DE102008033641A1 - Medical examination and treatment device for visualization and treatment of ablation lesion in tissue or vascular surface of heart, has pattern recognizing unit identifying ablation lesion, and display displaying conditioned endoscope image - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung zur Visualisierung und Behandlung von Ablationsläsionen auf Gewebe- oder Gefäßoberflächen, insbesondere im Herzen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a medical examination and treatment device for the visualization and treatment of ablation lesions on tissue or vessel surfaces, in particular in the heart, according to the preamble of the claim 1.
Ablationsprozeduren zur Eliminierung oder Verödung von pathologischen Erregungszentren oder Reizleitungsbahnen im Herzen werden heutzutage meist minimal-invasiv als so genannte Hochfrequenz- oder Radiofrequenzablation (RF-Ablation) durchgeführt. Bei der RF-Ablation im Herzen wird üblicherweise ein flexibler Katheter über eine Vene oder Arterie in den Körper eingeführt und in die betroffene Herzkammer vorgeschoben. Dort wird dann mit Hilfe einer im Bereich der Katheterspitze angeordneten Induktionsspule ein hochfrequentes Radiosignal appliziert, um durch die damit einhergehende Hitzeeinwirkung das betroffene Gewebe zu veröden und so die pathologischen Erregungszentren oder Reizleitungsbahnen „auszuschalten”. Alternativ kann auch eine so genannte Kryoablation mit einem Kryokatheter vorgesehen sein, bei der das betroffene Gewebe gezielt unterkühlt wird (auf Temperaturen von z. B. –75°C oder kälter).ablation procedures for elimination or sclerotherapy of pathological centers of excitement or Stimulation lanes in the heart are nowadays usually minimally invasive performed as so-called high-frequency or radiofrequency ablation (RF ablation). RF ablation in the heart usually becomes more flexible Catheter over a vein or artery in the body introduced and advanced into the affected ventricle. There it is then arranged with the aid of a catheter tip Induction coil applied a high-frequency radio signal to pass through the associated heat exposure to the affected tissue desolate and so the pathological centers of excitement or "Disconnect" stimulus pathways. alternative can also provide a so-called cryoablation with a cryocatheter be, in which the affected tissue undercooled targeted is (at temperatures of, for example -75 ° C or colder).
Ein spezifischer Anwendungsfall ist die Pulmonalvenenisolation, die Vorhofflimmern oder Vorhofflattern beheben soll: Die pathologischen Reizleitungsbahnen verlaufen von den Pulmonalvenen über Myokardfibern in den linken Vorhof, was dazu führt, dass die Vorhofkontraktion fehlerhaft (teilweise mit einer Frequenz von über 200 Kontraktionszyklen pro Minute) ausgelöst wird. Das Ziel der Pulmonalvenenisolationen besteht darin, die vier Pulmonalvenen elektrophysiologisch vom linken Vorhof zu isolieren. Dies geschieht durch kreisförmige RF-Ablation im Ostium der Pulmonalvenen. Zusätzlich wird bei bestimmten Patienten mit Vorhofflimmern mit Hilfe von RF-Abla tion eine lineare Läsion, die entlang einer gedachten Verbindungslinie der vier Pulmonalvenen mit der Mitralklappe verläuft, erzeugt.One specific application is the Pulmonalvenenisolation, the To remedy atrial fibrillation or atrial flutter: The pathological Stimulation pathways run from the pulmonary veins via myocardial fibers into the left atrium, which causes the atrial contraction faulty (sometimes with a frequency of over 200 contraction cycles per minute). The goal of pulmonary vein isolation is the electrophysiological of the four pulmonary veins from the left Isolate atria. This is done by circular RF ablation in the ostium of the pulmonary veins. In addition will in certain patients with atrial fibrillation with the help of RF ablation a linear lesion that runs along an imaginary connecting line of the four pulmonary veins runs with the mitral valve produced.
