利用阻抗和磁场测量的导管导航的制作方法
【专利摘要】一种通过将第一定位系统（12）的第一坐标系（14）配准在第二定位系统（16）的第二坐标系（18）中来操作定位系统（10）的方法，包括确定内插函数，所述内插函数被配置为将第一非标准正交的坐标系配准在第二标准正交的坐标系中。通过相应的定位系统（12）、（16）来采集基准对，每个基准对包含相应坐标系（14）、（18）中的相应坐标，所述坐标均表示三维空间内的同一物理点。建立工作内插函数包括利用薄板样条算法来分析基准对。所述方法进一步包括重复地获得第一坐标系（14）中的第一坐标以及根据内插函数来确定第二坐标系（18）中对应的第二坐标。
【专利说明】利用阻抗和磁场测量的导管导航
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年9月13日提交的美国专利申请n0.13/231，284的优先权，其通过引用包含于此，就如同在此全部陈述一样。
【技术领域】
[0003]本发明总地涉及医疗装置导航，并且更具体地，涉及一种将第一医疗装置导航系统坐标系与第二医疗装置导航系统坐标系配准的系统和方法。
【背景技术】
[0004]已知用于确定医疗装置在人体内的位置和方向(P&0)以例如用于可视化和导航目的的各种系统。这样的一种系统已知为基于电阻抗的定位系统。基于电阻抗的系统通常包括位于患者体外的一对或多对体表电极(例如，贴片)、附接至患者身体的参考传感器(例如，另一贴片)、以及附接至医疗装置的一个或多个传感器(例如，电极)。这些电极对可以邻近地线性布置，或者与用于所述定位系统的坐标系的各个轴相关联。所述系统可以通过如下的方式来确定P&0:在电极对上施加电流，测量在装置电极处感生的各个电压(B卩，相对于参考传感器)，然后对测量到的电压进行处理。
[0005]已知的另一系统为基于磁场的定位系统。这种系统通常包括:一个或多个磁场发生器，其附接至患者病床或运行环境的其它部件或者放置在患者病床或运行环境的其它部件附近；以及与医疗装置耦合的一个或多个磁场检测线圈。可选地，磁场发生器可以与医疗装置耦合，并且检测线圈可以附接至运行环境的部件或放置在运行环境的部件附近。发生器在感兴趣区域(即，解剖部位)提供了可控的低强度AC磁场。检测线圈产生指示所感测磁场的一个或多个特性的相应信号。系统随后对这些信号进行处理以产生与线圈相关联(因此与医疗装置相关联)的一`个或多个P&0读数。P&0读数通常相对于磁场发生器来获得，并且因此磁场发生器用作基于磁场的定位系统的坐标系的实际“原点”。与基于电阻抗的系统不同，在坐标系是相对于体表电极所施加的患者的情况下，基于磁场的系统具有独立于患者的坐标系。
[0006]基于电阻抗的定位系统和基于磁场的定位系统均具有优点。例如，基于电阻抗的系统能够将相对大量的传感器同时定位(即，提供P&0读数)在多个医疗装置上。然而，由于基于电阻抗的系统利用人体内的电流流动，坐标系会是非均匀、各向异性且非标准正交的(即，无法保证坐标系的基矢相对于彼此是成直角的或者具有适当的单位长度)。另外，基于电阻抗的系统可能受到电干扰。结果，基于位置测量提供的几何形状和表示形式可能会表现为相对于感兴趣对象区域的实际图像失真。另一方面，基于磁场的坐标系不依赖于患者的解剖结构的特性并且提供了大体标准正交的坐标系。然而，基于磁场的定位系统通常会局限于跟踪相对较少的传感器。
[0007]因此，需要一种最小化或消除上述一个或多个挑战的定位系统。
【发明内容】
[0008]期望提供一种结合了基于电阻抗的定位系统的优点(例如将多个传感器定位在多个导管上)和基于磁场的坐标系的优点(例如，来自患者解剖结构的阻抗，标准正交)的系统。在一个实施例中，这样的系统可以通过将基于电阻抗的定位系统的坐标系配准在基于磁场的定位系统的坐标系中来提供。在配准之后，可以在基于磁场的定位系统的坐标系中操作基于电阻抗的定位系统。
