DE60028487T2

DE60028487T2 - Vaskuläre Rekonstruktion

Info

Publication number: DE60028487T2
Application number: DE60028487T
Authority: DE
Inventors: Daniel Reisfeld
Original assignee: Biosense Webster Inc
Current assignee: Biosense Webster Inc
Priority date: 1999-10-01
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2020-09-30
Also published as: EP1088515B1; DK1088515T3; ATE328538T1; KR100805087B1; JP2001157659A; AU776289B2; DE60028487D1; JP4610711B2; IL138659A0; AU6135200A; US6546271B1; CA2321355A1; CY1105152T1; IL138659A; KR20010067270A; PT1088515E; CA2321355C; EP1088515A1; ES2264920T3

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung zum Rekonstruieren von Blutgefäßen und speziell auf eine Vorrichtung für dreidimensionale Rekonstruktionen.
Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verwendung in Verfahren zum Rekonstruieren von Blutgefäßen basierend auf Positionsinformationen, die von einem Positionssensor erfaßt werden, der in einem das Gefäß durchquerenden Katheter enthalten ist.
Blutgefäße werden heutzutage hauptsächlich mit Hilfe von Angiographie visualisiert, bei der ein Kontrastmittel in den Blutstrom injiziert wird und das Gefäßsystem mit Hilfe von auf ionisierender Strahlung basierenden Bildgebungsverfahren abgebildet wird. Ein solches Abbilden ist jedoch aufgrund der nachteiligen Wirkungen akkumulierter Strahlung auf Patienten zu begrenzen. Ferner reagieren einige Patienten nachteilig auf das bei Angiographie verwendete Kontrastmittel. Demnach wäre es wünschenswert, eine Visualisierungsvorrichtung zu haben, welche nicht von auf ionisierender Strahlung basierenden Bildgebungsverfahren oder von der Verwendung von Kontrastmitteln abhängt.
US Patent 5,546,951 und US Patent 20020165455 offenbaren Verfahren zum Bestimmen einer elektrischer Eigenschaft des Herzgewebes, wie zum Beispiel der lokalen Aktivierungszeit, als eine Funktion des genauen Ortes im Herzen. Die Daten werden mit einem oder mehreren Kathetern erfaßt, die in das Herz vorgebracht werden, wobei die Katheter elektrische und Ortssensoren in ihren distalen Spitzen aufweisen. Verfahren des Erzeugens einer Abbildung der elektrischen Aktivität des Herzens basierend auf diesen Daten sind in den gemeinsam übertragenen EP-A-1 070 480 und EP-A-0 974 936 offenbart.
Wie in diesen Anmeldungen gezeigt, wird bevorzugt der Ort und die elektrische Aktivität anfänglich an etwa 10 bis etwa 20 Punkten auf der inneren Oberfläche des Herzens gemessen. Diese Datenpunkte reichen dann allgemein aus, um eine vorläufige Rekonstruktion oder Abbildung der Herzoberfläche mit einer zufriedenstellenden Qualität zu erzeugen. Die vorläufige Abbildung wird durch Definieren einer anfänglichen, geschlossenen dreidimensionalen gekrümmten Oberfläche, bevorzugt eines Ellipsoids, in einem Rekonstruktionsraum in dem Volumen der Abtastpunkte gebildet. Die geschlossene Kurve wird grob an eine Form angepaßt, welche einer Rekonstruktion der Abtastpunkte gleicht. Danach wird eine flexible Anpaßstufe ein oder mehrere Male wiederholt ausgeführt, um die geschlossene Kurve dahin zu bringen, der Form des tatsächlichen zu rekonstruierenden Volumens zu gleichen. Obwohl die obenstehend beschriebenen Verfahren für befriedigende Rekonstruktionen von Organen sorgen, sorgen die darin verwendeten Algorithmen nicht für genaue Rekonstruktionen von Blutgefäßen, speziell, wenn die Gefäße der Form nach gewunden oder kurvenreich sind.
Rekonstruktionen von Blutgefäßen in Abbildungen oder Rekonstruktionen des Herzens sind nützlich, da die Blutgefäße bestätigende Orientierungshilfen bereitstellen, welche beim Navigieren zu speziellen Regionen im Herzen behilflich sind. Demnach wäre es wünschenswert, ein Verfahren des realistischen Rekonstruierens von Blutgefäßen zu haben, welches bestehende Verfahren zum Rekonstruieren der Herzkammern ergänzt.
Kardiologen führen Vorhofflimmern zunehmend auf Defekte in den elektrischen Bahnen des Herzens zurück, welche der Pulmonalvene entspringen. Eine Diagnose und Behandlung dieses Zustandes erfordern ein Einschätzen der elektrischen Aktivität in der Pulmonalvene und ein nachfolgendes Abtragen von Defekten in der oder um die Vene. Verfahren zum Rekonstruieren der Vene mit Daten, welche mit Hilfe von Kathetern gesammelt werden können, die diagnostische oder therapeutische Komponenten tragen, würden den Einsatz und den Erfolg dieser Vorgehensweisen erleichtern.
