专利名称：在导管位置感测中减小呼吸性影响的制作方法
技术领域：
本发明整体涉及感测设置在活体内的物体的位置，并且具体来讲涉及检测并补偿呼吸影响。
背景技术：
大量医疗操作涉及将物体(例如传感器、管、导管、分散装置和植入物)设置在体内。实时成像方法常常用来辅助医生在手术过程中观察物体及其周边环境。然而，在大多数情况下，实时三维成像是不可能或不理想的。相反，常常使用用于获得内部物体实时空间坐标的系统。在这些系统中，可需要对呼吸影响的补偿。其内容以引用方式并入本文的授予Govari等人的美国专利申请2009/0030307描述了一种定位跟踪的方法，其包括将内部参考探针布置在对象心脏中的参考位置，以及在一个或多个呼吸性循环中收集和处理探针的位置坐标，以定义对应于参考位置的所述位置坐标的范围。其内容以引用方式并入本文的授予Gilboa等人的美国专利6，711，429描述了一种在体内医疗手术中显示身体上的至少一个关注点的系统和方法。通过在呼吸性循环中监视和显示导管位置可影响显示内容，并且还在至少一个呼吸性循环中平均其位置。其内容以引用方式并入本文的授予Shmarak等人的美国专利申请2009/01822M 描述了一种产生与被检查的患者体内的器官相关的器官定时信号的设备。本发明涉及重建呼吸t生轨线(respiratory trajectory)。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种方法，该方法包括将身体电极定位为与患者的身体电接触；将探针布置在患者的体内；在患者的呼吸期间跟踪探针的位置；在呼吸期间确定与在身体电极之间的阻抗相关的读数；计算将所述探针的位置与所述读数相关联的函数；以及应用所述函数以基于与所述阻抗相关的后续读数识别所述呼吸的呼气末点。通常，识别所述呼气末点的步骤包括估计所述函数小于预定阈值。在本发明公开的实施例中，跟踪所述探针的位置的步骤包括利用电磁跟踪系统确定所述位置。作为另外一种选择或除此之外，跟踪所述探针的位置的步骤包括响应于所述探针和所述身体电极之间的电流计算所述位置。在另一本发明公开的实施例中，确定所述读数的步骤包括测量所述探针和所述身体电极之间的相应电流。作为另外一种选择或除此之外，确定所述读数的步骤包括构建将所述身体电极之间的所述阻抗与所述探针的位置关联起来的矩阵。构建所述矩阵的步骤可包括确定所述呼吸的方向。所述方法还可包括响应于所述矩阵和所述方向针对所述呼吸确定所述呼气末点。所述方法还可包括响应于所述读数的变化速率、所述矩阵和所述方向针对所述呼吸确定所述呼气末点。根据本发明的实施例，还提供了一种装置，其包括身体电极，所述身体电极被定位为与患者的身体电接触；探针，所述探针被布置在患者的体内；以及处理器，其被构造为在患者的呼吸期间跟踪探针的位置；在呼吸期间确定与在身体电极之间的阻抗相关的读数；计算将所述探针的位置与所述读数相关联的函数；以及应用所述函数以基于与所述阻抗相关的后续读数识别所述呼吸的呼气末点。通过以下与附图结合在一起的本发明实施例的详细说明，将更全面地理解本发明。
根据本发明实施例，图IA是利用混合导管探针的位置感测系统的示意性示图，并且图IB是示出混合导管的远端的示意性细部图；根据本发明实施例，图2A是示意性地示出操作位置感测系统的方法的流程图，并且图2B是示出所述系统的简化框图；图3是示出根据本发明实施例针对在位置感测系统中使用的参考贴片的矢量关系的示意图；图4是根据本发明实施例的有源电流位置(ACL)贴片电路的示意性示图；图5示出了根据本发明实施例的位置感测系统的过滤模块使用的滤波器的示意性曲线图；以及图6示出了根据本发明实施例的投影的呼吸指示值和从投影的指示值对时间曲线衍生的参数的示意性曲线图。
