阅读说明：本技术 使用电流位置结合磁场感测的导管定位 (catheter localization using current position in combination with magnetic field sensing ) 是由 D.M.陆德温 G.弗雷森 M.巴尔-塔尔 G.科恩 M.舍施特 D.奥萨奇 于 2019-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明题为“使用电流位置结合磁场感测的导管定位”。本发明涉及一种设备,所述设备包括接口和处理器。所述接口被配置用于与以下交换信号：(i)探针,所述探针插入患者体内并包括柔性远端组件,其中所述远端组件包括磁位置传感器和两个或更多个体内电极,以及,(ii)多个体表电极,所述多个体表电极附接到所述患者体外。所述处理器被配置为基于与所述探针交换的所述信号估计所述磁传感器在连续测量之间的空间位移,并且基于以下来估计所述远端组件在体内的位置：(i)与所述体内电极和所述体表电极交换的所述信号,(ii)所述探针的所述体内电极中的两个或更多个之间的先验已知空间关系,以及(iii)所述磁传感器的所述估计的空间位移。(The invention provides catheter localization using current position in combination with magnetic field sensing. The invention relates to a device comprising an interface and a processor. The interface is configured to exchange signals with: (i) a probe inserted into a patient and comprising a flexible distal assembly, wherein the distal assembly comprises a magnetic position sensor and two or more in-vivo electrodes, and, (ii) a plurality of body surface electrodes attached to the outside of the patient. The processor is configured to estimate a spatial displacement of the magnetic sensor between successive measurements based on the signals exchanged with the probe, and to estimate a position of the distal assembly within the body based on: (i) the signals exchanged with the in-vivo electrodes and the body-surface electrodes, (ii) an a priori known spatial relationship between two or more of the in-vivo electrodes of the probe, and (iii) the estimated spatial displacement of the magnetic sensor.)

使用电流位置结合磁场感测的导管定位

技术领域

本发明整体涉及感测放置在活体内的物体的位置，并且具体地涉及提供对基于阻抗的位置测量的校正。

背景技术

在许多医学规程中需要跟踪体内物体诸如***管、导管和植入物的位置。例如，美国专利申请公开2007/0016007描述了一种位置感测系统，其包括适于引入受检者的体腔中的探针。该探针包括磁场换能器和至少一个探针电极。控制单元被配置成使用磁场换能器来测量探针的位置坐标。该控制单元还测量至少一个探针电极与受试者体表上一个或多个点之间的阻抗。控制单元使用所测量的位置坐标来校准所测量的阻抗。

作为另一个示例，美国专利申请公布2014/0095105描述了一种校正和/或缩放基于电流的坐标系的算法，其可包括确定一个或多个全局变换或插值函数和/或一个或多个局部变换函数。全局和局部变换函数可通过计算一个全局度量张量和多个局部度量张量来确定。度量张量可基于预先确定和测量的导管上紧密间隔的传感器之间的距离来计算。

美国专利申请公开2011/0319910描述了使用形状数据来改善对可成形或可操纵器械的控制的系统和方法。该方法(包括获得多个局部形状数据)包括使用基于阻抗的定位系统，并且其中可成形器械包括至少一个传感器，其中该系统还包括至少一个电极，其中基于阻抗的定位系统确定传感器和电极之间的电压梯度。在一个实施方案中，提供多个局部化形状数据，这包括使用电磁定位系统，并且其中可成形器械包括至少一个电磁线圈。

发明内容

本文所述的本发明的实施方案提供一种包括接口和处理器的设备。接口被配置用于与以下交换信号：(i)探针，该探针***患者体内并包括柔性远端组件，其中远端组件包括磁位置传感器和两个或更多个体内电极，以及，(ii)多个体表电极，该多个体表电极附接到患者体外。处理器被配置为基于与探针交换的信号估计磁传感器在连续测量之间的空间位移，并且基于以下来估计远端组件在体内的位置：(i)与体内电极和体表电极交换的信号，(ii)探针的体内电极中的两个或更多个之间的先验已知空间关系，以及(iii)磁传感器的估计的空间位移。

在一些实施方案中，处理器被配置为通过以下方式估计远端组件的位置：基于信号来估计体内电极的位置坐标，基于先验已知空间关系对位置坐标进行局部缩放，以及基于磁传感器的空间位移来校正局部缩放的位置坐标。

