（机械设计及理论专业论文）心内导管三维定位导航软件系统设计及关键技术研究.pdf

摘要 摘要 心律失常作为临床上最为常见的心血管病之一，严重的影响着人们的健康。 目前，采用经导管射频消融技术来治疗心律失常，尤其是一些复杂心律失常( 如 房颤) ，已经成为了各大医院的常规治疗方法。采用传统的二维x 线图像引导的 导管定位技术来指导射频消融手术具有很难掌握复杂心律失常的机制、心脏解 剖结构信息不够直观、手术安全性及手术成功率较低等缺陷，因此，近些年发 展起来的以心内导管三维定位技术为基础的心脏电生理标测系统在各方面均取 得了长足的进步，成为了国内外医学界和生物工程学晃研究的热点。 本文首先在基于三维经胸电场定位原理的心内导管三维定位导航硬件系统 基础上，对软件系统的功能需求进行了分析，采用i d e f 建模分析方法建立了软 件功能模型，设计了软件的层次结构，并对软件系统各功能模块进行了划分， 以m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 8 为平台，结合可视化类库v t k ，构建了软件基本 框架。 其次，本文研究了心内导管三维定位导航软件系统的主要功能实现的理论 基础与方法。利用心内导管三维定位导航硬件系统采集的心内膜点云数据来构 建心脏解剖结构三维几何模型，将其作为心内导管定位和手术导航的参照。本 文采用计算几何中的凸包算法对心内膜点云数据进行处理，获得其表面极值点， 构建心脏解剖结构的多面体虚拟三维模型；对于房室等解剖结构较为复杂模型 的构建，将凸包运算生成的局部微小多面体作为基本体素，采用基于集合成员 分类法的正则集合运算来进行三维几何模型的构建。仿真实验结果表明，通过 该方法重建的心脏解剖结构三维几何模型能够较为理想的满足导管定位与手术 导航的要求；将c t m r 切片图像序列重建的心脏解剖结构三维模型与由采集的 心内膜点云数据构建的虚拟模型进行信息融合可使用于指导手术的三维模型更 加精确和易懂，进而提高建模和标测效率。本文还对c t m r 医学图像的预处理、 图像分割及三维重建等相关技术展开了初步研究，并使用v t k 封装的类对人体 胸部c t 切片序列进行了三维可视化。 最后，针对现有心内导管三维定位导航软件系统存在的心脏解剖结构三维 建模时间较长，模型粗糙难懂等缺陷，本文提出了以先验知识为指导，结合配 摘要 准技术来构建心脏三维参数化几何模型的设想，为探索更加高效、精确的建模 方法提供了新的思路。 关键词：导管定位导航凸包算法三维建模图像融合参数化建模v t k a b s t r a c t a b s t r a c t a so n eo ft h em o s tc o m n l o nc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ei nc l i n i c ，a r r h y t h m i ah a sa s e r i o u si n f l u e n c eo np e o p l e sh e a l t hc o n d i t i o n n o w a d a y s ，r a d i of r e q u e n c yc a t h e t e r a b l a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m eac o m n l o nm e t h o di nv a r i o u sb i gh o s p i t a l st ot r e a t a r r h y t h m i a , e s p e c i a l l yt os o m ec o m p l e xc a r d i a ca r r h y t h m i a ( f o re x a m p l e ，a t r i a l f i b r i l l a t i o n ) t h e r ee x i s tm a n yd e f i c i e n c i e sb yt h ea d o p t i o no ft r a d i t i o n a lc a t h e t e r l o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g yl e db y2 dx r a yi m a g et od i r e c tr a d i of r e q u e n c ya b l a t i o n s u r g e r y , s u c ha st h ed i f f i c u l t yt om a s t e rt h em e c h a n i s mo fc o m p l e xa r r h y t h m i a , t h e i n d i s t i n c t n e s so ft h eh e a r ta n a t o m i cs t r u c t u r ei n f o r m a t i o n , t h eu n c e r t a i n t yo ft h e s u r g e r ys a f e t ya n ds u r g e r ys u c