KR20090010995A - 의료 이미징 데이터를 이용하는 카테터 추적 시스템을 위한향상된 교정 방법 - Google Patents

의료 이미징 데이터를 이용하는 카테터 추적 시스템을 위한향상된 교정 방법 Download PDF

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로버트 만크제
레이몬드 찬
šœ무가벨루 소카
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 환자를 위한 이전 획득된 의료 이미징 데이터를 이용하여, 특정 환자를 위한 심장 중재 시술시 사용을 위한 카테터 추적 공간내에 있는 전자기 또는 음향 기반 카테터의 교정 및 추적을 위한 개선된 방법을 공개한다.
Figure P1020087028556
카테터, 심장, 이미징, 환자, 중재술, 흉곽

Description

의료 이미징 데이터를 이용하는 카테터 추적 시스템을 위한 향상된 교정 방법{IMPROVED CALIBRATION METHOD FOR CATHETER TRACKING SYSTEM USING MEDICAL IMAGING DATA}
본 발명은 이전 획득된 의료 이미징 데이터를 이용하는 심장 중재 시술시 카테터의 추적 및 교정을 향상하는 방법에 관한 것이다.
의료 진단 및 이미징 시스템은 현대 보건 의료 시설에 존재한다. 이러한 시스템은 물리적 상태를 식별하고, 진단하고 치료하기 위한 매우 중요한 도구를 제공하고 외과적 진단 중재술에 대한 필요성을 대단히 감소시킨다. 많은 예에서, 주치의인 내과의사 또는 방사선 기사가 하나 이상의 이미징 양식을 통하여 관련 영역 및 조직의 상세한 이미지를 가지고 종래 검사를 보충한 후에만 최종적 진단 및 치료가 진행한다.
의료적 진단 및 요법에서 최소한의 침습성 외과적 기술의 사용이 증가함에 따라, 인간 또는 동물 신체 내부에 카테터 또는 다른 의료적 기구를 원격으로 위치시키고 추적하는 새로운 방법에 대한 필요성이 있다. 현재에는, x-레이 형광 투시 이미징이 표준 카테터 추적 기술이다. 그러나, 환자 및 임상의 둘 다에 의한 x-레이 사용량에 대한 과도한 노출은 해로울 수 있다. 따라서, 대안적인 카테터 추적 방법이 바람직스럽다.
수개의 대안적인 방법이 공개되었는데, 이 중 일부 방법은 초음파 트랜듀서를 사용하고, 다른 방법들은 자기장 측정을 이용한다.
카테터 위치에 대한 한 가지 알려진 방법은, 카테터의 팁에 고정되고, 서로에 관련하여 고정되며, 공간적 기준 프레임을 한정하는 하나 이상의 자기장 소스, 및 하나 이상의 자기 센서를 이용한다. 센서는 소스에 의해 생성된 자기장(field)을 측정하고, 이들 측정은 이후 기준 프레임에 관련한 팁의 위치를 결정하기 위해 사용된다. 대안적으로는, 동일한 결과가 소스를 센서로 대체하고, 센서를 소스를 대체함으로써 달성될 수 있다.
이 기술은 소스의 상대적 위치 및 이들 자기장의 공간적 형태, 및 센서의 상대적 위치 및 감도에 대한 정확한 이전 지식에 의존한다. 이상적인 특성을 갖는 소스 및 센서를 제조하는 것이 가능하지 않으므로, 이러한 특성에 대한 순전히 이론적인 계산은 오류가 있기 쉬우며, 따라서 이들은 교정 측정(calibration measurement)로부터 결정되어야 한다. 인간 또는 동물 신체 내부에 있는 카테터를 추적하기 위해 자기장을 사용하는 한 가지 이점은 이 자기장이 사실상 신체 존재에 의해 영향을 받지 않는다는 점이다. 이는 신체 조직의 매우 낮은 대자율(magnetic susceptibility)에 기인한다. 대조적으로, 전기장 및 음향장(acoustic field)은 신체 조직에 의해 강하게 영향을 받는다. 이 결과는 자기장 추적 시스템의 교정 측정 이 수술에 앞서 신체의 존재없이도 만들어질 수 있는 다는 점이다.
