ES2388630B1

ES2388630B1 - Procedimiento y aparato para asistencia en ablación de arrítmias.

Info

Publication number: ES2388630B1
Application number: ES200901936A
Authority: ES
Inventors: Julio Martín Herrero
Original assignee: Universidade de Vigo
Current assignee: Universidade de Vigo
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2013-08-08
Anticipated expiration: 2029-10-01
Also published as: ES2388630A1

Abstract

La presente invención se refiere a un procedimiento que comprende los siguientes pasos: adquisición y digitalización de imágenes fluoroscópicas del corazón, detección continua de un catéter multielectrodo y un catéter de ablación en dichas imágenes mediante visión artificial, detección continua de los electrodos de dichos catéteres en dichas imágenes mediante visión artificial, adquisición continua de los electrogramas de dichos electrodos, y generación de una imagen fluoroscópica mejorada con la superposición sobre los electrodos de un punto brillante translúcido simulando una luz, cuyo brillo varía en función del correspondiente electrograma. El método puede ser implementado en firmware o software como parte de un aparato basado en microcontrolador o microprocesador. Dicho aparato comprende medios para la adquisición de la fluoroscopia y de la señal de los electrodos, medios para implementar el método descrito, y medios para mostrar la imagen generada.

Description

PROCEDIMIENTO Y APARATO PARA ASISTENCIA EN ABLACIÓN DE ARRITMIAS

La presente invención se encuadra en el sector de la técnica de la realidad aumentada, y los procedimientos y aparatos para asistir a los cirujanos en la ablación de arritmias. Específicamente, se refiere a un procedimiento de realidad aumentada y un aparato que lo implementa, para mejorar la percepción del cirujano de las mediciones por cateterismo cardíaco de la propagación de la actividad eléctrica del corazón, facilitando la ablación de arritmias.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La ablación con catéter permite tratar desórdenes del ritmo cardíaco. El área en que se origina la señal eléctrica cardíaca anormal es cauterizada mediante un catéter de ablación. El procedimiento estándar para guiar la ablación de arritmias se basa en

~ fluoroscopía y el análisis de los electrogramas de un catéter multielectrodo. La imagen fluoroscópica muestra en tiempo real en el interior de la cavidad cardíaca un catéter multielectrodo de sondeo y un catéter de ablación, y una serie de electrogramas en un polígrafo muestran la variación en el tiempo de la intensidad de las señales eléctricas medidas por un número variable de electrodos situados a lo largo del catéter de sondeo y también en la punta del catéter de ablación.

El cirujano guía el catéter multielectrodo hasta el interior del corazón, intentando disponer los electrodos a lo largo de la pared de la cavidad correspondiente, con la ayuda de la imagen fluoroscópica. Cuando el catéter está situado adecuadamente, el polígrafo muestra la variación en el tiempo de la actividad eléctrica en cada electrodo a lo largo del catéter. Típicamente hay de 10 a 12 electrodos en un catéter de sondeo. Los electrodos en contacto con el tejido cardíaco muestran clara actividad eléctrica al ritmo de los latidos del corazón. El cirujano deduce el patrón de propagación de la actividad eléctrica en la cavidad a partir del desplazamiento relativo de los latidos en los diferentes electrodos, junto con su estimación de la localización de cada electrodo en la cavidad. Así el cirujano es capaz de determinar el sentido de propagación de la señal (horario o antihorario) y también la existencia o no de "atajos" o "cortocircuitos" que producen anormalidades del ritmo cardíaco y el patrón de propagación.

