenes 3D, los modelos enderezados no solo predijeron el mismo tamaño de válvula que las mediciones de MPR a partir de las imágenes 3D diastólicas finales, sino que también permitieron un modelo más intuitivo para extraer la información deseada sobre el corazón derecho. De acuerdo con los hallazgos de un estudio previo13, el método propuesto permite una mejor comprensión de las condiciones de carga in vivo en pacientes con RVOT disfuncional y/o enfermedad valvular pulmonar, así como el desarrollo de nuevos dispositivos TPVR que se adaptan morfológicamente a las diferentes anatomías RVOT de pacientes que requieren TPVR y pueden exhibir un mejor rendimiento mecánico a largo plazo. Sin embargo, la metodología actual de medición cuantitativa para una evaluación preintervencionista de TPVR se basa en mediciones de MPR en la secuencia 3D, lo que podría resultar en errores inesperados durante las evaluaciones basadas en la curva anatómica de RVOT y PA. Además, se puede perder información detallada en los modelos 3D generados a partir de la secuencia 4D en términos del movimiento general del corazón14.
En este estudio, se creó un modelo de corazón latiendo en 4D para observar y visualizar la deformación total del corazón a lo largo del ciclo cardíaco mediante el uso de una máscara para el volumen 4D de la segmentación en el software de reconstrucción 3D y no el método convencional de recorte del volumen 4D en ovejas J. Este método puede proporcionar una forma precisa y eficiente de construir un modelo 4D como una reconstrucción 3D a partir de una secuencia 3D para visualizar el corazón y seleccionar el tamaño de la válvula. Además, se utilizó el mismo método para reconstruir el modelo de corazón derecho como modelo dinámico a partir de las segmentaciones en cada 10% del ciclo cardíaco segmentado utilizando el efecto Grow From Seeds en el software de reconstrucción 3D. El modelo 4D del corazón derecho puede visualizar toda la morfología anatómica a lo largo del intervalo RR, en función del cual los cardiólogos pueden desarrollar una estrategia específica del paciente para tpVR. Además, los modelos de corazón derecho enderezados en 3D obtenidos a partir de la secuencia 4D en cada 10% del ciclo cardíaco pueden proporcionar una cuantificación precisa, morfológica y funcional del corazón derecho, especialmente en los cinco planos aplicados para la selección de la válvula cardíaca con stent. Antes de crear los modelos enderezados, se requiere una segmentación 3D manual y exacta del corazón derecho de cada ciclo cardíaco del 10%. Al hacer segmentaciones cardíacas correctas, después de que se haya enmascarado el volumen de un fotograma, la segmentación 3D en el fotograma actual surgirá automáticamente mediante el uso de la función Tijera para las estructuras indeseables. Para retener todo el volumen de RVOT, se debe mantener una pequeña parte de la arteria coronaria izquierda en las segmentaciones. Para crear un modelo enderezado, es fundamental agregar una línea central al modelo original del corazón derecho para garantizar la calidad del modelo enderezado y disminuir la carga computacional. El modelo de corazón derecho enderezado reflejó con precisión todas las correlaciones de la anatomía cardíaca, incluidos los perímetros, las circunferencias y las áreas transversales, lo que permitió una posterior extracción de información morfológica y mediciones directas de manera holística. En este estudio, las mediciones del modelo enderezado 4D dieron como resultado la misma elección del tamaño de la válvula (30 mm de diámetro) que las mediciones 3D en MPR, pero con las ventajas de una realidad virtual notable y resultados confiables en ovejas J. También permite la recopilación de datos sobre los volúmenes del ventrículo derecho durante todo el ciclo cardíaco, que luego se pueden aplicar para calcular la fracción de eyección del ventrículo derecho.