카테터에 대한 제한은 신체의 해당 부분으로의 삽입을 허용하도록 이들의 직경에서 충분이 작아야하고 충분히 유연해야 한다는 점이다. 예를 들면, 심장용 카테터 직경은 약 2mm이고, 10mm 이하의 반경까지 구부려지도록 충분히 유연해야만 한다. 이들 요구조건 및, 카테터에 탑재된 프랜듀서가 이 카테터 헤드에 근접하게 단단하게 함께 고정되도록 하는 필요성은 이들 트랜듀서가 모두 작은 체적(volume)내로 포함되어야함을 요구한다.
현재에는, NavX(ESI, St.Jude) 및 Localisa system(Medtronic)와 같은 전기장기반 카테터 추적 시스템 또는 초음파 비행시간 기반(ultrasound-time-of-flight-based) 추적 시스템은 교정 및 데이터 획득 처리 동안 가슴세로칸(mediastinum) 내에 있는 균일 및 선형 전자기장 또는 비균일 음속 분포의 가정에 의존한다. 그러나, 인간 흉곽 내의 전기 전도율 및 음파 성질의 공간적 분포는 호흡과 같은 동적인 효과와 인간의 해부체에 의존하여 변경된다. 따라서, 흉곽내 전자기장 및 음향장은 결코 균일 및 선형적이지 않으며, 이는 결국 카테터 추적 동안 큰 오류를 초래한다. 이때, 이러한 추적 디바이스는 해부체 구조내에서만 사용되고, 이 경우 전자기장 또는 음속장(speed-of-sound field)은 대략 심방에 있는 혈액풀 내에 있는 것과 같이 균일하다. 카테터상의 전자기 또는 초음파 센서를 써서 신체내의 전기장 또는 초음파 비행시간을 측정하는 것에 의존하여 카테터 추적을 수행하도록 하는 단순 선형 교정 방법이 사용된다. 이들 기술은 심장 정맥과 같은, 다른 해부적 구조 내에서 성공적으로 아직 적용되지 못하고 있는데, 왜냐하면 거기서는 균일성 및 비 균일성에서의 장은 현재의 선형 장 교정 기술을 사용하는 신뢰성있는 추적을 배제하기 때문이다.
카테터 추적 및 교정 시스템은 1997년 12월 16일 허여된 미국특허번호 제5,697,377호, 2005년 4월 14일 공개된 미국특허출원번호 제20050080328호, 2006년 3월 16일 공개된 미국특허번호 제20060058643호, 2005년 9월 8일에 공개된 제20050197568호, 2001년 5월 1일 허여된 미국특허출원번호 제6226547호, 2005년 6월 2일에 공개된 PCT국제공개번호(WO 2005/048841호), 및 IEEE Trans.Medical Imaging, 24, (11), 1428-1440 페이지, 2005년 11월호에 실린 K.S.Rhode 등의 공개된 논문 인 "A System for real-Time XMR Guided Cardiovascular Intervention"에 기술되어 있다.
그러나, 문제는 여전히 이들 기술에 존속되고 있다. 현재에는, NavX(ESI, St.Jude) 및 Localisa system(Medtronic)과 같은 전기장 기반 카테터 추적 시스템은 교정 및 데이터 획득 프로세스 동안 균일 및 선형 전기장의 가정에 의존한다. 그러나, 인간 신체 내부, 특히 흉곽 내에서의 전기 전도율은 환자 특정 해부구조 및 호흡 동작과 같은 다른 동적 영향에 의존하여 변화된다. 그러므로, 전기장은 비균일 및 비선형적인데, 이는 카테터 추적 동안 중요한 오류를 초래한다. 유사하게, 초음파 기반 위치 센싱은 조직내의 음속에 대한 균질성을 가정한다. 흉곽 내 음속의 비균일 분포는 그 체적내에서 위치 지정 오류를 초래하는 초음파 유도 위치 및 방향 측정(orientation measurement)을 왜곡한다.
본 발명에 따르면, 해부적 구조내에서 대 가슴세로칸 구조의 분할 및 다차원 또는 음향 모델의 구성을 위한 MDCT 또는 MR로부터의 환자 특정 이미징 데이터를 사용하는 새로운 접근 방식이 제공되며, 이후 이는 교정 프로세스 및 카테터 추적을 향상시키기 위해 전기장 또는 음향장의 계산을 위해 사용될 수 있다.