Gewissen Eingriffen und diagnostischen Verfahren, wie zum Beispiel einem Katheterisieren des Gehirns, gehen das Erzeugen von Abbildungen des Gefäßsystems durch Bildgebungsverfahren, wie zum Beispiel Magnetresonanzbildgebung (MRI), voraus. Ein während des Katheterisierens bewirktes Rekonstruieren der Gefäße, das mit einer zuvor erfaßten Abbildung in Deckung gebracht werden könnte, würde es dem Arzt ermöglichen, die Lage der Katheterspitze während des Verfahrens bezüglich der zuvor erfaßten Abbildung zu identifizieren.
In US 5,797,849 wird ein Verfahren zum Rekonstruieren der inneren Oberfläche eines Blutgefäßes derart offenbart, wie es in dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 dargelegt ist. Ultraschallabbildungswandler an der Spitze eines Katheters werden gedreht, um eine kreisförmige 2D-Abbildung eines Querschnitts einer Koronararterie zu erzeugen. Beim langsamen Zurückziehen des Katheters durch die Arterie wird eine Reihe solcher 2D-Abbildungen gestapelt, um eine zusammengesetzte 3D-Rekonstruktion zu bilden. Jedoch wird die Rekonstruktion als ein gerader Schlauch erzeugt, aufgrund des Verfahrens des Messens der Katheterposition. Es ist daher auch notwendig, einen Positionssensor an der Katheterspitze zu umfassen. Eine geeignete 3D-Rekonstruktion kann somit nur mit Hilfe der Kombination der Ultraschallwandler und des Spitzenpositionssensors gebildet werden.
Abriß der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Rekonstruieren der inneren Oberfläche von Blutgefäßen, welche umfaßt:

a) einen Katheter, welcher einen darin enthaltenen Positionssensor aufweist;
b) eine Einrichtung zum Erfassen von Positionsinformationen von dem Sensor an mehreren Punkten in dem Gefäß;
c) eine Einrichtung, welche dazu eingerichtet ist, eine Mittellinie des Gefäßes basierend auf den Positionsinformationen zu berechnen, wobei die Mittellinie den Ort aller geometrischen Mitten aller möglichen Querschnitte des Gefäßes an den besagten Punkten darstellt; und
d) eine Einrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die innere Oberfläche des Gefäßes zu berechnen.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung der Erfindung ferner eine Einrichtung zum Darstellen der Gefäßrekonstruktion.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zum Rekonstruieren von Blutgefäßen ohne Verwendung von Bildgebungsverfahren oder Kontrastmitteln bereitzustellen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zum Rekonstruieren von Blutgefäßen bereitzustellen, die ergänzend zu Verfahren und Vorrichtungen zum Rekonstruieren des Herzens ist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zur Gefäßrekonstruktion bereitzustellen, welche für Rekonstruktionen sorgen kann, die mit zuvor erfaßten Abbildungen des Gefäßsystems zur Deckung gebracht werden können.
Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der untenstehend dargelegten detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter ersichtlich sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Zeichnung der Vorrichtung der Erfindung;
2A zeigt eine zweidimensionale Projektion von Positionen, welche in einem Blutgefäß mit Hilfe eines Katheters erfaßt werden, der einen darin enthaltenen Positionssensor aufweist;
2B zeigt die Projektion der Positionen aus 2A gedreht um 90°,
3A zeigt die Projektion der Positionen aus 2A zusammen mit einer berechneten Gefäßmittellinie;
3B zeigt die Projektion der Positionen und Mittellinie aus 3A gedreht um 90°;
4A zeigt eine Projektion der Punkte und Mittellinie aus 3A mit in Inkrementen gezeichneten Normalvektoren senkrecht zur Mittellinie;
4B zeigt eine Projektion der Punkte, der Mittellinie und der Vektoren aus 4A gedreht um 90° um die vertikale Achse;
5A zeigt eine Drahtgitterrekonstruktion der Gefäßpositionen, die in 2A gezeigt sind;
5B zeigt die Drahtgitterrekonstruktion des Gefäßes aus 5A gedreht um 90°;
5C zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Drahtgitterrekonstruktion aus 5B;
6A zeigt eine schattierte Rekonstruktion der Gefäßpositionen, die in 2A gezeigt sind;
6B zeigt eine schattierte Rekonstruktion des Gefäßes nach 6A gedreht um 90°;
7 zeigt eine Drahtgitterrekonstruktion der Gefäßpositionen aus 2A, worin des Gefäß mit einem Variablen-Radius-Algorithmus rekonstruiert worden ist;
8 zeigt eine schattierte Rekonstruktion der Gefäßpositionen aus 2A, worin das Gefäß mit einem Variablen-Radius-Algorithmus rekonstruiert worden ist;
9A zeigt eine Rekonstruktion der Punkte aus 2A und 2B mit Hilfe eines Algorithmus, der für die Rekonstruktion eines Organs, wie zum Beispiel des Herzens, erstellt worden ist.
