Summary
Diese Studie bewertete eine neue Methodik mit einem begradigten Modell, das aus der vierdimensionalen kardialen Computertomographie-Sequenz generiert wurde, um die gewünschten Messungen für die Ventildimensionierung bei der Anwendung des Transkatheter-Pulmonalklappenersatzes zu erhalten.
Abstract
Die Maße des rechten Ventrikels (RV) und der Lungenarterie (PA) zur Auswahl der optimalen Prothesengröße für den Transkatheter-Pulmonalklappenersatz (TPVR) variieren erheblich. Die dreidimensionale (3D) Computertomographie (CT) für die Vorhersage der Gerätegröße reicht nicht aus, um die Verschiebung des rechten ventrikulären Ausflusstrakts (RVOT) und PA zu beurteilen, was das Risiko einer Stentfehlung und eines paravalvulären Lecks erhöhen könnte. Ziel dieser Studie ist es, ein dynamisches Modell zur Visualisierung und Quantifizierung der Anatomie des RVOT zu PA über den gesamten Herzzyklus durch vierdimensionale (4D) kardiale CT-Rekonstruktion bereitzustellen, um eine genaue quantitative Bewertung der erforderlichen Klappengröße zu erhalten. In dieser Pilotstudie wurde die Herz-CT von Schaf J ausgewählt, um die Verfahren zu veranschaulichen. 3D-Herz-CT wurde in 3D-Rekonstruktionssoftware importiert, um eine 4D-Sequenz zu erstellen, die in elf Rahmen über den Herzzyklus unterteilt wurde, um die Verformung des Herzens zu visualisieren. Durchmesser, Querschnittsfläche und Umfang von fünf Bildgebungsebenen an der Haupt-PA, dem sinotubularen Diaphragma, dem Sinus, der Basalebene der Pulmonalklappe (BPV) und RVOT wurden an jedem Rahmen in 4D-gerichteten Modellen vor der Klappenimplantation gemessen, um die Klappengröße vorherzusagen. In der Zwischenzeit wurden auch dynamische Veränderungen des RV-Volumens gemessen, um die rechtsventrikuläre Ejektionsfraktion (RVEF) zu bewerten. Für den Vergleich mit den 4D-Messungen wurden 3D-Messungen am Ende der Diastole erhalten. Bei Schaf J ergaben 4D-CT-Messungen aus dem begradigten Modell die gleiche Wahl der Ventilgröße für TPVR (30 mm) wie 3D-Messungen. Der RVEF von Schafen J aus der Zeit vor CT betrug 62,1 %. Im Gegensatz zur 3D-CT ermöglichte das begradigte 4D-Rekonstruktionsmodell nicht nur eine genaue Vorhersage für die Ventilgrößenauswahl für TPVR, sondern bot auch eine ideale virtuelle Realität und stellte damit eine vielversprechende Methode für TPVR und die Innovation von TPVR-Geräten dar.
Introduction
Dysfunktion des rechtsventrikulären Ausflusstraktes (RVOT) und Pulmonalklappenanomalien sind zwei der häufigsten Folgen schwerer angeborener Herzfehler, zum Beispiel Patienten mit reparierter Tetralogie von Fallot (TOF), bestimmten Arten von Doppelaustritts-Rechtsventrikel (DORV) und Transposition der großen Arterien1,2,3 . Die Mehrheit dieser Patienten wird im Laufe ihres Lebens mehrfach operiert und mit fortschreitendem Alter steigen die Risiken für Komplexität und Komorbiditäten. Diese Patienten können von einem Transkatheter-Pulmonalklappenersatz (TPVR) als minimal-invasive Behandlung profitieren4. Bis heute ist die Zahl der Patienten, die sich einer TPVR unterziehen, stetig gestiegen, und mehrere tausend dieser Verfahren wurden weltweit durchgeführt. Im Vergleich zur traditionellen Operation am offenen Herzen erfordert TPVR eine genauere anatomische Messung des Xenotransplantats oder Homotransplantats vom rechten Ventrikel (RV) zur Lungenarterie (PA) sowie die Reparatur der Lungen- und RVOT-Stenose über transringuläres Pflaster, durch Computertomographie-Angiographie (CTA) vor dem Eingriff und um sicherzustellen, dass die Patienten frei von Stentfrakturen und paravalvulärem Leck (PVL) sind5. ( 6 ) DIE MITGLIEDSTAATEN ERLASSEN
Eine prospektive, multizentrische Studie zeigte, dass ein ringförmiger Multidetektor-CT-Größenalgorithmus eine wichtige Rolle bei der Auswahl der geeigneten Ventilgröße spielte, was den Grad der paravalvulären Regurgitation verringern könnte7. In den letzten Jahren wurde die quantitative Analyse in der klinischen Medizin immer häufiger angewendet. Die quantitative Analyse hat ein enormes Potenzial, eine objektive und korrekte Interpretation der klinischen Bildgebung zu ermöglichen und zu überprüfen, ob die Patienten frei von Stentfrakturen und paravalvulären Leckagen sind, was die patientenspezifische Therapie und die Bewertung des Behandlungsansprechens verbessern kann. In der bisherigen klinischen Praxis war es möglich, die CT-Bildgebung aus drei Ebenen (sagittal, koronal und axial) mit zweidimensionaler (2D) CT zu rekonstruieren, um ein Visualisierungsmodell zu erhalten8. Die kontrastverstärkte Elektrokardiogramm (EKG)-Gated CT hat bei der Beurteilung der RVOT/PA-3D-Morphologie und -Funktion sowie bei der Identifizierung von Patienten mit einer geeigneten RVOT-Implantationsstelle, die in der Lage ist, die TPVR-Stabilität während des gesamten Herzzyklus aufrechtzuerhalten, an Bedeutung gewonnen9,10.
