CN102058408A - 用于位置感测的方法以及医疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于位置感测的方法，所述方法包括将具有第一探针电极和第二探针电极的探针插入受试者体内，以及将体表电极耦合到所述身体的表面。利用耦合到至少所述第一探针电极并具有第一电气接地的第一电路测量流过所述第一探针电极和所述体表电极之间的电流，并且根据测得的电流确定所述探针的位置坐标。具有第二电气接地的第二电路耦合到至少所述第二探针电极，并且所述第一电气接地与所述第二电气接地隔离。

Description

用于位置感测的方法以及医疗系统

技术领域

本发明整体涉及感测位于活体内的物体的位置，具体地讲，涉及使用阻抗测量值感测位置。

背景技术

大量医疗操作涉及将物体(例如传感器、管、导管、分散装置和植入物)设置在体内。实时成像方法常常用来辅助医务人员在手术过程中观察物体及其周边环境。然而在许多情况下，实时成像不可能或不可取。相反，常常使用用于获得内部物体实时空间坐标的系统。现有技术已经开发或构想了许多这种位置感测系统。

例如，授予Wittkampf的美国专利5,983,126描述了一种系统，其中使用电阻抗方法检测导管位置，该专利的公开内容以引用方式并入本文中。授予Govari等人的美国专利申请公开2006/0173251以及授予Osadchy的2007/0038078描述了基于阻抗的方法，该方法通过使电流流过探针上的电极和体表上的多个位置之间的身体部分来感测探针的位置，两专利均以引用方式并入本文中。

发明内容

本发明的实施例提供了有效的装置和方法，用于根据探针上的电极和体表电极之间的电流的测量值实时确定设置在活体内的探针的位置。下文所述方法和装置用来减少所测电流的失真，从而提高位置测量的精度。

因此，根据本发明的实施例提供了用于感测位置的方法，该方法包括：

将包括第一探针电极和第二探针电极的探针插入受试者体内；

将体表电极耦合到身体表面；

使用第一电路测量第一探针电极和体表电极之间的电流，其中第一电路耦合到至少第一探针电极，并具有第一电气接地；

根据测得的电流确定探针位置坐标；

将具有第二电气接地的第二电路耦合到至少第二探针电极；以及

隔离第一电气接地与第二电气接地。

在一些实施例中，隔离第一电气接地还包括将第一电气接地通过预定的接地间耦合阻抗耦合到第二电气接地。

通常，接地间耦合阻抗值经过选择，以最大限度提高确定位置坐标的精度。

在一些实施例中，接地间耦合阻抗在500和5000Ω之间。

通常，插入探针包括将探针通入受试者心脏，耦合第二电路包括使用至少第二探针电极测量心脏的电活动。

在一些实施例中，第一和第二探针电极都需要耦合，以确定位置坐标和测量电活动。

在另一些实施例中，第一电路包括耦合到至少第一探针电极的具有隔离变压器的前端，其中隔离变压器具有主线圈和次线圈。在这些实施例中，将第一电气接地与第二电气接地隔离可包括将隔离变压器的次线圈耦合到第一电气接地，同时将主线圈耦合到第二电气接地。

在一些实施例中，测量电流包括耦合具有通常大于100,000Ω的输出阻抗的前端，以经过至少第一探针电极传输电流。

根据本发明的实施例，还提供医疗系统，所述系统包括：

探针，所述探针能够插入受试者体内，所述探针包括第一探针电极和第二探针电极；

多个体表电极，所述多个体表电极能够在各自的位置处固定到身体表面；

第一电路，所述第一电路耦合到至少第一探针电极，被配置为测量第一探针电极和体表电极之间的电流，并且具有第一电气接地；

定位处理器，所述定位处理器被配置为根据测得的电流确定探针的位置坐标；以及

第二电路，所述第二电路耦合到至少第二探针电极，并且具有与第一电气接地隔离的第二电气接地。

通过以下结合附图的实施例的详细说明，将更全面地理解本发明。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的医疗系统的示意性图示；

