JP4610560B2 - カテーテルをナビゲートする機器及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、周期的な内在動作の影響を受ける脈管系内を、カテーテルをナビゲートするナビゲーションシステム及び方法に係る。

診断又は治療目的で行われるカテーテル検査の際、処置を行っている医師が、可能な限り正確に患者の脈管系における器具（カテーテルの先端、ガイドワイヤ等）の現在の位置を知ることが非常に重要である。臨床実務では、この目的は、通常、患者の体内にあるカテーテルの動作がＸ線によってモニタリングされることによって達成される。この場合、放射線を透過しないマーカーがカテーテルに付され得る。更に、Ｘ線画像上において、可能な限り最良の脈管の進路の表現が得られるよう、Ｘ線造影剤が更に時には注入される。しかし、このやり方は、Ｘ線照射及び造影剤の観点では患者に比較的高い緊張をもたらし、Ｘ線照射の観点では、医療スタッフにも緊張をもたらすという不利点を有する。

上述した理由から、造影剤の投与を用いてほんの数枚のＸ線画像を撮るだけでよく、カテーテルは、これらの静止画像、即ち、「ロードマップ」上でモニタリングされるカテーテルナビゲーションが所望される。カテーテルの現在の空間位置及び向きは、この場合、例えば、磁場を用いた位置探査といった好適な方法によって決定されなければならない。しかし、このような静止ロードマップを用いた方法は、モニタリングされている体容積が動き、それにより、幾何学的に静止ロードマップにもはや一致しなくなる場合に問題となる。この点について、患者の全体的な動作は、患者に対する注意深い指示、安定した位置決め、及び沈静作用といった方法によってエラーの原因として実質的に取り除かれ得る。しかし、呼吸や心拍による体の臓器の周期的な内在動作は回避することはできない。これらの動作は、当然ながら、例えば、冠状管といった胸部領域における臓器の検査の際には特に障害となる。

この点について、特許文献１は、体の周期的な内在動作の様々なフェーズにおいて撮られた多数のロードマップを使用することによってより良好な位置精度を達成しようと試みる方法を開示する。この場合、例えば、心臓といった体の周期的に動く臓器の多数の３次元画像を有する画像データベースが、カテーテル検査の前に生成され、また、画像と同時に動作信号（ＥＣＧ、呼吸信号）が記録される。続く医用介入の際に、器具、更に、基準プローブの空間位置が位置探査装置によって決定され、また、動作信号が同時に記録される。この動作信号によって、体の臓器の動作フェーズに関して関連のある３Ｄ画像が画像データベースから選択され、表示目的のために使用可能である。公知の方法の１つの不利点は、特に、それに伴う高い費用である。
独国公開特許第１９９４６９４８号

この背景に対して、本発明は、体の周期的な内在動作を補正して脈管系における器具のより簡単なナビゲーションのための手段を提供することを目的とする。

この目的は、請求項１の特徴を有するナビゲーションシステムと、請求項１０の特徴を有する方法によって達成される。有利な改良点は、従属項に記載する。

本発明のナビゲーションシステムは、（少なくとも）１つの周期的な内在動作の影響を受ける脈管系内を、カテーテルをナビゲートするために使用される。内在動作は、特に、心拍及び／又は呼吸によって引き起こされ得る。更に、「カテーテル」という用語は、広意義で理解されるべきであり、また、患者の脈管系の中を制御された方法で動かされる任意の器具を包含する。ナビゲーションシステムは、以下の構成要素を有する。

ａ）時系列の位置信号を記録するよう設計される位置探査装置。各位置信号は、関連付けられる測定時間におけるカテーテルの空間位置を示す。この点について、「カテーテルの位置」という表現は、カテーテルの少なくとも１つの選択された点の、例えば、デカルト座標により表現される空間位置ｒを意味することを理解するものとする。「位置」という用語は、例えば、３つの角度によって表現されるカテーテルの向きも可能である場合は包含する。更に、「時系列」という用語は、各位置信号について、関連付けられる測定時間ｔが、時間座標として既知であることを示す。従って、時系列は、一般的に、空間−時間座標（ｒ，ｔ）から構成される。

