Summary
Het doel van deze studie was om de co registratie voor afbeelding fusion (IF) voor vooraf Interventionele CT data met real-time x-ray (XR) fluoroscopie tijdens transfemoral transcatheter aortaklep implantatie (TAVI).
Abstract
De fusie van 3D anatomische modellen afgeleid van HiFi-vooraf Interventionele computertomografie angiografie (CTA), en x-ray (XR) fluoroscopie ter vergemakkelijking van de anatomische begeleiding is van enorm belang voor complexe cardiale interventies als TAVI procedures met cerebrale bescherming. Co registratie van CTA en XR is ofwel gebaseerd op extra intraoperatieve non- / contrast-enhanced kegel-beam berekend tomography (CBCT) of twee aparte aortograms ingevoerd. Met de daarmee verband houdende verhoging van de stralingsdosis blootstelling en/of contrast agent (CA), is een extra risico voor de patiënt ingevoerd. Hier stellen wij een gemodificeerde co registratie aanpak maken gebruik van arteriograms van de iliofemoral slagaders, routinematig uitgevoerd tijdens de femorale punctie en de invoering van de schede. On-the-fly verfijning van de co registratie tijdens de lopende procedure maakt nauwkeurige co registratie zonder enige extra angiograms, waardoor de CA, XR dosis en procedure tijd, terwijl het gelijktijdig verbeteren van exploitant vertrouwen en procedure veiligheid.
Introduction
Afbeelding fusion (IF) is het proces van datasets verworven op de verschillende tijd- en standpunten over verschillende modaliteiten in een single-frame voor referentie1boven elkaar plaatsen. XR is de meest gebruikte beeldvormende modaliteit voor de oriëntatie van de interventie. Hoewel, het verstrekken van hoge temporele en ruimtelijke resolutie, XR heeft lage dimensionaliteit (2D uitstekende delen) en mist anatomische details. 3D orgel vorm modellen afgeleid van bijvoorbeeld kwalitatief hoogwaardige vooraf Interventionele CTA gegevens bovenop op de levende fluoroscopie beeld kunnen XR uitbreiden door relevante anatomische structuren van de soft-weefsel. Vereiste stap als is de co registratie van de verschillende beeldvormende modaliteiten.
Typisch, co registratie van preoperatieve 3D beeld datasets met XR fluoroscopie heeft betrekking op een van de volgende technieken2: een) beeld-gebaseerde 3D-3D registratie van de preoperatieve 3D dataset met een intraoperatieve non- / contrast-enhanced CBCT Dataset3,4,5,6, of b) directe beeld-gebaseerde 2D-3D registratie, waar twee angiographic afbeeldingen met een minimum van 30 ° hoekige afstand7,8 worden gebruikt voor Co registratie.
Met de recente introductie van fusion pakketten op commerciële XR systemen, als kan worden gemakkelijker beschikbaar gesteld voor een brede waaier van toepassingen. Met behulp van deze systemen, hebben wij eerder getoond dat het is technisch haalbaar en veilig om overlay een aorta wortel-model door middel van directe beeld-gebaseerde 2D-3D-registratie voor de ondersteuning van transfemoral transcatheter aortaklep implantatie (TAVI)8. Zonder afbreuk te doen aan de algehele CA of XR dosis, als bewezen zeer waardevolle tijdens TAVI procedure door het toevoegen van 3D anatomische details aan het conventionele XR fluoroscopie beeld, vooral tijdens de implementatie van de cerebrale veiligheidsvoorziening. De bijkomende verwerving van de aortograms gebruikt voor de co registratie vereist echter extra CA en XR dosis. Een geoptimaliseerde workflow bieden nauwkeurige als zonder de behoefte aan een extra aortograms was dus zeer wenselijk.
