JP4926981B2 - 電気生理学的介入においてカテーテルを誘導するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気生理学的信号を記録するカテーテルを用いて心血管介入を行う介入システム及び方法に関する。

心血管用Ｘ線システムにおいて実行される電気生理学的（ＥＰ）手順がますます多くなっている。これら手順は、通例数時間にわたる長い時間、及び関連する大量の患者へのＸ線量を必要とする。これにより、システムの利用を容易にさせ、この手順を行う時間を短縮させ、Ｘ線量を減少させる機能をＸ線システムに供給することが重要である。

ＥＰ手順のある特定な実施例は、頻脈、すなわち心臓の異常に早い律動の低侵襲治療である。多数の繊維組織は電気生理学的信号の伝搬を担っている心筋を通っている。催不整脈組織(arrhythmogenic tissue)又は通常の伝導繊維組織を迂回した異常な経路の存在が頻脈を引き起こす。低侵襲治療中、崔不整脈組織又は異常経路の位置決めは、電気生理学的な励起信号をマッピングすることにより、例えば、１つ以上の心臓腔に対する基準位置から現在の位置又は不規則な励起源への励起信号の遅れが示されることにより決められる。信号をマッピングした後、アブレーションカテーテル(ablation catheter)は、特定された標的位置に向けられ、頻脈を引き起こす心組織を局所的に破壊するために、交流、凍結療法又は他の手段が利用される。Ｘ線蛍光透視検査は、心臓の解剖学的組織に対するカテーテルの（大まかな）空間位置を供給するのに用いられる一方、電気生理学的信号が実際の診断情報を供給することがこの手順の特徴である。

上記介入中の様々な点において、特徴的な、事前に観測したＥＰ信号を持つ点にカテーテルを向ける必要がある。この目的のために、前記ＥＰ信号は関連する蛍光透視検査のシーケンスと一緒に記録され、後の時点で組み合わされたＥＰ−Ｘ線シーケンスが選択され、回復され及び表示される（例えば米国特許番号US 6 572 566 B2）。しかしながら、所望のＥＰ信号を持つ前記位置へカテーテルをナビゲートすることは、かなり難しく、非常に長い手順のままである。

この状況に基づいて、本発明の目的は、介入中に電気生理学的信号を記録するカテーテルを容易に誘導するための手段を提供することである。

本目的は、請求項１に記載の介入システム及び請求項１１に記載の方法により達成される。好ましい実施例は従属請求項に記載されている。

本発明の第１の態様によれば、本発明は、以下の構成要素
−組織（例えば心筋）から電気生理学的信号を検知することができる少なくとも１つの電極を備えるカテーテル、
−カテーテルの上述した電極に結合され、前記電極により検知された電気生理学的電位を測定するのに適した電子画像装置(electrographic device)、
−介入が行われる領域（以後"介入領域"と呼ばれる）の画像を生成するための撮像装置、及び
−中央処理装置（ＣＰＵ）、メモリ（ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等）及びＩ／Ｏインタフェースのような関連する構成要素、並びに適当なソフトウェアを持つマイクロコンピュータにより達成されることができるデータ処理ユニット、
用いた心血管介入用の介入システムを有する。

前記カテーテルが（いわゆる"バスケットカテーテル(Basket-catheter)"と呼ばれるような）２以上の電極を持つ場合、複数の信号は複数の位置において記録されるが、依然として記録されたＥＣＧ信号に対し固定された位置のマッピングが供給される。

この種類の電子画像装置は、（心電計、筋電計又は脳波記録に対し）従来よく知られていて、従ってここでは詳細には説明しない。記録された電気生理的電位をモニタリングすることにより、電極の位置における組織を診断することが可能である。

前記撮像装置は、例えばＸ線装置、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置又は超音波装置でもよい。この装置を用いて生成された画像上において、カテーテルは、これら画像を利用して全ての心臓腔を通りナビゲートされるように見ることができる。

