用于復雜心律失常的新型三維標測系統研究

牟文英，馬長生，蔣晨曦，李松南，桑才華，湯日波，董建增

心血管診療技術與器械教育部工程研究中心；北京市心腦血管醫療技術與器械工程技術研究中心；北京市心血管疾病防治辦公室；首都醫科大學附屬北京安貞醫院 心臟內科中心，北京100029

用于復雜心律失常的新型三維標測系統研究

牟文英，馬長生，蔣晨曦，李松南，桑才華，湯日波，董建增

心血管診療技術與器械教育部工程研究中心；北京市心腦血管醫療技術與器械工程技術研究中心；北京市心血管疾病防治辦公室；首都醫科大學附屬北京安貞醫院 心臟內科中心，北京100029

目的 房顫、室速、室顫等復雜心律失常的臨床診治和機制研究需要獲取心內膜、心外膜共同標測的三維電解剖信息，現有的標測系統無法實現。為滿足這一特有需要，本文進行新型三維標測系統方案研究。方法 該系統從臨床實際需要出發，基于磁場定位原理，借助磁定位軟件，實現磁導管的多點同步磁定位；基于三維重建技術、圖像與信息融合技術，利用拓撲映射方法，結合心外膜分區技術，建立心內膜、心外膜及其共同標測的電解剖圖。結果 動物實驗初步結果表明，設計的新型三維標測系統能夠進行心內膜及對應區域心外膜標測，滿足復雜心律失常的臨床診治及機制研究的特有需要。結論 新型標測系統為復雜心律失常的臨床診治及機制研究開辟了新途徑。

心臟標測；心外膜標測；復雜心律失常；心內膜心外膜聯合標測；三維標測

引言

心律失常是臨床常見心血管病，房顫、室速、室顫等復雜心律失常嚴重危害人類健康，已成為心血管病研究的重點。標測是復雜心律失常診斷、治療及研究過程中的一個重要環節。通過標測，可對心律失常進行識別、判斷及定位[1-2]。當前，臨床診治及機制研究時，房顫等復雜心律失常主要進行心內膜標測[3-4]。但近年來，一些研究[5-7]發現，在相當比例的復雜心律失常發生和維持過程中，心外膜病變往往較心內膜病變作用更嚴重、更廣泛，只進行心內膜標測，無法揭示復雜心律失常確切的電生理機制，也不利于臨床診治方案的確定[8]。因此，進行心內膜、心外膜共同標測，獲取更全面的電生理信息，是復雜心律失常臨床診治及機制研究的特有需要。

目前，復雜心律失常研究中，主要應用三維標測技術獲取電生理信息[2,9-10]，國際上應用該標測技術主要有兩種系統[10-14]：一是基于磁場定位或磁電雙定位的Carto系統[13]，一是基于電場定位的Ensite系統[10]。這些系統在心內膜應用有獨特的優勢，但在心外膜標測時卻無能為力。主要原因是，心外膜標測一般是在開胸心臟直視下進行，此時，電場介質會因充盈空氣發生變化，而手術操作牽拉導致心臟形態、位置也會發生變化，Ensite系統、Carto系統都無法在這種情況下使用。

使用傳統X線透視下的二維標測技術可以進行開胸心外膜標測。但是，由于空間顯示不直觀，這種方法存在著準確定位困難、X線曝光時間長等缺陷，同時又無定位、記憶功能，難以滿足復雜心律失常的研究需要。

20世紀90年代應用于臨床的多道電生理標測技術[15-17]，在計算機的輔助下，可同步獲取心外膜多個位點的心電信號，精確度高，但仍然是二維標測，欠缺直觀性，同時主要采取離線分析，不能實時得到分析結果，所以難以應用于臨床。

光學標測技術是從細胞水平上研究心臟電興奮傳導的一種功能成像技術[18-19]，雖具有時空分辨率高、多位點同時記錄等諸多優點，但由于存在染色染料的毒副作用、激勵光的光毒性等，該技術目前主要用于動物的離體標測，難以用于人體。

因此，現有二維和三維標測系統都不能很好地滿足復雜心律失常特有的臨床診治及機制研究需要。

本文旨在研制一種新型三維標測系統，該系統同時具有心內膜、心外膜三維電解剖標測功能，既能滿足不開胸時經心內膜標測，也能在開胸狀態下進行心外膜標測，并能將心內膜、心外膜標測信息進行有機融合，滿足復雜心律失常的診治和機制研究需要。現將該新型系統總體設計報道如下。

1 系統總體組成

新型三維標測系統組成，見圖1。

（1）心外膜三維標測模塊，包括心外膜模擬三維解剖模型構建單元、心外膜分區軟件、心外膜三維標測硬件單元（多極標測導管、信號處理裝置）、心外膜三維構圖及電解剖圖顯示單元、心外膜起搏拖帶單元等幾部分。其中心外膜三維標測硬件單元由多極標測導管、信號處理裝置組成。彼此配合，實現靜態及開胸動態情況下心外膜電生理三維標測。

圖1 系統總體組成

（2）心內膜三維磁定位標測模塊，基于磁定位原理，實現心內膜的三維電生理標測。包括磁場發生器、磁定位標測導管、信號處理裝置等硬件部分和磁定位軟件、磁定位系統心電分析軟件等軟件部分。