ｂ）位置探査装置に結合され、上述の時系列の位置信号をフィルタリングすることによって、関連の周期的な内在動作について補正されたカテーテルの軌道を計算するよう設計されるデータ処理装置。「補正された軌道」は、従って、脈管系の内在動作なしでとり得るカテーテルの位置を反映する。本願におけるフィルタリングは、オリジナルのデータ記録と所定のアルゴリズムに基づいたデータ記録の再計算によって決定される。好適なフィルタリング方法の例は、従属項を参照しながら説明される。

記載するナビゲーションシステムは、位置探査装置を使うだけで脈管系におけるカテーテルの動作をモニタリングすることを可能にする利点を有する。混乱の原因となる体の内在動作は、得られた測定データのフィルタリングによって補正される。このようにして得られた補正軌道は、例えば、静止ロードマップ上に表示されることが可能である。これらのロードマップを記録するために、患者は、Ｘ線照射、及び、一回だけ又は一回だけではなかったとしてもほんの数回の造影剤に晒されなければならない。更に、介入時に、連続的に繰り返されるＸ線画像の撮影又は例えばＥＣＧといった他の生理学的パラメータの測定はいずれも必ずしも必要ではない。更に、単一のロードマップの可能な使用は、処置をする医師に連続的な背景画像を与える利点を有する。これは、医師が、観察されるべきカテーテルの動作に十分に集中することを可能にする。

ナビゲーションシステムの第１のオプショナルの実施例では、位置信号列のフィルタリングは、以下の段階を有する。

ａ）時系列の位置信号の周波数スペクトルを計算する段階。これらの位置信号は、時間（位置信号が記録された時間）の関数として記録される。従って、周波数解析は、それぞれ関連付けられる時点におけるカテーテルの測定位置を示す位置ベクトルｒ（ｔ）の時間的な経過を特に見る。

ｂ）位置信号列の上述した計算された周波数スペクトルの振幅を低減することによってフィルタリングされた周波数スペクトルを計算する段階。振幅は、考慮される周期的な内在動作を特徴付ける１つ以上の周波数窓において低減される。補正されるべき周期的な内在動作が心拍である場合、例えば、特徴周波数窓は、心拍周波数とその倍数である。これは、これらの周波数において発生するカテーテルの連続的に測定される軌道の動作部分は、非常に高い確率で心拍によって引き起こされているからである。これらの部分の振幅を低減することによって、心拍のカテーテルの軌道スペクトルへの影響は、除去されることが可能である。振幅は、考慮される特徴周波数窓の端における振幅と同じような値に低減されることが好適である。周期的な内在動作によって引き起こされる振幅の最高点は、従って、平らにされる。

ｃ）最後に、段階ｂ）によりフィルタリングされたスペクトルから補正された軌道を合成（複合）する段階が行われる。特徴周波数窓において振幅を抑制することによって、補正された軌道は、脈管系の周期的な内在動作によって引き起こされた偏差をもはや有さない。

上述したフィルタリング方法では、上述した特徴周波数窓は、段階ａ）において計算された周波数スペクトルの局所的な極大値の位置から好適に得られる。局所的な極大値は、次に、段階ｂ）において除去されるか又は平らにされる。心拍といった体の周期的な内在動作によって引き起こされたカテーテルの軌道における偏差は、通常、心臓周波数及びその倍数における周波数スペクトルでの極大値をもたらす。これは、混乱の原因となる内在動作が、周波数スペクトルの形で認識可能であり、適宜に補正されることが有利である。

位置信号列をフィルタリングする別の実施例では、位置信号のスライディング中心が、考慮される脈管系の周期的な内在動作を特徴付ける時間間隔に亘って計算される。特に、この時間間隔は、例えば、心拍の継続時間といった動作周期の継続期間であり得る。そのような時間間隔からの全ての位置信号は、従って、補正された軌道に組み合わされ、それにより中心を与える。このようなタイプのフィルタリングは、考慮される内在動作の周期の間の脈管系の任意の点は、他の重ねられる動作がない場合又はこれらの重ねられる動作が既に別の方法で補正される場合には、基本的に閉じた曲線で動くという事実に基づいている。従って、そのような曲線の中心は、周期的な内在動作が除去された特徴位置を表し、また、この位置は、ナビゲーション目的のために、脈管系内のカテーテルの位置として見なされることが可能である。同様の検討事項が、周期的に変動するカテーテルの向きについても適用され、それにより、この場合も、中心の形成は、有用な平均値を供給する。

