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摘要

本研究使用从四维心脏计算机断层扫描序列生成的矫直模型评估了一种新方法，以获得经导管肺动脉瓣置换术应用中瓣膜尺寸的所需测量值。

摘要

右心室 （RV） 和肺动脉 （PA） 的测量值（用于选择经导管肺动脉瓣置换术 （TPVR） 的最佳假体尺寸）差异很大。用于设备尺寸预测的三维（3D）计算机断层扫描（CT）成像不足以评估右心室流出道（RVOT）和PA的位移，这可能会增加支架错位和瓣旁漏的风险。本研究的目的是提供一个动态模型，通过四维（4D）心脏CT重建来可视化和量化整个心脏周期中RVOT到PA的解剖结构，以获得所需瓣膜尺寸的准确定量评估。在这项试点研究中，选择了绵羊J的心脏CT来说明这些程序。将3D心脏CT导入3D重建软件，构建4D序列，该序列在心脏周期内分为11个帧，以可视化心脏的变形。在瓣膜植入前，在4D矫直模型中测量主PA，锡管连接处，窦，肺动脉瓣（BPV）基平面和RVOT处五个成像平面的直径，横截面积和周长，以预测瓣膜大小。同时，还测量了RV体积的动态变化以评估右心室射血分数（RVEF）。获得舒张末的3D测量值，以便与4D测量值进行比较。在绵羊J中，来自拉直模型的4D CT测量导致TPVR（30 mm）的瓣膜尺寸选择与3D测量相同。CT前羊J的RVEF为62.1%。与3D CT相比，矫直4D重建模型不仅能够准确预测TPVR的瓣膜尺寸选择，而且提供了理想的虚拟现实，从而为TPVR和TPVR器件的创新提供了一种有前景的方法。

引言

右心室流出道功能障碍 （RVOT） 和肺动脉瓣异常是严重先天性心脏病的两个最常见后果，例如，法洛四联症修复 （TOF）、某些类型的右心室双出口 （DORV） 和大动脉转位的患者1，2，3.这些患者中的大多数在其一生中面临多次手术，并且随着年龄的增长，复杂性和合并症的风险也会增加。这些患者可能受益于经导管肺动脉瓣置换术 （TPVR） 作为微创治疗4。迄今为止，接受TPVR的患者数量稳步增长，全球已进行了数千例此类手术。与传统的心脏直视手术相比，TPVR需要在干预前通过计算机断层扫描血管造影（CTA）对从右心室（RV）到肺动脉（PA）的异种移植物或同种移植物进行更准确的解剖学测量，以及 通过 经环斑片修复肺和RVOT狭窄，并确保患者没有支架骨折和瓣膜旁渗漏（PVL）5，6.

一项前瞻性、多中心研究表明，多探测器CT环形尺寸算法在选择合适的瓣膜尺寸方面起着重要作用，可降低瓣膜旁反流的程度7。近年来，定量分析在临床医学中得到了越来越多的应用。定量分析具有巨大的潜力，能够客观、正确地解释临床影像学，验证患者是否无支架骨折和瓣旁渗漏，从而增强患者特异性治疗和治疗反应评估。在以往的临床实践中，使用二维（2D）CT从三个平面（矢状、冠状和轴向）重建CT成像以获得可视化模型是可行的8。造影剂增强心电图 （ECG） 门控 CT 在评估 RVOT/PA 3D 形态和功能，以及识别具有合适 RVOT 植入位点且能够在整个心脏周期中保持 TPVR 稳定性的患者9，10 中变得越来越重要。

然而，在当代标准临床和临床前环境中，获得的4D CT数据通常被转换为3D平面进行手动定量和视觉评估，无法显示3D / 4D动态信息11。此外，即使使用3D信息，从多平面重建（MPR）获得的测量值也具有各种局限性，例如由于右心血流方向不同而导致的可视化质量差和缺乏动态变形12。测量结果收集起来非常耗时，并且容易出错，因为 2D 对齐和切片可能不精确，从而导致误解和膨胀。目前，对于哪种 RVOT-PA 测量能够可靠地提供有关功能障碍性 RVOT 和/或肺动脉瓣疾病患者 TPVR 的适应证和瓣膜尺寸的准确信息，尚无共识。

