Summary
Questo studio ha valutato una nuova metodologia con un modello raddrizzato generato dalla sequenza di tomografia computerizzata cardiaca quadridimensionale per ottenere le misurazioni desiderate per il dimensionamento della valvola nell'applicazione della sostituzione della valvola polmonare transcatetere.
Abstract
Le misurazioni del ventricolo destro (RV) e dell'arteria polmonare (PA), per la selezione della dimensione ottimale della protesi per la sostituzione della valvola polmonare transcatetere (TPVR), variano considerevolmente. L'imaging tridimensionale (3D) della tomografia computerizzata (CT) per la previsione delle dimensioni del dispositivo è insufficiente per valutare lo spostamento del tratto di deflusso ventricolare destro (RVOT) e PA, che potrebbe aumentare il rischio di spostamento dello stent e perdita paravalvolare. Lo scopo di questo studio è quello di fornire un modello dinamico per visualizzare e quantificare l'anatomia del RVOT in PA durante l'intero ciclo cardiaco mediante ricostruzione TC cardiaca quadridimensionale (4D) per ottenere un'accurata valutazione quantitativa della dimensione della valvola richiesta. In questo studio pilota, la TC cardiaca delle pecore J è stata scelta per illustrare le procedure. La TC cardiaca 3D è stata importata nel software di ricostruzione 3D per costruire una sequenza 4D che è stata divisa in undici fotogrammi durante il ciclo cardiaco per visualizzare la deformazione del cuore. Il diametro, l'area della sezione trasversale e la circonferenza di cinque piani di imaging presso il PA principale, la giunzione sinotubulare, il seno, il piano basale della valvola polmonare (BPV) e rVOT sono stati misurati in ciascun fotogramma in modelli raddrizzati 4D prima dell'impianto della valvola per prevedere le dimensioni della valvola. Nel frattempo, sono stati misurati anche i cambiamenti dinamici nel volume del camper per valutare la frazione di eiezione ventricolare destra (RVEF). Le misurazioni 3D alla fine della diastole sono state ottenute per il confronto con le misurazioni 4D. Nelle pecore J, le misurazioni TC 4D del modello raddrizzato hanno portato alla stessa scelta delle dimensioni della valvola per TPVR (30 mm) delle misurazioni 3D. Il RVEF degli ovini J da pre-CT era del 62,1 %. A differenza del CT 3D, il modello di ricostruzione 4D raddrizzato non solo ha consentito una previsione accurata per la selezione delle dimensioni della valvola per TPVR, ma ha anche fornito una realtà virtuale ideale, presentando così un metodo promettente per TPVR e l'innovazione dei dispositivi TPVR.
Introduction
La disfunzione del tratto di efflusso ventricolare destro (RVOT) e le anomalie della valvola polmonare sono due delle conseguenze più frequenti della cardiopatia congenita grave, ad esempio pazienti con tetralogia riparata di Fallot (TOF), alcuni tipi di ventricolo destro a doppia uscita (DORV) e trasposizione delle grandi arterie1,2,3 . La maggior parte di questi pazienti affronta più operazioni per tutta la vita e, insieme all'avanzare dell'età, aumentano i rischi di complessità e comorbilità. Questi pazienti possono trarre beneficio dalla sostituzione transcatetere della valvola polmonare (TPVR) come trattamento minimamente invasivo4. Ad oggi, c'è stata una crescita costante del numero di pazienti sottoposti a TPVR e diverse migliaia di queste procedure sono state eseguite in tutto il mondo. Rispetto alla tradizionale chirurgia a cuore aperto, la TPVR richiede una misurazione anatomica più accurata dello xenotrapianto o dell'omoinnesto dal ventricolo destro (RV) all'arteria polmonare (PA), nonché la riparazione della stenosi polmonare e RVOT tramite cerotto transannulare, mediante angiografia tomografica computerizzata (CTA) prima dell'intervento e per garantire che i pazienti siano esenti da frattura dello stent e perdita paravalvolare (PVL)5, 6.
Uno studio prospettico multicentrico ha dimostrato che un algoritmo di dimensionamento anulare CT multirivelatore ha svolto un ruolo importante nella selezione della dimensione della valvola appropriata, che potrebbe ridurre il grado di rigurgito paravalvolare7. Negli ultimi anni, l'analisi quantitativa è stata sempre più applicata in medicina clinica. L'analisi quantitativa ha un enorme potenziale per consentire un'interpretazione obiettiva e corretta dell'imaging clinico e per verificare che i pazienti siano privi di fratture dello stent e perdite paravalvolari, che possono migliorare la terapia specifica del paziente e la valutazione della risposta al trattamento. Nella precedente pratica clinica, era possibile ricostruire l'imaging TC da tre piani (sagittale, coronale e assiale) con TC bidimensionale (2D) per ottenere un modello di visualizzazione8. La TC con elettrocardiogramma con contrasto migliorato (ECG) è diventata più importante nella valutazione della morfologia e della funzione di RVOT/PA 3D, nonché nell'identificazione di pazienti con un sito di impianto RVOT adatto in grado di mantenere la stabilità del TPVR durante tutto il ciclo cardiaco9,10.
