使用局部坐标系的位置感测的制作方法

使用局部坐标系的位置感测的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种侵入式医疗探针，所述探针包括插入管，所述插入管具有近端和配置成插入患者的身体内的远端。从所述插入管的远端朝远侧延伸的多个臂。每个臂具有远侧末端并且包括磁换能器和粘合元件，所述粘合元件配置成将所述远侧末端可拆卸地附接到所述身体内的组织表面。
【专利说明】使用局部坐标系的位置感测
【技术领域】
[0001]本发明整体涉及用于侵入式医学治疗的方法和装置，具体地讲涉及精确感测身体器官内部的探针的位置。
【背景技术】
[0002]磁位置感测现在广泛用于追踪心脏中导管的位置，以同时用于诊断目的(例如标测心电活动)和治疗(例如消融致心律失常性组织)。这种类型的位置感测在由BiosenseWebster Inc.(Diamond Bar, California)制备的CART(JK..系统中实施。
[0003]此类磁位置感测系统(例如)在美国专利6，690，963中有所描述，该专利的公开内容以引用的方式并入本文。该系统用于测定侵入式医疗器械(例如导管或内窥镜)相对于参考系的位置和取向。它包括多个场发生器，所述场发生器响应于驱动信号产生已知的可分辨的场，优选连续的交流磁场。多个传感器位于侵入式医疗器械中邻近其远端的位置，并且响应于所述场产生传感器信号。信号处理器具有与驱动信号和传感器信号对应的多个信号的输入端，并且对侵入式医疗器械上的某个点产生三个位置坐标和三个取向坐标。
[0004]具有多个可追踪的臂的导管在本领域中也是已知的。例如，美国专利7，099，712描述了用于标测心脏中电活动的此类导管，该专利的公开内容以引用的方式并入本文。该导管包括多个脊，每个脊均能够获得电气数据、机械数据和位置数据。每个脊包括至少一个位置传感器和至少一个电极(优选末端电极)以及至少一个环形电极。脊可以布置成展开布置方式，其中每个脊从导管主体径向向外延伸，或布置成收缩布置方式，其中每个脊大致沿导管主体的纵向轴线设置。在使用过程中，每个脊的至少一个电极被设置为与心脏组织接触，以标测心脏的电活动。位置传感器用于确定监视电活动的每个点的位置。·
【发明内容】

[0005]本发明的实施例提供了提高相对于探针所在的器官追踪侵入式探针的位置的精确性的设备和方法。
[0006]因此根据本发明的实施例提供了侵入式医疗探针，该探针包括具有近端和配置成插入患者的身体内的远端的插入管。多个臂从插入管的远端朝远侧延伸，每个臂具有远侧末端并且包括磁换能器和粘合元件，该粘合元件配置成将远侧末端可拆卸地附接到所述身体内的组织表面。
[0007]磁换能器可包括一个或多个线圈。
[0008]在一个实施例中，粘合元件配置成经由远侧末端挤出生物相容性胶，以便将远侧末端附接到组织表面。在另一个实施例中，粘合元件配置成冷却远侧末端，以便通过冷冻粘附将远侧末端附接到组织表面。
[0009]通常，臂在收缩布置方式和展开布置方式之间是变动的，其中在收缩布置方式中臂沿插入管的纵向轴线设置，在展开布置方式中臂径向伸展开以便在不同的相应位置接触组织表面。[0010]在本发明所公开的实施例中，插入管配置成插入患者的心室中，并且每个臂的粘合元件配置成将远侧末端可拆卸地附接到心内膜组织。
[0011]另外根据本发明的实施例提供了医疗系统，该系统包括参比探针，该参比探针包括具有近端和配置成插入患者的身体内器官中的远端的插入管，并且包括从插入管的远端朝远侧延伸的多个臂。臂具有相应的远侧末端并且包括相应的第一磁换能器和粘合元件，该粘合元件配置成将远侧末端可拆卸地附接到器官内组织表面上的相应位置，从而限定器官参考系。手术探针配置成邻近所述参比探针插入所述器官中并且包括第二磁换能器和至少一个功能元件。控制单元配置成驱动臂中和手术探针中的磁换能器以传输和接收磁场，并且联接控制单元以接收和处理来自磁换能器的、响应于磁场的信号，以便计算手术探针在器官参考系中的位置坐标。
