CN1973790B - 用于对引入检查对象体内的医疗器械进行定位的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对引入检查对象体内的医疗器械、特别是导管或者导线定位的方法，包括步骤：在检查对象上设置至少四个电极；利用医学成像检查装置拍摄检查对象的感兴趣的身体部位的三维图像数据；根据拍摄的三维图像数据确定检查对象的电导率模型；根据该电导率模型和电极的空间位置，在施加电压和/或电流的情况下，对至少三个不同的由四个电极构成的电极对确定电场分布，其中，不是所有的电极都位于同一平面中；在各电极对上施加电压和/或电流，并为至少三个电极对确定医疗器械一个电极上的电压值；确定对应于医疗器械电极等势面上的至少三个电压值的交点，作为医疗器械的空间位置。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于对引入检查对象体内的医疗器械、特别是导管或者导线进行定位的装置。
背景技术
对人体或者还有动物体的最小介入手术借助例如导管或者导线这样的医疗器械作为介入方法实施。在此方面，引入导管或引入导线、实施检查的区域不能直接观察到。但需要确定医疗器械的当前空间位置，以便在需要时将器械送到正确的治疗部位或获得有关检查对象体内特定部位的信息。因此，一般借助X射线系统对医疗器械进行定位，例如通过荧光镜或者血管造影。
然而借助X射线系统定位存在的问题是，一般不能获得有关导管位置的三维信息，而仅能获得没有深度信息的投影图像。为此患者常常要承受相当多的X射线剂量。
对于电生理学领域中的介入方法，定位导管具有特别的意义。例如借助电生理手术通过有针对性地使有障碍的刺激传导区域萎缩来治疗心律障碍。为此必须将如导管的医疗器械在心脏的三维空腔内导航，而另一方面这些手术常常费时并在X射线定位时由于持续的时间长而必须使用高的射线剂量。
为避免这类缺点，提出了非基于X射线的其他定位方法，它们特别是应用在电生理学中已经提及的领域内。举例来说，有以电磁定位为基础和类似于全球定位系统等的系统。此外还提出了，通过简单测量检查对象的体电阻来定位电生理中使用的医疗器械。在此方面，分别将两个电极在彼此垂直的轴线上粘贴在患者的皮肤上。在两个电极之间施加已知的电压，随后测量医疗器械一个电极上的电压。假设患者体内的电压线性下降，则可从三个在医疗器械上依次测量的三个电压中推断出在导管的三个空间坐标上的三个垂直的电极轴线。这种方法在US 5697377中有所介绍。其与以电磁定位为基础的方法的区别在于，对此不需要专用的并因此而是昂贵的导管。通过校准方法为定位确定电压与空 间距离之间的比例常数。
然而测量体电阻的方法中存在的问题是，现实情况中的电压降不是线性的，而是取决于个体的几何形状和体内的电导率分布。因此，通过如上所述的测量体电阻实现的定位不精确，例如在心脏内具有几毫米的偏差，由此会给检查或者治疗造成问题。此外，必须在患者身上粘贴总计至少六个附加的电极，由此增加了实施检查所需的时间。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种与此相关的改进的、对引入检查对象体内的医疗器械，特别是导管或者导线进行定位的装置。
本发明的目的通过一种用于对引入检查对象体内的医疗器械、特别是导管或者导线进行定位的装置实现，其具有：
-在检查对象的身体上设置的至少四个电极，
-医学成像检查装置，利用该医学成像检查装置拍摄检查对象的感兴趣的身体部位的三维图像数据，和
-控制装置，用于：
-根据所拍摄的三维图像数据，确定检查对象的电导率模型，
-根据该电导率模型和电极的空间位置，在施加电压和/或者电流的情况下，对至少三个不同的由四个电极构成的电极对确定电场分布，其中，不是所有的电极都位于同一平面中，
-产生和检测信号的装置，用于在各电极对上施加电压和/或者电流，并为至少三个电极对确定医疗器械一个电极上的电压值，
其中，所述控制装置的程序装置确定作为对应于医疗器械电极的等势面上的至少三个电压值的交点的医疗器械的空间位置。
因此依据本发明，对医疗器械、例如像导管，根据阻抗测量来确定位置，为此首先在检查对象的身体上设置四个电极。不言而喻，还可以在检查对象的皮肤上设置例如四个以上的电极。与公知方法的区别在于电极不需要设置成正交的对。根据检查的类型在需要时可以使用例如在电生理过程中本来也用于数据拍摄或监测的电极。在这里具有优点的是可以使用本来需要的心脏外电极，在此它们与医疗器械的电极一样与用于产生和检测信号的系统连接。
