Summary
この研究は、経カテーテル肺弁置換術の適用における弁サイジングのための所望の測定値を得るために、4次元心臓コンピュータ断層撮影シーケンスから生成された矯正モデルを用いて新しい方法論を評価した。
Abstract
右心室(RV)および肺動脈(PA)の測定は、経カテーテル肺弁置換術(TPVR)に最適な補綴物サイズを選択するため、かなり異なる。デバイスサイズ予測のための3次元(3D)コンピュータ断層撮影(CT)イメージングは、右心室流出管(RVOT)およびPAの変位を評価するには不十分であり、ステントの置き忘れおよび傍弁漏れのリスクを高める可能性がある。この研究の目的は、4次元(4D)心臓CT再構成によって心周期全体にわたるRVOTからPAの解剖学的構造を視覚化および定量化し、必要な弁サイズの正確な定量的評価を得る動的モデルを提供することである。このパイロット研究では、手順を説明するためにヒツジJからの心臓CTが選択された。3D心臓CTを3D再構成ソフトウェアにインポートし、心臓周期にわたって11フレームに分割して心臓の変形を視覚化する4Dシーケンスを構築しました。メインPA、洞管接合部、洞、肺弁の基底面(BPV)、およびRVOTにおける5つの画像化平面の直径、断面積、および円周を、弁移植前に4D矯正モデルで各フレームで測定し、弁サイズを予測した。一方、RV体積の動的変化も測定し、右心室駆出率(RVEF)を評価した。拡張期末期の3D測定値は、4D測定値と比較するために得られた。ヒツジJでは、まっすぐにされたモデルからの4D CT測定の結果、TPVR(30mm)のバルブサイズは3D測定と同じ選択になりました。CT前からのヒツジJのRVEFは62.1%であった。3D CTとは対照的に、直線化された4D再構成モデルは、TPVRのバルブサイズ選択の正確な予測を可能にしただけでなく、理想的なバーチャルリアリティを提供し、TPVRの有望な方法とTPVRデバイスの革新を提示しました。
Introduction
右心室流出路(RVOT)の機能不全および肺弁の異常は、重度の先天性心疾患の最も頻繁な結果の2つであり、例えば、ファロット(TOF)の修復された四部作、ある種の二重出口右心室(DORV)、および大動脈の転位を有する患者1,2,3.これらの患者の大部分は、生涯を通じて複数の手術に直面し、年齢が進むにつれて、複雑さと併存疾患のリスクが高まります。これらの患者は、低侵襲治療として経カテーテル肺弁置換術(TPVR)の恩恵を受ける可能性があります4。今日まで、TPVRを受ける患者の数は着実に増加しており、これらの処置の数千人が世界中で行われてきた。従来の開心手術と比較して、TPVRは、介入前にコンピュータ断層撮影血管造影(CTA)によって、右心室(RV)から肺動脈(PA)への異種移植片またはホモグラフトのより正確な解剖学的測定、ならびに経環状パッチによる肺およびRVOT狭窄の修復を必要とし、患者がステント骨折および傍弁漏出(PVL)から自由であることを保証する5、6.