특정 환자를 위한 심장 중재 시술 시 사용을 위한 카테터 추적 공간 내에 있는 전자기 또는 음향 기반 카테터의 교정 및 추적을 개선하는 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적으로서, 이 방법은, 의료 스캐너로부터 상기 환자의 측정 공간을 위한 한 분량의 심장 이미지 데이터를 상기 중재 시술 동안 또는 이전에 획득하는 단계; 각 조직 영역의 의료 이미지를 생성하기 위해 조직 영역에 따라 상기 이미지 데이터를 분할하는 단계; 각 조직 영역의 전자기 또는 음향 데이터를 획득하는 단계; 상기 환자의 측정 공간 및 상기 카테터 추적 공간에 대응하는 모델 공간을 커버하는 하나 이상의 분할된 조직 영역을 위한 전자기 또는 음향 모델 이미지를 생성하기 위해 상기 전자기 또는 음향 데이터를 처리하는 단계로서, 상기 모델 이미지는 상기 데이터의 정확도에 영향을 미치는 카테터 추적 공간 내에서의 하나 이상의 신호 왜곡 영역을 나타내는, 처리하는 단계; 상기 카테터 추적 공간과 상기 모델 공간을 등록(register)하는 단계; 중재 시술 동안 및 상기 모델 이미지를 참조함으로써 상기 카테터의 추적 거동을 측정하여, 신호 왜곡 효과로부터 발생한 카테터 추적 오류를 결정하는 단계; 및 신호 왜곡의 영향을 최소화하기 위해 추적 동안 상기 카테터의 위치를 정정하는 단계를 포함한다.
또 다른 목적은, 상기 한 분량의 심장 이미지 데이터를 상기 중재 시술 이전에 획득하는 단계는, CT 시스템, MR 시스템, 초음파 시스템, 3D 형광 투시 시스템, 및 PET 시스템 중 적어도 하나를 사용하여 한 분량의 심장 이미지 데이터를 중재 시술 이전에 획득하는 단계를 추가로 포함하는, 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은, 상기 조직 영역은, 심장 정맥, 심장 동맥, 또는 대동맥 중 적어도 하나를 추가로 포함하는, 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은, 전자기 모델 이미지를 생성하기 위해 전자기 데이터를 처리하는 단계는, 4D 전기 전도율 모델 이미지를 생성하기 위해 상기 전자기 데이터를 처리하는 단계를 추가로 포함하는, 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은, 음향 모델 이미지를 생성하기 위해 음향 데이터를 처리하는 단계는, 3D 음속 모델 이미지를 생성하기 위해 상기 음향 데이터를 처리하는 단계를 추가로 포함하는, 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은, 상기 카테터 추적 공간 및 상기 모델 공간을 등록하는 단계는, 상기 모델 공간 내의 환자에 부착된 전자기 또는 음향의 볼 수 있는 표면 마커를 이용하여 카테터 추적 공간으로 상기 모델 공간을 등록하는 단계를 추가로 포함하는, 방법을 제공하되, 여기서 각 표면 마커의 위치는 카테터 교정 또는 추적 동안 상기 카테터 추적 공간에 있는 마킹된 위치에 놓인 기준 패치의 배치에 대응한다.
본 발명의 이들 및 다른 측면은 다음 실시예를 참조하고 도면을 참조하여 더 상세하게 기술된다.
도 1은 향상된 카테터 추적을 위한 전도율 모델을 초래하는 의료 이미지 및 분할된 의료 이미지를 보여주는 도면.
심장혈관의 카테터 삽입 절차는 전통적으로 X-레이 형광 투시 가이드 하에서 수행된다. 이러한 가이드 타입은 수개의 단점을 갖는다. 첫째로, 생성된 이미지는 2차원(즉, 2D)이므로, 이미징되는 물체의 3차원(즉, 3D) 이미지를 재구성을 시도하기 위해 다른 각도로부터 수개 사진을 찍어야 하는 필요성이 있는데, 여기서 카테터의 3D 경로를 시각화할 때, 고유 부정확성이 발생한다. 둘째로, X-레이는 심장 및 혈관과 같은 부드러운 조직 영역의 이미지를 정교하게 취하지 못한다. 셋째로, X-레이 이미징은 시술자와 환자가 방사능의 조사량에 노출되게 하며, 이는 시간이 지남에 따라 심각한 건강 문제를 야기할 수 있다.