具体实施例方式MM本发明的实施例提供了一种确定探针在患者体内的位置的方法，所述患者通常是经受医疗手术的对象。所述方法补偿了通过患者的呼吸导致的测量位置的误差。为了补偿这种呼吸作用，将探针布置在患者的体内，并且将身体电极布置为与患者身体电接触。处理器在患者的呼吸期间跟踪探针的位置。此外，所述处理器测量在探针的电极和所述身体电极之间的电流。所述处理器从所述电流中衍生出所述身体电极之间的阻抗的读数作为在呼吸期间的呼吸指示值。所述处理器产生所述指示值的参数化函数与所述探针位置的最佳对射变换。所述参数化函数可表达为将所述位置和所述呼吸指示值关联起来的矩阵。一旦确定所述矩阵，则其可用于确定在呼吸循环中的一个或多个呼气末时间。系统描述在以下描述中，通过举例的方式，至少部分地假定实施例具有两个位置确定坐标子系统。第一电磁(EM)坐标子系统通过测量在探针处的磁场确定在对象中的导管探针的位置。第二电流坐标子系统通过测量从探针至对象上的不同电极或贴片的电流确定所述探针的位置。在本文中，第二子系统还被称为高级电流定位(ACL)子系统。如下文所述，通过利用能够针对EM子系统测量磁场并且用作ACL子系统的电流源的混合导管探针，所述两个坐标子系统彼此对准。然而，虽然使用两个子系统可以是有利的，但是这不是本发明实施例的要求。此外，本发明的实施例仅需要诸如本文所述的ACL子系统的一个坐标系统。与本文描述的ACL子系统相似的跟踪系统在授予Meir Bar-Tal等人的美国专利申请2010/0079158中有所描述，该申请被转让给本申请的受让人，并且上述申请以引用方式并入本文中。图IA是利用混合导管探针20的位置感测系统36的示意性示图，并且图IB是示出根据本发明实施例的混合导管的远端的示意性细部图。在本文中所述混合导管还可称为标测导管。假定医学专业人员56操作系统36。通过举例的方式，除非在以下描述中另外指明，否则假定标测导管20用于患者 40 (在本文中也称作对象40)的心室38的侵入性手术中。作为另外一种选择，位置感测系统36可与在其它体腔中的导管20类似的探针一起使用。将对象40置于例如通过在对象下方布置含有磁场发生器线圈42的定位垫43产生的磁场中。通过线圈42产生的磁场在布置在导管20的远端的电磁(EM)传感器22的线圈24、沈和洲中产生电信号。电信号被传递到控制单元44，其分析所述信号以确定导管20的位置坐标和取向。作为另外一种选择，磁场传感器22中的线圈可被驱动以产生通过线圈42检测的磁场。控制单元44包括处理器46，处理器通常是具有合适信号处理电路的计算机。所述处理器利用存储器47，其通常包括易失性数据存储装置和非易失性数据存储装置，其中存储用于操作系统36的数据。处理器被结合以驱动控制台52，其可提供导管20的位置的视觉显示54。控制单元44包括交流电驱动器561，其处理器46用于将电流供应到布置在标测导管20的远端的标测导管导电电极30、32和34。处理器46将供应到导管20的每个电极的电流的交变频率设置为不同。导管电极通过穿过导管的插入管的导线连接到控制单元44 中的电流和电压测量电路。控制单元通过导线连接到体表电极(在本文中还称作身体电极)，所述电极可为本领域公知的任何类型的身体电极，诸如电池电极、针电极、皮下探针或贴片电极。身体电极通常与对象40的体表电接触，并且从其接收体表电流。当以下描述提到贴片电极或贴片时，应该理解，本发明的实施例可利用以上描述的任何其它种类的电极。在一些实施例中，可将一个或多个身体电极布置为与对象40的身体电接触并在对象的身体内。通常，例如通过被构造为具有与导管20中的线圈24 J6和观相似的跟踪线圈的这些身体电极，控制单元44跟踪这些位于体内的身体电极的位置。除非另外指明， 否则为了简明起见，以下描述假定身体电极布置在对象40的身体上。本领域普通技术人员将能够修改所述描述、作必要的修正，以使其覆盖布置在对象40的体内的身体电极。通过举例的方式，本文中，假定体表电极包括在本文中统称为有源电流位置(ACL) 贴片60P(或通过ACL贴片标记“i”表示，其中i是1和6之间的整数)的粘合剂皮肤贴片60、62、64、66、68和70。ACL贴片60P可布置在探针附近的对象40的体表上的任何方便的位置。ACL贴片60P通常具有与导管20中的线圈MJ6和28相似的对应相关的跟踪线圈。 在本发明的可供选择的实施例中，体表电极可以在数量上变化。