前向きの多施設研究では、マルチディテクタCT環状サイジングアルゴリズムが適切なバルブサイズを選択する上で重要な役割を果たし、傍弁逆流の程度を低下させる可能性があることが実証されました7。近年、定量分析は臨床医学への応用がますます進んでいます。定量分析は、臨床画像の客観的かつ正確な解釈を可能にし、患者がステント骨折および傍弁漏出がないことを確認するための大きな可能性を秘めており、患者固有の治療および治療応答評価を高めることができる。これまでの臨床では、3つの平面(矢状、冠状、軸状)から2次元(2D)CTでCT画像を再構築し、可視化モデルを得ることが可能でした8。コントラスト増強心電図(ECG)ゲートCTは、RVOT/PA 3Dの形態および機能の評価、ならびに心臓周期を通してTPVR安定性を維持できる適切なRVOT移植部位を有する患者の同定においてより重要になっている9,10。
しかし、現代の標準的な臨床および前臨床環境では、取得した4D CTデータは通常、3D / 4D動的情報を表示できない手動定量化および視覚的評価のために3D平面に変換されます11。さらに、3D情報を用いても、多平面再構成(MPR)から得られる測定値には、可視化の質の悪さや、右心臓の血流の方向が異なることによる動的変形の欠如など、さまざまな制限があります12。測定値は収集に時間がかかり、2Dアライメントとセクショニングが不正確になり、誤解や拡張性につながる可能性があるため、間違いを犯しがちです。現在、RVOT-PAの測定が、機能不全のRVOTおよび/または肺弁疾患を有する患者におけるTPVRの適応症および弁サイジングに関する正確な情報を確実に提供できるかについてのコンセンサスはない。
この研究では、心臓周期全体にわたるRVOT-PAの3D変形を特徴付ける最善の方法を決定するために、4D心臓CTシーケンス を介して まっすぐにされた右心モデルを使用してRVOT-PAを測定する方法が提供される。時空間相関イメージングは、時間的次元を含めることによって完成し、したがって、RVOT-PAの大きさの変動を測定することができた。さらに、直線化されたモデルの変形は、TPVRバルブのサイジングと手順計画にプラスの影響を与える可能性があります。
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Protocol
すべての心臓CTデータは、ベルリン保健社会問題地域事務所(LAGeSo)の法的および倫理的委員会の承認を得て、GrOwnValve前臨床試験から取得されました。すべての動物は、ヨーロッパおよびドイツの実験動物科学会(FELASA、GV-SOLAS)のガイドラインに準拠して人道的なケアを受けました。この研究では、手順を説明するために、ヒツジJからのPre-CTを選択した。
1.羊の3D心臓CTを行う
- 静脈内麻酔
- 筋肉内注射により、ミダゾラム(2mg / mL、0.4mg / kg)、ブトルファノール(10mg / mL、0.4mg / kg)、および臭化グリコピロニウム(200 mcg / mL、0.011mg / kg)の前投薬で羊(3歳、47kg、 雌、卵巣牡羊座)を静める。
- 注射の15分後に、羊が従順になったときの羊の体調を確認してください。
- 注入口付きの18Gカテーテルを頭静脈に無菌的に配置し、麻酔および造影剤用のTコネクタに灌流ラインを接合する。
- プロポフォール(20 mg/mL, 1-2.5 mg/kg)とフェンタニル(0.01 mg/kg)を静脈注射して羊を麻酔します。顎の弛緩、嚥下喪失、毛様体反射などの鎮静化の症状を確認してください。羊を6.5mm〜8mmの気管チューブで挿管し、胃液吸引のために胃チューブを胃に入れ、続いてプロポフォール(20mg / mL、1-2.5mg / kg)およびフェンタニル(0.01mg / kg)を静脈注射する。
- 心臓CTに備え、プロポフォール(10 mg/ml、2.5-8.0 mg/kg/h)およびケタミン(10 mg/mL、2-5 mg/kg/h)を静脈内注射して全麻酔を達成する。
- 心臓CT
- 準備後、実験医学研究所(FEM)からベルリンドイツ心臓センター(DHZB)のCT室に羊を移します。腕、腹部、脚に3つの包帯を巻いてCTベッドにしっかりと固定した後、すべての羊を臆病な姿勢でスキャンします。
- 以下のパラメータを使用して、ECGゲーティングを備えた64スライスデュアルソースマルチディテクタCTシステムで心臓CTを実行します。ガントリ回転時間0.33 s、1回転あたり100-320 mA、120 kVの管電圧、16ビット深さのマトリックス256、偏差有効X線線量15.5±11.6 mSv、スライス厚さ0.75 mm。
- 2-2.5mL/kgのヨウ素化造影剤をアームのT-コネクタ を介して 5mL/sの割合で投与することにより、コントラスト増強を達成する。