Hier presenteren we een aanpak van verbeterde samenwerking registratie van vooraf Interventionele CTA met real-time XR zonder enige extra CA of C-arm CT scans voor als. De femur toegang die TAVI wordt uitgevoerd als beschreven elders9,10,11. Kort, beide femorale slagaders worden benaderd: een voor de begeleiding van de contralaterale punctie, gevolgd door de plaatsing van een katheter draadantenne via een 6F omhulsel dat arteriografie tijdens plaatsing van de klep prothese; de tweede voor de plaatsing van de klep uitvoeringssysteem en de daaropvolgende ballon valvuloplasty en apparaat plaatsing. Angiographic bevestiging van passende punctie wordt uitgevoerd in onze instelling als een standaard van zorg voor de lokalisatie van de lekke band hoogte (boven de femorale bifurcatie) en de schatting van de positie van de overdekte stent in het geval van de toegang-gerelateerde complicaties12. Voor het vastleggen van embolisch puin, is een dubbel-filter cerebrale beschermingssysteem geïntroduceerd na inbrengen van de schede TAVI levering vóór het verstrijken van de aortaboog met ieder apparaat dat verdere.
We gebruiken arteriograms routinematig tijdens het aanprikken van de aders van de femorale uitgevoerd om de oorspronkelijke co registratie. On-the-fly verfijning van de co registratie wordt vervolgens uitgevoerd tijdens de lopende procedure met behulp van de positie van de FM-katheter binnen de aorta root, de dubbel-filter cerebrale embolisch beschermingssysteem in de supraaortal-schepen en de aortograms uitgevoerd voordat de inplanting van de klep prothese, waardoor nauwkeurige model overlay op elk tijdstip tijdens de interventie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Het studie-protocol is met inachtneming van de ethische richtsnoeren voor de 1975 verklaring van Helsinki zoals blijkt uit een priori goedkeuring door het Comité van de ethiek van de instelling. Schriftelijke toestemming is verkregen van alle individuele deelnemers opgenomen in de studie (CSI-Ulm, clinicaltrials.gov NCT02162069).
1. CT onderzoek
- Uitvoeren van cardiale CT angiografie met terugwerkende kracht ECG-gating met behulp van 80 mL iodinated contraststoffen geïnjecteerd op een debiet van 4,0 mL/s gevolgd door een afboekingsmethode bolus van 70 mL zoutoplossing van 0,9%.
- Verwerven van gegevens cranio-caudally uit te breiden van de femorale slagaders aan de slagaders van de subclavian met de volgende parameters van de verwerving: de matrix van 512 × 512 pixels, segment dikte van 1 mm, slice afstand van 0.7 mm.
- Beelden bij 30% van het R-R interval met behulp van iteratieve wederopbouw algoritme te reconstrueren.
2. de beeldsegmentatie en Model generatie
- Import CT gegevens uit een extern apparaat of een interne archiefsysteem in beeld fusie software door slepen-en-dropping de dataset of subsets met gegevens voor de geselecteerde patiënt in de weergave van de patiënten binnen de toepassing.
- Automatische segmentatie van het geselecteerde volume CT starten door te dubbelklikken op de afbeelding-serie.
Opmerking: Segmentatie van de hartkamers (linker en rechter ventrikel, links en rechts atrium, myocard) en grote schepen (abdominale aorta, vena cava en coronaire sinus) wordt automatisch gestart en wordt weergegeven in de segmentatie werk stap. - Ga via de afbeeldingssegmenten en controleren of de randen van de aorta en het linkerventrikel correct worden gedetecteerd en indien nodig bewerken de automatische segmentatie in het venster van de weefsel via de knop bewerken .
- Voor het uitvoeren van handmatige segmentatie van aanvullende structuren, de knop toevoegen in het venster weefsel te gebruiken.
- Gebruik bestaande hulpmiddelen te vullen van de structuur (Injecteren kleurstof) en sleep de randen van de structuur (Sleep rand) in 2D aanzichten of delen van de structuur met de vrije-vorm gesneden in de 3D-weergave verwijderen.
- Uitvoeren van handmatige segmentatie van de belangrijkste stammen van de linker- en kransslagaderen, belangrijkste slagader takken (brachiocephalic artery met rechts carotis en juiste subclavian slagaders, linker gemeenschappelijke halsslagader en linker subclavian slagader), links en rechts iliofemoral slagaders, hip bones en heupgewrichten zoals beschreven in stappen 2.4-2.5 (Figuur 1).
Opmerking: Afhankelijk van de kwaliteit van de CT-volume kan dit 20 tot 30 min duren.
