CN108074276B - 在标测图上标记稀疏区域 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“在标测图上标记稀疏区域”。获得心脏中的相应测量点处的生理参数的值。构造心脏的三维模型，该三维模型包括包含测量点的第一空间元素和不包含测量点的第二空间元素。内插第二空间元素中的参数的值，并确定模型中的测量点的区域密度。将第一空间元素和第二空间元素处的参数的值显示在心脏的功能标测图上，并且响应于区域密度来修改标测图的图形特征。

Description

在标测图上标记稀疏区域
版权声明
本专利文件的公开内容的一部分包括受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人照专利和商标办公室专利文件或记录原样复制本专利文件或专利公开内容，但除此之外版权所有者保留所有相关的版权。
背景技术
1.技术领域
本发明涉及图像数据处理。更具体地，本发明涉及使用电流或磁场用于进行诊断的几何建模对象。
2.背景技术
内部器官的三维功能图像可用于许多基于导管的诊断和治疗应用中，并且实时成像广泛用于外科规程期间。例如，心脏腔室的标测图可以是腔室表面的三维标测图，在该标测图上覆盖有表示表面的参数(诸如表面的局部激活时间(LAT))的颜色。
现在，常常使用包括用于标测心脏的电活动的电生理传感器的心脏导管来执行对心脏中电势的标测。通常，感测并记录心内膜中的时变电势作为心脏内的位置的函数，然后将其用于标测局部电描记图或局部激活时间。由于通过心肌传导电脉冲所需的时间，心内膜中激活时间随点的不同而不同。在心脏中任何点处的该电传导的方向常规地由激活矢量(在本文中也被称为传导速度矢量)表示，该激活矢量与等电激活波前正交，这两者均可衍生自激活时间的标测图。激活波前通过心内膜中任何点的传播速率可表示为传导速度矢量。
可通过观察现象，诸如多个激活波前、激活矢量的反常集聚、或速度矢量的变化或矢量与正常值的偏差来识别心脏的激活信号的传导中的局部缺陷。此类缺陷的示例包括内曲区域，该内曲区域可与称为复杂碎裂电描记图的信号图案相关联。一旦通过此类标测定位了缺陷，如果其功能异常就可对其进行消融，或以其它方式治疗以便尽可能恢复心脏的正常功能。
两个授予Ben Haim的共同转让的美国专利5,546,951和美国专利6,690,963以及PCT申请WO 96/05768公开了用于根据心脏内的精确位置感测心脏组织的电性能(例如局部激活时间)的方法，这些专利均以引用方式并入本文。使用一个或多个导管来获取数据，该一个或多个导管在其推进到心脏中的远侧末端中具有电传感器和位置传感器。在两个授予Reisfeld的共同转让的美国专利6,226,542和美国专利6,301,496中公开了基于这些数据形成心脏电活动标测图的方法，这些专利以引用方式并入本文。
通常在心脏的内表面上的大约100至200个点上初始测量位置和电活动。然后，生成的可表示为由点构造的网格的标测图可充当决定治疗行动过程(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。
由多电极导管提供的解剖网格是相对粗粒度的以便在至少一些区域显示。因此，购自Biosense Webster，Inc.(3333Diamond Canyon Road,Diamond Bar,CA 91765)的三维标测系统，诸如3系统，内插在测量点之间。
发明内容
对于带有许多测量点的三维标测图上的区域，可以假设内插是可靠的，而对于带有相对较少测量点的区域，可以假设内插较不可靠。医师估计内插质量的一种方式是显示测量点，但是由于来自结合到标测图中的其它信息(例如，导管图标)的视觉超载，这是令人不满意的。
本发明的实施方案不依赖于显示测量点以测量内插质量，而是考虑包括表面的三维模型的空间元素(诸如体素)，并且对每个空间元素的预先确定的欧几里得或测地距离内的测量点的数量进行计数。如果测量点的数量低于预先确定的阈值，则假设区域在“稀疏”区中。如果数量高于阈值，则表面区域不在这样的区中。通过向三维模型的图形显示添加阴影或其它特征来区分稀疏区。
根据本发明的实施方案提供了方法，该方法通过获得心脏中的相应测量点处的生理参数的值和构造心脏的三维模型来进行，该心脏模型包括包含测量点的第一空间元素和不包含测量点的第二空间元素。通过内插第二空间元素中的参数的值、确定模型中测量点的区域密度、将第一空间元素和第二空间元素处的参数的值显示在心脏的功能标测图上，以及响应于区域密度来修改标测图的图形特征，来进一步进行该方法。
根据方法的一个方面，第一空间元素和第二空间元素为体素。
根据方法的另一方面，确定区域密度包括对距空间元素相应的预定义距离内的测量点进行计数。
根据方法的又一方面，确定区域密度包括根据其中的测量点的计数超过还是未超过预定阈值来建立二元分类。
