CN111297470B - 组合来自不同坐标系的导管可视化 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“组合来自不同坐标系的导管可视化”。在一个实施方案中，本发明公开了一种医疗探针跟踪系统，该医疗探针跟踪系统包括第一探针、用于产生磁场的磁场发生器、和处理电路，该处理电路用于：测量体表电极与第一探针电极之间的第一电流；接收来自第二探针的磁场传感器的磁方位信号；响应于第一电流的分布而计算第一探针在第一坐标系中的第一方位坐标；呈现第一探针在第一坐标系中的初始3D表示，并且然后相对于由磁场发生器限定的第二坐标系来计算电流‑位置映射；查找第一坐标系与第二坐标系之间的变换；将变换应用到第一方位坐标，从而产生第二方位坐标；以及根据第二坐标系中的第二方位坐标来呈现第一探针的修改3D表示。

Description

组合来自不同坐标系的导管可视化
技术领域
本发明整体涉及计算活体内的探针方位，并且具体地涉及计算不同坐标系中的探针方位。
背景技术
在许多医学规程中需要跟踪体内探针诸如插入管、导管和植入物的方位。例如，美国专利申请公布2014/0095105描述了一种校正和/或缩放基于电流的坐标系的算法，其可包括确定一个或多个全局变换或插值函数和/或一个或多个局部变换函数。全局和局部变换函数可通过计算一个全局度量张量和多个局部度量张量来确定。度量张量可基于预定和测量的导管上紧密间隔的传感器之间的距离来计算。
Malinin等人的美国专利公布2016/0367168描述了多个基点的位置的计算。基点可包括设置在导管上的电极在基于阻抗的坐标系中的阻抗位置和设置在导管上的磁方位传感器在基于磁的坐标系中的磁位置。可将电极在基于阻抗的坐标系中的阻抗位置变换成电极在基于磁的坐标系中的变换阻抗位置。可确定电极在基于磁的坐标系中的磁位置。可确定电极在基于磁的系统中的变换阻抗位置与电极在基于磁的系统中的磁位置之间是否存在阻抗偏移。可基于阻抗偏移来在基于阻抗的坐标系与基于磁的坐标系之间产生电磁动态配准。
Moll等人的美国专利公布2011/0238083描述了一种由柔性护套器械、柔性导向器械和工具构成的设备。柔性护套器械包括能够可移除地联接到器械驱动器的第一器械基部，并且限定护套器械工作管腔。柔性导向器械包括能够可移除地联接到器械驱动器的第二器械基部，并且穿过护套器械工作管腔。导向器械还限定导向器械工作管腔。工具穿过导向器械工作管腔。对于设备的该实施方案，护套器械和导向器械能够相对于彼此独立地控制。
Belson的美国专利公布2007/0135803描述了一种用于腔内规程中的设备。该设备包括例如外壳，该外壳具有导向管腔和位于外壳的远侧端部近侧的密封件，该密封件延伸横跨并且完全密封导向管腔；固定元件，该固定元件位于外壳中并且适于将外壳的远侧端部固定到组织；以及延伸穿过外壳的侧壁的通道，该通道具有与位于密封件远侧的管腔连通的出口。还提供了方法。例如，方法包括通过以下方式执行腔内规程：将基准和方位指示器固定到目标管腔的壁；在壁中形成开口；将器械推进穿过开口；以及使用基准和方位指示器来跟踪器械的推进。
发明内容
根据本公开的实施方案，提供了一种医疗探针跟踪系统，该医疗探针跟踪系统包括：多个体表电极，该多个体表电极被配置成施加到活体受检者的皮肤表面；第一探针，该第一探针被配置成插入活体受检者的身体中并且包括第一探针电极；第二探针，该第二探针被配置成插入活体受检者的身体中并且包括第二探针电极和磁场传感器；磁场发生器，该磁场发生器被配置成在活体受检者的身体内产生磁场；显示器；和处理电路，该处理电路被配置成：分别测量体表电极与身体内的第一探针电极和第二探针电极之间的第一电流和第二电流；响应于第一电流的分布而计算第一探针在第一坐标系中的第一方位坐标；接收响应于磁场的来自磁场传感器的磁方位信号；将第一探针在第一坐标系中的初始三维(3D)表示呈现到显示器，并且然后相对于由磁场发生器限定的第二坐标系来计算磁方位信号与第二电流的分布之间的电流-位置映射(CPM)；查找第一坐标系与第二坐标系之间的变换；将变换应用到第一方位坐标，从而产生第一探针在第二坐标系中的第二方位坐标；以及根据第二坐标系中的第二方位坐标将第一探针的修改3D表示呈现到显示器。
另外，根据本公开的实施方案，处理电路被配置成在CPM的计算之前根据第一坐标系呈现第一探针的初始3D表示，以及在CPM的计算之后根据第二坐标系呈现第一探针的修改3D表示。
另外，根据本公开的实施方案，变换包括旋转和平移元素，第一方位坐标包括位置和取向，第二方位坐标具有位置和取向，处理电路被配置成基于第二方位坐标的位置和取向来呈现第一探针的修改3D表示。
另外，根据本公开的实施方案，第二探针包括球囊导管，该球囊导管具有轴、装配在轴的远侧端部处的可膨胀球囊、设置在可膨胀球囊上的第二探针电极的多个电极、设置在轴的近侧端部处的磁场传感器，处理电路被配置成：根据由多个电极限定的第一平面与由球囊导管模型中的电极限定的第二平面之间的旋转来查找球囊旋转矩阵；以及基于球囊旋转矩阵来查找变换。
此外，根据本公开的实施方案，第二方位坐标位于其中CPM提供映射的体积的外部。
另外，根据本公开的实施方案，处理电路被配置成根据变换的第二方位坐标呈现第一探针的修改3D表示；以及至少基于以下中的任一者或多者来呈现第二探针的3D表示：从CPM导出的磁方位；以及从由磁场传感器检测到的磁场导出的磁方位。
