Metody wykorzystujące MR - postęp w obrazowaniu serca

Transkrypt

1 Metody wykorzystujące MR - postęp w obrazowaniu serca Obrazy trójwymiarowe (3D) i czterowymiarowe (4D) budowy wnętrza serca dostarczają cennych informacji przed operacją. Trój- i czterowymiarowe obrazy grają coraz większą rolę w medycynie diagnostycznej i interwencyjnej. 1 W kardiologii, techniki echograficzne 3D są stosowane do oceny budowy i czynności serca. Trójwymiarowa echokardiografia transtorakalna (TTE- transthoracic echocardiography) oraz przezprzełykowa (TEE- transesophageal echocardiography) może być pomocna w diagnozowaniu wrodzonych wad serca, takich jak ubytki przegrody międzyprzedsionkowej i międzykomorowej. 2,3 Obie techniki wykorzystują thresholding do wyodrębnienia trójwymiarowego obszaru, którego budowa nas interesuje. Obrazy trójwymiarowej angiografii MR i TK serca i wielkich naczyń uwidaczniano tradycyjnie przy użyciu MPR (multiplanar reformatting) oraz MIP (maximum intensity projection). 4-7 Powierzchnia i objętość wynikające z obrazówtk i MRA są również sposobem oceny budowy okolicy pozasercowej i wielkich naczyń Szczegółowa znajomość anatomii wnętrza serca jest zasadnicza dla powodzenia wielu interwencji sercowych, zarówno chirurgicznych jak i przezskórnych. Ablacja falą radiową w leczeniu arytmii na przykład, często polega na wypalaniu linii między anatomicznie nieprzepuszczalnymi przeszkodami. 11 Informacja o rozmiarze, kształcie i położeniu ubytków przegrody międzyprzedsionkowej jest również krytyczna dla udanego zamknięcia przeskórnego. 12,13 Wielu praktyków wykonuje obecnie zamknięcie ubytków przegrody międzyprzedsionkowej pod kontrolą obrazowania 2D TEE. Jednak obrazy te nie pozwalają na dokładne odniesienie ubytku w stosunku do otaczających struktur. Trójwymiarowe obrazy TEE są coraz częściej stosowane zarówno do zamykania ubytków przegrody międzyprzedsionkowej, jak i do ablacji RF. Ta metoda jest podatna na artefakty, głównie jednak z powodu ruchów oddechowych. Nabycie i rekonstrukcja danych są również ograniczone do 90 stopni, co powoduje, że nie można uwidocznić całego potrzebnego pola jednocześnie. Postępy w obróbce obrazu pozwalają obecnie na trójwymiarowe rekonstrukcje obrazów uzyskanych ze skanerów MR. Dane mogą być tak dobrane, by stworzyć przekroje w dowolnej płaszczyźnie i przedstawiać płaszczyzny, które można oglądać w różnych kierunkach. Trójwymiarowe rekonstrukcje pozwalają uwidocznić całą daną okolicę anatomiczną oraz jej stosunek do otaczających struktur. Dwuwymiarowe rekonstrukcje nie dają takich możliwości. Kilkanaście grup rozwinęło techniki pozwalające tworzyć obrazy 3D i 4D do stosowania w planowaniu interwencji na sercu Podejście każdej z grup składa się z tych samych czterech kroków: zdobycie danych MR, podział ich na odcinki, stworzenie modelu oraz wizualizacja. Szczegóły każdej z tych metod, w tym sposobu zebrania danych, algorytmów segmentacji oraz metod ich przedstawiania mogą się jednak znacznie różnić. MR daje duży wybór opcji obrazowania serca i wielkich naczyń z zastosowaniem różnego typu kontrastu. Obrazy stosowane do rekonstrukcji 3D i 4D zwykle mieszczą się w dwóch kategoriach: albo obrazy spin-echo krwi żylnej albo gradient-echo krwi tętniczej. Dla obrazów spin-echo musi być nabytych wiele równoległych warstw 2D. To może zabierać wiele czasu, zwykle 15 do 45 minut, ponieważ dane z każdej warstwy muszą być nabyte podczas pojedynczego wstrzymanego wdechu. Obrazy nabyte przy zastosowaniu sekwencji gradient-echo można uchwycić w kilkunastu różnych momentach cyklu pracy serca, stwarzając czterowymiarowe rekonstrukcje obrazów Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 1/5

