DE69630432T2

DE69630432T2 - Mapping-Katheter

Info

Publication number: DE69630432T2
Application number: DE69630432T
Authority: DE
Inventors: Frederik H.M. Wittkampf
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1995-11-22
Filing date: 1996-11-22
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2016-11-23
Also published as: JP3955346B2; AU714372B2; JPH09168519A; EP0775466A3; EP0775466A2; US5697377A; AU7184296A; CA2189399A1; DE69630432D1; CA2189399C; EP0775466B1; US5983126A

Description

Diese Erfindung betrifft Systeme zum Mapping bzw. Kartographieren der Katheterelektrodenposition innerhalb des Körpers eines Patienten und insbesondere ein System, das eine automatische dreidimensionale Echtzeitmessung der Katheterelektrodenposition mit einer Genauigkeit von deutlich weniger als 1 cm ermöglicht.
Es ist bekannt, daß genaue Positionsinformationen zum Kartographieren oder Lokalisieren eines akzessorischen atrioventrikulären Leitungswegs erforderlich sind. In diesem Fall kann die ventrikuläre oder atrielle Einführungsstelle des Leitungswegs während einer antegraden oder retrograden Leitung durch den Leitungsweg lokalisiert werden.
Die Notwendigkeit genauer Positionierungsinformationen läßt sich weiter anhand des Standardverfahrens zur Herzkartographierung und zur nachfolgenden Abtragung bzw. Ablation der Stelle einer ventrikulären Tachykardie in einem Patienten erläutern. Der Katheter wird in das Atrium oder den Ventrikel eingeführt, und die Spitze wird an der Endokardialstelle positioniert. Es wird eine Tachykardie induziert, und die Spitze wird zu verschiedenen Positionen bewegt, an denen die zeitliche Abfolge erfaßter intrakardialer Signale mit EKG-Signalen verglichen wird. Jede Position und der Moment der lokalen Aktivierung müssen genau bestimmt und aufgezeichnet werden, so daß eine genaue Karte erstellt werden kann, anhand derer der Tachykardiefokus bestimmt werden kann. Nach der Kartographierung muß die Abtragungsspitze in bezug auf den Fokus genau repositioniert werden. Dieses Repositionieren macht es sehr wichtig, genaue Spitzenpositionsinformationen zu erhalten, wann und während die Spitze zu einer Position bewegt wird. Es ist weiterhin wohlbekannt, daß häufig mehrfache Abtragungen in einem verhältnismäßig kleinen Bereich innerhalb des Herzens erforderlich sind, um arrhythmogene Foki zu beseitigen. Dementsprechend wird der Katheter der Reihe nach an etwas verschiedenen Positionen dicht beim Fokus positioniert, um Läsionen in der Herzwand zu erzeugen. Diese Läsionen werden an verschiedenen Orten erzeugt, um das Beseitigen der Foki zu gewährleisten. Es ist gegenwärtig schwierig, genaue und zuverlässige Informationen hinsichtlich der Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Abtragungsstellen zu erhalten.
Während hämodynamischer und elektrophysiologischer Herzkatheterisierungsprozeduren verwenden Kardiologen im all-gemeinen eine fluoroskopische Abbildung in einer Einzelebene oder manchmal in einer Doppelebene, um die Position des Katheters innerhalb des Herzens abzuschätzen. Es ist jedoch noch nicht möglich, mit der Fluoroskopie automatische und objektive dreidimensionale Informationen zur Katheterposition zu erhalten, ohne eine mühsame dreidimensionale Rekonstruktion anhand fluoroskopischer Bilder auszuführen. Es ist leicht verständlich, daß eine automatische Messung der Katheterposition während vieler interventioneller Katheterisierungsprozeduren sehr nützlich wäre.
Es sind Systeme zum Erhalten dreidimensionaler Katheterpositionsdaten bekannt, diese weisen jedoch ernste Beschränkungen auf. Beispielsweise verwendet ein magnetisches System ein spezielles Element in der Katheterspitze, dessen Größe und Konfiguration es nur für bestimmte Kathetertypen verwendbar macht. Angesichts der vielen verschiedenen Kathetertypen, die für verschiedene Anwendungen verwendet werden, wären ein System und eine Technik, wodurch es möglich wäre, die Position eines beliebigen Kathetertyps genau zu lokalisieren, ein erheblicher Fortschritt.
Der Stand der Technik enthält zahlreiche Vorrichtungen und Systeme, die auf die Katheterlokalisierung gerichtet sind. Diese Systeme umfassen eine Anzahl verschiedener Verfahren, wie das Befestigen einer Induktorspule neben der Katheterspitze, wobei sich Leitungen von der Spule entlang dem Katheter erstrecken, um eine Verbindung zu externen Anzeigeeinrichtungen herzustellen, das Positionieren einer auf ein veränderliches Magnetfeld ansprechenden Komponente am Katheter oder an der Einrichtung, die zu positionieren ist, und das Verwenden einer beweglichen externen Magnetfeldquelle, das Verwenden einer Sonde, die ein kleines Magnetfeld erzeugt, das durch ein magnetisch permeables Metall in der zu positionierenden Vorrichtung gestört wird, und die Konstruktion verschiedener Typen von Herzkartographierungssonden und Elektrodenkonfigurationen.
In WO 94/04938 ist ein Sensor offenbart, der von mehreren Orten erzeugte Magnetfelder erfaßt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können sowohl die Orientierung als auch der Ort eines Sensors bestimmt werden.