随后产生感兴趣的身体部位，也就是检查对象的部分部位或者全身的三维图像。在这种情况下，例如可以在使用旋转血管造影技术下拍摄，这种拍摄在导管实验室内进行并由于现代化的技术而对患者的放射负荷较低。下面例如将“旋转血管造影”的概念用于在介入期间实施的3D成像方法。如果需要产生心脏图像，那么具有优点地使用通过心电图控制的选通，以便可以对心脏进行无运动伪影的成像。
根据这样拍摄的三维图像数据确定检查对象的电导率模型。结合身体表面的电压或电流从磁共振图像中确定电导率模型例如在US 6594521 B2中有所介绍。这种电导率模型例如可以由单个壳层或者有限元构成。
随后根据电导率模型和电极的空间位置确定电场分布。为由两个电极构成的至少三个电极对中的每一对确定等势面，它们在向该对电极施加特定的电压的情况下给出恒定电压的位置。对此必须已知电极的位置，例如通过在旋转血管造影范围内实施成像，其中自动或者手动在三维图像中确定电极的位置。场分布仅从电导率模型和电极位置就可以确定，而无需向电极施加实际电压。同样可以施加电压并在需要时进行补充测量。由至少四个电极可以构成三对，这些电极不是所有都处于一个平面上，以获得关于所有空间方向的信息。
随后向每两个电极、也就是一个电极对施加电压。还可以取代电压而施加电流，以补偿电阻中、特别是在设置皮肤电极时皮肤电阻中的波动。
在此方面，在实际施加电压和/或者电流的情况下确定医疗器械电极、例如导管上的电极的电压值。至少对三个电极对实施这种电压值的确定，其中，不是所有的电极都处于一个平面上。
随后确定作为对应于医疗器械电极的等势面上的至少三个电压值的交点的医疗器械的空间位置，由此实现定位，这与从线性电压降出发的迄今为止的方法的区别在于能够精确反映设置的全部几何形状。因此与这些公知方法的区别在于达到约为1mm的重复精度。医疗器械上的电压值的等势面可由所确定的或所计算的电场分布得知。在具有多个电极的器械的情况下，将该方法逐个用于每个电极。
所施加的电压或者所施加的电流可以是恒定的。也可以施加具有在一定的时间内的特定的恒定平均值的交流电压或者交流电流。也就是说，电压和电流是特定的或预先给定的。
可以根据图像数据的强度值与电导率值的对应关系来确定电导率模型。在 此将强度值粗略地转换成电导率值就已经可以与迄今为止的方法相比更好地采集几何形状并因此更精确地对导管或者其他医疗器械进行定位。
为确定所述电导率模型，至少区分两种具有不同电导率的检查对象体内的组织类型，特别是骨组织和/或者器官组织和/或者空气和/或者水等价组织。例如，对于计算机X射线断层造影或者在旋转血管造影拍摄的实施，提供了空气和水等价组织之间的差别。根据患者体内感兴趣部位的类型，例如可以在各器官组织、例如肺组织与其他相关组织之间进行区分。电导率模型在考虑两个以上组织类型的情况下可以得到任意改进。对于患者的电导率模型的估计例如可以引入医疗数据库中可供使用的数据或者借助编程装置使用患者的个性化数据确定的数据。
三维图像数据是在旋转血管造影和/或者计算机X射线断层造影和/或者磁共振拍摄和/或者超声波拍摄的范围内拍摄的。必要时这些电极必须在三维拍摄时就已经粘贴并可以适当地识别。除了皮肤电极外还可以使用其位置已知的体内电极，例如位置固定的导管或者植入物的电极。
为拍摄三维图像数据和/或者为确定电极的空间位置，可以将不同图像拍摄方法的图像数据进行组合。也就是说例如可以制作超声波图像并将其与旋转血管造影拍摄相组合，以便足够精确地在空间上确定电极的位置。这样，在必要时可以在旋转血管造影范围内实施在三维图像中电极的自动定位，在此，通过将这些图像与需要时在其中可以识别电极的超声波图像进行融合可以避免误差。特别具有优点的是，将图像融合用于不显示电极的3D图像数据，因为这些电极在拍摄的时刻尚未被粘贴。这样的图像数据可以借助于公知的3D/3D记录法与例如旋转血管造影数据相组合，其中，后者包括电极位置。按照这种方式可以将电极位置传递到第一3D图像数据组上。通过不同拍摄方式的附加图像数据，为此可以产生更佳的电导率模型。
依据本发明，电极的空间位置在拍摄三维图像数据时在旋转血管造影的范围内确定和/或者通过使三维图像数据在各图像拍摄方法中可识别来确定。因此如已经提到的那样，例如在旋转血管造影拍摄中使用自动定位。此外，可以与可能使用的其他图像拍摄方法相协调地进行识别，例如通过X射线图像中可见并可以尽可能精确定位的、电极上存在的标记。