Tuttavia, nelle impostazioni cliniche e precliniche standard contemporanee, i dati TC 4D acquisiti vengono solitamente tradotti in piani 3D per la quantificazione manuale e la valutazione visiva che non possono mostrare informazioni dinamiche 3D / 4D11. Inoltre, anche con informazioni 3D, le misurazioni ottenute dalla ricostruzione multiplanare (MPR) presentano varie limitazioni, come la scarsa qualità della visualizzazione e la mancanza di deformazione dinamica dovuta alle diverse direzioni del flusso sanguigno nel cuore destro12. Le misurazioni richiedono molto tempo per la raccolta e sono soggette a errori, poiché l'allineamento e il sezionamento 2D possono essere imprecisi, con conseguente interpretazione errata e distensibilità. Attualmente, non esiste consenso su quale misurazione di RVOT-PA possa fornire in modo affidabile informazioni accurate sulle indicazioni e sul dimensionamento valvolare per TPVR in pazienti con RVOT disfunzionale e/o malattia della valvola polmonare.
In questo studio, viene fornito il metodo per misurare RVOT-PA utilizzando un modello di cuore destro raddrizzato tramite una sequenza TC cardiaca 4D per determinare il modo migliore per caratterizzare le deformazioni 3D di RVOT-PA durante tutto il ciclo cardiaco. L'imaging di correlazione spazio-temporale è stato completato includendo la dimensione temporale e, quindi, è stato in grado di misurare le variazioni della magnitudine RVOT-PA. Inoltre, la deformazione dei modelli raddrizzati potrebbe avere un impatto positivo sul dimensionamento della valvola TPVR e sulla pianificazione procedurale.
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Protocol
Tutti i dati TC cardiaci sono stati ottenuti da studi preclinici GrOwnValve con l'approvazione del comitato legale ed etico dell'Ufficio regionale per la salute e gli affari sociali, Berlino (LAGeSo). Tutti gli animali hanno ricevuto cure umane in conformità con le linee guida delle Società europee e tedesche di scienza degli animali da laboratorio (FELASA, GV-SOLAS). In questo studio, la Pre-CT delle pecore J è stata scelta per illustrare le procedure.
1. Eseguire la TC cardiaca 3D nelle pecore
- Anestesia endovenosa
- Tranquillizzare le pecore (3 anni, 47 kg, femmina, Ovis aries) con premedicazione di midazolam (2 mg / mL, 0,4 mg / kg), butorfanolo (10 mg / mL, 0,4 mg / kg) e glicopirronio bromuro (200 mcg / mL, 0,011 mg / kg) mediante iniezione intramuscolare.
- Controllare le condizioni fisiche delle pecore quando sono diventate docili, 15 minuti dopo l'iniezione.
- Posizionare un catetere da 18 G con porta di iniezione in modo asettico nella vena cefalica con linee di perfusione unite a un connettore a T per anestesia e mezzo di contrasto.
- Anestetizzare la pecora iniettando per via endovenosa propofol (20 mg/ml, 1-2,5 mg/kg) e fentanil (0,01 mg/kg). Verificare la presenza di sintomi di tranquillizzazione come rilassamento della mascella, perdita di deglutizione e riflesso ciliare. Intubare la pecora con un tubo tracheale da 6,5 mm - 8 mm e posizionare un tubo gastrico nello stomaco per l'aspirazione del liquido gastrico seguito da iniezione endovenosa di propofol (20 mg / mL, 1-2,5 mg / kg) e fentanil (0,01 mg / kg).
- Ottenere l'anestesia totale iniettando propofol (10 mg/ml, 2,5-8,0 mg/kg/h) e ketamina (10 mg/mL, 2-5 mg/kg/h) per via endovenosa, in preparazione alla TC cardiaca.
- TC cardiaca
- Trasferire le pecore dagli Istituti di ricerca per la medicina sperimentale (FEM) alla sala CT del German Heart Center Berlin (DHZB) dopo i preparativi. Scansiona tutte le pecore in posizione prona dopo averle fissate saldamente sul letto CT con 3 bende su braccia, addome e gambe.
- Eseguire la TC cardiaca su un sistema CT multirivelatore a doppia sorgente a 64 fette con ECG-gating utilizzando i seguenti parametri. Impostare i parametri tecnici di acquisizione standard come segue: tempo di rotazione del portale 0,33 s, 100-320 mAs per rotazione, tensione del tubo 120 kV, matrice 256 con profondità a 16 bit, deviazione dose efficace a raggi X 15,5± 11,6 mSv, spessore fetta 0,75 mm.
- Ottenere un miglioramento del contrasto somministrando 2 -2,5 ml/ kg di mezzo di contrasto iodato alla velocità di 5 ml / s tramite il connettore a T sul braccio.
- Eseguire il protocollo di scansione CT 4D in sequenza. Dividere l'intero ciclo cardiaco in 11 fotogrammi dallo 0% al 100% con il 10% dell'intervallo da onda R a onda R (RR) che copre il ciclo cardiaco. Effettuare una fase diastolica terminale a circa il 70% dell'intervallo RR per l'analisi per la serie 3D. Ottieni dati sagittali, coronali e assiali in ogni fotogramma della TC 4D, nonché in serie 3D al 70%.
- Utilizzare un metodo di tracciamento del bolo per la temporizzazione del bolo di contrasto nella regione di interesse sull'arteria polmonare principale per ottenere una sincronizzazione ideale. Non somministrare beta-bloccanti in nessuna pecora.
