Volumetric three-dimensional intravascular ultrasound visualization using shape-based nonlinear interpolation

BACKGROUND: Intravascular ultrasound (IVUS) is a standard imaging modality for identification of plaque formation in the coronary and peripheral arteries. Volumetric three-dimensional (3D) IVUS visualization provides a powerful tool to overcome the limited comprehensive information of 2D IVUS in terms of complex spatial distribution of arterial morphology and acoustic backscatter information. Conventional 3D IVUS techniques provide sub-optimal visualization of arterial morphology or lack acoustic information concerning arterial structure due in part to low quality of image data and the use of pixel-based IVUS image reconstruction algorithms. In the present study, we describe a novel volumetric 3D IVUS reconstruction algorithm to utilize IVUS signal data and a shape-based nonlinear interpolation. METHODS: We developed an algorithm to convert a series of IVUS signal data into a fully volumetric 3D visualization. Intermediary slices between original 2D IVUS slices were generated utilizing the natural cubic spline interpolation to consider the nonlinearity of both vascular structure geometry and acoustic backscatter in the arterial wall. We evaluated differences in image quality between the conventional pixel-based interpolation and the shape-based nonlinear interpolation methods using both virtual vascular phantom data and in vivo IVUS data of a porcine femoral artery. Volumetric 3D IVUS images of the arterial segment reconstructed using the two interpolation methods were compared. RESULTS: In vitro validation and in vivo comparative studies with the conventional pixel-based interpolation method demonstrated more robustness of the shape-based nonlinear interpolation algorithm in determining intermediary 2D IVUS slices. Our shape-based nonlinear interpolation demonstrated improved volumetric 3D visualization of the in vivo arterial structure and more realistic acoustic backscatter distribution compared to the conventional pixel-based interpolation method. CONCLUSIONS: This novel 3D IVUS visualization strategy has the potential to improve ultrasound imaging of vascular structure information, particularly atheroma determination. Improved volumetric 3D visualization with accurate acoustic backscatter information can help with ultrasound molecular imaging of atheroma component distribution

Segmentation d’images intravasculaires ultrasonores

L'imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technologie médicale par cathéter qui produit des images de coupe des vaisseaux sanguins. Elle permet de quantifier et d'étudier la morphologie de plaques d'athérosclérose en plus de visualiser la structure des vaisseaux sanguins (lumière, intima, plaque, média et adventice) en trois dimensions. Depuis quelques années, cette méthode d'imagerie est devenue un outil de choix en recherche aussi bien qu'en clinique pour l'étude de la maladie athérosclérotique. L'imagerie IVUS est par contre affectée par des artéfacts associés aux caractéristiques des capteurs ultrasonores, par la présence de cônes d'ombre causés par les calcifications ou des artères collatérales, par des plaques dont le rendu est hétérogène ou par le chatoiement ultrasonore (speckle) sanguin. L'analyse automatisée de séquences IVUS de grande taille représente donc un défi important. Une méthode de segmentation en trois dimensions (3D) basée sur l'algorithme du fast-marching à interfaces multiples est présentée. La segmentation utilise des attributs des régions et contours des images IVUS. En effet, une nouvelle fonction de vitesse de propagation des interfaces combinant les fonctions de densité de probabilité des tons de gris des composants de la paroi vasculaire et le gradient des intensités est proposée. La segmentation est grandement automatisée puisque la lumière du vaisseau est détectée de façon entièrement automatique. Dans une procédure d'initialisation originale, un minimum d'interactions est nécessaire lorsque les contours initiaux de la paroi externe du vaisseau calculés automatiquement sont proposés à l'utilisateur pour acceptation ou correction sur un nombre limité d'images de coupe longitudinale. La segmentation a été validée à l'aide de séquences IVUS in vivo provenant d'artères fémorales provenant de différents sous-groupes d'acquisitions, c'est-à-dire pré-angioplastie par ballon, post-intervention et à un examen de contrôle 1 an suivant l'intervention. Les résultats ont été comparés avec des contours étalons tracés manuellement par différents experts en analyse d'images IVUS. Les contours de la lumière et de la paroi externe du vaisseau détectés selon la méthode du fast-marching sont en accord avec les tracés manuels des experts puisque les mesures d'aire sont similaires et les différences point-à-point entre les contours sont faibles. De plus, la segmentation par fast-marching 3D s'est effectuée en un temps grandement réduit comparativement à l'analyse manuelle. Il s'agit de la première étude rapportée dans la littérature qui évalue la performance de la segmentation sur différents types d'acquisition IVUS. En conclusion, la segmentation par fast-marching combinant les informations des distributions de tons de gris et du gradient des intensités des images est précise et efficace pour l'analyse de séquences IVUS de grandes tailles. Un outil de segmentation robuste pourrait devenir largement répandu pour la tâche ardue et fastidieuse qu'est l'analyse de ce type d'images.Intravascular ultrasound (IVUS) is a catheter based medical imaging technique that produces cross-sectional images of blood vessels. These images provide quantitative assessment of the vascular wall, information about the nature of atherosclerotic lesions as well as the plaque shape and size. Over the past few years, this medical imaging modality has become a useful tool in research and clinical applications, particularly in atherosclerotic disease studies. However, IVUS imaging is subject to catheter ring-down artifacts, missing vessel parts due to calcification shadowing or side-branches, heterogeneously looking plaques and ultrasonic speckle from blood. The automated analysis of large IVUS data sets thus represents an important challenge. A three-dimensional segmentation algorithm based on the multiple interface fast-marching method is presented. The segmentation is based on region and contour features of the IVUS images: a new speed fonction for the interface propagation that combines the probability density functions (PDFs) of the vessel wall components and the intensity gradients is proposed. The segmentation is highly automated with the detection of the lumen boundary that is fully automatic. Minimal interactions are necessary with a novel initialization procedure since initial contours of the external vessel wall border are also computed automatically on a limited number of longitudinal images and then proposed to the user for acceptance or correction. The segmentation method was validated with in-vivo IVUS data sets acquired from femoral arteries. This database contained 3 subgroups: pullbacks acquired before balloon angioplasty, after the intervention and at a 1 year follow-up examination. Results were compared with validation contours that were manually traced by different experts in IVUS image analysis. The lumen and external wall boundaries detected with the fast-marching method are in agreement with the experts' manually traced contours with similarly found area measurements and small point-to-point contour differences. In addition, the 3D fast-marching segmentation method dramatically reduced the analysis time compared to manual tracing. Such a valdiation study, with comparison between pre- and post-intervention data, has never been reported in the IVUS segmentation literature. In conclusion, the fast-marching method combining the information on the gray level distributions and intensity gradients of the images is precise and efficient to analyze large IVUS sequences. It is hoped that the fast-marching method will become a widely used tool for the fastidious and difficult task of IVUS image processing