根据该方法的另外的方面，确定区域密度包括对空间元素进行聚类，其中测量点的相应计数未超过预定义阈值。
根据该方法的再一方面，修改图形特征包括改变标测图的部分的阴影。
根据本发明的实施方案还提供了一种设备，该设备包括连接至探头的电路，该探头在其远侧部分上具有至少一个传感器。电路被配置用于从至少一个传感器的读数获得心脏中的相应测量点处的生理参数的值。设备包括用于存储该值的存储器、显示器和连接至存储器的处理器。处理器操作用于构造心脏的三维模型，其中模型包括包含测量点的第一空间元素和不包含测量点的第二空间元素。处理器操作用于内插第二空间元素中的参数的值、确定模型中测量点的区域密度、在显示器上将第一空间元素和第二空间元素处的参数的值呈现在心脏的功能标测图上，以及响应于区域密度来修改标测图的图形特征。
根据设备的一个方面，至少一个传感器是电极，并且参数是局部激活时间。
附图说明
为更好地理解本发明，通过示例的方式参考本发明的具体实施方式，该具体实施方式应结合以下附图来阅读，其中类似的元件被赋予类似的附图标号，并且其中：
图1是根据本发明的实施方案的用于评估活体受检者的心脏中的电活动的系统的示意图；
图2是根据本发明的实施方案的用于显示内插标测图的质量的方法的流程图；以及
图3是根据本发明实施方案制备的心脏的LAT标测图。
具体实施方式
在以下的具体实施方式中，列出了许多具体细节，以便提供对本发明的各种原理的全面理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，并非所有这些细节都是实施本发明所必需的。在这种情况下，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件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的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。
综述
现在转到附图，首先参见图1，该图是用于评估活体受检者的心脏中的电活动的系统10的示意图，该系统是根据本发明的公开实施方案构造和操作的。系统包括导管14，由操作者16将该导管14经由皮肤穿过患者的血管系统插入到心脏12的腔室或血管结构中。操作者16，通常为医师，使导管的远侧末端18例如在消融目标部位处与心脏壁接触。可根据公开于美国专利6,226,542和6,301,496中和公开于共同转让的美国专利6,892,091中的方法来制备电活动标测图，这些专利的公开内容以引用方式并入本文。
系统10可包括用合适的软件编程用于进行下文所述功能的通用或嵌入式计算机处理器。因此，虽然在本文其它附图中示出的系统10的部分被示为包括多个独立功能块，但是这些功能块未必是独立的物理实体，而是可表示例如在可由处理器访问的存储器中存储的不同计算任务或数据对象。这些任务可在运行于单个处理器上或多个处理器上的软件中进行。软件可在有形非暂态介质(诸如CD-ROM或非易失性存储器)上提供给一个处理器或多个处理器。另选地或除此之外，系统10可包括数字信号处理器或硬连线逻辑。一种体现系统10的元件的市售产品可用作以上所提到的CARTO 3系统。此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。
可通过施加热能对例如通过电活动标测图评估确定为异常的区域进行消融，例如，通过使射频电流通过导管中的线传导至远侧末端18处的一个或多个电极，这些电极将向心肌施加射频能量。能量在组织中被吸收，从而将组织加热到一定温度(通常为约50℃)，在该温度下组织永久性地失去其电兴奋性。在成功后，此规程在心脏组织中形成非传导性消融灶，该消融灶可中断导致心律失常的异常电通路。本发明的原理可应用于不同的心脏腔室，以诊断并治疗多种不同的心律失常。
导管14通常包括柄部20，在柄部上具有合适的控制器，以使操作者16能够根据消融的需要对导管的远侧端部进行操纵、定位和定向。为了协助操作者16，导管14的远侧部分包含向位于控制台24中的处理器22提供信号的位置传感器(未示出)。处理器22可以履行如下所述的若干处理功能。
导管14是多电极导管，该导管可以是如球囊37的右部分中所示的篮形导管或如左部分中所示的样条导管。在任何情况下，存在多个电极32，该电极用作感测电极并在篮形或样条上具有已知位置，并且彼此关系已知。因此，一旦导管例如通过构造当前位置标测图定位于心脏中，则电极32中的每个电极在心脏中的位置是已知的。一种用于生成当前位置标测图的方法描述于授予Bar-Tal等人的共同转让美国专利8,478,383中，该专利以引用方式并入本文。
