利用二维透视图像支持电生理学导管应用的方法和装置

摘要

本发明涉及一种用于可视地支持电生理学导管在心脏中应用的方法，其中，在进行导管应用的同时利用X射线图像拍摄系统(5)拍摄心脏的治疗区域的2D透视图像(13)，并且连同同时提供的该治疗区域的3D映像数据(14)一起进行可视化。该方法的特征在于，利用3D映像数据(14)记录2D透视图像(13)，并且将该3D映像数据(14)分别按照与该2D透视图像(13)相同的透视在该2D透视图像(13)或由其导出图像内容(15)的旁边进行显示，或者相叠加地显示。

权利要求

1.一种用于实施用于可视地支持电生理学导管在心脏中应用的方法的装置，包括：

-一个或多个用于3D映像数据(14)以及2D透视图像(13)的图像数据的输入接口，-记录模块(17)，构造成用于利用所述3D映像数据(14)记录所述2D透视图像(13)，和-与所述记录模块(17)连接的可视化模块(19)，该可视化模块将该3D映像数据(14)分别按照与该2D透视图像(13)相同的透视提供在该2D透视图像(13)或由其导出图像内容(15)的旁边，或者与该2D透视图像相叠加，以便利用显示设备(4)进行显示。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于对所述2D透视图像(13)进行分割的分割模块(18)，以便提取出心脏治疗区域的轮廓(15)作为图像内容。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述记录模块(17)构造成，借助地标进行记录，所述地标是作为3D映像数据(14)被采集的并能够在2D透视图像(13)中被识别。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述记录模块(17)构造成通过表面匹配进行记录。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述记录模块(17)构造成按照多级处理进行记录，其中，在进行导管使用的第一阶段首先借助所述地标粗略地进行所述记录，并且在随后的第二阶段通过表面匹配对该记录进行细化，其中，将从所述3D映像数据(14)中得出的治疗区域的至少一部分的3D表面变化，与从2D透视图像(13)中提取的、治疗区域的至少一部分的轮廓(15)至少近似地重合。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述记录模块(17)构造成，基于对图像拍摄系统(5)的校准和已知的、与该图像拍摄系统(5)固定连接的3D坐标系以及在其中采集3D映像数据(14)的3D坐标系之间的相对位置，自动地进行所述记录。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述可视化模块(19)构造成，根据图像拍摄系统(5)的瞬时拍摄位置自动匹配3D映像数据(14)的透视显示。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，设置了用于控制图像拍摄系统(5)的控制模块(20)，该控制模块在交互地旋转所述3D映像数据(14)的显示时，控制图像拍摄系统(5)，以便自动将拍摄位置与被改变的透视相匹配。

说明书

利用二维透视图像支持电生理学导管应用的方法和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种可视地支持电生理学导管在心脏中应用的方法，其中，在应用导管的同时利用X射线图像拍摄系统拍摄心脏的治疗区域的2D透视图像，并且连同同时提供的该治疗区域的电解剖3D映像数据进行可视化。本发明还涉及一种实施该方法的装置。

背景技术

[0002] 自从引入了借助于高频电流的导管消融技术以来，对于心率失调的治疗从本质上发生了转变。在该技术中，在X射线检查的条件下将一个消融导管通过静脉或者动脉引入到一个心室中，并且通过高频电流使引起心率失调的组织闭合。成功实施导管消融的前提是在心室中对心率失调的成因准确地定位。这种定位通过电生理学的检查实现，其中，利用一个导入到心室中的映像导管位置分辨地采集电位。因此，从该电生理学检查、即从所谓的电解剖映像中，得到可以在显示器上可视化的3D映像数据。在此，映像功能和消融功能在多数情况下被结合在一个导管中，使得映像导管同时也可以是消融导管。

[0003] 一种公知的、例如可以利用美国Biosense Webster Inc.公司的CARTO系统或者美国Endocardial Solutions Inc.，St.Paul公司的ENSITE 3000系统进行的电解剖3D映像方法是基于电磁原理。在检查台下建造了三个很小强度的、不同的磁交变场。借助于集成在映像导管的导管尖端的电磁传感器，可以测量在磁场内部由于导管运动而感应出的电压变化，并借助于数学算法随时计算映像导管的位置。通过在采集电信号的同时用映像导管对心室的心内膜轮廓进行逐点扫描，形成了一个电解剖三维地图，在该三维地图中用色彩编码再现电信号。

