DE69728446T2

DE69728446T2 - Anordnung zur führung von behandlungsinstrumenten in zonen des körperinneren

Info

Publication number: DE69728446T2
Application number: DE69728446T
Authority: DE
Inventors: Dorin Panescu; G. James WHAYNE; K. David SWANSON; David Mcgee; F. David DUEIRI
Original assignee: Boston Scientific Ltd Barbados
Current assignee: Boston Scientific Ltd Barbados
Priority date: 1996-11-08
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2017-11-07
Also published as: ES2216173T3; WO1998019619A1; CA2270918A1; US5941251A; ATE262847T1; US6095150A; EP1011510A4; CA2270918C; DE69728446D1; JP2001504010A; EP1011510B1; US6516807B1; EP1011510A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich generell auf ein System zur Führung oder Ortung diagnostischer oder therapeutischer Elemente im Innern des Körpers.
Hintergrund der Erfindung
Ärzte verwenden heute Katheter in medizinischen Anwendungen um den Zugang in innere Bereiche des Körpers für diagnostische oder therapeutische Zwecke zu verbessern. Es ist wichtig für den Arzt zuverlässig und sicher in der Nähe der gewünschten Gewebsorte positionieren zu können. Beispielsweise ist eine präzise Kontrolle über den Katheter besonders kritisch während Verfahren, bei denen Myokardgewebe im Innern des Herzens abgetragen wird. Diese Verfahren, die als Abtragungstherapie bekannt sind, werden angewendet zur Behandlung von Herz-Rhythmus-Störungen.
US 5,391,199 offenbart eine Kathetervorrichtung, verwendet zum Aufzeichnen von Arrhythmien, mit einem Katheter, einer Empfangsantenne, die am Kopf des Katheters angebracht ist, Sendeantennen, die sich an der Körperoberfläche befindet, einem Überträger, der ein Signal zu den Sendeantennen überträgt, einem Empfänger, der zur Bestimmung der Position des Katheterkopfes über die Empfangsantenne elektromagnetische Wellen empfängt, die von den auf der Körperoberfläche angeordneten Sendeantennen erzeugt werden.
WO 96/32060 offenbart ein System zum externen Lokalisieren eines in einem Gewebe befindlichen Sensors, mit einem externer Fühler, der mindestens eine erste und eine zweite Ausgangsspule mit entsprechend einer ersten und einer zweiten Ausgangsspulenachse hat, die nicht parallel sind, einem Ausgangsspulen-Treiberschaltkreis, der die erste und die zweite Spulen abwechselnd derart anregt, dass ein erstes und ein zweites Magnetfelder, die zeitlich variieren, erzeugt werden, die das Gewebe durchdringen, einer Sensorspule, die eine Sensorspulenachse hat und die ein erstes und ein zweites Sensorsignal in Abhängigkeit vom ersten bzw. vom zweiten zeitlich variierenden Magnetfeld erzeugt, und einem Entfernungsmesser, der aus dem ersten und dem zweiten Sensorsignal den Abstand zwischen der Sensorspule und den Ausgangsspulen bestimmt und ein Abstandssignal erzeugt, das den somit bestimmten Abstand repräsentiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Erfindung hat als prinzipielles Ziel die Realisierung eines sicheren und wirksamen Systems zum Fernlokalisieren von operativen Elementen an präzise Positionen innerhalb des Körpers.
Die Erfindung schafft ein System zum Lokalisieren eines operativen Elements innerhalb eines Innenraumes im Körper. Das wird erreicht durch ein System zum Lokalisieren eines oder mehrerer operativer Elemente innerhalb eines Innenraumes im Körper, mit den Merkmale im Anspruch 1 einschließt. weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen sowie in den anhängenden Ansprüchen ausgeführt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische, in der Form etwas schematische Ansicht eines Systems zum Lokalisieren der Position eines operativen Elements innerhalb eines Raumes durch die Erzeugung eines wellenförmigen Energiefeldes von einer Einzel-Ortungssonde.
2 ist eine schematische Draufsicht des Systems aus 1, die eine repräsentative Position eines operativen Elements relativ zur wellenförmigen Phase isopotentialer Flächen, die im Raum erzeugt werden, darstellt.
3 ist eine schematische Ansicht der Zusammenstellung der elektrischen Komponenten, die das System aus 1 verwenden kann bei der Ausführungsform seiner Lokalisierungsfunktionen.
4 ist ein schematische Draufsicht eines Systems zum Lokalisieren der Position eines operativen Elements in einem Raum durch das Erzeugen eines wellenförmigen Energiefeldes aus Mehrfach-Ortungssonden, die eine repräsentative Position des operativen Elements relativ zu der sich überschneidenden wellenförmigen Phase isopotentialer Flächen zeigt, die im Raum erzeugt werden.
5 ist eine perspektivische Ansicht in schematischer Form, des Systems aus 4.
6 ist eine Seitenansicht einer Zusammenstellung von Mehrfach-Ortungssonden in einer zusammengefügten Struktur, die im Ausdehnungs-Zustand bereit zur Nutzung ist.
7 ist die zusammengesetzte Struktur der Ortungssonden aus 6, allerdings im Zusammenleg-Zustand zur Einführung in eine Körperregion.
8 ist eine schematische Draufsicht eines Systems zur Bestimmung der Position eines operativen Elements innerhalb eines Raumes unter Verwendung von Spannungsdifferenzvergleichen zwischen zwei Ortungssonden.
9 ist eine schematische Darstellung eines dreidimensionalen Systems zum Lokalisieren der Position und der Führungsbewegung eines operativen Elements im Herz.
10 ist eine schematische Ansicht eines Teils des in 9 gezeigten Systems, die die Eingangssignale zeigt, die die Systemparameter setzt, um die Erzeugung eines Positions-Identifizier-Ausgangssignals zu leiten.
11 und 12 sind Grundrisse in schematischer Form, die alternative Ausführungsformen eines Codes zum Identifizieren der Geometrie einer Ortungssonde zeigen, welcher Code als einer der in 10 gezeigten Eingangssignale dient.
13 ist ein repräsentatives, virtuelles Abbild, welches vom in 10 gezeigten System aus dem Positionsidentifizier-Ausgangssignal erzeugt wird.
14 ist eine schematische Ansicht eines dreidimensionalen Systems zum Lokalisieren der Position und zum Führen von Bewegung eines Abtragungselements im Herz.
15 ist eine Draufsicht eines repräsentativen, durchgängigen Verletzungsmusters.
16 ist eine Draufsicht eines repräsentativen, unterbrochenen Verletzungsmusters.
17 ist eine perspektivische und schematische Ansicht einer zusammengesetzten, dreidimensionalen Korbstruktur von Mehrfach-Ortungssonden, die verwendet werden in Verbindung mit einer zentralen Prozessoreinheit um eine Ortsbestimmende Anzeige abzuleiten unter Verwendung einer iterativen Berechnung der Spannungsverteilung.
18 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte des Algorithmus zeigt, der von der zentralen Prozessoreinheit aus 17 verwendet werden kann, um unter Verwendung einer iterativen Spannungsverteilungsanalyse ein ortsanzeigendes Ausgangssignal zu ermitteln.
19 zeigt Verläufe von Spannungsverteilungen, eine gegenwärtige und die andere abgeschätzt, die der Algorithmus aus 18 iterativ bei der Ermittlung des ortanzeigenden Ausgangssignals erzeugt.
20 ist eine schematische Draufsicht eines Systems zum Lokalisieren der Position eines operativen Elements im Raum durch die Erzeugung von Mehrfach-Frequenz-Wellenformen von Mehrfach-Ortungssonden.
21 ist eine schematische Draufsicht eines Systems zum Lokalisieren der Position eines operativen Elements im Raum durch Erzeugen von Mehrfach-Frequenz-Wellenformen von einer Einzel-Ortungssonde.
22 ist eine perspektivische und schematische Ansicht einer zusammengesetzten, dreidimensionalen Korbstruktur von Mehrfach-Ortungssonden, die verwendet werden in Verbindung mit einem operativen Element, das zwei Elektroden trägt zum Übertragen von Wellenformen unterschiedlicher Frequenzen zum Erfassen durch die Ortungssonden.
Die Erfindung kann in verschiedenen Formen ausgeführt sein ohne sich von ihrem Sinn oder ihren essentiellen Charakteristiken zu entfernen. Der Umfang der Erfindung ist in den angefügten Ansprüchen definiert, eher als in der spezifischen, diesen vorangehenden Beschreibung. Alle Ausführungsformen, die in die Bedeutung und den Bereich der Äquivalenz der Ansprüche fallen sind hiermit bestimmungsgemäß im Umfang der Ansprüche.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
I. Wellenformdifferenzanalyse
A. Einzel-Ortungssonde
1 zeigt ein System 10, das die Position eines operativen Elements 12 innerhalb eines Raumes (bezeichnet als S) lokalisiert. Das System 10 ist gut angepasst an den Gebrauch in Körperlumen, Kammern und Hohlräumen sowohl für diagnostische als auch therapeutische Zwecke. Aus diesem Grund wird das System 10 beschrieben im Zusammenhang seines Gebrauchs innerhalb eines lebenden Körpers. Das System 10 eignet sich insbesondere für katheterbasierende Verfahren, bei denen Zugang zur inneren Region des Körpers beispielsweise durch das Vascularsystem oder den Nahrungskanal ohne aufwendige, chirurgische Eingriffe erzielt wird.
Zum Beispiel kann das System 10 während der Diagnose und Behandlung von Arrhythmien im Herz verwendet werden, sowie bei ventrikulärer Tachykardie oder bei Kammerflimmern. Das System 10 kann außerdem während der Diagnose oder Behandlung von intravaskulären Leiden, beispielsweise in Verbindung mit Angioplastie oder Atherektomie verwendet werden. Das System 10 kann auch bei der Diagnose oder Behandlung von Leiden im Gastrointestinaltrakt, der Prostata, des Gehirns, der Gallenblase, des Uterus und anderen Regionen des Körpers Verwendung finden.
Für die Einbringung in den inneren Körperraum S wird das operative Element 12 in der abgebildeten Ausführungsform am distalen Ende des Katheterschlauchs 44 getragen. Dennoch kann das System 10 auch in Verbindung mit Systemen und Methoden verwendet werden, die nicht auf Kathetern basieren.
Das operative Element 12 kann unterschiedliche Formen haben und sowohl zu therapeutischen als auch zu diagnostischen Zwecken oder beiden eingesetzt werden. Das operative Element 12 kann beispielsweise eine Vorrichtung zur Abbildung von Körpergewebe aufweisen, wie zum Beispiel einen Ultraschalltransducer oder eine Anordnung von Ultraschalltransducern oder ein optisches Faserelement. Alternativ kann das operative Element 12 eine Vorrichtung aufweisen, die ein Medikament oder therapeutisches Material an das Körpergewebe abgibt. Weiter alternativ kann das operative Element 12 eine Vorrichtung aufweisen, wie etwa eine Elektrode, zum Abtasten einer physiologischen Charakteristik im Gewebe, wie zum Beispiel die elektrische Aktivität im Herzgewebe, oder zum Übertragen von Energie, um Gewebe zu Stimulieren oder Abzutragen.
Das System 10 weist eine Ortungssonde 14 auf, die entsprechend dem operative Element 12, am distalen Ende eines Katheterschlauches 45 zur Einführung in den Körperraum S getragen wird. Im Betrieb erzeugt die Ortungssonde 14 ein begrenztes Feld 20 mit Wellenform-Energie in zumindest einem Teil des Raums S.
Das System 10 hat ein Sensorelement 16 auf dem operativen Element 12. Sobald das Sensorelement 16 im Energiefeld 20 platziert ist, erfasst es die örtlichen Charakteristiken des Energiefeldes 20, das es umgibt. Das Sensorelement 16 kann eine zusätzliche Komponente zum operativen Element 12 sein oder es kann eine Komponente haben, die bereits am operativen Element 12 ist, aber für einen zusätzlichen Zweck gebraucht ist.
Das System 10 weist weiterhin eine zentrale Prozessoreinheit 18 auf. Die zentrale Prozessoreinheit 18 erhält als Eingangssignal die Charakteristiken des Energiefeldes, die von dem Sensorelement 16 erfasst werden. Die zentrale Prozessoreinheit 18 ermittelt ein positionsanzeigendes Ausgangssignal 42, das die Position des Sensorelements 16 und somit des operative Elements 12 seinerseits relativ zur Ortungssonde 14 im Raum S angibt.
In der dargestellten Ausführungsform hat die zentrale Prozessoreinheit 18 eine Ausgangssignal-Anzeigevorrichtung 36 (z.B. ein CRT, LED Display oder einen Drucker). Die Vorrichtung 36 zeigt das positionsanzeigende Ausgangssignal 42 in einer sichtbaren Form, die für den Arzt zum Fernlokalisieren und Führen des operativen Elements 12 im begrenzten Energiefeld 20 nützlich ist, das von der Ortungssonde 14 erzeugt wird. Weitere Details zum Verarbeiten des positionsanzeigenden Ausgangssignals 42 für die Anzeige werden später noch genauer beschrieben.
Das System 10 hat einen Oszillator 22, der die Wellenformen, die das Energiefeld 20 hat, erzeugt. In der dargestellten Ausführungsform steuert die zentrale Prozessoreinheit 18, die über den Control bus 24 mit dem Oszillator 22 verbunden ist, den Oszillator 22, sodass dieser einen elektrischen Wechselstrom in Wellenform mit einer vorgegebenen Amplitude und Frequenz erzeugt.
Für den Gebrauch in einem lebenden Körperraum kann die gewählte Stromamplitude des Oszillatorausgangssignals zwischen 0.1 mAmp und etwa 5 mAmp variieren. Die Frequenz kann zwischen etwa 5 kHz und etwa 100 kHz variieren. Wenn der Raum S zum Herzgewebe benachbart ist, sollten Ströme von im wesendlichen über etwa 5 mAmp und Frequenzen von im wesendlichen unter 5 kHz vermieden werden, da die Gefahr besteht, dass ein Flimmern induziert wird. Der maximale Strom ist eine Funktion der Frequenz, wie in der folgenden Gleichung ausgedrückt: I = f × 10
Hierbei ist I der Strom in μAmp und f die Frequenz in kHz. Die Gestalt der Wellenform kann ebenfalls variieren. In der dargestellten und bevorzugten Ausführungsform ist die Wellenform sinusförmig. Dennoch können auch eckige Wellengestalten oder Pulse verwendet werden, obwohl Oberschwingungen auftreten können, wenn kapazitive Kopplung vorhanden ist. Außerdem muss die Wellenform nicht kontinuierlich sein. Der Oszillator 22 kann auch gepulste Wellenformen generieren.
