DE102007046938A1

DE102007046938A1 - Verfahren zur kombinierten Bilddarstellung eines im Herzbereich eines Patienten eingebrachten Katheters mit elektrophysiologischen Daten des Herzens

Info

Publication number: DE102007046938A1
Application number: DE102007046938A
Authority: DE
Inventors: Andreas Meyer; Norbert Rahn; Dietrich Till
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-05-20
Also published as: US20090088633A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kombinierten dreidimensionalen (3-D)Bilddarstellung eines im Herzbereich eines Patienten eingebrachten Katheters mit elektrophysiologischen Daten im Rahmen einer kardiologischen Untersuchung oder Behandlung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kombinierten dreidimensionalen (3-D)Bilddarstellung sowohl eines im Herzbereich eines Patienten eingebrachten medizinischen Instruments, insbesondere eines Katheters, als auch elektrophysiologischer Daten, ebenso wie die Lage der Ablations- und Mappingpunkte, im Rahmen einer kardiologischen Untersuchung oder Behandlung.
In der Elektrophysiologie werden immer häufiger Herzrhythmusstörungen (Arrhytmien) durch Kathetherablationstechniken behandelt. Hierbei ist es für den untersuchenden Arzt essentiell die Position des Katheters innerhalb des Herzens zu bestimmen um sich räumlich exakt orientieren zu können. Der Arzt muss jederzeit während der Untersuchung die Lage des Katheters und die Stellen im Herzen, an denen eine Ablation vorgenommen wird, verifizieren können. Der minial invasive Eingriff der Katheterablation wird mittels mehrerer Ablationssequenzen als Gewebeverödung appliziert. Es kommt jedoch häufig vor, dass nach dem Setzen einer linearen oder kreisförmigen Läsion Lücken bleiben, die zur erfolgreichen Therapie nachträglich geschlossen werden müssen.
Die Position der Katheter im Herzen, die für die elektrophysiologische Untersuchung (EPU) benötigt werden, können am einfachsten durch Nutzung einer monoplanen oder biplanen Durchleuchtungsanlage dargestellt werden. Der Nachteil dieser Methode besteht jedoch in der zweidimensionalen Natur des Röntgenprojektionsbildes. Damit geht die dritte Dimension des Raumes verloren, was auch mit einer biplanen Durchleuchtung nicht vollständig auszugleichen ist, da die dreidimensionale Position des Katheters im Herzen nun imaginär durch den Untersucher aus den zwei Projektionsbildern zusammengesetzt werden muss. Ein weitere Nachteil dieser Methode liegt in der Tatsache begründet, dass die blutgefüllte Struktur des Herzens sich in der Durchleuchtung nicht oder nur sehr schlecht abbildet, sodass der Untersucher ganz auf Veränderungen in der Form des Katheters bzw. der Auswirkung der Herzwandbewegung auf die Bewegung des Katheters angewiesen ist, um sich visuell über die momentane Position des Katheters zu informieren.
Deswegen sind seit einiger Zeit dreidimensionale so genannte „Mapping"-Systeme auf dem Markt, die entweder auf dem Prinzip der Messung von magnetische Feldern oder auf dem Prinzip der Impedanzmessung beruhen. Zu diesen modernen Mappingverfahren zählen das elektroanatomische Mapping (Carto), Non-contact-Mapping (Ensite), multipolares Basket-Mapping sowie die 3D-Lokalisation intrakardialer Elektroden (Localisa). Mit Hilfe dieser Systeme kann die Katheterposition in 3-D dargestellt werden, sowie ein so genanntes Mapping (d. h. die kartographische Darstellung der elektrischen Erregungsleitung im Herzen) der Strukturen des Herzens erstellt werden. Weiterhin können diese Systeme die Ausbreitung der elektrischen Erregung im Herzen oder die elektrisch Spannung als Funktion des Ortes im Raum farbcodiert darstellen, sowie Ablationspunkte einzeichnen.
Im nachfolgenden werden die bekannten Mapping-Systeme kurz erläutert.
Das elektroanatomische Mapping mit dem Carto-System basiert auf elektromagnetischen Prinzipien. Unter dem Untersuchungstisch werden drei verschiedene magnetische Wechselfelder geringer Intensität aufgebaut. Mittels integrierter elektromagnetischer Sensoren an der Katheterspitze ist es möglich, die durch Katheterbewegungen induzierten Spannungsänderungen innerhalb des Magnetfeldes zu messen und mit Hilfe mathematischer Algorithmen zu jedem Zeitpunkt die Position des Mappingkatheters (mit einer Genauigkeit von ca. 1 mm) zu errechnen. Durch die Erfassung der Anatomie einer Herzhöhle durch Abtasten der endokardialen Kontur mit dem Mappingkatheter und der simultanen Registrierung der elektrischen Signale entsteht eine elektroanatomische Landkarte (elektroanatomisches Map).
Das Non-Contact-Mapping mit dem Ensite-System beruht auf anderen Prinzipien. Dies ist ein simultanes Mappingverfahren mit gleichzeitiger Erfassung von über 3000 "virtuellen" Elektrogrammen. Der dabei verwendete Multielektrodenkatheter hat dabei keinen direkten Kontakt zur Herzwand. Ermöglicht wird dies durch die Registrierung von Spannungsänderungen bei der endokardialen Depolarisation. Ein feines Kupferdrahtgeflecht mit insgesamt 64 Polen, montiert auf einen 8,5 French (F) Ballon erfasst diese Spannungsänderungen, die über ein kompliziertes mathematisches Verfahren auf einer Computerworkstation als unipolare Elektrogramme mit farbkodierten dreidimensionalen Erregungsfronten dargestellt werden.
Das multipolare Basket-Mapping stellt ein weiteres simultanes Mapping-Verfahren dar und wird primär zur Diagnostik von Vorhofrhythmusstörungen eingesetzt. Durch korbförmiges Aufspannen von sehr elastischen selbstexpandierenden Elektrodenträgern (Splines) aus Nickel-Titanium, die sich dem Endokard anlegen, können über 64 Platin-Iridium-Elektroden bis zu 56 bipolare Elektrogramme aufgezeichnet werden.
Das 3D-Lokalisationsverfahren intrakardialer Elektroden (Lokalisa) erlaubt durch Messung der Impedanz eines schwachen elektrischen Stroms (nach externer kutaner Applikation) eine dreidimensionale Positionsbestimmung konventioneller Elektroden.
Systeme dieser Art erfordern aber in den elektrophysiologischen Untersuchungsräumen zusätzlichen Aufwand über die sowieso vorhandene Durchleuchtungsanlage hinaus. Dadurch entstehen während einer elektrophysiologischen Prozedur neben der längeren Untersuchungsdauer zusätzlich finanzieller Aufwand für die speziellen Katheter oder sonstiges weiterführendes Verbrauchsmaterial.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem elektrophysiologische Daten in das 3D-Volumenbild des Herzens eingeblendet werden können und gleichzeitig die genaue dreidimensionale räumliche Orientierung eines Katheters im Herzen bestimmt werden kann unter Nutzung der vorhandenen Durchleuchtungsanlage, im Rahmen einer kardiologischen Untersuchung oder Behandlung.
Zur Lösung dieses Problems ist ein Verfahren mit folgenden Schritten vorgesehen:

