专利名称：使用医学成像数据改进用于导管跟踪系统的校准方法
使用医学成像数据改进用于导管跟踪系统的校准方法
技术领域：
本发明涉及一种使用预先采集的医学图像数据改进心脏介入手术中对 导管进行校准和跟踪的方法。
在现代保健机构中存在医学诊断和成像系统。这类系统为识别、诊断 和治疗身体状况提供了非常宝贵的工具，并极大地减少对外科诊断介入手 术的需要。在很多情形中，只有在主治医师或放射科医师已经用经由一种 或多种成像模态对相关区域和组织的详细图像来补充常规检査之后才开始 进行最终的诊断和治疗。
随着在医学诊断和治疗中越来越多地使用微创外科技术，需要一种新 的方法对人类或动物体内的导管或其它医疗器械进行远程定位和跟踪。当
前，X射线荧光透视成像是标准导管跟踪技术。然而，患者和临床医生受 到过多x射线剂量的照射是有害的。这样，期望的是有替代的导管跟踪方法。
己经公布的若干种替代方法包括一些采用超声换能器和其他利用磁场 测量值的方法。
一种已知的导管定位方法采用了一个或多个磁场源，它们相对于彼此 进行固定并界定了空间参考系，以及一个或多个固定在导管尖端的磁传感 器。传感器测量由所述源产生的场，然后使用这些测量值来确定所述尖端 相对于所述参考系的位置。或者，用传感器代替源以及用源代替传感器也 能实现相同的结果。
该技术依赖所述源的相对位置及其磁场的空间形式，以及传感器的相 对位置及其灵敏度的精确的先验知识。由于不可能制造具有理想特性的源 和传感器，这些特性的纯理论计算可能是不正确的，因此必须根据校准测 量值来确定这些特性。使用磁场来跟踪人类或动物体内的导管的一个优势 在于，所述场实际上不受身体存在的影响。这是因为身体组织的磁化率很 低。相反，电场和声场却强烈地受到身体组织的影响。结果是，在手术之前，在没有身体存在的情况下可以得到磁场跟踪系统的校准测量值。
对导管的限制在于它们必须在直径上足够小并且足够柔软以便能够插
入到身体的相应部位。例如，心脏导管的直径应该在大约2mm，并且足够 柔软以便能弯曲到10mm或者更小的半径。这些必要条件和将安装有导管 的多个换能器固定成刚性地一起靠近导管头的需要，要求这些换能器必须 都包括在小的体积内。
当前，基于电场的导管跟踪系统，例如NavX (ESL St. Jude)和Localisa 系统(Medtronic),或者基于超声飞行时间的跟踪系统都依赖于在校准和数 据采集期间，纵隔内有均匀且线性的电磁场或一致的声音速度分布的假设。 然而，人类胸腔内电导率和声学性能的空间分布的变化取决于患者的解剖 结构以及诸如呼吸的动态影响。因此，胸廓内的电磁场和声场决不是均匀 和线性的，这导致了在导管跟踪期间有较大的误差。此时，这类跟踪设备 仅用在电磁场或声音速度场近似均匀的解剖结构中，例如用于在心腔内的 血池中。使用简单的线性校准方法，以便根据借助于导管上的电磁传感器 或超声传感器测量体内的电场或超声飞行时间而执行导管的跟踪。这些技 术尚未成功地应用到其他解剖结构中，例如心脏静脉，其中均匀性和非线 性的场不能用当前的线性场校准技术进行可靠的跟踪。
在1997年12月16日授权的美国专利5,697,377; 2005年4月14日公 开的申请号为20050080328的美国专利；2006年3月16日公开的 2006005864;以及2005年9月8日公开的20050197568; 2001年5月1曰 授权的美国专利'6226547; 2005年6月2日公开的国际公开号为 WO2005/048841的PCT;以及在公开文献"A System for Real-Time XMR Guided Cardiovascular Intervention" K. S. Rhode等人，IEEE Ttrans. Medical Imaging, 24， (11)， 2005年11月，第1428-1440页中已经描述了导管跟踪 和校准系统。
然而，这些技术中仍存在问题。当前，基于电场的导管跟踪系统，例 如NavX (ESL St. Jude)和Localisa系统(Medtronic)依赖于在校准和数 据采集处理期间有均匀且线性电场的假设。然而，人体内尤其在胸腔中的 电导率的变化取决于患者特异性的解剖结构和其他诸如呼吸运动的动态影 响。因此，电场是非均匀和非线性的，这导致导管跟踪期间的显著误差。
