用于復(fù)雜心律失常的新型三維標(biāo)測(cè)系統(tǒng)研究

牟文英，馬長(zhǎng)生，蔣晨曦，李松南，桑才華，湯日波，董建增

心血管診療技術(shù)與器械教育部工程研究中心；北京市心腦血管醫(yī)療技術(shù)與器械工程技術(shù)研究中心；北京市心血管疾病防治辦公室；首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院 心臟內(nèi)科中心，北京100029

用于復(fù)雜心律失常的新型三維標(biāo)測(cè)系統(tǒng)研究

牟文英，馬長(zhǎng)生，蔣晨曦，李松南，桑才華，湯日波，董建增

心血管診療技術(shù)與器械教育部工程研究中心；北京市心腦血管醫(yī)療技術(shù)與器械工程技術(shù)研究中心；北京市心血管疾病防治辦公室；首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院 心臟內(nèi)科中心，北京100029

目的 房顫、室速、室顫等復(fù)雜心律失常的臨床診治和機(jī)制研究需要獲取心內(nèi)膜、心外膜共同標(biāo)測(cè)的三維電解剖信息，現(xiàn)有的標(biāo)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為滿足這一特有需要，本文進(jìn)行新型三維標(biāo)測(cè)系統(tǒng)方案研究。方法 該系統(tǒng)從臨床實(shí)際需要出發(fā)，基于磁場(chǎng)定位原理，借助磁定位軟件，實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)管的多點(diǎn)同步磁定位；基于三維重建技術(shù)、圖像與信息融合技術(shù)，利用拓?fù)溆成浞椒ǎY(jié)合心外膜分區(qū)技術(shù)，建立心內(nèi)膜、心外膜及其共同標(biāo)測(cè)的電解剖圖。結(jié)果 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)初步結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的新型三維標(biāo)測(cè)系統(tǒng)能夠進(jìn)行心內(nèi)膜及對(duì)應(yīng)區(qū)域心外膜標(biāo)測(cè)，滿足復(fù)雜心律失常的臨床診治及機(jī)制研究的特有需要。結(jié)論 新型標(biāo)測(cè)系統(tǒng)為復(fù)雜心律失常的臨床診治及機(jī)制研究開辟了新途徑。

心臟標(biāo)測(cè)；心外膜標(biāo)測(cè)；復(fù)雜心律失常；心內(nèi)膜心外膜聯(lián)合標(biāo)測(cè)；三維標(biāo)測(cè)

引言

心律失常是臨床常見(jiàn)心血管病，房顫、室速、室顫等復(fù)雜心律失常嚴(yán)重危害人類健康，已成為心血管病研究的重點(diǎn)。標(biāo)測(cè)是復(fù)雜心律失常診斷、治療及研究過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過(guò)標(biāo)測(cè)，可對(duì)心律失常進(jìn)行識(shí)別、判斷及定位[1-2]。當(dāng)前，臨床診治及機(jī)制研究時(shí)，房顫等復(fù)雜心律失常主要進(jìn)行心內(nèi)膜標(biāo)測(cè)[3-4]。但近年來(lái)，一些研究[5-7]發(fā)現(xiàn)，在相當(dāng)比例的復(fù)雜心律失常發(fā)生和維持過(guò)程中，心外膜病變往往較心內(nèi)膜病變作用更嚴(yán)重、更廣泛，只進(jìn)行心內(nèi)膜標(biāo)測(cè)，無(wú)法揭示復(fù)雜心律失常確切的電生理機(jī)制，也不利于臨床診治方案的確定[8]。因此，進(jìn)行心內(nèi)膜、心外膜共同標(biāo)測(cè)，獲取更全面的電生理信息，是復(fù)雜心律失常臨床診治及機(jī)制研究的特有需要。

目前，復(fù)雜心律失常研究中，主要應(yīng)用三維標(biāo)測(cè)技術(shù)獲取電生理信息[2,9-10]，國(guó)際上應(yīng)用該標(biāo)測(cè)技術(shù)主要有兩種系統(tǒng)[10-14]：一是基于磁場(chǎng)定位或磁電雙定位的Carto系統(tǒng)[13]，一是基于電場(chǎng)定位的Ensite系統(tǒng)[10]。這些系統(tǒng)在心內(nèi)膜應(yīng)用有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但在心外膜標(biāo)測(cè)時(shí)卻無(wú)能為力。主要原因是，心外膜標(biāo)測(cè)一般是在開胸心臟直視下進(jìn)行，此時(shí)，電場(chǎng)介質(zhì)會(huì)因充盈空氣發(fā)生變化，而手術(shù)操作牽拉導(dǎo)致心臟形態(tài)、位置也會(huì)發(fā)生變化，Ensite系統(tǒng)、Carto系統(tǒng)都無(wú)法在這種情況下使用。