[0009]一种操作定位系统的方法包括多个步骤。第一步骤包括确定内插函数，所述内插函数被配置为将第一非标准正交的坐标系配准在第二标准正交的坐标系中。该第一步骤实际上可以是初步的(即，在医疗或标测程序之前执行)。所述方法进一步包括获得第一坐标系中的第一坐标，以及根据内插函数来确定第二坐标系中对应的第二坐标的步骤。在一个实施例中，这些步骤可以以实时的方式重复进行，例如在医疗程序期间。通过上文，在基于阻抗的定位系统中获得的坐标例如可以基本实时地表示为基于磁场的坐标系中对应的坐标。所得到的坐标可以用于除跟踪装置之外的多个目的，例如在组织表面上或附近采集数据点以产生几何外形。这样的外形可以比基于在基于电阻抗的坐标系中的坐标的外形更精确。因此，所述方法放松了对于能够跟踪的传感器/装置的数量的限制，但具有患者独立的、标准正交的坐标系的精确性优点。
[0010]在一个实施例中，确定内插函数的步骤可以依次包括多个子步骤。第一子步骤包括在三维(3D)空间内采集多个基准对，每个基准对包括(I)由第一定位系统测量到的第一坐标系中的第一坐标，以及(2)由第二定位系统测量到的第二坐标系中的第二坐标。每个基准对中的每个坐标对应于3D空间内的同一物理点。第二子步骤包括对多个基准对应用薄板样条算法以生成所述内插函数。
[0011]一种用于确定医 疗装置的位置的系统，包括电子控制单元(E⑶)、耦合至所述E⑶的计算机可读存储器、以及存储在所述存储器中的被配置为由所述ECU执行的逻辑。所述逻辑被配置为确定内插函数并且对第一非标准正交坐标系中的第一坐标应用内插函数，以确定第二标准正交坐标系中对应的第二坐标。在一个实施例中，所述逻辑可以被配置为通过对多个基准对应用薄板样条算法以生成所述内插函数来确定内插函数。每个基准对可以包括(I)由第一定位系统测量到的第一坐标系中的第一坐标，以及(2)由第二定位系统测量到的第二坐标系中的第二坐标。显然，基准对中的每个坐标对应于3D空间内的同一物理点。如同所述方法一样，在一个实施例中，所述逻辑可以被配置为在例如医疗程序之前的初步阶段确定内插函数。之后，所述逻辑运行以在医疗程序期间应用现限定的内插函数。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是通过将第一(例如，基于电阻抗的)医疗定位系统(MPS)与第二(例如，基于磁场的)MPS —起操作来确定医疗装置的位置的系统的方框示图。
[0013]图2是示出了在一个实施例中适用于图1的系统的基于电阻抗的示例性定位系统的图解方框示图。
[0014]图3A-3D是适用于图2的实施例的被驱动体表电极的示例性偶极对的示意图。
[0015]图4是示出了在一个实施例中适用于图1的系统的基于磁场的示例性定位系统的图解视图。[0016]图5是示出了在一个实施例中适用于图1的系统的基于磁场的示例性定位系统的示意性方框示图。
[0017]图6是示出了操作图1的定位系统的方法的一个实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0018]下面的详细说明包括四部分。第一，将一般性地说明一种用于将第一(例如，基于电阻抗的)医疗定位系统(MPS)与第二 (例如，基于磁场的)MPS —起操作的系统。第二，将更详细地说明一种基于电阻抗的示例性MPS。第三，将更详细地说明基于磁场的MPS的示例性实施例。最后，将说明一种用于在第二 (例如，基于磁场的)MPS的坐标系中操作第一(例如，基于电阻抗的)MPS的方法。
[0019]利用第二 MPS来操作第一 MPS的系统。现参考附图，其中相似的附图标记用于标识各个视图中相同的部件，图1是通过将第一医疗定位系统(MPS)(例如，基于电阻抗的)与第二 MPS (例如，基于磁场的)一起操作来确定医疗装置的位置的系统10的方框示图。如【背景技术】中所述，每种定位系统均具有一定的优点和缺点。系统10被配置为保留两种系统中的优点同时克服相应的缺点。
[0020]系统10不出了第一 MPS12 (基于电阻抗的)和相关联的第一坐标系14,第二 MPS16(基于磁场的)和相关联的第二坐标系18，相应的运动补偿块20、22，双系统医疗装置24，单系统医疗装置26，电子控制单元28 (包括相关的处理器30和存储器32)，包括配准块34、内插块36、参考坐标数据结构38、计算系数数据结构40的逻辑块和数据结构，显示器42，输入/输出接口 44以及图像数据库46。
