A framework for intra-modality image fusion applied to Cardiac Magnetic Resonance imaging of the Left Ventricle and 3D Transesophageal Echocardiography of the descending Aorta

Recent advances in imaging technology have enabled the non-invasive study of the heart, the valves and the vascular system. Among different available techniques, cardiac magnetic resonance (CMR) imaging and three-dimensional (3D) echocardiography have gained popularity in the clinical scenario, because of their advantages over ionizing or invasive techniques, allowing to assess both anatomy and function of the cardiovascular system. This PhD work represents a contribution towards the development of procedures for the joint analysis of cardiovascular images, allowing for the combined analysis of intra-modal information coming from the main non-invasive and widely used cardiovascular imaging techniques, i.e. CMR and 3D echocardiography. Two research areas are presented, each focused singularly on CMR for the study of the left ventricle (LV) and on 3D echocardiography for the study of the descending thoracic aorta.In the first, methods for the 3D assessment of the functionality and the anatomy of the LV are proposed by analyzing and combining the cine and late Gadolinium enhancement (LGE) CMR images, acquired in the clinical routine. The described tool allows for the joint three-dimensional analysis of myocardial local mechanics from cine CMR and myocardial viability from LGE CMR images, in a common and patient-specific reference system. This combined information is of established importance for the diagnosis and treatment of cardiomyopathies, allowing to distinguish between reversible and irreversible injured myocardium. Surgical procedures such as revascularization or resynchronization strategies potentially benefit from the knowledge of the exact location of these regions within the LV, as they are significantly related to the likelihood of improvement of contractility after surgery. In the second contribution, the employment of real-time 3D trans-esophageal echocardiography (TEE) is investigated in its ability to image the descending thoracic aorta. The identification and characterization of aortic lesions is recognized to be clinically relevant, as the presence of aortic plaques is an independent risk factor for stroke and peripheral embolization, being also associated with carotid, coronary and renal artery disease. TEE technology is a suitable tool for assessing aortic atherosclerosis, being routinely performed on patients to identify cardiac sources of emboli and during cardiac surgery to guide the introduction of the cannula into the aorta to prevent peri-procedural plaque embolization. In this scenario, a comprehensive procedure for the reconstruction of the descending thoracic aorta from contiguous 3D TEE images based on an ad hoc acquisition protocol and dedicated post-processing is proposed. In clinical settings, its application could allow quantitative assessment of atheromatous burden in the descending aorta from 3D TEE images.

I recenti progressi tecnologici dei sistemi di imaging permettono di studiare in modo non invasivo il cuore, le valvole cardiache e il sistema vascolare. Tra le diverse tecniche disponibili, la risonanza magnetica cardiaca (CMR) e l’ecocardiografia tridimensionale (3D) sono ampiamente utilizzate nella pratica clinica, in quanto consentono di valutare non invasivamente e senza l’utilizzo di radiazioni ionizzanti sia l'anatomia che la funzionalità del sistema cardiovascolare. Questo lavoro di dottorato rappresenta un contributo tecnologico verso lo sviluppo di procedure per l'analisi combinata di immagini cardiovascolari, consentendo la fusione di informazioni intra-modali provenienti dalle principali tecniche non invasive di imaging cardiovascolare: CMR e ecocardiografia 3D. Due temi di ricerca sono presentati, focalizzati rispettivamente sullo studio del ventricolo sinistro tramite CMR e dell'aorta toracica discendente tramite ecocardiografia 3D. Nel primo approccio, vengono proposti metodi per la valutazione della funzionalità 3D e l'anatomia del ventricolo sinistro, analizzando e combinando le acquisizioni CMR dinamiche e late Gadolinium enhanced (LGE), acquisite nella routine clinica. La strategia descritta permette l'analisi tridimensionale congiunta della contrattilità locale del miocardio dalle immagini dinamiche e della presenza di tessuto fibrotico nel miocardio dalle immagini LGE, in un sistema di riferimento comune e paziente-specifico. Questa informazione combinata è di particolare importanza per la diagnosi e il trattamento delle cardiomiopatie, in quanto permette di distinguere tra lesioni del miocardio reversibili e irreversibili. Procedure chirurgiche come la rivascolarizzazione o la resincronizzazione cardiaca potenzialmente beneficiano della conoscenza della posizione esatta di queste regioni all'interno del ventricolo sinistro, in quanto sono significativamente correlate alla probabilità di successo dell'intervento chirurgico. Nel secondo tema affrontato, viene investigato l'utilizzo dell’ ecocardiografia 3D trans-esofagea (TEE) per l’acquisizione dell'aorta toracica discendente. L'identificazione e la caratterizzazione delle lesioni aortiche è un problema clinicamente rilevante, in quanto la presenza di placche aortiche è un fattore indipendente di rischio per ictus ed eventi embolici, ed è inoltre associato con patologie carotidee, coronariche e renali. La tecnologia TEE è uno strumento adeguato per valutare l'aterosclerosi aortica, in quanto viene utilizzata per identificare le possibili fonti di embolie e durante la chirurgia cardiaca per guidare l'introduzione della cannula nell'aorta, al fine di evitare embolie periprocedurali. In questo scenario, viene proposto e descritto un approccio completo per la ricostruzione morfologica dell'aorta toracica discendente da immagini 3D TEE contigue, basato su un protocollo di acquisizione ad hoc e algoritmi di post-processing dedicati. In ambito clinico, l’applicazione di questa strategia potrebbe consentire la valutazione quantitativa della diffusione di placche aortiche nel tratto toracico discendente tramite TEE.