- Trasferire le pecore al FEM e interrompere la perfusione di propofol e ketamina dopo la scansione. Le pecore hanno ripreso conoscenza 10 - 20 minuti dopo l'estubazione. Anestesisti e veterinari hanno supervisionato l'intero trattamento di anestesia fino a quando le pecore non sono state completamente sveglie e in grado di muoversi liberamente.
2. Impostazioni dell'applicazione software di ricostruzione 3D open source e rate di estensione
- Fare clic su Modifica nel menu in alto per modificare le impostazioni dell'applicazione dopo l'avvio del software di ricostruzione 3D.
- Fare clic su DICOM, quindi su Regolarizzazione della geometria di acquisizione e selezionare Applica trasformazione di regolarizzazione nella sezione Plug-in del volume scalare DICOM . Selezionare Sequenza volume come formato di importazione multi-volume preferito nella sezione Multi Volume Importer Plugin .
- Fate clic su Viste (Views), selezionate Assi piccoli (Small Axes). Nel marcatore Orientamento, selezionate Righello sottile (Thin Ruler).
- Riavviare il software di filtro dei dati 3D per salvare le impostazioni dell'applicazione.
- Fare clic su Extension Manager nella barra degli strumenti per aprire la pagina delle estensioni.
- Trova le estensioni richieste e fai clic con il pulsante sinistro del mouse per installarle. Utilizzare le seguenti estensioni in questo studio: 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 e VASSTAUgorithms.
- Riavviare il software di filtro dei dati 3D per confermare l'installazione delle estensioni selezionate.
3. Carica i dati TC cardiaci nell'affettatrice 3D dai file DICOM
- Utilizzare uno dei due passaggi descritti di seguito per caricare i dati TC cardiaci nell'affettatrice 3D dai file DIOCM (Figura 1).
- Importa dati CT: aggiungi i dati CT cardiaci (il Pre-CT della pecora J è stato selezionato per illustrare le procedure) nel database dell'applicazione passando al modulo DICOM e trascinando i file nella finestra dell'applicazione.
- Carica dati CT: carica gli oggetti dati nella scena facendo doppio clic sugli elementi (Nella pecora J, l'ECG- Ao asc 0.75 126f 3 70% è la sequenza 3D nella fase diastolica finale e Funkion EKG- Ao asc 0.75 126f 3 0- 100% Matrix 256 è la sequenza 4D come sequenza di volume di 11 fotogrammi per ciclo cardiaco).
- Fare clic con il pulsante sinistro del mouse sulle icone Occhio nell'albero dei dati per visualizzare le sequenze 3D e 4D dalle viste assiale, sagittale e coronale nei visualizzatori 2D.
- Fare clic con il pulsante sinistro del mouse sull'icona del layout Filtro dei dati nella barra degli strumenti in alto e selezionare Layout Four-Up o Layout convenzionale.
- Fare clic sull'icona Collegamenti nell'angolo in alto a sinistra per collegare tutti e tre gli spettatori e sull'icona Occhio per visualizzare le sezioni in 3D Viewer.
- Fare clic sull'icona Salva e salvare tutti i dati caricati nel filtro dei dati 3D in una destinazione selezionata per creare un set di dati per la segmentazione e la modifica del volume.
4. Crea il volume del cuore che batte 4D e batte il volume del cuore destro
- Selezionare Rendering volume nel menu a discesa moduli, quindi selezionare la sequenza 4D nel menu a discesa Volume .
- Selezionare CT-Cardiac3 nel menu a discesa Preset per visualizzare il cuore 4D. Regola il cursore sotto il menu a discesa Preimpostato per mostrare solo il cuore.
- Fare clic su Sequence Browser nel menu a discesa dei moduli per selezionare e visualizzare la sequenza 4D. Il cuore pulsante è nella scena. Trascina il cuore 4D nella scena 3D per osservare il cuore da varie direzioni.
- Selezionare le funzioni Abilita e Visualizza ROI nelle opzioni Ritaglia sotto la barra di spostamento per ritagliare il volume 4D del cuore pulsante al fine di osservare meglio le strutture del cuore.
- Crea il volume del cuore pulsante 4D come descritto sopra. Selezionate Editor segmenti nel menu a discesa moduli, quindi fate clic sull'effetto Forbici con l'operazione Riempi all'interno per tagliare un singolo fotogramma.
- Fare clic sull'effetto Volume maschera e applicarlo per collegare la segmentazione al cuore 4D come volume mascherato. Il volume di ingresso e il volume di uscita nell'effetto volume maschera sono le sequenze 4D.
- Selezionate l'effetto Forbici con l'operazione Cancella all'interno per rimuovere le ossa e altre aree impreviste. Selezionare l'effetto Isole con l'operazione Mantieni isola più grande per rimuovere piccole aree.
- Scegli l'effetto Cancella con il Pennello Sfera 1-3% per rimuovere i tessuti all'arco aortico con attacchi all'arteria polmonare principale, così come il tessuto tra l'aorta ascendente e la vena cava superiore. Dopo ogni passaggio, applicate l'effetto Volume maschera per mascherare il volume 4D.
- Ripetere i passaggi 4.7 - 4.8 per continuare a rimuovere le aree fino a quando il modello del cuore destro non viene mostrato nella scena 3D.
- Fare clic sul Sequence Browser e passare al fotogramma successivo. Utilizzate l'effetto Forbici con l'operazione Cancella all'interno per tagliare qualsiasi area nella scena 3D; il modello del cuore destro apparirà automaticamente nella cornice contemporanea. Applicate lo stesso metodo al resto dei fotogrammi fino a quando l'intera sequenza 4D non è stata segmentata.