3. image co registratie en Fusion
- In de weergave patiënten samenvoegen de geselecteerde patiënt met de huidige patiënt in de XR-systeem door te kiezen voor de desbetreffende actie in het rechts-klik context-menu.
Opmerking: Nu de registratie en Live werk stappen zijn actief en kunnen worden gebruikt. - In de Live werken stap, klikt u op toevoegen nieuwe tag wijs in het venster Label punten drie referentie markeringen aan aortaklep cuspen ter vergemakkelijking van de keuze van de optimale projectie van de ringvormige vliegtuig tijdens de interventie (figuur plaatsen 2).
- Ga naar de registratie werk stap te verwerven van de XR-runs en voor het uitvoeren van de co registratie van de gesegmenteerde modellen met XR.
Opmerking: XR uitgevoerd verworven met ten minste 30° hoekafstand zijn vereist voor betrouwbare registratie. - Kopieer de angiographic projectie van de passende lekke ~ LAO 20-30° geaardheid (of ~ RAO 20-30° afhankelijk van het initiële doorprikken kant) in de Reference bekijken 1 door te klikken op de knop kopiëren naar referentie weergave 1.
- Kopie na x-ray projecties verworven ~ AP oriëntatie tijdens de visualisatie van de overgang van de contralaterale A. iliaca communis naar de A. femoralis communis in de Reference bekijken 2 door te klikken op de knop Kopiëren naar Reference bekijken 2.
- Gebruik de interactie tools Registratie Pan, Registratie draaien (voor-plane rotatie), van Het Broodje van de registratie (voor 3D-rotatie) voor het handmatig uitlijnen, het model van de slagaders van de iliofemoral met de verworven XR projecties ( Figuur 3A-B).
- Hip bones en heupgewrichten zichtbaar in de XR beelden gebruiken als extra bezienswaardigheden tijdens de uitlijning van de overlay in de iliofemoral regio.
Opmerking: Nu het model is gekoppeld aan de XR systeem geometrie en de overlay automatisch wordt aangepast aan de huidige stand van de projectie van de XR, vergroting en patiënt tafelpositie. - Begeleiden het aanprikken van de gemeenschappelijke femorale slagader aan de kant van de schede (Figuur 3 c) met behulp van de grof oorspronkelijke co registratie uitgevoerd in stap 3.6.
- Opnemen van een angiographic projectie van het apparaat schede femorale slagader in ~ RAO 20-30° (of respectievelijk ~ LAO 20-30°) door te klikken op de knop kopiëren naar Reference bekijken en de co beeldregistratie in de iliofemoral regio (figuur 3D) af te ronden.
Opmerking: Aangezien de patiënt is anders gepositioneerd tijdens de CT-scan en de interventie, registratie op basis van de iliofemoral-structuren biedt slechts beperkte nauwkeurigheid in andere regio's. Handmatige verfijning van de co registratie in de thoracale regio is dus vereist. - Om deze gegevens te gebruiken voor verdere overlay opnieuw aanpassing, extra verworven projecties op de "Reference bekijken" tijdens de overgang van de iliofemoral te kopiëren naar de thoracale regio, alsmede eventuele catheterisatie van de stam van de brachiocephalic via de juiste radiale slagader.
- Na het plaatsen van de katheter FM in de aortaboog, verwerven van twee fluoroscopic projecties zonder CA in LAO 30 - 40 ° en RAO 20 - 30 ° oriëntatie en kopieer ze in de referentie 1 en referentie weergave 2.
- Gebruik de interactie extra Registratie Pan, Registratie draaien (voor-plane rotatie), van Het Broodje van de registratie (voor 3D-rotatie) om het handmatig aanpassen van de registratie in de thoracale regio (figuur 4A-B ).
- Begeleiden van de plaatsing van de veiligheidsvoorziening zonder toediening van extra CA puur op basis van de anatomische overlay (figuur 4C).
- Voor verdere verfijning, handmatig corrigeren de overlay positie zoals beschreven in stap 3.12 op elk verworven XR projectie tijdens de gehele loop van de interventie, ervoor te zorgen nauwkeurige overlay op elk punt van de tijd.