Intravascular Ultrasound

Intravascular ultrasound (IVUS) is a cardiovascular imaging technology using a specially designed catheter with a miniaturized ultrasound probe for the assessment of vascular anatomy with detailed visualization of arterial layers. Over the past two decades, this technology has developed into an indispensable tool for research and clinical practice in cardiovascular medicine, offering the opportunity to gather diagnostic information about the process of atherosclerosis in vivo, and to directly observe the effects of various interventions on the plaque and arterial wall. This book aims to give a comprehensive overview of this rapidly evolving technique from basic principles and instrumentation to research and clinical applications with future perspectives

Suivi des vaisseaux sanguins en temps réel à partir d’images ultrasonores mode-B et reconstruction 3D : application à la caractérisation des sténoses artérielles

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain.Locating and quantifying stenosis length and severity are essential for planning adequate treatment of peripheral arterial disease (PAD). To do this, clinicians use imaging methods such as ultrasound (US), Magnetic Resonance Angiography (MRA) and Computed Tomography Angiography (CTA). However, US examination cannot provide maps of entire lower limb arteries in 3D, MRA is expensive and invasive, CTA is ionizing and also invasive. We propose a new 3D-US robotic system with B-mode images, which is non-ionizing, non-invasive, and is able to track and reconstruct in 3D the superficial femoral artery from the iliac down to the popliteal artery, in real time. In vitro, 3D-US reconstruction was evaluated for simple and complex geometries phantoms in comparison with their computer-aided-design (CAD) file in terms of lengths, cross sectional areas and stenosis severity. In addition, for the phantom with a complex geometry, an evaluation was realized using Hausdorff distance, cross-sectional area and stenosis severity in comparison with 3D reconstruction with CTA. A mean Hausdorff distance of 0.97± 0.46 mm was found for 3D-US compared to 3D-CTA vessel representations. In vitro investigation to evaluate stenosis severity when compared with the original phantom CAD file showed that 3D-US reconstruction, with 3%-6% error, is better than 3D-CTA reconstruction, with 4-13% error. The in vivo system’s feasibility to reconstruct a normal femoral artery segment of a volunteer was also investigated. All of these promising results show that our ultrasound robotic system is able to track automatically the vessel and reconstruct it in 3D as well as CTA. Clinically, our system will allow firstly to the radiologist to have 3D images readily interpretable and secondly, to avoid radiation and contrast agent for patients

