Summary
Syftet med denna studie var att förbättra samtidig registrering för bild fusion (om) av pre interventionell CT-data med realtid röntgen (XR) fluoroskopi under transfemoral transcatheter aortaklaffen implantation (TAVI).
Abstract
Fusion av 3D anatomiska modeller som härrör från HiFi-pre interventionell datortomografi angiografi (CTA) och röntgen (XR) fluoroskopi att underlätta anatomisk vägledning är av stort intresse för komplexa hjärt interventioner som TAVI förfaranden med cerebral skydd. Samtidig registrering av CTA och XR har införts antingen baserat på ytterligare Intraoperativa icke- / kontrast-förbättrade kon-beam beräknas tomografi (CBCT) eller två separata aortograms. Med en tillhörande ökning av stråldosen exponering eller kontrast agent (CA) införs en ytterligare risk för patienten. Här föreslår vi en modifierad samtidig registrering strategi utnyttjar arteriograms i iliofemoral artärer, rutinmässigt utförs under femoral punktering och slida introduktion. On-the-fly förfining av samtidig registrering under det pågående förfarandet möjliggör korrekt samtidig registrering utan någon ytterligare angiograms, vilket minskar CA, XR dosen och förfarandet tid, samtidigt samtidigt förbättra operatören förtroende och förfarande säkerhet.
Introduction
Bild fusion (om) är processen att överlagras datamängder som förvärvats vid olika tid- och synpunkter på olika modaliteter i en singel-bildruta referens1. XR är vanligaste bildgivande modalitet för intervention vägledning. Även om, som ger hög temporal och spatial upplösning, XR har låg dimensionalitet (2D prognoser) och saknar anatomiska Detaljer. 3D orgel form modeller härrör från t.ex. hög kvalitet före interventionell CTA data överlagras på levande fluoroskopi bilden kan utöka XR av relevanta anatomiska mjukvävnad strukturer. Nödvändigt steg för IF är samtidig registrering av de olika avbildningsmetoder.
Samtidig registrering av preoperativa 3D bild datamängder med XR fluoroskopi innebär normalt, en av de följande tekniker2: en) image-baserad 3D-3D registrering av preoperativa 3D datamängden med en intraoperativ icke- / kontrastförstärkt CBCT datamängd3,4,5,6, eller b) bild-baserade 2D-3D direktregistrering, där två angiografiska bilder med ett minimum av 30 ° kantiga avstånd7,8 används för samtidig registrering.
Med den nyligen införandet fusion paket på kommersiella XR system, IF kan göras mer tillgänglig för ett brett spektrum av applikationer. Med dessa system, har vi tidigare visat att det är tekniskt möjligt och säkert att överlagra en aortaroten modell med hjälp av direct image-baserad 2D-3D registrering för att stödja transfemoral transcatheter aortaklaffen implantation (TAVI)8. Utan att kompromissa med den övergripande CA eller XR dosen, om visat sig mycket värdefulla under TAVI förfarandet genom att lägga till 3D anatomiska Detaljer till konventionell XR fluoroskopi bilden, särskilt under distribution av cerebral skydd enheten. Ytterligare förvärv av den aortograms som används för samtidig registrering krävs dock ytterligare CA och XR dos. Ett optimerat arbetsflöde ger korrekt om utan behov av någon ytterligare aortograms var därför önskvärt.
Här presenterar vi en strategi för förbättrad samtidig registrering av pre interventionell CTA med realtid XR utan att kräva någon ytterligare CA eller C-arm CT File för IF. Lårbenshals tillgång TAVI utförs som beskrivs på andra ställen9,10,11. Kort, båda femoral artärer nås: en för vägledningen av den kontralaterala punkteringen, följt av placeringen av en tofsar kateter via en 6F slida att tillåta arteriografi under placering av ventilen protesen; andra för ventil leveranssystem och efterföljande ballong valvuloplasty och enheten placering placering. Angiografiska bekräftelse av lämpliga punktering utförs i vår institution som standard för lokalisering av punktering höjd (över femorala bifurkation) och uppskattning av placera av den täckta stenten vid åtkomst-relaterade komplikationer12. För att fånga emboliska skräp, införs en dubbel-filter cerebral skyddssystem efter insättning av TAVI leverans slidan före passage av aortabågen med någon ytterligare enhet.
