消融导管三维定位导航系统中心脏多腔模型的构建.pdf

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1、中国组织工程研究与临床康复 第15卷 第4期 20110122 出版 Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research January 22,2011 Vol.15,No.4 ISSN 1673-8225 CN 21-1539/R CODEN:ZLKHAH 643 School of Mechanical Engineering,New Campus of Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,Henan Province,China Qiao Hai-feng,Studying

2、for masters degree,School of Mechanical Engineering,New Campus of Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,Henan Province,China Received:2010-08-30 Accepted:2010-11-01 郑州大学新校区机械工程学院，河南 省 郑 州 市 450001 乔海峰，男，1984 年生，河南省淮阳县人，汉族，郑州大学在读硕士，主要从事计算机辅助设计及数字样机技术研究。 中图分类号:R318 文献标识码:B 文章编号:1673-8225(2011)04-00643

3、-05 收稿日期：2010-08-30 修回日期：2010-11-01(20100830007/G L)消融导管三维定位导航系统中心脏多腔模型的构建 乔海峰，苏智剑 Construction of a cardiac multi-chamber model in three-dimensional location and navigation system of ablation catheter Qiao Hai-feng,Su Zhi-jian Abstract BACKGROUND:Now,the development of endocardium three-dimensional

4、(3D)mapping system is a hot spot in medical engineering in domestic and foreign countries.The system applied to clinic has been introduced,but its price is extremely expensive.In domestic,the system is still in the phase of research.Therefore,the domestication of endocardium 3D mapping system has he

5、avy responsibilities.OBJECTIVE:To analyze the modeling data acquisition in 3D location and navigation system of ablation catheter,and to reconstruct endocardium 3D geometry model.METHODS:The acquisition of endocardium 3D modeling data is directly related to the quality of reconstructed model.We visu

6、alized data acquisition process in the form of discrete points,which could achieve the comprehensive and efficient modeling point data.Through doing convex hull operation on acquired point cloud data,we got the surface extreme points of data set and constructed the polyhedron model by using of bound

7、ary representation.Finally,the generated polyhedron was served as basic voxel to complete the modeling process by discrete modeling.endocardium 3D geometry model was successfully reconstructed by using of visualization class library VTK.RESULTS AND CONCLUSION:Simulation experiments showed that the m

8、ethods we proposed could get the comprehensive and efficient modeling point data,and reconstruct endocardium 3D geometry model.It is indicated that reconstructed endocardium three-dimensional geometry model can provide technical support for 3D location and navigation system of ablation catheter.Qiao

9、 HF,Su ZJ.Construction of a cardiac multi-chamber model in three-dimensional location and navigation system of ablation catheter.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu.2011;15(4):643-647.http:/ http:/ 摘要 背景：目前，心内膜三维标测系统的研制是国内外医学工程学界的一个热点。国外已经推出了适用于临床的系统，但是其价格极其昂贵；国内还只是处于研究阶段，因此，在心内膜三维标测

10、系统的国产化方面任重道远。目的：采集分析消融导管三维定位导航系统的建模数据，并重构心内膜三维几何模型。方法：心内膜三维建模数据的采集直接关系到建模质量的高低。以离散点的形式将数据采集过程进行可视化，可获得全面和有效的建模数据点集；通过对所得的点云数据进行凸包运算，获取数据集的表面极值点，构造用边界表示的多面体模型；最后以生成的多面体为基本体素，采用离散法造型完成建模过程。并使用可视化类库VTK，成功的重构了心内膜三维模型。结果与结论：仿真实验表明，实验提出的方法可以较全面、高效地采集建模数据，重构心内膜三维模型。提示重构的心内膜三维几何模型可以为消融导管三维定位导航系统提供技术支持。关键词：多