图2为根据本发明的实施例的示意图，示出了电极与其相关电路之间的相互作用；

图3、4和5为根据本发明的实施例的示意性电路图，示出了功能电极对定位电流的影响；以及

图6为根据本发明的实施例的示意性电路图，提供了定位探针前端的典型实施方案。

具体实施方式

图1为根据本发明的实施例的医疗系统20的示意性图示。系统20包括能够插入受试者50体腔(例如心脏40的心室)内的探针30(例如导管)。通常，探针由医务人员60用于一个或多个医学诊断或治疗功能，例如心内心电图(ECG)、映射心脏电势、进行心脏组织消融或其他医学功能。为了有利于有效施加医学手术，系统20能够确定探针30在受试者体内的位置。探针位置以及其他诊断和/或治疗数据通常在显示器70上或通过其他合适的媒体提供给医务人员60。

探针30的远端顶端包括多个电极80、82和84，本文称之为探针电极。探针电极通过导线经探针30的插入管连接到控制单元100，该单元包括能够确定探针在受试者体内的位置的第一电路和能够执行一个或多个诊断或治疗功能的第二电路。第一电路和第二电路在本文中分别称为定位电路和功能电路，并在下列图中详细示出。术语“功能”在本文中是指系统20的一个或多个医学诊断或治疗功能(如心脏电信号的测量和映射)。一个或多个探针电极(本文称之为定位探针电极)被耦合到定位电路，而一个或多个探针电极(本文称之为功能探针电极)则被耦合到功能电路。通常，相同的探针电极同时被用于定位和医学诊断或治疗功能。因此，第一组和第二组电极通常交叠。然而在一些情况下，两组电极可以分离。

控制单元100通过导线经一根或多根电缆105进一步连接到多个体表电极110、112、114、116、118和120，这些体表电极被耦合到受试者体表(即皮肤)。体表电极通常包括粘合剂皮肤斑贴。在本发明的可供选择的实施例中，体表电极可以在数量上变化，并且可以采取其他形式。体表电极包括一组第一体表电极110、112和114(本文称之为定位体表电极)，这些电极被耦合到定位电路。体表电极还可以包括一个或多个第二体表电极116、118和120(本文称之为功能体表电极)，这些电极被连接到功能电路。通常，这两组体表电极分离，但在一些情况下，这两组电极可以重叠。

控制单元的定位电路能够驱动和测量定位探针电极与定位体表电极之间的电流(本文称之为定位电流)。根据测得的定位电流，通常复合在控制单元100内的定位处理器(如图2所示)预测体内探针30远端的坐标。定位处理器通常包括一般用途的计算机处理器，该计算机处理器在软件内编程，以根据上文引用的专利申请公开2006/0173251和2007/0038078中描述的方法预测探针坐标。除此之外或作为补充，定位处理器可以采用其他合适的定位方法。

探针坐标预测通常基于定位电流和各自的体内路径距离之间的一致性。例如，我们可以分别用D1、D2和D3表示探针电极80与体表电极110、112和114之间的距离，并且分别用11、12和13表示从探针电极80到体表电极110、112和114的定位电流。根据上文引用的专利申请描述的方法，距离的比率D1∶D2∶D3可根据电流的比率I1∶I2∶I3来估算。然后可以通过估算的比率D1∶D2∶D3来推断探针电极80的坐标。

由于探针坐标计算依靠相关电极之间的定位电流，希望定位电流不受与非相关电极之间的电耦合影响。例如，如果比率I1∶I2∶I3由于和功能探针电极82之间的电耦合而变化，则可能不正确地估算比率D1∶D2∶D3。下文描述的根据本发明的实施例的方法有利于消除或减少功能电极对定位电流的影响，从而准确可靠地定位受试者体内的探针30。

图2为根据本发明的实施例的示意图，示出了探针电极和体表电极与其相关电路之间的相互作用。如上所述，控制单元100(图2未明确示出)包括定位电路200、定位处理器205和功能电路210。定位电路200包括一个或多个定位探针前端(如前端220和222)，并且每个定位探针前端都耦合到定位探针电极(如探针电极80和82)。定位探针前端通常包括高阻抗驱动器(例如下文中图6所示)，用来驱动各定位探针电极和多个定位体表电极之间的定位电流。例如，定位探针前端220驱动探针电极80分别与体表电极110、112和114之间的定位电流I1、I2和I3。

定位探针前端220的阻抗通常远高于穿过人体的通道的阻抗，因而定位探针前端220近似于电流源。例如，穿过人体的通道的典型阻抗为100Ω，定位探针前端的输出阻抗通常高于100,000Ω。定位电流通常为交流电流，例如在100-110kHz范围内的交流电流。因此，术语“阻抗”在本文中是指在定位电流的频率范围内测得的阻抗，例如在100-110kHz范围内测得的阻抗。

