Image Processing for Fluoroscopy Guided Atrial Fibrillation Ablation Procedures

Bildverarbeitung für fluoroskopiegestützte Ablationsbehandlungen von Vorhofflimmern

  • Atrial fibrillation is a common heart arrhythmia and is associated with an increased risk of stroke. The current state-of-the-art treatment option is the minimally invasive catheter ablation. During such procedures, the four pulmonary veins attached to the left atrium are electrically isolated. New methods to guide these procedures are presented in this work. Two methods for catheter reconstruction from two views are presented and evaluated. The first method focuses on the circumferential mapping catheter and the second on the cryo-balloon catheter. The result of the mapping catheter reconstruction is later used for the motion compensation methods. As there is currently no planning support fAtrial fibrillation is a common heart arrhythmia and is associated with an increased risk of stroke. The current state-of-the-art treatment option is the minimally invasive catheter ablation. During such procedures, the four pulmonary veins attached to the left atrium are electrically isolated. New methods to guide these procedures are presented in this work. Two methods for catheter reconstruction from two views are presented and evaluated. The first method focuses on the circumferential mapping catheter and the second on the cryo-balloon catheter. The result of the mapping catheter reconstruction is later used for the motion compensation methods. As there is currently no planning support for single-shot-devices like the cryo-balloon catheter, a planning tool is presented, the Atrial Fibrillation Ablation Planning Tool (AFiT). AFiT provides direct visual feedback about the fit of a cyro-balloon to the patient’s anatomy. Another tool to provide intra-procedural support is the tracking of cyro-balloon catheters. Visual feedback about the position and dimensions of the balloon catheter can be superimposed onto live fluoroscopy. In order to provide overlay images in sync with live fluoroscopic images, cardiac and respiratory motion must be taken into account. Therefore, several novel approaches for motion compensation are presented. The methods differ in their targeted application. A novel method, particularly designed for monoplane image acquisition, facilitates motion compensation by model-based 2-D/2-D registration. Another novel method focuses on simultaneous biplane image acquisition, requiring a 3-D catheter model of the circumferential mapping catheter. Motion compensation is then achieved by using a model-based 2-D/3-D registration to simultaneously acquired biplane images. As simultaneous biplane acquisition is rarely used in clinical practice, a new approach for a constrained model-based 2-D/3-D registration is presented to facilitate motion compensation using sequentially acquired biplane images. The search space of the registration is restricted to be parallel to the image plane. To further extend this approach, a novel method is proposed that involves a patient-specific motion model. A biplane training phase is used to generate this motion model, which is afterwards used to constrain the model-based registration. Overall, our motion compensation approaches achieve a tracking accuracy of less than 2.00 mm in 97.90 % of the frames. As the circumferential mapping catheter needs to be moved during the procedure, a novel method to detect this motion is introduced. This approach requires the tracking of the mapping catheter and a virtual reference point on the coronary sinus catheter. As soon as the relative distance between circumferential mapping catheter and the reference point changes more than 5 %, non-physiological motion can be considered. We also investigated an option to provide motion compensation when the circumferential mapping catheter is not available. We propose a novel method for compensation using the coronary sinus catheter that requires a training phase. Our method outperforms a similar method reported in literature. We can conclude that motion compensation using the coronary sinus catheter is possible, but it is not as accurate as it could be using the circumferential mapping catheter.show moreshow less