可以使电信号经由缆线34从位于导管14的远侧末端18处或附近的电极32，在心脏12和控制台24之间来回传送。可以通过缆线34和电极32将起搏信号和其它控制信号从控制台24传送至心脏12。
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它部件联接在一起。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中所教导的在消融部位处测量组织阻抗。用于获得生理参数的传感器，诸如电极或温度传感器(未示出)，通常为热电偶或热敏电阻器，可安装在导管14的远侧末端18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可适于使用任何已知的消融技术将消融能量(例如射频能量、超声能量和激光产生的光能)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构造，该磁定位跟踪构造使用磁场生成线圈28，通过以预定义工作空间生成磁场并感测在导管处的这些磁场来确定导管14的位置和取向。合适的定位子系统在以引用方式并入本文的美国专利7,756,576和以上所提到的美国专利7,536,218中有所描述。
如以上所提到的，导管14联接到控制台24，这使得操作者16能够观察并调控导管14的功能。控制台24包括处理器，优选为具有适当信号处理电路的计算机。处理器被联接以驱动监视器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，该信号包括由以上所提到的传感器和位于导管14远侧的多个位置感测电极(未示出)生成的信号。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，并如下文另外详细所述的分析来自电极的电信号。
通常，系统10包括为简明起见而未示出于附图中的其它元件。例如，系统10可包括心电图(ECG)监视器，其被联接以接收来自一个或多个体表电极的信号以向控制台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，其位于附接于受检者身体外部的外加基准补片上，或者位于插入到心脏12中并相对于心脏12保持在固定位置的内置导管上。系统10可从外部成像模态诸如MRI单元等接收图像数据，并且系统10包括图像处理器，该图像处理器可结合在处理器22中或由处理器22调用以用于生成并显示如下所述的图像。
内插
继续参见图1，关于心脏中的电激活波来讨论本发明的原理。然而，这些原则以必要的变更适用于与心脏生理有关的其它标记，并且实际上适用于其它器官系统。就激活波而言，将功能标测图呈现给操作者，其中心腔的特定点处的激活时间值是通过来自电极32的电极的读数来测量并呈现在标测图上。
以上所提到的Carto系统使用位置传感器识别测量点。它通过使用被配置成与表面上的点之间的短程线距离成反比的加权平均值在测量点之间内插值，并将结果显示在伪彩色标测图中。
其它的内插技术有利于以下情况下的处理，其中信号缺少作为“模糊LAT”的振幅突变。这些内插技术在以引用方式并入本文的题为“Mapping ofAtrialFibrillation”的共同转让的申请序列号15/086,220中有所描述。
以引用方式并入本文的题为“Voxelization ofa Mesh”的共同转让的美国申请序列号14/881,192通过首先将三角形网格转换为全等立方体素的栅格来内插数据。简而言之，测量点通过如下方式进行内插：限定表面的网格，组中的每个三维三角形具有带有相应的三维坐标的三维顶点，并将每个三维三角形转换为具有分别对应于三维顶点的二维顶点的二维三角形。每个二维顶点具有二维像素坐标和对应于对应的三维顶点的三维坐标的像素属性的三元组。每个二维三角形被传递给图形处理器，该图形处理器将每个二维顶点的像素属性的三元组视为可内插的值。图形处理器通过二维顶点的像素属性之间的内插来计算每个二维三角形内的像素的内插像素属性的相应三元组，并且通过将由图形处理器计算的内插像素属性转换为三维图像中的体素坐标来渲染表面的三维图像。
可以使用以引用方式并入本文的题为“High Definition Coloring of HeartChambers”的共同转让的申请序列号15/009,285的技术，对以上所提到的美国申请序列号14/881,192中所述的体素内插进行修改。已经观察到，拉普拉斯(Laplace)方程可被认为是完美的内插器，因为它最小化了梯度的积分平方。本申请描述了处理在拉普拉斯算子(Laplacian)内插的实际使用中的某些困难的技术。简而言之，将由从电极32的位置获得的测量点构造的三角形网格转换为全等立方体素的栅格。考虑到相邻的体素，将采用三维拉普拉斯算子内插的迭代过程应用于体素以内插表示内插像素属性的颜色。然后渲染体素的三维图像。