在一些实施方案中，从体内电极接收的信号指示至少一个电压，该至少一个电压由体内电极响应于由体表电极施加的电压来感测。

在一个实施方案中，从体表电极接收的信号指示电流，该电流由体表电极响应于由体内电极施加的至少一个电流来感测。

根据本发明的实施方案，附加地提供了一种用于位置感测的方法，该方法包括与以下交换信号：(i)探针，该探针***患者体内并包括柔性远端组件，其中远端组件包括磁位置传感器和两个或更多个体内电极，以及(ii)多个体表电极，该多个体表电极附接到患者体外。基于与探针交换的信号，估计磁传感器在连续测量之间的空间位移。基于以下来估计远端组件在体内的位置：(i)与体内电极和体表电极交换的信号，(ii)探针的体内电极中的两个或更多个之间的先验已知空间关系，以及(iii)磁传感器的估计的空间位移。

结合附图，通过以下对本发明的实施方案的详细描述，将更全面地理解本发明，其中：

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案的包含有源电流位置(ACL)和磁感应子系统的位置跟踪系统的图示；

图2是根据本发明的一个实施方案的包括磁传感器和多个感测电极的柔性套索导管的示意性细部图；

图3是根据本发明的一个实施方案的为直线和变形状态的图2的柔性套索导管的示意图；以及

图4是示意性地示出根据本发明的实施方案的用于精确映射身体中的腔的方法的流程图。

具体实施方式

概述

一些医学规程需要患者的解剖结构的精确空间映射，诸如心脏的左心房的解剖结构。例如，可以使用装配到医疗器械(例如，导管)的柔性远端组件的感测电极(也称为体内电极)来执行这种映射。感测电极用于阻抗位置跟踪方法。在这种方法中，通过测量感测电极与附接到患者皮肤的表面电极之间的阻抗可估计导管的远端的位置。原则上，基于阻抗的技术足以导出感测电极的位置，例如在心脏中。然而，在实践中，所得的位置精度通常不足。

在下文的描述中，由Biosense-Webster制造的基于纯有源电流定位(PureACL)阻抗的系统和技术用作基于阻抗的位置跟踪系统的示例，而使用此类感测电极的导管被称为“PureACL导管”。表面电极在下文中称为“ACL贴片”。

在一些实施方案中，为了提高基于阻抗的测量的定位精度(诸如PureACL系统的定位精度)，首先将校准导管***心脏中。校准导管包括磁位置传感器和与PureACL导管的感测电极类似的感测电极。校准导管用于产生校准图，其中磁传感器的精确位置测量与不太精确的PureACL(基于阻抗)测量相关。

随后***心脏的PureACL导管仅使用感测电极(即使用基于PureACL阻抗的方法)使用校准图为医生提供其远端在心脏中的正确位置。

在许多实际情况中，使用“局部缩放”过程可以进一步提高磁校准PureACL位置感测的精确度。在一些实施方案中，应用下文称为“独立电流位置”(ICL)的此类过程，以便进一步提高磁校准的PureACL位置的精确度。ICL过程适用于具有设置在其远端上的多个感测电极的导管。在使用两个或更多个电极之间的已知空间关系(例如，以位于彼此至多约1cm的电极之间的一个或多个已知距离)以及可能其他输入下，ICL过程能够缩放多个电极的相对位置，以精确地适合PureACL导管的远端的形状，最终提供高度精确的电极位置。

只要导管远端的刚度足以承受非常局部的变形，在ICL中使用的假设(即相邻电极之间的实际距离等于已知距离)就是有效的。如果该假设无效(即如果导管远端变形超过允许量)，则局部缩放过程不提供预期的精确度。

在实践中，柔性远端组件在映射期间确实变形，但是在整个组件的尺度上变形。由于磁校准的PureACL和ICL方法仅在远端组件未变形时才能提供精确的位置，因此变形导致由磁校准的PureACL和ICL方法导出的感测电极位置的误差。误差在映射体积的边缘处尤其大，与映射体积的中间相比，映射体积的边缘较不完全地被周围ACL贴片包围。

