JP4701179B2 - カテーテルをナビゲートするナビゲーションシステム - 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、心拍によって引き起こされる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よう使用される。ここでは、「カテーテル」という用語は広意義で理解され、以下において、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ものと理解する。ナビゲーションシステムは、以下の構成要素を有する。

ａ）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それぞれ示す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。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）心電図を記録する測定システム。測定システムは一般的に、少なくとも２つの電極を有し、これらの電極によって、心臓の励起電位を導出可能である。電極は、患者の体の外部に取り付けられるか、又は、カテーテル内に組み込まれてもよい。

ｃ）位置探査装置及び測定システムに結合され、時系列の位置信号から補正軌道を生成するよう設計されるデータ処理装置。補正軌道は、心電図の所定のフェーズの間に記録された位置信号を変更することによって時系列から得られる。位置信号における変更は、特に、位置信号を除去する又は１つ以上の置換信号によって位置信号を交換することよりなる。ナビゲーションの技術的な実施に依存して、位置信号は、その所定のＥＣＧフェーズの間の信号の獲得を抑制することによって「除去」されることが可能である。心電図の所定のフェーズは、一般的に、心臓の強い空間動作に対応するよう決定される。特に、ＥＣＧの所定のフェーズは、心拍の収縮期に対応し得る。

心臓の強い動作のフェーズの間の位置信号を変更することによって、ナビゲーションシステムは、心臓動作による影響を有さないカテーテルの位置を記述する補正軌道を生成可能である。従って、補正軌道は、特に、所定の信号変化フェーズ以外の心臓フェーズの間に記録された静止ロードマップ上でカテーテルの位置を表示するのに使用することが可能である。従って、情報を与える補正軌道の計算が特に可能である。何故なら、心臓の空間動作は、基本的に、明確に決定可能な心臓周期のフェーズに限定されるからである。従って、一般的に、位置信号の変更は、軌道の継続時間の略７０％の間行われなければならず、その一方で、軌道は、それ以外の時間は変更されないまま使用可能である。

最も簡単な場合では、位置信号は、心電図の所定のフェーズの間、置換されることなく除去される。その場合、補正軌道は、途切れを有する。この途切れの間では位置信号はない。補正軌道におけるこれらの途切れは、内挿及び／又は外挿によって保持された位置信号によって埋められることが好適である。内挿は、補正軌道に埋められるべき途切れの時間における前後の保持された位置信号がある場合は使用可能である。最も簡単な場合では、この途切れは、途切れの前の最後の位置信号と、途切れの後の最初の位置信号との間の線形内挿によって埋めることが可能である。多くの適用において、これは、主に、処置を行う医師のために現在測定される軌道のリアルタイムでの表示が関連する。従って、軌道が、その位置信号が抑制される心臓周期のフェーズにあるときは、内挿は可能ではない。何故なら、抑制フェーズの終了後の軌道の続きが、（まだ）既知ではないからである。従って、処置をする医師に、（近似）カテーテル位置の現在表現を与えることが可能となるためには、この場合では、途切れにおける記録軌道の外挿が行われる。これは、途切れにおける軌道のプロファイルは、前の軌道値に基づいて予測されることを意味する。

カルマンフィルタを、上述の軌道の外挿に使用することが好適である。カルマンフィルタは、フィルタが基づくモデルに基づいて軌道の理想的な予測を可能にする。フィルタのパラメータは、任意の所与の時間における動作に連続的に適応される。理想的な予測は、比較的簡単に同時に計算されることが可能である。

上述したように、心拍及び呼吸が、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。従って、心拍について補正されたナビゲーションシステムによって生成された軌道は通常、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、補正された軌道を、呼吸によって引き起こされる脈管系の内在動作についても補正するよう設計されることが好適である。

この点に関して、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）脈管系に対するカテーテルの動作のない（前進も後退もない）補正軌道の一部から呼吸によって引き起こされる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ていることを特徴とする。従って、脈管系におけるカテーテルの相対動作がないことが知られている補正軌道の一部、即ち、時間的に連続する位置信号のグループでは、補正軌道における任意の位置変更は、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検出さ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）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。

呼吸動作の補正に関しての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、心拍によって引き起こされる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）段階ａ）による時系列の位置信号と、時間的に並列に心電図を記録する段階。

ｃ）心電図の所定のフェーズを決定する段階。これは、特に、心臓の比較的強い動作に対応する収縮期のフェーズであり得る。

ｄ）段階ｃ）において決定された心電図の所定のフェーズの間に記録された時系列の位置信号のうちの位置信号を変更することによって補正軌道を生成する段階。

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。

補正された軌道は、内挿又は外挿によって心電図の所定のフェーズの間に続けられることが好適である。このようにすると、位置信号の除去の結果もたらされる途切れが、幾分埋められることが可能であり、それにより、処置をする医師は、カテーテルの連続的に更新される位置が利用可能となる。

