CN103385706B - 定位导管护套端点 - Google Patents

Abstract

设备包括护套，护套包括内腔，具有护套远端，护套远端被配置成插入人类患者体内。磁结构固定地附接到护套远端。该设备包括探针，探针具有探针远端，探针远端被配置成穿过内腔插入人类患者体内。探针包括磁换能器，磁换能器被设置在探针远端中并且被配置成响应于磁场产生信号。该设备还包括处理器，处理器被配置成感测由于磁结构与换能器的接近引起的信号的变化。

Description

定位导管护套端点

技术领域

本发明一般涉及侵入式医疗手术，并且具体地涉及将探针侵入地插入引导探针的护套中。

背景技术

在探针被插入患者体内的多种医疗手术中，探针被插入穿过护套。通常，护套在插入探针期间用于引导探针，并且保持探针的期望对准。一旦探针和护套已被插入患者体内，则探针和护套的远端不可见，使得实施手术的操作者可能无法察觉护套远端相对于探针远端的不期望的重叠。

以引用方式并入本专利申请的文献将视为本专利申请的整体部分，但是，如果这些并入的文献中定义任何术语的方式与本说明书中明确或隐含地给出的定义相冲突，则应只考虑本说明书中的定义。

发明内容

本发明的实施例提供设备，包括：

护套，护套包括内腔，具有护套远端，护套远端被配置成插入人类患者体内；

磁结构，磁结构固定地附接到护套远端；

探针，探针具有探针远端，探针远端被配置成穿过内腔插入人类患者体内，探针包括磁换能器，磁换能器被设置在探针远端中并且被配置成响应于磁场产生信号；和

处理器，处理器被配置成感测由于磁结构与换能器的接近引起的信号的变化。

在所公开的实施例中，磁结构包括顺磁材料。

在替代的所公开的实施例中，磁换能器包括线圈，并且信号的变化响应于线圈的电感的变化。电感可以包括线圈的自感，并且磁场可以由线圈产生。

在一些实施例中，磁换能器包括进一步的线圈，并且电感包括线圈与进一步的线圈之间的互感。磁场可以由所述进一步的线圈产生。

该设备的另一个所公开的实施例包括定位在探针远端中且被配置成提供对探针远端上的力的指示的力传感器，并且磁换能器是力传感器的操作性部件。

该设备的又一个所公开的实施例包括定位在探针远端中且被配置成提供对探针远端上的位置的指示的位置传感器，并且磁换能器是位置传感器的操作性部件。

通常，处理器被配置成响应于信号的变化估测探针远端与护套远端的距离。

在替代实施例中，磁结构包括闭合导电线圈。

根据本发明的另一个实施例，还提供了一种方法，该方法包括：

提供护套，护套包括内腔，具有护套远端，护套远端被配置成插入人类患者体内；

将磁结构固定地附接到护套远端；

将具有探针远端的探针穿过内腔插入人类患者体内，探针包括磁换能器，磁换能器被设置在探针远端中并且被配置成响应于磁场产生信号；以及

感测由于磁结构与换能器的接近引起的信号的变化。

结合附图，通过以下对实施例的详细说明，将更全面地理解本发明，其中：

附图说明

图1为根据本发明实施例的用于定位探针护套的接线端的系统的示意性立体图；

图2为根据本发明实施例的位于护套中的导管的示意性立体图；

图3为根据本发明实施例的导管的远端的示意性剖视图；

图4为根据本发明实施例的导管远端和护套远端的示意性剖视图；并且

图5为对根据本发明实施例的用于相对于导管远端定位护套接线端的步骤进行描述的流程图。

具体实施方式

综述

本发明的实施例提供了确定探针的远端相对于被用于引导探针的护套的远端的位置的系统。该系统通常用于侵入式医疗手术中，其中探针和护套的远端不可触及，并且允许系统的操作者准确确定探针远端相对于护套远端的突起。这种确定例如使得操作者能够保证位于探针远端上的电极不被护套掩盖。

探针远端包括至少一个磁换能器，所述至少一个磁换能器可以是定位在探针远端中的力传感器或位置传感器的操作性部件。至少一个磁换能器响应于冲击换能器的磁场产生信号。

将通常由顺磁材料形成并且/或者成闭合导电线圈形状的磁结构固定至护套远端。根据护套远端与探针远端的接近，磁结构改变换能器的电感，即每一个换能器的自感以及换能器之间的互感。

