Computergestützte Quantitative Mitralklappenanalyse

Rechnergestützte Annuloplastie-Planung

Mitralklappeninsuffizienz ist eine der am häufigsten diagnostizierten Mitralklappenerkrankungen. Die operative Behandlung schließt oft die Implantation eines Annuloplastierings auf den Mitralring des Patienten ein, um diesen zu konsolidieren. Form und Größe des verwendeten Rings wirken sich auf die Qualität und Dauerhaftigkeit der Reparatur der Mitralklappe aus und sollten entsprechend der dreidimensionalen Anatomie des Mitralrings des Patienten gewählt werden. Allerdings beschränken sich die üblicherweise durchgeführten Messungen und Bewertungen des Mitralrings des Patienten in der klinischen Routine häufig auf eine visuelle Beurteilung und die persönliche Erfahrung des Operateurs. Zudem sind kommerziell verfügbare Implantate nicht individuell auf den Patienten angepasst.

In diesem Projekt werden auf Basis transösophagealer Ultraschalldaten und Endoskopiestreams, die in der klinischen Routine gewonnen werden, Methoden für die Planung einer computergestützten Annuloplastik entwickelt. Die Auswahl und Anpassung der Ringform unter Berücksichtigung der patientenspezifischen Form kann die durchschnittliche und die maximale Gewebedeformation im Verlauf eines Herzzyklus potentiell vermindern, wodurch die Gefahr einer Ringdehiszenz reduziert wird.

Unsere Forschung umfasst folgende konkretere Fragestellungen:

1. 3D Analyse der durch den Annuloplastiering verursachten individuellen Annulusdeformation

Durch die Verwendung prä-operativer 3D+t Ultraschalldaten wird in einer selbsterstellen Software der Mitralannulus des Patienten modelliert. Basierend auf diesem Modell kann die Deformationswirkung verschiedener kommerzieller Annuloplastieringe prä-operativ untersucht werden [AlMais2016, Gras2014a, Gras2013] (Bild 1 links).

2. Entwicklung von Werkzeugen für die Herstellung von neuartigen patientenspezifischen Implantaten

Ziel ist die spezifische Gestaltung prothetischer Annuloplastieringe mit optimaler Passgenauigkeit für den Patienten. Zum Beispiel kann durch die Mittelung des patientenspezifischen 3D+t Mitralannulus Modells über den gesamten Herzzyklus die individuelle Grundform eines Implantats erstellt werden. Anschließend kann das Modell entsprechend morphologischer Interventionsmaßnahmen modifiziert werden. Dies kann eine allgemeine Verkleinerung oder die Wiederherstellung eines natürlichen Durchmesserverhältnisses beinhalten. In einem Pilotversuch [Gras2014a, Gras2014b]  wurde das Modell mittels Lasersinter Verfahren aus biokompatiblen Titan hergestellt (Bild 1 rechts).

3. Erprobung neuartiger „Augmented-Reality“-Visualisierungstechniken

Informationen von vor dem rekonstruktiven Einsatz werden mit intraoperativen endoskopischen Informationen verschmolzen, um eine Vorschau auf das rekonstruktive Ergebnis und die verbleibende Klappenöffnung zu generieren. Dies ermöglicht zudem eine schnelle Analyse von verschiedenen Ringen im visuellen Vergleich zur kardioplegischen intraoperativen Klappengeometrie [Engelh2014, Engelh2016] (Bild 2).

4. Durchführung von virtuellen Annuloplastien durch FEM-Simulationen

Um die Auswirkungen verschiedener Ringprothesen auf die individuelle Klappengeometrie vor der Operation antizipieren zu können, wird in enger Kooperation mit dem EMCL (Universität Heidelberg) an Finite Element-Simulationsmethoden geforscht [Schoch2015,Schoch2016]. Ein besonderer Schwerpunkt bildet die möglichst exakte Parameterschätzung für die Kalibrierung von mechanischen Klappenmodellen, um die Güte des Simulationsergebnisses sicherzustellen.

