JP2016147059A - 冠状静脈洞カテーテル画像を用いた心臓の運動の補償 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 冠状静脈洞内にカテーテルを導入し、カテーテルの2次元画像の第1の群を取得し、その後、カテーテルの2次元画像の第2の群を取得し、第1の群と第2の群とが同期されたフレーム内で、カテーテルのそれぞれの2次元モデルを生成することによって、心臓カテーテル法を行う。2次元モデルは、カテーテルのそれぞれのトラッキングされた2次元経路が含む。第1の群と第2の群とは、心呼吸周期のそれぞれの位相にあるフレームを識別することによって同期される。カテーテルの第1の3次元モデル及び第2の3次元モデルは、同期されたフレームから構築され、2つのモデル間の距離関数を最小化するように、幾何学的に変換される。
【選択図】 図1
Description
本明細書で用いる特定の頭字語及び略語の意味を表1に示す。
ここで図面を参照し、開示される本発明の一実施形態に基づいて構築され動作可能である、生きた対象の心臓12に対してアブレーション手術を行うためのシステム10の描図である図1を最初に参照する。このシステムは、患者の血管系を通して心臓12の心房・心室又は血管構造内に操作者16によって経皮的に挿入されるカテーテル14を備えている。通常、医師である操作者16は、カテーテルの遠位先端部18を、心臓壁のアブレーション標的部位と接触させる。次いで、電気的活動マップ、解剖学的な位置情報(すなわち、カテーテルの遠位部分の)、及び他の機能的な画像は、その開示内容を本明細書において参照によって援用するところの米国特許第6,226,542号、及び同第6,301,496号、並びに本願と同一譲受人に譲渡された米国特許第6,892,091号に開示される方法に従い、コンソール24内に配置されたプロセッサ23を用いて作成することができる。システム10の各要素を含んだ市販製品の1つが、91765カリフォルニア州ダイアモンドバー、ダイヤモンドキャニオンロード3333所在のバイオセンス・ウェブスター社(Biosense Webster Inc.)より販売されるCARTO(登録商標)3 Systemとして入手可能であり、これは、アブレーションにおいて必要とされる心臓の電気解剖学的マップを生成することが可能である。このシステムは、本明細書に記載される本発明の原理を実施するために当業者が改変することができる。
ここで、本発明の一実施形態に基づく、心臓カテーテル法の間の心臓の運動を補償する方法のフローチャートである図2を参照する。かかるプロセスの各ステップは、説明を分かりやすくするために、特定の直線的な順序で示されている。しかしながら、かかるステップの多くは、並行して、非同期的に、又は異なる順序で行いうる点は明らかであろう。当業者であれば、プロセスはまた、例えば状態図において、多数の相互に関連した状態又は事象として表現することができる点も認識されるであろう。更に、例示されるプロセスの各ステップのすべてが、かかる方法の実施に必要とされるわけではない。
ここで、ステップ61(図2)の詳細なフローチャートである図3を参照する。このフローチャートは、本発明の一実施形態に基づく冠状静脈洞カテーテルの2次元経路をトラッキングするためのコマ送り方法である。本方法は、ステップ55、59(図2)において生成された第1の群及び第2の群のフレームに適用される。
映画的な画像群におけるカテーテルの2次元経路について考慮する場合、カテーテルが患者の心拍及び呼吸のために常に動いていることが分かる。ステップ65(図2)において支障なくカテーテルを再構築するには、概ね同じ位相で撮影された2つのフレーム(各クリップから1つずつ)を見つける。これらのフレームを見つけるには、心呼吸周期の他の位相と比較してカテーテルの動きが比較的小さい心室拡張期と呼息終了の一致点を探す。LAO及びRAOに近い一次角度と、この一致点における無視できる二次角度を用いることで、カテーテルの先端部の位置は、従来どおりに表示されるX線透視画像の下端及び右端のすぐ近くに通常は観察される。この目的では、二次角度とは、Cアーム39(図1)の運動軸(例えば頭尾軸)を中心とした軌道角度のことを指す。
