CN1874735A - 对电生理导管的心脏应用提供可视化支持的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于可视地支持在心脏中的电生理导管的应用的方法和装置，其中对执行导管应用期间提供的待治疗心脏区域的电解剖3D映射数据进行可视化。在执行导管应用之前利用断层造影3D成像方法采集待治疗区域的3D图像数据，从该3D图像数据中通过分割提取出待治疗区域中的对象的3D表面变化，并然后将提供的电生理3D映射数据和构成3D表面变化的3D图像数据位置正确和维数正确地相对应，并例如在执行导管应用期间相互重叠地显示。本发明的方法及对应装置可以在对心脏进行电生理导管应用期间改善对操作者的导向。

Description

对电生理导管的心脏应用提供可视化支持的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种对在心脏中的电生理导管应用提供可视化支持的方法和装置，其中将在导管应用期间提供的心脏待治疗区域的电解剖3D映射数据可视化。
背景技术
自从引入利用高频电流的导管切除技术以来对心律紊乱的治疗已经显著变化。在这种技术中，在X射线的控制下将切除用导管通过静脉或动脉引入一个心室，并通过高频电流使引起心律紊乱的组织萎缩。成功实施导管切除的前提条件是精确找出心室中导致心律紊乱的原因的位置。该查找位置通过电生理检查进行，其中用引入心室的映射导管位置分辨地采集电位。从电生理检查、即所谓的电解剖映射中，获得可在显示器上可视化的3D映射数据。在此映射功能和切除功能在很多情况下都集成在一个导管中，从而映射导管同时也是切除导管。
公知的电解剖3D映射方法例如有用Biosense Webster Inc.，USA公司的Carto系统进行的方法，其基于电磁原理。在检查台下设置了3个不同的、强度很小的交变磁场。利用集成在映射导管的导管尖上的电磁传感器，可以测量磁场内通过导管运动感应的电压变化，并利用数学算法在每个时刻计算出映射导管的位置。通过用映射导管在采集电信号的同时逐点地扫描一个心室的心脏内轮廓，形成电解剖结构的三维导引图，其中颜色编码地再现电信号。
引导导管所需的为操作者的导向目前通常通过荧光镜进行可视化。由于映射导管的位置在电解剖映射中随时已知，在该技术中可以在采集了足够多的测量点之后也通过在电解剖导引图中连续显示导管尖而进行导向，从而可以省略在该阶段使用利用X射线透视的荧光镜图像技术。
目前在引导导管时对操作者的非优化的导向是在心脏内实施导管切除的基本问题。在引导导管期间对形态环境的精确显示一方面提高了导管切除的精确度，另一方面也缩短了执行电解剖映射的时间。此外减小或避免了在很多情况下电解剖映射还需要的X射线透视，由此也减小了所应用的X射线剂量。
已知有很多技术用于改善在引导导管时对操作者的导向。在一种技术中采用具有超声波测量头的特殊导管，例如由Siemens AG Medical Solution提供的Acunav。通过对环境以及一部分导管的二维超声波采集，可以将待萎缩的目标组织和导管一起实时地可视化。但这种导管的使用不提供三维图像信息。因此超声波显示只能用于将所谓的Lasso导管用于肺静脉开口中。在对Lasso导管定位之后，可以在利用X射线照射可视化Lasso导管和切除导管的情况下在肺静脉开口周围使组织萎缩(veroedung)。
在另一种公知技术中，在不支持成像2D超声波技术的情况下将Lasso导管设置在肺静脉的开口处，其中在X射线透视的条件下通过引入左心房的肺静脉开口区域中的导管施加造影剂。在此过程中造影剂分布开来，其中一小部分随着血流出现在肺静脉中。肺静脉的短时可视化使得可以在该开口中定位Lasso导管。以后可以像在上述技术中那样进行导管切除。