- 4D CTスキャンプロトコルをシーケンシャルに実行します。心臓周期全体を0%から100%までの11フレームに分割し、10%のR波からR-波(RR)間隔で心臓周期をカバーします。RR間隔の約70%で拡張末期フェーズを3Dシリーズの解析用に実施します。4D CTの各フレーム、および70%の3Dシリーズで矢状、冠状、および軸方向のデータを取得します。
- ボーラス追跡法を使用して、主肺動脈上の関心領域におけるボーラスタイミングを対比させ、理想的な同期を達成する。どんな羊にもベータ遮断薬を投与しないでください。
- 羊をFEMに戻し、スキャン後にプロポフォールとケタミンの灌流を停止します。羊は抜管の10〜20分後に意識を取り戻しました。麻酔科医と獣医師は、羊が完全に目を覚まし、自由に動くことができるようになるまで、麻酔治療全体を監督しました。
2. オープンソースの3D再構成ソフトウェアアプリケーション設定と拡張分割払い
- トップメニューの[ 編集 ]をクリックして、3D再構築ソフトウェアを起動した後にアプリケーション設定を変更します。
- DICOMをクリックし、次に集録ジオメトリ正規化をクリックし、DICOMスカラーボリュームプラグインセクションで「正則化変換を適用」を選択します。「マルチボリュームインポータープラグイン」セクションで、優先するマルチボリュームインポート形式として「ボリュームシーケンス」を選択します。
- 「ビュー」をクリックし、「小軸」を選択します。方向マーカーで、「細い定規」を選択します。
- 3D スライサー ソフトウェアを再起動して、アプリケーション設定を保存します。
- ツールバーの拡張機能マネージャーをクリックして、 拡張機能 ページを開きます。
- 必要な拡張機能を見つけて左クリックしてインストールします。この調査では、シーケンス登録、スライサー Elastix、サンドボックス、スライス ハート、スライサー IGT、スライサー VMTK、DICOM Web ブラウザー、強度セグメンター、モデル化するマークアップ、Easy Clip、mp Review、Slicer Prostate、および VASSTAUgorithms の拡張機能を使用します。
- 3D スライサー ソフトウェアを再起動して、選択した拡張機能のインストールを確認します。
3. DICOMファイルから心臓CTデータを3Dスライサーにロードする
- 以下に説明する2つのステップのいずれかを使用して、心臓CTデータをDIOCMファイルから3Dスライサーにロードします(図1)。
- CTデータのインポート: DICOM モジュールに切り替えてファイルをアプリケーションウィンドウにドラッグアンドドロップして、心臓CTデータ(手順を説明するために羊JのPre-CTが選択されました)をアプリケーションのデータベースに追加します。
- CTデータのロード: 項目をダブルクリックしてデータオブジェクトをシーンにロードします(ヒツジJでは、EKG-Ao asc 0.75 126f 3 70%が拡張末期の3Dシーケンスで、Funkion EKG-Ao asc 0.75 126f 3 0-100% Matrix 256は心臓周期による11フレームボリュームシーケンスとしての4Dシーケンスです)。
- データツリーの 「アイ」 アイコンを左クリックすると、2D ビューアに軸ビュー、矢状ビュー、コロナビューの 3D シーケンスと 4D シーケンスが表示されます。
- 上部のツールバーの [ スライサー レイアウト ] アイコンを左クリックし、[ 4 アップ] または [従来のレイアウト] を選択します。
- 左上隅のリンクアイコンをクリックして3つのビューアすべてを リンク し、 目の アイコンをクリックしてスライスを3D Viewerに表示します。
- [ 保存] アイコンをクリックし、3D スライサーに読み込まれたすべてのデータを選択した保存先に保存して、セグメンテーションとボリューム編集用のデータセットを作成します。
4.4Dビートハートボリュームとビート右ハートボリュームを作成する
- モジュールドロップダウンメニューでボリューム レンダリング を選択し、 ボリューム ドロップダウンメニューで4Dシーケンスを選択します。
- プリセットドロップダウンメニューで CT-Cardiac3 を選択して4Dハートを表示します。 「プリセット 」ドロップダウンメニューの下にあるカーソルを調整して、ハートのみを表示します。
- モジュールドロップダウンメニューのシーケンスブラウザをクリックして4D シーケンス を選択して表示します。鼓動する心臓がシーンにあります。4Dハートを3Dシーンにドラッグして、さまざまな方向からハートを観察します。
- シフトバーの下にあるトリミングオプションでROIを有効にする機能と表示機能を選択して、心臓の構造をよりよく観察するために、鼓動する心臓の4Dボリュームをトリミングします。