データ処理システムは、電子画像装置及び撮像装置に結合され、これらの構成要素から信号を入力し、任意にはこれら信号を制御する。その上、このシステムは以下のステップ、
ａ）撮像装置により生成された、介入領域におけるカテーテルの画像のシーケンスを記憶するステップであり、各画像は（定義上、画像の生成中に記録される）関連する通例は同期した電子画像記録と一緒に記憶されるステップ、
ｂ）介入領域内にあるカテーテルの画像を生成するステップ、
ｃ）ステップａ）の記憶されたシーケンスから"基準画像"を選択するステップであり、前記基準画像は、所望の電子画像パターン（記録）に帰属しているステップ、及び
ｄ）基準画像上におけるカテーテルの位置を位置決めするステップであり、"位置"は（例えば湾曲した経路を規定する）１つ以上の地点からなり、前記位置決めはデジタル画像処理から知られる何らかの適当な方法により達成されるステップ
を実行するのに適している。

これら記憶は、カテーテルの電極が対応する画像又は画像シーケンス上にある位置における電気生理学的条件を反映している。

介入中、前記画像は一般的に（蛍光透視法の）生画像であり、これにより以下において"実画像"と呼ばれる。しかしながら、これは前記画像が生成するときに対する限定として理解されない。その上、電子画像電位は、ステップａ）の手順に類似する実画像の生成と並行して任意に記録されてもよい。

この所望の電子画像パターンは通常、医師により事前に決められ、一般的に機能不全の組織を表す。

その上、カテーテルに対する"標的位置"は、実画像上に決められ、前記標的位置は基準画像上におけるカテーテルの位置決めされた位置に対応している。言い換えると、基準画像上におけるカテーテルの位置決めされた位置は、実画像上の対応する位置に位置合わせされる。このような位置合わせは好ましくは、撮像された身体部分の固定のランドマークに基づく、すなわち基準画像上の解剖学的位置が実画像上の特定した解剖学的位置上にマッピングされる。

上述した種類の介入システムは、生画像上に標的位置を決めることが特徴的な電子画像パターンを示している所望の組織にカテーテルを誘導するのに役立つので、電気生理的手順中、カテーテルのナビゲーションに非常に役立つ。記録された電子画像信号を所望の信号と比較している間、もはやカテーテルを一歩ずつ前進させる非常に長い反復した手順で前記組織を見つける必要はない。これにより、介入時間が減少し、これは、患者及び医療従事者に対するストレス及びＸ線被爆を減少させることを意味している。

ステップｄ）における標的位置の決定は、デジタル画像処理とは異なる既知の方法により達成されることができる。基準画像及び実画像は例えばそれらの内容に基づいて、例えば最大の局所相似性を用いて画像の重ね合わせを見つけることにより位置合わせされる。好ましい実施例によれば、基準画像及び実画像に示される身体部分の少なくとも１つの特徴的な点の位置決めに基づいて決められる。特徴的な点は、心臓の頂点のような解剖学的ランドマーク又は肺静脈のような心房において区別される位置である。

他の実施例において、介入システムは基準器を有し、この基準器の位置は、記憶したシーケンスの各画像、及び残り画像に対する実画像に対し知られている。これにより、基準器は前記シーケンスの画像及び実画像のオブジェクトに基づく位置合わせが可能であるマークとして考えられる。この基準器は特に、第２又は基準カテーテルとしてもよい。基準電極を備える基準カテーテルは一般的に電子生理学的測定に必要とされ、介入中、通例は同じ解剖学的位置に保たれる。介入中、この基準カテーテルが再位置決めされる場合、これは、再位置決めの範囲が分かっている限り、それを考慮するように画像上におけるマークとして使用することを妨げない。

介入システムは好ましくは、決められた標的位置の指標と一緒に実画像を表示するための表示ユニット、例えばモニターも有する。これにより、医師は直視制御下において、カテーテルを標的位置に向けることを可能にする。