在这项研究中，提供了 通过 4D心脏CT序列使用矫直的右心模型测量RVOT-PA的方法，以确定如何最好地表征RVOT-PA在整个心脏周期中的3D变形。时空相关成像通过包括时间维度来完成，因此能够测量RVOT-PA幅度的变化。此外，矫直模型的变形可能会对TPVR阀门的尺寸和程序规划产生积极影响。

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研究方案

所有心脏CT数据均来自GrOwnValve临床前试验，并得到了柏林区域卫生和社会事务办公室（LAGeSo）法律和伦理委员会的批准。所有动物都按照欧洲和德国实验动物科学学会（FELASA，GV-SOLAS）的指导方针接受了人道护理。在这项研究中，选择了来自绵羊J的Pre-CT来说明这些程序。

1. 对绵羊进行三维心脏CT检查

  1. 静脉麻醉
    1. 通过肌内注射咪达唑仑（2 mg / mL，0.4 mg / kg），丁胺醇（10 mg / mL，0.4 mg / kg）和格隆溴铵（200 mcg / mL，0.011 mg / kg）预先用药，镇静绵羊（3岁，47kg， 雌性，绵羊座）。
    2. 检查绵羊在注射后15分钟变得温顺时的身体状况。
    3. 将带有注射口的18 G导管无菌地放置在头静脉中，并将灌注管连接到T型接头上，用于麻醉和造影剂。
    4. 通过静脉注射异丙酚（20 mg / mL，1-2.5 mg / kg）和芬太尼（0.01 mg / kg）麻醉绵羊。检查镇静症状，如下颌松弛，吞咽丧失和睫状体反射。用6.5毫米-8毫米气管插管给绵羊插管，并将胃管放入胃中进行胃液抽吸，然后静脉注射丙泊酚（20毫克/毫升，1-2.5毫克/千克）和芬太尼（0.01毫克/千克）。
    5. 通过静脉注射丙泊酚（10 mg / ml，2.5-8.0 mg / kg / h）和氯胺酮（10 mg / mL，2-5 mg / kg / h）来实现完全麻醉，为心脏CT做准备。
  2. 心脏 CT
    1. 准备后将绵羊从实验医学研究所（FEM）转移到柏林德国心脏中心（DHZB）的CT室。在将绵羊牢固地固定在CT床上后，在手臂，腹部和腿部用3条绷带扫描所有俯卧位的绵羊。
    2. 使用以下参数在具有心电图门控功能的 64 层双源多探测器 CT 系统上进行心脏 CT 检查。设置标准采集技术参数如下:龙门架旋转时间0.33 s，每转100-320 mAs，管电压120 kV，矩阵256，深度16位，偏差有效X射线剂量15.5±11.6 mSv，切片厚度0.75 mm。
    3. 通过手臂上的 T- 连接器以 5 mL/s 的速率施用 2 -2.5 mL/kg 碘化造影剂，从而实现造影增强。
    4. 按顺序执行 4D CT 扫描方案。将整个心脏周期划分为11个帧，从0%到100%，10%的R波到R波（RR）间隔覆盖心脏周期。在大约 RR 间隔的 70% 处执行舒张末期，用于 3D 系列分析。获取 4D CT 的每个帧以及 70% 3D 系列中的矢状、日冕和轴向数据。
    5. 使用推注跟踪方法在肺主动脉上感兴趣区域进行造影推注时间，以实现理想的同步。不要在任何绵羊中施用β受体阻滞剂。
    6. 将绵羊移回FEM并停止异丙酚的灌注，扫描后氯胺酮。绵羊在拔管后10-20分钟恢复意识。麻醉师和兽医监督了整个麻醉治疗，直到绵羊完全清醒并能够自由移动。

