專利名稱：用于導航導管的設備和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在血管系統(tǒng)中導航導管的導航系統(tǒng)和方法，所述血管系統(tǒng)受固有的循環(huán)移動的影響。
在為診斷或治療目的而執(zhí)行導管檢查的期間，盡可能以精確的方式得知儀器(導管尖、指示線等)在病人血管系統(tǒng)中的當前位置。在臨床實踐中，此目的通常通過導管在病人身體中的移動受X光監(jiān)視來實現(xiàn)，其中可能把不透過射線的標記加到導管上。為了使在X光圖像上還能更好地表示血管路線，還不時地注射X光對比劑。然而，此過程的缺點在于由于X光輻射和對比劑對病人具有相對較高的損傷，并且就X光輻射而言對醫(yī)務人員也有相對較高的損傷。
由于上述原因，想要一種導管導航，其中只有血管系統(tǒng)的少數(shù)X光圖像需要利用操縱對比劑來獲取，然后在這些靜態(tài)圖像或“路線圖(road map)”上監(jiān)視所述導管。在這種情況下，導管的當前空間位置和方向必須借助適當?shù)姆椒▉泶_定，例如借助于磁場來定位。然而，當所監(jiān)視的人體發(fā)生移動并且不再與靜態(tài)的路線圖在幾何上一致時，使用靜態(tài)路線圖的這種過程會出現(xiàn)問題。關于這一點，在實際上通過諸如精心的指示、穩(wěn)定的定位和使病人鎮(zhèn)靜之類的方法來排除作為錯誤起因的病人的整體移動。然而，不能避免由呼吸和心跳引起的身體器官的固有循環(huán)運動。在檢查胸部區(qū)域器官(諸如冠狀血管)期間，這些運動顯然特別有破壞性。
在這方面，DE 199 46 948 A1公開了一種試圖通過使用許的多路線圖來達到更好定位準確性的方法，所述路線圖在身體的固有循環(huán)運動的不同階段獲取。在這種情況下，在導管檢查之前產(chǎn)生包括身體周期性運動器官(例如心臟)的多三維圖像的圖像數(shù)據(jù)庫，同時把運動信號(ECG，呼吸信號)記錄為所述圖像。在隨后的醫(yī)療介入期間，借助于定位裝置來確定儀器以及參考探測器的空間位置，并且同時記錄運動信號。借助于運動信號，然后可以從圖像數(shù)據(jù)庫中選擇關于身體器官運動階段的相關3D圖像以用于顯示目的。已知方法的一個缺點特別在于與之相關聯(lián)所帶來高昂花費。
在這個背景下，本發(fā)明的目的是提供一種通過補償身體的固有循環(huán)運動，來在血管系統(tǒng)中更簡單地導航儀器的裝置。
由具有權(quán)利要求1特征的導航系統(tǒng)和具有權(quán)利要求10特征的方法來實現(xiàn)這一目的。在從屬權(quán)利要求中包含了有益的改進。
依照本發(fā)明的導航系統(tǒng)用來在血管系統(tǒng)中導航導管，所述血管系統(tǒng)受由心跳引起的固有循環(huán)運動的影響。在這種情況下，術語“導管”將被在廣義上理解，并且以下包含以受控方式通過病人血管系統(tǒng)進行移動的任何儀器。導航系統(tǒng)包括下列組件a)定位裝置，被設計成記錄位置信號的時間序列，每個位置信號表明在相關聯(lián)的測量時間時導管的空間位置。在這一點上，術語“導管位置”將被理解為意指導管的至少一個所選擇點的空間位置r，例如由笛卡兒坐標表示，術語“位置”也可能包含例如由三個角度所表示的導管的方向。此外，術語“時間序列”指的是對于每個位置信號，相關聯(lián)的測量時間t被認為是時間坐標。因此典型情況下，所述序列由空間-時間坐標(r，t)組成。
