CN110996778B - 采用相对的换能器的导管探针导航方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于医疗诊断和规程中的探针导航方法和装置。插入受试者体内的壁区域中的探针具有远侧端部，在远侧端部上安装有至少相对的第一换能器和第二换能器。换能器跟踪探针端部相对于壁区域的壁的运动。探针的远侧端部可近距离靠近壁以进入区域，使得第一换能器不再能够正确感测该远侧端部，该区域通常称为消隐区域。然后使用由第二换能器产生的探针远离相对壁的运动的跟踪信息来提供对探针的远侧端部相对于第一换能器不再能够感测的壁的跟踪。

Description

采用相对的换能器的导管探针导航方法和装置

发明内容

本发明提供了一种探针导航方法和装置，该探针导航方法和装置用于受试者的壁腔和通道中的医疗诊断和其它规程中。采用相对的换能器来补偿由于传感器相对于在其内定位探针(诸如导管)的壁的近距离接近而产生的信号消隐区域。

在一个实施方案中，将具有其上安装有相对的第一换能器和第二换能器的远侧端部的探针插入受试者体内的壁区域中。换能器跟踪探针端部相对于壁区域的壁的运动。探针的远侧端部可近距离靠近壁以进入区域，使得第一换能器不再能够正确感测该远侧端部。此类区域通常被称为消隐区域。然后使用由第二换能器产生的探针远离相对壁的运动的跟踪信息来提供对探针的远侧端部相对于第一换能器不再能够感测的壁的跟踪。因此，尽管第一换能器不能正确感测它，仍可确定与壁的接触。

该方法可被执行为使得探针为导管，并且导管的远侧端部定位在活体受试者的心室内。导管可包括穿过其部署工具的护套，其中导管护套的远侧端部包括球囊，球囊具有安装在其上的第一换能器和第二换能器。另选的实施方案可具有直接安装在通过护套和/或球囊部署的工具上的相对的换能器。在每个前述示例中，相对的换能器可例如相对于探针的轴线彼此成180度的角度安装在探针的远侧端部上。然而，可使用其它角取向。

探针的远侧端部可被配置成包括多于两个换能器，诸如具有带有换能器支撑构件阵列的球囊，其中每个支撑构件包括多个换能器元件。在此类探针的远侧端部相对于特定换能器进入消隐区域的条件下，从多个其它换能器产生的跟踪信息可被用于跟踪探针在进入特定换能器的消隐区域之后朝壁的运动。

根据上述方法的导管等的远侧端部的定位和/或跟踪信息可以图形方式或以其它方式显示在显示器上。然后医师或其它探针操作者可基于所显示的信息定位探针的远侧端部。

在受试者体内利用上述方法的示例性探针导航装置可包括：控制系统和相关联的探针，其具有由前述变型中的任一种构成的远侧端部，其被配置成可控地插入受试者的壁区域内并在受试者的壁区域内移动。该示例性控制系统被配置成使用第一换能器来跟踪探针的远侧端部朝第一壁的运动，并且使用一个或多个其它换能器来跟踪探针的远侧端部相对于其它壁部分(诸如远离相对壁)的运动。在探针的远侧端部近距离靠近第一壁，其中第一换能器无法正确感测第一壁的条件下，控制系统被配置成使用由所述一个或多个其它换能器产生的探针相对于壁区域的壁的运动(诸如远离相对壁)的信息来提供对探针的远侧端部朝第一壁的跟踪。这使得能够确定与第一壁的接触，尽管第一换能器不能正确感测第一壁。

此类控制系统可包括处理器、与处理器耦接的显示器和可操作的探针控制装置，所述处理器与换能器耦接并被配置成基于换能器信号来计算探针运动的跟踪信息，所述显示器被配置成以一种或多种模式显示跟踪信息，所述可操作的探针控制装置被配置成操作以基于所显示的跟踪信息来选择性地控制探针的远侧端部的定位。