冠状静脈洞カテーテルが概ね同じ位相にある2つのフレームを同期させ、見つけた後、3次元の一点を投射光線の交点であるものと仮定することができる(三角測量法)。しかしながら、対応する2次元の点の代わりに2次元の経路が存在している。連続したフレーム上でのカテーテルの2次元の点の一致については知られていない。カテーテルの最良あてはめ3次元モデルを、同期させた3次元のフレームのペアについて構築する。再構築はステップ67で行われる(図2)。本明細書では3つの再構築アルゴリズムを説明する。
3次元モデルを構築する1つの方法では、接合点によって連結された一定の長さを有する直線状の3次元セグメントのチェーンからなるカテーテルモデルを用いる。かかるモデルを特定するパラメータとしては以下のものがある。
1.先端部の3次元での位置(tipPos)。
2.セグメントの長さ(一定の値L)。
3.前のセグメントに対する各セグメントの向き(球座標α,βの2つの角度)。
3次元カテーテルモデルの外部エネルギーは、2つの2次元のX線透視画像の平面と、2つの2次元のトラッキングされたカテーテル経路上に投射された直線状セグメントの接合点間の距離を反映している。
次に、内部エネルギーを定める。内部エネルギーの目的は、カテーテルの3次元モデルが3次元で滑らかな形状を有し、過剰に「曲がる」ことがないように、発展するカテーテルの3次元モデルとすることにある。
カテーテルを繰り返して再構築するには以下を行う。すなわち、
(1)両方のX線透視画像のトラッキングされた2次元の位置から三角測量法を用いて3次元の先端部の位置を見つける。
(2)3次元モデルの延びつつある端部にセグメントを追加する。セグメントは、その方向ベクトルが前のセグメント(α=0,β=0)と同じ方向を向くようにして追加される。次いで、外部エネルギー及び内部エネルギーを最小化するようにこれらの角度を最適化する。
(3)最後の接合点を最適化した後、それまでにモデルに追加されたすべての接合点(先端部を含む)を最適化する。
(4)3次元モデルの投射が少なくとも一方のX線透視画像のカテーテルの2次元経路の全体をカバーするまで、ステップ2を繰り返す。
このアルゴリズムは、直線状セグメントの3次元カテーテルモデル及び繰り返し再構築に頼っている点で、上記のアルゴリズム(直線状セグメントによる繰り返し再構築)と似ている。しかしながら、このアルゴリズムは、カテーテルの2次元経路を描くうえでトラッキングに頼る代わりにX線透視画像そのものに頼っている。これにより、カテーテル全体をトラッキングする必要がなくなり、誤差の確率が低下し、時間が節約される。そのため、同期の目的、及びモデルの3次元の先端部の位置を初期化するうえで、映画的フレームの全体を通じてカテーテルの先端部をトラッキングするのみでよい。次に、直線状セグメントの投射が最もカテーテルらしく見える画像内の位置となるように、直線状セグメントの繰り返しの追加を行う。上記に述べたマッチドフィルタ(図3のブロック81)を用いることで、最もカテーテルらしく見える領域を検出し、それにより最適化プロセスを促進することができる。この繰り返し最適化は、外部のコスト関数を除けば上記の実施形態と同じである。この実施形態では、距離は、カテーテルの位置の候補である(フィルタで強い反応を有する)画像内の点に対して測定される。
このアルゴリズムは、マッチングされた点の三角測量法を行うことにより3次元のカテーテル経路の包括的初期推測値(global initial guess)を見つける(3次元空間で投射光線の交点の点を見つける)ことで開始し、次いで最適化処理を用いて最終的なカテーテルモデルを得る。マッチングプロセスは、当該技術分野では周知のエピポーラ幾何学に基づいたものである。
カテーテルの2つの3次元モデルを再構築した後、それらの間の変換を計算することができる。かかる変換は、回転及び並進(R,T)のみで構成されるものと仮定する。同じ3次元形状/曲線を想定し、2つのカテーテルを強制的に同じ長さのものとする(それらの曲率を用い、長い方のカテーテルの余分なテールの領域を切る)。最適化処理を用いて、カテーテル間の距離を最小化する回転及び並進を見つける。運動の推定は、最後のステップ69で行われる(図2)。