Die Ortungssonde 14 trägt wenigstens eine Elektrode 26(1), die fähig ist, Energie zu übertragen und wenigstens eine Energie-Rückführelektrode 28, die fähig ist, Energie zur Erde zurückzuführen. Diese Elektroden 26(1) und 28 sind elektrisch mit dem Oszillator über eine elektronische Schaltungseinheit 30 verbunden. Die Ortungssonde 14 trägt auch wenigstens eine Sensorelektrode (vier dieser Elektroden 26(2) bis 26(5) sind in 1 zu sehen), die zwischen der Sendeelektrode 26(1) und der Rückführelektrode platziert ist. Vorzugsweise sind die Sensorelektroden 26(2) bis 26(5) auch als Sendeelektroden verwendbar, als Ersatz für die Elektrode 26(1), um den Punkt der Energieübertragung zu wechseln, falls erwünscht.
Zu Zwecken der Beschreibung zeigt die dargestellte Ausführungsform eine Rückführelektrode 28 als an der distalen Region der Ortungssonde 14 und die fünf Elektroden 26(1) bis 26(5) als getragen in einem Abstand von einander entlang der Sondenachse 34 proximal zur Rückführelektrode 28 getragen, wobei die Sendeelektrode 26(1) die proximalsten ist.
Die Anzahl und die Platzierung der Elektrode(n) 26 und der Rückführelektrode(n) 28 auf der Ortungssonde 14 kann variieren. Allgemein gesprochen verbessert sich die Fähigkeit zur Positionsauflösung des Systems 10 mit steigender Anzahl von Elektroden 26. Ebenfalls allgemein gesprochen verbessert sich die Fähigkeit zur Positionsauflösung des Systems 10 entsprechend der Verkleinerung des Abstandes zwischen den angrenzenden, dazwischenliegenden Elektroden 26(2) bis 26(5) und des Abstands zwischen der Sendeelektrode 26(1) und der Rückführelektrode 28.
Die Geometrie der Ortungssonde 14 ihrerseits kann ebenfalls variieren. In der dargestellten Ausführungsform nimmt die Ortungssonde 14 eine längliche, zylindrische Form eines konventionellen, diagnostischen Katheters an, die gut geeignet ist für den Einsatz in inneren Körperregionen.
In der dargestellten Ausführungsform ist die zentrale Prozessoreinheit imstande das wellenförmige Ausgangssignal des Oszillators 22 durch die Schaltungseinheit 30 zwischen der Sendeelektrode 26(1) und der Rückführelektrode 28 zu verbinden, der mit der isolierten Erde oder der Patientenerde 38 verbunden ist. Das erzeugt ein wellenförmiges Energiefeld 20, das wenigstens in einem Teil des Raums S ausstrahlt.
Die zentrale Prozessoreinheit 18 ist auch imstande eine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 26(1) bis 26(5) und der Sensorelektrode 16 mittels eines anderen Schalterelements 72 und eines Elements zur Datenerfassung DAQ 68 zu ermitteln. Die Messungen der Spannungsdifferenz werden entlang der isopotentialen Flächen 40(1) bis 40(5) im wellenförmigen Energiefeld 20 gemacht.
1 zeigt die isopotentialen Flächen assoziiert mit den Elektroden 26(1), 26(2), 26(3), 26(4) und 26(5) jeweils als Ebenen 40(1), 40(2), 40(3), 40(4) und 40(5). 2 zeigt das Energiefeld 20 und die isopotentialen Flächen 40(1) bis 40(5) in einer Draufsicht.
Zum Zweck der Illustration sind die isopotentialen Flächen 40 als planare Flächen oder Ebenen dargestellt. Typischerweise nehmen die isopotentialen Flächen die Form von komplexeren, geschlossen gekrümmten Flächen an, die orthogonal zur Sondenachse 34 nahe der Sonde sind, die aber mit wachsendem Abstand von der Sonde signifikant von planar abweichen. Die Darstellung der Flächen 40 in den Zeichnungen hilft zum Verständnis der Erfindung, so können zugeordnete Positionen in und Schnitte der komplexeren, isopotentialen Flächen 40 generell entsprechend den zugeordneten Positionen und Schnitten der ebenen Flächen gehandhabt werden.
Wie 2 zeigt, erhält man bei einem Differenzvergleich entlang der isopotentialen Flächen 40(1) bis 40(5) entweder eine Abhängigkeit in-Phase oder eine Abhängigkeit nicht-in-Phase zwischen der Spannung, die von dem Element 16 (W_S) gemessen wird und der Spannung an der Ebene der Sensorelektrode (W_O) in Abhängigkeit von der Position des Sensorelements 16 relativ zu der isopotentialen Fläche 40 der Elektrode 26, entlang derer die Differenzmessung durchgeführt wird.
Genauer betrachtet zeigt 2 das Sensorelement 16 rechts von den isopotentialen Flächen 40(1), 40(2) und 40(3) und links von den isopotentialen Flächen 40(4) und 40(5). In dieser Orientierung, egal ob die Fläche 40(1) oder 40(2) oder 40(3) diejenige ist, entlang derer die Differenzmessung gemacht wird, indiziert der Differenzvergleich von W_S und Wo ein Verhältnis der Wellenformen nicht-in-Phase. Dieses nicht-in-Phase Verhältnis sagt aus, dass die isopotentialen Flächen 40(1), 40(2) oder 40(3) in proximaler Richtung relative zum Sensorelement 16 gelegen sind, was bedeutet, dass das Sensorelement 16 zwischen diesen isopotentialen Flächen und der Rückführelektrode 28 liegt.
Umgekehrt, wenn die Differenzmessung entweder entlang der Fläche 40(4) oder 40(5) stattfindet, dann zeigt der Differenzvergleich von W_S und W_O ein Verhältnis in-Phase zwischen den zwei Wellenformen. Das Verhältnis in-Phase sagt aus, dass die isopotentialen Flächen 40(4) oder 40(5) in distaler Richtung relativ zum Sensorelement 16 liegen, was bedeutet, dass diese isopotentialen Flächen zwischen dem Sensorelement 16 und der Rückführelektrode 28 liegen.
Die zentrale Prozessoreinheit 18 steuert die Schaltungseinheit 72, um die Elektroden von 26(2) bis 26(5) elektronisch zu schalten, um einen Differenzvergleich zwischen der Wellenform W_S der Sensorelektrode 16 und der Wellenform Wo der eingeschalteten Elektrode 26 durchzuführen. In 2 wird der Differenzvergleich von W_S und Wo von einer nicht-in-Phase Bedingung zu einer in-Phase Bedingung wechseln, sobald die Messung entlang der isopotentialen Fläche 40(4) erlangt ist. Der Umschaltpunkt zwischen nicht-in-Phase und in-Phase Bedingung markiert die longitudinale Orientierung des Sensorelements 16 (und damit des operativen Elements 12) entlang der Achse 34 der Ortungssonde 14, d.h. zwischen den isopotentialen Flächen 40(3) und 40(4).
Die zentrale Prozessoreinheit 18 kann auch einen Differenzvergleich zwischen der Signalamplitude der erlangten Wellenform A_S und der Signalamplitude der Wellenform A_O an der eingeschalteten Sensorelektrode 26 durchführen. Aus diesem Differenzvergleich der Amplituden erzeugt die zentrale Prozessoreinheit 18 die latitudinale Orientierung des operativen Elements 12 senkrecht zur Achse 34 der Ortungssonde 14, d.h. den vertikalen Abstand innerhalb des Raums S zwischen dem operativen Element 12 und der Sondenachse 34. Die Größe der Differenz zwischen A_S und A_O wächst als eine Funktion des steigenden Abstands zwischen dem Sensorelement 16 und der Ebene der eingeschalteten Elektrode 26. Die Funktion, die die Steigerung der Amplitudendifferenz über den Abstand beschreibt kann empirisch oder durch finite Elemente Berechnungen bestimmt werden.
Es gibt verschiedene elektrische Konfigurationen, analoge oder digitale, die zum Ausführen der oben genannten Differenzvergleiche verwendet werden können. 3 zeigt eine repräsentative Ausführungsform.
In 3 hat das System 10 einen Adressbus 64, der die zentrale Prozessoreinheit 18 mit der zuerst beschriebenen Schaltungseinheit 30 verbindet. Die erste Schaltungseinheit 30 ist ebenfalls mit einer Sendeelektrode verbunden, z.B. mit der Elektrode 26(1) und der Rückführelektrode 28. Die zentrale Prozessoreinheit 18 stellt die erste Schaltungseinheit 30 über den Bus 64 so ein, dass das Wellenstromausgangssignal des Oszillators 22 in einer vorgegebenen Art parallel zu mindestens der Elektrode 26(1) für den Rücklauf über die Rückführelektrode 28 verteilt wird.
In diesem Arrangement hat das System 10 außerdem ein System zur Datenerfassung (DAQ) 68. Das DAQ 68 hat einen Differenzverstärker 70. Das Sensorelement 16 ist mit dem Nichtinvertier-(+)-Eingang des Verstärkers 70 verbunden. Weiterhin hat das DAQ 68 die zweite elektronische Schaltungseinheit 72, die unabhängig mit den Elektroden 26(1) bis 26(5) verbunden ist. Die zentrale Prozessoreinheit 18 steuert diese zweite Schaltungseinheit 72 über einen zweiten Adressbus 74, um eine ausgewählte Sendeelektrode 26 auf der Ortungssonde 14 mit dem Invertier-(–)-Eingang des Verstärkers 70 zu verbinden.
In dieser Anordnung erfasst der Differenzverstärker 70 das elektrische Potential des Sensorelements 16 im Hinblick auf diejenige der eingeschalteten Sendeelektroden 26, die durch die Schaltungseinheit 72 mit dem Verstärker 70 verbunden ist. Das Ausgangssignal 71 des Verstärkers 70 ist ein Wechselspannungssignal.
Das DAQ 68 hat auch einen Gleichrichter 76 und einen Peak-Detektor 78. Der Gleichrichter 76 erhält das Wechselspannungssignal vom Ausgang des Verstärkers 70 und passt seine Phase relative an die Phase am Ausgang des Oszillators 22 an. Der Detektor 78 ermittelt die Peak-Amplitude des Wechselspannungssignal-Ausgangssignals 71 des Verstärkers 70. In einem alternativen Aufbau können der Gleichrichter 76 und der Detektor 78 die Form eines synchronisierten Phasendetektors annehmen, oder jedes anderen Elements, das Phase und Amplitude erfasst (ob als ein RMS-Wert, ein Peak-Wert, ein gleichgerichteter Durchschnittswert oder ein anderer).
Das Ausgangssignal des Detektors 78 ist ein analoges Signal, dass einen Wert hat, der der Peak-Amplitude des Wechselspannungsausgangssignals des Verstärkers 70 entspricht, und ein Vorzeichen (+ oder –), welches angibt ob das Wechselspannungsausgangssignal in-Phase (+) mit dem Oszillator 22 ist oder nicht-in-Phase (–) mit dem Oszillator 22 ist.
Das DAQ 68 speichert dieses analoge Signal in Bezug auf die eingeschaltete Elektrode 26, die gerade mit dem Verstärker 70 verbunden ist, im Abtasthalteglied 80. Ein analog/digital Wandler 82 wandelt die analogen Signale in digitale Signale für die Verarbeitung durch die zentralen Prozessoreinheit 18. Ein geeigneter Control bus 54 verbindet das Abtasthalteglied 80, den Wandler 82 und den Differenzverstärker 70 mit der zentralen Prozessoreinheit 18, um die Funktionen zu koordinieren und zu steuern. Zum Beispiel kann die zentrale Prozessoreinheit 18 die Abtastrate des Abtasthaltegliedes 80, den Eingangsbereich des Wandlers 82 und die Verstärkung des Verstärkers 70 festsetzen.
Bei der Bestimmung der longitudinalen Position des Sensorelements 16 steuert die zentrale Prozessoreinheit 18 die erste Schaltungseinheit 30 so, dass die Rückführelektrode 28 mit der isolierten Erde 38 des Oszillators 22 verbunden wird.
Außerdem steuert die zentrale Prozessoreinheit 18 das erste Schaltungselement 30 so, dass Wechselstrom vom Oszillator 22 parallel zur proximalsten Sendeelektrode 26(1) fließt, wobei sie ferner die zweite Schaltungseinheit 72 so steuert, dass die eingeschaltete Sendeelektrode 26(1) mit dem Invertier-Eingang des Differenzverstärkers 70 verbunden wird. Der Verstärker 70 zieht das an der eingeschalteten Elektrode 26(1) gemessene elektrische Potential von dem vom Sensorelement 16 gemessenen elektrischen Potential ab. Die Potentialdifferenz stellt die Verstärkung des Verstärkers 70 ein, was das Eingangssignal in den Gleichrichters 76 ist.
Der Gleichrichter 76 erfasst die Synchronisation der Phase seiner Eingangsspannung relative zur Phase des Oszillators 22 wobei der Detektor 78 die Spitzenspannung erfasst. Der mit Vorzeichen versehene analoge Wert passiert das Abtasthalteglied 80, wird in ein digitales Format durch den Wandler 82 gewandelt und wird von der zentralen Prozessoreinheit 18 in Verbindung mit der Identität der eingeschalteten Sendeelektrode 26(1) gespeichert.
Als nächstes steuert die zentrale Prozessoreinheit 18 die zweite Schaltelements 72 so, dass die Elektrode 26(2) mit dem Invertier-Eingang des Differenzverstärkers 70 verbunden wird. Die zentrale Prozessoreinheit 18 verarbeitet das für die eingeschalteten Elektrode 26(2) erhaltene Signal in der gleichen Art wie das Ausgangsspannungssignal für die erste eingeschaltete Elektrode 26(1). Die zentrale Prozessoreinheit 18 bearbeitet in dieser Art nacheinander die verbleibenden Elektroden 26(3), 26(4) und 26(5), wobei das Ausgangsspannungssignal für jede eingeschaltete Elektrode 26 ermittelt und verarbeitet wird. Der Prozessor 18 erfasst die digital gewandelten Spannungsspitzen und die Synchronisation der Phasen für jede eingeschaltete Sendeelektrode 26(1) bis 26(5).
Typischerweise kann erwartet werden, dass die elektrischen Kapazitanzen und Induktanzen des Gewebes in und um den Raum S minimal ist. Folglich wird die Synchronisation der Phase des Ausgangsspannungssignals des Verstärkers 70 relativ zur Phase des Oszillators 22 variieren, je nachdem ob sich das Sensorelement 16 links oder rechts von der Sendeelektrode 26, die dann mit dem Invertier-Eingang des Verstärkers 70 verbunden ist, befindet (wie 2 zeigt).