Nach gängiger Lehrmeinung sollten die während der Ablationsprozedur erzeugten Läsionen möglichst ohne Unterbrechung (d. h. als durchgängige Linien) in das Gewebe eingebracht werden, da durch die Durchgängigkeit der Linien die Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Remodellierung des Herzgewebes vermutlich gesenkt werden kann.To Common doctrines should be those during the ablation procedure lesions as possible without interruption (i.e., as continuous lines) are introduced into the tissue because of the continuity of the lines the probability an undesirable remodeling of the heart tissue presumably can be lowered.
In der Regel werden derartige Ablationsprozeduren ohne Sichtkontrolle der generierten Ablationsläsionen durchgeführt. Die Effektivität der Läsionen wird alleine durch elektrophysiologische Kriterien beurteilt. So werden elektroanatomische Mapping-Systeme eingesetzt, um die elektrophysiologische Reizausbreitung innerhalb der Herzkammer zu visualisieren. Zusätzlich werden so genannte Lasso-Katheter mit ringförmig angeordneten Elektroden in die Pulmonalvenen-Ostien eingeführt, um pathologische Reizleitungen zwischen Pulmonalvenen und linkem Herzvorhof aufzuzeichnen bzw. die Beseitigung dieser Reizleitungen durch die Ablationsläsionen zu verifizieren.In As a rule, such Ablationsprozeduren without visual inspection the generated ablation lesions. The effectiveness of the lesions is alone assessed electrophysiological criteria. So are electroanatomical Mapping systems used to stimulate electrophysiological stimulation to visualize within the heart chamber. In addition will be so-called lasso catheter with ring-shaped arranged Electrodes introduced into the pulmonary vein ostia to pathological To record leads between pulmonary veins and left atrium or the elimination of these leads through the ablation lesions to verify.
Ein Problem bei dieser Vorgehensweise besteht darin, dass die Läsionen zwar erzeugt werden, sie während oder nach der Ablation aber nicht durch gängige Bildgebungsverfahren (wie z. B. MR, CT, Röntgen, Ultraschall) visualisiert werden können. Eine Aussage über die Kontinuität der Läsionen kann also nicht getroffen werden. So wäre es äußerst vorteilhaft, das Gewebe der Herzwand, das so genannte Endokard-Gewebe, während und nach der Gewebeverödung mit Hilfe eines Endoskops, das sich im Inneren der zu therapierenden Herzkammer befindet, visualisieren zu können, da dadurch verödete Areale bzw. Ablationsläsionen sichtbar gemacht werden könnten. Diese Visualisierung ist allerdings mit normalen Endoskopen nicht möglich, da das Blut im Inneren der Herzkammer ein freies Sichtfeld auf das Endokard verhindert.One Problem with this procedure is that the lesions Although they are generated during or after ablation but not by common imaging techniques (such as MR, CT, X-ray, ultrasound) can be visualized. A Statement about the continuity of the lesions so can not be taken. That's how it would be beneficial, the tissue of the heart wall, the so-called endocardial tissue, during and after tissue obliteration with help an endoscope located inside the ventricle to be treated to be able to visualize, thereby becoming desolate Areas or ablation lesions could be visualized. However, this visualization is not with normal endoscopes possible because the blood inside the ventricle is a free one Field of view on the endocardium prevented.
