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Dokumentenidentifikation DE69732523T2 16.02.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000901341
Titel KRÜMMUNGSEMPFINDLICHER KATHETER
Anmelder Biosense Webster, Inc., Diamond Bar, Calif., US
Erfinder BEN-HAIM, Shlomo, 34454 Haifa, IL
Vertreter BOEHMERT & BOEHMERT, 80336 München
DE-Aktenzeichen 69732523
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 31.12.1997
EP-Aktenzeichen 979503679
WO-Anmeldetag 31.12.1997
PCT-Aktenzeichen PCT/IL97/00449
WO-Veröffentlichungsnummer 0098029033
WO-Veröffentlichungsdatum 09.07.1998
EP-Offenlegungsdatum 17.03.1999
EP date of grant 16.02.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.02.2006
IPC-Hauptklasse A61B 5/05(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse A61B 1/005(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]
Fachgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf herz-diagnostische und herz-therapeutische Systeme und im besonderen auf invasive medizinische Sonden, die dazu verwendet werden können, die Herzinnenflächen zu kartieren.

Hintergrund der Erfindung

Herzkatheter, welche auf die Position ansprechen, sind im Fachgebiet bekannt. Solche Katheter werden generell perkutan eingeführt und durch mindestens ein Hauptblutgefäß in eine Kammer des Herzens geführt. Eine Positions-Meßfühlervorrichtung im Katheter, typischerweise nahe dem distalen Ende des Katheters, verursacht Signale, die dazu dienen, die Position der Vorrichtung (und damit des Katheters) relativ zu einem Bezugssystem, das entweder außen am Körper oder am Herzen selbst befestigt ist, zu bestimmen. Die Positions-Meßfühlervorrichtung kann aktiv oder passiv sein und kann so funktionieren, daß sie elektrische, magnetische oder Ultraschall-Energiefelder oder andere geeignete Energieformen, wie im Fachgebiet bekannt, erzeugt oder empfängt.

Das US-Patent Nr. 5.391.199 beschreibt einen Katheter mit einer Positions-Meßfühlervorrichtung, die eine in dem distalen Ende des Katheters enthaltene Mikro-Sensorspule umfaßt. Die Spule erzeugt elektrische Signale als Reaktion auf extern anliegende magnetische Felder, die von Feldgeneratorspulen, die außen am Patientenkörper angebracht sind, erzeugt werden. Die elektrischen Signale werden analysiert, um die dreidimensionalen Positionskoordinaten der Spule zu bestimmen.

Die PCT Patent-Veröffentlichungsnummer W096/05768, eingereicht am 24. Januar 1995, die auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, beschreibt einen auf die Position ansprechenden Katheter, der eine Vielzahl von Mikro-Sensorspulen, vorzugsweise nichtkonzentrische Mikro-Sensorspulen umfaßt, die im distalen Ende befestigt sind. Wie in dem 5.391.199 Patent werden elektrische Signale, die von diesen Spulen als Reaktion auf ein extern anliegendes magnetisches Feld erzeugt werden, analysiert, um in einer bevorzugten Ausführungsform die sechs-dimensionalen Positions- und Ausrichtungskoordinaten der Spulen zu bestimmen.

Mehrfach-Positions-Meßfühlervorrichtungen können in bekannter räumlich zueinander beabstandeter festehender Beziehung an dem oder in der Nähe des distalen Ende/s des Katheters positioniert werden, wie zum Beispiel in der PCT-Patentanmeldung Nr. PCT/IL97 /00009, die auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, beschrieben wird. Diese Anmeldung beschreibt einen Katheter mit einer im wesentlichen starren Konstruktion am distalen Ende, an dem ein oder mehrere Positionssensor/en befestigt ist/sind. Die Sensoren werden dazu verwendet, die Position und die Ausrichtung der Konstruktion zu bestimmen, vorzugsweise zur Verwendung beim Kartieren der elektrischen Funktionen im Herzen. Obgleich die Konstruktion selbst im wesentlichen starr ist, ist der Restteil des Katheters generell flexibel, und die Positions-Sensoren liefern keine Koordinaten-Informationen in Bezug auf jeden Punkt auf dem Katheter proximal zu der Konstruktion.

