Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Четырехмерная компьютерная томография с определением размеров клапана для транскатетерной замены легочного клапана

Published: January 20, 2022 doi: 10.3791/63367
Automatic Translation
*1,2, *1,2, 1, 1, 2, 2, 1,2, 1,2,3
1Department of Pediatric Cardiology and Congenital Heart Disease, Charité University Medicine Berlin, 2Department of Pediatric Cardiology and Congenital Heart Disease, Deutsches Herzzentrum Berlin, 3DZHK (German Centre for Cardiovascular Research) and BMBF (German Ministry of Education and Research)
* These authors contributed equally

Summary

В этом исследовании оценивалась новая методология с выпрямленной моделью, сгенерированной из четырехмерной последовательности компьютерной томографии сердца, для получения желаемых измерений размера клапана при применении транскатетерной замены легочного клапана.

Abstract

Измерения правого желудочка (RV) и легочной артерии (PA), для выбора оптимального размера протеза для транскатетерной замены легочного клапана (TPVR), значительно различаются. Трехмерная (3D) компьютерная томография (КТ) для прогнозирования размера устройства недостаточна для оценки смещения пути оттока правого желудочка (RVOT) и ПА, что может увеличить риск неправильного размещения стента и параклапанной утечки. Целью данного исследования является предоставление динамической модели для визуализации и количественной оценки анатомии RVOT to PA в течение всего сердечного цикла с помощью четырехмерной (4D) реконструкции сердечной КТ для получения точной количественной оценки требуемого размера клапана. В этом пилотном исследовании для иллюстрации процедур была выбрана КТ сердца у овец J. 3D-КТ сердца была импортирована в программное обеспечение для 3D-реконструкции для построения 4D-последовательности, которая была разделена на одиннадцать кадров в течение сердечного цикла для визуализации деформации сердца. Диаметр, площадь поперечного сечения и окружность пяти плоскостей визуализации в главном ПА, синотубулярном соединении, синусе, базальной плоскости легочного клапана (BPV) и RVOT были измерены на каждом кадре в 4D-выпрямленных моделях до имплантации клапана для прогнозирования размера клапана. Между тем, динамические изменения в объеме RV также были измерены для оценки фракции выброса правого желудочка (RVEF). 3D-измерения в конце диастолы были получены для сравнения с 4D-измерениями. У sheep J измерения 4D CT из выпрямленной модели привели к тому же выбору размера клапана для TPVR (30 мм), что и для 3D-измерений. RVEF овец J от pre-CT составил 62,1 %. В отличие от 3D CT, выпрямленная модель 4D-реконструкции не только позволила точно предсказать выбор размера клапана для TPVR, но и обеспечила идеальную виртуальную реальность, тем самым представляя многообещающий метод для TPVR и инновации устройств TPVR.

Introduction

Дисфункция оттока правого желудочка (RVOT) и аномалии легочного клапана являются двумя наиболее частыми последствиями тяжелых врожденных пороков сердца, например, у пациентов с восстановленной тетралогией Фалло (TOF), некоторыми типами двойного выходного правого желудочка (DORV) и транспозицией магистральных артерий1,2,3 . Большинство этих пациентов сталкиваются с несколькими операциями на протяжении всей своей жизни, и вместе с возрастом увеличиваются риски сложности и сопутствующих заболеваний. Эти пациенты могут извлечь выгоду из транскатетерной замены легочного клапана (TPVR) в качестве минимально инвазивного лечения4. На сегодняшний день наблюдается устойчивый рост числа пациентов, проходящих TPVR, и несколько тысяч этих процедур были выполнены во всем мире. По сравнению с традиционной операцией на открытом сердце, TPVR требует более точного анатомического измерения ксенотрансплантата или гомотрансплантата от правого желудочка (RV) до легочной артерии (PA), а также восстановления легочного и RVOT стеноза с помощью трансануллярного пластыря, с помощью компьютерной томографической ангиографии (CTA) до вмешательства и для обеспечения того, чтобы пациенты были свободны от перелома стента и параклапанной утечки (PVL)5, См. 6.

Проспективное многоцентровое исследование показало, что многодетекторный алгоритм кольцевого размера КТ сыграл важную роль в выборе соответствующего размера клапана, что может снизить степень параклапанной регургитации7. В последние годы количественный анализ все чаще применяется в клинической медицине. Количественный анализ обладает огромным потенциалом для обеспечения объективной и правильной интерпретации клинической визуализации и проверки того, что пациенты свободны от перелома стента и утечки параклапанов, что может улучшить специфическую для пациента терапию и оценку ответа на лечение. В предыдущей клинической практике было возможно реконструировать КТ-визуализацию из трех плоскостей (сагиттальной, корональной и осевой) с помощью двумерной (2D) КТ для получения модели визуализации8. Контрастно-усиленная электрокардиограмма (ЭКГ) стала более важной в оценке морфологии и функции 3D RVOT/PA, а также в идентификации пациентов с подходящим местом имплантации RVOT, который способен поддерживать стабильность TPVR на протяжении всего сердечного цикла9,10.