根据本公开的另一个实施方案，还提供了一种医疗探针跟踪系统，该医疗探针跟踪系统包括：多个体表电极，该多个体表电极被配置成施加到活体受检者的皮肤表面；探针，该探针被配置成插入活体受检者的身体中并且包括探针电极和磁场传感器；磁场发生器，该磁场发生器被配置成在活体受检者的身体内产生磁场；显示器；和处理电路，该处理电路被配置成：分别测量体表电极与身体内的探针电极之间的电流；响应于第一多个电流的分布而计算探针在第一坐标系中的第一方位坐标；接收响应于磁场的来自磁场传感器的磁方位信号；将探针在第一坐标系中的初始三维(3D)表示呈现到显示器，并且然后相对于由磁场发生器限定的第二坐标系来计算磁方位信号与第二多个电流的分布之间的电流-位置映射(CPM)；查找第一坐标系与第二坐标系之间的变换；将变换应用到第一方位坐标，从而产生探针在第二坐标系中的第二方位坐标；以及根据第二坐标系中的第二方位坐标将探针的修改3D表示呈现到显示器。
另外，根据本公开的实施方案，处理电路被配置成在CPM的计算之前根据第一坐标系呈现探针的初始3D表示，以及在CPM的计算之后根据第二坐标系呈现探针的修改3D表示。
另外，根据本公开的实施方案，变换包括旋转和平移元素，第一方位坐标包括位置和取向，第二方位坐标具有位置和取向，处理电路被配置成基于第二方位坐标的位置和取向来呈现探针的修改3D表示。
此外，根据本公开的实施方案，探针包括球囊导管，该球囊导管具有轴、装配在轴的远侧端部处的可膨胀球囊、设置在可膨胀球囊上的探针电极的多个电极、设置在轴的近侧端部处的磁场传感器，处理电路被配置成：根据由多个电极限定的第一平面与由球囊导管模型中的电极限定的第二平面之间的旋转来查找球囊旋转矩阵；以及基于球囊旋转矩阵来查找变换。
另外，根据本公开的实施方案，第二方位坐标位于其中CPM提供映射的体积的外部。
另外，根据本公开的实施方案，处理电路被配置成根据至少基于以下中的任一者或多者的位于体积中的第三方位坐标来呈现探针的另外的修改3D表示：基于第三多个电流的分布从CPM导出的磁方位；以及从由磁场传感器检测到的磁场导出的磁方位。
根据本公开的另一个实施方案，还提供了一种医疗探针跟踪方法，该方法包括：将多个体表电极施加到活体受检者的皮肤表面；将包括第一探针电极的第一探针插入活体受检者的身体中；将包括第二探针电极和磁场传感器的第二探针插入活体受检者的身体中；通过磁场发生器在活体受检者的身体内产生磁场；分别测量体表电极与身体内的第一探针电极和第二探针电极之间的第一电流和第二电流；响应于第一电流的分布而计算第一探针在第一坐标系中的第一方位坐标；接收响应于磁场的来自磁场传感器的磁方位信号；将第一探针在第一坐标系中的初始三维(3D)表示呈现到显示器，并且然后相对于由磁场发生器限定的第二坐标系来计算磁方位信号与第二电流的分布之间的电流-位置映射(CPM)；查找第一坐标系与第二坐标系之间的变换；将变换应用到第一方位坐标，从而产生第一探针在第二坐标系中的第二方位坐标；以及根据第二坐标系中的第二方位坐标将第一探针的修改3D表示呈现到显示器。
另外，根据本公开的实施方案，初始3D表示的呈现在CPM的计算之前执行，并且修改3D表示的呈现在CPM的计算之后执行。
此外，根据本公开的实施方案，变换包括旋转和平移元素，第一方位坐标包括位置和取向，第二方位坐标具有位置和取向，修改3D表示的呈现包括基于第二方位坐标的位置和取向来呈现第一探针的修改3D表示。
另外，根据本公开的实施方案，第二探针包括球囊导管，该球囊导管具有轴、装配在轴的远侧端部处的可膨胀球囊、设置在可膨胀球囊上的第二探针电极的多个电极、设置在轴的近侧端部处的磁场传感器，该方法还包括：根据由多个电极限定的第一平面与由球囊导管模型中的电极限定的第二平面之间的旋转来查找球囊旋转矩阵；以及基于球囊旋转矩阵来查找变换。
另外，根据本公开的实施方案，第二方位坐标位于其中CPM提供映射的体积的外部。
另外，根据本公开的实施方案，该方法包括根据变换的第二方位坐标呈现第一探针的修改3D表示；以及至少基于以下中的任一者或多者来呈现第二探针的3D表示：从CPM导出的磁方位；以及从由磁场传感器检测到的磁场导出的磁方位。
根据本公开的另一个实施方案，还提供了一种医疗探针跟踪方法，该方法包括：将多个体表电极施加到活体受检者的皮肤表面；将包括探针电极和磁场传感器的探针插入活体受检者的身体中；通过磁场发生器在活体受检者的身体内产生磁场；分别测量体表电极与身体内的探针电极之间的电流；响应于第一多个电流的分布而计算探针在第一坐标系中的第一方位坐标；接收响应于磁场的来自磁场传感器的磁方位信号；将探针在第一坐标系中的初始三维(3D)表示呈现到显示器，并且然后相对于由磁场发生器限定的第二坐标系来计算磁方位信号与第二多个电流的分布之间的电流-位置映射(CPM)；查找第一坐标系与第二坐标系之间的变换；将变换应用到第一方位坐标，从而产生探针在第二坐标系中的第二方位坐标；以及根据第二坐标系中的第二方位坐标将探针的修改3D表示呈现到显示器。
此外，根据本公开的实施方案，初始3D表示的呈现在CPM的计算之前执行，并且修改3D表示的呈现在CPM的计算之后执行。
另外，根据本公开的实施方案，变换包括旋转和平移元素，第一方位坐标包括位置和取向，第二方位坐标具有位置和取向，修改3D表示的呈现包括基于第二方位坐标的位置和取向来呈现第一探针的修改3D表示。
