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方法文章

四维计算机断层扫描引导下经导管肺动脉瓣置换术的瓣膜尺寸选择

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DOI：

10.3791/63367

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2022年1月20日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Pediatric Cardiology and Congenital Heart Disease, Charité University Medicine Berlin, 2Department of Pediatric Cardiology and Congenital Heart Disease, Deutsches Herzzentrum Berlin, 3DZHK (German Centre for Cardiovascular Research) and BMBF (German Ministry of Education and Research)

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本研究评估了一种新方法，该方法通过从四维心脏计算机断层扫描序列生成的拉直模型，获取经导管肺动脉瓣置换术中瓣膜尺寸选择所需的关键测量数据。

摘要

用于经导管肺动脉瓣置换术（TPVR）中选择最佳假体尺寸的右心室（RV）和肺动脉（PA）测量值存在显著差异。利用三维（3D）计算机断层扫描（CT）成像预测器械尺寸，不足以评估右心室流出道（RVOT）和肺动脉的位移情况，这可能增加支架错位和瓣周漏的风险。本研究旨在通过四维（4D）心脏CT重建技术，建立一个动态模型，以在整个心动周期中可视化并量化RVOT至PA的解剖结构，从而对所需瓣膜尺寸进行准确的定量评估。在本项初步研究中，选取了绵羊J的心脏CT数据以演示操作流程。将3D心脏CT图像导入3D重建软件，构建出包含心动周期内11个时相帧的4D序列，以可视化心脏的形变过程。在瓣膜植入前，基于4D拉直模型，对主肺动脉、窦管交界、窦部、肺动脉瓣基底平面（BPV）以及RVOT共五个成像平面，在每个时相帧中分别测量其直径、横截面积和周长，以预测瓣膜尺寸。同时，还测量了右心室容积的动态变化，以评估右心室射血分数（RVEF）。此外，获取舒张末期的3D测量数据，用于与4D测量结果进行比较。在绵羊J中，基于拉直模型的4D CT测量结果与3D测量结果一致，均选择了相同的TPVR瓣膜尺寸（30 mm）。绵羊J在术前CT检查中测得的RVEF为62.1%。与3D CT相比，拉直的4D重建模型不仅能够更准确地预测TPVR瓣膜尺寸，还提供了理想的虚拟现实可视化效果，因而展现出在TPVR临床应用及TPVR器械创新方面的广阔前景。

引言

右心室流出道功能障碍和肺动脉瓣异常是严重先天性心脏病最常见的后果之一，例如法洛四联症修补术后患者、某些类型的右心室双出口（DORV）以及大动脉转位。1,2,3大多数患者一生中需接受多次手术，且随着年龄增长，手术复杂性和合并症的风险随之增加。此类患者可能受益于经导管肺动脉瓣置换术（TPVR），作为一种微创治疗手段。4迄今为止，接受经导管肺动脉瓣置换术（TPVR）的患者数量稳步增长，全球已开展数千例此类手术。与传统的开胸手术相比，TPVR需要更精确地测量从右心室（RV）至肺动脉（PA）的异种移植瓣或同种移植瓣的解剖结构，以及准确评估肺动脉和右心室流出道（RVOT）狭窄的修复情况。 通过 经计算断层血管成像（CTA）评估跨环补片，并在介入治疗前确认患者无支架断裂及瓣周漏（PVL）5,6.

一项前瞻性、多中心研究显示，多探测器CT环状尺寸测量算法在选择合适的人工瓣膜尺寸方面发挥了重要作用，可降低瓣周反流的程度7。近年来，定量分析在临床医学中的应用日益广泛。定量分析具有巨大潜力，能够实现对临床影像的客观、准确解读，并验证患者是否存在支架断裂和瓣周漏，从而提升个体化治疗及治疗反应评估的水平。在既往的临床实践中，利用二维（2D）CT从三个平面（矢状面、冠状面和轴向面）重建CT影像以获得可视化模型是可行的8。对比增强的心电图（ECG）门控CT在评估右心室流出道/肺动脉（RVOT/PA）三维形态与功能方面变得越来越重要，同时也有助于识别具有合适RVOT植入位置的患者，以确保经导管肺动脉瓣置换术（TPVR）在心动周期中保持稳定9,10。