Die Verwendung einer Probe, die ein kleines magnetisches Feld erzeugt, welches durch ein magnetisch permeables Metall in der zu positionierenden Vorrichtung gestört wird; und die Konstruktion verschiedener Arten von Herzkarthographierungsproben und Elektrodenkonfigurationen; In US-A-5 433 198 sind ein System und ein Verfahren zur Herzkartographierung und -abtragung offenbart, wobei ein Mehrelektrodenkatheter perkutan in das Herz einer Person eingeführt wird und neben verschiedenen Endokardialstellen angeordnet werden kann.
Diese Verfahren haben sich jedoch aus dem einen oder dem anderen Grunde nicht als kommerziell erfolgreich erwiesen, und es bleibt auf dem Fachgebiet ein erheblicher Bedarf an einer verbesserten Technik zur Herzkartographierung, insbesondere einer Technik, die auf Herzkatheterisierungs- und -abtragungsprozeduren anwendbar ist, bestehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein System zur Verwendung beim Ausführen einer Katheterkartographierung bzw. eines Kathetermappings eines Körperorts innerhalb eines Patienten vorgesehen, welches aufweist:
ein externes Signalmittel zum Anlegen von drei im wesentlichen orthogonalen Wechselstromsignalen an den Patienten über jeweilige Elektroden, die dafür ausgelegt sind, am Patienten angeordnet zu werden, so daß bei der Verwendung die Stromsignale durch den Körper des Patienten übertragen werden,
wobei jedes der Stromsignale ein jeweiliges Merkmal aufweist, das es von den anderen zwei orthogonalen Signalen unterscheidbar macht,
einen Katheter, der dafür ausgelegt ist, in den Körper des Patienten eingeführt zu werden und zu mehreren Orten geführt bzw. manipuliert zu werden, wobei der Katheter wenigstens eine Kartographierungselektrode aufweist, ein Lokalisierungsmittel, das mit der Kartographierungselektrode verbunden ist, um eine jeweilige Spannung zu erfassen, die sich von jedem der durch den Körper hindurchlaufenden Stromsignale ergibt, und zum Verarbeiten der Spannung, um Ortssignale zu erhalten, die den Ort der Kartographierungselektrode angeben, wenn sie an jeweiligen verschiedenen Körperorten positioniert wird,
ein Mittel zum Berechnen von Positionen für jeden Ort, an dem die orthogonalen Wechselstromsignale erfaßt wurden, anhand der Ortssignale, und
ein Ausgabemittel zum Ausgeben den Positionen entsprechender Daten.
Die Erfindung sieht demgemäß ein Katheterkartographierungssystem zum Kartographieren von Orten innerhalb eines Patienten vor, welches eine verbesserte Lokalisierungsgenauigkeit bereitstellt, welche in der Größenordnung weniger Millimeter sein kann. Die bevorzugte Ausführungsform betrifft das Anwenden dreier orthogonaler (x, y, z)-Stromsignale über den Patienten, die im wesentlichen auf den zu erkundenden Bereich, wie das Herz des Patienten, gerichtet sind, wobei jedes der Signale ein jeweiliges Merkmal aufweist, das es von den anderen orthogonalen Signalen unterscheidbar macht. Der Katheter, der in den zu erkundenden Körperbereich eingeführt worden ist, weist eine Spitzenelektrode oder eine andere Kartographierungs elektrode, auf, die in der Nähe der distalen Spitze angeordnet ist, welche über die drei Erfassungskanäle verbunden ist. Die Erfassungskanäle erfassen die am Elektrodenort durch die drei jeweiligen angelegten Signale induzierten Signale, wobei die erfaßten Signale verwendet werden, um den Ort der Elektrode zu berechnen. Eine einfache Kalibrierungsprozedur verwendet an einem bekannten Zwischenelektrodenabstand am Katheter zwei Elektroden und drei schnelle Messungen zum Bestimmen der Korrelation der jeweiligen erfaßten x-, y- und z-Signale mit der Spitzenposition.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform sind die externen Signale orthogonal, sie können jedoch auch etwas von der Orthogonalen abweichen. Die extern angelegten Signale sind geeigneterweise Konstantstrom-Impulsströme bei Frequenzen im Bereich von etwa 25–50 kHz, wobei die Konstantstromimpulse einen Strom in einem um etwa 0,1 mA zentrierten Bereich aufweisen. Wenngleich herausgefunden wurde, daß diese Parameter zum Vermeiden einer Interferenz mit EKG-Aufnahmen nützlich sind, können auch andere Parameter verwendet werden. Die erfaßten x-, y- und z-Signale werden durch Digitalfilter oder andere geeignete schmalbandige Filter getrennt, wobei die sich ergebenden Signale durch ein Tiefpaßfilter geführt werden, das eine Abschneidegrenze aufweist, die dafür ausgelegt ist, Änderungen infolge der Herzkontraktion und der Atmung des Patienten zu beseitigen.
Die leichte Verfügbarkeit genauer dreidimensionaler Positionsdaten ermöglicht zahlreiche Verbesserungen an der Sichtbarmachung der Katheterposition. Wenngleich im Stand der Technik von Röntgenstrahlen nur zwei getrennte Bilder in zwei gewöhnlich senkrechten Richtungen bereitgestellt werden, ermöglichen dreidimensionale Informationen eine dreidimensionale Darstellung der Katheterspitzenposition für Kardiologen. Hierdurch wird die Katheterisierung erheblich einfacher und schneller, und es wird dadurch ein seit langem existierender erheblicher Bedarf gedeckt.
Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen nur als Beispiel mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm, in dem die Hauptkomponenten eines Systems gemäß dieser Erfindung, das zur Katheterkartographierung und für verwandte Prozeduren verwendet wird, dargestellt sind.