c e s sr a t e ，e t c t h e r e f o r e ，c a r d i a ce l e c t r o p h y s i o l o g y m a p p i n gs y s t e mb a s e do n3 d l o c a l i z a t i o no fc a r d i a cc a t h e t e rt e c h n o l o g yd e v e l o p e di n r e c e n ty e a r sh a sm a d ea l le x t r a o r d i n a r yp r o g r e s si na l l a s p e c t s ，a n db e c o m et h e r e s e a r c hh o t s p o to fm e d i c a la n d b i o l o g i c a le n g i n e e r i n gi nd o m e s t i ca n de x t e r n a l f i r s t l y , i n t h i st h e s i s ，w ea n a l y z e dt h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so fs o f t w a r e s y s t e mo nt h eb a s i so fh a r d w a r es y s t e mo f3 dl o c a t i o na n dn a v i g a t i o no fc a r d i a c c a t h e t e rb a s e do nt h e p r i n c i p l e o f3 dt r a n s - t h o r a xe l e c t r i cf i e l dl o c a l i z a t i o n , e s t a b l i s h e dt h ef u n c t i o n a lm o d e lo fs o f t w a r es y s t e mu s i n gi d e fm o d e l i n ga n a l y s i s m e t h o d ，a n dd e s i g n e ds o r w a r eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e m o r e o v e r , w em a k eap a r t i t i o n o ft h ef u n c t i o n a lm o d u l e so ft h es o f t w a r es y s t e m ，a n db u i l ts o t l w a r ef r a m e w o r k c o m b i n e dw i t l lv i s u a l i z a t i o nc l a s sl i b r a r yv t k u s i n gm i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 8a s ap l a t f o r m s e c o n d l y , i nt h i st h e s i s ，w es t u d i e dt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dm e t h o d o l o g y t or e a l i z et h em a i nf u n c t i o no fs o f t w a r es y s t e md e s i g no f3 dl o c a t i o na n dn a v i g a t i o n o fc a r d i a cc a t h e t e r w ec o n s t r u c t e d3 dg e o m e t r ym o d e lo fh e a r ta n a t o m i cs t r u c t u r e u t i l i z i n ge n d o c a r d i u mc l o u dd a t ac o l l e c t e db yh a r d w a r es y s t e mo f3 dl o c a t i o na n d n a v i g a t i o no fc a r d i a cc a t h e t e r , w h i c hw a st a k e na sr e f e r e n c eo fl o c a l i z a t i o no fc a r d i a c c a t h e t e ra n d s u r g e r yn a v i g a t i o n m e a n w h i l e ，u s i n gc o n v e xh u l la l g o r i t h mi n c o m p u t a t i o ng e o m e t r y , w ep r o c e