A new approach of three-dimensional guidance in paediatric cath lab: segmented and tessellated heart models for cardiovascular interventions in CHD

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-02-10
Issue Year
2020
Authors
Kassar, Nicole
Editor
Abstract

Abstract BACKGROUND: Optimal imaging is essential for catheter-based interventions in CHD. The three-dimensional models in volume-rendering technique currently in use are not standardised. This paper investigates the feasibility and impact of novel three-dimensional guidance with segmented and tessellated three-dimensional heart models in catheterisation of CHD. In addition, a nearly radiation-free two- to three-dimensional registration and a biplane overlay were used.Methods and resultsWe analysed 60 consecutive cases in which segmented tessellated three-dimensional heart models were merged with live fluoroscopy images and aligned using the tracheal bifurcation as a fiducial mark. The models were generated from previous MRI or CT by dedicated medical software. We chose the stereo-lithography format, as this promises advantage over volume-rendering-technique models regarding visualisation. Prospects, potential benefits, and accuracy of the two- to three-dimensional registration were rated separately by two paediatric interventionalists on a five-point Likert scale. Fluoroscopy time, radiation dose, and contrast dye consumption were evaluated. Over a 10-month study period, two- to three-dimensional image fusion was applied to 60 out of 354 cases. Of the 60 catheterisations, 73.3% were performed in the context of interventions. The accuracy of two- to three-dimensional registration was sufficient in all cases. Three-dimensional guidance was rated superior to conventional biplane imaging in all 60 cases. We registered significantly smaller amounts of used contrast dye (p<0.01), lower levels of radiation dose (p<0.02), and less fluoroscopy time (p<0.01) during interventions concerning the aortic arch compared with a control group. CONCLUSIONS: Two- to three-dimensional image fusion can be applied successfully in most catheter-based interventions of CHD. Meshes in stereo-lithography format are accurate and base for standardised and reproducible three-dimensional models.

Abstract

1 Zusammenfassung

1.1 Hintergrund und Ziele

Bei der Behandlung von Kindern mit angeborenen Herzfehlern im Herzkatheterlabor ist es von größter Bedeutung eine optimale Bilddarstellung und -qualität während der Interventionen zu ermöglichen. Mithilfe von überlagerten 3D-Modellen sollen Strahlung, Kontrastmittel und Behandlungszeit reduziert werden. Die hierfür momentan am häufigsten genutzten 3D-Herzmodelle in Volume-Rendering-Technik (VRT) sind nicht standardisiert. Ziel der Arbeit ist es, die Anwendbarkeit und die Auswirkung einer neuartigen 3D-Überlagerungsmethode im pädiatrischen Herzkatheter, die mit segmentierten und tesselierten Herzmodellen arbeitet, zu untersuchen. Zusätzlich wurden eine nahezu strahlungsfreie Registrierung sowie und eine biplane Überlagerung durchgeführt. Die Arbeit trägt den Titel: „Eine neue Strategie dreidimensionaler Steuerung im pädiatrischen Herzkatheterlabor: Segmentierte und tesselierte Herzmodelle zur Anwendung für kardiovaskuläre Inventionen bei angeborenen Herzfehlern.“

1.2 Methoden

Insgesamt wurden 60 aufeinanderfolgende Fälle analysiert, in denen segmentierte, tesselierte 3D-Herzmodelle während einer Herzkatheteruntersuchung mit Echtzeit-Fluoroskopie-Bildern fusioniert wurden (2D-3D-Überlagerung). Zur korrekten Position und Ausrichtung der Modelle wurde die Trachea als Bezugspunkt festgelegt. Zuvor bereits angefertigte MRT- und CT-Aufnahmen der Herzen dienten als Grundlage für die Erstellung der 3D-Modelle mithilfe einer dezidierten medizinisch anwendbaren Software. Gittermasken im Stereo-Lithography-Format (STL) wurden hierbei als Grundlage für die Erstellung der Modelle ausgewählt, da diese hinsichtlich der Visualisierung Überlegenheit gegenüber VRT-Modellen versprechen. Weitere Perspektiven, mögliche Vorteile und die Genauigkeit der 2D-3D-Registrierung wurden getrennt voneinander von zwei Kinderkardiologen, die die Interventionen durchführten, anhand einer 5-Punkt-Likert-Skala bewertet. Außerdem wurden die Durchleuchtungszeit, die Strahlendosis sowie der Kontrastmittelverbrauch ausgewertet.

1.3 Ergebnisse und Beobachtungen

In einem zehnmonatigen Studienzeitraum wurde in 60 von 354 Fällen die 2D-3D-Überlagerung angewendet. Von den 60 Herzkatheteruntersuchungen waren 73,3% interventioneller Art, die restlichen blieben rein diagnostisch. Die Genauigkeit der 2D-3D-Registrierung war in allen Fällen suffizient. Die dreidimensionale Steuerung wurde gegenüber der konventionellen biplanen Bildgebung in allen 60 Fällen als überlegen bewertet. Bei Interventionen am Aortenbogen ließ sich die Menge an appliziertem Kontrastmittel, Strahlung und Durchleuchtungszeit signifikant reduzieren.

1.4 Schlussfolgerungen und Ausblick

Die 2D-3D-Bildfusion kann während der meisten katheterbasierten Interventionen, die bei Kindern mit angeborenen Herzfehlern durchgeführt werden, erfolgreich angewendet werden. Gittermasken im STL-Format sind exakt und dienen als Grundlage für standardisierte und reproduzierbare 3D-Modelle. Zukünftige Entwicklungen streben noch genauere Überlagerungsmöglichkeiten an, die beispielsweise eine EKG-getriggerte Darstellung der systolischen und diastolischen Herzbewegung sowie eine Kompensation der Atmung miteinschließen. Weiterhin gibt es Ansätze, die eine Überlagerung von aus Ultraschallaufnahmen erstellten 3D-Modellen im Herzkatheter als Möglichkeit untersuchen.

DOI
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