基準画像におけるカテーテル（又はその電極）及び／又は（存在するのであれば）基準器の位置決めは、前記画像のシーケンスの１つにおいて特定され、次にこのシーケンスの残りの画像においてトラッキングされる場合、容易に行うことができる。如何なる画像における位置決めも、（画像シーケンスの時間順に対し）先行／後続する画像における既に知っている位置に基づいている。第１の画像におけるカテーテル又は基準器の識別は、ユーザを利用して対話形式で達成される。人間との対話は特に、基準カテーテル及び（介入）カテーテルは共に画像上において、同じに又は互いに非常に類似して見えるので、この（介入）カテーテルを基準カテーテルと区別するのに特に有用である。この場合、ユーザにより提供された識別は、上述したトラッキングにより全ての画像に伝わる。

侵襲性システムの他の改良において、実画像と同じ心位相に対応する基準画像が選択される（一方、無論、同時に所望の電気生理学的パターンに帰属している）。画像に対応する心位相は、電子画像信号が画像の生成と並行して記録されるので、容易に決められる。実画像と類似する心位相を持つ画像を選択することにより、心拍が原因による介入領域の動き及び／又は変形は最小量に減らすことができる。

前記システムはさらに、画像のシーケンス及び実画像におけるカテーテル及び／又は基準器に対し呼吸運動が及ぼす影響を補償するのに適している。呼吸運動は特に、呼吸によるカテーテルの位置のアプリオリ(a-priorily)に抽出された運動、及び取得した画像又は外部の呼吸センサから呼吸の深さの連続的な決定に基づいて補償される。

最適な精度を達成するために、上述した手法は好ましくは組み合わされる。これにより、前記システムは、心拍及び呼吸運動を補償した後、（基準）カテーテルの位置を表示することができ、ここで心拍運動は実画像の心位相に対応するように、基準画像の選択を常に更新することにより補償され、これは同時に取得したＥＣＧにより識別される。両方の種類の運動の補償は特に、正確なナビゲーション及び事前に決められた位置にカテーテルを再位置決めすることにとって重要である。

本発明の他の変形例において、カテーテル及び／又は基準器は、それらの空間位置を決めることが可能であるマーカを具備する。前記マーカは例えば、Ｘ線画像上において容易に位置特定されることができるＸ線高密度物質である。好ましくは、これらマーカは例えば不均一な外部磁場の大きさ及び向きを測定するホールセンサ(Hall sensor)として、見通し外(non-line-of-sight)位置決めシステムに帰属する。上記システムの適当なマーカは、従来技術において知られ、これによりここでは詳細には説明されない。

本発明はさらに、心血管に介入中、介入領域において電極を備えたカテーテルを誘導する方法を有し、
ａ）関連する電子画像記録と一緒に、介入領域においてカテーテル画像のシーケンスを生成及び記憶するステップ、
ｂ）前記介入領域において前記カテーテルの実画像を生成するステップ、
ｃ）前記所望の電子画像パターンに帰属する前記記憶された画像のシーケンスから基準画像を選択するステップ、並びに
ｄ）前記基準画像上における前記カテーテルの位置を位置特定し、実画像において対応する標的位置を決めるステップ
を有する。

前記方法は、上述した種類の介入システムを用いて実行されることができる前記ステップを一般的な形式で有する。これにより、この方法の詳細、利点及び改良点に関するこれ以上の情報に対して上述した記載が参照される。

好ましい実施例によれば、前記方法は、介入領域に置かれる基準器、特に基準カテーテルを有し、前記基準器の相対位置は、全ての画像において知られている。この位置は従って基準画像及び実画像の位置合わせ用のマークとして使用される。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施例から明らかであり、これら実施例を参照して説明される。

図１の左側には、Ｃアーム１２により接続されるＸ線管１３及びＸ線検出器１１からなる回転型Ｘ線装置１０が示される。このＸ線装置１０は、当該装置の中心にあるテーブル上に置かれる患者１の異なる方向からのＸ線照射の発生を可能にする。Ｘ線装置の代わりに、他の撮像装置も同様に使用することができる。

図１はさらに、患者１の脈管系を介し心臓へ送られるカテーテル２０を示す。このカテーテルの先端にある電極２１は、この電極２１に接している組織の電気生理学的電位を記録するための心電計装置４０に結合されている。電気生理学的電位を測定するために、第２又は"基準"カテーテル３０が存在し、この心電計装置４０に接続もされる。前記カテーテル３０及びその基準電極３１は通常、全介入の間、一定の解剖学的位置に静止している。