2(a) zeigt oben ein normales Elektrokardiogramm und unten ein die Atmung darstellendes Signal, worin die relativen Frequenzen dargestellt sind, 2(b) zeigt ein erfaßtes Ortssignal und Schwankungen infolge der Herzkontraktion und der Atmung des Patienten, 2(c) zeigt das erfaßte Ortssignal, wobei die hohe Frequenz herausgefiltert wurde, wobei jedoch noch Schwankungen infolge von Kontraktionen und der Atmung enthalten sind (Vc), und das Signal nach dem Herausfiltern der niedrigen Frequenzen (V).
3 ist ein Flußdiagramm, in dem die primären Schritte zur Katheterkartographierung und Abtragung gemäß dieser Erfindung dargestellt sind.
4 ist ein Diagramm, in dem eine Auftragung gemäß dieser Erfindung erhaltener dreidimensionaler Ortsdaten dargestellt ist.
Diese Erfindung beruht auf der Verwendung des Patienten und gemäß einem spezifischen Ausführungsbeispiel des Herzens des Patienten als ein Potentiometer in drei orthogonalen Richtungen. Es werden orthogonale Hochfrequenz-Stromquellen verwendet, um einen verhältnismäßig niedrigen Strom in jeder von drei jeweiligen orthogonalen Richtungen durch den Patienten zu übertragen, der auf den oder in die Nähe des interessierenden Körperbereichs gerichtet ist. Wie in 1 dargestellt ist, werden jeweilige Stromquellen 40, 41 und 42 verwendet, um an Elektroden angelegte Signale zu erzeugen, die schematisch als Elektrodenpaare x, x'; y, y'; und z, z' dargestellt sind. Es wird ein Katheter 46 in den Patienten eingeführt, und es wird für die Zwecke der laufenden Erörterung angenommen, daß das distale Ende des Katheters in das Herz des Patienten eingeführt wird. Der Katheter weist wenigstens zwei bei 47, 48 dargestellte Elektroden auf. Die Elektrode 47 liegt etwa am Spitzenende des Katheters und kann an dem oder neben dem interessierenden Herzwandbereich positioniert werden. Hier kann sich die Spitzenelektrode tatsächlich an der Spitze befinden, oder sie kann etwas proximal von der Spitze versetzt sein, wobei sie jedoch im distalen Spitzenbereich des Katheters liegt. Die zweite Elektrode 48 ist in einem vorbestimmten Abstand D von der Elektrode 47 angeordnet. Wenngleich lediglich zwei solche Elektroden dargestellt sind, kann der Katheter auch drei, vier oder mehr Elektroden enthalten, solange er wenigstens eine Positionserfassungselektrode, vorzugsweise an oder in der Nähe der Spitze, enthält, und zu Kalibrierungszwecken ein Paar durch einen vorbestimmten Abstand D getrennter Elektroden aufweist, wie nachstehend dargelegt wird. Es sei bemerkt, daß ein PTCA-Katheter in der Nähe seiner Spitze oder auf entgegengesetzten Seiten des Ballons zwei Elektroden aufweisen kann, wobei geeignete Verbindungen zur Verwendung bei der Verwirklichung dieser Erfindung bereitgestellt sind.
Gemäß einer ersten Ausführungsform sind die an den Patienten angelegten drei elektrischen Signale konstante Hochfrequenz-Stromimpulssignale der in 2a dargestellten Form, die jeweils eine etwas andere Frequenz aufweisen. Beispielsweise kann die Stromquelle, die die x-, x'-Elektroden ansteuert, welche mit CS_x bezeichnet ist, bei 30 kHz arbeiten, wobei ein Strom von etwa 0,1 mA fließt, arbeitet CS_y bei 31 kHz und arbeitet CS_z bei 32 kHz. Alternativ können alle drei Quellen bei in etwa der gleichen Frequenz arbeiten, sie sind jedoch zeitlich multiplexiert, so daß sie bei einer nachfolgenden Aufnahme erfaßter Signale unterschieden werden können. Der wichtige Unterschied besteht darin, daß irgendein Merkmal, wie die Frequenz, die Phase oder die Zeit, für jedes der drei angelegten Signale eingestellt wird, so daß drei Signale im Patienten erfaßt und dann als jeweilige x-, y- und z-Signale getrennt bzw. unterschieden werden können.
Es sei bemerkt, daß der Bereich von 25–50 kHz für die Anwendung dieser Erfindung vorteilhaft ist, weil er deutlich oberhalb der gewöhnlichen oberen Abschneidefrequenz von endokardialen Bandpaß-Elektrogrammverstärkern liegt. Es können auch niedrigere Frequenzen verwendet werden, in diesem Fall sind jedoch speziell abgestimmte Filter für alle Elektrogrammverstärker erforderlich, um die externen Signale zu beseitigen. Falls die Erfindung jedoch mit Prozeduren verwirklicht wird, in denen keine endokardialen Elektrogramme aufgezeichnet werden, wie es beispielsweise bei PTCA der Fall ist, können die externen Quellen frequenten viel niedriger sein. Ebenso können die orthogonalen Signale beliebige geeignete Strompegel aufweisen, um eine Rauschaufnahme bei anderen Signalen zu vermeiden. Wenngleich weiterhin Stromimpulse bevorzugt sind, weil sie den Einfluß veränderlicher Hautkontaktimpedanzen ausschließen, können die Signale bei manchen Anwendungen auch Spannungsimpulse sein. Demgemäß hängen die optimale Frequenz sowie der Signalpegel von der Anwendung ab.
