Pre-planning platform for subxiphoid punctures in epicardial ablation procedures: 4DCT-based algorithm with cardiac motion compensation

Aim: In the context of subxiphoid epicardial punctures the traditional surgery requires a high level of expertise and lacks a pre-planning to avoid complications. The interplay between the targeted pericardium and cardiac motility is challenging and poorly investigated. The main objective of the thesis was the development of a planning platform for patient-matched epicardial punctures that could integrate key information related to cardiac motion dynamics to ensure working in a safety regime. Methods: A motion analysis was performed on an input ECG gated 4DCT dataset using 3D Slicer software. CT images were segmented considering diastolic time frame. Deformable image registration (DIR) was applied between diastolic and systolic frames and then iterated to span over the whole cardiac sequence. A subsequent investigation of superficial distances between myocardium and pericardium was carried out to identify a robust metric representing a pre-procedural risk factor for myocardial perforation (Ri). For the development of the planning platform, a comprehensive algorithm was elaborated to isolate risk-free trajectories for epicardial punctures that avoid sensitive organs and do not exceed the length of the needle, while ensuring a minimum safety distance from critical anatomical structures. DIR transform was integrated to predict maximum shifts along trajectory’s direction once a final trajectory is selected. Results: DIR algorithm’s accuracy proved to be reliable according to standard metrics. Ri were bounded between 7 and 8 mm and might represent a suitable parameter to estimate the pre-procedural risk of myocardial puncture. The platform proved to run efficiently and allowed to compute safe trajectories together with key measurements in terms of length, angular inclination, critical distance from myocardium and predicted pericardial shift. Conclusions: The integrated pre-procedural planning platform developed represents an innovative product with good practical potentialities. Given the limitation of the unique 4DCT dataset analyzed, a tailored phantom study is already in progress for a practical validation.

Obiettivi: Nel contesto di punture epicardiche subxifoidee la chirurgia tradizionale richiede un alto livello di competenza tecnica e manca di una pianificazione paziente-specifica per ridurre il rischio di complicazioni. Il moto del target cardiaco è un altro aspetto critico che non è sufficientemente investigato. L’obiettivo principale della tesi è lo sviluppo di una piattaforma di pianificazione per punture epicardiche personalizzate che possa integrare informazioni relative alla dinamica del moto cardiaco ai fini di una guida in sicurezza. Metodi: Un’analisi di movimento è stata condotta a partire da una sequenza cardiaca di 4DCT tramite il software 3D Slicer. Le immagini sono state segmentate considerando il frame diastolico. Il metodo di registrazione di immagini deformabile (DIR) è stato applicato tra i frame diastolici e sistolici e quindi iterato sull’intera sequenza cardiaca. È stata in seguito effettuata un’indagine di distanze superficiali tra miocardio e pericardio al fine di identificare una metrica robusta che rappresentasse un fattore di rischio pre-procedurale di perforazione miocardica (Ri). Per la realizzazione di una piattaforma di pianificazione è stato elaborato un algoritmo in grado di isolare traiettorie per punture epicardiche che non incidano organi sensibili e che non eccedano la lunghezza dell’ago di puntura, con l’ulteriore rispetto di una minima distanza di sicurezza da strutture anatomiche critiche. La trasformata DIR è stata poi integrata per predire i massimi spostamenti pericardici una volta selezionata una traiettoria finale. Risultati: Secondo metriche standard la trasformata DIR si è dimostrata accurata per l’applicazione specifica. Il fattore Ri, privo di ampie oscillazioni, ha il potenziale di stimare il rischio pre-procedurale di puntura miocardica. La piattaforma ha dimostrato di funzionare efficientemente per il calcolo di traiettorie d’inserzione con associata misurazione di lunghezza, inclinazione angolare, distanza critica da tessuto miocardico e massimo spostamento pericardico. Conclusioni: La piattaforma di pianificazione integralmente sviluppata rappresenta un prodotto innovativo con buone potenzialità di applicazione. Considerate le limitazioni del singolo dataset 4DCT analizzato, ai fini di una validazione pratica in termini di analisi di accuratezza è preventivato uno studio su phantom.