电感的变化引起由作用在每一个换能器上的磁场所产生的信号发生变化，并且通过处理器来测量该变化。处理器可以使用该变化来估测探针远端相对于护套远端的位置，并且因此确定探针远端相对于护套远端的突起。

具体实施方式

图1为根据本发明实施例的用于定位探针护套的接线端的系统20的示意性立体图。系统20可以基于例如由Biosense Webster Inc.(Diamond Bar，California)制造的CARTO^TM系统。该系统包括导管28形式的侵入性探针和控制台34。在下文所述的实施例中，假设导管28像在本领域中已知的那样用于使用射频(RF)能来消融心内膜组织。或者，加以必要的变通，可以将导管用于心脏或其它身体器官中的其它治疗和/或诊断用途。

操作者26(诸如心脏病学家)将导管28穿过患者24的血管系统插入，以使得导管的探针远端30进入患者心脏22的心室。为了有效地强化导管，心脏病学家将导管定位在护套40内，护套40终止于护套远端44。通常，并且如在本文的描述中所假设的，在将导管插入护套中之前，将护套插入患者的血管系统中。护套40通常由具有低磁化率的增强氟塑料构造，例如，护套可以由不锈钢编织的(braided with stainless steel)聚四氟乙烯(PTFE)形成。

操作者推入导管，以使得导管远侧末端在所需一个或多个位置处接合心内膜组织。导管28通常由在其近端处的合适的连接器连接到控制台34。控制台可包括射频(RF)发生器，其由导管提供高频电能来消融远侧末端接合位置处的心脏中的组织。作为另外一种选择或除此之外，可将导管和系统配置成用于实施本领域已知的其他治疗和诊断过程。

控制台34可以利用磁性位置感测来确定心脏22内导管28的远端30的位置坐标。出于此目的，控制台34中的驱动电路38驱动磁场发生器32在患者24身体的附近产生磁场。通常，磁场发生器包括线圈，线圈在患者体外的已知位置处被置于患者躯干下方。这些线圈以包含心脏22的预定义工作体积在身体内产生磁场。导管28的远端30内的磁场传感器(如图3和4中所示)响应于这些磁场产生电信号。信号处理器36处理这些信号以确定远端的位置坐标，所述位置坐标通常同时包括位置和取向坐标。该位置感测方法在上述CARTO系统中实施并在美国专利5,391,199、6,690,963、6,484,118、6,239,724、6,618,612和6,332,089中有详细描述，它们的公开内容全部以引用方式并入本文。

作为另外一种选择或除此之外，控制台34可以使用本领域中已知的其它方法来确定远端30的位置坐标，这种方法例如包括测量远端与患者24的皮肤上的电极之间的阻抗。2005年7月15日提交的美国专利申请11/182,272(现在公布为美国专利No.7,536,218)以及2009年9月10日提交的美国专利申请12/556,639(现在公布为美国专利No.2010/0079158)描述了同时使用磁场发生器和阻抗测量的位置感测方法，所述专利的公开内容以引用方式并入本文。

处理器36通常包括通用计算机，其具有合适的前端和接口电路，用于从导管28接收信号，并控制控制台34的其他部件。处理器可以在软件内编程，以执行本文所述功能。例如，可以经网络将软件以电形式下载到控制台34中，或可以将软件保存在非暂时性有形介质(诸如光学、磁或电子存储介质)上。作为另外一种选择，可通过专用或可编程数字硬件部件实现处理器36的一些或全部功能。根据从导管和系统20的其它部件接收的信号，处理器36驱动显示器42给操作者26提供关于患者体内远端30的位置、以及探针远端30与护套远端44的关系的视觉反馈。显示器42还可以提供与正在进行的手术相关的状态信息和指导。