2 bijącego serca. Nowe techniki, takie jak TrueFISP (zwane też balanced-ffe, FIESTA lub SSFP [steady-state free precession]) umożliwiają nabycie danych trójwymiarowych w kilku przekrojach w czasie krótszym niż pięć minut. Wysoki kontrast między krwią a mięśniem sercowym w tych sekwencjach znacznie ułatwia podział na segmenty. Podział na segmenty, który zabiera kilkanaście godzin, jest drugim i najbardziej czasochłonnym krokiem w kierunku tworzenia ostatecznych rekonstrukcji. Cechy anatomiczne są wydobywane z obrazów i przechowywane w specjalnych podkatalogach danych (np. mięsień sercowy, krew, wielkie naczynia, zastawki). To pozwala na zaznaczenie różnych szczegółów anatomicznych różnymi kolorami na ostatecznych modelach. Podział na segmenty stanowi obszar aktywnych poszukiwań,wiele grup pracuje nad poprawą zautomatyzowania tego procesu. 18,19 Wyodrębnienie płaszczyzny i interpretacja objętości trwa tylko kilka minut przy zastosowaniu "maszerujących sześcianów" lub podobnych algorytmów do otrzymania płaszczyzn wielobocznych różnych interesujących nas regionów anatomicznych. Ostatecznym etapem jest wizualizacja. Dostępne są różne pakiety programów komputerowych, niektóre grupy stosują nawet środowiska wirtualnej rzeczywistości. Wszystkie pakiety mają wspólne główne cechy, takie jak rotacja i wizualizacja pod dowolnym kątem, funkcje cut-through i fly-through do oceny anatomii wewnątrzsercowej oraz mapowanie oryginalnych danych nad rekonstrukcją w dowolnym wybranym planie. DOŚWIADCZENIE KLINICZNE MRI jest szeroko stosowane na oddziale wrodzonych chorób serca w Guy's Hospital. Każdego tygodnia wykonujemy średnio osiem badań serca MRI u dzieci i dorosłych. Połowa z tych badań jest przeprowadzana w znieczuleniu ogólnym u pacjentów poniżej ósmego roku życia. Rutynowo uzyskujemy trójwymiarowe obrazy serca stosując sekwencje SSFP oraz używamy ogólnie dostępnego oprogramowania (Analyze, Mayo Clinic) do segmentowania danych z MR. Nasz program do wizualizacji jest niezależny od platformy i bazuje na visualization toolkit (Vkt) (rys. 1). To umożliwia kardiologom załadowanie programu na dowolony komputer, także na laptop i omawianie przypadków podczas spotkań klinicznych. Podstawowa wizualizacja danych MR jest osiągana za pomocą segmentacji EasyVision i narzędzi do wizualizacji (Philips Medical Systems). Wolimy stosować technikę in-house, która daje większą swobodę zarówno w segmentacji jak i wizualizacji, zwłaszcza w skomplikowanych przypadkach lub kiedy konieczne jest planowanie. Skupiliśmy się na pacjentach planowanych do przeskórnego zamknięcia ubytku przegrody międzyprzedsionkowej oraz na tych pacjentach z wrodzoną wadą serca, którzy prawdopodobnie poddani zostaną złożonym zabiegom chirurgicznym. Była możliwość porównania zrekonstruowanych danych z MRI z obrazami echokardiograficznymi podczas zabiegów wykonywanych na pacjentach z powyższych grup. Stwierdziliśmy, że ubytki i ich stosunek do otaczających struktur były z łatwością uwidaczniane u pacjentów z ubytkami w przegrodzie międzyprzedsionkowej. W tym także w jednym przypadku, kiedy ubytek był fenestrowany, co zostało potwierdzone w obrazach TEE otrzymanych podczas zamykania przeskórnego (rys.1). Ubytki były różne: od centralnych, owalnych w kształcie, do bardziej skomplikowanych kształtów. Kształty stwierdzone w obrazowaniu (MRI, echokardiografia wewnątrzsercowa i TEE) dobrze korelowały z oceną wizualną kardiologów. Stosunek ubytku w przegrodzie do otaczających struktur był najlepiej uwidoczniony w MRI. Obrazowanie dokładnie uwidoczniło brzeg aorty, żyłę główną górną, zastawkę trójdzielną, zatokę wieńcową oraz żyłę główną dolną po stronie prawego przedsionka, a także brzeg żył płucnych i zastawkę dwudzielną po stronie lewego przedsionka. Inne techniki obrazowania nie zdołały pokazać stosunku między ubytkiem a otaczającymi strukturami tak dokładnie, ponieważ interesujący rejon albo chował się za obszarem docierania ultradźwięków, albo był w obszarze słabo analizowanym (signal dropout) Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 2/5