b)一種用于記錄心電圖的測量系統(tǒng)。所述測量系統(tǒng)典型情況下包含至少二個電極，借助于所述電極，可以導出心臟的激發(fā)電勢。所述電極可在外部附于病人身體上或集成到導管中。
c)一種與定位裝置和測量系統(tǒng)耦合的數(shù)據(jù)處理裝置，被設計成根據(jù)位置信號序列來產(chǎn)生補償軌跡，所述補償軌跡通過改變在心電圖的預定義階段期間已經(jīng)記錄的位置信號來根據(jù)所述序列獲得。位置信號的變化特別可以在于除去后者或用一個或多個替換信號來替換后者。取決于實施導航的技術，可以通過獲得在預定義ECG階段期間被抑制的位置信號來“除去”位置信號。典型情況下定義心電圖的預定義階段以致其對應于心臟的強空間運動。特別地是，ECG的預定義階段因此可以對應于心跳的收縮。
通過在心臟的強運動階段期間改變位置信號，導航系統(tǒng)可以產(chǎn)生補償軌跡，所述補償軌跡在不破壞性影響心臟運動的情況下描述導管的位置。因此，補償軌跡可以特別用于示出導管在靜態(tài)路線圖上的位置，其中所述靜態(tài)路線圖在預定義信號變化階段外的心臟階段期間已經(jīng)被記錄。因此對提供消息的補償軌跡進行計算是十分可能的，這是因為心臟的空間運動基本上被限制在可以清楚確定的心臟循環(huán)階段。典型情況下，位置信號的改變因此必須近似在軌跡持續(xù)時間的70％期間進行，而在其余時間可以不變地使用所述軌跡。
在最簡單的情況下，位置信號在未在心電圖的預定義階段被替換的情況下被除去。那么補償軌跡包含間隙，在所述間隙期間沒有位置信號。優(yōu)選地是，通過內(nèi)插和/或外插保留的位置信號來填充補償軌跡中的這些間隙。如果補償軌跡在要填充的間隙前后(在時間項上)包含保留的位置信號，那么可以使用內(nèi)插。在最簡單的情況下，在這種情況下間隙可以接近于在間隙之前的最后位置信號和在間隙之后的第一個位置信號之間的線性內(nèi)插。在許多應用中，這將主要包括向治療醫(yī)生實時顯示當前測量的軌跡。如果軌跡因此處于其位置信號受抑制的心臟循環(huán)階段，那么由于在抑制階段結(jié)束之后的延續(xù)軌跡(尚)未可知，所以不能夠進行內(nèi)插。從而，為了能夠向治療醫(yī)生提供(近似)導管位置的當前表示，這樣的話將要執(zhí)行在所述間隙中所記錄軌跡的外插。這意味著根據(jù)先前軌跡值來預測間隙中軌跡的輪廓。
卡爾曼濾波器優(yōu)選用于上述的軌跡外插。卡爾曼濾波器允許根據(jù)所述濾波器所基于的模型來理想地預測軌跡，其參數(shù)連續(xù)地適配合于在任何給定時間的運動。同時可以相對簡單地計算該參數(shù)。
如上所述，心跳和呼吸是身體最重要的固有循環(huán)運動，其使得導航導管變得更困難。從而由導航系統(tǒng)所產(chǎn)生的、已經(jīng)相對于心跳進行補償?shù)能壽E通常仍然包含由于呼吸所引起的中斷。因此優(yōu)選地是，數(shù)據(jù)處理裝置還被設計成相對于由呼吸所導致的血管系統(tǒng)的固有運動來校正補償軌跡。
在這方面，如果是呼吸校正的可選類型，那么數(shù)據(jù)處理裝置被設計成執(zhí)行下列步驟a)根據(jù)補償軌跡的部分段來計算由呼吸所引起的運動模式，在所述部分段導管中相對于血管系統(tǒng)一直沒有移動(沒有前進或后退)。如果需要，補償軌跡其特征在于已經(jīng)除去了由心跳所引起的運動部分。在補償軌跡的一個部分段(即一組在時間上連續(xù)的位置信號)中，已知導管在血管系統(tǒng)中一直沒有相對移動，因此補償軌跡中的任何位置變化必然由呼吸運動引起。因此這種部分段適于識別存在于血管系統(tǒng)的相關聯(lián)位置并且由呼吸引起的運動模式。在這種情況下運動模式例如可以由隨時間周期變化的差異向量來描述，所述差異向量根據(jù)空間上恒定的參考點來把每個時間點分配到在補償軌跡上血管系統(tǒng)的預定義點。導管沒有相對運動的補償軌跡的部分段優(yōu)選被導航系統(tǒng)中的附加裝置檢測，所述附加裝置例如記錄導管在血管系統(tǒng)中的前進或后退，并且提供除所記錄的位置信號序列之外的此信息。