图2为根据本发明实施例的位于护套40中的导管28的示意性立体图。由于位于患者24体外，因此导管的近端46和护套的近端48都能够由操作者26操纵。一个或多个大体相似的环状电极31安装在导管的远端30上并且环绕导管的远端30。本文以举例的方式，假设存在两个电极31。此外，电极56形成在导管28的远侧末端52上。下文结合图4更详细地描述的磁结构45接近护套远端接线端安装在护套远端44上。如图2中所示并且如结合图3、4、和5更详细地解释的，通过操纵其近端，操作者26能够调节护套远端44相对于探针远端30的位置，使得护套包封探针的一部分，以便强化导管28同时不覆盖电极31和56。

图3为根据本发明实施例的导管28的远端30的示意性剖视图，其中显示了位于远端处的力传感器65的结构细节。为了下文描述的清楚起见，假设远端30成大体圆柱形，并且假设限定了正交轴线组，其中柱轴与z轴平行。该导管包括插入管50，所述插入管50通常经皮通过血管，例如上腔静脉或主动脉，插入心脏。通常，导管的远侧末端52的电极56接合心内膜组织(为简单起见，所述组织未示于附图中)。作为另外一种选择或除此之外，至少一些电极31可以接触心内膜组织。

插入管50通过弹性接头54连接至远侧末端52，弹性接头54包括弹性连接构件60。在示例性实施例中，该连接构件具有弹性材料的管件形式，沿其长度部分具有螺旋切割。例如，连接构件可由超弹性合金，例如镍钛合金(Nitinol，镍钛诺)构成。螺旋切割使得该管件响应于施加到远侧末端52上的力表现出类似于弹簧的行为。2008年6月6日提交的美国专利申请12/134,592(将在2012年5月15日公布为美国专利No.8,180,431)以及2008年12月3日提交的美国专利申请12/327,226(将公布为美国公开号2009/0138007)中提出了与这种连接构件的制造和特性相关的进一步的细节，所述专利的公开内容以引用方式并入本文。

作为另外一种选择，连接构件在其长度部分中具有多个螺旋切割，诸如2009年11月30日提交的美国专利申请12/627,327(美国公开号2011/0130648)中所描述的，该专利的公开内容以引用方式并入本文。作为再另外一种选择，连接构件可以包括卷簧或者具有期望的柔性和强度特性的任何其它合适种类的弹性部件。

插入管由柔韧的绝缘材料62覆盖，所述绝缘材料62例如为 或耐热聚氨酯。同样，接头54的区域也被柔韧的绝缘材料覆盖，该绝缘材料可与材料62相同，或可特别适于让接头无阻碍地弯曲和压缩。(在图3中，该材料以切除的方式示出，以便露出导管的内部结构。)远侧末端52可以至少部分地被电极56覆盖，并且材料62可以被电极31环绕。电极31和56通常由导电材料制成，诸如铂/铱合金。作为另外一种选择，也可使用其它合适的材料，这对本领域的技术人员而言将是显而易见的。作为再另外一种选择，对于一些应用而言，远侧末端可以被制成不具有覆盖电极，并且/或者可以不存在电极31。与柔韧的插入管相比较，远侧末端通常相对刚硬。

连接构件60被配置成允许与末端上的力成比例的轴向位移(即，沿z轴的横向运动)和沿x和/或y方向的远侧末端的角偏转。因此，通过处理器36对位移和偏转的测量给出了对末端上的力的指示。可由导管20的操作者使用的该力指示确保远侧末端足够稳固地挤压心内膜，从而得到所需的治疗或诊断结果，但同时又不会用力过度引起不希望的组织损伤。

在导管28内，包括线圈64、66、68和70的接头感测组件63提供远侧末端52相对于插入管50远端的准确位置读数，该读数包括轴向位移和角偏转。这些线圈是可以用于本发明的实施例中的一类磁换能器，并且用作力传感器65的操作性部件，如将在下文中说明的。在本专利申请的上下文中以及在权利要求中，“磁换能器”是指响应于施加的电流而产生磁场和/或响应于施加的磁场而输出电信号的装置。虽然本文所述的实施例使用线圈作为磁换能器，但是在替代实施例中也可使用其它类型的磁换能器，这对本领域的技术人员而言将是显而易见的。