Vi använder arteriograms utförs rutinmässigt under punkteringen av femoral artärerna för att upprätta den första Co registreringen. On-the-fly förfining av samtidig registrering utförs därefter under det pågående förfarandet med positionen för tofsar katetern inom aortaroten, dubbel-filter cerebral emboli skyddssystemet i supraaortal fartyg och aortograms utförs före implantation av ventilen protesen, vilket garanterar exakt modell overlay vid någon tidpunkt under interventionen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Studieprotokollet är i överensstämmelse med de etiska riktlinjerna för 1975 Helsingforsdeklarationen som återspeglas i förhand godkännande av institutets etiska kommittén. Skriftligt informerat samtycke erhölls från alla enskilda deltagare i studien (CSI-Ulm, clinicaltrials.gov NCT02162069).
1. CT undersökning
- Utföra hjärt CT angiografi med retrospektiv ECG-gating med 80 mL joderade kontrastmedel injiceras med en flödeshastighet av 4,0 mL/s följt av en spolning bolus 70 mL 0,9% koksaltlösning.
- Uppkopplingstyp cranio-caudally sträcker sig från femoral artärerna till subclavia artärer med följande förvärv parametrar: matrisen av 512 x 512 pixlar, slice tjocklek 1 mm, skiva avstånd 0.7 mm.
- Rekonstruera bilder på 30% av R-R intervall med iterativ rekonstruktion algoritm.
2. bild segmentering och modell generationen
- Importera CT-data från en extern enhet eller ett inre arkiveringssystem i bild fusion programvara genom att dra och släppa datamängden eller delmängder av data för den valda patienten i vyn patienter inom programmet.
- Starta automatisk segmentering av den valda CT-volymen genom att dubbelklicka på bilden serie.
Obs: Segmentering av hjärtats kammare (vänster och höger kammare, vänster och höger atrium, hjärtmuskeln) och stora kärlen (bukaorta, vena cava och koronar sinus) startas automatiskt och visas i segmentering arbetssteg. - Gå igenom bildsegment och kontrollera om kanterna av aorta och vänstra ventrikeln identifieras korrekt och vid behov redigera automatisk segmentering i fönstret vävnad med hjälp av knappen Redigera .
- För att utföra manuell segmentering av ytterligare strukturer, använder du knappen Lägg till i fönstret vävnad .
- Använda befintliga redigeringsverktyg fylla strukturen (Injicera färgämne) och drar i kanterna på strukturen (Dra kanten) i 2D vyer eller ta bort struktur delar med det fri-form klippa i 3D-vyn.
- Utföra manuella segmentering av de huvudsakliga stammarna av vänster och höger kranskärl, viktigaste artär grenar (brachiocephalic artär med rätt halspulsådern och rätt subclavia artärer, vänster gemensamma halspulsådern och vänster subclavia), vänster och höger iliofemoral artärer, höftbenen och höftleder som beskrivs i steg 2,4-2,5 (figur 1).
Obs: Beroende på kvaliteten på CT volymen kan detta ta 20-30 min.
3. bild samtidig registrering och Fusion
- I vyn patienter sammanfoga valda patienten med den aktuella patienten i XR systemet genom att välja respektive talan i högra-högerklick-sammanhangen-menyn.
Obs: Nu registrering och Live arbete stegen är aktiva och kan användas. - I Live arbeta steg, klicka på Lägg till nya tag punkt i fönstret Tag punkter för att placera tre referens markörer på aortaklaffen kuspar för att underlätta valet av den optimala projektionen av ringformiga planet under interventionen (figur 2).
- Gå till registreringen arbetssteg att förvärva XR körningarna och utföra samtidig registrering av segmenterade modeller med XR.
Obs: XR körs förvärvade med minst 30° vinkelavståndet krävs för tillförlitlig registrering. - Kopiera den angiografiska projektionen av lämpliga punkteringen i ~ LAO 20-30° läggning (eller ~ RAO 20-30° beroende på ursprungliga punktera sida) in i Referens Visa 1 genom att klicka på knappen Kopiera till referens Visa 1.
- Kopia efter röntgen prognoser förvärvade i ~ AP orientering under visualisering av övergången från den kontralaterala A. iliaca communis till den A. femoralis communis in i Referens Visa 2 genom att klicka på knappen Kopia till referens Visa 2.
- Använd interaktion verktyg Registrering Pan, Registrering rotera (för-plane rotation), Registrering rulle (för 3D-rotation) för att manuellt justera modellen av iliofemoral artärerna med förvärvade XR framtidsbedömningar ( Figur 3A-B).