b)通過減去在步驟a)中所計算的運動模式來校正補償軌跡。
依照用于校正呼吸運動的一個變型，數(shù)據(jù)處理裝置被設計成通過根據(jù)先前確定的運動模式來應用空間外插濾波器(例如卡爾曼濾波器)，以校正補償軌跡。
依照導航系統(tǒng)的另一演變，后者可以包括與數(shù)據(jù)處理裝置耦合的呼吸傳感器。呼吸傳感器提供了用于表示呼吸循環(huán)的時間特征點和/或呼吸循環(huán)的階段輪廓的信號。借助于此信號，軌跡的呼吸校正可以被比較并且從而變得更精確，或者可以使用用于校正呼吸運動的候選方法。
此外，本發(fā)明涉及一種在血管系統(tǒng)中導航導管的方法，所述血管系統(tǒng)受由心跳引起的固有循環(huán)運動的影響。所述方法包括下列步驟a)記錄位置信號的時間序列，所述位置信號表明相應的導管的空間位置(位置并可以是方向)。
b)依照步驟a)在時間項上記錄與位置信號的序列并行的心電圖。
c)確定心電圖的預定義階段。特別地是，這可以是對應于心臟相對較強運動的收縮階段。
d)根據(jù)在步驟a)所記錄的位置信號的時間序列，通過在此序列中改變那些在步驟c)所確定的心電圖的預定義階段期間已經(jīng)記錄的位置信號來產(chǎn)生補償軌跡。
所述方法以通常的方式包括可以由上述導航系統(tǒng)所執(zhí)行的步驟。因此對于所述方法的改進、優(yōu)點和推導的細節(jié)，應當參考關于導航系統(tǒng)的解釋。
優(yōu)選地是，在心電圖的預定義階段期間，借助于內(nèi)插或外插來繼續(xù)補償軌跡。采用這種方法，至少可以或多或少地閉合由于除去位置信號所產(chǎn)生的間隙，以便治療醫(yī)生可以使用不斷更新的導管位置。
參考附圖中所示出的實施例的例子將進一步描述本發(fā)明，然而本發(fā)明并不受此限制。


圖1示意地示出了在冠狀血管的導管檢查中使用依照本發(fā)明的導航系統(tǒng)。
圖2示出了所測量的導管軌跡T0和已經(jīng)相對于心跳做了補償?shù)能壽ETc的空間表示，并且將心電圖并行輪廓作為插圖示出。
圖3示出了位置信號將受到抑制階段的典型心電圖的輪廓。
圖1示意地示出了依照本發(fā)明的導航系統(tǒng)的組件，借此可以在病人的血管系統(tǒng)10中引導導管3，以便例如檢查心臟11的冠狀血管。在導管3的尖端存在磁場測量傳感器2，其可以用來測量由場發(fā)生器(未示出)在空間上施加的磁場1的強度和方向。所產(chǎn)生的測量信號被轉(zhuǎn)送到數(shù)據(jù)處理裝置5(計算機)，其中關于探測器2以及導管3的當前絕對空間位置信息可以從測量信號獲得。從而探測器2是用于提供位置信號的時間序列的定位裝置，所述位置信號與導管3的當前位置r(t)＝(x(t)，y(t)，z(t))和方向φ(t)＝(α(t)，β(t)，γ(t))(α＝偏轉(zhuǎn)角，β＝傾斜角，γ＝橫搖角)有關。代替借助于以舉例形式所示出的磁場1來進行定位，當然還可以使用其它方法來確定導管3的當前位置和可能的方向。