Однако в современных стандартных клинических и доклинических условиях полученные данные 4D-КТ обычно переводятся в 3D-плоскости для ручной количественной оценки и визуальной оценки, которые не могут показывать динамическую информацию 3D / 4D11. Кроме того, даже с 3D-информацией измерения, полученные в результате многопланарной реконструкции (MPR), имеют различные ограничения, такие как низкое качество визуализации и отсутствие динамической деформации из-за различных направлений кровотока в правом сердце12. Измерения отнимают много времени для сбора и подвержены ошибкам, так как 2D-выравнивание и секционирование могут быть неточными, что приводит к неправильному толкованию и растяжимости. В настоящее время нет единого мнения о том, какое измерение RVOT-PA может надежно предоставить точную информацию о показаниях и размерах клапана для TPVR у пациентов с дисфункциональным RVOT и / или заболеванием легочного клапана.

В этом исследовании представлен метод измерения RVOT-PA с использованием выпрямленной модели правого сердца с помощью последовательности 4D сердечной КТ, чтобы определить, как лучше всего охарактеризовать 3D-деформации RVOT-PA на протяжении всего сердечного цикла. Пространственно-временная корреляционная визуализация была завершена включением временного измерения и, следовательно, смогла измерить изменения величины RVOT-PA. Кроме того, деформация выпрямленных моделей может положительно повлиять на размеры клапанов TPVR и процедурное планирование.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Все данные КТ сердца были получены из доклинических испытаний GrOwnValve с одобрения юридического и этического комитета Регионального бюро по здравоохранению и социальным вопросам, Берлин (LAGeSo). Все животные получали гуманный уход в соответствии с руководящими принципами Европейского и Немецкого обществ лабораторных наук о животных (FELASA, GV-SOLAS). В этом исследовании pre-CT от овец J был выбран для иллюстрации процедур.

1. Выполните 3D КТ сердца у овец

  1. Внутривенная анестезия
    1. Транквилизуйте овец (3 года, 47 кг, самка, овисак) премедикацией мидазолама (2 мг/мл, 0,4 мг/кг), буторфанола (10 мг/мл, 0,4 мг/кг) и гликопиррония бромида (200 мкг/мл, 0,011 мг/кг) путем внутримышечной инъекции.
    2. Проверьте физическое состояние овец, когда они стали послушными, через 15 минут после инъекции.
    3. Поместите катетер 18 г с инъекционным портом асептически в головную вену с перфузионными линиями, соединенными с Т-образным соединителем для анестезии и контрастного вещества.
    4. Обезболивают овец путем внутривенного введения пропофола (20 мг/мл, 1-2,5 мг/кг) и фентанила (0,01 мг/кг). Проверьте наличие симптомов транквилизации, таких как расслабление челюсти, потеря глотания и цилиарный рефлекс. Интубировать овец трахеальной трубкой 6,5 мм - 8 мм и поместить желудочный зонд в желудок для аспирации желудочной жидкости с последующим внутривенным введением пропофола (20 мг / мл, 1-2,5 мг / кг) и фентанила (0,01 мг / кг).
    5. Достичь полной анестезии путем введения пропофола (10 мг / мл, 2,5-8,0 мг / кг / ч) и кетамина (10 мг / мл, 2-5 мг / кг / ч) внутривенно, в рамках подготовки к КТ сердца.
  2. КТ сердца
    1. Переведите овец из Научно-исследовательских институтов экспериментальной медицины (FEM) в кабинет КТ Немецкого кардиологического центра Берлина (DHZB) после подготовки. Просканируйте всех овец в положении лежа после надежной фиксации их на кровати КТ с 3 повязками на руках, животе и ногах.
    2. Выполните КТ сердца на 64-срезовой мультидетекторной КТ-системе с двойным источником с ЭКГ-гатингом по следующим параметрам. Устанавливаются стандартные приемные технические параметры следующим образом: время вращения козла 0,33 с, 100-320 мА на вращение, напряжение трубки 120 кВ, матрица 256 с глубиной 16 бит, отклонение эффективной рентгеновской дозы 15,5± 11,6 мЗв, толщина среза 0,75 мм.
    3. Достижение повышения контрастности путем введения 2 -2,5 мл/кг йодированного контрастного вещества со скоростью 5 мл/с через Т-образный разъем на руке.
    4. Выполняйте протокол 4D-КТ-сканирования последовательно. Разделите весь сердечный цикл на 11 кадров от 0% до 100% с интервалом 10% от R-волны до R-волны (RR), охватывающего сердечный цикл. Проводят конечную диастолическую фазу примерно на 70% от интервала RR для анализа для 3D-серии. Получение сагиттальных, корональных и осевых данных в каждом кадре 4D КТ, а также в 70% 3D-рядах.
    5. Используйте метод болюсного отслеживания контрастного болюса в интересующей области на главной легочной артерии для достижения идеальной синхронизации. Не вводите бета-адреноблокатор ни одному из овец.
    6. Переведите овец обратно в МКЭ и прекратите перфузию пропофола и кетамина после сканирования. Овцы приходили в сознание через 10 - 20 мин после экстубации. Анестезиологи и ветеринары наблюдали за всем лечением анестезии до тех пор, пока овцы полностью не проснулись и не смогли свободно двигаться.