- 上記のように4D鼓動心臓ボリュームを作成します。モジュールドロップダウンメニューで「セグメントエディタ」を選択し、「内側を塗りつぶす」操作で「はさみ」エフェクトをクリックして、1 つのフレームをカットします。
- ボリュームをマスクエフェクトをクリックし、それを適用すると、セグメンテーションが マスクされたボリューム として4Dハートにリンクされます。マスクボリュームエフェクトの入力ボリュームと出力ボリュームは4Dシーケンスです。
- 「内部を消去」操作で「はさみ」エフェクトを選択すると、ボーンやその他の予期しない領域が削除されます。「最大の島を保持」オペレーションで「島」エフェクトを選択して、小さな領域を削除します。
- 1〜3%スフィアブラシで消去効果を選択して、主肺動脈への付着を伴う大動脈弓の組織、および上行大動脈と上大静脈との間の組織を除去する。各ステップの後、ボリュームをマスクエフェクトを適用して4Dボリュームをマスクします。
- 手順 4.7 ~ 4.8 を繰り返して、右心モデルが 3D シーンに表示されるまで領域の削除を続けます。
- シーケンスブラウザをクリックし、次のフレームに移動します。はさみエフェクトを内側の消去操作とともに使用して、3D シーン内の任意の領域をカットします。右の心臓のモデルが自動的に現代のフレームに表示されます。4Dシーケンス全体がセグメント化されるまで、残りのフレームに同じメソッドを適用します。
- シーケンスブラウザボタンをクリックすると、右ハートの4Dボリュームが表示されます。
注:いくつかのフレームで左前下降冠状動脈および左冠状動脈の分岐を除去すると、右心室のごく一部が除去される。このため、各フレームの右心室容積を維持するために、これらの冠状動脈の小さな部分を維持することを強くお勧めします。
5. 4Dシーケンスから直線化されたモデルを作成する
メモ: 心周期フレームの各 10% を 1 つの 3D スライサーフォルダに構築することを強くお勧めします。そうしないと、DATA モジュールに整列されたデータツリーが多すぎるため、直線化されたモデルを作成するのが非効率的になります。各10%フレームの単一の3Dスライサーフォルダを取得するには、4Dシーケンスを数回ロードし、すべてのフレームを選択して1つのフォルダに保存する必要があります。
- 各フレームの右ハートのセグメンテーションを作成するには、ツールバーの セグメントエディタ モジュールを選択します。4Dシーケンスの10%フレームごとに2つのセグメンテーションを追加し、それに応じて60%セグメンテーションやOtherなどに名前を付けます。
- CT画像に依存する編集可能な強度範囲を持つセグメントエディタモジュールでペイント効果ツールを選択し、右心臓をシーケンス上大静脈、右心房、右心室、および肺動脈でペイントします。
- [その他のセグメンテーション]をクリックし、ペイントツールを使用して他の領域をペイントし、一般的に右心の境界をトレースします。
- 「シードから成長」エフェクトを選択し、「初期化して適用」を選択してエフェクトを適用します。セグメントエディタモジュールの「3Dを表示」ボタンをクリックして、コンテンポラリーフレームの3Dモデルを表示します。
- 手順4.7~4.8を繰り返して、3方向のCT画像に従って3Dモデルを削除または改善します。分岐部で肺動脈の左右の枝を取り除きます。右側の 3D モデルには、各フレームの 3D シーンが表示されます。
注:肺動脈と冠状動脈の間のアタッチメント、ならびに肺動脈と上大静脈の間のアタッチメントに直径1%〜2%の球ブラシで右心臓の境界をペイントすることを強くお勧めします。 - DATAツリーのセグメンテーションをバックアップとして複製し、セグメンテーションに「10%セグメンテーションオリジナル」、10%セグメンテーション(ストレートモデル)という名前を付けます。
- 以下で説明するように、右心モデルに中心線を追加します。
- モジュールのドロップダウンメニューで [中心線の抽出 ]を選択します。
- 抽出中心線モジュールの「入力」(Inputs) セクションのサーフェスドロップダウンメニューで「 セグメンテーション」(Segmentation ) を選択します。これにより、直線化されたモデルの 10% セグメンテーションなどのセグメンテーションがセグメントとして作成されます。エンドポイントドロップダウンメニュー の[新しいマークアップの作成 ]をクリックします。[ マークアップポイントを配置] ボタンをクリックして、SVCの上部平面と主肺動脈の端面に端点を追加します。
- 出力メニューのツリーで、「新規モデルを中心線モデルとして作成」を選択し、「新規マークアップ曲線を中心線曲線として作成」を選択します。[適用]をクリックして、中心線の右心モデルを表示します。