此外，導航系統(tǒng)包括用于記錄心電圖的電極6，7以及用于例如監(jiān)視橫隔膜9運動的呼吸傳感器8。來自這些傳感器的信號同樣被傳送到數(shù)據(jù)處理裝置5。
為了使病人在X光輻射下的暴露和對比劑注射最小化，盡力在血管系統(tǒng)10的幾個靜態(tài)X光圖像(被稱為“路線圖”)上監(jiān)視導管3的移動。然而在這種情況下，必須考慮并補償由心跳和呼吸引起的胸腔4中血管系統(tǒng)10的固有運動。在這方面，圖2示出了在x、y和z軸的空間座標系中軌跡T0的輪廓，所述軌跡由磁性傳感器2所提供的位置信號r(t)的序列組成。軌跡T0在中央示出了沿箭頭方向的移動，所述方向?qū)趯Ч苎刂芮斑M的方向，此前進由醫(yī)生來執(zhí)行。然而，由心跳所引起的偏轉(zhuǎn)疊加到此移動上(在此圖中作為相對于血管的橫向偏轉(zhuǎn)示出)。
對于部分軌跡T0，圖2并行地示出了同時記錄的心電圖(“ECG”)。不是由導管沿著血管前進而是由心跳引起的導管偏轉(zhuǎn)基本上被限制到心跳的收縮階段。
圖3非常詳細地示出了心電圖。ECG的特征點依照常規(guī)方式由字母P、Q、R、S和T來表示。心臟的收縮Sy對應于RST區(qū)域，而舒張Di包含點P和Q。根據(jù)試驗研究，ECG階段可以與所產(chǎn)生的心臟運動有關(參照1999年，Y.Wang、E.Vidan、G.W.Bergman“Cardiac Motionof Coronary ArteriesVariability in the Rest Period andImplications for Coronary MR Angiography”，放射學，213751-758；2000年的S.Achenbach、D.Ropers、J.Holle等人“In-Plane Coronary Arterial Motion VelocityMeasurement withElectron Beam CT”，Radiology，216457-463)。采用這種方法，可以確定ECG的階段U，在此階段期間，將除去或抑制圖2的軌跡T0的數(shù)據(jù)，這是因為它們包含由于心臟的強運動所引起的運動偽跡。如圖3所示，信號抑制的此階段U特別包含心電圖的點Q、R和S。另一方面，在被表示為“A”的其余階段期間，軌跡的位置信號T0保持不變。為了分析心電圖的輪廓，例如可以使用在文獻(參照B.-U.Kohler、C.Hennig、R.Orglmeister“The Principles of SoftwareQRS Detection”，醫(yī)學和生物學中的IEEE工程，第42-57頁(2002))中所描述的方法。
如果由在ECG的階段U中的信號抑制所產(chǎn)生的軌跡被實時地直接顯示在靜態(tài)路線圖上，那么在心臟收縮(階段U)期間導管位置保持不動，這是因為任何當前信號都不可用。結(jié)果，在實際導管位置和例如在監(jiān)視器上所顯示的導管位置之間可能存在某些差異。為了使此差異最小化，優(yōu)選地是，在信號抑制間隙中外插所述軌跡的輪廓。這種外插例如可以借助于卡爾曼濾波器(R.E.Kalman，“A NewApproach to Linear Filtering and Prediction Problems”，基本工程ASME雜志學報，82(系列D)，35-45，1960年；P.S.Maybeck“Stochastic models，estimation，and control，Vol.I”，學術出版社，1979)進行。由在階段U中的信號抑制所獲得的補償軌跡和隨后的外插在圖2的虛線中示出被表示為Tc。
權(quán)利要求