Um die Erläuterung der Erfindung fortzusetzen, wobei drei externe Signale mit verschiedenen Frequenzen angenommen werden, wird nun die mathematische Grundlage zum Bestimmen einer Position der Katheterspitze erklärt. Weiter mit Bezug auf 1 sei bemerkt, daß bei dem System zur intrakardialen Kartographierung gemäß dieser Erfindung die Spitzen- oder Kartographieelektrode 47 über die drei Erfassungsfilter 50, 54, 57 angeschlossen ist, von denen jedes so eingestellt ist, daß es für eine jeweilige der drei Stromquellenfrequenzen empfindlich ist. An jedem gegebenen Ort wird für jeden orthogonalen Strom eine Spannung zwischen der Elektrode 47 und einer Referenzelektrode R, geeigneterweise einer Oberflächenelektrode auf der Haut des Patienten, erfaßt. Unter der Annahme, daß sich der Körper linear verhält, ergeben die drei verschiedenen gemessenen Spannungen eindeutige x-, y- und z-Werte für den Ort der Spitzenelektrode 47 innerhalb des Körpers des Patienten nach den folgenden Beziehungen:
V_x = ax
V_y = by
V_z = cz
Die Konstanten oder Empfindlichkeiten a, b und c sind Unbekannte, die bestimmt werden müssen und in mV/mm ausgedrückt werden. Zum automatischen Kalibrieren, also zum Bestimmen der drei Konstanten, wird gemäß der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ein Katheter verwendet, der zwei Elektroden mit einem bekannten Zwischenelektrodenabstand (D, in mm) aufweist. Eine der zwei Elektroden kann die Spitzenelektrode sein, oder die beiden Elektroden können zwei getrennte Elektroden sein, beispielsweise zwei Elektroden eines quadripolaren Katheters. Diese Kalibrierungsanordnung benötigt zwei Sätze gleich empfindlicher Erfassungsverstärker und Signalverarbeitungswege für jede Richtung, wie in 1 schematisch angegeben ist. Weil jede der zwei Elektroden eine Spannung für jeden der x-, y- und z-Ströme aufnimmt, sind die folgenden Gleichungen anwendbar:
V_x1 = ax₁, V_y1 = b_y1 und V_z1 = cz₁
V_x2 = ax₂, V_y2 = by₂ und V_z2 = cz₂
Zum Berechnen der Unbekannten a, b und c ist es erforderlich, den gemessenen Wert DV_x = V_X2 – V_x1 zusammen mit den Unbekannten Dx = x₂ – x₁, DV_y = V_y2 – V_y1 zusammen mit Dy = y₂ – y₁ und DV_z = V_z2 – V_z1 zusammen mit Dz = z₂ – z₁ zu verwenden. Wenn bekannt ist, daß DV_x = aDx, DV_y = bDy und DV_z = cDz und Dx² + Dy² + Dz² = D² ist, erhält man:
Mit den gemessenen Werten DV_x, Dv_y und DV_z und dem bekannten Wert D können a², b² und c² berechnet werden. Zur Vereinfachung seien 1/a² = A, 1/b² = B und 1/c² = C und DV_x ² = X, DV_y2 = Y und DV_z ² = Z. Hierdurch wird die folgende vereinfachte Gleichung erhalten: AX + BY + CZ = D2 wobei X, Y und Z gemessen sind und D der bekannte Zwischenelektrodenabstand ist. Es ist nun lediglich erforderlich, Messungen für drei solcher Gleichungen zu erhalten, indem der Katheter in drei verschiedenen Orientierungen in derselben Herzkammer oder in einem anderen Körperbereich angeordnet wird. Hierfür ist keine zusätzliche Prozedur erforderlich, weil der Katheter in jedem Fall während der Katheterisierung kontinuierlich innerhalb des Herzens manipuliert wird. Es sei bemerkt, daß es nicht erforderlich ist, diese drei Orientierungen zu Beginn der Prozedur getrennt zu erhalten. Tatsächlich können frühere Positionsdaten mit später erhaltenen Kalibrierungen korrigiert werden. Wenn die drei Orientierungsdatensätze erhalten werden, können die drei simultanen Gleichungen nach A, B und C gelöst werden, und die Kalibrierungswerte von a, b und c können dann berechnet werden. Wenngleich es theoretisch stets zwei Lösungen für a, b und c von A, B und C gibt, ist nur die positive Lösung die richtige.
In der Praxis kann das System nicht ideal homogen sein, was bedeutet, daß ein gegebener Satz erhaltener Messungen nicht absolut richtig ist. Dies ist kein grundlegendes Problem für das Erhalten genauer Messungen, weil die Berechnungen während der Katheterisierung automatisch kontinuierlich ausgeführt werden können und die Ergebnisse gemittelt werden können. Solange der Katheter demgemäß manipuliert wird, können die Kalibrierungsmessungen und Berechnungen eine beliebige Anzahl von Malen wiederholt werden, und es kann ein resultierender Durchschnittswert erhalten werden, der eine sehr reale und genaue Positionsbestimmung bietet. Es sei auch bemerkt, daß es bei dieser Erfindung leicht ist, die Kalibrierungskonstanten oder Empfindlichkeiten für verschiedene Bereiche der Herzkammer zu berechnen. Dies könnte nützlich sein, weil die Messungen möglicherweise nicht genau linear sind. Durch Neuberechnen der Kalibrierungskonstanten für verschiedene Bereiche der Herzkammer können für die klinische Anwendung zu Kartographierungs- und Abtragungszwecken berechnete relative Positionen zuverlässig erhalten werden.