3 Obrazy MR wykazały skuteczność w ustalaniu czy zamykanie przeskórne defektu będzie właściwe, w wyborze właściwego narzędzia do zamykania oraz w planowaniu umieszczenia i uwolnienia narzędzia. Trójwymiarowe MRI pozwoliło na ocenę kształtu defektu (szczególnie szerokości brzegu przegrody międzyprzedsionkowej) oraz jego stosunku do otaczających struktur. Wcześniejsze doświadczenie wskazuje, że brak brzegu przegrody międzyprzedsionkowej na małym obszarze ubytku nie uniemożliwia zamknięcia przeskórnego. Natomiast duży ubytek brzegu, zwłaszcza w dolno-tylnym rejonie ubytku w przegrodzie wyklucza zamknięcie przezskórne. Rozmiar ubytku mierzony w 3D MRI może pomóc ustalić rozmiar i rodzaj narzędzia stosowanego do zamknięcia przezskórnego. Niektóre narzędzia (Cardioseal i Starflex, Nitinol Medical Technologies) nadają się tylko do leczenia ubytków małych i średnich, inne (Amplatzer, AGA Medical) są lepsze do większych ubytków. Ubytki większe niż rozmiar maksymalnego dostępnego narzędzia nie mogą być zamykane drogą przeskórną. Bardzo ważne jest, by narzędzie nie zaburzało funkcji zastawki mitralnej lub trójdzielnej, to można wnioskować z rozmiaru narzędzia, które będzie używane i całkowitej powierzchni przegrody międzyprzedsionkowej wyliczonej na podstawie 3D MRI. Wszyscy pacjenci, których zakwalifikowaliśmy do zabiegu przezskórnego zamknięcia ubytku przeszli zabieg pomyślnie. Obrazy gradient-echo nagrywane u niektórych pacjentów, pozwoliły na rekonstrukcje obrazów trójwymiarowych w różnych momentach cyklu pracy serca. Ewolucja rozmiaru i kształtu ubytku podczas cyklu pracy serca pokazuje wyraźnie, że ubytki w przegrodzie międzyprzedsionkowej są tak naprawdę strukturami czterowymiarowymi (rys.2). ZŁOŻONE PRZYPADKI Planowanie zabiegu u pacjentów ze złożoną wrodzoną wadą serca wymaga bardzo dobrej znajomości trójwymiarowej budowy, szczególnie, kiedy trzeba zrekonstruować nowe wewnątrzsercowe lub pozasercowe drogi łączące komory z naczyniami. Połączenia te są czasami niemożliwe, zwłaszcza jeżeli droga wymaga uszkodzenia struktur zastawek lub odległość jest zbyt duża. Lekarze w większości ośrodków stosują echokardiografię dwuwymiarową oraz obrazy angiograficzne przy podejmowaniu takich decyzji. Chirurg musi następnie przetworzyć te informacje w wyobraźni na obraz trójwymiarowy odpowiadający budowie serca, najpierw zdecydować czy zabieg jest możliwy, a nastepnie zaplanować podejście chirurgiczne. Dostępność rzeczywistego trójwymiarowego obrazu, który może być zmieniany w zależności od potrzeb chirurga znacznie ułatwia podejmowanie decyzji i planowanie zabiegu. W jednym z czterech przypadków, 28-letnia kobieta z malformacją Ebsteina zastawki trójdzielnej musiała mieć zabieg zmniejszenia prawego pzredsionka i naprawy zastawki trójdzielnej, Obrazy trójwymiarowe z orientacja podobną jak w polu chirurgicznym pomogły chirurgowi zaplanować naprawę jej znacznie zaburzonej zastawki trójdzielnej. Zastawka i komory, które nie były w pełni widoczne podczas operacji mogły być w całości obserwowane na obrazach (rys. 3). Kolejny pacjent leczony w Guy's Hospital miał wykryte połączenie prawegp przedsionka z morfologiczną lewą komorą (prawostronną), oraz lewego przedsionka z prawą komorą (lewostronną). Aorta i tętnica płucna tego pacjenta wychodziły z prawej komory, aorta bardziej z przodu i na lewo od tętnicy płucnej. Ponadto zaobserwowano ciężkie zwężenie zastawki płucnej i ubytek w przegrodzie międzykomorowej. Chirurdzy musieli wybierać między operacja całkowitej korekcji, a zabiegiem paliatywnym. Pierwsza opcja polegałaby najpierw na połączeniu prawostronnej lewej komory przez ubytek w przegrodzie międzykomorowej z lewostronną aortą przez prawą komorę. Prawa komora zastałaby następnie połączona z tętnicami płucnymi za pomocą nowej zastawki przed ponownym wytworzeniem drogi z lewego przedsionka do lewej komory i z prawego przedsionka do prawej komory. Dokładna analiza rekonstrukcji 3D MRI we wszystkich koniecznych kierunkach wskazywała, że ta opcja była zbyt trudna (rys. 4). Chirurdzy wykonali w związku z tym prostszy zabieg sposobem Glenna (przeciek próżno-płucny) Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 3/5