Avaliação por tomografia computadorizada da aurícula esquerda e veias pulmonares — contexto anátomo-­‐clínico

RESUMO: A Aurícula Esquerda é uma câmara cardíaca com origem embriológica complexa que apresenta contributo prognóstico independente em diversas situações clínicas. É nela que tem origem a arritmia cardíaca crónica mais prevalente, a Fibrilhação Auricular, que afeta 2,5% dos portugueses com mais de 40 anos. A fibrilhação auricular apresenta relevante morbi-mortalidade per se e pela frequente associação a terapêutica anti-agregante ou anti-coagulante. A Ablação Percutânea da fibrilhação auricular é um tratamento com crescente aplicabilidade, seguro, com bons resultados globais, mas com taxas de recidiva a longo prazo relativamente altas. É habitualmente precedido da realização de exame de tomografia computorizada cardíaca para avaliação anatómica e, por vezes, com intuito de excluir trombo intra-cavitário. A informação contida no exame de TC quer anatómica quer funcional poderá ter relevância prognóstica e ajudar a uma escolha otimizada dos doentes que irão beneficiar mais do tratamento, potenciando o binómio custo-benefício. A TC cardíaca para avaliação coronária tem assistido a um enorme aumento de utilização apropriada, sendo considerada por algumas sociedades o exame de primeira linha para avaliação do doente com dor torácica estável de possível etiologia cardíaca. Estima-se que a aplicação destas guidelines condicione um crescimento de cerca de 600% no número destes exames. A evolução tecnológica que acompanhou o desenvolvimento destas técnicas de TC cardíaca permite, hoje, a avaliação das coronárias na grande maioria dos casos com informação obtida apenas em fase médio- -diastólica (cerca de 70% do intervalo entre onda R (RR)). A ausência de informação telesistólica e telediastólica não permite a avaliação funcional cardíaca. A avaliação 18 | AVALIAÇÃO POR TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA DA AURÍCULA ESQUERDA E VEIAS PULMONARES dimensional das câmaras cardíacas fica igualmente condicionada pela inexistência de normogramas para essa fase do ciclo cardíaco (70% do RR). Neste contexto, foi possível desenvolver um normograma do volume da aurícula esquerda em fase médio-diastólica. Confirmámos uma boa correlação entre os volumes obtidos a 70% do intervalo RR e os volumes máximos, e criámos uma regressão para obter o volume máximo da aurícula esquerda com base no diâmetro axial máximo e altura máxima em plano sagital avaliado a 70% do intervalo RR. Esta regressão permite, de forma eficiente e sem necessidade de software dedicado, fazer a avaliação quantitativa da aurícula esquerda na maioria dos exames de coronariografia por TC, inclusive naqueles que, por utilizarem tecnologia mais recente, adquirem informação apenas na fase medio-diastólica. A aplicabilidade deste normograma a doentes com FA foi testada, tendo permitido identificar todos os doentes com FA que tinham dilatação da AEsq. Descobrimos um marcador anatómico (o padrão de drenagem das veias pulmonares à direita) com relevância significativa e independente na taxa de recidiva após ablação percutânea da fibrilhação auricular. Identificámos fatores identificáveis na TC cardíaca, efetuada em contexto prévio à ablação de FA, que se correlacionam com o score de risco de eventos embólicos CHA2DS2VASc, lançando assim os fundamentos para um eventual score incluindo parâmetros clínicos e imagiológicos. Por fim, analisámos a otimização do protocolo e a qualidade de imagem dos exames de TC cardíaca realizados num contexto pré-ablação e foi possível descrever um protocolo, com doses de radiação submilisivert e sem condicionar a qualidade de imagem

Libro de actas. XXXV Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica

596 p.CASEIB2017 vuelve a ser el foro de referencia a nivel nacional para el intercambio científico de conocimiento, experiencias y promoción de la I D i en Ingeniería Biomédica. Un punto de encuentro de científicos, profesionales de la industria, ingenieros biomédicos y profesionales clínicos interesados en las últimas novedades en investigación, educación y aplicación industrial y clínica de la ingeniería biomédica. En la presente edición, más de 160 trabajos de alto nivel científico serán presentados en áreas relevantes de la ingeniería biomédica, tales como: procesado de señal e imagen, instrumentación biomédica, telemedicina, modelado de sistemas biomédicos, sistemas inteligentes y sensores, robótica, planificación y simulación quirúrgica, biofotónica y biomateriales. Cabe destacar las sesiones dedicadas a la competición por el Premio José María Ferrero Corral, y la sesión de competición de alumnos de Grado en Ingeniería biomédica, que persiguen fomentar la participación de jóvenes estudiantes e investigadores