2. Настройки программного обеспечения для 3D-реконструкции с открытым исходным кодом и установки расширений

  1. Нажмите Редактировать в верхнем меню, чтобы изменить настройки приложения после запуска программного обеспечения для 3D-реконструкции.
    1. Щелкните DICOM, затем Нормализация геометрии сбора и выберите Применить преобразование регуляризации в разделе Плагин скалярного объема DICOM . Выберите Последовательность томов в качестве предпочтительного формата многотомного импорта в разделе Подключаемый модуль импорта нескольких томов .
    2. Нажмите «Виды», выберите «Маленькие оси». В маркере ориентации выберите «Тонкая линейка».
    3. Перезапустите программное обеспечение 3D-среза, чтобы сохранить настройки приложения.
  2. Щелкните Диспетчер расширений на панели инструментов, чтобы открыть страницу расширений.
    1. Найдите необходимые расширения и щелкните их левой кнопкой мыши, чтобы установить их. Используйте следующие расширения в этом исследовании: Регистрация последовательностей, Slicer Elastix, Песочница, Slice Heart, Slicer IGT, Slicer VMTK, веб-браузер DICOM, Сегментатор интенсивности, Разметка для модели, Easy Clip, mp Review, Slicer Prostate и VASSTAUgorithms.
    2. Перезапустите программное обеспечение 3D-слайсера, чтобы подтвердить установку выбранных расширений.

3. Загрузите данные КТ сердца в 3D-слайсер из файлов DICOM

  1. Используйте один из двух шагов, описанных ниже, чтобы загрузить данные КТ сердца в 3D-слайсер из файлов DIOCM (рисунок 1).
  2. Импорт данных КТ: Добавьте данные КТ сердца (для иллюстрации процедур был выбран Pre-CT от sheep J) в базу данных приложения, переключившись на модуль DICOM и перетащив файлы в окно приложения.
  3. Загрузка данных КТ: Загрузка объектов данных на сцену путем двойного щелчка по элементам (у sheep J ЭКГ-АО ASC 0,75 126f 3 70% - это 3D-последовательность в конце диастолической фазы, а Funkion EKG-Ao asc 0,75 126f 3 0- 100% Matrix 256 - это 4D-последовательность в виде 11-кадровой объемной последовательности по сердечному циклу).
  4. Щелкните левой кнопкой мыши значки глаз в дереве данных, чтобы отобразить 3D- и 4D-последовательности из осевого, сагиттального и коронального видов в 2D-вьюерах.
  5. Щелкните левой кнопкой мыши значок макета Slicer на верхней панели инструментов и выберите Four-Up или Обычный макет.
  6. Нажмите на значок «Ссылки» в левом верхнем углу, чтобы связать всех трех зрителей, и на значок «Глаз», чтобы отобразить фрагменты в 3D Viewer.
  7. Щелкните значок Сохранить и сохраните все данные, загруженные в 3D-срез, в выбранном месте назначения, чтобы создать набор данных для сегментации и редактирования тома.

4. Создайте 4D бьющийся объем сердца и битье правого объема сердца

  1. Выберите «Рендеринг тома» в раскрывающемся меню модулей, затем выберите 4D-последовательность в раскрывающемся меню «Громкость ».
  2. Выберите CT-Cardiac3 в раскрывающемся меню «Предустановка», чтобы отобразить 4D-сердце. Настройте курсор под раскрывающимся меню «Стиль», чтобы отображалось только сердце.
  3. Нажмите на Sequence Browser в раскрывающемся меню модулей, чтобы выбрать и отобразить 4D-последовательность. Бьющееся сердце находится в сцене. Перетащите 4D-сердце в 3D-сцену, чтобы наблюдать за сердцем с разных сторон.
  4. Выберите функции «Включить и отобразить окупаемость инвестиций » в параметрах «Обрезка » под панелью сдвига, чтобы обрезать 4D-объем бьющегося сердца, чтобы лучше наблюдать структуры сердца.
  5. Создайте 4D-бьющийся объем сердца, как описано выше. Выберите Редактор сегментов в раскрывающемся меню модулей, затем щелкните эффект Ножницы с помощью операции «Заливка внутри», чтобы вырезать один кадр.
  6. Нажмите на эффект «Объем маски» и примените его, чтобы связать сегментацию с 4D-сердцем в виде маскированного объема. Входной объем и выходной объем в эффекте объема маски являются 4D-последовательностями.
  7. Выберите эффект «Ножницы » с помощью операции «Стереть внутри », чтобы удалить кости и другие неожиданные области. Выберите эффект «Острова» с помощью операции «Сохранить самый большой остров», чтобы удалить небольшие области.
  8. Выберите эффект стирания с помощью 1-3% Sphere Brush для удаления тканей дуги аорты с прикреплениями к главной легочной артерии, а также ткани между восходящей аортой и верхней полой веной. После каждого шага применяйте эффект «Громкость маски » для маскировки 4D-громкости.
  9. Повторите шаги 4.7 - 4.8, чтобы продолжить удаление областей до тех пор, пока модель правого сердца не будет показана в 3D-сцене.
  10. Нажмите на браузер последовательностей и перейдите к следующему кадру. Используйте эффект «Ножницы» с операцией «Стереть изнутри», чтобы вырезать любую область в 3D-сцене; модель правого сердца автоматически появится в современном кадре. Применяйте тот же метод к остальным кадрам до тех пор, пока вся 4D-последовательность не будет сегментирована.
  11. Нажмите кнопку Sequence Browser , чтобы отобразить правую громкость 4D сердца.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При удалении левой передней нисходящей коронарной артерии в некоторых кадрах, а также при бифуркации левой коронарной артерии, она удалит крошечную часть правого желудочка. Из-за этого настоятельно рекомендуется держать крошечный кусочек этих коронарных артерий для поддержания объема правого желудочка в каждом кадре.

