DE4215901A1 - Katheter mit einem lokalisierbaren endbereich und verwendung desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Katheter mit einem distalen Endbereich.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Überprü­ fung der Ortungsgenauigkeit eines biomagnetischen Meßsystems mit einem Katheter, an dessen Ende mindestens zwei Elektro­ den angeordnet sind, bei dem der Endbereich des Katheters zu dem zu untersuchenden Bereich eines Patienten gebracht wird, bei dem über sich an dem Endbereich des Katheters befindende Elektroden ein Strom im zu untersuchenden Bereich erzeugt wird und bei dem das biomagnetische Meßsystem aus dem von dem Strom im Katheter und im zu untersuchenden Bereich er­ zeugten Magnetfeld mit Hilfe eines ersten Modells den Ort und die Lage des Endbereichs bestimmt.

Ein Katheter der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 50 56 517 bekannt. Auf einer außen liegenden Oberfläche des distalen Endbereichs des für kardiologische Untersuchungen vorgesehen Katheters sind zwei Elektroden angeordnet. Der Endbereich des Katheters kann über eine magnetokardiogra­ phische Vermessung geortet werden, wenn über die Elektroden Herzschritt- oder Herzreizimpulse erzeugt werden. Nachteilig bei diesem Katheter ist jedoch, daß er nur dann geortet werden kann, wenn Herzschrittimpulse erzeugt werden. Des weiteren sind die damit erzeugten Magnetfelder so klein, daß sie nur mit hochempfindlichen biomagnetischen Meßsystemen ausreichend genau gemessen werden können. Schließlich ver­ ursachen außerhalb des Katheters im Untersuchungsgebiet fließende elektrische Volumenströme, deren Strompfade im allgemeinen nicht bekannt sind, Feldverzerrungen, die die Genauigkeit der Ortung beeinträchtigen.

Auch elektrophysiologische Aktivitäten lassen sich über eine Messung der durch sie erzeugten Magnetfeldverteilung mit Hilfe von hochempfindlichen biomagnetischen Meßsystemen orten. Physikalisch betrachtet stellen die erregten Zellen galvanische Elemente dar, die in einem leitenden Medium, nämlich dem menschlichen Körper angeordnet sind. Oft ist ein ganzes Bündel von Zellen zur selben Zeit aktiv. Dieses Bündel von Zellen kann durch einen äquivalenten Stromdipol nachgebildet werden, der aus einer Stromquelle und einer in geringem Abstand dazu angeordneten Stromsenke besteht. Die im Körper fließenden elektrischen Ströme sind von einem Mag­ netfeld umgeben, das von den elektromagnetischen Eigenschaf­ ten des umgebenden Gewebes im wesentlichen unbeeinflußt ist.

Das von einem körperinneren Stromdipol erzeugte magnetische Feld wird nun außerhalb des Körpers mit Hilfe des biomag­ netischen Meßsystems gemessen, um den Ort der Aktivität zu bestimmen. Dazu kann das Magnetfeld in zwei Anteile zerlegt werden. Der erste Feldanteil kann auf den Stromdipol und der zweite Feldanteil auf die Volumenströme zurückgeführt werden. Während der erste Feldanteil leicht mit Hilfe des Biot- Savartschen Gesetzes berechnet werden kann, ist der zweite Feldanteil von den im allgemeinen unbekannten Strompfaden im Körper abhängig. Der Einfluß der Volumenströme auf das Ge­ samtmagnetfeld kann jedoch quantitativ berücksichtigt wer­ den, wenn die Geometrie des Körpers bekannt ist. Einfachste Modelle, die eine analytische Bestimmung erlauben, sind der unendliche Halbraum für den Oberkörperbereich und die Kugel für den Kopf. Es hat sich herausgestellt, daß im Gegensatz zu den elektrischen Feldern Volumenströme weit weniger zu dem magnetischen Feld beitragen als das Feld des Stromdipols selbst. Aus diesem Grund werden mit einer biomagnetischen Lokalisation auch dann zufriedenstellende Ergebnisse erzielt, selbst wenn die Form und die Leitfähigkeit des menschlichen Körpers nur grob berücksichtigt wird.

