Die kathetergestützte Aortenklappenimplantation ist als Behandlungsmethode für Hochrisikopatienten mit schwerer Aortenstenose etabliert. Dennoch bleibt sie mit einigen Komplikationen assoziiert, von denen postoperative linksventrikuläre Herzrhythmusstörungen am häufigsten beobachtet wurden. Die Ursache für diese Komplikation wird in einer Blockade der Reizleitenden Faserbündel in der Nähe der Aortenklappe aufgrund der mechanischen Beanspruchung des Gewebes durch den entfalteten Klappenstent gesehen. In dieser Arbeit stellen wir eine Methode zur retrospektiven Analyse der Deformation eines Aortenklappenstents nach Implantation vor, welche dazu dienen soll, die biomechanische Situation an der Aortenwurzel nach der kathetergestützten Aortenklappenimplantation zu untersuchen.
Aufnahme, Interpolationspunkte und Kontrollgitter für einen implantierten Stent werden in Abb. 1 gezeigt. Die einzelnen Kurvensegmente werden mit der Konstruktion von DeCasteljau abgetastet. Auf die so erzeugten Mittellinien der Stentgeometrie wird ein rechtwinkliges Profil aufgebracht, um ein Oberflächenmodell zu erhalten. Interpolation und Oberflächenkonstruktion werden für den entspannten sowie für den deformierten Stent gleichermaßen, d.h. an den gleichen Abtaststellen durchgeführt. Die homologe Konstruktion des entspannten und des deformierten Stentmodells erlaubt eine direkte Punkt-zu-Punkt Zuordnung, was den nachfolgenden Registrierungsschritt stark vereinfacht, in welchem eine starre Transformation bestimmt wird, welche die Summe der Abstandsquadrate über alle Punkte des deformierten, respektive des entspannten, Stents minimiert. Zur Initialisierung werden beide Modelle an ihrem Schwerpunkt und entlang ihrer Hauptachsen ausgerichtet, und anschließend so um die Längsachse rotiert, dass die distalen Ösen übereinstimmen. Danach wird ein lokales Minimum der Summe über die quadrierten Abstände der korrespondierenden Punkte in beiden Modellen gesucht.
Abb. 1: a) Postoperatives CT mit implantiertem MCRS, b) extrahierte Interpolationspunkte, c) Kontrollgitter für Bezier-Interpolation, d) Bezier-Polynome nach Abtastung Der Abstand jedes Punktes im deformierten Modell zu seinem korrespondierenden Punkt im entspannten Modell nach der starren Registrierung definiert nährungsweise die Deformation dieses Oberflächenpunktes infolge der mechanischen Kräfte, die nach der Implantation auf den Stent einwirken (siehe Abb. 2).
Abb. 2: Modelle des entspannten und eines desformierten Stents mit stark aortal ausgeprägter Deformation. 3
Sieben Patientendatensätze standen zur Erprobung des Verfahrens zur Verfügung. In allen sieben Fällen konnte ein Deformationsmodell erzeugt werden. Die gemessenen Deformationen unterschieden sich sowohl im Absolutwert – in einem Fall wurden über 10 mm Deformation gemessen, in einem anderen an keiner Stelle mehr als 5mm – als auch in der Verteilung der Deformation entlang der Längsachse des Stents: Je nach Positionierung des Stents in der Aortenwurzel wurden gleichmäßige Deformationsmuster sowie zum unteren Rand hin (aortal) oder zum oberen Rand hin konzentrierte (ventrikulär) Deformationsmuster beobachtet. In Tabelle 1 sind die Ergebnisse der Deformationsmessung bei allen sieben Patienten zusammengefasst. Bei drei der Patienten wurden postoperativ Herzrhythmusstörungen diagnostiziert, die einen permanenten Herzschrittmacher erforderten. Patient 5 hatte bereits vor der Operation einen permanenten Schrittmacher. Es zeigt sich, dass die drei Patienten mit neuer Schrittmacherindikation eine große maximale Deformität aufweisen. Das Deformationsmuster eignet sich bei der beobachteten Patientengruppe nicht als Prädiktor für eine Schrittmacherindikation.
Patient 2 Patient 3 Patient 4 Patient 5 Patient 6 Patient 7 dmax 7,3 mm 4,9 mm 5,5 mm 8,4 mm 7,6 mm 9,8 mm 10,7 mm Aortal
Ja
Ja Nein Ja
Ja Nein Nein Nein Nein Nein Nein
Ja
Ja Nein Nein
Ja Nein
Schrittmacher?
Nein Nein Nein
Ja * Ja Ja Tabelle 1: Maximale Deformation des MCRS Stents und Deformationsmuster bei 7 Patienten.
Die Analyse der Deformationen und der dahinter stehenden Interaktionskräfte ersetzt noch keine vollständige biomechanische Simulation des Prozesses der Stententfaltung – hierfür wäre eine genaue Kenntnis der Gewebsstrukturen und der biomechanischen Eigenschaften der Gewebe erforderlich. Das vorgestellte Verfahren erlaubt lediglich die Untersuchung der Morphologie des Stents nach Implantation, was nur mittelbare Schlüsse auf die auf den Stent einwirkenden Kräfte (und damit die auf das Gewebe einwirkenden Gegenkräfte) zulässt. Die gezeigte Anwendung des Verfahrens auf nur sieben Patienten bestätigt zwar zunächst die Anfangsvermutung eines Zusammenhangs zwischen großen Deformationen (und damit großen Kräften), kann diesen jedoch aufgrund der begrenzten Fallzahl keinesfalls belegen. Für eine aussagekräftige Analyse dieses Zusammenhangs zwischen der Deformation und beim Patienten beobachteten Komplikationen bedarf es sicher der Untersuchung der Stentdeformation an einem größeren Patientenkollektiv. 5