5. Создание выпрямленных моделей из 4D-последовательности

ПРИМЕЧАНИЕ: Настоятельно рекомендуется строить каждые 10% кадра сердечного цикла в одной папке 3D-слайсера, иначе в модуле DATA будет слишком много деревьев данных, что делает неэффективным создание выпрямленных моделей. Чтобы получить одну папку 3D-слайсера из каждого 10% кадра, необходимо загрузить 4D-последовательность несколько раз, выбрать каждый кадр и сохранить их в одной папке.

  1. Создайте сегментацию правого сердца для каждого кадра, выбрав модуль Редактор сегментов на панели инструментов. Добавьте две сегментации для каждого 10% кадра 4D-последовательности и назовите их соответствующим образом, например, сегментация 60% и другое.
  2. Выберите инструмент «Эффект рисования» в модуле «Редактор сегментов» с редактируемым диапазоном интенсивности , который зависит от изображений КТ, чтобы нарисовать правое сердце с последовательностью верхней полой вены, правого предсердия, правого желудочка и легочной артерии.
  3. Нажмите « Другая сегментация», используйте инструмент «Рисование», чтобы нарисовать другие области, чтобы проследить границы правого сердца в целом.
  4. Выберите эффект « Вырастить из семян», выберите «Инициализировать » и «Применить», чтобы применить эффект. Нажмите кнопку «Показать 3D » в модуле «Редактор сегментов», чтобы отобразить 3D-модель современного кадра.
  5. Повторите шаги 4.7 - 4.8, чтобы удалить или улучшить 3D-модель в соответствии с изображениями КТ в трех направлениях. Удаляют левую и правую ветви легочной артерии при бифуркации. Затем 3D-модель правого сердца покажет 3D-сцену в каждом кадре.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Настоятельно рекомендуется окрашивать границы правого сердца сферической кистью диаметром 1% - 2% на прикреплениях между легочной артерией и коронарными артериями, а также легочной артерией и верхней полой веной.
  6. Клонируйте сегментации в дереве DATA в качестве резервной копии, назовите сегментации, например, 10% Сегментация оригинальная и 10% Сегментация для выпрямленной модели.
  7. Добавьте осевую линию к модели правого сердца, как описано ниже.
    1. Выберите Извлечь центральную линию в раскрывающемся меню модулей.
    2. Выберите Сегментация в раскрывающемся меню поверхности в разделе Входные данные модуля извлечения осевой линии. При этом создается сегментация, например сегментация 10% для выпрямленной модели как сегмента. Нажмите Создать новые пометки Fiducial в раскрывающемся меню конечных точек. Нажмите кнопку «Разместить точку разметки», чтобы добавить конечные точки в верхней плоскости SVC и конечной плоскости главной легочной артерии.
    3. Выберите Создать новую модель в качестве модели осевой линии и Создать новую кривую разметки в качестве кривой осевой линии в дереве меню «Выводы». Нажмите « Применить», чтобы отобразить модель правого сердца по центру.
    4. Щелкните модуль DATA , затем щелкните правой кнопкой мыши кривую осевой линии , чтобы изменить его свойства. Щелкните значок Глаз , чтобы отобразить контрольные точки, и в разделе Ресамплинг установите количество ресамплированных точек равным 40, чтобы снизить нагрузку на компьютер.
  8. Создание выпрямленной модели
    1. Выберите Изогнутое планарное переформатирование в раскрывающемся меню модулей.
    2. Сдвиньте курсор после разрешения кривой и разреза на 0,8 мм, установите размер фрагмента равным 130140 мм, который соответствует диапазону правого желудочка, отображаемого на изображениях, а затем выберите Создать новый том в качестве выходного выпрямленного тома.
    3. Нажмите кнопку Применить , чтобы получить выпрямленный объем.
    4. Выберите «Рендеринг громкости» в раскрывающемся меню модуля, чтобы отобразить выпрямленный объем. Выберите Выпрямленный том в раскрывающемся меню громкости и нажмите на значок Глаз . Выберите CT-Cardiac3 в качестве предустановки, переместите курсор Shift, чтобы отобразить выпрямленный объем правого сердца в 3D-сцене.
    5. Столбец выпрямленного тома в дереве DATA в имени выпрямленного тома для сегментации и щелкните правой кнопкой мыши, чтобы сегментировать этот выпрямленный том.
    6. Выберите эффект Пороговое значение в модуле редактора сегментов, чтобы раскрасить нужное выпрямленное правое сердце, и нажмите кнопку Применить , чтобы применить операцию. Выберите эффект «Громкость маски», чтобы замаскировать выпрямленный объем, выбрав «Выпрямленный том» для сегментации, «Громкость » как «Входной том» и «Выходной том », и нажмите « Применить», чтобы применить операцию.
    7. Нажмите кнопку Применить , чтобы применить ту же операцию, что описано выше на шагах 4.7-4.8, чтобы сохранить только выпрямленную сегментацию правого сердца. Проверьте выпрямленный объем правого сердца и 3D-модель выпрямленной сегментации правого сердца в 3D-сцене.
    8. Нажмите кнопку Применить , чтобы применить ту же операцию, описанную выше, к другим кадрам, чтобы получить выпрямленный объем правого сердца и выпрямленные сегментации и сохранить их в папке каждого кадра.