a) Erzeugen eines 3D-Volumenbildes der Struktur des Herzens,
b) Registrieren des 3D-Volumenbildes bezüglich der Koordinaten eines Biplan-Systems,
c) Bestimmen der dreidimensionalen räumlichen Orientierung eines Katheters mittels der Rückprojektion des Katheters aus zwei Röntgenprojektionen eines Biplan-Systems und Erzeugen von elektrophysiologischen Daten,
d) Einblenden der aktuellen Katheterposition und der elektrophysiologischen Daten in das 3D-Volumenbild der Struktur des Herzens.

Somit basiert dieses Verfahren auf zwei wichtigen Komponenten des Standes der Technik:

a) Die durchleuchtungsgestützte Katheterlokalisierung; und
b) die registrierte 3D-Darstellung der Struktur des Herzens zur Durchleuchtung.

zu a)
Die durchleuchtungsgestützte Katheterlokalisierung basiert auf der Rückprojektion des Katheters aus den zwei Röntgenprojektionen eines Biplan-Systems. Dabei ist unter dem Biplan-System ein Röntgensystem zu verstehen, welches es ermöglicht zwei Röntgenbilder aus unterschiedlichen Richtungen aufzunehmen, beispielsweise durch zwei C-Bögen. Dadurch ist es möglich den Kathether anhand der 2D-Durchleuchtungsbilder zu identifizieren und anschließend anhand der jeweiligen Projek tionsmatrix des jeweiligen 2D-Durchleuchtungsbilds eine Rückprojektionslinie zu errechnen, wobei die räumliche Position des Katheters anhand der Rückprojektionslinien bestimmt wird, und idealerwiese im Schnittpunkt der beiden Projektionslinien liegt. Aufgrund konstruktiver Gegebenheiten, die dazu führen, dass die Strahlungquelle und der Strahlungsdetektor in den jeweiligen Positionen, in denen die Durchleuchtungsbilder aufgenommen werden, nicht exakt die gleiche Position bezüglich einander einnehmen, kommt es häufig vor, dass sich die errechneten Rückprojektionslinien nicht schneiden. In einem solchen Fall erfolgt zweckmäßigerweise eine rechnerische Positionsermittlung der Gestalt, dass anhand der sich nicht schneidenden Rückprojektionslinien eine Position errechnet wird, die den in den 2D-Durchleuchtungsbildern identifizierten Positionen der Katheterspitze nahe kommt. Hierzu kann beispielsweise ein beliebiger Punkt im gegebenen Volumen verwendet werden, der im Rahmen eines Optimierungsprozesses solange in seiner Lage verändert wird, bis er der identifizierten Position der Katheterspitze in den 2D-Durchleuchtungsbildern am nächsten kommt. Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, als rechnerische Position die Mitte der gedachten Rückprojektionslinien an der Stelle ihres minimalen Abstands zu ermitteln. Dabei wird der Ort, d. h. die rämliche Position und räumliche Orientierung, des Katheters in 3D bestimmt. Dies ist möglich da das 3-D Volumensbild sowie die beiden 2D-Durchleuchtungsbilder bezüglich einander registriert sind, das heißt ihre Koordinatensysteme sind bezüglich einander über eine Transformationsmatrix korreliert. Solch ein Verfahren ist beispielsweise aus der Druckschrift DE 102 10 647 A1 bekannt.
zu b)
Die registrierte 3D-Darstellung der Struktur des Herzens zur Durchleuchtung kann auf unterschiedlichem Wege erreicht werden. Zum einen kann die 3D-Aufnahme des Herzens vor der Prozedur, d. h. präprozedural, auf einem anderen Scanner (z. B. CT oder MR = Magnetresonanz) erzeugt werden und dann am Anfang der Prozedur zu der Röntgenanlage bzw. dem Röntgensystem re gistriert werden, wobei hierin die unterschiedlichste Verfahren, beispielsweise eine 2D–3D-Registrierung oder eine 3D–3D-Registrierung, zum Einsatz kommen können. Weiterhin kann die 3D-Darstellung direkt am Interventionstisch mit Hilfe der Rotationsangiographie und nachfolgender Rekonstruktion erzeugt werden. Dieses Verfahren ist unter dem Begriff „Cardiac DynaCT" bekannt. Mit diesem Verfahren ist die Registrierung intrinsisch gegeben unter der Vorraussetzung, dass sich der Patient nach der Rekonstruktion während der Prozedur nicht mehr bewegt.