- DATAモジュールをクリックし、中心線曲線を右クリックしてそのプロパティを編集します。[目] アイコンをクリックしてコントロール ポイントを表示し、[再サンプル] セクションでリサンプリングされたポイントの数を 40 に設定して、コンピューターの負荷を軽減します。
- 直線化されたモデルを作成する
- モジュールドロップダウンメニューで 「湾曲平面再フォーマット 」を選択します。
- 「 カーブ解像度 」と「 スライス解像度」 の後にカーソルを 0.8 mm にシフトし、「 スライスサイズ 」を画像に表示された右心室の範囲に応じた 130140 mm に設定し、「 出力直線ボリューム」として「新しいボリュームを作成」を選択します。
- [適用]をクリックして、まっすぐに伸ばされたボリュームを取得します。
- モジュール の ドロップダウンメニューで[ボリュームレンダリング]を選択して、まっすぐになったボリュームを表示します。音量ドロップダウンメニューで [まっすぐな 音量]を選択し、[ 目] アイコンをクリックします。プリセットとして CT-Cardiac3 を選択し、シフトカーソルを動かして、まっすぐになった右心ボリュームを3Dシーンに表示します。
- DATAツリーで、セグメンテーション用のストレートボリュームの名前でストレートされたボリュームを列に並べ、右クリックしてこのストレートされたボリュームをセグメント化します。
- セグメントエディタモジュールで「しきい値」エフェクトを選択して、直線化した右心の色を付け、「適用」をクリックして操作を適用します。「ボリュームをマスク」エフェクトを選択して、セグメンテーション用のストレートボリューム、入力ボリュームとしてボリューム、出力ボリュームを選択し、「適用」をクリックして操作を適用して、ストレートボリュームをマスクします。
- 「 適用 」をクリックして、上記の手順 4.7 ~ 4.8 で概説したのと同じ操作を適用して、まっすぐにされた右心セグメンテーションのみを維持します。3Dシーンで、まっすぐになった右心のボリュームとまっすぐになった右心のセグメンテーションの3Dモデルを確認してください。
- 「 適用」(Apply ) をクリックして、上記で概説したのと同じ操作を他のフレームに適用して、直線化された右心ボリュームレンダリングと直線化されたセグメンテーションを取得し、各フレームのフォルダに保存します。
6. 図とSTLファイルをエクスポートする
- 直線化されたボリュームレンダリングの図をエクスポートするには、ツールバーの キャプチャ をクリックし、シーンビュー効果に名前を付け、シーンを3Dビューに保存します。
- セグメンテーションモジュールをクリックして、直線化された3DセグメンテーションのSTLファイルをエクスポート します 。
7. 5つの平面測定を実行する
- 以下のように、4Dシーケンスから直線モデルの周囲長、断面積、円周の5つの平面測定と、直線化モデル内の右心室容積測定を実行します。
- 以下の5つの平面設定を適用する:平面A:主肺動脈において、洞管接合部の平面から2cmオフセットする。平面B:洞管状接合部において;平面C:副鼻腔で;平面D:リーフレットの基部に;平面 E: RVOT で D から 1 cm オフセット。
- キーボードの Shift キーを押しながらツールバーの十字線機能を使用して、上記の 5 つの平面をすべて各フレームの直線化されたモデルに追加します。ツールバーの 「作成と配置 」モジュールをクリックして、「 平面」 エフェクトを選択します。
- 「 線 」エフェクトを選択して周囲を測定し、「 閉じた曲線」 エフェクトを選択して円周と断面積を取得します。データをコピーしてデータセットを構築します。
- 以下のように、矯正モデルで右心室容積測定を行う。
- 4Dシーケンスから得られた各フレームの直線化されたセグメンテーションを列に並べ、ボリューム測定のためにマッチングフレームに従ってセグメンテーションにラベルを付けます。
- モジュールドロップダウンメニューでセグメント統計モジュールを選択します。入力メニューの「セグメンテーション」および「スカラーボリューム」の後の体積測定には、「X%セグメンテーション」を選択します。「出力表」として「新規表の作成」を選択し、「適用」をクリックしてボリューム表を取得する操作を適用します。
- ボリューム データをコピーして、直線化されたセグメンテーションの各フレームのボリューム測定データセットを作成します。
8.3D 3D配列からの多平面再構成(MPR)測定および右心室容積測定(拡張期の終わりに最も再構成された相)
注:この研究では、MPR測定手順を説明するために、ヒツジJ Pre-CTを選択しました。
- 次の手順に示すように、拡張期 3D シーケンスをロードします。十字効果の横にある下向き矢印を選択し、十字線設定で 「スライスをジャンプ - オフセット」、「基本+交差」、「細かい十字線」、および「スライス交差」 を選択します。