Selbst ohne jede Kalibrierung kann eine Katheterisierung ausgeführt werden, indem eine "Über-den-Daumen"-Empfindlichkeit, beispielsweise auf der Grundlage des Gewichts oder der Brustkorbabmessungen des Patienten, angenommen wird. Es sei auch bemerkt, daß es gewöhnlich nicht erforderlich ist, die gesamte Herzkammer zu kartographieren. Die Kartographierung und die nachfolgende Abtragung werden gewöhnlich nur in einem bestimmten Teil oder Bereich der Kammer ausgeführt, von dem die Arrhythmie ausgeht. Die Linearität ist viel besser, wenn die Kartographierung auf einen begrenzten Bereich dieser Herzkammer beschränkt ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Kalibrierung ohne die Verwendung von zwei Elektroden im Herzen erreicht werden, indem bestimmte Herzabmessungen angenommen werden, während nur V_x, V_y und V_z an der Kartographierungselektrode gemessen werden. Bevor er beispielsweise in den linken Ventrikel eindringt, muß der Katheter durch die absteigende Aorta, den Aortenbogen und die Aortenklappe hindurchgeführt werden. Wenn der Patient auf dem Rücken liegt, beträgt der in Tiefenrichtung gemessene Abstand von der absteigenden Aorta bis zur Aortenklappe in etwa 5 cm. Es ist bekannt, daß der Abstand von der Aortenklappe bis zum linken ventrikulären Apex nahe bei 10 cm liegt. Unter Verwendung dieser genäherten Abstandswerte zusammen mit den gemessenen Spannungen an diesen Stellen kann eine Empfindlichkeitskalibrierung erzeugt werden, wenn dem System in einem anatomischen Sinne "gesagt" wird, wo die Katheterelektroden positioniert sind. Dies führt zu Katheterpositionen innerhalb eines normierten linken Ventrikels. Die gleiche Technik kann in anderen Herzkammern zum Erhalten zuverlässiger Positionsdaten verwendet werden.
In 1 ist ein Katheter 46 mit einer Spitzenelektrode 47 dargestellt, der in irgendeine Position innerhalb der Herzkammer geführt ist. Eine Referenzelektrode R an der Oberfläche des Patientenkörpers ist mit einer Leitung verbunden, um ein Referenzpotential bereitzustellen. Zum Durchführen von Positionsmessungen ist die gemessene Spannung zwischen der Spitzenelektrode 47 und der Elektrode R über eine Schaltmatrix 49 an jedes der drei Filter 50, 54 und 57 angelegt, die Digitalfilter oder andere geeignete schmalbandige Filter sind, die dafür ausgelegt sind, die bei 40, 41 bzw. 42 erzeugten jeweiligen Signale aufzunehmen. Die drei Stromquellen werden durch mit 44 bezeichnete jeweilige Takte angesteuert, welche die Grundzeitsignale bei f_x, f_y und f_z erzeugen. Diese Taktsignale treiben die Stromquellengeneratoren und sind auch an die jeweiligen x-, y- und z-Filter angelegt, um an den Punkten V₁ und V₂ eine Zeitabtastung der empfangenen Signale auszuführen, wie in 2(a) dargestellt ist. Die Ausgabe von jedem der Filter 50, 54 und 57 wird über einen entsprechenden Verstärker 51, 55, 58 und dann durch ein Tiefpaßfilter 52, 56, 59 geführt. Die Tiefpaßfilter haben eine Abschneidegrenze von etwa 0,1 Hz, um jegliche sich schneller bewegende Änderungen im Signal von jedem Verstärker herauszufiltern. Der Zweck hiervon besteht darin, Probleme zu vermeiden, die sich aus der Herzkontraktion und der Atmung des Patienten ergeben. Demgemäß haben die Tiefpaßfilter geeigneterweise eine lange Zeitkonstante im Bereich von 5–10 Sekunden, um die Herzund Atmungsbewegungen herauszufiltern. Es sei jedoch bemerkt, daß bei manchen Anwendungen die Atmungs- und Herzbewegungsinformationen nützlich sein können, so daß die Verwendung der Tiefpaßfilter eine Option ist.
Die 2(a), 2(b) und 2(c) zeigen die Wirkung einer Kontraktion und der Atmung auf die erfaßten x-, y- und z-Signale, und sie zeigen, wie diese Wirkungen herausgefiltert werden können. 2(a) zeigt ein Elektrokardiogramm und ein Atmungssignal, und 2(b) zeigt das erfaßte Signal, das an den Plus- und Minus-Spitzen abgetastet worden ist, um ein Signal zu erzeugen, das der Differenz zwischen dem Plus- und dem Minus-Abschnitt der erfaßten 30-kHz-Impulse entspricht. Die Amplitude des erfaßten Signals ist als sich infolge der Atmung und der Kontraktion veränderlich dargestellt, woraus sich ein Signal V_c ergibt, wie in 2(c) dargestellt ist. Diese Signaländerungen werden durch das Tiefpaßfilter entfernt, woraus sich ein genaues Positionssignal der Spannung V ergibt, wie in 2(c) dargestellt ist.
Die x-, y- und z-Ausgaben von den in 1 dargestellten drei Kanälen werden zur Berechnung jedes dreidimensionalen Orts einem Computer 65 oder einer gleichwertigen Vor richtung zugeführt. Die Ausgaben werden einer geeigneten Ausgabevorrichtung oder Anzeige 66 zugeführt, um eine vertikale Echtzeitanzeige bereitzustellen. Wie nachstehend näher erörtert wird, können Positionsdaten zur späteren Neuanzeige gespeichert werden.
