CN107019508B - 全局标测导管接触的优化 - Google Patents
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Abstract
本发明题为“全局标测导管接触的优化”。本发明公开了一种心脏导管插入术。通过构建活体受检者的心脏的左心房模型，选择尺寸被设计为与左心房模型相符的全局导管，在左心房模型中表示该导管；在左心房模型中延伸该导管的长度轴以形成与卵圆孔的交叉点，以及将该交叉点报告为用于将导管插入穿过其的推荐的经中隔穿刺位点，来进行心脏导管插入术。
Description
版权声明
本专利文献的公开内容的一部分包含受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人复制该专利文献或专利公开，因为它出现在专利商标局的专利文件或记录中，但在其他方面无论如何都保留所有的版权权利。
背景技术
1.技术领域
本发明涉及心脏生理学。更具体地，本发明涉及对心脏中的电传播的评估。
2.相关领域的描述
心律失常诸如心房纤颤为发病和死亡的重要原因。共同转让的均授予Ben Haim的美国专利5,546,951和美国专利6,690,963以及PCT申请WO96/05768公开了用于感测作为心脏内的精确位置的函数的心脏组织的电性能例如局部激活时间的方法，所述专利均以引用方式并入本文。使用一个或多个导管采集数据，所述导管具有被推进到心脏中的位于其远侧末端中的电传感器和位置传感器。基于这些数据创建心脏的电活动的标测图的方法在共同转让的均授予Reisfeld的美国专利6,226,542和美国专利6,301,496中有所公开，所述专利以引用方式并入本文。如这些专利中所指示的，通常最初在心脏的内表面上的大约10个至大约20个点上测量位置和电活动。然后，这些数据点通常足以生成心脏表面的初步重建或标测图。初步标测图常常与在附加点处取得的数据进行组合，以便生成心脏的电活动的更全面的标测图。实际上，在临床环境下，累积100个或更多个位点处的数据以生成心室电活动的详细的、全面的标测图并不少见。然后，所生成的详细标测图可用作决定治疗动作过程例如组织消融的基础，以改变心脏的电活动的传播并恢复正常心律。
包括位置传感器的导管可用于确定心脏表面上的点的轨线。这些轨线可用于推断运动特性，诸如组织的收缩性。如在授予Ben Haim并且全文以引用方式并入本文的美国专利5,738,096中所公开的，当在心脏中的足够数量的点处对轨线信息进行采样时，可构建描绘此类运动特性的标测图。
心脏中某个点处的电活动通常通过推进多电极导管来测量，以在心室中的多个点处同时测量电活动。由通过一个或多个电极测量的时变电位得到的记录被称为电描记图。电描记图可通过单极或双极引线测量，并用于例如确定在某个点处的电传播的开始，其被称为局部激活时间。
当评估左心房时，可经由经中隔穿刺以经皮的方式引入导管，诸如篮状导管。文献《Considerations Regarding the Technique for Transseptal Left HeartCatheterization》，J.Ross.循环(Circulation)10/1966；34(3)：391.9指出了由于例如缺乏对导管末端的移动的触觉上的理解所引起的这种规程的许多困难。因此，不能识别由导管末端接合的结构，并且抵靠它们施加的压力的程度是不受控制的。例如，可发生针与左心房后壁的不期望的接触。此外，用于穿刺隔膜的最佳位点受到诸如右心房或左心房扩大的此类考虑的影响。
发明内容
一种对左心房进行标测的方法，该方法基于通常呈多电极篮状导管形式的全局标测导管，该导管通过穿刺心房间隔膜，通常穿过卵圆窝，而被引入左心房。篮状导管与左心房相比相对较大，并且不适合人类左心房。因此，标测质量受损。这些导管几乎没有偏转能力。穿刺的位置构成作为约束的锚定点，使得难以或甚至不可能操纵篮状导管与心房的目标区域良好接触，特别是如果经中隔穿刺的位置是次优的。
本发明的公开的实施方案优化全局导管的经中隔位置，以便最大化左心房内的标测导管的到达位置，以及导管与左心房壁的接触。