ナビゲーションシステムの１つの展開例では、ナビゲーションシステムは、心電図（ＥＣＧ）を記録するための測定システムを有する。この測定システムはデータ処理装置に結合される。既に述べたように、心拍は、補正されなければならない脈管系の特に重要な周期的な内在動作である。従って、ＥＣＧのモニタリングは、心拍補正の精度を増加する可能性と、心拍補正のための他の周知の方法を追加で使用する可能性を与える。上述した位置信号列のスペクトルフィルタリングと合わせて、ＥＣＧを更に用いて、スペクトルの振幅が低減されるべき特徴周波数窓を計算してもよい。特に、ＥＣＧから現在の心臓周波数を決定又は予測することができ、それにより、周波数窓を適宜配置することが可能である。更に、ＥＣＧのモニタリングは、心臓の正常なリズムとは異なる余剰の心臓収縮期を認識するよう使用することが可能である。このような不規則な余剰の動作は、通常、上述した補正軌道の計算に混乱をきたす。というのは、この計算は、不変であるか又は緩慢にしか変化しない脈管系の各内在動作の周期性に主に基づいているからである。従って、余剰の心臓収縮期の間に記録された位置信号は、補正軌道の計算に悪影響を及ぼさないよう位置信号列から取り除かれることが好適である。

上述したように、心拍及び呼吸は、カテーテルのナビゲーションをより困難にする体の最も重要な周期的な内在動作である。ナビゲーションシステムの１つの好適な改良例では、考慮され且つ上述したような方法で補正される周期的な内在動作は、心拍によって引き起こされる。従って、補正された軌道は依然として、呼吸による混乱を有する。従って、データ処理装置は、呼吸によって脈管系の内在動作について補正された軌道を補正するよう設計されることが好適であるデータ処理装置を有する。

この点について、呼吸補正のオプショナルタイプの場合、データ処理装置は、以下の段階を実行するよう設計される。

ａ）脈管系に対してカテーテルの動作（前進又は後退）がなかった補正軌道の一部から呼吸により引き起こされた動作パターンを計算する段階。必要であるならば、補正軌道は、心拍によって引き起こされた動作部分は既に除去されることによって特徴付けられる。脈管系におけるカテーテルの相対動作がなかったと分かっている補正軌道の一部分、即ち、時系列の位置信号のグループでは、従って、補正軌道における任意の位置変化は、呼吸動作によって引き起こされたものである。従って、このような一部は、脈管系の関連付けられる位置にあり、呼吸によって引き起こされる動作パターンを認識するのに適している。この場合、動作パターンは、例えば、周期的な時間に依存する差分ベクトルによって記述されることが可能である。この差分ベクトルは、空間的に一定の基準点に基づいて、時間における各点を、補正軌道上の脈管系の所定点に割り当てる。カテーテルの相対動作のない補正軌道の一部は、ナビゲーションシステムにおける追加の装置によって見つけられることが好適であり、この追加の装置は、例えば、脈管系におけるカテーテルの前進及び後退を記録し、この情報を、記録された一連の位置信号に加えて供給する。

ｂ）段階ａ）において計算した動作パターンを差し引くことによって補正軌道を補正する段階。

呼吸動作を補正する１つの変形では、データ処理装置は、前に決定した動作パターンに基づいて空間外挿フィルタ（例えば、カルマンフィルタ）を適用することによって補正軌道を補正するよう設計される。

ナビゲーションシステムのもう１つの展開例では、ナビゲーションシステムは、データ処理装置に結合される呼吸センサを有する。呼吸センサは、呼吸周期の時間における特徴点及び／又は呼吸周期のフェーズプロファイルを表す信号を供給する。この信号に支援されて、軌道の呼吸補正が比較され、従ってより一層正確にされるか、又は、別の呼吸動作を補正する方法が用いられてもよい。

本発明は更に、少なくとも１つの周期的な内在動作（特に、心拍又は呼吸）の影響を受ける脈管系内を、カテーテルをナビゲートする方法に係る。この方法は、以下の段階を有する。