6. Экспорт рисунков и STL файлов

  1. Экспортируйте фигуры выпрямленного объемного рендеринга, щелкнув по кнопке Захват и назвав эффект вида сцены на панели инструментов и сохранив сцены в 3D-виде.
  2. Экспортируйте STL-файлы выпрямленных 3D-сегментов, щелкнув модуль Сегментация .

7. Выполните пять планарных измерений

  1. Выполните пятипланарное измерение периметра, площади поперечного сечения и окружности в выпрямленных моделях из 4D-последовательности и измерения объема правого желудочка в выпрямленной модели, как описано ниже.
  2. Применяют следующие пять планарных установок: Плоскость А: у главной легочной артерии 2 см смещение от плоскости синотубулярного соединения; Плоскость B: в синотубулярном соединении; Плоскость С: в пазухе; Плоскость D: у основания листовки; Плоскость E: при RVOT смещение 1 см от D.
  3. Добавьте все вышеуказанные пять плоскостей в выпрямленные модели в каждом кадре, удерживая клавишу Shift на клавиатуре и используя функцию перекрестия на панели инструментов к пяти плоскостям. Нажмите на модуль «Создать и поместить» на панели инструментов, чтобы выбрать эффект «Плоскость ».
  4. Выберите эффект «Линия » для измерения периметров, выберите эффект «Замкнутая кривая», чтобы получить окружности и площадь поперечного сечения. Скопируйте данные для построения набора данных.
  5. Выполните измерения объема правого желудочка в выпрямленной модели, как описано ниже.
    1. Столбец выпрямленной сегментации в каждом кадре, полученном из 4D-последовательности, и пометьте сегментацию в соответствии с соответствующим кадром для измерения объема.
    2. Выберите модуль Статистика сегментов в раскрывающемся меню модуля. Выберите X% Сегментация для измерения объема после Сегментация и Скалярный объем в меню входов. Выберите Создать новую таблицу в качестве выходной таблицы и нажмите кнопку Применить , чтобы применить операции для получения таблицы тома.
    3. Скопируйте данные тома, чтобы создать набор данных измерения объема для каждого кадра выпрямленной сегментации.

8.3D измерения многопланарной реконструкции (MPR) и измерения объема правого желудочка из 3D-последовательности (наиболее реконструированная фаза в конце диастолы)

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании овцы J Pre-CT были выбраны для иллюстрации процедур измерения MPR.

  1. Загрузите диастолическую 3D-последовательность, как показано на следующих шагах. Щелкните стрелку вниз рядом с эффектом перекрестия, выберите «Прыжковые фрагменты» — «Смещение», «Базовое + пересечение», «Тонкое перекрестие» и «Пересечения фрагментов» для параметров перекрестия.
  2. Shift + щелчок левой кнопкой мыши, чтобы перетащить перекрестие на плоскость, например, синус. Нажмите клавиши CTRL+ALT, чтобы настроить перекрестие на нужное положение в осевой, сагиттальной и корональной сценах идеально в центре целевого положения.
  3. Выберите эффект «Линия », чтобы выполнить измерения в каждой плоскости, как показано на шаге 7.4. Скопируйте данные для построения набора данных измерений 3D MPR.
  4. Нажмите на модуль Редактор сегментов , чтобы создать сегментацию правого желудочка, как описано выше в шаге 5.8.6.
  5. Нажмите на модуль «Статистика сегментов», чтобы выполнить измерение объема правого желудочка, как описано выше на шаге 7.5.2.
  6. Скопируйте информацию об объеме, чтобы создать диастолический 3D-набор данных об объеме правого желудочка.

9. Расчет для выбора стентированного сердечного клапана

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе измерения синотубулярного соединения были использованы для иллюстрации процедуры.

  1. Вычислите среднее значение длинного осевого (d1) и короткого осевого периметров (d2) = (d3), за которым следует среднее значение d1, d2 и d3 для получения d4, как показано в формулах (1) - (2).
    Equation 1
    Equation 2
  2. Разделите вычисление площади поперечного сечения (S1) на π для получения d5 , затем квадратный корень из d5 для получения d6, а затем среднее значение d5 и d6, как показано в формулах (3) - (5).
    Equation 3
    Equation 4
    Equation 5
  3. Разделите окружность (C1) на π, чтобы получить d8, как показано в формуле (6).
    Equation 6
  4. Получите общий общий диаметр d9 , вычислив среднее значение d4, d7 и d8, как показано в формуле (7).
    Equation 7
  5. Примените формулу (8) для расчета наилучшего выбора размера клапана (h).
    Equation 8
    ПРИМЕЧАНИЕ: Стентированный сердечный клапан доступен в диаметрах 30 мм, 26 мм и 23 мм. Размер клапана (h) показывает соответствие в процентах для трех диаметров, а именно идеальное соответствие как 10-20%, большое для имплантации как 30% и выше, и маленькое для имплантации ниже 10%.
  6. Импортируйте 3D и 4D данные в универсальное статистическое программное обеспечение для построения диаграмм тенденций измерений в пяти плоскостях и экспортируйте диаграммы в формате TIFF. Импортируйте все рисунки в графическое программное обеспечение для организации.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

У овец J модели 4D общего сердца и правого сердца были успешно сгенерированы из последовательности 4D сердечной КТ, которая показала деформацию на протяжении всего сердечного цикла. Для лучшей визуализации вся деформация бьющегося сердца и правого сердца отображается во всех направлениях на рисунке 3 - рисунок 4 и в видео 1 - видео 2.