在下文中描述的本发明的实施方案提供位置感测系统和方法，其中磁性位置跟踪系统的磁传感器耦合到柔性远端组件。磁传感器测量其在连续测量之间的自身位移(例如，在其新测量位置减去其先前测量位置之间)。测量位移用作对感应电极的最新PureACL和ICL测量位置的校正。如上所述，需要这种校正，因为基于较不准确阻抗的位置测量可能无法捕获感测电极位置的改变。

在本发明的一些实施方案中，磁传感器(即，磁位置跟踪系统的位置传感器)耦合到导管的柔性远端组件的基部区段。作为示例，提供了一种柔性PureACL套索导管，其包括柔性基部区段和螺旋端部区段。磁传感器耦合到基部区段。

感测电极可以分布在基部区段上和/或螺旋端部区段上。当基部区段在映射过程期间变形时，感测电极的实际位置相对于使用PureACL和ICL导出的位置移位(例如，由于柔性基部区段的弯曲、偏转和/或扭转)。

每当基部区段变形时，磁传感器提供其例如由变形引起的新位置(即，其自身相对于其先前指示位置的位移)的指示。该指示用于以连续方式校正磁校准的基于电阻抗的导出电极位置。

在本说明书中，术语“柔性PureACL导管”、“柔性远端组件”、“柔性基部区段”和“柔性导管”可互换使用。

在一些实施方案中，磁传感器相对于其先前指示的位置提供其自身位移的指示，其中空间的准确度为1mm。将该位移指示添加到使用PureACL和ICL方法导出的连续位置，这样得到了传感电极的正确导出位置。

所公开的系统和方法提供高度精确的空间和电生理学映射能力。这些能力是通过将紧凑的磁传感器位移感测与相对较低的成本和简单性相结合而获得的，其特征在于基于PureACL和ICL阻抗的位置感测。此外，磁传感器的固有紧凑性为构建紧凑且灵活的感侧和/或消融导管开辟了道路。

系统说明

图1是根据本发明的一个实施方案的包含有源电流位置(ACL)和磁感应子系统的位置跟踪系统20的图示。系统20用于确定柔性PureACL导管诸如套索导管50的位置，其在装配在轴22的远端处的插图25中看到。如上所述，PureACL导管50包含与PureACL校准导管的感测电极类似的感测电极(如图2所示，也被称为体内电极)，但不需要包括相同磁场传感器。

医生30通过使用靠近导管近端的操纵器32操纵轴22和/或从护套23偏转将套索导管50导航到患者28的心脏26中的目标位置。套索导管50在折叠穿过护套23的同时***，并且仅在护套23缩回之后，套索导管50恢复其预期的功能形状。通过将套索导管50包含在折叠配置中，护套23还用于使沿着到目标位置的途径的血管创伤最小化。

通常，套索导管50用于诊断或治疗处理，诸如对心脏进行空间映射，以及在执行心脏组织的消融之前映射心脏中的相应电位。其他类型的导管或其他体内装置可以替代地与系统20一起使用以用于其他目的，通过他们自身或与其他治疗装置诸如消融导管结合。

如上所述，套索导管50包括多个感测电极。这些感测电极通过穿过轴22的导线连接到控制台24中的驱动电路。控制台24包括处理器41(通常是通用计算机)，其具有合适的前端和接口电路44，用于接收来自PureACL贴片49的信号。处理器41通过穿过电缆39的导线连接到PureACL贴片49，该PureACL贴片49附接到患者26的胸部皮肤。

在一些实施方案中，处理器41精确地确定装配在心脏26内的套索导管50处的感测电极的位置坐标。处理器41基于其他输入中的感测电极(在导管上)和ACL贴片49(即，使用上述PureACL和ICL方法)之间的测量阻抗来确定位置坐标。控制台24驱动显示器27，其显示体内的导管位置的远端。

使用系统20中的ACL的电极位置感测方法在各种医疗应用中实现，例如在由Biosense Webster公司(加利福尼亚州欧文市(Irvine,California))生产的CARTO^TM系统中实现，并且在美国专利7,756,576、7,869,865和7,848,787中有详细描述，其公开内容均以引用的方式并入本文。

控制台24还包括磁感应子系统。将患者28放置在由包含磁场发生器线圈42的垫产生的磁场中，该磁场发生器线圈由单元43驱动。由线圈42产生的磁场在磁传感器51中产生位置信号，其进一步被提供为对处理器41的对应电输入，该处理器使用这些来计算由于导管50的变形引起的感测电极的位移以校正感测电极PureACL和ICL导出的位置。