提供了一种根据本发明的实施方案的方法，该方法通过以下步骤来进行：构建活体受检者的心脏的左心房模型，选择尺寸被设计为与左心房模型相符合的全局导管，在左心房模型中表示该导管；在左心房模型中延伸该导管的长度轴以形成与卵圆孔的交叉点，以及将该交叉点报告为用于将导管插入穿过其的推荐的经中隔穿刺位点。
根据方法的一个方面，构建左心房模型包括形成以左心房模型的与左心房的质心对应的点为中心的3维边界框，并且选择全局导管包括参考全局导管的数据库，以根据预定义的框符合标准来识别与边界框相符的所选择的导管。
根据方法的另一个方面，在左心房模型中表示导管包括将导管转换成椭圆体，并且选择全局导管还包括根据预定义的框符合标准来确定椭圆体近似边界框。
根据方法的另一个方面，预定义的框符合标准包括椭圆体的长半轴与边界框的长度尺寸的在第一范围内的偏差。
根据方法的附加方面，预定义的框符合标准包括椭圆体的两个短半轴之和与边界框的高度尺寸和宽度尺寸之和的在第二范围内的偏差。
根据方法的又一个方面，通过延伸椭圆体的长半轴，执行延伸导管的长度轴，并且在延伸椭圆体的长半轴之前，通过相对于边界框的长度尺寸、宽度尺寸和高度尺寸调整椭圆体的半轴，执行椭圆体和边界框的表面配准。
根据方法的另一个方面，调整椭圆体的半轴包括最小化椭圆体的表面和边界框的边界之间的均方根偏差。
附图说明
为了更好地理解本发明，以举例的方式参考本发明的详细描述，本发明的详细描述应结合以下附图来阅读，附图中相似的元件被给予相似的参考编号，并且在附图中：
图1是根据本发明的实施方案的用于对活体受检者的心脏进行导管插入术的系统的示意图；
图2是根据本发明的实施方案的优化心脏探头或导管与心房间隔膜之间的接触的方法的流程图；
图3是根据本发明的实施方案的左心房的重建图像；
图4是示出作为全局导管的变换的椭圆体的图；
图5是根据本发明的实施方案的包括心脏的剖视图和心房重建的复合图；并且
图6是根据本发明的实施方案的用于识别与受检者的左心房解剖结构最佳匹配的导管的方法的流程图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的各种原理的全面理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，并非所有这些细节都是实施本发明所必需的。在此实例中，未详细示出熟知的电路、控制逻辑以及用于常规算法和过程的计算机程序指令的细节，以免不必要地使一般概念模糊不清。
以引用方式并入本文的文献将被视作本申请的整体部分，不同的是，就任何术语在这些并入文件中以与本说明书中明确或隐含地作出的定义矛盾的方式定义而言，应仅考虑本说明书中的定义。
现在转到附图，首先参考图1，其为用于对活体受检者的心脏12执行医疗规程的系统10的插图，系统10根据本发明的公开实施方案进行构建和操作。该系统包括导管14，由操作者16将导管14以经皮肤地方式插入穿过患者的血管系统进入心脏12的室或血管结构中。通常为医生的操作者16使导管的远侧末端18与心脏壁接触，例如，在心房隔膜13的所选择的区域处，以准备用于间隔穿刺。当导管处于操作位置时，可根据美国专利6,226,542和6,301,496以及共同转让的美国专利6,892,091中公开的方法制作电激活图，所述专利的公开内容以引用方式并入本文。体现系统10的元件的一种商业产品可以作为从BiosenseWebster,Inc.,3333Diamond Canyon Road,Diamond Bar,CA 91765购得的
3系统获得。该系统可由本领域的技术人员进行修改以体现本文所述的本发明的原理。
导管14通常包括柄部20，在该柄部上有合适的控件，以使操作者16能够按消融所需来对导管的远侧端部进行操纵、定位和取向。为了协助操作者16，导管14的远侧部分包含向可位于控制台24中的处理器22提供信号的位置传感器(未示出)。处理器22可完成如下所述的若干处理功能。另选地，导管14可设置有电信息收集器，并且控制台24中的电路可接受和处理该信息。与NavX表面电极贴片一起使用的EnSiteTM系统为示例。实际上，本发明的原理适用于支持导管经由心房间隔膜进入左心房的导航的许多系统和方法。
