Automatic tracking of heart valves using time-resolved three-dimensional phase-contrast MRI (4D PC-MRI). Preliminary studies and feasibility evaluation

Worldwide, cardiovascular disease (CVD) imposes a huge burden in terms of mortality, morbidity, disability, functional decline, and healthcare cost. In light of the projected growth of the ageing population over the next several decades, the societal concern attributable to CVD will continue to rise. There is thus an enormous need to foster successful tools able to help physicians in the diagnose and treatment of such pathologies. In this context, the flow measurements have been successfully used to quantify congenital heart diseases, pulmonary arterial diseases, thoracic aortic diseases and valvular heart diseases. Indeed, the latter have been the focus of this work which aims at evaluating the feasibility of a 3D semi-automatic method for the valvular planes tracking. The benefits of an accurate flow estimation have been largely demonstrated, and the numerous software applications developed in the last years to carry out this task with less and less user intervention have shown the need for more reliable and automatic tools. These reasons, together with the awareness of the limits of a manual valve displacement assessment in two dimensions, have driven to the accomplishment of this challenging project which aims at developing a three dimensional technique to semi automatically track the heart valves using only 4D PC-MRI. On one hand, this approach could reduce the amount of data to be acquired, and consequently avoid the mapping operation between anatomical (Cine Images) and ow (4D PC-MRI) data, which can be a source of further errors. On the other hand, a semi automatic method would reduce user dependency and the required time, allowing to adopt this technique in the clinical routine. Moreover, the adoption of volumetric data can overcome the limits linked to a valve tracking performed using two dimensional data, considering also the out-of-plane valve excursion occurring during the cardiac cycle. For these reasons, at the best of the author's knowledge, this work positions itself as innovative for the kind of data adopted, where the focus of the project was to understand the feasibility of such proposed method and to evaluate its outcome with respect to the two dimensional approach currently available, on a population of both patients and volunteers. After a pre-processing step aimed at successfully identifying the ROI representing the heart position inside the acquired volume, using an hybrid level-set method, two approaches for the heart valves tracking have been implemented and tested. The former, based on template matching technique, provided promising results and thus was further investigated and compared to the 2D approach. The latter, which made use of the non-rigid registration theory, was instead excluded due to its unsatisfying outcome and long computational time (>20 min). The proposed 3D method showed encouraging results with respect to its ability to track the valvular planes using only the magnitude data of 4D PC-MRI, especially referring to the aortic, mitral and tricuspid valve, and requiring a computational time < 20 s per valve. Notwithstanding, a comparison with the 2D commercially available software demonstrated that the 3D approach is still premature and need further advances to replace the current standard. However, the progresses in the 4D PC-MRI technique, together with the improvements that could be implemented in the presented method, encourage to continue the investigations and developments of the proposed approach.

Oggigiorno le malattie cardiovascolari sono un enorme onere a carico dei sistemi sanitari a causa dell'alto tasso di mortalità e morbilità che le caratterizza, e dal declino funzionale che sperimentato i soggetti che ne vengono colpiti. In vista dell'aumento dell'età media della popolazione mondiale nei prossimi decessi, l'interessamento verso queste patologie è sempre più crescente. Vi è perciò la profonda necessità di promuovere efficaci strumenti in grado di aiutare i medici nella diagnosi e nel trattamento di quest'ultime. In questo contesto, le misure del flusso sanguigno sono state sempre più utilizzate con successo per quantificare malformazioni cardiache congenite, malattie riguardanti le arterie polmonari, patologie dell'aorta toracica e valvulopatie. Proprio quest'ultime sono state il fulcro del presente lavoro che ha lo scopo di verificare la fattibilità di un metodo tridimensionale semi-automatico per il tracking dei piani valvolari. I benefici di una stima accurata del flusso sono già stati ampiamente dimostrati, e i numerosi software sviluppati negli ultimi anni per eseguire quest'operazione con una sempre minore interazione da parte dell'utilizzatore, hanno mostrato la necessità di implementare applicazioni più affidabili e che possano raggiungere il risultato desiderato in maniera più automatica. Questi motivi, insieme alla consapevolezza dei limiti legati ad un'analisi manuale degli spostamenti valvolari in due dimensioni, hanno spinto alla realizzazione di questo progetto che ha lo scopo di sviluppare una tecnica tridimensionale per eseguire in una modalità semi-automatica il tracking delle valvole cardiache utilizzando esclusivamente immagini 4D PC-MRI. Da una parte, quest'approccio ridurrebbe la quantità di dati da dover acquisire e conseguentemente eviterebbe la registrazione tra dati anatomici (Cine MRI) e dati contenenti informazioni riguardanti il flusso (4D PC-MRI), operazione che può essere ulteriore fonte di errori. Dall'altra, un metodo semi-automatico ridurrebbe la dipendenza dall'utente ed il tempo necessario, permettendo di adottare questa tecnica nella quotidiana routine clinica. Inoltre, l'utilizzo di dati volumetrici può superare i limiti legati ad un tracking delle valvole eseguito impiegando dati 2D, in quanto capace di considerare anche l'escursione fuori dal piano che la valvola subisce durante il ciclo cardiaco. Dal momento che questo lavoro si configura come innovativo per la scelta dei dati utilizzati, il fulcro del progetto è stato quello di comprendere la fattibilità del metodo proposto e valutarne il risultato rispetto all'attuale approccio bidimensionale considerando una popolazione formata sia da soggetti sani che da pazienti. Dopo una fase di pre-processamento dei dati, che aveva lo scopo di identificare la regione di interesse, il cuore, e che è stata eseguita con il metodo chiamato ``hybrid level-set'', due metodi per il tracking delle valvole cardiache sono stati implementati e testati. Il primo, basato sulla tecnica del template matching, ha fornito risultati promettenti e per questo è stato ulteriormente approfondito e confrontato con l'approccio 2D. Il secondo, che faceva uso della teoria della registrazione non-rigida, è stato invece scartato a causa dell'insoddisfacente risultato e dell'oneroso tempo computazionale richiesto (>20 min). Il metodo tridimensionale proposto ha invece mostrato incoraggianti risultati rispetto alla sua capacità di tracciare i piani valvolari usando solamente il modulo della velocità delle immagini 4D PC-MRI, in particolar modo per quanto riguarda la valvola aortica, la mitrale e la tricuspide, con un tempo computazionale inferiore ai 20 s per ciascuna valvola. Nonostante ciò, un confronto con il software attualmente disponibile e che implementa un approccio 2D ha dimostrato che è ancora prematuro per il metodo 3D prendere il posto dell'attuale e necessita perciò di ulteriori miglioramenti. I progressi nella tecnica 4D PC-MRI, insieme ai miglioramenti implementabili nel metodo qui presentato, incoraggiano però a continuarne lo studio e lo sviluppo.