2. 开源3D重建软件应用设置和扩展分期付款

  1. 单击顶部菜单中 的编辑 ，在启动 3D 重建软件后修改应用程序设置。
    1. 单击 DICOM，然后单击"采集几何正则化"，然后在"DICOM 标量体积插件"部分中选择"应用正则化变换"。在"多卷导入程序插件"部分中选择"卷序列"作为首选的多卷导入格式。
    2. 单击" 视图"，选择" 小轴"。 在 "方向"标记中，选择" 细标尺"。
    3. 重新启动 3D 切片器软件以保存应用程序设置。
  2. 单击工具栏中的 "扩展管理器 "以打开扩展页面。
    1. 找到所需的扩展，然后左键单击以安装它们。在本研究中使用以下扩展: 序列配准、切片器弹性体、沙盒、切片心脏、切片器 IGT、切片器 VMTK、DICOM Web 浏览器、强度分割器、标记到模型、轻松剪辑、mp 审查、切片器前列腺和 VASSTAUgorithms。
    2. 重新启动 3D 切片器软件以确认所选扩展的安装。

3. 将心脏 CT 数据从 DICOM 文件加载到 3D 切片机中

  1. 使用下面描述的两个步骤之一将心脏CT数据从DIOCM文件加载到3D切片器中（图1）。
  2. 导入 CT 数据:通过切换到 DICOM 模块并将文件拖放到应用程序窗口中，将心脏 CT 数据（选择羊 J 的 Pre-CT 以说明程序）添加到应用程序的数据库中。
  3. 加载CT数据:通过双击项目将数据对象加载到场景中（在绵羊J中，EKG- Ao asc 0.75 126f 70%是舒张末期的3D序列，Funkion EKG- Ao asc 0.75 126f 3 0- 100%Matrix 256是4D序列，作为心脏周期的11帧体积序列）。
  4. 左键单击数据树中 的眼睛 图标，以在 2D 查看器中显示轴视图、矢状视图和日冕视图的 3D 和 4D 序列。
  5. 左键单击顶部工具栏上的 "切片器布局 "图标，然后选择" 四向上"或"常规布局"。
  6. 单击左上角的" 链接 "图标以链接所有三个查看器，单击" 眼睛 "图标以在 3D 查看器中显示切片。
  7. 单击 保存 图标，将加载到 3D 切片器中的所有数据保存在所选目标位置，以构建用于分割和体积编辑的数据集。

4.创建4D跳动的心脏体积和跳动的右心体积

  1. 在模块下拉菜单中选择 "体积渲染 "，然后在" 体积 "下拉菜单中选择 4D 序列。
  2. 在预设下拉菜单中选择 CT-心脏 3 以显示 4D 心脏。调整 "预设 "下拉菜单下方的光标以仅显示心脏。
  3. 单击模块下拉菜单中的序列 浏览器 以选择并显示 4D 序列。跳动的心脏在现场。将4D心脏拖入3D场景，从各个方向观察心脏。
  4. 在移位条下方的"裁剪"选项中选择"启用"和"显示 ROI"功能，以裁剪跳动心脏的 4D 体积，以便更好地观察心脏的结构。
  5. 如上所述创建 4D 跳动的心脏体积。在模块下拉菜单中选择" 段编辑器 "，然后单击"剪 刀 "效果，并执行 "内部填充" 操作以剪切一个框架。
  6. 单击" 蒙版体积" 效果并应用它以将分割作为蒙版体积链接到 4D 心脏。掩模体积效果中的输入体积和输出体积是 4D 序列。
  7. 使用"擦除内部"操作选择剪刀效果以删除骨骼和其他意外区域。使用"保留最大岛"操作选择岛屿效果以移除小区域。
  8. 使用1-3%球形刷选择擦除效果，以去除主动脉弓处附着在主动脉上的组织，以及升主动脉和上腔静脉之间的组织。完成每个步骤后，应用"蒙版体积"效果来蒙版 4D 体积。
  9. 重复步骤 4.7 - 4.8 以继续移除区域，直到右心模型显示在 3D 场景中。
  10. 单击 "序列浏览器" 并转到下一帧。将 剪刀 效果与 "擦除内部" 操作结合使用，以剪切3D场景中的任何区域;右心模型将自动出现在当代框架中。将相同的方法应用于其余帧，直到整个 4D 序列被分割。
  11. 单击" 序列浏览器 "按钮以显示右心 4D 音量。
    注意:在某些框架中切除左前降冠状动脉以及左冠状动脉的分叉时，它将切除右心室的一小部分。因此，强烈建议保留这些冠状动脉的一小部分，以维持每个框架中的右心室容积。