Модели выпрямленного правого сердца были получены после объема маски в каждых 10% сегментации, чтобы проиллюстрировать деформации правого сердца в выпрямленной модели у овец J Pre-CT (Рисунок 5).

Пять плоскостей были добавлены в желаемые места для выполнения измерений, как показано на рисунке 2A, а также измерений MPR в программном обеспечении для 3D-реконструкции, а не в обычном методе обрезки 4D-объема у овец J Pre-CT, показанном на рисунке 2B. Изменения в области поперечного сечения, периметра и окружности были получены в разных фазах сердечного цикла для создания диаграмм тенденции, как показано на рисунке 6. Исходные данные измерений 4D КТ и 3D КТ показаны в Дополнительном файле 1. У sheep J измерения 4D CT по выпрямленной модели привели к тому же выбору размера клапана для TPVR (30 мм), что и измерения MPR из конечной диастолической серии, с преимуществами замечательной виртуальной реальности и надежными результатами. Наблюдались значительные различия в измеренной площади поперечного сечения (RVOT: 3,42 см2 в 4D против 4,28 см2 в 2D, BPV: 2,96 см2 в 4D против 3,92 см2 в 2D) и окружности (RVOT: 76,1 мм в 4D против 87,06 мм в 2D, BPV: 67,65 мм в 4D против 75,73 мм в 2D) в RVOT и базальной плоскости легочного клапана. Фракция выброса правого желудочка овцы J из пре-КТ составила 62,1%.

Figure 1
Рисунок 1. Пользовательский интерфейс в программном обеспечении для 3-мерной реконструкции. Для работы программы показаны панель инструментов, дерево данных и другие функциональные меню программного обеспечения для 3-мерной реконструкции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2. Пять плоскостей в выпрямленной модели для измерений и многопланарной реконструкции измерений в 3-мерной последовательности (конечная диастолическая фаза). (A) Плоскость a: главная легочная артерия, смещенная на 20 мм от плоскости b; плоскость b: синотубулярный переход; плоскость c: синус легочного клапана; плоскость d: дно легочного клапана; плоскость e: в тракте оттока правого желудочка, смещение 10 мм от плоскости d. (B) Измерения MPR в 3D последовательности конечной диастолической фазы в пяти плоскостях: смещение 10 мм от нижней части легочного клапана, нижней части легочного клапана, синуса легочного клапана, синотубулярного соединения и главной легочной артерии (смещение 20 мм от синотубулярного соединения). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3. 4-мерные деформации сердца на протяжении всего сердечного цикла. Суммарные сердечные деформации овец J предварительная компьютерная томография показывает изменение формы от 0% до 100% сердечного цикла. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4. 4-мерная деформация правого сердца на протяжении всего сердечного цикла. Деформации правого сердца овец J предварительная компьютерная томография показывает изменение формы от 0% до 100% сердечного цикла. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5. Выпрямленная деформация правого сердца овцы J предварительной компьютерной томографией на протяжении всего сердечного цикла. Выпрямленные деформации правого сердца овец J предварительная компьютерная томография показывает изменение формы от 0% до 100% сердечного цикла. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 6
Рисунок 6. Изменения окружности, среднего диаметра, площади поперечного сечения и объема правого желудочка на протяжении всего сердечного цикла. (А) Изменения окружности во время сердечного цикла на пяти плоскостях. (B) Изменения среднего диаметра (рассчитанного по формуле 1 на этапе 9.1) в течение сердечного цикла на пяти плоскостях. (C) Изменения в области поперечного сечения во время сердечного цикла на пяти плоскостях. (D) Изменение объема правого желудочка во время сердечного цикла. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Видео 1. 4-мерная полная деформация сердца. На протяжении всего сердечного цикла 4-мерная реконструкция всего сердца может быть визуализирована во всех направлениях. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.

Видео 2. 4-мерная деформация правого сердца. Бьющееся сердце (верхняя полая вена, правое предсердие, правый желудочек и легочная артерия) может быть визуализировано во всех направлениях на протяжении всего сердечного цикла. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.

Дополнительный файл 1. В таблице представлены исходные данные измерений 4D КТ и 3D КТ измерений, полученных в соответствии с описанным протоколом, включая параметры легочной артерии, объем правого желудочка и измерения аорты от предварительной компьютерной томографии овец J. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

На сегодняшний день это первое исследование, иллюстрирующее специфическое для пациента измерение морфологии и динамических параметров RVOT-PA с выпрямленной сердечной моделью, сгенерированной из последовательности 4D CT, которая может быть применена для прогнозирования оптимального размера клапана для TPVR. Эта методология была использована с использованием овечьей J Pre-CT визуализации для получения динамических деформаций, объемов правого желудочка, функции правого желудочка и величины изменения RVOT / PA от RVOT к легочному стволу в пяти плоскостях на каждые 10% реконструкции сердечного цикла. По сравнению с 3D-визуализацией, выпрямленные модели не только предсказывали тот же размер клапана, что и измерения MPR из конечных диастолических 3D-изображений, но также позволили создать более интуитивную модель для извлечения желаемой информации о правом сердце. Согласно результатам предыдущего исследования13, предложенный способ позволяет лучше понять условия нагрузки in vivo у пациентов с дисфункциональным заболеванием RVOT и/ или легочного клапана, а также разработать новые устройства TPVR, которые морфологически адаптированы к различным анатомиям RVOT пациентов, нуждающихся в TPVR, и могут демонстрировать улучшенные механические характеристики в долгосрочной перспективе. Однако текущая методология количественного измерения для прединтервенционной оценки TPVR основана на измерениях MPR в 3D-последовательности, что может привести к неожиданным ошибкам во время оценок на основе анатомической кривой RVOT и PA. Кроме того, подробная информация может быть потеряна в 3D-моделях, сгенерированных из 4D-последовательности с точки зрения общего движения сердца14.