Opmerking: Gebruik aortograms verworven volgens de gebruikelijke procedure voor het controleren van de juiste positie van het uitvoeringssysteem als monumenten voor de aanpassing van de overlay (Figuur 4 d).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
We introduceerde een nieuwe co registratie aanpak voor afbeelding fusion tijdens TAVI, waarmee de patiënt-specifieke anatomische model op de live beelden van de XR bedekken tijdens de gehele procedure TAVI zonder de noodzaak voor een extra aortograms.
Aantal Interventionele stappen zullen profiteren van het als: (1) begeleiding van het aanprikken van de gemeenschappelijke femorale slagader boven de femorale bifurcatie aan de kant van de schede (figuur 5A); (2) de nauwkeurige plaatsing van de cerebrale embolisch veiligheidsvoorziening zelfs in zeer moeizame anatomie uitsluitend gebaseerd op de anatomische overlay (figuur 5B); (3) de visualisatie van het model in willekeurige C-arm gehoekt zonder enige XR blootstelling en CA administratie (Figuur 2), alsook de identificatie van de optimale weergave voordat de klep inzet (figuur 5C); (4) aanpassing van de klep prothese zelfs in zeer complexe anatomie (figuur 5D).
In de verwante klinische studie13, blijken de voorgestelde aanpak op als significante vermindering van het volume van CA [80 (50-95) vs. 100 mL (80-110), p = 0.010], totale procedure tijd [48 (41-58) vs. 61 (53-67) min, p = 0.002] en procedure XR doen se [51 (42-55) vs. 64 (49-81) Gy cm2, p = 0.032] in vergelijking met een overeenkomende controlegroep.
Figuur 1 : 3D-modellen van de CTA gebaseerde gesegmenteerde aortaboog met coronaire, halsslagader en subclavian slagaders (rood), iliac en femorale slagaders (groen), verlaten ventrikel (paars), hip bones (geel), en heupgewrichten (blauw). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2 : Handmatige instelling van de referentie-markers (blauwe stippen) op de aortaklep cusps ter vergemakkelijking van de keuze van de optimale projectie van de ringvormige vliegtuig. A. Oblique weergave. B. orthogonale weergave. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3 : Registratie tussen het 3D model en XR systeem in de regio iliofemoral. A. Arteriogram van de femorale slagader van de geperforeerde niet-apparaat schede in LAO 20 °. B. Arteriogram van de iliacale slagaders in RAO 4 ° oriëntatie. C. aanprikken van het vaartuig geselecteerd voor de levering schede in RAO 4 °. D. Bevestiging van het standpunt van de draad binnen het schip geselecteerd voor de levering schede in RAO 21°. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4 : Verfijning van de co registratie in de thoracale regio. De overlay is opnieuw uitgelijnd op basis van twee projecties van de verwijzing van de abdominale aorta na inbrengen van de catheter van de draadantenne die a. in LAO 32 ° en B. verworven RAO 23°. Verdere verfijningen kunnen worden gedaan na de plaatsing van C. de cerebrale embolisch veiligheidsvoorziening en D. gebaseerd op de angiographic prognoses van de aorta cirkelring. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5 : Voorbeelden van succesvolle afbeelding fusion. A. femorale punctie. B. plaatsing van de cerebrale embolisch veiligheidsvoorziening. C. overdrukveiligheid implementatie (C-arm is uitgelijnd loodrecht op het ringvormige vliegtuig als het worden via drie markeringen instellen op de aorta cirkelring uitgelijnd langs een rechte lijn gezien kan). D. ventiel prothese na de implementatie in de aorta cirkelring. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De belangrijkste focus van deze studie was om te onderzoeken van de haalbaarheid van als zonder het wijzigen van de klinisch gevestigde TAVI workflow. Overwegende dat de gouden standaard voor de co registratie vooraf Interventionele CTA gegevens en XR fluoroscopie maakt gebruik van speciale aortograms8, stellen wij met behulp van meerdere geschatte registraties met on-the-fly verfijningen om nauwkeurige 3D-model overlay tijdens de gehele loop van de interventie.