（3）心內膜心外膜聯合標測模塊，包括心內膜心外膜聯合標測算法研究及實現單元等幾部分。

（4）三維標測的公共基礎模塊，包括心臟三維解剖模型構建技術研究單元、心臟模型與電生理信息融合技術研究單元，其中心臟三維解剖模型構建技術研究單元由基于CT/MRI數據模擬心臟解剖模型構建技術研究單元和基于導管取點實時進行心臟三維構圖技術單元組成。

2 系統功能概述

新型標測系統的主要功能，見圖2。

圖2 新型標測系統主要功能

（1）磁場定位功能。在磁場發生器產生的空間磁場中，系統能確定磁感應導管位置及方向，同時確定導管與其所在位置心臟解剖結構的相互位置關系。

（2）心臟三維解剖模型構建功能，系統可根據病人CT/MRI數據重建心臟三維解剖模型，也可根據導管在心臟取點實時進行三維構圖。

（3）電生理信息與三維解剖圖形融合功能，導管在心內膜/心外膜上取點獲取電生理信息，與所在空間位點對應融合，并能在心臟三維解剖圖形上顯示。

（4）心內膜標測功能，系統能夠對心內膜整體進行電學標測，并與心臟三維影像結合，獲得心內膜三維標測圖。

（5）心外膜標測功能，系統能夠對心外膜整體進行電學標測，并與心臟三維影像結合，獲得心外膜電解剖圖。

（6）心內膜、心外膜聯合標測功能，系統將心內膜、心外膜電生理信息分別與心臟三維解剖圖形對應融合，得到整體心臟的電解剖圖。

（7）心外膜分區功能，系統在被測對象心外膜幾何解剖模型上，劃分特征功能區；并在功能區取點，自動加細分區。

（8）起搏拖帶功能，可結合傳統的電生理記錄儀及程控刺激儀，進行起搏、拖帶及記錄分析，實現完全傳導阻斷的起搏驗證、旁道位置的精確定位、不同部位心動過速的起搏或拖帶等。

3 系統技術實現

新型標測系統的總體技術研究路線，見圖3。

圖3 總體技術研究路線簡圖

（1）獲取被測對象CT/MRI數據，重建心臟三維解剖模型；根據心外膜與心內膜的解剖結構關系，構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，為心臟電解剖圖構建奠定基礎。

（3）基于心外膜三維解剖模型，進行分區，選取特征點，研發心外膜分區軟件。

（4）對應選取的特征點，在心外膜上取點，獲取心電信息，借助融合技術及拓撲映射方法，建立三維電解剖模型，并進行實時顯示。

（5）集成心外膜電生理分析預起搏檢查所需的軟硬件，實現在心外膜的特定位置可進行起搏或拖帶。

（6）磁場發生器產生系統所需空間磁場，磁導管電極感應所在位置的磁場強度及方向，經信號處理裝置及磁定位軟件處理，得到其所在位置的空間坐標，從而確定磁導管的位置和姿態。由于系統采用多極標測導管，所以磁場定位系統需同時處理數十個磁傳感器的定位信息，進行多點同步磁定位。

（7）新型標測系統為提高標測效率及準確性，采用多極標測導管標測，系統根據導管取點實時進行三維構圖，并與電生理信息融合，得到心內膜三維電解剖圖；研發心電分析及顯示軟件。

（8）開發心內膜、心外膜圖形融合軟件、心內膜、心外膜聯合標測軟件，得到整體心臟三維電解剖圖。

（9）采取邊研制邊評價的質量管理方法，依次進行單元測試、總裝調試、動物實驗，驗證與評價系統。

4 系統初步驗證

通過以上設計思路和方法，項目組已研制出用于復雜心律失常的新型三維標測系統樣機。目前，該樣機正在進行動物實驗。動物實驗選用活體成年狗，通過心臟導管射頻消融手術進行在體實驗。以磁場定位精度、心電數據映射精度及其顯示延遲等指標是否達標評價系統，初步驗證系統的可操作性、安全性和功能性等整體性能。動物實驗初步結果表明，系統總體方案設計合理，研究方法可行，設計的新型三維標測系統可以實現心內膜、心外膜的共同標測，滿足復雜心律失常的特有需要。

5 結語

通過獲得心內膜和對應區域的心外膜電生理信息，新型三維標測系統可以實現在相對靜止及開胸動態情況下仍能方便、準確進行三維標測。在國家自然科學基金科學儀器專項資金的資助下，北京安貞醫院馬長生教授組織團隊研制的新型三維標測系統將有助于揭示復雜心律失常發生維持機制，提高復雜心律失常介入手術成功率，降低醫療成本。

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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

國家自然科學基金科學儀器專項“心內膜、心外膜聯合標測儀器的研制”（81227001）；國家科技支撐計劃“三維電生理標測系統和射頻消融系統研發”（2014BAI11B09）。

馬長生，心臟內科中心主任，主任醫師，教授，博士生導師；主要研究方向為心血管病及相關的醫療器械。

通訊作者郵箱：chshma@vip.sina.com