定位电路200还包括电流感测装置230、232和234，这些装置耦合到定位体表电极110、112和114，并且测量各自的定位电流I1、I2和I3。在本发明的可供选择的实施例中，利用时分多路复用可通过单个电流感测装置测量定位电流。

根据上文引用的专利申请描述的方法，或根据其他合适的基于电流的定位方法，定位处理器205基于定位电流I1、I2和I3计算身体50内的定位探针电极80的坐标。

控制单元的功能电路210包括一个或多个功能探针前端240和242，这些前端分别耦合到功能探针电极80和82。功能电路210也可包括耦合到功能体表电极(如功能体表电极120)的一个或多个功能体表前端(如体表前端250)。在功能电路210包括ECG电路的情况下，连接到受试者右腿的体表电极通常用作不同ECG测量的共用基准。在这些情况下，右腿电极通常通过大约10,000Ω的阻抗耦合到ECG电路的接地。

通常，由于相同系统的所有电路通常直接或间接由相同电源(如电网)供电，电气系统不同电路的接地高度耦合。此外，通常的做法是将电气系统所有电路的接地连接到一个公共接地。例如，相同印刷电路板(PCB)上实现的所有电路通常连接到该PCB的相同的一个或多个接地层，所有PCB的所有接地层通常连接到系统机架，而系统机架则通常连接到电网接地上。

然而，在本发明的实施例中，定位电路200和功能电路210分别连接到不同接地260和270，并且有意将接地260与接地270隔离。通常，接地270以一个或多个PCB的一个或多个接地层实现，这些接地层连接到系统公共接地，例如连接到系统机架；而接地260则作为专用的回路实现，该回路与各自的PCB接地层隔离，并且与系统公共接地隔离。根据本发明的实施例隔离接地260通常是为了保持定位方法的有效性和准确性，下文将进一步讲述。

在本发明的一些实施例中，隔离的接地260和270进一步通过接地间耦合阻抗280(如电容器)耦合，以消除或减少寄生耦合对定位方法有效性和准确性的影响，下文将进一步讲述。

图3、4和5为根据本发明的实施例的示意性电路图，示出了功能电极对定位电流的潜在影响。图3示出了功能探针电极82对定位电流I1、I2和I3的影响，这些电流分别在定位探针电极80与体表电极110、112和114之间流过(假设接地260和270之间存在耦合)。定位电流I1、I2和I3由前端220驱动，并且分别通过测量装置230、232和234测量。如上所述，我们把探针电极80与体表电极110、112和114之间的体内距离分别表示为D1、D2和D3(D1、D2和D3在图中未示出)。探针电极与体表电极之间的各自的体内路径用P1、P2和P3表示，各自的体内阻抗用Z1、Z2和Z3表示。定位电流I1、I2和I3基本与各自的阻抗Z1、Z2和Z3成比例，而阻抗又取决于各自的距离D1、D2和D3，这种相关性为定位处理器的工作提供了基础。

由于功能探针电极82也位于受试者体内，电极82与路径P1、P2和P3之间存在不可避免的电耦合路径。图3示出了功能探针电极82与路径P1上的中点300之间的耦合路径Z4。类似地，在探针电极82与路径P2和P3上的中点之间存在耦合路径。如图3所示，Z1在中点300处被分成两个阻抗Z1a和Z1b，其中Z1a+Z1b＝Z1。该图为通常复杂得多的模型的简化模型，但有助于显示功能探针电极和定位电流之间的耦合的影响。

如果如本领域已知的系统中那样将定位电路的接地260耦合到功能电路的接地270，则存在经功能探针电极82流过定位探针电极80与接地260之间的不期望的电流。不期望的电流会改变所需的定位电流，并降低定位方法的准确性。例如，如果前端220具有电流源，不期望的电流就会减小所需定位电流，但由于几何和生理因素的原因，每个电流通常会减少不同的量。因此，电流比率I1∶I2∶I3改变，从而降低定位测量的精度。

然而，根据本发明的实施例，接地260与接地270隔离，因此不会有不期望的电流流经功能探针电极82。因此，不论是否有功能探针电极，定位电流都不变，并且也保持了定位方法的有效性和准确性。