Die PCT-Veröffentlichung W094/04938 beschreibt eine magnetische Miniatur-Feldsensor-Spule und ein Verfahren zur Fernbestimmung der Position der Spule. Die Sensorspule kann dazu verwendet werden, die räumliche Konfiguration oder den Verlauf des flexiblen Endoskopes in dem Körper einer Person auf eine Art von zwei Möglichkeiten zu bestimmen: (1) Indem die Spule durch einen inneren Hohlraum des Endoskopes geführt wird, zum Beispiel durch das Biopsie-Rohr des Endoskopes, und von außen die Positionen der Spule verfolgt werden, während das Endoskop ortsfest gehalten wird oder (2) indem man eine Vielzahl von Spulen, vorzugsweise ungefähr ein Dutzend, über die Länge des Endoskopes verteilt und die Positionen aller Spulen bestimmt. Die Positionskoordinaten, die in Bezug auf jede Position der Spule (wenn eine einzige Spule verwendet wird) oder aller Spulen (wenn eine Vielzahl von Spulen verwendet wird) bestimmt werden, werden zusammengenommen, um durch Interpolation die räumliche Konfiguration des Endoskopes, zum Beispiel innerhalb des Darmes einer Person zu rekonstruieren und damit die entsprechende räumliche Konfiguration des Darmes zu beurteilen.

Die Genauigkeit dieses Endoskopes beim Bewerten der räumlichen Konfiguration des Darmes hängt von dem Vorhandensein einer relativ großen Anzahl von Positionsmessungen und/oder von Spulen ab. Das Hindurchführen der Spule (oder anderer Sensorelemente) durch einen Hohlraum im Endoskop ist zeitaufwendig und physisch nicht praktikabel bei der Verwendung in dünnen Sonden, wie zum Beispiel in Herzkathetern, die durch Blutgefäße geführt werden müssen. Die Verwendung einer großen Anzahl von Spulen vergrößert jedoch in nicht wünschenswerter Weise das Gewicht und die Kosten des Katheters und reduziert dessen Flexibilität.

Das US-Patent 5.042.486 beschreibt ein Verfahren zum Lokalisieren eines Katheters in dem Körper eines Patienten, generell in einem Blutgefäß, indem die Position eines elektromagnetischen oder akustischen Senders oder Empfängers in der Spitze des Katheters verfolgt wird. Die Positionsanzeigen werden mit einem vorher hergestellten Röntgenbild des Blutgefäßes registriert. Dieses Verfahren ist nur dann praktikabel, wenn der Katheter sich in einem Gefäß oder in einer anderen physiologischen Struktur bewegt, das bzw. die einen engen Kanal begrenzt, in dem die Bewegung des Katheters eingeschränkt ist.

Die PCT-Veröffentlichung WO92/03090 beschreibt ein Sondensystem, wie zum Beispiel ein Endoskop, das, entlang der Sonde in räumlich beabstandeten Positionen angebracht, Sensorspulen aufweist. Ein Antennenarray in der Nähe der Sonde wird durch elektrische Wechselstromsignale gesteuert, um entsprechende Spannungssignale in den Sensorspulen zu induzieren. Diese Signale werden analysiert, um die dreidimensionalen Koordinaten der Spule zu bestimmen. Die Orte der Punkte entlang der Sonde zwischen einem Paar von Sensorspulen können durch Interpolation zwischen den entsprechenden Koordinaten der Spulen bestimmt werden.

Das US-Patent Nr. 5.237.025 offenbart einen Apparat zum Ermitteln des Einführungszustandes eines Endoskopes unter Verwendung von elektromagnetischen Wellen. Im besonderen ermittelt dieser Apparat die Ausrichtung des Endoskopes.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen generell flexiblen Katheter zum Einführen in den Körper eines Patienten vorzusehen, wobei der Verlauf und/oder die Position des Katheters in dem Körper durch Verwendung einer minimalen Anzahl von an dem Katheter befestigten Sensoren bestimmt wird.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Katheter mit einem distalen Teil vorzusehen, der eine vorher bestimmte Form oder Krümmung in Abhängigkeit von der Beaufschlagung mit einer Kraft annimmt, und ein Verfahren zum Bestimmen des Verlaufes des distalen Teiles im Körper.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der gesamte Verlauf des distalen Teiles durch Messen der Positionskoordinaten von zwei Punkten auf dem Teil bestimmt, wobei die Koordinaten dazu dienen, die Form oder Krümmung des Teiles zu finden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der gesamte Verlauf des distalen Teiles durch Messen der Positionskoordinaten eines Punktes auf dem Teil und durch Messen der Krümmung des Teiles bestimmt.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, daß der Verlauf des Katheters in den Körperhöhlen, in denen der Katheter sich frei in drei Dimensionen und nicht nur in beschränkten Hohlräumen, wie im Stand der Technik, bewegen kann, bestimmt werden kann.