根据附图和下文的具体实施方式，本发明的其它目的和优点对于本领域中那些技术人员而言将显而易见。

附图说明

本发明的实施方案以举例的方式而非限制的方式在附图的图中示出。

图1为根据本发明的教导内容的用于进行标测、诊断和其它规程的医疗系统的示例示意性图解。

图2为结合图1的示例性医疗系统使用的导管的远侧端部的具有相对的换能器的示例性球囊构型。

图3A-C为示出利用图2的示例性球囊构型的方法的一系列图表。

图4为结合图1的示例性医疗系统使用的导管的远侧端部的另选的示例性球囊构型。

图5A和图5B为结合图1的示例性医疗系统使用的导管的远侧端部的示例性探针工具构型的图示。

具体实施方式

以引用方式并入本专利申请中的文献可包括以与本说明书中明确或暗示的定义相冲突的方式定义的术语。在有任何冲突时，本说明书中的定义应被认为是控制的。

图1为示例性医疗系统20的图示，该医疗系统用于在标测、诊断或其它医疗规程期间产生和显示信息52并且控制受试者体内各种探针的部署。该示例性系统包括诸如心内导管的探针22、控制台24和相关联的探针控制单元25。如本文所述，应当理解探针22用于诊断或治疗处理，诸如例如标测患者28的心脏26中的电势或执行消融规程。另选地，加以必要的变更，探针22可用于心脏、肺中或其它身体器官和耳鼻喉(ENT)规程中的其它治疗和/或诊断目的。

操作者30可例如使用探针控制单元将探针22插入患者28的血管系统中，使得探针22的远侧端部32进入患者心脏26的腔室。控制台24可使用磁性位置感测来确定心脏26内的远侧端部32的位置坐标。为了确定位置坐标，控制台24中的驱动电路34可驱动场发生器36以在患者28的体内产生磁场。场发生器36可包括在患者28体外的已知位置处可放置在患者28的躯干下方的线圈。这些线圈可在容纳心脏26的预定工作空间中产生磁场。

探针22的远侧端部32内的位置传感器38可响应于这些磁场而产生电信号。信号处理器40可处理这些信号，以便确定远侧端部32的位置坐标，包括位置和取向坐标两者。上文所述的位置感测的已知方法在Biosense Webster Inc.(Diamond Bar,Calif.)生产的CARTO^TM标测系统中实现，并且在本文引述的专利和专利申请中详细描述。

位置传感器38被配置成将指示远侧端部32的位置坐标的信号传输到控制台24。位置传感器38可包括一个或多个微型线圈，并且通常可包括多个沿不同轴取向的线圈。另选地，位置传感器38可包括任一类型的磁传感器、或其它类型的位置转换器，诸如基于阻抗的位置传感器或超声位置传感器。如下文更详细地描述，位置传感器38可包括相对的换能器的一个或多个集合。

探针22还可包括容纳在远侧端部32内的力传感器54。力传感器54可测量由远侧端部32施加到心脏26的心内膜组织并产生发送到控制台24的信号的力。力传感器54可包括由远侧端部32中的弹簧连接的磁场发射器和接收器，并且可基于测量弹簧的偏转来产生力的指示。这种类型的探针和力传感器的进一步细节在如同完整阐述般以引用方式并入本文的美国专利申请公布2009/0093806和2009/0138007中描述。另选地，远侧端部32可包括可使用例如光纤或阻抗测量的另一种类型的力传感器。

探针22可包括电极48，该电极联接到远侧端部32并且被配置成用作基于阻抗的位置转换器。除此之外或另选地，电极48可被配置成测量某个生理特性，例如多个位置中的一个或多个处的心脏组织的局部表面电位。电极48可被配置成施加射频(RF)能量以消融心脏26中的心内膜组织。

虽然示例医疗系统20可被配置成使用基于磁的传感器来测量远侧端部32的位置，但可使用其它位置跟踪技术(例如，基于阻抗的传感器)。磁位置跟踪技术在例如美国专利5,391,199、5,443,489、6,788,967、6,690,963、5,558,091、6,172,499和6,177,792中描述，并且它们如同完整阐述般以引用方式并入本文。基于阻抗的位置跟踪技术在例如美国专利5,983,126和5,944,022中描述，并且它们如同完整阐述般以引用方式并入本文。

