DE19852441A1 - Katheterverfolgungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Katheterverfolgungssysteme und insbe­ sondere ein System und ein Verfahren zum Lokalisieren und Verfolgen von Kathetern in einem menschlichen oder tierischen Körper.

Der Ausdruck Katheter, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf jegliches invasives chirurgisches Werkzeug, das zum Einsetzen in einen menschlichen oder tierischen Körper verwen­ det wird, um zum Ausführen einer Untersuchungsprozedur und/oder einer medizinischen Prozedur einen Fernzugang zu einem Abschnitt des Körpers zu erlangen.

Mit der zunehmenden Verwendung minimal invasiver chirurgischer Verfahren in der medizinischen Diagnose und Therapie besteht ein Bedarf an neuen Verfahren der Fernlokalisierung und -verfolgung von Kathetern oder anderen medizinischen Instru­ menten in einem menschlichen oder tierischen Körper. Gegenwär­ tig ist die Röntgenstrahl-Fluoroskopie das Standard-Katheter- Lokalisierungsverfahren. Die Belastung durch eine unangemessen hohe Röntgenstrahlung kann jedoch sowohl für den Patienten als auch für den Kliniker schädlich sein. Somit sind alternative Katheter-Lokalisierungsverfahren wünschenswert.

Es wurden mehrere alternative Verfahren veröffentlicht ein­ schließlich einiger Verfahren, die Ultraschallwandler anwen­ den, und anderer Verfahren, die Magnetfeldmessungen verwenden.

Ein bekanntes Verfahren der Katheterlokalisierung verwendet eine oder mehrere Magnetfeldquellen, die relativ zueinander fest sind und ein räumliches Referenzsystem definieren, und einen oder mehrere an der Spitze des Katheters befestigte magnetische Sensoren. Die Sensoren messen die durch die Quel­ len erzeugten Felder, wobei diese Messungen dann verwendet werden, um die Position der Spitze relativ zu dem Referenzsy­ stem zu bestimmen. Das gleiche Ergebnis könnte alternativ durch Vertauschen der Quellen mit den Sensoren erreicht wer­ den.

Dieses Verfahren beruht auf einer vorherigen genauen Kenntnis der relativen Positionen der Quellen und der räumlichen Formen ihrer Magnetfelder sowie der relativen Positionen und der Empfindlichkeiten der Sensoren. Da es unmöglich ist, Quellen und Sensoren mit idealen Kenndaten herzustellen, sind rein theoretische Berechnungen derartiger Kenndaten wahrscheinlich fehlerbehaftet, so daß diese aus Eichmessungen bestimmt werden müssen. Ein Vorteil der Verwendung von Magnetfeldern zum Verfolgen eines Katheters in einem menschlichen oder tieri­ schen Körper besteht darin, daß die Felder durch die Anwesen­ heit des Körpers praktisch nicht beeinflußt werden. Dies liegt an der sehr geringen magnetischen Suszeptibilität des Körper­ gewebes. Im Gegensatz dazu werden elektrische und akustische Felder durch das Körpergewebe stark beeinflußt. Im Ergebnis können die Eichmessungen eines Magnetfeld-Verfolgungssystems in Abwesenheit des Körpers vor der Operation ausgeführt wer­ den.

Katheter unterliegen der Einschränkung, daß ihr Durchmesser klein genug sein muß und daß sie flexibel genug sein müssen, um sie in den relevanten Abschnitt des Körpers einführen zu können. Herzkatheter sollten z. B. einen Durchmesser von ungefähr 2 mm haben und flexibel genug sein, um sie auf einen Radius von 10 mm oder weniger zu biegen. Diese Anforderungen sowie die Notwendigkeit, die am Katheter befestigten Wandler in der Nähe des Katheterkopfs starr miteinander zu verbinden, führen zu der Forderung, daß diese Wandler alle in einem kleinen Volumen untergebracht werden müssen.