[0021]应当理解，虽然E⑶28、MPS12和MPS16被分别示出，但这仅是为了易于说明的目的，实质上并不限于此。在一个实施例中，E⑶28、MPS12和MPS16可以全部在单个处理设备中实现或者不同于所示出`的，分布在多个设备中。例如，MPS12和MPS16可以被组合在与ECU28分离的单个MPS中。在另一实施例中，MPS12和MPS16可以共享部件，例如ECG导线。本领域普通技术人员可以理解，其它变型也是可行的。
[0022]MPS12可以是基于电阻抗的定位系统，并且被配置为获取与附接至患者体内的一个或多个医疗装置的一个或多个电极相关联的定位(方位)数据(即，位置和方向一P&0)。如下面结合图2-3更详细说明的，系统12可以耦合至承载一个或多个电极的一个或多个可兼容的医疗装置(例如，导管、导引器、参考装置等)。此外，系统12通常采用多个体表电极(SP，贴片)。在一个实施例中，系统12向贴片对施加激励信号并且测量电极上(以及贴片上)产生的信号，测量到的信号经系统12分析以产生输出的P&0读数。如所示的，P&0读数的示例性位置部分可以以三维表示，例如，表示为3D坐标(nX，nY, ηΖ)。根据配置，还可以确定相应的一组方向值。由于多种因素，相关联的坐标系14可以是非均匀、非标准正交且各向异性的。
[0023]MPS16可以是基于磁场的定位系统并且同样被配置为获取与一个或多个传感器相关联的定位(方位)数据(即，位置和方向一Ρ&0)，该一个或多个传感器附接至患者体内的一个或多个医疗装置或以其它方式与其相关联。如下面结合图5更详细说明的，MPS16可以耦合至承载一个或多个传感器(例如，磁场传感器，诸如线圈)的一个或多个可兼容的医疗装置，并且通常还包括多个电磁场发生器。MPS16控制电磁场生成以及各个传感器处的信号检测，检测到的信号指示所感测场的一个或多个场特性。MPS16被配置为对检测到的信号进行处理并且输出P&0读数。如所示的，P&0读数的示例性位置部分可以以三维表示，例如，表示为3D坐标(gX，gY，gZ)。根据配置，还可以确定相应的一组方向值。通常，相关联的坐标系18是均匀且标准正交的。然而，如【背景技术】中所述，MPS16可能在可同时确定P&0的传感器的数量上受限制。
[0024]应当理解，坐标系14、18可以是彼此独立的，具有各自的方向和不同的原点，并且可以是可相对于彼此运动的。另外，在一些实施例中，可以通过MPS12和MPS16中的任一者或两者来提供运动补偿功能性。在图示的实施例中，两个定位系统均包括运动补偿块20、22示出的所述功能性。块20、22所提供的运动补偿功能性可以是彼此独立的。通常，运动补偿块可以允许对分别通过MPS12和MPS16获得的原始位置数据进行调节，以考虑患者身体感兴趣区域(ROI)相对于预先获取的图像、一系列图像或ROI的几何形状的运动。将结合图2对用于基于电阻抗的定位系统的运动补偿进行更详细的说明。将结合图5对用于基于磁场的定位系统的运动补偿进行更详细的说明。运动补偿还可以被提供用于生理(例如，呼吸)活动，和/或可以被选用于特定点，例如心动周期中的时间点。
[0025]双系统医疗装置24被配置为与MPS12和MPS16 二者均兼容(即，被配置为与两个系统各自的激励和感测机制协作以确定位置)。如所示的，装置24操作地耦合至MPS12和MPS16中的每一个。装置24被特别地配置为帮助坐标系14、18的配准。为此目的，装置24设置有至少一个“传感器对”，其中该对中的一个传感器与MPS12兼容并且操作地耦合到MPS12，而该对中的另一传感器与MPS16兼容并且操作地耦合到MPS16。每个传感器对中的传感器均被配置为将各自的信号输出至对应的定位系统。所述信号之后被各自的系统12、16用于确定在其相关联的坐标系中表示的相应的位置和方向(P&0)。更特别地，传感器对中的传感器可以相对于彼此至少隔开已知的距离或具有已知的关系，并且优选地彼此靠近以便被视为实际上占据三维空间内的同一物理点。如下面所述，传感器对中各个传感器的相应的P&0读数在此处被称为基准对。基准对的各个坐标实际上是指3D空间内的同一物理点这一认识允许特定的等同用于系统10的初步配准(下面进行更详细说明)。双系统装置24包括至少一个传感器对，并且可以具有多个传感器对。应当理解，装置24可以包括额外的电极和/或传感器。特别地，可以有利的是，装置24包括任意两个传感器对或者包括用于MPS系统12、16中的至少一个的第二传感器。在传感器对中的两个传感器不位于装置24中的同一物理点的实施例中，第二传感器对或额外的传感器可以用于对装置进行适当的定向以计算基准对的方位。装置24可以是电生理(EP)标测导管、另一 EP导管、或者其它诊断或治疗装置。