信号处理器40可被包括在通用计算机中，该通用计算机具有用于接收来自探针22的信号并控制控制台24的其它部件的合适的前端和接口电路。信号处理器40可使用软件来编程以进行本文所述的功能。软件可例如通过网络以电子形式下载到控制台24，或者可提供在诸如光学、磁性或电子存储介质的非临时性有形介质上。另选地，信号处理器40的一些或全部功能可由专用或可编程数字硬件部件执行。

在图1的示例中，控制台24也可通过缆线44连接到外部传感器46。外部传感器46可包括可使用例如粘合剂贴片附接到患者皮肤的身体表面电极和/或位置传感器。身体表面电极可检测由心脏组织的偏振和去偏振产生的电脉冲。位置传感器可使用高级导管位置和/或磁性位置传感器在使用期间定位探针22。尽管图1中未示出，但外部传感器46可嵌入在被配置成由患者28穿戴的背心中。外部传感器46可帮助识别和跟踪患者28的呼吸周期。外部传感器46可经由缆线44将信息传输到控制台24。

除此之外或另选地，探针22和外部传感器46可经由无线接口与控制台24和另一个通信。例如，其公开内容以引用方式并入本文的美国专利6,266,551号尤其描述了无线导管，该导管不实体地连接到信号处理和/或计算设备。而是，发射器/接收器被附接到导管的近侧端部。发射器/接收器使用无线通信方法诸如红外(IR)、射频(RF)、无限、

或声学或其它传输装置与信号处理和/或计算机设备通信。

探针22可配备有无线数字接口，该无线数字接口可与控制台24中的对应输入/输出(I/O)接口42通信。无线数字接口和I/O接口42可根据本领域中已知的任何合适的无线通信标准来操作，诸如IR、RF、蓝牙、IEEE802.11系列标准中的一个或HiperLAN标准。外部传感器46可包括集成在挠性基底上的一个或多个无线传感器节点。该一个或多个无线传感器节点可包括能够实现本地数字信号处理的无线发射/接收单元(WTRU)、无线电链路和电源诸如微型可再充电电池。

I/O接口42可使得控制台24能够与探针22和外部传感器46相互作用。基于从外部传感器46接收的电脉冲以及经由I/O接口42和医疗系统20的其它部件从探针22接收到的信号，信号处理器40可产生可显示在显示器50上的信息52。信息52可以数据或图形解释的形式表示，诸如例如图表、照片、视频或其它类型的图形显示。

在诊断处理期间，信号处理器40可呈现信息52，并且/或者可将表示信息52的数据存储在存储器58中。存储器58可包括任何合适的易失性和/或非易失性存储器，诸如随机存取存储器或硬盘驱动器。

探针控制单元25可被配置成由操作者30操作以基于信息52来操纵探针，该信息能够使用一个或多个输入装置59来选择。另选地，医疗系统20可包括操纵控制台24的第二操作者，而操作者30操作探针控制单元25以基于所显示的信息52来操纵探针22。

治疗心律失常的一种选择可以是基于介入导管的规程。基于介入导管的规程可涉及称作心脏消融的技术。在此类规程中，通常将导管从患者的腹股沟区域推进到心脏中。一旦到位，就可将射频(RF)能量通过导管传送到受试者心脏的腔室内的指定位置，目标是重新建立正确的心脏传导。

在此类医疗规程期间，导管远侧端部的正确定位是至关重要的，使得射频(RF)能量的精确施加递送至指定位置或一系列位置，如通过诊断确定。探针的精确定位在此医疗规程之前执行的诊断和标测规程中也是重要的，以确定心脏需要治疗的特定区域。

探针控制装置25的配置的机械装置和用于移动和定位探针远侧端部的用途在技术水平内，诸如上文引用的CARTO^TM标测系统中所采用。例如，还参见美国专利6,690,963，其如同完全列出一般以引用的方式并入本文中。然而，探针控制装置25控制探针远侧端部移动的操作取决于获得其移动和位置的准确且精确的数据。