  • Vorhofflimmern ist die häufigste Herzrhythmusstörung und wird mit einem erhöhten Schlaganfallrisiko in Verbindung gebracht. Die modernste Behandlungsmethode ist die minimal invasive Katheterablation. Bei einer solchen Prozedur werden die vier Pulmonalvenen vom linken Vorhof elektrisch abgetrennt. In der vorliegenden Arbeit werden neue Methoden zur Unterstützung dieser Behandlung vorgestellt. Es werden zwei Methoden zur Katheterrekonstruktion aus zwei Ansichten präsentiert und ausgewertet. Die erste Methode ist für den zirkulären Mappingkatheter und die zweite für den Cryo-Ballon-Katheter konzipiert. Da es derzeit keine Planungsunterstützung für sogenannte single-shot-devices wie den Cryo-BalVorhofflimmern ist die häufigste Herzrhythmusstörung und wird mit einem erhöhten Schlaganfallrisiko in Verbindung gebracht. Die modernste Behandlungsmethode ist die minimal invasive Katheterablation. Bei einer solchen Prozedur werden die vier Pulmonalvenen vom linken Vorhof elektrisch abgetrennt. In der vorliegenden Arbeit werden neue Methoden zur Unterstützung dieser Behandlung vorgestellt. Es werden zwei Methoden zur Katheterrekonstruktion aus zwei Ansichten präsentiert und ausgewertet. Die erste Methode ist für den zirkulären Mappingkatheter und die zweite für den Cryo-Ballon-Katheter konzipiert. Da es derzeit keine Planungsunterstützung für sogenannte single-shot-devices wie den Cryo-Ballon-Katheter gibt, wird ein Planungsprogramm speziell für derartige Katheter mit dem Namen Atrial Fibrillation Ablation Planning Tool (AFiT) vorgestellt. Dieses Programm ermöglicht eine direkte Visualisierung der Passgenauigkeit des Cryo-Ballons hinsichtlich der Anatomie des Patienten. Ein weiteres Hilfsmittel zur Unterstützung der Operation stellt die Nachverfolgung des Cryo-Ballon-Katheters dar. Ein virtueller Katheters kann auf den Röntgenbildern angezeigt werden. Um Überlagerungsbilder synchron mit den Röntgenbildern darzustellen, muss die Bewegung durch Herzschlag und Atmung berücksichtigt werden. Aus diesem Grund werden neue Ansätze zur Bewegungskompensation vorgestellt. Die Methoden unterscheiden sich hinsichtlich ihres Einsatzgebietes. Die erste Methode ist speziell für monoplane Bildakquisition ausgelegt und die eigentliche Bewegungskompensation wird mittels einer modell-basierten 2D-2D Registrierung erzielt. Die zweite Methode wurde für simultane biplane Bildaufnahmen entwickelt. Hierzu wird ein dreidimensionales Kathetermodell des zirkulären Mappingkatheters benötigt und die Bewegungskompensation wird anschließend durch eine 2D-3D Registrierung des Modells zu den simultanen biplanen Aufnahmen erreicht. Da solche Aufnahmen im klinischen Alltag selten sind, wird ein neuer Ansatz für eine eingeschränkte Bewegungskompensation vorgestellt. Dieser ermöglicht eine 2D-3D Registrierung des Kathetermodells zu reinen monoplanen Aufnahmen. Der Suchraum der Registrierung wird hier auf Richtungen parallel zur Bildebene eingeschränkt und der Ansatz danach um ein patienten-spezifisches Bewegungsmodell erweitert. Eine biplane Trainingsphase wird verwendet, um das Modell zu generieren, das anschließend bei der eingeschränkten Registrierung verwendet wird. Unsere vorgestellten Methoden erzielen eine Genauigkeit von weniger als 2.00 mm in 97.90 % unserer Bilddaten. Da der zirkuläre Mappingkatheter während der Prozedur bewegt wird, wurde eine neue Methode entwickelt dies festzustellen. Sobald sich der Abstand des Mappingkatheters und einem virtuellen Referenzpunkt auf dem Koronar-Sinus-Katheter um mehr als 5 % verändert, kann von einer nicht-physiologischen Bewegung ausgegangen werden. Darüberhinaus stellen wir eine neue Methode zur Bewegungskompensation mittels Koronar-Sinus-Katheter vor, falls der zirkuläre Mappingkatheter nicht verfügbar ist. Unser Ansatz mit einer Trainingsphase erzielt bessere Ergebnisse als eine ähnliche Methode in der Literatur. Abschließend können wir feststellen, daß Bewegungskompensation mittels Koronar-Sinus-Katheter möglich ist, jedoch nicht so genau wie mit dem zirkulären Mappingkatheter.show moreshow less

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Metadaten
Author:Alexander Brost
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-33261
Advisor:Joachim Hornegger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/06/19
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2012/05/07
Release Date:2012/06/19
Tag:Atrial Fibrillation; Electrophysiology Procedures; Localization; Motion Compensation; Radio-Frequency-Catheter Ablation; Reconstruction; Registration
SWD-Keyword:Dreidimensionale Rekonstruktion; Hochfrequenz-Katheterablation; Lokalisation; Objektverfolgung; Registrierung <Bildverarbeitung>; Rekonstruktion
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik

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