[0026]单系统医疗装置26被配置为与MPS12兼容，并且如所示的，操作地耦合至MPS12。这样，装置26包括能够感测电特性的一个或多个电极，所述电特性在经MPS12处理时输出相对于坐标系14表示的P&0读数。在一个实施例中，装置26被配置为用于医疗程序、标测程序、或者在坐标系14、18初始配准之后的其它活动。在一个实施例中，初始配准(下面进行说明)对于一段特定的医 疗时间可以是有效的。装置26可以是多种医疗装置中的一种，例如包括多个电极的非接触式EP标测导管。装置26也可以是消融导管、其它EP导管、或者其它诊断或治疗装置。
[0027]显示器42被配置为产生一个或多个感兴趣图像，例如关于感兴趣区域的解剖图像。显示器42可以包括本领域中已知的常规设备。
[0028]输入/输出机构44被提供为允许用户(未示出)与系统10交互的接口，包括系统10的各种部件，例如ECU28。输入/输出44可以包括本领域中已知的常规设备。
[0029]图像数据库46被配置为存储关于患者身体的图像信息，包括例如运动的感兴趣区域。图像数据库46可以包括:(I)在过去各个独立的时间获取的一个或多个二维静止图像；(2)从图像获取装置实时获得的多个相关二维图像(例如来自X射线成像设备的荧光图像)，其中图像数据库用作缓冲器(“实况”荧光透视);和/或(3)限定了影像回放(CL)的相关二维图像序列，其中序列中的每个图像至少具有与其足够相关联的ECG时间参数，以允许根据所获取的从ECG监控器(图1中未示出)获得的实时ECG信号来重放所述序列。应当理解，二维图像可以通过现在已知的或以后研发的任意的成像形式来获取，所述成像形式例如为X射线、超声、计算机断层扫描、或核磁共振等。
[0030]E⑶28被配置为执行多个函数，下面对其进行更详细的说明。首先，E⑶28响应于至少来自MPS12和MPS16的位置数据(即，基准对)，以确定允许坐标系14与坐标系18配准的内插函数(“配准”)。第二，E⑶28被进一步配置为获取坐标系14中的坐标(由MPS12产生)，并且利用内插函数，输出坐标系18中对应的坐标(“内插”)。虽然E⑶28通常还可以被配置为执行本领域中已知的其它有用的函数(例如，处理位置数据，解析用户输入，产生显示数据，将医疗装置的表示精确地叠加在预先获取的图像或者从图像数据库46获得的图像序列上等)，但下面的说明将集中在上面所述的两种函数，即，配准和内插。为了执行这些函数，E⑶28被特别地配置为包括配准逻辑34和内插逻辑36，在一个实施例中，配准逻辑34和内插逻辑36中的每一个采用存储在存储器32中的编程逻辑(即，软件)的形式，并且被配置为由处理器30执行。E⑶28还包括各种数据结构，包括参考坐标数据结构38和系数数据结构40。
[0031]配准逻辑34被配置为创建内插函数，以将第一非标准正交的坐标系(例如，坐标系14)配准在第二标准正交的坐标系(例如，坐`标系18)中。为此，配准逻辑34可以被配置为接收一组基准对。每个基准对可以包括每个坐标系中的坐标，两个坐标表示三维(3D)空间内的同一物理点，或者3D空间内彼此呈预定的已知关系(例如，距离)的两个点。而这组基准对可以是坐标系14、18中数量为N的一组成对的相应坐标。N可以被选择为足够大(并且在感兴趣区域上足够多样)的任意数量的基准对，以映射坐标系的相关部分，例如患者R0I。坐标系14中的基准对坐标示出为UXpnYi, IiZi)，i=l,…，N，并且可以从MPS12接收。坐标系18中的基准对坐标示出为(gXpgYpgZihiZl, ".，Ν，并且可以从MPS16接收。如此处所使用的，前缀η是指基于电阻抗的系统和坐标，而前缀g是指基于磁场的系统和坐标。