- Fare clic sul pulsante Sequence Browser per visualizzare il volume 4D del cuore destro.
NOTA: Quando si rimuove l'arteria coronaria discendente anteriore sinistra in alcuni fotogrammi e la biforcazione dell'arteria coronaria sinistra, verrà rimossa una piccola porzione del ventricolo destro. Per questo motivo, si consiglia vivamente di mantenere un piccolo pezzo di queste coronarie per mantenere il giusto volume ventricolare in ogni fotogramma.
5. Crea modelli raddrizzati dalla sequenza 4D
NOTA: Si consiglia vivamente di costruire ogni 10% del frame del ciclo cardiaco in una singola cartella di slicer 3D, altrimenti ci saranno troppi alberi di dati allineati nel modulo DATA, rendendo inefficiente la creazione dei modelli raddrizzati. Per ottenere la singola cartella 3D slicer di ogni fotogramma del 10%, è necessario caricare la sequenza 4D più volte, scegliere ogni fotogramma e salvarli in una singola cartella.
- Crea segmentazioni a cuore retto per ogni fotogramma selezionando il modulo Editor segmenti nella barra degli strumenti. Aggiungi due segmentazioni per ogni fotogramma del 10% della sequenza 4D e assegna loro un nome di conseguenza, ad esempio segmentazione al 60% e Altro.
- Selezionate lo strumento Effetto pittura nel modulo Editor segmenti con Intervallo di intensità modificabile che dipende dalle immagini CT per dipingere il cuore destro con la sequenza superiore vena cava, atrio destro, ventricolo destro e arteria polmonare.
- Fare clic su Altra segmentazione, utilizzare lo strumento di disegno per dipingere altre aree per tracciare i confini del cuore destro in generale.
- Selezionate l'effetto Coltiva da semi , selezionate Inizializza e Applica per applicare l'effetto. Fare clic sul pulsante Mostra 3D nel modulo Editor segmenti per visualizzare il modello 3D della cornice contemporanea.
- Ripetere i passaggi 4.7 - 4.8 per rimuovere o migliorare il modello 3D in base alle immagini CT nelle tre direzioni. Rimuovere i rami sinistro e destro dell'arteria polmonare alla biforcazione. Il modello 3D del cuore destro mostrerà quindi la scena 3D in ogni fotogramma.
NOTA: Si consiglia vivamente di dipingere i confini del cuore destro con un pennello a sfera di diametro 1% - 2% agli attacchi tra l'arteria polmonare e le arterie coronarie, così come l'arteria polmonare e la vena cava superiore. - Clonare le segmentazioni nell'albero DATA come backup, denominare le segmentazioni, ad esempio 10% Segmentazione originale e 10% Segmentazione per modello raddrizzato.
- Aggiungete un asse di mezzeria al modello del cuore destro come descritto di seguito.
- Selezionate Estrai asse di mezzeria nel menu a discesa Moduli.
- Selezionate Segmentazione (Segmentation ) nel menu a discesa Superficie (Surface) nella sezione Input (Inputs) del modulo di mezzeria di estrazione. Questo crea una segmentazione, ad esempio una segmentazione del 10% per il modello raddrizzato come segmento. Fare clic su Crea nuovo markup fiduciale nel menu a discesa degli endpoint. Fare clic sul pulsante Posiziona un punto di markup per aggiungere endpoint sul piano superiore dell'SVC e sul piano finale dell'arteria polmonare principale.
- Selezionate Crea un nuovo modello come modello di asse di mezzeria e Crea nuova curva di marcatura come curva di mezzeria nel menu Albero (Tree of the Outputs). Fate clic su Applica (Apply ) per visualizzare il modello del cuore destro dell'asse di mezzeria.
- Fate clic sul modulo DATA , quindi fate clic con il pulsante destro del mouse sulla curva dell'asse di mezzeria per modificarne le proprietà. Fare clic sull'icona Occhio per visualizzare i punti di controllo e nella sezione Ricampionamento impostare il numero di punti ricampionati su 40 per ridurre il carico del computer.
- Creare un modello raddrizzato
- Selezionate Riformattazione planare curva nel menu a discesa moduli.
- Spostare il cursore dopo Risoluzione curva e Risoluzione sezione su 0,8 mm, impostare Dimensione sezione su 130140 mm in base all'intervallo del ventricolo destro visualizzato sulle immagini, quindi selezionare Crea un nuovo volume come volume raddrizzato di output.
- Fare clic su Applica per ottenere il volume raddrizzato.
- Selezionare Rendering volume nel menu a discesa del modulo per visualizzare il volume raddrizzato. Seleziona il volume raddrizzato nel menu a discesa del volume e fai clic sull'icona Occhio. Selezionare CT-Cardiac3 come predefinito, spostare il cursore Maiusc per visualizzare il volume del cuore destro raddrizzato nella scena 3D.
- Incanalare il volume raddrizzato nell'albero DATA nel nome del volume raddrizzato per la segmentazione e fare clic con il pulsante destro del mouse per segmentare questo volume raddrizzato.
- Selezionate l'effetto Soglia nel modulo editor segmenti per colorare il cuore destro raddrizzato desiderato e fate clic su Applica per applicare l'operazione. Selezionate l'effetto Volume maschera per mascherare il volume raddrizzato scegliendo Volume raddrizzato per segmentazione, volume come volume di input e Volume di output e fate clic su Applica per applicare l'operazione.