在所有的这些内插中，操作者关注的是了解内插的质量(或“质量因数”)。对于带有许多测量点的区域，可以假设内插是良好的，而对于带有极少测量点的区域，可以假设内插是不良的。估计质量的一种方式是显示测量点。然而，因为通常将许多其它信息结合到标测图(例如，导管图标)中，使得由于视觉信息超载而难以判断测量点的稀疏度或密度，所以这是令人不满意的。
在下面的讨论中，三维模型中的空间元素有时被称为体素。然而，应当理解，本发明的原理同样适用于在本领域中已知的其它三维立体结构，诸如各种多边形、球体或四维动态体素。此外，在一些实施方案中，空间元素的尺寸可不大于用于标测图的显示监视器的图形分辨率下的高度和宽度尺寸，即二维像素的尺寸。根据本发明的一个实施方案，对于标测图的每个空间元素，计算在该空间元素附近的测量点的密度并通过视觉方案诸如阴影将其指示在标测图上。
现在参见图2，该图是根据本发明的实施方案的用于显示内插标测图的质量的方法的流程图。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，将显而易见的是，这些步骤中的多个可并行地、异步地、或以不同的次序来执行。本领域的技术人员还应当理解，另选地，过程可被表示为多个相互联系的状态或事件，例如在状态图表中。此外，可能不需要所有示出的过程步骤来实现该方法。
在初始步骤39，心脏常规上通常用多电极标测导管和制备的三维模型进行导管插入。用于该目的的合适的三维模型是三角形网格。空间元素中的数据的值，例如位于测量点之间的体素，通过上述方法中的任一种或其它合适的内插技术进行内插。在该过程的以下步骤中，包括心脏表面的模型的空间元素被单独表征为在测量点的密集或稀疏区域内。功能标测图诸如LAT标测图由模型制备，在这样的标测图上的LAT值可以以伪彩色显示，并且稀疏区和密集区用图形区分。
接下来，在步骤41，选择包括心脏表面的模型的当前空间元素。当前空间元素可包括测量点，但是由于该过程在标测图上迭代，所以当前空间元素通常不包括测量点。当前空间元素附近的域中的测量点的计数被设为零。
接下来，在步骤43，选择相邻的空间元素。相邻的空间元素是那些包括心脏表面并且位于距离当前空间元素的测地或欧几里得距离(通常为3mm-7mm)内的空间元素。换句话讲，相邻的空间元素位于包括以当前空间元素的几何中心为中心并且具有预先确定的半径的测地或欧几里得球的域内。
接下来，在判定步骤45，确定在步骤43中选择的相邻的空间元素是否包括测量点。如果在判定步骤45的确定是肯定的，则控制前进至步骤47。测量点的计数递增。
在执行步骤47之后，或者如果在判定步骤45的确定是否定的，则在判定步骤49，确定更多的相邻的空间元素是否保持待处理。如果判定步骤49的确定是肯定的，则控制返回至步骤43，以继续在当前空间元素的邻元素上迭代。
如果判定步骤49的确定是否定的，则已经评估了当前空间元素的域中的所有相邻的空间元素。在判定步骤51，记下测量点的计数的值。在图2的实施方案中，评估包括二元判定。确定计数是否超过预先确定的阈值。已经发现用于计数的值为2-5是令人满意的。
如果在判定步骤51的确定是否定的，则在步骤53，当前的空间元素根据相邻的测量点被标记为“稀疏的”，并且因此该区域中的内插的质量潜在地较差，进行以下的聚类分析。
如果在判定步骤51的确定是肯定的，则在步骤55，当前的空间元素根据相邻的测量点被标记为“密集的”，并且因此该区域中的内插的质量潜在地较好，再次进行聚类分析。为了方便起见，将在步骤53、步骤55中标记的区域分别称为“稀疏空间元素”和“密集空间元素”。
在执行步骤53、步骤55中的一个之后，在判定步骤57，确定模型的更多的空间元素是否保持待评估。如果在判定步骤57的确定是肯定的，则控制返回至步骤41以开始新的迭代。
如果在判定步骤57的确定是否定的，则该过程的这一阶段结束。在下一阶段，限定了被称为“稀疏群集”的稀疏空间元素群集。对于本领域技术人员还将显而易见的是，当使用多级判定逻辑时，可限定具有若干测量点密度的群集。现在控制前进至步骤59。选择稀疏空间元素。
接下来，在步骤61，如关于步骤41所述的选择相邻的空间元素。
接下来，在判定步骤63，确定在步骤61中选择的相邻的空间元素是否已经标记为稀疏的。如果在判定步骤63的确定是肯定的，则控制前进至步骤65，在步骤65计数递增。
在执行步骤65之后，或者如果在判定步骤63的确定是否定的，则控制前进处于判定步骤67，在判定步骤67确定是否存在更多待评估的相邻的空间元素。如果在判定步骤67的确定是肯定的，则控制返回至步骤61。
如果在判定步骤67的确定是否定的，则在判定步骤69，确定在步骤65中递增的计数是否超过阈值m，意味着至少m个稀疏空间元素围绕当前选择的空间元素。阈值m在1-2的范围内的值是令人满意的。
