心内超声探头实时定位技术的仿真实验

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0020

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

消融手术中导管定位方法：主要有三维磁场定位法和三维电场定位法2种。磁场导管定位方法使用固定在手术床下的3个线圈来分别产生磁场，然后用埋藏在消融导管头部附近的探测线圈来感知3个定位磁场的强度，以此得到导管在磁场中的位置，使用此方法进行定位时，要求患者不能相对病床发生移动，否则会出现较大的定位误差；电场定位方法采用粘贴在患者皮肤表面的3对电极片产生的3个正交电场来定位，手术中埋藏在导管头部的电极用来分别探测3个电场的电场强度，以此来确定导管头部在心脏中的位置。

心内超声探头实时定位技术：以“地形”匹配技术来确定导管探头位置，具体方式如下：术前根据扫描设备(例如CT、MRI等)获得扫描数据建立心内膜表面模型，术中用超声探头获得的扫描数据重建心内膜局部表面模型，然后通过该局部表面模型与术前扫描设备获得的全局表面模型进行特征匹配，最终反求得超声探头位置。

背景：目前心脏消融手术中主要使用三维磁场定位和三维电场定位两种导管定位方法，但所需设备均较昂贵。

目的：将超声探头与消融导管组合起来提出一种新的消融导管定位方法。

方法：通过人体全身解剖数据集获取人体心脏的三维数据，建立心内膜表面的三维矢量模型；设计计算定位用超生探头的基本参数及扫描策略，编制相应的仿真计算软件；以所建的三维心内膜矢量模型为照射目标，通过仿真计算获得超声探头的探测数据；对仿真得到的探测数据进行数据处理，获得由探测数据重建的目标表面特征；将重建的目标表面特征与所建矢量模型的表面特征进行匹配，最终反求确定探头的位置。

结果与结论：基于解剖数据集建立了精确的心内膜三维模型，并通过对其的模拟超声照射获得了超声曲面探测数据，重建的曲面模型精度高，与所建的心内膜三维模型上的目标区域有较好的匹配性，反求出的探头位置与其理论位置误差满足定位精度要求。利用超声成像技术实现对消融导管探头的术中定位方法，能够实现导管探头在心脏中的精确定位，为手术实施提供精确可靠的导航作用。

ORCID: 0000-0003-4636-2827(李向飞)

关键词: 生物材料, 心内膜模型, 三维重建, 超声成像, 定位方法, 消融手术, 特征匹配, 实时定位

Abstract:

BACKGROUND: Three-dimensional magnetic field positioning and three-dimensional electric field positioning are two main technologies used in heart ablation, but their required equipments are very expensive.

OBJECTIVE: To develop a new method of ablation catheter positioning by combining ultrasonic probe with ablation catheter.

METHODS: Three-dimensional data of human heart were obtained from the anatomical data set of the body, and then a three-dimensional vector model of the endocardial surface was established. The basic parameters and scanning strategy of ultrasonic probe were designed and calculated, to compile a corresponding simulation software. Based on the three-dimensional endocardial vector model, the detection data of the ultrasonic probe were obtained by simulation calculation and processed. Then, the target surface characteristics were reconstructed, matching with the surface features of the proposed vector model. The position of the probe was finally determined.

RESULTS AND CONCLUSION: The three-dimensional model of the endocardium was established based on the anatomical data set, and the ultrasonic surface detection data were obtained by the simulated ultrasonic irradiation. The reconstructed surface model with high accuracy exhibited a desired match with the target area in the three-dimensional model of endocardium. The error of the probe position and its theoretical position fulfilled the requirement of positioning accuracy. In conclusion, the use of ultrasonic imaging technology can accurately position the catheter probe in the heart during heart ablation, providing an accurate and reliable navigation for the implementation of heart ablation.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Endosonography, Catheter Ablation, Endocardium, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 1

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引言

材料方法

1.1 设计计算机模拟实验。

1.2 时间及地点实验于2016年10月至2017年3月在郑州大学反求与测量工程实验室完成。

1.3 材料

数据来源：美国国立医学图书馆建立的成年男子全身解剖数据集^[6]，共1 878张层CT切图像，每张图像象素 2 048×1 216，体元大小0.33 mm×0.33 mm×1.00 mm。实验选取胸腔部分的149张图像并按顺序编号为1-149进行分析。

设备：联想ThinkPad E550计算机，Intel Core i5四核处理器，内存8 GB，Windows1064位操作系统。

1.4 实验方法

1.4.1 心内膜三维模型建立在此次实验中，对美国国立医学图书馆建立的成年男子全身解剖数据集提供的1 878张层切图像进行处理，以此建立心内膜的三维模型。具体方法如下：首先选取目标区域心脏所在的层切图像共149张，然后对层切图像依次进行以下处理：应用MATLAB软件切割出包含目标所在的区域，范围大小为300×325，然后对切割区域进行二值化处理、边缘提取、剔除干扰点保留目标轮廓，将保留的目标轮廓二维坐标点提取到excel表格中并按照层切图像顺序加上三维坐标，将excel表格中的数据导入到AutoCAD中，转换成DXF文件，最后将DXF文件在Geomagic Studio 12软件中打开，包装成三维模型。流程图如图1所示。