此外还已知一种技术，其中通过左心房和肺静脉的电解剖映射来查找肺静脉的开口，其中映射导管首先被引入肺静脉中然后再撤回，直到检测到心房的电激活。该位置对应于肺静脉的开口位置，应当在该开口位置周围封闭目标组织。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种用于可视地支持在心脏中的电生理导管的应用的方法和装置，其在导管应用时、尤其是在电解剖映射和/或导管切除时可以改善导管引导期间的导向。
该技术问题是通过根据权利要求1和16的方法和装置解决的。该方法和装置的优选实施方式是从属权利要求的内容，或者可以从下面的描述以及实施中得出。
在用于可视地支持在心脏中的电生理导管的应用、尤其是导管切除的本发明方法中，在执行导管应用之前首先利用断层造影3D成像方法采集待治疗区域的3D图像数据。从该3D图像数据中通过分割提取出待治疗区域中的对象、特别是一个或多个心室或血管的3D表面变化。构成3D表面变化的3D图像数据在下面被称为选择的3D图像数据，其位置正确和维数正确地对应于在执行导管应用过程中提供的电解剖3D映射数据。然后优选在执行导管应用期间在视觉显示中位置正确和维数正确地将3D映射数据和至少选择的3D图像数据相互重叠地显示。
通过能够很好地给出待治疗或已治疗区域的形态学的3D表面变化与执行导管应用期间采集的电解剖3D映射数据的重叠，可为导管的操作者在执行导管应用期间比在目前公知的用于可视化支持该情况的方法中提供更好的导向和更准确的细节。重叠的图像显示例如可以在控制室内或工作间内的显示器上进行。然后操作者在执行导管应用期间在显示器的实时显示内识别出解剖组织及其电生理特性。这实现了安全和准确的工作方式。
为了采集3D图像数据，例如可以采用X射线计算机断层造影方法、磁共振断层造影方法或3D超声波成像方法。当然还可以采用这些成像方法的组合。只需要注意，在与提供的电解剖3D映射数据相同的心脏阶段内进行3D图像拍摄，以分别采集心脏的相同状态。这可以在采集图像数据和电解剖映射数据时用公知的EKG选通技术来保证。
为了分割所采集的3D图像数据可以采用不同的技术。因此包含在该3D图像数据中的对象、尤其是血管和/或一个或多个心室的三维表面变化例如通过分割用成像方法获得的所有2D断层来进行。除了这种逐层的分割之外，还可以对一个或多个心室和/或血管进行3D分割。适合的分割技术对医疗图像数据图像处理领域的专业人员是公知的。
电解剖3D映射数据与选择的3D图像数据的维数和位置正确地对应可以通过不同的技术来实现。一种可能性是通过可视化地将3D表面变化与电解剖3D映射数据的显示相匹配来在各数据之间进行记录。此外还可以使用能在两个数据组中识别出的人工标记或天然醒目点。为了记录，除了待治疗区域之外还引入一个相邻区域，只要该相邻区域包含在已存在的数据中。此外还可以在执行记录时将重点放在待萎缩的组织(下面也称为目标组织)或导管尖端的周围的数据上。在本方法和装置的优选实施方式中，所述记录在只存在一小部分电解剖3D映射数据的第一阶段利用人工标记或醒目点进行，而在后续的已经存在大量电解剖3D映射数据的一个或多个阶段中通过表面匹配来进行。通过这种方式改善了在电解剖3D映射数据逐渐增多的导管应用期间的记录。
在将3D图像数据与电解剖3D映射数据重叠时，可以利用立体着色技术来显示3D图像数据。在另一个实施方式中通过多边形网格来显示3D表面变化，如在计算机图形学领域中公知的。所述重叠可以用可设置的透明度和可设置的混合因子来进行。还可以计算并显示内窥镜透视。由于电解剖3D映射数据还包含导管尖端的相应瞬时位置，因此也可以有时在3D图像数据显示中只实时地显示导管的位置，而不显示其余的3D映射数据。此外还可以基于3D映射数据和3D图像数据之间的记录计算导管与3D图像数据的任意图像点之间的距离。这实现了本发明方法的一个优选实施方式，其中在可视化时彩色显示导管尖端，该颜色根据导管尖端与预定的图像点、尤其是目标组织的位置之间的距离而改变。