5. 从 4D 序列创建拉直模型

注意:强烈建议在单个 3D 切片器文件夹中构建每个 10% 的心脏周期帧，否则 DATA 模块中对齐的数据树太多，从而降低创建拉直模型的效率低下。要获取每个10%帧的单个3D切片器文件夹，它需要多次加载4D序列，选择每个帧并将其保存在单个文件夹中。

  1. 通过选择工具栏中的" 段编辑器 "模块，为每个帧创建右心分割。为 4D 序列的每个 10% 帧添加两个分割，并相应地命名它们，例如，60% 分割和其他。
  2. 在具有可编辑强度范围的片段编辑器模块中选择"绘画效果"工具，该工具取决于 CT 图像，以使用上腔静脉、右心房、右心室和肺动脉序列绘制右心。
  3. 单击" 其他分割"，使用绘画工具绘制其他区域以跟踪右心的边界。
  4. 选择"从种子生长"效果，选择"初始化"和"应用"以应用该效果。单击"段编辑器"模块中的"显示 3D"按钮以显示当代帧的 3D 模型。
  5. 重复步骤4.7 - 4.8，根据三个方向的CT图像删除或改进3D模型。切除分叉处肺动脉的左右分支。然后，右心3D模型将在每帧中显示3D场景。
    注意:强烈建议在肺动脉和冠状动脉之间的附件处，以及肺动脉和上腔静脉处用直径为1%-2%的球形刷子绘制右心的边界。
  6. 克隆 DATA 树中的分段作为备份，命名这些分段，例如，对于拉直模型，10% 分段为原始分段和 10% 分段。
  7. 向右心模型添加中心线，如下所述。
    1. 在模块下拉菜单中选择 提取中心线 。
    2. 在提取中心线模块的输入部分的曲面下拉菜单中选择 分割 。这将创建一个分割，例如将矫直模型作为分割的 10% 分割。单击端点下拉菜单中的 创建新标记 基准。单击" 放置标记点 "按钮，在 SVC 的顶平面和主肺动脉的终点平面上添加终点。
    3. 在"输出"菜单的"树"中选择"创建新模型作为 中心线 模型"和" 创建新标记 曲线"作为中心线曲线。单击" 应用 "以显示中心线右心模型。
    4. 单击 DATA 模块，然后右键单击 中心线曲线 以编辑其属性。单击 "眼睛 "图标以显示控制点，然后在" 重新采样 "部分中，将重新采样的点数设置为 40 以降低计算机负载。
  8. 创建拉直模型
    1. 在模块下拉菜单中选择曲 面平面重新格式化 。
    2. 将 曲线分辨率 和 切片分辨率 后的光标移动到0.8 mm，将 切片大小 设置为130140 mm，这是根据图像上显示的右心室的范围，然后选择 创建新体积作为输出矫直体积。
    3. 单击" 应用 "以获取拉直的体积。
    4. 在模块下拉菜单中选择" 体积渲染 "以显示拉直的体积。在音量下拉菜单中选择拉 直的 音量，然后单击 眼睛 图标。选择 CT-Cardiac3 作为预设，移动 Shift 光标以在 3D 场景中显示拉直的右心体积。
    5. 在 DATA 树中以用于分割的拉直卷的名称列直的卷，然后右键单击以分割此拉直的卷。
    6. 在段编辑器模块中选择 阈值 效果，为所需的直右心着色，然后单击 应用 以应用操作。选择" 蒙版体积" 效果以遮罩拉直体积，方法是选择 "用于分割的拉直体积"、"体积"作为 "输入音量"和"输出音量 "，然后单击" 应用 "以应用操作。
    7. 单击" 应用 "以应用上述步骤 4.7- 4.8 中概述的相同操作，以仅保持右心矫直。在3D场景中检查矫直右心体积和矫直右心分割的3D模型。
    8. 单击"应用"（ Apply ） 将上面概述的相同操作应用于其他帧，以获取拉直的右心形体积渲染和拉直的分割，并将它们保存在每个帧的文件夹中。