Wenn die eingeschaltete Elektrode 26 links vom Sensorelement 16 liegt (wie 2 für die Elektroden 26(1), 26(2) und 26(3) zeigt), wird das Ausgangsspannungssignal des Verstärkers 70 nicht-in-Phase im Vergleich zur Phase des Oszillators 22 sein (d.h. das analoge Signal, das vom Abtasthalteglied 80 empfangen wird, ein Minuszeichen (–) haben). Dies ergibt sich so, da das Potenzial des Sensorelements 16, das von dem Nichtinvertier-Eingang des Verstärkers 70 erhalten wird (während der positiven Phase des Oszillatorausgangssignals) negativer sein wird als das Potential, das an den Elektroden 26(1), 26(2) und 26(3) erhalten wird, die am Invertier-Eingang des Verstärkers 70 hängen. So lange wie das Potential des Sensorelements 16 unter diesen Bedingungen negativer bleibt, bleibt das Ausgangsspannungssignal des Verstärkers 70 negativ, eine nicht-in-Phase Bedingung bezeichnend.
Wenn die eingeschaltete Elektrode 26 rechts vom Sensorelement 16 liegt (wie 2 für die Sendeelektroden 26(4) und 26(5) zeigt), wird das Ausgangsspannungssignal des Verstärkers 70 in-Phase sein im Vergleich zur Phase des Oszillators 22. Dies ist so, da das Potential des Sensorelements 16, das am Nichtinvertier-Eingang des Verstärkers 70 erhalten wird (während der positiven Phase des Oszillatorausgangssignals), positiver sein wird als das Potential der Elektroden 26(4) und 26(5), die am Invertier Eingang des Verstärkers 70 hängen. So lange wie das Potential des Sensorelements 16 unter diesen Bedingungen positiver bleibt wird das Ausgangsspannungssignal des Verstärkers 70 positiv bleiben und damit einen in-Phase Bedingung anzeigen.
Die zentrale Prozessoreinheit 18 überwacht das Ausgangssignal des Peak Detektors 78, um den Ort zu bestimmen, an dem das Vorzeichen wechselt, durch einen Wechsel von (–) nach (+) oder umgekehrt. In 2 entsteht dieser Übergang zwischen der eingeschalteten Elektrode 26(3) und der eingeschalteten Elektrode 26(4). Die isopotentiale Fläche 40(3), die mit der Elektrode 26 assoziiert ist, erzeugt die longitudinale Koordinate des Sensorelements 16 und damit die des operativen Elements 12.
Um die longitudinale Koordinate des Sensorelements 16 mit Hilfe der Erfassung der Differenzamplitude zu bestimmen, steuert die zentrale Prozessoreinheit 18 die erste Schaltungseinheit 30, damit Wechselstrom vom Oszillator 22 zu derjenigen, eingeschalteten Elektrode 26(3) fließt, bei der der Phasenwechsel stattfindet. Die zentrale Prozessoreinheit 18 steuert die zweite Schaltungseinheit 72 so, dass die Elektrode 26(3) dieses Phasenwechsels mit dem Invertier-Eingang des Differenzverstärkers 70 verbunden ist, wobei das Sensorelement 16 mit dem Nichtinvertier-Eingang des Verstärkers verbunden ist. Der Verstärker subtrahiert das an der Phasenwechselelektrode 26(3) gemessene elektrische Potential von dem am Sensorelement 16 gemessenen elektrischen Potential. Das Differenzpotential stellt die Verstärkung des Verstärkers 70 ein, was das Eingangssignal des Gleichrichters 76 darstellt.
Der Detektor 78 erfasst die Spitzenspannungsamplitude des Signals. Das Ausgangssignal des Peak-Detektors passiert das Abtasthalteglied 80 und wird vom Wandler 82 in ein digitales Format gewandelt. Diese digital gewandelte Spitzenspannungsamplitude wird von der zentralen Prozessoreinheit 18 gespeichert. Die zentrale Prozessoreinheit 18 vergleicht die Spitzenspannungsamplitude mit einer im Speicher gespeicherten Tabelle von Abweichungen der Spannungsamplituden, in der Abweichungen in der Spitzenspannungsamplitude als eine Funktion des Abstands von der Ebene der Sendeelektrode aufgelistet sind. Die Spannungsamplitudenvariationentabelle kann empirisch oder per Finite Elemente Berechnung erstellt werden, wobei physikalische und elektrische Parameter des Raums S berücksichtigt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine vorbestimmter Schwellenwertamplitude eingeführt, die einem Nominalabstand von der Sendeelektrode aus entspricht, und die zwischen einem "Nah-Zustand" (d.h. gleich oder weniger als der Nominalabstand) und einem "Fern-Zustand" (d.h. größer als der Nominalabstand) unterscheidet. Wenn die wahrgenommene Spitzenspannungsamplitude gleich oder kleiner als die Schwellenwertamplitude ist, erzeugt die zentrale Prozessoreinheit 18 ein Ausgangssignal, das den Arzt über den "Nah-Zustand" zwischen dem Sensorelement 16 und der eingeschalteten Sendeelektrode 26 informiert. Für den Fall, dass die erfasste Spitzenspannungsamplitude geringer als die Schwellenwertamplitude ist, erhält der Arzt die Information über den "Fern-Zustand" zwischen dem Sensorelement 16 und der eingeschalteten Sendeelektrode 26. Auf diese Weise hat der Arzt zumindest eine qualitative Angabe über die Position des Sensorelements 16 relative zu der eingeschalteten Sendeelektrode 26. In einer Ausführungsform kann der Arzt durch Eingabe in die zentrale Prozessoreinheit 18 die Größe des Nominalabstands vorgeben, oder alternativ einen Bereich von Abständen eingeben, der stufenweise die Veränderung der Position als "am nahsten", "näher" und "nahe" anzeigt.
In einer anderen Ausführungsform ist die Erfassung der Spannungsamplitude so durchgeführt, dass auch Informationen bezüglich der Orientierung des Sensorelements 16 relative zur eingeschalteten Sendeelektrode 26 gebildet werden. Insbesondere, wie in 1 gezeigt, kann das operative Element 12 ein zweites Sensorelement 16' in einem definierten Abstand von dem erstgenannten Sensorelement 16 entfernt tragen. In dieser Anordnung werden eine oder mehrere Sendeelektroden auf einer Sonde der Reihe nach oder gleichzeitig eingeschaltet um ein Energiefeld zu einer Verbindungselektrode auszusenden, die dann als Rückführpfad dient. Das einzelne Erfassen an den jeweiligen Sensorelementen 16 und 16' ergibt nicht nur eine Spitzenspannungsamplitude sondern durch den Vergleich der relativen Phasen und Amplituden an jedem Element 16 und 16' Informationen bezüglich der Orientierung des operativen Elements 12 seinerseits. Zum Beispiel kann die zentrale Prozessoreinheit 18 die Amplitude am Sensorelements 16' und die Amplitude am Sensorelements 16 differentbezogen vergleichen, um zu ermitteln, dass das Element 16 weiter entfernt von den Sendeelektroden ist als das Element 16'. Dies weißt darauf hin, dass die Orientierung des operativen Elements 12 im Raum S schräg ist.
In einer alternativen Ausführungsform kann das zweite Sensorelement 16' den Rückführpfad für die Sendeelektroden 26 aufweisen, im Gegensatz zur Rückführelektrode 28, die sich auf der Ortungssonde 14 befindet. In noch einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Energiefeld von einem der Elemente 16 oder 16' ausgesendet werden und von dem anderen von den Elementen 16' oder 16 wieder zurückgeführt werden. In jeder dieser Arrangements wird die Spitzenspannungsamplitude von einer Elektrode erfasst, die auf einer der Ortungssonden sitzt.
B. Mehrfach-Ortungssonden
4 und 5 zeigen ein System 100, das ein operatives Element 102 im Raum (bezeichnet als S) lokalisiert, indem es ein Energiewellenformfeld 110 unter Verwendung von zwei Ortungssonden 106 und 108 erzeugt. Jede der Ortungssonden 106 und 108 sind im Allgemeinen gleich der in 1 und 2 gezeigten Ortungssonde 14, und haben wenigstens eine Sendeelektrode und wenigstens eine Rückführelektrode. Zum Zweck der Illustration tragen die Ortungssonden 106 und 108 jeweils mehr Elektroden als die Ortungssonde 14. Die von der Ortungssonde 106 getragenen Elektroden sind mit X(1) bis X(6) bezeichnet, und die Elektroden, die auf der Ortungssonde 108 sind, werden mit Y(1) bis Y(5) bezeichnet. Jede der Ortungssonden 106 und 108 hat auch eine Rückführelektrode, die mit RX für die Sonde 106 und mit RY für die Sonde 108 bezeichnet ist.
Die Ortungssonden 106 und 108 sind relativ zueinander in oder in der Nähe des Raums positioniert, sodass ihre Längsachsen, entsprechend 120 und 122, nicht parallel liegen sondern einen Winkel bilden. In der dargestellten Ausführungsform ist der Winkel etwa 90°, aber auch kleinere oder größere Winkel können verwendet werden. Außerdem müssen die Ortungssonden 106 und 108 nicht in der selben Ebene liegen.
Wie in der Ausführungsform in 1 und 2 trägt das operative Element 102 ein Sensorelement 104.
Entsprechend dem System 10 aus 1 und 2 ist der Betrieb des Systems 100 durch die zentrale Prozessoreinheit 112 gesteuert. Die zentrale Prozessoreinheit 112 verbindet das wellenförmige Ausgangssignal des Oszillators 114 mittels der Schaltungseinheit 116 zwischen den ausgewählten Sendeelektroden Y(1) und X(1) auf den Ortungssonden 106 und 108 und den jeweiligen Rückführelektroden RY und RX, der auch mit der isolierten Erde oder der Patientenerde 118 verbunden ist. Die zentrale Prozessoreinheit 112 verbindet ebenfalls das Sensorelement 104 mit den Elektroden auf den Sonden 106 und 108 (über die Schaltungseinheit 117 und den DAQ 119) entlang der isopotentialen Flächen TX(1) bis TX(6) und TY(1) bis TY(5) im wellenförmigen Energiefeld 110. Auf Grund der gewinkelten Anordnung der Ortungssonden 106 und 108 schneiden die isopotentialen Flächen TX(1) bis TX(6) der Sonde 106 die isopotentialen Flächen TY(1) bis TY(5) der Sonde 108. 4 zeigt die sich schneidenden isopotentialen Flächen TX und TY in einer Seitenansicht. 5 zeigt die isopotentialen Flächen TX und TY in perspektivischer Ansicht.
Wie vorher beschrieben führt die zentrale Prozessoreinheit 112 einen Differenzvergleich zwischen der Wellenform W_S und dem wellenförmigen Ausgangssignal Wo durch, wenn jede der Sendeelektroden X(1) bis X(6) und Y(1) bis Y(5) eingeschaltet sind. Der Differenzvergleich ergibt entweder ein Verhältnis in-Phase oder ein Verhältnis nicht-in-Phase zwischen W_S und Wo, je nachdem wo das Sensorelement 104 relativ zu den isopotentialen Flächen TX(N) oder TY(N) der eingeschalteten Spannungssensorelektrode X(N) oder Y(N) liegt.
Insbesondere zeigt 4 das Sensorelement 104 rechts von (oder über in der vertikalen Orientierung aus 4) den isopotentialen Flächen TX(1) bis TX(4) und links von (bzw. unter in der vertikalen Orientierung aus 4) den isopotentialen Flächen TX(5) und TX(6) angeordnet. In dieser Orientierung, wenn entweder die Ebene TX(1) oder TX(2) oder TX(3) oder TX(4) zum Messen eingeschaltet ist, ergibt der Differenzvergleich von W_S und W_O ein Verhältnis nicht-in-Phase zwischen den zwei Wellenformen. Das bedeutet, dass das Sensorelement 104 sich zwischen diesen Ebenen und der Rückführelektrode RX befindet. Im anderen Fall, wenn eine der Ebenen TX(5) oder TX(6) für die Messung eingeschaltet ist, ergibt der Differenzvergleich von W_S und Wo ein Verhältnis in-Phase zwischen den beiden Wellenformen. Das bedeutet, dass diese Ebenen zwischen der Sensorelektrode 104 und der Rückführelektrode RX liegen.
Die zentrale Prozessoreinheit 112 steuert die Schaltungseinheit 116, sodass diese die Elektroden elektronisch nacheinander von der proximalsten zur distalsten schaltet, d.h. nacheinander von links nach rechts (bzw. von unten nach oben in der vertikalen Orientierung in 4), von X(1) bis X(6). Dieses schaltet sequentiell die Differenzmessung entlang der isopotentialen Flächen TX(1) bis TX(6) ein.
Für jede eingeschaltete Elektrode X(1) bis X(6) führt die zentrale Prozessoreinheit 112 (über den DAQ 119) einen Differenzvergleich der Wellenform W_S der Sensorelektrode 104 und der Wellenform Wo der eingeschalteten Elektrode X(N) durch. In 4 wird der Differenzvergleich von W_S und W_O von der Bedingung nicht-in-Phase zur Bedingung in-Phase wechseln, wenn die Messung entlang der isopotentialen Fläche TX(5) erfolgt. Der Umschaltpunkt zwischen nicht-in-Phase und in-Phase Bedingung markiert die longitudinale Orientierung des Sensorelements 104 (und damit des operativen Elements 102) entlang der Achse 120 der Ortungssonde 106, d.h. zwischen der isopotentialen Fläche TX(4) und der isopotentialen Fläche TX(5) .
Die zentrale Prozessoreinheit 112 kann auch einen Differenzvergleich zwischen der Signalamplitude der erfassten Wellenform A_S und der Signalamplitude der Wellenform auf der eingeschalteten Sendeelektrode A_O durchführen. Aus dem Differenzvergleich der Amplituden errechnet die zentrale Prozessoreinheit 112 die latitudinale Orientierung des operativen Elements 102 senkrecht zur Achse 120 der Sonde 106, d.h. den vertikalen Abstand innerhalb des Raums S zwischen dem operativen Element 102 und der Sondenachse 120.
Die gleiche Vorgehensweise wird entlang der Ortungssonde 108 wiederholt. In 4 befindet sich das Sensorelement 104 rechts von den isopotentialen Flächen TY(1) und TY(2) und links von den isopotentialen Flächen TY(3), TY(4) und TY(5). Die zentrale Prozessoreinheit 112 schaltet elektronisch mit Hilfe der Schaltungseinheit 117 nacheinander die Sendeelektroden von der proximalsten zur distalsten, d.h. sequenziell von links nach rechts, von Y(1) bis Y(5). Dieses schaltet sequenziell die Differenzmessung entlang der isopotentialen Flächen TY(1) bis TY(5) ein.