[0012]在一些实施例中，通过磁换能器传输的磁场为第一磁场,并且响应于第一磁场、由控制单元接收的信号为第一信号，其中系统包括多个场发生器，所述场发生器配置成从患者的身体外的、限定固定的参考系的相应位置产生相应的第二磁场，并且其中联接控制单元以接收和处理来自第一磁换能器的、响应于第二磁场的信号，以便计算臂在固定参考系中的相应坐标。
[0013]可联接控制单元以基于远侧末端的相应坐标、相对于固定的参考系配准器官参考系。除此之外或作为另外一种选择，控制单元可配置成驱动第一磁换能器以传输第一磁场，并且配置成接收来自第二磁换能器的、响应于第一磁场的第一信号。
[0014]在本发明所公开的实施例中，功能元件包括至少一个电极。通常，控制单元配置成响应于信号追踪手术探针在器官参考系中的所述位置坐标，同时手术探针在通过手术探针进行医疗手术过程中在器官内移动。
[0015]另外，根据本发明的实施例提供了用于进行医疗手术的方法，该方法包括将参比探针插入患者的身体内的器官中，所述探针包括插入管和从插入管的远端朝远侧延伸的多个臂，其中臂具有相应的远侧末端并且包括相应的第一磁换能器。臂的远侧末端可拆卸地附接到器官内组织表面上的相应位置，从而限定器官参考系。将包括第二磁换能器的手术探针邻近参比探针插入器官中。驱动臂和手术探针中的磁换能器以传输和接收磁场。接收和处理来自磁换能器的、响应于磁场的信号，以便计算手术探针在器官参考系中的位置坐标。
[0016]结合附图，通过以下对实施例的详细说明，将更全面地理解本发明，其中:
【专利附图】

【附图说明】
[0017]图1为根据本发明实施例的用于心导管插入术的系统的示意性图解；并且
[0018]图2为根据本发明实施例的插入有导管的心室的示意性截面图。
【具体实施方式】
[0019]相对于探针所在的身体器官追踪侵入式探针(例如导管)可能较难，特别是如果器官在所述身体内整体运动，或如果器官具有其自身的内部运动。例如，心脏具有两种类型的运动，因为除了跳动之外，其在受试者的胸部内具有某种自由地运动，同时胸部由于呼吸而整体运动。另一方面,在本领域中已知的导管追踪系统(例如上面提到的CARTO系统)中，通常在体外固定位置中的场发生器的参考系中追踪导管位置。
[0020]人们使用了各种方法补偿心脏运动以获得导管相对于心脏的实际位置。可通过(例如)磁共振成像(MRI)直接测量心脏的位置。作为另外一种选择或除此之外，可将参比导管放置在心脏中的特定解剖结构(例如冠状窦)处并且保持静止，以赋予可以与移动导管的位置相比较的参照位置读数。然而，参比导管易于不稳定并且通常仅表明心脏的整体运动。
[0021 ] 本发明的实施例采用不同的方法使用新型参比探针建立器官参考系，器官参考系与心脏自身的位置有关并且固有地补偿心脏运动。参比探针包括插入管和从其远端朝远侧延伸的多个臂。每个臂包括磁换能器(例如一个或多个微型线圈)并且具有用于将臂的远侧末端可拆卸地附接到所述身体内组织表面的粘合元件。粘合元件可包括(例如)挤出合适的生物相容性胶的管，或使远侧末端足够冷却以冷冻粘结至组织表面的低温元件。手术完成之后，例如通过使胶溶解或使臂的末端重新变暖而使臂从组织表面释放。
[0022]将具有其自身磁换能器的手术探针邻近参比探针插入心脏内，并且使用手术探针远端处的功能元件(例如电极)进行医疗手术，其可为诊断和/或治疗。控制单元驱动臂中和手术探针中的磁换能器以传输和接收从臂至手术探针或从手术探针至臂的磁场。控制单元接收并且处理通过响应于该磁场接收一个或多个换能器所产生的信号，从而计算手术探针在器官参考系中的位置坐标。
[0023]器官参考系可任选地被称为外部固定参考系，其由患者体外相应位置处的磁场发生器限定。参比探针臂中的磁换能器感测由这些场发生器产生的场，同时将臂附接到组织表面。控制单元接收并且处理由这些磁换能器响应于场发生器的磁场所产生的信号，从而计算臂的远侧末端在固定参考系中的相应坐标。这样，控制单元能够基于远侧末端的相应位置，相对于固定参考系配准器官参考系。
