JPH11221287A - カテーテル追跡システム - Google Patents

カテーテル追跡システム

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JPH11221287A
JPH11221287A JP10323975A JP32397598A JPH11221287A JP H11221287 A JPH11221287 A JP H11221287A JP 10323975 A JP10323975 A JP 10323975A JP 32397598 A JP32397598 A JP 32397598A JP H11221287 A JPH11221287 A JP H11221287A
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catheter
magnetic field
transducers
tracking system
transducer
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Peter Lockhart
ロックハート ピーター
James Alexander Rex
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Roke Manor Research Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 較正を簡略化し、かつ測定精度の向上を可能
とするカテーテル追跡システムを提供する。 【解決手段】 人または動物の身体１の部分内でカテー
テル頭部１６の位置を位置決めおよび追跡するための、
図１、図２および図３に示したようなカテーテル追跡シ
ステム。このカテーテル追跡システムは、人または動物
の身体を介して所望の位置に導かれるように構成された
頭部１６を有するカテーテル１０と、複数の磁界変換器
であって、そのうちの少なくとも１つがカテーテル１８
上に配置され、他のものが身体内部および／または周囲
に配置されると共に基準変換器１９として機能する複数
の変換器と、複数の磁界変換器を付勢する制御ユニット
とを備える。磁界信号を処理する際、基準変換器１９に
対してカテーテル頭部１６の位置を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、人または動物の体
内のカテーテルの位置を決定するように機能するカテー
テル追跡システムに関する。更に、本発明は、人または
動物の体内のカテーテルを追跡する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】こ
こで用いるカテーテルという用語は、あるタイプの調査
および／または医療処置を行うために、身体の部分に対
する遠隔アクセスを与える目的で、人または動物の体内
に挿入するのに用いられる、いずれかのタイプの侵襲性
外科用ツールを指すものである。医療診断および治療に
おいて侵襲性を最小に抑えた外科的技法の使用が増すに
つれて、人または動物の身体内部のカテーテルまたはそ
の他の医療器具を、遠隔で位置決めおよび追跡する新た
な方法が要望されている。現在、Ｘ線透視画像が、標準
的なカテーテル追跡技法である。しかしながら、患者お
よび臨床医の双方によるＸ線量への過剰な露呈は有害で
ある可能性がある。したがって、代替的なカテーテル追
跡方法が望ましい。
【０００３】いくつかの代替的な方法がすでに発表され
ており、その中には、超音波変換器を採用するものや、
磁界測定を利用するものが含まれる。カテーテル位置決
めの公知の方法の１つに、互いに対して固定されている
と共に空間基準フレームを規定する１つ以上の磁界ソー
スと、カテーテルの先端に固定された１つ以上の磁気セ
ンサとを採用するものがある。センサはソースによって
生成された磁界を測定し、次いでこれらの測定値を用い
て基準フレームに対してカテーテル先端の位置を決定す
る。あるいは、センサによってソースを置換すること
で、およびソースによってセンサを置換することで、同
じ結果を得ることができる。
【０００４】この技法は、ソースの相対的な位置および
それらの磁界の空間的な形態、ならびにセンサの相対的
な位置および感度に関して、予め正確な知識があること
に頼っている。理想的な特性を有するソースおよびセン
サを製造することは不可能なので、かかる特性の純粋に
理論的な計算は誤っている可能性があり、このためこう
いった特徴は較正測定から決定しなければならない。人
または動物の身体内部のカテーテルを追跡するために磁
界を用いることの１つの利点は、磁界は身体の存在によ
って実質的に影響を受けないことである。これは、身体