- Använda höftbenen och höftleder synliga i XR bilder som ytterligare sevärdheter under anpassningen av överlägget i regionen iliofemoral.
Obs: Nu modellen är kopplad till XR systemet geometrin och overlay är automatiskt anpassas till nuvarande XR projektion orientering, förstoring och patientens tabellen position. - Guide punkteringen av gemensamma femoralartären på skidan sida (figur 3 c) med hjälp av grova inledande samtidig registrering utförs i steg 3.6.
- Spela in en angiografisk projektion av femoralartären enhet slida i ~ RAO 20-30° (eller respektive ~ LAO 20-30°) genom att klicka på knappen Kopiera till referens Visa och slutföra samtidig bildregistrering i regionen iliofemoral (figur 3D).
Obs: Eftersom patienten placeras annorlunda under datortomografi och ingripande, registrering som baseras på strukturerna som iliofemoral ger endast begränsad noggrannhet i andra regioner. Således krävs manuell förfining av samtidig registrering i regionen bröstkorg. - För att använda dessa data för ytterligare overlay återinställning, kopiera någon ytterligare förvärvade prognoser till på ”Referens Visa” under övergången från iliofemoral till bröstkorg regionen samt några kateterisering av brachiocephalic stammen via det rätta radiellt artär.
- Efter att placera tofsar katetern i aortabågen, förvärva två fluoroskopisk projektioner utan CA i LAO 30 - 40 ° och RAO 20 - 30 ° orientering och kopiera dem i Referens Visa 1 och Referens Visa 2.
- Användning samverkan verktyg Registrering Pan, Registrering rotera (för-plane rotation), Registrering rulle (för 3D-rotation) för att manuellt justera registreringen i regionen bröstkorg (figur 4A-B ).
- Styra placeringen av enhetens skydd utan administrering av ytterligare CA enbart baserat på överlägget anatomiska (figur 4 c).
- För ytterligare förfining, manuellt korrigera överlägg läge som beskrivs i steg 3.12 på varje förvärvade XR projektion under hela ingripande, att säkerställa korrekt overlay vid någon tidpunkt.
Obs: Använd aortograms förvärvats enligt rutinmässiga förfarandet för att kontrollera leverans systemet rätt position som sevärdheter för justeringen overlay (figur 4 d).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Vi introducerade en roman samtidig registrering strategi för bild fusion under TAVI, vilket gör att överliggande patientspecifika anatomiska modellen på live XR-bilder under hela TAVI förfarandet utan att behöva någon ytterligare aortograms.
Flera interventionell steg kommer att dra nytta av om: (1) vägledning av punkteringen av gemensamma femoralartären ovan femorala bifurkation på skidan sida (figur 5A); (2) korrekt placering av cerebral emboli skydd enheten även i mycket slingriga anatomier baserat enbart på överlägget anatomiska (figur 5B); (3) visualisering av modellen i godtyckliga C-arm vinkling utan någon XR exponering och CA administration (figur 2), samt identifiering av optimal vyn innan distributionen av ventil (figur 5 c); (4) justering av ventilen protesen även i mycket komplexa anatomi (figur 5 d).
I relaterade kliniska studie13, det föreslagna tillvägagångssättet med IF kunde bevisa betydande minskning av volymen CA [80 (50-95) vs. 100 (80-110) mL, p = 0,010], övergripande förfarande tid [48 (41-58) vs. 61 (53-67) min, p = 0,002] och förfarande XR gör Se [51 (42-55) vs. 64 (49-81) Gy cm2, p = 0,032] jämfört med en matchad kontrollgrupp.