De verfijning van de continue handmatige registratie vereist extra opgeleide personeel de Interventionele team vanuit de controlekamer te staan. De vereiste verfijningen zijn moeilijk uit te voeren op de tableside, aangezien de verwante gebruikersinteracties invloed de klinisch gevestigde Interventionele workflow. Echter, hoewel de co registratie op basis van de overname van twee gewijd aortograms is mogelijk eenvoudiger te realiseren op de tableside, de 3D overlay niet beschikbaar zouden zijn tijdens de femorale toegang en elke beweging van de patiënt zou bederven de nauwkeurigheid van de registratie.
Zelfs het gebruik van statische routekaarten, niet overweegt de cardiale en respiratoire beweging, leek veelbelovend voor femoral punctie, plaatsing van de embolisch veiligheidsvoorziening en aanvankelijke uitlijning van de prothese ventiel. Echter het gebruik van cardiale fase gesynchroniseerde anatomische modellen in combinatie met respiratoire bewegingscompensatie alsnog het nut van de voorgestelde aanpak door de administratieve verwerking van dynamische veranderingen in de aorta cirkelring verhogen plaatsen, met name tijdens de implementatie van het ventiel.
Overlay van 3D-model is een ander incrementele vooruitgang ter verbetering van de navigatie van complexe interventies, wat leidt tot een verbetering van de procedurele veiligheid en werkzaamheid14. Co registratie van de vooraf Interventionele CT gegevens live fluoroscopie door middel van contrast-enhanced CBCT aanleiding kan geven tot bezorgdheid over XR hooggedoseerde en extra CA, ondanks zijn gemeld succes6,15. Met behulp van inheemse CBCT plaats wordt beperkt door de slechte zichtbaarheid van de doel-structuren en veroorzaakt problemen in de registratie en hoog opgeleide exploitanten zijn nodig, waardoor de werkstroom minder eenvoudig6,16. Zelfs al gebruik van twee extra aortograms voor de co registratie toegestaan voor de nauwkeurige registratie van Co, zou geen vermindering van CA noch XR dosis bereikte8. De aanpak van de registratie van de voorgestelde samenwerking levert aanzienlijke vermindering van het fluoroscopie dosis, de contrast volume en de totale tijd van de procedure met behoud van de gebruikelijke workflow tijdens de innesteling. Bovendien, het ondersteunt al femorale slagader lekke band door de respectieve modellen boven elkaar plaatsen tijdens de beginfase van de interventie.
De huidige beperking van de techniek komt voort uit de statische aard van de anatomische modellen en niet-vervormbare rigide registratie, mogelijk veroorzaakt overlay onnauwkeurigheid. In het bijzonder, verschillende patiënten positionering tussen vooraf Interventionele beeldvorming en de interventie evenals dunne, moeizame structuren die gemakkelijk tijdens apparaat manipulatie vervormen kan leiden tot een wanverhouding tussen de anatomische modellen en de levende situatie.
Het voorgestelde protocol is als zodanig van toepassing op een groot aantal transcatheter interventies. Met de toenemende complexiteit van deze procedures, zal de vraag naar betere begeleiding gestaag stijgen. Procedures op de rand voor de klinische routine zoals de percutane behandeling van de tricuspidalisklep evenals al klinisch zoals atriale of ventriculaire ablatie vastgestelde procedures zal waarschijnlijk profiteren van de voorgestelde aanpak. Hoewel de procedure wordt uitgelegd in termen van één specifieke systeem, moet de aanpak gemakkelijk overdraagbaar aan andere systemen zijn, zolang een soortgelijk softwareoplossing beschikbaar is.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Namens alle auteurs, de bijbehorende auteurs staat dat er geen relaties die zou kunnen worden opgevat als een belangenconflict.
Acknowledgments
De auteurs wil de Ulm universitair centrum voor translationeel Imaging MoMAN bedanken voor zijn steun.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Philips Allura FD10 | Philips Healthcare | x-ray system | |
| EP Navigator Release 5.2.10 | Philips Healthcare | image segmentation and fusion SW | |
| Iomeron 350 | Bracco Imaging Deutschland GmbH | x-ray contrast agent | |
| Sentinel double-filter cerebral protection system | Claret Medical, Inc. | double-filter cerebral protection system | |
| Matlab R2013 | MathWorks | statistical analysis |
References
- Sánchez, Y., et al. Navigational Guidance and Ablation Planning Tools for Interventional Radiology. Current Problems in Diagnostic Radiology. 32 (2), 225-233 (2017).