9B zeigt die Rekonstruktion aus 9A gedreht um 90°.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Das Verfahren der Verwendung der Vorrichtung der Erfindung zum Rekonstruieren der inneren Oberfläche eines Blutgefäßes mit Hilfe eines Katheters, welcher einen darin enthaltenem Positionssensor aufweist, umfaßt folgende Schritte:

a) Vorbringen des Katheters in das Gefäß;
b) Erfassen von Positionsinformationen von dem Sensor an mehreren Punkten in dem Gefäß;
c) Berechnen einer Mittellinie des Gefäßes basierend auf den Positionsinformationen;
d) Berechnen der inneren Oberfläche des Gefäßes.

Der Positionssensor kann zum Beispiel ein elektromagnetischer, magnetischer oder akustischer Sensor sein. Elektromagnetische Sensoren werden zur Verwendung in dem Verfahren der Erfindung bevorzugt. Beispielhafte Sensoren, Katheter, die die Sensoren enthalten, und Systeme, die die Sensoren und Katheter umfassen, sind zum Beispiel in den US Patenten 4,173,228; 4,697,595; 4,821,731; 5,042,486; 5,081,993; 5,391,199; 5,558,091; 5,729,129; 5,752,513; 5,913,820; und 5,954,665 und in den PCT-Anmeldungen WO 96/05768 und WO 97/24983 beschrieben.
Der Positionssensor dient als eine Empfangsantenne, welche Signale von Feldgeneratoren außerhalb des Körpers empfängt. In einer alternativen Ausführungsform kann der Positionssensor als ein Generator zum Übertragen von Feldern dienen, welche von Antennen außerhalb des Körpers empfangen werden.
Der Positionssensor ist bevorzugt in dem Katheter an oder nahe der distalen Katheterspitze enthalten.
Positionsinformationen, die von dem in dem Katheter enthaltenen Positionssensor erfaßt werden, können verwenden werden, um eine Rekonstruktion oder eine Abbildung der physischen Abmessungen des Gefäßes oder des Gefäßsystems bereitzustellen. Wenn zusätzliche Funktionselemente in dem Katheter enthalten sind, können Zustandsinformationen, die einen Zustand des Blutgefäßes beschreiben, zusammen mit Positionsinformationen erhoben werden. Der Begriff „Zustand", wie er hier verwendet wird, bezieht sich entweder auf eine skalare oder eine Vektorgröße und kann zum Beispiel eine elektrische Eigenschaft, eine Temperatur, einen Druck, einen pH-Wert, ein Maß der lokalen Gefäßbewegung oder jeglichen weiteren Zustand oder Kombinationen davon umfassen. Zum Beispiel ermöglicht das Verwenden eines Katheters, welcher eine elektrophysiologische Elektrode zusätzlich zu einem Positionssensor aufweist, das simultane Erheben von Positions- und elektrischen Zustandsinformationen in dem Gefäß. Beispielhafte elektrische Zustandsinformationen, welche erhoben werden können, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Spannung, Impedanz, Leitungsgeschwindigkeit und lokale Aktivierungszeit (local activation time, LAT). Die kombinierten Positions- und Zustandsinformationen können verwendet werden, um eine Abbildung der Zustandsinformationen als eine Funktion der räumlichen Koordinaten in dem Gefäß zu erzeugen.
Die Katheter können auch andere Funktionselemente zum Bewirken therapeutischer Funktionen innerhalb des Körpers umfassen, wie zum Beispiel Elektroden zum selektiven Abtragen von Gewebe in dem Gefäß oder anderen Organ innerhalb des Körpers.
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zum Ausführen des offenbarten Verfahrens. Die Vorrichtung umfaßt einen Katheter 21 zum Einbringen in den menschlichen Körper. Das distale Ende 24 des Katheters 21 umfaßt einen Sensor 28, welcher Signale erzeugt, die verwendet werden, um die Position und optional die Orientierung des Katheters innerhalb des Körpers zu bestimmen. Der Sensor 28 ist bevorzugt ein elektromagnetischer Sensor, welcher mehrere Spulen umfaßt, wie es in der PCT-Anmeldung WO96/05768 beschrieben ist. Dieser Sensor ermöglicht ein stetiges Erzeugen von bis zu sechs Dimensionen an Positions- und Orientierungsinformationen bezüglich von außerhalb angelegter magnetischer Felder. Alternativ kann Sensor 28 nur eine einzige Abtastspule umfassen, wie es in US Patent 5,913,820 beschrieben ist. Der Sensor 28 kann andere Positions- und/oder Koordina tensensoren umfassen, wie es in US Patent 5,391,199, US 5,443,489 und PCT-Anmeldung WO94/04938 beschrieben ist. Ferner kann die Spitze 22 mit einem lichtundurchlässigen Markierungsmaterial beschichtet sein, um die Spitze unter einer Abbildungsvorrichtung zu visualisieren, wie zum Beispiel einem Fluoroskop.