Deshalb sieht die vorliegende Erfindung einen Katheter gemäß Anspruch 1 vor.

In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfaßt ein flexibler Katheter mit einem distalen Ende zum Einführen in den Körper eines Patienten einen ersten und einen zweiten Sensor, die in entsprechenden bekannten Positionen entlang einem generell distalen Teil auf der Längsausdehnung des Katheters in bekannter Beziehung zueinander und zu dem distalen Ende befestigt sind. Das distale Teil des Katheters ist ausreichend biegsam, so daß es, wenn es mit einer Kraft beaufschlagt wird, eine vorher bestimmte gekrümmte Form annimmt. Wenigstens einer der Sensoren ist ein Positionssensor, der Signale erzeugt, welche auf dessen Positionskoordinaten reagieren. Die Ausgänge des ersten und des zweiten Sensors werden gemeinsam verarbeitet, um die Krümmung desjenigen Teiles des Katheters zu bestimmen, um die Positionen einer Vielzahl von Punkten entlang der Längsausdehnung des distalen Teiles in dem Körper eines Patienten zu finden.

Vorzugsweise umfaßt der wenigstens eine Positionssensor eine ein Magnetfeld ansprechende Spule, wie in dem oben erwähnten US-Patent Nr. 5.391.199 beschrieben wird oder, was noch vorteilhafter ist, eine Vielzahl solcher Spulen, wie in der oben erwähnten PCT Veröffentlichung W096/05768 beschrieben wird. Die Vielzahl von Spulen ermöglicht die Bestimmung von sechs-dimensionalen Positions- und Ausrichtungskoordinaten. Alternativ können alle geeigneten im Fachgebiet bekannten Positionssensoren verwendet werden, wie zum Beispiel elektrische, magnetische oder akustische Sensoren.

In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten sowohl der erste als auch der zweite Sensor Positionssensoren, vorzugsweise von der oben mit Bezug auf die PCT-Veröffentlichung beschriebenen Art, welche die Bestimmung der sechsdimensionalen Koordinaten zulassen. Die 10 Koordinaten des zweiten Sensors in Bezug auf die Koordinaten des ersten Sensors werden bestimmt und mit anderen, bekannten Informationen, die sich auf die Krümmung des Katheters beziehen, zusammengeführt. Wie noch unten beschrieben werden wird, werden diese Informationen dazu verwendet, die Positionen einer Vielzahl von Punkten auf der Längsausdehnung des Katheters in der Nähe des ersten und des zweiten Sensors zu finden.

In einigen dieser bevorzugten Ausführungsformen hat der Katheter eine Elastizität, die generell konstant ist über zumindest einen Teil seiner Länge, zum Beispiel auf Grund der inneren Verstärkung des Katheters mit einem elastischen langgestreckten Element, wie in dem Fachgebiet bekannt ist. In diesem Fall reichen in Abwesenheit einer signifikanten Deformierung des Katheters auf Grund von äußeren Kräften die bekannten Positions- und Ausrichtungskoordinaten der ersten und zweiten positionsabtastenden Elemente, die, wie oben, beschrieben bestimmt werden, aus, um die Krümmung des Katheters zwischen den Elementen herzustellen.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält der erste Sensor einen Positionssensor, wie oben beschrieben, während der zweite Sensor einen gekrümmten Sensor enthält, der Signale erzeugt, die auf einen Krümmungsradius des Katheters in dessen Umkreis ansprechen. Der gekrümmte Sensor enthält vorzugsweise einen oder mehrere piezo-elektrische Sensor/en, die im Fachgebiet bekannt sind, die elektrische Signale erzeugen, die proportional einer auf diese wirkenden Kraft oder einem Drehmoment sind, wenn der Katheter gebogen wird. Alternativ kann der gekrümmte Sensor einen oder mehrere Dehnungssensor/en, wie sie im Fachgebiet bekannt sind, enthalten. In einer weiteren Alternative kann der gekrümmte Sensor einen in dem Katheter befestigten faseroptischen Sensor enthalten, wobei der Krümmungsradius durch Messen des Verlustes und/oder der Rückstrahlung des Lichtes in einer optischen Faser, wie im Fachgebiet bekannt ist, bestimmt wird.