ここで、本発明の代替的な一実施形態に基づいて構築され動作可能な、生きた対象の心臓にアブレーション手術を行うためのシステム167の描図である図11を参照する。システム167は、この場合では一次角度のそれぞれについて1つずつ、心臓12に向けられた2つのX線透視画像装置37、169がある点以外は、システム10(図1)と同様である。X線透視画像装置37、169は、心臓を左前斜位及び右前斜位の視点で同時にイメージングすることができる。この実施形態の利点の1つは、X線透視画像を取得する際の遅延が最小化されることである。各画像が同期して取得されることから、同期ステップ65(図2)を省略することができる。
(1) 方法であって、
生きた対象の心臓の冠状静脈洞内にカテーテルを導入するステップと、
前記カテーテルが前記冠状静脈洞内にある間に、前記カテーテルの2次元画像を含む第1の群のフレームを取得するステップと、
その後、前記カテーテルの2次元画像を含む第2の群のフレームを取得するステップと、
前記第1の群と前記第2の群とが同期されたフレーム内で、前記カテーテルのそれぞれの2次元モデルを確立するステップであって、前記2次元モデルが、前記カテーテルのそれぞれのトラッキングされた2次元経路を含む、ステップと、
心呼吸周期(cardiorespiratory cycle)のそれぞれの位相にある前記第1の群のフレーム及び前記第2の群のフレームを識別することによって、前記第1の群を前記第2の群と同期させるステップと、
前記同期されたフレームから前記カテーテルの第1の3次元モデル及び第2の3次元モデルを構築するステップと、
前記第1の3次元モデルと前記第2の3次元モデルとの間の距離関数を最小化するように、前記第1の3次元モデル及び前記第2の3次元モデルを幾何学的に変換するステップと、
前記変換された3次元モデルを表示するステップと、を含む、方法。
(2) 前記幾何学的に変換するステップが、回転行列及び並進ベクトルを、前記第1の3次元モデル及び前記第2の3次元モデルのうちの一方に適用することを含み、前記表示するステップが、前記変換された3次元モデルを重ね合わせることを含む、実施態様1に記載の方法。
(3) 前記対象が矢状面を有し、前記第1の群を取得するステップと、前記第2の群を取得するステップとがそれぞれ、前記矢状面に対して第1の一次角度及び第2の一次角度でフレームを取得することを含む、実施態様1に記載の方法。
(4) 前記第1の一次角度が前記矢状面に対して30°であり、前記第2の一次角度が前記矢状面に対して−30°である、実施態様3に記載の方法。
(5) 前記第1の一次角度及び前記第2の一次角度で同時にフレームを取得することを更に含む、実施態様3に記載の方法。
前記第1の群のフレーム及び前記第2の群のフレームをフィルタリングするステップと、
前記フィルタリングされたフレーム内のカテーテル経路の周囲のコリドーをサンプリングするステップと、
その後、前記フィルタリングされたフレーム内の前記カテーテルの最適経路を決定するステップと、を含む、実施態様1に記載の方法。
(7) 前記フィルタリングするステップが、前記同期されたフレームのヘッセの行列式(determinant of a hessian)に高速放射変換(fast radial transform)を行うことを含む、実施態様6に記載の方法。
(8) 前記フィルタリングするステップが、前記同期されたフレームのヘッセの行列式にモノジェニックフィルタを適用することを含む、実施態様6に記載の方法。
(9) 前記フィルタリングするステップが、前記同期されたフレーム内の管状構造にマッチドフィルタを適用することを含む、実施態様6に記載の方法。
(10) 前記第1の3次元モデル及び前記第2の3次元モデルを構築するステップが、
接合点によって連結された直線状の3次元セグメントのチェーンを構築するステップと、
前記それぞれのトラッキングされた2次元経路上への前記3次元セグメントの投射のずれを最小化するように、前記接合点の3次元座標を計算するステップと、を含む、実施態様1に記載の方法。
(12) 前記それぞれの2次元モデルを確立するステップが、前記同期されたフレーム内で前記カテーテルの先端部をトラッキングするステップを含み、前記第1の3次元モデル及び前記第2の3次元モデルを構築するステップが、前記先端部の3次元座標を初期化するステップを含む、実施態様10に記載の方法。