1.一種用于在血管系統(tǒng)(10)中導航導管(3)的導航系統(tǒng)，所述血管系統(tǒng)(10)受由心跳引起的固有循環(huán)運動的影響，包括a)定位裝置(2)，用于記錄位置信號的時間序列(T0)，所述位置信號表明導管(3)相應的空間位置；b)測量系統(tǒng)(6，7)，用于記錄心電圖(ECG)；c)數(shù)據(jù)處理裝置(5)，其與定位裝置(2)和測量系統(tǒng)(6，7)耦合，并且被設計成通過改變在心電圖(ECG)的預定義階段(U)期間已經(jīng)記錄的位置信號，來根據(jù)序列(T0)產(chǎn)生補償軌跡(Tc)。
2.如權(quán)利要求1所述的導航系統(tǒng)，其特征在于心電圖(E)的預定義階段(U)對應于心跳的收縮(Sy)。
3.如權(quán)利要求1所述的導航系統(tǒng)，其特征在于數(shù)據(jù)處理裝置(5)被設計成借助內(nèi)插和/或外插來執(zhí)行位置信號的變化。
4.如權(quán)利要求3所述的導航系統(tǒng)，其特征在于借助于卡爾曼濾波器來進行外插。
5.如權(quán)利要求1所述的導航系統(tǒng)，其特征在于數(shù)據(jù)處理裝置(5)被設計成相對于由呼吸引起的血管系統(tǒng)(10)的固有運動來校正補償軌跡(Tc)。
6.如權(quán)利要求5所述的導航系統(tǒng)，其特征在于數(shù)據(jù)處理裝置(5)被設計成執(zhí)行下列步驟a)根據(jù)補償軌跡(Tc)的部分段來計算由呼吸引起的運動模式，在所述部分段中導管(3)一直沒有相對于血管系統(tǒng)(10)運動；b)通過減去所計算的運動模式來校正補償軌跡(Tc)。
7.如權(quán)利要求5所述的導航系統(tǒng)，其特征在于數(shù)據(jù)處理裝置(5)被設計成根據(jù)先前確定的運動模式通過應用外插濾波器，來校正補償軌跡(Tc)。
8.如權(quán)利要求1所述的導航系統(tǒng)，其特征在于具有與數(shù)據(jù)處理裝置(5)耦合的呼吸傳感器(8)。
9.一種用于在血管系統(tǒng)(10)中導航導管(3)的方法，所述血管系統(tǒng)(10)受由心跳引起的固有循環(huán)運動的影響，所述方法包括步驟a)記錄位置信號的時間序列(T0)，所述位置信號表明導管(3)相應的空間位置；b)記錄與位置信號的序列并行的心電圖(ECG)；c)確定心電圖的預定義階段(U)。d)通過在位置信號的序列(T0)中改變在心電圖的預定義階段(U)期間已經(jīng)記錄的位置信號來產(chǎn)生補償軌跡(Tc)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于借助于內(nèi)插和/或外插在心電圖(ECG)的預定義階段(U)期間繼續(xù)補償軌跡(Tc)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在病人血管系統(tǒng)中引導導管的導航系統(tǒng)，其中由定位裝置來持續(xù)地測量導管的空間位置及其方向。所產(chǎn)生的導管軌跡(T
文檔編號A61B5/06GK1791356SQ200480013717
公開日2006年6月21日 申請日期2004年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月21日
發(fā)明者S·克呂格爾, J·博格爾特, H·蒂明格爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司