Éste es un proceso delicado y que consume mucho tiempo de cirujano, quirófano

y rayos. El polígrafo con los electrogramas muestra tantas gráficas como electrodos hay

en el catéter. La señal eléctrica medida por los electrodos es compleja, ruidosa, y, a

veces, dependiendo de la mejor o peor situación del electrodo, de baja intensidad. Los

5: electrodos se numeran según su posición a lo largo del catéter. Sin embargo, el catéter,

cuando está en posición, suele estar curvado a lo largo de la pared de la cavidad a

intervenir, y la correspondencia entre cada una de las gráficas en el polígrafo y cada

electrodo en la fluoroscopia (donde aparecen como una pequeña bolita, o par de bolitas,

en el catéter), y, por tanto, la localización en el corazón de la señal representada, no es

1 O: evidente. Adicionalmente, el desplazamiento relativo de los latidos en cada

electrograma es muy pequeño, y viene acompañado de variaciones de la intensidad y el

nivel de ruido en cada electrograma, y por tanto de la forma de onda en cada

electrograma. Así, el cirujano ha de reordenar, magnificar, volver a reordenar y rescalar

varias veces los electrogramas para conseguir una idea clara del patrón de propagación

15: de la señal de activación a lo largo de la cavidad. Entre tanto, catéteres y paciente suelen

moverse, y se hace necesaria una frecuente reloealización, con la consiguiente ·

inspección fluoroscópica de los catéteres durante todo el proceso, incrementando

notablemente la exposición a rayos del paciente y el personal de quirófano. Además, el

patrón de activación que interesa es el de la condición arrítmica, y, por tanto, es

20: necesario que la arritmia persista durante la mayor parte del proceso, lo que requiere la

inducción de la arritmia, que no es bien tolerada por algunos pacientes y puede derivar

en complicaciones como desfibrilación o paradas, con mayor probabilidad cuanto

mayor sea su duración.

Cuando el cirujano al fin está satisfecho con su estimación del origen y

25: localización del patrón de propagación anómalo, situará el catéter de ablación en el área

de interés y activará el electrodo en la punta de ablación para destruir el endocardio

causante de la conducción anómala.

Las alternativas al uso del catéter multielectrodo para el mapeado de los patrones

anormales de propagación incluyen un método anterior que usa un único catéter para el

30: sondeo y la ablación. La punta de ablación mide la actividad eléctrica en un punto de la

pared cardíaca, de forma que se mapea el patrón de activación de forma secuencial,

accediendo sucesivamente a una serie de puntos de muestreo, y basándose en la

memoria del cirujano o bien en el método propuesto en [2], explicado más adelante.

Otra alternativa es un catéter sin contacto, capaz de medir la actividad eléctrica en el

endocardio mientras flota en el interior de una cavidad. El patrón de propagación se

calcula mediante retroproyección de los potenciales medidos en un modelo

computerizado de la cavidad. Sistemas de elevado coste usan modelos tridimensionales

5: de alta resolución del corazón, obtenidos previamente por resonancia magnética nuclear,

tomografía computerizada, ecografía intraesofágica, o una combinación de éstas.

El método propuesto en [2] se basa en técnicas de análisis de imagen

(umbralización, detección de bordes, y análisis de conectividad) para localizar la punta

del catéter de ablación en la fluoroscopia, junto con un ajuste manual. Asumiendo una

1O: relación conocida entre el área de la punta de ablación detectada y su posición en el eje

Z, se estima la posición tridimensional de la punta de ablación. Con esta estimación,

junto con una estimación de los tiempos de activación (la diferencia entre el instante de

máxima caída del electrograma y el inicio del segmento QRS), se va construyendo un

mapa de activación estimado, mientras se lleva la punta de ablación a diferentes puntos

15: de muestreo en la pared cardíaca. Entonces se superpone un mapa translúcido sobre la

fluoroscopia, que representa el mapa de activación estimado, como un conjunto de

líneas coloreadas. El enfoque es similar al de costosos métodos de navegación como el

descrito en [1], que localizan la punta del catéter mediante campos magnéticos de baja

intensidad. Sin embargo, el error cuadrático medio reportado en [2] de la estimación de

20: la posición de la punta de ablación in vivo en perros es mayor de un centímetro, y con

pacientes humanos, la estimación simplemente se califica como fallida ("unsuccesful").