[0024]在下文所述的实施例中，参比探针和手术探针被描述为心导管并且用于在心脏中进行的手术中。然而，本发明·的原理不限于这一特定上下文，相反可应用于其他身体器官以及可用于这类器官中的探针和手术。
[0025]图1是根据本发明实施例的用于患者28的心脏26的侵入式治疗的系统20的示意性说明图。操作人员22，例如心脏病学家，将柔性探针(例如导管24和40)插入穿过患者28的血管系统以使得导管的远端进入患者心脏的腔室内。操作人员22推进导管以使得导管的远侧末端在所需位置处接合心内膜组织(如图2中所示)。导管24配置成具有功能元件(例如电极)的手术导管，以用于在心脏26中进行所需诊断和/或治疗功能。导管40用作参比导管，以用于找到导管24在心脏的参考系中的位置。
[0026]导管24和40在其近端通过合适的连接器(未示出)连接至控制台30。控制台包括控制单元36，其向/从导管24和40发送和接收信号以便控制并且监视其操作。例如，控制单元可向导管24施加电能以消融心脏26中的组织和/或可接收来自导管的电信号以测量心电活动。作为另外一种选择或除此之外，如在本领域中已知的，导管24可用于其他诊断和/或治疗功能。此外，控制单元36在导管24和40的远端处驱动磁换能器(如图2中所示)以传输和接收磁场，并且处理来自磁换能器的、响应于磁场的信号，以便计算导管24在随心脏运动的参考系中的位置坐标，如下所述。
[0027]在图示实施例中，系统20使用磁位置感测确定心脏26内部的参比导管40相对于固定参考系的位置坐标。要确定所述位置坐标时，控制台30中的驱动电路34驱动场发生器32，以在患者28的身体内产生磁场。通常，场发生器32具有线图，线图被放置在患者躯干下面的体外已知位置处。这些线图在包含心脏26的预定工作容积内产生磁场。导管40的末端段内的磁换能器(如图2中所示)响应于这些磁场输出电信号。控制单元36对这些信号进行处理以确定从导管40的远端延伸的多个臂的位置(定位和/或取向)坐标，这将在下文中说明。控制台30可以在驱动显示器38时使用导管24和40的坐标，特别使其显示导管24的位置和状态。
[0028]如本发明说明书的上下文中和权利要求中所用，术语“磁换能器”是指将电信号转换成磁场和/或反之亦然的元件。换句话讲，在将合适的电驱动信号应用于磁换能器时，其使得磁换能器产生磁场；并且磁换能器区域中的适当磁场将使得磁换能器输出电信号。线圈是磁换能器的一个例子，但其他种类的装置(例如固态换能器)也可用于此目的。可由控制单元36使用导管中的磁换能器查找导管24和40的坐标时应用的磁位置感测和处理的方法在(例如)上面提到的美国专利6，690, 963中详细描述并且在上面提到的CARTO系统中实施。
[0029]尽管图1示出了具体的系统配置，但也可在本发明的可供选择的实施例中使用其他系统配置。例如，可使用其他类型的位置传感器来应用下文描述的方法，例如阻抗基或超声位置传感器。如本文所用，术语“位置传感器”是指一个元件，该元件引发控制台30接收指示元件坐标的信号。因此，位置传感器可包括导管中的接收器，其基于传感器接收的能量产生至控制单元的位置信号；或其可包括发射器，从而发射由位于探针外部的接收器感测到的能量。此外，类似地，下文描述的方法不仅可以使用导管，而且可以使用其他类型的侵入式探针在心脏和其他身体器官以及区域进行治疗和诊断应用。
[0030]图2为根据本发明实施例的插入有导管24和40的心脏26的腔室的示意性截面图。手术导管24包括位 于其远侧末端的功能元件，例如电极42。使电极与心内膜组织44的表面接触并且可使用该电极感测组织电活动或消融组织44以用于治疗(例如)心律失常。作为另外一种选择或除此之外，导管24可包括多个电极或本领域中已知的其他合适类型的功能元件，例如超声换能器。导管24还包括磁换能器46,例如微型线圈或一组正交线圈，如上面提到的美国专利6，690，963中所述。