s s e de n d o c a r d i u mc l o u dd a t at oo b t a i ni t ss u r f a c e n i a b s t r a c t e x t r e m ep o i n t ，a n dc o n s t r u c t e dp o l y h e d r o nv i r t u a l3 dm o d e l o fh e a r ta n a t o m i c s t m c t u r e ；i no r d e rt ob u i l ds o m ec o m p l e xa n a t o m i cs t r u c t u r e ，s u c ha sa t r i u ma n d v e n t r i c l e ，w et o o kt h er e g i o n a lt i n yp o l y h e d r o ng e n e r a t e db yc o n v e xh u l lo p e r a t i o n 嬲 b a s i cv o x e l ，u s i n gr e g u l a rs e to p e r a t i o nb a s e do nc l a s s i f i c a t i o nm e t h o dt oc o n s t r u c t e d 3 dg e o m e t r ym o d e l a sw a ss h o w ni nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h er e c o n s t r u c t e d3 d g e o m e t r ym o d e lo fh e a r ta n a t o m i cs t r u c t u r eu s i n gt h i sm e t h o dc o u l di d e a l l ym e e tt h e r e q u i r e m e n to fc a t h e t e rl o c a l i z a t i o na n ds u r g e r yn a v i g a t i o n ；i tw o u l dm a k et h e3 d m o d e lm o r ea c c u r a t ea n du n d e r s t a n d a b l ew h i c hg u i d e dt h es u r g e r yi fw ef u s et h e i n f o r m a t i o no f3 dm o d e lo fh e a r ta n a t o m i cs t r u c t u r er e c o n s t r u c t e dt h r o u g hc t m r s l i c ei m a g es e q u e n c ea n dv i r t u a lm o d e lb u i l tb yo b t a i n i n ge n d o c a r d i u mc l o u dd a t a t h i sw o u l di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm o d e l i n ga n dm a p p i n g i na d d i t i o n , w ea l s od i d e l e m e n t a r yr e s e a r c ha b o u ts o m er e l a t e dt e c h n o l o g i e s ，s u c h 硒t h ep r e t r e a t m e n to f c t m rm e d i c a l i m a g e ，i m a g es e g m e n t a t i o n a n d3 d r e c o n s t r u c t i o n , a n d r e c o n s t r u c t e da3 dv i s u a l i z a t i o nm o d e lo fm e n st h o r a xc ts l i c es e q u e n c eu s i n g e n c a p s u l a t e dc l a s si nv t k f i n a l l y , t oc o p ew i t hs o m ed e f e c t so ft h ec u r r e n ts o f t w a r es y s t e mo f3 dl o c a t i o n a n dn a v i g a t i o no fc a r d i a cc a t h e t e r , s u c h 嬲t h ed u r a t i o no fb u i l d i n gt h e3 dm o d e l i n g o fh e a r ta n a t o m i cs t r u c t u r ei sr e l a t i v e l yl o n g ，a sw e l