CN101111193B - 在电生理介入中引导导管的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于在电生理学过程中引导具有电极(21)的导管(20)的系统和方法。利用X射线设备(10)生成导管(20)和静止的参考导管(30)的图像序列(I1，...Ik，...)，并且与来自电极(21，31)的相关联电记录一起存储。然后可以从所述序列中选择对应于期望电记录图案(Ek)的参考图像(Ik)。在下一步骤中，在参考图像(Ik)上定位导管(20，30)的位置(T，R)，其中可以利用这个导管(30)在实际图像(I)上的位置来标识参考导管(30)的位置(R)。因此有可能也在实际图像上确定与导管(20)在参考图像(Ik)上的位置(T)相对应的、这个导管(20)的目标位置(T′)。可以最终在监视器(60)上标识所述目标位置(T)以协助将导管(20)引导到期望位置。
Description
技术领域
本发明涉及用于心血管介入的介入系统和方法，其中该心血管介入利用了记录电生理信号的导管。
背景技术
越来越多的电生理(EP)过程在心血管X射线系统上执行。这些过程需要具有通常几个小时持续时间的长时间以及相关联的大量的患者X射线剂量。因此，向X射线系统提供便于系统使用、缩短执行过程的时间、以及降低X射线剂量的功能是重要的。
EP过程的一个特定示例是对心动过速、即异常快速心律的微创治疗。多条贯穿心肌的纤维(fibers)负责传播电生理信号。致心律失常性组织或者绕过正常传导纤维的异常路径的存在可以导致心动过速。在微创治疗期间，通过映射电生理激励信号来确定致心律失常性组织或者异常路径的位置。例如，为一个或者多个心室描述了从参考位置到当前位置的激励信号的延迟或者不规则激励源。在信号映射之后，将消融导管引导向所标识的目标地区，并且应用交流电、低温疗法、或者其它手段来局部破坏导致心动过速的心脏组织。这个过程的特征在于X射线荧光检查用于提供导管相对于心脏解剖结构的(大致)空间位置，而电生理信号提供了实际的诊断信息。
在这样的介入期间的各个点处，需要将导管引导到具有特征化的、先前观察到的EP信号的位置。为了该目的，可以连同相关的荧光检查序列一起记录EP信号，并且在稍后的时间点处，可以选择、恢复和显示组合的EP-X射线序列(参看例如US 6 572 556 B2)。然而，将导管导航到具有期望EP信号的位置仍然保持为相当难和冗长的过程。
发明内容
基于这个情况，本发明的目的是提供用于在介入期间、便于引导记录电生理信号的导管的手段。
这个目的通过根据权利要求1的介入系统和根据权利要求11的方法实现。从属权利要求中公开了优选实施例。
根据本发明的第一方面，本发明包含一种用于心血管介入的介入系统，其具有下列部件：
- 导管，其具有至少一个电极，可以感测来自组织(例如心肌)的电生理信号。如果导管具有超过一个电极(像所谓的“篮形导管”那样)，则将在大量位置记录大量信号，但是仍然提供了从位置到所记录的ECG信号的固定映射。
- 电记录设备，其耦接到导管的上述电极，并且适于测量由所述电极感测的电生理电势。这种类型的电记录设备在本领域现状是众所周知的(例如，用于心电图学、肌电图学、或者脑电图学)，并因此不在这里进行更详细的描述。通过监控所记录的电生理电势，有可能诊断在该电极位置的组织。
- 成像设备，用于生成发生介入的区域的图像(在下列称作“介入区域”)。成像设备可以例如是X射线设备、核磁共振成像(MRI)设备、或者超声设备。在利用该设备生成的图像上，导管应该是可见的，以便可以借助于图像贯穿全部心室导航该导管。
- 数据处理单元，其例如可以由具有象中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM、硬盘等)、I/O接口那样的关联部件和恰当软件的微计算机实现。数据处理系统耦接到电记录设备和成像设备以便从这些部件接收信号，并且可选地控制它们。此外，它适合于执行下列步骤：
a) 存储由成像设备生成的、介入区域中导管的图像序列，其中每个图像与相关联的、通常同步的电记录(其根据定义在图像生成期间记录)一起存储。则这些记录反映了在导管的电极驻留在相应图像或者图像序列上的位置处的电生理条件。
