Imaging-based patient-tailored strategies for planning interventional procedures in congenital heart disease

Percutaneous heart interventions are now replacing surgical correction in an evolving number of congenital heart defects (CHD). Transcatheter pulmonary valve replacement (TPVR) has demonstrated favorable outcomes with a less invasive approach, and, with new devices coming into the market, it is likely that surgical pulmonary valve replacement (SPVR) will become an uncommon procedure within the next decade. However, patient candidacy for TPVR is critical to its success and at present is limited to patients with specific right ventricular outflow tract (RVOT) size and morphology. In this setting, advanced imaging and accurate pre-procedural planning play a crucial role in selecting the right candidate, choosing the right equipment, and guiding towards the success of the TPVR procedure. Hence, the main objective of my Executive Ph.D. project was threefold: a) drafting a protocol, based on the use of pre-operative advanced imaging, for the identification of candidates that can benefit from TPVR; b) demonstrating the usefulness of patient-specific simulations of TPVR to predict potential peri-procedural drawbacks and to guide the process of pre-treatment planning; c) identifying if the bioengineering techniques refined for TPVR could be adapted to different CHD anomalies to answer similar unmet needs in other interventional procedures. In patients with stenotic RV-PA conduits, I have implemented and demonstrated the accuracy of a patient-specific simulation tool to assess the feasibility of TPVR. Initially, three tasks have been developed to best characterize the RVOT morphology: selection of the ideal patient candidates whose anatomy was challenging and deserved accurate procedural planning before TPVR; delineation of a multi-slice computed tomography (MSCT) patient-specific protocol able to acquire the anatomical information needed for the most accurate procedural planning; and optimization of the geometrical reconstruction process to obtain a 3D virtual anatomical model. The so optimized imaging workflow was used to create patient-specific anatomical 3D reconstructions, which have been then implemented into a finite element (FE) model proposed to predict TPVR outcome. The results from the simulations, such as the changes in the anatomical configuration according to calcium location and thickness, and the final stent configuration (full expansion, residual waists, ...), have been compared with the pre- and post-procedural medical X-ray images acquired during the in vivo cardiac catheterization procedure. In patients with patch-enlarged native RVOT, the approach to extrapolate the information relevant for procedural planning was different, considering the clinical need when planning procedures in this population. Indeed, compared to RV-PA conduit, in patients with patch-enlarged native RVOT obtaining accurate dimensions of the valve landing zone is mandatory before any procedure to improve patients' selection in order (1) to avoid unnecessary attempts at TPVR in a patient with a RVOT that is too large for safe intervention, or (2) to avoid referral for surgical replacement in patients where a percutaneous approach could have been considered, and (3) to prevent the device embolization in those with borderline dilated RVOT in whom implantation is eventually performed. When dealing with patch-enlarged native RVOT anatomies two different approaches were proposed. First, I approached the patch-enlarged RVOT anatomy with an integrated method: (1) an in vivo analysis based on pre-operative MSCT images was used to depicting the cardiac anatomy and track its time-dependent variance across the cardiac cycle using the nearest neighbor algorithm method; then (2) based on the same images, a 3D model of the complex anatomy was printed to perform in vitro tests in the cardiac catheterization laboratory. This approach to patch-enlarged RVOT was very promising. Nevertheless, the nearest neighbor algorithm requires the operator to segment each phase of the cardiac cycle necessary for the analysis increasing the risk of operator-induced variability, it was time-consuming, and, more importantly, it proved to be inefficient in case of large displacement and in case of high shape variation, both of which are quite typical in patch-enlarged RVOT anatomies. Therefore, I explored a new strategy to track anatomical changes towards the cardiac cycle based on the optical flow algorithm. The optical flow methodology, as originally reported by Liu and colleagues in 2009, was readapted and refined to create a novel in-house 3D framework that has been tested in a clinical cohort of 45 patients with patch-enlarged RVOT dysfunction. Among the 45 patients analyzed, 23 underwent successful TPVR, while in 22 the RVOT was unsuitable for device implantation, and the pulmonary valve was surgically replaced. All patients underwent ECG-gated MSCT according to the previously defined protocol that provides images of the RVOT-PA region at each 10% increment of the cardiac cycle. The implemented 3D framework based on optical flow was applied to each anatomy for the quantitative in vivo assessment of the dimensions and dynamic changes of the native RVOTs. The time course of area, perimeter, and other relevant parameters (i.e., equivalent diameters, elliptical ratio, principal axes) were computed on each RVOT tracked cross-section, while a statistical model was then implemented to compare the two cohorts of patients and to assess patient's eligibility for the percutaneous procedure just using pre-procedural MSCT data. Among all measurements, minimum values of the area, the perimeter, and the two principal axes reach the highest sensitivity and specificity to discriminate between TPVR feasibility and surgical referral. Interestingly, hydraulic diameter (DH), combining the area over the perimeter, emerged as an innovative, relevant parameter for the evaluation of such patients' population. Finally, the bioengineering techniques refined for pre-procedural planning of complex TPVR have been successfully adapted and applied in two additional side activities in the setting of different interventional procedures for CHD anomalies: (1) the MSCT protocol and 3D workflow optimized for RV-PA conduits have been used to translate images to holograms for improving visualization of a complex sinus venosus defect, where the anatomical challenge warranted an accurate outlining before going in vivo; (2) the patient-specific simulation tool used in the RV-PA conduits was applied to 3 cases of aortic coarctation. This work was carried out with a strong collaboration between the Department of Electronics, Information and Bioengineering of Politecnico di Milano, the Department of Pediatric and Adult Congenital Heart Disease (Senior Partner: Dr. Mario Carminati), and The Department of Multimodality Cardiac Imaging (Senior Partner: Dr. Massimo Lombardi) of IRCCS Policlinico San Donato.