- Shift キーを押しながら左クリックすると、十字線が平面 (副鼻腔など) にドラッグされます。Ctrl キーを押しながら Alt キーを押して、軸方向、矢状、および冠状シーンの希望する位置に十字線を、ターゲット位置の中央に完全に調整します。
- 「線」エフェクトを選択して、手順 7.4 に示すように各平面で測定を実行します。データをコピーして、3D MPR 測定データセットを作成します。
- セグメントエディタモジュールをクリックして、ステップ5.8.6で上で概説したように右心室セグメンテーションを作成します。
- セグメント統計モジュールをクリックして、ステップ7.5.2で概説したように、右心室容積測定を実行します。
- 体積情報をコピーして、拡張期 3D 右心室容積データセットを作成します。
9. ステント付き心臓弁選択の計算
注:このセクションでは、手順を説明するために、洞管接合部の測定を使用しました。
- 式(1)~(2)に示すように、長軸(d1)と短軸外周(d2)=(d3)の平均を計算し、続いてd1、d2、d3の平均を計算してd4を求めます。
- 断面積(S1)の計算をπで割ってd5 を求め、続いてd5 の平方根をd6とし、式(3)~(5)に示すようにd5 とd6の平均を求めます。
- 円周(C1)をπで除算し、式(6)に示すようにd8を求める。
- 式(7)に示すように、d4、d7、d8の平均を計算して全体の総直径d9を求める。
- 式(8)を適用して、バルブサイズ(h)の最良の選択を計算します。
注:ステント付き心臓弁は、直径30 mm、26 mm、および23 mmで入手可能です。バルブサイズ(h)は、3つの直径に対する一致をパーセンテージ、すなわち10〜20%の理想的な一致、30%以上の移植の場合は大きく、10%未満の移植の場合は小さいことを示す。 - 3Dおよび4Dデータを汎用性の高い統計ソフトウェアにインポートして、5つの平面での測定のトレンド図を作成し、TIFF形式で図をエクスポートします。すべての図をグラフィックソフトウェアにインポートして整理します。
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Representative Results
ヒツジJでは、心臓周期全体を通して変形を示した4D心臓CTシーケンスから、4D全心臓および右心モデルが首尾よく生成されました。よりよく視覚化するために、鼓動している心臓と右心臓の変形全体を図3 - 図4およびビデオ1 - ビデオ2のあらゆる方向に示しています。
矯正された右心モデルを、各10%のセグメンテーションにおけるマスク体積に続いて得、羊J Pre−CTにおける矯正モデルにおける右心臓の変形を例示した(図5)。
図2Aに示すような測定、および図2Bに示す羊J Pre-CTの4D体積をトリミングする従来の方法ではなく、3D再構成ソフトウェアでのMPR測定を実行するために、所望の場所に5つの平面が追加された。断面積、周囲長、および円周の変化を心周期の異なる相で取得し、図6に示すような傾向図を生成した。4D CT測定と3D CT測定のオリジナルデータは補足ファイル1に示されています。ヒツジJでは、直線化されたモデルからの4D CT測定により、TPVR(30mm)のバルブサイズは拡張末期シリーズのMPR測定と同じ選択になり、顕著なバーチャルリアリティと信頼性の高い結果という利点がありました。RVOTで測定された断面積(RVOT:4Dで3.42 cm2対2Dで4.28 cm2、BPV:4Dで2.96 cm2対2Dで3.92 cm2)、および円周(RVOT:4Dで76.1 mm対2Dで87.06 mm、BPV:4Dで67.65 mm対2Dで75.73 mm)および肺弁の基底面に有意差があった。CT前からのヒツジJの右室駆出率は62.1%であった。
図1.3次元再構成ソフトウェアのユーザーインターフェイス。 ツールバー、データツリー、およびプログラムを動作させるための3次元再構成ソフトウェアの他の機能メニューが示されている。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2.3次元シーケンス(拡張末期)における測定および多平面再構成測定のための直線化モデルにおける5つの平面。 (a)平面a:主肺動脈、平面bから20mmずれ;平面b:洞管状接合部;平面c:肺弁の洞;平面d:肺弁の底;(B)5つの平面における拡張末期の3DシーケンスにおけるMPR測定:肺弁の底部から10mmオフセット、肺弁の底部、肺弁の洞、洞、洞管接合部、および主肺動脈(洞管接合部から20mmオフセット)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3.心臓周期を通して4次元の心臓変形。 ヒツジJ事前コンピュータ断層撮影の総心臓変形は、心周期の0%から100%への形状変化を示す。