Eine 2D–3D Registrierung liegt vor, wenn 2D-Röntgen-Durchleuchtungsbilder mit einem 3D-Volumenbild (CT, MR, Cardiac DynaCT) kombiniert werden. Liegen sowohl präprozedurale bzw. -operativ aufgenommene CT oder MR-Bilddaten als auch intraprozedular- bzw. operativ aufgenommene Röntgenrotationsangiographie-Bilddaten vor, kann eine 3D–3D-Registrierung der beiden Aufnahmen durchgeführt werden. Allerdings ist eine 2D–3D Registrierung durchzuführen, wenn Patientenbewegung oder nicht erfasste Bewegung (wie z. B. Durchbiegen) des Patiententisches zwischen 3D-Aufnahme und Aufnahme der 2D-Durchleuchtungsbilder auftreten.
Die 3D-Aufnahme bzw. das 3D-Volumenbild des Herzens kann erfindungsgemäß ein präprozedural bzw. -operativ gewonnener Datensatz sein. Das heißt, der Datensatz kann zu einem beliebigen Zeitpunkt vor der eigentlichen Untersuchung oder Behandlung aufgenommen worden sein. Verwendbar ist jeder 3D-Bilddatensatz unabhängig von der verwendeten Aufnahmemodalitat, also beispielsweise ein CT-, ein MR- oder ein 3D-Röntgenangiographie-Datensatz. Alle diese Datensätze lassen eine exakte Rekonstruktion des Herzens zu, so dass dieses anatomisch exakt und hochaufgelöst dargestellt werden kann. Alternativ besteht die Möglichkeit, auch einen intraprozedural bzw. -operativ gewonnenen Datensatz in Form eines 3D-Röntgenagiographie-Datensatzes zu verwenden. Der Begriff „intraprozedural" bedeutet hierbei, dass dieser Datensatz in unmittelbar zeitlichen Zusammenhang mit der eigentlichen Un tersuchung oder Behandlung gewonnen wird, also wenn der Patient bereits auf dem Untersuchungstisch liegt, jedoch der Katheter noch nicht gesetzt ist, was aber kurz nach Aufnahme des 3D-Bilddatensatzes erfolgen wird.
In der vorliegenden Erfindung wird sowohl die aktuelle Katheterposition, welche durch die durchleuchtungsgestützte Katheterlokalisation ermittelt wurde, als auch die elektrophysiologischen Daten des Herzens in das 3D-Volumenbild der Struktur des Herzens eingeblendet. Diese Einblendung kann optional EKG getriggert erfolgen, was bedeutet, dass entweder für die Einblendung die Bilder der richtigen Herzphase für die Rückprojektion gewählt werden müssen oder die Röntgenstrahlung EKG-getriggert in der richtigen Herzphase ausgelöst werden muss. Die richtige Herzphase ist die Herzphase, in der die 3D-Volumenbild erzeugt wurde. Idealerweise wird das Herz während dieses Eingriffes extern stimuliert („Pacing"), um eine stabile Herzfrequenz und damit eine vorhersagbare Triggerung der Röntgenstrahlung zu erreichen.
Sowohl die Akquisition der Bilddaten kann durch das Pacing-Signal gesteuert, d. h. getriggert, sein als auch die Rekonstruktion der Bilddaten. Dies kann dadurch geschehen, dass bei gleichzeitiger Aufnahme des Pacing-Signals zahlreiche Bilddaten aufgenommen werden, wobei im Nachhinein die Bilddaten, die während einer bestimmten Herzphase aufgenommen wurden, zusammengefasst und zu einem 3D-Bilddatensatz rekonstruiert werden.
Pacing ist normalerweise in elektrophysiologischem Untersuchungsraum problemlos möglich, weil es für viele medizinische Fragestellungen sowieso gebraucht wird.
Die elektrophysiologischen Daten können durch ein EKG, beispielsweise ein intrakardiales oder extrakardiales EKG, gewonnen werden. Durch die Ableitung der elektrische Signale im Herzen („Kathetermapping") können so die Punkte an denen eine Ablation durchgeführt werden muss, im Rahmen einer kardiolo gischen Untersuchung oder Behandlung, bestimmt werden. Vorzugsweise wird ein intrakardiales EKG verwendet.
Durch die vorliegende Erfindung wird der elektrophysiologische Messplatz mit der 3D-Katheterlokalisierung verbunden. Damit ist es möglich die elektrophysiologischen Daten in das 3D-Volumenbild der Struktur des Herzens einzublenden bzw. zu übertragen während gleichzeitig der Katheter lokalisiert werden kann.