Für jede eingeschaltete Elektrode TY(1) bis TY(5) führt die zentrale Prozessoreinheit (über den DAQ 119) einen Differenzvergleich der Wellenform W_S des Sensorelement 104 und der Wellenform Wo der eingeschalteten Sendeelektrode Y(N) durch. In 4 wird der Differenzvergleich von W_S und Wo entlang der Sonde 108 von der Bedingung nicht-in-Phase zur Bedingung in-Phase wechseln, wenn die isopotentiale Fläche Y(3) eingeschaltet wird. Der Umschaltpunkt zwischen nicht-in-Phase und in-Phase Bedingung markiert die longitudinale Orientierung des Sensorelements 104 (und damit des operativen Elements 102) entlang der Achse 122 der Ortungssonde 108, d.h. zwischen der isopotentialen Fläche TY(2) und der isopotentialen Fläche TY(3).
Die zentrale Prozessoreinheit 112 kann ebenfalls einen Differenzvergleich zwischen der Signalamplitude der erfassten Wellenform A_S und der Signalamplitude der Wellenform der eingeschalteten Sendeelektrode A_O durchführen, um die latitudinale Orientierung des operativen Elements 102 senkrecht zur Achse 122 der Sonde 108 zu erhalten, d.h. den vertikalen Abstand im Raum S zwischen dem operativen Element 102 und der Sondenachse 122.
Die Bestandteile des Systems 100 können die spezielle, elektrische Zusammensetzung aus 3 hat, oder eine andere analoge oder digitale Konfiguration, mit der die oben beschriebenen Differenzvergleiche durchführbar sind.
Die zentrale Prozessoreinheit 112 liefert ein positionsanzeigendes Ausgangssignal 124, das die Position des Sensorelements 104 (und damit des operativen Elements 102) innerhalb des Gitters von sich schneidenden isopotentialen Flächen TX(N) und TY(N) wiedergibt. Vorzugsweise wird dieses positionsanzeigende Ausgangssignal dem Arzt auf einem Anzeigegerät 126 präsentiert.
Die einzelnen Identifikationssonden 106 und 108 aus 4 und 5 können in eine zusammenhängende Struktur 150 zusammengebaut werden, wie in 6 dargestellt. In dieser Anordnung hat die Struktur 150 eine Anordnung flexibler Spline-Elemente 152, die sich longitudinal zwischen einem distalen Knoten 154 und einer proximalen Basis 156 erstreckt. Zu Anschauungszwecken hat die Struktur 150 vier Spline-Elemente 152(1) bis 152(4) (nur 3 Spline-Elemente sind in 6 sichtbar). Eine größere oder auch eine kleinere Menge von Spline-Elementen kann vorhanden sein.
Jedes Spline-Element hat vorzugsweise einen flexiblen Körper aus ellastischem, inertem Draht oder Plastik. Auch elastisches Material mit Formgedächtnis wie Nickeltitan (kommerziell erhältlich als Nitinol^TM Material) kann genutzt werden. Elastischer Spritzgusskunststoff oder rostfreier Stahl können ebenfalls verwendet werden. Jedes Spline-Element 152 ist vorzugsweise mit einer Konvex-Vorspannung vorgeformt, sodass sich normal eine geöffnete, dreidimensionale Korbstruktur bildet.
Die Struktur 150 ist am Ende eines Katheterschlauchs 158 gehalten. Eine äußere Ummantelung 160 rückt gleitend entlang des Katheterschlauchs 158 nach vorne um die Struktur 150 zusammenzuklappen und zusammenzupressen (siehe 7), um sie in Körperregionen einführen zu können. Eine Rückwärtsbewegung zieht die gleitende Ummantelung 160 weg von der Struktur 150, die aufspringt und ihre dreidimensionale Gestalt annimmt (wie 6 zeigt) .
In 6 ist die Geometrie des Spline-Elements sowohl radial als auch axial symmetrisch. Asymmetrische Strukturen, radiale oder axiale oder beides, können auch verwendet werden. Beispiele für asymmetrische Anordnungen von Splinestrukturen sind mit der anhängigen U.S. Anmeldung, Seriennummer 08/742,569 eingereicht am 28. Oktober 1996 unter dem Titel "Asymmetric Multiple Electrode Support Structures" zu finden, die via Bezugnahme hierin mit aufgenommen werden.
Jedes Spline-Element 152 trägt eine Anordnung aus Mehrfach-Sendeelektroden TE und wenigstens eine Rückführelektrode RE wie weiter vorne beschrieben. Jedes Spline-Element hat folglich eine Ortungssonde. Die Struktur 150 hat eine geordnete Anordnung von Mehrfach-Ortungssonden, die bei Gebrauch ein wellenförmiges Feld 162 um den von dem Spline-Element begrenzten Raum erzeugen.
6 zeigt ein operatives Element 172, das innerhalb des wellenförmigen Energiefeldes 162 beweglich ist. Das operative Element 172 trägt ein Sensorelement 174.
Wie schon beschrieben verbindet die zentrale Prozessoreinheit 164 sequentiell das wellenförmige Ausgangssignal eines Oszillators 166 mit Hilfe der Schaltungseinheit 168 mit den Sendeelektroden TE auf jedem Spline-Element 152 (beispielsweise mit dem proximalsten beginnend und sich distal bewegend), wobei die jeweilig distalste Rückführelektrode RE des Spline-Elements 152 mit der isolierten Erde oder der Patientenerde 170 gekoppelt wird. Außerdem verbindet die zentrale Prozessoreinheit 164 nacheinander die Elektroden TE und die Sensorelektrode 174 auf dem operativen Element 172 durch die Schaltungseinheit 169 und das DAQ 171, um eine Differenzspannung entlang eines Rasters von sich schneidenden isopotentialen Flächen TP in dem wellenförmigen Energiefeld 162 zu erhalten, in der selben Art und Weise wie für die Sonden 106 und 108 in 4 und 5 gezeigt. Der Differenzvergleich ergibt entweder ein in-Phase Verhältnis oder ein nicht-in-Phase Verhältnis zwischen W_S und Wo abhängig vom Ort des Sensorelements 174 relativ zu den Sendeelektroden entlang jedes Längs-Spline-Elements 152.
Die zentrale Prozessoreinheit 164 kann auch einen Differenzvergleich zwischen der Signalamplitude der erfassten Wellenform A_S und der Signalamplitude der Wellenform der eingeschalteten Elektrode A_O durchführen, an der der Phasenwechsel stattfindet, um die latitudinale Orientierung des Sensorelements 174 senkrecht zu jedem Spline-Element 152 zu erhalten.
II. Analyse der Spannungsdifferenz
A. Relative Nähebestimmung
8 zeigt eine alternative Ausführungsform des Systems 300, das ein operatives Element 302 im Raum (bezeichnet als S) ortet unter Verwendung einer Analyse der Spannungsdifferenz anstelle einer Analyse der Wellenformunterschiede. Das System erzeugt ein wellenförmiges Energiefeld 310 zwischen zwei Ortungssonden 306 und 308. Jede Ortungssonde 306 und 308 hat zumindest eine Sendeelektrode, die als X(1) bis X(6) für die Sonde 106 und als Y(1) bis Y(6) für die Sonde 108 bezeichnet sind. Das operative Element 302 trägt ein Sensorelement 304.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Ortungssonden 306 und 308 so positioniert, dass ihre Längsachsen, entsprechend 320 und 322, nicht parallel sind sondern sich in einem Winkel erstrecken. In der dargestellten Ausführungsform ist der Winkel etwa 90°, es können aber auch kleinere oder größere Winkel verwendet werden. Da eine Analyse der Differenzspannung betrieben wird, können alternativ die Ortungssonden 306 und 308 in dieser Ausführungsform parallel, sich einander zugewandt angeordnet sein.
Der Betrieb des Systems 300 wird von der zentralen Prozessoreinheit 312 gesteuert. Die zentrale Prozessoreinheit 312 verbindet mit Hilfe der Schaltungseinheit 316 das wellenförmige Ausgangssignal des Oszillators 314, um eine Wellenform von allen Elektroden der einen Sonde 306 zu allen Elektroden der anderen Sonde 308, die mit der isolierten Patientenerde 318 verbunden sind, zu senden. Aus diesem Grund wird die Sonde 306 als "Sendesonde" bezeichnet und die Sonde 308 wird "Empfängersonde" genannt. Die Empfangsfunktion und die Sendefunktion der beiden Sonden 306 und 398 können vertauscht werden. Das erzeugte Wellenformfeld 310 erstreckt sich zwischen der Sendesonde 306 und der Empfängersonde 308. Die Wellenform kann simultan zwischen allen Elektroden oder sequentiell entlang der Achsen der Sonden 306 und 308 erzeugt werden.
Wie 8 zeigt, hat das wellenförmige Feld 310 isopotentiale Flächen T(1) bis T(6), die sich zwischen den Sende-Empfänger-Elektrodenpaaren X(1)–Y(1) bis X(6)–Y(6) erstreckt.
Die zentrale Prozessoreinheit 312 lässt eine zweite Schaltungseinheit 330 jede eingeschaltete Elektrode der Sendesonde 306 in Abfolge zu dem Invertier-(–)-Eingang des Differenzverstärkers 332 schalten, wobei das Sensorelement 304 mit dem Nichtinvertier-(+)-Eingang verbunden wird. Der Verstärker subtrahiert das von der mit dem Invertier-Eingang gekoppelten Elektrode gemessene elektrische Potential von dem von der Sensorelektrode 304 gemessenen elektrischen Potential. Das Differenzpotential stellt die Verstärkung des Verstärkers 332 ein, welche das Eingangssignal in einem Gleichrichters 334 darstellt.
Der Detektor 336 erfasst die Spitzenspannung, und der Gleichrichter 334 erfasst die Synchronisation der Phase des Spannungssignals relativ zur Phase des Oszillators 314. Die zentrale Prozessoreinheit 312 speichert die Spitzenspannung in Verbindung mit der Synchronisation.
Die Synchronisation der Phase des Ausgangsspannungssignals des Verstärkers 332 relativ zur Phase des Oszillators 314 wird in Abhängigkeit vom Ort jener isopotentialen Fläche variieren, die zur Sensorelektrode 304 die unmittelbar distalste ist.
Insbesondere wird das Ausgangsspannungssignal des Verstärkers 332 in-Phase sein im Hinblick auf die Phase des Oszillators 314, für den Fall, dass die Differenzamplitude entlang derjenigen isopotentialen Fläche, die unmittelbar am distalsten zur Sensorelektrode 304 ist, gemessen wird. In 8 ist die zur Sensorelektrode unmittelbar distalste, isopotentiale Fläche 304 die T(6), die zwischen dem Elektrodenpaar X(6)–Y(6) liegt. Das Ausgangsspannungssignal des Verstärkers 332 wird nicht-in-Phase sein im Hinblick auf die Phase des Oszillators 314 für die Differenzamplituden, die entlang der zur Sensorelektrode 304 unmittelbar proximalsten, isopotentialen Fläche und entlang aller anderen proximaleren, isopotentialen Flächen gemessen sind. In 8 ist diese unmittelbar proximalste, isopotentiale Fläche die T(5), die zwischen dem Elektronenpaar X(5)–Y(5) liegt und die verbleibenden, proximaleren Flächen T(4) bis T(1) liegen zwischen den Elektrodenpaaren X(4)–Y(4) bis X(1)–Y(1).
Anhand eines anderen Beispiels, bei dem die Position des Sensorelements 304' (gestrichelt in 8 dargestellt) als eine andere angenommen wird, ist das Ausgangsspannungssignal des Verstärkers 332 nur dann in-Phase im Vergleich zur Phase des Oszillators 314, wenn die Differenzamplitude entlang der isopotentialen Fläche T(4) gemessen wird, die die unmittelbar distalste zur Sensorelektrode 304' ist. Das Ausgangsspannungssignal des Verstärkers 332 wird nicht-in-Phase im Hinblick auf die Phase des Oszillators 314 sein für die Differenzamplitude, die entlang der unmittelbar proximalsten Fläche T(3) und aller anderen proximalen, isopotentialen Flächen T(2) und T(1) gemessen wird.
Die Analyse der Differenzspannung kann ebenfalls im Zusammenhang mit der zusammengesetzten Sondenstruktur 150 aus
6 oder allen anderen Strukturen, die vorher beschrieben wurden, verwendet werden.
III. Dreidimensionale Navigationssysteme
A. Herstellung eines dreidimensionalen Navigationssystems (unter Verwendung der Analyse der Wellenformunterschiede)
9 zeigt eine repräsentative Implementierung eines dreidimensionalen Navigationssystems 200, das drei Ortungssonden 204, 206 und 208 innerhalb eines Raumes S hat. In der dargestellten Ausführungsform ist der Raum S das Innere eines Herzen. Bei der Verwendung lokalisiert und geführt das Systems 200 ein operatives Element 202 im Herzen. Das operative Element 202 kann dazu dienen, elektrische Aktivitäten im Herz zu erfassen, um potentielle Abtragungsorte zu lokalisieren, oder um Energie zum Herzgewebe zu übertragen, Impedanz zu messen oder abzutragen. Alternativ kann das operative Element 202 ein bildgebendes Element aufweisen, um Gewebe, anatomische Strukturen oder Verletzungen im Herz abzubilden. Weiterhin kann das operative Element eine Kanüle zur Durchstoßung des Herzgewebes zum Zweck der Injektion eines Abtragungsmediums, oder zum Injizieren eines Medikaments oder eines Mittels zur Gentherapie haben.
Zum Zweck der Illustration sind die drei Ortungssonden 204, 206 und 208 absichtlich ins Herz gelegt, um im Abstand voneinanderangeordnete Navigationspunkte zum Orten des operativen Elements 202 bereitzustellen. Außerdem sind die Sonden 204, 206 und 208 in unterschiedlichen Koordinatenebenen platziert, um eine dreidimensionale Navigationsgitter aufzubauen und Triangulation möglich zu machen.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Sonden 204, 206 und 208 individuell an oder nahe bei bekannten anatomischen Regionen des Herzen unter Verwendung von zum Beispiel Fluoroskopie oder einer anderen bildgebenden Technologie, wie etwa Ultraschall, platziert. Dies ist so, weil potentielle Abtragungsorte im Vorhof typischerweise durch eine Referenz zu einer anatomischen Gegebenheit im Herz identifiziert werden.