- Fare clic su Applica per applicare la stessa operazione descritta sopra nei passaggi da 4.7 a 4.8 per mantenere solo la segmentazione del cuore destro raddrizzata. Controllare il volume del cuore destro raddrizzato e il modello 3D della segmentazione del cuore destro raddrizzato nella scena 3D.
- Fate clic su Applica (Apply ) per applicare la stessa operazione descritta sopra per altri fotogrammi per ottenere il rendering del volume cardiaco destro raddrizzato e le segmentazioni raddrizzate e salvarle nella cartella di ciascun fotogramma.
6. Esporta le figure e i file STL
- Esportare le figure del rendering del volume raddrizzato facendo clic su Cattura e assegna un nome a un effetto di visualizzazione scena sulla barra degli strumenti e salvando le scene in visualizzazione 3D.
- Esporta i file STL delle segmentazioni 3D raddrizzate facendo clic sul modulo Segmentazione .
7. Eseguire cinque misurazioni planari
- Eseguire una misurazione a cinque piani del perimetro, dell'area della sezione trasversale e della circonferenza nei modelli raddrizzati dalla sequenza 4D e le misurazioni del volume ventricolare destro nel modello raddrizzato come descritto di seguito.
- Applicare le seguenti cinque impostazioni planari: Piano A: all'arteria polmonare principale 2 cm di sfalsamento dal piano della giunzione sinotubulare; Piano B: all'incrocio sinotubulare; Piano C: al seno; Piano D: alla base del volantino; Piano E: a RVOT 1 cm di sfalsamento da D.
- Aggiungete tutti i cinque piani di cui sopra nei modelli raddrizzati in ogni fotogramma tenendo premuto il tasto Maiusc sulla tastiera e utilizzando la funzione mirino nella barra degli strumenti ai cinque piani. Fate clic sul modulo Crea e posiziona nella barra degli strumenti per selezionare l'effetto Piano .
- Selezionate l'effetto Linea per misurare i perimetri, selezionate l'effetto Curva chiusa (Closed Curve ) per ottenere le circonferenze e l'area della sezione trasversale. Copiare i dati per compilare il dataset.
- Eseguire misurazioni del volume ventricolare destro nel modello raddrizzato come descritto di seguito.
- Colonna la segmentazione raddrizzata in ogni fotogramma ottenuto dalla sequenza 4D ed etichetta la segmentazione in base al fotogramma corrispondente per la misurazione del volume.
- Selezionare il modulo Statistiche segmento nel menu a discesa del modulo. Selezionare Segmentazione X% per la misurazione del volume dopo Segmentazione e Volume scalare nel menu Ingressi. Selezionare Crea nuova tabella come tabella di output e quindi fare clic su Applica per applicare le operazioni per ottenere la tabella del volume.
- Copiare i dati del volume per creare il set di dati di misurazione del volume per ogni fotogramma della segmentazione raddrizzata.
8.3D la ricostruzione multiplanare (MPR) e la misurazione del volume ventricolare destro dalla sequenza 3D (la fase meglio ricostruita alla fine della diastole)
NOTA: In questo studio, la pecora J Pre-CT è stata scelta per illustrare le procedure di misurazione MPR.
- Caricare la sequenza 3D diastolica come illustrato nei passaggi seguenti. Selezionate la freccia verso il basso accanto all'effetto mirino, scegliete Jump Slices- Offset, Basic+ Intersection, Fine Crosshair e The Slice Intersections per le impostazioni del mirino.
- Tenete premuto Maiusc + clic con il pulsante sinistro del mouse per trascinare il mirino sul piano, ad esempio il seno. Premere CTRL+ALT per regolare il mirino nella posizione desiderata nelle scene assiale, sagittale e coronale perfettamente al centro della posizione desiderata.
- Selezionate l'effetto Linea per eseguire le misurazioni in ciascun piano, come illustrato nel passaggio 7.4. Copiare i dati per creare il set di dati di misurazione MPR 3D.
- Fare clic sul modulo Editor segmenti per creare una segmentazione ventricolare destra come descritto sopra nel passaggio 5.8.6.
- Fare clic sul modulo Segment Statistics per eseguire la misurazione del volume ventricolare destro come descritto sopra nel passaggio 7.5.2.
- Copiare le informazioni sul volume per creare il set di dati del volume ventricolare destro 3D diastolico.
9. Calcolo per la selezione della valvola cardiaca stentata
NOTA: In questa sezione, le misurazioni della giunzione sinotubulare sono state utilizzate per illustrare la procedura.
- Calcola la media dei perimetri assiali lunghi (d1) e corti assiali (d2) = (d3), seguita dalla media di d1, d2 e d3 per ottenere d4, come mostrato nelle formule (1) - (2).
- Dividere il calcolo dell'area della sezione trasversale (S1) per π per ottenere d5 seguito dalla radice quadrata di d5 per ottenere d6, e quindi la media di d5 e d6, come mostrato nelle formule (3) - (5).
- Dividere la circonferenza (C1) per π per ottenere d8, come mostrato nella formula (6).
- Ottenere il diametro generale complessivo d9 calcolando la media di d4, d7 e d8, come mostrato nella formula (7).
- Applicare la formula (8) per calcolare la scelta migliore della dimensione della valvola (h).