Zur
Umgehung dieses Problems ist aus der Veröffentlichung
Ein Nachteil dieser Prozedur besteht darin, dass das mit dem Endoskop realisierbare Sichtfeld vergleichsweise beengt ist und der den Eingriff überwachende Arzt daher einen relativ schlechten Überblick hat. Des Weiteren sind die bei der Ablation erzeugten Läsionen teilweise nur schwer auf dem Endoskopiebild erkennbar und im Hinblick auf ihre Qualität (insbesondere Durchgängigkeit, Ausmaß, Eindringtiefe) quantifizierbar. Schließlich ist es aufwendig und risikoreich, einen Ablationskatheter einerseits und ein Cardioscope andererseits über verschiedene Zugänge, z. B. über die obere und die untere Hohlvene, simultan in das Herz einzuführen und zu koordinieren.A disadvantage of this procedure is that the field of vision that can be realized with the endoscope is comparatively cramped and therefore the doctor supervising the intervention has a relatively poor overview. Furthermore, the lesions produced during ablation are sometimes difficult to recognize on the endoscopy image and can be quantified with regard to their quality (in particular patency, extent, penetration depth). Finally, it is expensive and risky, an ablation catheter on the one hand and a cardioscope on the other hand, via different accesses, eg. B. via the upper and lower vena cava, simultaneously introduce into the heart and to coordinate.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die die oben genannten Probleme vermeidet und den Arzt besser bei der Planung, Durchführung und Kontrolle einer katheterbasierten Ablation unterstützt.Of the The present invention is therefore based on the object, a medical Investigation and treatment facility of the aforementioned Specify type that avoids the above problems and the Doctor better at planning, implementation and control supports a catheter-based ablation.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein digitales Bildverarbeitungssystem zur Echtzeitverarbeitung der mit dem Endoskop aufgenommenen Bilder, welches eine Musterkennungseinheit umfasst, die die Ablationsläsionen anhand von Farbunterschieden gegenüber dem umliegenden Gewebe und/oder anhand der lokalen Verteilung der Bildentropie identifiziert und im jeweiligen Bild markiert, wobei die derart aufbereiteten Endoskopiebilder auf einem zugehörigen Display anzeigbar sind.These The object is achieved by a digital image processing system for real time processing of with the endoscope recorded images, which includes a pattern recognition unit, the ablation lesions based on color differences towards the surrounding tissue and / or local Distribution of image entropy identified and in each picture marked, the thus prepared endoscopy images on a associated display are displayed.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Erkennung und anschließende Quantifikation der Ablationsläsionen im digitalisierten Endoskopiebild durch interaktive, semi-automatische oder vorzugsweise automatische Bildverarbeitungs- bzw. Musterkennungsalgorithmen ermöglicht ist. Die Erkennung der Ablationsläsionen erfolgt durch die Unterscheidung von unversehrtem gegenüber ablatiertem Endokard-Gewebe. Dabei erfolgt die Unterscheidung beispielsweise anhand einer Auswertung von Farbinformationen: Ablatierte Gewebeareale werden nämlich im Endoskopiebild gewöhnlicherweise dunkler bzw. bräunlicher abgebildet als unversehrte Gewebeareale. Alternativ oder zusätzlich werden im Bild enthaltene Informationen über die Homogenität des Gewebes herangezogen: Unversehrte Gewebeareale werden nämlich normalerweise homogener abgebildet als ablatierte Gewebeareale, bei denen die Ablation bläschenartige Läsionen verursacht. Vorteilhafterweise werden beide Auswertemethoden miteinander kombiniert.The Invention is based on the consideration that the recognition and subsequent quantification of the ablation lesions in digitized endoscopy image through interactive, semi-automatic or preferably automatic image processing or pattern recognition algorithms is possible. The detection of ablation lesions is done by distinguishing between intact ones ablated endocardial tissue. The distinction is made, for example based on an evaluation of color information: Ablated tissue areas namely in the endoscopy image usually darker or brownish imaged as intact tissue areas. Alternatively or additionally, information contained in the image is transmitted via the homogeneity of the tissue used: intact tissue areas they are usually more homogeneously imaged than ablated ones Tissue areas where the ablation is vesicular lesions caused. Advantageously, both evaluation methods with each other combined.