Das distale Ende 24 des Katheters 21 umfaßt optional einen Funktionsabschnitt 23 neben der distalen Spitze 22 zum Durchführen diagnostischer und/oder therapeutischer Funktionen. Der Funktionsabschnitt 23 umfaßt bevorzugt Elektroden oder Sensoren zum Durchführen elektrophysiologischer Messungen, wie es zum Beispiel in US Patent 5,391,199 oder in der PCT-Anmeldung WO97/24983 beschrieben ist. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Funktionsabschnitt 23 eine weitere diagnostische Vorrichtung zum Erfassen von Parameterwerten an Punkten innerhalb des Körpers umfassen. Der Funktionsabschnitt 23 kann auch eine therapeutische Vorrichtung umfassen, wie sie im Stand der Technik bekannt ist.
Der Sensor 28 liegt bevorzugt neben und in einer festen Beziehung relativ zum Funktionsabschnitt 23 und zu der Spitze des Katheters 21.
Der Katheter 21 umfaßt bevorzugt einen Griff 30, welcher Steuerelemente 32 aufweist, die verwendet werden, um das distale Ende 24 des Katheters 21 in eine gewünschte Richtung zu lenken. Katheter 21 umfaßt bevorzugt einen Lenkmechanismus in dem distalen Ende 24, wie er im Stand der Technik bekannt ist, um ein Repositionieren der Spitze 22 zu erleichtern.
Der Katheter 21 ist mittels eines Erweiterungskabels 25 an eine Konsole 34 gekoppelt, welche es dem Nutzer ermöglicht, die Funktion des Katheters 21 zu beobachten und zu regeln. Die Konsole 34 umfaßt bevorzugt einen Computer 36, eine Tastatur 38, Signalverarbeitungsschaltungen 40, die typischerweise in dem Computer 36 liegen, und eine Anzeige 42. Üblicherweise empfangen, verstärken, filtern und digitalisieren die Signalverarbeitungsschaltungen 40 Signale vom Katheter 21, umfassend Signale vom Sensor 28 und dem Funktionsabschnitt 23, wonach diese digitalisierten Signale von dem Computer 36 verwendet werden, um die Position und/oder Orientierung der Katheterspitze 22 zu berechnen und Zustandsinformationen festzuhalten, die von dem Funktionsabschnitt 23 gemessen werden.
Alternativ können geeignete Schaltungen zu dem Katheter selbst gehören, so daß die Schaltungen 40 Signale empfangen, die bereits verstärkt, gefiltert und/oder digitalisiert sind. Be vorzugt umfaßt der Computer 36 einen Speicher zum Speichern von Positions- und Zustandsinformationen. Der Computer 36 umfaßt ebenso eine Einrichtung zum Festhalten von Abbildungen aus einem Abbildungsverfahren mit Hilfe entweder eines Video- oder eines DICOM-Protokoll-Interfaces. Der Computer 36 umfaßt ferner bevorzugt dedizierte Graphik-Hardware zum schnellen Berechnen der Gefäßrekonstruktionen und zu deren Anzeigen auf Anzeige 42. Bevorzugt ist der Computer ausgestattet, ECG-Signale der Körperoberfläche von dem ECG-Monitor 37 zu empfangen, welcher mit mehreren ECG-Körperoberflächenanschlüssen 52 verbunden ist. Alternativ kann ein ECG-Überwachen auch direkt von den Schaltungen 40 durchgeführt werden. Da Blutgefäße als Funktion des Herzzyklus eine Bewegung durchlaufen, ermöglicht das Verwenden des Körperoberflächen-ECGs die Tastung der Positionsinformationen und der resultierenden Rekonstruktion auf einen einzelnen Punkt im Herzzyklus.
Bei der Rekonstruktion des Gefäßes aus den Positionsinformationen, welche an mehreren Erfassungspunkten von dem Positionssensor erfaßt werden, wird ein Algorithmus verwendet. Die Eingabe an den Algorithmus besteht aus einer Reihe dreidimensionaler Sensororte P₁, P₂, ... P_n, welche innerhalb des Gefäßes erfaßt werden, so daß P_i = (x_i, y_i, z_i), wobei x_i, y_i und z_i die speziellen Koordinaten des i-ten Erfassungspunktes sind.
2A zeigt eine zweidimensionale Projektion der Positionen der Punkte 26, an denen Positionsinformationen mit Hilfe des obenstehend beschriebenen Katheters und Sensors erfaßt werden. 2B zeigt das Diagramm der Erfassungspunkte aus 2A gedreht um 90° um die vertikale Achse aus 2A.