- Schwein, A., et al. Feasibility of three-dimensional magnetic resonance angiography-fluoroscopy image fusion technique in guiding complex endovascular aortic procedures in patients with renal insufficiency. Journal of Vascular Surgery. 65 (5), 1440-1452 (2017).
- Ierardi, A. M., et al. Fusion of CT Angiography or MR Angiography with Unenhanced CBCT and Fluoroscopy Guidance in Endovascular Treatments of Aorto-Iliac Steno-Occlusion: Technical Note on a Preliminary Experience. CardioVascular and Interventional Radiology. 39 (1), 111-116 (2015).
- Sailer, A. M., et al. CTA with Fluoroscopy Image Fusion Guidance in Endovascular Complex Aortic Aneurysm Repair. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 47 (4), 349-356 (2014).
- McNally, M. M., et al. Three Dimensional Fusion CT Decreases Radiation Exposure, Procedure Time and Contrast Use during Fenestrated Endovascular Aortic Repair. Journal of Vascular Surgery. 61 (2), 309-316 (2015).
- Krishnaswamy, A., Tuzcu, E. M., Kapadia, S. R. Integration of MDCT and fluoroscopy using C-arm computed tomography to guide structural cardiac interventions in the cardiac catheterization laboratory. Catheterization and Cardiovascular Interventions. 85 (1), 139-147 (2015).
- Movassaghi, B., Rasche, V., Grass, M., Viergever, M. A., Niessen, W. J. A quantitative analysis of 3-D coronary modeling from two or more projection images. IEEE Transactions on Medical Imaging. 23 (12), 1517-1531 (2004).
- Vernikouskaya, I., et al. Image-guidance for transcatheter aortic valve implantation (TAVI) and cerebral embolic protection. International Journal of Cardiology. 249, 90-95 (2017).
- Ramlawi, B., Anaya-Ayala, J. E., Reardon, M. J. Transcatheter Aortic Valve Replacement (TAVR): Access Planning and Strategies. Methodist DeBakey Cardiovascular Journal. 8 (2), 22-25 (2012).
- Wöhrle, J., et al. Transfemoral Aortic Valve Implantation with the New Edwards Sapien 3 Valve for Treatment of Severe Aortic Stenosis-Impact of Valve Size in a Single Center Experience. PLOS ONE. 11 (3), e0151247 (2016).
- Seeger, J., Gonska, B., Otto, M., Rottbauer, W., Wöhrle, J. Cerebral Embolic Protection During Transcatheter Aortic Valve Replacement Significantly Reduces Death and Stroke Compared With Unprotected Procedures. JACC: Cardiovascular Interventions. 10 (22), 2297-2303 (2017).
- Seeger, J., Gonska, B., Rodewald, C., Rottbauer, W., Wöhrle, J. Impact of suture mediated femoral access site closure with the Prostar XL compared to the ProGlide system on outcome in transfemoral aortic valve implantation. International Journal of Cardiology. 223, 564-567 (2016).
- Vernikouskaya, I., et al. Patient-specific registration of 3D CT angiography (CTA) with X-ray fluoroscopy for image fusion during transcatheter aortic valve implantation (TAVI) increases performance of the procedure. Clinical Research in Cardiology. , In Press (2018).
- Eng, M. H., Kim, M. S. Fluoroscopy and CT fusion overlay-greater than the sum of their parts. Catheterization and Cardiovascular Interventions. 85 (1), 148-149 (2015).
- John, M., et al. System to guide transcatheter aortic valve implantations based on interventional C-arm CT imaging. Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention. 13 (Pt 1), 375-382 (2010).
- Lu, Y., Sun, Y., Liao, R., Ong, S. H. A pre-operative CT and non-contrast-enhanced C-arm CT registration framework for trans-catheter aortic valve implantation. Computerized Medical Imaging and Graphics. 38 (8), 683-695 (2014).