另外，根据本公开的实施方案，探针包括球囊导管，该球囊导管具有轴、装配在轴的远侧端部处的可膨胀球囊、设置在可膨胀球囊上的探针电极的多个电极、设置在轴的近侧端部处的磁场传感器，该方法还包括：根据由多个电极限定的第一平面与由球囊导管模型中的电极限定的第二平面之间的旋转来查找球囊旋转矩阵；以及基于球囊旋转矩阵来查找变换。
另外，根据本公开的实施方案，第二方位坐标位于其中CPM提供映射的体积的外部。
此外，根据本公开的实施方案，该方法包括根据至少基于以下中的任一者或多者的位于体积中的第三方位坐标来呈现探针的另外的修改3D表示：基于第三多个电流的分布从CPM导出的磁方位；以及从由磁场传感器检测到的磁场导出的磁方位。
附图说明
根据以下详细说明结合附图将理解本发明，其中：
图1为根据本发明的实施方案的基于导管的方位跟踪系统的示意性图解说明图；
图2为用于图1的系统中的球囊导管的示意性图解说明图；
图3为位于图2的球囊导管上的各种基准点的示意性图解说明图；
图4为示出图1的系统中的方位跟踪的示意性部分图解、部分框图；
图5为包括用于图1的系统中的基于电流分布的方位跟踪方法中的示例性步骤的流程图的视图；
图6为包括用于图1的系统中的基于磁的方位跟踪方法中的示例性步骤的流程图的视图；
图7为包括用于图1的系统中的基于混合磁-电流分布的方位跟踪方法中的示例性步骤的流程图的视图；
图8为示出图1的系统中的电流-位置矩阵体积的示意性部分图解、部分框图；
图9为包括用于图1的系统中的坐标系变换方法中的示例性步骤的流程图的视图；
图10为用于图1的系统中的示出第二坐标系中的呈现的用户界面屏幕的示意图；
图11为包括用于图1的系统中的用以计算第一坐标系中的球囊位置矩阵的方法中的示例性步骤的流程图的视图；并且
图12为包括用于图1的系统中的用以计算变换矩阵的方法中的示例性步骤的流程图的视图。
具体实施方式
概述
3系统应用有功电流定位(ACL)的混合方位跟踪技术。在ACL技术中，使与探针电极相关的测量电流的分布与电流-位置矩阵(CPM)相关联，该电流-位置矩阵为先前从磁位置-校准方位信号采集的方位映射电流分布。ACL技术允许仅在已通过具有磁传感器的导管计算CPM的一个或多个体积中定位和可视化导管(甚至不具有磁场传感器的导管)。用于构建CPM的先决条件是将配备有磁场传感器的导管插入身体中，并且在身体的体积中移动导管以便计算该体积的CPM。
当使用ACL时，位于CPM体积外的导管不能被跟踪或可视化。例如，冠状窦导管可有时因其位于CPM体积外而不能被可视化。具有近侧磁场传感器的球囊导管也可因磁场传感器与设置在导管的可膨胀球囊上的电极的距离而难以被可视化。与球囊导管一起使用的在任何其它配备有磁场传感器的导管存在于心腔中之前进入腔室的导丝导管也将不能使用ACL被可视化。ACL不能在CPM体积外使用的事实可能会使一些临床工作流程复杂化，诸如使用球囊导管和不具有磁场传感器的/>导丝导管的PVI(肺静脉隔离)工作流程。
独立电流定位(ICL)技术可用于可视化不包括磁场传感器的导管。ICL基于根据导管电极与体表贴片之间的电流分布的定位导管。ICL不需要配备有磁场传感器的导管来实现导管可视化。ICL技术能够可视化导管而无需通过配备有磁场传感器的导管来预先采集CPM。ICL技术能够例如在导丝导管离开其护套之后立即实现/>导丝导管的可视化，而无需通过另一个导管来预先采集CPM。ICL还能够实现球囊导管电极的可视化。在ICL中，可将局部缩放因子应用于其中导管需要被可视化的身体中的体积的每个体素或单元。可使用带有具有已知空间关系的多个电极的导管(诸如套索形导管)来确定该因子。缩放因子用于改善基于纯电流分布的位置的精确性。
ICL技术的局限性在于其精确性，即使在应用缩放因子之后也是如此。它不如磁跟踪或ACL精确。另外，ICL所使用的坐标系不同于ACL所使用的坐标系，并且这两个坐标系在移位、旋转和缩放方面为未对准的。由于上述限制，基于ICL的可视化和映射无法与基于ACL的可视化和映射成功地叠加在一起。
在本发明的实施方案中，选择性地组合ICL和ACL，从而提供ICL和ACL两者的优点。在CPM计算之前使用ICL跟踪技术，以便跟踪未配备有磁场传感器的导管和配备有磁场传感器的导管两者。导管可基于ICL坐标系来进行初始可视化。
在CPM已基于来自配备有磁场传感器的导管的测量结果被计算之后，查找到ICL坐标系与ACL坐标系之间的局部变换。然后可将该变换应用到ICL坐标系中的方位，包括在CPM被计算之前计算的方位。然后可使用变换的方位来可视化ACL坐标系中的导管。
另外，在CPM已被计算之后，ICL可继续用于位于CPM的体积的外部的探针。对于位于CPM体积内的探针，可使用ACL或ICL。然后可将ICL坐标系中的计算方位变换到ACL坐标系。然后可根据基于从ICL坐标系变换的ACL方位以及/或者从CPM和/或基于磁场的跟踪导出的ACL方位的ACL坐标系来将探针的3D表示呈现到显示器，从而示出探针的方位。
系统描述
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献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。
现在参考图1，其为根据本发明的实施方案的基于导管的方位跟踪系统20的示意性图解说明图。另外参考图2，其为根据本发明的实施方案的球囊导管40的示意性图解说明图。已以举例的方式使用球囊导管。任何合适的导管或探针可与系统20一起使用，无论该导管或探针用于消融还是另一个目的。