현재에는, NavX(ESI, St.Jude) 및 Localisa system(Medtronic)과 같은 전기장 기반 카테터 추적 시스템은 교정 및 데이터 획득 프로세스 동안 균일 및 선형의 전기장 가정에 의존한다. 그러나, 인간 신체 내, 특별하게는 흉곽안에서의 전기 전도율은 환자 특정 해부체 및 호흡 동작과 같은 다른 동적인 영향에 의존하여 변화된다. 이 전기장은 그러므로 비균일 및 비선형인데, 이는 결국 카테터 추적 동안 중요한 오류를 초래한다. 유사하게는, 초음파 기반 위치 센싱은 조직내의 음속의 균질성을 취한다. 흉곽내 음속의 비균일 분포는 그 부피내에서의 위치 지정 오류를 초래하는 초음파 유도 위치 및 방향 측정을 왜곡한다.
종래 기술에 따르면, St. Jude NavX와 같은 시스템은 전자기장에서 카테터 추적에 의존한다. 그러므로, 3개의 직교 필드가 예를 들면, Wittkampf의 미국특허번호 제5,697,377호에 기술된 바와 같이, 신체 표면 전극을 써서 환자에 적용된다. 신체 내에서의 임피던스가 변화되므로(허파, 다른 조직 타입 등), 신체안에서의 전자기장은 강하게 비 선형이다. 추적된 카테터는 유사한 위치까지 잘 조종될 수 있지만, 그러나 절대적인 측정은 수행될 수 없다. 따라서, 추적된 카테터의 포인트군(point cloud)으로부터 발생된 해부체의 수치적 모델이 왜곡된다. 또한, 추적은 심방과 같은 일정한 해부구조 영역안에서만 수행될 수 있다. 대신에, 혈관 또는 동맥에서, 추적 결과는 많은 오류에 의해 손상되는데, 왜냐하면 그 매체 및 큰 장 왜곡의 비균질성 때문이다.
본 발명에 있어서, 주요한 종격동 구조의 분할 및 다차원 전도율 또는 음향 모델의 구성을 위한 MDCT 또는 MR로부터의 환자 특정 이미징 데이터를 사용하는 새로운 접근 방식이 제공되며, 이후 이는 교정 프로세스 및 카테터 추적을 향상시키기 위해 전기장 또는 음향장의 계산을 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 이미징 데이터는 이러한 비선형 공간의 회선을 풀고(deconvolute) 혈관과 같은 다른 해부구조적 영역에서 추적을 더 정확하고 실행가능하게 하기 위해 사용될 수 있다. 임상의 업무 흐름에서, 이미징 데이터가 획득될 수 있는데, 예를 들면 중재의 시작에서, 이러한 데이터에는 일반적인 신체 임피던가 할당되고 카테터 추적 공간을 펴기(unwarping) 위해 후속적으로 사용된다. 만 일 인트라-중재(intra-interventional) 이미징이 입수가능하면, 상기 펴기(upwarping)가 이러한 데이터에 따라 갱신될 수 있다. 사전-동작 데이터는 심장 데이터 획득을 위한 대응하는 세팅으로 CT/MRI/X-ray/US와 같은 양식에 의해 획득될 수 있다.
본 발명의 공개 내용은 MRI 또는 CT를 통한 이미징을 이용하여 입수된 사전획득된, 다차원, 환자 특정 데이터를 사용하여 카테터 추적 시스템의 교정을 개선하기 위해 전기 전도율 또는 음속 모델을 구성하는 것을 제안한다. 전기 전도율 모델은 이미 전기 임피던스 단층 X선 촬영 분야에서 사용되고 있다. 심장 정맥 및 동맥, 대동맥 등과 같은 전자기장 또는 음향장 성질이 급속히 변하는 영역에서의 신뢰성있는 추적이 이러한 환자 특정 모델의 사용에 기초된 개선된 교정 및 추적 전략을 이용하여 실행될 수 있다. 호흡(폐의 용적 변화는 해부구조의 변화 및 전도율과 음속 분포에서의 해당 변화를 초래함)과 같은 동적 영향은 의료 이미징 데이터로부터 유도된 4차원 흉곽 모델을 사용하기 위해 설명될 수 있다.