NOTA: la valvola cardiaca stented è disponibile nei diametri 30 mm, 26 mm e 23 mm. La dimensione della valvola (h) mostra la corrispondenza come percentuale per i tre diametri, vale a dire una corrispondenza ideale come 10-20%, grande per l'impianto come 30% e oltre e piccola per l'impianto inferiore al 10%. - Importa i dati 3D e 4D in un software di statistica versatile per costruire i diagrammi di tendenza delle misurazioni nei cinque piani ed esportare i diagrammi in formato TIFF. Importa tutte le figure in un software di grafica per l'organizzazione.
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Representative Results
Nella pecora J, i modelli 4D total heart e right heart sono stati generati con successo dalla sequenza TC cardiaca 4D che ha mostrato la deformazione durante l'intero ciclo cardiaco. Per una migliore visualizzazione, l'intera deformazione del cuore pulsante e del cuore destro è esposta in ogni direzione in Figura 3 - Figura 4 e nel Video 1 - Video 2.
I modelli del cuore destro raddrizzato sono stati ottenuti seguendo il volume della maschera in ogni 10% della segmentazione per illustrare le deformazioni del cuore destro in un modello raddrizzato in pecore J Pre-CT (Figura 5).
Cinque piani sono stati aggiunti nelle posizioni desiderate per eseguire le misurazioni come mostrato nella Figura 2A, così come le misurazioni MPR nel software di ricostruzione 3D e non il metodo convenzionale di ritagliare il volume 4D nelle pecore J Pre-CT mostrato nella Figura 2B. I cambiamenti nell'area della sezione trasversale, nel perimetro e nella circonferenza sono stati ottenuti in diverse fasi del ciclo cardiaco per generare i diagrammi di tendenza come mostrato nella Figura 6. I dati originali delle misurazioni TC 4D e delle misurazioni CT 3D sono mostrati nel file supplementare 1. Nella pecora J, le misurazioni TC 4D del modello raddrizzato hanno portato alla stessa scelta di dimensioni della valvola per TPVR (30 mm) delle misurazioni MPR della serie diastolica finale, con i vantaggi di una notevole realtà virtuale e risultati affidabili. Ci sono state differenze significative nell'area della sezione trasversale misurata (RVOT: 3,42 cm2 in 4D contro 4,28 cm2 in 2D, BPV: 2,96 cm2 in 4D contro 3,92 cm2 in 2D) e circonferenza (RVOT: 76,1 mm in 4D contro 87,06 mm in 2D, BPV: 67,65 mm in 4D contro 75,73 mm in 2D) in RVOT e nel piano basale della valvola polmonare. La frazione di eiezione ventricolare destra delle pecore J dalla pre-TC era del 62,1%.
Figura 1. Interfaccia utente in software di ricostruzione tridimensionale. Barra degli strumenti, albero dati e altri menu funzionali del software di ricostruzione tridimensionale sono mostrati per il funzionamento del programma. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Cinque piani nel modello raddrizzato per misure di misura e ricostruzione multiplanare nella sequenza 3-dimensionale (fase diastolica finale). (A) Piano a: arteria polmonare principale, 20 mm di sfalsamento dal piano b; piano b: giunzione sinotubulare; piano c: seno della valvola polmonare; piano d: fondo della valvola polmonare; piano e: nel tratto di efflusso ventricolare destro, 10 mm di offset dal piano d. (B) Misure MPR nella sequenza 3D della fase diastolica terminale a cinque piani: 10 mm di offset dal fondo della valvola polmonare, fondo della valvola polmonare, seno della valvola polmonare, giunzione sinotubulare e arteria polmonare principale (20 mm di offset dalla giunzione sinotubulare). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Deformazioni cardiache a 4 dimensioni durante tutto il ciclo cardiaco. Le deformazioni cardiache totali della tomografia pre-computerizzata J delle pecore mostrano i cambiamenti di forma dallo 0% al 100% del ciclo cardiaco. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4. Deformazione del cuore destro 4- dimensionale durante tutto il ciclo cardiaco. Le deformazioni cardiache destre della tomografia pre-computerizzata J delle pecore mostrano i cambiamenti di forma dallo 0% al 100% del ciclo cardiaco. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5. Raddrizzata la deformazione del cuore destro della tomografia pre-computerizzata J della pecora durante tutto il ciclo cardiaco. Le deformazioni del cuore destro raddrizzato della tomografia pre-computerizzata J delle pecore mostrano i cambiamenti di forma dallo 0% al 100% del ciclo cardiaco. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6. Cambiamenti di circonferenza, diametro medio, area della sezione trasversale e volume ventricolare destro durante tutto il ciclo cardiaco. (A) Cambiamenti di circonferenza durante il ciclo cardiaco ai cinque piani. (B) Variazioni del diametro medio (calcolate utilizzando la formula 1 nel punto 9.1) durante il ciclo cardiaco ai cinque piani. (C) Cambiamenti nell'area della sezione trasversale durante il ciclo cardiaco ai cinque piani. (D) Variazione del volume ventricolare destro durante il ciclo cardiaco. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Video 1. Deformazione cardiaca totale a 4 dimensioni. Durante tutto il ciclo cardiaco, la ricostruzione dell'intero cuore a 4 dimensioni può essere visualizzata in ogni direzione. Clicca qui per scaricare questo video.