Der in dem Verfahren der Verwendung der Vorrichtung der Erfindung verwendete Algorithmus nähert die innere Oberfläche des Gefäßes so an, daß Querschnitte des Gefäßes senkrecht zu der Gefäßmittellinie kreisförmig oder nahezu kreisförmig in ihrer Form sind. Ein Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet wird zu erkennen wissen, daß das Verfahren angewendet werden kann, um Rekonstruktionen zu erzeugen, welche andere Querschnittsformen aufweisen, wie zum Beispiel eine elliptische oder polygonale Form.
Das Gefäß wird in zwei Schritten rekonstruiert: Zuerst wird die Mittellinie des Gefäßes berechnet. Dann wird die Gefäßwand von geeignetem Radius oder Querschnitt um die Mittellinie berechnet.
Berechnung der Gefäßmittellinie
Wir verwenden d_ij = ||P_i – P_j||, den Abstand zwischen Abtastpunkt P_i und P_j, um einen Extrempunkt, P_m, (28 in 2A) zu finden, welches der Abtastpunkt ist, der von allen anderen Abtastpunkten am weitesten entfernt liegt, d. h.
Mit anderen Worten berechnen wir für jeden Punkt den Abstand von dem Punkt zu allen anderen Punkten. Der Extrempunkt, P_m, ist der Punkt, welcher den größten Abstand zu den anderen Punkten aufweist. Der Abstand zwischen den Punkten, auf denen die Auswahl von P_m zu basieren ist, wird, wie in obiger Gleichung, als die Summe der Quadrate der Abstände zwischen Punkten bewertet.
Wir bezeichnen den Abstand zwischen einem Abtastpunkt, P_i, und dem Extrempunkt, P_m, mit d_i, d.h., d_i = d_m.
Es sei d = maxd_i, dem maximalen Abstand zwischen dem Extrempunkt und jeglichem anderen Punkt. Wir können dann t_i definieren als:
Die Gefäßmittellinie ist eine eindimensionale Linie, die im dreidimensionalen Raum eingebettet ist. Die Mittellinie stellt den Ort aller geometrischer Mitten aller möglichen Querschnitte des Gefäßes dar.
Wir suchen eine parametrische Darstellung der Gefäßmittellinie, welche von der Form ist: F(t) = (X(t), Y(t), Z(t)) t ∊ [0, 1], wobei X(t), Y(t) und Z(t) Funktionen von t sind, die die Koordinaten der Mittellinie darstellen.
Jeder Ort P_i weist einen entsprechenden Punkt F(t_i) auf, den Punkt auf der Mittellinie nächstliegend zu P_i. Die Darstellung der Mittellinie F(t) minimiert bevorzugt den Abstand zwischen der Mittellinie und den Abtastpunkten im Sinne eines Verfahrens der kleinsten Quadrate, d.h. ||F(t_i) – P_i||² ist minimal über dem Funktionsraum.
Die folgenden Reihen von Polynomen des Grades k werden zum Berechnen der Mittelliniendarstellung verwendet:
Wir beabsichtigen, ein Polynom von ausreichend hohem Grad, um in der Lage zu sein, die Daten zu fitten, jedoch von ausreichend niedrigem Grad zu verwenden, um ein Überfitten der Daten zu vermeiden. In der Praxis wird ein polynomischer Fit dritten Grades bevorzugt, d.h. ein Fit, in dem k = 3 ist.
Für jede der obigen polynomischen Gleichungen (eine für jede Koordinatendimension) lösen wir ein System linearer Gleichungen, deren Unbekannten die Koeffizienten a_j, b_j und c_j (j = 0, ..., k) sind. Das Gleichungssystem setzt die Polynome X(t), Y(t) und Z(t) mit den jeweiligen Koordinaten jedes der erfaßten Datenpunkte nach den folgenden Gleichungen gleich: X(ti) = xi i = 1, ..., n Y(ti) = yi i = 1, ..., n Z(ti) = zi i = 1, ..., n
Die Singulärwertzerlegung ist ein robustes, bevorzugtes Verfahren zum Lösen dieser Gleichungssysteme (siehe zum Beispiel, „Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing", William T. Vetterling (Editor), Saul A. Teukolsky, William H. Press (Editor), and Brian P. Flannery, Cambridge University Press, pp 59–70, 1997).
3A zeigt eine zweidimensionale Projektion der ursprünglichen Erfassungspunkte und der berechneten Mittellinie 29. 3B zeigt die Punkte und Mittellinie aus 3A gedreht um 90°.
Berechnung der Gefäßwand um die Mittellinie
Wie obenstehend gezeigt, nähert der Algorithmus, der in dem Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung der Erfindung verwendet wird, die innere Oberfläche der Gefäßwand so an, daß Querschnitte des Gefäßes senkrecht zur Gefäßmittellinie der Form nach kreisförmig oder polygonal sind. Daher modelliert die Rekonstruktion das Gefäß als Ganzes als der Form nach schlauchförmig.