b) 生成在该介入区域内导管的图像。在介入期间，所述图像通常是(荧光检查)活动图像，并将因此在下面称为“实际图像”。然而不应该将这理解为关于生成所述图像的时间的限制。此外，类似于步骤a)中的过程，可以并行于实际图像的生成可选地记录电记录电势。
c) 从步骤a)的已存储序列中选择“参考图像”，其中所述参 考图像应该属于期望的电记录图案(记录)。所期望的电记录图案通常由医生预先确定并且通常代表具有故障的组织。
d) 定位导管在参考图像上的位置，其中所述“位置”包含一个或多个点(例如，定义曲线路径)，以及其中所述定位可以由根据数字图像处理得知的任何适当方法实现。此外，在实际图像上确定导管的“目标位置”，其中所述目标位置对应于导管在参考图像上的定位位置。换句话说，导管在参考图像上的定位位置与实际图像上的相应位置配准。所述配准优选为基于被成像身体部分的固定标志，即将参考图像上的解剖位置映射为在实际图像上的相同解剖位置。
上述类型的介入系统对于在电生理过程期间导航导管非常有帮助，这是因为确定活动图像上的目标位置有助于将导管引导到示出特征电记录图案的期望组织。不再需要在冗长的迭代过程中查找所述组织，其中在所述迭代过程中，逐步前进导管同时将所记录的电记录信号和所期望的信号进行比较。因此，可以降低介入持续时间，这意指对于患者和医务人员的较少压力和X射线曝光。
可以通过数字图像处理中已知的不同方法来实现步骤d)中对目标位置的确定。可以例如通过发现具有最大局部相似性的图像的重叠，来基于参考图像和实际图像的内容对它们进行配准。根据优选实施例，该确定基于在参考图像和实际图像上示出的身体部分中的至少一个特征点的定位。特征点可以例如为象心脏的顶点那样的解剖学标志，或者象肺静脉那样在心房中的区别位置。
在另一个实施例中，该介入系统包含参考工具，其中这个工具的位置对于所存储序列中的每个图像以及对于其它图像的实际图像是已知的。因此，可以将该参考工具认为是允许该序列图像和实际图像基于对象的配准的标记。该参考工具可以特别为第二或者“参考”导管。在电生理测量中通常需要具有参考电极的参考导管，而且该参考导管通常在介入期间保持在相同的解剖学位置。如果参考导管在介入期间重定位了，只要所述重定位的程度是已知的以便可以考虑该重定位，这就不能阻止其作为图像上标记的使用。
该介入系统优选为还包含显示单元如监视器，用于显示实际图像连同所确定目标位置的指示。因此，医生可以在直接视觉控制下将导管引导到目标位置。
如果在图像序列的一副图像上标识了导管(或者其电极)和/或参考工具(如果存在的话)，并且然后在该序列的其他图像中跟踪它们，则可以便于进行导管(或者其电极)和/或参考工具(如果存在的话)在参考图像上的定位。任何图像上的定位因此基于(相对于图像序列的时间次序)在先前/随后图像上早已得知的位置。可以借助于用户交互地实现导管或者参考工具在第一图像上的标识。人的交互对于区别(介入)导管和参考导管特别有帮助，这是因为它们二者在图像上看起来彼此相同或者非常类似。在这种情况下，由用户提供的标识可以由所提及的跟踪扩展到全部图像。
在该研究系统的进一步开发中，选择对应于相同心脏阶段的参考图像作为实际图像(虽然当然同时也属于所期望的电生理图案)。可以容易地确定对应于图像的心脏阶段，这是因为电记录信号与图像生成并行地被记录。通过选择具有类似心脏阶段的图像作为实际图像，将由于心跳而导致的所介入区域的移动和/或变形能降低到最小。
该系统还适合于补偿呼吸运动对图像序列和实际图像中的导管和/或参考工具的影响。可以特别基于先前提取的、由于呼吸而导致的导管位置运动以及根据所获取的图像或者外部呼吸传感器对呼吸深度的连续确定，来补偿呼吸运动。
为了实现最优精确度，优选为组合上述方法。因此，本系统可以在补偿心跳和呼吸运动之后显示(参考)导管位置，其中通过连续地更新对参考图像的选择以便它对应于由同步获取的ECG所标识的实际图像的心脏阶段，来补偿心跳运动。对两种类型运动的补偿对于准确导航导管以及在先前确定的位置再定位导管特别重要。
在本发明的另一个变体中，导管和/或参考工具具有允许确定它们空间位置的标记。所述标记可以例如为可以容易地在X射线图像上定位的X射线密致材料。优选该标记属于非视距定位系统，例如测量不均匀的外部磁场的大小和方向的霍尔传感器。这样系统的适当标记是当前技术领域已知的，并且因此将不在这里进行详细描述。
本发明还包含一种用于在心血管介入期间、在介入区域中引导具有电极的导管的方法，所述方法包含下列步骤：