在探针传感器(诸如超声换能器)上，能够非常精确地感测器官、血管和其它组织的壁的相对位置，以提供非常精确的探针定位数据。当使用超声换能器来确定位置数据时，通常刚好在换能器的前方产生小的“死区”，在该死区内，传感器不能正确操作。

例如，超声换能器可传输声音脉冲，并且然后监听返回声音，即回声。传感器检测回声并将回声与目标的表面相关联。初始脉冲和返回回声之间的时间量用于计算换能器和目标表面之间的距离。通过在移动期间重复脉冲，可使用由返回回声计算的所确定的距离，相对于换能器和其前方的物体(诸如器官或血管的壁)产生跟踪数据。如本领域中所熟知，当以已知频率的规则时间间隔传输脉冲时，也易于通过返回回声来计算速度。然后使用得自速度和距离数据的计算来跟踪换能器的相对运动，并且因此跟踪与其附接的远侧探针端部的相对运动。

由于换能器既传输脉冲又接收脉冲，因此当反射物体太靠近换能器时，它有时可以将其自身的脉冲(即，来自其自身脉冲的振动)误用于返回信号。作为解决方案，换能器上的传感器可被配置成忽略来自所有脉冲的振动，只要振动停止是必要的，这样就不会直接感测其传输脉冲。因此，换能器还忽略来自附近物体的回声信号。例如，导管的换能器可移动得太靠近心室的壁，而不能使换能器正确地感测该导管，因为换能器开始忽略从该壁弹跳的信号。

脉冲在换能器传输脉冲的时间期间行进并且能够可靠地感测其回声的距离可被称为消隐距离或死区。当换能器用于在与医疗探针一起使用的类型的换能器的情况下测量非常近的距离(例如，小于半毫米)内的物体时，消隐距离成为问题。

图2提供了使用一组相对的换能器的示例，该一组相对的换能器能够补偿任一者的消隐区域。图2示出了图1的探针22的远侧端部部分200的示例性构型。在该示例中，球囊220在预定位置处附接到探针护套210。护套210从近侧端部上的开口穿过球囊220，并且在该示例中，从远侧端部上的开口218离开球囊220。护套210终止于工具240或其它装置可从其延伸的端部230中。

在该示例中，球囊220包括安装在球囊220的一侧上的第一换能器250和安装在相对侧上的第二换能器260。为了区分从每个换能器传输的信号(即脉冲)，第一换能器250可以第一频率传输信号，并且第二换能器260可以不同的第二频率传输信号。本领域中已知的其它分化技术可单独采用或与频率分化结合采用。

参考图3A-C，示例性探针端部部分200被示出为定位在具有第一壁310和相对壁320的受试者的壁区域300中。在图3A中，球囊220定位在足够远离壁310、320两者的位置处，使得第一换能器可感测第一壁310，并且相对的换能器260可感测相对壁320。来自两个换能器的信号用于将信息提供给信号处理器40(图1)，该信号处理器继而以期望的格式在显示器50上向探针操作者30提供位置数据52，该位置数据可包括从换能器信号产生的图形和距离/跟踪数据的分屏。

当操作者使用探针控制装置25将探针22的远侧端部部分200在图3A中箭头指示的方向上朝第一壁310移动时，处理器可使用来自两个换能器250、260的附加信号来改变显示在显示器50上的探针位置以反映改变的探针位置，以及跟踪可包括速度和运动矢量的数据。

位置显示和跟踪数据的变化可使用这两个换能器来产生，以提供关于球囊220以及相应地探针22的远侧端部的运动的非常精确的信息，直到球囊相对于第一换能器250进入消隐区域330。消隐区域由第一换能器250前方的距离限定，在该距离内，第一换能器无法正确操作以感测壁310直接在其前方的距离。此时，相对的换能器仍然能够提供相对于相对壁320的位置和跟踪数据，并且该信息可用于在其穿过消隐区域行进短距离时继续准确地显示球囊的运动，以使得操作者能够将球囊控制到与图3C中所示的壁310接触的精确位置。