然而，在当前标准的临床和临床前研究中，获取的4D CT数据通常被转换为3D平面，用于人工定量和视觉评估，但这些方法无法显示3D/4D动态信息11。此外，即使具备3D信息，通过多平面重建（MPR）获得的测量结果仍存在多种局限性，例如可视化质量较差，且由于右心血液流动方向不同，无法反映动态形变12。这些测量过程耗时且容易出错，因为二维对齐和切片可能不够精确，导致误判和扩张性评估偏差。目前，对于RVOT-PA的测量指标，尚无统一共识能够可靠地为RVOT功能障碍和/或肺动脉瓣疾病患者经导管肺动脉瓣置换术（TPVR）的适应证判断和瓣膜尺寸选择提供准确信息。

本研究中，采用拉直的右心模型测量右心室流出道-肺动脉（RVOT-PA）的方法 通过 提供一个4D心脏CT序列，以确定在整个心动周期中如何最佳表征RVOT-PA的三维形变。通过引入时间维度完成时空相关成像，从而能够测量RVOT-PA幅度的变化。此外，拉直模型的形变分析可对经导管肺动脉瓣置换术（TPVR）的瓣膜尺寸选择和手术规划产生积极影响。

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方案

所有心脏CT数据均来自GrOwnValve临床前试验，并已获得柏林地区卫生与社会事务局法律与伦理委员会（LAGeSo）的批准。所有动物均按照欧洲和德国实验动物科学学会（FELASA、GV-SOLAS）的指南接受人道护理。本研究选取了绵羊J的术前CT图像以展示相关操作流程。

1. 在绵羊中进行三维心脏CT扫描

  1. 静脉麻醉
    1. 镇静绵羊（3岁，47 kg，雌性， Ovis aries) 通过肌内注射给予咪达唑仑（2 mg/mL，0.4 mg/kg）、布托啡诺（10 mg/mL，0.4 mg/kg）和格隆溴铵（200 mcg/mL，0.011 mg/kg）进行术前给药。
    2. 注射后15分钟，当羊只变得温顺时，检查其身体状况。
    3. 在头静脉中无菌放置带有注射端口的18 G导管，并通过灌注管路连接至三通接头，用于麻醉剂和对比剂的注射。
    4. 通过静脉注射丙泊酚（20 mg/mL，1–2.5 mg/kg）和芬太尼（0.01 mg/kg）对绵羊进行麻醉。观察镇静症状，如 jaw relaxation（下颌松弛）、吞咽反射消失和睫状反射消失。使用6.5 mm–8 mm气管插管对绵羊进行气管插管，并插入胃管至胃内以抽吸胃液，随后再次静脉注射丙泊酚（20 mg/mL，1–2.5 mg/kg）和芬太尼（0.01 mg/kg）。
    5. 通过静脉注射丙泊酚（10 mg/ml，2.5–8.0 mg/kg/h）和氯胺酮（10 mg/mL，2–5 mg/kg/h）实现完全麻醉，为心脏CT检查做准备。
  2. 心脏CT
    1. 将绵羊在准备完成后从实验医学研究所（FEM）转移至柏林德国心脏中心（DHZB）的CT室。将所有绵羊固定于CT检查床后，采用俯卧位进行扫描，使用3条绑带分别固定其上肢、腹部和下肢。
    2. 在64层双源多排CT系统上，采用心电门控技术进行心脏CT扫描，具体参数设置如下：机架旋转时间0.33秒，管电流100–320 mAs/圈，管电压120 kV，矩阵256，位深16位，有效X射线剂量偏差15.5± 11.6 mSv，层厚 0.75 mm。
    3. 通过以5 mL/s的速率注射2-2.5 mL/kg的碘化对比剂实现对比增强 通过 手臂上的T型接头。
    4. 按顺序执行4D CT扫描方案。将整个心动周期从0%到100%分为11个时相帧，以R波至R波（RR）间期的10%为间隔，覆盖完整的心动周期。在RR间期约70%处获取舒张末期相位，用于3D序列的分析。在4D CT的每一帧以及70%时相的3D序列中，均获取矢状位、冠状位和轴位数据。
    5. 采用团注追踪法确定肺动脉主干感兴趣区域的对比剂团注时机，以实现理想的同步效果。任何绵羊均不得使用β受体阻滞剂。
    6. 将绵羊转移回FEM，并在扫描结束后停止丙泊酚和氯胺酮的灌注。拔管后10至20分钟，绵羊恢复意识。麻醉医师和兽医全程监护麻醉过程，直至绵羊完全清醒并能自由活动。

