[논문 리뷰] Temporally resolved aortic 3D shape reconstruction from a limited number of cine 2D MRI slices

Gloria Wolkerstorfer, Stefano Buoso외 4명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 12.

Aortic Disease and Treatment Approaches인용 수 0

한 줄 요약

이 논문은 통계적 형태 모델과 미분가능한 체적 메시 최적화를 결합하여 최초로 여섯 개의 cine 2D MRI 슬라이스만으로 피실험자 특정 대동맥 기하를 시간분해 3D 재구성하며, 4D flow MRI 참조 데이터와 비교 검증하였다.

ABSTRACT

Background and Objective: We propose a shape reconstruction framework to generate time-resolved, patient-specific 3D aortic geometries from a limited number of standard cine 2D magnetic resonance imaging (MRI) acquisitions. A statistical shape model of the aorta is coupled with differentiable volumetric mesh optimization to obtain personalized aortic meshes. Methods: The statistical shape model was constructed from retrospective data and optimized 2D slice placements along the aortic arch were identified. Cine 2D MRI slices were then acquired in 30 subjects (19 volunteers, 11 aortic stenosis patients). After manual segmentation, time-resolved aortic models were generated via differentiable volumetric mesh optimization to derive vessel shape features, centerline parameters, and radial wall strain. In 10 subjects, additional 4D flow MRI was acquired to compare peak-systolic shapes. Results: Anatomically accurate aortic geometries were obtained from as few as six cine 2D MRI slices, achieving a mean +/- standard deviation Dice score of (89.9 +/- 1.6) %, Intersection over Union of (81.7 +/- 2.7) %, Hausdorff distance of (7.3 +/- 3.3) mm, and Chamfer distance of (3.7 +/- 0.6) mm relative to 4D flow MRI. The mean absolute radius error was (0.8 +/- 0.6) mm. Significant age-related differences were observed for all shape features, including radial strain, which decreased progressively ((11.00 +/- 3.11) x 10-2 vs. (3.74 +/- 1.25) x 10-2 vs. (2.89 +/- 0.87) x 10-2 for young, mid-age, and elderly groups). Conclusion: The proposed method enables efficient extraction of time-resolved 3D aortic meshes from limited sets of standard cine 2D MRI acquisitions, suitable for computational shape and strain analysis.

연구 동기 및 목표

• 한정된 cine 2D MRI 슬라이스 집합에서 시간해상 3D 피실험자 특이 대동맥 기하를 재구성하는 가능성을 평가한다.
• 재구성의 정확성을 4D flow MRI 참조와 비교하고 기하학적 지표와 반지름 변형을 피실험자 간에 분석한다.
• 최적 Cine 슬라이스 위치를 식별하고 자원봉사자 및 대동맥 협착 환자의 in-vivo 데이터로 검증한다.

제안 방법

• Cine 2D MRI 슬라이스를 수동으로 구분한다.
• 통계적 형태 모델로 제한된 differentiable mesh optimization를 사용하여 3D 기하를 재구성한다.
• in-vivo 실험 전에 합성 데이터에서 최적 슬라이스 위치를 평가한다(30명의 피실험자).
• 시간해상 기하로부터 기하학적 지표와 반지름 변형을 도출한다.
• subset(n=10)에서 최대 수축기 모양을 4D flow MRI 참조와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간해상 3D, 피실험자 특이 대동맥 기하가 제한된 cine 2D MRI 슬라이스에서 정확하게 재구성될 수 있는가?
• RQ2 수축기 최고 시점에서 재구성의 정확성은 4D flow MRI 참조에 비해 어떠한가?
• RQ3 재구성된 대동맥에서 기하학적 지표와 반지름 변형은 연령군에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

Metric	Value (Mean ± SD)
Dice vs 4D flow reference	89.9% ± 1.6%
IoU vs 4D flow reference	81.7% ± 2.7%
Hausdorff distance	7.3 mm ± 3.3 mm
Chamfer distance	3.7 mm ± 0.6 mm
Mean absolute radius error (aortic arch)	0.8 mm ± 0.6 mm

• 여섯 개의 cine 2D MRI 슬라이스만으로도 정확한 재구성이 가능하다.
• Dice score vs 4D flow reference: 89.9% ± 1.6%; IoU: 81.7% ± 2.7%; Hausdorff: 7.3 mm ± 3.3; Chamfer: 3.7 mm ± 0.6.
• 대동맥궁을 따라 평균 절대 반지름 오차: 0.8 mm ± 0.6.
• 젊은 그룹, 중년 그룹, 노년 그룹에서 기하학적 특징과 반지름 변형에 유의미한 연령 관련 차이가 관찰되며, 연령이 증가할수록 반지름 변형이 감소한다(값: 11.00e-3 ± 3.11e-3, 3.74e-3 ± 1.25e-3, 2.89e-3 ± 0.87e-3).
• subset(n=10)에서 4차원 흐름 MRI가 최고 수축기 모양 비교를 위한 참조를 제공했다.