Elektrophysiologische Mappingsysteme des Standes der Technik sind in der Lage, die Ablationspunkte farblich kodiert in die elektroanatomische Map einzublenden. Das in der Erfindung beschriebene System ist in der Lage, diese Information direkt in das 3D-Volumenbild einzublenden, da in diesem Fall lediglich die biplan röntgentechnisch ermittelte 3D-Position des Katheters mit der Information „Ablation ein" aus dem EKG-Messplatz verknüpft werden muss und dann als Ablationspunkt in das 3D-Volumenbild eingeblendet werden kann. Optional können auch manuell getriggert alle Positionen der Katheterspitze in der 3D-Rekonstruktion markiert dargestellt werden, z. B. Mapping-Punkte. Des weiteren ist es möglich die elektrische Signalausbreitung bzw. die zeitlichen Zusammenhänge der Signalausbreitung farblich kodiert in das 3D-Volumenbild einzublenden.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ist es dem untersuchenden Arzt möglich, die Position des Katheters innerhalb des Herzens zu bestimmen und sich räumlich exakt zu orientieren sowie zu wissen, an welcher Stelle im Herzen er Ablationen durchgeführt hat. Die Erfindung ermöglicht daher nicht nur die Einblendung der aktuellen Katheterposition in das 3D-Volumenbild sondern auch die Einblendung von elektrophysiologischen Daten.
Für den Arzt ist es besonders vorteilhaft, wenn die kombinierte Bilddarstellung der Struktur des Herzens mit dem eingeblendeten Katheter benutzergeführt, verändert, insbesondere gedreht, vergrößert oder verkleinert werden kann, so dass er auf diese Weise noch genauer die Stellung des Katheters im Herzen erkennen und so beispielsweise die Nähe zu einer Herzwand genauestens bestimmen kann. Der Katheter kann farbig oder blinkend dargestellt werden, um die Erkennbarkeit zu verbessern.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung eine medizinische Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung, ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens der beschriebenen Art. Besonders bevorzugt ist hierbei eine Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung die einen elektrophysiologischen Messplatz mit einem 3D-Arbeitsplatzrechner auf dem die Katheterlokalisierung abläuft kombiniert.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels in Bezug auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:
1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen medizinischen Untersuchung- und/oder Behandlungseinrichtung.
Mit Bezug auf 1 ist dort ein Röntgensystem 1 gezeigt. Das Röntgensystem 1 erlaubt sowohl die Akquisition von 2D-Durchleuchtungsbildern als auch die Akquisition einer Serie von 2D-Bildern bei einem Rotationslauf. Das Röntgensystem 1 ist mit einem 3D-Arbeitsplatzrechner 2 verbunden. Dadurch kann eine Bildübertragung 4 vom Röntgensystem 1 zum 3D-Arbeitsplatzrechner 2 erfolgen. Der 3D-Arbeitsplatzrechner kann vorzugsweise das 3D-Volumenbild einlesen, die Lage eines präprozeduralen oder intraprozeduralen 3D-Volumenbildes zu den Koordinaten des Röntgensystems registrieren und die räumliche Orientierung des Katheters registrieren, wodurch in das 3D-Volumenbild der Struktur des Herzens die räumliche Position und räumliche Orientierung des Katheters eingeblendet werden. Gleichzeitig wird ein EKG abgeleitet, wobei der 3D- Arbeitsplatzrechner 2 mit einem elektrophysiologischen Arbeitsplatzsystem 3 über eine Kopplung 5 verbunden ist. Die Informationen aus dem elektrophysiologischen Arbeitsplatzsystem 3 werden dann in dem 3D-Arbeitsplatzrechner 2 verarbeitet, d. h. es erfolgt vorzugsweise die Zuordnung der elektrophysiologischen Daten zur Katheterposition und die Kopplung der elektrophysiologischen Daten mit der Katheterposition. So können beispielsweise die Ablationspunkte farbkodiert in das 3D-Volumenbild eingeblendet werden. Darüber hinaus ist das elektrophysiologische Arbeitsplatzsystem 3 mit dem Röntgensystem 1 verbunden, so dass die Aufnahme der Röntgenbilder EKG getriggert erfolgen kann, wobei die EKG-trigger-Information 6 vom elektrophysiologischen Arbeitsplatzsystem 3 zum Röntgensystem 1 erfolgt. Mit dieser Untersuchungs/Behandlungseinrichtung ist es auch möglich die elektrische Signalausbreitung oder Spannungsmapping farblich kodiert im 3D-Volumenbild einzublenden.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird so eine kombinierte 3D-Bilddarstellung von elektrophysiologischen Daten mit der Katheterlokalisierung ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10210647 A1 [0014]