(13) 前記第1の3次元モデル及び前記第2の3次元モデルを構築するステップが、
それぞれの投射光線の交点として複数の3次元の点を定めるステップと、
前記3次元の点に3次元スプラインをあてはめて、3次元経路を定めるステップと、
前記3次元経路を前記2次元モデルのうちの一方の上に投射するステップと、
前記投射された3次元経路と前記一方の2次元モデルとの間の距離関数を最小化するように、前記3次元経路を改変するステップと、を含む、実施態様1に記載の方法。
(14) 装置であって、
生きた対象の心臓の冠状静脈洞内に導入されるように適合された心臓カテーテルと、
ディスプレイと、
プロセッサであって、
前記カテーテルが前記冠状静脈洞内にある間に、X線透視画像装置を作動させて、前記カテーテルの2次元画像を含む第1の群のフレームを取得し、その後、前記カテーテルの2次元画像を含む第2の群のフレームを取得するステップと、
前記第1の群と前記第2の群とが同期されたフレーム内で、前記カテーテルのそれぞれの2次元モデルを確立するステップであって、前記2次元モデルが、前記カテーテルのそれぞれのトラッキングされた2次元経路を含む、ステップと、
心呼吸周期のそれぞれの位相にある前記第1の群のフレーム及び前記第2の群のフレームを識別することによって、前記第1の群を前記第2の群と同期させるステップと、
前記同期されたフレームから前記カテーテルの第1の3次元モデル及び第2の3次元モデルを構築するステップと、
前記第1の3次元モデルと前記第2の3次元モデルとの間の距離関数を最小化するように、前記第1の3次元モデル及び前記第2の3次元モデルを幾何学的に変換するステップと、
前記変換された3次元モデルを前記ディスプレイに表示するステップと、を実行するために前記X線透視画像装置と協働する、プロセッサと、を備える、装置。
(15) 前記X線透視画像装置が、第1の一次角度及び第2の一次角度で前記第1の群及び前記第2の群を取得する、実施態様14に記載の装置。
(17) 前記X線透視画像装置が、前記第1の一次角度及び前記第2の一次角度で同時に前記第1の群及び前記第2の群を取得するために動作可能である、実施態様15に記載の装置。
(18) 前記同期されたフレームのうちの一方でそれぞれの2次元モデルを確立するステップが、前記同期されたフレームのうちのもう一方のカテーテル経路の周囲のコリドーをサンプリングすることと、前記コリドーについて前記一方の同期されたフレーム内で最適経路を決定することと、を含む、実施態様14に記載の装置。
(19) 前記それぞれの2次元モデルを確立するステップが、前記同期されたフレームのヘッセの行列式に高速放射変換を行うことを含む、実施態様14に記載の装置。
(20) 前記それぞれの2次元モデルを確立するステップが、前記同期されたフレームのヘッセの行列式にモノジェニックフィルタを適用することを含む、実施態様14に記載の装置。
(22) 前記第1の3次元モデル及び前記第2の3次元モデルを構築するステップが、
接合点によって連結された直線状の3次元セグメントのチェーンを構築するステップと、
前記それぞれのトラッキングされた2次元経路上への前記3次元セグメントの投射のずれを最小化するように、前記接合点の3次元座標を計算するステップと、を含む、実施態様14に記載の装置。
(23) 前記チェーンを構築するステップ及び前記3次元座標を計算するステップが、繰り返して行われる、実施態様22に記載の装置。
(24) 前記それぞれの2次元モデルを確立するステップが、前記同期されたフレーム内で前記カテーテルの先端部をトラッキングするステップを含み、前記第1の3次元モデル及び前記第2の3次元モデルを構築するステップが、前記先端部の3次元座標を初期化するステップを含む、実施態様22に記載の装置。
(25) 前記第1の3次元モデル及び前記第2の3次元モデルを構築するステップが、
それぞれの投射光線の交点として複数の3次元の点を定めるステップと、
前記3次元の点に3次元スプラインをあてはめて、3次元経路を定めるステップと、
前記3次元経路を前記2次元モデルのうちの一方の上に投射するステップと、
前記投射された3次元経路と前記一方の2次元モデルとの間の距離関数を最小化するように、前記3次元経路を改変するステップと、を含む、実施態様14に記載の装置。