所述体表电极从标测导管的不同电极接收不同标测电流，并且分析所述不同电流以确定导管20的位置。因此，导管 20包括用于测量其位置的两个组件，一个组件在系统36的EM子系统中操作，另一组件在系统36的ACL子系统中操作。导管20还被称为混合导管。控制单元44还包括电压发生器56V，其通过ACL贴片“i”的连接导线连接到ACL 贴片“i”，并且处理器46利用所述电压发生器测量ACL贴片的阻抗。来自驱动器561和发生器56V的电流通过以不同频率操作电流和电压的处理器46 分流。因此，存在用于发生器的六个特有频率，以将电压供应到ACL贴片，并且存在用于驱动器的多个其它特有频率，以将电流供应到导管。此外，在系统36中，可存在其它非混合导管，其包括与电极30、32和34相似的一个或多个电极，但是不包括诸如传感器22的传感器。非混合导管在本文中还被称作检查导管，并且所述检查导管的电极也被称作检查导管导电性电极。系统36能够跟踪这些检查导管。通过举例的方式，一个这种非混合导管21示于图IA中。在存在用于电流驱动器561的大约90个频率的一个实施例中，在系统36中可跟踪多达90个导管电极。本文中通过举例的方式假定皮肤贴片包括三个粘合剂皮肤贴片80、82和84，并且通常布置在对象40的背部以用作定位参考。贴片80、82和84在本文中被统称作贴片80R。 每个参考贴片80R具有EM传感器，其总体与传感器22相似，并且其将其对应贴片的位置提供给处理器46。参考贴片80R通过导线连接到控制单元44。系统36还可包括参考位置传感器，诸如插入到身体40的运动器官(这里假定为心脏38)中的布置在体内的导管，并且相对于所述运动器官保持在相对固定的位置。这里， 参考传感器被假定为包括冠状窦参考导管(CSRC) 27，并且在本文中还被称作参考导管27。 导管27可为混合导管或非混合导管。通常，系统36包括为了简单起见在附图中未示出的其它元件，并且在以下描述中，必要之处提及它们。例如，系统36可包括ECG监护仪，该监护仪被连接以从一个或多个体表电极接收信号，以便向控制单元44提供ECG同步信号。通常，系统36还包括通过控制单元44操作的消融系统。图IA的构造为纯粹为了概念清楚而选择的示例构造。在替代实施例中，也可以使用任何其他合适的配置。处理器46通常包括通用处理器，在所述计算机上安装软件来执行本文所述的功能。该软件可以电子形式通过网络下载到处理器，例如，作为另外一种选择或除此之外，该软件可以被提供和/或存储在非临时性有形介质(例如，磁性、光学或电子存储器)上。图2A是示意性地示出在对象上执行手术时操作系统36的过程的流程图100，并且图2B是示出根据本发明实施例的所述系统的简化框图。在参考框架对射变换步骤102中，将在EM参考框架中测得的坐标与在有源电流位置(ACL)参考框架中测得的坐标关联起来。EM跟踪器子系统115产生在EM参考框架中的测量结果；ACL跟踪器子系统117产生在ACL框架(在本文中还称作身体坐标系统)中的
7测量结果。EM跟踪器子系统利用通过线圈对、沈和观产生的电磁场测量位置。ACL跟踪器子系统利用通过ACL贴片60P的电流测量位置。除非另外指明，否则流程图的以下步骤在中间处理模块119中执行，所述模块包括身体坐标系统模块119A、对射变换分析模块119B、贴片电流校正模块119C、电流投射模块119D、呼气末检测模块119E、贴片有效区域补偿模块119F和过滤模块119G。在ACL贴片校正步骤106中，处理器46在ACL贴片中产生电流以确定单个ACL贴片阻抗的差别。阻抗的差别影响通过处理器测量的ACL贴片中的电流。步骤102和106通常仅在系统36的操作开始时执行。流程图的其余步骤通常在系统操作过程中在连续的基础上执行。在贴片补偿步骤108中，处理器46补偿ACL贴片有效区域中的变化。所述变化通常由诸如通常因为出汗和贴片从患者的皮肤上部分剥离导致贴片的导电率的变化的因数引起。处理器46利用与在步骤106中产生的那些相似的电流来确定补偿因数。在电流投影步骤110中，处理器测量通过注入被跟踪的导管中的电流产生的ACL 贴片中的电流，并对所述电流施加在步骤106和108中确定的调节量。