ａ）カテーテルの各空間位置（位置及び可能な場合は向きも）を示す時系列の位置信号を記録する段階。

ｂ）時系列の位置信号をフィルタリングすることによって、周期的な内在動作について補正されたカテーテルの軌道を計算する段階。

この方法は、一般的に、上述したナビゲーションシステムによって実行可能な段階を有する。この方法の改良点、利点、及び展開に関する詳細については、ナビゲーションシステムに関する説明を参照されたい。

本発明を、図面に示す実施例を参照しながら更に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例に制限されない。

図１は、本発明のナビゲーションシステムの構成要素を概略的に示す。このナビゲーションシステムによって、カテーテル３が、例えば、心臓１１の冠状脈管を検査するために患者の脈管系１０内を案内されることが可能である。カテーテル３の先端には、磁場プローブ２があり、これは、磁場発生器（図示せず）によって空間に印加される磁場１の強度及び方向を測定するために使用されることが可能である。結果として得られる測定信号は、データ処理装置５（コンピュータ）に転送され、そこで、プローブ２、従ってカテーテル３の現在の絶対空間位置についての情報が、測定信号から得ることが可能である。従って、プローブ２は、カテーテル３の現在の位置ｒ（ｔ）＝（ｘ（ｔ），ｙ（ｔ），ｚ（ｔ）、及び向きφ（ｔ）＝（α（ｔ），β（ｔ），γ（ｔ））（α＝ヨー角、β＝傾斜角、γ＝ロール角、ｔ＝時間）に関する時系列の位置信号を供給する位置探査装置である。例示的に示す磁場１に支援された位置決定ではなく、他の方法も、当然ながら、カテーテルの現在の位置及び可能ならば向きも決定するために使用することが可能である。

ナビゲーションシステムは更に、心電図を記録するための電極６、７と、例えば、横隔膜９の動作をモニタリングする呼吸センサ８を有する。これらのセンサからの信号は、同様に、データ処理装置５に渡される。

患者のＸ線照射に対する被爆及び造影剤注入を最小限にするために、カテーテル３の動作を、脈管系１０の幾つかの「ロードマップ」として知られる静止Ｘ線画像上でモニタリングすることが試みられる。しかし、この場合、心拍と、呼吸による胸部空洞４の周期的な動作によって引き起こされる脈管系１０の内在動作が考慮に入れられ、補正されなければならない。この点について、図２は、軸ｘ、ｙ、及びｚを有する空間座標系における軌道Ｔ_０のプロファイルを示す。この軌道は、磁気センサ２によって供給される一連の位置信号ｒ（ｔ）によって形成される。軌道Ｔ_０は、中心において、脈管に沿ってのカテーテルの前進に対応する矢印の方向に進む動作を示し、この前進は医師により行われる。しかし、心拍によって引き起こされる偏差が、この動作に重ねられる（これらの偏差は、脈管を横断するような偏差として図に示す）。これらの偏差を補正する２つの方法を、図３乃至５を参照しながら以下に説明する。

図３は、例示的に、図２の軌道Ｔ_０のｘ座標のスペクトル（周波数ｆに亘っての振幅Ａ_ｘ）を示す。これは、軌道Ｔ_０のｘ座標が、時間ｔの関数としてプロットされることを意味し、値ｘ（ｔ）は、測定時間（又は内挿時間）ｔにおけるｘ座標の測定（又は内挿）値である。図示するセクションでは、この時間関数ｔ→ｘ（ｔ）の周波数スペクトルＳ_０は、２つの局所的極大値Ｐ１、Ｐ２を有する。この極大値は、心拍周波数又はその複数に対応する特徴周波数窓内にあり、心拍によって引き起こされたカテーテル３の動作によってもたらされる。測定軌道Ｔ_０への心拍の影響を除去するために、上述の局所的極大値Ｐ１、Ｐ２を有さない補正スペクトルＳ_ｃが計算される。最も単純な場合では、極大値は、極大値の左右において隣接する振幅値の線形内挿によって除去され得る。これは、破線により示す補正スペクトルＳ_ｃのプロファイルを与える。