In den heutigen klinischen und präklinischen Standardumgebungen werden die erfassten 4D-CT-Daten jedoch in der Regel in 3D-Ebenen zur manuellen Quantifizierung und visuellen Bewertung übersetzt, die keine dynamischen 3D/4D-Informationen zeigen können11. Darüber hinaus weisen die aus der multiplanaren Rekonstruktion (MPR) erhaltenen Messungen selbst mit 3D-Informationen verschiedene Einschränkungen auf, wie z. B. eine schlechte Qualität der Visualisierung und mangelnde dynamische Verformung aufgrund der unterschiedlichen Fließrichtungen des Blutflusses im rechten Herzen12. Messungen sind zeitaufwändig zu erfassen und fehleranfällig, da die 2D-Ausrichtung und -Schnitte ungenau sein können, was zu Fehlinterpretationen und Dehnbarkeit führt. Derzeit besteht kein Konsens darüber, welche Messung von RVOT-PA zuverlässig genaue Informationen über die Indikationen und die Klappendimensionierung für TPVR bei Patienten mit dysfunktionaler RVOT- und/oder Pulmonalklappenerkrankung liefern könnte.
In dieser Studie wird die Methode zur Messung von RVOT-PA unter Verwendung eines begradigten Rechtsherzmodells über eine 4D-Herz-CT-Sequenz bereitgestellt, um zu bestimmen, wie die 3D-Deformationen von RVOT-PA während des gesamten Herzzyklus am besten charakterisiert werden können. Die räumlich-zeitliche Korrelationsbildgebung wurde durch die Einbeziehung der zeitlichen Dimension vervollständigt und konnte daher Variationen in der RVOT-PA-Größe messen. Darüber hinaus könnte sich die Verformung der begradigten Modelle positiv auf die TPVR-Ventildimensionierung und die Verfahrensplanung auswirken.
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Protocol
Alle kardialen CT-Daten stammen aus präklinischen Studien von GrOwnValve mit Genehmigung des Rechts- und Ethikausschusses des Landesamtes für Gesundheit und Soziales, Berlin (LAGeSo). Alle Tiere erhielten eine humane Pflege nach den Richtlinien der Europäischen und Deutschen Gesellschaft für Versuchstierkunde (FELASA, GV-SOLAS). In dieser Studie wurde das Pre-CT von Schaf J ausgewählt, um die Verfahren zu veranschaulichen.
1. Führen Sie 3D-Herz-CT bei Schafen durch
- Intravenöse Anästhesie
- Beruhigung von Schafen (3 Jahre, 47 kg, weiblich, Eierstöcke) mit Prämedikation von Midazolam (2 mg/ml, 0,4 mg/kg), Butorphanol (10 mg/ml, 0,4 mg/kg) und Glykopyrroniumbromid (200 mcg/ml, 0,011 mg/kg) durch intramuskuläre Injektion.
- Überprüfen Sie die körperliche Verfassung der Schafe, als sie 15 Minuten nach der Injektion fügsam wurden.
- Platzieren Sie einen 18-G-Katheter mit Injektionsanschluss aseptisch in der Kopfvene mit Perfusionslinien, die mit einem T-Anschluss für Anästhesie und Kontrastmittel verbunden sind.
- Anästhesien der Schafe durch intravenöse Injektion von Propofol (20 mg/ml, 1-2,5 mg/kg) und Fentanyl (0,01 mg/kg). Überprüfen Sie auf Symptome der Beruhigung wie Kieferentspannung, Verlust des Schluckens und Ziliarreflex. Intubieren Sie das Schaf mit einem 6,5 mm - 8 mm langen Trachealtubus und legen Sie eine Magensonde in den Magen für die Magenflüssigkeitsaspiration, gefolgt von einer intravenösen Injektion von Propofol (20 mg / ml, 1-2,5 mg / kg) und Fentanyl (0,01 mg / kg).
- Erreichen Sie eine Vollnarkose durch intravenöse Injektion von Propofol (10 mg / ml, 2,5-8,0 mg / kg / h) und Ketamin (10 mg / ml, 2-5 mg / kg / h) intravenös in Vorbereitung auf die Herz-CT.
- Herz-CT
- Überführung der Schafe aus den Forschungsinstituten für Experimentelle Medizin (FEM) in den CT-Raum des Deutschen Herzzentrums Berlin (DHZB) nach den Vorbereitungen. Scannen Sie alle Schafe in Bauchlage, nachdem Sie sie sicher auf dem CT-Bett mit 3 Bandagen an Armen, Bauch und Beinen befestigt haben.
- Führen Sie Herz-CT auf einem 64-Slice-Dual-Source-Multidetektor-CT-System mit EKG-Gating unter Verwendung der folgenden Parameter durch. Stellen Sie die technischen Standardparameter für die Erfassung wie folgt ein: Gantry-Rotationszeit 0,33 s, 100-320 mAs pro Rotation, 120 kV Rohrspannung, Matrix 256 mit 16 Bit Tiefe, abweichungswirksame Röntgendosis 15,5± 11,6 mSv, Schnittdicke 0,75 mm.
- Erreichen Sie eine Kontrastverstärkung, indem Sie 2 -2,5 ml/kg jodhaltiges Kontrastmittel mit einer Rate von 5 ml/s über den T-Anschluss am Arm verabreichen.
- Führen Sie das 4D-CT-Scanprotokoll sequenziell durch. Teilen Sie den gesamten Herzzyklus in 11 Frames von 0% bis 100% auf, wobei 10% des R-Wellen- bis R-Wellen-Intervalls (RR) den Herzzyklus abdecken. Führen Sie eine enddiastolische Phase bei ca. 70% des RR-Intervalls für die Analyse für die 3D-Serie durch. Erhalten Sie sagittale, koronale und axiale Daten in jedem Frame von 4D CT sowie in 70% 3D-Serien.