Ein auf dem obigen Zugang beruhendes bekanntes Katheterverfol­ gungsverfahren ist in der PCT-Anmeldung WO 96/05768 (Ben-Haim u. a.) beschrieben. In dem Ben-Haimschen Verfahren gibt es mehrere, zweckmäßig drei, Magnetquellen und mehrere, wiederum zweckmäßig drei, am Katheter befestigte Sensoren. Die Sensoren sind zweckmäßig Drahtspulen des Typs, die die lokale Feldkom­ ponente parallel zu ihrer in orthogonalen Richtungen ausge­ richteten Achse messen.

Da zur Ausführung einer Lokalisierung mehrere gleichzeitige, aber unabhängige Messungen der Magnetfelder notwendig sind, erfordert das bekannte Katheterverfolgungsverfahren, daß die mehreren Magnetquellen und die mehreren am Katheter befestig­ ten Sensoren in der Weise unabhängig voneinander beschaffen sind, daß keines ihrer Felder durch eine feste Kombination der anderen Felder ausgedrückt werden kann und daß somit keine ihrer Messungen durch eine feste Kombination der anderen Messungen ausgedrückt werden kann. Da ein Magnetfeld eine Vektorgröße ist, können bis zu drei am gleichen Ort befindli­ che Wandler unter der Voraussetzung, daß sie orthogonal zuein­ ander befestigt sind, wechselseitig voneinander unabhängig sein. Mehr als drei Wandler müssen einen räumlichen Abstand haben, um wechselseitig voneinander unabhängig zu sein.

Die bekannten Katheterlokalisierungsverfahren besitzen be­ stimmte Nachteile. Zunächst müssen die drei voneinander unab­ hängigen Magnetfeldspulen in einem kleinen Volumen in der Nähe des Katheterkopfs integriert sein. Dies stellt ein schwieriges und aufwendiges Verfahren dar. Zweitens ist die Eichung der Sensoren und insbesondere die Messung ihrer Orientierungen in jedem Katheter ein komplexes Verfahren. Eine Eichung durch den Hersteller ist somit zweckmäßiger als eine Eichung jedes Katheters kurz vor der Verwendung durch das medizinische Personal. Falls die Katheter aber im voraus geeicht werden, ist ein narrensicheres System erforderlich, das sicherstellt, daß in den Signalprozessor die richtigen Eichdaten für jeden Katheter eingegeben werden.

Die obenerwähnten Nachteile, die mit der Eichung, mit der Unabhängigkeit der Magnetfeldwandler und mit der Größe des Katheterkopfs zusammenhängen, stellen technische Probleme dar, die durch das Katheterverfolgungssystem gemäß der Erfindung gelöst werden sollen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zum Lokalisieren und Verfolgen von Kathetern zu schaffen, die die obenerwähnten Nachteile herkömmlicher Kathe­ terverfolgungssysteme und -verfahren vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein System zum Lokalisieren und Verfolgen von Kathetern nach Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zum Lokalisieren und Verfolgen von Kathe­ tern nach Anspruch 8. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die hier vorgeschlagene Erfindung verwendet nur einen Magnet­ feldwandler, der in der Nähe eines zu verfolgenden Katheter­ kopfs angebracht ist.

Das hier vorgeschlagene Katheterverfolgungssystem bietet mehrere potentielle Vorteile gegenüber den Katheterverfol­ gungssystemen des Standes der Technik. Zunächst erfordert die Erfindung das Anbringen nur eines einzigen Wandlers in der Nähe des distalen Endes eines Katheters, was das Eichverfahren für den Katheter vereinfacht, da die Messung der relativen Positionen der Wandler entfällt. Außerdem benötigt ein einzi­ ger, in der Nähe des distalen Endes eines Katheters angebrach­ ter Wandler ein geringeres Volumen und weniger Anschlußdrähte, so daß er leichter in einen Katheter integriert werden kann als es bei herkömmlichen Systemen, die das Anordnen mehrerer Wandler an dem Katheter erfordern, der Fall ist.