[0004] 除了这种电磁3D映像系统之外，心脏内的定位系统、例如美国Medtronic，Minneapolis公司的Localisa系统被用于定位导管以及建立所检查心室的3D图像。在本专利申请中也将利用这种定位系统得到的数据称为3D映像数据，因为其提供了检查区域的同等可比的3D图像。

[0005] 在消融过程期间，根据同时拍摄的X射线透视图像或者根据对3D映像数据的实时可视化，对导管进行引导。在2D透视图像中不能详细地描绘包括心血管在内的患者的心脏解剖结构。借助示出的3D映像数据的定位也不能保证，从这些数据中生成的心室表面精确地对应于解剖上的现状，因为为此必须逐点地、非常紧密地扫描心内表面。尽管在映像过程中提供了2D透视图像的额外的解剖图像信息，但是其不能被利用或者不能完全被利用，因为映像系统的操作需要电生理学家的全神贯注，以至于通常不能精确地采集到所示出的3D映像数据和同时示出的2D透视图像之间的关联。因此，在获取3D映像数据时经常形成待治疗心室的这样的心内表面，由于没有扫描心内解剖上重要的表面点只能近似地与心室的实际解剖结构相对应。

[0006] 此外，出于造价和诊所能力的原因，在许多情况下仅仅将带有位置传感器的消融导管相对于扫描的心内表面可视化在EP映像系统的显示器上。反之，值得期待的是对所有使用的导管、特别是也对套索导管(Lasso-Kather)的圈环进行可视化，该套索导管在肺静脉隔离中作为辅助装置被固定在待隔离肺静脉的孔上。

[0007] 在N.Rahn等人的以前的、在后公开的专利申请10340546.1和10340544.5中公开了用于在进行导管消融中改善电生理学定位的方法。在这些方法中在使用导管之前利用成像模态产生检查区域的3D图像数据。在使用导管期间将这些三维图像数据位置和状态正确地重叠在3D映像数据上，以便为观察者提供附加的解剖图像信息。不过，这要以3D成像模态在检查实验室中的可用性为前提。此外在该方法中，只能将具有相应位置传感器的导管可视化在图像显示中。

发明内容

[0008] 从该问题出发，本发明要解决的技术问题是，提供用于可视地支持电生理学导管在心脏中应用的一种方法以及一种装置，它们使得可以在导管使用时、特别是在电解剖映像和/或在导管消融时引导导管期间改善定位。

[0009] 在本发明的方法中，为了可视地支持电生理学导管在心脏中的应用，在进行导管应用的同时利用X射线图像拍摄系统拍摄心脏的治疗区域(例如心室)的2D透视图像，并且连同同时提供的该治疗区域的3D映像数据一起进行可视化。该方法的特征在于，利用所述3D映像数据记录所述2D透视图像，并且将该3D映像数据分别按照与该2D透视图像相同的透视在该2D透视图像或由其导出图像内容的旁边进行显示，或者相叠加地显示。在此，将相同的透视理解成相同的成像透视，即相同的比例和相同的观看方向。这里，可以利用电解剖的3D映像系统或者心内定位系统获得3D映像数据。优选地，使用一个单平面或者双平面的C型系统来描绘2D透视图像，这种C型系统由于能更好地接近检查区域而特别适用于这种导管应用。

[0010] 通过利用3D映像数据记录所拍摄的2D透视图像以及在相同的透视条件下一起显示，电生理学家可以马上识别出两个显示之间的关联。将3D映像数据单独显示在该2D透视图像的旁边就已经是这样了，不过，在将两者叠加显示时则更是这样，其中，观察者可以立刻识别还没有充分利用映像系统采集的区域。本发明的另一个优点在于，在2D透视图像中也可以识别所有导管和其上部件的相应瞬时位置。

[0011] 在本方法的一种实施方式中可以这样实现相同的显示透视，即，在预定X射线图像拍摄系统的设置或者预定2D透视图像的条件下，将3D映像数据的显示进行转动，使得其表现出相同的透视。在另一种实施方式中，由用户通过交互的旋转3D映像数据来选择显示，并且这样控制图像拍摄系统，使得由此在相同透视的条件下拍摄2D透视图像。在此，为了避免由于心脏运动造成的不精确，优选地在相同的心脏周期阶段进行3D映像数据的描绘和2D透视图像的拍摄。这种针对心脏周期阶段的同步可以这样实现，即，通过相同的EKG触发器单元对图像拍摄系统以及映像系统进行定时。