- Verwenden Sie eine Bolus-Tracking-Methode für das Kontrastbolus-Timing in der Region von Interesse an der Hauptlungenarterie, um eine ideale Synchronisation zu erreichen. Verabreichen Sie Betablocker nicht bei Schafen.
- Bringen Sie die Schafe zurück in die FEM und stoppen Sie die Perfusion von Propofol und Ketamin nach dem Scannen. Die Schafe erlangten 10 - 20 Minuten nach der Extubation wieder das Bewusstsein. Anästhesisten und Tierärzte überwachten die gesamte Anästhesiebehandlung, bis die Schafe vollständig wach waren und sich frei bewegen konnten.
2. Open-Source-3D-Rekonstruktionssoftware-Anwendungseinstellungen und Erweiterungsraten
- Klicken Sie im oberen Menü auf Bearbeiten , um die Anwendungseinstellungen nach dem Start der 3D-Rekonstruktionssoftware zu ändern.
- Klicken Sie auf DICOM, dann auf Acquisition Geometry Regularization, und wählen Sie Apply Regularization Transform (Regularisierungstransformation anwenden) im Abschnitt DICOM Scalar Volume Plugin (DICOM Scalar Volume Plugin). Wählen Sie Volume Sequence als bevorzugtes Multi-Volume-Importformat im Abschnitt Multi Volume Importer Plugin aus.
- Klicken Sie auf Ansichten, wählen Sie Kleine Achsen. Wählen Sie in der Ausrichtungsmarke die Option "Dünnes Lineal".
- Starten Sie die 3D-Slicer-Software neu, um die Anwendungseinstellungen zu speichern.
- Klicken Sie in der Symbolleiste auf den Erweiterungs-Manager , um die Seite Erweiterungen zu öffnen.
- Suchen Sie die gewünschten Erweiterungen und klicken Sie mit der linken Maustaste, um sie zu installieren. Verwenden Sie die folgenden Erweiterungen in dieser Studie: 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 und VASSTAUgorithms.
- Starten Sie die 3D-Slicer-Software neu, um die Installation der ausgewählten Erweiterungen zu bestätigen.
3. Laden Sie kardiale CT-Daten aus den DICOM-Dateien in den 3D-Datenschnitt
4. Erstellen Sie 4D-schlagendes Herzvolumen und schlagendes rechtes Herzvolumen
- Wählen Sie im Dropdown-Menü der Module die Option Volumen-Rendering und dann die 4D-Sequenz im Dropdown-Menü Volumen aus.
- Wählen Sie CT-Cardiac3 im Dropdown-Menü Preset, um das 4D-Herz anzuzeigen. Passen Sie den Cursor unter dem Dropdown-Menü " Voreinstellung" so an, dass nur das Herz angezeigt wird.
- Klicken Sie im Dropdown-Menü der Module auf Sequenz-Browser, um die 4D-Sequenz auszuwählen und anzuzeigen. Das schlagende Herz ist in der Szene. Ziehen Sie das 4D-Herz in die 3D-Szene, um das Herz aus verschiedenen Richtungen zu beobachten.
- Wählen Sie die Funktionen ROI aktivieren und anzeigen in den Zuschneideoptionen unter der Umschaltleiste, um das 4D-Volumen des schlagenden Herzens zu beschneiden und die Strukturen des Herzens besser zu beobachten.
- Erstellen Sie das 4D-schlagende Herzvolumen wie oben beschrieben. Wählen Sie im Dropdown-Menü der Module die Option Segment-Editor aus, und klicken Sie dann mit dem Vorgang "Füllen im Inneren" auf den Effekt "Schere", um einen einzelnen Frame auszuschneiden.
- Klicken Sie auf den Effekt " Maskenvolumen" und wenden Sie ihn an, um die Segmentierung als maskiertes Volumen mit dem 4D-Herzen zu verknüpfen. Das Eingangsvolumen und das Ausgangsvolumen im Maskenvolumeneffekt sind die 4D-Sequenzen.
- Wählen Sie den Effekt " Schere " mit der Operation "Innen löschen", um die Knochen und andere unerwartete Bereiche zu entfernen. Wählen Sie den Effekt "Inseln " mit dem Vorgang " Größte Insel behalten" aus, um kleine Bereiche zu entfernen.
- Wählen Sie den Erase-Effekt mit dem 1-3% Kugelpinsel, um das Gewebe am Aortenbogen mit Anhängen an der Hauptlungenarterie sowie das Gewebe zwischen der aufsteigenden Aorta und der oberen Hohlvene zu entfernen. Wenden Sie nach jedem Schritt den Effekt "Maskenvolumen" an, um das 4D-Volumen zu maskieren.
- Wiederholen Sie die Schritte 4.7 - 4.8, um die Bereiche weiter zu entfernen, bis das Modell des rechten Herzens in der 3D-Szene gezeigt wird.
- Klicken Sie auf den Sequenz-Browser und gehen Sie zum nächsten Frame. Verwenden Sie den Schereneffekt mit der Operation "Innen löschen", um einen beliebigen Bereich in der 3D-Szene zu schneiden. Das Modell des rechten Herzens erscheint automatisch im zeitgenössischen Rahmen. Wenden Sie die gleiche Methode auf den Rest der Frames an, bis die gesamte 4D-Sequenz segmentiert wurde.
- Klicken Sie auf die Schaltfläche Sequenz-Browser , um das 4D-Volumen des rechten Herzens anzuzeigen.
HINWEIS: Wenn die linke vordere absteigende Koronararterie in einigen Rahmen sowie die Verzweigung der linken Koronararterie entfernt werden, wird ein winziger Teil des rechten Ventrikels entfernt. Aus diesem Grund wird dringend empfohlen, ein winziges Stück dieser Koronare aufzubewahren, um das rechte ventrikuläre Volumen in jedem Rahmen aufrechtzuerhalten.
