Ontwerp en evaluatie van een software-planningsomgeving voor transkatheter aortaklep implantatie

Implantaten voor minimaal invasieve implantatie in zacht weefsel behoren tot de meer recente ontwikkelingen op het vlak van medische implantaten. Vooral in cardiologische toepassingen zijn er de afgelopen jaren transkatheter implantaten op de markt gekomen die moeten toelaten om aneurysma en zieke hartkleppen te behandelen zonder invasieve chirurgische ingreep. De transkatheter methode heeft echter het nadeel dat de mogelijke manipulaties die men kan uitvoeren om het implantaat te doen passen, sterk beperkt worden vergeleken met klassieke chirurgie. Door de beperkte diameter, de grote afstand tussen de handen van de chirurg en de locatie van de implantatie en de noodzakelijke flexibiliteit van de instrumenten worden de handelingen beperkt.

Een voorbeeld van een erg uitdagende ingreep is de transkatheter aortaklep implantatie. Het implantaat wordt geplaatst in de sterk gecalcificeerde aortaklep van de patiënt, zonder deze te verwijderen. Hierdoor blijft er soms ruimte voor lekken langsheen de nieuwe klep, wanneer deze gesloten is. De beperkingen van de transkatheter ingreep vergroten het belang van de selectie van het juiste implantaat en de optimale positie voor de ingreep. Computergesteunde chirurgische planning kan bijkomende informatie en inzichten leveren over de 3-dimensionale vorm van de anatomie en de interactie tussen het implantaat en het weefsel voor de ingreep. Daardoor kan een beter geïnformeerde keuze gemaakt worden over de optimale maat en positie van het implantaat. Het doel van dit doctoraat is om computergesteunde chirurgische plannings instrumenten te ontwikkelen die kunnen bijdragen tot het verder verbeteren van de uitkomst van dergelijke ingrepen. 

Om te beginnen, werd er een groep patiënten geselecteerd die voor de ingreep een computer tomografie (CT) scan hadden ondergaan. De beelden werden geanalyseerd om te onderzoeken of er anatomische kenmerken zijn die het risico op lekken vergroten. Daarvoor werd een methode ontwikkeld om het volume van de calcificaties te meten op basis van de pre-interventionele scans en werd de aortawortel geometrisch gekarakteriseerd op twee doorsnedes ter hoogte van de klep. Uit dit onderzoek bleek dat de patiënten met ernstige lekken een gemiddeld groter volume calcificaties hadden in hun aortawortel dan de patiënten zonder lekken. Er was echter een grote overlap tussen beide patiëntengroepen waardoor de predictieve waarde van het calcificatievolume beperkt blijft.

Vervolgens, werd er een methode ontwikkeld om de 3-dimensionale anatomische vorm van de aortawortel in rekening te brengen tijdens de pre-interventionele planning. Daarvoor werd een algoritme geschreven dat, automatisch, de aortawortel segmenteert uit de medische beelden. Dit model werd vervolgens gebruikt om een statistisch vormmodel van de patiëntpopulatie te genereren, op basis waarvan een parametrische beschrijving van de aortawortel werd ontwikkeld. Deze parameterisatie werd vervolgens gebruikt om een classificatie methode te ontwikkelen om automatisch de optimale maat van het implantaat te bepalen. Het algoritme werd getraind met de patiënten zonder regurgitatie en toegepast op de patiënten met ernstige regurgitatie. Daaruit bleek dat 54% van die patiënten een andere maat toegewezen kreeg door de automatische methode.

Om de interactie tussen het implantaat en het weefsel pre-operatief te kunnen inschatten, werd een patient-specifieke eindige elementen simulatie ontwikkeld van de implantatie. Het gesimuleerde implantaat werd vergeleken met post-interventionele CT scans ter validatie. Op basis van de uitkomst van de simulatie werd vervolgens een analyse gedaan van de mogelijke lekpaden tussen het implantaat en het omliggende weefsel. Deze analyse moet toelaten om de geplande positie en maat van het implantaat te optimaliseren voor de ingreep. De methode wist de vorm van het implantaat nauwkeurig te voorspellen in 10 patiënten. Bovendien, kon de lekanalyse voorspellen welke patiënten geen regurgitatie hadden tijdens beide post-op meetingen. 

Ten slotte, werden het statistisch vormmodel van de aortawortel en de simulatiemethode gecombineerd om op populatie niveau te kunnen analyseren of een implantaat past in alle mogelijke anatomische vormen in de patiëntpopulatie. Deze informatie kan gebruikt worden om de nieuwe generatie implantaten te ontwikkelen aangepast aan hun doelgroep. Er werd een methode ontwikkeld om de instanties uit het vormmodel te kunnen gebruiken als input voor de simulatiemethode. Op dit moment, zijn de resultaten van deze simulaties minder accuraat dan die van de patient-specifieke simulatie. Verder onderzoek is nodig om het volledige potentieel van deze methode te realiseren.

Algemeen kan er besloten worden dat computergesteunde chirurgische planning een groot potentieel heeft om de uitkomst van transkatheter implantaties te verbeteren. De voorgestelde technieken kunnen extra informatie over de anatomie van de patient en de interactie tussen het implantaat en het weefsel toevoegen aan het planningsproces waardoor beter geïnformeerde beslissingen kunnen genomen worden.