l 勰t h em o d e li sr o u g ha n d d i f f i c u l tt ou n d e r s t a n d c o m b i n i n g 、访n lr e g i s t e r i n gt e c h n o l o g y , w ep u tf o r w a r dt h e a s s u m p t i o no fc o n s t r u c t i n g3 dc a r d i a cp a r a m e t r i cg e o m e t r ym o d e lg u i d e db yp r i o r i k n o w l e d g e ，w h i c hp r o v i d ean e wa p p r o a c ht oe x p l o r em o r ee f f i c i e n ta n da c c u r a t e m o d e l i n gm e t h o d k e yw o r d s ：c a t h e t e rl o c a l i z a t i o na n dn a v i g a t i o n ；c o n v e xh u l la l g o r i t h m ；3 d m o d e l i n g ；i m a g ef u s i o n ；p a r a m e t r i cm o d e l i n g ；v t k i v 1 绪论 1 绪论 【内容摘要】本章首先回顾了心内导管定位技术的发展历史与现状，对国内外 基于心内导管定位导航技术的心脏电生理标测系统发展状况及相关研究进行了 总结；对心内导管三维定位导航技术软件系统设计中所涉及到的关键技术的研 究状况进行了综述，为以后软件系统的实现奠定了基础；给出了论文的研究基 础和研究意义；最后简要说明了论文所做的主要工作与创新。 1 1 心内导管定位技术的发展历史与现状 心律失常是临床上最为常见的心血管病之一，严重地影响着人们的健康。 相比药物治疗，近几十年出现的经导管射频消融技术给心律失常的治疗在各个 方面均有很大的突破，使得数以万计的心律失常患者得到了根治，目前各大医 院已将该项技术作为常规治疗方法。经导管射频消融技术治疗心律失常的基础 是心脏的电生理标测。在进行心脏电生理标测及消融治疗时，必须对置入心内 的标测或消融导管进行定位导航，确定其在心腔内的相对位置。 为了确定标测或消融导管在心腔中的相对位置，完成心脏的电生理标测和 消融治疗，人们发展了很多的方法。最初，医生只能使用带有刻度的导管来粗 略地估计导管的位置，依靠经验来进行标测和消融，手术成功率极低。随着数 字影像技术的发展，出现了利用x 线图像引导来进行导管定位的技术，它能够 有效、快速地治疗简单的心律失常。但在掌握复杂心律失常机制的能力、心脏 解剖结构信息的直观性、手术安全性等方面仍存在较大的缺陷。为了克服上述 问题，提高对一些疑难复杂心律失常的标测效率及精度，扩大射频消融的治疗 范围，增加手术的成功率及安全性，近年来国外相继出现了基于三维磁场或电 场定位原理来实现心内导管三维定位导航的技术，以及以此为基础构建心脏解 剖结构几何模型，最终实现了心脏三维电生理标测及射频消融的治疗系统【l 4 】。 目前此类系统及技术还处在不断地发展和完善过程中，因此，对利用心内导管 的三维定位导航来完成标测和消融的研究依然是国内外生物医学工程界的研究 热点。 目前，对置入心内的导管进行三维定位的主要方法有两种。其一是基于三 维磁场的定位方法，其基本原理与g p s 全球定位系统类似。它利用了人体对低 1 绪论 频磁场几乎不衰减，而且均匀衰减的特性，在手术床下放置了由三个环形磁场 发生器构成的定位板，产生三维磁场，当端部装有微型被动磁场传感器的导管 进入心腔后，磁场传感器就可以感知到磁场信号的频率、振幅等的变化，得到 导管顶端在磁场内的三维位置，完成导管的定位。基于这种导管定位原理的心 内膜三维标测系统的典型代表是c a r t o t mx p ，它是美国b i o s e n s ew e b s t e r 公 司推出的产品。其二是基于三维电场定位方法，它利用了人体内的低频电场或 中低频的外加电场在器管腔室中形成的电场可近似地被看作是恒定电场的特 性，对贴于人体表面正交的三对体表电极分别施加中频或低频低能电流，当电 流经过人体内呈阻性的器官( 如心脏) 时，就会产生相应的电压降，此时根据 导管电极测得地电压降的数值就能够确定导管在这三个方向上的相对位置坐 标，达到导管定位的目的。基于这种导管定位原理的心内膜三维标测系统的典 型代表有e n s i t en a v x 系统，它是美国圣犹达公司推出的产品。另一种基于三维 电场的定位技术是通过电生理导管的电极发射低能电流，置于心腔内的球囊导 管电极能够感知到这一信号，并依据导管球囊上6 4 个电极感知到的信号角度和 大小来进行导管定位，典型的系统是美国圣犹达公司的e n s i t ea r r a y 。其中， c a r t o t mx p 和e n s i t en a v x 均属于接触式逐点顺序标测系统，标测时需将导管 与心内膜紧密接触，同时记录心脏局部电位，并整合到所构建的三维解剖结构 模型上。