在一些实施方案中，处理器41还被配置为基于以下项估计套索导管50(即，导管50的柔性远端组件)在体内的位置：(i)由传感电极注入的电流、(ii)相邻感测电极之间的先验已知距离、以及(iii)由磁传感器51提供的空间位移的指示，如以下所解释的。

在一些实施方案中，处理器41还被配置为从磁传感器51接收位置信号，其指示导管50的远端的位置以便计算导管50由于其变形而引起的空间中的位移。使用外部磁场的位置感测方法在各种医疗应用中实现，例如在由Biosense Webster Inc.(加利福尼亚州钻石吧市(Diamond Bar,Calif.))生产的CARTO^TM系统中实现，并且详细地描述于美国专利5,391,199、6,690,963、6,484,118、6,239,724、6,618,612和6,332,089、PCT专利公布WO 96/05768，以及美国专利申请公布2002/0065455 A1、2003/0120150 A1和2004/0068178 A1中，这些专利的公开内容全部以引用方式并入本文。

处理器41通常在软件中编程以执行本文所述的功能。该软件可经网络以电子形式被下载到计算机，例如另选地或除此之外，该软件可被提供和/或存储在非临时性有形介质诸如磁性存储器、光学存储器或电子存储器上。

为了简单和清楚起见，图1仅示出了与本发明所公开的技术有关的元件。系统20通常包括附加模块和元件，所述附加模块和元件与本发明所公开的技术不直接相关，并且因此所述附加模块和元件从图1和对应的描述中被有意地省略。系统20的元件和本文描述的方法可以应用于使用多种多电极导管诸如多臂导管(例如，由Biosesne-Webster制造)进行位置感测和/或控制消融。获取位置信号还可以通过使用ACL贴片电极49或其他皮肤附着电极施加电压梯度，以及利用导管50上的一个或多个感测电极测量电位电压来完成。(例如，使用Biosense Webster公司(加利福尼亚州欧文市)生产的技术)。接口电路44通常可以被配置为与体内探针和/或体表电极交换信号。

使用电流位置结合磁感测的导管定位

图2是根据本发明的一个实施方案的包括磁传感器51和多个感测电极52和52₀的柔性套索导管50的示意性细部图。感测电极在本文中也称为体内电极，并且这两个术语可互换使用。如图2所示，套索导管50装配在轴22的远端处。柔性套索导管50包括磁传感器51耦合到的柔性基部区段53。两个感测电极52₀定位在基部区段53上，靠近磁传感器51。多个感测电极52周向分布在套索导丝54上。在导管50的完全扩张状态下，套索导丝54位于垂直于由轴22的远端限定的纵向轴线的平面中。

选择图2中描述的导管配置纯粹是为了概念清晰。实际上，套索导丝54可包括围绕由轴22的远端限定的纵向轴线的一个或多个绕组，或者少于单个绕组。在另选的实施方案中，其他柔性导管可以装配在轴22的远端处，诸如包括多个臂的标测导管。磁传感器51可包括一个或多个磁传感器。仅示出了简化的光纤节段，其中为清楚起见省略了磁性传感器51的所有其他元件。

图3是根据本发明的一个实施方案的为直线和变形状态的图2的柔性套索导管的示意图。

可以看到套索导管50的基部区段53处于未变形状态46，并且还处于变形状态47。状态46和47举例说明了测量电极52位置的两个连续状态。当套索基部区段53未变形时，其未变形方向66平行于由轴22的远端限定的纵向轴线的方向。当基部区段53变形时，基部区段53(以及其套索导线54)指向不同的方向，即变形方向67。

如图3所示，基部区段53的变形使磁传感器的位置改变位移55₀。感测电极52₀的位置也基本上改变相同的位移55₀。例如，通过对来自基部区段53上的电极52₀的信号应用PureACL和ICL方法，可以尝试在不使用所公开的技术的情况下导出变形方向67。然而，所得到的位置在映射体积的边缘处仅精确到约7mm。使用本发明的实施方案将映射体积的边缘处的精度提高到约1mm，如以下所解释的。