Zur Lokalisierung der Stromdipole werden iterative Verfahren benutzt, die von einer ersten angenommenen Dipolposition aus­ gehen. Der Ort und die Richtung des äquivalenten Stromdipols, dessen Feld am besten mit dem gemessenen Feld übereinstimmt, wird mit dem Ort der elektrischen Aktivität im Körper gleich­ gesetzt.

Es tritt jedoch die Frage auf, wie groß der Lokalisierungs­ fehler des verwendeten Modells ist, das die wahren Verhält­ nisse nur unvollkommen berücksichtigen kann. Die Bestimmung des Ortungsfehlers des biomagnetischen Meßsystems stößt insbesondere bei Herzuntersuchungen auf Schwierigkeiten, da am Herzen kein Ort bekannt ist, an dem signifikante Signale auftreten.

Zur Überprüfung der Ortungsgenauigkeit von biomagnetischen Meßsystem wurde deshalb von Moshage, Weikl, Achenbach, Abraham-Fuchs und Schneider in dem Artikel "Progress in Biomagnetic Imaging of Heart Arrhythmas" erschienen in Frontiers in European Radiology, Vol. 8, 1990, Springer Verlag, Berlin, vorgeschlagen, einen Reizkatheter in dem eingangs genannten Verfahren zu verwenden. Der Katheter bildet einen Stromdipol nach, wenn über die an der Außen­ seite angeordneten Elektroden ein Strom in das Untersu­ chungsgebiet geschickt wird. Über eine Magnetfeldmessung wird nun mit Hilfe des biomagnetischen Meßsystems der Ort und die Lage des Katheterendes, also der Ort des Stromdipols oder der Ort der Elektroden, ermittelt. Der Ort des Reiz­ katheters in Bezug zum Untersuchungsgebiet wird andererseits über eine Kernspinresonanzuntersuchung (NMR-Untersuchung) bestimmt. Dazu wird die Spitze des Katheters mit einem Kontrastmittel markiert, das im NMR-Bild zu erkennen ist. Durch eine dabei notwendige Umlagerung des Patienten vom biomagnetischen Meßsystem zum NMR-Meßsystem sowie die Um­ rechnung von NMR-Koordinaten in biomagnetische Koordinaten können mit diesem Katheter jedoch nicht beliebige Genauig­ keiten nachgewiesen werden.

Aus der US-PS 49 95 395 ist bekannt, den Ort von auf einer Kopfoberfläche plazierten EEG-Elektroden mit Hilfe eines Vielkanal-Magnetometers zu bestimmen. Dazu ist jeder Elek­ trode eine elektrische Spule zugeordnet, durch die zur Or­ tung ein Strom geschickt wird. Die durch die Ströme erzeug­ ten Magnetfeldverteilung wird von dem Vielkanal-Magneto­ meter gemessen. Diese Meßwerte sind die Grundlage zur Orts­ bestimmung der Elektroden. Gleichzeitig kann bei entspre­ chender Anordnung der Elektroden mit den Spulen die Kopfform bestimmt werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Katheter anzugeben, dessen Endbereich einfach und genau zu orten ist.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Lokalisierungsgenauigkeit eines bio­ magnetischen Meßsystem einfach überprüft werden kann.

Die erstgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Endbe­ reich mindestens eine elektrische Spule angeordnet ist. Mit Hilfe der Spule lassen sich, ohne einen Patienten zu beein­ trächtigen, ausreichend starke Magnetfelder aufbauen, die auch mit im Vergleich zu biomagnetischen Meßeinrichtungen weniger empfindliche Magnetfeldmeßeinrichtung gemessen wer­ den können. Aus der Magnetfeldverteilung kann der Ort der Spule genau bestimmt werden, weil keine Feldverzerrung durch Volumenströme auftreten können. Bei Dauerregung der Spule lassen sich mit dem Katheter pathologische Herztätigkeiten lokalisieren.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung zeichnet sich da­ durch aus, daß im Endbereich mindestens ein Kanal mündet, der innerhalb des Katheters verläuft. Der Ort der Kanal­ mündung läßt sich über die Messung der von der Spule er­ zeugten Magnetfeldverteilung genau bestimmen. Der Kanal kann vorgesehen sein zur Durchführung von Ablationsdrähten oder faseroptische Mitteln, zur Suktion, zur Infusion von Flüssigkeiten oder zur Messung von physikalischen Größen im Körper, wie z. B. Druckmessung im Herzen.

