Kardiale Magnetresonanztomographie: Semiautomatische dreidimensionale Analyse und Visualisierung linksatrialer struktureller Veränderungen

by Dr. Sebastian Aeffner
Doctoral thesis
Date of Examination:2025-05-14
Date of issue:2025-04-30
Advisor:Prof. Dr. Wieland Staab
Referee:Prof. Dr. Wieland Staab
Referee:Prof. Dr. Christina Unterberg-Buchwald
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11240

 

 

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Size:18.0Mb
Format:PDF
Description:Dissertation Dr. med.

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Abstract

English

Background: Catheter ablation is an established treatment for atrial fibrillation (AF), yet its efficacy, particularly for first-time procedures, is influenced by the degree of left atrial (LA) structural remodeling - most notably, LA fibrosis. Among current imaging modalities, three-dimensional late gadolinium enhancement MRI (3D LGE-MRI) remains the only non-invasive technique capable of stratifying patients, informing individualized ablation strategies, and assessing post-procedural scar formation. However, clinical adoption is hindered by the lack of standardized, automated tools for LA segmentation and fibrosis quantification. Methods: Using data from 34 participants in the FIND-AFRANDOMISED study, we developed a semi-automated MATLAB-based pipeline for segmenting the LA and adjacent anatomical structures. The workflow integrates: (1) registration of 3D magnetic resonance angiography (MRA) and 3D LGE-MRI datasets; (2) multi-atlas-based whole-heart registration for initial segmentation of cardiac chambers and large vessels; and (3) level-set segmentation to refine anatomical details, particularly at the pulmonary vein ostia. Results: The pipeline successfully performed automated LA and proximal pulmonary vein segmentation in 30 of 34 datasets (88.2%) with minimal user intervention. The tool computes structural parameters (e.g., LA volume and volume index, chamber diameters, sphericity), provides 3D visualization of fibrotic regions across multiple intensity thresholds, and estimates pulmonary vein ostial diameters to support ablation planning. Compared to manual segmentation, the method achieved a mean Dice coefficient of 0.918 ± 0.015 and a mean surface distance of 1.16 ± 0.21 mm, while reducing analysis time per dataset from 40.4 ± 15.3 minutes to 4.6 ± 0.5 minutes. As a first application, fibrosis quantification across different literature-reported intensity thresholds was performed, and demonstrated substantial variability in estimated fibrotic burden. Conclusion: The proposed automated segmentation approach enables efficient, reproducible assessment of LA remodeling in 3D LGE-MRI and supports advanced planning and evaluation of AF ablation procedures. Further standardization of thresholding criteria for differentiation of healthy and fibrotic left atrial myocardium is essential for broader clinical implementation and inter-study comparability.
Keywords: cardiac magnetic resonance imaging; atrial fibrillation; fibrotic atrial cardiomyopathy; medical image processing; image segmentation

German

Hintergrund: Aktuelle Studien und Leitlinien stärken die Rolle der Katheterablation als Therapieoption bei Vorhofflimmern. Der Therapieerfolg bei Erstablation ist jedoch eingeschränkt und abhängig von Ausmaß des linksatrialen strukturellen Remodelings und insbesondere der linksatrialen Fibrose. Die 3D-LGE-MRT ist die einzige nichtinvasive Methode mit dem Potential zur Patientenstratifikation, Festlegung möglicher individualisierter Ablationsstrategien sowie Kontrolle der Ablationsnarben. Für ihren objektiven, reproduzierbaren und zeiteffizienten Einsatz sind automatische Verfahren zur Segmentierung des linken Atriums und Quantifizierung der linksatrialen Fibrose in 3D-LGE-Bilddaten erforderlich. Kommerziell verfügbare Softwarelösungen zu diesem Zweck existieren aktuell nicht. Methoden: Anhand von 34 Datensätzen, welche im Rahmen der FIND-AFRANDOMISED-Studie erhoben wurden, wurde in MATLAB ein Programm zur weitgehend automatischen Segmentierung des linken Atriums und der angrenzenden Strukturen entwickelt. Wesentliche Bausteine sind die Registrierung von 3D-MRA- und 3D-LGE-MRT-Bilddaten, die Multi-Atlas Whole Heart-Registrierung zur initialen Segmentierung aller vier Herzkammern und der angrenzenden großen Gefäße sowie die Level-Set-Segmentierung zur Verbesserung der Segmentierung lokaler Details wie insbesondere der proximalen Pulmonalvenen. Ergebnisse: Das entwickelte Programm erlaubte in 30 von 34 untersuchten Datensätzen (88,2%) die weitgehend automatische Segmentierung des linken Atriums und der proximalen Pulmonalvenen in wenigen Schritten der Nutzerinteraktion und liefert strukturelle Parameter (LAV/LAVI, verschiedene Durchmesser, Sphärizität), eine 3D-Visualisierung fibrotischer Areale als Funktion verschiedener Intensitäts-Thresholds sowie die Durchmesser der Pulmonalvenenostien zur Ablationsplanung. Im Vergleich zur manuellen Segmentierung wurden bei einer Zeitreduktion von 40,4±15,3 auf 4,6±0,5 Minuten pro Datensatz ein mittlerer Dice-Koeffizient von 0,918±0,015 sowie eine mittlere Oberflächendistanz von 1,16±0,21 mm erzielt. Als erste Anwendung wurde die linksatriale Fibrose im Patientenkollektiv für verschiedene, in der Literatur existierende Thresholds verglichen. Je nach Wahl des Thresholds kann der ermittelte Anteil fibrotischen Myokards erheblich schwanken. Schlussfolgerung: Die automatische Segmentierung des linken Atriums in 3D-LGE-MRT-Bilddaten erleichtert und standardisiert die Quantifizierung des linksatrialen strukturellen Remodelings und eröffnet neue Optionen zur Therapieplanung und -evaluation der Katheterablation bei Vorhofflimmern. Weitere Forschung ist insbesondere zur Standardisierung der Differenzierung von gesundem und fibrotischem linksatrialen Myokard erforderlich.
Schlagwörter: Kardiale Magnetresonanztomographie; Vorhofflimmern; Fibrotische atriale Kardiomyopathie; Medizinische Bildverarbeitung; Bildsegmentierung