a) 连同相关联的电记录一起生成和存储介入区域中导管的图像序列；
b) 生成在介入区域中的导管的实际图像；
c) 从已存储的图像序列中选择属于期望电记录图案的参考图像；
d) 定位导管在参考图像上的位置，并且确定在实际图像上的相应目标位置。
该方法以普通形式包含可以利用如上所述类型的研究系统执行的步骤。因此，参考先前描述来获得有关该方法细节、优点和改进的进一步信息。
根据优选实施例，该方法包含布置在介入区域中的参考工具，特别是参考导管，其中所述工具的相对位置在所有图像中都是已知的。这个位置可以因此用作参考图像和实际图像配准的标记。
参考下文中描述的(多个)实施例，本发明的这些及其它方面将变得明显并且得到阐述。
附图说明
下面，借助于示意性地示出根据本发明的介入系统的附图来举例说本发明。
具体实施例
在图的左侧，描述了旋转X射线设备10，其包含由C型臂12相连接的X射线管13和X射线检测器11。X射线设备10允许从躺在该设备中心的工作台上的患者1的不同方向生成X射线投影。除了X射线设备，同样可以使用其它成像设备。
该图进一步示出了经由患者1的脉管系统前进的导管20。在导管顶端的电极21耦接到电记录设备40，以便记录接触电极21的组织的电生理电势。对于电生理测量，存在第二或者“参考”导管30，并且其也连接到电记录设备40，其中在整个介入期间，所述导管30和它的参考电极31通常保持在不变的解剖位置处。
该系统的典型应用是对由致心律失常性组织或者患者1的心脏中的异常路径所导致的心动过速的微创治疗。在这样的介入期间，必须几次将导管20的电极21带到同一个解剖位置，其中由所记录的电生理电势判断正确位置。所描述的系统特别适应于在下面将要更详细描 述的、导管20的重定位中协助医生。
X射线设备10和电记录设备40连接到例如为工作站的数据处理单元50。该图说明了主要由软件实现的所述数据处理单元50的不同模块。
在第一模块51中，连同来自电极21的电记录E1，...Ek，...一起存储由X射线设备10生成的图像序列I1，...Ik，...，其中这些电记录在生成图像的时候记录。应当注意到，电记录E1，...Ek，...通常维持几秒甚至几分钟，而X射线图像的生成要更快地实现。电记录代表由导管20的电极21在所生成的图像中所处的位置处的组织生成的电生理信号。
在第二模块53中，连同由设备40的电极21、31测量的相应电生理记录E一起保持介入区域的实际或者活(荧光检查)图像I。所述实际图像I代表在介入期间导管20的当前位置。
如上面早已描述的那样，在电生理过程期间的典型任务是将导管20(或者，更确切地说，它的电极21)重定向到先前占据的、以某个电记录信号图案为特征的位置。为了协助这个任务，在模块51中搜索类似于这个期望图案的电记录Ek，并且选择图像序列中相关联的图像Ik作为所谓的“参考图像”Ik并且将其传输到模块52。
在参考图像Ik上，可以通过数字图像处理中已知的过程确定导管20的图像或者“目标位置T”以及参考导管30的图像或者“参考位置”R。
在类似的步骤中，可以在模块54中确定参考导管30在实际图像I上的位置R′。因为参考导管30具有心脏中的固定位置并且不相对于心脏移动，所以它在参考图像Ik和实际图像I二者中都标记相同的解剖位置(或者位置的连接路径)。这使得有可能匹配导管30的图像(例如，使用基于灰度级的配准或者所检测和分段导管的几何匹配)并因此配准图像I和Ik二者，即将两个图像上的对应(解剖构造)点双射(bijectively)映射到彼此上。基于这个配准，如在模块55中用符号所表示的那样，先前在参考图像Ik中定位的目标位置T可以转换到实际图像I中的相应目标位置T′。
作为最后的步骤，可以连同导管20必须移到的目标位置T的指示(例如，彩色表示和/或指向导管顶端的箭头)一起，在监视器60上显示实际图像I。
可以通过在参考图像Ik中指示各个导管上的点来手动地进行参考导管30和(介入)导管20在图像中的标识。可替换地，可以在该过程最开始处在荧光检查图像中指示参考和介入导管一次，而且相应的信息可以通过跟踪导管而扩展到后续帧。可由计算机视觉识别(例如，由于它们的数目和/或相互距离)的参考导管或者标记的位置的先验信息也可以用作这个标识。
如果参考导管会在介入期间的一些时间点处移动，则导管跟踪也是有帮助的。在那种情况下，介入导管20可以用作估计参考导管30的移动的参考。然后可以在重叠内考虑相应的转换。
