Ventricular tachycardia target registration and cardiac motion estimation for stereotactic arrhythmia radioablation
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2025
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Zusammenfassung
Ventricular tachycardia (VT) is a severe life-threatening arrhythmia originating in the ventricles, potentially causing sudden cardiac death. Stereotactic arrhythmia radioablation (STAR) is a novel and non-invasive bailout treatment option for refractory VT. The paramount goal of STAR is to precisely deliver focused high-dose radiation beams to treat the VT targets in the heart ventricles while minimizing exposure to the surrounding organs at risk. As a novel therapeutic approach, STAR presents several challenges including VT target transfer from the electroanatomical mapping (EAM) system to the radiation treatment planning system (TPS), as well as cardiac motion estimation of the cardiac clinical target volume (CTV) and American Heart Association (AHA) 17 segments of the left ventricle (LV) for motion management.
On the one hand, unlike typical radiotherapy tumors that are easily identifiable in computed tomography (CT) scans, the VT substrate is primarily characterized by its electrophysiological properties which are typically determined through an electrophysiological study using a three-dimensional (3D) EAM procedure. Studies show that freehand delineation of the VT target region on the treatment planning CT, as defined on the EAM surface, has poor inter-observer consistency, even among experienced electrophysiologists and radiation oncologists. Additionally, clinically relevant errors have been reported with such freehand VT target registration method. Therefore, practical VT target registration methods are crucial for accurately transferring the VT target from the EAM system to treatment planning imaging data. On the other hand, as a moving organ, the heart contains respiratory and cardiac motion. During STAR treatments, respiratory motion can be effectively managed with gating, deep inspiration breath-hold or robotic tracking techniques. However, cardiac motion, particularly the movement of the cardiac CTV and the 17 LV segments, poses a significant challenge in the precise definition of cardiac internal target volume (ITV). This movement can lead to misalignments, which may reduce STAR treatment effectiveness and increase the risk of harm to nearby organs at risk via dose wash-out. Estimating cardiac motion is essential for defining an appropriate cardiac ITV margin, thereby enhancing the effectiveness of STAR and patient outcomes.
The aim of this dissertation is to investigate four main aspects in the field of STAR: (1) practical methods for VT target registration, (2) validation of these methods using real-world VT patient data, (3) accuracy assessment of target registration methods in the absence of ground truth, and (4) a patient- and segment-specific cardiac motion estimation method.
To address (1), a software was developed, which includes three practical semi-automatic VT target registration methods, namely the AHA 17-segment model registration, 3D-3D registration and 2D-3D registration. The AHA 17-segment model registration method divides the LV myocardium structure contoured from cardiac CT into 17 segments according to the AHA 17-segment model, enabling the assessment of targeted LV segment(s) and follow-up studies. The 3D-3D registration method reads vendor-specific EAM raw data and transfers the 3D VT ablation points to the 3D LV contours with respect to the treatment planning imaging data. The 2D-3D registration method is a versatile approach that supports any EAM system and enables the transfer of the VT target region marked on the 2D EAM screenshots in standard anatomical views to the 3D LV contours with respect to the treatment planning imaging data. These three registration methods are semi-automatic rather than fully automatic due to strict accuracy requirements in clinical applications. Automatic registration methods may not be sufficiently reliable, as the LV and aorta structures are derived from different modalities, which can introduce inaccuracies and data incompleteness, making them unsuitable for clinical use. In contrast, the proposed semi-automatic registration methods have demonstrated practical feasibility on real-world STAR datasets. They provide the necessary flexibility, allowing clinicians to refine the registration process based on their expertise and the specific characteristics of each STAR case, ensuring both accuracy and clinical applicability.