周波数範囲における補正スペクトルＳ_ｃの決定に続いて、このスペクトルは、位置空間に逆変換されることが可能である。これは、図２に破線で示す補正軌道Ｔ_ｃをもたらす。

上述した周波数フィルタリングは、心拍の補正に対し最良の結果を与える。呼吸動作の周波数は、カテーテルの前進周波数と同じ大きさのオーダーにあるので、呼吸動作を補正するための周波数フィルタリングは通常あまりうまくいかない。従って、心拍について補正された軌道Ｔ_ｃから呼吸動作を更に除去するために、他の方法が使用されることが好適である。例えば、脈管系の内在動作は、脈管系において静止しているマーカーによって、又は、電磁気的に位置付けられるセンサ（例えば、カテーテルの位置を見つけるために使用される図１のセンサ２と同様）によって局所的に記録され得る。この内在動作からの心臓動作の除去（例えば、同様の周波数フィルタリングによって）の後には、呼吸動作だけによる動作パターンが残り、これは、カテーテル位置の補正された軌道から差し引かれることが可能である。マーカー又はセンサは、例えば、左冠状動脈の心門といった基本的に呼吸動作のみによって動かされ心拍によっては動かされない心臓の位置において配置されることも可能である。更に、呼吸の動作パターンを決定するために、補正された軌道Ｔ_ｃから、カテーテル３が脈管系内を前後に押されていないと分かっている部分を使用することも可能である。心拍について補正されている軌道Ｔ_ｃのそのような部分は、呼吸動作のみの影響を示す。

図４は、心拍を補正するための別の方法を示す。図４は、静止位置にある脈管１０の断面を示す。更に、脈管内にあるカテーテル（図示せず）が、呼吸及び心拍によって引き起こされる脈管の動作によって動く軌道Ｔ_０の一部を、図４の左側に示す。呼吸と心拍は同期していないので、この部分の軌道は、閉じていない。軌道の長さは、心拍の継続時間に略対応すべきである。

図４の中心部には、呼吸動作についての補正の結果、左側に示す測定軌道Ｔ_０から得られる補正軌道Ｔ_１を示す。呼吸補正のための可能な方法に関する詳細は、図３を参照しながら既に上述した。心拍のみによって影響を受ける軌道Ｔ_１は、相当に小さな振幅を有し、幾分閉じている。次に、この軌道Ｔ_１の（幾何学）中心を計算し、心臓動作が除かれた現在のカテーテル位置として決定されることが可能である。計算された中心は、図４の右部に結果として得られる補正軌道Ｔ_ｃの一部として示す。同様の中心計算が基本的に、向きφのベクトル空間におけるカテーテル向きの（抽象的な）軌道についても可能である。

通常、軌道Ｔ_０及びＴ_１は最初は、図４の中心部に×印で示す個々の測定位置信号から構成される。中心を計算するために、これらの離散的な点は、曲線の連続部を形成するよう補足（例えば、内挿）されるべきである。それにより実際の「幾何学的」、又は、曲線の一部が質量を有すると考えられると、「物理的」中心が、曲線の一部に沿っての積分によって決定可能である。測定値の「質量」は、この場合、測定確実性によって決定されることが可能であり、従って、「良好な」測定値は、その測定値があまり信頼度が高くないものよりもより大きい度合いで軌道の中心を形成するために使用される。

中心計算によるフィルタリングは基本的に、呼吸動作を補正するためにも使用され得る。しかし、呼吸周期は、心臓周期より相当に長く持つので、データ平均化のための基本時間窓がそれに応じて大きく、これは、検査医師による自発的なカテーテル動作との干渉をもたらす。

図５は、図２に対応する表現を示し、位置信号の例示的なオリジナルの軌道Ｔ_０と、このオリジナルの軌道Ｔ_０から中心方法によって決定される補正された軌道Ｔ_ｃを示す。