它们都能实现心内导管的三维定位导航，完成标测和消融治疗，虽然 二者在建模和标测时有所不同，但临床应用表明：二者在进行心律失常的消融 治疗效果方面区别不大。e n s i t ea r r a y 是非接触心内膜激动标测系统，和接触式 标测系统不同，e n s i t ea r r a y 不要求导管与心腔内壁接触，不依赖于心脏几何形 状，能够在一个心动周期内完成对心脏激动的记录与分析，适用于复杂心律失 常的标测，但是存在导管操作较为复杂、精度受距离影响较大等缺陷【5 以o 】。 通过对置入心内的标测或消融导管进行三维定位导航，可以获得导管电极 的空间相对位置，经过计算机工作站的处理，可以在屏幕上动态、实时地显示 导管的位置、方向及弯曲程度。导管在心腔内壁上移动时，记录下的导管顶端 或导管电极的位置即是心内膜上的点，当这些点足够多时，即能够构建出心内 膜解剖结构的三维几何模型。所构建的模型在治疗中被用来作为导管定位和手 术导航的参考，并能够在此模型的基础上显示三维电压图、电兴奋的传导方向 及激动波传导的速度和路径等，进而指导射频消融手术的开展。此外，将所构 建的心内膜三维解剖结构虚拟模型和由c t m r 切片图像序列重建的心内膜三维 2 1 绪论 解剖结构相融合可使用于指导手术的三维数字模型更加精确和易懂，并提高建 模和标测效率。c a r t o t mx p ，e m i t en a v x 等三维心内膜标测系统都增加了图 像融合功能，可为手术医生提供更多的解剖细节，导航的精确度更高。采用c t m r 图像融合技术比单纯的虚拟模型可以更好的展示心脏解剖结构，利于导管的准 确定位，进一步缩短x 光的照射时间【2 卜2 9 。 最近二、三十年来，采用经导管射频消融术治疗心律失常的技术取得了长 足的进步，特别是以c d 王t o t mx p 和e n s i t en a v x 为代表的基于导管三维定位导 航技术的标测系统的出现，在手术风险、治疗效果、并发症等各方面均有较大 的突破。但是，这些定位导航技术和相关系统仍然存在很多不足。例如，基于 三维磁场的定位技术存在着患者和固定参考点可能会发生相对移动而影响定位 的精确性等缺陷，另外，采用以逐点取点的方式创建三维解剖图非常耗时，并 且很容易出错，虽然利用图像融合技术在一定程度上能够改善这一问题，但是 如果不能正确使用，融合图像可能误导消融，造成一些潜在的危险；和采用逐 点取点方式建模不同，基于三维经胸电场定位技术的系统在建模时创建大量的 点，当心腔内壁被所有的点填充时即可构建出三维几何模型，但是最终创建的 解剖结构可能存在失真的情况，尤其是在一些局部解剖存在角度的部位。此外， 由于电场分布的不均匀性，电信号被映射为距离时并不是一个标准的线性比例， 因此，电场分布不均匀性的问题仍有待于进一步研究，从而实现真正的实时定 位导航。除此之外，采用两种定位技术进行解剖结构三维建模时，无论是在建 模时间还是建模精度上均需要进一步的提高和发展，研究更加高效、精确的建 模方法是心内导管三维定位导航技术的必然趋势。 1 2 论文涉及的相关技术研究综述 作为三维心脏电生理标测及导管射频消融治疗系统的一个子系统，心内导 管三维定位导航软件系统的设计涉及的关键技术主要有五个方面：凸包算法、 三维造型技术、c t i v i r 图像处理、三维可视化及图像融合技术。 凸包算法是计算几何的基本内容，文献 3 0 详细论述了凸包的基本概念与 一些常用的平面及三维凸包算法的基本思想，包括j a r v i s 步进法、g r a h a m 扫描 法、分治法、增量法等。但是它们往往只在某些特定情况下才具有较低的时间 和空间复杂度，极大的限制了算法的应用范围，因此根据具体的应用情况常对 1 绪论 其进行拓展与改进。近些年，在凸包算法的改进方面，国内外做了大量的研究， 文献 3 1 论述了一种计算简单多边形链顶点凸包的算法，它采用分段的方法进 行计算，算法不仅容易实现，而且具有线性的时间复杂度。文献 3 2 采用建立 点集内外包围盒的方法，利用包围盒对参与运算的散乱点集进行精简，滤除大 量的显然不是构成凸包的数据点，从而极大的减少了计算凸包时的有效数据处 理量，不仅算法实现简单，而且一定程度上提高了凸包的运算效率。文献 3 3 则充分利用凸包本身的性质及其凸包极值点，提出了一种改进的算法，通过求 得的散乱点集的极值点构建初始凸包，然后根据初始凸包与点的位置关系排除 内部点，最后考察其外部点，求得凸包的全部顶点集合。除此之外，针对不同 的工程应用背景，人们还发展了各种各样的凸包算法。 三维几何造型技术是计算机辅助设计的核心，文献 3 4 系统地介绍了三维 几何造型所用到的基础理论与关键技术，包括形体的表示方法，数据结构及具 体的算法实现。论述了边界表示的形体、翼边数据结构及基于集合成员分类法 的正则集合运算，其中，基于集合成员分类法的正则集合运算是利用正则化的 集合算子实现几何体之间的交、差、并等运算。目前，不论是标准的几何形体， 还是不规则的曲面体，人们对建模方法的研究也基本上都是在其基础上进行拓 展的。文献 3 5 研究了一种三维正则运算的降维算法，使用平面切割的方法， 把较为复杂的三维实体问题转化为二维平面问题，极大的避免了求交运算的盲 目性，从而提高了布尔运算的效率。