CN101327124A - 具有运动补偿的体内位置系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有运动补偿的体内位置系统。一种用于方位追踪的方法包括在对象的心脏内的参考位置处设置内部参考探针，在对象的一个或多个呼吸周期内收集和处理内部参考探针的第一位置坐标以定义对应于所述参考位置的位置坐标的范围。将活动设备插入心脏内，并收集该活动设备的第二位置坐标。共同地处理第一和第二位置坐标以便在心脏的参考框架中寻找活动设备的相关位置坐标。当检测到第一位置坐标与该范围的偏差时，校正该相关位置坐标以补偿参考探针从参考位置的位移。

Description

具有运动补偿的体内位置系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年6月4日提交的美国临时专利申请60/941,767的权益，该临时申请结合在此作为参考。

技术领域

本发明主要涉及医疗仪器，特别地涉及用于追踪体内侵入设备的位置的方位传感系统。

背景技术

在心内追踪系统中，例如CARTO^TM(由加利福尼亚州的Biosense Webster，Diamond Bar制造)，心脏内的导管的方位坐标由患者体外相应的参考位置确定。在CARTO中，例如，导管和患者背部之下的参考垫都包含微型线圈，该微型线圈探测磁场的幅度和方向。当患者呼吸时，然而，甚至当导管相对于心脏固定时，患者胸腔引起的运动引起心脏相对于参考垫偏移方位，因此，在呼吸周期中导管的坐标将改变。

美国专利5,391,199，其内容在此引入作为参考的，其描述了一种使用具有在心脏内位置探测能力的导管，用于绘制和治疗心脏心律不齐的方法和装置。为了校正由于呼吸或患者运动而可能引起的心室的位移，一组超过两个的定位导管可在绘制处理中被设置于心室的特殊点上作为参考导管。这些参考导管的位置为在心室内绘制导管位置的适当的三维通信提供了必要的信息。

发明内容

在心脏内位于稳定方位的参考探针的使用，例如导管，能提高测量活动设备的方位的精确度，例如当活动设备在心脏内被操纵时的绘制导管。参考探针被固定地保持，作为用于测量活动设备相关坐标的参考点。由于呼吸运动以大致相同的方式影响参考导管和活动设备，因此，呼吸运动对活动设备的坐标的影响在很大程度上被消除。

尽管如此，实际上，保持参考探针稳定是很困难的。即使参考探针轻微的位移也严重地危及活动设备的方位测量的精确性。下文描述的本发明的实施例提供了能够解决该问题的方法和系统，同时因此提供了甚至当参考探针并非完全固定时的精确方位的读数。

依照本发明的一个实施例，因此提供一种用于方位追踪的方法，包括：

在对象心脏内的参考位置设置内部参考探针，该内部参考探针包括第一方位换能器(transducer)；

在该对象的一个或多个呼吸周期内，使用第一方位换能器，在固定的参考框架中，收集和处理内部参考探针的第一位置坐标，以定义相应于参考位置的位置坐标的范围；

插入包括第二方位换能器的活动设备于心脏内；

在固定的参考框架中，使用第二方位换能器收集活动设备的第二位置坐标，同时共同地处理第一和第二位置坐标，以在心脏的参考框架中寻找活动设备的相关位置坐标；

在定义了相应于参考位置的位置坐标的范围之后，检测第一位置坐标与该范围的偏差，从而识别参考探针从参考位置的位移；以及

校正相关位置坐标以补偿位移。

在公开的实施例中，内部参考探针和活动设备包括导管，以及包括磁场传感器的第一和第二方位换能器，该磁场传感器被设置为响应由固定的参考框架中的场发生器产生的磁场而输出方位信号。

在一个实施例中，共同地处理第一和第二位置坐标包括获取第一和第二位置坐标之间的矢量差，以寻找相关位置坐标。

该方法包括在固定的参考框架内收集固定于对象身体上的参考垫的第三位置坐标，其中共同地处理第一和第二位置坐标包括将至少第一位置坐标参照第三位置坐标。通常，检测偏差包括将第一位置坐标与第三位置坐标进行比较，以确定偏差是由于参考探针从参考位置的位移引起，还是由于对象身体的移动引起。