6. 导出图表和 STL 文件

  1. 通过单击工具栏上的" 捕捉 "并命名场景视图效果，然后在 3D 视图中保存场景，导出拉直体积渲染的图形。
  2. 通过单击 分割模块导出 拉直 3D 分割的 STL 文件。

7. 执行五次平面测量

  1. 从 4D 序列对拉直模型中的周长、横截面积和周长执行五平面测量，并在拉直模型中执行右心室体积测量，如下所述。
  2. 应用以下五个平面设置:平面A:在主肺动脉处，从下气管连接处的平面偏移2厘米;平面B:在锡诺管交界处;平面C:在鼻窦;平面D:在传单的底部;平面 E:在 RVOT 处，距 D 偏移 1 厘米。
  3. 通过按住键盘上的 Shift 键并使用工具栏中的十字准线功能将上述所有五个平面添加到每个帧中的拉直模型中。单击工具栏中的 "创建和放置 "模块以选择" 平面" 效果。
  4. 选取" 线 "效应以测量周长，选取" 闭合曲线 "效果可获取周长和横截面积。复制数据以生成数据集。
  5. 如下所述，在矫直模型中执行右心室容积测量。
    1. 在从4D序列获得的每个帧中列直分割，并根据匹配帧标记分割以进行体积测量。
    2. 在模块下拉菜单中选择 细分统计 模块。在输入菜单中选择 "X%分割 "和" 标量" 后进行体积测量。选择" 创建新表"作为"输出表"， 然后单击" 应用 "以应用操作以获取卷表。
    3. 复制体积数据，为拉直分割的每一帧创建体积测量数据集。

8.3D 3D序列（舒张末期的最佳重建期）的多平面重建（MPR）测量和右心室体积测量

注:在本研究中，选择绵羊J Pre-CT来说明MPR测量程序。

  1. 加载舒张 3D 序列，如以下步骤所示。选择十字准线效果旁边的向下箭头，选择 "跳转切片 - 偏移"、"基本+ 相交"、"精细十字准线"和"切片相交" 作为十字准线设置。
  2. 按住 Shift 键并单击左键可将十字准线拖动到平面，例如鼻窦。按 Ctrl+Alt 可将十字准线调整到目标位置中心的轴向、矢状和日冕场景中的所需位置。
  3. 选择 "线 "效应以执行每个平面中的测量，如步骤 7.4 中所示。复制数据以构建 3D MPR 测量数据集。
  4. 单击 段编辑器 模块以创建右心室分割，如上述步骤 5.8.6 中所述。
  5. 单击 "段统计" 模块以执行右心室容积测量，如上述步骤 7.5.2 中所述。
  6. 复制体积信息以构建舒张 3D 右心室体积数据集。