Eine dreidimensionale Rekonstruktion um die Mittellinie kann ausgeführt werden, um einen Schlauch von entweder festgelegtem oder variablem Radius (festgelegtem oder variablem Querschnitt) zu erzeugen.
Die Rekonstruktion des Gefäßes als ein Schlauch wird durch Berechnen kreisförmiger oder polygonaler Schnitte oder Querschnitte um und bevorzugt senkrecht zu der Mittellinie und durch Verbinden der Schnitte miteinander zum Bilden eines Schlauches ausgeführt.
Die Tangente zu der Mittellinie kann durch die folgenden Reihen von Gleichungen ausgedrückt werden:
wobei
Bezeichnet man
kann einer der Einheitsvektoren normal zu der Mittellinine ausgedrückt werden als:
4A zeigt die Punkte und die Mittellinie aus 3A mit in Inkrementen gezeichneten Normalvektoren 41 senkrecht zur Mittellinie. 4B zeigt die Punkte, die Mittellinie und die Vektoren aus 4A gedreht um 90° um die vertikale Achse.
Ein weiterer Einheitsvektor normal zur Mittellinie, welcher senkrecht zu dem vorhergehenden Vektor liegt, kann ausgedrückt werden durch die Gleichung: N1(t) = D(t) × N0(t).
Zwei zusätzliche Einheitsvektoren sind –N₀(t) und –N₁(t). Demnach ist ein Satz von vier Vektoren N⁰(t) normal zur Mittellinie F(t) entgegen dem Uhrzeigersinn in 90°-Inkrementen um die Mittellinie wie folgt geordnet: N0(t) = (N0(t), N1(t), –N0(t), –N1(t));
N⁰(t) ist eine sehr grobe Abtastung des aus der Mittellinie hervorgehenden und auf einen Kreis um die Mittellinie F(t) projizierenden Vektors. Bei einem gegebenen Satz von Vektoren Nⁱ(t), welche den Kreis um die Mittellinie abtasten, liegen zusätzliche Vektoren in der Richtung der Summe zuvor berechneter Vektoren. Daher kann bei einem gegebenen Satz von vier Vektoren, N⁰(t), der Satz auf einen neuen Satz, N¹(t), erweitert werden, welcher acht Vektoren, wie untenstehend dargestellt, umfaßt: Ni+12j (t) = Nij (t) Ni+12j+1 (t) = η(Nij (t) + Nij+1 (t)).
Ein weiterer Satz von Vektoren, N²(t), welcher 16 Vektoren umfaßt, kann in ähnlicher Weise aus N¹(t) erzeugt werden, usw.
Schließlich sei r der Radius des Schlauches um irgendeinen Punkt der Mittellinie. Für einen Schlauch von festem Radius ist ein Punkt auf der Oberfläche des Schlauches um die Mittellinie F(t), welcher dem Vektor N_i(t) entspricht, Si(t) = F(t) + rNi(t).
Der Radius r des Schlauches kann basierend auf den Positionsinformationen der Punkte und deren Abständen von der Mittellinie gewählt werden. Zum Beispiel kann der Radius r als der Mittelwert oder der Median der Abstände der Punkte von der Mittellinie gewählt werden. Alternativ kann die Rekonstruktion mittels eines Wertes von r durchgeführt werden, der von dem Nutzer ausgewählt wird, welcher für die Abmessungen des zu rekonstruierenden Gefäßes typisch ist.
Eine Drahtgitterrekonstruktion des schlauchförmigen Gefäßes wird aus kleinen rechteckigen Stücken zusammengesetzt, deren Eckpunkte S_i(t), S_i(t + Δ), S_i+1(t + Δ), S_i+1(t) sind, d.h., Punkte, die zwei benachbarten Vektoren in einem Schnitt entsprechen, wobei jeder der Punkte mit entsprechenden Punkten auf dem nächsten benachbarten Schnitt oder Querschnitt des Schlauches verbunden ist. 5A zeigt die Drahtgitterrekonstruktion der Punkte, der Mittellinie und der ersten Vektoren aus 4A. 5B zeigt die Drahtgitterrekonstruktion aus 5A gedreht um 90° um ihre vertikale Achse. 5C zeigt eine vielfach vergrößerte Ansicht eines Abschnittes der Drahtgitterrekonstruktion aus 5B. In der Rekonstruktion, wie in 5C zu sehen ist, ist jeder Schnitt der Rekonstruktion aus einem 16-seitigen Polygon zusammengesetzt. Es ist ersichtlich, daß bei Erhöhen der Anzahl der Seiten des Polygons die Gefäßrekonstruktion kreisförmiger im Querschnitt erscheinen wird. Jeder Eckpunkt des Polygons stellt den Radius (nicht gezeigt) ausgehend von der Mittellinie (nicht gezeigt) in der Richtung eines der zuvor genannten Einheitsvektoren dar. Die Seiten des Polygons werden durch Verbinden benachbarter Eckpunkte innerhalb eines Schnitts mit geraden Linien erzeugt. Die Quadrate, die die Schnitte verbinden, werden durch Verbinden der entsprechenden Eckpunkte auf benachbarten Schnitten mit geraden Linien erzeugt.
