用于复杂心律失常的新型三维标测系统研究

牟文英，马长生，蒋晨曦，李松南，桑才华，汤日波，董建增

心血管诊疗技术与器械教育部工程研究中心；北京市心脑血管医疗技术与器械工程技术研究中心；北京市心血管疾病防治办公室；首都医科大学附属北京安贞医院 心脏内科中心，北京100029

用于复杂心律失常的新型三维标测系统研究

牟文英，马长生，蒋晨曦，李松南，桑才华，汤日波，董建增

心血管诊疗技术与器械教育部工程研究中心；北京市心脑血管医疗技术与器械工程技术研究中心；北京市心血管疾病防治办公室；首都医科大学附属北京安贞医院 心脏内科中心，北京100029

目的 房颤、室速、室颤等复杂心律失常的临床诊治和机制研究需要获取心内膜、心外膜共同标测的三维电解剖信息，现有的标测系统无法实现。为满足这一特有需要，本文进行新型三维标测系统方案研究。方法 该系统从临床实际需要出发，基于磁场定位原理，借助磁定位软件，实现磁导管的多点同步磁定位；基于三维重建技术、图像与信息融合技术，利用拓扑映射方法，结合心外膜分区技术，建立心内膜、心外膜及其共同标测的电解剖图。结果 动物实验初步结果表明，设计的新型三维标测系统能够进行心内膜及对应区域心外膜标测，满足复杂心律失常的临床诊治及机制研究的特有需要。结论 新型标测系统为复杂心律失常的临床诊治及机制研究开辟了新途径。

心脏标测；心外膜标测；复杂心律失常；心内膜心外膜联合标测；三维标测

引言

心律失常是临床常见心血管病，房颤、室速、室颤等复杂心律失常严重危害人类健康，已成为心血管病研究的重点。标测是复杂心律失常诊断、治疗及研究过程中的一个重要环节。通过标测，可对心律失常进行识别、判断及定位[1-2]。当前，临床诊治及机制研究时，房颤等复杂心律失常主要进行心内膜标测[3-4]。但近年来，一些研究[5-7]发现，在相当比例的复杂心律失常发生和维持过程中，心外膜病变往往较心内膜病变作用更严重、更广泛，只进行心内膜标测，无法揭示复杂心律失常确切的电生理机制，也不利于临床诊治方案的确定[8]。因此，进行心内膜、心外膜共同标测，获取更全面的电生理信息，是复杂心律失常临床诊治及机制研究的特有需要。

目前，复杂心律失常研究中，主要应用三维标测技术获取电生理信息[2,9-10]，国际上应用该标测技术主要有两种系统[10-14]：一是基于磁场定位或磁电双定位的Carto系统[13]，一是基于电场定位的Ensite系统[10]。这些系统在心内膜应用有独特的优势，但在心外膜标测时却无能为力。主要原因是，心外膜标测一般是在开胸心脏直视下进行，此时，电场介质会因充盈空气发生变化，而手术操作牵拉导致心脏形态、位置也会发生变化，Ensite系统、Carto系统都无法在这种情况下使用。

使用传统X线透视下的二维标测技术可以进行开胸心外膜标测。但是，由于空间显示不直观，这种方法存在着准确定位困难、X线曝光时间长等缺陷，同时又无定位、记忆功能，难以满足复杂心律失常的研究需要。

20世纪90年代应用于临床的多道电生理标测技术[15-17]，在计算机的辅助下，可同步获取心外膜多个位点的心电信号，精确度高，但仍然是二维标测，欠缺直观性，同时主要采取离线分析，不能实时得到分析结果，所以难以应用于临床。

光学标测技术是从细胞水平上研究心脏电兴奋传导的一种功能成像技术[18-19]，虽具有时空分辨率高、多位点同时记录等诸多优点，但由于存在染色染料的毒副作用、激励光的光毒性等，该技术目前主要用于动物的离体标测，难以用于人体。

因此，现有二维和三维标测系统都不能很好地满足复杂心律失常特有的临床诊治及机制研究需要。

本文旨在研制一种新型三维标测系统，该系统同时具有心内膜、心外膜三维电解剖标测功能，既能满足不开胸时经心内膜标测，也能在开胸状态下进行心外膜标测，并能将心内膜、心外膜标测信息进行有机融合，满足复杂心律失常的诊治和机制研究需要。现将该新型系统总体设计报道如下。

1 系统总体组成

新型三维标测系统组成，见图1。

（1）心外膜三维标测模块，包括心外膜模拟三维解剖模型构建单元、心外膜分区软件、心外膜三维标测硬件单元（多极标测导管、信号处理装置）、心外膜三维构图及电解剖图显示单元、心外膜起搏拖带单元等几部分。其中心外膜三维标测硬件单元由多极标测导管、信号处理装置组成。彼此配合，实现静态及开胸动态情况下心外膜电生理三维标测。

图1 系统总体组成

（2）心内膜三维磁定位标测模块，基于磁定位原理，实现心内膜的三维电生理标测。包括磁场发生器、磁定位标测导管、信号处理装置等硬件部分和磁定位软件、磁定位系统心电分析软件等软件部分。