Los autores en [2] sugieren fluoroscopía biplano, en lugar de la normal, que permitiría

localizar la punta del catéter por procesado de imagen en dos planos diferentes, en lugar

de tener que recurrir a la estimación basada en la relación área-profundidad. Sin

25: embargo, la fluoroscopía biplano está poco extendida y es más costosa que la normal, y

además incrementa la dosis de radiación, ya alta de por sí en un método que requiere del

acceso secuencial de la punta del catéter a una serie de puntos de medida a lo largo de la

pared cardíaca.

30: Referencias:

[1] K. Nademanee and E.M. Kosar. A nonftuoroscopic catheter-based mapping

technique to ablate ventricular tachycardia. Pacing Clin. Electrophysiol., 21:1442-1447,

1998.

[2] G. Sierra, A.R. LeBlanc, M. Leonard, R. Nadeau, and P. Savard. Prototype of a fluoroscopic navigation system to guide the catheter ablation of cardiac arrhythmias. Proceedings of the 251h Annual International Conference of the IEEE EMES, 1:138-141,2003.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se encuadra en las técnicas de realidad aumentada, y en los procedimientos y aparatos para asistir la ablación de arritmias. Específicamente, se refiere a un procedimiento de realidad aumentada y un aparato que lo implementa, para mejorar la percepción por parte del cirujano de las mediciones por cateterismo cardíaco de la propagación de la actividad eléctrica del corazón, facilitando la ablación de arritmias.

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques del procedimiento según una posible realización. El procedimiento comprende los siguiente pasos: a) Adquisición y digitalización de imagen fluoroscópica del corazón (1); b) Detección continua de un catéter multielectrodo y un catéter de ablación (cuando -esté presente) en dicha imagen fluoroscópica mediante métodos de visión por computador (2); e) Detección continua de los electrodos a lo largo del catéter multielectrodo y en la punta del catéter de ablación (cuando esté presente) en dicha imagen fluoroscópica mediante métodos de visión por computador (3); d) Adquisición continua de los electrogramas de dichos electrodos (4); e) generación de una imagen fluoroscópica mejorada superponiendo puntos translúcidos brillantes simulando fuentes de luz sobre dichos electrodos, cuya intensidad varía de acuerdo con la de los electrogramas correspondientes (5).

En una posible realización, la detección continua de los catéteres mediante visión por computador se basa en contornos activos (active contours). En una posible realización, la detección continua de los electrodos mediante visión por computador se basa en reconocimento de patrones (template matching).

El procedimiento puede ser implementado en firmware o software como parte de un aparato basado en microcontrolador o microprocesador. Dicho aparato comprende medios para la adquisición de la fluoroscopia y de la señal de los electrodos, medios para implementar el procedimiento descrito, y medios para mostrar la imagen generada.

La capacidad del sistema visual humano para reconocer sutiles patrones espaciotemporales es bien conocida y constantemente verificada en la vida cotidiana. La

superposición continuada de dichos puntos brillantes translúcidos sobre los electrodos

en la fluoroscopia tiene el efecto de transformar los electrodos (3 y 4 en Figura 2) en

fuentes de luz virtuales (3, 4 y 5 en Figura 4), a modo de LEDs variables cuyo brillo

varía en tiempo real con la actividad eléctrica medida por el electrodo correspondiente.

5: El patrón de propagación de la señal cardíaca puede así ser reconocido inmediatamente

gracias a los pequeños retrasos del latido entre los diferentes electrodos, simplemente

observando la realidad aumentada generada con la fluoroscopia, de forma similar a las

luces intermitentes de una pista de aterrizaje en la noche, e incluso mientras el catéter

multielectrodo ( 1) se mueve al llevarlo al sitio o por efecto de los propios latidos del

1 O: corazón. El origen de la señal cardíaca, el sentido de propagación, y la existencia y

localización de cualesquiera atajos o derivaciones de la senda estimada pueden ser

rápidamente determinados y detectados. Esto tiene el potencial de reducir drásticamente

los tiempos de intervención, y por tanto la dosis de radiación, con respecto al

procedimiento estándar, en el que las observaciones de la fluoroscopia han de ser

15: combinadas con el estudio detallado de los electrogramas en el polígrafo (Figura 3), sin

una correspondencia evidente entre las gráficas del polígrafo y los electrodos (3 en