Die Rekonstruktion wird vervollständigt durch Schattieren der Quadrate, welche die Drahtgitterrekonstruktion bilden. 6A und 6B zeigen die jeweils schattierten Rekonstruktionen der 5A und 5B. Mit Hilfe üblicher graphischer Methoden, die im Stand der Technik bekannt sind (siehe z.B. „OpenGL(r) 1.2 Programming Guide, Third Edition: The Official Guide to Learning OpenGL, Version 1.2", Mason Woo et. al., Addison-Wesley Publishing Company, New York, NY, 1999), können die einzelnen Rechtecke, die die Drahtgitterrekonstruktion ausmachen, mit Hilfe einer Grauskala oder Farbskala schattiert werden, um der an sonsten ebenen zweidimensionalen Darstellung der dreidimensionalen Gefäßstruktur Perspektive zu verleihen. Alternativ dazu kann die Drahtgitterrekonstruktion, wenn Positionsinformationen zusammen mit Zustandsinformationen mit Hilfe eines Katheters erhoben werden, der sowohl einen Positions- als auch einen Zustandssensor aufweist, schattiert oder koloriert werden, so daß die Farben oder Schattierungen der einzelnen Quadrate verschiedene Werte der Zustandsinformationen als Funktion der Gefäßkoordinaten darstellen.
Wie obenstehend gezeigt, kann das Verfahren verwendet werden, um eine Rekonstruktion des Gefäßes bereitzustellen, welche entweder einen festen oder einen variablen Querschnitt aufweist. Eine Rekonstruktion eines Schlauches mit einem variablen Radius oder Querschnitt erfordert eine modifizierte Schnittformel: Si(t) = F(t) + r(t)Ni(t),wobei r(t), der Schnittradius um die Mittellinie F(t), selbst eine Funktion von (t) ist.
Wie oben gezeigt, weist jeder Abtastpunkt, P_i, einen entsprechenden Punkt auf der Mittellinie, F(t_i), auf, zu dem er nächstliegend ist. Der Abstand von P_i zu seinem entsprechenden Punkt F(t_i) auf der Mittellinie, ||P_i – F(t_i)||, ist eine Angabe des Gefäßradius bei F(t_i). Der Radius eines Schnittes kann durch Mitteln der Abstände zwischen Abtastpunkten und deren entsprechenden Mittellinienpunkten in der Nähe der Schnittmitte bestimmt werden. Für jeden Schnitt kann Punkten, die näher zu dem Schnitt liegen, größeres Gewicht bei der Berechnung des Mittelwertes beigemessen werden. Mit anderen Worten kann der Radius eines Schnittes als ein gewichtetes Mittel des Abstandes zwischen den Punkten zu der Mittellinie berechnet werden, wobei ein größeres Gewicht den Punkten, die näher an dem Schnitt liegen, beigemessen wird.
7 und 8 zeigen jeweils die Drahtgitter- und die schattierte Rekonstruktion der Positionsinformationen aus 2A mit Hilfe des obenstehend beschriebenen Variablen-Radius-Rekonstruktionsalgorithmus.
Die Entscheidung, das Gefäß mit einem festen oder variablen Radius zu rekonstruieren, hängt von einer Anzahl von Faktoren ab. Eine Rekonstruktion hoher Qualität eines Schlauches mit variablem Radius erfordert, daß eine größere Anzahl an Datenpunkten um den Gefäßquer schnitt genommen wird. Dieses Erfordernis überträgt sich in längere Verfahrenszeiten zum Erfassen der Punkte. Alternativ kann ein Schlauch mit festem Radius aus weniger Datenpunkten um den Gefäßquerschnitt rekonstruiert werden, welche zum Beispiel durch einfaches Durchqueren des Katheters durch das Gefäß erfaßt werden können. Eine Rekonstruktion mit festem Radius wäre unempfindlich bezüglich Variationen des Querschnitts des Gefäßes, würde aber, nichtsdestotrotz, erwartungsgemäß die dreidimensionale Gefäßform korrekt darstellen.