5. Erstellen Sie begradigte Modelle aus der 4D-Sequenz
HINWEIS: Es wird dringend empfohlen, jeden 10% des Herzzyklusrahmens in einem einzigen 3D-Slicer-Ordner zu erstellen, da sonst zu viele Datenbäume im DATA-Modul ausgerichtet sind, was es ineffizient macht, die begradigten Modelle zu erstellen. Um den einzelnen 3D-Slicer-Ordner jedes 10% -Frames zu erhalten, muss die 4D-Sequenz mehrmals geladen, jeder Frame ausgewählt und in einem einzigen Ordner gespeichert werden.
- Erstellen Sie Segmentierungen mit dem rechten Herzen für jeden Frame, indem Sie in der Symbolleiste das Modul Segment-Editor auswählen. Fügen Sie zwei Segmentierungen für jeden 10% Frame der 4D-Sequenz hinzu und benennen Sie sie entsprechend, z. B. 60% Segmentierung und Andere.
- Wählen Sie das Maleffektwerkzeug im Segment-Editor-Modul mit bearbeitbarem Intensitätsbereich , das von den CT-Bildern abhängt, um das rechte Herz mit der Sequenz obere Hohlvene, rechter Vorhof, rechter Ventrikel und Lungenarterie zu malen.
- Klicken Sie auf Andere Segmentierung, verwenden Sie das Malwerkzeug, um andere Bereiche zu malen, um die Grenzen des rechten Herzens im Allgemeinen zu verfolgen.
- Wählen Sie den Effekt "Aus Samen anbauen", wählen Sie "Initialisieren" und "Anwenden", um den Effekt anzuwenden. Klicken Sie im Modul Segmenteditor auf die Schaltfläche 3D anzeigen, um das 3D-Modell des zeitgenössischen Rahmens anzuzeigen.
- Wiederholen Sie die Schritte 4.7 - 4.8, um das 3D-Modell entsprechend den CT-Bildern in den drei Richtungen zu entfernen oder zu verbessern. Entfernen Sie die linken und rechten Äste der Lungenarterie an der Bifurkation. Das rechtsherzige 3D-Modell zeigt dann die 3D-Szene in jedem Bild.
HINWEIS: Es wird dringend empfohlen, die Grenzen des rechten Herzens mit einem Kugelpinsel von 1% - 2% Durchmesser an den Aufsätzen zwischen der Lungenarterie und den Koronararterien sowie der Lungenarterie und der oberen Hohlvene zu malen. - Klonen Sie die Segmentierungen im DATA-Baum als Backup, nennen Sie die Segmentierungen, z. B. 10% Segmentation Original und 10% Segmentation for Straightened Model.
- Fügen Sie dem Modell des rechten Herzens eine Mittellinie hinzu, wie unten beschrieben.
- Wählen Sie im Dropdown-Menü der Module die Option Mittellinie extrahieren aus.
- Wählen Sie Segmentierung im Dropdown-Menü Oberfläche im Abschnitt Eingaben des Extraktmittellinienmoduls aus. Dadurch wird eine Segmentierung erstellt, z. B. eine Segmentierung von 10 % für ein begradigtes Modell als Segment. Klicken Sie im Dropdown-Menü Endpunkte auf Create New Markups Fiducial . Klicken Sie auf die Schaltfläche Markuppunkt platzieren , um Endpunkte auf der oberen Ebene des SVC und der Endebene der Hauptlungenarterie hinzuzufügen.
- Wählen Sie im Menü Outputs (Outputs) die Option Neues Modell als Mittellinienmodell erzeugen (Create a New Model as a Centerline model) und dann Neue Markierungskurve erzeugen (Create New Markups curve as a centerline curve) aus. Klicken Sie auf Anwenden , um das Mittellinienmodell des rechten Herzens anzuzeigen.
- Klicken Sie auf das DATA-Modul und dann mit der rechten Maustaste auf die Mittellinienkurve, um ihre Eigenschaften zu bearbeiten. Klicken Sie auf das Augensymbol , um die Kontrollpunkte anzuzeigen, und legen Sie im Abschnitt Neuproben die Anzahl der neu abgetasteten Punkte auf 40 fest, um die Computerlast zu verringern.
- Erstellen eines begradigten Modells
- Wählen Sie im Dropdown-Menü der Module die Option Gekrümmte planare Neuformatierung aus.
- Verschieben Sie den Cursor nach der Kurvenauflösung und der Schnittauflösung auf 0,8 mm, legen Sie die Slice-Größe auf 130140 mm fest, was dem Bereich des rechten Ventrikels entspricht, der auf den Bildern angezeigt wird, und wählen Sie dann "Neues Volume als begradigtes Ausgabevolumen" erstellen.
- Klicken Sie auf Übernehmen , um das begradigte Volume zu erhalten.
- Wählen Sie im Dropdown-Menü des Moduls die Option Volume-Rendering aus, um das begradigte Volume anzuzeigen. Wählen Sie im Dropdown-Menü für die Lautstärke die Option Begradigte Lautstärke aus und klicken Sie auf das Augensymbol . Wählen Sie CT-Cardiac3 als Voreinstellung aus, bewegen Sie den Umschaltcursor, um die begradigte Lautstärke des rechten Herzens in der 3D-Szene anzuzeigen.
- Spalten Sie das begradigte Volume in der DATA-Struktur im Namen des begradigten Volumes für die Segmentierung auf, und klicken Sie mit der rechten Maustaste, um dieses begradigte Volume zu segmentieren.