[0031]参比导管40包括插入管56和从插入管的远端朝远侧延伸的多个臂48。尽管图2中示出了三个臂，作为另外一种选择，导管40可包括大量的臂。为了易于插入穿过血管系统并且进入心脏，臂48可在狭窄的收缩布置方式(其中臂沿插入管的纵向轴线设置)和展开布置方式(其中臂径向伸展开)之间为变动的，如图2所示。例如，在插入过程中，臂48可收缩到插入管56的远端内，然后可在插入管位于目标心室内时向外延伸。臂可包括有回弹力的加固撑条，如上面提到的美国专利7，099，712中所述，所述撑条使它们伸展开以便在间隔开的位置处接触组织表面。
[0032]每个臂48的远侧末端包括磁换能器50 (其类型可与换能器46类似)和粘合元件，粘合元件的目的是将远侧末端可拆卸地附接到心内膜组织44的表面。在图示例子中，粘合元件包括管52，其经由远侧末端挤出合适的生物相容性胶以形成暂时粘结垫54，从而将远侧末端附接到组织表面。可用于此目的的生物相容性胶在(例如)美国专利6，428，561中有所描述，该专利的公开内容以引用方式并入。任选地，在手术完成时，可穿过臂48的远侧末端挤出合适的生物相容性溶剂以溶解胶。可穿过管52挤出该溶剂或从单独的管或贮存器(未示出)挤出该溶剂。
[0033]作为另外一种选择，臂48可包括其他种类的粘合元件。例如，粘合元件可包括低温构件，该构件使远侧末端足够冷却以使远侧末端通过冷冻粘附附着到组织表面。可用于导管中并且从而可适用于导管40中的粘合元件的低温构件在(例如)美国专利申请公开2012 / 0035584中有所描述，该专利的公开内容以引用的方式并入本文。
[0034]从插入管延伸臂48之后，磁换能器50感测由场发生器32产生的磁场并且向控制单元36输出信号。这些信号可使控制单元找到每个臂48在场发生器32的固定参考系中的坐标。在激活粘合元件以将臂固定就位之前，操作人员22和/或控制单元36可验证远侧末端与组织44的表面紧密接触。可通过(例如)MRI或荧光成像验证这类接触。作为另外一种选择或除此之外，可使用每个臂中的传感器(未示出)验证良好接触。例如，可使用每个臂末端处的电极通过测量臂和组织之间的电阻抗来验证接触，或每个臂中的力传感器可感测在臂和组织之间施加的力。
[0035]一旦在臂48和组织之间产生适当接触并且(如果需要)验证之后，就可激活粘合元件并且将臂固定就位。基于感测 场发生器32的磁场，臂中换能器50相对于外部固定参考系的所述位置坐标是已知的。因为粘合元件，一旦将臂48适当地定位成与心脏壁接触并且固定就位，操作人员22就可确信在手术过程中臂将不会移动。从而，臂建立将稳定地追踪心脏运动的心脏参考系，同时保持与外部场发生器的固定参考系配准。
[0036]要找到导管24在心脏参考系中的坐标，控制单元36将磁换能器50的作用从场传感器变化为场发生器并且驱动换能器50以产生磁场。导管24中的磁换能器46响应这些场输出信号，并且控制单元36对这些信号进行处理以找到导管24在心脏参考系中的坐标。从而控制单元能够追踪并且显示导管24相对于心脏自身的位置。由于换能器46和50相互邻近，换能器50足以产生相对弱的磁场以便换能器感测场，从而驱动换能器50所需的电流远远小于场发生器32的驱动电流。
[0037]作为另外一种选择，控制单元36可驱动换能器46以产生将由换能器50接收和感测的磁场。控制单元36可采用与上述等同的方式处理这些信号以便找到导管24在心脏参考系中的所述位置坐标。
[0038]在上述构型中的任一者中，控制单元36可周期性地对臂48中的磁换能器50响应于场发生器32的场而输出的信号进行取样，以便验证并且配准臂(以及对应的心脏参考系)在场发生器的固定参考系中的位置。
