Semi-Automated Generation and Hemodynamic Assessment of Surgical Baffle Geometry for Biventricular Repair

Título: Generación Semi-Automatizada y Evaluación Hemodinámica de la Geometría de Baffles Quirúrgicos para la Reparación Biventricular

1. Problema

La reparación biventricular compleja en pacientes con cardiopatías congénitas, específicamente en casos de ventrículo derecho con doble salida (DORV), requiere la construcción de un "baffle" (túnel intraventricular) personalizado para redirigir el flujo sanguíneo del ventrículo izquierdo (VI) hacia la aorta, evitando la obstrucción.

• Limitaciones actuales: En la práctica clínica actual, la geometría del baffle se diseña y moldea manualmente durante la cirugía (en el corazón detenido). Esto limita la capacidad de evaluar configuraciones alternativas o cuantificar el rendimiento hemodinámico antes de la operación.
• Desafíos técnicos: La alta heterogeneidad anatómica de los pacientes con DORV hace difícil la planificación preoperatoria. Además, los métodos existentes carecen de flujos de trabajo automatizados para generar modelos "estancos" (watertight) y conformes a la anatomía nativa que sean aptos para la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD).

2. Metodología

Los autores proponen un marco computacional semi-automatizado que integra reconstrucción anatómica, diseño geométrico y simulación hemodinámica. El flujo de trabajo se divide en las siguientes etapas:

• A. Segmentación y Reconstrucción 3D:

  • Se utilizan imágenes de tomografía computarizada (CTA) en fase sistólica.
  • Se emplea una red neuronal convolucional nnU-Net para segmentar automáticamente siete estructuras anatómicas (ventrículos, aurículas, arterias, aorta y miocardio).
  • Se realiza un refinamiento manual experto para corregir errores en zonas críticas como el margen del defecto septal ventricular (VSD) y el anillo valvular aórtico.
  • Se genera un dominio computacional unificado y estanco que integra el ventrículo derecho nativo, el VSD y la salida aórtica.

• B. Definición de la Frontera y Centroide:

  • Un cirujano define interactivamente la línea de sutura prevista sobre la malla ventricular utilizando puntos discretos en 3D.
  • Estos puntos se convierten en una curva cerrada densamente muestreada que define el borde de unión del baffle.
  • Se construye una línea central (centerline) personalizada utilizando interpolación PCHIP (Polinomio Cúbico Hermite a Trozos) entre el VSD y la aorta. Esto asegura tangentes alineadas fisiológicamente en los extremos, evitando las desviaciones que producirían los métodos estándar de extracción de centroide (como VMTK) en cavidades no tubulares.

• C. Generación de la Superficie del Baffle:

  • Restricción de Área: Se define un área transversal objetivo ($A_{target}$) basada en nomogramas pediátricos normalizados por la superficie corporal (BSA) del paciente.
  • Ajuste de Secciones: A lo largo de la línea central, se extraen secciones transversales. Solo la porción del baffle se modifica mediante un desplazamiento parabólico para cumplir con el área objetivo, manteniendo fijo el ventrículo derecho nativo.
  • Suavizado Convexo: Para evitar irregularidades geométricas (curvaturas hacia adentro) que serían mecánicamente inviables para parches de pericardio, se aplica un envolvente convexa superior a los amplitudes de deformación. Esto genera un perfil longitudinal suave y monótono.
  • Interpolación TPS: La superficie final se genera mediante Splines de Placa Delgada (Thin-Plate Spline), interpolando la frontera de unión y las secciones transversales suavizadas, garantizando una continuidad $C^2$ y mínima energía de flexión.

• D. Simulación Hemodinámica (CFD):

  • Se realizan simulaciones de flujo estacionario tridimensional utilizando el solver SvMultiPhysics (SimVascular).
  • Se modela la sangre como un fluido newtoniano incompresible.
  • Se aplican condiciones de contorno específicas del paciente: perfil de velocidad parabólica en la entrada (VSD), resistencia en la salida (aorta) y paredes rígidas.

3. Contribuciones Clave

• Marco Semi-Automatizado: Desarrollo de un pipeline que combina segmentación por aprendizaje profundo, diseño guiado por el cirujano y optimización geométrica automatizada para generar baffles personalizados.
• Geometría Fisiológicamente Restringida: Introducción de restricciones de área transversal basadas en la superficie corporal del paciente y un algoritmo de suavizado convexo que asegura que la geometría sea realista para la fabricación quirúrgica con parches de pericardio.
• Integración Estanca: Creación de un dominio computacional cerrado y libre de intersecciones, listo para CFD, que preserva la geometría nativa del ventrículo derecho y solo modifica la región del baffle.
• Validación Retrospectiva: Aplicación exitosa del método en cuatro pacientes reales con DORV, comparando los resultados virtuales con datos clínicos postoperatorios.

4. Resultados

• Generación de Modelos: El flujo de trabajo generó con éxito baffles estancos y conformes para los cuatro pacientes, con superficies suaves y sin intersecciones.
• Evaluación Hemodinámica:
  • Las simulaciones mostraron patrones de flujo coherentes desde el VSD hacia la aorta, sin reversión de flujo significativa.
  • Los gradientes de presión predichos a través del baffle virtual fueron mínimos, oscilando entre 2 y 5 mmHg.
• Comparación Clínica:
  • Los gradientes de presión simulados ($\Delta P_{sim}$) fueron consistentemente menores que los gradientes medidos por ecocardiografía postoperatoria en los baffles quirúrgicos reales ($\Delta P_{echo}$).
  • La diferencia varió entre 3.04 y 9.88 mmHg a favor del diseño computacional, sugiriendo que el método podría optimizar la geometría para reducir la resistencia al flujo más allá de lo logrado en la cirugía estándar.

5. Significado e Impacto

• Planificación Preoperatoria Cuantitativa: Este enfoque permite a los cirujanos evaluar y optimizar la geometría del túnel antes de la cirugía, pasando de un diseño puramente intraoperatorio a uno basado en datos y simulación.
• Mejora de Resultados: Al predecir gradientes de presión más bajos, el método tiene el potencial de reducir la obstrucción del tracto de salida y mejorar los resultados hemodinámicos a largo plazo.
• Escalabilidad: Aunque se probó en DORV, el marco es aplicable a otras reparaciones biventriculares complejas y a pacientes con ventrículo único "límite", donde la heterogeneidad anatómica hace crítica la planificación personalizada.
• Paso hacia la Toma de Decisiones Asistida: Representa un avance significativo hacia la cirugía asistida por computadora, combinando restricciones geométricas fisiológicas con evaluación hemodinámica para apoyar decisiones clínicas en poblaciones de pacientes complejas.

Limitaciones y Futuro: El estudio asumió paredes rígidas y flujo estacionario. Futuras investigaciones incorporarán interacción fluido-estructura (FSI) y modelos de mecánica del tejido para capturar la deformación del ventrículo y las propiedades materiales del parche durante el ciclo cardíaco.