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4.心臓周期を通して4次元右心変形。 ヒツジJの右心変形は、事前コンピュータ断層撮影法が心周期の0%から100%への形状変化を示す。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5.心臓周期を通して羊Jの右心変形を予めコンピュータ断層撮影した。 ヒツジJの矯正された右心変形は、予めコンピュータ断層撮影法が心周期の0%から100%への形状変化を示す。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図6.心周期全体にわたる円周、平均直径、断面積、および右心室容積の変化。 (a)5つの平面における心周期中の円周の変化。(B)5つの平面における心周期中の平均直径の変化(ステップ9.1の式1を使用して計算)。(c)5つの平面における心周期中の断面積の変化。(d)心周期中の右心室容積の変化。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
ビデオ1.4次元の全心臓変形。 心臓周期全体を通して、4次元の心臓再建全体をあらゆる方向に視覚化することができる。 このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
ビデオ2.4次元右心変形。 鼓動する心臓(上大静脈、右心房、右心室、肺動脈)は、心周期全体を通してあらゆる方向に視覚化することができる。 このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル 1. 表は、肺動脈からのパラメータ、右心室容積、およびヒツジJ事前コンピュータ断層撮影からの大動脈の測定を含む、記載されたプロトコルに従って生成された4D CT測定および3D CT測定値からの元のデータを提示する。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
現在までに、これは、TPVRの最適なバルブサイズを予測するために適用できる4D CTシーケンスから生成された矯正心臓モデルを用いて、RVOT-PAの形態および力学パラメータの患者特異的測定を説明する最初の研究である。この方法論は、ヒツジJ Pre-CT画像を用いて、心周期の10%再構成ごとにRVOTから肺幹へのRVOT/PA変化の動的変形、右心室容積、右心室機能、およびRVOT/PA変化の大きさを5つの平面で取得するために例示された。3Dイメージングと比較して、まっすぐにされたモデルは、拡張末期の3D画像からMPR測定値と同じ弁サイズを予測しただけでなく、右心臓に関する所望の情報を抽出するためのより直感的なモデルを可能にした。以前の研究の知見13によると、提案された方法は、機能不全のRVOTおよび/または肺弁疾患を有する患者における in vivo 負荷状態のより良い理解、ならびにTPVRを必要とする患者の異なるRVOT解剖学に形態学的に適合し、長期的には改善された機械的性能を示す可能性がある新しいTPVR装置の開発を可能にする。しかし、TPVRの介入前評価のための定量的測定の現在の方法論は、3DシーケンスのMPR測定に基づいているため、RVOTおよびPAの解剖学的曲線に基づく評価中に予期しない誤差が生じる可能性がある。さらに、4Dシーケンスから生成された3Dモデルでは、心臓の全体的な動きに関して詳細な情報が失われる可能性があります14。
この研究では、羊Jの4D体積をトリミングする従来の方法ではなく、3D再構成ソフトウェアにおけるセグメンテーションの4D体積にマスクを使用して、心臓周期全体にわたる心臓の総変形を観察および視覚化するために、4D拍動心臓モデルが作成された。この方法は、心臓を視覚化し、弁サイズを選択するために、3Dシーケンスからの3D再構成として4Dモデルを構築する正確かつ効率的な方法を提供することができる。さらに、同じ方法を用いて、3D再構成ソフトウェアにおける 種子から成長 効果を用いてセグメント化された心周期の各10%におけるセグメンテーションから、動的モデルとして右心モデルを再構築した。4D右心モデルはRR間隔を通して解剖学的形態全体を視覚化することができ、それに基づいて心臓専門医はTPVRの患者固有の戦略を開発することができます。さらに、心臓周期の各10%における4Dシーケンスから得られた3D矯正右心モデルは、特にステント付き心臓弁選択に適用される5つの平面において、右心臓の正確で形態学的、および機能的な定量化を提供することができる。まっすぐにされたモデルを作成する前に、各10%の心周期からの右心臓の手動かつ正確な3Dセグメンテーションが必要です。右心セグメンテーションを行う場合、1 つのフレームのボリュームがマスクされた後、望ましくない構造に対してシザー機能を使用して、現在のフレーム内の 3D セ グ メンテーションが自動的に表示されます。