の組織の磁気感受率が極めて低いためである。対照的
に、電界および音響場は、身体の組織によって強い影響
を受ける。結果として、磁界追跡システムの較正測定値
は、手術前に、身体の存在がなくとも、得ることができ
る。
【０００５】カテーテルに対する限定は、身体の関連部
分内に挿入可能とするために、直径が充分に小さく、か
つ充分に可撓性がなければならないことである。例え
ば、心臓カテーテルの直径は約２ｍｍで、かつ半径１０
ｍｍ以下に曲がるために充分な可撓性がなければならな
い。これらの要件と、カテーテルに取り付ける変換器を
互いに堅固にカテーテル頭部に近接して固定する必要性
とのために、これらの変換器は小さい体積内に含まれな
ければならないことが要求される。ＰＣＴ特許出願第Ｗ
Ｏ９６／０５７６８号（Ben-Haim et al）に、上述の手
法に基づく公知のカテーテル追跡方法が記載されてい
る。Ben-Haimの方法では、複数、好ましくは３個の磁気
ソースと、複数、この場合も好ましくは３個の、カテー
テルに取り付けられたセンサとがある。センサは、好ま
しくは、直交方向に整合され、その軸に平行な局所磁界
成分を測定するタイプのワイヤ・コイルである。
【０００６】位置決めを行うためには、多数の同時であ
るが独立した磁界の測定値が必要なので、公知のカテー
テル追跡方法では、複数の磁気ソースおよび複数のカテ
ーテル取り付けセンサを独立して構成し、それらの磁界
のうち他の磁界の固定組み合わせとして表現可能なもの
が全くなく、かつ、それらの測定値のうち他の測定値の
固定組み合わせとして表現可能なものが全くないように
することが要求される。磁界はベクトル量であるので、
互いに対して直交して固定されているならば、３個まで
の同位置に配置された変換器を互いに独立させることが
可能である。互いに独立するためには、３個を超える変
換器は空間的に分離させなければならない。
【０００７】公知のカテーテル追跡方法は、いくらかの
欠点を有する。第１に、独立して配置された３個の磁界
コイルは、カテーテルの頭部付近で小さい体積に統合さ
れなければならない。これは、難しく、かつコストのか
かる手続きを意味する。第２に、各カテーテルにおける
センサの較正、特にそれらの方位の測定は、複雑な手続
きである。したがって、医療担当者が用いる直前に各カ
テーテルの較正を行うよりも、工場での較正が好まし
い。しかしながら、カテーテルを前もって較正する場
合、各カテーテルの正確な較正データが信号プロセッサ
に入力されることを保証するために、フールプルーフ・
システムが必要である。較正、磁界変換器の独立性、お
よびカテーテル頭部のサイズに関連した前述の欠点が表
す技術的な問題は、本発明によるカテーテル追跡システ
ムによって対処される。ここに提案する本発明は、追跡
対象のカテーテルのカテーテル頭部に近接して取り付け
られた磁界変換器を１個のみ採用する。
【０００８】本発明によれば、カテーテルの先端の位置
および方位を決定するカテーテル追跡システムが提供さ
れ、この追跡システムは、複数の磁界変換器と、この複
数の磁界変換器に結合されると共に複数の磁界変換器を
付勢して磁界を発生または検出するように構成された制
御ユニットとを備えており、複数の磁界変換器のうちの
１つがカテーテルの遠位端に近接してカテーテル上に配
置され、複数の磁界変換器のうち他のものが互いに対し
て基準位置に配置されると共にほぼ独立しているように
構成され、複数の変換器のうち選択されたものによって
発生した磁界の検出の結果として、制御ユニットが検出
された磁界を表す検出信号を処理するように、基準変換
器によって規定された基準フレームに対してカテーテル
の３つの位置座標および２つの方位座標を決定するよう
に動作することを特徴とする。
【０００９】本発明の態様によれば、カテーテルの位置
および方位を決定するためのカテーテル追跡方法が提供
され、この方法は、カテーテルの遠位端に近接してカテ
ーテル上に単一の磁界変換器を配置し、この単一の磁界
変換器を付勢して磁界発生器または磁界検出器のいずれ
かとして動作させるステップと、カテーテルを人または
動物の身体内に挿入するステップと、人または動物の身
体の内部または周囲に、互いに対して基準位置に、かつ
ほぼ独立して、複数の他の磁界変換器を配置し、この複
数の他の磁界変換器を付勢して磁界発生器または磁界検
出器のいずれかとして動作させることによって、人また
は動物の身体周囲に基準フレームを生成するステップ
と、検出された磁界を表す検出信号を処理して、基準フ
レームに対してカテーテルの３つの位置座標および２つ
の位置座標を決定するステップと、を備える。
【００１０】ここで提案するカテーテル追跡システム
は、従来技術に勝るいくつかの潜在的な利点を提供す
る。第１に、本発明では、単一の変換器のみをカテーテ