用于执行本发明方法的本发明的装置包括一个或多个输入接口，用于输入电解剖3D映射数据和利用成像断层造影方法采集的3D图像数据。该装置具有分割模块用于分割3D图像数据，以提取出包含在利用3D图像数据采集的立体中的对象的3D表面变化。该分割模块与记录模块连接，后者用于将电解剖3D映射数据与构成3D表面变化的3D图像数据位置正确和维数正确地对应。该记录模块又与可视化模块连接，后者将3D映射数据和至少构成3D表面变化的3D图像数据位置正确和维数正确地相互叠加，以便用显示装置、尤其是显示器或投影仪进行可视化。
所述装置的各个模块在不同的实施方式中相应地用于执行下面示出的本发明方法的不同实施方式。
附图说明
下面结合附图再次详细解释本发明的方法和对应的装置。
图1示出执行本方法的各步骤以及对应装置的各模块。
具体实施方式
在本发明方法中，在第一步骤1中采集待治疗区域、尤其是待治疗的心室的3D图像数据。在采集该3D图像数据时还可以为了以后执行的记录而涉及心脏的较大部分。3D图像数据的采集利用断层造影3D成像方法进行，如X射线计算机断层造影、磁共振断层造影或3D超声波技术。在采集3D图像数据时要注意，要分别针对相同的心脏阶段采集这些图像数据，针对该心脏阶段稍后也会提供电解剖3D映射数据。这通过图像采集的EKG选通以及3D映射数据采集的EKG选通来保证，例如通过参考RR间隔的百分比或者参考R尖峰之前或之后的一个固定时间间隔。
在执行本方法时重要的是采集心室的高分辨的图像数据，该图像数据要在导管应用期间电解剖地测量。因此优选为了采集3D图像数据而结合测试药丸或药丸跟踪来采用造影剂。
在第二步骤中，对3D图像数据进行分割2以提取出其中包含的血管和心室的3D表面变化。该分割一方面需要用于稍后在叠加的图像显示中显示该对象的表面变化，另一方面在本方法的优选实施方式中需要用于位置和维数正确地对应于3D映射数据。
分割在本发明装置10的分割模块11中进行。该分割模块11通过对应的输入接口14获得所采集的3D图像数据。以相同的方式，通过相同的接口或另一个接口15通常在电生理导管应用的持续期间向装置10连续输入3D映射数据。
电生理方法通常只在一个心室中执行。下面将心室理解为心室和心房。除了待治疗的心室之外，还可以电解剖地测量其它心室或血管，例如右心房和腔静脉，以用于在左心房中的肺静脉上进行导管切除。在这种情况下电解剖的3D映射数据包括一个或多个心室和/或心血管。
3D图像数据的分割可以按照相同的方式应用于一个或多个心室和/或心血管，如腔静脉或肺静脉，以获得通过电解剖的3D映射数据表示的整个表面。但是针对通过表面匹配而进行的记录不需要分割出例如待治疗心室的整个表面。为此只需要通过几个表面点获得心室的感兴趣区域的表面表示，例如左心房，或者心血管的感兴趣区域、如肺静脉的表面表示，利用这些表面点可以进行用于记录的表面匹配。但另一方面还具有可以将较大的区域、尤其是其它心室或血管用于记录的优点。
对待治疗心室或者其它心室或心血管的分割可以按照2D分割的形式在各个断层中进行。一种可能性在于，对心室的通过成像方法获得的所有断层进行完全自动地分割。或者，还可以交互地通过操作者和后面跟随的断层自动基于关于已被分割的断层的已有认识来分割一个或多个断层。各个断层的交互分割还可以通过半自动技术、如有效轮廓的技术来支持。在对所有单个断层进行分割之后可以再现心室的3D表面变化。
该分割还可以作为待治疗心室或其它心室或心血管的3D分割通过公知的3D分割技术来进行。这种3D分割技术的例子是阈值技术或区域生长技术。如果这些全自动3D分割算法在个别情况下不能可靠地工作，则可以为操作者提供交互输入的可能性，以便能预先给定灰度阈值或空间雏形模(Blocker)。
从分割中获得的对象的3D表面变化被输入记录模块12，在该模块中将3D图像数据或者说从中获得的3D表面变化的数据对应于步骤3中提供的3D映射数据。3D映射数据通过映射导管获得，该导管通过集成在导管尖端的6D位置传感器提供待治疗心室的表面点的3D坐标。这种导管在针对导管切除和电解剖映射的现有技术中公知。导管在此由操作者通过静脉或动脉引入相应的心室。导管的引入以及3D映射数据的采集不是本方法的组成部分。在导管切除和对待治疗心室的电解剖测量过程中，随着时间的推移有更多的表面点加入映射数据中。这些表面点将用于再现心室的形态学结构，也就是用于心室的可视化。通过这种方式随着时间的过去而根据电解剖3D映射图像形成待治疗心室的越来越详细的图像。