调节后的电流用于确定被跟踪的导管的初始位置，以及确定呼吸指示值。呼吸指示值是基于阻抗测量结果的读数，其表示经历手术的对象的呼吸状态。在过滤步骤112中，在步骤110中确定的随时间变化的位置和随时间变化的呼吸指示值被过滤以仅允许具有与呼吸相关的非常低频率的组分通过。诸如与跳动的心脏相关的较高频率组分被阻挡。在过滤步骤112中，呼吸指示值的变化率(在本文中还称作呼吸指示值速率)也被计算。过滤后的位置、指示值和速率被存储以用于未来分析。在过滤步骤112之后，方法沿着两条路径之一继续。在所述方法的初始化之后遵循第一训练路径114。一旦初始化完成则遵循第二操作路径116。在训练路径114中，在分析步骤118中，过滤后的随时间变化的呼吸指示值与“训练”导管(即，在训练过程中布置在心脏中的固定位置的导管)的过滤后的随时间变化的位置关联起来。提供与所述位置的最佳对射变换的不同指示值的组合以对射变换矩阵的形式产生。此外，呼吸指示值被分析以针对呼吸运动确定“最突出方向”矢量。通过比较步骤120示出的训练通常持续直至通过对射变换矩阵产生的结果落入可接受的预设极限内。所述比较检查通过对射变换矩阵产生的位置是否落入实际位置的预设极限内。一旦所述位置落入所述预设极限内，则流程图转到操作路径116。在操作路径中的检测步骤122中，对射变换矩阵和呼吸方向矢量用于进一步分析即将到来的过滤后的呼吸指示值(在步骤112中产生)。所述分析估计发生呼气末的门限点(gating point)。所述分析还可包括通过处理器46使用阈值，以确定对呼气末点的估计是否被分类为临时或最终的。在定位步骤IM中，处理器46再调用对应于导管的呼吸性轨线的存储的训练导管位置。所述轨线通过呼气末点截取，并且截取后的轨线用于估计导管的呼吸性运动，所述导管通常为除训练导管之外的导管。按此方式估计的呼吸性位置被从实际导管位置坐标中除去，以给出在呼吸性循环中保持不变的导管位置测量结果。以下描述详细解释了流程图100的每个步骤。身体坐标系统
图3是示出根据本发明实施例针对参考贴片80R的矢量关系的示意图。贴片的初始位置被示出为贴片80、82和84。运动后的位置被示出为贴片80' ,82'和84'。在身体坐标系统模块119A中，处理器46在执行流程图100的参考框架对射变换步骤102的过程中应用所述关系。如上所述，系统36包括两个跟踪子系统利用诸如传感器22的传感器的EM跟踪器子系统115，以及利用通过贴片60P的电流的ACL跟踪子系统 117。每个子系统在对应参考框架中操作。EM跟踪器子系统在总体相对于贴片43固定的EM 参考框架中操作。ACL跟踪器子系统在假定总体相对于贴片80R固定的ACL参考框架(所述身体坐标系统(BCS))中操作。贴片80R使得在所述子系统之一中生成的测量结果能够转换到另一子系统。参考贴片80R附着到对象40的背部，使得对象相对于垫43的任何运动以在参考贴片的EM传感器中的信号变化的形式被反射。—开始，处理器46分析来自在参考贴片80R上的EM传感器的信号，以确定用于 BCS的初始参考框架。通常，在确定了初始框架之后，处理器周期性地分析来自EM传感器的信号，以确定BCS参考框架的位置和取向的变化。处理器能够检测系统参数的变化是否超出预期，并且在这种情况下，可返回到一开始遵循的方法。一开始，在时间patchlnitTime (通常大约1秒)内，处理器将贴片80R的位置累加到LP坐标(即，相对于位置贴片(LP)测得的坐标)中。
有平均值的平均值乡被设为BCS的起源 ~ 1 3 ~P = ^Pl(2)
1同时计算从每个贴片到所述起源的半径矢量，并且将其保存以用于未来使用Plinit =(3)
随后处理器针对每个贴片计算平均位置和标准偏差
~ 1 N
Pl = -YPli NzTj 1
ι
(1)
"ν", 了' PlSTD=. Σττ^ -P!) \ i
其中i是样品标记， N是在时间patcMnitTime中样品数 fti是样品值，
&是针对每个贴片1的Pli的平均值， 并且
^std是的标准偏差g .