ルの遠位端に近接して配置すれば良いので、相対的な変
換器の位置を測定する必要がないために、カテーテルに
対する較正手続きが簡略化される。加えて、カテーテル
の遠位端に近接して配置された単一の変換器が占める体
積は小さく、接続ワイヤ数も少なくて済むので、カテー
テル上に複数の変換器を配置する必要がある現在のシス
テムによって可能なよりも、カテーテルに統合すること
が一層容易となる。有利な点として、本発明では、カテ
ーテル上に配置する磁界センサとして、より大きく、か
つ強力なものを用いる選択肢を考慮することができるの
で、センサの感度の増大を図り、所与の磁界強度に対す
る測定精度の向上が可能となる。同様に、カテーテル上
に磁界ソースを配置する場合には、一層強力なソースを
用いることによって単位駆動電流当たりの磁界強度が増
すので、動作電流の要件が軽減される。本発明の原理上
の利点および特徴を説明したが、一例としてのみ提示す
る図面および好適な実施形態の詳細な説明を参照するこ
とによって、本発明の一層の理解および認識が得られよ
う。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は、人体１内に、動脈１４を
介して心臓５内に挿入されたカテーテル１０の概略的な
図示であり、本発明による磁界カテーテル追跡システム
の１つの適用である。カテーテル１０は、更に、概略的
に頭部１６を備え、この頭部上に磁界変換器１８が配置
されている。複数の他の磁界変換器１９は、固定フレー
ム（図示せず）によって適所に保持され、固定した基準
位置で心臓５付近に配置されている。これらの基準変換
器１９は、磁界ソースの場合、それらの磁界のうち他の
磁界の固定組み合わせとして表現可能なものが全くない
ように、また、磁界センサの場合、それらの測定値のう
ち他の測定値の固定組み合わせとして表現可能なものが
全くないように、ほぼ独立して構成されている。基準変
換器１９およびカテーテルに取り付けられた変換器１８
は、信号処理ユニット２２に接続されている。使用にお
いて、例えばエンドカルジオグラフィのようなあるタイ
プの医療処置を行う目的のために、カテーテル１０を、
静脈または動脈１４を介して人体１内に挿入して、例え
ば心臓５に対する遠隔アクセスを得る。
【００１２】この例示的な実施形態では、カテーテルに
取り付けられた磁界変換器１８は磁界センサであり、こ
の場合、基準変換器１９は磁界ソースである。図１で
は、基準変換器１９はコイル型変換器であるが、他のタ
イプも採用可能である。代替的な実施形態として、カテ
ーテルに取り付けられた変換器がソースであり、この場
合、基準変換器がソースである。ここで詳細に述べる本
発明の好適な実施形態のこの説明の以降の部分では、磁
界センサがカテーテルに取り付けられており、基準変換
器が磁界ソースであると仮定する。しかしながら、ソー
スをセンサで置換して、またその逆によって、実質的に
同一の技法を使用可能である。図２は、図１に示したカ
テーテルの詳細を示し、この図では、図１にも現れた部
分には同一の番号を付している。カテーテル１０は、心
臓５に通じる動脈１４内に配置して示されている。カテ
ーテルの頭部１６上には、コイル型の磁界変換器１８が
配置されている。心臓５付近には、コイル型の複数の基
準磁界変換器１９が配置されており、固定フレーム（図
示せず）によって適所に保持されている。
【００１３】図３は、図１と実質的に同一の項目を示し
ているが、更に詳細に示し、この図において、図１およ
び図２にも表れた部分は同一の番号を付している。カテ
ーテル頭部１６上に磁界センサ１８が配置されたカテー
テル１０が、動脈１４を介して身体１内部に挿入されて
いる。基準変換器間の空間的な関係を維持するために、
基準変換器を、前述のフレーム上で身体外の外部に取り
付けることが好ましい。これによって、それぞれの磁界
に必要な独立性が与えられる。したがって、図３は、基
準変換器１９を身体１外部に配置した好適な実施形態を
図示している。５つの独立して構成された基準磁界ソー
ス１９は、多チャネル増幅器２４に取り付けられてい
る。磁界センサの出力信号はカテーテル１０を介して増
幅機２６に送信され、ここで増幅されて、信号処理ユニ
ット２２に供給される。信号処理ユニット２２は駆動信
号を発生し、これは多チャネル増幅器２４を介して磁気
ソース１９に供給される。また、信号プロセッサ２２に
は、コンピュータを基本とするユーザ・インタフェース
２８が取り付けられており、これは、カテーテル頭部の
位置およびプロセッサが算出した他の結果を表示し、様
々なシステム・パラメータを調節するためのユーザのコ
マンドを受け入れる。
【００１４】カテーテル頭部１６は、６度の位置の自由
度を有し、そのうち３つが移動であり、３つが回転であ
る。カテーテル頭部の位置を完全に決定することには、