11、腔建模；凸包；离散法造型；可视化；三维 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2011.04.017 乔海峰，苏智剑.消融导管三维定位导航系统中心脏多腔模型的构建J.中国组织工程研究与临床康复，2011，15(4):643-647.http:/www.crter.org http:/ 0 引言 在心血管病领域，近年来治疗心律失常最常用的方法是采用射频导管消融术。在确定消融靶点进行电生理标测过程中，医生必须依靠X射线影像的指导。由于X射线是二维图像，缺乏直观的三维显示，医生需要反复综合评估心电图和X射线两套相分离的系统，很难把握房颤等复杂心律失常的机制，因此造成消融手术成功率

12、较低。此外手术持续时间较长，造成X射线的曝光量较大，对手术医生及患者危害极大。为了克服上述问题，目前国外已推出了多种心脏三维电生理标测系统，如基于磁导航的Carto 系统、基于三维经胸电场定位原理的NavX系统等。国内也有相关的研究，但并无适用于临床的系统。这些系统利用科学可视化技术，在计算机上重构出心腔三维模型，使手术医生不通过X射线影像的指导便可将消融导管引至目标解剖位置点，从而完成对射频消融手术的导航。1 消融导管三维定位导航系统基本原理 本系统的原理是基于三维经胸电场(恒流 644 场)的定位技术，LocaLisa标测系统正是基于这一原理的，它是由Wittkampf等1-2于1997年

13、首先提出的。如图1所示，在体表的左右、前后、上下分别粘贴一对皮肤电极，并对每对电极施加一高频、低压电激励，由此产生一个三维经胸立体正交的高频、低压电场。人体是电的良导体，当电流经过胸腔时，经过呈阻性的器管和组织(如心脏)时就会产生电压降。此时置入心腔内的电生理导管电极就能检测到相对于参考电极的电压。这一电压值就对应了心腔内某一点的位置，系统记录下足够多的位置数据，即能利用计算机构建出心腔的表面轮廓。2 心脏多腔三维建模系统的功能需求 系统应能动态、实时的显示标测或消融导管在心腔内的三维位置和姿态，所构建的心脏多腔三维模型应和实际的心腔形状相一致，以指导医生进行消融手术。本系统的图形显示部分主要

14、有以下内容。2.1 标测或消融导管的跟踪和定位 置入三维经胸电场中EP导管上的电极能够检测到各个方向上相对于电极片的电势，各方向电势的大小和导管电极与电极片之间的距离成比例，这样就可以确定导管上每个电极的空间位置。同时导管上的数个电极也可以确定导管在空间中的姿态。系统将这一电势的值表示为相对于某一参考电极的电压，参考电极的位置也即是建模坐标系统的原点。参考电极有实际的物理电极和虚拟电极，物理电极有体表电极和心内固定电极(如冠状窦导管电极)两类。虚拟电极是经由三对体表电极及心内导管电极经一定算法确定的心内某一位置的电压值作为参考电极。图2是用于三维建模和标测的EP导管在计算机中的表示。2.2 数

15、据采集过程的图形化显示 为了构建和实际心腔形状相一致的心脏多腔三维模型，系统首先采集用于构形的心内膜点云数据，它由置入经胸三维电场中的导管电极所检测到的电势转换而来3。采集的心内膜点云的数量和质量直接关系到所建模型的优劣，本系统将采集过程及采集结果以图形化的方式显示给医生，使医生能够感性的判断所采集的数据是否能够满足建模的需要，以达到较理想的手术疗效。2.3 心脏腔室的三维建模 在某一腔室或某一腔室的局部点云数据的采集过程结束之后，系统会构建其三维模型。本系统以计算几何中的凸包为基础，提取所采集的某批建模数据的表面数据，进而可以构建出此批数据所表示的多面体模型。对于简单的腔室，由一个多面体表示