假设每个&STD的值小于预设数字，通常，大约1mm，校正被接受，在这种情况下所
通过公式⑵限定的平均矢量和通过公式(3)限定的三个矢量在图3中示出。除了所述起源之外，通过公式O)限定，公式(3)的三个矢量限定了平面内的三角形，在附图中通过贴片80、82和84之间的虚线示出。初始BCX的x、y和ζ轴利用所述三角形限定。在系统36的操作中，贴片80R可如贴片80'、82'和84'示例地运动，并且处理器46通常在大约一秒的时段内周期性地测量贴片的新位置。本发明的实施例假设在校正阶段限定的轴作为大约刚性体运动，并且处理器46在跟踪阶段确定轴从新贴片80R的位置的平移和旋转。在确定之前，新贴片位置被过滤以减小噪声，所述过滤的步骤通常包括以下类型的低通滤波器Yi = Byi^(I-B)Xi, (4)其中y^yH是当前和前一位置估值，Xi是当前位置测量结果，并且a是0和1之间的因数。通常，公式中的“a”被选择为使得在确定当期位置估值时存在大约0.5秒的不变有效时间色·。因此，由于身体运动通常是缓慢的，这种时间常数不会显著影响系统36的性能。过滤后的位置色用于确定坐标$ ,的新起源矢量，基本如以上针对公式(3)的描述。从过滤后的位置，H处理器46通过本领域普通技术人员应当清楚的方法确定旋转矩阵T，将这些轴的新取向与原始轴取向关联起来。所述处理器随后应用公式( (以下) 将每个导管顶端位置测量结果转变回原始BCS轴。pb = ΤΤ·(ρ-Ρ0)(5)其中Tt是T的变换顺序，i是代表测量后的导管顶端位置的矢量，并且Jb是与原始BCS轴相关的导管顶端的矢量。β在定位步骤124中计算矢量。贴片电流校ιΗ理想地，相对于地面测量的每个ACL贴片的阻抗为零，但是在实施过程中可能不是这种情况。如果阻抗不等于零，则测量的通过贴片的电流可导致在诸如导管20的导管的预测位置中出现误差，从而为了减小这种误差，处理器46在贴片校正步骤106中使用贴片电流校正模块119C来在ACL贴片上执行校正(图2Α和图2Β)。所述校正补偿为非零的阻抗，并且还补偿贴片之间的阻抗差。如果贴片阻抗为零，则所述校正使得处理器46能够估计可在贴片中流动的电流。现在参见图4，该图为根据本发明的实施例的ACL贴片电路的示意图。所有的ACL贴片具有大致相似的电路。每个ACL贴片i包括去心脏纤颤保护电路 152和消融保护电路154。所述两个电路在所述贴片和地面之间串联。在图4中，针对以下分析，针对每个贴片i，j为频率标记，代表通过贴片传输的频率。。
Zij是公知的去心脏纤颤保护电路152的阻抗。公知的阻抗可通常通过贴片盒制造商提供，或从电路152的分析确定。Qij是消融保护电路154的阻抗。在以下描述的贴片阻抗校正方法中估计消融保护电路阻抗。Ei是来自电压源56V的电压，其通过频率&驱动贴片i。Iij是通过贴片i以频率&测量的电流。Vij是以频率。在贴片i上测量的电压。Xij是以频率fj在贴片i上的实际电压。在用于系统36的贴片阻抗校正工序中，处理器46利用对应的电压源56V以对应频率1将电流注入到每个贴片i。注入的电流也用于以下描述的贴片有效区域补偿工序中。通常在遵循以上描述的训练路径的同时，处理器应用以上引用的两个工序，S卩，贴片阻抗校正工序和贴片有效区域补偿工序。在遵循操作路径的同时，处理器也可根据需要应用所述两个工序。以不同频率j注入电流，并且控制台52包括ADC (模数转换电路)，处理器46标度放大以顺序地测量值Vu以及同时测量值Iijt5
在贴片阻抗校正工序中，通常通过在每个频率j寻找比率"fT并且在测量到的频 率中寻找最佳拟合，通常是最佳二次拟合，处理器由值Vu和值Iu来估计值qu。因此
权利要求