In einer weiteren Alternative kann der Katheter einen vom Benutzer gesteuerten Biegemechanismus, wie zum Beispiel einen Zugdraht oder einen anderen Mechanismus, wie im Fachgebiet bekannt ist, aufweisen oder Biegemechanismen anderer Art, wie in der Patentanmeldung Nr. PCT/IL97/00159 beschrieben wird, die auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. Der Biegemechanismus ist vorzugsweise kalibriert, so daß der Krümmungsradius des Katheters in dessen Umkreis bekannt ist und dazu benutzt wird, die Positionen der Vielzahl von Punkten entlang dem Katheter zu bestimmen.

In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält der Katheter physiologische Sensoren, wie zum Beispiel elektrophysiologische Sensorelektroden oder, zusätzlich oder alternativ, therapeutische Vorrichtungen, wie beispielsweise Ablationselektroden an einigen Punkten oder an allen Punkten der Vielzahl von Punkten auf der Längsausdehnung des Katheters. Solche Ausführungsformen sind beispielsweise besonders nützlich bei der Diagnose und der Behandlung von abnormen elektrischen Leitungspfaden im Herzen. Vorrichtungen und Verfahren zur Anwendung gemäß dieser bevorzugten Ausführungsformen werden weiterhin in der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/034.704 beschrieben, die auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen wurde.

Obgleich bevorzugte Ausführungsformen hier unter Bezugnahme auf bestimmte Typen von Positions- und Ausrichtungssensoren beschrieben werden, können die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in Kathetern realisiert werden, die andere Typen und Kombinationen solcher Sensoren, wie sie im Fachgebiet bekannt sind, enthalten. Es ist generell nicht notwendig, sechs-dimensionale Positions- und Ausrichtungskoordinaten der Sensoren zu bestimmen. Es reicht beispielsweise aus, wenn der erste Positionssensor fünfdimensionale Positions- und Ausrichtungsdaten (um die dreidimensionalen translatorischen Koordinaten und den/die zwei-dimensionale/n Rotationsazimut und Höhe zu bestimmen) und der zweite Positionssensor dreidimensionale Positionsinformationen liefern können. Unter diesen Bedingungen können die Positionen der Vielzahl von Punkten entlang auf dem Katheter, wie oben beschrieben, bestimmt werden.

Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier generell hinsichtlich einem oder zwei Positionssensor/en und/oder einem einzigen gekrümmten Sensor beschrieben werden, muß anerkannt werden, daß die erfinderischen Prinzipien, die sie darstellen, in ähnlicher Weise auf Katheter oder andere Sonden angewendet werden können, die eine Vielzahl von Positionssensoren und/oder eine Vielzahl von gekrümmten Sensoren aufweisen. Die Anzahl von solchen Sensoren wird jedoch vorzugsweise auf einem Minimum gehalten, das notwendig ist, um die erforderliche Genauigkeit der Bestimmung der Vielzahl von Punkten auf der Längsausdehnung des Katheters, generell auf dem Teil des Katheters, der angrenzend an dessen distalem Ende liegt, zu erreichen.