Die zweitgenannte Aufgabe wird bei dem Verfahren dadurch ge­ löst, daß über die Zuleitungen ein Strom durch eine in der Nähe der Elektroden angeordnete Spule geschickt wird und daß das biomagnetische Meßsystem aus dem von der Spule erzeugten Magnetfeld mit Hilfe eines zweiten Modells den Ort und die Lage der Spule bestimmt.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von drei Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Katheter mit verdrillten Zuleitungen zu zwei Elektroden und zu einer Spule,

Fig. 2 zeigt einen Katheter mit koaxialen Zuleitungen zu den Elektroden und zu der Spule und

Fig. 3 zeigt einen Katheter mit einer im Endbereich ange­ ordneten Spule und einer Kanalmündung.

Fig. 1 zeigt den distalen Endbereich 1 eines Katheters 2 in einem zu untersuchenden Gebiet 4. Der Katheter 2 erlaubt es, die Ortungsgenauigkeit eines biomagnetischen Meßsystems 6 zu überprüfen.

Das Ende des Katheters 2 ist durch eine erste Platin-Elek­ trode 8 verschlossen. Ungefähr 10 mm vom Ende entfernt ist am Umfang des Katheters 2 eine zweite ringförmige Platin- Elektrode 10 angeordnet. Die beiden Elektroden 8 und 10 sind über elektrische Zuleitungen 12 mit einer elektrische Ener­ giequelle 14 verbunden. Die elektrische Energiequelle 14 er­ laubt es, eine Spannung an die Elektroden 8 und 10 zu legen, die im zu untersuchenden Gebiet 4 Körperströme erzeugt.

Die Zuleitungen 12 sind im Innern des Katheters geführt und von der zweiten Elektrode 10 bis zur Energiequelle 14 mit­ einander verdrillt. Das von den verdrillten Zuleitungen 12 bei Stromdurchgang erzeugten Magnetfeld ist in einiger Ent­ fernung so gering, daß es vom biomagnetischen Meßsystem 6 nicht mehr gemessen werden kann.

Im Innenraum des Katheters ist in der Nähe der Elektroden 8 und 10 eine elektrische Spule 16 angeordnet. Die Spule 16 ist axial zum Endbereich 1 des Katheters 2 ausgerichtet und unge­ fähr in der Mitte zwischen beiden Elektroden 8 und 10 an der Innenwand des Katheters 2 befestigt. Der Außendurchmesser der Spule 16 ist ungefähr gleich dem Innendurchmesser des Katheters 2. Die Spule 16 ist über Zuleitungen 18 ebenfalls mit der elektrischen Energiequelle 14 verbunden. Die elek­ trische Energiequelle 14 erlaubt es, einen Strom über die Zuleitungen 18 durch die Spule 16 zu schicken. Die Zulei­ tungen 18 sind ebenfalls wie die Zuleitungen 12 miteinander verdrillt, um störende parasitäre Magnetfelder zu vermeiden.

Im Unterschied zu Fig. 1 sind in Fig. 2 die Elektroden 8 und 10 über koaxiale elektrische Zuleitungen 13 und die Spule 16 über koaxiale elektrische Zuleitungen 17 mit der elektrischen Energiequelle 14 verbunden. Damit sind auch geringe, von einer möglicherweisen ungleichmäßigen Verdrillung herrühren­ de örtliche Magnetfelder ausgeschlossen.