在公开的实施例中，校正相关位置坐标包括响应于该位移计算校正矢量，并应用该校正矢量以根据第一和第二位置坐标寻找相关位置坐标。通常，计算校正矢量包括收集和处理内部参考探针的其它的位置坐标，以定义相应于参考位置的位置坐标的新范围，以及将该新范围与通过收集和处理第一位置坐标定义的范围进行比较。

在一个实施例中，该方法包括使用内部参考探针上的电极，探测心脏内的参考位置处的局部电描记图的信号，其中检测偏差包括检测局部电描记图信号的变化。

依照本发明的实施例，还提供用于方位追踪的装置，包括：

内部参考探针，其包括第一方位换能器，该内部参考探针同时被设计为设置在对象的心脏内的参考位置中；

活动设备，其包括第二方位换能器，该活动设备同时被设计为引入到心脏内；以及

定位处理器，在该对象的一个或多个呼吸周期内，使用第一方位换能器，在固定的参考框架中结合的该定位处理器收集和处理该内部参考探针的第一位置坐标，以定义相应于参考位置的位置坐标的范围，以及使用该第二方位换能器在固定的参考框架中结合的该定位处理器收集活动设备的第二位置坐标，以及共同地处理第一和第二位置坐标，以在心脏的参考框架中寻找活动设备的相关位置坐标，

其中定位处理器被设计为在定义了相应于参考位置的位置坐标的范围之后，检测第一位置坐标与该范围的偏差，从而识别该参考探针从参考位置的位移；以及校正相关位置坐标以补偿位移。

结合附图，本发明将从其实施例的下面详细描述得到更为充分的理解，其中：

附图说明

图1是依照本发明的一个实施例，心脏导管插入系统的示意性的图示说明；

图2是依照本发明的一个实施例，导管远端的示意性侧视图；

图3和4是依照本发明的一个实施例，示意性地图释了一种用于寻找导管位置坐标的方法的矢量图；

图5是依照本发明的一个实施例，示意性的地图释一种用于寻找导管位置坐标的方法的流程图；以及

图6是依照本发明的一个实施例，参考导管的方位测量组的图形表示。

具体实施方式

依照本发明的一个实施例，现在参考图1和图2，示意性地图释了一种用于患者24的心脏22的导管插入系统20。该系统包括，由医师26经静脉或动脉插入心室30的导管28，和其他的事物。图1是该系统作为一个整体的示意图，而图2给出了导管远端的细节。

导管28可以作为活动设备用于多种目的，包括诊断应用，例如对心脏绘制或成像，还包括治疗应用，例如基于消融的心律不齐的治疗。导管28通常包括由医师操作该导管的手柄32。手柄上适当的控制器(未示出)使得医师能够对该导管的远端进行所需的控制、定位和确定方向。在图2所示的示例结构中，导管28包括在其远端的多个功能性的组件，该组件包括电极40，该电极可以用于心脏22内的电检测和/或消融，还可包括声学换能器42，其可以用于超声成像。虽然，这些组件仅通过图释的方式给出，本发明的原理也同样地可应用于其他类型的导管和其他的侵入式设备。

系统20包括定位子系统，其测量导管28的位置和方向坐标。(贯穿本专利申请和权利要求书，术语“位置”指的是导管的空间坐标，术语“方向”指的是它的角度坐标。术语“方位”指的是导管的整个方位信息，其包括位置和方向坐标。)为了测量这些坐标，导管28的远端包括方位传感器36，其产生由定位处理器38计算心脏内导管的方位坐标要使用的信号。传感器36和导管28内的功能性组件通过电缆线44穿过导管与处理器38连接。

在一个实施例中，定位子系统包括磁场方位追踪系统，该追踪系统能确定导管28的位置和方向。该定位子系统在心脏22附近的预定工作体积中产生磁场，并在导管处感测这些磁场。出于这个目的，该定位子系统通常包括一组外部辐射体，例如场产生线圈34，该线圈定位于患者24外部的固定的已知方位，并在心脏22的附近产生电磁场。由线圈34产生的该场因此定义了一个固定的参考框架。本实施例中的方位传感器36可以包括一个或多个线圈，其检测由线圈34产生的场并向处理器38传达与该场的方向分量成比例的信号。该处理器通常接收、放大、过滤、数字化和处理这些信号，以确定传感器在线圈34的参考框架中的坐标。在可选择的实施例中，辐射体，例如线圈，在导管中产生被患者体外的传感器接收的电磁场。