예를 들면, 흉곽의 다 차원 전도율 또는 음속 모델이, 도 1에 도시된 바와 같이, 의료 이미징 데이터로부터 도출된다. 이 데이터는 관심대상의 해부체 내에서의 전자기장 또는 음향장을 예측하기 위해 사용된다. 전자기장 또는 음향장 기반 카테터 추적 시스템의 교정은 이들 환자 특정 모델을 이용하여 개선되고 추적은 장 왜곡을 갖는 영역에서 더 신뢰할 수 있게 수행될 수 있는데, 이 왜곡은 해부체 구조 및 조직 성질의 급속한 변화때문이다. 환자 움직임이 설명될 수 있으며, 이는 추적 오류의 감소를 초래한다.
본 발명이 이의 특정 실시예에 대하여 기술되었을 지라도, 당업자라면 많은 수정, 향상, 및/또는 변경이 본 발명의 기술 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서도 달성될 수 있음을 인식할 것이다. 그러므로, 본 발명은 청구항의 범위 및 이의 등가에 의해서만 제한되어야함이 명백하게 의도된다.
본 발명은 이전 획득된 의료 이미징 데이터를 이용하는 심장 중재 시술시 교정을 향상하고 카테터를 추적하는 방법에 이용가능하다.

Claims (6)

  1. 특정 환자를 위한 심장 중재 시술시 사용을 위한 카테터 추적 공간내에 있는 전자기 또는 음향 기반 카테터의 교정 및 추적을 향상시키는 방법으로서,
    의료 스캐너로부터 상기 환자의 측정 공간을 위한 한 분량의 심장 이미지 데이터를 상기 중재 시술 동안 또는 이전에 획득하는 단계;
    각 조직 영역의 의료 이미지를 생성하기 위해 조직에 따라 상기 이미지 데이터를 분할하는 단계;
    각 조직 영역의 상기 전자기 또는 음향 데이터를 획득하는 단계;
    상기 환자의 측정 공간 및 상기 추적 공간에 대응하는 모델 공간을 커버하는 하나 이상의 분할된 조직 영역을 위한 전자기 또는 음향 모델 이미지를 생성하기 위해 상기 전자기 또는 음향 데이터를 처리하는 단계로서, 상기 모델 이미지는 상기 데이터의 정확도에 영향을 미치는 카테터 추적 공간 내에서의 하나 이상의 신호 왜곡 영역을 나타내는, 처리하는 단계;
    상기 카테터 추적 공간과 함께 상기 모델 공간을 등록(register)하는 단계;
    중재 시술 동안 및 상기 모델 이미지를 참조함으로써 상기 카테터의 추적 거동을 측정하여, 신호 왜곡 효과로부터 발생한 카테터 추적 오류를 결정하는 단계; 및
    신호 왜곡의 영향을 최소화하기 위해 추적 동안 상기 카테터의 위치를 정정하는 단계
    를 포함하는, 카테터의 교정 및 추적을 향상시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 분량의 심장 이미지 데이터를 중재 시술 동안 또는 이전에 획득하는 단계는,
    CT 시스템, MR 시스템, 초음파 시스템, 3D 형광 투시 시스템, 및 PET 시스템 중 적어도 하나를 사용하여 한 분량의 심장 이미지 데이터를 중재 시술 이전에 획득하는 단계를 추가로 포함하는, 카테터의 교정 및 추적을 향상시키는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 조직 영역은, 심장 정맥, 심장 동맥, 또는 대동맥 중 적어도 하나를 추가로 포함하는, 카테터의 교정 및 추적을 향상시키는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    전자기 모델 이미지를 생성하기 위해 전자기 데이터를 처리하는 단계는, 4D 전기 전도율 모델 이미지를 생성하기 위해 상기 전자기 데이터를 처리하는 단계를 추가로 포함하는, 카테터의 교정 및 추적을 향상시키는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    음향 모델 이미지를 생성하기 위해 음향 데이터를 처리하는 단계는, 3D 음속 모델 이미지를 생성하기 위해 상기 음향 데이터를 처리하는 단계를 추가로 포함하는, 카테터의 교정 및 추적을 향상시키는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 모델 공간을 등록하는 단계는, 상기 모델 공간 내의 환자에 부착된 전자기 또는 음향의 볼 수 있는 표면 마커를 이용하여 카테터 추적 공간으로 상기 모델 공간을 등록하는 단계를 추가로 포함하되,
    각 표면 마커의 위치는 카테터 교정 또는 추적 동안 상기 카테터 추적 공간에 있는 마킹된 위치에 놓인 기준 패치의 배치에 대응하는, 카테터의 교정 및 추적을 향상시키는 방법.
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