在未来的实际工作中，可在术前用CT、MRI等扫描设备获得目标器官的三维数据，建立心内膜的三维矢量模型。

1.4.2 超声扫描及数据获取此次实验设想的导管定位方法是，采用超声成像技术实现对消融导管探头的术中定位，而影响超声数据获取的主要因素主要有：超声换能器相控阵的排布方式，相控阵扫描面的选取，扫描面面间距的确定等。

超声换能器相控阵有多种布置方式，此次实验重点讨论的是环型排布。因为需要将换能器设计在消融导管上，并在术中将消融导管通过血管投放到心脏的心室或心房中，所以从导管的形状和工作环境等多方面考虑，此次实验确定采用环型换能器排布，如图2所示。超声换能器的阵元均匀分布在直径为2 mm的圆形面上，根据实际情况来确定超声换能器阵元的数量N，根据材料等限制，直径2 mm的圆上换能器阵元的数目确定为12个^[7]。超声换能器扫描的数据最终要重建心内膜的局部三维模型，所以将超声换能器的扫描面确定为平面，以便于后续三维重建工作的展开，扫描点是以纵横间距为1 mm的网格线交点组成扫描面。扫描面面间距与定位精度是密切相关的，所以影响因素有所要求的定位精度，所提供数据的精度、三维重建的精度及超声换能器在导管中的安装位置等。综合以上所有因素确定扫描面初始位置与超声换能器平面间距为 15 mm，扫描面面间距为1 mm，如图3所示。

超声波在应用中有纵波、横波、表面波、兰姆波等几种不同的波型。在一定条件下，波型可相互之间转换，而且不同的波型，其在介质中的传播速度也有所不同。其计算公式为：

纵波声速：

如图3所示，当声束以P点为聚焦点，其焦距为F，发射声波聚焦时，换能器上的阵元按照一定的时间差被激发，各阵元按设计的延时先后发射超声波，在介质内合成新的波阵面，声束在焦点处实现聚焦。各个阵元发射的声波在焦点P处因同相相互叠加而增强，在焦点P处以外则因异相叠加而减弱，甚至相互抵消^[9]。

以规定的第一个阵元为参考，根据几何声程差可计算出从各阵元发射处的声波在焦点P处聚焦时的相对延迟时间，为：

1.4.3 心内膜表面的三维重建在此次实验中，首先将超声扫描获得的点云数据，通过Geomagic Studio 12软件进行三维重建，具体重建步骤参照心脏内膜的三维重建步骤，重建三维模型如图4所示。

1.4.4 导管定位算法此次实验设想将通过超声数据重建心内膜三维模型与术前建立的心脏内膜三维矢量模型进行剖面或曲面特征匹配，来确定超声换能器在心脏内的精确位置，然后再通过换能器与导管的位置关系来计算出导管顶端的精确位置。

在此次实验中，基于超声数据所建立的三维模型与术前建立的心脏内膜三维模型配准采用的是ICP算法^[10]。ICP算法是为了找到重建的三维模型与术前建好的心内膜模型之间的平移T和旋转R变换，使得两匹配数据之间满足某种度量准则下的最优贴合。算法主要有计算数据间的最近点对和计算对应点集之间的刚体变换两部分。

对于术前重建的心脏内膜三维模型数据M和术中超声扫描的数据对应点集D，通过两坐标系之间的平移和旋转，使得对应点集M和D中的对应点间的距离最小。

可以获得两个点集M和D的坐标，其坐标点数为n个:

其中，R是3×3的旋转矩阵，T是3×1的平移矩阵。ICP算法最终收敛到目标值，即得到最佳的R_b和T_b使：

四元数与欧拉角相比对姿态转动的描述更简洁，并且四元数方程是线性微分方程，具有精度高、速度快及不会出现奇异解等优点，因此此次实验采用四元数算法来最优化解析这个最优问题。

四元数其实是一个高阶复数，带有1个实部和3个复部，使用四元数表示时，需要计算3个平移参数和4个旋转参数来评估2个点集之间的相对移动。这些参数组成一个向量q=[q_r，q_R]，q_R表示旋转向量，q_r表示平移向量。目标函数可表达为：