Video 2. Deformazione del cuore destro a 4 dimensioni. Il cuore pulsante (vena cava superiore, atrio destro, ventricolo destro e arteria polmonare) può essere visualizzato in ogni direzione durante l'intero ciclo cardiaco. Clicca qui per scaricare questo video.
Fascicolo complementare 1. La tabella presenta i dati originali delle misurazioni TC 4D e delle misurazioni TC 3D generate seguendo il protocollo descritto, compresi i parametri dell'arteria polmonare, il volume ventricolare destro e le misurazioni dell'aorta della tomografia pre-computerizzata J delle pecore. Fare clic qui per scaricare questo file.
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Discussion
Ad oggi, questo è il primo studio a illustrare una misurazione specifica per il paziente della morfologia e dei parametri dinamici di RVOT-PA con un modello cardiaco raddrizzato generato da una sequenza TC 4D, che può essere applicato per prevedere la dimensione ottimale della valvola per TPVR. Questa metodologia è stata illustrata utilizzando l'imaging pre-TC J di pecora per ottenere le deformazioni dinamiche, i volumi ventricolari destri, la funzione ventricolare destra e l'entità del cambiamento RVOT / PA dal RVOT al tronco polmonare in cinque piani ogni ricostruzione del 10% del ciclo cardiaco. Rispetto all'imaging 3D, i modelli raddrizzati non solo prevedevano le stesse dimensioni della valvola delle misurazioni MPR dalle immagini 3D diastoliche finali, ma consentivano anche un modello più intuitivo per estrarre le informazioni desiderate sul cuore destro. Secondo i risultati di uno studio precedente13, il metodo proposto consente una migliore comprensione delle condizioni di carico in vivo nei pazienti con RVOT disfunzionale e/o malattia della valvola polmonare, nonché lo sviluppo di nuovi dispositivi TPVR che sono morfologicamente adattati alle diverse anatomie RVOT dei pazienti che richiedono TPVR e possono mostrare prestazioni meccaniche migliorate a lungo termine. Tuttavia, l'attuale metodologia di misurazione quantitativa per una valutazione pre-interventistica del TPVR si basa su misurazioni MPR nella sequenza 3D, che potrebbero causare errori imprevisti durante le valutazioni basate sulla curva anatomica del RVOT e del PA. Inoltre, informazioni dettagliate possono essere perse nei modelli 3D generati dalla sequenza 4D in termini di movimento complessivo del cuore14.
In questo studio, è stato creato un modello di cuore pulsante 4D per osservare e visualizzare la deformazione totale del cuore durante tutto il ciclo cardiaco utilizzando una maschera per il volume 4D della segmentazione nel software di ricostruzione 3D e non il metodo convenzionale di ritagliare il volume 4D nella pecora J. Questo metodo può fornire un modo accurato ed efficiente di costruire un modello 4D come ricostruzione 3D da una sequenza 3D per visualizzare il cuore e selezionare la dimensione della valvola. Inoltre, lo stesso metodo è stato utilizzato per ricostruire il modello del cuore destro come modello dinamico dalle segmentazioni in ogni 10% del ciclo cardiaco segmentato utilizzando l'effetto Grow From Seeds nel software di ricostruzione 3D. Il modello 4D del cuore destro può visualizzare l'intera morfologia anatomica durante l'intervallo RR, in base al quale i cardiologi possono sviluppare una strategia specifica per il paziente per il TPVR. Inoltre, i modelli 3D del cuore destro raddrizzato ottenuti dalla sequenza 4D in ogni 10% del ciclo cardiaco possono fornire una quantificazione precisa, morfologica e funzionale del cuore destro, specialmente nei cinque piani applicati per la selezione della valvola cardiaca stentata. Prima di creare i modelli raddrizzati, è necessaria una segmentazione 3D manuale ed esatta del cuore destro da ogni ciclo cardiaco del 10%. Quando si eseguono segmentazioni del cuore destro, dopo che il volume di un fotogramma è stato mascherato, la segmentazione 3D nel fotogramma corrente emergerà automaticamente utilizzando la funzione Forbice per le strutture indesiderate. Al fine di mantenere l'intero volume di RVOT, un piccolo pezzo dell'arteria coronaria sinistra deve essere mantenuto nelle segmentazioni. Per creare un modello raddrizzato, è fondamentale aggiungere un asse di mezzeria nel modello originale del cuore destro per garantire la qualità del modello raddrizzato e ridurre il carico computazionale. Il modello del cuore destro raddrizzato rifletteva accuratamente tutte le correlazioni dell'anatomia cardiaca, inclusi perimetri, circonferenze e aree della sezione trasversale, consentendo una successiva estrazione di informazioni morfologiche e misurazioni dirette in modo olistico. In questo studio, le misurazioni del modello raddrizzato 4D hanno portato alla stessa scelta della dimensione della valvola (30 mm di diametro) delle misurazioni 3D in MPR, ma con i vantaggi di una notevole realtà virtuale e risultati affidabili nella pecora J. Consente inoltre la raccolta di dati sui volumi ventricolari giusti durante l'intero ciclo cardiaco, che possono quindi essere applicati per calcolare la frazione di eiezione ventricolare destra.