16、即可满足要求，而对于需要由多个多面体表示的腔室，本系统以局部的小多面体为基本体素，采用基于集合成员分类法的离散法造型来实现模型的构建。3 心脏腔室离散点集的获取与采集过程可视化 本系统心脏多腔建模的终极目的是能最终指导医生顺利、高效地完成手术，而建模质量高低和速度快慢直接取决于手术医生建模数据的采集。为了能达到这一目的，本系统以可视化的形式将手术医生采集到的数据显示出来，以帮助医生进行数据的采集，从而以最短的时间完成高质量的建模。3.1 建模数据的获取 不同的手术类型，所需构建的心脏腔室也不一样。对应不同的心腔建模数据的采集，本系统采用人为触发的方式，即医生采集数据和建模操作人员相互配合来完成

17、数据的采集过程(比如软件操作者发出开始左心房数据采集指示，医生便采集左心房的建模数据)。数据采集时对手术医生的要求：尽可能地将导管紧贴心腔内壁，目的是获取更多有效的建模数据。力求采集心腔内相对距离较远的点，目的是为了满足快速建模的要求。另外，数据采集时还应根据心脏的解剖结构而定，比如肺静脉数据的采集和左心房数据的采集就有所不同。3.2 建模数据采集过程可视化的实现 为了能使手术医生和软件操作者能感性的认识所采集到的建模数据Figure 2 EP catheter of modeling and mapping 图 2 三维建模和标测的 EP 导管 Figure 1 Schematic diag

18、ram of three-dimensional electric field location 图 1 三维电场定位原理示意图 www.CRTER.org 乔海峰，等.消融导管三维定位导航系统中心脏多腔模型的构建 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 645 的有效性和全面性，本系统采用可视化类库VTK以散乱点集的形式在计算机上显示出来，图3是点云数据采集过程可视化流程。4 心脏腔室的三维建模 4.1 凸包算法 定义1：设V是n维欧氏空间的点集，VS，若Sxx21,，1,0t，均有SxttxX211，则称S为凸集。定义2：若Vi，kii,1,0 ，且11kii，则称点ki

19、ii1为k,1 的凸组合S。定义3：设VS，V中所有包含S的凸子集的交集称为S的凸包(convex hull)。凸包是数学和计算几何的重要内容之一，许多问题最终都可以归结为凸包问题，如Delaunay 三角剖分、Voronoi图、功率图等。这些结构在科学研究和工程实践中有着非常广泛的应用，如网格生成、碰撞检测、图像处理、统计学等。计算三维凸包的算法有很多种，包括随机增量法、Graham扫描法、Jarvis步进法(包裹法)、分治法和快速算法(Quickhull算法)等。每种算法都有各自的特点，本文采用的是运算效率比较高的快速算法。它是由随机增量算法改进而得到的，其时间复杂度与输出的凸包顶点数k有

20、关，为knlog。该算法无需存放额外结果，也能做并行处理4。图4所示为凸包运算结果。4.2 基于集合成员分类法的正则集合运算 定义4：正则集kiSS，其中，k表示闭包；i表示内部；S表示集合。定义5：正则集合算子 BAkiBABAkiBABAkiBA*定义6：集合成员分类函数 XoutSXonSXinSSXM,其中，X是运算集；S为参考集；可以表达为BopAS；符号op指正则化集合算子*，*，*；XinS，XonS和XoutS是从X集划分出来的部分，分别表示在S集中，S集边界上和S集外面。正则集合运算是进行有效几何形体之间的*，*，*运算，保证最后得到有效的几何形体，它的基础是集合成员分类法理

21、论。在进行以多面体为基本体素进行拼合建模时，本文采用边界表示法表示多面体，拼合运算可以归结为面对体的分类，即将面分类成体外、体上和体内三部分，依据正则运算的类型来决定三部分面的取舍。由于面可用其边界表示，故而算法可最终归结为边对体的分类5-36。4.3 三维建模的实现 本系统采用离散法来重构心腔Figure 3 Visualization flow of point cloud data acquisition process 图 3 点云数据采集过程可视化流程 Figure 4 Results of convex hull operation 图 4 凸包运算结果 选定建模区域 初始化 启动