感测电极52A、52B和52C的位置也通过位移55₀分别改变(非常近似地)到位置52a、52b和52c。因此，位移55₀用作位移55A，55B和55C的正确度量，其表征电极52A、52B和52C由于示例性变形而经受的大部分位置变化。

在套索状态46和47之间的感测电极位置的上述变化可能不会被PureACL和ICL的基于不太精确阻抗的位置测量来捕获。为了校正位置，通过磁传感器51测量位移55₀。应当注意，以类似的方式，当类似状态47的变形状态转变为类似状态46的未变形状态时，磁传感器51将指示相反位移-55₀。使用位移55₀作为输入，处理器41可以验证电极位置的正确性或校正柔性远端组件的不太精确测量的位置(由PureACL和ICL导出)。

图3中所示的基部区段53的特定类型的变形是在平面内偏转。仅通过示例的方式描绘了该变形。一般来讲，套索导管50的基部区段53的变形可包括空间中的任何变形，例如弯曲和/或偏转(相对于纵向轴线)和扭转(围绕纵向轴线)的组合。

磁传感器51被配置为提供基部区段53的变形的指示。处理器41使用该指示来计算空间中的一般位移55₀。

在一个实施方案中，套索导管50在空间中的某个平面内变形(例如，图3中所示的变形)。该弯曲的示例性形式可以例如由于导管结构(例如，基部区段53的刚性特性)或者由于探测的解剖结构的性质而发生。在此类情况下，变形的测量基本上是一维的，并且可以装配简化的磁传感器和/或采用简化的磁感测方法。

图4是示意性地示出根据本发明的实施方案的用于精确地映射身体中的腔(例如，心腔)的方法的流程图。图4可以举例说明了处于变形状态47的感测电极55的位置测量。

在映射过程开始时，处理器41在PureACL步骤60计算感测电极52的位置62。如插图61中所示，在相对于任意原点58的给定身***置处计算位置。测量似乎对套索导管50的变形不敏感，因为计算的电极位置62相对于原点58围绕先前的未变形方向66(即，未变形状态46的大约电极位置)扩展。

接下来，处理器41在ICL步骤63使用ICL局部缩放处理计算电极位置的局部缩放因子。结果显示在插图64中，其中感测电极的现在导出位置65相对于任意原点58围绕未变形方向66更紧凑地分布。空间分布现在是校正的，从而反映了套索50上的电极55的局部分布，但电极位置65与其实际位置相比仍然是不准确的。即基于阻抗的测量对套索导管50的柔性远端组件的变形不敏感。

为了校正这种误差，磁传感器51提供柔性远端组件在随后的测量之间(即在其状态46的位置和在状态47的当前测量位置之间)的位移。在磁感测步骤68处，磁传感器测量的位置变化作为位移55₀给出。处理器41通过添加位移55₀来校正电极位置65。如在插图69中所见，所得到的计算电极位置70被现在正确地导出为相对于任意原点58围绕磁测变形方向67扩展(在图3中的示例性变形中，通过相对于电极位置65向下移位距离55₀来校正电极位置70)。

当医生30将套索导管移动到腔中的新位置时，在重新定位步骤71，该过程自身重复，循环回到ACL步骤60，直到医生30接收到腔的完整映射，例如心脏的左心房的腔。

图4所示的示例性流程图完全是为了概念清晰而选择的。在另选的实施方案中，步骤的顺序可以改变(例如，ACL和磁感测步骤可以并行发生)，并且可以使用附加步骤，诸如导管位置的磁感测。为清楚起见，几乎没有提出ICL方法。ICL方法通常包括比呈现的算法步骤更多的算法步骤。例如，实际位置可以通过ICL方法通过对导管已经穿过附近的身体体素中的每一个的局部缩放因子求平均来确定。

虽然本文描述的实施方案主要涉及心脏应用，但本文描述的方法和系统也可以用于其他应用，诸如肠胃病学、耳鼻喉科学、神经病学中。

应当理解，上述实施方案以举例的方式被引用，并且本发明不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合以及它们的变型和修改，本领域的技术人员在阅读上述描述时将会想到所述变型和修改，并且所述变型和修改并未在现有技术中公开。以引用方式并入本专利申请的文献被视为本申请的整体部分，不同的是如果这些并入的文献中限定的任何术语与本说明书中明确或隐含地给出的定义相冲突，则应仅考虑本说明书中的定义。