Vorteilhaft ermöglicht die Erfindung, einen größeren, lei­ stungsfähigeren an dem Katheter angeordneten Magnetfeldsensor zu verwenden, der somit die Empfindlichkeit des Sensors er­ höht, was für eine gegebene Feldstärke eine höhere Meßgenauig­ keit erlaubt. Falls eine Magnetfeldquelle an dem Katheter angeordnet ist, ergibt die Verwendung einer leistungsfähigeren Quelle eine höhere Feldstärke pro Ansteuerstromeinheit, was die Betriebsstromanforderungen reduziert.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung zweckmäßiger Ausführun­ gen, die auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 einen Stromlaufplan eines in einen menschlichen Körper eingesetzten Katheters;

Fig. 2 einen typischen durch eine Arterie in das Herz einge­ setzten Katheter mit in der Nähe des Herzes angeordne­ ten Referenzwandlern und insbesondere mit einem Ma­ gnetfeldwandler, der am Kopf des in das Herz einge­ setzten Katheters angeordnet ist; und

Fig. 3 einen Stromlaufplan der Signalverarbeitungseinheit in Verbindung mit mehreren außerhalb des Körpers angeord­ neten Referenzwandlern sowie einen durch eine Arterie in einen Abschnitt des Körpers eingesetzten Katheter mit einem einzigen an dem Katheterkopf angeordneten Wandler.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines durch eine Arterie 14 in das Herz 5 eines menschlichen Körpers 1 einge­ setzten Katheters 10, wobei es sich um eine Anwendung für das erfindungsgemäße Katheterverfolgungssystem handelt. Der Kathe­ ter 10 verfügt allgemein über einen Kopf 16, an dem ein Ma­ gnetfeldwandler 18 angebracht ist. In der Nähe des Herzes 5 sind an festen Referenzpositionen mehrere weitere Magnetfeld­ wandler 19 angeordnet, die durch einen (nicht gezeigten) starren Rahmen an ihrem Platz gehalten werden. Diese Referenz­ wandler 19 sind so beschaffen, daß sie im wesentlichen vonein­ ander unabhängig sind, so daß im Fall der Magnetfeldquellen keines von ihren Feldern durch eine feste Kombination der anderen Felder ausgedrückt werden kann und daß im Fall der Magnetfeldsensoren keine ihrer Messungen durch eine feste Kombination der anderen Messungen ausgedrückt werden kann. Die Referenzwandler 19 und der am Katheter angebrachte Wandler 18 sind an eine Signalverarbeitungseinheit 22 angeschlossen. Im Gebrauch wird der Katheter 10 durch eine Vene oder Arterie 14 in einen menschlichen Körper 1 eingesetzt, um einen Fernzugang z. B. zum Herz 5 zu erhalten, um eine medizinische Prozedur, z. B. eine Endokardiographie, durchzuführen.

In dieser Beispielausführung ist der am Katheter befestigte Magnetfeldwandler 18 ein Magnetfeldsensor, wobei die Referenz­ wandler 19 in diesem Fall Magnetfeldquellen sind. In Fig. 1 sind die Referenzwandler 19 Spulenwandler, wobei aber auch andere Typen zur Anwendung kommen können. Als eine alternative Ausführung kann der am Katheter befestigte Wandler eine Quelle sein, wobei die Referenzwandler in diesem Fall Sensoren sind.

Für den Rest dieser Beschreibung einer zweckmäßigen Ausführung der hier genau geschilderten Erfindung wird vorausgesetzt, daß an dem Katheter ein Magnetfeldsensor befestigt ist und daß die Referenzwandler Magnetfeldquellen sind. Jedoch könnte im wesentlichen das gleiche Verfahren verwendet werden, wenn die Quellen mit den Sensoren vertauscht sind.