このシステムの一般的な応用は、患者１の心臓における不整脈源性組織又は異常な経路により引き起こされる頻脈の低侵襲治療である。このような介入の間、カテーテル２０の電極２１は、数回同じ解剖学的位置に持って行かれなければならず、正しい位置決めは、前記記録された電気生理学的電位により診断される。示されるシステムは、以下において詳細に説明されるように、特にカテーテル２０のこの再位置決めに関し医師を支援する。

Ｘ線装置１０及び心電計装置４０は、例えばワークステーションのようなデータ処理ユニット５０に接続される。図１は、ソフトウェアにより主に実現化される前記データ処理ユニット５０の別々のモジュールを説明している。

第１のモジュール５１において、Ｘ線装置１０により生成された画像のシーケンスＩ_１，…Ｉ_ｋ，…は、これら画像が生成されたときに記録された電極２１からの電子画像記録Ｅ_１，…Ｅ_ｋ，…と一緒に記憶される。これら電子画像記録Ｅ_１，…Ｅ_ｋ，…は一般的に数秒、さらには数分続く一方、Ｘ線画像の生成はかなり早く達成されることに注意すべきである。これら電子画像記録は、生成した画像内におけるカテーテル２０の電極２１の位置にある組織により発生する電気生理的信号を表している。

第２のモジュール５３において、介入領域の実又は生（蛍光透視法）画像Ｉは、前記装置４０の電極２１、３１により測定される対応する電子画像記録Ｅと一緒に保持される。前記実画像Ｉは、介入中のカテーテル２０の現在の位置を示す。

既に上述したように、電気生理学的手順中の典型的なタスクは、ある電子画像信号パターンにより特徴付けされた事前に得た位置にカテーテル２０（又はより正確にはその電極２０）を向け直すことである。このタスクを支援するために、モジュール５１においてこの所望するパターンに類似する電子画像記録Ｅ_ｋが検索され、画像シーケンスの関連する画像Ｉ_ｋが選択され、いわゆる"基準画像"Ｉ_ｋとしてモジュール５２に転送される。

この基準画像Ｉ_ｋにおいて、カテーテル２０の画像又は"標的位置"Ｔ、及び基準カテーテル３０の画像又は"基準位置"Ｒは、デジタル画像処理において知られる手順により決められることができる。

同様のステップにおいて、基準カテーテル３０の位置Ｒ'は、モジュール５４における実画像上に決められることができる。基準カテーテル３０は心臓において固定の位置であり、心臓に対し動くことはないので、基準画像Ｉ_ｋ及び実画像Ｉの両方において同じ解剖学的位置（又は接続した位置の経路）をマーキングする。このことがカテーテル３０の画像を（例えば、グレイレベルベースの位置合わせ又は検出及びセグメント化したカテーテルの幾何学的一致を用いて）一致させることが可能であり、これにより両方の画像Ｉ及びＩ_ｋを位置合わせ、すなわち両方の画像の対応する（解剖学的）位置を互いに全単射でマッピングことを可能にする。この位置合わせに基づいて、基準画像Ｉ_ｋにおいて事前に位置決めされた標的位置Ｔは、モジュール５５において記号表示されるように実画像Ｉにおける対応する標的位置Ｔ'に転送されることができる。

最後のステップとして、実画像Ｉは、カテーテル２０が移動されるべき標的位置Ｔの指標（例えば、カテーテルの先端に対する色付け表示及び／又は矢印ポインティング）と一緒にモニター６０上に表示されることができる。

前記画像における基準カテーテル３０及び（介入）カテーテル２０の識別は、基準画像Ｉ_ｋにおける夫々のカテーテルに点を示すことにより手動で行われることができる。代わりに、基準及び介入カテーテルが前記手順の開始直後に蛍光透視法画像において一度示されてもよく、夫々の情報はカテーテルをトラッキングすることにより後続するフレームに伝えられることができる。（例えばそれらの数及び／又は相互間距離による）コンピュータビジョンにより識別可能な基準カテーテル又はマーカの位置のアプリオリ情報は、この識別にも使用されることができる。