在采用X射线拍摄图像数据时，可以使用X射线透明的电极和/或者具有 X射线吸收标记的电极。但这些电极本身及其设置的方式应这样选择，使其一方面不妨碍图像数据用于诊断目的或者在其他检查范围内的计值，而同时例如通过标记还必须能够精确定位。使用特殊标记特别具有优点的是，可以借助针对标记的相应信号设立的程序装置实施自动检测。
自动地或者至少部分手动地确定电导率模型和/或者电极的空间位置和/或者等势面和/或者交点。因此可以采用例如在三维图像中自动对电极进行定位的程序装置，为此需要时需使用用于图像处理和分析的相应的算法。同样还可以从三维数据中、必要时还结合附加的已有数据通过程序装置自动确定电导率模型。作为补充可以至少部分地在自动确定时考虑手动输入，例如就程序装置出于自身原因而不能正确考虑的检查对象体内的结构上的特殊性来调谐模型。优选主要进行自动处理，例如自动确定等势面的交点，其中，将结果提供给操作者，他在需要时可以实施校正或者在使用其他方法的情况下重新确定例如电极的位置。
可以利用所拍摄的三维图像数据依据所确定的空间位置显示所述医疗器械。由此例如导管或者导线的位置可以利用作为电极的电位峰值立即在所拍摄的三维数据组中示出，因为该数据组的和导管位置的坐标系相一致，从而消除了费时且容易出错的图像记录。因此无需如坐标变换的其他换算就可以直接实现可视化，从而可以毫不耽误时间地例如向实施或者陪同检查的医生或技术人员显示导管位置。
还可以在其他3D图像数据中显示器械的位置，这些数据已事先利用公知的3D/3D记录方法与包含电极的数据组相组合。
在确定三个以上医疗器械电极上的电压值时，可以通过形成等势面的平均值来确定空间位置。通过形成平均值可在需要时达到更高的精确度，从而给出改善的几何形状的总体印象。在测量各电压值时或者电导率模型中的误差通过在非单一交点情况下形成平均值而得到补偿。
对于包括多个电极的器械，定位的精确度可以通过附加的一致性条件得到提高。在多电极导管用于电生理的情况下，例如电极之间的距离是近似公知的。在此这些距离通过导管的刚性(最大弯曲半径)在特定的边界内规定。这些边界作为附加的边界条件引入位置确定之中。
依据本发明，作为电极可以使用皮肤电极，特别是用于实施电生理学方法 的皮肤电极和/或者在体内的位置固定的电极，特别是位置固定的医疗器械的电极。这些电极因此可以为用于评估或确定电导率模型而额外地粘贴在患者的皮肤上，或者使用本来也用于如监控等其他目的的电极。此外，可以采用体内的位置固定的电极，例如位置固定的医疗器械或者植入物的电极。因为一般情况下限制体内电极的数量，所以将这些电极组合与其他皮肤电极形成对。
优选将至少一个，特别是所有电极设置在图像数据拍摄区域内。这些电极因此例如可以设置在30cm的典型视界内。
对于成像区域外的电极，手动或者自动地确定三维图像中的相交面，其中，在成像区域外缺少的电压降可以通过校准方法确定。需要时也可以采用其他电极对的信息。在依据本发明的方法中，不需要使用专用的导管，而是例如可以探测所有电生理导管，由此降低了成本并为此可以对几乎任意数量的导管进行定位。
为就校准可以使用具有一个以上电极的医疗器械。这种校准的优点是获得电压的绝对标量。为此例如可以在导管的前部区域上以例如3cm的确定距离设置第一电极，此后设置第二电极。对于非柔性导管，距离已知，从而可以导出电压的绝对值。
在测量医疗器械上的电压时，可能需要以平均值为基础，以便计算出空间延伸或者补偿时间上的波动。为此需要时可以进行多次相继的测量或者可以将导管电极的延伸或器械的几何形状引入计算之中。
此外，本发明还涉及一种用于对引入检查对象体内的医疗器械进行定位的装置，该装置用于实施前述方法。为此该装置具有用于产生和检测信号的装置，以便向电极施加电压或电流并接收相应的信号。此外，该装置还包括可以拍摄三维图像数据的医学成像检查装置。控制装置为确定电导率模型除了图像数据外还访问其中存储患者的解剖模型以及其他信息的数据库。最后通过控制装置的程序装置确定作为等势面的交点的导管或导线的空间位置。
附图说明
下面借助附图的实施例对本发明的其他优点、特征和细节进行说明。其中：
图1示出在依据本发明的方法中导管以及电极设置的原理图；
图2示出具有不同组织类型的图像拍摄空间的原理图；
图3示出在依据本发明的方法中电极定位以及确定电场分布的示意图；
图4示出在依据本发明的方法中确定导管位置的示意图；以及
图5示出依据本发明的用于对引入检查对象体内的医疗器械进行定位的装置。
具体实施方式