前面提到过的美国专利号5,391,199进一步描述了这种定位子系统的操作原理。其他定位追踪系统以这种通常的方式操作，例如，在美国专利号6,690,963，6,618,612和6,332,089，和美国专利申请公开号2002/0065455 A1，2004/0147920A1和2004/0068178 A1公开，以上公开的内容在此引入作为参考。在美国专利申请公开号2006/0241445中描述了整合具有超声成像性能的换能器42的定位子系统，其公开的内容被引于此作为参考。虽然图1中的定位子系统使用了磁场，下述的方法同样可使用其他合适的定位子系统实现，例如基于电阻抗或声学测量的系统。术语“方位换能器”在本专利申请的上下文和权利要求书中，一般是指可用于例如导管的侵入式设备中以产生表示组件坐标的信号的任何类型的组件，无论是通过传输或接收辐射。磁方位传感器36是方位换能器的一种，在这里仅是以示意性的方式描述，而并非限制性的。

如图2所示，方位传感器36被设置在导管28的远端内，邻近于电极40和换能器42。通常，在方位传感器、电极和换能器之间相互的位置和方向的偏移是恒定的。定位处理器38通过使用这些偏移来得到电极40和换能器42的坐标，给出了方位传感器36的测量方位。

为了减少由处理器38计算的导管28的方位坐标中可能的误差，系统20包括两个方位参考元件：

●参考垫46，其通常贴在患者24的后背。垫46包括一个或多个方位换能器，例如与导管28内的传感器36类似的方位传感器。(实际上，该垫本身可简单地包括类似于导管28的另一个导管。)因此，由垫46中的传感器输出的信号提供了一个固定的参考方位，该参考方位在医师26操作的过程中不会移动，除非患者本身移动。例如，该参考垫可以是一个QWIKSTAR背垫，其作为上述的CARTO系统的一部分被提供。

●参考导管48，其通常由医师26插入到心脏22内，并在心脏中定位于一个已知的、稳定的参考位置。导管48也包括一个或多个方位换能器，从而用作为参考探针以用于在心脏的参考框架中寻找导管28的相关位置坐标，即在心脏22中固定的参考框架，而不是在患者的体外，下面将会进一步描述。该参考导管可以是例如CARTO NAVISTAR导管。

在图1的插页中，例如，导管48由上级腔静脉进入心脏22的右心房，它的远端被插入冠状窦50。一般地，在这种方位中，导管48并不希望在该过程中相对于心脏移动(和冠状窦本身在心循环的过程中会有相对微小的移动)。另一方面，患者24的胸腔的呼吸运动将会导致导管48的方位相对于参考垫46沿导管28和患者心脏的其他部分进行周期性地移动。

处理器38共同地处理导管48的坐标和传感器36的坐标，以寻找导管28的消除了呼吸和患者的其他移动的影响的相关位置坐标，下文将进一步描述。参考垫46的坐标也可以用于这种计算，以提高操作环境中坐标相对于患者移动和变化的稳定性。该处理器通常利用产生心脏的绘图和/或成像时得到的精确的方位测量结果，其在显示器52上呈现，并且在诊断和治疗的过程中精确地追踪导管28的位置。用户，例如医师26，可以与显示器交互，并通过输入设备54，例如指示设备和/或键盘，来控制处理器。

通常，定位处理器38包括通用计算机的处理器，其以软件程序被编程以执行如下功能。该软件可以通过网络以电子形式被下载到计算机上，例如，其可选择地或附加地存储在实体媒介上，例如光、磁或电子存储媒介。定位处理器的功能可以通过专用计算机来执行，或者将它们与系统20的其他计算功能整合。附加地或可选择地，至少一些处理功能可以通过专用硬件来执行。

图3是依照本发明的一个实施例，示意性地图示由处理器38计算的位置坐标的矢量图。尽管该图表是二维的(为了简单和视觉清楚)，实际上系统20中该处理器确定的位置坐标是三维的。此外，虽然下文中描述的实施例详细叙述了位置坐标的校正，但是本发明的原理可以相似的应用于为减小导管28的方向坐标中可能产生的误差，只需在细节上作必要的修正。