使用傳統(tǒng)X線透視下的二維標(biāo)測(cè)技術(shù)可以進(jìn)行開胸心外膜標(biāo)測(cè)。但是，由于空間顯示不直觀，這種方法存在著準(zhǔn)確定位困難、X線曝光時(shí)間長(zhǎng)等缺陷，同時(shí)又無(wú)定位、記憶功能，難以滿足復(fù)雜心律失常的研究需要。

20世紀(jì)90年代應(yīng)用于臨床的多道電生理標(biāo)測(cè)技術(shù)[15-17]，在計(jì)算機(jī)的輔助下，可同步獲取心外膜多個(gè)位點(diǎn)的心電信號(hào)，精確度高，但仍然是二維標(biāo)測(cè)，欠缺直觀性，同時(shí)主要采取離線分析，不能實(shí)時(shí)得到分析結(jié)果，所以難以應(yīng)用于臨床。

光學(xué)標(biāo)測(cè)技術(shù)是從細(xì)胞水平上研究心臟電興奮傳導(dǎo)的一種功能成像技術(shù)[18-19]，雖具有時(shí)空分辨率高、多位點(diǎn)同時(shí)記錄等諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于存在染色染料的毒副作用、激勵(lì)光的光毒性等，該技術(shù)目前主要用于動(dòng)物的離體標(biāo)測(cè)，難以用于人體。

因此，現(xiàn)有二維和三維標(biāo)測(cè)系統(tǒng)都不能很好地滿足復(fù)雜心律失常特有的臨床診治及機(jī)制研究需要。

本文旨在研制一種新型三維標(biāo)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時(shí)具有心內(nèi)膜、心外膜三維電解剖標(biāo)測(cè)功能，既能滿足不開胸時(shí)經(jīng)心內(nèi)膜標(biāo)測(cè)，也能在開胸狀態(tài)下進(jìn)行心外膜標(biāo)測(cè)，并能將心內(nèi)膜、心外膜標(biāo)測(cè)信息進(jìn)行有機(jī)融合，滿足復(fù)雜心律失常的診治和機(jī)制研究需要?，F(xiàn)將該新型系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)報(bào)道如下。

1 系統(tǒng)總體組成

新型三維標(biāo)測(cè)系統(tǒng)組成，見(jiàn)圖1。

（1）心外膜三維標(biāo)測(cè)模塊，包括心外膜模擬三維解剖模型構(gòu)建單元、心外膜分區(qū)軟件、心外膜三維標(biāo)測(cè)硬件單元（多極標(biāo)測(cè)導(dǎo)管、信號(hào)處理裝置）、心外膜三維構(gòu)圖及電解剖圖顯示單元、心外膜起搏拖帶單元等幾部分。其中心外膜三維標(biāo)測(cè)硬件單元由多極標(biāo)測(cè)導(dǎo)管、信號(hào)處理裝置組成。彼此配合，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)及開胸動(dòng)態(tài)情況下心外膜電生理三維標(biāo)測(cè)。

圖1 系統(tǒng)總體組成

（2）心內(nèi)膜三維磁定位標(biāo)測(cè)模塊，基于磁定位原理，實(shí)現(xiàn)心內(nèi)膜的三維電生理標(biāo)測(cè)。包括磁場(chǎng)發(fā)生器、磁定位標(biāo)測(cè)導(dǎo)管、信號(hào)處理裝置等硬件部分和磁定位軟件、磁定位系統(tǒng)心電分析軟件等軟件部分。

（3）心內(nèi)膜心外膜聯(lián)合標(biāo)測(cè)模塊，包括心內(nèi)膜心外膜聯(lián)合標(biāo)測(cè)算法研究及實(shí)現(xiàn)單元等幾部分。

（4）三維標(biāo)測(cè)的公共基礎(chǔ)模塊，包括心臟三維解剖模型構(gòu)建技術(shù)研究單元、心臟模型與電生理信息融合技術(shù)研究單元，其中心臟三維解剖模型構(gòu)建技術(shù)研究單元由基于CT/MRI數(shù)據(jù)模擬心臟解剖模型構(gòu)建技術(shù)研究單元和基于導(dǎo)管取點(diǎn)實(shí)時(shí)進(jìn)行心臟三維構(gòu)圖技術(shù)單元組成。