- Wählen Sie im Segment-Editor-Modul den Effekt "Schwellenwert" aus, um das gewünschte begradigte rechte Herz einzufärben, und klicken Sie auf "Anwenden", um den Vorgang anzuwenden. Wählen Sie den Effekt "Lautstärke maskieren", um das begradigte Volumen zu maskieren, indem Sie die Option "Begradigte Lautstärke" für die Segmentierung, die Lautstärke als Eingangslautstärke und die Option "Ausgabelautstärke" auswählen, und klicken Sie auf "Anwenden", um den Vorgang anzuwenden.
- Klicken Sie auf Anwenden , um den gleichen Vorgang wie oben in den Schritten 4.7 bis 4.8 beschrieben anzuwenden, um nur die geradlinige Segmentierung des rechten Herzens beizubehalten. Überprüfen Sie das begradigte Volumen des rechten Herzens und das 3D-Modell der begradigten Segmentierung des rechten Herzens in der 3D-Szene.
- Klicken Sie auf Anwenden , um den oben beschriebenen Vorgang auf andere Frames anzuwenden, um das Rendering des geraden rechten Herzvolumens und die geraden Segmentierungen zu erhalten und sie im Ordner jedes Frames zu speichern.
6. Exportieren Sie die Zahlen und STL-Dateien
- Exportieren Sie die Figuren des begradigten Volumen-Renderings, indem Sie auf Capture klicken und einen Szenenansichtseffekt in der Symbolleiste benennen und die Szenen in der 3D-Ansicht speichern.
- Exportieren Sie die STL-Dateien der begradigten 3D-Segmentierungen, indem Sie auf das Modul Segmentierung klicken.
7. Führen Sie fünf planare Messungen durch
- Führen Sie eine fünffache Messung des Umfangs, der Querschnittsfläche und des Umfangs in den begradigten Modellen aus der 4D-Sequenz und der rechtsventrikulären Volumenmessung im begradigten Modell durch, wie unten beschrieben.
- Wenden Sie die folgenden fünf planaren Einstellungen an: Ebene A: an der Hauptlungenarterie 2 cm versetzt von der Ebene der sinotubulären Verbindung; Ebene B: an der sinotubularen Kreuzung; Ebene C: am Sinus; Ebene D: am unteren Rand des Flugblatts; Ebene E: bei RVOT 1 cm versetzt von D.
- Fügen Sie alle oben genannten fünf Ebenen in die begradigten Modelle in jedem Frame ein, indem Sie die Umschalttaste auf der Tastatur gedrückt halten und die Fadenkreuzfunktion in der Symbolleiste zu den fünf Ebenen verwenden. Klicken Sie in der Symbolleiste auf das Modul Erstellen und Platzieren , um den Ebeneneffekt auszuwählen.
- Wählen Sie den Effekt "Linie " aus, um die Umfänge zu messen, und wählen Sie den Effekt " Geschlossene Kurve" aus, um die Umfänge und die Querschnittsfläche zu erhalten. Kopieren Sie die Daten, um das Dataset zu erstellen.
- Führen Sie rechtsventrikuläre Volumenmessungen im begradigten Modell wie unten beschrieben durch.
- Spalten Sie die begradigte Segmentierung in jedem Frame, die aus der 4D-Sequenz erhalten wurde, und beschriften Sie die Segmentierung entsprechend dem passenden Frame für die Volumenmessung.
- Wählen Sie im Dropdown-Menü des Moduls das Modul Segmentstatistik aus. Wählen Sie im Eingangsmenü die X%-Segmentierung für die Volumenmessung nach Segmentierung und Skalarvolumen aus. Wählen Sie Neue Tabelle als Ausgabetabelle erstellen und klicken Sie dann auf Übernehmen , um die Vorgänge zum Abrufen der Volumetabelle anzuwenden.
- Kopieren Sie die Volumendaten, um das Volumenmess-Dataset für jeden Frame der begradigten Segmentierung zu erstellen.
8.3D multiplanare Rekonstruktion (MPR) Messungen und rechtsventrikuläre Volumenmessung aus der 3D-Sequenz (die am besten rekonstruierte Phase am Ende der Diastole)
HINWEIS: In dieser Studie wurde das Schaf J Pre-CT ausgewählt, um die MPR-Messverfahren zu veranschaulichen.
- Laden Sie die diastolische 3D-Sequenz wie in den folgenden Schritten dargestellt. Wählen Sie den Abwärtspfeil neben dem Fadenkreuzeffekt aus, und wählen Sie " Sprungscheiben - Offset", "Basic+ Schnittmenge", "Feines Fadenkreuz" und "Die Schnittkreuzungen" für die Einstellungen für das Fadenkreuz.
- Umschalt + Linksklick, um das Fadenkreuz in die Ebene zu ziehen, zum Beispiel den Sinus. Drücken Sie STRG+ALT, um das Fadenkreuz in den axialen, sagittalen und koronalen Szenen perfekt in der Mitte der Zielposition an die gewünschte Position anzupassen.
- Wählen Sie den Effekt " Linie" aus, um die Messungen in jeder Ebene durchzuführen, wie in Schritt 7.4 dargestellt. Kopieren Sie die Daten, um den 3D-MPR-Messdatensatz zu erstellen.
- Klicken Sie auf das Modul Segmenteditor , um eine rechtsventrikuläre Segmentierung zu erstellen, wie oben in Schritt 5.8.6 beschrieben.
- Klicken Sie auf das Modul Segmentstatistik , um die Messung des rechten ventrikulären Volumens durchzuführen, wie oben in Schritt 7.5.2 beschrieben.
- Kopieren Sie die Volumeninformationen, um das diastolische 3D-Volumen-Dataset für rechtsventrikuläre Volumina zu erstellen.
9. Berechnung für die Auswahl der Herzklappe mit Stented
HINWEIS: In diesem Abschnitt wurden die Messungen des sinotubularen Übergangs verwendet, um das Verfahren zu veranschaulichen.