Figur 1 : 3D-modeller av CTA-baserade segmenterade aortabågen med kranskärlssjukdom, halspulsådern och subclavia artärer (röd), iliaca och femoral artärer (grön), vänster kammare (lila), höftbenen (gul), och höftleder (blå). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Manuell inställning av referens markörer (blå prickar) på de aortaklaff cusps för att underlätta valet av den optimala projektionen av ringformiga planet. A. sned uppfattning. B. ortogonala Visa. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Registrering mellan 3D-modellen och XR systemet i regionen iliofemoral. A. angiografi av femoralartären punkterad icke-enhet slida i LAO 20 °. B. angiografi av iliaca artärer i RAO 4 ° orientering. C. punktion av fartyget valt för leverans slida i RAO 4 °. D. Bekräftelse av tråd position inuti fartyget valt för leverans slida i RAO 21°. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 : Förfining av samtidig registrering i regionen bröstkorg. Överlägget är åter justeras baserat på två referens projektioner av bukaorta efter inläggning av tofsar katetern A. förvärvat i LAO 32 ° och B. RAO 23°. Ytterligare förbättringar kan göras efter placering av C. cerebral emboli skydd enheten och D. baserat på angiografiska projektionerna av aorta annulus. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5 : Exempel på lyckad bild fusion. A. Femoral punktering. B. placering av cerebral emboli skydd enheten. C. ventil distribution (C-arm är arrangera i rak linje vinkelrätt mot ringformig planet som det kan ses via tre markörer vid aorta annulus justerade längs en rak linje). D. ventilen protesen efter distributionen i aorta annulus. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Tyngdpunkten i denna studie var att undersöka genomförbarheten av om utan att ändra kliniskt etablerade TAVI arbetsflödet. Medan den gyllene standarden för samtidig registrering av pre interventionell CTA data och XR fluoroskopi använder dedikerade aortograms8, föreslår vi att använda flera ungefärliga registreringar med on-the-fly finesser för att ge exakt 3D modell överlägg under hela kursen av interventionen.
Kontinuerlig manuell registrering förfining kräver ytterligare utbildad personal för att hjälpa interventionell team från kontrollrummet. De krävs förbättringarna är svåra att utföra på tableside eftersom de relaterade användarinteraktioner påverkar kliniskt etablerade interventionell arbetsflödet. Dock även om samtidig registrering baserat på förvärv av två dedikerade aortograms är potentiellt lättare att inse på tableside överlägget 3D inte skulle finnas tillgänglig under femorala tillgång och någon motion av patienten skulle förstöra riktigheten av de registrering.
Även användningen av statiska färdplaner, inte med tanke på hjärt- och andningsfunktionen rörelse, verkade lovande för femorala punktering, placering av den emboliska skyddsanordning och inledande anpassningen av ventilen protesen. Men användningen av hjärt fas synkroniserade anatomiska modeller i kombination med respiratoriska rörelsekompensation kan ytterligare öka nyttan av det föreslagna tillvägagångssättet av redovisning av dynamiska ändringar i aorta annulus position, särskilt under ventilen distributionen.
3D-modell overlay representerar en annan uppflyttning till förbättra navigeringen av komplexa interventioner leder till en förbättrad processuella säkerhet och effekt14. Samtidig registrering av pre interventionell CT data till levande fluoroskopi genom kontrastförstärkt CBCT får höja oro hög XR dos och ytterligare CA, trots dess rapporterade framgång6,15. Med infödda CBCT i stället begränsas av dålig synligheten för målstrukturer och orsakar svårigheter i registreringen och välutbildade aktörer är nödvändiga, att göra arbetsflödet mindre okomplicerad6,16. Även om använder två ytterligare aortograms för samtidig registrering tillåtet för korrekt samtidig registrering, kan ingen reduktion av CA varken XR-dosen vara uppnått8. Den föreslagna samtidig registrering strategin ger betydande minskning av fluoroskopi dos, kontrast volym och övergripande förfarande tid samtidigt som vanliga arbetsflödet under implantation. Dessutom stöder det redan lårbensartären punktering av överlagras respektive modeller under den inledande fasen av interventionen.
Den nuvarande begränsningen av tekniken resulterar från den statiska karaktären av anatomiska modeller och icke-deformerbara styv registrering, potentiellt orsaka overlay felaktighet. Särskilt kan olika patientens positionering mellan pre interventionell imaging och den intervention samt tunna, invecklade strukturer som lätt deformeras under enheten manipulation orsaka en obalans mellan de anatomiska modellerna och levande situationen.
Föreslagna protokollet är som sådan tillämplig på en enorm mängd transcatheter interventioner. Med den ökande komplexiteten i dessa förfaranden stiger stadigt efterfrågan på förbättrad vägledning. Förfaranden på gränsen för den kliniska rutinen som perkutan behandling av den trikuspidalklaffen samt förfaranden redan kliniskt etablerade som förmaks- eller kammarflimmer ablation kommer sannolikt nytta av den föreslagna metoden. Även om förfarandet är förklarat i form av ett visst system, bör metoden vara lätt överföras till andra system så länge finns en liknande programvarulösning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
På uppdrag av alla författare, tillståndet för motsvarande författarna att det finns inga relationer som kunde tolkas som en intressekonflikt.