在此还可以在执行导管切除之前采集和再现其它心室和血管的完整解剖表面，例如在肺静脉开口处进行导管切除的情况下采集具有腔静脉的右心房的完整解剖表面。在执行导管切除之前就提供了该电解剖的3D映射数据，并且可用于稍后的记录。
在记录模块12的记录步骤4中，除了位置正确的对应之外还匹配3D图像数据和3D映射数据的维数。为了实现心室或者其表面的3D图像数据在相同的位置、定向、比例和形状下与根据3D映射数据对心室的相应可视化的尽可能准确一致，这是很必要的。为此一般需要对3D图像数据或3D映射数据进行变换，该变换可以包括用于变形的3个平移自由度、3个旋转自由度、3个比例自由度和/或多个向量。
在第一实施方式中可以通过可视匹配进行记录。为此操作者一直更改被可视化的数据，直到所显示的心室的位置、定向、比例和/或形状在两种表示、也就是基于3D图像数据和基于3D映射数据的表示中一致。可视匹配可以通过合适的图形用户界面9进行。
此外，可以为记录采用人工标记。这样在一个实施方式中，可以在采集3D图像数据之前将该人工标记固定在患者的胸部。该标记在后续的整个导管应用过程中一直固定在相同的位置上。为了实现正确的记录、也就是将图像数据与映射数据正确地对应，至少需要3个这样的标记。在此必须采用既能在3D图像数据中识别的又能通过映射系统的位置传感器识别的标记。
用于记录的另一个实施方式在于，采用全局解剖标记、也就是待治疗区域或其环境的醒目的自然点来进行记录。这些醒目点必须能在3D图像数据中被识别，并优选在采用荧光镜成像技术的条件下使映射导管经过。这样的醒目点例如是上腔静脉和下腔静脉的开口或冠状窦。这些醒目点可以在3D图像数据和3D映射数据中被自动检测，从而可以将这些数据位置和维数正确的相互对应。
此外，还可以通过这样的标记或醒目点在映射导管和3D图像数据之间进行记录。通过该记录使得可以可视化映射导管在3D图像数据内的位置。
用于记录3D图像数据和3D映射数据的另一个优选可能性在于对基于这些数据显示的表面进行自动匹配。在分割出待治疗的心室之后，可以将提取出的心室的3D表面轮廓与通过3D映射数据获得的心室的表面轮廓进行自动匹配。如果从3D图像数据和3D映射数据中获得的表面轮廓的形状有偏差，则可采用对3D图像数据的表面轮廓或者对3D映射数据的表面轮廓进行变形的匹配算法，以改善相互之间的匹配。
表面匹配例如可以通过最小化映射数据的表面点和从3D图像数据中提取出的3D表面轮廓的表面点之间的点距离来进行(点对点匹配)。或者，还可以通过最小化映射数据的表面点和插值得出的3D图像数据的表面点之间的点距离来进行(点对表面匹配)。
为了执行表面匹配，需要通过3D映射数据对待治疗心室的表面的很好的表示。但由于这些数据一般是在较长的时间段内采集的，也就是说在导管切除开始时只有很少的电解剖3D映射数据可供利用，因此优选进行多级的记录过程。在此在开始的第一级中通过标记进行记录。记录的准确性则在本方法进行过程中通过表面匹配在第二步骤中加以改善。当然也可以随着映射点的逐渐增多而进行表面匹配的其它步骤，通过这些步骤必要时可以进一步提高准确性。该多级记录是有利的，因为通过表面匹配的记录在表面表示相应较好时比利用解剖醒目标记或人工标记进行的记录更为准确，但好的表面表示要通过映射数据在本方法稍后的进行过程中才能得到。
在开始的第一级中，还可以进行利用标记进行的记录和利用表面匹配进行的记录的组合。这样例如可以通过对血管表面(如肺动脉)的表面匹配以及附加地利用右心房的醒目解剖点(如冠状窦或下腔静脉或上腔静脉的开口)来记录左心房。
利用表面匹配进行记录的另一个可能性在于，不是将待治疗心室的表面用于匹配，而是采用另一个在导管应用开始之前就已经被电解剖地测量过的心室的表面。这例如可以是在左心房的肺静脉隔离(PVI)之前就已测量过的右心房。该测量在此当然应当用足够多的表面点来进行。所产生的针对该心室的匹配参数可以应用于导管切除期间获得的数据。