For aspect (2), the software was successfully validated as a quality assurance tool in the STAR treatment planning procedure for 5 VT cases within the German RAVENTA trial. Particularly, the 2D-3D registration method eliminates the need for interpreting proprietary formats exported from different EAM systems. The semi-automated VT target registration methods enable quality assurance of the manually transferred cardiac CTV, reducing clinician-dependent inconsistencies and enhancing the safety and robustness of the VT target registration. Additionally, retrospective findings of incorrectly transferred VT target could potentially help explain VT recurrences.
In a cross-validation study addressing (3), the proposed 2D-3D registration method and the 3D-3D registration method from the 3D Slicer extension EAMapReader outputted nearly identical cardiac CTV structures. This result indicates that both methods are suitable for quality assurance and VT target transfer to avoid mistargeting and provide standardized workflows.
Finally, regarding aspect (4), this dissertation presents an electrocardiogram-gated cardiac CT-based patient- and segment-specific cardiac motion estimation method using the intensity-based non-rigid automatic image registration in STAR for VT. The method was utilized on case data from 10 STAR-treated VT patients, and the estimated cardiac motion demonstrated considerable individual variability in cardiac CTVs and 17 LV segments across different VT patients, highlighting the need for individualized cardiac ITV margins and motion management strategies to enhance accuracy and effectiveness in STAR. Additionally, this analysis provides reference data on cardiac motion for STAR treatment planning in VT patients. This method has been integrated into the proposed software as a module.
In summary, three practical semi-automatic VT target registration methods were developed and validated, and a patient- and segment-specific cardiac motion estimation method was proposed. These methods bridge the gap between EAM systems and radiation TPS, enhancing STAR performance and improving VT patient outcomes, with potential for future clinical applications.
Beschreibung
Ventrikuläre Tachykardie ist eine schwerwiegende, potenziell letale Arrhythmie, die von den Herzkammern ausgeht und einen plötzlichen Herztod bedingen kann. Die stereotaktische Radioablation von Herzrhythmusstörungen stellt eine neuartige, nicht-invasive Behandlungsoption für refraktäre ventrikuläre Tachykardien dar. Das Hauptziel der stereotaktischen Radioablation von Herzrhythmusstörungen besteht in der präzisen Abgabe fokussierter, hochdosierter Strahlen zur Behandlung der ventrikulären Tachykardieziele in den Herzkammern bei gleichzeitiger Minimierung der Exposition der umliegenden Risikoorgane. Die stereotaktische Radioablation von Herzrhythmusstörungen stellt einen neuartigen therapeutischen Ansatz dar, der eine Reihe von Herausforderungen mit sich bringt. Hierzu zählen die Übertragung des Ziels für ventrikuläre Tachykardien vom elektroanatomischen Kartierungssystem auf das Planungssystem für die Bestrahlung sowie die Schätzung der Herzbewegungen des klinischen Zielvolumens und der 17 Segmente des linken Ventrikels der American Heart Association (AHA) für das Bewegungsmanagement.