图4示出了一个实施例，其中功能电路包括ECG电路，前端250耦合到设置在受试者右腿上的电极120。由于右腿ECG电极120与定位电极110、112和114都耦合到皮肤上，电极120与电极110、112和114之间存在不可避免的电耦合(为简单起见，图中仅示出与电极110的耦合)。因此，路径P1和接地260之间存在通过功能探针电极82和84、功能探针前端240和242、右腿前端250以及右腿电极120的寄生电耦合(类似的耦合机制(图中未示出)也适用于其他路径，例如路径P2和P3)。

然而，由于右腿前端250的阻抗通常为约10,000Ω，通过右腿电极120的寄生耦合的阻抗始终高于10,000Ω，而不论功能探针电极的数量是多少。考虑(例如)40个功能探针电极的情形，并且假设每个功能电极前端的阻抗为约10,000Ω。40个功能探针电极及其相关前端的总阻抗为10,000/40＝250Ω。这种较低的总阻抗会显著影响定位方法。然而，由于右腿前端250的阻抗为10,000Ω，并且接地260和270彼此隔离，因此总寄生阻抗高达10,250Ω，并且对定位方法影响甚微。

图5示出了本发明的一个实施例，其中有意彼此隔离的接地260和270通过预定的接地间耦合阻抗280(通常通过电容器实现)进一步耦合。接地间耦合阻抗的目的是减小可能的寄生耦合的影响，下文将加以说明。

在系统20的典型构造中，接地270与定位体表电极110、112和114之间可能存在寄生耦合。图中示出了用Z10和Z12表示的两个这种耦合。另外，在接地270与测量装置230、232和234之间可能存在寄生耦合。图中示出了用Z20和Z22表示的两个这种耦合。诸如Z20和Z22之类的寄生耦合可能是因(例如)定位电路(如测量装置230和232)与PCB的一个或多个接地层之间的寄生电容引起。寄生耦合改变了测量装置的读数，因而降低了定位方法的准确性。例如，寄生耦合Z10和Z20(Z12和Z22)使得寄生电流从定位探针电极80经功能探针电极82分别流向测量装置230(232)，因而增大了测量装置的读数并降低了比率I1∶I2∶I3的准确度。

在图5所示实施例中，通过在接地260和270之间接入接地间耦合阻抗280，可以减小寄生耦合(例如Z10、Z11、Z20和Z21)的不可取的影响。通常将耦合阻抗280选择为大大低于寄生阻抗Z10、Z11、Z20和Z21的值。结果，大部分寄生电流流过接地间耦合阻抗280，并且流经测量装置的寄生电流相应减少。

另一方面，接地间耦合阻抗280应选择为大大高于体内阻抗Z1、Z2和Z3，以保持隔离接地260和270的有益效果，如上文详述的。

在典型系统中，使定位方法准确度最高的接地间耦合阻抗的最佳值可以凭经验确定。由于定位方法的总精度通常是耦合阻抗的凹函数，从而容易确定该最佳值。例如，在典型系统中，总寄生耦合为约5,000Ω，典型体内阻抗为约100Ω。对于该系统，接地间耦合阻抗的值通常应为约1,000Ω。

图3、4和5示出了功能探针电极(如探针电极82)对流经定位探针电极(如探针电极80)的定位电流的潜在影响。原则上，第一定位探针电极对来自第二定位探针电极的定位电流可能也存在类似的不可取影响。

返回图2，功能探针电极82也是定位探针电极，并且也耦合到定位探针前端222。因此，不期望的寄生电流原则上可能会从定位探针电极80经定位探针电极82和定位前端222流向接地260。然而，由于定位探针前端222的阻抗通常远高于体内阻抗Z1、Z2和Z3(如图3所示)，定位探针电极之间的耦合的影响甚微。例如，定位探针前端222的阻抗通常高于100,000Ω，而体内阻抗Z1、Z2和Z3的值则通常为约100Ω。