[0039]作为另外一种选择，在一些实施例中，场发生器32可仅仅用于初始定位，或可以根本就不使用。例如，在荧光或MRI观察下可将参比导管40插入心脏26，并且可使臂48接触以及附接到组织44。从而可以使臂48中换能器50的位置与当前或预先获得的心脏图像配准。然后控制单元36驱动换能器50以产生磁场，如上所述，并且处理来自换能器46的信号以便找到导管24在心脏坐标系中的坐标。该心脏坐标系可与图像配准(使用或不使用场发生器32)，或系统20可以在不进行任何种类的由臂48建立的心脏坐标系的配准的条件下运行。
[0040]作为另外一种选择(图中未示出)，用于在心脏中产生磁场并且从而建立心脏坐标系的磁换能器中的一者或多者可外部固定到心脏。[0041]尽管图2中示出的实施例涉及手术导管24的具体类型和构型，但本发明的原理可类似应用于追踪其他类型的导管，以及同时追踪多个手术导管。此外，如更早所述，这些原理可类似地应用于追踪探针在其他身体器官中的位置。因此应意识到，上述实施例均以举例方式举出，并且本发明不受上文特别显示和描述的内容限制。相反，本发明的范围包括上述各种特征的组合和亚组合以及它们的变化形式和修改形式，本领域的技术人员在阅读上述说明时将会想到所述变化形式和修改形式，并且所述变化形式和修改形式并未在现有技术中公开。·
【权利要求】
1.一种侵入式医疗探针，包括: 插入管，所述插入管具有近端和配置成插入患者的身体中的远端；和 从所述插入管的所述远端朝远侧延伸的多个臂，每个臂具有远侧末端并且包括: 磁换能器；和 粘合元件，所述粘合元件配置成将所述远侧末端可拆卸地附接到所述身体内的组织表面。
2.根据权利要求1所述的探针，其中，所述磁换能器包括一个或多个线圈。
3.根据权利要求1所述的探针，其中，所述粘合元件配置成经由所述远侧末端挤出生物相容性胶，以便将所述远侧末端附接到所述组织表面。
4.根据权利要求1所述的探针，其中，所述粘合元件配置成冷却所述远侧末端，以便通过冷冻粘附将所述远侧末端附接到所述组织表面。
5.根据权利要求1所述的探针，其中，所述臂在收缩布置方式和展开布置方式之间是变动的，其中，在所述收缩布置方式中所述臂沿所述插入管的纵向轴线设置，在所述展开布置方式中所述臂径向伸展开以便在不同的相应位置处接触所述组织表面。
6.根据权利要求1所述的探针，其中，所述插入管配置成插入所述患者的心室中，并且其中，每个臂的所述粘合元件配置成将所述远侧末端可拆卸地附接到心内膜组织。
7.一种医疗系统,包括:· 参比探针，所述参比探针包括插入管，所述插入管具有近端和配置成插入患者的身体内器官中的远端，并且包括从所述插入管的所述远端朝远侧延伸的多个臂， 其中，所述臂具有相应的远侧末端并且包括相应的第一磁换能器和粘合元件，所述粘合元件配置成将所述远侧末端可拆卸地附接到所述器官内组织表面上的相应位置，从而限定器官参考系； 手术探针，所述手术探针配置成邻近所述参比探针插入所述器官中，并且包括第二磁换能器和至少一个功能元件；和 控制单元，所述控制单元配置成驱动所述臂中和所述手术探针中的所述磁换能器以传输和接收磁场，并且联接所述控制单元以接收和处理来自所述磁换能器的、响应于所述磁场的信号，以便计算所述手术探针在所述器官参考系中的位置坐标。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，由所述磁换能器传输的所述磁场为第一磁场，并且响应于所述第一磁场、由所述控制单元接收的所述信号为第一信号，并且 其中，所述系统包括多个场发生器，所述场发生器配置成从患者的身体外的、限定固定参考系的相应位置产生相应的第二磁场，并且 其中，联接所述控制单元以接收和处理来自所述第一磁换能器的、响应于所述第二磁场的第二信号，以便计算所述臂在所述固定参考系中的相应坐标。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，联接所述控制单元以基于所述远侧末端的相应坐标、相对于所述固定参考系配准所述器官参考系。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制单元配置成驱动所述第一磁换能器以传输所述第一磁场，并且配置成接收来自所述第二磁换能器的、响应于所述第一磁场的所述第一信号。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述功能元件包括至少一个电极。