Die Unterscheidung anhand der Farbinformationen kann beispielsweise über einen Schwellwert für die Farbsättigung oder dergleichen innerhalb eines bestimmten räumlichen Fensters des Endoskopiebildes getroffen werden. Die Unterscheidung anhand der Gewebe-Homogenität kann mit Hilfe einer Entropieberechnung innerhalb eines bestimmten räumlichen Fensters des Endoskopiebildes getroffen werden. So werden diejenigen Bildbereiche, die Ablationsstellen enthalten, größere Entropie aufweisen als diejenigen Bildausschnitte, die unversehrtes Gewebe wiedergeben. Unter diese Annahme kann durch Schwellwertbildung bzgl. der Entropie (oder bzgl. anderer auf dem Entropie-Maß basierter Metriken) unversehrtes Gewebe von Läsionen separiert werden. Darauf aufbauend können die Ablationsläsionen im digitalen Endoskopiebild farblich markiert, quantifiziert und zu anderen Bildgebungsmodalitäten oder elektroanatomischen Mappingsystemen transferiert werden, um dort als Zusatzinformation dargestellt zu werden. Zu Dokumentationszwecken oder für eine spätere Verknüpfung mit den Bildern anderer Modalitäten können die digitalen Endoskopiebilder gespeichert werden.The Differentiation based on the color information can, for example, about a threshold for color saturation or the like within a certain spatial window of the endoscopic image to be hit. The distinction based on tissue homogeneity can with the help of an entropy calculation within a given spatial Window of the endoscopic image are taken. So will those Image areas containing ablation sites larger Entropy have as those image detail, the undamaged tissue play. Under this assumption can be made by thresholding. entropy (or other entropy-based Metrics) to isolate intact tissue from lesions. Based on this, the ablation lesions can color-coded, quantified and in the digital endoscopy image to other imaging modalities or electroanatomical Mapping systems are transferred to there as additional information to be represented. For documentation purposes or for a later link with the images of other modalities The digital endoscopy images can be saved.
Anhand des lokalen Entropie-Maßes und/oder der Farbtönung und/oder der Farbsättigung ist es in vorteilhafter Implementierung der Auswertealgorithmen auch möglich, Rückschlüsse über die Qualität der Ablationsläsionen, z. B. über deren Tiefe, zu ziehen. Derartige Zusatzinformationen können auf den digital aufbereiteten Endoskopiebildern zur leichteren Erfassung bzw. Wahrnehmung durch den Arzt z. B. in der Art einer Farbkodierung bzw. Falschfarbendarstellung wiedergegeben sein. Des Weiteren kann bei bekanntem Bildmaßstab eine automatische oder interaktive Vermessung der Ablationslinien im Hinblick auf ihre räumliche (laterale) Ausdehnung vorgesehen sein.Based of local entropy measurement and / or hue and / or color saturation is in an advantageous implementation the evaluation algorithms also possible, conclusions about the quality of ablation lesions, e.g. B. over their depth, to draw. Such additional information can on the digitally prepared endoscopy images for easier acquisition or perception by the doctor z. B. in the manner of color coding or false color representation. Furthermore, can with known image scale an automatic or interactive Measurement of the ablation lines with regard to their spatial (lateral) extension can be provided.
In einer optionalen Variante der Erfindung ist der Ballon-Katheter am distalen Ende mit einer Ablationseinheit zur Kryo-, Laser-, HiFU- oder RF-Ablation ausgestattet, um das Gewebe veröden und gleichzeitig die Läsion visualisieren zu können. Somit kann auf die gleichzeitige Einführung und Handhabung zweier unterschiedlicher Katheter verzichtet werden. Vorteilhafterweise ist bei dieser Ausgestaltung das Objektiv des Endoskops in der Beobachtungsposition auf das Ablationswerkzeug ausgerichtet.In an optional variant of the invention is the balloon catheter at the distal end with an ablation unit for cryogenic, laser, HiFU or RF ablation equipped to soil the tissue and to visualize the lesion at the same time. Thus, on the simultaneous introduction and handling of two different catheters are dispensed with. advantageously, In this embodiment, the objective of the endoscope is in the observation position aligned with the ablation tool.