好ましくは、６個の未知の位置座標において６個の独立
した式を与える少なくとも６個の独立した磁界測定値が
必要である。しかしながら、ほとんどの場合、カテーテ
ル頭部１６の軸を中心とした回転角度は重要でないの
で、５個のみの位置座標を決定すれば良く、したがって
５個の磁界測定値で充分である。Ｎ個（Ｎ＝好適な実施
形態のこの説明では５）の基準ソースを固定ユニット
（図示せず）内に固定して、発生する磁界が、基準フレ
ームの空間座標の互いに独立した関数であるように構成
する。磁界センサは、カテーテルの軸に平行な局所磁界
の方向成分を測定する。したがって、Ｎ番目のソースに
よるセンサの出力は、以下のように記述することができ
る。
【数１】ｘn （ｔ）＝ｋＢn （ｒs ，ｔ）．ｐs
【００１５】式１において、Ｂn （ｒ，ｔ）は、時点ｔ
で、基準フレーム内の三次元位置ｒでソースｎによって
生成された磁界ベクトル、ｒs はセンサの位置、ｐs は
カテーテルの軸に平行な単位ベクトル、ｋはセンサの感
度である。なお、太字の符号はベクトル量を表し、ｘ．
y はｘおよびｙのスカラ積を表すことを注記しておく。
ベクトルｒs は３度の自由度を有するが、単位ベクトル
ｐs は２度のみを有する。これは、センサの出力がカテ
ーテルの軸を中心とした回転角度には独立しているの
で、この角度は決定不可能であるという事実を反映して
いる。したがって、センサの方位は、３個でなく２個の
みの座標によって規定される。ソースを多重化し、続い
てセンサ出力をデマルチプレクスすることによって、ソ
ース磁界の別個の測定値が得られる。これは地磁界も考
慮しており、いかなる他の周囲騒音場も、測定値から取
り消される。センサの応答が線形であるので、各磁界が
異なる単一周波数で変動する、周波数分割多重化も使用
可能である。いかなる特定のカテーテル位置において
も、Ｎソース磁界のデマルチプレクスされたセンサ測定
値は時間に独立しているので、式１は以下のように書き
直すことができる。
【数２】 ｘn ＝ｋＢn （ｒs ）．ｐs ｎ＝１ないしＮ
【００１６】関数Ｂn （ｒ）は基準ソースの較正によっ
て決定され、定数ｋはセンサの較正によって決定され
る。このため、Ｎが少なくとも５であれば、これらのＮ
式を解くことによって、ベクトルｒs およびｐs におけ
るセンサ１８（カテーテル頭部１６に近接してカテーテ
ル１０上に配置されている）の５個の位置および方位座
標を見出し得る。本発明の代替的な実施形態では、基準
変換器の数（Ｎ）は６以上であり、したがって測定式か
らのセンサの感度（ｋ）の決定が容易となり、このた
め、カテーテルに取り付けられた変換器１８に較正を行
う必要性が除去されて有利である。カテーテル１０が臨
床医によって操作される際には、その位置座標を連続的
に再計算することによって、カテーテル頭部１６を追跡
可能である。ある手続きでは、２個以上のカテーテルを
追跡することが有用であり得る。これを行うには、単
に、各カテーテルに変換器およびインタフェース電子部
品を同様に設けて、Ｎ個の磁界測定値の各集合につい
て、式を解くプロセスを繰り返せば良い。基準変換器１
９の較正はかなり長い手続きであるが、その後、基準ユ
ニットは無期限に再使用可能である。カテーテル１８上
に配置された変換器の較正は、単純な測定である。例え
ば、カテーテルを用いる直前に、基準ユニットに取り付
けられたジグを用いて、カテーテル頭部を基準フレーム
内の公知の位置に配置することによって、行うことがで
きる。本発明の範囲から逸脱することなく、ここに説明
した実施形態に様々な変更を行い得ることは、当業者に
は認められよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】人体内に挿入されたカテーテルの概略図であ
る。
【図２】動脈を介して心臓に挿入された典型的なカテー
テルを示し、基準変換器が心臓周辺に配置されていると
共に、特に１つの磁界変換器が心臓内に挿入されたカテ
ーテルの頭部上に配置されている。
【図３】身体外部に配置されたいくつかの基準変換器お
よび、動脈を介して身体の部分内に挿入されカテーテル
頭部に単一の変換器が配置されたカテーテルに関連付け
て、信号処理ユニットの概略図を示す。
【符号の説明】
１ 人体 １０ カテーテル １６ 頭部 １８，１９ 磁界変換器 ２２ 信号処理ユニット

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 カテーテルの位置および方位を決定する
    ためのカテーテル追跡システムであって、複数の磁界変
    換器と、該複数の磁界変換器に結合されると共に前記複
    数の磁界変換器を付勢して磁界を発生または検出するよ
    うに構成された制御ユニットとを備えており、前記複数
