Left ventricle functional analysis from coronary CT angiography

Abstract

Coronary CT angiography is widely used in clinical practice for the assessment of coronary artery disease. Several studies have shown that the same exam can also be used to assess left ventricle (LV) function. LV function is usually evaluated using just the data from end-systolic and end-diastolic phases even though coronary CT angiography (CTA) provides data concerning multiple cardiac phases, along the cardiac cycle. This unused wealth of data, mostly due to its complexity and the lack of proper tools, has still to be explored in order to assess if further insight is possible regarding regional LV functional analysis. Furthermore, different parameters can be computed to characterize LV function and while some are well known by clinicians others still need to be evaluated concerning their value in clinical scenarios. The work presented in this thesis covers two steps towards extended use of CTA data: LV segmentation and functional analysis. A new semi-automatic segmentation method is presented to obtain LV data for all cardiac phases available in a CTA exam and a 3D editing tool was designed to allow users to fine tune the segmentations. Regarding segmentation evaluation, a methodology is proposed in order to help choose the similarity metrics to be used to compare segmentations. This methodology allows the detection of redundant measures that can be discarded. The evaluation was performed with the help of three experienced radiographers yielding low intraand inter-observer variability. In order to allow exploring the segmented data, several parameters characterizing global and regional LV function are computed for the available cardiac phases. The data thus obtained is shown using a set of visualizations allowing synchronized visual exploration. The main purpose is to provide means for clinicians to explore the data and gather insight over their meaning, as well as their correlation with each other and with diagnosis outcomes. Finally, an interactive method is proposed to help clinicians assess myocardial perfusion by providing automatic assignment of lesions, detected by clinicians, to a myocardial segment. This new approach has obtained positive feedback from clinicians and is not only an improvement over their current assessment method but also an important first step towards systematic validation of automatic myocardial perfusion assessment measures.

A angiografia coronária por TC (angio-TC) é prática clínica corrente para a avaliação de doença coronária. Alguns estudos mostram que é também possível utilizar o exame de angio-TC para avaliar a função do ventrículo esquerdo (VE). A função ventricular esquerda (FVE) é normalmente avaliada considerando as fases de fim de sístole e de fim de diástole, apesar de a angio-TC proporcionar dados relativos a diferentes fases distribuídas ao longo do ciclo cardíaco. Estes dados não considerados, devido à sua complexidade e à falta de ferramentas apropriadas para o efeito, têm ainda de ser explorados para que se perceba se possibilitam uma melhor compreensão da FVE. Para além disso, podem ser calculados diferentes parâmetros para caracterizar a FVE e, enquanto alguns são bem conhecidos dos médicos, outros requerem ainda uma avaliação do seu valor clínico. No âmbito de uma utilização alargada dos dados proporcionados pelos angio- TC, este trabalho apresenta contributos ao nível da segmentação do VE e da sua análise funcional. É proposto um método semi-automático para a segmentação do VE de forma a obter dados para as diferentes fases cardíacas presentes no exame de angio- TC. Foi também desenvolvida uma ferramenta de edição 3D que permite aos utilizadores a correcção das segmentações assim obtidas. Para a avaliação do método de segmentação apresentado foi proposta uma metodologia que permite a detecção de medidas de similaridade redundantes, a usar no âmbito da avaliação para comparação entre segmentações, para que tais medidas redundantes possam ser descartadas. A avaliação foi executada com a colaboração de três técnicos de radiologia experientes, tendo-se verificado uma baixa variabilidade intra- e inter-observador. De forma a permitir explorar os dados segmentados, foram calculados vários parâmetros para caracterização global e regional da FVE, para as diversas fases cardíacas disponíveis. Os resultados assim obtidos são apresentados usando um conjunto de visualizações que permitem uma exploração visual sincronizada dos mesmos. O principal objectivo é proporcionar ao médico a exploração dos resultados obtidos para os diferentes parâmetros, de modo a que este tenha uma compreensão acrescida sobre o seu significado clínico, assim como sobre a correlação existente entre diferentes parâmetros e entre estes e o diagnóstico. Finalmente, foi proposto um método interactivo para ajudar os médicos durante a avaliação da perfusão do miocárdio, que atribui automaticamente as lesões detectadas pelo médico ao respectivo segmento do miocárdio. Este novo método obteve uma boa receptividade e constitui não só uma melhoria em relação ao método tradicional mas é também um primeiro passo para a validação sistemática de medidas automáticas da perfusão do miocárdio.