现选取超声探头扫描方向为(-1，0，0)，超声换能器中点O坐标为(110，68，45)，目标点A坐标为(70，68，45)即为离超声探头最远的点，超声换能器到目标点的焦距为F=40 mm，通过超声换能器扫描得到的目标点的坐标A’为(70.440 3，68.493 9，44.467 8)。由以上条件反推超声换能器中点坐标O’如下：OA与A’O’的模相等方向相反即F’=40 mm， =(1，0，0)可得出O’点坐标为(110.440 3，68.493 9，44.467 8)，误差为0.810 1 mm，方向(0.440 3，0.493 9，0.467 8)。导管大头电极位置只需根据介入导管实际尺寸加上对应值即可，误差与O'点一致。(位置坐标单位均为mm)。

1.5 主要观察指标由目标靶点在2个模型上对应点的坐标在通过配准向量配准后，两坐标之间的误差值和误差方向，来确定该算法的定位精度。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

讨论

实验提出了一种在心脏消融手术中消融导管术中定位的方法。该方法是以“地形”匹配技术来确定导管探头位置，具体方式如下：术前根据扫描设备(例如CT、MRI等)获得扫描数据建立心内膜表面模型，术中用超声探头获得的扫描数据重建心内膜局部表面模型，然后通过该局部表面模型与术前扫描设备获得的全局表面模型进行特征匹配，最终反求得超声探头位置。为了验证上述思路和路径的正确性，做了仿真实验：心内膜全局模型的获得；超声数据的产生方法；局部心内膜表面模型的生成；局部与全局模型的匹配与超声探头定位算法；实例仿真实验；实验结果分析及结论^[12-24]。仿真实验以美国国立医学图书馆建立的成年男子全身解剖数据集作为原材料，建立人体的心脏内膜三维模型，然后把这个三维模型作为“真实的心脏”，用超声换能器对其进行照射，模拟导管在人体心脏内部使得照射情况，获得扫描数据后进行三维重建，拿重建的三维模型和“真实的心脏”进行特征匹配，然后进行定位和导航，最终找到靶点位置进行消融。

在心脏射频消融手术中，现有的2种方法(三维磁场定位法和三维电场定位法)都是在手术过程中对患者心脏腔室进行三维建模(左心房重建时间为9-18 min)^[25]，然后再将消融导管放入到心脏腔室中进行定位导航，直到找到目标靶点，而此次实验提供的方法是在术前就获得患者心脏的扫描数据并进行三维建模，在手术过程中，直接将消融导管放入到心脏腔室中，用超声换能器进行扫描获得扫描数据并建立扫描数据的三维模型，因为超声数据建立三维模型的方法已集成在一个模块当中，直接导入数据然后导出模型即可完成局部模型重建工作，从超声换能器开始扫描到导出三维模型可在2 min内完成，显著缩短了手术时间，能够满足手术的要求。而且采用此次实验提供的方法时，手术过程中无需X射线照射，也减少了X射线对人体的伤害，更加安全简便^[26-34]。

在实际的临床手术中，术前要得到患者心脏的扫描数据(例如CT、MRI等扫描设备获得的扫描数据)，建立患者心脏内膜的三维模型，然后术中通过导管进入到心脏中的超声换能器照射心脏内腔的真实情况，获取超声扫描数据，建立局部心内膜模型，然后将2个模型进行配准定位和导航，找到目标靶点进行消融。其中，在术前建立心内膜表面模型时，需要提前采集到患者心脏部分的扫描数据，而为了保证采集到的扫描数据为心脏同一状态(收缩或者舒张)下的数据，以心电图来控制扫描设备对心脏进行扫描，完成术前扫描数据的采集^[35-43]，通过实时心电图来控制扫描设备对心脏进行扫描，获取心脏同一状态下的扫描数据。超声换能器扫描心脏内膜时，心脏所处的状态应该与术前扫描设备扫描心脏获取扫描数据时的状态保持一致，以确保2个模型是同一种心脏状态下的模型。从仿真实验到实际临床应用还有很大一段路要走，但是仿真实验的结果是真实可信的，能够为临床应用提供宝贵的经验。仿真实验验证了该方法思路的正确性，缩短了手术时间，满足手术精度要求，可为手术实施提供精确可靠的导航作用。

实验提出的一种在心脏消融手术中消融导管术中定位的方法通过理论研究，对其提出的各种目标都是能够实现的，并且能够满足心脏消融手术中对消融导管定位的精度与要求，并且能够为心脏消融手术顺利进行提供导航作用。实验提出的在心脏消融手术中消融导管术中定位方法的应用前景广阔，实验所做的研究只局限在理论研究的范畴内，并且只能保证该方法理论上的可行性，距离实际的临床应用还有很大的差距，还需要开展进一步的工作。笔者希望这一技术能够早日应用到实际治疗当中，为心脏消融手术提供最优化的服务，也为消融手术中导管定位方法提供些许的参考价值。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程