Precedenti studi clinici hanno mostrato differenze significative nelle aree di sezione trasversale misurate di RVOTPA tra piani di sezione statica e dinamica secondari a grandi spostamenti e rotazioni 3D15. Negli ovini J Pre-CT, le differenze significative nelle aree della sezione trasversale misurate e nelle circonferenze nel piano RVOT e nel piano basale della valvola polmonare sono state osservate anche nel RVOT: 3,42 cm2 in 4D contro 4,28 cm2 in 3D, BPV: 2,96 cm2 in 4D contro 3,92 cm2 in 3D e circonferenze RVOT: 76,1 mm in 4D contro 87,06 mm in 3D, BPV: 67,65 mm in 4D contro 75,73 mm in 3D. Per ottenere i dati per le misurazioni, sono stati applicati i cinque piani dinamici al posto dei piani fissi; qui, il piano sinotubulare e il piano basale della valvola polmonare sono stati scelti come linee di riferimento. Questi cinque piani includevano tutto lo spazio che può essere utilizzato per distribuire la valvola cardiaca stentata. Il piano RVOT ha mostrato la più grande deformazione durante il ciclo cardiaco nei cinque piani, evidenziando la necessità di un dispositivo TPVR versatile che consenta l'adattabilità a varie anatomie e mantenga la geometria progettata della valvola cardiaca stentata per una durata a lungo termine senza fratture e migrazioni. Lo stent nitinol con memoria di forma è un candidato promettente per il montaggio di una valvola a tre foglietti per il futuro TPVR. Per l'applicazione clinica, in particolare per i pazienti che hanno avuto la riparazione del cerotto transannulare o TPVR, avrebbe bisogno di maggiori sforzi per ricostruire l'anatomia in quanto ci sono artefatti dall'adesione tra il pericardio e il miocardio, lo stent e l'anatomia deformata. Ha bisogno di dati CT ad alta risoluzione, software di ricostruzione ben sviluppato e abbondante esperienza di analisi TC per tradurre questo metodo per uso clinico. Ma questo metodo può essere utilizzato per grandi studi su animali e per la valutazione peri-operatoria per i pazienti con Tetralogia di Fallot, stenosi polmonare isolata che non hanno avuto interventi chirurgici a cuore aperto o terapie interventistiche.
Il metodo descritto per il modello raddrizzato 4D può consentire l'identificazione e il calcolo accurati e visivi di tutti i segmenti del cuore dal RVOT al PA, che può aiutare non solo i cardiologi a ottenere una precisa valutazione pre-interventistica, ma anche gli ingegneri cardiaci a innovare nuovi dispositivi TPVR per applicazioni future.
Il principale limite della metodologia per la misurazione del modello raddrizzato 4D in questo studio è che i dati sono stati ottenuti da una sola pecora pre-TC senza una grande popolazione campione. Inoltre, l'imaging TC post-impianto non è stato eseguito per seguire le dimensioni della valvola e i cambiamenti strutturali nel cuore destro. Infine, per i pazienti che hanno avuto la riparazione del cerotto transannulare o TPVR, è più difficile ricostruire l'anatomia in quanto vi sono artefatti dall'adesione tra il pericardio e il miocardio, lo stent e l'anatomia deformata.
Conclusione
A differenza della TC 3D, il modello di ricostruzione 4D raddrizzato non solo ha consentito una previsione accurata della selezione delle dimensioni della valvola per TPVR, ma ha anche fornito la realtà virtuale ideale nelle pecore J, e quindi sarà un metodo promettente per TPVR e l'innovazione dei dispositivi TPVR.
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Disclosures
Gli autori non dichiarano alcun conflitto di interessi.
Acknowledgments
Xiaolin Sun e Yimeng Hao hanno contribuito ugualmente a questo manoscritto e condividono la prima paternità. Un sincero apprezzamento si estende a tutti coloro che hanno contribuito a questo lavoro, sia i membri passati che quelli presenti. Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni del Ministero federale tedesco per gli affari economici e l'energia, EXIST - Transfer of Research (03EFIBE103). Xiaolin Sun e Yimeng Hao sono supportati dal China Scholarship Council (Xiaolin Sun- CSC: 201908080063, Yimeng Hao-CSC: 202008450028).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Adobe Illustrator | Adobe | Adobe Illustrator 2021 | Graphics software |
| Butorphanol | Richter Pharma AG | Vnr531943 | 0.4mg/kg |
| Fentanyl | Janssen-Cilag Pharma GmbH | DE/H/1047/001-002 | 0.01mg/kg |
| Glycopyrroniumbromid | Accord Healthcare B.V | PZN11649123 | 0.011mg/kg |
| GraphPad Prism | GraphPad Software Inc. | Version 9.0 | Versatile statistics software |
| Imeron 400 MCT | Bracco Imaging | PZN00229978 | 2.0–2.5 ml/kg |
| Ketamine | Actavis Group PTC EHF | ART.-Nr. 799-762 | 2–5 mg/kg/h |
| Midazolam | Hameln pharma plus GMBH | MIDAZ50100 | 0.4mg/kg |
| Multislice Somatom Definition Flash | Siemens AG | A91CT-01892-03C2-7600 | Cardiac CT Scanner |
| Propofol | B. Braun Melsungen AG | PZN 11164495 | 20mg/ml, 1–2.5 mg/kg |
| Propofol | B. Braun Melsungen AG | PZN 11164443 | 10mg/ml, 2.5–8.0 mg/kg/h |
| Safety IV Catheter with Injection port | B. Braun Melsungen AG | LOT: 20D03G8346 | 18 G Catheter with Injection port |
| 3D Slicer | Slicer | Slicer 4.13.0-2021-08-13 | Software: 3D Slicer image computing platform |
References
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