In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung ein Positionserkennungssystem zur Ermittlung der räumlichen Lage und Ausrich tung der im jeweiligen Endoskopiebild sichtbaren Ablationsläsionen. Beispielsweise können im Bereich der Katheterspitze elektromagnetische Positionssensoren bzw. Positionssignalgeber oder dergleichen angeordnet sein, so dass anhand der von ihnen übermittelten bzw. ausgegebenen Positionsdaten die räumliche Lage oder Ausrichtung der Katheterspitze bzw. des Endoskop-Objektives ableitbar ist. Daraus wiederum lässt sich bei bekannter Ausrichtung des Endoskop-Objektives leicht die Lage und Ausrichtung der Ablationsläsionen bestimmen.In advantageous embodiment, the medical examination and processing means a position detecting system for detecting the spatial position and orientation of the respective endoscopy image visible ablation lesions. For example, you can in the area of the catheter tip electromagnetic position sensors Position sensor or the like may be arranged so that based on the position data transmitted or issued by them the spatial location or orientation of the catheter tip or the endoscope objective is derivable. In turn, lets it out with a known orientation of the endoscope lens easily the Determine the location and orientation of the ablation lesions.
Anhand der so ermittelten Positionsdaten können die Endoskopiebilder verhältnismäßig leicht und zuverlässig mit anderen 2D- oder 3D-Bildern der Untersuchungs- und Behandlungsregion, die beispielsweise im Rahmen einer Voruntersuchung mit Hilfe einer weiteren Modalität aufgenommen wurden, registriert, d. h. dimensions- und lagerichtig einander zugeordnet, und bei Bedarf fusioniert werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine bildbasiserte oder objektbasierte Registrierung, z. B. mit Hilfe von röntgenundurchlässigen Markierungen oder dergleichen, vorgesehen sein. Somit können die endoskopischen Bilder mit den darin markierten Ablationsläsionen beispielsweise lagerichtig in morphologische Bilddaten der Herzkammer eingeblendet werden, die etwa auf 2D-Ultraschall, 3D-Ultraschall, 3D-Computertomographie, 3D-Magnetresonanztomographie, 2D-Fluoroskopie oder 3D-Röntgen-Rotationsangiographie beruhen.On the basis of the positional data thus obtained, the endoscopy images can be relatively easily and reliably registered with other 2D or 3D images of the examination and treatment region, which were recorded, for example, as part of a preliminary examination with the aid of a further modality, ie assigned to one another in terms of size and position, and be merged as needed. Alternatively or additionally, an image-based or object-based registration, for. B. with the help of X-ray impermeable marks or the like may be provided. Thus, the endoscopic images with the ablation lesions marked therein can be inserted, for example, in the correct position into morphological image data of the ventricle based, for example, on 2D ultrasound, 3D ultrasound, 3D computed tomography, 3D magnetic resonance tomography, 2D fluoroscopy or 3D X-ray rotational angiography.
So können die aus dem Endoskopiebild extrahierten Läsionen beispielsweise auf die Wand eines durch Segmentierung von 3D-Computertomographie- oder von 3D-Röntgen-Rotationsangiographie- oder von Magnetresonanz-Bilddaten erzeugten 3D-Modells einer Herzkammer projiziert werden. Durch die Darstellung der Läsionen im 3D-Modell der zu therapierenden Herzkammer erhält der Elektrophysiologe Kenntnis über die Lage der Ablationsläsionen relativ zur 3D-Morphologie (z. B. zur Lage der Läsionen im linken Herzvorhof relativ zu den Pulmonalvenen-Ostien).So can remove the lesions extracted from the endoscopy image for example, on the wall of a 3D segmentation computerized tomography or 3D X-ray rotational angiography or magnetic resonance image data 3D model of a ventricle can be projected. By the Presentation of the lesions in the 3D model of the treatment to be treated Cardiac chamber receives information to the electrophysiologist the location of ablation lesions relative to 3D morphology (eg relative to the location of the lesions in the left atrium relative to the pulmonary vein ostia).