当使用球囊(诸如球囊220)时，通常探针最初以偏转取向插入到受试者体内。当探针的远侧端部定位在所需的壁腔内时，然后球囊膨胀。如果球囊未膨胀至精确的程度，则第一换能器250和第二换能器260之间的预期距离可存在偏差。此类距离为可用于产生关于球囊运动的精确位置和运动跟踪信息的附加因子。

第一换能器250可接收来自第二换能器260的信号和/或从目标表面反射但作为脉冲源自第二换能器260的回声信号。此外，第二换能器260可接收来自第一换能器250的信号和/或从目标表面反射但作为脉冲源自第一换能器250的信号。该系统可使用所接收的信号和/或回声来关联第一换能器250和第二换能器260之间的精确距离。

图4为采用相对的换能器的探针22的远侧端部部分400的另一个示例的图示。在该示例中，球囊420在预定位置处附接到探针护套410。护套410从球囊420的近侧端部上的开口横穿球囊420，并且终止于球囊420的远侧端部上的开口418处的相对侧处。护套410包括开口430，工具或其它装置(未示出)可从该开口延伸。

在该示例中，球囊420包括换能器支撑构件450的阵列，换能器支撑构件450各自包括多个换能器元件460。每个支撑构件450与第二支撑构件相关联以限定支撑构件450的互补对470，该支撑构件优选但不限于彼此成相对180度。换能器460被配置成感测探针的远侧端部所位于的壁腔的壁的不同部分。

每个支撑构件450上的每个换能器元件460可与支撑构件对470的互补支撑构件450上的换能器配对，以限定在球囊420的表面上彼此相对的换能器元件460的集合。换能器元件的集合可各自由相对于球囊的轴线成180度的角度的两个元件460组成，使得当球囊膨胀至球形构型时，它们被间隔开等于球囊的直径的距离。可限定其它换能器集合，诸如限定等边三角形的顶点的三个换能器的集合或限定规则四面体的顶点的四个换能器的集合。任选地，所有换能器460可限定单个集合。

可操作两个换能器元件460的集合以感测壁区域的相对壁，如上文相对于图2和3A-C中的换能器250和260所述。可限定三个或更多个换能器的集合，使得当此类集合的一个换能器进入靠近其感测的壁部分的消隐区域时，来自集合中的其它换能器的跟踪数据用于控制探针朝该壁的导航。任选地，来自多个换能器元件的集合的数据可由处理器40(图1)使用，以产生显示给操作者60的精确位置和跟踪信息52。

还应当理解，如本文所使用的术语“相对”不旨在限于相对180度。“相对的”换能器仅需要被布置成使得当集合的一个换能器进入靠近由该换能器感测到的壁部分的消隐区域时，来自集合中的其它换能器的跟踪数据足以控制探针朝该壁部分的导航。应当理解，一组的两个换能器两者感测相同壁的不同部分是可能的。因此，如本文所用，术语“相对壁”包括相同壁的不同部分。

图5A和图5B示出了可补偿任一换能器的消隐区域的一组相对的换能器的另一个使用示例。如图5A和5B中所示，提供了用于探针22的远侧端部部分500的另一个示例性构型。在该示例中，工具520能够从探针护套510的远侧端部延伸。在该示例中，工具520自身包括安装在一侧上的第一换能器530和安装在相对侧上的第二换能器540。可操作相对的换能器元件530、540以感测壁区域的相对壁，如上文相对于图2和3A-C中的换能器250和260所述。

尽管采用一个或多个相对180度的换能器的集合的实施方案对于具体实施方案可为优选的，但在本发明的范围内可采用变型形式。尽管当考虑来自彼此成180度设置的换能器中的多于两个的换能器数据时几何、速度和矢量计算变得更加复杂，但换能器的集合可包括彼此具有不同已知角取向的换能器，以及包括多于两个换能器的换能器集合，诸如上文相对于图4所参考的。在定位和跟踪数据的计算中，可考虑每个换能器的相对角取向，该定位和跟踪数据可用于补偿该集合的换能器中的任一个进入其不能正确操作的消隐区域。