Acknowledgments
Författarna vill tacka de Ulm University Center för translationell Imaging MoMAN för dess stöd.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Philips Allura FD10 | Philips Healthcare | x-ray system | |
| EP Navigator Release 5.2.10 | Philips Healthcare | image segmentation and fusion SW | |
| Iomeron 350 | Bracco Imaging Deutschland GmbH | x-ray contrast agent | |
| Sentinel double-filter cerebral protection system | Claret Medical, Inc. | double-filter cerebral protection system | |
| Matlab R2013 | MathWorks | statistical analysis |
References
- Sánchez, Y., et al. Navigational Guidance and Ablation Planning Tools for Interventional Radiology. Current Problems in Diagnostic Radiology. 32 (2), 225-233 (2017).
- Schwein, A., et al. Feasibility of three-dimensional magnetic resonance angiography-fluoroscopy image fusion technique in guiding complex endovascular aortic procedures in patients with renal insufficiency. Journal of Vascular Surgery. 65 (5), 1440-1452 (2017).
- Ierardi, A. M., et al. Fusion of CT Angiography or MR Angiography with Unenhanced CBCT and Fluoroscopy Guidance in Endovascular Treatments of Aorto-Iliac Steno-Occlusion: Technical Note on a Preliminary Experience. CardioVascular and Interventional Radiology. 39 (1), 111-116 (2015).
- Sailer, A. M., et al. CTA with Fluoroscopy Image Fusion Guidance in Endovascular Complex Aortic Aneurysm Repair. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 47 (4), 349-356 (2014).
- McNally, M. M., et al. Three Dimensional Fusion CT Decreases Radiation Exposure, Procedure Time and Contrast Use during Fenestrated Endovascular Aortic Repair. Journal of Vascular Surgery. 61 (2), 309-316 (2015).
- Krishnaswamy, A., Tuzcu, E. M., Kapadia, S. R. Integration of MDCT and fluoroscopy using C-arm computed tomography to guide structural cardiac interventions in the cardiac catheterization laboratory. Catheterization and Cardiovascular Interventions. 85 (1), 139-147 (2015).
- Movassaghi, B., Rasche, V., Grass, M., Viergever, M. A., Niessen, W. J. A quantitative analysis of 3-D coronary modeling from two or more projection images. IEEE Transactions on Medical Imaging. 23 (12), 1517-1531 (2004).
- Vernikouskaya, I., et al. Image-guidance for transcatheter aortic valve implantation (TAVI) and cerebral embolic protection. International Journal of Cardiology. 249, 90-95 (2017).
- Ramlawi, B., Anaya-Ayala, J. E., Reardon, M. J. Transcatheter Aortic Valve Replacement (TAVR): Access Planning and Strategies. Methodist DeBakey Cardiovascular Journal. 8 (2), 22-25 (2012).
- Wöhrle, J., et al. Transfemoral Aortic Valve Implantation with the New Edwards Sapien 3 Valve for Treatment of Severe Aortic Stenosis-Impact of Valve Size in a Single Center Experience. PLOS ONE. 11 (3), e0151247 (2016).
- Seeger, J., Gonska, B., Otto, M., Rottbauer, W., Wöhrle, J. Cerebral Embolic Protection During Transcatheter Aortic Valve Replacement Significantly Reduces Death and Stroke Compared With Unprotected Procedures. JACC: Cardiovascular Interventions. 10 (22), 2297-2303 (2017).
- Seeger, J., Gonska, B., Rodewald, C., Rottbauer, W., Wöhrle, J. Impact of suture mediated femoral access site closure with the Prostar XL compared to the ProGlide system on outcome in transfemoral aortic valve implantation. International Journal of Cardiology. 223, 564-567 (2016).
- Vernikouskaya, I., et al. Patient-specific registration of 3D CT angiography (CTA) with X-ray fluoroscopy for image fusion during transcatheter aortic valve implantation (TAVI) increases performance of the procedure. Clinical Research in Cardiology. , In Press (2018).
- Eng, M. H., Kim, M. S. Fluoroscopy and CT fusion overlay-greater than the sum of their parts. Catheterization and Cardiovascular Interventions. 85 (1), 148-149 (2015).
- John, M., et al. System to guide transcatheter aortic valve implantations based on interventional C-arm CT imaging. Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention. 13 (Pt 1), 375-382 (2010).
- Lu, Y., Sun, Y., Liao, R., Ong, S. H. A pre-operative CT and non-contrast-enhanced C-arm CT registration framework for trans-catheter aortic valve implantation. Computerized Medical Imaging and Graphics. 38 (8), 683-695 (2014).