5同样地，基于超声的位置感测假设组织内的声音速度是均匀的。胸腔内的 声音速度的非一致分布扭曲了超声得到的位置和取向测量值，从而导致了 体积内的定位误差。
根据本发明，提供了一种新颖的方法，其使用来自MDCT或MR的患 者特异性成像数据进行主要纵隔结构的分割及多维电导率或声学模型的构 建，然后可将其用于电场或声场的计算，以便改进校准过程和导管的跟踪。
本发明的目的是提供一种改进在针对特定患者的心脏介入手术中使用 的基于电磁和声学的导管在导管跟踪空间内的校准和跟踪的方法，包括 在介入手术之前或期间从医学扫描器采集针对患者测量空间的大量心脏图 像数据；根据组织区域分割图像数据以生成每个组织区域的医学图像；采 集每个组织区域的电磁或声学数据；处理电磁或声学数据，以生成包含与 患者测量空间和导管跟踪空间相对应的模型空间的一个或多个分割组织区 域的电磁或声学数据；其中，所述模型图像指示出导管跟踪空间内影响数 据准确度的一个或多个信号失真区域；将模型空间与导管跟踪空间进行配 准；测量介入期间导管的跟踪性能，并参考模型图像确定由信号失真影响 引起的导管跟踪误差；以及对跟踪期间导管的位置进行校正以使信号失真 的影响最小。
另一目的是提供一种方法，其中，在介入手术之前采集大量心脏图像 数据的步骤还包括在介入手术之前，使用CT系统、MR系统、超声系统、 3D荧光透视系统和PET系统中的至少一种采集大量的心脏图像数据。
另一目的是提供一种方法，其中，组织区域还包括心脏静脉、心脏 动脉或主动脉中的至少一种。
另一目的是提供一种方法，其中，处理电磁数据以生成电磁模型图像 的步骤还包括处理电磁数据以生成4D电导率模型图像。
另一目的是提供一种方法，其中，处理声学数据以生成声学模型图像 的步骤还包括在处理声学数据以生成3D声音速度模型图像。
另一目的是提供一种方法，其中，将模型空间与导管跟踪空间进行配 准的步骤还包括使用附于模型空间内患者身上的电磁或声学可见表面标 记，将模型空间与导管跟踪空间进行配准，其中，每个表面标记的位置对应导管校准或跟踪期间置于导管跟踪空间内所标记的位置处的参考贴片
(patch)的放置。
参考下列实施例并参照附图来更详细地解释本发明的这些及其他方面。
图1示出了医学图像和得到用于改进导管跟踪的电导率模型的经分割 医学图像。
常规地在X射线荧光透视引导下进行心血管导管置放手术。这种类型 的引导具有若干缺点。第一，由于生成的图像是二维(即，2D)的，因此 需要拍摄不同角度的若干张图片以试图重建被成像对象的三维(即，3D) 图像，其具有在可视化导管3D路径过程中出现的固有不准确性。第二， X 射线不能准确地获取诸如心脏和血管的软组织区域的图像。第三，X射线 成像使操作者和患者受到辐射剂量的照射，这会随着时间的流逝造成显著 的健康问题。
当前，基于电场的导管跟踪系统，例如NavX (ESL St. Jude)和Localisa 系统(Medtronic)依赖于在校准和数据采集过程期间有均匀且线性的电场 的假设。然而，人体内尤其在胸腔中的电导率的变化取决于患者特异性的 解剖结构和其他诸如呼吸运动的动态影响。因此，电场是非均匀和非线性 的，这导致导管跟踪期间的显著误差。同样地，胸腔内的声音速度的非一 致分布扭曲了超声得到的位置和取向测量值，这导致了体积内的定位误差。
根据现有技术，例如St. JudeNavX的系统依赖跟踪电场中的导管。因 此，如在例如授予Wittkampf的美国专利5,697,377中描述的，借助于身体 表面电极给患者施加3个正交场。由于体内阻抗的不同(肺部，不同的组 织类型等等)，因此身体内的电场(e-field)强烈地是非线性的。能很好地 操纵被跟踪导管到达相似位置，但不能进行绝对测量。因此，使根据被跟 踪导管的点云而生成的解剖结构的数学模型失真。同样，仅能在某些解剖 区域，例如心腔内执行跟踪。代替地，在血管或动脉中由于介质的非均匀 性以及较大的场失真，跟踪结果受到较大误差的损害。
在本发明中，提出了使用一种新颖的方法，其使用来自MDCT或MR的患者特异性成像数据进行主要纵隔结构的分割及多维电导率或声学模型 的构建，然后可将其用于电场或声场的计算，以便改进校准过程和导管的