2 系統(tǒng)功能概述

新型標(biāo)測(cè)系統(tǒng)的主要功能，見(jiàn)圖2。

圖2 新型標(biāo)測(cè)系統(tǒng)主要功能

（1）磁場(chǎng)定位功能。在磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)中，系統(tǒng)能確定磁感應(yīng)導(dǎo)管位置及方向，同時(shí)確定導(dǎo)管與其所在位置心臟解剖結(jié)構(gòu)的相互位置關(guān)系。

（2）心臟三維解剖模型構(gòu)建功能，系統(tǒng)可根據(jù)病人CT/MRI數(shù)據(jù)重建心臟三維解剖模型，也可根據(jù)導(dǎo)管在心臟取點(diǎn)實(shí)時(shí)進(jìn)行三維構(gòu)圖。

（3）電生理信息與三維解剖圖形融合功能，導(dǎo)管在心內(nèi)膜/心外膜上取點(diǎn)獲取電生理信息，與所在空間位點(diǎn)對(duì)應(yīng)融合，并能在心臟三維解剖圖形上顯示。

（4）心內(nèi)膜標(biāo)測(cè)功能，系統(tǒng)能夠?qū)π膬?nèi)膜整體進(jìn)行電學(xué)標(biāo)測(cè)，并與心臟三維影像結(jié)合，獲得心內(nèi)膜三維標(biāo)測(cè)圖。

（5）心外膜標(biāo)測(cè)功能，系統(tǒng)能夠?qū)π耐饽ふw進(jìn)行電學(xué)標(biāo)測(cè)，并與心臟三維影像結(jié)合，獲得心外膜電解剖圖。

（6）心內(nèi)膜、心外膜聯(lián)合標(biāo)測(cè)功能，系統(tǒng)將心內(nèi)膜、心外膜電生理信息分別與心臟三維解剖圖形對(duì)應(yīng)融合，得到整體心臟的電解剖圖。

（7）心外膜分區(qū)功能，系統(tǒng)在被測(cè)對(duì)象心外膜幾何解剖模型上，劃分特征功能區(qū)；并在功能區(qū)取點(diǎn)，自動(dòng)加細(xì)分區(qū)。

（8）起搏拖帶功能，可結(jié)合傳統(tǒng)的電生理記錄儀及程控刺激儀，進(jìn)行起搏、拖帶及記錄分析，實(shí)現(xiàn)完全傳導(dǎo)阻斷的起搏驗(yàn)證、旁道位置的精確定位、不同部位心動(dòng)過(guò)速的起搏或拖帶等。

3 系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

新型標(biāo)測(cè)系統(tǒng)的總體技術(shù)研究路線，見(jiàn)圖3。

圖3 總體技術(shù)研究路線簡(jiǎn)圖

（1）獲取被測(cè)對(duì)象CT/MRI數(shù)據(jù)，重建心臟三維解剖模型；根據(jù)心外膜與心內(nèi)膜的解剖結(jié)構(gòu)關(guān)系，構(gòu)建心外膜三維解剖模型。

（2）研究心臟圖像與心電信息融合技術(shù)，為心臟電解剖圖構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

（3）基于心外膜三維解剖模型，進(jìn)行分區(qū)，選取特征點(diǎn)，研發(fā)心外膜分區(qū)軟件。

（4）對(duì)應(yīng)選取的特征點(diǎn)，在心外膜上取點(diǎn)，獲取心電信息，借助融合技術(shù)及拓?fù)溆成浞椒ǎ⑷S電解剖模型，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

（5）集成心外膜電生理分析預(yù)起搏檢查所需的軟硬件，實(shí)現(xiàn)在心外膜的特定位置可進(jìn)行起搏或拖帶。

（6）磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生系統(tǒng)所需空間磁場(chǎng)，磁導(dǎo)管電極感應(yīng)所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度及方向，經(jīng)信號(hào)處理裝置及磁定位軟件處理，得到其所在位置的空間坐標(biāo)，從而確定磁導(dǎo)管的位置和姿態(tài)。由于系統(tǒng)采用多極標(biāo)測(cè)導(dǎo)管，所以磁場(chǎng)定位系統(tǒng)需同時(shí)處理數(shù)十個(gè)磁傳感器的定位信息，進(jìn)行多點(diǎn)同步磁定位。

（7）新型標(biāo)測(cè)系統(tǒng)為提高標(biāo)測(cè)效率及準(zhǔn)確性，采用多極標(biāo)測(cè)導(dǎo)管標(biāo)測(cè)，系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)管取點(diǎn)實(shí)時(shí)進(jìn)行三維構(gòu)圖，并與電生理信息融合，得到心內(nèi)膜三維電解剖圖；研發(fā)心電分析及顯示軟件。