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、心拍及び呼吸によってもたらされる胸部空洞４における脈管系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により供給される一連の位置信号ｒ（ｔ）から形成される。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（この偏差は、脈管を横断するような偏差として図に示す）。

図２は、軌道Ｔ_０の一部に対して並列して同時に記録された心電図（「ＥＣＧ」）を示す。脈管の方向に進むカテーテルの前進ではなく、心拍によって引き起こされるカテーテルの偏差は、心拍の心臓収縮フェーズに基本的に制限される。

図３は、心電図をより詳細に示す。ＥＣＧの特徴点は、Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ及びＴの文字により従来通りに示される。心臓の収縮期Ｓｙは、ＲＳＴ領域に対応し、心臓の拡張期Ｄｉは、点Ｐ及びＱを包含する。経験的調査から、ＥＣＧフェーズは、結果として得られる心臓動作を用いて補正可能である（Y. Wang, E.Vidan, G. W. Bergmanによる「Cardiac Motion of Coronary Arteries: Variability in the Rest Period and Implications for Coronary MR Angiography」、Radiology, ２１３：７５１−７５８、１９９９年、S. Achenbach, D. Ropers, J. Holle外による「In-Plane Coronary Arterial Motion Velocity: Measurement with Electron Beam CT」、Radiology, ２１６：４５７−４６３、２０００年を参照されたい）。このようにして、ＥＣＧのフェーズＵを決定することが可能であり、そのフェーズの間における図２の軌道Ｔ_０のデータは、除去又は抑制される。というのは、これらのデータは、心臓の強い動作による動作アーチファクトを有するからである。図３に示すように、信号抑制のこのフェーズＵは、特に、電子図の点Ｑ、Ｒ、及びＳを含む。その一方で、「Ａ」と示す残りのフェーズの間は、軌道Ｔ_０の位置信号は変わらないままである。電子図のプロファイルを解析するために、例えば、以下の文献（B. -U. Koehler, C. Henning, R. Orglmeisterによる「The Principles of Software QRS Detection”, IEEE Engineering in Medicine and Biology」, ４２−５７頁、２００２年を参照されたい）に記載される方法が用いられ得る。

ＥＣＧのフェーズＵにおける信号抑制によって生成される軌道が、静止ロードマップ上にリアルタイムですぐに表示されると、カテーテル位置は、心臓縮小（フェーズＵ）の間は固まったように見える。何故なら、現在位置信号が入手できないからである。その結果、実際のカテーテル位置と、例えばモニタ上に表示されるカテーテル位置との間にはある不一致があり得る。この不一致を最小限にするために、軌道のプロファイルは、信号抑制が行われる間隔では、外挿されることが好適である。このような外挿は、カルマン（Kalman）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、P. S. Maybeckによる「Stochastic models, estimation, and control, Vol. I」、Academic Press、１９７９年を参照されたい）によって行われ得る。フェーズＵにおける信号抑制及びその後の外挿によって得られる補正された軌道は、図２に破線によって示し、また、符号Ｔ_ｃを有する。

冠状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、心拍に対して補正された軌道Ｔ_Ｃの空間表現を示し、電子図の並列プロファイルが挿入された図である。 位置信号が抑制されるフェーズを有する一般的な心電図のプロファイルを示す図である。

Claims (6)

1. 心拍によって引き起こされる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）心電図を記録する測定システムと、
   ｃ）前記位置探査装置及び前記測定システムに結合されるデータ処理装置と、
   を有し、
   前記データ処理装置は、前記心電図の心拍の収縮期に対応するフェーズの間に記録された前記時系列の位置信号内の位置信号を１又は複数抑制することによって前記位置信号を変更し、前記時系列の位置信号における前記抑制された位置信号から生じた途切れを有する補正軌道を生成し、さらに、前記途切れの前の最後の位置信号と前記途切れの後の最初の位置信号との間の線形内挿により保持された位置信号によって前記途切れを埋める、及び／又は、外挿を使用して将来の時刻における前記カテーテルの位置を推定することによって前記途切れを埋めるよう設計される、システム。
2. 前記外挿は、カルマンフィルタに支援されて行わ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. 前記データ処理装置は、呼吸によって引き起こされる前記脈管系の内在動作について前記補正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。
4. 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のない前記補正軌道の一部から呼吸によって引き起こされる動作パターンを計算する段階と、
   ｂ）計算した動作パターンを差し引くことによって前記補正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３記載のナビゲーションシステム。
5. 前記データ処理装置は、前に決定さ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３記載のナビゲーションシステム。
6. 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。

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