在上述实施例中，表面匹配作为点对点匹配或点对表面匹配来实现。由于导管切除方法是在待治疗心室的特定的小区域上进行的，因此在该感兴趣区域中的表面匹配由于映射点的更大密度而比待治疗区域的其它区域提供更准确的结果。通过位于感兴趣区域内(例如在PVI的情况下在肺静脉周围)的表面点的更大权重，可在该区域中得到比在心室的其它区域中进行的更好的空间匹配。该感兴趣区域例如可以通过操作者在图形用户界面上的相应输入来确定。
除了该解剖上的感兴趣区域之外，还可以采用在运动导管或者说其已知位置的直接相邻的环境中的表面点来进行局部表面匹配。这些点的更大的权重将比待治疗心室的其它区域引起围绕导管尖端的更好的局部匹配。但该方法需要在导管应用期间进行实时的记录，从而能在导管运动期间连续更新表面匹配。
在3D映射数据和3D图像数据之间进行了记录之后，在步骤5中在可视化模块13中进行位置和维数正确的叠加，以可视化被叠加的数据。用虚线示出的箭头在图1中表示出在导管切除过程中通过多级过程对记录或叠加的细化，这在上面已讨论过。
为了实现可以在显示器6上进行的叠加的可视化，可以采用不同的技术。从而在一个实施方式中可以利用立体着色技术(VRT)来可视化3D图像数据或者说待治疗心室。利用立体着色技术可视化的图像数据可以与完整的3D映射数据重叠，后者既位置分辨地显示出导管的电活动又显示出导管的瞬时位置。两个子图像、也就是3D图像数据的子图像和3D映射数据的子图像的透明度同样可以像叠加的混合因子那样通过操作人员改变，以获得解剖特性、电生理学特性或同时获得这两种特性的合适的可视化。由于3D映射的可视化包含可视化映射导管的位置和定向，因此有时还可以只将映射导管的位置和定向的显示与3D图像数据叠加。
在另一个实施方式中，从3D图像数据中提取出的表面也可以作为表面阴影的显示或根据三角测量作为多边形网格来显示。多边形网格与3D映射数据一起显示，以同时可视化通过该多边形网格表示的解剖特性和通过3D映射数据表示的电生理特性。在这种情况下有时也可以只将映射导管的位置和定向与表示表面的多边形网格一起显示。
在另一个实施方式中，可以从采集的数据中计算出内窥镜的透视图，并通过将解剖的3D图像数据与电生理的3D映射数据相叠加来可视化。通过这种从导管尖端的视角看去的内窥镜的透视图，导管同样可以由操作者引导到相应的解剖或电生理位置(如肺静脉的开口)。
此外还可以采用所采集的数据来可视化导管尖端与可预先给定区域之间的距离。由于在3D映射数据和3D图像数据之间记录期间或者在映射导管的位置和3D图像数据之间记录期间获得了映射导管和3D图像数据之间的空间关系，因此可以随时计算导管尖端与3D图像的可预先给定是图像点之间的距离。通过该记录可以在3D图像数据的显示内表示出映射导管(也不需要显示电生理数据)，同时给出上述距离。因此例如可以实时地可视化导管尖端与该显示中的目标组织之间的距离。该可视化例如可以通过用对距离的彩色编码来彩色地显示导管实现。导管显示的可能性可用于计划和控制切除过程。此外由于映射导管和3D图像数据之间的记录还可以存储萎缩点的位置以及图像数据。所存储的位置可以用于存档以及计划和控制后面进行的切除过程。

Claims (16)

1.一种用于可视地支持在心脏中的电生理导管的应用的方法，其中对执行导管应用期间提供的待治疗心脏区域的电解剖3D映射数据进行可视化，在执行导管应用之前利用断层造影3D成像方法采集待治疗区域的3D图像数据，从该3D图像数据中通过分割提取出待治疗区域的对象的3D表面变化，并且通过记录将该电生理3D映射数据和至少构成该3D表面变化的3D图像数据位置正确和维数正确地相对应并相互重叠地显示，其中，在记录的至少一个阶段通过将3D图像数据的3D表面变化与3D映射数据的3D表面变化设置为至少近似一致的表面匹配来自动进行该位置和维数正确的对应。