- Berechnen Sie den Mittelwert der langen axialen (d1) und kurzen axialen Perimeter (d2) = (d3), gefolgt vom Mittelwert von d1, d2 und d3, um d4 zu erhalten, wie in den Formeln (1) - (2) gezeigt.
- Teilen Sie die Berechnung der Querschnittsfläche (S1) durch π, um d5 zu erhalten, gefolgt von der Quadratwurzel von d5, um d6 zu erhalten, und dann den Mittelwert von d5 und d6, wie in den Formeln (3) - (5) gezeigt.
- Teilen Sie den Umfang (C1) durch π, um d8 zu erhalten, wie in Formel (6) gezeigt.
- Erhalten Sie den allgemeinen Gesamtdurchmesser d9, indem Sie den Mittelwert von d4, d7 und d8 berechnen, wie in Formel (7) gezeigt.
- Wenden Sie die Formel (8) an, um die beste Wahl der Ventilgröße (h) zu berechnen.
HINWEIS: Die Herzklappe mit Stented ist in den Durchmessern 30 mm, 26 mm und 23 mm erhältlich. Die Ventilgröße (h) zeigt die Übereinstimmung als Prozentsatz für die drei Durchmesser, nämlich eine ideale Übereinstimmung als 10-20%, groß für die Implantation als 30% und mehr und klein für die Implantation unter 10%. - Importieren Sie die 3D- und 4D-Daten in eine vielseitige Statistiksoftware, um die Trenddiagramme der Messungen in den fünf Ebenen zu erstellen und die Diagramme im TIFF-Format zu exportieren. Importieren Sie alle Figuren in die Grafiksoftware für die Organisation.
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Representative Results
Bei Schaf J wurden die 4D-Gesamtherz- und Rechtsherzmodelle erfolgreich aus der 4D-Herz-CT-Sequenz generiert, die die Deformation während des gesamten Herzzyklus zeigte. Zur besseren Visualisierung wird die gesamte Verformung des schlagenden Herzens und des rechten Herzens in jeder Richtung in Abbildung 3 - Abbildung 4 und in Video 1 - Video 2 dargestellt.
Die begradigten Rechtsherzmodelle wurden nach dem Maskenvolumen in jeweils 10% der Segmentierung erhalten, um die Verformungen des rechten Herzens in einem begradigten Modell in Schaf J Pre-CT zu veranschaulichen (Abbildung 5).
Fünf Ebenen wurden an den gewünschten Stellen hinzugefügt, um die Messungen durchzuführen, wie in Abbildung 2A gezeigt, sowie die MPR-Messungen in 3D-Rekonstruktionssoftware und nicht die herkömmliche Methode des Zuschneidens des 4D-Volumens in Schaf J Pre-CT in Abbildung 2B gezeigt. Die Änderungen der Querschnittsfläche, des Umfangs und des Umfangs wurden in verschiedenen Phasen des Herzzyklus erhalten, um die Tendenzdiagramme zu erzeugen, wie in Abbildung 6 gezeigt. Originaldaten von 4D-CT-Messungen und 3D-CT-Messungen sind in der Ergänzungsdatei 1 dargestellt. Bei Schaf J ergaben 4D-CT-Messungen aus dem begradigten Modell die gleiche Wahl der Ventilgröße für TPVR (30 mm) wie die MPR-Messungen aus der enddiastolischen Serie, mit den Vorteilen einer bemerkenswerten virtuellen Realität und zuverlässiger Ergebnisse. Es gab signifikante Unterschiede in der gemessenen Querschnittsfläche (RVOT: 3,42 cm2 in 4D gegenüber 4,28 cm2 in 2D, BPV: 2,96 cm2 in 4D gegenüber 3,92 cm2 in 2D) und dem Umfang (RVOT: 76,1 mm in 4D gegenüber 87,06 mm in 2D, BPV: 67,65 mm in 4D gegenüber 75,73 mm in 2D) in RVOT und der Basalebene der Pulmonalklappe. Der rechtsventrikuläre Ejektionsanteil von Schaf J aus der Vor-CT betrug 62,1%.
Abbildung 1. Benutzeroberfläche in 3-dimensionaler Rekonstruktionssoftware. Für die Bedienung des Programms werden Symbolleisten, Datenbaum und andere Funktionsmenüs der 3-dimensionalen Rekonstruktionssoftware angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2. Fünf Ebenen im begradigten Modell für Messung und multiplanare Rekonstruktionsmessungen in der 3-dimensionalen Sequenz (enddiastolische Phase). (A) Ebene a: Hauptlungenarterie, 20 mm versetzt von Ebene b; Ebene B: Sinotubular Junction; Ebene C: Sinus der Pulmonalklappe; Ebene D: Boden der Pulmonalklappe; Ebene E: im rechten ventrikulären Ausflusstrakt, 10 mm versetzt von Ebene D. (B) MPR-Messungen in der 3D-Abfolge der enddiastolischen Phase in fünf Ebenen: 10 mm versetzt von der Unterseite der Pulmonalklappe, der Unterseite der Pulmonalklappe, dem Sinus der Pulmonalklappe, dem sinotubularen Übergang und der Hauptpulmonalarterie (20 mm Versatz vom sinotubularen Diaphragma). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3. 4-dimensionale Herzverformungen während des gesamten Herzzyklus. Totale Herzverformungen von Schafen J Vor-Computertomographie zeigt die Formveränderungen von 0% bis 100% des Herzzyklus. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4. 4-dimensionale Deformation des rechten Herzens während des gesamten Herzzyklus. Rechtsherzdeformationen von Schafen J Die Vorcomputertomographie zeigt die Formveränderungen von 0% bis 100% des Herzzyklus. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 5. Geglättete Rechtsherzverformung des Schafes J Vor-Computertomographie während des gesamten Herzzyklus. Begradigte Rechtsherzverformungen von Schafen J Vor-Computertomographie zeigen die Formveränderungen von 0% bis 100% des Herzzyklus. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 6. Änderungen des Umfangs, des durchschnittlichen Durchmessers, der Querschnittsfläche und des rechtsventrikulären Volumens während des gesamten Herzzyklus. (A) Umfangsänderungen während des Herzzyklus auf den fünf Ebenen. (B) Änderungen des mittleren Durchmessers (berechnet nach Formel 1 in Schritt 9.1) während des Herzzyklus auf den fünf Ebenen. (C) Veränderungen der Querschnittsfläche während des Herzzyklus auf den fünf Ebenen. (D) Veränderung des rechtsventrikulären Volumens während des Herzzyklus. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Video 1. 4-dimensionale totale Herzverformung. Während des gesamten Herzzyklus kann die 4-dimensionale Rekonstruktion des gesamten Herzens in alle Richtungen visualisiert werden. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.