図１に示すＥＣＧ用のセンサ６、７と、呼吸のためのセンサ８は、上述した補正方法を更に改善するよう用いられ得る。特に、心拍及び／又は呼吸周波数における変更が、センサによって決定可能である。例えば、基本心臓周波数から外れた余剰の収縮期が発生した場合、カテーテルの関連付けられる位置データは、処理から除かれることが可能である。或いは、この時間窓内のカテーテル位置が、モデルに基づいたフィルタ、例えば、カルマンフィルタ（R. E. Kalmanによる「A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems」、Transactions of the ASME - Journal of Basic Engineering, 82（シリーズＤ）、３５-４５、１９６０年と、P. S. Maybeckによる「Stochastic models, estimation, and control, Vol. I」、Academic Press、１９７９年を参照されたい）を用いて決定され得る。カルマンフィルタは更に、呼吸によって引き起こされる動作を予測するよう使用され得る。この場合、呼吸周期における決定された明確な位置に全て属するカテーテル位置の測定のみを使用する。そのような位置は、例えば、追加の呼吸センサ又は局所的な動作パターンによって検出され得る。

冠状脈管のカテーテル検査における本発明のナビゲーションシステムの使用を概略的に示す図である。 測定カテーテル軌道Ｔ_０と、心拍についてスペクトルフィルタリングによって補正された軌道Ｔ_ｃの空間表現を示す図である。 図２の軌道の周波数スペクトルを示す図である。 脈管断面に対し静止しているカテーテルの呼吸動作及び心拍により形成された軌道Ｔ_０（左）と、呼吸動作について補正されたカテーテルの軌道Ｔ_１（中心）と、軌道Ｔ_１の計算された中心Ｔ_２（右）を示す図である。 測定カテーテル軌道Ｔ_０と、心拍について中心計算によって補正された軌道Ｔ_ｃの空間表現を示す図である。

Claims (8)

1. 周期的な内在動作の影響を受ける脈管系内のカテーテルをナビゲートするナビゲーションシステムであって、
   ａ）前記カテーテルの各空間位置を示す時系列の位置信号を記録する位置探査装置と、
   ｂ）前記位置探査装置に結合され、また、前記時系列の位置信号をフィルタリングすることによって、前記周期的な内在動作について補正された前記カテーテルの軌道を計算するよう設計されるデータ処理装置と、
   を有し、
   前記フィルタリングは、オリジナルのデータ記録と所定のアルゴリズムに基づいた、データ記録の再計算であり、
   前記フィルタリングは、スペクトルフィルタリングを含み、
   前記フィルタリングは、
   １）時間の関数として記録された前記時系列の位置信号の周波数スペクトルを計算する段階と、
   ２）前記周期的な内在動作を特徴付ける少なくとも１つの周波数窓における前記周波数スペクトルの振幅を低減することによってフィルタリングされたスペクトルを計算する段階と、
   ３）前記フィルタリングされたスペクトルから前記補正された軌道を合成する段階と、
   を有するナビゲーションシステム。
2. 前記周波数窓は、前記段階１）において計算された前記周波数スペクトルの局所的な極大値の位置から得られることを特徴とする請求項１記載のナビゲーションシステム。
3. 前記フィルタリングは、前記周期的な内在動作を特徴付ける時間間隔に亘った前記時系列の位置信号のスライディング中心の計算を含むことを特徴とする請求項１記載のナビゲーションシステム。
4. 心電図を記録する測定システムを有し、
   前記測定システムは、前記データ処理装置に結合されることを特徴とする請求項１記載のナビゲーションシステム。
5. 前記周期的な内在動作は、心拍によって引き起こされ、
   前記データ処理装置は更に、呼吸によって引き起こされる内在動作について前記補正された軌道を補正するよう設計されることを特徴とする請求項１記載のナビゲーションシステム。
6. 前記データ処理装置は、
   ａ）前記脈管系に対する前記カテーテルの動作がない前記補正された軌道の一部から呼吸によって引き起こされた動作パターンを計算する段階と、
   ｂ）前記計算された動作パターンを差し引くことによって前記補正された軌道を補正する段階と、
   を実行するよう設計されることを特徴とする請求項５記載のナビゲーションシステム。
7. 前記データ処理装置は、前に決められた動作パターンに基づいて外挿フィルタを適用することによって前記補正された軌道を補正するよう設計されることを特徴とする請求項５記載のナビゲーションシステム。
8. 前記データ処理装置に結合される呼吸センサを有することを特徴とする請求項１記載のナビゲーションシステム。

Images