图3给出了如下矢量：

●矢量60(记号A)描绘了导管28内的传感器36的坐标，其由处理器38相对于场发生器线圈34的固定的外部参考框架来计算出。这些是绝对坐标，未考虑患者24的由于呼吸或其他情况而可能发生的任何移动。

●另一矢量62(记号B)描绘了参考导管48的坐标，其假定在冠状窦50内保持固定(相对于心脏22)。这些也是绝对坐标。它们被期望于由于患者24的呼吸导致周期性地移动，也可以在患者在该过程中移动时或者导管48在心脏内22移动时，显示固定的移动。下面描述处理这类移动的方法。

●矢量64(记号C)描绘参考垫46的坐标，其不期望有任何变化。

矢量60和62同样也期望由于心脏22的跳动而导致周期性的移动。为了消除这个运动分量，坐标测量可以通过获取相对于体-表心电图(ECG)信号或局部心内电描记图的选通信号，与心脏周期同步。该心内电描记图可以例如通过参考导管48上的电极被检测。心脏周期中的特定点，例如ECG中QRS波的峰值或电描记图中的峰值，被选为注释点，矢量60和62的测量就选在每个心脏周期的这个注释点或选择在相对于该注释点的一个固定的延迟。一旦心脏本身运动的影响通过这种方式被消除，矢量60和62被期望于响应于患者运动(包括呼吸运动和患者身体微小的移动)而同样地变化。

图4是依照本发明的一个实施例，一种由处理器38计算导管28相对于心脏22的坐标的方法的示意性图示的矢量图。如该图所示，矢量60和62(图3中的A和B)参照矢量64(C)，给出了相应于分别在参考垫46的框架中的导管28和48的位置坐标的位置矢量66(A-C)和68(B-C)。该参考框架被期望是固定的，除了患者24在该过程中移动的限度之外。当患者确实移动了，通过参考垫46的坐标消除这种移动。

处理器38从矢量66中减去矢量68，给出了在由导管48定义的心脏参考框架中传感器36的相关位置矢量70。所得到的矢量70由(A-C)-(B-C)＝(A-B)给出。如上述公式所示，矢量64不参与最后的计算，因此，垫46在寻找导管28的相关位置坐标时是不重要的。然而，在检测和补偿用于导管48从其参考位置的位移中，由垫46提供的附加参考是有用的，其将在下文中进一步进行解释。

图5是依照本发明的一个实施例，示意性地图示一种用于在系统20中寻找导管28的位置坐标的方法的流程图。该方法表现为，如其起始点一样，参考导管48被插入心脏22并被设置在冠状窦50中，如图1所示。在位置获取步骤80，处理器38收集和处理由参考导管48的方位传感器在经历患者24的多个呼吸周期中提供的坐标读数。当在进行获取阶段时，系统20可为医师提供警报，使得医师能够确认在该阶段中没有意外地移动参考导管。

如上所述并参考图4，步骤80中收集的坐标读数通常参照所测量的参考垫46的坐标。可选择地，如果能够忽略患者的移动(除了呼吸运动以外)，那么可以使用场发生器线圈34的外部参考框架中的导管48的“原始”坐标。如上所述，通常在患者的心脏周期中的特定参考点处获取该读数。处理器38为坐标读数实施统计处理，以定义在一个呼吸周期过程中由导管48正常横向经历的位置范围。

一旦获取阶段完成，医师26可以开始移动心脏22内的导管28，以执行诊断或治疗过程。处理器38从导管28中的传感器36接收信号，以及从导管48和垫46中的方位传感器接收信号。如上所述参考图3和4，处理器处理这些信号以寻找外部参考框架中的导管28和48、以及垫46的原始坐标，接着共同地处理这些原始坐标，以寻找在心脏的参考框架上的导管28的相关坐标。这样，在运动补偿步骤82，该处理器为患者的呼吸(也可能是患者其他可能的运动)对导管28的位置坐标的影响作出补偿。换言之，呈现给医师26的导管28的方位(例如在显示器52的绘图上)反映了心脏参考框架中的导管的实际方位，而不用考虑由呼吸运动或其他情况引起的所有移动。