Wieder auf 1 zurück verweisend sei bemerkt, daß während der Kalibrierungsschritte jede der Elektroden des Elektrodenpaars am Katheter 46, die zur Kalibrierung verwendet wird, an ein Paar von z-Verarbeitungskanälen, ein Paar von y-Verarbeitungskanälen und ein Paar von x-Verarbeitungskanälen angeschlossen ist. Demgemäß werden die zwei Signale in z-Filter 50, 50', y-Filter 54, 54' und x-Filter 57, 57' eingegeben. Diese Filter sind genau angepaßt, um die DV_x-, DV_y- und DV_z-Signale bereitzustellen. Wie bei den Positionsmessungen werden die Taktsignale vom Block 44 über jedes der sechs Filter geführt, um ein digitales Filtern der jeweiligen Paare von x-, y- und z-Signalen bereitzustellen. Diese sechs Signale werden durch Verstärker 51, 51'; 55, 55' und 58, 58' verstärkt und dann durch die Tiefpaßfilter 52, 52'; 56, 56' und 59, 59' geführt. Die drei Paare von x-, y- und z-Signalen werden dann dem Computer 65 zugeführt, um die vorstehend dargelegten Berechnungen auszuführen und die Konstanten a, b und c zu bestimmen. An Stelle der Verwendung von zwei Sätzen von Kanalverstärkern und -filtern kann nur ein Satz verwendet werden, wobei jede Elektrode abwechselnd an den gleichen Kanaleingang angeschlossen wird. Unter Verwendung desselben Kanals zur Verarbeitung der Signale wird eine identische Verstärkung und damit eine größere Genauigkeit gewährleistet.
Mit Bezug auf 3 werden einige der wesentlichen Schritte bei der Verwirklichung dieser Erfindung dargelegt. In Block 70 werden orthogonale Konstantstromsignale an den Patienten angelegt, wie in 1 dargestellt ist. Wie zuvor angegeben wurde, sind diese jeweiligen Signale geeigneterweise in etwa 30, 31 und 32 kHz, welche jeweils einen Strom von etwa 0,1 mA aufweisen. Wenngleich etwas niedrigere Frequenzen verwendet werden können, ist zu verstehen, daß niedrigere Frequenzen sowie höhere Ströme den Nachteil aufweisen, daß es wahrscheinlicher ist, daß sie bei EKG-Messungen aufgenommen werden. Wenngleich höhere Frequenzen geeignet sind und klar innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen, erfordern sie eine aufwendigere Elektronik. Bei 72 ist der Schritt des Einführens des Katheters, so daß sich die Spitze in dem zu kartographierenden Bereich befindet, angegeben. Dieser Schritt kann natürlich auch vor dem Anlegen der orthogonalen Signale ausgeführt werden. Bei 74 ist der Schritt des Kalibrierens des Systems zum Bestimmen der Konstanten a, b und c angegeben. Wie vorstehend dargelegt wurde, kann dieser Schritt gleichzeitig mit dem Aufnehmen von Ortsdaten ausgeführt werden. Bei 76 wird die Katheterspitze in eine interessierende Position bewegt. Für eine Katheterisierungsprozedur, die zur Abtragung führen soll, werden Messungen ausgeführt, um auf das Herz bezogene Daten, beispielsweise zum Ort eines Arrhythmiefokus, zu sammeln. Diese Datensammeltechniken sind auf dem Fachgebiet wohlbekannt. Die Ortsinformationen werden durch die vorstehend dargelegten Berechnungen bestimmt, und die erfaßten Informationen und der Ort werden gespeichert und/oder kartographiert. Das Flußdiagramm gibt an, daß die Schritte aus Block 76 eine beliebige Anzahl von Malen, je nach Entscheidung des Arztes, wiederholt werden können. Demgemäß kann die Katheterspitze zu einer beliebigen Anzahl von Orten bewegt werden, die nach dieser Prozedur alle identifiziert und automatisch kartographiert werden können. Als nächstes wird in Block 78 bestimmt, ob ein Bedarf oder ein Grund besteht, erneut zu kalibrieren, weil eine Anordnung in einem neuen Bereich vorgenommen wird. Wie vorstehend erörtert wurde, kann es erwünscht sein, eine Neukalibrierung vorzunehmen, falls die Katheterspitze erheblich bewegt worden ist, und die Prozedur geht, falls dies der Fall ist, zu 74 zurück. Wiederum sei bemerkt, daß die Kalibrierung zusammen mit den Schritten des Bewegens der Katheterspitze, des Messens, des Gewinnens eines Orts und des Kartographierens ausgeführt werden kann. Wenn die Kartographierung beendet wurde, geht die Prozedur zum Abtragen zu 80. Hier werden die zuvor erhaltenen Kartographierungsinformationen verwendet, um die Katheterspitze zu positionieren, so daß die Katheterspitze bewegt und angeordnet wird und, wenn sie sich an der gewünschten kartographierten Position befindet, eine Abtragung ausgeführt wird, um eine Quelle der Arrhythmie zu entfernen. Wie bekannt ist, wird eine Abtragung geeigneterweise ausgeführt, indem ein Hochfrequenz-Energieimpuls für einen Zeitraum von beispielsweise einigen Minuten an das Herzgewebe angelegt wird. Bei der typischen Abtragungsprozedur wird eine Läsion mit einem Durchmesser von etwa 1 cm gebildet. Die Abtragung kann an verschiedenen Orten in der Umgebung des Arrhythmiefokus unter Verwendung der früheren Kartographierungsdaten und durch Bestimmen des genauen Orts oder der Position der Katheterspitze gemäß dieser Erfindung wiederholt werden.