2. 开源三维重建软件应用程序设置与扩展安装

  1. 启动三维重建软件后，点击顶部菜单中的编辑以修改应用程序设置。
    1. 点击DICOM，然后选择采集几何规则化，并在DICOM标量体积插件部分中选择应用规则化变换。在多体积导入插件部分中，选择体积序列作为首选的多体积导入格式。
    2. 点击视图，选择小坐标轴。在方向标记中，选择细标尺。
    3. 重启3D Slicer软件以保存应用程序设置。
  2. 在工具栏中点击扩展管理器以打开扩展页面。
    1. 查找所需的扩展并单击左键进行安装。本研究中使用以下扩展：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, 和 VASSTAUgorithms。
    2. 重启3D Slicer软件以确认所选扩展的安装。

3. 从 DICOM 文件将心脏 CT 数据导入 3D Slicer

  1. 使用以下所述的两个步骤之一，将来自 DIOCM 文件的心脏 CT 数据导入 3D Slicer（图 1）。
  2. 导入 CT 数据：通过切换到 DICOM 模块，并将文件拖放到应用程序窗口中，将心脏 CT 数据（以绵羊 J 的 Pre-CT 数据为例说明操作流程）添加至应用程序数据库。
  3. 加载 CT 数据：通过双击项目将数据对象加载到场景中（在绵羊 J 中，EKG- Ao asc 0.75 126f 3 70% 是舒张末期的 3D 序列，而 Funkion EKG- Ao asc 0.75 126f 3 0- 100% Matrix 256 是按心动周期划分的 11 帧容积序列，即 4D 序列）。
  4. 在数据树中左键单击 Eye 图标，以在二维查看器的轴向、矢状和冠状视图中显示 3D 和 4D 序列。
  5. 单击顶部工具栏上的 Slicer layout 图标，并选择 Four-Up 或 Conventional layout。
  6. 单击左上角的 Links 图标以链接所有三个查看器，并单击 Eye 图标以在 3D 查看器中显示切片。
  7. 单击 Save 图标，将所有加载到 3D Slicer 中的数据保存至指定位置，以构建用于分割和体积编辑的数据集。

4. 创建四维跳动心脏容积和跳动右心容积

  1. 选择 体积渲染 在模块下拉菜单中，然后选择4D序列 体积 下拉菜单
  2. 选择 CT-心脏3 在“预设”下拉菜单中选择以显示四维心脏。调整光标至下方 预设 下拉菜单以仅显示心脏。
  3. 点击 序列浏览器 在模块下拉菜单中选择并显示4D序列。跳动的心脏将出现在场景中。将4D心脏拖入3D场景，以从不同方向观察心脏。
  4. 选择 启用并显示感兴趣区域 功能在 作物 使用移位栏下方的选项裁剪跳动心脏的4D容积，以更清晰地观察心脏结构。
  5. 按照上述步骤创建4D跳动心脏容积。选择 分割编辑器 在模块下拉菜单中，然后单击 剪刀 效应与 填充内部 切割单个帧的操作。
  6. 点击 掩膜体积 效果，并将其应用于将分割结果与作为掩膜体积的四维心脏进行关联。掩膜体积效果中的输入体积和输出体积均为四维序列。
  7. 选择 剪刀 效应与 擦除内部 去除骨骼及其他非目标区域的操作。选择 岛屿 效应与 保留最大岛 切除小面积区域的手术。
  8. 选择 擦除 效应与 1-3% 球形刷 去除主动脉弓处与主肺动脉相连的组织，以及升主动脉与上腔静脉之间的组织。每完成一步后，应用 掩膜体积 效应以遮蔽四维容积。
  9. 重复步骤 4.7 - 4.8，继续去除相应区域，直至三维场景中显示出右心模型。
  10. 点击 序列浏览器 并转到下一帧。使用 剪刀 效应与 清除内部 在三维场景中对任意区域进行切割操作；右心模型将自动出现在当前帧中。对剩余各帧应用相同方法，直至完成整个四维序列的分割。
  11. 点击 序列浏览器 按钮以显示右心4D容积。
    ​注意：在某些帧中移除左前降支冠状动脉以及左冠状动脉分叉时，会同时移除少量右心室组织。因此，强烈建议保留这些冠状动脉的一小部分，以维持每一帧中的右心室容积。