12.根据权利要求7所述的系统，其中，所述控制单元配置成响应于所述信号追踪所述手术探针在所述器官参考系中的所述位置坐标，同时所述手术探针在通过所述手术探针进行医疗手术过程中在所述器官内移动。
13.根据权利要求7所述的系统，其中，所述参比探针和手术探针配置成插入所述患者的心室中，并且其中，每个臂的所述粘合元件配置成将所述远侧末端可拆卸地附接到心内膜组织。
14.一种用于执行医疗手术的方法，包括: 将参比探针插入患者的身体内的器官中，所述探针包括插入管和从所述插入管的远端朝远侧延伸的多个臂，其中，所述臂具有相应的远侧末端并且包括相应的第一磁换能器； 将所述臂的所述远侧末端可拆卸地附接到所述器官内的组织表面上的相应位置，从而限定器官参考系； 将包括第二磁换能器的手术探针邻近所述参比探针插入所述器官中； 驱动所述臂和所述手术探针中的所述磁换能器以传输和接收磁场；以及 接收和处理来自所述磁换能器的、响应于所述磁场的信号，以便计算所述手术探针在所述器官参考系中的位置坐标。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，接收和处理所述信号包括响应于所述信号追踪所述手术探针在所述器官参考系中的位置坐标，同时在所述医疗手术过程中使所述手术探针在所述器官内移动。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，移动所述手术探针包括使所述手术探针上的电极与所述器官中的所述组织表面上的多个点接触。·
17.根据权利要求14所述的方法，并且包括在所述医疗手术完成时使所述远侧末端从所述组织表面上的所述相应位置释放。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，可拆卸地附接所述远侧末端包括从所述远侧末端挤出生物相容性胶，并且其中，释放所述远侧末端包括挤出生物相容性溶剂以溶解所述胶。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，可拆卸地附接所述远侧末端包括冷却所述远侧末端，以便通过冷冻粘附将所述远侧末端附接到所述组织表面。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，驱动所述磁换能器包括产生第一磁场，并且从所述磁换能器响应于所述第一磁场接收的所述信号为第一信号，并且 其中，所述方法包括从患者的身体外的、限定固定参考系的相应位置产生第二磁场，以及接收和处理来自所述第一磁换能器的、响应于所述第二磁场的第二信号，以便计算所述臂在所述固定参考系中的相应坐标。
21.根据权利要求20所述的方法，并且包括基于所述远侧末端的相应坐标、相对于所述固定参考系配准所述器官参考系。
22.根据权利要求14所述的方法，其中，插入所述参比探针和所述手术探针包括将所述参比探针和所述手术探针引入所述患者心室中，并且其中，可拆卸地附接所述远侧末端包括将所述远侧末端附接到心内膜组织。
【文档编号】A61M25/095GK103845053SQ201310625585
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2012年11月28日
【发明者】D.M.鲁德温, A.图格曼, E.兹诺 申请人:韦伯斯特生物官能(以色列)有限公司