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述待治疗区域的3D图像数据是采用X射线计算机断层造影方法或磁共振断层造影方法采集的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述待治疗区域的3D图像数据是采用3D超声波方法采集的。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述位置和维数正确的对应在执行导管应用期间的第一阶段中利用醒目解剖点或人工标记自动进行，并在稍后的第二阶段中通过表面匹配来细化。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，利用立体着色技术来显示3D图像数据。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，通过多边形网格来显示3D图像数据的3D表面变化。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述重叠可以用可设置的透明度和可设置的混合因子实现。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述记录在导管应用期间采用的导管和3D图像数据之间进行，并在至少对构成3D表面变化的3D图像数据的显示中实时地可视化至少一部分导管。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在显示至少一部分导管时有时不叠加3D映射数据。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，计算导管尖端与3D图像数据中可预先给定的图像点之间的瞬时距离，并编码地在可视化过程中显示该距离。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述距离通过对导管的可视化进行彩色编码来显示。
12.一种用于执行根据权利要求1至11中任一项所述方法的装置，包括
-一个或多个输入接口(14，15)，用于输入电解剖3D映射数据和3D图像数据，
-分割模块(11)，用于分割3D图像数据，以提取出包含在利用3D图像数据采集的立体中的对象的3D表面变化，
-与该分割模块(11)连接的记录模块(12)，用于在记录的至少一个阶段中通过对3D图像数据的3D表面变化与3D映射数据的3D表面变化进行表面匹配，自动将电解剖3D映射数据与构成3D表面变化的3D图像数据位置正确和维数正确地相对应，
-与该记录模块(12)连接的可视化模块(13)，用于将3D映射数据和至少构成3D表面变化的3D图像数据位置正确和维数正确地相互叠加，并提供给显示装置(6)以进行显示。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述用于自动进行位置和维数正确的对应的记录模块(12)构成为多级的过程，其中在第一阶段中利用醒目解剖点或人工标记进行位置和维数正确的对应，并在稍后的第二阶段中通过对3D图像数据的3D表面变化和3D映射数据的3D表面变化进行表面匹配来细化。
14.根据权利要求12或13所述的装置，其中，所述可视化模块(13)用于实时地在至少构成3D表面变化的3D图像数据的显示中可视化所采用的导管的一部分。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，具有计算模块(16)，用于计算导管尖端与3D图像数据中可预先给定的图像点之间的瞬时距离，并且所述可视化模块(13)对所计算出的距离进行实时地编码显示。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述可视化模块(13)用于对导管的部分进行彩色显示，其中颜色根据所计算出的距离而变化。
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