方位跟踪系统20用于确定球囊导管40的方位，如在图1的插图25中以及在图2中更详细地所见。球囊导管40包括轴22和装配在轴22的远侧端部处的可膨胀球囊45。通常，球囊导管40用于治疗性处理，诸如例如在左心房处空间消融心脏组织。
方位跟踪系统20可基于装配在轴22上的位于可膨胀球囊45的任一侧上的感测电极52(近侧电极52a和远侧电极52b)、和装配在近侧电极52a的仅近侧的磁传感器50、以及任选地消融电极55来确定球囊导管40的轴22的方位和取向，如下文更详细所述。近侧电极52a、远侧电极52b和磁传感器50通过穿过轴22的导线连接到控制台24中的各种驱动电路。在一些实施方案中，可省略远侧电极52b。
轴22限定纵向轴线51。轴线51上的中心点58(其为可膨胀球囊45的球体形状的原点)限定可膨胀球囊45的标称方位。消融电极55沿圆周设置在可膨胀球囊45上，该消融电极与感测电极52a和52b相比占据大面积。可将射频功率提供给消融电极55以消融心脏组织。
通常，所设置的消融电极55沿着可膨胀球囊45的赤道均匀分布，其中赤道垂直于轴22的远侧端部的纵向轴线51而大致对准。
图2所示的例证完全是为了概念清晰而选择的。感测电极52和消融电极55的其它配置也是可能的。附加功能可包括在磁传感器50中。为清晰起见，省略了与本发明所公开的实施方案无关的元件，诸如冲洗口。
医生30通过使用靠近导管40的近侧端部的操纵器32操纵轴22和/或护套23的挠曲来将球囊导管40导航到患者28的心脏26中的目标位置。球囊导管40在可膨胀球囊45收缩期间穿过护套23而被插入，并且仅在球囊导管40从护套23回缩之后，可膨胀球囊45才膨胀并恢复其预期的功能形状。通过将球囊导管40包括在收缩配置中，护套23还用于使在其到目标位置的途径上的血管创伤最小化。
控制台24包括处理电路41(通常为通用计算机)以及用于在体表电极49中生成信号和/或接收来自该体表电极的信号的合适的前端和接口电路44，该体表电极49通过穿过缆线39的导线附接到患者28的胸部和背部。体表电极49被配置成施加到活体受检者(例如，患者28)的皮肤表面。
控制台24还包括磁感应子系统。将患者28放置在由包括磁场发生器线圈42的垫生成的磁场中，该磁场发生器线圈由设置在控制台24中的单元43驱动。由线圈42生成的磁场在磁传感器50中生成转向信号，该转向信号然后作为对应的电输入提供给处理电路41。
在一些实施方案中，处理电路41使用从感测电极52、磁传感器50和消融电极55接收的方位信号来估计球囊导管40在器官诸如心腔内的方位。在一些实施方案中，处理电路41将从电极52、55接收的方位信号与先前采集的磁位置-校准方位信号相关联，以估计球囊导管40在心腔内的方位。感测电极52和消融电极55的方位坐标可由处理电路41基于(除了其它输入以外)电极52、55与表面电极49之间的测量的阻抗、电压或电流分布的比例来确定。控制台24驱动显示器27，该显示器示出心脏26内的导管方位的远侧端部。
使用电流分布测量结果和/或外部磁场的方位感测的方法在各种医疗应用中实现，例如，在由Biosense Webster Inc.(Irvine,California)生产的系统中实现，并且详细地描述于美国专利5,391,199、6,690,963、6,484,118、6,239,724、6,618,612、6,332,089、7,756,576、7,869,865和7,848,787、PCT专利公布WO 96/05768、以及美国专利申请公布2002/0065455 A1、2003/0120150 A1和2004/0068178 A1中，这些专利的公开内容全部以引用方式并入本文。
3系统应用有功电流定位(ACL)，该有功电流定位为基于混合的电流分布和磁的方位跟踪技术。在一些实施方案中，处理电路41使用ACL来估计感测电极52和消融电极55的方位。在一些实施方案中，使从电极52、55接收的信号与电流-位置矩阵(CPM)相关联，该电流-位置矩阵为先前从磁位置-校准方位信号采集的方位映射电流分布比率(或另一个电值)。电流分布比率基于体表电极49的从电极52、55流到体表电极49的电流的测量结果。
在一些实施方案中，为了可视化不包括磁传感器的导管，处理电路41可应用基于电信号的方法，其被称为独立电流定位(ICL)技术。在ICL中，处理电路41为其中导管被可视化的体积的每个体素计算局部缩放因子。使用带有具有已知空间关系的多个电极的导管(诸如套索形导管)来确定该因子。然而，尽管产生精确的局部缩放(例如，超过几毫米)，但ICL在应用到尺寸为约几厘米的整个心腔的体积时是不太精确的。基于电流分布比例来计算方位的ICL方法可具有误差，并且可因基于电流的ICL空间的非线性性质而产生球囊导管40的失真形状。在一些实施方案中，处理电路41可基于套索形导管的电极之间的已知较小缩放距离以及基于较大的缩放距离(其自身基于可膨胀球囊45的端部处的感测电极52之间的已知距离)来应用本发明所公开的ICL方法以将ICL空间和球囊导管形状缩放成正确的形状。
处理电路41通常用软件进行编程以执行本文所述的功能。该软件可通过网络以电子形式被下载到计算机，例如或者其可另选地或另外地设置和/或存储在非临时性有形介质(诸如磁存储器、光存储器或电子存储器)上。
为简单和清晰起见，图1仅示出了与本发明所公开的技术有关的元件。系统20通常包括附加模块和元件，该附加模块和元件与本发明所公开的技术不直接相关，并且因此该附加模块和元件从图1和对应的描述中被有意地省略。
现在参考图3，其为根据本发明的实施方案的图2的球囊导管40上的各种基准点的示意性图解说明图。还参考图2。可例如在为存储在处理电路41中的电解剖标测图定义的坐标系中呈现基准点的位置，系统20将球囊40的空间中的方位与该基准点的方位相关联。
图3示出，近侧电极52a位于方位62a处，而远侧电极52b位于方位62b处。磁传感器50位于方位60a处，而如上所述，传感器50能够指示与轴22的方向平行(即，与轴线51平行)的方向60b。尽管消融电极55的面积很大，但电极55在空间中的一致且有用的表示是可能的，该表示为嵌入垂直于轴线51的平面中的圆64(形成可膨胀球囊45的赤道)上的电极方位65的形式。换句话讲，当球囊被完全膨胀时，电极方位65应理想地位于圆64上，该圆具有可膨胀球囊45的最大横向直径(图2)。可膨胀球囊45的标称方位理想地由中心点58限定，该中心点也为圆64的中心。假定电极方位65提供消融电极55的方位的精确且有意义的数据，则电极方位65和它们限定的圆64可用于计算可膨胀球囊45的方位和取向。可基于ACL技术或通过使用ICL技术来计算电极方位。如上所述，ACL和ICL的坐标系为不同的，并且因此为了通过基于ACL或磁的方位(诸如方位60a)使用ICL方位，首先将ICL方位变换到下文参考图9-12详细描述的ACL坐标空间。
现在参考下图4-8来更详细地描述ICL、磁和ACL跟踪技术。
现在参考图4，其为示出图1的系统20中的方位跟踪的示意性部分图解、部分框图。将表面电极49施加到患者28的胸部和背部。磁场发生器线圈42形成磁场发生器，并且设置在患者28的下方并在患者28的身体内产生磁场69。图4示出了心脏26的腔室中的两个导管：球囊导管40和套索形导管71。球囊导管40包括磁传感器50，而套索形导管71不包括磁场传感器。图4还示出了表示表面电极49与球囊导管40的近侧电极52a(图2)之间的电流流动的线73。
现在参考图5，其为包括用于图1的系统20中的基于电流分布的方位跟踪方法(例如，使用ICL)中的示例性步骤的流程图100的视图。还参考图4。图5的跟踪方法参考被配置成插入活体受检者的身体中的第一探针来描述。第一探针可为消融导管例如球囊导管40、或者非消融导管或探针例如套索形导管71。另外，第一探针可用于活体受检者的身体的心脏或任何其它身体部位中。第一探针包括第一探针电极，例如，套索形导管71的感测电极。根据一个实施方案，第一探针不包括磁场传感器。根据另一个实施方案，第一探针包括磁场传感器，例如，磁传感器50。
处理电路41(图1)被配置成测量体表电极49与身体内的第一探针电极之间的电流(框102)。处理电路41被配置成根据第一探针的电流分布计算第一探针的初始方位坐标(框105)。处理电路41还被配置成例如基于第一探针的机械模型103(例如，基于第一探针电极(例如，套索形导管71的感测电极)的已知间距)来产生局部缩放单元并组合局部缩放单元来构建空间缩放矩阵(框104)，以及通过从空间缩放矩阵的局部缩放单元外推整个体积来计算整个体积的扩展缩放函数(框106)。
处理电路41被配置成响应于所测量电流的分布而计算第一探针在第一坐标系(例如，ICL坐标系)中的第一(校正)方位坐标(框108)。处理电路41被配置成将第一探针在第一坐标系中的初始三维(3D)表示呈现到显示器27(框110)。
在一些实施方案中，处理电路41被配置成在CPM的计算之前根据第一坐标系呈现第一探针的初始3D表示，以及在CPM的计算之后根据第二坐标系(例如，ACL坐标系)呈现第一探针的修改3D表示，如参考图9更详细所述。使用ICL的优点在于第一坐标系(例如，ICL坐标系)中的呈现并不限于CPM体积。
现在参考图6，其为包括用于图1的系统20中的基于磁的方位跟踪方法中的示例性步骤的流程图120的视图。还参考图4。图6的跟踪方法参考被配置成插入活体受检者的身体中的第二探针来描述。第二探针可为消融导管例如球囊导管40、或者非消融导管或探针例如套索形导管71。另外，第二探针可用于活体受检者的身体的心脏或任何其它身体部位中。第二探针包括第二探针电极，例如，感测电极52和/或消融电极55。第二探针包括磁场传感器，例如，磁传感器50。
在一些实施方案中，第一探针和第二探针为两个不同的探针，尽管这两个探针可因受到身体部位的空间限制而为相同类型的探针。在一些实施方案中，两个探针可在身体部位中彼此相互作用，例如，第一探针可穿过第二探针的内腔。在其它实施方案中，第一探针和第二探针为相同的单个探针。
处理电路41(图1)被配置成测量体表电极49与身体内的第二探针电极之间的电流(框122)。处理电路41被配置成响应于磁场69而接收来自磁场传感器(例如，磁传感器50)的第二探针的磁方位信号(框124)。处理电路41被配置成响应于磁方位信号而计算第二探针的磁方位坐标(框126)。处理电路41被配置成相对于由磁场发生器限定的第二坐标系(例如，磁方位坐标)来计算磁方位信号与所测量电流的分布(框122的步骤)之间的电流-位置映射(或矩阵)(CPM)(框128)。当移动第二探针时，可通过重复框122-128的步骤(线130)来扩展其中CPM提供映射的体积。
现在参考图7，其为包括用于图1的系统20中的基于混合的磁-电流分布的方位跟踪方法(例如，使用ACL)中的示例性步骤的流程图140的视图。还参考图4。图7的跟踪方法参考被配置成插入活体受检者的身体中的第三探针来描述。第三探针可为第一探针、第二探针、或另一个探针。第三探针可为消融导管例如球囊导管40、或者非消融导管或探针例如套索形导管71。另外，第三探针可用于活体受检者的身体的心脏或任何其它身体部位中。第三探针可包括磁场传感器，例如，磁传感器50。在一些实施方案中，第三探针不包括磁场传感器。
处理电路41(图1)被配置成测量体表电极49与第三探针的第三探针电极之间的电流(框142)。处理电路41被配置成将CPM应用到所测量电流的分布(在框142的步骤中测量)，以基于第三探针的所测量电流的分布来计算第三探针的磁方位坐标(框144)。处理电路41可被配置成呈现第三探针在所计算磁方位坐标的坐标系(即，也为ACL坐标系的第二坐标系)中的3D表示(框146)。如果第三探针包括磁传感器或另一个磁场传感器50，则可基于磁场传感器的磁方位和/或通过将CPM施加到所测量电流的分布而计算的磁方位坐标来呈现第三探针的3D表示。应当指出的是，CPM的使用以及因此根据CPM计算方位坐标通常限于其中CPM已被计算的体积，如图8所示。
现在参考图8，其为示出图1的系统20中的CPM体积148的示意性部分图解、部分框图。图8示出，尽管球囊导管40正基于来自感测电极52a和磁传感器50的信号来提供用于计算CPM的数据，但消融电极55位于CPM体积148的外部。因此，消融电极55的位置不能使用ACL来确定。然而，消融电极55的位置可使用第一坐标系中的ICL来确定。图8还示出，套索形导管71的电极位于CPM体积148内，并且因此可在第二坐标系中使用ACL计算套索形导管71的方位。在上述情形中，球囊导管40和套索形导管71无法一起呈现在同一图像中，因为这些导管的方位已知处于不同的坐标系中。
现在参考图9，其为包括用于图1的系统20中的坐标系变换方法中的示例性步骤的流程图150的视图。处理电路41(图1)被配置成查找第一坐标系与第二坐标系之间(即，ICL坐标系与ACL坐标系之间)的变换(框152)。该变换可基于使用由同一探针在CPM体积148内的一个或多个方位处测量的ICL和ACL坐标。该变换通常包括旋转和平移元素。用于基于球囊导管40来查找该变换的示例性方法参考图11和图12来更详细地描述。
处理电路41被配置成将该变换应用到第一探针在第一坐标系(即，ICL坐标系)中的第一方位坐标(框154)，从而产生第一探针在第二坐标系(即，ACL坐标系)中的第二方位坐标。第一方位坐标可包括第一探针在第一坐标系中的位置和取向。第二方位坐标可包括第一探针在第二坐标系中的位置和取向。第二方位坐标可位于其中CPM提供映射的CPM体积148的外部，尽管使用ACL仅可能在CPM体积148内而无需使用来自ICL方位坐标的变换。
处理电路41被配置成根据第二坐标系(即，ACL坐标系)中的第二方位坐标(例如，位置和取向)来将第一探针的修改3D表示呈现到显示器27(框156)。在一些实施方案中，框156的呈现步骤在CPM的计算之后执行，尽管第一探针在第一坐标系(即，ICL坐标系)中的第一方位坐标(其现已从ICL坐标系变换到ACL坐标系)可在CPM计算之前已被计算。
在一些实施方案中，处理电路可被配置成根据附加方位坐标(其可为在CPM的计算之后计算的从ICL坐标变换的ACL坐标)、或者根据基于从CPM导出的磁方位的位于CPM体积148中的方位坐标来呈现第一探针的另外的修改3D表示，该CPM基于从由第一探针的磁场传感器检测到的磁场导出的磁方位和/或使用ACL的电流的分布。
可使用任何合适的图像呈现技术来呈现第一探针。以举例的方式，球囊导管40可使用图形处理单元(GPU)基于任何合适的方法来呈现，例如但不限于使用Zar等人的美国专利公布2018/0182157中所述的成像方法，该专利公布以引用方式并入本文。具体地，Zar等人的参考文献的第31至48段描述了在电解剖标测图上呈现二次曲面。二次曲面的示例包括球体、椭圆体、圆柱体、圆锥体、双曲抛物面、抛物面以及双曲面。成像可包括使用可膨胀球囊45(图2)的样条的机械数据，可假定可膨胀球囊45的样条之间存在材料，并且组合各种二次曲面来形成球囊导管40的图像。
现在参考图10，其为用于图1的系统20中的示出第二坐标系中的呈现的用户界面屏幕158的示意图。在一些实施方案中，处理电路41(图1)被配置成将用户界面屏幕158呈现到显示器27，该用户界面屏幕包括根据变换的第二方位坐标呈现的第一探针的修改3D表示和根据磁方位呈现的第二探针的3D表示，该磁方位由CPM(其使用ACL和/或从由第二探针的磁场传感器检测到的磁场导出的磁方位)导出和/或由使用图9的框154的步骤从ICL变换到ACL的坐标导出。呈现到显示器的图像因此为基于合并的、混合的ICL-ACL的可视化和映射。图10示出了根据上述方位跟踪方法的在用户界面屏幕158中与心脏26的3D表示一起呈现的套索形导管71和球囊导管40。
现在参考图11，其为包括用于图1的系统20中的用以计算第一(ICL)坐标系中的球囊位置矩阵的方法中的示例性步骤的流程图160的视图。还参考图2。
作为校准步骤的一部分，将球囊导管40放置在通常位于身体外的具有给定位置和给定取向的给定方位(原始方位)处，以便配准球囊导管40的位置和取向，其中近侧电极52a位于0,0,0笛卡尔坐标处并且轴22循沿笛卡尔坐标系的x轴。然后将球囊导管40移动到身体中的新方位，此时计算ICL和ACL方位。参考图11描述了ICL方位的处理，并且参考图12描述了ACL方位的处理。以举例的方式使用笛卡尔坐标，并且可使用任何合适的坐标系。
处理电路41(图1)被配置成接收ICL方位(即，ICL坐标系中的方位坐标)(框162)。ICL方位包括十个消融电极55的方位，其中每个消融电极55具有(x,y,z)坐标。
处理电路41被配置成分别查找(框164)：由消融电极55的ICL方位限定的平面；以及使用任何合适的平面和圆最佳拟合方法的由消融电极55的ICL方位限定的圆的中心。另选地，由消融电极55的ICL方位限定的圆的中心可通过对消融电极55的ICL方位求平均来计算。处理电路41被配置成将所查找平面的所查找中心平移到0,0,0坐标而不旋转所查找平面(框166)。
处理电路41被配置成接收近侧电极52a位于坐标0,0,0的原点方位处的球囊导管40的模型(框168)。处理电路41被配置成平移该模型的平面(框170)，使得该模型的消融电极的中心与0,0,0坐标对准，而非近侧电极52a位于坐标0,0,0的原点方位处，且不旋转该模型的平面。
现在，由球囊导管40的消融电极55限定的平面的中心和由球囊模型的消融电极55限定的平面的中心均位于0,0,0坐标处。处理电路41被配置成通过查找两个平面之间的旋转来计算球囊的旋转，从而查找ICL坐标系中的球囊旋转矩阵RICL-scl(框172)。
当根据ICL技术对ICL方位进行缩放时，上述计算的球囊旋转矩阵包括缩放元素。处理电路41被配置成在不进行缩放的情况下查找球囊旋转矩阵(框174)，从而给出：
其中[U,S,V]＝svd(RICL-scl)，Det[V.UT]为[V.UT]的行列式，并且对于m×n矩阵M而言，存在形式为M＝U*S*VT的M的因式分解(称为“奇异值分解”)，其中U为m×m酉矩阵(正交矩阵)，S为在对角线上具有非负实数的对角m×n矩阵，V为n×n酉矩阵，并且VT为V的共轭转置。S的对角元素称为M的奇异值。常见惯例是以降序列出奇异值。在一些实施方案中，对角矩阵S可由M唯一地确定。在特殊但常见的情况下，当M为具有正行列式的m×m实方阵时，U、VT和S也为m×m实矩阵。S可被视为缩放矩阵，并且U、VT可被视为旋转矩阵。因此，表达U、S、VT可直观地解释为三个几何变换的组成，分别包括：旋转或映射；缩放；以及另一个旋转或映射。
处理电路41被配置成当球囊导管40位于身体中的新方位时接收近侧电极52a的ICL位置[XICL，YICL，ZICL](框176)。近侧电极52a的ICL位置用于查找球囊ICL位置矩阵，因为近侧电极52a基本上与(球囊导管40的)磁传感器50位于相同方位处，该磁传感器用于计算球囊ACL位置矩阵，如参考图12更详细所述。近侧电极52a的位置提供从原点0,0,0到近侧电极52a的当前方位的近侧电极52a的平移向量
处理电路41被配置成基于如下所示的近侧电极52a的RICL和ICL平移向量来查找球囊ICL位置矩阵MICL的旋转和平移(框178)：
现在参考图12，其为包括用于图1的系统20中的用以计算变换矩阵的方法中的示例性步骤的流程图180的视图。还参考图2。
处理电路41被配置成接收位于第二(ACL)坐标系中的某个方位(其为用于参考图11计算ICL值的同一方位)处的球囊导管40的磁传感器50的方位(位置和取向)(框182)。
处理电路41被配置成根据在框182的步骤中接收的磁传感器50在第二(ACL)坐标系中的取向来查找3x3球囊旋转矩阵RACL(框184)。
处理电路41被配置成根据在框182的步骤中接收的位置数据来查找磁传感器50在第二(ACL)坐标系中的球囊磁传感器平移向量(框186)。
处理电路41被配置成查找球囊ACL位置矩阵MACL(框188)，包括来自RACL和的旋转和平移，如下所示：
处理电路41被配置成基于利用ICL位置矩阵MICL和ACL位置矩阵MACL执行运算来查找从ICL到ACL坐标系的变换矩阵TICL-ACL(具有旋转和平移元素)(框190)。下面将更详细地描述框190的过程。
提供从ICL取向到ACL取向的旋转变换的旋转变换矩阵RICL-ACL在下文中被定义如下：
RACL＝RICL-ACL*RICL
RICL-ACL＝RACL*RICL -1
近侧电极52a的ICL与ACL坐标系之间的平移由以下给出：
从ICL变换到ACL坐标系的变换矩阵为4x4矩阵，其包括旋转和平移元素，如下所示：
使用该变换以基于TICL-ACL*PICL＝PACL来将任何合适的探针可视化从ICL转移到ACL坐标系，其中PICL为ICL坐标系中的位置矩阵，并且PACL为ACL坐标系中的位置矩阵。
为清晰起见，在独立实施方案的上下文中描述的本发明的各种特征部，也可在单个实施方案中组合提供。相反地，为简明起见，本发明的各种特征部在单个实施方案的上下文中进行描述，也可单独地或以任何合适的子组合形式提供。
上述实施方案以举例的方式被引用，并且本发明不受上文具体示出和描述的内容的限制。相反，本发明的范围包括上述各种特征部的组合和子组合以及它们的变型和修改，本领域的技术人员在阅读上述说明时应当想到该变型和修改，并且该变型和修改并未在现有技术中公开。

Claims (12)

1.一种医疗探针跟踪系统，包括：
多个体表电极，所述多个体表电极被配置成施加到活体受检者的皮肤表面；
第一探针，所述第一探针被配置成插入所述活体受检者的身体中并且包括第一探针电极；
第二探针，所述第二探针被配置成插入所述活体受检者的所述身体中并且包括第二探针电极和磁场传感器；
磁场发生器，所述磁场发生器被配置成在所述活体受检者的所述身体内产生磁场；
显示器；和
处理电路，所述处理电路被配置成：
分别测量所述体表电极与所述身体内的所述第一探针电极和所述第二探针电极之间的第一电流和第二电流；
响应于所述第一电流的分布而计算所述第一探针在第一坐标系中的第一方位坐标；
接收响应于所述磁场的来自所述磁场传感器的磁方位信号；
将所述第一探针在所述第一坐标系中的初始三维表示呈现到所述显示器，并且然后相对于由所述磁场发生器限定的第二坐标系来计算所述磁方位信号与所述第二电流的分布之间的电流-位置映射；
查找所述第一坐标系与所述第二坐标系之间的变换；
将所述变换应用到所述第一方位坐标，从而产生所述第一探针在所述第二坐标系中的第二方位坐标；以及
根据所述第二坐标系中的所述第二方位坐标将所述第一探针的修改三维表示呈现到所述显示器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理电路被配置成在所述电流-位置映射的计算之前根据所述第一坐标系呈现所述第一探针的所述初始三维表示，以及在所述电流-位置映射的计算之后根据所述第二坐标系呈现所述第一探针的所述修改三维表示。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述变换包括旋转和平移元素，所述第一方位坐标包括位置和取向，所述第二方位坐标具有位置和取向，所述处理电路被配置成基于所述第二方位坐标的所述位置和所述取向来呈现所述第一探针的所述修改三维表示。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述第二探针包括球囊导管，所述球囊导管具有轴、装配在所述轴的远侧端部处的可膨胀球囊、设置在所述可膨胀球囊上的所述第二探针电极的多个电极、设置在所述轴的近侧端部处的所述磁场传感器，所述处理电路被配置成：根据由所述多个电极限定的第一平面与由球囊导管模型中的电极限定的第二平面之间的旋转来查找球囊旋转矩阵；以及基于球囊旋转矩阵来查找所述变换。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二方位坐标位于其中所述电流-位置映射提供映射的体积的外部。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理电路被配置成：根据变换的第二方位坐标呈现所述第一探针的所述修改三维表示；以及至少基于以下中的任一者或多者来呈现所述第二探针的三维表示：从所述电流-位置映射导出的磁方位；以及从由所述磁场传感器检测到的所述磁场导出的磁方位。
7.一种医疗探针跟踪系统，包括：
多个体表电极，所述多个体表电极被配置成施加到活体受检者的皮肤表面；
探针，所述探针被配置成插入所述活体受检者的身体中并且包括探针电极和磁场传感器；
磁场发生器，所述磁场发生器被配置成在所述活体受检者的所述身体内产生磁场；
显示器；和
处理电路，所述处理电路被配置成：
分别测量所述体表电极与所述身体内的所述探针电极之间的电流；
响应于第一多个所述电流的分布而计算所述探针在第一坐标系中的第一方位坐标；
接收响应于所述磁场的来自所述磁场传感器的磁方位信号；
将所述探针在所述第一坐标系中的初始三维表示呈现到所述显示器，并且然后相对于由所述磁场发生器限定的第二坐标系来计算所述磁方位信号与第二多个所述电流的分布之间的电流-位置映射；
查找所述第一坐标系与所述第二坐标系之间的变换；将所述变换应用到所述第一方位坐标，从而产生所述探针在所述第二坐标系中的第二方位坐标；以及
根据所述第二坐标系中的所述第二方位坐标将所述探针的修改三维表示呈现到所述显示器。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述处理电路被配置成：在所述电流-位置映射的计算之前根据所述第一坐标系呈现所述探针的所述初始三维表示；以及在所述电流-位置映射的计算之后根据所述第二坐标系呈现所述探针的所述修改三维表示。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述变换包括旋转和平移元素，所述第一方位坐标包括位置和取向，所述第二方位坐标具有位置和取向，所述处理电路被配置成基于所述第二方位坐标的所述位置和所述取向来呈现所述探针的所述修改三维表示。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述探针包括球囊导管，所述球囊导管具有轴、装配在所述轴的远侧端部处的可膨胀球囊、设置在所述可膨胀球囊上的所述探针电极的多个电极、设置在所述轴的近侧端部处的所述磁场传感器，所述处理电路被配置成：根据由所述多个电极限定的第一平面与由球囊导管模型中的电极限定的第二平面之间的旋转来查找球囊旋转矩阵；以及
基于球囊旋转矩阵来查找所述变换。
11.根据权利要求7所述的系统，其中所述第二方位坐标位于其中所述电流-位置映射提供映射的体积的外部。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述处理电路被配置成根据至少基于以下中的任一者或多者的位于所述体积中的第三方位坐标来呈现所述探针的另外的修改三维表示：基于第三多个所述电流的分布从所述电流-位置映射导出的磁方位；以及从由所述磁场传感器检测到的所述磁场导出的磁方位。
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