Figura) en la fluoroscopia. En el procedimiento estándar esta correspondencia tiene que

ser establecida contando los electrodos (3 en Figura 2) a lo largo del catéter (1 ), una vez

que se han numerado las gráficas en el polígrafo (Figura 3). Las cosas se complican

20: adicionalmente porque las gráficas en el polígrafo habitualmente no están ordenadas,

pues el cirujano altera el orden varias veces para poder comparar diferentes pares de

gráficas entre sí, buscando determinar en qué electrodo el latido llega antes con respecto

a otro, observando de cerca las posiciones relativas de las características más destacadas

de las señales, como picos y valles.

25: Por el contrario, mediante la presente invención, el patrón de propagación y

cualquier anormalidad se vuelven aparentes a simple vista mediante la representación

aumentada de dichos electrodos (3 en Figura 2) en la fluoroscopia como luces brillantes

de intensidad variable (3 y 5 en Figura 4). En una posible realización, dichas luces

brillantes (3 y 5 en Figura 4) pueden ser coloreadas, aprovechando la sensibilidad

30: humana para el color, y el hecho de que las fluoroscopias se representan en escala de

grises. En una posible realización, el potencial de ablación en la punta de ablación ( 4 en

Figuras 2 y 4) del catéter de ablación (2) se puede representar de la misma forma que

los electrodos de medida, usando un color diferente para los potenciales medidos y para

el potencial de ablación. En una posible realización, se proponen el verde como color para los potenciales medidos, aprovechando la mayor sensibilidad del sistema visual humano a la luz verde, y el rojo para la señal de ablación, aprovechando la habitual asociación del color rojo con procesos críticos, y su clara diferencia con respecto al verde. La representación continua y simultánea de la actividad eléctrica de los electrodos (3, Figuras 2 y 4) del catéter de sondeo (1, Figuras 2 y 4) y de la punta (4, Figuras 2 y 4) del catéter de ablación (2, Figuras 2 y 4) permite una evaluación inmediata de los efectos de la ablación.

En una posible realización, la variación de brillo de las luces sobre los electrodos puede ser resultado de una transformación no lineal de la actividad eléctrica en los electrodos correspondientes, para incrementar la diferencia entre los valores de baja intensidad, como el ruido de fondo, y valores intensos como los picos característicos del latido. En una posible realización, los electrogramas puedes ser filtrados para compensar el ruido de fondo mediante cualquiera de los métodos usuales de filtrado de señales digitales. En una posible realización, el filtrado y transformación de los electrogramas puede ser activado y desactivado por el cirujano en cualquier momento· durante la intervención. En una posible realización, la variación de brillo de las luces sobre los electrodos en la fluoroscopia puede ser ralentizada con respecto a los electrogramas, para permitir a los cirujanos reconocer mejor patrones anómalos en casos de especial dificultad. En una posible realización, dicha ralentización se puede ajustar por el cirujano mediante un dispositivo sustancialmente equivalente a un control deslizante, permitiendo un ajuste fino de la velocidad de representación. En una posible realización, dicha ralentización se puede ajustar por el cirujano mediante un dispositivo sustancialmente equivalente a un control rotatorio, permitiendo un ajuste fino de la velocidad de representación. En una posible realización, la fluoroscopia mejorada se muestra al cirujano en una pantalla táctil, incluyendo cualquier control relevante para la operación de la invención.

En contraste con [2], la presente invención no hace ninguna asunción o interpretaciones sobre la localización de los electrodos en la cavidad cardíaca, ni sobre la presencia o localización de ninguna característica en los electrogramas. La presente invención sólo transfiere información a los cirujanos de forma eficiente y optimizada para las habilidades del sistema visual humano, proveyendo medios adicionales que no

reemplazan o interfieren con los medios estándar, pero permiten al cirujano sacar el máximo partido de las capacidades naturales de su sistema visual. A la par que se han descrito realizaciones particulares de la presente invención, se entiende que para los competentes en la materia modificaciones y generalizaciones 5 son evidentes sin abandonar el espíritu de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 muestra un diagrama de bloques de una realización de la presente invención ilustrando los pasos del procedimiento.