Fig. 2 zeigt eine Nahansicht des in Fig. 1 gezeigten Kathe­ ters, wobei die Teile, die in Fig. 1 ebenfalls gezeigt sind, die gleichen Bezugszeichen tragen. Gezeigt ist ein in der zum Herz 5 führenden Arterie 14 angeordneter Katheter 10. Am Kopf des Katheters 16 ist ein Spulen-Magnetfeldwandler 18 ange­ bracht. In der Nähe des Herzes 5 sind mehrere Referenz-Spulen- Magnetfeldwandler 19 angeordnet, die durch einen (nicht ge­ zeigten) starren Rahmen an ihrem Platz gehalten werden.

Fig. 3 zeigt im wesentlichen die gleichen Objekte wie Fig. 1, allerdings ausführlicher, wobei die Teile, die in den Fig. 1 und 2 ebenfalls vorkommen, die gleichen Bezugszeichen tragen. Der Katheter 10 ist mit einem an dem Katheterkopf 16 angeord­ neten Magnetfeldsensor 18 durch eine Arterie 14 in den Körper 1 eingesetzt. Um eine räumliche Beziehung zwischen den Refe­ renzwandlern aufrechtzuerhalten, werden die Referenzwandler zweckmäßig extern, außerhalb des Körpers an dem obenerwähnten Rahmen angebracht. Dies schafft die erforderliche Unabhängig­ keit der jeweiligen Magnetfelder. Fig. 3 zeigt somit eine zweckmäßige Ausführung, bei der die Referenzwandler 19 außer­ halb des Körpers 1 angeordnet sind. Fünf Referenzmagnetfeld­ quellen 19, die so beschaffen sind, daß sie unabhängig vonein­ ander sind, sind an einen Mehrkanalverstärker 24 angeschlos­ sen. Ein Ausgangssignal des Magnetfeldsensors wird über einen Katheter 10 an einen Verstärker 26 gesendet, wo es verstärkt und in eine Signalverarbeitungseinheit 22 eingespeist wird. Die Signalverarbeitungseinheit 22 erzeugt die Ansteuersignale, die über den Mehrkanalverstärker 24 in die magnetischen Quel­ len 19 eingespeist werden. Außerdem ist die Signalverarbei­ tungseinheit 22 an eine rechnergestützte Schnittstelle 28 angeschlossen, die die Position des Katheterkopfs und weitere durch den Prozessor berechnete Ergebnisse anzeigt und die Anweisungen des Anwenders zum Einstellen verschiedener System­ parameter entgegennimmt.

Der Katheterkopf 16 besitzt sechs Positions-Freiheitsgrade, d. h. drei Translations- und drei Rotationsfreiheitsgrade. Eine vollständige Bestimmung der Position des Katheterkopfs erfordert zweckmäßig mindestens sechs unabhängige Magnetfeld­ messungen, die sechs unabhängige Gleichungen in den sechs unbekannten Positionskoordinaten ergeben. Da aber in den meisten Fällen der Drehwinkel des Katheterkopfs 16 um seine Achse nicht von Interesse ist, müssen lediglich fünf Positi­ onskoordinaten bestimmt werden, so daß fünf Feldmessungen ausreichend sind.

Die N Referenzquellen (wobei für diese Beschreibung der zweck­ mäßigen Ausführung N = 5 ist) sind an einer (nicht gezeigten) starren Einheit befestigt und so beschaffen, daß die erzeugten Felder voneinander unabhängige Funktionen der räumlichen Koordinaten des Referenzsystems sind. Der Magnetfeldsensor mißt die Richtungskomponenten des lokalen Magnetfelds parallel zur Katheterachse. Das Ausgangssignal des Sensors infolge der n-ten Quelle kann somit als

x_n(t) = k B_n(r_s, t).p_s (1)

geschrieben werden.