Weiterhin muß anerkannt werden, daß die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in ähnlicher Weise auf andere Typen von flexiblen medizinischen Sonden, wie zum Beispiel Endoskope, angewendet werden können, obgleich die hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auf Katheter und im besonderen auf intrakardiale Katheter Bezug nehmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung eines auf Krümmung ansprechenden Katheters wird aus der folgenden detaillierten Beschreibungen bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen vollkommen verständlich werden. Darin zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines auf Krümmung ansprechenden Kathetersystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

2A eine schematische Darstellung eines Teiles des in 1 gezeigten Katheters in einer ersten gekrümmten Konfiguration,

2B eine schematische Darstellung eines Teiles des in 1 gezeigten Katheters in einer zweiten gedrehten Konfiguration, die nicht im Umfang der vorliegenden Erfindung liegt,

3 eine schematische Darstellung, die einen auf Krümmung ansprechenden Katheter gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt, die nicht in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fällt,

4 eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung, die einen auf Krümmung ansprechenden Katheter gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt, die nicht im Umfang der vorliegenden Erfindung liegt.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Es wird auf 1 Bezug genommen, die einen auf Krümmung ansprechenden Katheter 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Katheter 20 umfaßt ein distales Ende 22, das vorzugsweise in das Herz eines Patienten eingeführt wird, und ein proximales Ende 24, das mit einem Steuerpult 26 verbunden ist.

Benachbart zu dem distalen Ende 22 enthält der Katheter 20 ein erstes Positionssensor-Element 28 und proximal zu diesem ein zweites Positionssensor-Element 30, das dazu dient, die Bestimmung des Krümmungswinkels des Katheters 20 zu ermöglichen, wie noch unten beschrieben werden wird. Jedes der Elemente 28 und 30 umfaßt vorzugsweise drei im wesentlichen rechtwinklige nicht-konzentrische Spulen, wie in der oben erwähnten PCT-Veröffentlichung W096/05768 beschrieben wird, die Signale erzeugen, die auf durch einen Feldgenerator 32 angelegte Magnetfelder ansprechen. Diese Signale werden über Leitungen 34 in eine Signalverarbeitungs- und Berechnungsschaltung 36 im Pult 26 eingespeist, die vorzugsweise auch Treiber- und Steuersignale an den Generator 32 liefert. Der Schaltkreis 36 analysiert die Signale, wie weiterhin in der PCT-Veröffentlichung beschrieben wird, um die sechs-dimensionalen translatorischen und Ausrichtungskoordinaten der Elemente 28 und 30 im Verhältnis zu einem Bezugssystem, das durch den Generator 32 aufgebaut wird, zu bestimmen.

Alternativ reicht es aus, daß eines der Elemente 28 und 30 drei solcher Spulen enthält und daß das andere Element eine einzige Spule enthält, wie in dem oben erwähnten US-Patent Nr. 5.391.199 beschrieben ist. Wie in dem Patent beschrieben wird, werden dreidimensionale translatorische Koordinaten des Einzelspulen-Elementes bestimmt.

In einer weiteren Alternative können die Sensoren 28 und 30 andere Typen und Kombinationen von Positionssensoren, wie sie im Fachgebiet bekannt sind, enthalten. Es reicht beispielsweise aus, daß das Element 28 so ausgebildet sein kann, daß es in der Lage ist, die dreidimensionalen translatorischen Koordinaten und zweidimensionalen Winkelhöhen- und Azimutkoordinaten in bezug darauf zu bestimmen, während die dreidimensionalen Koordinaten in bezug auf das Element 30 bestimmt werden. Wenn das Biegen des Katheters 20 auf eine Ebene beschränkt ist, wie in 2A dargestellt und unten beschrieben werden wird, dann reicht es aus, zweidimensionale Koordinaten des Elementes 30 zu bestimmen.