[0012] 用于实施上述方法的装置相应地包括：一个或多个用于输入3D映像数据以及2D透视图像的图像数据的输入接口；用于利用所述3D映像数据记录所述2D透视图像的记录模块；以及与该记录模块连接的可视化模块，其提供用于在相同透视下将3D映像数据与相应2D透视图像并排或叠加地同时可视化的输出数据，以显示在显示设备、尤其是显示器上。在此，该装置可以实现为映像系统、图像拍摄系统的组成部分，或者实现为独立的设备。

附图说明

[0013] 下面对照附图所示的实施方式对本发明的方法以及按照该方法工作的装置再次作进一步的说明。图中：

[0014] 图1示出为了实施本发明的方法而共同触发一X射线图像系统和一EP映像系统的例子；

[0015] 图2示出在按照本发明方法的2D/3D记录时所需的参数的示意图；

[0016] 图3示出在按照本发明方法的一种实施方式记录时的方法流程的一个例子；

[0017] 图4示出通过利用EP映像系统拍摄表面点来采集地标对的示意图；

[0018] 图5示出两个用于将3D映像数据与2D透视图像或从2D透视图像导出的图像内容进行叠加的例子；

[0019] 图6示出一个根据图像拍摄系统的设置而改变3D映像数据的显示的例子；和[0020] 图7示出一个在交互改变3D映像数据的显示时控制图像拍摄系统的例子。

具体实施方式

[0021] 图1示意地示出了具有用于3D映像数据的拍摄单元2的EP映像系统1的一部分，该拍摄单元2与一个分析和图像处理单元3连接，以便将所采集的数据显示在显示器4上。此外，还按照C型系统的形式示例性地表示一个X射线系统5，其具有提供2D透视图像的图像系统6。该C型系统5包括带有X射线源8a和X射线检测器8b的C型7。该C型7可以按照公知的方式围绕多个轴转动。在示出的例子中，利用EKG绘制系统9在导管使用期间绘制患者的EKG。该EKG绘制系统9具有一个触发器输出端10，该输出端与X射线系统
5的图像系统6以及EP映像系统1的拍摄单元2上的对应触发器输入端11连接。该EKG触发使得可以分别在心脏周期的一个预定阶段绘制3D映像数据以及2D透视图像，如在图
1的下部用圆在所示EKG中标出的那样。按照这种方式避免了由于心脏运动造成的对图像绘制或图像显示的干扰。

[0022] 为了实施本发明的方法需要利用3D映像数据对2D透视图像进行2D-3D记录。该记录可以利用在图1中示意性示出的本发明装置的记录模块17通过公知的记录方法实现。在示出的例子中该装置包括：接口16，用于输入3D映像数据14以及2D透视图像13的图像数据；记录模块17，用于利用3D映像数据14记录所述2D透视图像13；以及与该记录模块连接的可视化模块19，其提供用于在相同的透视下将该3D映像数据14并排或叠加地与该2D透视图像13同时可视化的输出数据，以显示在显示器4上。在本例中还可以看出一个作为记录模块17的组成部分的分割模块18，后者可以从透视图像13中提取心室壁的轮廓。在此，该装置既可以实现为映像系统、图像拍摄系统的组成部分，也可以实现为独立的设备。

[0023] 2D-3D记录的结果分别是一个投影矩阵，借助于该矩阵可以将2D透视图像的每个图像点精确地对应于3D映像数据的一个3D点。因此，可以将该投影矩阵用来按照与2D透视图像一样的位置和取向将3D映像数据可视化，并且在需要时将两个可视化图进行叠加。

[0024] 图2示出了在2D-3D记录时的关联。在本例中，必须估计投影矩阵P的11个自由度。该11个自由度对应于5个用于每个C型可能设置的内在参数以及6个用于3D映像系统和X射线图像系统的坐标系关系的外在参数。因此，该投影矩阵P由一个用于图像系统的校准矩阵K、一个旋转矩阵R以及一个平移矩阵T组成：

[0025]

[0026] 在此，在图中示出了将表示3D映像数据的长方体透视地映射为表示2D透视图像的一幅二维图像。在该长方体内的球型体积通过该投影在2D图像上呈现为圆。可以通过投影矩阵P计算该映射。

[0027] 在映像过程开始时，此时首先借助于EP映像系统采集少量的表面点，并优先进行基于地标的记录，因为3D映像数据的表面还没有被充分地表示出来。在具备了足够多的映像数据的表面点并且映像数据的表面被足够好地表示出来之后，可以采用基于表面的记录。在此，可以将此前基于地标的记录结果用作基于表面的记录的粗略的、最初的起始值。图3中示出了这种措施。