图6为根据本发明的实施例的示意性电路图，示出了定位探针前端220的典型实施方案。前端220通常包括隔离变压器400，变压器的主线圈由交流电源420驱动的运算放大器410供电，并且其次线圈分别经电阻器430和440耦合到定位探针电极80和接地260。电阻器430和440的阻抗通常远高于受试者身体的阻抗。例如，电阻器430和440的阻抗通常为约60,000Ω，而人体的典型阻抗通常为约100Ω。变压器400的主线圈耦合到公共接地270，次线圈耦合到与公共接地270隔离的定位电路接地260。因此，前端220在接地260和270之间没有产生电耦合。变压器400的次线圈和接地270之间可能存在一些寄生电容，但电阻器440较大的值减小了这种寄生电容的影响，并且前端220使接地260和270之间保持隔离。由于这种隔离，功能探针电极不会影响流出定位探针电极的定位电流，从而保持了定位方法的准确性。

隔离变压器400可经过进一步调整，以通过正确选择线圈之间的比率而将放大器410产生的电压升高至适合驱动定位电流的水平。作为典型的实例，变压器400可以调整为将一次电压从20伏至100伏升高5倍。

因此，应当理解，上述实施例是以举例的方式进行阐述，并且本发明不受上文特别所示及所述内容的局限。相反，本发明的范围包括上文所述特征的组合与子组合，以及本领域技术人员在阅读上述说明后可想到的不在现有技术范围内的变形形式和修改形式。

Claims (16)

1.一种用于位置感测的方法，包括：

将具有第一探针电极和第二探针电极的探针插入受试者的身体内；

将体表电极耦合到所述身体的表面；

使用第一电路测量所述第一探针电极和所述体表电极之间通过的电流，其中所述第一电路耦合到至少所述第一探针电极，并具有第一电气接地；

响应于测得的电流确定所述探针的位置坐标；

将具有第二电气接地的第二电路耦合到至少所述第二探针电极；以及

隔离所述第一电气接地与所述第二电气接地。

2.根据权利要求1所述的方法，其中隔离所述第一电气接地包括将所述第一电气接地通过预定的接地间耦合阻抗耦合到所述第二电气接地。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述接地间耦合阻抗的值经过选择，以最大限度提高确定所述位置坐标的准确度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述接地间耦合阻抗在500和5000Ω之间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中插入所述探针包括将所述探针通入所述受试者的心脏，并且其中耦合所述第二电路包括使用至少所述第二探针电极测量所述心脏的电活动。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一和第二探针电极均被耦合，以用于确定所述位置坐标和测量所述电活动。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电路包括耦合到至少所述第一探针电极的具有隔离变压器的前端，其中所述隔离变压器具有主线圈和次线圈，并且其中将所述第一电气接地与所述第二电气接地隔离包括将所述隔离变压器的所述次线圈耦合到所述第一电气接地，同时将所述主线圈耦合到所述第二电气接地。

8.根据权利要求1所述的方法，其中测量所述电流包括耦合具有大于100,000Ω的输出阻抗的前端，以通过至少所述第一探针电极传输所述电流。

9.一种医疗系统，包括：

探针，所述探针能插入受试者的身体内，所述探针包括第一探针电极和第二探针电极；

多个体表电极，所述多个体表电极能够在各自的位置处固定到所述身体的表面；

第一电路，所述第一电路耦合到至少所述第一探针电极，并被配置为测量所述第一探针电极和所述体表电极之间通过的电流，所述第一电路具有第一电气接地；

定位处理器，所述定位处理器被配置为响应于测得的电流确定所述探针的位置坐标；以及

第二电路，所述第二电路耦合到至少所述第二探针电极，并且具有与所述第一电气接地隔离的第二电气接地。

10.根据权利要求9所述的系统，还包括在所述第一电气接地和所述第二电气接地之间耦合的预定的接地间耦合阻抗。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述接地间耦合阻抗的值经过选择，以最大限度提高确定所述位置坐标的准确度。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述接地间耦合阻抗在500和5000Ω之间。

13.根据权利要求9所述的系统，其中所述探针被配置为插入所述受试者的心脏，并且其中耦合了所述第二电路，以使用至少所述第二探针电极测量所述心脏的电活动。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一和第二探针电极均被耦合，以用于确定所述位置坐标和测量所述电活动。

15.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一电路包括耦合以通过至少所述第一探针电极传输所述电流的前端，其中所述前端包括具有主线圈和次线圈的隔离变压器，并且其中所述隔离变压器的所述次线圈耦合到所述第一电气接地，而所述主线圈耦合到所述第二电气接地。

16.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一电路包括至少一个前端，所述前端耦合以通过至少所述第一探针电极传输所述电流，并且其中所述前端的所述输出阻抗大于100,000Ω。

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