    の磁界変換器のうちの１つが前記カテーテルの遠位端に
    近接して前記カテーテル上に配置され、前記複数の磁界
    変換器のうち他のものが互いに対して基準位置に配置さ
    れると共にほぼ独立しているように構成され、前記複数
    の変換器のうち選択されたものによって発生した磁界の
    検出の結果として、前記制御ユニットが前記検出された
    磁界を表す検出信号を処理するように、前記基準変換器
    によって規定された基準フレームに対して前記カテーテ
    ルの３つの位置座標および２つの方位座標を決定するよ
    うに動作することを特徴とするカテーテル追跡システ
    ム。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のカテーテル追跡システ
    ムにおいて、前記カテーテルの遠位端に近接して前記カ
    テーテル上に配置された前記１つの磁界変換器が磁界セ
    ンサとして動作し、前記複数の変換器のうち前記他のも
    のが磁界ソースとして動作することを特徴とするカテー
    テル追跡システム。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載のカテーテル追跡システ
    ムにおいて、前記カテーテルの遠位端に近接して前記カ
    テーテル上に配置された前記１つの磁界変換器が磁界ソ
    ースとして動作し、前記複数の変換器のうち前記他のも
    のが磁界センサとして動作することを特徴とするカテー
    テル追跡システム。
  4. 【請求項４】 請求項１から請求項３までのいずれかに
    記載のカテーテル追跡システムにおいて、前記複数の磁
    界変換器がコイルであることを特徴とするカテーテル追
    跡システム。
  5. 【請求項５】 請求項１から請求項４までのいずれかに
    記載のカテーテル追跡システムにおいて、前記複数の基
    準変換器が、外部較正方法にしたがって、ほぼ独立して
    構成されていることを特徴とするカテーテル追跡システ
    ム。
  6. 【請求項６】 請求項１から請求項５までのいずれかに
    記載のカテーテル追跡システムにおいて、前記磁界セン
    サによって発生した前記磁界が異なる周波数、異なる位
    相またはその双方を有し、これによって、前記磁界の同
    時発生および検出を容易にすることを特徴とするカテー
    テル追跡システム。
  7. 【請求項７】 請求項１から請求項６までのいずれかに
    記載のカテーテル追跡システムにおいて、前記複数の他
    の磁界変換器が少なくとも５つの変換器であることを特
    徴とするカテーテル追跡システム。
  8. 【請求項８】 カテーテルの位置および方位を決定する
    ためのカテーテル追跡方法であって、 前記カテーテルの遠位端に近接して前記カテーテル上に
    単一の磁界変換器を配置し、該単一の磁界変換器を付勢
    して磁界発生器または磁界検出器のいずれかとして動作
    させるステップと、 前記カテーテルを人または動物の身体内に挿入するステ
    ップと、前記人または動物の身体の内部または周囲に、
    互いに対して基準位置に、かつほぼ独立して、複数の他
    の磁界変換器を配置し、該複数の他の磁界変換器を付勢
    して磁界発生器または磁界検出器のいずれかとして動作
    させることによって、前記人または動物の身体周囲に基
    準フレームを生成するステップと、 前記検出された磁界を表す検出信号を処理して、前記基
    準フレームに対して前記カテーテルの３つの位置座標お
    よび２つの位置座標を決定するステップと、を備えるこ
    とを特徴とする方法。
JP10323975A 1997-11-15 1998-11-13 カテーテル追跡システム Ceased JPH11221287A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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GB9724073A GB2331807B (en) 1997-11-15 1997-11-15 Catheter tracking system
GB9724073.3 1997-11-15

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008150374A Division JP2008220997A (ja) 1997-11-15 2008-06-09 カテーテル追跡システム

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