1 O La Figura 2 representa una imagen fluoroscópica en la que se ve un catéter multielectrodo (1), con los correspondientes electrodos (3), y un catéter de ablación (2) con la correspondiente punta de ablación (4).

La Figura 3 representa un polígrafo mostrando electrogramas de electrodos de un catéter multielectrodo. 15 La Figura 4 representa una imagen fluoroscópica mejorada con un catéter

· multielectrodo (1) y un catéter de ablación (2) y luces virtuales translúcidas (3, 4, 5) cuyo brillo varía según la actividad eléctrica del electrodo correspondiente sobre el que se superponen.

La Figura 5 muestra una representación esquemática de un aparato que 20 implementa la invención de acuerdo a una posible realización.

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA Una posible realización comprende un PC con pantalla táctil dotado de una tarjeta capturadora de vídeo y una tarjeta de captura de datos. La trujeta capturadora de

25 vídeo adquiere y digitaliza la señal de vídeo procedente de un sistema de fluoroscopía estándar instalado en quirófano. La tarjeta capturadora de datos adquiere y digitaliza los electrogramas provenientes del polígrafo al que se encuentren conectados los electrodos del catéter multielectrodo, así como el potencial eléctrico en la punta de ablación del catéter de ablación. Un programa digital se ejecuta en el PC implementando el

30 procedimiento objeto de la presente invención. Los catéteres presentes en la fluoroscopía digitalizada son detectados utilizando contornos activos, y los electrodos en los catéteres se detectan mediante reconocimiento de patrones, por ajuste de una plantilla de electrodo a lo largo de los catéteres detectados con los contornos activos.

Con esta información, se genera una imagen fluoroscópica mejorada en la que, sobre la imagen fluoroscópica original digitalizada como fondo, se superponen sobre los electrodos detectados, y sobre la punta del catéter de ablación, si está presente, círculos translúcidos de dimensión adecuada, a modo de luces virtuales, cuyo brillo varía con la señal de los electrogramas correspondientes a cada electrodo y a la punta de ablación. Dichas luces son de color verde (color espectral puro a 555 nm, o en su defecto el más cercano en la gama de colores disponible en la pantalla del PC) para los electrodos del catéter multielectrodo, y de color rojo (color espectral puro a 635 nm, o en su defecto el más cercano en la gama de colores disponible en la pantalla del PC) para la punta de ablación. La intensidad del brillo de las luces virtuales se calcula en el espacio de color perceptual CIE Lab, de forma que el valor de L, la componente de luminosidad perceptual, se correlaciona con la intensidad de la actividad eléctrica medida por el electrodo correspondiente. En funcionamiento normal L se obtiene por un reescalado del valor medido en el intervalo entre un máximo y un mínimo de señal dados al intervalo estándar de L, [0,100]. Activando un control visual en la pantalla táctil, se habilita un control deslizante que permite seleccionar un exponente a que determina una transformación no lineal entre la señal del electrodo g(t) y L, L(t) =Jl:g(t)a]. Con otro control visual en la pantalla táctil, se activa o desactiva un filtrado de media móvil para atenuar el ruido en la señal de los electrodos, L(t) =j[{g(t)*h(t)} a]. Un tercer control en la pantalla táctil, con forma de mando rotatorio, permite ajustar la ralentización de L, tal que L(t) =j[{g(t!R)*h(t/R)} a]. Controles táctiles adicionales permiten ajustar el brillo y el contraste de la fluoroscopia para optimizar la visibilidad de las estructuras anatómicas presentes en la imagen. El PC incorpora un disco duro que permite grabar la secuencia de vídeo de la fluoroscopia mejorada para archivado y posterior consulta del procedimiento quirúrgico, y medios de volcado a dispositivos ópticos de almacenamiento masivo.