[0028] 如果在处理过程中出现患者移动，则要求重新计算投影矩阵。该重新计算可以通过重新基于地标或基于表面的2D-3D记录实现。或者，可以借助于在患者身上安装的位置和方向传感器采集重新计算投影矩阵所需的平移和旋转参数。

[0029] 原则上如果C型旋转或者患者移动也要求重新计算投影矩阵。该重新计算也可以通过重新基于地标或基于表面的2D-3D记录实现。或者，在这种情况下可以借助于在患者卧榻和C型上安装的位置和方向传感器采集重新计算投影矩阵所需的平移和旋转参数。

[0030] 在基于地标的2D-3D记录中，利用导管靠近直接在待治疗心室周围或者直接在心室中的至少4个地标，并且按照这种方式既在2D透视图像中又在3D映像数据中识别这些地标。如果可以借助于模式识别算法在2D透视图像中自动检测出导管的位置，则可以将对地标的识别分别仅仅由在EP映像系统上通过拍摄表面点的用户交互操作来实现。在图4中示出了这点，其示出了在2D透视图像13中映像导管12的尖端的位置。如果用该导管靠近一个地标，则可以在利用EP映像系统1采集该地标位置的同时，利用模式识别方法在2D透视图像13中识别导管尖端的位置。该位置被传送到EP映像系统1中，如用箭头示意的那样。因此，利用由EP映像系统拍摄地标的3D位置，同时将2D位置存储在2D透视图像中。在既在3D映像数据中又在2D透视图像中识别出4个对应的地标之后，自动确定一个投影矩阵，借助于该矩阵可以将2D透视图像的每个图像点精确地对应于3D映像数据的一个3D点。自然，如果不能自动地进行导管检测，还可以由用户在2D透视图像中交互地进行。

[0031] 原则上作为用于记录的地标优选采用可以在解剖上很好识别的点，例如，上腔静脉、下腔静脉、窝(Fossa)、冠状窦(Corronay Sinus)、右心房中的三尖瓣或者4条肺静脉以及左心房中的二尖瓣。

[0032] 如果可以从2D透视图像中提取出待治疗心室的轮廓，则可以利用所采集的3D映像数据的表面点对这些轮廓点进行记录，以便按照这种方式确定投影矩阵的参数。因为由于对比度不够在实际中不能从纯粹的X射线透视图像中提取心室的轮廓，因此为了确定轮廓可以紧接在成功注射了造影剂之后进行X射线的获取。造影剂的注射使得可以按照较高的对比度对待治疗心室的一部分或者包括流入或流出血管在内的整个心脏成像。因此，例如可以在造影剂注射之后利用X射线获取对包括分叉肺静脉在内的左心房的仅仅一部分进行可视化，或者也可以将造影剂送至包括4条肺静脉在内的整个左心房，并且从2D透视图像中提取出对应的轮廓。

[0033] 在基于表面的记录中，特别是在此采用的逐点记录中，为了进行记录，待治疗心室的一个结构上有意义的部分就足够了。因此，不需要从2D透视图像中提取包括血管在内的心室内的整个轮廓，而是可以只提取该轮廓的一个任意部分区域。

[0034] 另一种可以在本发明方法中采用的、非常具有优势的记录技术在于，通过离线校准所有C型位置和方向而确定投影矩阵的内在参数。该投影矩阵的5个内在参数可以通过校准根据需要一次性或者反复获得。该校准可以利用带有X射线标记的适当的校准模型进行。在成功校准之后，对于每个可能的C型位置和方向这些内在参数都是已知的，从而接着进行一次基于地标或基于表面的2D-3D记录就已足够，以确定6个外在参数，这些外在参数描述了映像系统的3D坐标系和C型系统的3D坐标系之间的关系。因此，通过事先的校准避免了在每次C型运动之后重新对投影矩阵的所有11个自由度进行估计。

[0035] 本发明方法的一种可能的实施方式是特别具有优势的，其中，通过离线校准所有C型位置和方向，以及另外还通过确定EP映像系统的3D坐标系和C型系统的3D坐标系之间的固定关系，事先既确定投影矩阵的内在参数又确定其外在参数。例如，可以在使用CARTO-EP映像系统的条件下确定两个3D坐标系之间的关系，其中采集下设的(Unterbett)发送线圈的几何结构并从中计算出CARTO系统的3D坐标系和C型系统的3D坐标系之间的变换。如在上述EP映像系统中常见的那样，在EP处理过程中当在患者身上额外地使用一个参考位置和方向传感器时，也可以在变换中考虑该参考传感器的位置和方向信息。