Es sollte bevorzugt werden, dass eine Einzel-Ortungssonde oder Mehrfach-Ortungssonden im wesendlichen in einer Region im Herz oder im Gewebe oder einer Gefäßregion im Umfeld des Herzen zu Zwecken des Festsetzens von Navigations-Referenzpunkten für das Orten des operativen Elements 202 platziert werden. Jede Platzierungsregion im Körper, die durch Fluoroskopie oder andere bildgebenden Verfahren betrachtet werden kann, kann als potentieller Navigationsort ausgewählt werden. Die Platzierungsregion muss hierfür keinen speziellen, festen anatomischen Ort repräsentieren. Zum Beispiel können, um ein dreidimensionales Navigationssystem, für die Verwendung in einer gegebenen Herzkammer, einzurichten, eine oder mehrere Ortungssonden in einer Herzkammer platziert werden, eine oder mehrere andere Sonden in einer anderen Herzkammer und noch eine oder mehrere andere Sonden in einem epicardialen Ort außerhalb des Herzinneren positioniert werden. In der dargestellten Ausführungsform ist die erste Ortungssonde 204 in der Region des oberen rechten Vorhofs platziert; die zweite Ortungssonde 206 ist in der Region der rechten Ventrikelspitze positioniert; und die dritte Ortungssonde 208 liegt in der Region des coronaren Sinus. Die drei Sonden 204, 206 und 208 sind in unterschiedlichen Koordinatenebenen angeordnet, sodass die Sondenachsen nicht in einem parallelen Verhältnis zueinander stehen.
Jede der Ortungssonden 204, 206 und 208 hat Mehrfach-Sendeelektroden TE und eine distale Rückführelektrode TR, die in der in 1 gezeigten Art und Weise funktioniert. Eine Sendeelektrode TE und die Rückführelektrode auf jeder der Sonden 204, 206 und 208 sind über elektronische Schaltungseinheiten 210 mit dem Oszillator 212 verbunden, um ein wellenförmiges Energiefeld 216 zu erzeugen.
Das operative Element 202 trägt ein Sensorelement 218, das auch als Abtragungselektrode oder als Sensorelektrode dienen kann. Das Sensorelement 218 ist in der oben beschriebenen Art und Weise mit der zentralen Prozessoreinheit 214 verbunden, um die Wellengröße W_S im Feld 216 zu erfassen.
Ein DAQ 68 erlangt unterschiedliche Wellenformen entlang der mehrfachen isopotentialen Flächen TP, die jeweils zu einer Elektrode TE auf jeder der Sonden 204, 206 und 208 zugeordnet sind. Wie in der 9 zu sehen, bilden die mehrfachen isopotentialen Flächen TP Schnittpunkte im Feld 216, da die Sonden 204, 206 und 208 in unterschiedlichen Koordinatenebenen liegen.
Die zentrale Prozessoreinheit 214 verwendet das vorausgehend beschriebene DAQ 68 (siehe 3), um die Differenzen von W_S und Wo für jede eingeschaltete Elektrode TE zu vergleichen und um Regionen von Phasenwechseln relativ zu jeder Sonde 204, 206 und 208 zu orten. Zusätzlich kann die zentrale Prozessoreinheit 214 einen Differenzvergleich zwischen der Signalamplitude der erfassten Wellenform A_S und der Signalamplitude der Wellenform an der eingeschalteten Sendeelektrode A_O durchführen, an der der Phasenwechsel auftritt, um die latitudinale Orientierung des Sensorelements 218 senkrecht zur Achse von jeder Sonde 204, 206, und 208 zu bestimmen.
Die zentrale Prozessoreinheit 214 generiert ein positionsanzeigendes Ausgangssignal 220, das das Sensorelement 218 (und damit das operative Element 202 seinerseits) innerhalb der Matrix sich schneidender isopotentialer Flächen TP, die von den drei Sonden 204, 206 und 208 erzeugt wurden, lokalisiert.
B. Bereitstellen eines dreidimensionalen Navigationssystems (unter Verwendung einer iterativen Spannungsanalyse)
17 stellt ein dreidimensionales System 500 dar, das eine iterative Analyse der Spannungsdifferenz ausführt, um die Position des operativen Elements 502 im Raum S, der an seinen Grenzen von Mehrfach-Ortungssonden umgeben ist, zu bestimmen.
In 17 sind die Mehrfach-Ortungssonden an dem distalen Ende 506 und der proximalen Basis 508 zu einem Verbund, einer dreidimensionalen Korbstruktur 510 zusammengefügt, wie sie schon in 6 dargestellt und beschrieben ist. Nichtsdestoweniger sollte anerkannt werden, dass die Mehrfach-Ortungssonden 504 nicht notwendigerweise in einer Verbundstruktur zusammengebaut sein müssen, sondern auch als getrennte Sonden um den Raum S herum platziert existieren können, in der Art und Weise, die in 9 gezeigt wird und die weiter vorne beschrieben ist.
Die Verbundstruktur 510 ist zum Gebrauch im Herz gut geeignet und kann zusätzlich zur Navigation andere Funktionen ausführen. Zum Beispiel kann die Verbundstruktur 510 zur Übertragung elektrischer Signale zum Herzmuskelgewebe dienen oder zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften des Gewebes durch die Messung des Gewebewiderstandes beitragen. Die Verbundstruktur kann auch zur Erfassung der elektrischen Aktivität im Myocardialgewebe, bei der Erstellung von Elektrogrammen bei Verfahren zur Herzabbildung dienen.
Die Verbundstruktur 510 aus der 17 hat acht Ortungssonden 504 und jede Sonde trägt acht Elektroden 505, das sind vierundsechzig Elektroden 505, die im Raum S positioniert sind. 17 bezeichnet die Elektroden 505 mit (A,B), wobei A = 1 bis p und B = 1 bis e ist und p die Gesamtzahl der Sonden 504 und e die Anzahl der Elektroden 505 auf jeder Sonde 504 ist ( in der Dargestellten Ausführungsform ist p = 8 und e = 8).
Das System 500 hat eine zentrale Prozessoreinheit 512, die eine Spannungsquelle 514 mit einer Sendeelektrode 516, die auf dem operativen Element 502 sitzt, verbindet. In 17 hat eine unbestimmte Elektrode 518, die auf einem Stück des Äußeren des Patienten sitzt, eine Spannungserde, die der Reihe nach gekoppelt wird um die Patientenerde 520 zu isolieren. Alternativ kann auch eine andere Elektrode, die vom operativen Element getragen wird als Spannungserde dienen. Die Elektrode 516 erzeugt ein Spannungsfeld 517 im Raum S, dessen wahrgenommene Amplitude auf jeder Sondenelektrode 505 in Abhängigkeit von der Entfernung zu der Sendeelektrode 516 variiert.
Das System 500 hat ein Speicherelement 522 für Daten, das mit der zentralen Prozessoreinheit und dem Schaltelement 524 verbunden ist. Das Schaltelement 524 befähigt jede Elektrode (A,B) einzeln, die existierende Spannung an seiner Position innerhalb des Feldes 517 zu erfassen, was dann das Speicherelement 522 abtastet und speichert, so wie schon beschrieben, siehe hierzu 3.
Die zentrale Prozessoreinheit 512 hat eine Prozessorkomponente 526, die ein positionsanzeigendes Ausgangssignal 528 erzeugt, das auf der von den Elektroden (A,B) auf den Sonden 504 erfassten Verteilung der Spannung basiert. 18 zeigt die Schritte des bevorzugten Algorithmus 530 für die Berechnung der Ausgabe 528.
Wie 18 zeigt, hat der Algorithmus 530 als ersten Schritt 532 die Erstellung einer abgeschätzten Koordinate P(x,y,z)_EST der Position für die Sendeelektrode 516 auf dem operativen Element 502 im Raum S, wo x die x-Feld Koordinate, y die y-Feld Koordinate und z die z-Feld Koordinate ist.
Zum Beispiel kann P(x,y,z)_EST zunächst willkürlich auf P(0,0,0) gesetzt werden, was im geometrischen Zentrum des Spannungsfeldes 517 (in 17 al GC bezeichnet) ist. Alternativ kann die Differenzanalyse der Wellenform, oder die Differenzanalyse der Spannung, oder die Analyse der Amplitude wie oben beschrieben alleine oder in Kombination verwendet werden, um P(x,y,z)EST genauer abzuschätzen. Entsprechend einem anderen Beispiel kann die positionsbestimmende Methode, die im Auszug der Patentanmeldungen mit der Seriennummer 08/320,301 vom 11 Oktober 1994 unter dem Titel "Systems and Methods for Guiding Movable Electrode Elements Within Multiple Electrode Structures" erschienen ist, zur genaueren, anfänglichen Annahme der Position P(x,y,z)_EST verwendet werden.
Um die Effektivität des Prozesses zu erhöhen, können mehrfach-Signale, die orthogonal vom Standpunkt eines Signalprozesses aus sind, (zum Beispiel wellenförmige Signale verschiedener Frequenzen, wellenförmige Signale der selben Frequenz aber mit einer Phasenverschiebung von 90° und Wellen von nicht korrelierenden Quellen mit weißen Rauschen) gleichzeitig in der Art und Weise wie in 22 gezeigt gesendet werden (was noch genauer später beschrieben wird).
Im nächsten Schritt 536 berechnet der Algorithmus 530 den Abstand ΔD(A,B) zwischen jeder Sondenelektrode (A,B) und der Sendeelektrode 516 bei P(x,y,z)_EST Der Abstand ΔD(A,B) kann genormt werden um die Analyse zu erleichtern. Der Algorithmus erhält dann eine vorgegebene, mathematische Funktion 534 von Spannung zu Abstand um die anzunehmende Spannung P(x,y,z)_EST an jeder Elektrode (A,B) basierend auf ΔD(A,B) zu bestimmen. Daraus resultiert, dass der Algorithmus 530 eine Verteilungsmatrix der abgeschätzten Spannung konstruiert, die entsprechend der Funktion 534 existieren würde, wenn P(x,y,z)_EST der aktuelle Sendepunkt der Spannung wäre. Die Funktion 534 der Spannung zum Abstand kann empirisch ermittelt werden oder basierend auf einer Finite Elemente Analyse und in einem, der zentralen Prozessoreinheit 512 zugänglichen Speicher gespeichert werden. In nächsten Schritt 538 leitet der Algorithmus 530 eine abgeschätzte oder erwartete Spannungsdifferenz P(x,y,z)_EST für jede Elektrode 505 ab.
Im Schritt 540 bekommt der Algorithmus 530 den Input V(A,B)_ACT, wobei V(A,B)_ACT der gemessene Spannungswert, ermittelt durch den Arbeitsvorgang des Elements 522 zur Datenerfassung, an jeder Sondenelektrode (A,B) ist. Wie in 19 dargestellt, erzeugt der Algorithmus 530 in diesem Schritt 540 ein Abbild 560 der gemessenen Spannungsverteilung basierend auf den Werten V(A,B)_ACT, das (auf der y-Achse) die erfassten Spannungswerte für jede Elektrode (nummeriert von 1 bis 64 auf der x-Achse) zeichnet. Der Algorithmus 530 erzeugt ein Abbild 562 der abgeschätzten Spannungsverteilung basierend auf den Werten V(A,B)EST, das (auf der y-Achse) die geschätzten Spannungswerte für jede Elektrode (wiederum auf der x-Achse von 1 bis 64 durchnummeriert) aufzeichnet.
Als ein weiterer Schritt vergleicht der Algorithmus 530 die Abbilder 560 und 562 der Spannungsverteilungen um einen Vergleichskoeffizient der Spannung VM_COEF abzuleiten.
Der Wert des Koeffizienten des Spannungsvergleiches VM_COEF für ein gegebenes P(x,y,z)_EST wächst, je mehr P(x,y,z)_EST mit der aktuellen Position der Sendeelektrode 516 übereinstimmt. Das heißt, der Wert des Koeffizienten des Spannungsvergleiches wächst in Relation zur Nähe der Sendeelektrode 516 zur geschätzten Position P(x,y,z)_EST
Die zentrale Prozessoreinheit 512 kann den Vergleichskoeffizienten VM_COEF auf verschiedenen, konventionellen Wegen ermitteln, beispielsweise durch die Anwendung eines Abbildvergleichs, eines Filtervergleichs oder einer Kreuzkorrelation. Beispiele für den Gebrauch solcher Techniken um einen Vergleichskoeffizienten zu ermitteln sind in der U.S. Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/390,383 vom 17. Februar 1995 unter dem Titel "Systems and Methods for Examinig Heart Tissue Employing Multiple Electrode Structures and Riving Electrodes" zu finden, was hiermit als Referenz zugrunde gelegt wird.
Im nächsten Schritt 544 entscheidet der Algorithmus 530, ob VM_COEF der "Beste" ist, bzw. ob er maximiert ist unter den gegebenen Prozessvorgaben. Für die erste Iteration und für alle untergeordneten Iterationen, in denen VM_COEF nicht maximal ist, wendet der Algorithmus 530 (in Schritt 546) einen vorgewählten, schrittweisen Korrekturfaktor Δx für die x-Koordinate, einen Faktor Δy für die y-Koordinate und einen Faktor Δz für die z-Koordinate der geschätzten Position der Sendeelektrode 516 an um eine neue, geschätzte Position P(x+Δx, y+Δy, z+Δz) zu erzeugen, die dann die neue Koordinate für die angenommene Position P(x,y,z)_EST wird. Der Algorithmus 530 durchläuft dann als Schleife die vorangegangenen Schritte 536, 538, 540, 542 und 544 um einen iterierten Koeffizienten des Spannungsvergleichs VM_COEF basierend auf der neuen, geschätzten Position zu errechnen. Der Algorithmus 530 wählt iterativ Δx, Δy und Δz bis der beste (maximaler Wert) Koeffizient des Spannungsvergleichs VM_COEF in Schritt 544 erreicht wird. Die Koordinate P(x,y,z)_EST des besten, maximalen Koeffizienten des Spannungsvergleichs wird dann das positionsangebende Ausgangssignal 528, wie in Schritt 548 der 18 zu sehen.