In 4 ist ein Beispiel elektrischer Lokalisierungsoder Positionsmessungen dargestellt, die während einer Herzkatheterisierung ausgeführt werden. Ein 10-kHz-Strom mit einer Impulshöhe von 0,1 mA wurde in drei orthogonalen Richtungen durch den Brustkorb des Patienten übertragen. In der Legende in 4 bezeichnen X von links nach rechts, Y vom Kopf zu den Beinen und Z vom vorderen Brustkasten zum Rücken. Tatsächliche Katheterspitzenpositionen wurden durch kalibrierte Röntgenbilder (in Zentimetern, horizontale Achse) gemessen und für jede von der X-, Y- und der Z-Richtung gegenüber den gemessenen fünffach verstärkten elektrischen Potentialen (mV, vertikale Achse) aufgetragen. In diesem Patienten wurde die Katheterspitze an vier verschiedenen Orten angeordnet, nämlich im hohen rechten atriellen Anhang, am Hisschen Bündel im linken Ventrikel in der Nähe des Mitralrings und innerhalb des Koronarsinus. Eine der vier Positionen ist als Referenz am Schnittpunkt der horizontalen und der vertikalen Achse dargestellt. Es sei bemerkt, daß die Linearität für jede von der x-, y- und y-Richtung sehr gut ist. Es war früher sehr schwierig, eine Anordnungsgenauigkeit innerhalb einiger cm zu erhalten. Mit dieser Erfindung liegt die Genauigkeit innerhalb von mm, wobei dies vom Filterungsgrad und von Schwankungen abhängt, die durch die Atmung und die Herzbewegung herbeigeführt werden. Diese Genauigkeit führt zu einer erheblichen Verbesserung der Abtragungsprozedur, weil früher nach der anfänglichen Kartographierung der Arzt im wesentlichen wieder eine Feinabstimmung oder eine Neukartographierung vornehmen mußte, wenn er das Abtragen wiederaufgenommen hat. Unter Verwendung der Technik gemäß dieser Erfindung kann der Arzt sehr schnell zur primären Abtragungsposition zurückkehren und die Abtragungselektrode wieder positionieren, um Läsionen an genau definierten Positionen zu erzeugen und die Arrhythmie auf diese Weise wirksam zu heilen und zu steuern.
Wie vorstehend erörtert wurde, wird die Referenzelektrode gemäß der bevorzugten Ausführungsform irgendwo auf der Haut angeordnet, woraus sich der Vorteil ergibt, daß es unwahrscheinlich ist, daß sie während der Prozedur verschoben wird. Ein Nachteil dieser Anordnung besteht jedoch darin, daß durch die Herzkontraktion und die Atmung induzierte Signalamplitudenschwankungen relativ hoch sind. Eine andere Option besteht in der Verwendung einer Elektrode eines stabilen Katheters innerhalb des Körperbereichs, beispielsweise des Herzens, als Referenzelektrode. Das Positionieren der Referenzelektrode in einer Kammer des Herzens hat den Vorteil, daß ein Verschieben verhältnismäßig unwahrscheinlich ist und daß Atmungs- und Kontraktionseinflüsse verringert sind, weil sich bei einer gegebenen Position der Kartographierungselektrode beide Elektroden gleichzeitig mit der Atmung oder der Kontraktion bewegen. Selbst hierbei kann sich die Referenzkatheterelektrode jedoch gelegentlich verschieben, wodurch die vorhergehenden Messungen im wesentlichen nutzlos gemacht werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, welche die Notwendigkeit einer zuverlässigen Referenzelektrode adressiert, die eine minimale Empfindlichkeit gegenüber Kontraktionen und der Atmung hat, werden die Quellenelektroden auch als Referenzelektroden verwendet, und die Quellensignale sind zeitmultiplexiert, wie vorstehend dargelegt wurde. Beispielsweise wird eine 90-kHz-Signalquelle verwendet, wobei jeweilige aufeinanderfolgende Impulse erst an die x-x'-Elektroden, als nächstes an die yy'-Elektroden und dann an die z-z'-Elektroden angelegt werden, so daß jedes Elektrodenpaar ein jeweiliges 30-kHz-Signal überträgt. In diesem Fall wird die Trennung der erfaßten Spannungen in bekannter Weise durch die Zeit und nicht durch die Frequenz erreicht. Wenn ein Signal erfaßt wird, sind die zwei anderen Elektrodenpaare verfügbar und können als Referenzelektroden verwendet werden. Wenn beispielsweise entweder die x- oder die y-Messung ausgeführt wird, sind die z- und die z'-Elektrode als Referenzelektrode zusammengeschaltet, und wenn die z-Messung vorgenommen wird, sind die y- und die y'-Elektrode als Referenzelektrode zusammengeschaltet. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die wirksame Elektrode in etwa in der Mitte des Patienten in der Nähe des Herzens angeordnet wird, und daß es nicht wahrscheinlich ist, daß sie versetzt wird, weil sie Hautelektroden aufweist.
Es sei bemerkt, daß bei manchen der um das Herz herum positionierten Quellenelektroden einige Kartographierungsorte vorhanden sein können, die recht dicht an einem Paar von Hautelektroden liegen. Infolge der Krümmung der Äquipotentiallinien des sich ergebenden elektrischen Felds könnte ein leichter Fehler herbeigeführt werden, wenn sich die Kartographierungsposition nicht in etwa in der Mitte zwischen dem Elektrodenpaar befindet. Ein solcher Fehler kann jedoch durch Schätzen der Position der Kartographierungselektrode zwischen jedem solchen Elektrodenpaar und durch Vornehmen einer geeigneten mathematischen Anpassung kompensiert werden. Die genäherte Position der Kartographierungselektrode kann durch Vergleichen der y-Spannung an den z-z'-Elektroden mit der y-Spannung an der Kartographierungselektrode, durch Vergleichen der z-Spannung an den y-y'-Elektroden mit der z-Spannung an der Kartographierungselektrode und durch Vergleichen der x-Spannung an der y-y'- und/oder der z-z'-Elektrode mit der x-Spannung an der Kartographierungselektrode geprüft werden.