22、采集线程 图形化显示 结束采集线程 是否继续 采集？Y N 结束 *www.CRTER.org 乔海峰，等.消融导管三维定位导航系统中心脏多腔模型的构建 ISSN 1673-8225 CN 21-1539/R CODEN:ZLKHAH 646 三维模型，基本体素是前述的凸包运算所得的用边界表示的多面体，图5为表示多面体所用的数据结构，该数据结构是由著名的翼边结构改进而来的，根据系统的需要，去除了一些不必要的信息，在不影响运算的效率的情况下，不仅极大的节约了内存空间，而且简化了编程的工作量。图6为系统的整体框图，描述了从数据的获取到模型构建的整个过程。5 实例验证 由于本系统目前正处于研究之中，

23、本文的实验仿真数据来自于和真实心脏大小近似的实物模型，建模的点云数据用三维激光扫描仪扫描获得，图7为心腔模型重建结果(由于扫描和拼合误差的存在，重建的模型和真实的心内膜形状有一定的偏差)。在用三维激光扫描仪获得心内膜表面点集的过程中，由于心腔内膜是一个封闭的内腔，所以作者采取了将模型心脏剖开的方法，然后分别对每一部分进行扫描，最后按照事先做好的标记点将两部分进行拼合。在获取单个腔室点集时，作者采用的是手动分割的方法。6 结论 本文论述了基于经胸电场的消融导管三维定位导航系统的基本原理，分析了本系统心脏多腔计算机建模的功能需求，应用计算几何中的凸包快速算法生成多面体基本体素，采用离散法建模实现了

24、心脏多腔三维模型的构建。并以Visaul Studio 2008为开发平台，使用可视化类库VTK进行了计算机仿真试验。结果表明，这一方法能够实时、高效的完成心脏多腔建模，为消融导管三维定位导航系统提供技术支持。7 参考文献 1 Wittkampf FH,Wever EF,Derksen R,et al.LocaLisa:new technique for real-time 3-dimensional localization of regular intracardiac electrodes.Circulation.1999;99(10):1312-1317.2 Wittkampf FH,

25、Wever EF,Derksen R,et al.Accuracy of the LocaLisa system in catheter ablation procedures.J Electrocardiol.1999;32 Suppl:7-12.3 Kirchhof P,Loh P,Eckardt L,et al.A novel nonfluoroscopic catheter visualization system(LocaLisa)to reduce radiation exposure during catheter ablation of supraventricular tac

26、hycardias.Am J Cardiol.2002;90(3):340-343.4 Barber CB,Dobkin DP,Huhdanpaa H,et al.The quick-hull algorithm for convex hulls.ACM Trans Math Software.1996;22(4):469-448.5 Schroeder W,Martin K,Lorensen B.The Visualization Toolkit:An Object-Oriented Approach to 3D Graphics.Kitware,Inc.,Albany,NY,www.vtk

27、.org,2003.6 Lai DK.Zhongguo Boshi Xuewei Lunwen Quanwen Shujuku.2008.赖大坤.经胸电场仿真对除颤电流分布和导管定位方法的研究D.中国博士学位论文全文数据库,2008.7 Wang G,Rao NN.Hangtian Yixue yu Yixue Gongcheng.2008;21(6)：523-528.王刚，饶妮妮.心脏三维标测中配准方法的研究J.航天医学与医学工程，2008，21(6)：523-528.Figure 5 Data structure of polyhedron basic voxel 图 5 多面体基本体素的

28、数据结构 Figure 6 Overall diagram of the system 图 6 系统整体框图 开始 数据采集 进行凸包运算，构建多面体 是否进行 拼合？Y 正则集合运算 N 可视化显示 结束 Figure 7 Reconstructed endocardium model of the right atrium 图 7 重建的右心房心内膜模型 邻 边 4 点首址 边首址 面首址 多面体 0 x y z 点表 边表 0 始点 终点 邻 面 1 邻 面 2 邻 边 1 邻 边 2 邻 边 3 0 面表 A B C D 边 1 边 2 边 3 P.O.Box 1200,Shenyan