4 Obecnie tylko niektóre ośrodki rekonstruują dane z MRI do trój- i czterowymiarowych obrazów, a wielu lekarzy wciąż uważa tę technikę za projekt badawczy. Wizualizacja 3D i 4D zapewnia bardzo dobre narzędzie do planowania zabiegów na sercu oraz do tworzenia "map drogowych" podczas zabiegów interwencyjnych. Postępy w szybkim nabywaniu danych w 3D MRI połączone z postępem w zautomatyzowanej segmentacji obrazów serca niewątpliwie pomogą tej technice w jej dalszym rozwoju i staną się szerzej dostępne. DR MIQUEL jest badaczem interwencyjnego MRI, a dr KEEVIL jest starszym wykładowcą, obaj pracują w dziale nauk obrazowych w Guy's Campus, King's College London. Dr BAKER i dr RAZAVI są specjalistami zajmującymi się wrodzonymi wadami serca w Guy's Hospital. Piśmiennictwo 1. Robb RA. Three-dimensional visualization in medicine and biology. In: Bankman IN, ed. Handbook of medical imaging: processing and analysis. San Diego: Academic Press, 2000; Li J, Sanders SP. Three-dimensional echocardiography in congenital heart disease. Current Opin Cardiol 1999;14: Tantengco MTV, Bates JR, Ryan T, et al. Dynamic three-dimensional echocardiographic reconstruction of cardiac septation defects. Pediatr Cardiol 1997;18: Neimatallah MA, Ho VB, Dong Q, et al. M.R. Gadolinium-enhanced 3D magnetic resonance angiography of the thoracic vessels. J Magn Reson Imaging 1999;10: Toomb BD, Jing JM. Current concepts in the evaluation of vascular disease-magnetic resonance and computed tomographic angiography. Texas Heart Inst J 2000;27: Westra SJ, Hurteau J, Galindo, et al. Cardiac electron-beam CT in children undergoing surgical repair for pulmonary atresia. Radiology 1999;213: Vick GW. Three- and four-dimensional visualization of magnetic resonance imaging data sets in pediatric cardiology. Pediatr Cardiol 2000;21: Chen SJ, Li YW, Chiu IS, et al. Three-dimensional reconstruction of abnormal ventriculoarterial relationship by electron beam CT. JCAT 1998;22: Kawano T, Ishii M, Takagi J, et al. Three-dimensional helical computed tomographic angiography in neonates and infants with complex congenital heart disease. Am Heart J 2000:139: Okuda S, Kikinis K, Geva T, et al. 3D-shaded surface rendering of gadolinium-enhanced MR angiography in congenital heart disease. Pediatr Radiol 2000;30: Marchlinski FE, Callans DJ, Gottlieb CD, Zado E. Linear ablation lesions for control of unmappable ventricular tachycardia in patients with ischemic and nonischemic cardiomyopathy. Circulation 2000;101: Dall'Agata A, McGhie J, Cromme-Dijkuis AH, et al. Secundum atrial septal defect is a dynamic three-dimensional entity. Am Heart J 1999;137: Maeno YV, Benson LN, Boutin C. Impact of dynamic 3D transoesophageal echocardiography in the assessment of atrial septal defects and occlusion by the double-umbrella device (CardioSEAL). Cardiol in the Young 1998;8: Sorensen TS, Therkildsen SV, Makowski P, et al. Real-time interactive visualization of the cardiovascular system based on cardiac MRI. Presented at annual meeting of ISMRM, Denver, Colorado, April 2000: Miquel ME, Razavi RS, Clarkson MJ, et al. Three-dimensional MRI reconstruction of intra-cardiac anatomy. MAGMA 2000;11: Sorensen TS, Therkildsen SV, Makowski P, et al. A new virtual reality approach for planning of cardiac interventions. Artific Intell Med 2001;22: Miquel ME, Razavi RS, Baker EJ, Keevil SF. Three and four dimensional reconstruction of cardiac MR images: potential teaching and surgical planning tool. Physica Medica 2001;17: Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 4/5

5 18. Makowski P, Sorensen TS, Therkildsen SV, et al. Two-phase active contour method for semiautomatic segmentation of the heart and blood vessel from MRI images for 3D visualization. Comput Med Imag Graph 2002;26: Noble NMI, Hill DLG, Breeuwer M, et al. Myocardial delineation via registration in a polar coordinate system. Medical Imaging Computing and Computer-Assisted Intervention (MICCAI 2002), 5th International conference, Tokyo, Sept. 2002;Pt I: Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 5/5