[0036] 最后提到的C型离线校准以及确定EP映像系统的3D坐标系和C型系统的3D坐标系之间的固定关系，使得可以在获取相应的瞬时C型位置和方向之后，在没有用户交互的条件下确定投影矩阵的11个自由度。与此对应的，在这种情况下在EP处理过程中可以不经用户交互完全自动地通过计算单元进行2D-3D记录。

[0037] 通过上述记录，使得可以将2D透视图像连同3D映像数据按照相同的取向并排显示或者重叠显示地进行可视化。相同的取向通过将投影矩阵应用于3D映像数据而得到。在此，这样改变该3D映像数据的取向，使得其与2D透视图像的拍摄观察方向对应。作为例子，在图5的左侧示出了按照这种方式获得的叠加的图像显示。在此，利用2D透视图像13对3D映像数据的表面点14进行了存放，其中，在造影剂注射之后可以看出包括分支的左下肺静脉。这点用箭头示意出。按照这种方式使用者可以立刻决定，是否还要利用EP映像系统围绕在X射线图像中可见的肺静脉采集更多的表面点，以便精确地显示该区域中的解剖结构。

[0038] 如果例如在造影剂注射之后可以从2D透视图像中提取待治疗心室的轮廓，则可以仅仅将该2D透视图像的轮廓与3D映像数据的可视图进行叠加，如在图5右侧示出的那样。在此也可以识别出3D映像数据的3D表面点14。与该3D映像数据叠加的是被提取的、包括两个肺静脉在内的左心房的轮廓13。通过存储的左心房轮廓使用者可以决定，是否还要利用EP映像系统采集更多的表面点，以便获得与该实际轮廓一致的解剖结构。

[0039] 如果还要利用组合的可视图显示与从当前2D透视图像的拍摄方向获得的视图不同的3D映像数据的视图，则要求对于每个显示都在对应的透视下另外拍摄一幅2D透视图像，以及利用3D映像数据对该2D透视图像进行2D-3D记录。使用两个例如按照相差60°视角的X射线照片并且利用3D映像数据分别一次性记录这两个优化方向，在实际中就足够了。然后，C型可以(例如自动地)在这两个优选方向之间来回运动，而不需要重新进行记录。同样，自然也可以使用一台双平面C型系统，其中对于两个C型拍摄系统的每一个都进行2D-3D记录。

[0040] 自然，并不一定要将相应的图像在EP映像系统的显示器上可视化，而是也可以显示在独立的显示设备上或者在X射线系统的显示器上。

[0041] 在本发明方法以及所属装置的一种优选的实施方式中，在完成对于当前C型设置的2D-3D记录之后，将EP映像系统转换到这样一种模式，其中将3D映像数据可视图的取向实时地与C型7的当前取向进行匹配。因此，该可视图随着C型运动而转动。为此目的，通过硬件接口21(例如以太网接口)将C型7的位置参数从X射线系统5经可视化单元19传送到EP映像系统1，然后在EP映像系统中根据C型7的瞬时设置来改变3D映像数据可视图的取向，以便得到相同的透视。在图6中示出了该同步的原理，其中在左侧示出了对C型位置的改变。如在图的右侧显示的那样，这种位置的改变造成3D映像数据14在显示器4上显示的取向的改变。

[0042] 在本发明方法以及所属的装置的另一种实施方式中，可以交互地通过旋转来改变3D映像数据在显示器4上的可视图。在完成对于当前C型设置的2D-3D记录之后，可以将EP映像系统1转换到这样一种模式，其中对3D映像数据的可视图取向的改变会引起C型7的旋转。这点利用对应的控制模块20实现。在此，C型7移动到这样的位置，其中在拍摄的情况下2D透视图像与3D映像数据的可视图的当前取向相对应。因此，C型7类似于3D映像数据的可视图的交互旋转而运动。为此，通过硬件接口21从EP映像系统1向控制模块20传送3D映像数据的当前取向的参数，然后该控制模块这样控制X射线系统5，即C型
7根据3D映像数据的取向而运动。在图7中示出了该同步的原理。通过在显示器4上交互地改变3D映像数据14显示的取向，使得C型7运动到一个新的位置和方向，在该位置和方向下所绘制的2D透视图像对应于与所改变的3D映像数据的显示同样的透视。按照这种方式，在拍摄2D透视图像时随时得到透视正确的显示。