Video 2. 4-dimensionale Verformung des rechten Herzens. Das schlagende Herz (Vena cava superior, rechter Vorhof, rechter Ventrikel und Lungenarterie) kann während des gesamten Herzzyklus in jede Richtung visualisiert werden. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.
Ergänzende Akte 1. Die Tabelle zeigt die Originaldaten von 4D-CT-Messungen und 3D-CT-Messungen, die nach dem beschriebenen Protokoll generiert wurden, einschließlich der Parameter aus der Lungenarterie, des rechtsventrikulären Volumens und der Messungen der Aorta aus der Schaf-J-Vorcomputertomographie. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
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Discussion
Bis heute ist dies die erste Studie, die eine patientenspezifische Messung der Morphologie und der dynamischen Parameter von RVOT-PA mit einem begradigten Herzmodell aus einer 4D-CT-Sequenz veranschaulicht, mit dem die optimale Ventilgröße für TPVR vorhergesagt werden kann. Diese Methodik wurde unter Verwendung der Pre-CT-Bildgebung von Schafen J veranschaulicht, um die dynamischen Verformungen, das rechtsventrikuläre Volumen, die rechtsventrikuläre Funktion und das Ausmaß der RVOT / PA-Änderung vom RVOT zum Lungenstamm in fünf Ebenen bei jeder 10%igen Rekonstruktion des Herzzyklus zu erhalten. Im Vergleich zur 3D-Bildgebung sagten die begradigten Modelle nicht nur die gleiche Ventilgröße wie die MPR-Messungen aus den enddiastolischen 3D-Bildern voraus, sondern ermöglichten auch ein intuitiveres Modell, um die gewünschten Informationen über das rechte Herz zu extrahieren. Nach den Ergebnissen einer früheren Studie13 ermöglicht die vorgeschlagene Methode ein besseres Verständnis der In-vivo-Belastungsbedingungen bei Patienten mit dysfunktionaler RVOT- und/oder Pulmonalklappenerkrankung sowie die Entwicklung neuer TPVR-Geräte, die morphologisch an die verschiedenen RVOT-Anatomien von Patienten angepasst sind, die TPVR benötigen und langfristig eine verbesserte mechanische Leistung aufweisen können. Die aktuelle Methodik der quantitativen Messung für eine präinterventionelle Bewertung von TPVR basiert jedoch auf MPR-Messungen in der 3D-Sequenz, was zu unerwarteten Fehlern bei Auswertungen basierend auf der anatomischen Kurve von RVOT und PA führen könnte. Darüber hinaus können in den aus der 4D-Sequenz generierten 3D-Modellen detaillierte Informationen in Bezug auf die Gesamtbewegung des Herzens verloren gehen14.
In dieser Studie wurde ein 4D-schlagendes Herzmodell erstellt, um die Gesamtverformung des Herzens während des gesamten Herzzyklus zu beobachten und zu visualisieren, indem eine Maske für das 4D-Volumen der Segmentierung in 3D-Rekonstruktionssoftware verwendet wurde und nicht die herkömmliche Methode zum Zuschneiden des 4D-Volumens in Schaf J. Diese Methode kann eine genaue und effiziente Möglichkeit bieten, ein 4D-Modell als 3D-Rekonstruktion aus einer 3D-Sequenz zu erstellen, um das Herz zu visualisieren und die Klappengröße auszuwählen. Darüber hinaus wurde die gleiche Methode verwendet, um das Modell des rechten Herzens als dynamisches Modell aus den Segmentierungen in jedem 10% des Herzzyklus zu rekonstruieren, die unter Verwendung des Grow From Seeds-Effekts in der 3D-Rekonstruktionssoftware segmentiert wurden. Das 4D-Rechtsherzmodell kann die gesamte anatomische Morphologie während des gesamten RR-Intervalls visualisieren, basierend auf dem Kardiologen eine patientenspezifische Strategie für TPVR entwickeln können. Darüber hinaus können die 3D-gerichteten Rechtsherzmodelle, die aus der 4D-Sequenz in jedem 10% des Herzzyklus erhalten werden, eine präzise, morphologische und funktionelle Quantifizierung des rechten Herzens liefern, insbesondere in den fünf Ebenen, die für die Auswahl der Herzklappen mit Stented verwendet werden. Vor der Erstellung der begradigten Modelle ist eine manuelle und exakte 3D-Segmentierung des rechten Herzens aus jedem 10%igen Herzzyklus erforderlich. Bei der Segmentierung des rechten Herzens, nachdem das Volumen eines Frames maskiert wurde, wird die 3D-Segmentierung im aktuellen Frame automatisch angezeigt, indem die Scherenfunktion für die unerwünschten Strukturen verwendet wird. Um das gesamte Volumen von RVOT zu erhalten, muss ein winziges Stück der linken Koronararterie in den Segmentierungen gehalten werden. Um ein begradigtes Modell zu erstellen, ist es wichtig, dem ursprünglichen Modell des rechten Herzens eine Mittellinie hinzuzufügen, um die Qualität des begradigten Modells sicherzustellen und die Rechenlast zu verringern. Das geglättete Modell des rechten Herzens spiegelte alle Korrelationen der Herzanatomie, einschließlich Perimeter, Umfang und Querschnittsbereiche, genau wider, was eine anschließende Extraktion morphologischer Informationen und direkte Messungen auf ganzheitliche Weise ermöglichte. In dieser Studie ergaben die Messungen aus dem 4D-begradigten Modell die gleiche Wahl der Ventilgröße (30 mm Durchmesser) wie die 3D-Messungen in MPR, jedoch mit den Vorteilen einer bemerkenswerten virtuellen Realität und zuverlässiger Ergebnisse bei Schaf J. Es ermöglicht auch die Erfassung von Daten über rechtsventrikuläre Volumina während des gesamten Herzzyklus, die dann zur Berechnung der rechten ventrikulären Ejektionsfraktion verwendet werden können.