In Gleichung 1 ist B_n(r_s, t) der durch die Quelle n zur Zeit t an dem dreidimensionalen Ort r in dem Referenzsystem erzeugte Magnetfeldvektor, r_s der Ort des Sensors, p_s ein zur Katheter­ achse paralleler Einheitsvektor und k die Empfindlichkeit des Sensors. Es wird angemerkt, daß fettgedruckte Symbole Vektor­ größen bezeichnen und daß x.y das Skalarprodukt von x und y bezeichnet. Der Vektor r_s besitzt drei Freiheitsgrade, während der Einheitsvektor p_s nur zwei besitzt. Dies widerspiegelt die Tatsache, daß das Ausgangssignal des Sensors unabhängig von dessen Drehwinkel um die Katheterachse ist, so daß dieser Winkel nicht bestimmt werden kann. Somit ist die Orientierung des Sensors durch nur zwei anstelle von drei Koordinaten definiert.

Die getrennten Messungen der Quellfelder werden durch Multi­ plexieren der Quellen und nachfolgendes Demultiplexieren des Sensorausgangssignals erhalten. Dies ermöglicht außerdem, das Erdmagnetfeld und irgendwelche weiteren, vom Umgebungsrauschen hervorgerufenen Felder aus der Messung zu eliminieren. Da die Antwort des Sensors linear ist, kann eine Frequenzmultiplexie­ rung verwendet werden, bei der jedes Feld bei einer anderen Einzelfrequenz variiert.

Da die demultiplexierten Sensormessungen der N Quellfelder bei irgendeiner besonderen Katheterposition zeitunabhängig sind, kann Gleichung 1 als

x_n = k B(r_s).p_s, mit n = 1 bis N (2)

umgeschrieben werden.

Die Funktionen B_n(r) werden durch Eichen der Referenzquellen bestimmt, während die Konstante k durch Eichen des Sensors bestimmt wird. Somit können die fünf Orts- und Orientierungs­ koordinaten des (an dem Katheter 10 in der Nähe des Katheter­ kopfs 16 angeordneten) Sensors 18 in den Vektoren r_s und p_s unter der Voraussetzung, daß N mindestens fünf ist, durch Lösen dieser N Gleichungen gefunden werden.

In einer alternativen Ausführung der Erfindung beträgt die Anzahl der Referenzwandler (N) sechs oder mehr, was somit die Bestimmung der Empfindlichkeit (k) des Sensors aus den Glei­ chungen für die Messung erleichtert und daher vorteilhaft die Notwendigkeit des Eichens des an dem Katheter befestigten Sensors 18 beseitigt.

Wenn der Katheter 10 durch den Kliniker gehandhabt wird, kann der Katheterkopf 16 durch ständiges Neuberechnen seiner Posi­ tionskoordinaten verfolgt werden. In einigen Verfahren kann es zweckmäßig sein, mehr als einen Katheter zu verfolgen. Dies kann durch einfaches Wiederholen der Wandler- und Schnittstel­ lenelektronik in jedem Katheter und durch Wiederholen des Gleichungslösungsverfahrens für jeden Satz von N Feldmessungen erfolgen.

Die Eichung der Referenzwandler 19 kann ein ziemlich langwie­ riges Verfahren sein, wobei die Referenzeinheit dann aber unbegrenzt wiederverwendet werden kann. Das Eichen des an dem Katheter 18 angeordneten Wandlers ist eine einfache Messung. Zum Beispiel kann sie kurz vor der Verwendung des Katheters erfolgen, indem dessen Kopf bei einer bekannten Lage in dem Referenzsystem unter Verwendung einer an der Referenzeinheit angebrachten Lehre an einer bekannten Position angeordnet wird.

