P2: Perioperative 3D-Echokardiografie zur Diagnose, Planung und Ergebnisevaluation von Mitralklappenrekonstruktionen    

Projektleiter: De Simone, Wolf  
Betreuer: Al-Maisary, Rauch     

Fragestellung des Projekts    

Klappenerhaltende chirurgische Therapien zählen zu den bevorzugten Behandlungsformen bei Patienten mit Mitralinsuffizienzen. Zur optimalen Operationsplanung und -durchführung ist eine genaue Einschätzung der pathologischen Randbedingungen erforderlich. Moderne 3D-Echokardiografieverfahren haben das Potential, verschiedene, ausschlaggebende Parameter auf einfache, schnelle und kostengünstige Weise zu messen. In diesem Projekt sollen neue diagnostische Parameter zur Analyse von transthorakalen (TTE) und transösophagealen (TEE) 3D-Echokardiographieaufnahmen entwickelt und evaluiert werden. Ziel ist hierbei die Demonstration der klinischen Relevanz durch Vergleich der erhobenen Parameter mit Standardmethoden. 

Ziele, Arbeitsprogramm und Methoden

Der Mitralklappenapparat besteht aus verschiedenen Strukturen, die zur Einschätzung der Klappenfunktion und zur Klappenrekonstruktionsplanung von Bedeutung sind. Aufgrund der dynamischen Natur dieser Strukturen ist eine Analyse über den gesamten Herzzyklus erstrebenswert, was erst durch neuartige bildgebende Verfahren ermöglicht wird. Ziel des Projekts ist daher die Entwicklung eines dynamischen Mitralklappenmodells, welches zur automatisierten Modellierung der individuellen Pathophysiologie des Patienten herangezogen werden kann. Hierbei sollen der Mitralklappenannulus, die Mitralklappensegel sowie die Papillarmuskeln und Sehnenfäden zur Quantifizierung von Tenting und Prolaps modelliert werden. Neben dem diagnostischen Wert kann ein solches Modell auch als Grundlage zur Erstellung von prädiktiven Klappenmodellen dienen.

Notwendig ist eine weitgehend automatische Erfassung der dynamischen Parameter. Hierzu sollen zunächst Methoden zur zeitlichen Verfolgung der Strukturen auf Basis von adaptierten Blockmatching-Verfahren entwickelt werden. Auf Grundlage einer hinreichenden Anzahl ausgewerteter Datensätze wird eine weitere Automatisierung mittels statistischer Form- und Erscheinungsmodelle untersucht.

Weitere Parameter dienen darüber hinaus zur Beurteilung der Mitralklappeninsuffizienz: 

• die Lokalisation der Pathologie der Mitralklappe (Prolaps, flail leaflet, Verkalkung). Als Goldstandard dient die intraoperative Beurteilung durch den Herzchirurgen
• resultierende Insuffizienzjets vor und nach Rekonstruktion der Klappe
• Parameter zur Beurteilung der Insuffizienz (Regurgitationsvolumina, Vena contracta) 

Ziel ist die Entwicklung von Methoden zur Klassifikation der Pathophysiologie anhand der erhobenen Parameter. Ergänzend hierzu wird durch Erstellung von 3D-Modellen des linken Ventrikels die Planung von Operationen z.B. bei ischämischer Mitralinsuffizienz optimiert und ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Pathophysiologie (Modell des apical tenting bei regionaler Ventrikeldilatation vs. Ringdilatation) ermöglicht. 

Technisches Dissertationsthema

Auf technischer Seite sollen Methoden zur Analyse dynamischer 3D-echokardiographischer Aufnahmen entwickelt werden. Die Herausforderung liegt hierbei in der Automatisierung der Bildauswertung, welche einen wesentlichen Faktor im Hinblick auf klinische Einsetzbarkeit darstellt. Es werden zunächst Methoden zur zeitlichen Verfolgung der relevanten Strukturen auf Basis von adaptierten Blockmatching-Verfahren entwickelt. Herausforderungen stellen die ultraschalltypischen Artefakte und die relativ geringe Größe der Strukturen dar. Die Robustheit des Verfahrens soll durch Nutzung der Randbedingung einer räumlich-zeitlich konsistenten Bewegung erhöht werden. Auf Grundlage einer hinreichenden Anzahl ausgewerteter Datensätzen wird eine Automatisierung auf Basis statistischer Form- und Erscheinungsmodelle untersucht. Die erfassten Parameter werden im Hinblick auf die Pathophysiologie statistisch analysiert. 

Medizinisches Dissertationsthema

Der medizinische Aspekt des Projekts gliedert sich in zwei Teilbereiche. Zum einen werden die bereits verfügbaren und noch zu implementierenden Software-Tools dazu verwendet, um in einer Patientenstudie Zusammenhänge zwischen Parametern der dynamischen Mitralklappe, Pathologien und chirurgischen Therapieoptionen zu ziehen. Zum anderen sollen die Vorteile und Grenzen von Echtzeit-3D-TEE-Verfahren zur intraoperativen Kontrolle von Mitralklappenoperationen gegenüber den Standard-2D-TEE-Verfahren untersucht werden.  

Verknüpfungen von P2 mit anderen Projekten des GRK

• Projekt T2: Modellbasierte Analyse des linken Ventrikels, gemeinsame Ermittlung von Herzparametern
• Projekt P1: Zusammenarbeit bei der Entwicklung der virtuellen Simulationsumgebung  

In Bearbeitung