线连接件35将控制台24与体表电极30和用于测量导管14的位置和取向坐标的定位子系统的其他部件连接。处理器22或另一个处理器(未示出)可以是定位子系统的元件。电极32和体表电极30可用于在消融位点处测量组织阻抗，如以引用方式并入本文的授予Govari等人的美国专利7,536,218中所教导的那样。温度传感器(未示出)，通常为热电偶或热敏电阻器，可安装在电极32中的每个电极上或其附近。
控制台24通常包含一个或多个消融功率发生器25。导管14可适于利用任何已知的消融技术，例如，射频能量、超声能量和激光产生的光能，来将消融能量传导到心脏。共同转让的美国专利6,814,733，6,997,924和7,156,816中公开了此类方法，这些专利以引用方式并入本文。
在一个实施方案中，定位子系统包括磁定位跟踪布置结构，该磁定位跟踪布置结构利用磁场生成线圈28通过在预定义的工作空间中生成磁场并在磁传感器(未示出)中感测在导管处的这些磁场来确定导管14的位置和取向。定位子系统在以引用方式并入本文的美国专利7,756,576以及上述美国专利7,536,218中有所描述。
如上所述，导管14耦合到控制台24，这使得操作者16能够观察并调节导管14的功能。控制台24包括处理器，处理器优选地是具有适当的信号处理电路的计算机。处理器被耦合以驱动监视器29。信号处理电路通常接收、放大、过滤并数字化来自导管14的信号，该信号包括由上述传感器和位于导管14远侧的多个位置感测电极(未示出)生成的信号。通过控制台24和定位系统接收并使用数字化信号，以计算导管14的位置和取向，并且分析来自电极的电信号。
通常，系统10包括为简明起见而未在附图中示出的其他元件。例如，系统10可包括心电图(ECG)监视器，该心电图(ECG)监视器被耦合以从一个或多个体表电极接收信号，以便向控制台24提供ECG同步信号。如上所述，系统10通常还包括基准位置传感器，该基准位置传感器位于附接到受检者身体外部的外部施加基准贴片上，或者位于插入心脏12内并相对于心脏12保持在固定位置的内置导管上。提供了用于使液体循环通过导管14以用于冷却消融位点的常规泵和管线。系统10可接收来自外部成像模态诸如MRI单元等的图像数据，并且包括图像处理器，该图像处理器可结合在处理器22中，或者由处理器22调用，用于生成并显示图像，诸如电解剖图。
现在参考图2，图2是根据本发明的实施方案的优化心脏探头或导管与心房间隔膜之间的接触的方法的流程图。为了呈现清楚起见，以具体的线性顺序示出了过程步骤。然而，可以能够并行地、异步地或以不同的顺序进行该过程步骤中的一些。本领域的技术人员还将应当理解，另选地，过程可被表示为例如在状态图中的多个相互联系的状态或事件。此外，可并不需要所有示出的过程步骤来实现所述方法。
在初始步骤37处，将探头以经皮的方式引入心脏的右心房。接下来，在步骤39处，重建左心房的模型，即在三维空间中进行几何定义。这可以通过分析来自其他模态的图像，即，来自预先获取的MRI的分割，或已经与心房模型配准的荧光透视图像来实现。由不同模态获取或制作的图像的配准从例如美国专利申请公开2007/0049817和授予Altmann等人的共同转让的美国专利7,517,318已知，所述专利以引用方式并入本文。然而，在标题为《Model Based Reconstruction of the Heart from Sparse Samples》的共同转让的共同未决申请14/313,214中公开了另一种生成重建的方法，该专利以引用方式并入本文。在该方法中，心房形状被表示为在边界域内的所有点处定义的场函数的等值面。其他重建方法在本领域中是已知的，并且可使用，例如Reisfeld的美国专利6,226,542和Govari等人的美国专利申请公开2009/0177089中公开的方法，所述专利在此被共同转让，并且以引用方式并入。另选地，CartoMergeTM模块和上述CARTO系统的其他设施可实现该步骤。