Claims

Verfahren zur dreidimensionalen kombinierten Bilddarstellung von elektrophysiologischen Daten des Herzens sowie eines in das Herz eines Patienten eingebrachten Katheters, im Rahmen einer kardiologischen Untersuchung oder Behandlung mit folgenden Schritten: a) Erzeugen eines 3D-Volumenbildes der Struktur des Herzens, b) Registrierung des 3D-Volumenbildes bezüglich der Koordinaten eines Biplan-Systems, c) Bestimmung der dreidimensionalen räumlichen Orientierung eines Katheters mittels der Rückprojektion des Katheters aus zwei Röntgenprojektionen des Biplan-Systems und Erzeugen von elektrophysiologischen Daten, d) Einblendung der aktuellen Katheterposition und der elektrophysiologischen Daten in das 3D-Volumenbild der Struktur des Herzens.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das 3D-Volumenbild der Struktur des Herzens präprozedural aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das 3D-Volumenbild der Struktur des Herzens intraoperativ aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einblendung der Katheterposition in Schritt d) EKG-getriggert erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrophysiologischen Daten die Lage der Ablations- und/oder Mappingpunkte beschreiben.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Ablations- und/oder Mappingpunkte farbkodiert in das 3D-Volumenbild der Struktur des Herzens eingeblendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kombinierte Bilddarstellung des 3D-Volumenbildes der Struktur des Herzens mit der Katheterposition sowie den elektrophysiologischen Daten benutzergeführt verändert, insbesondere gedreht, vergrößert oder verkleinert werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Katheterposition in der kombinierten 3D-Bilddarstellung zusätzlich zu den elektrophysiologischen Daten farbig oder blinkend dargestellt werden.
Medizinische Untersuchungs- und/oder Behandlungseinrichtung, ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Medizinische Untersuchung- und/oder Behandlungseinrichtung nach Anspruch 9, die einen elektrophysiologischen Messplatz mit einem 3D-Arbeitsplatzrechner auf dem die Kathetherlokalisierung abläuft kombiniert.