其它变型和另选方案对于本领域中那些技术人员将是显而易见的并且在前述公开的范围内。

Claims (10)

1.一种与受试者一起使用的探针导航系统：

控制系统和相关联的探针，所述控制系统和相关联的探针被配置成操作以可控地将所述探针的远侧端部插入到所述受试者体内的壁区域并在所述受试者体内的所述壁区域内移动；

所述探针的所述远侧端部包括安装在所述远侧端部上的相对的第一换能器和第二换能器；

所述第一换能器被配置在所述探针上以感测所述壁区域内的第一壁，并且相对的所述第二换能器被配置在所述探针上以感测所述壁区域内的相对壁；

所述控制系统被配置成使用所述第一换能器来跟踪所述探针的所述远侧端部朝所述第一壁的运动，并且使用所述第二换能器来跟踪所述探针的所述远侧端部相对于所述相对壁的运动；并且

在所述探针的所述远侧端部近距离靠近所述第一壁，其中所述第一换能器无法正确感测所述第一壁的条件下，所述控制系统被配置成使用由所述第二换能器产生的所述探针相对于所述相对壁的所述运动的信息，以提供对所述探针的所述远侧端部朝所述第一壁的跟踪，由此尽管所述第一换能器不能正确感测所述第一壁，仍可确定与所述第一壁的接触。

2.根据权利要求1所述的探针导航系统，其中所述控制系统包括处理器、与所述处理器耦接的显示器和可操作的探针控制装置，所述处理器与所述换能器耦接并被配置成基于换能器信号来计算所述探针运动的跟踪信息，所述显示器被配置成以一种或多种模式显示所述跟踪信息，所述可操作的探针控制装置被配置成操作以基于所显示的所述跟踪信息来选择性地控制所述探针的所述远侧端部的定位。

3.根据权利要求2所述的探针导航系统，其中所述探针为包括护套的导管，工具穿过所述护套部署，并且其中所述导管护套的远侧端部包括球囊，所述球囊具有安装在所述球囊上的所述第一换能器和所述第二换能器。

4.根据权利要求2所述的探针导航系统，其中所述控制系统被配置成在所述探针朝所述第一壁运动时使用所述第二换能器来跟踪所述探针的所述远侧端部远离所述相对壁的运动。

5.根据权利要求3所述的探针导航系统，其中所述球囊包括：

换能器支撑构件的阵列，所述换能器支撑构件各自包括多个换能器元件；

相似操作的换能器元件的集合，所述集合被限定为使得集合中的每个换能器被配置成感测不同的壁部分；并且

换能器元件的一个集合包括所述第一换能器和所述第二换能器，并且可操作地与所述控制系统一起配置，使得：

在所述探针的所述远侧端部近距离靠近所述第一换能器被配置成感测的所述壁部分，其中所述第一换能器无法正确感测所述壁部分的条件下，由所述一个集合的其它换能器感测的所述探针相对于所述壁部分的运动的跟踪信息提供对所述探针的所述远侧端部相对于所述第一换能器被配置成感测的所述壁部分的跟踪，由此尽管所述第一换能器不能正确感测所述壁部分，仍可确定与所述第一换能器被配置成感测的所述壁部分的接触。

6.根据权利要求5所述的探针导航系统，其中所述一个集合由在所述球囊上彼此成180度设置的两个换能器限定。

7.根据权利要求5所述的探针导航系统，其中所述一个集合由三个换能器限定，所述三个换能器在所述球囊上相对于彼此被设置为等边形的顶点。

8.根据权利要求5所述的探针导航系统，其中所述一个集合由四个换能器限定，所述四个换能器在所述球囊上相对于彼此被设置为规则四面体的顶点。

9.根据权利要求2所述的探针导航系统，其中所述探针为包括护套的导管，工具穿过所述护套部署，并且其中所述工具的远侧端部部分包括安装在所述远侧端部部分上的所述第一换能器和所述第二换能器。

10.根据权利要求2所述的探针导航系统，其中所述第一换能器和所述第二换能器相对于所述探针的轴线以彼此成180度的角度安装在所述探针的所述远侧端部上。

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