Wie zuvor gezeigt, offenbaren die gleichzeitig anhängigen gemeinsam übertragenen Anmeldungen 09/357,559 und EP-A-0 974 936 Verfahren des Abbildens der elektrischen Aktivität des Herzens. Die in diesen Anmeldungen offenbarte Rekonstruktion wird bewirkt durch Erzeugen einer vorläufigen Abbildung durch Definieren einer anfänglichen, geschlossenen dreidimensionalen gekrümmten Oberfläche, bevorzugt eines Ellipsoiden, in einem Rekonstruktionsraum im Volumen der Abtastpunkte. Die geschlossene Kurve wird grob an eine Form angepaßt, welche einer Rekonstruktion der Abtastpunkte gleicht. Danach wird eine flexible Anpaßstufe ein oder mehrere Male wiederholt ausgeführt, um die geschlossene Kurve dahin zu bringen, der Form des tatsächlich zu rekonstruierenden Volumens zu gleichen. Die Daten aus 2A und 2B wurden mit Hilfe des Algorithmus dieser gleichzeitig anhängigen Anmeldungen rekonstruiert, und schattierte Rekonstruktionen der Daten mit Hilfe jener Verfahren sind in 9A und 9B gezeigt. Es ist ersichtlich, daß das Verfahren des Verwendens der Vorrichtung der Erfindung erfolgreich Gefäße realistischer rekonstruiert als die obenstehend offenbarten Verfahren, die für Herzrekonstruktionen erstellt wurden.
Obwohl diese Erfindung in Verbindung mit ihren am meisten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird es demjenigen, der diese detaillierte Beschreibung durchsieht, leicht ersichtlich sein, daß zahlreiche zusätzliche Ausführungsformen in den Umfang der beanspruchten Erfindung fallen, wie sie in den nachfolgend erscheinenden Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

Vorrichtung zum Rekonstruieren der inneren Oberfläche eines Blutgefäßes, welche umfaßt: a) einen Katheter (21), welcher einen darin enthaltenen Positionssensor (28) aufweist, und b) eine Einrichtung (40) zum Erfassen von Positionsinformationen von dem Sensor (28) an mehreren Punkten (26) in dem Gefäß; c) eine Einrichtung (36), welche dazu eingerichtet ist, die innere Oberfläche des Gefäßes zu berechnen; dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ferner umfaßt: (d) eine Einrichtung (36), welche dazu eingerichtet ist, eine Mittellinie (29) des Gefäßes basierend auf den Positionsinformationen zu berechnen, wobei die Mittellinie den Ort aller geometrischen Mitten aller möglichen Querschnitte des Gefäßes an den besagten Punkten (26) darstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner eine Einrichtung (42) zum Darstellen der Rekonstruktion umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensor ein elektromagnetischer Sensor (28) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche des weiteren Mittel (30, 32) zum Vorbringen des Katheters (21) in das Gefäß umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Mittellinie (29) als eine parametrische Funktion berechnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die parametrische Funktion eine Polynomform ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Abstände zwischen den Erfassungspunkten (26) und entsprechenden Punkten auf der Mittellinie (29) minimiert werden, welche zu den Erfassungspunkten nächstliegend sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Abstände im Sinne einer Fehlerquadratmethode minimiert werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welche dazu eingerichtet ist, das innere Gefäß als Oberfläche mit annähernd rundem Querschnitt zu rekonstruieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welche dazu eingerichtet ist, Schnitte des Gefäßes und die Mittellinie (29) zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Schnitte senkrecht zu der Mittellinie (29) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Schnitte senkrecht zur Mittellinie (29) einen festen Querschnitt oder einen variablen Querschnitt aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welche dazu eingerichtet ist, den Abstand von jedem Punkt auf der Rekonstruktion zu der Mittellinie (29) als eine Funktion der Abstände der Erfassungspunkte (26) zu der Mittellinie zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Abstand von jedem Punkt auf der Rekonstruktion zu der Mittellinie ist: der gemittelte Abstand der Erfassungspunkte (26) zu der Mittellinie (29); oder der Medianwert des Abstandes der Erfassungspunkte (26) zu der Mittellinie (29); oder ein gewichtetes Mittel der Abstände der Erfassungspunkte (26) zu der Mittellinie (29), wobei bevorzugt das gewichtete Mittel naheliegenden Erfassungspunkten ein größeres Gewicht beimißt.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, welche Mittel umfaßt, wodurch der Abstand von dem Anwender gewählt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, welche ferner eine Einrichtung (23) zum Erfassen von Zustandsinformationen an den Erfassungspunkten (26) umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, welche dazu eingerichtet ist, eine Farbkennzeichnung zum Darstellen von Werten der Zustandsinformationen zu verwenden.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, welche eine Einrichtung (36) zum Interpolieren von Werten der Zustandsinformationen auf der Gefäßoberfläche zwischen den Erfassungspunkten (26) umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, welche eine Einrichtung (25) zum Verschieben des Katheters (21) in dem Gefäß umfaßt, während die Positionsinformationen erhalten werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Positionsinformationen durch Abtasten von Punkten (26) auf der Gefäßwand um den Gefäßquerschnitt erhältlich sind.