基準カテーテルは、介入中のある時点で移動する場合、カテーテルのトラッキングにも役立つ。この場合、介入カテーテル２０は、基準カテーテル３０の動きを推定するための基準として使用されることができる。夫々の変化はオーバーレイ(overlay)内において考慮されることができる。

前記手順の他の拡張例は、ナビゲーション誘導がときどき激しい心拍運動の補償を示すように、画像のシーケンスＩ_１，…Ｉ_ｋ，…及び対応する心収縮期を持つ実際の蛍光透視法シーケンスを選択するために、ＥＣＧ情報の使用を有する。同様に、精度を向上させるために、周期的な呼吸運動の分析が考慮される。この呼吸の深さは、デジタル画像処理を用いて取得画像から、又は外部センサ、例えば患者の腹部又は下胸部の周りに伸縮センサを備えたベルトにより決められる。これは、呼吸及び心拍によるカテーテルの動きを別々に決めることを可能にする。その上、夫々のカテーテルに取り付けられた見通し外位置決め装置からの位置情報は、マッチング及び後続するオーバーレイ内に用いられ、例えば深さ情報を加える、又はコンピュータビジョンアルゴリズムを直接の位置測定と置き換える。

所望のシステムは、ＥＰ手順中、特定のＥＰ信号に対応するカテーテル位置の回復を容易にする。医師が良好に支援されるので、特定の介入は、患者及びスタッフに対するより少ないＸ線露出でより早く行われることができる。

最後に、本明細書において"有する"という用語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、単数での表現が複数あることを排除するものではなく、単一のプロセッサ又は他のユニットは、幾つかの手段の機能を果たしてもよい。本発明は、あらゆる新規特徴的特性、及びこれら特徴的特性のあらゆる組み合わせでもある。その上、特許請求の範囲における参照符号は、本発明の範囲を制限するとは考えない。

電気生理学的介入においてカテーテルを誘導するシステムを示す。

Claims (10)

1. −電極を備えるカテーテル、
   −電気生理的電位を測定するための前記カテーテルの前記電極に結合された電子画像装置、
   −介入領域の画像を生成するための撮像装置、及び
   −前記撮像装置及び前記電子画像装置に結合されるデータ処理ユニット
   を有する、心血管に介入するための介入システムにおいて、
   前記データ処理ユニットは、
   ａ）関連する電子画像記録と一緒に、前記介入領域における前記カテーテルの画像のシーケンスを記憶するステップ、
   ｂ）前記介入領域における前記カテーテルの実画像を生成するステップ、
   ｃ）所望の電子画像パターンに帰属する前記記憶された画像のシーケンスから基準画像を選択するステップ、及び
   ｄ）前記基準画像における前記カテーテルの位置を位置特定し、前記実画像における対応する標的位置を決定するステップ、
   を行うのに適している介入システム。
2. ステップｄ）における前記決定は、前記基準画像及び前記実画像において撮像されたオブジェクトの少なくとも１つの特徴的な点の位置決めに基づいていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 請求項１に記載のシステムにおいて、基準器を有し、前記基準器の相対位置は、前記記憶されたシーケンスの全画像及び前記実画像に対し知られていることを特徴とするシステム。
4. 前記決められた標的位置の指標と一緒に前記実画像を表示するための表示ユニットを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記撮像装置はＸ線装置であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記カテーテル及び／又は基準器は、前記画像のシーケンスの１つに識別され、次に残りの画像にトラッキングされることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記基準画像は、前記実画像の心位相に対応するように選択されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 前記画像のシーケンス及び前記実画像における前記カテーテル及び／又は基準器に対し呼吸運動が及ぼす影響を補償するのに適することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 請求項８に記載のシステムにおいて、呼吸センサを有することを特徴とするシステム。
10. 前記カテーテル及び／又は基準器は、これらの空間位置の決定を可能にするマーカを具備することを特徴とする請求項１に記載のシステム。

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