Die weitere Beschreibung gilt sowohl für den Katheter 2 nach Fig. 1 als auch für den Katheter 2 nach Fig. 2. Die Messung der biomagnetischen Felder wird in einer Abschirmkammer (nicht dargestellt) durchgeführt, in der eine Gradiometer­ anordnung 19 mittels eines Stativs in die Nähe des zu unter­ suchenden Gebietes 4 positioniert werden kann. Die von der Gradiometeranordnung 19 abgegebenen Meßwerte der Magnet­ feldverteilung werden über geschirmte Zuleitungen 20 einem Rechner 22 zugeführt. Aus den Meßwerten ermittelt der Rech­ ner 22 über ein Modell mit Hilfe eines Iterationsverfahrens den Ort und die Richtung eines eine elektrische Aktivität in dem zu untersuchenden Gebiet beschreibenden Stromdipols. Die Abschirmkammer mit der Gradiometeranordnung 19 und dem über die Zuleitungen damit verbundenen Rechner 22 wird als bio­ magnetisches Meßsystem 6 bezeichnet.

Zum Überprüfen der Ortungsgenauigkeit des biomagnetischen Meßsystem 6 wird zuerst der Endbereich des Katheters mit den Elektroden 8 und 10 sowie der Spule 16 zu dem zu unter­ suchenden Bereich 4 eines Patienten gebracht. Zur Überprü­ fung der Ortungsgenauigkeit bei Herzuntersuchungen wird der Katheter 2, z. B. über eine brachiale Vene zum rechten Ven­ trikel des Herzens geführt. Wegen des relativ großen Venen­ durchmessers kann der Durchmesser des Katheters 2 einige Millimeter betragen.

Über die Zuleitungen 12 bzw. 13 wird ein Stromimpuls zu den Elektroden 8 und 10 geschickt. Meßbar ist nun eine Magnet­ feldverteilung, die sowohl von dem mit der Elektrode 8 ver­ bundenen Leitungsstück 24 der Zuleitung 12 bzw. 13, das sich im Innenraum des Katheters als Einzelleitung von der Elek­ trode 8 bis zur Elektrode 10 erstreckt, sowie von den im Untersuchungsgebiet 4 fließenden Strömen erzeugt wird. Mit­ tels eines ersten Modells, z. B. der unendliche, homogen leit­ fähige Halbraum, wird nun der Ort des Leitungsstücks 24 aus den von der Gradiometerordnung 18 gemessenen Magnetfeld­ gradienten bestimmt.

Danach wird über die Zuleitungen 17 bzw. 18 von der elektri­ schen Energiequelle 14 ein Strom durch die Spule 16 ge­ schickt. Das von der Spule 16 erzeugte Magnetfeld wird von der Gradiometeranordnung 19 des biomagnetischen Meßsystems 6 gemessen. Mit Hilfe des Modells Spule im Vakuum werden auf der Grundlage des Biot-Savartschen Gesetzes der Ort und die Richtung der Spule 16 vom Rechner 22 des biomagnetischen Meß­ systems 6 bestimmt. Diese Ortung ist sehr genau, weil der Strom ausschließlich durch die Spule 16 und nicht im Unter­ suchungsgebiet 4 fließt.

Durch Vergleich der beiden Lokalisierungen kann die Genauig­ keit des speziellen ersten Modells in vivo überprüft werden.

Sowohl der Strom durch die Spule 16 als auch der Strom über die Elektroden 8 und 10 wird so gewählt, daß das biomagne­ tische Meßsystem 6 nicht übersteuert wird, so daß ohne Um­ schaltungen der Empfindlichkeit sowohl die Spule 16 als auch das Leitungsstück 24 geortet werden können.

Fig. 3 zeigt nun einen Katheter 2, an dessen distalem End­ bereich 1 die Spule 16 angeordnet ist. Das Ende des Kathe­ ters 2 ist mit einer halbkugelförmigen Kunststoffplatte 24, in dessen Mitte ein im Innern des Katheters 2 geführter Kanal 26 mündet, abgeschlossen. Der Kanal kann vorgesehen sein zur Einführung von Ablationsdrähten oder faseropti­ schen Mitteln, zur Suktion, zur Infusion von Flüssigkeiten oder zur Messung von physikalischen Größen, wie z. B. Druckmessung im Herzen.