Es gibt verschiedene Wege, über die die Iteration der x-, y- und z-Koordinaten vollendet werden kann. Zum Beispiel kann der Algorithmus 530 die x-Koordinate allein (bei konstant gehaltener y- und z-Koordinate) iterieren, bis der beste Koeffizient des Spannungsvergleichs VM_COEF erreicht wird, danach die x-Koordinate auf diesem Wert halten und die y-Koordinate alleine (bei weiterhin gehaltener z-Koordinate) iterieren, bis ein weiterer, bester Koeffizient des Spannungsvergleichs VM_COEF erreicht wird, und dann die Y-Koordinate bei diesem Wert fixieren und die z-Koordinate alleine iterieren (bei unveränderten x- und y-Koordinaten), bis wiederum ein bester Koeffizient des Spannungsvergleichs erreicht wird. Anschließend durchläuft der Algorithmus 530 wiederholt diesen Prozess, bis der beste Koeffizient des Spannungsvergleichs VM_COEF für jede lokale x-, y- und z-Koordinate so wie für P(x,y,z)_EST insgesamt ermittelt wurde.
Alternativ kann die x-, y- und z-Koordinate gleichzeitig hinzugenommen werden, um den Koeffizienten des Spannungsvergleichs VM_COEF beispielsweise unter Verwendung einer konventionellen Maximum-Gradient Methode zu maximieren.
In Übereinstimmung mit seiner iterativen Natur korrigiert der Algorithmus 530, der in 18 gezeigt wird, Verwindungen der Ortungssonden, die entstehen, wenn die Sonden dynamischen Bedingungen in einer Körperhöhle ausgesetzt sind, wie zum Beispiel innerhalb einer Herzkammer. Die iterative Natur des Algorithmus 530 korrigiert auch elektrisches "Rauschen", das beispielsweise durch den innewohnenden, elektrischen Widerstand der Elektroden und der angeschlossenen, elektrischen Kabel bedingt wird.
Weiterhin macht die iterative Analyse der Spannungsdifferenzen, wie beschrieben, auch die Erzeugung eines Fehlersignals möglich, sobald das operative Element 502 sich außerhalb des Energiefeldes 517 befindet. Sollte dieser Fall eintreten, werden die angenommene Spannung und die aktuelle Spannung zu Spiegelbildern. Dieses Ergebnis kann, sobald es von der zentralen Prozessoreinheit 512 wahrgenommen wird, die Erzeugung eines "Außerhalb des Feldes" Fehlersignal verursachen.
In einer alternativen Ausführungsform kann die zentrale Prozessoreinheit ein neuronales Netzwerk 600 einschließen (siehe 17), das in einem experimentellen Aufbau mit Datensätzen von Spannungsverläufen trainiert wurde, die mit bekannten Positionen der Sendeelektrode 516 zusammenhängen. Wenn die Trainingsphase abgeschlossen ist kann das Netzwerk 600 die positionsangebende Ausgabe 528 unmittelbar ausgeben, beruhend auf dem Eingangssignal des Datenerfassungselements 522, den Daten der Spannungsverteilung, die von der Sondenelektrode 505 während des Aussendens von Spannung durch die Elektrode 516 erfasst werden.
C. Darstellung von dreidimensionalen Navigationsinformationen
Entsprechend der 9 ist das positionsangebende Ausgangssignal 220 (oder die Ausgabe 528 der Ausführungsform aus 17) vorzugsweise für die Ansicht auf einem Anzeigegerät 221 verarbeitet. In einer bevorzugten Ausführungsform (siehe 10), hat die zentrale Prozessoreinheit 214 einen Eingang 222, der Informationen, die die Position und die Orientierung der Ortungssonden 204, 206 und 208 innerhalb des Herzen betreffen, empfängt. Der Eingang 222 bezieht auch Informationen zur Form und Größe zu jeder der Ortungssonden 204, 206 und 208. Die zentrale Prozessoreinheit 214 hat zweckmäßige Algorithmen 224, die Führungsparameter basierend auf den Eingangsinformationen setzen. Diese Führungsparameter werden von der zentralen Prozessoreinheit 214 für die Analyse der räumlichen Variationen des wellenförmigen Energiefeldes genutzt, die von den Ortungssonden 204, 206 und 208 generiert wurden. Die Führungsparameter bestimmen die Verarbeitung der Daten des Differenzvergleichs zur Schaffung des positionsanzeigenden Ausgangssignals 220 für die Anzeige auf dem Gerät 221. Das erarbeitete positionsbestimmende Ausgangssignal hilft dem Arzt bei der Ortung und der Führung des operativen Elements in Echtzeit.
In der bevorzugten Ausführungsform aus 10 sind die Sonden 204, 206 und 208 des Systems 200 Teile einer Familie 209 von Ortungssonden. Die verschiedenen Sonden der Familie 209 sind durch unterschiedliche Geometrien, unterschiedliche Dichten der Sende- und Empfangselektroden und anderen strukturellen und funktionellen Unterschieden charakterisiert. In dieser Ausführungsform hat jede Sonde 204, 206 und 208 in der Familie 209 eine Identifizierungskomponente 270. Die Identifikationskomponente 270 trägt einen zugewiesenen Identifikationscode XYZ. Der Code XYZ identifiziert die Form und Größe des Halterungsteil der Elektroden der Sonde und die Verteilung der darauf befindlichen Elektroden in Bezug auf die Anzahl der Elektroden und ihrer räumlichen Anordnung. Diese strukturspezifischen Informationen im Code XYZ befähigen die zentrale Prozessoreinheit 214, eine Positionierungsmatrix basierend auf den eingesetzten Ortungssonden zu kreieren.
In der dargestellten Form (siehe 10) ist die kodierte Komponente 270 im Griff 230 platziert, der am proximalen Ende des Katheterschlauchs, der die Ortungssonden 204, 206 und 208 trägt, angebracht ist. Die Komponente 270 kann jedoch auch anderweitig in Relation zur Ortungssonde platziert sein.
Die kodierte Komponente 270 ist elektrisch mit einem externen Interpreter 278 verbunden, wenn die Sonde für den Gebrauch an die zentralen Prozessoreinheit angeschlossen ist. Der Interpreter 278 liest den Code XYZ ein, den die kodierte Komponente 270 hat. Der Interpreter 278 vergleicht elektronisch den Eingangscode XYZ zum Beispiel mit einer gespeicherten, vorgegebenen Tabelle 280 von Codes. Die Grundtabelle 280 listet für jeden Code XYZ die strukturspezifischen Informationen auf, die für die Erzeugung der Positionierungsmatrix zur Ortung und Führung des operativen Elements 202 im wellenförmigen Feld 216 benötigt werden. Der funktionelle Algorithmus 224 der zentralen Prozessoreinheit 214 setzt die Ortungs- und Führungsparameter basierend auf dem Code XYZ.
Da die Kenntnis von den physikalischen Charakteristiken der Ortungssonde und der räumlichen Verhältnisse der Elektroden, die sie tragen, wichtig ist für die Festsetzung genauer Ortungs- und Führungsparameter, sperrt der Algorithmus 224 vorzugsweise die zentrale Prozessoreinheit 214 bei Abwesenheit eines erkennbaren Codes XYZ. Sowie nur Sonden der Familie 209, die eine kodierte Komponente 270 besitzen, die den vorgeschriebenen Identifikationscode XYZ tragen, verwendet werden können in Verbindung mit dem Prozessorelement 214.
Die kodierte Komponente 270 kann unterschiedlich konstruiert sein. Sie kann zum Beispiel in Form eines integrierten Schaltkreises gebaut sein (siehe 11), der den Code XYZ in digitaler Form für den Eingang in ROM chips, EPROM chips, Widerständen, Kondensatoren, PLD's (programmed logic devices) oder Dioden ausdrückt. Beispiele für Techniken dieser Art zur Identifikation von Kathetern sind in Jackson und andere U.S. Patent 5,383,874 beschrieben und hiermit als Referenz eingeführt.
Alternativ kann die kodierte Komponente 270 aus getrennten, elektrischen Elementen 286 (siehe 12) bestehen, von denen jedes eine eigene Charakteristik ausdrückt. Zum Beispiel können die elektrischen Elemente 286 Widerstände (R1 bis R4) enthalten, die unterschiedliche Widerstandswerte haben und parallel geschaltet sind. Der Interpreter 278 misst die Widerstandswerte von jedem Widerstand R1 bis R4. Der Widerstandswert des ersten Widerstandes R1 drückt zum Beispiel im vorgegebenen Code die Anzahl der Elektroden auf der Sonde aus. Der Widerstandswert des zweiten Widerstandes R2 drückt zum Beispiel im vorgegebenen Code die Verteilung der Elektroden auf der Sonde aus. Der Widerstandswert des dritten Widerstandes R3 steht im vorgegebenen Code für die Größe der Sonde. Der Widerstandswert des vierten Widerstandes R4 bezeichnet beispielsweise die Form der Sonde im vorgegebenen Code.
Es sollte vorgezogen werden, dass die dreidimensionale Korbstruktur 510, die in 17 gezeichnet ist, ebenfalls eine Komponente 270 zur Identifizierung tragen sollte, die einen zugewiesenen Identifizierungscode XYZ zur Erkennung der Form und der Größe der Struktur 510 der mehrfach-Sonden und der Verteilung der Elektroden auf diesen. In dieser Anordnung hilft die strukturspezifische Information, die im Code XYZ beinhaltet ist, der Komponente 528 zur Herleitung der Position und dem Algorithmus 530 in 18 die Matrix der geschätzten Spannungsverteilung zu konstruieren und die erfassten Spannungsdifferenzen zu analysieren.
Die zentrale Prozessoreinheit 512 kann auch eine Komponente 550 enthalten (siehe 17), die elektronisch die strukturspezifischen Informationen bestimmt, um die Matrix der angenommenen Spannungsverteilung zu konstruieren und die festgestellten Spannungsdifferenzen zu analysieren. In dieser Anordnung bedingt die Komponente 550 nacheinander das Aussenden von Spannung von der Quelle 514 durch die Schaltungseinheit 554 von jeder Sondenelektrode (A,B) zur unbestimmten Elektrode 518, während die Spannung an der Rückführelektrode der Sonde durch das Schaltelement 524 und das Element zur Datenerfassung 522 gemessen wird. Hierbei sammelt die Komponente 550 einen ersten Datensatz, aus dem die Spannungsdifferenzen zwischen jeder Elektrode (A,B) abgeleitet werden kann.
Die Komponente 550 hat einen Eingang 552, durch den die Komponente 550 Daten erhält, die sich auf den linearen Abstand zwischen den nächsten Elektroden auf jeder Sonde 504 beziehen. Typischerweise werden die Elektroden 505 auf jeder Sonde 504 vom Hersteller im selben, linearen Abstand angebracht, so dass nur ein einziger linearer Abstand zum Eingangssignal wird. Der Arzt kann die Information über den linearen Abstand mittels des Eingangs 522 manuell eingeben. Alternativ kann der Input 552, der Information des linearen Abstands von einer kodierten Komponente 270 tragen, wie vorher beschrieben und in 10 dargestellt, und automatisch beim Verbinden der Sondenstruktur 510 mit der zentralen Prozessoreinheit 512 eingegeben werden. In dieser Anordnung können auch komplexere Informationen zu den linearen Abständen fertig eingegeben werden. Die Information über die linearen Abstände hat einen zweiten Satz Daten.
In Kenntnis der Information über die linearen Abstände zwischen nebeneinander liegenden Elektroden 505 aus dem zweiten Datensatz und der erfassten Spannungsdifferenzen zwischen diesen Elektroden 505 aus dem zweiten Datensatz leitet die Komponente 520 unter Verwendung konventioneller, bestehender Techniken die Abstände zwischen anderen, nicht nächstliegenden Elektroden 505 sowohl entlang einer Sonde 504 als auch zwischen den Sonden 504 ab. Die Komponente 550 generiert einen geometrischen Output 556, der entsprechend dem Code XYZ die Form und die Größe der Struktur der mehrfach-Sonden 510 und die Verteilung der Elektroden 505 auf diesen bezeichnet.
Das Ausgangssignal 556 schafft außerdem die Basis für die Berechnung des inneren Volumens der Struktur 510. Im Herz wird dieses innere Volumen der Struktur 510 typischerweise dem inneren Volumen der Herzkammer entsprechen, in der sie liegt. Das innere Volumen wird sich typischerweise auch dynamisch an die Veränderungen der Herzkammer während der Systole und der Diastole anpassen. Womit die Komponente 550 eine elektrische Analyse des Volumens der Herzkammer und der Veränderung des Volumens der Herzkammer während der Systole und der Diastole für therapeutische oder diagnostische Zwecke möglich macht. Die Komponente 550 kann hierbei unabhängig von oder in Verbindung mit einer Navigationsfunktion verwendet werden um die Herzmorphologie und die Herzfunktion zu charakterisieren.
In einer anderen Ausführungsform kann die Komponente 550 ein neuronales Netzwerk 558 enthalten (siehe 17), mit dem sie in situ die Funktion 534 von Abstand-zu-Spannung, insbesondere für eine gegebene Struktur 510 basierend auf der elektrisch erfassten Geometrie und Verteilung der Elektroden auf der Struktur 510, erzeugt. Das neuronale Netzwerk 558 wird zuerst an einem bekannten Datensatz trainiert, der vorher experimentell ermittelt wurde. Zum Beispiel kann das Netzwerk 558 bei der Verwendung eines Umkehrschlussmodels basierend auf strukturspezifischen Informationen zur Vorhersage eine Funktion 534 der Spannung-zum-Abstand trainiert werden. Wenn dann die Trainingsphase abgeschlossen ist, kann das Netzwerk 558 zur Vorhersage der Funktion von Spannung-zu-Abstand in situ verwendet werden.
Basierend auf den Informationen, die die zentrale Prozessoreinheit 214 (oder 512 in 17) durch das Eingangssignal 222 erhalten hat, konstruiert sie ein dreidimensionales Koordinatensystem, das ein virtuelles Abbild 290 des Energiefeldes 216 (oder 217 in 17) und der umgebenden Gewebsmasse T ist. 13 zeigt ein repräsentatives Abbild 290, das auf zwei Ortungssonden basiert. In 13 gibt das virtuelle Abbild 290 die Position der Ortungssonden an (bezeichnet mit "Sonde X" und "Sonde Y" in 13) und ebenso zeigt es die Geometrie und den Ort der isopotentialen Flächen (bezeichnet mit X(1) bis X(3) und Y(1) bis Y(3) in 13). Das virtuelle Abbild 290 zeigt die Position des operativen Elements 202 (bezeichnet mit "Instrument" in 10) im Energiefeld 216, sowie es die Koordinaten des operativen Elements anzeigt (bezeichnet als "Koordinaten: X(2) Y(2)" in 10). Die zentrale Prozessoreinheit 214 führt kontinuierlich Differenzvergleiche durch und aktualisiert das virtuelle Abbild 290 um eine Echtzeitanzeige für den Arzt bereitzustellen.