在实体的布尔运算中，正则交运算是最基 本的，实体间的并和差均可以通过数学运算转化为交运算，文献 3 6 提出了一 种新的由并运算向交运算转化的方法，采用类似线性规划中的“大肛方法 ，将 凸多面体的并运算转化为交运算。三维实体的布尔运算技术的研究已经取得了 很大的成果，但是其算法效率和运算可靠性还有待进一步研究和提高。 c t m r 图像处理是进行数字三维模型重建的基础，包括图像的预处理及图 像分割等内容。对c t m r 图像的预处理技术的研究主要集中在如何使图像具有 良好的数值分布特征、比较高的对比度以及尽可能少的受噪声和越界值的影响 方面上，而针对相关预处理技术，目前已有相对比较成熟的方法可供使用与参 考，文献 3 7 对各种方法进行了详细的论述。而图像分割技术一直都是图像处 理领域内研究的难点和热点，对分割算法的研究也大都基于图像灰度的两个基 本特性：不连续性和相似性。由于图像分割技术的选择取决于所面对的问题， 因此人们往往要对一些代表性的图像分割算法进行改进和拓展。文献 3 8 提出 4 1 绪论 了一种基于空域一时域可连续变换的图像分割算法，有效地提高了分割算法对图 像噪声、物体形变等的适应性，并且由于所采用的小波函数的可分离性，极大 的降低了高维连续小波变换过程中计算的复杂性。文献 3 9 则利用图像本身的 信息，结合图像熵域值算法进行图像分割，采用混沌优化方法可一次找出图像 熵的多个极值点，提高了分割效率。文献 4 0 给出了利用新一代的可编程图形 处理器( g p u ) 实现l e v e ls e t 的加速算法，所采取的处理方法使g p u 存储访问 快，具有并行运算能力，同时l e v e ls e t 算法演化的显示不再需要把数据从c p u 传到g p u ，极大地提高了算法速度与交互显示。此外，在图像分割算法的实现 方法上也有大量的研究，文献 4 1 针对基于区域增长的图像分割方法，讨论和 研究了数据并行实现方法，取得了较为理想的分割效果。 目前最为流行的医学图像三维可视化技术有两种，即面绘制和体绘制。面 绘制通过一系列的二维图像进行边界识别等分割处理，重新还原出被检物体的 三维模型，以表面的方式显示出来，表达出具有较强真实感的三维图形，而且 允许用户有效的参与到数据处理及三维重建过程中。体绘制技术将离散的三维 空间数据场看成真实环境下的连续三维粒子场，并结合计算机图形学的方法将 其转变为二维投影图像，它不仅可以显示体数据的表面信息，还可以显示其内 部信息，实现医学影像数据的真实感显示。当前有许多较为成熟的面绘制和体 绘制技术的具体实现算法，包括m a r c h i n gc u b e s 算法，r a yc a s t i n g 算法，s h e a r w a r p 算法等等，但根据具体的需要及图像的特征，人们对这些方法进行了许多 的拓展和改进，如基于分割的m a r c h i n gc u b e s 算法【4 2 】。 将重构的心内膜三维几何模型与由c t m r 图像重建的数据模型进行融合的 本质是图像的配准。现有的融合方法通常是以三维标测点空间和c t m r 数据模 型空间都是正交的为基本前提，二者数据空间的映射属于简单的刚体变换。而文 献 4 3 的研究表明，两个数据空间不一定同时正交，具有很大的近似性，因此 所融合的模型精度较差。该文献同时提出了一种较为复杂的仿射变换模型和相 应的迭代最近点算法来实现二者数据的配准，大大降低了配准误差。 心内导管三维定位导航软件系统的研究涉及到许多学科，包括几何学、计 算机辅助设计及图像处理等内容，因此做好它们之间的相互匹配显得尤为重要。 在众多相关技术的先进方法和理论的基础上，研究和选择最适合于本软件系统 的方法对提高软件的整体性能具有重要的意义。 5 i 绪论 1 3 论文的研究基础与意义 1 3 1 论文的研究基础 本论文的研究是在本课题组的研究基础上开展的。本课题组所研究的三维 心脏电生理标测及导管射频消融治疗系统是采用三维经胸电场的定位技术 4 4 - - 4 5 1 ，研制出能够对消融及标测导管进行三维定位导航，进行二维和三维心脏 电生理标测，以及进行消融治疗的适用于临床的治疗心律失常的医疗系统。目 前，本课题组的研究在各部分都已取得了阶段性的成果，包括二维心电多道系 统、射频消融治疗系统、导管三维定位导航硬件装置以及体表电极和导管的设 计等。 二维心电多道系统和射频消融治疗系统的研究目前都已经达到了本课题的 预期目标，其中课题组研制的二维心电多道系统可以进行多达6 4 道电生理手术 记录分析，能够全面精确地反映心脏血流动力学状态，为课题的研究开展奠定 了坚实的基础。研制的射频消融治疗仪能够用于治疗快速性心律失常和相关炎 症，以及对房颤等一些复杂心律失常进行多极放电、顺序放电，进行线性消融。 目前，导管三维定位导航硬件装置的研究也已经取得了阶段性的成果。并 进行了两次动物猪实验对系统的稳定性进行了验证，取得了理想的效果。硬件 装置包括两个部分：激励源部分及信号的采集与处理部分。 激励源部分已经完成了基本原理的验证及主要参数的选取，设计了专用于 导管三维定位导航的激励源电路板。它分为信号发生模块、信号调理模块、恒 流源模块和电源模块，其中信号发生模块产生三路低频正弦电压信号，通过信 号调理模块滤除杂波并放大信号后，利用恒流源模块将正弦电压信号转化为三 路正弦电流信号，其频率分别为2 8 k h z 、3 0 k h z 和3 2 k h z ，电流有效值均为i m h ， 该信号频率范围能够有效地避开各种电生理信号及其它常用医学仪器，减少外 部干扰。