组件63中的线圈被划分在接头54的相对两侧上的两个子组件之间：一个子组件包括线圈64，线圈64通过经由来自控制台34的电缆74的电流被驱动以产生磁场。该场由包括线圈66、68和70的第二子组件接收，线圈66、68和70位于导管的与线圈64轴向地间隔开的区段中。(如在本专利申请的上下文中以及在权利要求中所使用的，术语“轴向”指的是导管28的远端30的纵向轴线的方向，该方向在图3中示为z方向。轴向平面是垂直于此纵向轴线的平面，并且轴向区段是导管的包含于两个轴向平面之间的部分。)线圈66、68和70响应于由线圈64产生的磁场产生电信号。这些信号通过电缆74传输至处理器36，处理器处理信号以测量接头54的轴向位移和角偏转。

线圈66、68和70被固定在导管28中的不同径向位置处。(术语“径向”指的是相对于导管轴线的坐标，即，在图3中的X-Y平面中的坐标。)具体地讲，在此实施例中，线圈66、68和70围绕导管轴线以不同的方位角全部位于同一轴向平面中。例如，可将三个线圈距轴线相同的径向距离以120°的方位角间隔开。

线圈64、66、68和70的轴线平行于导管轴线(并因此只要接头54不偏转，线圈轴均彼此平行)。因此，线圈66、68和70将响应于由线圈64所产生的场输出强信号，并且所述信号将随着线圈66、68和70与线圈64的距离而发生强烈变化。(或者，线圈64和/或线圈66、68和70的轴线可以相对于导管轴线成角度，只要线圈轴线具有充分平行的部件以便提供显著信号。)根据偏转的方向和幅度，末端52的角偏转将引起线圈66、68和70输出的信号的不同的变化，因为这些线圈中的一个或两个将移动到相对更靠近线圈64。末端的压缩位移将引起来自所有线圈66、68和70的信号的增强。

处理器36分析线圈66、68和70输出的信号，以测量接头54的偏转和位移。信号的变化的总和可得出压缩的测量值，而变化的差值可得出偏转的测量值。差值的矢量方向给出弯曲方向的指示。合适的校正程序可用于测量关于接头偏转和位移的信号的精确相关性。

除了上面所示和所述的结构外，还可在感测子组件中使用多种其它线圈结构。例如，子组件的位置可以对调，以使得磁场发生器线圈位于接头54的近侧，并且传感器线圈则位于远侧末端中。作为另外一种选择，线圈66、68和70可作为场发生器来驱动(使用时分多路复用和/或频分多路复用以区分场)，而线圈64则用作传感器。图3中线圈的尺寸和数量仅以举例的方式示出，并且可以在各个不同的位置中类似地使用较大和较小数量的线圈。通常，子组件中的一个包括处于不同径向位置的至少两个线圈，以允许接头偏转的不同的测量值。然而，在测量接头压缩的一些实施例中，每一个子组件都仅包括一个线圈。

接头感测组件63以及弹性接头54用作能够同时测量作用在末端52上的力的方向和大小的力传感器65。假设已知或者能够估测力施加于其上的末端52的区域，力传感器65还可以用作压力传感器。

如下文所描述的，在力传感器的在先校正的力传感器部分中，处理器36确定末端52上的力与组件的线圈信号之间的关系，所述线圈信号指示接头54的运动。结合图4，下文也描述了与护套40和感测组件的位置相关的校正的另一部分。

线圈64、66、68和70中的一个或多个还可用于响应于磁场发生器32产生的磁场而输出信号，并因此用作位置感测线圈。处理器36处理这些信号以确定远端30在由磁场发生器所限定的外部参照系中的坐标(位置和取向)。除此之外或作为另外一种选择，用作位置传感器76的操作性部件的一个或多个其它的线圈72(或者其它的磁传感器)可以为此目的部署在导管的远端中。导管28的远端30中的位置感测线圈使得控制台34可同时输出导管在体内的位置和取向、和末端52的位移和偏转以及末端上的力。

图4为根据本发明实施例的探针远端30和护套远端44的示意性剖视图。护套40的护套远端44终止于护套接线端80处，并且磁结构45接近接线端(通常在接线端处)安装在护套远端上。在一个实施例中，结构45呈在其远端处环绕护套的闭合导电线圈或环的形式，使得该结构与由位于探针远端中的线圈产生的磁场相互作用或者联接至位于探针远端中的线圈，诸如线圈66、68、和70。作为另外一种选择，结构45可以包括彼此电绝缘的安装在护套远端44上的一个或多个元件。通常，结构45相对于护套的轴线82基本对称。