Das System gemäß dieser Erfindung ist auf eine Anzahl wichtiger medizinischer Techniken anwendbar. Eine primäre Anwendung betrifft, wie vorstehend angegeben wurde, die Identifikation des Fokus oder der Austrittsstelle einer Tachykardie, beispielsweise einer ventrikulären Tachykardie (VT). Wie bekannt ist, werden beim Katheterisierungsprozeß Oberflächen-EKGs während einer ventrikulären VT erhalten und mit intrakardialen EKGs verglichen, die durch die Spitzenelektrode an verschiedenen Orten innerhalb des Ventrikels erhalten werden. Durch bekannte Techniken kann die Austrittsstelle der VT identifiziert werden. Durch die Verwendung des dreidimensionalen Orts gemäß dieser Erfindung können die Stimulationsstellen und die entsprechenden Korrelationen zwischen stimulierten und VT-EKGs verwendet werden, um die optimale Stelle zu bestimmen, an der die beste Korrelation zwischen beiden erwartet werden kann.
Zur weiteren Erläuterung des Schutzumfangs der Erfindung sei bemerkt, daß das System gemäß dieser Erfindung auch auf die dreidimensionale Abbildung einer Koronarstenose anwendbar ist. Dies kann durch Kombinieren von Echo-Spitzendaten mit dreidimensionalen Daten erfolgen. Ein einziger Katheter kann mit einer Echospitze am Ende sowie mit zwei distal angeordneten Elektroden zum Erhalten von Abmessungsinformationen ausgerüstet werden. Durch Kombinieren von Echo-Spitzendaten und dreidimensionalen Daten kann eine genaue dreidimensionale Karte zum Identifizieren einer Koronarstenose gebildet werden.
Eine weitere Anwendung besteht in einer Stentanordnung. Durch Erhalten dreidimensionaler Informationen gemäß dieser Erfindung können verschiedene erkundete Katheterpositionen genau relokalisiert werden, so daß ein Stent an genau derselben Stelle angeordnet werden kann, an der beispielsweise eine PCTA angewendet worden ist oder an der ein intraluminales Echobild erhalten worden ist. Es ist auch zu verstehen, daß die Technik ebenso zum Erhalten zweidimensionaler oder sogar eindimensionaler Positionsdaten, bei Anwendungen, bei denen keine dreidimensionale Positionierung auftritt, verwendet werden kann.
Wenngleich die Erfindung anhand der Verwendung orthogonaler Signale erläutert worden ist, brauchen sie nicht absolut orthogonal zu sein, wenngleich sie vorzugsweise im wesentlichen orthogonal sind. Die Winkel können von streng orthogonalen Winkeln abweichen und in Hinblick auf die Verwirklichung dieser Erfindung noch dreidimensional sein, solange die tatsächlichen Winkel bekannt sind, wobei eine mathematische Korrektur angewendet werden kann, um eine Differenz von wirklich orthogonalen Winkeln zu kompensieren.

Claims

System zur Verwendung beim Ausführen einer Katheterkartographierung bzw. eines Kathetermappings eines Körperorts innerhalb eines Patienten, welches aufweist: ein externes Signalmittel (40, 41, 42) zum Anlegen von drei im wesentlichen orthogonalen Wechselstromsignalen an den Patienten über jeweilige Elektroden, die dafür ausgelegt sind, am Patienten angeordnet zu werden, so daß bei der Verwendung die Stromsignale durch den Körper des Patienten übertragen werden, wobei jedes der Stromsignale ein jeweiliges Merkmal aufweist, das es von den anderen zwei orthogonalen Signalen unterscheidbar macht, einen Katheter (46), der dafür ausgelegt ist, in den Körper des Patienten eingeführt zu werden und zu mehreren Orten geführt bzw. manipuliert zu werden, wobei der Katheter wenigstens eine Kartographierungselektrode (46) aufweist, ein Lokalisierungsmittel, das mit der Kartographierungselektrode (46) verbunden ist, um eine jeweilige Spannung zu erfassen, die sich von jedem der durch den Körper hindurchlaufenden Stromsignale ergibt, und zum Verarbeiten der Spannung, um Ortssignale zu erhalten, die den Ort der Kartographierungselektrode angeben, wenn sie an jeweiligen verschiedenen Körperorten positioniert wird, ein Mittel (66) zum Berechnen von Positionen für jeden Ort, an dem die orthogonalen Wechselstromsignale erfaßt wurden, anhand der Ortssignale, und ein Ausgabemittel (66) zum Ausgeben den Positionen entsprechender Daten.
System nach Anspruch 1, wobei der Katheter (46) ein Paar durch einen Abstand D getrennter Elektroden (47, 48) aufweist und wobei es ein Mittel zum Erfassen von Kalibrierungssignalen von dem Elektrodenpaar und ein Kalibrierungsmittel zum Bestimmen von Kalibrierungsfaktoren anhand der Kalibrierungssignale aufweist, wobei das Berechnungsmittel Mittel zum Berechnen der Positionen anhand der Ortssignale und der Kalibrierungssignale aufweist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ausgabemittel ein Videomittel zum Bereitstellen einer dreidimensionalen Darstellung des Katheterorts an jedem Ort, an den er zu überführen ist, aufweist.
System nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Lokalisierungsmittel eine Referenzelektrode (R) aufweist.
System nach Anspruch 4, wobei die Referenzelektrode eine Hautelektrode (R) ist.
System nach Anspruch 4, wobei das externe Mittel drei Hautelektrodenpaare und ein Zeitmittel zum Zeitmultiplexieren der Signale aufweist und wobei die Referenzelektrode ausgewählte Paare der Hautelektroden aufweist.
System nach Anspruch 6, wobei die Kartographierungselektrode eine Spitzenelektrode (47) ist.