Gli interventi cardiaci percutanei stanno sostituendo la correzione chirurgica in un numero sempre crescente di pazienti con difetti cardiaci congeniti (CHD). La sostituzione transcatetere della valvola polmonare (TPVR) ha dimostrato esiti favorevoli con un approccio meno invasivo e, con l'arrivo di nuovi dispositivi sul mercato, è probabile che la sostituzione chirurgica della valvola polmonare (SPVR) diventerà una procedura poco comune entro il prossimo decennio. Tuttavia, la selezione del paziente candidato a TPVR è fondamentale per il successo della procedura e al momento è limitata a pazienti con specifica morfologia del tratto di efflusso del ventricolo destro (RVOT) e con definite dimensioni dello stesso. In questo contesto, l'imaging avanzato e l'accurata pianificazione pre-procedurale giocano un ruolo cruciale nella selezione del candidato giusto, nella scelta del device appropriato da impiantare, e nella guida della procedura percutanea per garantire un outcome soddisfacente. In questo contesto, l'obiettivo principale del mio Ph.D. Executive progetto è stato triplice: a) ho lavorato alla stesura di un protocollo, basato sull'utilizzo dell'imaging avanzato preoperatorio, per l'identificazione dei candidati che possono beneficiare dell’impianto percutaneo della valvola percutanea; b) ho validato l'uso e l’utilità in clinica di modelli di simulazione paziente-specifici di procedure di TPVR per predirre potenziali complicanze peri-procedurali e per guidare il processo di pianificazione pre-intervento; c) ho valutato se le tecniche di bioingegneria affinate per interventi di TPVR potessero essere adattate a diverse anomalie congenite cardiache per rispondere a simili esigenze non soddisfatte in altre procedure interventistiche. In pazienti con condotti RV-PA stenotici, ho implementato e dimostrato l'accuratezza di uno strumento di simulazione paziente-specifico per valutare la fattibilità di TPVR. Inizialmente sono state sviluppate tre attività: ho selezionato i candidati ideali alla procedura la cui anatomia richiedeva un'accurata pianificazione procedurale prima della TPVR; ho delineato un protocollo paziente-specifico di tomografia computerizzata multistrato (MSCT) in grado di acquisire le informazioni anatomiche necessarie per una più accurata pianificazione procedurale; ho ottimizzato il processo di ricostruzione geometrica per ottenere un modello anatomico virtuale 3D su cui lavorare. Il flusso di lavoro di imaging così ottimizzato è stato utilizzato per creare ricostruzioni 3D anatomiche paziente-specifiche, che sono state poi implementate in un modello ad elementi finiti (FE) proposto per prevedere l’outcome della procedura TPVR. I risultati delle simulazioni, quali i cambiamenti nella configurazione anatomica in base alle calcificazioni, e la configurazione finale dello stent, sono stati confrontati con i dati pre e post-procedurali acquisiti durante la procedura di cateterismo cardiaco eseguita sul paziente. Nei pazienti con RVOT allargato con patch, l'approccio per estrapolare le informazioni rilevanti per la pianificazione procedurale è stato diverso considerando il tipo di informazioni richieste durante la pianificazione della procedura in questa popolazione. Infatti, rispetto ai pazienti con condotto RV-PA , nei pazienti con RVOT allargato con patch ottenere dimensioni quanto più accurate della zona di impianto della valvola è mandatorio prima di qualsiasi procedura per migliorare la selezione dei pazienti al fine di (1) evitare inutili tentativi di TPVR in un paziente con un RVOT eccessivamente dilatato che non permetta un impianto sicuro o (2) per evitare di riferire in primis il paziente alla sostituzione chirurgica quando si sarebbe potuto prendere in considerazione un approccio percutaneo, e (3) per prevenire la dislocazione del dispositivo in pazienti con RVOT dilatato con dimensioni borderline in cui viene eventualmente eseguito