Bastian Graser

Computer-assisted analysis of annuloplasty rings

Over 40.000 annuloplasty rings are implanted each year in the United States to treat mitral regurgitation. The rings come in different sizes and shapes. However it is unclear, which ring is most suitable for the individual patient. Here we present a preoperative annuloplasty planning software to determine an eligible ring. It provides fast interactive methods to create 4D mitral annulus models based on arbitrary image data. Created models can be analyzed geometrically and compared to existing annuloplasty ring models. This way, forces caused by a specific annuloplasty ring can visualized, which enables preoperative simulation and eventually improves operation results. Using our software, we evaluated the size changes caused by five commercially available annuloplasty rings on the mitral annuli of 39 patients. The results suggest that the annuloplasty ring should be selected for each patient specifically.

Image Quality Influences the Assessment of Left Ventricular Function An Intraoperative Comparison of Five 2-Dimensional Echocardiographic Methods With Real-time 3-Dimensional Echocardiography as a Reference

Transesophageal echocardiography has become a standard tool for eval uating left ventricular function during cardiac surgery. However, the image quality varies widely between patients and examinations. The aim of this study was to investigate the influence of the image quality on 5 commonly used 2‐dimensional methods.

Gestaltung patientenspezifischer Annuloplastieringe

Mitralinsuffizienz ist eine weit verbreitete Krankheit, welche durch die Implantation von Annuloplastieringen behandelt werden kann. Die Wahl eines geeigneten Ringes gestaltet sich aufgrund uneindeutiger Mess- und Selektionskriterien jedoch schwierig. Durch das vorgestellte Verfahren zur patientenspezifischen Gestaltung von Annuloplastieringen wird eine gute Passgenauigkeit gewahrleistet. Das individuelle Ringdesign ermoglicht eine geringere maximale Deformation des Mitralannulus uber den Herzzyklus gegenuber den untersuchten kommerziellen Ringe, wodurch die Gefahr einer Ringdehinszenz gemindert werden kann. Durch die Herstellung eines entsprechenden implantierfahigen Annuloplastierings mit Hilfe von Rapid-Prototyping Technologien wird zus atzlich gezeigt, dass eine Einbindung in die Klinik zeitlich und preislich vertretbar ist.

Automatic detection of cardiac cycle and measurement of the mitral annulus diameter in 4D TEE images

Mitral regurgitation is a wide spread problem. For successful surgical treatment quantification of the mitral annulus, especially its diameter, is essential. Time resolved 3D transesophageal echocardiography (TEE) is suitable for this task. Yet, manual measurement in four dimensions is extremely time consuming, which confirms the need for automatic quantification methods. The method we propose is capable of automatically detecting the cardiac cycle (systole or diastole) for each time step and measuring the mitral annulus diameter. This is done using total variation noise filtering, the graph cut segmentation algorithm and morphological operators. An evaluation took place using expert measurements on 4D TEE data of 13 patients. The cardiac cycle was detected correctly on 78% of all images and the mitral annulus diameter was measured with an average error of 3.08 mm. Its full automatic processing makes the method easy to use in the clinical workflow and it provides the surgeon with helpful information.

Computer-based comparison of different methods for selecting mitral annuloplasty ring size

BackgroundRing sizing for mitral valve annuloplasty is conventionally done intraoperatively using specific ‘sizer’ instruments, which are placed onto the valve tissue. This approach is barely reproducible since different sizing strategies have been established among surgeons. The goal of this study is to virtually apply different sizing methods on the basis of pre-repair echocardiography to find out basic differences between sizing strategies.MethodsIn three-dimensional echocardiographs of 43 patients, the mitral annulus and the contour of the anterior mitral leaflet were segmented using MITK Mitralyzer software. Similarly, three-dimensional virtual models of Carpentier-Edwards Physio II annuloplasty rings and their corresponding sizers were interactively generated from computer tomography images. For each patient, the matching annuloplasty ring was selected repeatedly according to popular sizing strategies, such as the height of anterior mitral leaflet, the intercommissural distance and the surface area of anterior mitral leaflet. The areas of the selected rings were considered as the neo-surface area of the mitral annulus after implantation.ResultsThe sizing of the mitral valve according to the height of anterior mitral leaflet (mean ring size = 29.9 ± 3.90), intercommissural distance (mean ring size = 37.5 ± 1.92) or surface area of anterior mitral leaflet (mean ring size = 32.7 ± 3.3) led to significantly different measurements (p ≤ 0.01). In contrary to intercommissural distance, height and surface area of the anterior mitral leaflet exhibited significant variations between the patients (p ≤ 0.01). The sizing according to the height of anterior mitral leaflet led to the maximal reduction of the mitral annulus surface area followed by the sizing according to the surface area of anterior mitral leaflet and finally by the intercommissural distance.ConclusionsThis novel comprehensive computer-based analysis reveals that the surveyed sizing methods led to the selection of significantly different annuloplasty rings and therefore underscore the ambiguity of routinely applied annuloplasty sizing strategies.