[0032]基于接收到的基准对，配准逻辑34可以处理一组参考坐标和/或将其存储在数据结构38中。在一个实施例中，存储在结构38中的参考坐标是从MPS12接收到的数量为N的一组η坐标。配准逻辑34还可以被配置为利用内插算法来限定内插函数。在一个实施例中，所述算法是薄板样条算法，将结合图5对其进行更详细的说明。配准逻辑34被进一步配置为计算用于限定内插函数的系数40。配准逻辑34的输出可以限定坐标系14在坐标系18上的映射。所述输出可以为所创建的内插函数的形式，包括系数40和参考坐标38。可选地，所述输出可以为系数40和参考坐标38的形式，以便与预编的内插函数一起使用。
[0033]内插逻辑36被配置为跟随由配准逻辑34生成的映射，即，将内插函数应用于坐标系14中的新的η坐标(基于阻抗的)(示出为(ηΧ，nY, ηΖ))以生成对应的g坐标(示出为(gX，gY，gZ))。该数据流在图1中示出。在一个实施例中，可以预期，逻辑36将处理新的η坐标的实时流以生成对应的g坐标的实时流。通常，内插逻辑36被配置为(I)应用利用参考坐标38和系数40的预编的内插函数，或者(2)应用完全由配准逻辑34创建的内插函数。在一个实施例中，内插函数可以基于配准逻辑34所应用的同一薄板样条算法，可以意识到，诸如系数的未知数将在内插逻辑36使用算法时被限定。
[0034]在操作中，系统10可以用于在EP或其它医疗程序的初步配准阶段将坐标系14配准在坐标系18中。如上所述，配准步骤可以基于对多个测量到的基准对的评估，以及同一物理点表示在各坐标系14、18中的等同。MPS12和MPS16被配置为利用双系统装置24来采集基准对。这样，E⑶28可以被配置为使得从MPS12和MPS16中的每一个的位置数据的采集同步和/或控制所述位置数据的采集。之后，采集到的基准对被提供给应用内插算法的配准逻辑34。在下面进行更详细说明时，内插算法包括限定具有多个未知数的多个方程，然后对这些未知数求解。采集到的基准对提供了在对这些未知数求解时涉及的一些信息。方程中给出的各项包括对应的系数，并且为这些系数确定的值(即，在解这组方程时)被反映在数据结构40中。采集到的基准对还可以包括反映在数据结构38中的一组参考坐标。在一个实施例中，配准阶段完成。
[0035]在实时一即，在治疗期间或配准阶段之后的其它阶段一内插逻辑36可以连续地接收来自MPS12的坐标。所述坐标可以从单系统装置26、双系统装置24、或者与MPS12兼容的另一(基于电阻抗的)医疗装置导出。如上所述，内插逻辑36被配置为将内插函数(其利用参考坐标38和系数40)应用于接收到的坐标系14中的每个坐标并且输出坐标系18中对应的坐标。结果，系统10可以在坐标系18中实时地有效地操作MPS12。因此，系统10利用了 MPS12的能力以同时确定多个电极在多个装置上的位置，并且同时得益于坐标系18的标准正交性和患者独立性。例如，为了生成解剖特征的几何模型或表面标测图的目的在坐标系14中采集到的位置数据，将利用改善的与相同解剖特征的实际图像的对应性示出(即，没有失真)。在实时操作中，MPS16可以从系统10移除、停用或不使用，或者可以继续用于获取位置数据。
[0036]基于电阻抗的MPS。图2是示出了 MPS12的基于电阻抗的示例性实施例(表示为系统50 (即，可以用于系统10—图1))的图解示图。系统50可以包括本领域中已知的各种可视化、标测和导航部件，包括例如在市场上可以从圣犹达医疗公司得到的EnSite?电解剖标测系统，或者是通常通过参考如下专利可以看到的=Hauck等人的名称为“Method andApparatus for Catheter Navigation and Location and Mapping in the Heart，，的美国专利 N0.7，263，397,或 Hauck 的名称为 “Method of Scaling Navigation Signals toAccount for Impedance Drift in Tissue”的
【发明者】E·S·奥尔森, C·卡博纳拉, L·A·科拉克, D·R·斯塔克斯 申请人:圣犹达医疗用品电生理部门有限公司