IV. Verwendung von Mehrfach-Wellenformen
Das Ortungs- und Navigationssystem der Art, die vorangehend beschrieben wurde, erzeugt ein Energiefeld unter Anwendung einer Einzel-Wellenform. Mehrfach-Wellenformen können simultan angewendet werden um verbesserte Ablaufeffizienzen zu erzielen, wenn dafür gesorgt ist, dass die verschiedenen Wellenformen vom Standpunkt der Signalverarbeitung aus orthogonal sind. Vorbilder für unterschiedliche, orthogonale Signalverarbeitungen enthalten Wellenformsignale mit differierenden Frequenzen, Wellenformsignale der selben Frequenz aber mit einer Phasenverschiebung von 90° und Wellen aus nicht korrelierenden Quellen mit weißem Rauschen.
A. Differenzanalyse der Wellenform mittels unterschiedlicher Wellenformen
20 zeigt ein System 700, das ein operatives Element 702 im Raum S durch die Erzeugung unterschiedlicher Wellenformen, die von zwei Sonden 706 und 708 kommen, lokalisiert.
In vielen Hinsicht teilt das System 700 gebräuchliche Elemente des Systems 100 aus 4. Die Ortungssonden 706 und 708 sind im allgemeinen wie die Ortungssonden 106 und 108, die in 4 dargestellt sind. Die Elektroden, die von der Ortungssonde 706 getragen werden, sind mit X(1) bis X(6) bezeichnet und die Elektroden auf der Ortungssonde 708 sind mit Y(1) bis Y(5) bezeichnet. Jede Ortungssonde 706 und 708 hat auch eine Rückführelektrode, benannt als RX für die Sonde 706 und als RY für die Sonde 708. Wie in 4 sind die Ortungssonden 706 und 708 in einem nicht parallelen Verhältnis relativ zueinander positioniert. Wie in 4 trägt das operative Element 702 ein Sensorelement 704.
Das System 700 schließt eine erste Wellenquelle WF1 ein, die mit der Sonde 708 verbunden ist. Das System hat außerdem eine zweite Wellenquelle WF2. Die erste Wellenform WF1 ist verschieden aber orthogonal zur zweiten Wellenform WF2. In der dargestellten Ausführungsform haben die Wellenformen WF1 und WF2 verschiedene Frequenzen und die Quellen besitzen getrennte Oszillatoren 720 und 722.
Die Sonde 708 ist über die Schaltungseinheit 710 und einem ersten Filter F1 für die Wellenform WF1 mit dem Invertier-(–)-Eingang eines Differenzverstärkers 712 verbunden. Die Sonde 706 ist ebenfalls durch eine zweite Schaltungseinheit 714 und einem zweiten Filter F2 für die WF2 mit dem Invertier-(–)-Eingang des Differenzverstärkers 712 verbunden. Das Sensorelement 704 auf dem operativen Element 702 ist an den Nichtinvertier-(+)-Eingang des Differenzverstärkers 712 angeschlossen. Der Ausgang des Differenzverstärkers 712 ist mit dem Element zur Datenerfassung 716 verbunden. Das Element zur Datenerfassung 716 besitzt einen Gleichrichter, eine Peak Detektor, ein Abtasthalteelement und einen analog/digital Wandler, die verknüpft sind wie in 3 dargestellt, um unter der Kontrolle der zentralen Prozessoreinheit 718 die Ausgabe der Differenz in der schon beschriebenen Art und Weise zu erarbeiten.
Unter der Kontrolle der zentralen Prozessoreinheit 718 beaufschlagen die mehrfach-Oszillatoren 720 bis 722 simultan die Elektrode Y(1) mit der Wellenform WF1, zur Erdung durch die Rückführelektrode RY, und mit der unterschiedliche Wellenform WF2 die Elektrode X(1), zur Erdung durch die Rückführelektrode RX.
Die zentrale Prozessoreinheit 718 betätigt die Schaltungseinheiten 710 und 714 um simultan zwei Spannungsdifferenzen zu erfassen, eine für die Wellenform WF1 zwischen dem Sensorelement 704 und der Elektrode Y(1) und das andere für die Wellenform WF2 zwischen dem Sensorelement 704 und der Elektrode X(1). Der Differenzverstärker 712 erhält somit Phaseninformationen für zwei Wellenformen simultan entlang der isopotentialen Flächen TX(1) und TY(1).
Wie gehabt steuert die zentrale Prozessoreinheit 718 die Schaltungseinheiten 710 und 740 zur simultanen Erfassung zweier Spannungsdifferenzen für die Wellenformen WF1 und WF2 zwischen dem Sensorelement 704 und den Elektroden Y(2)/X(2), dann Y(3)/X(3) und so weiter. Damit bekommt der Differenzverstärker 712 Phaseninformationen für zwei Wellenformen simultan entlang der isopotentialen Flächen TX(2)/TY(2), dann TX(3)/TY(3), usw. Diese simultane Erfassung der Phaseninformationen von zwei Wellenformen WF1 und WF2 wird von dem Datenerfassungselement 716 für die Erzeugung einer positionsanzeigenden Ausgabe durchgeführt. Eine größere Verarbeitungseffizienz kann damit erwartet werden.
B. Analyse der Signalamplitude mittels unterschiedlicher Wellenformen
21 zeigt ein System 800, in dem mehrfach-Oszillatoren 802, 804, 806 und 808 verschiedene Wellenformen WF1, WF2, WF3 und WF4 simultan an mehrfach-Elektronden, insbesondere E(1), E(2), E(3) und E(4) einer einfach-Elektrode 810 und einer unbestimmten Rückführelektrode 830 anlegen. Wie oben beschrieben sind die unterschiedlichen Wellenformen WF1, WF2, WF3 und WF4 senkrecht im bestehenden Sinne der Signalverarbeitung, zum Beispiel besitzen sie unterschiedliche Frequenzen. Solange die Wellenformen simultan an alle Elektroden E(1) bis E(4) angelegt sind, ist kein Schalten der Eingänge erforderlich.
Alle Elektroden E(1) bis E(4) der Sonde 810 sind verbunden mit einem Ausgangsschalter 812. Der Ausgangsschalter 810 ist der Reihe nach mit den Filtern F(1), F(2), F(3) und F(4) für die Frequenzen von, entsprechend, WF1, WF2, WF3 und WF4 verbunden. Die Ausgänge der Filter F1, F2, F3 und F4 sind an dem Invertier-(–)-Eingang des Differenzverstärkers 814 angeschlossen. Das Sensorelement 816, das auf dem operativen Element 818 sitzt ist mit dem Nichtinvertier-(+)-Eingang des Differenzverstärkers 814 verbunden.
Der Ausgang des Differenzverstärkers 814 hängt am Datenerfassungselement 820. Das Datenerfassungselement 820 hat einen Gleichrichter, einen Peak Detektor, ein Abtasthalteglied und einen analog/digital Wandler, die entsprechend 3 verbunden sind, um die Ausgabe der Differenz in der bereits beschriebenen Art und Weise zu verarbeiten, kontrolliert durch die zentrale Prozessoreinheit 818.
Unter der Kontrolle der zentralen Prozessoreinheit 818 erfasst das Datenerfassungselement 820 simultan die Differenzamplitude der Wellenform WF1 zwischen dem Sensorelement 816 und der Elektrode E(1), die Amplitude der Differenz der Wellenform WF2 zwischen dem Sensorelement 816 und der Elektrode E(2), die Differenzamplitude der Wellenform WF3 zwischen dem Sensorelement 816 und der Elektrode E(3) und die Differenzamplitude WF4 zwischen dem Sensorelement 816 und der Elektrode E(4). In dem Maße, in dem die Größe der Differenz wächst als Funktion des wachsenden Abstands zwischen den Sondenelektroden und dem Sensorelement 816, ist das Datenerfassungselement 816 in der Lage, simultan den Abstand im Hinblick auf jede Sondenelektrode E(1), E(2), E(3) und E(4) abzuleiten.
C. Iterative Spannungsanalyse mittels Mehrfach-Wellenformen
22 zeigt ein System 900 zur Ausführungsform einer iterativen Spannungsanalyse unter Verwendung von Mehrfach-Wellenformen zur Bestimmung des Ortes eines operativen Elements 902 im Raum S, der durch eine zusammengesetzte, dreidimensionale Korbstruktur 910 begrenzt wird, wie diejenige, die in 17 dargestellt ist.
Wie in 17 hat die zusammengesetzte Struktur 910 in 22 acht Ortungssonden 904 und jede Sonde trägt der Reihe nach acht Elektroden 905, die über dem Raum S positioniert sind. Wie in 17 identifiziert 22 die Elektroden 905 mit der Bezeichnung (A,B), wobei A = 1 bis p und B = 1 bis e ist, mit p als Gesamtzahl der Sonden 904 und e als Anzahl der Elektroden 905 auf jeder Sonde 504 (in der dargestellten Form ist p = 8 und e = 8).
Im Unterschied zu 17 trägt das operative Element 912 zwei Sendeelektroden 912 und 914. Mehrfach-Oszillatoren 916 und 918 legen verschiedene Wellenformen WF1 und WF2 simultan an die Elektroden 912 und 914 an. Die verschiedenen Wellenformen WF1 und WF2 sind orthogonal im bestehenden Sinn der Signalverarbeitung, beispielsweise besitzen sie unterschiedliche Frequenzen. Entsprechend 21 sind keine Schaltungen der Eingänge erforderlich, solange die Wellenformen simultan an beiden Elektroden 912 und 914 anliegen.
In der Art und Weise, die im Hinblick auf das System 500 aus 17 beschrieben ist, bedingt die zentrale Prozessoreinheit 920 die Elektrode 912 und die Elektrode 914 zur simultanen Aussendung der wellenförmigen Energie WF1 und WF2 zu einer Rückführelektrode 922. Jede Sondenelektrode (A,B) ist über einen Schalter 924 mit zwei Filtern F1 und F2 für die Frequenzen der Wellenformen verbunden, hier WF1 und WF2. Ein Datenerfassungselement 926 erhält hierbei simultan Eingangssignale von zwei Wellenformen WF1 und WF2.
Zum Beispiel könnte das Eingangssignal von der Wellenform WF1 eine erfasste Spannung zur Verwendung durch den Algorithmus 530 (gezeigt in 18) für die Erzeugung des positionsanzeigenden Ausgangssignals 528 liefern. Das Eingangssignal von der Wellenform WF2 könnte Informationen zur Phase und Amplitude liefern, die mit den Informationen über die Phase und Amplitude der Wellenform WF1 verglichen werden, sodass die Orientierung des operativen Elements 12 ermittelt werden kann. Durch die Verwendung von Mehrfach-Wellenformen macht das System 900 die Ableitung von sowohl dem Ort als auch der Orientierung möglich.
In gestrichelten Linien ist in 22 ein zweites operatives Element 902' dargestellt, das im Raum S, der von der Korbstruktur 910 umgeben wird, anwesend sein könnte. Das zweite operative Element 902' trägt mindestens eine Sendeelektrode 912'. Kontrolliert durch die zentrale Prozessoreinheit 920 sendet das erste operative Element 902 die erste Wellenform WF1, während die Elektrode 912' des zweiten operativen Elements 902' die zweite Wellenform WF2 aussendet. Ein Element zur Datenerfassung 926 erhält hierbei simultan Eingangssignale der zwei Wellenformen WF1 und WF2 über die Filter F1 und F2. Der Eingang von der Wellenform WF1 könnte eine erfasste Spannung zur Verwendung im Algorithmus 530 (gezeigt in 18) zur Erzeugung eines positionsanzeigenden Ausgangssignals 528 für das erste operative Element 902 liefern, während der Eingang von der Wellenform WF2 eine erfasste Spannung liefert, die von dem Algorithmus aus 18 zur Berechnung eines positionsanzeigenden Ausgangssignals 528 für das zweite operative Element 902' genutzt wird. Durch den Einsatz von Mehrfach-Wellenformen ist das System 900 in der Lage, Ortungsinformationen für mehrere operative Elemente anzubieten.
Im Bezug auf alle Ausführungsformen in dieser Spezifikation, in der ein Datenerfassungselement über eine Schaltungseinheit mit mehrfach-Sondenelektroden verbunden ist, sollten vorzugsweise parallele, unabhängige Kanäle zur Datenerfassung, die jeweils ihre eigenen Verarbeitungskomponenten haben und die mit einer einfach-Sondenelektrode verbunden sind, ausgetauscht werden können.
V. Führende Abtragungsfelder aus mehrfach-Elektroden
14 zeigt eine Struktur 400 aus mehrfach-Elektroden, die im rechten Vorhof des Herzen liegt. Die Struktur 400 ist flexibel und trägt einen Lenkungsmechanismus (nicht dargestellt), durch den die Struktur 400 in gekrümmte Form gebogen werden kann. Die Struktur 400 trägt ein Netz von Elektroden 402, die hochfrequente Energie zur Abtragung von Myokardialgewebe aussendet.
Die Elektroden 402 werden vorzugsweise in einem unipolaren Modus betrieben, in dem die hochfrequente Abtragungsenergie von den Elektroden 402 ausgesendet und durch die unbestimmte Elektrode 404, die extern auf der Haut des Patienten liegt, geerdet wird. Alternativ kann die Elektrode 402 in einem bipolaren Modus betrieben werden, in dem die Abtragungsenergie von einer oder mehreren Elektroden 402 ausgesendet wird und über eine nahegelegene Elektrode 402 der Struktur 400 wieder zurückfließt.
Die Größe und Lage der Elektroden 402 sind zweckmäßigerweise so gesetzt, dass sie kontinuierliche, lange Verletzungsmuster im Gewebe erzeugen, die nützlich bei der Behandlung von Kammerflimmern sind. 15 zeigt so ein repräsentatives, langes, kontinuierliches Verletzungsmuster 406 im Gewebe T. Das lange, kontinuierliche Verletzungsmuster 406 ist durch einen zusätzlichen Erhitzungseffekt zwischen den Elektroden 402 entstanden. Bedingt durch dieser zusätzliche Erhitzungseffekt überspannt das Verletzungsmuster 406 die nächsten, nebeneinander liegenden Elektroden 402.
Der zusätzliche Erhitzungseffekt tritt auf, wenn entweder der Raum zwischen den Elektroden 402 kleiner oder gleich dem dreifachen des kleinsten Durchmessers der Elektroden 402 ist, oder wenn der Raum zwischen den Elektroden 402 kleiner oder gleich dem zweifachen der längsten Länge der Elektroden 402 ist. Wenn die Elektroden 402 in einer oder in beiden, dieser Arten angeordnet sind, erzeugt die simultane Anwendung hochfrequenter Energie durch die Elektroden 402 sowohl im bipolaren als auch im unipolaren Modus das längliche, kontinuierliche Verletzungsmuster 406, das in 15 versinnbildlicht ist.