5. 从4D序列创建拉直模型

注意：强烈建议将心脏周期每10%的帧图像分别构建在单独的3D Slicer文件夹中，否则在“数据”模块中会出现过多的数据树并列排列，导致创建拉直模型的效率低下。为了获得每个10%时间点的独立3D Slicer文件夹，需要多次加载4D序列，每次选择对应时间点的帧，并将其保存至单独的文件夹中。

  1. 为每一帧选择右心室分割 片段编辑器 工具栏中的模块。为4D序列的每个10%时间点添加两个分割，并相应命名，例如：60%分割和另一个。
  2. 选择 油漆 效应工具在 片段编辑器 模块与 可调节强度范围 这依赖于CT图像，按照上腔静脉、右心房、右心室和肺动脉的顺序对右心进行描绘。
  3. 点击 其他分割方法使用绘图工具绘制其他区域，以大致勾勒出右心的边界。
  4. 选择 从种子培育 效应，选择 初始化 和 应用 以应用效果。单击 显示3D 按钮在 片段编辑器 用于显示现代框架三维模型的模块。
  5. 重复步骤 4.7 - 4.8，根据三个方向的 CT 图像去除或优化三维模型。在分叉处去除肺动脉的左、右分支。随后，右心三维模型将显示每一帧中的三维场景。
    ​注意：强烈建议使用直径为1% - 2%的圆形画笔，在肺动脉与冠状动脉以及肺动脉与上腔静脉的连接处，描绘右心边界的轮廓。
  6. 在数据树中将分割结果克隆作为备份，并为分割结果命名，例如 10% 分割原始数据和 10% 分割直线化模型。
  7. 在右心模型上添加中心线，具体方法如下所述。
    1. 选择 提取中心线 在模块下拉菜单中。
    2. 选择 分割 在提取中心线模块的输入部分的表面下拉菜单中。这将创建一个分割，例如将10%分割作为拉直模型的一个片段。单击 创建新标记 fiducial 在终点下拉菜单中。单击 放置标记点 在上腔静脉顶面和主肺动脉末端平面点击按钮以添加端点。
    3. 选择 创建一个作为中心线的新模型 模型和 创建新标记曲线 作为“输出”菜单树中的中心线曲线。单击 应用 以显示右心中心线模型。
    4. 点击 数据 模块，然后右键单击 中心线曲线 以编辑其属性。单击 眼睛 显示控制点的图标，以及在 重采样 将重采样点数设置为40，以降低计算机负载。
  8. 创建一个拉直的模型
    1. 选择 曲面平面重组 在模块下拉菜单中。
    2. 将光标移至之后 曲线解析 和 切片分辨率 至0.8 mm，设定 切片厚度 至130140毫米，该范围根据图像显示的右心室范围确定，然后选择 创建新体作为输出的拉直体.
    3. 点击 应用 以获得拉直后的体积。
    4. 选择 体绘制 在模块下拉菜单中选择以显示校直后的体积。选择 伸直体积 在体积下拉菜单中选择并点击 眼睛 图标。选择 CT-心脏3 将预设调整后，移动 Shift 光标以在 3D 场景中显示校正后的右心容积。
    5. 在 DATA 树中将拉直后的体积命名为“用于分割的拉直体积”，然后右键单击以对该拉直体积进行分割。
    6. 选择 阈值 在“片段编辑器”模块中使用效果功能为所需的拉直后的右心着色，然后单击 应用 以执行该操作。选择 口罩体积 通过选择来遮蔽拉直后的体积，以达到效果 用于分割的拉直体积，体积为 输入体积和输出体积 并点击 应用 以执行该操作。
    7. 点击 应用 对右心分割结果应用与上述步骤4.7–4.8相同的操作，仅保留拉直后的右心部分。在3D场景中检查拉直后的右心体积及右心分割的3D模型。
    8. 点击 应用 对其他帧重复执行上述相同操作，以获得拉直后的右心体积渲染图像和拉直后的分割结果，并将其保存至各帧对应的文件夹中。