处理器38持续地监视参考导管48的坐标，以确保它们保持在步骤80所获取的范围内。在参考移动检测步骤84，如果处理器确定该坐标已经偏离该范围并超过一个阈值，那么它将对医师发出警报。例如，该处理器可以在参考导管坐标超出在先前获取的范围的2mm的时候，激括警报。在执行该测量时，期望处理器38参考导管48对于垫46的坐标以区别心脏内的参考导管的实际位移与该过程中患者的移动导致的参考导管的原始坐标的变化。

通常，收到警报之后，在用户输入步骤86，医师26可以选择指令处理器38为参考导管48的位移作校正和补偿，或者简单地继续其过程。可选择地，系统20可以决定自动地执行校正。在任何一种情况下，在校正步骤90，当决定校正坐标时，处理器38获取参考导管的新的位置坐标范围。该步骤与步骤80类似。该处理器对新范围和先前的范围进行比较，以计算出估计参考导管的位移的校正矢量。

一旦处理器得到校正矢量，系统20返回步骤82的正常操作。现在，该处理器在计算导管28的相关坐标中减去校正矢量，从而，为参考导管48的位移作出补偿。结果是，系统20将继续显示导管28在心脏22中的相关方位，好像参考导管没有从其原始方位移动一样。如果参考导管随后再次移动，该处理器将重复步骤84-90，新的校正矢量将累加到先前的校正矢量。

图6是依照本发明的一个实施例，参考导管48的方位测量值组92，96的示意性的绘图表示，其图示了步骤80和90中系统20的操作。处理器38在步骤80采集了多个测量点92。如前述指出的，经过一个或多个呼吸周期过程收集该多个测量点，通常是患者的心脏周期中的相同的注释点。如点92所示，假设患者是仰卧的，呼吸主要导致参考导管的垂直运动。多个点92的位置定义了一个范围94。在这种情况下，该范围是在垂直的主轴上包括了所有的点92的最小的椭圆，而其他方法也可以替换地用来定义该范围。

如图6所示，尽管该范围简单地包括坐标的“黑点”，附加地或可选择地，该范围可以由运动学特征来定义，例如点到点移动的路径和/或速度。在这种情况下，可以在步骤90检测参考导管的位移，不只基于“黑点”外的坐标的偏移，也可以基于运动学的偏离。

在任何情况下，当处理器在步骤84检测到参考导管的移动在所期望的范围之外后，它在步骤90采集一组新的测量点96。通常，该过程可以在一个或多个呼吸周期内完成。多个点96定义一个新的范围98。该处理器通过比较范围94和98来计算校正矢量100。例如，如图6所示，校正矢量可以由旧范围94和新范围98的块的中心之间的矢量位移给出。

如果参考导管48包括一个或多个电极，也可以电检测参考导管的位移。例如，由参考导管电极检测的局部电描记图中的峰值的时序可以与体-表ECG的QRS峰值进行比较。该时序的移动可以表明参考导管已经移动了。另一个例子，如果参考导管沿其长度的不同位置上有多个电极，由不同电极检测的电描记图上的峰值位置的相对移动，其同样可以表明参考导管已经移动了。这些时序的变化独立于实际方位测量，一般对患者的运动不敏感。

应当理解为，上述实施例以实例的方式被引用，本发明并不限于上述特别地给出的和描述的实例。此外，本发明的范围既包括上述不同特征的组合和子组合，也包括对于本领域技术人员来说，虽然未在背景技术中公开，但是通过阅读前述说明书而能够作出的改变和变型。

Claims (18)

