Development of computational tools for the quantitative characterization of the mitral valve using three-dimensional ultrasound data

Valvular heart disease is a growing public health issue, and mitral valve (MV) disease is one of the most common disorders in the industrialized countries, with mitral regurgitation (MR) being one of the most common pathologies. To establish the severity of the disease, the quantification of the MV morphology and function is a key step in the clinical assessment of patients with MV disease. Conventionally, this assessment has been performed using ultrasound, in particular two-dimensional echocardiography. The recent advent of three-dimensional echocardiography (3DE) potentially allows a more accurate and reliable assessment of MV disease. In spite of these developments, proper image processing and computational geometry methods are necessary to fully exploit the information contained in the 3DE ultrasound datasets, to allow the detailed morphological characterization of the MV and the quantitative assessment of patients with MR. In this work, new computational tools for the detailed morphological characterization of the MV from 3DE datasets have been developed and validated with manual tracings. Moreover, their clinical applicability in terms of evaluation of patients with different pathologies has been preliminary explored. By applying novel image processing and computational geometry techniques, the developed algorithms allow a more repeatable and reliable quantitative assessment of the MV morphology, and at the same time they reduce the time required for user interaction. Their potential applicability to the evaluation of the tricuspid and aortic valves will also be discussed.

La cardiopatia valvolare, nelle sue forme che colpiscono la valvola mitrale, rappresenta la patología più comune nei paesi industrializzati, con un peso crescente sulla spesa sanitaria pubblica. In particolare nella insufficienza mitralica, la quantificazione della funzione e della morfologia della valvola mitrale rappresenta un passo fondamentale sia nella fase diagnostica che nella valutazione longitudinale. La metodica di elezione è costituita dalla ecocardiografía bidimensionale. Tuttavia, gli enormi sviluppi tecnologici raggiunti nell’ultimo decennio con lo sviluppo della ecocardiografia tridimensionale (E3D) sia transtoracica che transesofagea, consentono oggi di ottenere immagini in grado di consentiré una valutazione più accurata della morfologia e della dinámica della valvola mitrale. A dispetto degli sviluppi nell’imaging, approcci quantitativi 3D che consentano, tramite tecniche di elaborazione di immagini o geometría computazionale, di sfruttare appieno il contenuto informativo dei nuovi dati E3D per per la caratterizzazione dettagliata della morfologia valvolare e del eventuale rigurgito, sono al momento limitati. Questo lavoro descrive lo sviluppo di nuovi metodi computazionali che consentano la quantificazione morfologica della valvola mitrale (annulus e lembi) e del rigurgito associato alla valvola prolassante, a partire da immagini E3D, con un minimo intervento da parte dell’utente, così da garantire sia accuratezza che ripetibilità nei risultati in un tempo limitato. Una prima validazione dei metodi sviluppati è stata effettuata considerando come riferimento gold standard il tracciamento manuale. La applicabilità clinica dei nuovi algoritmi è stata verificata tramite l’analisi di pazienti con diversi patologie che comportassero una variazione morfologica dell’annulus e dei lembi valvolari. Il potenziale utilizzo delle metodiche sviluppate per lo studio morfologico delle valvove tricuspide e aortica è stato preliminarmente esplorato.