Der Katheter 20 enthält vorzugsweise ein elastisches längliches Element 38, zum Beispiel ein Schraubenfeder-Element, das in dem Katheter entlang dessen Längsachse befestigt ist. Es besteht vorzugsweise ein ausreichender Abstand zwischen den Metallteilen des Elementes 38 und den Sensoren 28 und 30, so daß die Metallteile die Magnetfelder bei den Sensoren nicht signifikant verzerren. Solche Verzerrungen könnten beispielsweise durch in den Metallteilen induzierte Wirbelströme oder durch Biegen der Magnetfeldlinien durch ferromagnetisches Material verursacht werden. Durch das Element 38 erhält der Katheter 20 eine generell konstante Elastizität über wenigstens einen Teil 40 seiner Länge, das sich vorzugsweise wenigstens vom Element 30 aus erstreckt oder von einem anderen, zu diesem proximalen Punkt bis zum distalen Ende 22 oder zumindest bis zum Element 28. Das Teil 40 des Katheters 20 ist vorzugsweise kurz genug, generell kürzer als ungefähr 9 cm, so daß es gänzlich in die Herzkammer eingeführt werden kann mit nicht mehr als einer einzigen Biegung in dem Teil. Daraus folgt, wenn das Teil 40 gebogen ist, wodurch das Element 30 translatorisch verschoben und ausrichtungsmäßig um einen bekannten Winkel relativ zu dem Element 28 gedreht ist, daß das Teil 40 eine bogen- oder schraubenförmige Gestalt annimmt, die einen bekannten Krümmungsradius aufweist, der durch den bekannten Winkel bestimmt wird.

2A zeigt beispielsweise einen Fall, in dem ein Teil 40 des Katheters 20 in einer Ebene gekrümmt ist, die wir als die Blattebene gegeben ansehen, ohne Verzicht auf Verallgemeinerung. Die Länge des Teiles 40 sei L, wie gezeigt wird. Entsprechende erste und zweite Ortskoordinaten-Achsen 50 (x0, y0, z0) und 52 (x1, y1, z1) werden an den Positionen der ersten und zweiten Elemente 28 und 30 definiert, wobei die Orts-z-Achse in jedem Fall zu der Längsachse des Katheters 20 ausgerichtet sei, generell parallel zu dem Element 38.

Die sechsdimensionalen Positions-Koordinaten des ersten Elementes 28 werden bestimmt und dazu verwendet, die translatorische Position des Elementes und die ersten Orts-Koordinaten-Achsen 50 zu definieren. Die Ausrichtungs-Koordinaten des zweiten Elementes 30 definieren zweite Orts-Achsen 52, die, wie gezeigt wird, gemeinsam mit den Achsen 50 einen Biegungswinkel &THgr; bestimmen. Auf diese Weise wird ein Krümmungsbogen definiert, der einen Krümmungsradius aufweist, der sich aus R = L/&THgr; ergibt, und einen Krümmungsmittelpunkt 54 an einer Position y = R, die in Bezug auf die Koordinaten-Achsen 50 oder 52 definiert ist. Die Elastizität des Elementes 38 stellt sicher, daß das Teil 40 generell diesem Krümmungsbogen folgt, so daß die Position an jedem Punkt innerhalb des Teiles 40 des Katheters 20 problemlos bestimmt werden kann.

2B zeigt schematisch einen allgemeineren Fall, in dem der Katheter 20 Freiheitsgrade zum Verdrehen in drei Dimensionen aufweist. In dem hier gezeigten Fall ist das Teil 40 des Katheters 20 um seine Längsachse um ungefähr 180° verdreht, so daß die Achsen x1 und y1 der zweiten Orts-Achsen 52 generell gegenüberliegend zu den entsprechenden Richtungen der Achsen x1 und y1 der Orts-Achsen 50 ausgerichtet sind. Die Elastizität des Elementes 38 bewirkt, daß das Teil 40 generell eine Schraubenform mit Rechtsdrall innerhalb der Begrenzungen eines Zylinders 54 mit einem Durchmesser Rc und einer Länge L annimmt, wie in der Figur gezeigt wird. Die Länge L definiert sich durch translatorische Verschiebung des Elementes 30 relativ zu dem Element 28, jedoch erfordert die Berechnung von Rc generell die Lösung einer Integralgleichung. Die Lösungen zu dieser Gleichung werden vorzugsweise in der Form einer Nachschlag-Tabelle gespeichert, vorzugsweise in der Signalverarbeitungs-Schaltung 36, wie in dem Fachgebiet bekannt ist. Rc und L bestimmen dann die Steigung der Schraubenform, so daß die Position jedes Punktes in dem Teil 40 des Katheters 20 wiederum problemlos bestimmt werden kann.