图1示出在依据本发明的方法中导管1以及电极2设置的原理图。导管1引入患者3的体内，以便在那里在介入方法的范围内使用。在患者3上设置电极2，在这种情况下设置了五个不同的皮肤电极。
电极2这样设置，使其不都处在一个平面上。电极2以及导管1未示出的电极与用于产生和探测信号的装置4连接，通过该装置4可以施加并测量电压和电流。此外，利用这里未示出的例如用于实施旋转血管造影的医学成像检查装置，产生检查对象的感兴趣的身体部位的三维图像数据。
图2示出具有不同组织类型的患者3的图像拍摄空间5的示意图。除了五个电极2外，还示出用于产生检查对象的电导率模型的肺组织6，在此，该电导率模型是相应于图像拍摄空间5的感兴趣区域的、有别于其他组织7的电导率模型。为获得该电导率模型，将图像拍摄空间5的图像数据强度值转换成电导率值。
最后，图3一方面示出电极2是如何定位的，另一方面示出图像拍摄空间5内的电场分布是如何确定的。这里仅示出了其中一对电极2，在实施旋转血管造影时在图像拍摄空间5的三维图像数据内通过相应的程序装置自动对其进行定位。在这里所示的该对电极2上，对于例如恒定电压或恒定电流借助电导率模型和现在已知的电极位置来确定电场分布的变化。在此给出等势面8，也就是在这种情况下具有恒定电压的面，这些面对电极电压的预先给定的值定义场分布。还可以采用具有在一定时间段内的恒定平均值的交流电压或者交流电流工作。但下面举例介绍恒定电压/恒定电流的应用。
图4示出用于在依据本发明的方法中确定导管位置的示意图，其中，再次示出患者3以及图像拍摄空间5。在这里电极位置出于概览的原因没有示出。如图4所示，在每两个电极上施加固定的电压或固定的电流，然后测量导管1一个电极上的电压。在此现在实际施加具有预定值的电压或电流，并接收导管 电极的测量值。借助作为电场分布从电导率模型以及电极位置中确定的对施加电压值已知的等势面，对每三个电极对确定等势面9，它们是对分别属于导管电极测量值的各等势面8的选择。因为电极对是这样选择的，即使所有电极2不都处于一个平面上，所以产生一个与导管1的空间位置相应的唯一的交点10。
导管位置可以无需单独的记录而直接利用图像拍摄空间5的三维图像数据组显示。在此显示可以这样进行，即使其仅显示导管尖端或与交点10相应的电极位置，或者为显示而至少近似地再现或描述的整个医疗器械、也就是导管1。如果仪器具有多个电极，那么可以对这些电极逐一定位和显示。
因此利用依据本发明的方法可以在对检查对象体内的医疗器械进行定位时获得高度的几何精确度。因此特别是可以利用毫米范围内的高精确度例如对心脏进行临界检查。
图5示出依据本发明的定位引入检查对象体内的医疗器械的装置11。装置11具有C形臂系统12，用于对处于患者检查床13上的患者14实施旋转血管造影术。用于实施旋转血管造影术的C形臂系统12通过控制装置15控制，该装置15上连接有具有输入装置的图像输出装置16，操作者17利用该输入装置可以进行输入或启动拍摄等操作。此外，装置11包括用附图标记18标注的用于产生和检测信号的装置。这些装置18与作为皮肤电极设置在患者14身体上的电极19连接。出于概览的原因没有示出其他皮肤电极及其与装置18的连接。此外，还有用于产生和检测信号的装置18与引入患者14体内的医疗器械的这里未示出的电极的连接。
现在借助装置11的C形臂系统12产生检查对象、也就是患者14的感兴趣的身体部位的三维图像数据，在这里感兴趣的身体部位相应于电极19所处的上身区域。从中借助相应的程序装置所处的控制装置15导出患者14的电导率模型。此外，根据该电导率模型和电极19的空间位置来确定在施加恒定电压或恒定电流时产生的电场分布。也就是说，从电导率模型和电极位置导出等势面。
随后在各对电极19上施加这里例如也是恒定的电压或恒定的电流并接收医疗器械电极上的电压。在实际施加电压或施加电流的情况下对至少三个电极对实施这样的电压值确定，其中，获得医疗器械的电压值的等势面，其在一个点上相交。如果因为接收三个以上的电极对的值而确定了三个以上的等势面，那么通过形成平均值来确定医疗器械的位置。医疗器械的已知位置可以借助控 制装置15在图像输出装置16上与利用C形臂系统12拍摄的三维图像数据共同显示。
装置11在此具有用于医疗器械定位的高度定位精确度，而无需使用专用的导管。
Claims (18)
1.一种用于对引入检查对象体内的医疗器械进行定位的装置，包括：
-至少四个电极，设置在检查对象的身体上，
-医学成像检查装置，利用该医学成像检查装置拍摄检查对象的感兴趣的身体部位的三维图像数据，
-控制装置，用于：
-根据所拍摄的三维图像数据，确定检查对象的电导率模型，