（8）開發(fā)心內(nèi)膜、心外膜圖形融合軟件、心內(nèi)膜、心外膜聯(lián)合標(biāo)測(cè)軟件，得到整體心臟三維電解剖圖。

（9）采取邊研制邊評(píng)價(jià)的質(zhì)量管理方法，依次進(jìn)行單元測(cè)試、總裝調(diào)試、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證與評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)初步驗(yàn)證

通過(guò)以上設(shè)計(jì)思路和方法，項(xiàng)目組已研制出用于復(fù)雜心律失常的新型三維標(biāo)測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)。目前，該樣機(jī)正在進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)選用活體成年狗，通過(guò)心臟導(dǎo)管射頻消融手術(shù)進(jìn)行在體實(shí)驗(yàn)。以磁場(chǎng)定位精度、心電數(shù)據(jù)映射精度及其顯示延遲等指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，初步驗(yàn)證系統(tǒng)的可操作性、安全性和功能性等整體性能。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)初步結(jié)果表明，系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)合理，研究方法可行，設(shè)計(jì)的新型三維標(biāo)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)心內(nèi)膜、心外膜的共同標(biāo)測(cè)，滿足復(fù)雜心律失常的特有需要。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)獲得心內(nèi)膜和對(duì)應(yīng)區(qū)域的心外膜電生理信息，新型三維標(biāo)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在相對(duì)靜止及開胸動(dòng)態(tài)情況下仍能方便、準(zhǔn)確進(jìn)行三維標(biāo)測(cè)。在國(guó)家自然科學(xué)基金科學(xué)儀器專項(xiàng)資金的資助下，北京安貞醫(yī)院馬長(zhǎng)生教授組織團(tuán)隊(duì)研制的新型三維標(biāo)測(cè)系統(tǒng)將有助于揭示復(fù)雜心律失常發(fā)生維持機(jī)制，提高復(fù)雜心律失常介入手術(shù)成功率，降低醫(yī)療成本。

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本文編輯 袁雋玲

Study on a New Three-Dimensional Mapping System for Complex Arrhythmia

MOU Wen-ying, MA Chang-sheng, JIANG Chen-xi, LI Song-nan, SANG Cai-hua, TANG Ri-bo, DONG Jian-zeng
Engineering Research Center of Medical Devices for Cardiovascular Diseases, Ministry of Education; Beijing Engineering Center of Technology and Research on the Medical Apparatus for Cardiac & Cerebral Vessels; Beijing Office for Cardiovascular Disease Prevention and Control; Cardiology Center, Beijing Anzhen Hospital, Capital Medical University, Beijing 100029, China

Objective To solve the problem that the existing mapping system fails to obtain the threedimensional electroanatomical information from the combined endocardial and epicardial mapping in clinical diagnosis and mechanism research of such complex arrhythmia as atrial fi brillation, ventricular tachycardia and ventricular fibrillation, this paper designed a scheme to develop a new combined threedimensional mapping system so as to meet the special requirements of complex arrhythmia. Methods From the clinical practice, based on the principle of magnetic field orientation and magnetic localization software, this system realized multi-point synchronous magnetic localization of magnetic catheters. And based on three-dimensional reconstruction technology, image and information fusion technology, using topological mapping method and epicardial partition technique, this system established threedimensional endocardial, epicardial and their common electro-anatomical mapping. Results According to the preliminary results from animal experiment, the designed new three-dimensional mapping system may combine endocardial and epicardial mapping to meet the specific needs of clinical diagnosis and mechanism research of complex arrhythmia. Conclusion The new mapping system provided a new idea for clinical diagnosis and mechanism research of complex arrhythmia.

cardiac mapping; epicardial mapping; complex arrhythmia; combined endocardial and epicardial mapping; three-dimensional mapping

R318.6；TH776

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.02.005

1674-1633(2017)02-0020-04

2016-10-26

2016-12-09

國(guó)家自然科學(xué)基金科學(xué)儀器專項(xiàng)“心內(nèi)膜、心外膜聯(lián)合標(biāo)測(cè)儀器的研制”（81227001）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃“三維電生理標(biāo)測(cè)系統(tǒng)和射頻消融系統(tǒng)研發(fā)”（2014BAI11B09）。

馬長(zhǎng)生，心臟內(nèi)科中心主任，主任醫(yī)師，教授，博士生導(dǎo)師；主要研究方向?yàn)樾难懿〖跋嚓P(guān)的醫(yī)療器械。

通訊作者郵箱：chshma@vip.sina.com