Claims

REIVINDICACIONES

l. Un procedimiento para asistencia en ablación de arritmias que comprende los siguientes pasos: a) Adquisición y digitalización de fluoroscopia del corazón b) Detección continua de un catéter multielectrodo y un catéter de ablación (si está presente) en la fluoroscopia digitalizada por medio de métodos de visión por computador e) Detección continua de los electrodos a lo largo de dicho catéter multielectrodo y en la punta del catéter de ablación (si está presente) en la fluoroscopia digitalizada por medio de métodos de visión por computador d) Adquisición continua de la señal eléctrica de dichos electrodos e) Generación de una imagen fluoroscópica mejorada por la superposición de luces virtuales traslúcidas sobre dichos electrodos, cuyo brillo varía en función de la señal eléctrica en dichos electrodos.
2.

Un procedimiento para asistencia en ablación de arritmias según reivindicación 1 en el que dicho método de visión por computador para detectar los catéteres es sustancialmente equivalente al método de contornos activos.
3.

Un procedimiento para asistencia en ablación de arritmias según reivindicación 1 en el que dicho método de visión por computador para detectar los electrodos en los catéteres está basado en reconocimiento de patrones.
4.

Un procedimiento para asistencia en ablación de arritmias según reivindicación 1 en el que dichas luces virtuales translúcidas son de colores.
5.

Un procedimiento para asistencia en ablación de arritmias según reivindicación 4 en el que dichas luces translúcidas presentan distinto color dependiendo de si representan una señal eléctrica medida en el endocardio o una señal eléctrica aplicada al endocardio.
6.

Un procedimiento para asistencia en ablación de arritmias según reivindicación 1 en el que la variación del brillo de dichas luces puede provenir de una transformación no lineal de la señal eléctrica de los electrodos correspondientes.
7.

Un procedimiento para asistencia en ablación de arritmias según reivindicación 1 en el que la señal eléctrica de dichos electrodos se puede filtrar mediante técnicas de procesado digital de la señal.
8.

Un procedimiento para asistencia en ablación de arritmias según reivindicación 7 en el que dichos filtros pueden ser activados o desactivados por el cirujano en cualquier momento durante la intervención.
9.

Un procedimiento para asistencia en ablación de arritmias según reivindicación 1 en el que la variación de brillo de dichas luces puede ser ralentizada con respecto a la señal eléctrica de los electrodos correspondientes.
10.

Un procedimiento para asistencia en ablación de arritmias según reivindicación 9 en el que dicha ralentización puede ser ajustada por el cirujano en cualquier momento durante la intervención.
11.

Un aparato para asistencia en ablación de arritmias basado en el procedimiento según reivindicación 1 que comprende: a) Medios para adquirir y digitalizar dicha imagen fluoroscópica b) Medios para adquirir y digitalizar la actividad eléctrica de dichos electrodos e) Medios para procesar dicha imagen fluoroscópica usando dicho procedimiento implementado en firmware o software para detectar de forma continua los catéteres, localizar los electrodos,· y determinar la posición e intensidad de dichas luces virtuales . d) Medios para generar y mostrar la imagen fluoroscópica mejorada incluyendo dichas luces virtuales de brillo variable.
12.

Un aparato para asistencia en ablación de arritmias según reivindicaciones 11 y 10 en el que dicha ralentización puede ser ajustada por el cirujano mediante un dispositivo substancialmente equivalente a un mando rotatorio.
13.

Un aparato para asistencia en ablación de arritmias según reivindicaciones 11 y 10 en el que dicha ralentización puede ser ajustada por el cirujano mediante un dispositivo substancialmente equivalente a un mando deslizante.
14.

Un aparato para asistencia en ablación de arritmias según reivindicación 11 en el que dichos medios para generar y mostrar dicha imagen fluoroscópica mejorada son substancialmente equivalentes a una pantalla táctil, incluyendo cualquier control relevante para la operación de la presente invención.
15.

Un aparato para asistencia en ablación de arritmias según reivindicación 11 en el que dichos medios para generar y mostrar dicha imagen fluoroscópica mejorada son substancialmente equivalentes a una pantalla multitáctil, incluyendo cualquier control relevante para la operación de la presente invención.