RVOTの全体積を保持するためには、左冠状動脈の小さな部分をセグメンテーションに保持しなければならない。直線化されたモデルを作成するには、元の右心モデルに中心線を追加して、直線化されたモデルの品質を確保し、計算負荷を軽減することが重要です。まっすぐにされた右心モデルは、周囲、円周、断面積を含む心臓解剖学のすべての相関関係を正確に反映し、その後の形態学的情報の抽出と全体的な方法での直接測定を可能にした。この研究では、4D矯正モデルからの測定値は、MPRでの3D測定と同じバルブサイズ(直径30mm)の選択をもたらしましたが、羊Jの顕著なバーチャルリアリティと信頼性の高い結果の利点がありました。また、心臓周期全体における右心室容積に関するデータの収集を可能にし、これを適用して右心室駆出率を計算することができます。
これまでの臨床試験では、大きな3D変位と回転に次ぐ静的断面平面と動的断面平面の間でRVOTPAの測定断面積に大きな違いがあることが示されています15。ヒツジJ Pre-CTでは、肺弁のRVOT平面および基底面で測定された断面積および円周の有意差がRVOTにおいても観察された:4Dで3.42cm2対3Dで4.28cm2、BPV:4Dで2.96cm2対3Dで3.92cm2、およびRVOT円周: 4D で 76.1 mm 対 3D で 87.06 mm、BPV: 4D で 67.65 mm 対 3D で 75.73 mm。測定用のデータを取得するために、固定平面の代わりに5つの動的平面を適用しました。ここでは、肺弁の洞管面および基底面を基準線として選択した。これらの5つの平面には、ステント付き心臓弁を展開するために利用できるすべてのスペースが含まれていました。RVOT平面は、5つの平面で心周期全体を通して最大の変形を示し、様々な解剖学への適応を可能にし、骨折および移動のない長期耐久性のためにステント付き心臓弁の設計形状を保持する汎用性の高いTPVR装置の必要性を強調した。形状記憶を備えたニチノールステントは、将来のTPVRのためのトライリーフレットバルブを取り付けるための有望な候補である。臨床応用のために、特に経環状パッチ修復またはTPVRを受けた患者にとって、心膜と心筋との間の接着、ステント、および変形解剖学からのアーチファクトがあるので、解剖学を再構築するためのより多くの努力を必要とするであろう。この手法を臨床に応用するには、より高解像度のCTデータ、よく発達した再構成ソフトウェア、CT解析の豊富な経験が必要です。しかし、この方法は、大型動物試験だけでなく、ファローの四部作、開心手術や介入療法を受けていない孤立した肺狭窄症の患者の周術期評価に使用することができます。
4D矯正モデルの説明された方法は、RVOTからPAまでの心臓のすべてのセグメントの正確で視覚的な識別と計算を可能にし、心臓専門医が正確な介入前評価を得るのに役立つだけでなく、心臓エンジニアが将来のアプリケーションのために新しいTPVRデバイスを革新するのに役立つ。
この研究における4D矯正モデル測定の方法論の主な制限は、データが大きなサンプル集団なしでCT前の1匹の羊からのみ得られたことです。さらに、移植後のCT画像化は、右心臓の弁サイズおよび構造変化をフォローアップするために実施されなかった。最後に、経環状パッチ修復またはTPVRを受けた患者の場合、心膜と心筋との間の接着、ステント、および変形した解剖学的構造からのアーチファクトがあるため、解剖学を再構築することはより困難である。
結論
3D CTとは対照的に、まっすぐな4D再構成モデルは、TPVRのバルブサイズ選択の正確な予測を可能にしただけでなく、羊Jに理想的なバーチャルリアリティを提供し、TPVRおよびTPVRデバイスの革新のための有望な方法となるでしょう。
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Disclosures
著者らは利益相反を宣言する。
Acknowledgments
Xiaolin SunとYimeng Haoは、この原稿に等しく貢献し、最初の著者を共有しています。この業に貢献したすべての人々,すなわち過去と現在の会員に心からの感謝の意を表します。この研究は、ドイツ連邦経済エネルギー省(EXISTS - 研究移転)(03EFIBE103)からの助成金によって支援されました。Xiaolin SunとYimeng Haoは、China Scholarship Council(Xiaolin Sun-CSC:201908080063、Yimeng Hao-CSC:202008450028)の支援を受けています。
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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