Das Teil 40 des Katheters 20 darf vorzugsweise nicht mehr als 180° entweder in Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn verdreht werden, so daß die relativen Rotations-Koordinaten der Elemente 28 und 30 eindeutig sind. Wenn es notwendig ist, kann die Verdrehung des Teiles 40 jedoch kontinuierlich überwacht werden, indem man die von den Elementen empfangenen Signale analysiert, wenn der Katheter 20 in einen Körper eingeführt und in diesem manipuliert wird, so daß Rotationen größer als 180° festgestellt werden. Diese größeren Verdrehungswinkel werden dann benutzt, um Rc in angemessener Weise zu bestimmen, wie oben beschrieben wird.

In den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen wird angenommen, daß das Teil 40 des Katheters 20 sich frei in einer Körperhöhle bewegen kann und daß die Form und die Konfiguration des Teiles 40 im wesentlichen über dessen eigene Elastizität sich bestimmen. Das Teil 40 wird durch eine Kombination von axialen Druckkräften, die vom Benutzer, wie zum Beispiel einem Arzt, generell vom proximalen Ende 24 des Katheters aus 20 ausgeübt werden, und durch Beaufschlagung des distalen Endes 22 mit einer seitlichen Auslenkkraft durch das Körpergewebe, mit dem das distale Ende 22 in Kontakt kommt, zum Verbiegen gebracht.

3 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform, in der sich der Katheter 20 kontrolliert biegt, nicht notwendiger Weise bogen- oder schraubenförmig, durch einen Steuermechanismus 56. Der Mechanismus 56 umfaßt vorzugsweise ein elektronisch oder mechanisch gesteuertes Auslenk-Element, das, gesteuert von der Steuerkonsole 26, betrieben wird, wie in der oben erwähnten PCT-Patentanmeldung Nr. PCT/IL97/00159 beschrieben wird. Alternativ kann der Mechanismus 56 jede geeignete Katheter-Steuer- oder Auslenkvorrichtung enthalten, wie im Fachgebiet bekannt ist. Der Katheter 20 ist ausreichend starr, ausgenommen in der direkten Umgebung des Mechanismus 56, so daß er sich nur in der direkten Umgebung des Mechanismus biegt. Die Positions-Koordinaten der Elemente 28 und 30 werden dazu verwendet, den Auslenkungswinkel &THgr; zu messen, wobei der Ort jedes Punktes entlang dem Teil 40 des Katheters 20 bestimmt werden kann. Der gemessene Auslenkungswinkel wird vorzugsweise weiterhin dazu verwendet, eine Rückkopplung für einen geschlossenen Regelkreismechanismus 56 zu schaffen.

4 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform, die den oben beschriebenen Ausführungsformen ähnlich ist, mit der Ausnahme, daß anstelle des zweiten Positions-Sensor-Elementes 30 der Katheter 20, wie er hier gezeigt wird, einen gekrümmten Sensor 80 enthält, der auf den Biegewinkel des Katheters anspricht. Der gekrümmte Sensor 80 umfaßt vorzugsweise wenigstens ein piezo-elektrisches Element, oder noch vorteilhafter, drei solche Elemente 82, 84 und 86, wie in der Figur gezeigt wird. Die piezo-elektrischen Elemente sind mechanisch an das elastische Element 38 gekoppelt, so daß, wenn das Element 38 gebogen wird, wie oben beschrieben, wird die Biegekraft auf die Elemente übertragen und wirkt auf diese. Wie im Fachgebiet bekannt ist, erzeugen die piezo-elektrischen Kristalle Spannungssignale, die generell proportional dieser Biegekraft sind, wobei diese Signale durch Leitungen 34 zu der Signalverarbeitungs-Schaltung 36 in dem Pult 26 übertragen werden.

Jedes Element 82, 84 und 86 enthält einen piezo-elektrisches Kristall mit einer Kristall-Achse, die rechtwinklig zu den Achsen der anderen beiden Elemente ausgerichtet sind, so daß jeder Kristall Signale als Reaktion auf das Biegen des Katheters 20 um verschiedene Achsen erzeugt. Auf diese Weise, wie in 4 gezeigt wird, erzeugt das Element 82 Signale als Reaktion auf das Verdrehen des Katheters 20 um dessen Längsachse, und die Elemente 84 und 86 erzeugen Signale als Reaktion auf ein Links-rechts-Verbiegen bzw. auf ein Verbiegen nach oben und nach unten.

