Nieuwe begeleidingsstrategieën voor endovasculaire katheterisatie: Onderzoek naar het potentieel van stralingsvrije meetmethoden

Coronaire hartziekten zijn het gevolg van plaque-opbouw in de slagaders die het hart van bloed voorzien. Ernstige plaque-ophoping kan leiden tot een volledige verstopping van één of meerdere kransslagaders. Wanneer zo’n verstopping meer dan 3 maanden bestaat spreekt men van chronische totale occlusies (CTO's). Dergelijke obstructies verhogen aanzienlijk het risico op cardiovasculaire problemen. Om CTO's te behandelen ondergaan patiënten een Percutane Coronaire Interventie (PCI). PCI is een minimaal invasieve procedure die bestaat uit het percutaan inbrengen en manipuleren van katheters en voerdraden naar een bepaalde doellocatie. Deze interventie gebeurt onder visuele (tweedimensionale) fluoroscopische begeleiding. Ondanks de aanzienlijke voordelen voor patiënten, stelt PCI de interventie-specialisten bloot aan erg hoge radiactieve straling. In feite de blootstelling is bij de hoogste stralingsdoses over alle medische disciplines. Deze bestraling kan ernstige gezondheidseffecten tot gevolg hebben. Pogingen om deze stralingsblootstelling te verminderen, verslechteren helaas de ergonomie tijdens de procedures. Naast gezondheidsproblemen is het op heden erg moeilijk om een duidelijk inzicht te verkrijgen in hoe de occlusie en catheters en voerdraden juist gepositioneerd zijn tijdens PCI's, dit vanwege de beperkte tweedimensionale visualisatie die fluoroscopie geeft. Dit beperkt het vermogen van clinici om de exacte pathologie van het bloedvat te bepalen en een optimale bewegingsstrategie uit te werken. Huidige begeleidings- en robotkatheterisatiesystemen trachtten deze tekortkomingen te beperken. Ze vertrouwen echter nog steeds op ioniserende straling voor begeleiding, bieden geen nauwkeurige intra-operatieve anatomische informatie en geven beperkte feedback over de vorm en/of locatie van de katheter. Ook ontbreekt het aan morfologische/pathologische informatie over het bloedvat, en zijn aanvullend, lastige en tijdsrovende instellingen bij aanvang van de procedure, zoals co-registratie, vereist.

Deze thesis heeft als doel de ontwikkeling van een innovatief, stralingsvrij,  intra-operatief begeleidingssysteem voor katheterisatieprocedures, in het bijzonder voor (CTO-)PCI. Dankzij dit hulpmiddel kan katheternavigatie versneld uitgevoerd worden en kan de afhankelijkheid van de expertise van de operator in PCI beperkt worden. Een eerste bijdrage bestaat uit een eenvoudig te trainen netwerkarchitectuur voor intravasculaire beeldsegmentatie. Met behulp van een nieuw coderingsschema behandelt dit netwerk onevenwichtige laterale en axiale beeldresoluties. Naast segmentatie maakt een nieuwe encoder de detectie van vasculaire structuren per beeld mogelijk. Evaluatie van drie verschillende datasets toont aan dat de voorgestelde methode het resultaat van alternatieve state-of-the-art segmentatiebenaderingen overtreft. De methode is ook uiterst efficient en produceert duidelijke segmentatiemaskers. Om het inzicht in de situatie te verbeteren en katheternavigatie te verbeteren werd een modelleertechniek opgesteld die het bloedvat in drie dimensies reconstructeerd. De methode geeft  belangrijke kenmerken van de vatgeometrie in de nabijheid van de kathetertip weer en werkt tevens in real-time. Resultaten tonen aan dat het voorgestelde modelleerframework robuuste navigatiekaarten kan opbouwen die gebruikt kunnen worden voor (autonome) katheternavigatie. Ten slotte werd een navigatiestrategie voor veiligere, (semi-)autonome robotkatheterbesturing ontwikkeld. Gebaseerd op het  intra-operatieve 3D-model, werd dit controleschema uitgetest met een actieve stuurbare robotische catheter. De katheter beschikte over een actief distaal segment en werd zowel door een virtueel aortamodel als in een in vitro bloedvatmodel gestuurd. Resultaten bevestigen dat intra-operatieve 3D-model kan worden gebruikt om de robot automatisch en veilig te navigeren.

Deze doctoraatswerk realiseerde vooruitgang in beeldsegmentatie, real-time 3D-bloedvatmodellering en -reconstructie, en robotische katheternavigatie. De methoden werken zonder de patient of de clinicus aan straling te hoeven bloot te stellen. Bovendien, hoewel bedacht en op maat gemaakt voor PCI, kan het hier gepresenteerde werk worden toegepast op andere minimaal invasieve kathetergebaseerde procedures.