Die Spule 16 ist über die koaxiale elektrische Zuleitung 17 mit der elektrischen Energiequelle 14 verbunden. Über die elektrische Energiequelle 14 ist die Stärke des von der erregten Spule 16 erzeugten Magnetfeldes in weiten Grenzen frei wählbar. Der Patient wird von dem Magnetfeld nicht beeinträchtigt. Die von der Spule 16 erzeugte Magnetfeld­ verteilung wird von einer Magnetometer- oder Gradiometer­ anordnung 28 gemessen. Hier braucht keine hochempfindliche biomagnetische Meßanordnung 6 verwendet werden. Es soll je­ doch betont werden, daß bei entsprechender Wahl der Magnet­ feldstärke die Feldverteilung auch mit der schon anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen biomagnetischen Meßanordnung 6 ge­ messen werden kann. Aus der Feldverteilung wird dann vom Rechner 22 der Ort der Spule 16, z. B. mit einem auf dem Biot-Savartschen Gesetz beruhenden Verfahren bestimmt.

Eine zusätzliche Diagnosemöglichkeit ist eröffnet, wenn bei Dauererregung der Spule 16 die Bewegung des Endbereichs 1 mit dem Herzschlag und mit der Atmung gemessen wird. Damit kann eine Lokalisierung pathologischer Herztätigkeiten re­ lativ zum Endbereich 1 vorgenommen werden.

Die Einflüsse der Herz- und Atembewegungen auf das Unter­ suchungsgebiet 4 können je nach medizinischer Fragestel­ lung durch eine entsprechende Triggerung weitgehend ausge­ schlossen werden.

Claims (10)

1. Katheter (2) mit einem distalen Endbereich (1), da­ durch gekennzeichnet, daß im End­ bereich (1) mindestens eine elektrische Spule (16) ange­ ordnet ist.

2. Katheter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mindestens eine Spule (16) im Innenraum des Endbereichs (1) angeordnet ist.

3. Katheter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mindestens eine Spule (16) mit verdrillten Zuleitungen (18) verbunden ist, die innerhalb des Katheters (2) geführt sind.

4. Katheter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mindestens eine Spule (16) mit einer koaxialen Zuleitung (17) verbunden ist, die innerhalb des Katheters (2) geführt ist.

5. Katheter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß auf einer außen liegenden Oberfläche des Endbereichs (1) mindestens zwei Elektroden (8, 10) angeordnet sind.

6. Katheter nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mindestens zwei Elek­ troden (8, 10) mit verdrillten Zuleitungen (12) verbunden sind, die innerhalb des Katheters (2) verlaufen.

7. Katheter nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mindestens zwei Elektroden (8, 10) mit einer koaxialen Zuleitung (13) verbunden sind, die innerhalb des Katheters verläuft.

8. Katheter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß im Endbereich (1) mindestens ein Kanal (26) mündet, der innerhalb des Katheters verläuft.

9. Verfahren zum Überprüfen der Ortungsgenauigkeit eines biomagnetischen Meßsystems (6) mit einem Katheter (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem

• a) das Ende des Katheters (2) zu dem zu untersuchenden Bereich (4) eines Patienten gebracht wird, bei dem
• b) über sich im Endbereich des Katheters (2) befindenden Elektroden (8, 10) ein Strom im zu untersuchenden Bereich (4) erzeugt wird und bei dem
• c) das biomagnetische Meßsystem (6) aus dem von dem Strom im Katheter (2) und im Körperbereich (4) erzeugten Magnet­ feld mit Hilfe eines ersten Modells den Ort und die Lage des Endbereichs des Katheters (2) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß
• d) ein Strom durch eine in der Nähe der Elektroden (8, 10) angeordnete Spule (16) geschickt wird und daß
• e) das biomagnetische Meßsystem (6) aus dem von der Spule (16) erzeugten Magnetfeld mit Hilfe eines zweiten Modells dem Ort und die Lage der Spule (16) bestimmt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schritte b) und c) in der zeitlichen Reihenfolge mit den Schritten d) und e) vertauscht sind.