Für den Fachmann auf dem Gebiet ist klar, daß an der hier beschriebenen Ausführung verschiedene Abänderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (9)

1. Katheterverfolgungssystem zum Bestimmen des Orts und der Orientierung eines Katheters (10), mit
mehreren Magnetfeldwandler (18, 19), und
einer an die mehreren Magnetfeldwandler (18, 19) ge­ koppelten Steuereinheit (22), die so beschaffen ist, daß sie die mehreren Magnetfeldwandler (18, 19) zum Erzeugen oder zum Erfassen von Magnetfeldern erregt,
dadurch gekennzeichnet, daß
einer (18) der mehreren Magnetfeldwandler (18, 19) an dem Katheter (10) in der Nähe von dessen distalem Ende ange­ ordnet ist und die weiteren (19) der mehreren Magnetfeldwand­ ler (18, 19) an Referenzpositionen in bezug zueinander ange­ ordnet sind,
die Magnetfeldwandler (18, 19) im wesentlichen vonein­ ander unabhängig sind, und
die Steuereinheit (22) ausgehend von der Erfassung der durch die ausgewählten der mehreren Wandler (18, 19) erzeugten Magnetfelder in der Weise arbeitet, daß sie die für die erfaß­ ten Magnetfelder repräsentativen erfaßten Signale verarbeitet, um drei Ortskoordinaten und zwei Orientierungskoordinaten des Katheters (10) in bezug auf ein durch die Referenzwandler (19) definiertes Referenzsystem zu bestimmen.

2. Katheterverfolgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der eine Magnetfeldwandler (18), der an dem Katheter (10) in der Nähe von dessen distalem Ende angeordnet ist, als ein Magnetfeldsensor arbeitet und
die mehreren weiteren Wandler (19) als Magnetfeldquel­ len arbeiten.

3. Katheterverfolgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der eine Magnetfeldwandler (18), der an dem Katheter (10) in der Nähe von dessen distalem Ende angebracht ist, als Magnetfeldquelle arbeitet und
die mehreren weiteren Wandler (19) als Magnetfeldsen­ soren arbeiten.

4. Katheterverfolgungssystem nach irgendeinem vorangehen­ den Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Magnetfeldwandler (18, 19) Spulen sind.

5. Katheterverfolgungssystem nach irgendeinem vorangehen­ den Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Referenzwandler (19) so beschaffen sind, daß sie entsprechend einem externen Eichverfahren im wesentli­ chen voneinander unabhängig sind.

6. Katheterverfolgungssystem nach irgendeinem vorangehen­ den Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Magnetfeldquellen erzeugten Magnetfelder eine unterschiedliche Frequenz und/oder eine unterschiedliche Phase besitzen, wodurch die gleichzeitige Erzeugung und Erfas­ sung der Magnetfelder erleichtert wird.

7. Katheterverfolgungssystem nach irgendeinem vorangehen­ den Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der weiteren Magnetfeldwandler (19) minde­ stens fünf beträgt.

8. Verfahren zum Verfolgen eines Katheters (10), um dessen Ort und Orientierung zu bestimmen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Anordnen einen einzelnen Magnetfeldwandlers (18) an dem Katheter (10) in der Nähe von dessen distalem Ende,
Erregen des einzelnen Magnetfeldwandlers (18), so daß dieser entweder als ein Magnetfeldgenerator oder als ein Magnetfeldsensor wirkt,
Einsetzen des Katheters (10) in einen menschlichen oder tierischen Körper (1),
Anordnen mehrerer weiterer Magnetfeldwandler (19) an Referenzpositionen in bezug zueinander in dem menschlichen oder tierischen Körper (1) oder um diesen herum, so daß diese so beschaffen sind, daß sie im wesentlichen voneinander unab­ hängig sind,
Erregen der mehreren weiteren Magnetfeldwandler (19) in der Weise, daß sie entweder als Magnetfeldgeneratoren oder als Magnetfeldsensoren arbeiten und auf diese Weise ein Refe­ renzsystem um den menschlichen oder tierischen Körper (1) erzeugen, und
Verarbeiten der für die erfaßten Magnetfelder reprä­ sentativen erfaßten Signale, um in bezug auf das Referenz­ system drei Ortskoordinaten und zwei Orientierungskoordinaten des Katheters (10) zu bestimmen.

9. Katheterverfolgungssystem wie oben mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.