1.一种方位追踪的方法，包括：

在对象的心脏内的参考位置处设置内部参考探针，其包括第一方位换能器；

在该对象的一个或多个呼吸周期内，使用所述第一方位换能器，在固定的参考框架中收集和处理内部参考探针的第一位置坐标，以定义对应于所述参考位置的位置坐标的范围；

插入包括第二方位换能器的活动设备于心脏内；

使用该第二方位换能器在固定的参考框架中收集所述活动设备的第二位置坐标，以及共同处理所述第一和第二位置坐标，以在心脏的参考框架中寻找所述活动设备的相关位置坐标；

在定义了对应于所述参考位置的位置坐标的范围之后，检测所述第一位置坐标与该范围的偏差，从而识别所述参考探针从所述参考位置的位移；以及

校正所述相关位置坐标以补偿该位移。

2.根据权利要求1的方法，其中所述内部参考探针和所述活动设备包括导管。

3.根据权利要求1的方法，其中所述第一和第二方位换能器包括磁场传感器，该磁场传感器被设计为响应由所述固定的参考框架中的场发生器产生的磁场而输出方位信号。

4.根据权利要求1的方法，其中共同地处理所述第一和第二位置坐标包括获取在所述第一和第二位置坐标之间的矢量差，以寻找所述相关位置坐标。

5.根据权利要求1的方法，还包括在所述固定的参考框架内收集固定于对象身体上的参考垫的第三位置坐标，其中共同地处理所述第一和第二位置坐标包括将至少第一位置坐标参照于该第三位置坐标。

6.根据权利要求5的方法，其中检测所述偏差包括将所述第一位置坐标和所述第三位置坐标进行比较，以确定偏差是由于所述参考探针从所述参考位置的位移引起，还是由于所述对象身体的运动引起。

7.根据权利要求1的方法，其中校正所述相关位置坐标包括响应于所述位移计算校正矢量，并应用该校正矢量以基于所述第一和第二位置坐标寻找相关位置坐标。

8.根据权利要求7的方法，其中计算所述校正矢量包括收集和处理内部参考探针的其它的位置坐标，以定义对应于所述参考位置的位置坐标的新范围，同时将该新范围与由收集和处理所述第一位置坐标定义的范围进行比较。

9.根据权利要求1的方法，其中还包括使用所述内部参考探针上的电极，探测在心脏内的所述参考位置处的局部电描记图信号，其中探测所述偏差包括检测局部电描记图信号的变化。

10.一种用于方位追踪的装置，包括：

内部参考探针，其包括第一方位换能器，该内部参考探针被设计为设置在对象的心脏内的参考位置中；

活动设备，其包括第二方位换能器，该活动设备被设计为引入到心脏内；以及

定位处理器，其在所述对象的一个或多个呼吸周期内使用所述第一方位换能器在固定的参考框架中收集和处理所述内部参考探针的第一位置坐标，以定义对应于所述参考位置的位置坐标的范围；和使用所述第二方位换能器在固定的参考框架中收集所述活动设备的第二位置坐标，以及共同地处理所述第一和第二位置坐标以在心脏的参考框架中寻找所述活动设备的相关方位坐标，

其中所述定位处理器被设计为在定义了对应于所述参考位置的位置坐标的范围之后，检测所述第一位置坐标与该范围的偏差，从而识别所述参考探针从所述参考位置的位移；以及校正所述相关位置坐标以补偿该位移。

11.根据权利要求10的装置，其中所述内部参考探针和所述活动设备包括导管。

12.根据权利要求10的装置，还包括磁场发生器，其被设计为产生定义所述固定的参考框架的磁场，其中所述第一和第二方位换能器包括磁场传感器，该磁场传感器被设计为响应磁场以输出方位信号。

13.根据权利要求10的装置，其中所述定位处理器被设计为获取所述第一和第二位置坐标之间的矢量差，以寻找相关位置坐标。

14.根据权利要求10的装置，还包括固定于所述对象身体上的参考垫，其中所述定位处理器收集在所述固定的参考框架中的参考垫的第三位置坐标，并将至少所述第一位置坐标参照所述第三位置坐标，以寻找相关位置坐标。

15.根据权利要求6的装置，其中所述定位处理器被设计为将所述第一位置坐标和第三位置坐标进行比较，以确定所述偏差是由于所述参考探针从所述参考位置的位移引起，还是由于所述对象身体的运动引起。

16.根据权利要求10的装置，其中所述定位处理器被设计为响应于所述位移计算校正矢量，并应用该校正矢量以基于所述第一和第二位置坐标寻找相关位置坐标。

17.根据权利要求16的装置，其中所述定位处理器被设计为在检测偏差之后，收集和处理所述内部参考探针的其它的位置坐标以定义对应于所述参考位置的位置坐标的新范围，以及通过将新范围和由收集和处理所述第一位置坐标定义的范围进行比较来计算校正矢量。

18.根据权利要求10的装置，其中所述内部参考探针包括电极，其中所述定位处理器从在心脏内的参考位置处的电极接收局部电描记图信号，并且通过检测该局部电描记图信号的变化来检测偏差。

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