Einerseits ist das Kammertachykardiesubstrat im Gegensatz zu typischen Strahlentumoren, die in Computertomographien leicht identifizierbar sind, in erster Linie durch seine elektrophysiologischen Eigenschaften charakterisiert, die in der Regel durch eine elektrophysiologische Studie mit einem elektroanatomischen 3D-Kartierungsverfahren bestimmt werden. Studien zeigen, dass die freihändige Abgrenzung des Zielgebiets der ventrikulären Tachykardie auf der Computertomographie zur Behandlungsplanung, wie sie auf der elektroanatomischen Kartierungsfläche definiert ist, selbst bei erfahrenen Elektrophysiologen und Radioonkologen eine schlechte Konsistenz zwischen den Beobachtern aufweist. Darüber hinaus wurde über klinisch relevante Fehler bei der freihändigen Registrierung von ventrikulären Tachykardien berichtet. Daher sind praktische Methoden zur Registrierung des ventrikulären Tachykardie-Ziels von entscheidender Bedeutung für die genaue Übertragung des ventrikulären Tachykardie-Ziels vom elektroanatomischen Kartierungssystem auf die Bilddaten der Behandlungsplanung. Andererseits ist das Herz als ein sich bewegendes Organ mit Atem- und Herzbewegungen verbunden. Bei der stereotaktischen Radioablation von Herzrhythmusstörungen kann die Atembewegung durch Gating, Atemanhalten bei tiefer Inspiration oder robotergestützte Tracking-Techniken wirksam gesteuert werden. Die Bewegung des Herzens, insbesondere die Bewegung des klinischen Zielvolumens des Herzens und der 17 Segmente des linken Ventrikels, stellt jedoch eine große Herausforderung für die präzise Definition des internen Zielvolumens des Herzens dar. Diese Bewegung kann zu Fehlausrichtungen führen, die die Wirksamkeit der stereotaktischen Radioablation bei Herzrhythmusstörungen beeinträchtigen und das Risiko einer Schädigung benachbarter Risikoorgane durch Dosisauswaschung erhöhen können. Die Schätzung der Herzbewegung ist für die Festlegung eines angemessenen kardialen Zielvolumens unerlässlich, um die Wirksamkeit der stereotaktischen Arrhythmie-Radioablation und die Ergebnisse für den Patienten zu verbessern.
Ziel dieser Dissertation ist es, vier Hauptaspekte im Bereich der stereotaktischen Radioablation von Arrhythmien zu untersuchen: (1) praktische Methoden für die Zielregistrierung von ventrikulären Tachykardien, (2) Validierung dieser Methoden anhand von realen Patientendaten mit ventrikulären Tachykardien, (3) Bewertung der Genauigkeit von Zielregistrierungsmethoden in Abwesenheit von Ground Truth und (4) eine patienten- und segmentspezifische Methode zur Schätzung von Herzbewegungen.
Zur Lösung von (1) wurde eine Software entwickelt, die drei praktische halbautomatische Methoden zur Registrierung ventrikulärer Tachykardien umfasst, nämlich die AHA-17-Segment-Modellregistrierung, die 3D-3D-Registrierung und die 2D-3D-Registrierung. Die AHA 17-Segment-Modellregistrierungsmethode teilt die aus der kardialen Computertomographie konturierte Myokardstruktur des linken Ventrikels in 17 Segmente gemäß dem AHA 17-Segment-Modell auf und ermöglicht so die Beurteilung der anvisierten Segmente des linken Ventrikels und Folgeuntersuchungen. Die 3D-3D-Registrierungsmethode liest herstellerspezifische elektroanatomische Mapping-Rohdaten und überträgt die 3D-Punkte für die Ablation ventrikulärer Tachykardien auf die 3D-Konturen des linken Ventrikels in Bezug auf die Bilddaten der Behandlungsplanung. Die 2D-3D-Registrierungsmethode ist ein vielseitiger Ansatz, der jedes elektroanatomische Mapping-System unterstützt und die Übertragung der auf den 2D-Screenshots des elektroanatomischen Mappings in anatomischen Standardansichten markierten ventrikulären Tachykardie-Zielregion auf die 3D-Konturen des linken Ventrikels in Bezug auf die Bilddaten der Behandlungsplanung ermöglicht. Diese drei Registrierungsmethoden sind aufgrund der strengen Genauigkeitsanforderungen bei klinischen Anwendungen eher halbautomatisch als vollautomatisch. Automatische Registrierungsmethoden sind unter Umständen nicht ausreichend zuverlässig, da die Strukturen des linken Herzens und der Aorta aus verschiedenen Modalitäten abgeleitet werden, was zu Ungenauigkeiten und unvollständigen Daten führen kann, so dass sie für den klinischen Einsatz ungeeignet sind. Im Gegensatz dazu haben die vorgeschlagenen halbautomatischen Registrierungsmethoden ihre praktische Durchführbarkeit bei realen stereotaktischen Radioablationssätzen für Herzrhythmusstörungen bewiesen. Sie bieten die nötige Flexibilität, so dass Kliniker den Registrierungsprozess auf der Grundlage ihres Fachwissens und der spezifischen Merkmale jedes einzelnen stereotaktischen Arrhythmie-Radioablationsfalls verfeinern können, was sowohl Genauigkeit als auch klinische Anwendbarkeit gewährleistet.