29、g 110004 www.CRTER.org 乔海峰，等.消融导管三维定位导航系统中心脏多腔模型的构建 647 8 Lu Y,Xi RH,Shen HD,et al.Tuxiang Chuli.2006;22(13)：213-215.陆颖，奚日辉，沈海东,等.心内膜几何模型的计算机三维重建技术J.图像处理,2006,22(13)：213-215.9 Tong BS,Wu ZJ,Li XZ,et al.Beijing:Tsinghua University Press.2003.童秉枢，吴志军，李学志,等.机械CAD技术基础M.北京：清华大学出版社，2003.10 Wu YE,Wang XX,H

30、a Z,et al.Huangtian Yixue yu Yixue Gongcheng.2007;20(1):43-46.吴月娥,王小喜,哈章,等.基于薄板样条和形状内容的医学图像非刚性配准方法研究J.航天医学与医学工程,2007,20(1):43-46.11 Wang BH,Xu DH,Yao M,et al.Guoji Shengwu Yixue Gongcheng Zazhi.2006;29(1):5-9.王保华，徐丹红，姚名，等.X线图像引导射频消融系统的研制J.国际生物医学工程杂志，2006,29(1):5-9.12 Sra J,Krum D,Hare J,et al.Feasib

31、ility and validation of registration of three dimensional left atria models derived from computed tomography with a noncontact cardiac mapping system.Heart Rhythm.2005;2(1):55-63.13 Sra J,Narayan G,Krum D,et al.Registration of 3D computed tomography images with interventional systems:Implications fo

32、r catheter ablation of atrium fibrillation.J Interv Card Electrophysiol.2006;16(3):141-148.14 Yao M,Wang BH,Gong ZB,et al.Zhongguo Yiliao Qixie Zazhi.2005;29(2)：104-108.姚名，王保华，龚忠兵，等.心导管室D线图像的视频采集与DICOM存储实现J.中国医疗器械杂志，2005,29(2)：104-108.15 Hou YM.Zhongguo Xinzang Qibo yu Xindian Shengli Zazhi.2004;18(

33、1):1-8.侯月梅.临床心脏电生理标测技术及应用现状J.中国心脏起搏与心电生理杂志,2004,18(1):1-8.16 Friedman PA.Novel mapping techniques for cardiac electro-physiology.Heart.2002;87(6):575-582.17 Chen X.Zhongguo Xinzang Qibo yu Xindian Shengli Zazhi.2000;14(1):1-4.陈旭.三维电磁导管定位系统-CARTOJ.中国心脏起搏与心电生理杂志,2000,14(1):1-4.18 Shpun S,Gepstein L,Ha

34、yam G,et al.Guidance of radio frequency endocardial ablation with real-time three-dimensional magnetic navigation system.Circulation.1997;96(9):2016-2021.19 Zeng ZY.Zhongguo Xinzang Qibo yu Xindian Shengli Zazhi.2008;22(4):295-297.曾治宇.EnSite Array三维标测系统及临床应用J.中国心脏起搏与心电生理杂志,2008,22(4):295-297.20 Sega

35、l OR,Chow AW,Markides V,et al.Long-term results after ablation of infarct related ventrieular tachycardia.Heart Rhythm.2005;2(5):474.21 Lin YJ，Tai CT，Kao T，et al.Electrophysiological characteristics and catheter ablation in patients with paroxysmal right atrium fibrillation.Circulation.2005;112(12):

36、1692.22 Chinitz LA,Sethi JS.How to perform noncontact mapping.Heart Rhythm.2006;3(1):120.23 Chen HW,Yang B,Chen ML.Zhongguo Xinzang Qibo yu Xindian Shengli Zazhi.2008;22(4):301-302.陈红武,杨兵,陈明龙.EnSite-NavX三维标测系统及临床应用J.中国心脏起搏与心电生理杂志,2008,22(4):301-302.24 Todd DM,Skanes AC,Guiraudon G,et al.Role of the