В этом исследовании была создана 4D-модель бьющегося сердца для наблюдения и визуализации полной деформации сердца на протяжении всего сердечного цикла с использованием маски для 4D-объема сегментации в программном обеспечении для 3D-реконструкции, а не обычного метода обрезки 4D-объема у овец J. Этот метод может обеспечить точный и эффективный способ построения 4D-модели в виде 3D-реконструкции из 3D-последовательности для визуализации сердца и выбора размера клапана. Кроме того, тот же метод был использован для реконструкции модели правого сердца в качестве динамической модели из сегментации в каждых 10% сердечного цикла, сегментированного с использованием эффекта Grow From Seeds в программном обеспечении для 3D-реконструкции. 4D-модель правого сердца может визуализировать всю анатомическую морфологию на протяжении всего интервала RR, на основе чего кардиологи могут разработать специфическую для пациента стратегию для TPVR. Кроме того, 3D-выпрямленные модели правого сердца, полученные из 4D-последовательности в каждых 10% сердечного цикла, могут обеспечить точную, морфологическую и функциональную количественную оценку правого сердца, особенно в пяти плоскостях, применяемых для выбора стентированного сердечного клапана. Перед созданием выпрямленных моделей требуется ручная и точная 3D-сегментация правого сердца от каждого 10% сердечного цикла. При выполнении сегментаций правого сердца, после того, как объем из одного кадра был замаскирован, 3D-сегментация в текущем кадре появится автоматически с помощью функции Ножницы для нежелательных структур. Чтобы сохранить весь объем RVOT, крошечный кусочек левой коронарной артерии должен быть сохранен в сегментациях. Для создания выпрямленной модели крайне важно добавить осевую линию в исходную модель правого сердца, чтобы обеспечить качество выпрямленной модели и уменьшить вычислительную нагрузку. Выпрямленная модель правого сердца точно отражала все корреляции анатомии сердца, включая периметры, окружности и области поперечного сечения, что позволило впоследствии извлекать морфологическую информацию и прямые измерения целостным образом. В этом исследовании измерения из 4D-выпрямленной модели привели к тому же выбору размера клапана (30 мм в диаметре), что и 3D-измерения в MPR, но с преимуществами замечательной виртуальной реальности и надежными результатами у овец J. Это также позволяет собирать данные об объемах правого желудочка в течение всего сердечного цикла, которые затем могут быть применены для расчета фракции выброса правого желудочка.

Предыдущие клинические исследования показали значительные различия в измеренных площадях поперечного сечения RVOTPA между плоскостями статического и динамического сечения, вторичными по отношению к большим 3D-смещениям и вращениям15. У овец J Pre-CT значительные различия в измеренных площадях поперечного сечения и окружностях в плоскости RVOT и базальной плоскости легочного клапана также наблюдались в RVOT: 3,42 см2 в 4D против 4,28 см2 в 3D, BPV: 2,96 см2 в 4D против 3,92 см2 в 3D и окружности RVOT: 76,1 мм в 4D против 87,06 мм в 3D, BPV: 67,65 мм в 4D против 75,73 мм в 3D. Для получения данных для измерений вместо фиксированных плоскостей применялись пять динамических плоскостей; здесь в качестве ориентиров были выбраны синотубулярная плоскость и базальная плоскость легочного клапана. Эти пять плоскостей включали в себя все пространство, которое может быть использовано для развертывания стентированного сердечного клапана. Плоскость RVOT продемонстрировала наибольшую деформацию на протяжении всего сердечного цикла в пяти плоскостях, подчеркивая необходимость универсального устройства TPVR, которое обеспечивает адаптивность к различным анатомиям и сохраняет разработанную геометрию стентированного сердечного клапана для долгосрочной долговечности без переломов и миграции. Нитиноловый стент с памятью формы является перспективным кандидатом для установки трехстворчатого клапана для будущего TPVR. Для клинического применения, особенно для пациентов, у которых было трансанулляционное восстановление пластыря или TPVR, потребуется больше усилий для реконструкции анатомии, поскольку есть артефакты из адгезии между перикардом и миокардом, стентом и деформированной анатомией. Он нуждается в данных КТ с более высоким разрешением, хорошо развитом программном обеспечении для реконструкции и богатом опыте анализа КТ для перевода этого метода для клинического использования. Но этот метод может быть использован для крупных испытаний на животных, а также для периоперационной оценки пациентов с тетралогией Фалло, изолированным легочным стенозом, у которых не было никаких операций на открытом сердце или интервенционной терапии.

Описанный метод для 4D-выпрямленной модели может обеспечить точную и визуальную идентификацию и расчет всех сегментов сердца от RVOT до PA, что может помочь не только кардиологам получить точную прединтервенционную оценку, но и инженерам-кардиологам внедрить новые устройства TPVR для будущих применений.