Für den Aspekt (2) wurde die Software erfolgreich als Qualitätssicherungsinstrument in der stereotaktischen Radioablation von Herzrhythmusstörungen im Rahmen der deutschen RAVENTA-Studie für 5 Fälle von ventrikulärer Tachykardie validiert. Insbesondere die 2D-3D-Registrierungsmethode macht die Interpretation von proprietären Formaten, die von verschiedenen elektroanatomischen Mapping-Systemen exportiert werden, überflüssig. Die halbautomatischen Methoden der ventrikulären Tachykardie-Zielregistrierung ermöglichen eine Qualitätssicherung des manuell übertragenen kardialen klinischen Zielvolumens, wodurch klinikerabhängige Inkonsistenzen reduziert und die Sicherheit und Robustheit der ventrikulären Tachykardie-Zielregistrierung erhöht werden. Darüber hinaus könnten retrospektive Erkenntnisse über falsch übertragene ventrikuläre Tachykardie-Targets möglicherweise dazu beitragen, ventrikuläre Tachykardie-Rezidive zu erklären.
In einer Kreuzvalidierungsstudie (3) ergaben die vorgeschlagene 2D-3D-Registrierungsmethode und die 3D-3D-Registrierungsmethode der 3D-Slicer-Erweiterung EAMapReader nahezu identische kardiale klinische Zielvolumenstrukturen. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass beide Methoden für die Qualitätssicherung und die Übertragung von Targets für ventrikuläre Tachykardien geeignet sind, um Fehltargeting zu vermeiden und standardisierte Arbeitsabläufe zu ermöglichen.
Was schließlich den Aspekt (4) betrifft, so wird in dieser Dissertation eine elektrokardiogrammgestützte, auf kardialer Computertomographie basierende Methode zur patienten- und segmentspezifischen Schätzung der Herzbewegung unter Verwendung der intensitätsbasierten, nicht-starren automatischen Bildregistrierung bei der stereotaktischen Arrhythmieradioablation bei ventrikulären Tachykardien vorgestellt. Die Methode wurde an Falldaten von 10 mit stereotaktischer Arrhythmie-Radioablation behandelten Kammertachykardie-Patienten angewandt. Die geschätzte Herzbewegung zeigte eine beträchtliche individuelle Variabilität der klinischen Zielvolumina des Herzens und der 17 Segmente des linken Ventrikels bei verschiedenen Kammertachykardie-Patienten, was die Notwendigkeit individualisierter kardialer interner Zielvolumensgrenzen und Bewegungsmanagement-Strategien zur Verbesserung der Genauigkeit und Effektivität der stereotaktischen Arrhythmie-Radioablation unterstreicht. Darüber hinaus liefert diese Analyse Referenzdaten zur Herzbewegung für die Planung der stereotaktischen Radioablation bei Patienten mit ventrikulären Tachykardien. Diese Methode wurde als Modul in die vorgeschlagene Software integriert.
Zusammenfassend wurden drei praktische halbautomatische Methoden zur Zielregistrierung bei ventrikulärer Tachykardie entwickelt und validiert, und es wurde eine patienten- und segmentspezifische Methode zur Schätzung der Herzbewegung vorgeschlagen. Diese Methoden überbrücken die Lücke zwischen elektroanatomischen Mapping-Systemen und Strahlenbehandlungsplanungssystemen, verbessern die stereotaktische Arrhythmie-Radioablation und die Ergebnisse für Patienten mit ventrikulärer Tachykardie, mit Potenzial für zukünftige klinische Anwendungen.
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Institut/Klinik
Institut für Robotik und Kognitive Systeme