Vermessung des Mitralapparats mit einem optisch getrackten Zeigeinstrument für die virtuelle Annuloplastie

Bei einer OP-Indikation fur Mitralklappeninsuffizienz ist die Beurteilung der Pathophysiologie ausschlaggebend, um eine geeignete chirurgische Technik auszuwahlen. Eine dieser Techniken stellt das Einnahen eines Annuloplastie-Ringmodells dar, welches in verschiedenen Grosen und Formen kommerziell erhaltlich ist. Die intraoperative Ringselektion beschrankt sich bisher auf visuelle Begutachtung und auf einfache manuelle Messmethoden. Diese erlauben jedoch keine akkurate Messung der komplexen dreidimensionalen Anatomie der Mitralklappe. Wir schlagen eine neue intraoperativ durchfuhrbare computerassistierte Messmethode vor. Mit Hilfe eines optisch getrackten Zeigeinstrumentes wird die Geometrie der Mitralklappe vermessen. Dabei werden 16 anatomische Landmarken auf dem Mitralapparat angefahren. In einer Studie wiederholten vier Herzchirurgen die Vermessungen jeweils drei mal an einem frisch exzidierten Schweineherz. Anschliesend wurden 14 verschiedene Standard-Ringformen mit dem vermessenen Annulus verglichen unter Benutzung einer eigenen automatischen Analyse-Software. In 11 von 12 Fallen wurde der Carpentier-Edwards Physio-Ring als Ring mit der geringsten Abweichung vorgeschlagen. Dies zeigt, dass das Messverfahren eine stabile Ringselektion ermoglicht.

A robust model-based approach to detect the mitral annulus in 3D ultrasound

Over 40.000 mitral reconstructions are performed each year in the United States. To ensure a successful and durable outcome of the operation, detailed quantification of the mitral annulus is helpful. However, manual measurement is time consuming and hard to perform in clinical routine. We propose a fast semi-automatic method to create a precise model of the mitral annulus from 3D ultrasound data. The basic idea is to combine image information with anatomical knowledge in form of a standard mitral annulus model. This way, the method can adjust to the individual image data and still cope with strong artifacts and incomplete images. By comparing the resulting models to manually created ground truth data of 39 patients, we identified a mean error of 3.49 mm. This is lower than the determined standard deviation of the expert (4.13 mm) and confirms the accuracy of the proposed method. The overall time to create a mitral annulus model from 3D ultrasound image data is less than a minute. Due to its speed, accuracy and robustness, the method is eligible for the clinical routine.

Computerunterstütztes „ring sizing“ für die Anuloplastie

ZusammenfassungHintergrundDie gegenwärtigen Methoden zur Bestimmung der Ringgröße und -form bei Mitralklappenanuloplastien sind semiquantitativ und unterliegen oft der subjektiven Einschätzung des Operateurs. Hierzu ist große chirurgische Erfahrung erforderlich.Ziel der ArbeitDurch das computerunterstützte Ring sizing sollen dem Operateur quantitative Messwerkzeuge an die Hand gegeben werden, die ihn bei einer objektiven Ringauswahl unterstützen.Material und MethodeEntwickelt wurde eine schnelle und klinisch leicht integrierbare Modellierungsmethode des Mitralklappenrings. Dadurch werden präzise Vermessungen und präoperative Deformationsanalysen für Anuloplastieringe ermöglicht. Zusätzlich lassen sich Ringimplantate, basierend auf den individuellen anatomischen Eigenschaften des Patienten, anfertigen.ErgebnisseDurch die Nutzung computerunterstützter Modellierungs- und Messwerkzeuge kann eine objektive und nachvollziehbare Ringselektion erfolgen. Die Möglichkeit zur Herstellung von patientenspezifisch gestalteten Ringen eröffnet den Weg zu einer neuartigen individualisierten Patientenversorgung.AbstractBackgroundCurrent methods to determine the size of an annuloplasty ring for mitral valve reconstruction are semi-quantitative and dependent on the subjective assessment by the surgeon which requires a high degree of professional experience.AimComputer-assisted ring sizing supports the surgeon with a quantitative measurement tool for an objective ring selection.Material and methodsA fast modeling method for the annulus of the mitral valve was developed, which is easy to integrate into the clinical workflow. It enables precise measurement and preoperative deformation analysis of annuloplasty rings. Additionally, ring implants can be created based on the patient’s individual anatomy.ResultsComputer-assisted modeling and measurement tools enable an objective and reproducible ring selection. The possibility of manufacturing patient-specific designed rings can lead to a novel patient-centered treatment.

Automatische Detektion des Herzzyklus und des Mitralannulus Durchmessers mittels 3D Ultraschall

Mitralklappeninsuffizienz (MI) ist eine weit verbreitete Erkrankung. Fur eine erfolgreiche und nachhaltige chirurgische Therapie ist die Ausmessung des Mitralannulus (MA) notwendig. Wir stellen eine Methode zur automatischen Bestimmung des MA Durchmessers auf Basis von Live-3D Ultraschall Daten vor, die zusatzlich fur jeden Zeitschritt den Herzzyklus detektiert. Dies erreichen wir hauptsachlich durch die Verwendung von Graph Cut Segmentierung und morphologischen Operationen. Die Evaluation anhand von 13 Patienten zeigt, dass der Herzzyklus in 78% aller Zeitschritte korrekt erkannt wurde, wahrend der MA Durchmesser im Mittel 3.08 mm von der Expertenmessung abweicht. Durch die Nutzung des vorgestellten Verfahrens lasst sich die intraoperative Messzeit des MA reduzieren, da die Messung automatisch und praoperativ erfolgen kann.