在本发明中，成像数据可用于使这一非线性空间去巻积并在诸如血管 的其他解剖区域中进行更准确和可行的跟踪。在临床工作流程中，例如在 开始介入手术时获得成像数据，这类数据被赋予典型的身体阻抗并随后用
于展开(unwarping)导管跟踪的空间。如果可获得介入手术中 (intra-interventional)成像，则可根据这类数据更新所述展开。通过具有心 脏数据采集对应设置的诸如CT/MRI/X射线/US的模态可获得手术前数据。
本发明公开建议使用由MRI或CT进行成像所获得的预采集、多维、 患者特异性数据来构造电导率模型或声音速度模型以改进导管跟踪系统的 校准。电导率模型已经用于电阻抗断层摄影领域中。使用基于利用这种患 者特异性模型改进的校准和跟踪策略使在具有快速变化的电磁场或声场性 质的区域中(例如心脏静脉和心脏动脉、主动脉等)进行可靠的跟踪变得 切实可行。使用源自医学成像数据的四维胸部模型可解决诸如呼吸的动态 影响(肺的体积变化导致解剖结构的变化以及在电导率和声音速度分布方 面的相关变化)。
如图1所示，从医学成像数据中得到例如胸部的多维电导率或声音速 度模型。使用这一数据来预测感兴趣解剖结构内的电磁场或声场。使用这 些患者特异性模型可改进基于电磁场或声场的导管跟踪系统的校准，并可 在具有由于快速变化的解剖结构和组织性质而产生场失真的区域中更可靠 地执行跟踪。能够解决患者的运动，从而降低了跟踪误差。
虽然本发明已经参考其具体实施例进行了描述，但是本领域的普通技 术人员将会领会到，在不脱离本发明的精神或范围的情况下可实现很多修 改、加强和/或变化。因此，本发明显然旨在仅由其权利要求书及其等同物 的范围进行限定。
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权利要求
1、一种改进在针对特定患者的心脏介入手术中使用的基于电磁和声学的导管在导管跟踪空间内的校准和跟踪的方法，包括在所述介入手术之前或期间从医学扫描器采集针对所述患者测量空间的大量心脏图像数据；根据组织区域分割所述图像数据以生成每个组织区域的医学图像；采集每个组织区域的电磁或声学数据；处理所述电磁或声学数据，以生成包含与所述患者测量空间和所述导管跟踪空间相对应的模型空间的一个或多个分割组织区域的电磁或声学模型图像；其中，所述模型图像指示出所述导管跟踪空间内影响所述数据准确度的一个或多个信号失真区域；将所述模型空间与所述导管跟踪空间进行配准；测量介入手术期间所述导管的跟踪性能，并参考所述模型图像确定由信号失真影响引起的导管跟踪误差；以及对跟踪期间所述导管的所述位置进行校正以使信号失真的影响最小。
2、 如权利要求l所述的方法，其中，在所述介入手术之前采集大量心 脏图像数据的所述步骤还包括在所述介入手术之前，使用CT系统、MR系统、超声系统、3D荧光 透视系统和PET系统中的至少一种采集大量的心脏图像数据。
3、 如权利要求l所述的方法，其中，所述组织区域还包括 心脏静脉、心脏动脉或主动脉中的至少一种。
4、 如权利要求l所述的方法，其中，处理所述电磁数据以生成电磁模 型图像的所述步骤还包括处理所述电磁数据以生成4D电导率模型图像。
5、 如权利要求l所述的方法，其中，处理所述声学数据以生成声学模型图像的所述步骤还包括处理所述声学数据以生成3D声音速度模型图像。
6、如权利要求l所述的方法，其中，将所述模型空间与所述导管跟踪空间进行配准的所述步骤还包括使用附于所述模型空间内所述患者身上的电磁或声学可见表面标记， 将所述模型空间与所述导管跟踪空间进行配准，其中，每个表面标记的位 置对应导管校准或跟踪期间置于所述导管跟踪空间内所标记的位置处的参 考贴片的放置。
全文摘要
本发明公开了一种利用预先采集的患者的医学成像数据，改进在针对特定患者的心脏介入手术中所使用的基于电磁和声学的导管在导管跟踪空间内的校准和跟踪的方法。
文档编号A61B5/06GK101453946SQ200780018878
公开日2009年6月10日 申请日期2007年4月10日 优先权日2006年5月26日
发明者R·曼克泽, R·陈, S·索卡, V·拉舍 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司