接下来，在步骤41处，通过计算心房的质心、将心房处理为空壳、排除肺静脉并限定从其发出的三个正交轴来建立边界框以用于重建的左心房。例如，x轴、y轴和z轴可分别与边界框的长度、宽度和高度对准，即，x轴与边界框的长轴对准。边界框的中心与重建的左心房的质心对应。现在参考图3，其是根据本发明的实施方案在步骤39中制作的左心房43的重建图像。边界框45已经被建立，并且包封左心房43。在边界框45的左边示出了参考坐标系47。
接下来，在步骤49处，查询包括篮状导管的已知全局导管模型的列表。从列表中选择与在步骤41中产生的左心房的边界框最佳地匹配的导管。通过将导管的三个轴的长度与边界框的长度进行比较来完成匹配。在下面在图6的讨论中呈现匹配规程的细节。
接下来，在决定步骤51处，确定在步骤49中选择的篮状导管的一部分当放置在边界框内时是否将延伸超出框超过预定义的距离阈值。在图6的讨论中描述该步骤的细节。如果判定是肯定的，则得出结论：不能从可用导管的列表中获得令人满意的导管。该规程在最终步骤53处以失败结束。
如果在决定步骤51处的判定是否定的，则控制前进到步骤55。将在步骤49中选择的篮状导管映射到椭圆体。
接下来，在步骤57处，将最长的、中等的和最短的半轴与坐标系47(图3)的x轴、y轴、z轴以及在步骤41中产生的边界框45对准。
现在参考图4，其是示出根据本发明的实施方案的通过在步骤49中选择的导管的变换产生的椭圆体59的图。具有长半轴61的椭圆体59与边界框45的尺寸配准，并且与其长度轴、宽度轴和高度轴对准。
回到图2，执行步骤57。步骤57包括步骤63和步骤65。在步骤63处，将在步骤39中生成的心房的图像放置成与椭圆体配准。这通过将椭圆体的中心与左心房的质心重叠并旋转椭圆体直到椭圆体的半轴与边界框即坐标系47的轴对准来完成。
在步骤65中，调整椭圆体的轴，以便最小化椭圆体的表面和边界框之间的均方根偏差。上述CARTO 3系统的CartoMerge模块可用于执行步骤65。
接下来，在决定步骤67处，确定在步骤65中确定的均方根偏差是否超过预定义的阈值。如果判定是肯定的，则控制前进到最终步骤53并报告失败。操作者被建议经中隔位置不可提供。
如果在决定步骤67处的判定是否定的，则在先前步骤中产生的信息用于计算经中隔穿刺的最佳位置。控制前进到步骤69。可参考图5理解步骤69，图5是根据本发明的实施方案的包括右心房71和右心室73的剖视图以及心房重建的复合局部示意图。图5的左边部分半示意性地示出相关的解剖结构。探头75已经通过下腔静脉77被引入，并且其远侧端部接近卵圆窝79。在图5的右上方是其中椭圆体59在步骤57(图2)中产生的重建的左心房43上重叠的图。长半轴61作为虚线83延伸穿过卵圆窝81。线83也出现在右心房71的剖视图上，该剖视图在监视器29(图1)上呈现给操作者。
在最后的步骤85处，线83与卵圆窝79的交叉点作为推荐的穿刺位点被报告给操作者。
现在参考图6，其是详述步骤49(图2)的流程图，其中根据本发明的实施方案从导管的列表中选择最适合特定受检者的左心房解剖结构的导管。该过程在初始步骤87处开始。记录在步骤41(图2)中生成的边界框的长度(L框)。
接下来，在步骤89处。从可用导管的列表中选择导管。所选择的导管的长度已知。
接下来，在步骤91处，存储导管的长度和边界框的长度之间的差值(L框-L导管)。
仅进一步考虑长度落入以边界框的长度为起始的预定范围内的那些导管。在决定步骤93处，确定在步骤91中获得的差值是否大于范围的下限并且小于范围的上限。以mm为单位的合适的范围为：
-3<(S框-S导管)<+6。
如果在决定步骤93处的判定是肯定的，则控制前进到步骤95。将当前导管添加到合格导管的列表中。
在执行步骤95之后，或者如果在决定步骤93处的判定是否定的，则控制前进到决定步骤97，在步骤97处确定是否有更多的导管可用于评估。如果在决定步骤97处的判定是肯定的，则控制返回到步骤89以选择另一个导管。