6. 导出图像和 STL 文件

  1. 单击工具栏上的捕获按钮，命名一个场景视图效果，并在3D视图中保存场景，以导出拉直后的体渲染图像。
  2. 单击分割模块，导出拉直后的3D分割的STL文件。

7. 进行五次平面测量

  1. 在4D序列的拉直模型中，按照下述方法对周长、横截面积和周长进行五个平面的测量，并对拉直模型中的右心室容积进行测量。
  2. 应用以下五个平面设置：平面A：位于主肺动脉，距窦管交界平面2 cm处；平面B：位于窦管交界处；平面C：位于窦部；平面D：位于瓣叶基底部；平面E：位于右心室流出道（RVOT），距D平面1 cm处。
  3. 在每一帧的拉直模型中，按住键盘上的Shift键，使用工具栏中的十字光标功能定位上述五个平面。点击工具栏中的创建并放置模块，选择平面效果。
  4. 选择线段效果以测量周长，选择闭合曲线效果以获取周长和横截面积。复制数据以构建数据集。
  5. 在拉直模型中进行右心室容积测量，步骤如下：
    1. 对从4D序列获得的每一帧拉直分割结果进行列化处理，并根据对应帧标记分割结果，用于容积测量。
    2. 在模块下拉菜单中选择分割统计模块。在输入菜单中，于分割与标量体积之后选择X%分割进行容积测量。选择创建新表格作为输出表格，然后点击应用以执行操作，生成容积表格。
    3. 复制容积数据，为每一帧的拉直分割结果创建容积测量数据集。

8. 三维多平面重建（MPR）测量及基于三维序列的右心室容积测量（舒张末期最佳重建时相）

注意：本研究选用绵羊 J Pre-CT 来说明 MPR 测量步骤。

  1. 加载舒张期三维序列，具体步骤如下：单击十字线效果旁边的向下箭头，选择Jump Slices- Offset, Basic+ Intersection, Fine Crosshair, 和 The Slice Intersections作为十字线设置。
  2. 按住 Shift 键并左键单击，拖动十字线至目标平面（例如窦部）。按住 Ctrl+Alt 键，调整十字线在轴向、矢状向和冠状向图像中的位置，使其精确地位于目标区域的中心。
  3. 选择Line 工具，在各个平面中进行测量，如步骤 7.4 所示。复制测量数据以构建三维多平面重建（MPR）测量数据集。
  4. 单击Segment Editor模块，按照上述步骤 5.8.6 中所述方法创建右心室的分割。
  5. 单击Segment Statistics模块，按照上述步骤 7.5.2 中所述方法进行右心室容积测量。
  6. 复制容积信息，以构建舒张期三维右心室容积数据集。

9. 带支架心脏瓣膜选择的计算

注意：本节中使用窦管交界处的测量值来说明该操作步骤。

  1. 计算长轴周长（d1）与短轴周长（d2）=（d3）的平均值，然后计算 d1、d2 和 d3 的平均值以得到 d4，如公式（1）–（2）所示。
    figure-protocol-1
    figure-protocol-2
  2. 将横截面积（S1）的计算结果除以 π 得到 d5，再对 d5 取平方根得到 d6，然后计算 d5 与 d6 的平均值，如公式（3）–（5）所示。
    figure-protocol-3
    figure-protocol-4
    figure-protocol-5
  3. 将周长（C1）除以 π 得到 d8，如公式（6）所示。
    figure-protocol-6
  4. 通过计算 d4、d7 和 d8 的平均值得到总体通用直径 d9，如公式（7）所示。
    figure-protocol-7
  5. 应用公式（8）计算最佳瓣膜尺寸（h）。
    figure-protocol-8
    注：带支架的心脏瓣膜有 30 mm、26 mm 和 23 mm 三种直径可选。瓣膜尺寸（h）以百分比形式显示与这三种直径的匹配程度，即匹配度为 10–20% 时为理想匹配，30% 及以上表示过大不适合植入，低于 10% 表示过小不适合植入。
  6. 将 3D 和 4D 数据导入多功能统计软件中，绘制五个平面测量值的趋势图，并以 TIFF 格式导出图像。将所有图像导入图形软件进行整理。