Estudios clínicos previos han mostrado diferencias significativas en las áreas transversales medidas de RVOTPA entre planos de sección estáticos y dinámicos secundarios a grandes desplazamientos y rotaciones 3D15. En ovejas J Pre-CT, las diferencias significativas en las áreas de sección transversal medidas y las circunferencias en el plano RVOT y el plano basal de la válvula pulmonar también se observaron en el RVOT: 3,42 cm2 en 4D versus 4,28 cm2 en 3D, BPV: 2,96 cm2 en 4D versus 3,92 cm2 en 3D, y circunferencias RVOT: 76,1 mm en 4D frente a 87,06 mm en 3D, BPV: 67,65 mm en 4D frente a 75,73 mm en 3D. Para obtener datos para las mediciones, se aplicaron los cinco planos dinámicos en lugar de planos fijos; aquí, se eligieron como líneas de referencia el plano sinotubular y el plano basal de la válvula pulmonar. Estos cinco planos incluían todo el espacio que se puede utilizar para desplegar la válvula cardíaca con stent. El plano RVOT exhibió la mayor deformación a lo largo del ciclo cardíaco en los cinco planos, destacando la necesidad de un dispositivo TPVR versátil que permita la adaptabilidad a diversas anatomías y conserve la geometría diseñada de la válvula cardíaca con stent para una durabilidad a largo plazo sin fracturas ni migraciones. El stent de nitinol con memoria de forma es un candidato prometedor para montar una válvula de tres valvas para el futuro TPVR. Para la aplicación clínica, especialmente para los pacientes que han tenido reparación de parche transanular o TPVR, se necesitarían más esfuerzos para reconstruir la anatomía, ya que hay artefactos de la adhesión entre el pericardio y el miocardio, el stent y la anatomía deformada. Necesita datos de TC de mayor resolución, software de reconstrucción bien desarrollado y abundante experiencia en análisis de TC para traducir este método para uso clínico. Pero este método se puede utilizar para ensayos con animales grandes, así como para la evaluación perioperatoria de pacientes con tetralogía de Fallot, estenosis pulmonar aislada que no han tenido cirugías a corazón abierto o terapias intervencionistas.
El método descrito para el modelo enderezado 4D puede permitir la identificación y el cálculo precisos y visuales de todos los segmentos del corazón, desde el RVOT hasta el PA, lo que puede ayudar no solo a los cardiólogos a obtener una evaluación preintervencional precisa, sino también a los ingenieros cardíacos a innovar nuevos dispositivos TPVR para aplicaciones futuras.
La principal limitación de la metodología para la medición del modelo enderezado 4D en este estudio es que los datos se obtuvieron de una sola oveja pre-TC sin una gran población de muestra. Además, no se realizaron imágenes de TC posteriores a la implantación para hacer un seguimiento del tamaño de la válvula y los cambios estructurales en el corazón derecho. Por último, para los pacientes que han tenido reparación de parche transanular o TPVR, es más difícil reconstruir la anatomía ya que hay artefactos de la adhesión entre el pericardio y el miocardio, el stent y la anatomía deformada.
Conclusión
En contraste con 3D CT, el modelo de reconstrucción 4D enderezado no solo permitió una predicción precisa de la selección del tamaño de la válvula para TPVR, sino que también proporcionó una realidad virtual ideal en ovejas J y, por lo tanto, será un método prometedor para TPVR y la innovación de dispositivos TPVR.
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Disclosures
Los autores declaran no haber conflicto de intereses.
Acknowledgments
Xiaolin Sun y Yimeng Hao contribuyeron por igual a este manuscrito y comparten la primera autoría. Se extiende un sincero agradecimiento a todos los que contribuyeron a este trabajo, tanto a los miembros pasados como a los presentes. Este trabajo fue apoyado por subvenciones del Ministerio Federal Alemán de Asuntos Económicos y Energía, EXIST - Transferencia de Investigación (03EFIBE103). Xiaolin Sun y Yimeng Hao cuentan con el apoyo del Consejo de Becas de China (Xiaolin Sun- CSC: 201908080063, Yimeng Hao-CSC: 202008450028).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Adobe Illustrator | Adobe | Adobe Illustrator 2021 | Graphics software |
| Butorphanol | Richter Pharma AG | Vnr531943 | 0.4mg/kg |
| Fentanyl | Janssen-Cilag Pharma GmbH | DE/H/1047/001-002 | 0.01mg/kg |
| Glycopyrroniumbromid | Accord Healthcare B.V | PZN11649123 | 0.011mg/kg |
| GraphPad Prism | GraphPad Software Inc. | Version 9.0 | Versatile statistics software |
| Imeron 400 MCT | Bracco Imaging | PZN00229978 | 2.0–2.5 ml/kg |
| Ketamine | Actavis Group PTC EHF | ART.-Nr. 799-762 | 2–5 mg/kg/h |
| Midazolam | Hameln pharma plus GMBH | MIDAZ50100 | 0.4mg/kg |
| Multislice Somatom Definition Flash | Siemens AG | A91CT-01892-03C2-7600 | Cardiac CT Scanner |
| Propofol | B. Braun Melsungen AG | PZN 11164495 | 20mg/ml, 1–2.5 mg/kg |
| Propofol | B. Braun Melsungen AG | PZN 11164443 | 10mg/ml, 2.5–8.0 mg/kg/h |
| Safety IV Catheter with Injection port | B. Braun Melsungen AG | LOT: 20D03G8346 | 18 G Catheter with Injection port |
| 3D Slicer | Slicer | Slicer 4.13.0-2021-08-13 | Software: 3D Slicer image computing platform |
References
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