电源模块为电路各部分提供恒定的电源。信号的采集与处理部分的作 用是完成导管定位信号的采集及处理，能够同步、实时、精确的采集标测或消 融导管上的数个电极的信号，并将这一信号进行放大和数字化处理，交于计算 机工作站进行处理。目前这一部分也取得了较大的进展。 本文的研究是在上述本课题组的研究成果基础上，展开导管三维定位导航 软件系统的设计及相关技术的研究工作。 6 1 绪论 1 3 2 论文的研究意义 三维心脏电生理标测及导管射频消融治疗系统是包含二维心电、射频消融、 三维定位导航等功能的多功能、多信息源的系统，因此，需要将系统进行功能 和数据信息的集成。本文的研究是以系统功能和数据信息集成为基础，进行软 件系统的设计。首先，在系统软件功能集成方面，本文不仅研究了三维定位导 航子系统软件的设计与功能实现，而且还设计了二维心电、三维标测及消融治 疗等模块，为整个系统软件功能的集成提供了接口；其次，在系统数据共享与 集成方面，本文在充分考虑了各子系统的数据类型和格式的前提下，来进行数 据结构的设计，并采用了面向对象的设计方法，利于数据属性的扩展。 采用经导管射频消融术进行心律失常的治疗时，较长的手术时间对医患双 方一直都是一个较大的挑战。对于三维心脏电生理标测系统，缩短模型构建的 时间与提高标测的效率是减少手术时间的两个重要方面，而精确的心脏解剖结 构三维模型又是提高标测效率的基础，因此，本文所研究的构建高效、精确的 心脏解剖结构三维几何模型方法与思路对缩短手术时间有着重要意义。 1 4 论文的主要工作与创新 目前，导管三维定位导航硬件装置的研究已经取得了阶段性的成果，为了 和硬件装置相匹配，并为进一步的实验提供技术支持，本文开展了软件系统的 设计及相关技术的研究，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 软件系统设计的开发工具研究了可视化工具包v t k 的基本框架和运行 机制，为软件设计和功能模块的实现奠定了基础。 ( 2 ) 软件系统功能实现所用到的基础理论研究总结了凸包的概念以及目前 最常用的二维和三维凸包算法，重点研究了三维凸包的随机增量法和在其基础 上发展的快速算法( q u i c k h u l l ) ，局部改进了传统的基于集合成员分类法的三维造 型理论，并阐述了c t m r 医学图像的处理及三维重建技术，包括图像预处理、 图像分割及图像的三维重建技术。 ( 3 ) 软件系统的整体设计综合分析了现有的导管三维定位导航系统，并结 合临床应用情况，我们对软件系统进行了功能需求分析，采用i d e f o 的建模方 法建立了软件系统的功能模型，设计了软件的层次结构，对软件进行了功能模 块划分，并利用k l f c 提供的多文档模板设计了软件的基本框架。 7 l 绪论 ( 4 ) 软件主要功能的编程实现本文以m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 8 为开发平 台，结合可视化工具包v t k ，采用面向对象的技术，实现了软件系统的整体界 面设计，采用c + + 语言实现了q u i c k h u u 算法、正则集合运算算法、c t m r 图 像序列的面绘制和体绘制三维重建算法。 本文的研究工作有以下创新： ( 1 ) 对于复杂心脏解剖结构的表达，本文局部改进了传统的基于集合成员分 类的三维造型技术。利用凸包运算构建的局部微小多面体作为基本体素，进行 正则集合运算实现心内膜解剖结构虚拟三维模型的构建。 ( 2 ) 提出了一种以先验知识为指导，结合配准技术的心脏解剖结构参数化建 模思路。利用先验心脏解剖结构几何信息及c t m r 影像数据，构造出一般意义 上的心脏解剖结构参数化模板模型，在进行手术现场建模时根据这一模型来构 建出适合于个体的心脏解剖结构模型。 1 5 本章小结 采用传统的利用二维x 线图像引导来进行导管的定位导航，指导射频消融 手术具有很难掌握复杂心律失常的机制、心脏解剖结构信息的不够直观、手术 安全性及手术成功率较低、x 线曝光量大等缺陷，因此，发展心内导管三维定位 导航技术势在必行。国外相继出现了基于三维磁场或电场定位原理来实现心内 导管三维定位导航的技术，为心内导管三维定位技术带来了革命性的变化，对 相关技术的研究和基于此类原理系统的开发研制成为了国内外生物医学工程界 的热点问题。在这种背景下，以本课题组的相关研究为基础，本文开展了心内 导管三维定位导航软件系统的设计及相关技术的研究工作。 8 2 软件系统设计的开发工具及理论基础 2 软件系统设计的开发工具及理论基础 【内容摘要】v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ( v t k ) 是当前最流行的可视化工具包，尤其 是在医学三维可视化领域，本文利用v t k 提供的类进行软件的设计与开发，极 大的提高了软件开发的效率；凸包是计算几何的基本内容，也是本文软件系统 心脏解剖结构三维建模的基础，利用凸包运算可以获得散乱点集的表面极值点 及有关的边和面的信息，能够直接进行可视化；基于集合成员分类法的三维造 型技术是复杂心脏解剖结构建模的关键技术，本章对其中涉及的三维造型理论 进行了综述，并依据本文系统的具体应用情况对其做了局部改进；c t m r 医学 图像的三维重建是实现图像融合的必经阶段，按照其三维可视化的流程，详细 论述了相关的图像预处理技术、图像分割技术及面绘制和体绘制技术。 