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结果

在绵羊J中，成功地从4D心脏CT序列生成了4D全心和右心模型，该序列显示了整个心动周期中的心脏形变情况。为了更清晰地展示，搏动心脏和右心在各个方向上的完整形变过程均被呈现出来 图3 - 图4 以及在 视频 1 - 视频 2.

通过在每个10%分割段中获取掩膜体积，得到拉直的右心模型，以在绵羊J的Pre-CT中展示右心在拉直模型中的形变情况(图5)。

在目标位置添加了五个平面以进行测量，如图2A所示，同时在三维重建软件中进行多平面重建（MPR）测量，而非采用传统的在绵羊J的Pre-CT 4D容...

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讨论

迄今为止，本研究首次通过基于4D CT序列生成的心脏拉直模型，展示了对右心室流出道-肺动脉（RVOT-PA）形态学及动态参数进行患者特异性测量的方法，可用于预测经导管肺动脉瓣置换术（TPVR）的最佳瓣膜尺寸。该方法利用绵羊J的Pre-CT成像数据，在心动周期每10%重建时相的五个平面上，获取RVOT至肺动脉主干段的动态形变、右心室容积、右心室功能以及RVOT/PA变化幅度。与3D成像相比，拉直模型不仅预测出与舒张末期3D图像多平面重建（MPR）测量结果一致的瓣膜尺寸，还提供了更直观的模型以提取有关右心的所需信息。根据先前研究的结果13，该方法有助于更深入地理解 体内 对于右心室流出道功能障碍和/或肺动脉瓣疾病患者，其负荷状况以及新型经导管肺动脉瓣置换（TPVR）装置的研发均需关注，这些新装置在形态上可适应接受TPVR治疗患者不同的右心室流出道解剖结构，并可能在长期应用中表现出更优的机械性能。然而，目前用于TPVR术前评估的定量测量方法主要基于三维序列中的多平面重建（MPR）测量，该方法在评估过程中可能因右心室流出道和肺动脉的解剖曲率而引入意外误差。此外，在由四维序列生成的...

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披露

作者声明无利益冲突。

致谢

Xiaolin Sun 和 Yimeng Hao 对本论文的贡献相同，共同作为第一作者。衷心感谢所有为本工作做出贡献的人，包括过去和现在的团队成员。本研究得到了德国联邦经济和能源部 EXIST - 科研成果转化项目（03EFIBE103）的资助。Xiaolin Sun 和 Yimeng Hao 得到了中国国家留学基金管理委员会的资助（Xiaolin Sun-CSC：201908080063，Yimeng Hao-CSC：202008450028）。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Adobe IllustratorAdobeAdobe Illustrator 2021图形软件
布托啡诺Richter Pharma AGVnr5319430.4mg/kg
芬太尼Janssen-Cilag Pharma GmbHDE/H/1047/001-0020.01mg/kg
格隆溴铵Accord Healthcare B.VPZN116491230.011mg/kg
GraphPad PrismGraphPad Software Inc.版本 9.0多功能统计软件
Imeron 400 MCTBracco ImagingPZN002299782.0–2.5 ml/kg
氯胺酮Actavis Group PTC EHFART.-Nr. 799-7622–5 mg/kg/h
咪达唑仑Hameln pharma plus GMBHMIDAZ501000.4mg/kg
Multislice Somatom Definition FlashSiemens AGA91CT-01892-03C2-7600心脏CT扫描仪
丙泊酚B. Braun Melsungen AGPZN 1116449520mg/ml, 1–2.5 mg/kg
丙泊酚B. Braun Melsungen AGPZN 1116444310mg/ml, 2.5–8.0 mg/kg/h
带注射端口的安全型静脉导管B. Braun Melsungen AG批号: 20D03G834618 G 带注射端口导管
3D SlicerSlicerSlicer 4.13.0-2021-08-13软件：3D Slicer 医学图像计算平台

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