-根据该电导率模型和电极的空间位置，在施加电压和/或者电流的情况下，对由四个电极构成的至少三个不同的电极对确定电场分布，其中，不是所有的电极都位于同一平面中，
-产生和检测信号的装置，用于在各电极对上施加电压和/或者电流，并为至少三个电极对确定医疗器械一个电极上的电压值，
其中，所述控制装置的程序装置确定作为等势面的交点的医疗器械的空间位置，该等势面对应于医疗器械的电极上的至少三个电压值，该等势面由所确定的电场分布得到。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，根据图像数据的强度值与电导率值的对应关系来确定电导率模型。
3.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，为确定所述电导率模型，至少区分两种具有不同电导率的检查对象体内的组织类型。
4.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，为确定所述电导率模型，至少区分骨组织和/或者其他器官组织和/或者空气和/或者水等价组织。
5.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，三维图像数据是在旋转血管造影和/或者计算机X射线断层造影和/或者磁共振拍摄和/或者超声波拍摄的范围内拍摄的。
6.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，为拍摄三维图像数据和/或者为确定所有所述至少四个电极的空间位置将不同图像拍摄方法的图像数据进行组合。
7.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，至少四个电极的空间位置在拍摄三维图像数据时在旋转血管造影的范围内确定和/或者通过使三维图像数据在各图像拍摄方法中可识别来确定。
8.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在采用X射线拍摄图像数据时使用X射线透明的所有所述至少四个电极和/或者具有X射线吸收标记的所有所述至少四个电极。
9.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，自动地或者至少部分手动地确定所述电导率模型和/或者至少四个电极的空间位置和/或者等势面和/或者交点。
10.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，利用所拍摄的三维图像数据依据所确定的医疗器械的空间位置显示所述医疗器械。
11.按权利要求9所述的装置，其特征在于，在确定三个以上医疗器械电极上的电压值时，通过形成所述等势面的平均值来确定所述医疗器械的空间位置。
12.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，作为所有所述至少四个电极，使用皮肤电极，和/或者在体内的位置固定的电极。
13.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，作为所有所述至少四个电极，使用用于实施电生理方法的皮肤电极，和/或者具有一个或者多个电极的位置固定的医疗器械的电极。
14.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，将所述至少四个电极中的至少一个电极设置在图像数据拍摄区域内。
15.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，将所有的所述至少四个电极设置在图像数据拍摄区域内。
16.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，将所述至少四个电极中的至少一个电极设置在图像数据拍摄区域之外，其中，通过校准法和/或者通过至少另一个电极对的信息来确定图像数据拍摄区域之外的电压降。
17.按权利要求16所述的装置，其特征在于，为了进行校准使用具有一个以上电极的医疗器械。
18.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述医疗器械是导管或导线。
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