2 1v t k 简介 v t k ( v i s u a l i z a t i o nt o o l k i 0 是一套进行数据可视化的开发工具包，是集3 d 图 形学、图像处理以及可视化技术于一体的软件系统。最早是在1 9 9 3 年由美国g e 公司的w i l l l i a ms c h r o e d e r 等人首次发布，此后以开放源码的形式进行开发，并 由美国的k i t w a r e 公司负责维护。v t k 是基于o p e n g l 的，在缺省情况下支持 o p e n g l ，因此用户可以有效地使用支持o p e n g l 显卡的硬件加速功能，提高可 视化效率【4 9 j 。 一 v t k 采用面向对象的设计思想开发而成，为可视化领域的用户提供了3 0 0 多个c + + 类，广泛应用于各种可视化领域，涉及了军事、产品设计、建筑、地 球科学、医学、流体力学等几乎所有的自然科学及工程技术领域【5 4 】。而且它 支持w i n d o w s 、l i n u x 、u n i x 等多种平台的开发。目前，v t k 业已成为了可视化 领域内最著名的软件开发工具包。v t k 有两个子系统组成，一个是通过编译生 成的c + + 类库；另一个是通过j 越，a 、t c 闭( 和p y m o n 语言来使用这些类的解释 器包。它的优势在于在编译过的语言c + + 中创建高效的算法，同时又可以使用 解释型语言进行系统的快速开发。 v t k 根据c + + 类库所实现的功能可分为三部分：图像处理( i m a g e p r o c e s s i n g ) ，可视化处理( v i s u a l i z a t i o np r o c e s s i n g ) 及图形显示( g r a p h i c d i s p l a y ) 。按对象类型可分为两种：数据对象( d a t ao b j e c t ) 和操作对象( p r o c e s s i n g 9 2 软件系统设计的开发工具及理论基础 o b j e c t ) 。一个完整的可视化过程包括两种对象模型：可视化模型( v i s u a l i z a t i o n m o d e l ) 和图形模型( g r a p h i cm o d e l ) 。 2 1 1 图形模型 图形模型包含几个核心的类，通过它们的有机组合来生成图像。v t k p r o p 及 其子类表示图像中显示的物体；v t k l i g h t 用于表现和处理图形的光线，包括光线 的参数及属性；v t k c a m e r a 的用于定义视点的位置、聚焦点及其它相关属性： v t k p r o p e r t y 及其子类用于控制显示图形的属性；v t k a b s t r a c t m a p p e r 的子类提供 图形模型和可视化模型的接口；v t k t r a n s f o r m 封装了一个4 * 4 的矩阵，用于对显 示物体的操作；v t k s c a l a r s t o c o l o r s 的子类可将数据映射为颜色；w k r e n d e r 与 v t k r e n d e r w i n d o w 是管理图形引擎和计算机窗口系统的接口； v t k r e n d e r w i n d o w i n t e r a c t o r 用于窗口和数据之间的交互。 2 1 2 可视化模型 v t k 将原始数据转变成图形数据采用的是数据流方法，该过程涉及两个基 本的对象类型，即数据对象和操作对象。数据对象表示各种类型的数据，v t k 支持的数据类型包括：图像数据( v t k i m a g e d a t a ) ，直线网格( v t k r e c t i l i n e a r g r i d ) ， 结构网格( v t k s t m c t u r e d g r i d ) ，非结构网格( v t k u n s t m c t u r e d g r i d ) 和多边形数据 ( v t k p o l y d a t a ) 。操作对象对数据对象进行操作并产生新的数据，体现了系统的运 算法则。它和数据对象通过可视化流水线相连，当数据流动时对数据进行操作。 可以细分为源对象( v t k s o u r c e ) 、过滤器对象( v t k f i l t e r ) 和映射对象( v t k m a p p e r ) 。其 中，源对象是可视化流程的起点，它既可以从外部读取源数据，也能通过程序 内部产生源数据；过滤器对象接收数据对象，输出一个或多个数据对象；映射 对象接收源对象或过滤器对象并把数据映射成基本图元。可视化流程即是数据 对象和操作对象的结合，如图2 1 所示。 以下所示为一个圆环的可视化实例： 可视化模型 v t k d i s k s o u r