37、posterior left atrium and pulmonary veins in human lone atrial fibrillation:electrophysiological and pathological data from patients undergoing atrial fibrillation surgery.Circulation.2003;108(25):3108-3114.25 Krum D,Goel A,Hauck J,et al.Catheter location,tracking,cardiac chamber geometry creation a

38、nd ablation using cutaneous patches.J Interv Cardia Electrophysiol.2005;12(1):17-22.26 Dong J,Dickfeld T,Dalal D,et al.Initial experience in the use of integrated electro-anatomic mapping with three-dimensional MR/CT images to guide catheter ablation of atrium fibrillation.J Cardio Electrophysiol.20

39、06;17(5):459-466.27 Wang J,Li T,Lu H,et al.Noise reduction for low-dose single-slice helical CT sinograms.IEEE Trans Nucl Sci.2006;53(3):1230-1237.28 Lu JF,Lin H,Pan ZG.Jisuanji Fuzhu Sheji yu Tuxingxue Xuebao.2005;17(10):2168-2173.陆剑峰，林海，潘志庚.自适应区域生长算法在医学图像分割中的应用J.计算机辅助设计与图形学学报,2005,17(10):2168-2173

40、.29 Dong JZ,Ma CS,Liu XP,et al.Clinical results of circumferential pulmonary vein linear ablation in 100 patients with atrium fibrillation.Zhonghua Xin Xue Guan Bing Za Zhi.2005;33(10):907-911.30 Kumagai K.Patterns of activation in human atrium fibrillation.Heart Rhythm.2007;34(3 Supp l):7212.31 Man

41、tovan R,Calzolari V,Cavallini C,et al.Anatomical and electrophysiological approach to atrium fibrillation:technical limits.J Cardiovasc Med.2006;7:586-591.32 Jun D,Timm D,Darshan D,et al.Initial experience in the use of integrated electro-anatomic mapping with three2dimensional MR/CT images to guide

42、 catheter ablation of atrium fibrillation.J Cardiovasc Electrophysiol.2006;17:459-466.33 Satomi K,Ouyang F,Kuck KH.How to determine and assess endpoints for left atrium ablation.Heart Rhythm.2007;4:374-380.34 Cappato R,Calkins H,Chen SA,et al.Worldwide survey on the methods,efficacy,and slaety of ca

43、theter ablation for human atrium fibrillation.Circulation.2005;111:1100-1105.35 LinksKistler PM,Rajappan K,Jahngir M,et al.The impact of CT image integration into an electro-anatomic mapping system on clinical outcomes of catheter ablation of atrium fibrillation.J Cardiovasc Electrophysiol.2006;17:1

44、093-1101.36 LinksKistler PM,Earley MJ,Harris S,et al.Validation of three-dimensional cardiac image integration:use of integrated CT image into electro-anatomic mapping system to perform catheter ablation of atrium fibrillation.J Cardiovasc Electrophysiol.2006;17:341-348.来自本文课题的更多信息-作者贡献：苏智剑进行实验设计，乔海

45、峰进行实施与评估，未采用盲法评估。利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。伦理批准：无涉及伦理冲突的内容。本文创新性：检索中国学术期刊网络出版总库、中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库、中国重要会议论文全文数据库、英国 Taylor&Francis 期刊数据库及 Earthscan 期刊数据库 2006/2010 的相关文献，目前心内膜三维标测系统的研制是国内外医学工程学界的一个热点，国外已经推出了适用于临床的系统，但是其价格极其昂贵；国内还只是处于研究阶段。文章在构建心腔内表面模型时，对于简单和不重要的腔室采用单一多面体表示的方法，以提高建模速度；对于较复杂和要求体现模型细节的情况，采用以小多面体为基本体素，用多面体的布尔运算来表达模型。乔海峰，等.消融导管三维定位导航系统中心脏多腔模型的构建 www.CRTER.org