如果在步骤95处的判定是否定的，则在决定步骤99处，确定合格的导管组是否为空，即，没有发现合格的导管。如果判定是肯定的，则控制前进到最终步骤101，在最终步骤101中报告失败。没有发现与特定左心房匹配的导管。然而，在某些情况下，用户可以能够手动选择次优模型。
如果在决定步骤99处的判定是肯定的，则控制前进到步骤103。获得边界框的两个短尺寸(宽度(y)和高度(z))(S框(y)和S框(z))。
接下来，在步骤105处，从在步骤95中编制的合格导管的列表中选择导管。然后，在步骤109处，获得其两个短半轴(S导管(y)；S导管(z))。相对于导管的对应轴来评估边界框的每个轴。
接下来，在决定步骤111处，确定值S导管(y)–S框(y)和S导管(z)–S框(z)是否均在以mm为单位的可接受的范围内。该范围可从-3mm到+3mm。
如果在决定步骤111处的判定是否定的，则控制前进到步骤113。将当前导管从合格导管的列表中去除，并且从进一步考虑中消除。
如果在决定步骤111处的判定是肯定的，则在步骤114处，针对当前导管计算值S＝(S框(y)–S导管(y))+(S框(z)–S导管(z))+(L框-L导管)。
在执行步骤113或步骤114之后，然后在决定步骤115处，确定是否合格导管列表中的更多成员仍有待于被评估。如果判定是肯定的，则控制返回到步骤105。
如果在决定步骤115处的判定是否定的，则控制器前进到最终步骤117。最靠近左心房的导管，即在步骤114中针对其计算的值S最接近零的导管被报告给操作者。可任选地报告若干次优匹配。
本领域技术人员应当理解，本发明不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包含上文所述各种特征的组合与子组合两者，以及不在现有技术范围内的其变型和修改，本领域的技术人员在阅读上述描述时应当想到这些变型和修改。
Claims (6)
1.一种用于全局标测导管接触优化的系统，包括：
处理器，被配置成执行以下步骤：
构建活体受检者的心脏的左心房模型，所述心脏具有左心房、心房间隔膜和位于所述隔膜中的卵圆孔，其中构建左心房模型包括形成三维边界框，所述三维边界框具有与所述左心房的质心对应的中心并且具有长度、宽度和高度；
从全局导管的数据库中选择尺寸被设计为与所述左心房模型相符的导管，所述导管具有长度轴；
通过将所选择的导管映射成椭圆体，来在所述左心房模型中表示所述导管；
在所述左心房模型中，延伸所述导管的所述长度轴以形成与所述卵圆孔的交叉点；以及
将所述交叉点报告为推荐的经中隔穿刺位点，用于将所述导管插入穿过所述经中隔穿刺位点。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述左心房模型中表示所述导管包括将所述导管转变成具有表面和半轴的椭圆体，所述半轴包括长半轴和两个短半轴，其中，选择导管还包括：根据预定义的框符合标准，确定所述椭圆体与所述边界框近似。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述预定义的框符合标准包括所述椭圆体的所述长半轴与所述边界框的所述长度的在第一范围内的偏差。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述预定义的框符合标准包括所述椭圆体的所述两个短半轴之和与所述边界框的所述高度和所述宽度之和的在第二范围内的偏差。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，延伸所述导管的所述长度轴包括延伸所述椭圆体的所述长半轴，并且所述处理器还被配置成执行以下步骤：
在延伸所述椭圆体的所述长半轴之前，通过相对于所述边界框的所述长度、所述宽度和所述高度调整所述椭圆体的所述半轴来执行所述椭圆体和所述边界框的表面配准。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，调整所述椭圆体的所述半轴包括最小化所述椭圆体的所述表面和所述边界框的所述边界之间的均方根偏差。
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