Claims (12)
- 装置であって、
生きた対象の心臓の冠状静脈洞内に導入されるように適合された心臓カテーテルと、
ディスプレイと、
プロセッサであって、
前記カテーテルが前記冠状静脈洞内にある間に、X線透視画像装置を作動させて、前記カテーテルの2次元画像を含む第1の群のフレームを取得し、その後、前記カテーテルの2次元画像を含む第2の群のフレームを取得するステップと、
前記第1の群と前記第2の群とが同期されたフレーム内で、前記カテーテルのそれぞれの2次元モデルを確立するステップであって、前記2次元モデルが、前記カテーテルのそれぞれのトラッキングされた2次元経路を含む、ステップと、
心呼吸周期のそれぞれの位相にある前記第1の群のフレーム及び前記第2の群のフレームを識別することによって、前記第1の群を前記第2の群と同期させるステップと、
前記同期されたフレームから前記カテーテルの第1の3次元モデル及び第2の3次元モデルを構築するステップと、
前記第1の3次元モデルと前記第2の3次元モデルとの間の距離関数を最小化するように、前記第1の3次元モデル及び前記第2の3次元モデルを幾何学的に変換するステップと、
前記変換された3次元モデルを前記ディスプレイに表示するステップと、を実行するために前記X線透視画像装置と協働する、プロセッサと、を備える、装置。 - 前記X線透視画像装置が、第1の一次角度及び第2の一次角度で前記第1の群及び前記第2の群を取得する、請求項1に記載の装置。
- 前記対象が矢状面を有し、前記第1の一次角度が前記矢状面に対して30°であり、前記第2の一次角度が前記矢状面に対して−30°である、請求項2に記載の装置。
- 前記X線透視画像装置が、前記第1の一次角度及び前記第2の一次角度で同時に前記第1の群及び前記第2の群を取得するために動作可能である、請求項2に記載の装置。
- 前記同期されたフレームのうちの一方でそれぞれの2次元モデルを確立するステップが、前記同期されたフレームのうちのもう一方のカテーテル経路の周囲のコリドーをサンプリングすることと、前記コリドーについて前記一方の同期されたフレーム内で最適経路を決定することと、を含む、請求項1に記載の装置。
- 前記それぞれの2次元モデルを確立するステップが、前記同期されたフレームのヘッセの行列式に高速放射変換を行うことを含む、請求項1に記載の装置。
- 前記それぞれの2次元モデルを確立するステップが、前記同期されたフレームのヘッセの行列式にモノジェニックフィルタを適用することを含む、請求項1に記載の装置。
- 前記それぞれの2次元モデルを確立するステップが、前記同期されたフレーム内の管状構造にマッチドフィルタを適用することを含む、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の3次元モデル及び前記第2の3次元モデルを構築するステップが、
接合点によって連結された直線状の3次元セグメントのチェーンを構築するステップと、
前記それぞれのトラッキングされた2次元経路上への前記3次元セグメントの投射のずれを最小化するように、前記接合点の3次元座標を計算するステップと、を含む、請求項1に記載の装置。 - 前記チェーンを構築するステップ及び前記3次元座標を計算するステップが、繰り返して行われる、請求項9に記載の装置。
- 前記それぞれの2次元モデルを確立するステップが、前記同期されたフレーム内で前記カテーテルの先端部をトラッキングするステップを含み、前記第1の3次元モデル及び前記第2の3次元モデルを構築するステップが、前記先端部の3次元座標を初期化するステップを含む、請求項9に記載の装置。
- 前記第1の3次元モデル及び前記第2の3次元モデルを構築するステップが、
それぞれの投射光線の交点として複数の3次元の点を定めるステップと、
前記3次元の点に3次元スプラインをあてはめて、3次元経路を定めるステップと、
前記3次元経路を前記2次元モデルのうちの一方の上に投射するステップと、
前記投射された3次元経路と前記一方の2次元モデルとの間の距離関数を最小化するように、前記3次元経路を改変するステップと、を含む、請求項1に記載の装置。
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