可以将结构45的材料选择成使得其磁性能引起结构45与诸如上文所述的磁场相互作用。通常，该材料是顺磁、具有相对较大的磁化率的惰性生物相容性材料。该材料可以包括元素或化合物。在一个实施例中，结构45由铂形成。

磁结构45与位于探针远端中的线圈之间的磁相互作用改变每一个线圈的自感以及线圈之间的互感。对于给定的线圈而言，自感的变化是结构与线圈之间的距离、以及结构和线圈的相对取向的函数。对于给定的线圈对而言，互感的变化是结构与线圈中的每一个之间的距离、以及结构与线圈中的每一个的相对取向的函数。通常，如果结构45的轴线与线圈或多个线圈的轴线平行，则自感或互感的变化相对较大；并且如果结构的轴线与线圈的轴线正交，则自感或互感的变化相对较小。

因此，将具有其附连磁结构45的护套远端引入接头感测组件附件改变了组件中的线圈中的每一个的自感、以及线圈中的每一个之间的互感。自感和互感的变化是磁结构与所考虑的线圈或多个线圈的接近的函数。

对于在远端中相对于彼此固定的诸如线圈66、68、和70的线圈而言，这些线圈中任意两个之间的互感的变化都可以用于测量结构45的接近。作为另外一种选择或除此之外，位于远端中的线圈中的任何线圈的自感的变化都可以用于测量接近。接近可以被量化为护套接线端80与远端上的任意点的距离Δz。以举例的方式，并且如图4中所示，假设距离Δz被测量至远侧末端52的远端。

在上文提到的校正过程的护套位置部分中，对距离Δz不同的值测量位于探针的远端30处的线圈中的一个或多个的电感、自感和/或互感的变化。可以通过将具有已知振幅和频率的信号注入线圈中、并且确定所产生的电流的振幅和/或相位来测量给定线圈的自感。通过所产生的电流和所注入的振幅、并且考虑线圈的直流电阻，可以确定自感。可以通过将具有已知的振幅和频率的信号注入第一线圈对中、并且确定第二线圈中所产生的电流来以类似的方式找出给定线圈对的互感。

图5为对根据本发明实施例的用于相对于远端30定位护套接线端80的步骤进行描述的流程图100。说明书假设存在与接头感测组件63相对应的具有磁换能器的力传感器，其中线圈64用作磁场发射器。本领域普通技术人员将能够以必要的变更使说明书适于除了那些力传感器还存在磁换能器(诸如坐标感测线圈72)的情况。

在第一校正步骤102中，处理器36实现校正过程的护套位置部分，以举例的方式，假设该部分使用互感的变化。探针28被插入护套40中(大体如图2中所示)，但是远端44和30位于患者24体外，使得可以独立测量距离Δz。具有已知振幅和频率的护套校正信号(在本文中被称为护套位置频率)被注入到线圈66中，并且处理器测量分别由线圈对66和68、以及线圈对于66和70之间的互感引起的通过线圈68和70产生的信号。处理器记录对于护套接线端的距离Δz的不同值的线圈68和70中的信号的变化，并且形成(通常使用内推法)信号变化与距离Δz之间的护套位置校正关系。处理器存储校正关系，以用于在涉及护套40和导管28的手术期间使用。信号的变化通常被计算成在护套接线端未靠近接头感测组件63时来自线圈68和70中的信号的差值，使得其并不影响线圈68和70中产生的信号。在步骤102期间，线圈64通常是不具有操作性的。

在第二校正步骤104中，处理器36实现上文所述的校正过程的力传感器部分。即，处理器将具有已知振幅和频率的力校正信号(在本文中被称为力传感器频率)注入到线圈64中。处理器接着对于已知远侧末端52的力和偏转测量来自线圈66、68、和70的信号，并且遵守信号与力和偏转之间的关系。对护套接线端80的不同位置，即对距离Δz的不同值重复用于步骤104的过程。关系组中的一个用于磁结构45不影响线圈66、68、和70中的信号的情况中，即用于巨大的Δz的值。