（3）心内膜心外膜联合标测模块，包括心内膜心外膜联合标测算法研究及实现单元等几部分。

（4）三维标测的公共基础模块，包括心脏三维解剖模型构建技术研究单元、心脏模型与电生理信息融合技术研究单元，其中心脏三维解剖模型构建技术研究单元由基于CT/MRI数据模拟心脏解剖模型构建技术研究单元和基于导管取点实时进行心脏三维构图技术单元组成。

2 系统功能概述

新型标测系统的主要功能，见图2。

图2 新型标测系统主要功能

（1）磁场定位功能。在磁场发生器产生的空间磁场中，系统能确定磁感应导管位置及方向，同时确定导管与其所在位置心脏解剖结构的相互位置关系。

（2）心脏三维解剖模型构建功能，系统可根据病人CT/MRI数据重建心脏三维解剖模型，也可根据导管在心脏取点实时进行三维构图。

（3）电生理信息与三维解剖图形融合功能，导管在心内膜/心外膜上取点获取电生理信息，与所在空间位点对应融合，并能在心脏三维解剖图形上显示。

（4）心内膜标测功能，系统能够对心内膜整体进行电学标测，并与心脏三维影像结合，获得心内膜三维标测图。

（5）心外膜标测功能，系统能够对心外膜整体进行电学标测，并与心脏三维影像结合，获得心外膜电解剖图。

（6）心内膜、心外膜联合标测功能，系统将心内膜、心外膜电生理信息分别与心脏三维解剖图形对应融合，得到整体心脏的电解剖图。

（7）心外膜分区功能，系统在被测对象心外膜几何解剖模型上，划分特征功能区；并在功能区取点，自动加细分区。

（8）起搏拖带功能，可结合传统的电生理记录仪及程控刺激仪，进行起搏、拖带及记录分析，实现完全传导阻断的起搏验证、旁道位置的精确定位、不同部位心动过速的起搏或拖带等。

3 系统技术实现

新型标测系统的总体技术研究路线，见图3。

图3 总体技术研究路线简图

（1）获取被测对象CT/MRI数据，重建心脏三维解剖模型；根据心外膜与心内膜的解剖结构关系，构建心外膜三维解剖模型。

（2）研究心脏图像与心电信息融合技术，为心脏电解剖图构建奠定基础。

（3）基于心外膜三维解剖模型，进行分区，选取特征点，研发心外膜分区软件。

（4）对应选取的特征点，在心外膜上取点，获取心电信息，借助融合技术及拓扑映射方法，建立三维电解剖模型，并进行实时显示。

（5）集成心外膜电生理分析预起搏检查所需的软硬件，实现在心外膜的特定位置可进行起搏或拖带。

（6）磁场发生器产生系统所需空间磁场，磁导管电极感应所在位置的磁场强度及方向，经信号处理装置及磁定位软件处理，得到其所在位置的空间坐标，从而确定磁导管的位置和姿态。由于系统采用多极标测导管，所以磁场定位系统需同时处理数十个磁传感器的定位信息，进行多点同步磁定位。

（7）新型标测系统为提高标测效率及准确性，采用多极标测导管标测，系统根据导管取点实时进行三维构图，并与电生理信息融合，得到心内膜三维电解剖图；研发心电分析及显示软件。

（8）开发心内膜、心外膜图形融合软件、心内膜、心外膜联合标测软件，得到整体心脏三维电解剖图。

（9）采取边研制边评价的质量管理方法，依次进行单元测试、总装调试、动物实验，验证与评价系统。

4 系统初步验证

通过以上设计思路和方法，项目组已研制出用于复杂心律失常的新型三维标测系统样机。目前，该样机正在进行动物实验。动物实验选用活体成年狗，通过心脏导管射频消融手术进行在体实验。以磁场定位精度、心电数据映射精度及其显示延迟等指标是否达标评价系统，初步验证系统的可操作性、安全性和功能性等整体性能。动物实验初步结果表明，系统总体方案设计合理，研究方法可行，设计的新型三维标测系统可以实现心内膜、心外膜的共同标测，满足复杂心律失常的特有需要。

5 结语

通过获得心内膜和对应区域的心外膜电生理信息，新型三维标测系统可以实现在相对静止及开胸动态情况下仍能方便、准确进行三维标测。在国家自然科学基金科学仪器专项资金的资助下，北京安贞医院马长生教授组织团队研制的新型三维标测系统将有助于揭示复杂心律失常发生维持机制，提高复杂心律失常介入手术成功率，降低医疗成本。

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本文编辑 袁隽玲

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

国家自然科学基金科学仪器专项“心内膜、心外膜联合标测仪器的研制”（81227001）；国家科技支撑计划“三维电生理标测系统和射频消融系统研发”（2014BAI11B09）。

马长生，心脏内科中心主任，主任医师，教授，博士生导师；主要研究方向为心血管病及相关的医疗器械。

通讯作者邮箱：chshma@vip.sina.com