9. 支架心脏瓣膜选择的计算

注意:在本节中，使用sinotubular结的测量值来说明该过程。

  1. 计算长轴向 （d1） 和短轴周长 （d2） = （d3） 的平均值，后跟 d1、d2 和 d3 的平均值，得到 d4，如公式 （1） - （2） 所示。
    figure-protocol-8516
    figure-protocol-8586
  2. 将横截面积（S1）的计算除以π得到d5 ，然后用d5 的平方根得到d6，然后用d5 和d6的平均值，如公式（3）-（5）所示。
    figure-protocol-8797
    figure-protocol-8867
    figure-protocol-8937
  3. 将周长（C1）除以π得到d8，如式（6）所示。
    figure-protocol-9064
  4. 通过计算 d4、d7 和 d8 的均值来获得总直径 d9，如公式 （7） 所示。
    figure-protocol-9230
  5. 应用公式（8）计算阀门尺寸（h）的最佳选择。
    figure-protocol-9334
    注:支架心脏瓣膜的直径有 30 mm、26 mm 和 23 mm。瓣膜尺寸（h）显示三个直径的匹配百分比，即理想匹配为10-20%，植入大为30%及以上，小为10%以下。
  6. 将 3D 和 4D 数据导入到多功能统计软件中，以构建五个平面中测量值的趋势图，并以 TIFF 格式导出图表。将所有图形导入图形软件以进行组织。

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结果

在绵羊J中，从4D心脏CT序列中成功生成了4D全心和右心模型，该序列显示了整个心脏周期的变形。为了更好地可视化，跳动的心脏和右心的整个变形在图3 - 图4和视频1 - 视频 2中的各个方向上显示。

在分段的每10%中，根据面罩体积获得矫直的右心模型，以说明绵羊J Pre-...

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讨论

迄今为止，这是第一项使用从4D CT序列生成的矫直心脏模型来说明RVOT-PA形态和动态参数的患者特异性测量的研究，该模型可用于预测TPVR的最佳瓣膜尺寸。使用绵羊J Pre-CT成像来说明该方法，以获得动态变形，右心室容积，右心室功能以及RVOT / PA在心脏周期每重建10%时从RVOT到肺干的RVOT / PA变化的五个平面。与3D成像相比，矫直模型不仅可以预测与舒张末期3D图像的MPR测量值相同的瓣膜尺寸，而且还?...

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披露声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

孙晓林和郝一萌对这份手稿的贡献相同，并分享了第一作者身份。衷心感谢所有为这项工作作出贡献的人，包括过去和现在的成员。这项工作得到了德国联邦经济事务和能源部的资助，EXIST - 研究转移（03EFIBE103）。孙晓林和皓一萌得到了中国留学基金委员会（孙晓林-CSC:201908080063，皓一萌-CSC:202008450028）的支持。

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材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Adobe IllustratorAdobeAdobe Illustrator 2021Graphics software
ButorphanolRichter Pharma AGVnr5319430.4mg/kg
FentanylJanssen-Cilag Pharma GmbHDE/H/1047/001-0020.01mg/kg
GlycopyrroniumbromidAccord Healthcare B.VPZN116491230.011mg/kg
GraphPad PrismGraphPad Software Inc.Version 9.0Versatile statistics software
Imeron 400 MCTBracco ImagingPZN002299782.0–2.5 ml/kg
KetamineActavis Group PTC EHFART.-Nr. 799-7622–5 mg/kg/h
MidazolamHameln pharma plus GMBHMIDAZ501000.4mg/kg
Multislice Somatom Definition FlashSiemens AGA91CT-01892-03C2-7600Cardiac CT Scanner
PropofolB. Braun Melsungen AGPZN 1116449520mg/ml, 1–2.5 mg/kg
PropofolB. Braun Melsungen AGPZN 1116444310mg/ml, 2.5–8.0 mg/kg/h
Safety IV Catheter with Injection portB. Braun Melsungen AGLOT: 20D03G834618 G Catheter with Injection port
3D SlicerSlicerSlicer 4.13.0-2021-08-13Software: 3D Slicer image computing platform

参考文献

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