l'impianto. In pazienti con RVOT allargato con patch, sono stati proposti due diversi approcci. Nel primo approccio, ho studiato l’anatomia RVOT con una metodologia integrata: (1) in primo luogo, è stata utilizzata un'analisi in vivo basata su immagini MSCT preoperatorie per rappresentare l'anatomia cardiaca e tenere traccia della sua variazione durante il ciclo cardiaco applicando la metodica del “nearest neighbor algorythm” ; quindi (2) sulla base delle stesse immagini, è stato stampato un modello 3D dell’anatomia per eseguire test in vitro nella suite di emodinamica. Il “nearest neighbor algorythm” utilizzato nei pazienti con RVOT allargato con patch era molto promettente. Tuttavia la metodica richiede che l’operatore segmenti ogni fase del ciclo cardiaco necessaria per l'analisi aumentando il rischio di variabilità, richiedeva molto tempo di analisi e, cosa più importante, come riportato in letteratura, l'algoritmo si è dimostrato essere inefficiente in caso di grande spostamento e in caso di significativa variazione di forma, entrambi eventi abbastanza comuni in questo tipo di anatomie. Per superare la maggior parte delle limitazioni incontrate con questa metodica, ho esplorato una nuova strategia per tracciare i cambiamenti dell’anatomia durante il ciclo cardiaco che si basava sull’”optical flow”. Il metodo dell’ ”optical flow” come originariamente descritto da Liu e colleghi nel 2009, è stato riadattato e perfezionata per creare un nuovo framework 3D che è stato testato in una coorte clinica di 45 pazienti con disfunzione del RVOT dopo allargamento con patch. Tra i 45 pazienti analizzati, 23 sono stati sottoposti a TPVR, mentre in 22 l'RVOT non era idoneo per l'impianto della valvola per via percutanea e sono stati riferiti a chirurgia. Tutti i pazienti sono stati sottoposti a MSCT ECG-gated secondo il protocollo precedentemente definito che fornisce immagini della regione RVOT-PA ad ogni incremento del 10% del ciclo cardiaco. La ricostruzione 3D implementata con l’”optical flow” è stata applicata a ciascuna anatomia per la valutazione quantitativa in vivo delle dimensioni e dei cambiamenti dinamici degli RVOT. L'andamento temporale dell'area, del perimetro e di altri parametri rilevanti (quali diametri equivalenti, rapporto ellittico, assi principali) è stato calcolato su ciascuna sezione trasversale del RVOT. Successivamente le due coorti di pazienti sono state confrontate con un modello statistico per identificare parametri che definissero l'idoneità del paziente alla procedura percutanea semplicemente utilizzando i dati MSCT pre-procedurali. Tra tutte le misurazioni, i valori minimi dell'area, del perimetro e dei due assi principali raggiungono la massima sensibilità e specificità per discriminare tra fattibilità TPVR vs necessità di chirurgia. È interessante notare come il diametro idraulico (DH), combinando l'area perimetrale, è emerso come un parametro innovativo e rilevante per la valutazione di tale popolazione. Infine, le tecniche di bioingegneria perfezionate per la pianificazione pre-procedurale di procedure TPVR complesse sono state adattate e applicate con successo in due ulteriori attività collaterali per la pianificazione di diverse procedure interventistiche: (1) il protocollo MSCT e il flusso di lavoro 3D ottimizzato per i condotti RV-PA sono stati utilizzati per migliorare la visualizzazione di un complesso difetto del seno venoso e tradurre le immagini in ologrammi; (2) lo strumento di simulazione paziente-specifico utilizzato nei condotti RV-PA è stato applicato a 3 casi di coartazione aortica. Questo lavoro è stato svolto con una forte collaborazione tra il Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano, il Dipartimento di Cardiopatie Congenite Pediatriche e dell'Adulto (Senior Partner: Dr. Mario Carminati), e il Dipartimento di Multimodality Cardiac Imaging ( Senior Partner: Dott. Massimo Lombardi) dell'IRCCS Policlinico San Donato.