该过程的进一步扩展包含使用ECG信息来选择图像序列I1，...Ik，...以及具有相应心脏收缩阶段的实际荧光检查序列，以便向导航给予有时强壮心跳运动的补偿。类似地，可以考虑循环呼吸运动的分析来改进精确度。可以使用数字图像处理根据所获取的图像确定呼吸深度，或者通过例如围绕患者腹部或者低胸、具有拉伸传感器的带子那样的外部传感器来确定呼吸深度。这允许分别确定由于呼吸和心跳导致的导管运动。此外，可以在匹配和后续重叠中使用来自附于相应导管的非视距定位器的位置信息，来例如增加深度信息或者用直接位置测量来代替计算机视觉算法。
所述系统便于在EP过程期间恢复与特定EP信号相对应的导管位置。因为可更好地支持医生，所以可以更快地执行特定介入而使患者和工作人员具有较少的X射线曝光。
最后指出，在当前申请中，术语“包含”不排除其它单元或者步骤，“一”不排除多个，以及单个处理器或者其它单元可能满足几个装置的功能。发明存在于每一个新颖特征和每一个特性的组合中。此外，权利要求的参考标记不应该被看作是对其范围的限制。
Claims (10)
1.一种用于心血管介入的介入系统，包含：
-具有电极(21)的导管(20)；
-电记录设备(40)，耦接到所述导管(20)的电极(21)，以便测量电生理电势；
-成像设备(10)，用于生成介入区域的图像；
-数据处理单元(50)，耦接到所述成像设备(10)和电记录设备(40)，并且适合于执行下列步骤：
a)与在导管(20)的电极(21)的相应位置处的相关联电记录(E1，...Ek，...)一起存储所述介入区域中导管(20)的图像序列(I1，...Ik，...)；
b)接收所述介入区域中导管(20)的实际图像(I)；
c)从所存储的图像序列(I1，...Ik，...)中选择属于期望电记录(Ek)的参考图像(Ik)；
d)在参考图像(Ik)上，定位与期望电记录(Ek)的位置相对应的导管(20)的位置(T)，并且确定在实际图像(I)上的相应目标位置(T′)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：数据处理单元适合于基于已成像对象的至少一个特征点(R，R′)在参考图像(Ik)和实际图像(I)中的定位来执行步骤d)中的确定。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：该系统包含参考工具(30)，所述参考工具的相对位置对于存储的图像序列(I1，...Ik，...)中的全部图像和对于实际图像(I)是已知的。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统包含显示单元(60)，用于显示实际图像(I)连同所确定目标位置(T′)的指示。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述成像设备(10)是X射线设备(10)。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：在所述图像序列(I1，...Ik，...)的图像之一上标识所述导管(20)和/或参考工具(30)，然后在其它图像中跟踪它们。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：选择参考图像(Ik)，以便它对应于实际图像(I)的心脏阶段。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统适合于补偿呼吸运动对图像序列(I1，...Ik，...)和实际图像(I)中导管(20)和/或参考工具(30)的影响。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述系统包含呼吸传感器。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述导管(20)和/或参考工具(30)具有允许确定它们的空间位置的标记。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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