Ausgewählte Preise

2014: MICCAI-Augmented Environments Best Paper Award 2014 „Augmented Reality-Enhanced Endoscopic Images for Annuloplasty Ring Sizing” (Sandy Engelhardt)

2014: St. Jude Medical Award 2014 (Bastian Graser)

Ausgewählte Publikationen

[AlMais2017] Al-Maisary S, Engelhardt S, Graser B, Wolf I, Karck M, De Simone R. Computer-based comparison of different methods for selecting mitral annuloplasty ring size. J Cardiovasc Surg, 2017, 12:8. doi: 10.1186/s13019-017-0571-y. [link]

[AlMais2016] Al-Maisary S, Graser B, Engelhardt S, Wolf I, Karck M, De Simone R. The geometrical effect of different annuloplasty rings on mitral valve annulus. J Cardiovasc Surg (Torino), 2016 [Epub ahead of print].

[Engelh2016] Engelhardt S, Kolb S, De Simone R, Karck M, Meinzer H-P, Wolf I. Endoscopic feature tracking for augmented-reality assisted prosthesis selection in mitral valve repair. SPIE Medical Imaging, 2016. Proc. SPIE 9786, Medical Imaging 2016: Image-Guided Procedures, Robotic Interventions, and Modeling, 97861A (March 18, 2016); doi:10.1117/12.2216239

[Schoch2016] Schoch N, Kißler F, Stoll M, Engelhardt S, De Simone R, Wolf I, Bendl R, Heuveline V. Comprehensive patient-specific information preprocessing for cardiac surgery simulations. Int J Comput Assist Radiol Surg 11, 2016, 1051–1059. doi:10.1007/s11548-016-1397-0

[Schoch2015] Schoch N, Engelhardt S, Zimmermann N, Speidel S, De Simone R, Wolf I, Heuveline V. Integration of a Biomechanical Simulation for Mitral Valve Reconstruction into a Knowledge-based Surgery Assistance System. In: Proc. SPIE 9415, Medical Imaging 2015: Image-Guided Procedures, Robotic Interventions, and Modeling, 941502 (March 18, 2015); doi:10.1117/12.2082153.

[Engelh2014] Engelhardt S, De Simone R, Zimmermann N, Al-Maisary S, Nabers D, Karck M, Meinzer H-P, Wolf I. Augmented Reality-Enhanced Endoscopic Images for Annuloplasty Ring Sizing. In: 9th MICCAI Workshop on Augmented Environments for Computer Assisted Interventions AE-CAI 2014, Lecture Notes in Computer Science Volume 8678, 2014, pp 128-137. doi: 10.1007/978-3-319-10437-9_14.

[Gras2014a] Graser B, Al-Maisary S, Zimmermann N, Nabers D, Meinzer H.-P, Wolf I, Karck M, De Simone R. Computerunterstütztes „ring sizing“ für die Anuloplastie. Zeitschrift für Herz-,Thorax- und Gefäßchirurgie 28, 2014, 347–351. doi:10.1007/s00398-014-1103-x

[Gras2014b] Graser B, Al-Maisary S, Grossgasteiger M, Engelhardt S, De Simone R, Zimmermann N, Karck M, Meinzer H-P, Wald D, Wolf I. Gestaltung patientenspezifischer Annuloplastieringe. Deserno, T.M., Handels, H., Meinzer, H.-P., Tolxdorff, T. (Eds.), Bildverarbeitung für die Medizin 2014, Informatik aktuell. Springer Berlin Heidelberg, 2014, 19–23. doi:10.1007/978-3-642-54111-7_9

[Gras2013] Graser B, Seitel M, Al-Maisary S, Grossgasteiger M, Heye T, Meinzer HP, Wald D, De Simone R, Wolf I. Computer Assisted Analysis of Annuloplasty Rings. In: Bildverarbeitung für die Medizin 2013 / T. Tolxdorff, T.M. Deserno, H. Handels, H.P. Meinzer. Springer Berlin Heidelberg, 2013, 75–80

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