1.一种方法，所述方法包括以下步骤 将身体电极定位为与患者的身体电接触； 将探针布置在患者的体内；在患者的呼吸期间跟踪探针的位置；在呼吸期间确定与在身体电极之间的阻抗相关的读数；计算将所述探针的位置与所述读数相关联的函数；以及应用所述函数以基于与所述阻抗相关的后续读数识别所述呼吸的呼气末点。
2.根据权利要求1所述的方法，其中识别所述呼气末点的步骤包括估计所述函数小于预定阈值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中跟踪所述探针的位置的步骤包括利用电磁跟踪系统确定所述位置。
4.根据权利要求1所述的方法，其中跟踪所述探针的位置的步骤包括响应于所述探针和所述身体电极之间的电流计算所述位置。
5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述读数的步骤包括测量所述探针和所述身体电极之间的相应电流。
6.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述读数的步骤包括构建将所述身体电极之间的所述阻抗与所述探针的位置关联起来的矩阵。
7.根据权利要求6所述的方法，其中构建所述矩阵的步骤包括确定所述呼吸的方向。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括响应于所述矩阵和所述方向针对所述呼吸确定所述呼气末点。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括响应于所述读数的变化速率、所述矩阵和所述方向针对所述呼吸确定所述呼气末点。
10.一种设备，包括身体电极，所述身体电极被定位为与患者的身体电接触；探针，所述探针被布置在患者的体内；以及处理器，其被构造为在患者的呼吸期间跟踪探针的位置；在呼吸期间确定与在身体电极之间的阻抗相关的读数；计算将所述探针的位置与所述读数相关联的函数；以及应用所述函数以基于与所述阻抗相关的后续读数识别所述呼吸的呼气末点。
11.根据权利要求10所述的设备，其中识别所述呼气末点的步骤包括估计所述函数小于预定阈值。
12.根据权利要求10所述的设备，其中跟踪所述探针的位置的步骤包括利用电磁跟踪系统确定所述位置。
13.根据权利要求10所述的设备，其中跟踪所述探针的位置的步骤包括响应于所述探针和所述身体电极之间的电流计算所述位置。
14.根据权利要求10所述的设备，其中确定所述读数的步骤包括测量所述探针和所述身体电极之间的相应电流。
15.根据权利要求11所述的设备，其中确定所述读数的步骤包括构建将所述身体电极之间的所述阻抗与所述探针的位置关联起来的矩阵。
16.根据权利要求15所述的设备，其中构建所述矩阵的步骤包括确定所述呼吸的方向。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述处理器被构造为响应于所述矩阵和所述方向针对所述呼吸确定所述呼气末点。
18.根据权利要求16所述的设备，其中所述处理器被构造为响应于所述读数的变化速率、所述矩阵和所述方向针对所述呼吸确定所述呼气末点。
全文摘要
本发明涉及在导管位置感测中减小呼吸性影响。本发明公开了一种方法，所述方法包括以下步骤将身体电极定位为与患者的身体电接触；以及将探针布置在患者的体内。所述方法还包括在患者的呼吸期间跟踪探针的位置；以及在呼吸期间确定与在身体电极之间的阻抗相关的读数。所述方法还包括计算将所述探针的位置与所述读数相关联的函数；以及应用所述函数以基于与所述阻抗相关的后续读数识别所述呼吸的呼气末点。
文档编号A61B5/06GK102525472SQ201110462048
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者M·巴-塔尔 申请人:韦伯斯特生物官能(以色列)有限公司