Ebenso können die Läsionen während der Ablationsprozedur in Live-Fluoroskopiebilder oder Live-Ultraschallbilder eingeblendet werden, in denen dann gegebenenfalls auch der Ablationskatheter mit dem Endoskop selber sichtbar ist.As well The lesions may be during the ablation procedure in live fluoroscopy images or live ultrasound images in which then possibly also the ablation catheter is visible with the endoscope itself.
Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch eine digitale Verarbeitung der von einem Ballon-Katheter mit integriertem Endoskop aufgenommenen Bilder mit Hilfe von Mustererkennungsalgorithmen Ablationsläsionen während und nach einer elektrophysiologischen Ablationsprozedur visualisiert, extrahiert und quantifiziert werden können. Dadurch kann die Qualität, insbesondere Durchlässigkeit, Ausmaß und Eindringtiefe, von Ablationsläsionen beurteilt werden. Falls die gewünschte Qualität nicht gegeben ist, kann eine sofortige Wiederholung der Gewebeverödung stattfinden. Auch bei Re-Ablationen (Nachfolgeprozeduren) ist die Visualisierung der Ablationsläsionen der zuletzt durchgeführten Ablationsprozedur vorteilhaft.The particular advantages of the invention are that by a digital processing of a balloon catheter with integrated endoscope images taken using pattern recognition algorithms Ablation lesions during and after an electrophysiological ablation procedure visualized, extracted and quantified. As a result, the quality, in particular permeability, Extent and depth of penetration of ablation lesions be assessed. If the desired quality is not given, an immediate repetition of tissue obliteration can take place. Also in re-ablation (follow-up procedures) is the visualization the ablation lesions of the last performed Ablation procedure advantageous.
Durch Kombination dieser endoskopischen Visualisierung mit weiteren bildgebenden Modalitäten können die Präzision und der Langzeit-Erfolg der Ablation verbessert werden, indem kombinierte, einander ergänzende Informationen über
- – elektrophysiologische Signale (intrakardiales EKG sowie Oberflächen-EKG),
- – Ablationsläsionen (aus dem Endoskopiebild), und die
- – Morphologie der Herzkammer (mittels der oben angeführten weiteren bildgebenden Modalitäten)
- - electrophysiological signals (intracardiac ECG and surface ECG),
- - Ablation lesions (from the endoscopy image), and the
- - Morphology of the ventricle (by means of the above-mentioned further imaging modalities)
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in jeweils stark vereinfachter und schematisierter Darstellung:One Embodiment of the invention will be described with reference to a drawing explained in more detail. Therein show in each strong simplified and schematic representation:
Der
Katheter
Das
in
Um
einen Vergrößerungseffekt bzw. eine Erweiterung
des Blickfeldes zu erzielen, kann das Objektiv
Für
eine ungehinderte Sicht auf das Endokard
Am
distalen Ende des Katheters
In
optionaler Ausgestaltung kann überdies ein hier nicht dargestelltes
Ablationswerkzeug am distalen Ende
Der
Katheter
Darüber
hinaus kann eine Überwachung des Eingriffs anhand von Live-Fluoroskopie-Bildern
vorgesehen sein, die z. B. mit dem in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- - „Nonfluoroscopic Guidance for Catheter Placement into the Coronary Sinus under Direct Vision Using a Balloon-Tipped Cardioscope”; Yamamoto et al.; PACE, Vol. 21; Seiten 1724 bis 1727 (1998) [0007] - "Nonfluoroscopic Guidance for Catheter Placement Into the Coronary Sinus under Direct Vision Using a Balloon-Tipped Cardioscope"; Yamamoto et al .; PACE, Vol. 21; Pages 1724 to 1727 (1998) [0007]
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