Die U.S. Patentanmeldung, Seriennummer 08/566,291 vom 1. Dezember 1995 mit dem Titel "Systems and Methods for Creating Complex Lesion Patterns in Body Tissue" hat weiterführende Details bezüglich Systemen und Methoden zur Erzeugung komplexer, langer Verletzungsmuster in Myokardialgewebe. Diese Anmeldung ist hiermit als Referenz eingeführt.
Wenn die vorher festgelegten Bedingungen für die Anordnung nicht eintreffen entsteht kein zusätzlicher Erhitzungseffekt und ein stückweises oder unterbrochenes Verletzungsmuster wird erzeugt. 16 zeigt ein repräsentatives, derartig unterbrochenes Verletzungsmuster 408 im Gewebe T. Das unterbrochene Verletzungsmuster 408 ist charakterisiert durch Verletzungsbereiche 412, die durch Lücken 410 mit Gewebe ohne Verletzung voneinander getrennt sind.
Ein unterbrochenes Verletzungsmuster 408 kann ebenfalls entstehen, selbst mit einwandfreien Lücken zwischen den Elektroden 402, wenn zwischen den Elektroden 402 und dem Gewebe kein ausreichender Kontakt besteht, oder wegen anderen Anordnungseffekten außerhalb der direkten Kontrolle des Arztes. Nach der Abtragung kann eine Analyse eines intrakardialen Elektrogramms oder eine intrakardiale Abbildung der Abtragungsregion oder beides nacheinander verwendet werden, um die Existenz von nicht beabsichtigten, unterbrochenen Verletzungsmustern 408 aufzudecken. In dieser Situation kann der Arzt eine Hilfselektrode 414 zur Abtragung einsetzten (in 14 dargestellt), um das Gewebe in den Lücken 410 zu entfernen und damit das gewünschte Verletzungsmuster zu vervollständigen.
14 hat das dreidimensionale Ortungssystem 200, das bereits beschrieben wurde und das genauer in 9 gezeigt wird. Unter der Kontrolle der zentralen Prozessoreinheit 214 (vorangehend beschrieben) ortet und hilft das System 200 dem Arzt, die Struktur 400 der mehrfach-Elektroden in den rechten Vorhof zu führen, sowohl vor als auch während des Abtragungsvorgangs.
In 14 besitzt die zentrale Prozessoreinheit 214 eine Komponente 416, die die Orte von jeder Abtragungselektrode 402 bei der Abtragung aufzeichnet. Die Position von jeder Elektrode 402 wird in der selben Art und Weise aufgezeichnet wie die Position des Sensorelements 218 in 9 erfasst wird, mit Hilfe des Vergleichs der Differenzen der Wellenphasen zwischen jeder Abtragungselektrode 402 und der nacheinander eingeschalteten Sendeelektroden, die auf den Ortungssonden 204, 206 und 208 sitzen.
Wenn eine Verletzungslücke entdeckt wird, ruft das System 200 die aufgezeichneten Koordinaten der Abtragungselektrode aus der Komponente 416 wieder auf. Aus diesen Koordinaten der Abtragungselektroden können die Koordinaten der Lücke 410 selbst abgeleitet werden. In Kenntnis der Koordinaten der Lücke kann das System 200 eingesetzt werde, um die Hilfselektrode für die Abtragung 414 in die Lücke 410 zu führen. Diese Rückmeldung, die vorzugsweise kontinuierlich, in Echtzeit aktualisiert wird, sowie der Arzt die Hilfselektrode zur Abtragung 414 bewegt, führt den Arzt bei der Platzierung der Abtragungselektrode 414 zu der gewählten Stelle der Abtragungslücke, um dort das gewünschte Verletzungsmuster zu vervollständigen.
Unterschiedliche Eigenschaften der Erfindung werden in den folgenden Ansprüchen fortgesetzt.

Claims

System (10, 100, 200, 300, 500, 700, 800, 900) zum Lokalisieren eines oder mehrerer operativer Elemente (12, 102, 172, 202, 302, 402, 502, 702, 802, 902) in einem inneren Körperraum (S) eines Patienten, mit: einer oder mehrerer interner Ortungssonden (14, 106/108, 152, 204/206/208, 306/308, 504, 706/708, 810, 904), von denen jede ein oder mehrere Lokalisierungselemente (26, X/Y, TE, 505, E, 905) hat; einem oder mehreren Sensor- oder Sendeelementen (16, 104, 174, 218, 304, 402, 516, 704, 816, 912), die so ausgeführt sind, dass sie von jeweiligen ein oder mehreren operativen Elementen getragen werden können; und einem Verarbeitungselement (18, 112, 164, 214, 312, 512, 718, 818, 920), das so ausgeführt ist, dass es ein lokales Energiefeld (20, 110, 162, 216, 310, 517) zwischen jedem Sensor- oder Sendeelement und jedem Lokalisierungselement erzeugt, und dass es ein positionsanzeigendes Ausgangssignal (42, 124, 220, 528) generiert, das den Ort von jedem Sensor- oder Sendeelement relativ zu jedem Lokalisierungselement anzeigt, basierend auf einer erfassten Charakteristik von jedem örtlich begrenzten Energiefeld.
System gemäß Anspruch 1, wobei das örtlich begrenzte Energiefeld elektrisch ist.
System gemäß Anspruch 1, wobei das Verarbeitungselement eine zentrale Prozessoreinheit hat.
System gemäß Anspruch 1, das ferner eine Anzeigeeinheit (36, 126, 221) hat, die zur Darstellung eines Bildes vorgesehen ist, das auf dem positionsanzeigenden Ausgangssignal basiert, und deren Bild den Ort von jedem beweglichen Element in einem inneren Körperraum anzeigt.
System gemäß Anspruch 4, wobei das Bild ein dreidimensionales Bild ist.
System gemäß Anspruch 1, wobei jede Ortungssonde ferner ein Rückführelement (28, RX, RY, RE, 518, 830, 922) hat, das für jedes örtlich begrenzte Energiefeld einen Rückführpfad hat.
System (100, 200, 300, 500, 700, 900) gemäß Anspruch 1, wobei die eine oder mehreren Ortungssonden eine Mehrzahl von Ortungssonden (106/108, 152, 204/206/208, 306/308, 504, 706/708, 904) aufweist, wobei das Verarbeitungselement (112, 164, 214, 312, 512, 718, 920) so ausgeführt ist, dass es örtlich begrenzte Energiefelder (110, 162, 216, 310, 517) zwischen jedem Sensor- oder Sendeelement und den Lokalisierungselementen (X/Y, TE, 505, 905) erzeugt.
System (100, 200, 300, 700) gemäß Anspruch 7, wobei die Mehrzahl von Ortungssonden (106/108, 204/206/208, 306/308) in einem inneren Körperraum in einem Abstand von einander sowie nicht aneinander angebracht angeordnet sind.
System gemäß Anspruch 7 (500, 900), wobei die Mehrzahl von Ortungssonden (152, 504, 904) in einem inneren Körperraum in einer dreidimensionalen Korbstruktur (150, 510, 910) angeordnet sind.
System gemäß Anspruch 9, wobei das Verarbeitungselement so aufgebaut ist, dass es geometrische Informationen erhalten kann, die für einen Abstand zwischen benachbarten Lokalisierungselementen bezeichnend sind, und die Position der Lokalisierungselemente relativ zu jedem anderen basierend auf den geometrischen Informationen bestimmen kann.
System (10, 800) gemäß Anspruch 1, wobei die eine oder mehreren Ortungssonden eine Einzel-Ortungssonde (14, 810) haben, und wobei das Verarbeitungselement (18, 818) für die Erzeugung eines lokalen Energiefeldes (110) zwischen jedem Sensor- oder Sendeelement (16, 816) und jedem der ein oder mehreren Lokalisierungselemente (26, E) ausgestaltet ist.
System (10, 100, 200, 300, 700, 800) gemäß Anspruch 1, wobei jedes Lokalisierungselement ein Sendeelement (26, X/Y, TE, E) hat und jedes Sensor- oder Sendeelement ein Sensorelement (16, 104, 174, 218, 304, 402, 704, 816) hat.
System (500, 900) gemäß Anspruch 1, wobei jedes Lokalisierungselement ein Sensorelement (505, 905) hat und jedes Sensor- oder Sendeelement ein Sendeelement (516, 912) hat.
System gemäß Anspruch 1, wobei jedes Sensor- oder Sendeelement und jedes Lokalisierungselement eine Elektrode hat.
System gemäß Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Lokalisierungselemente eine Mehrzahl von Lokalisierungselementen haben.
System (10, 100, 200, 300, 700, 800) gemäß Anspruch 1, wobei das Verarbeitungselement (18, 112, 164, 214, 312, 718, 818) so ausgeführt ist, dass es jedes Lokalisierungselement (26, X/Y, TE, E) steuert, um ein wellenförmiges, elektrisches Ausgangssignal (W_O, A_O) im inneren Körperraum zu erzeugen, dass es jedes Sensor- oder Sendeelement (16, 104, 174, 218, 304, 402, 704, 816) steuert, um eine jeweilige, lokale, elektrische Wellenform (W_S, A_S) im inneren Körperraum zu erfassen, und dass es das positionsanzeigende Ausgangssignal (42, 124, 220) basierend auf einem Differenzvergleich von jedem elektrischen, wellenförmigen Ausgangssignal und jeder jeweiligen, erfassten, lokalen, elektrischen Wellenform erzeugt.
System gemäß Anspruch 16, wobei das Verarbeitungselement so ausgeführt ist, dass es jedes Sensor- oder Sendeelement steuert, um die Phase von jeder lokalen, elektrischen Wellenform im inneren Körperraum zu erfassen, und dass es das positionsanzeigende Ausgangssignal wenigstens teilweise basierend auf der Phasendifferenz zwischen jedem wellenförmigen Ausgangssignal (W_O) und jeder jeweiligen, gemessenen, lokalen Wellenform (W_S) erzeugt.
System gemäß Anspruch 16, wobei das Verarbeitungselement so ausgeführt ist, dass es jedes Sensor- oder Sendeelement steuert, um die Amplitude von jeder lokalen, elektrischen Wellenform im inneren Körperraum zu erfassen, und dass es das positionsanzeigende Ausgangssignal zumindest teilweise basierend auf der Amplitudendifferenz zwischen jedem wellenförmigen Ausgangssignal (A_O) und jeder jeweiligen, erfassten, elektrischen Wellenform (A_S) erzeugt.
System (10, 100, 200, 300, 700, 800) gemäß Anspruch 1, das ferner eine Mehrzahl von Lokalisierungselementen (26, X/Y, TE, E) hat, die von einer oder mehreren Ortungssonden (14, 106/108, 152, 204/206/208, 306/308, 706/708, 810) getragen werden, wobei das Verarbeitungselement (16, 104, 174, 218, 304, 402, 704, 816) so ausgeführt ist, dass es die Mehrzahl der Lokalisierungselemente steuert, um eine entsprechende Mehrzahl von elektrischen, wellenförmigen Ausgangssignalen (W_O) im inneren Körperraum zu erzeugen, dass es jedes Sensor- oder Sendeelement (16, 104, 174, 218, 304, 402, 704, 816) steuert, um eine entsprechende Mehrzahl von lokalen, elektrischen Wellenformen (W_S) im inneren Körperraum zu erfassen, und dass es ein positionsanzeigendes Ausgangssignal (42, 124, 220) basierend auf einem Differenzvergleich der jeweiligen, elektrischen, wellenförmigen Ausgangssignale und der jeweiligen, erfassten, lokalen, elektrischen Wellenform erzeugt.
System (500, 900) gemäß Anspruch 1, das ferner eine Mehrzahl von Lokalisierungselementen (505, 905) hat, die von der einen oder mehreren Ortungssonden (504, 904) getragen werden, wobei das Verarbeitungselement (512, 920) so ausgeführt ist, dass es ein Spannungswerteverteilungsmuster zwischen der Mehrzahl von Lokalisierungselementen und jedem der Sensor- oder Sendeelemente (516, 912) erzeugt und dass es den Ort von jedem Sensor- oder Sendeelement relativ zu der Mehrzahl von Lokalisierungselementen basierend auf dem Spannungswerteverteilungsmuster bestimmen.
System gemäß Anspruch 20, wobei das Verarbeitungselement so ausgeführt ist, dass es das Spannungswerteverteilungsmuster iterativ mit einem geschätzten Spannungswerteverteilungsmuster vergleicht, um den Ort von jedem Sensor- oder Sendeelement relativ zu der Mehrzahl von Lokalisierungselementen zu bestimmen.
System gemäß Anspruch 19, wobei eine oder mehrere Ortungssonden eine Mehrzahl von Ortungssonden hat.
System gemäß Anspruch 22, wobei die Mehrzahl von Ortungssonden so zusammengebaut ist, dass sie die Form einer dreidimensionalen Korbstruktur (510, 910) bildet.
System (700, 800, 900) gemäß Anspruch 1, das ferner eine Mehrzahl von Lokalisierungselementen (X/Y, E, 905) hat, die von einer oder mehreren Ortungssonden (706/708, 810, 904) getragen werden, wobei das Verarbeitungselement(718, 818, 920) so ausgeführt ist, dass es simultan orthogonale, örtlich begrenzte Energiefelder zwischen dem einen oder mehreren Sensor- oder Sendeelementen (704, 816, 912) und der Mehrzahl von Lokalisierungselementen erzeugt.
System (900) gemäß Anspruch 24, wobei das eine oder mehrere Sensor- oder Sendeelement ein erstes und ein zweites Sensor- oder Sendeelement (912) hat, und wobei das Verarbeitungselement (920) so ausgeführt ist, dass es simultan eine erste Mehrzahl von Energiefeldern zwischen dem ersten Sensor- oder Sendeelement (912) und der Mehrzahl von Lokalisierungselementen (905) erzeugt, und einen zweiten, orthogonalen Satz von Energiefeldern zwischen dem zweiten Sensor- oder Sendeelement (914) und der Mehrzahl von Lokalisierungselementen erzeugt.
System (700, 800) gemäß Anspruch 24, wobei das eine oder mehrere Sensor- oder Sendeelemente ein einzelnes Sensor- oder Sendeelement hat, und wobei das Verarbeitungselement (718, 818) so ausgeführt ist, dass es simultan ein erstes Energiefeld zwischen dem Sensor- oder Sendeelement und einem der Mehrzahl von Lokalisierungselementen (X/Y, E) und ein zweites Energiefeld zwischen dem Sensor- oder Sendeelement und einem anderen der Mehrzahl von Lokalisierungselementen erzeugt.