Frühere klinische Studien haben signifikante Unterschiede in den gemessenen Querschnittsbereichen von RVOTPA zwischen statischen und dynamischen Schnittebenen gezeigt, die auf große 3D-Verschiebungen und -Rotationen zurückzuführen sind15. Bei Schafen J Pre-CT wurden die signifikanten Unterschiede in den gemessenen Querschnittsflächen und -umfängen in der RVOT-Ebene und der Basalebene der Pulmonalklappe auch im RVOT beobachtet: 3,42 cm2 in 4D gegenüber 4,28 cm2 in 3D, BPV: 2,96 cm2 in 4D gegenüber 3,92 cm2 in 3D und RVOT-Umfang: 76,1 mm in 4D gegenüber 87,06 mm in 3D, BPV: 67,65 mm in 4D gegenüber 75,73 mm in 3D. Um Daten für die Messungen zu erhalten, wurden die fünf dynamischen Ebenen anstelle von festen Ebenen angewendet; Hier wurden die sinotubuläre Ebene und die Basalebene der Pulmonalklappe als Bezugslinien gewählt. Diese fünf Ebenen umfassten den gesamten Raum, der für die Entfaltung der Herzklappe mit Stented genutzt werden kann. Die RVOT-Ebene zeigte die größte Verformung während des gesamten Herzzyklus in den fünf Ebenen, was die Notwendigkeit eines vielseitigen TPVR-Geräts unterstreicht, das die Anpassungsfähigkeit an verschiedene Anatomien ermöglicht und die entworfene Geometrie der Herzklappe mit Stented für eine langfristige Haltbarkeit ohne Fraktur und Migration beibehält. Der Nitinol-Stent mit Formgedächtnis ist ein vielversprechender Kandidat für die Montage eines Tri-Leaflet-Ventils für zukünftige TPVR. Für die klinische Anwendung, insbesondere für die Patienten, die eine transringuläre Pflasterreparatur oder TPVR hatten, wären mehr Anstrengungen erforderlich, um die Anatomie zu rekonstruieren, da es Artefakte aus der Adhäsion zwischen Perikard und Myokard, Stent und der deformierten Anatomie gibt. Es benötigt CT-Daten mit höherer Auflösung, eine gut entwickelte Rekonstruktionssoftware und reichlich Erfahrung in der CT-Analyse, um diese Methode für den klinischen Einsatz zu übersetzen. Diese Methode kann jedoch sowohl für große Tierversuche als auch für die perioperative Bewertung von Patienten mit Fallot-Tetralogie, isolierter Lungenstenose, die keine Operationen am offenen Herzen oder interventionelle Therapien hatten, verwendet werden.
Die beschriebene Methode für das 4D-begradigte Modell kann eine genaue und visuelle Identifizierung und Berechnung aller Segmente des Herzens vom RVOT bis zur PA ermöglichen, was nicht nur Kardiologen helfen kann, eine präzise präinterventionelle Bewertung zu erhalten, sondern auch Herzingenieuren, neuartige TPVR-Geräte für zukünftige Anwendungen zu entwickeln.
Die Haupteinschränkung der Methodik für die 4D-gerichtete Modellmessung in dieser Studie besteht darin, dass die Daten von nur einem Schaf vor der CT ohne eine große Stichprobenpopulation erhalten wurden. Darüber hinaus wurde keine CT-Bildgebung nach der Implantation durchgeführt, um die Klappengröße und die strukturellen Veränderungen im rechten Herzen zu verfolgen. Schließlich ist es für die Patienten, die eine transringuläre Pflasterreparatur oder TPVR hatten, schwieriger, die Anatomie zu rekonstruieren, da es Artefakte aus der Adhäsion zwischen Perikard und Myokard, Stent und der deformierten Anatomie gibt.
Schlussfolgerung
Im Gegensatz zur 3D-CT ermöglichte das begradigte 4D-Rekonstruktionsmodell nicht nur eine genaue Vorhersage der Ventilgrößenauswahl für TPVR, sondern bot auch eine ideale virtuelle Realität in Schaf J und wird daher eine vielversprechende Methode für TPVR und die Innovation von TPVR-Geräten sein.
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Disclosures
Die Autoren erklären keinen Interessenkonflikt.
Acknowledgments
Xiaolin Sun und Yimeng Hao haben gleichermaßen zu diesem Manuskript beigetragen und teilen sich die Erstautorenschaft. Von Herzen gilt allen, die zu dieser Arbeit beigetragen haben, sowohl den ehemaligen als auch den gegenwärtigen Mitgliedern. Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie, EXIST - Transfer of Research (03EFIBE103), unterstützt. Xiaolin Sun und Yimeng Hao werden vom China Scholarship Council (Xiaolin Sun- CSC: 201908080063, Yimeng Hao-CSC: 202008450028) unterstützt.
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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