如果在判定步骤69的确定是肯定的，则控制前进至步骤71。将当前选择的空间元素添加到根据测量点表示稀疏填充的区域的群集。这种类型的群集被称为“稀疏群集”。
在执行步骤71之后，或者如果在判定步骤69的确定是否定的，则在判定步骤73，确定是否存在更多待评估的相邻的空间元素。如果在判定步骤73的确定是肯定的，则控制返回至步骤59以开始新的迭代。
如果在判定步骤73的确定是否定的，则控制前进至最终步骤75。对应于稀疏群集的标测图的部分例如通过画阴影或通过特色线条图案进行修改，并呈现给操作者。
内插质量显示的粒度可以通过改变在判定步骤51中的二元判定和以下细节以适应多级判定逻辑来增加。该细节在本领域技术人员的能力内，因此本文没有详细说明。
实施例
现在参见图3，该图是根据本发明的实施方案制备的心脏的LAT标测图。测量点由点指示。然而，如上所述，此类标测图上的测量点的显示是可选的。在区域77中，由粗影线指示的区域中的测量点相对丰富，而在区域79中存在较少的测量点。这通过弱化区域79中的影线的强度来指示。根据那些地区中的点是否丰富或稀疏，在标测图的若干其它区域中看到了相同的影线效果。
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，本发明的范围包括上文所述各种特征的组合与子组合两者，以及本领域的技术人员在阅读上述说明书时可想到的不在现有技术范围内的上述各种特征的变型和修改。

Claims (13)

1.一种用于标记稀疏区域的方法，包括以下步骤：
获得心脏中的相应测量点处的生理参数的值；
构造所述心脏的三维模型，所述模型包括空间元素，所述空间元素包括包含所述测量点的第一空间元素和不包含所述测量点的第二空间元素；
内插所述第二空间元素中的所述参数的所述值；
确定所述模型中的所述测量点的区域密度；
在所述心脏的功能标测图上显示所述第一空间元素和所述第二空间元素处的所述参数的所述值；以及
响应于所述区域密度来修改所述标测图的图形特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一空间元素和所述第二空间元素为体素。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定区域密度包括对距所述空间元素相应的预定义距离内的所述测量点进行计数。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定区域密度包括根据其中的所述测量点的计数超过还是未超过预定义阈值来建立二元分类。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定区域密度包括对空间元素进行聚类，其中所述测量点的相应的计数未超过所述预定义阈值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，修改图形特征包括改变所述标测图的部分的阴影。
7.一种用于标记稀疏区域的设备，包括：
电路，所述电路连接至探头，所述探头在其远侧部分上具有至少一个传感器，所述电路被配置用于从所述至少一个传感器的读数获得心脏中的相应测量点处的生理参数的值；
存储器，所述存储器用于存储所述值；
显示器；和
处理器，所述处理器连接至所述存储器并操作用于执行以下步骤：
构造所述心脏的三维模型，所述模型包括空间元素，所述空间元素包括包含所述测量点的第一空间元素和不包含所述测量点的第二空间元素；
内插所述第二空间元素中的所述参数的所述值；
确定所述模型中的所述测量点的区域密度；
在所述显示器上将所述第一空间元素和所述第二空间元素处的所述参数的所述值呈现在所述心脏的功能标测图上；以及
响应于所述区域密度来修改所述标测图的图形特征。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述第一空间元素和所述第二空间元素为体素。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，确定区域密度包括对距所述空间元素相应的预定义距离内的所述测量点进行计数。
10.根据权利要求7所述的设备，其中，确定区域密度包括根据其中的所述测量点的计数超过还是未超过预定义阈值来建立二元分类。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，确定区域密度包括对空间元素进行聚类，其中所述测量点的相应计数未超过所述预定义阈值。
12.根据权利要求7所述的设备，其中，修改图形特征包括改变所述标测图的部分的阴影。
13.根据权利要求7所述的设备，其中，所述至少一个传感器是电极，并且所述参数是局部激活时间。
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