Основным ограничением методологии измерения 4D-выпрямленной модели в этом исследовании является то, что данные были получены только от одной овцы до КТ без большой выборочной популяции. Кроме того, не проводилась постимплантационная компьютерная томография для наблюдения за размером клапана и структурными изменениями в правом сердце. Наконец, для пациентов, у которых было трансануллярное восстановление пластыря или TPVR, сложнее реконструировать анатомию, поскольку есть артефакты из адгезии между перикардом и миокардом, стент и деформированная анатомия.

Заключение
В отличие от 3D CT, выпрямленная модель 4D-реконструкции не только позволила точно предсказать выбор размера клапана для TPVR, но и обеспечила идеальную виртуальную реальность у овец J, и поэтому станет перспективным методом для TPVR и инноваций устройств TPVR.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Acknowledgments

Сяолинь Сунь и Имэн Хао внесли равный вклад в эту рукопись и разделяют первое авторство. Искренняя признательность выражается всем, кто внес свой вклад в эту работу, как бывшим, так и нынешним членам. Эта работа была поддержана грантами Федерального министерства экономики и энергетики Германии, EXIST - Transfer of Research (03EFIBE103). Xiaolin Sun и Yimeng Hao поддерживаются Китайским стипендиальным советом (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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Baumgartner, H., et al. 2020 ESC Guidelines for the management of adult congenital heart disease: The Task Force for the management of adult congenital heart disease of the European Society of Cardiology (ESC). Endorsed by: Association for European Paediatric and Congenital Cardiology (AEPC), International Society for Adult Congenital Heart Disease. European Heart Journal. 42 (6), 563-645 (2021).
  2. Gales, J., Krasuski, R. A., Fleming, G. A. Transcatheter Valve Replacement for Right-sided Valve Disease in Congenital Heart Patients. Progress in Cardiovascular Diseases. 61 (3-4), 347-359 (2018).
  3. Goldstein, B. H., et al. Adverse Events, Radiation Exposure, and Reinterventions Following Transcatheter Pulmonary Valve Replacement. Journal of the American College of Cardiology. 75 (4), 363-376 (2020).
  4. Ansari, M. M., et al. Percutaneous Pulmonary Valve Implantation: Present Status and Evolving Future. Journal of the American College of Cardiology. 66 (20), 2246-2255 (2015).
  5. Nordmeyer, J., et al. Acute and midterm outcomes of the post-approval MELODY Registry: a multicentre registry of transcatheter pulmonary valve implantation. European Heart Journal. 40 (27), 2255-2264 (2019).
  6. Shahanavaz, S., et al. Intentional Fracture of Bioprosthetic Valve Frames in Patients Undergoing Valve-in-Valve Transcatheter Pulmonary Valve Replacement. Circulation. Cardiovascular Interventions. 11 (8), 006453 (2018).
  7. Binder, R. K., et al. The impact of integration of a multidetector computed tomography annulus area sizing algorithm on outcomes of transcatheter aortic valve replacement: a prospective, multicenter, controlled trial. Journal of the American College of Cardiology. 62 (5), 431-438 (2013).
  8. Curran, L., et al. Computed tomography guided sizing for transcatheter pulmonary valve replacement. International Journal of Cardiology. Heart & Vasculature. 29, 100523 (2020).
  9. Kidoh, M., et al. Vectors through a cross-sectional image (VCI): A visualization method for four-dimensional motion analysis for cardiac computed tomography. Journal of Cardiovascular Computed Tomography. 11 (6), 468-473 (2017).
  10. Schievano, S., et al. Four-dimensional computed tomography: a method of assessing right ventricular outflow tract and pulmonary artery deformations throughout the cardiac cycle. European Radiology. 21 (1), 36-45 (2011).
  11. Lantz, J., et al. Intracardiac Flow at 4D CT: Comparison with 4D Flow MRI. Radiology. 289 (1), 51-58 (2018).
  12. Kobayashi, K., et al. Quantitative analysis of regional endocardial geometry dynamics from 4D cardiac CT images: endocardial tracking based on the iterative closest point with an integrated scale estimation. Physics in Medicine and Biology. 64 (5), 055009 (2019).
  13. Grbic, S., et al. Complete valvular heart apparatus model from 4D cardiac CT. Medical Image Analysis. 16 (5), 1003-1014 (2012).
  14. Hamdan, A., et al. Deformation dynamics and mechanical properties of the aortic annulus by 4-dimensional computed tomography: insights into the functional anatomy of the aortic valve complex and implications for transcatheter aortic valve therapy. Journal of the American College of Cardiology. 59 (2), 119-127 (2012).
  15. Kim, S., Chang, Y., Ra, J. B. Cardiac Motion Correction for Helical CT Scan With an Ordinary Pitch. IEEE Transactions on Medical Imaging. 37 (7), 1587-1596 (2018).

Tags

Медицина выпуск 179 компьютерная томография 4-мерная транскатетерная замена легочного клапана динамика
Четырехмерная компьютерная томография с определением размеров клапана для транскатетерной замены легочного клапана
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sun, X., Hao, Y., Sebastian… More

Sun, X., Hao, Y., Sebastian Kiekenap, J. F., Emeis, J., Steitz, M., Breitenstein-Attach, A., Berger, F., Schmitt, B. Four-Dimensional Computed Tomography-Guided Valve Sizing for Transcatheter Pulmonary Valve Replacement. J. Vis. Exp. (179), e63367, doi:10.3791/63367 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter