CN114041877A - 基于阻抗信息的三维导管定位系统 - Google Patents
基于阻抗信息的三维导管定位系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种基于阻抗信息的三维导管定位系统。本发明的基于阻抗信息的三维导管定位系统，包括：主控制器、电源电路、时钟电路、阻抗测试电路、通道选择电路、六个电极贴片以及三维定位重构系统；电源电路分别与主控制器和时钟电路连接，主控制器与阻抗测试电路连接，阻抗测试电路与通道选择电路连接，主控制器与三维定位重构系统连接，通道选择电路与六个电极贴片连接，六个电极贴片设置于人体躯干表面。本发明硬件系统兼容性高，所测信息皆为临床手术中方便检测的信号，硬件成本低，无需额外购置大型设备。仅使用MRI或CT成像、阻抗信号检测及少剂量X射线即可完成实时导管定位，临床执行难度低。使用阻抗信号检测导管坐标，实时性高。
Description
技术领域
本发明涉及导管定位技术领域，尤其涉及一种基于阻抗信息的三维导管定位系统。
背景技术
准确的测绘和导航是导管介入治疗心律失常的先决条件。传统的测绘和导航在导管实验室使用单或双翼系统部署x射线透视。此外，通常医学成像技术，如超声检查(US)、计算机断层扫描(CT)或MRI，在侵入性手术前用于获取患者的几何信息。在介入过程中，测绘和导航数据必须以某种方式与离线几何信息进行登记。但上述方法存在分辨率低、精度不高、x射线曝光量等缺点。磁导航是目前最常见的三维重建和导管导航高精度高分辨率的工具，其原理是在导管尖端内置微型磁传感器，以报告导管的当前位置和方向。同时，也位于导管尖端的测量电极记录心脏当前位置的电生理信息。通过导管对一个腔室的整个心内膜进行采样，实时重建该腔室的几何形状，同时获得详细的心脏活动的三维图。然而在心脏介入手术中，必须同时使用一种以上的导管，甚至是不同公司的导管。由于成本高昂，不可能为每个导管电极配备定位器，例如微型磁定位传感器，因此要准确有效地定位所有这些导管电极是极其困难的。
因此，目前利用磁导航进行导管定位的价格是非常昂贵的，而利用其他测绘和导航方式进行导管定位在临床操作难度上也有着一定的局限性，因此亟需一个低成本、精确的导管定位技术为临床手术进行提供辅助手段。
发明内容
本发明提供一种基于阻抗信息的三维导管定位系统，以解决目前利用磁导航进行导管定位的价格非常昂贵，而利用其他测绘和导航方式进行导管定位在临床操作难度上也有着一定的局限性的问题。
本发明提供一种基于阻抗信息的三维导管定位系统，包括：主控制器、电源电路、时钟电路、阻抗测试电路、通道选择电路、六个电极贴片以及三维定位重构系统；所述电源电路分别与所述主控制器和时钟电路连接，所述主控制器与所述阻抗测试电路连接，所述阻抗测试电路与所述通道选择电路连接，所述主控制器与所述三维定位重构系统连接，所述通道选择电路与所述六个电极贴片连接，所述六个电极贴片设置于人体躯干表面，在胸口和后背处分别粘贴三个电极贴片，用以定位导管位置；
所述主控制器，用于控制所述阻抗测试电路利用通道选择电路选择通道，测量导管电极和每个电极贴片之间的阻抗信息，将所述阻抗信息发送至三维定位重构系统；
所述电源电路，用于提供低纹波电源；
所述时钟电路，用于提供系统以及阻抗测试电路高精度时钟，其中时钟电路包含晶振及高精度时钟芯片；
所述阻抗测试电路，用于测量导管电极和每个电极贴片之间的阻抗；
所述通道选择电路，用于选择通道，其中包括通道选择器，系统发送控制指令选通单独的阻抗测试通道进行电极阻抗信息检测；
所述三维定位重构系统，用于接收所述阻抗信息，通过转移矩阵将所述阻抗信息与导管电极在MRI成像重构后的三维心房坐标系中的实际位置对应起来，进行坐标校准，得到基于三维心房重构的导管电极定位坐标系。
进一步地，所述三维定位重构系统用于按照以下方式得到基于三维心房重构的导管电极定位坐标系：
阻抗与流过电极贴片的电流成反比，用在贴片处测量的电流来代替下面的阻抗来描述这种线性关系：
I = AP （1）
其中I是一个6×n矩阵，包含在6个电极位置的6个贴片上测量的电流，P是一个3×n矩阵，包含n个电极位置的x, y, z坐标，A是一个连接I和P的6×3转移矩阵；
通过可定位的导管构建传递矩阵A，导管导航到多个位置，记录每个电极位置在电极贴片处的电流I，由内置的位置传感器报告电极对应的坐标P，确定传递矩阵A为
A = IP† （2）
其中P†是P的Moore–Penrose伪逆矩阵；
其他非定位电极的位置从在电极贴片上测量的电流中得到：
P˜ = A−1 I （3）
在(3)中，A的逆由(2)推导出来
A-1= P I† （4）
其中P˜为导管移动时测得的坐标矩阵；
术前利用磁共振技术进行电生理成像得到MRI图像或者计算机断层扫描得到CT图像，进行心脏的三维重构，在导管进入心房后，利用X射线获得导管在心房的位置，基于计算梯度和高斯平滑得到去噪后的图像数据，再利用几何抽取将图像数据转变为多边形数据，从图像数据集中抽取三角片来表示等值面，进行实现面绘制；再采用射线投射技术将三维数据映射到二维屏幕，实现图像数据的体绘制，通过标记导管位置建立坐标系，并和阻抗定位系统中的坐标进行耦合，实现校准过程，从而得到基于三维心房重构的导管电极定位坐标系。
进一步地，采用在一个导管电极上施加交流或直流电压，将六个电极贴片与地面连接，测量从导管电极流向六个电极贴片的电流的方式测量所述阻抗信息。
进一步地，所述主控制器与所述三维定位重构系统通过USB连接。
进一步地，所述主控制器与所述阻抗测试电路通过I2C总线连接。
本发明的有益效果如下：本发明提供的一种基于阻抗信息的三维导管定位系统，硬件系统兼容性高，所测信息皆为临床手术中方便检测的信号，硬件成本低，无需额外购置大型设备。仅使用MRI成像或CT成像及阻抗信号检测即可完成实时导管定位，临床执行难度低。使用阻抗信号检测导管坐标，实时性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于阻抗信息的三维导管定位系统示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
请参阅图1，本发明提供一种基于阻抗信息的三维导管定位系统，包括：主控制器100、电源电路200、时钟电路300、阻抗测试电路400、通道选择电路500、六个电极贴片600以及三维定位重构系统700。
其中，电源电路200分别与主控制器100和时钟电路300连接，主控制器100与阻抗测试电路400连接，阻抗测试电路400与通道选择电路500连接，主控制器100与三维定位重构系统700连接，通道选择电路500与六个电极贴片600连接。主控制器100与三维定位重构系统700通过USB连接。主控制器100与阻抗测试电路400通过I2C总线连接
为了建立电极位置与阻抗测量之间的关系，将六个电极贴片600设置于人体躯干表面。在胸口和后背处分别粘贴三个电极贴片600，其中六个电极贴片600为定位导管位置所需的最小数量，采用在一个导管电极上施加交流或直流电压，将六个电极贴片600与地面连接，测量从导管电极流向六个电极贴片600的电流的方式测量阻抗信息。
导管电极可利用现有心脏导航系统的可定位导管，如磁定位传感器，对感兴趣的腔内的有限数量点产生的测量值进行校准，通过本系统，在这个校准区域内和附近的其他非定位电极就可以根据在导管电极上测量的电流进行定位，从而建立坐标系，得到导管电极的位置坐标。
主控制器100用于控制阻抗测试电路400利用通道选择电路500选择通道，测量导管电极和每个电极贴片600之间的阻抗信息，将阻抗信息发送至三维定位重构系统700。
电源电路200用于提供低纹波电源。时钟电路300用于提供系统以及阻抗测试电路高精度时钟，其中时钟电路包含晶振及高精度时钟芯片。阻抗测试电路400用于测量导管电极和每个电极贴片600之间的阻抗。通道选择电路500用于选择通道，其中包括通道选择器，系统发送控制指令选通单独的阻抗测试通道进行电极阻抗信息检测。三维定位重构系统700用于接收阻抗信息，通过转移矩阵将所述阻抗信息与导管电极在MRI成像重构后的三维心房坐标系中的实际位置对应起来，进行坐标校准，得到基于三维心房重构的导管电极定位坐标系。
具体地，所述三维定位重构系统700用于按照以下方式得到基于三维心房重构的导管电极定位坐标系：
阻抗与流过电极贴片的电流成反比，用在贴片处测量的电流来代替下面的阻抗来描述这种线性关系：
I = AP （1）
其中I是一个6×n矩阵，包含在6个电极位置的6个贴片上测量的电流，P是一个3×n矩阵，包含n个电极位置的x, y, z坐标，A是一个连接I和P的6×3转移矩阵；
通过可定位的导管构建传递矩阵A，导管导航到多个位置，记录每个电极位置在电极贴片处的电流I，由内置的位置传感器报告电极对应的坐标P，确定传递矩阵A为
A = IP† （2）
其中P†是P的Moore–Penrose伪逆矩阵；
其他非定位电极的位置从在电极贴片上测量的电流中得到：
P˜ = A−1 I （3）
在(3)中，A的逆由(2)推导出来
A-1= P I† （4）
其中P˜为导管移动时测得的坐标矩阵；
术前利用磁共振技术进行电生理成像得到MRI图像或CT图像，进行心脏的三维重构，在导管进入心房后，利用X射线获得导管在心房的位置，基于计算梯度和高斯平滑得到去噪后的图像数据，再利用几何抽取将图像数据转变为多边形数据，从图像数据集中抽取三角片来表示等值面，进行实现面绘制；再采用射线投射技术将三维数据映射到二维屏幕，实现图像数据的体绘制，通过标记导管位置建立坐标系，并和阻抗定位系统中的坐标进行耦合，实现校准过程，从而得到基于三维心房重构的导管电极定位坐标系。
本发明的基于阻抗信息的三维导管定位系统的作用为，检测当导管电极处于不同位置时对应的阻抗信息，从而可通过转移矩阵将阻抗信息与导管电极的实际位置对应起来。在不同xyz轴上重复上述步骤，以完成系统的校准过程，进而可以建立基于三维心房重构的导管电极定位坐标系，此时，移动导管电极就可以通过导管电极位置的阻抗信息变换来得到导管电极的真实位置。本发明设计了一种基于阻抗与影像结合的导管定位系统，它能够在导管或导管篮上高效定位多个导管电极，精确度高，不需要将昂贵和专门的硬件集成到导管。
本发明实施例还提供一种存储介质，本发明实施例还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明提供的基于阻抗信息的三维导管定位系统工作的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（英文：Read-OnlyMemory，简称：ROM）或随机存储记忆体（英文：RandomAccessMemory，简称：RAM）等。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。
Claims (5)
1.一种基于阻抗信息的三维导管定位系统，其特征在于，包括：主控制器（100）、电源电路（200）、时钟电路（300）、阻抗测试电路（400）、通道选择电路（500）、六个电极贴片（600）以及三维定位重构系统（700）；所述电源电路（200）分别与所述主控制器（100）和时钟电路（300）连接，所述主控制器（100）与所述阻抗测试电路（400）连接，所述阻抗测试电路（400）与所述通道选择电路（500）连接，所述主控制器（100）与所述三维定位重构系统（700）连接，所述通道选择电路（500）与所述六个电极贴片（600）连接，所述六个电极贴片（600）设置于人体躯干表面，在胸口和后背处分别粘贴三个电极贴片（600），用以定位导管位置；
所述主控制器（100），用于控制所述阻抗测试电路（400）利用通道选择电路（500）选择通道，测量导管电极和每个电极贴片（600）之间的阻抗信息，将所述阻抗信息发送至三维定位重构系统（700）；
所述电源电路（200），用于提供低纹波电源；
所述时钟电路（300），用于提供系统以及阻抗测试电路高精度时钟，其中时钟电路包含晶振及高精度时钟芯片；
所述阻抗测试电路（400），用于测量导管电极和每个电极贴片（600）之间的阻抗；
所述通道选择电路（500），用于选择通道，其中包括通道选择器，系统发送控制指令选通单独的阻抗测试通道进行电极阻抗信息检测；
所述三维定位重构系统（700），用于接收所述阻抗信息，通过转移矩阵将所述阻抗信息与导管电极在MRI成像重构后的三维心房坐标系中的实际位置对应起来，进行坐标校准，得到基于三维心房重构的导管电极定位坐标系。
2.如权利要求1所述的基于阻抗信息的三维导管定位系统，其特征在于，所述三维定位重构系统（700）用于按照以下方式得到基于三维心房重构的导管电极定位坐标系：
阻抗与流过电极贴片的电流成反比，用在贴片处测量的电流来代替下面的阻抗来描述这种线性关系：
I = AP （1）
其中I是一个6×n矩阵，包含在6个电极位置的6个贴片上测量的电流，P是一个3×n矩阵，包含n个电极位置的x, y, z坐标，A是一个连接I和P的6×3转移矩阵；
通过可定位的导管构建传递矩阵A，导管导航到多个位置，记录每个电极位置在电极贴片处的电流I，由内置的位置传感器报告电极对应的坐标P，确定传递矩阵A为
A = IP† （2）
其中P†是P的Moore–Penrose伪逆矩阵；
其他非定位电极的位置从在电极贴片上测量的电流中得到：
P˜ = A−1 I （3）
在(3)中，A的逆由(2)推导出来
A-1= P I† （4）
其中P˜为导管移动时测得的坐标矩阵；
术前利用磁共振技术进行电生理成像得到MRI图像或者计算机断层扫描得到CT图像，进行心脏的三维重构，在导管进入心房后，利用X射线获得导管在心房的位置，基于计算梯度和高斯平滑得到去噪后的图像数据，再利用几何抽取将图像数据转变为多边形数据，从图像数据集中抽取三角片来表示等值面，进行实现面绘制；再采用射线投射技术将三维数据映射到二维屏幕，实现图像数据的体绘制，通过标记导管位置建立坐标系，并和阻抗定位系统中的坐标进行耦合，实现校准过程，从而得到基于三维心房重构的导管电极定位坐标系。
3.如权利要求1所述的基于阻抗信息的三维导管定位系统，其特征在于，采用在一个导管电极上施加交流或直流电压，将六个电极贴片（600）与地面连接，测量从导管电极流向六个电极贴片（600）的电流的方式测量所述阻抗信息。
4.如权利要求1所述的基于阻抗信息的三维导管定位系统，其特征在于，所述主控制器（100）与所述三维定位重构系统（700）通过USB连接。
5.如权利要求1所述的基于阻抗信息的三维导管定位系统，其特征在于，所述主控制器（100）与所述阻抗测试电路（400）通过I2C总线连接。
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