对于距离Δz的每一个不同值而言，存在线圈信号与远侧末端的力和偏转之间的关系组。通常，处理器使用内推法以产生线圈信号、远侧末端52上的力和偏转、以及距离Δz的值的组之间的力传感器校正关系。

步骤102和104构成流程图100的校正区段。通常，护套位置频率和力传感器频率彼此不同，并且也与手术期间使用的其它频率(诸如消融频率和磁场发生器频率)不同。使用不同频率使得位于远端30中的每一个线圈都同时执行多个功能，并且减少诸如可能发生在组织消融期间的干涉作用。

在开始手术步骤106中，护套40被插入患者24体内，使得护套的远端处于待消融的心内膜组织的大体区域中。

在探针插入步骤108中，导管28被插入护套40中，直到远侧末端52接触待消融的心内膜组织。在插入期间，处理器36将护套校正信号注入到线圈66中，并且测量线圈68和70中产生的所获得的信号。处理器比较测量所得的信号与在步骤102中确定的护套位置校正关系。通过比较，与测量距离Δz的值相对应，处理器36估测护套接线端80的位置。处理器可以在显示器42上以图像和/或文本格式展示该距离。通常，使用显示器上的信息，操作者26可以操纵护套和探针的近端，以实现探针远端44相对于护套接线端80的期望突起。

在力确定步骤110中，处理器将力校正信号注入到线圈64中，并且测量线圈66、68、和70中产生的所获得的信号。通过信号并且获知在步骤108中所确定的护套接线端80的位置，处理器使用力传感器校正关系来确定远侧末端52的力和偏转。

流程图100的考虑因素示出了系统20不仅能够实现远端44相对于接线端80的期望突起，系统还能够允许由于接近磁结构45而由组件63的线圈所产生的信号的任何变化。

应当理解，假设存在位于远端30中的力传感器中的磁换能器，以举例的方式描述流程图100。在替代实施例中，与使用属于力传感器的部件的换能器相反，可以使用其它的换能器，诸如用于确定远端的坐标的位于远端30中的线圈。还应当理解，使用由于改变位于远端30中的磁换能器之间的互感的结构45的接近而引起的信号变化是通过举例的方式，并且可以替代或除去由于位于远端中的一个或多个磁换能器的自感变化而引起的信号变化之外使用由互感的变化而引起的变化。

因此应意识到，上述实施例均以举例方式举出，并且本发明不受上文特别显示和描述的内容限制。相反，本发明的范围包括上述各种特征的组合和亚组合以及它们的变化形式和修改形式，本领域的技术人员在阅读上述说明时将会想到所述变化形式和修改形式，并且所述变化形式和修改形式并未在现有技术中公开。

Claims (11)

1.设备，包括：

护套，所述护套包括内腔，具有护套远端，所述护套远端被配置成插入人类患者体内；

磁结构，所述磁结构固定地附接到所述护套远端；

探针，所述探针具有探针远端，所述探针远端被配置成穿过所述内腔插入所述人类患者体内，所述探针包括磁换能器，所述磁换能器被设置在所述探针远端中并且被配置成响应于磁场产生信号；和

处理器，所述处理器被配置成感测由于所述磁结构与所述换能器的接近引起的信号的变化。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述磁结构包括顺磁材料。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述磁换能器包括线圈，并且其中所述信号的所述变化响应于所述线圈的电感的变化。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述电感包括所述线圈的自感。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述磁场由所述线圈产生。

6.根据权利要求3所述的设备，其中所述磁换能器包括进一步的线圈，并且其中所述电感包括所述线圈与所述进一步的线圈之间的互感。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述磁场由所述进一步的线圈产生。

8.根据权利要求1所述的设备，并且包括定位在所述探针远端中且被配置成提供对所述探针远端上的力的指示的力传感器，并且其中所述磁换能器是所述力传感器的操作性部件。

9.根据权利要求1所述的设备，并且包括定位在所述探针远端中且被配置成提供对所述探针远端的位置的指示的位置传感器，并且其中所述磁换能器是所述位置传感器的操作性部件。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述处理器被配置成响应于所述信号的所述变化估测所述探针远端与所述护套远端的距离。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述磁结构包括闭合导电线圈。