Infolge der generell konstanten Elastizität des Elementes 38 können die Signale, die durch die Elemente 82, 84 und 86 erzeugt werden, dazu verwendet werden, die Biege- und Verdrehungs-Winkel des Teiles 40 des Katheters 20 abzuleiten. Diese Winkel werden gemeinsam mit den translatorischen und Ausrichtungs-Koordinaten, die in bezug auf das Positions-Sensor-Element 28 bestimmt werden, genommen, um die Positionen einer Vielzahl von relevanten Punkten entlang dem Katheter 20 zu bestimmen.

Andere Typen von gekrümmten Sensoren können an Stelle des Sensors 80, der in 4 gezeigt wird, verwendet werden. Zum Beispiel können die piezo-elektrischen Elemente 82, 84 und 86 durch Dehnungsmeßgeräte ersetzt werden. Solche Dehnungsmeßgeräte haben einen elektrischen Widerstand, der sich als Funktion der mechanischen Dehnung, die daran anliegt, verändert, wie im Fachgebiet bekannt ist. Alternativ können faseroptische Sensoren, wie sie im Fachgebiet bekannt sind, verwendet werden, um den Biegewinkel des Katheters 20 durch Messen des Verlustes und der Rückstrahlung des Lichtes zu bestimmen, das durch eine optische Faser, die in dem Katheter eingeschlossen ist, übertragen wird.

Weiterhin können zusätzliche gekrümmte Sensoren anderer Art an verschiedenen Orten entlang der Längsausdehnung des Katheters 20 positioniert werden, so daß Mehrfach-Krümmungen oder Krümmungen mit nicht konstantem Krümmungsradius nachgewiesen werden können.

Ganz allgemein muß anerkannt werden, daß, während die Ausführungsformen mit Hinsicht auf ein oder zwei Positions-Sensor-Elemente 28 und 30 und einen einzigen gebogenen Sensor 80 beschrieben worden ist, in einigen Anwendungen der Katheter 20 vorzugsweise eine größere Anzahl von Positions-Sensoren und/oder gebogenen Sensoren enthalten kann. Solche zusätzlichen Sensoren können besonders nützlich sein, wenn ein Teil der Länge des Katheters in einer gewundenen Passage verfolgt werden muß oder, wenn der Katheter sich gegen eine gewundene Oberfläche abstützen muß und es beabsichtigt ist, daß er sich einer gewundenen Oberfläche in einer Körperhöhle anpaßt. Jedoch wird die Anzahl solcher Sensoren in vorteilhafter Weise auf dem benötigten Minimum gehalten, um die gewünschte Genauigkeit der Bestimmung der Vielzahl von Punkten entlang der Längsausdehnung des Katheters zu erreichen.

Obgleich aus Gründen der Einfachheit der Darstellung der Katheter 20 oben lediglich mit den Sensoren und anderen Elementen, die zum Funktionieren der vorliegenden Erfindung notwendig sind, dargestellt und beschrieben wurde, enthält der Katheter in bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise andere sensorische und/oder therapeutische Vorrichtungen, wie sie in dem Fachgebiet bekannt sind. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können dann beispielsweise zum Kartieren physiologischer Aktivitäten oder für lokale therapeutische Behandlungen in einer Körperhöhle, wie zum Beispiel in der Herzkammer, mit größerer Leichtigkeit und Genauigkeit als die Verfahren und Vorrichtungen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, angewendet werden.

Es ist einzusehen, daß die Prinzipien der vorliegenden Erfindung ebenfalls auf andere flexible medizinische Sonden, wie zum Beispiel Endoskope, angewendet werden können. Es ist weiterhin einzusehen, daß die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beispielhafter Weise erwähnt wurden und der Schutzumfang der Erfindung lediglich durch die Ansprüche beschränkt ist.


Anspruch[de]
  1. Katheter (20) in Kombination mit einer Signalverarbeitungsschaltung (36) umfassend:

    ein langgestrecktes Element;

    einen proximalen Positionssensor (28) an einem distalen Ende des Elementes;

    einen distalen Positionssensor (30) am distalen Ende in einem bekannten Abstand vom proximalen Positionssensor (28), wobei der proximale Positionssensor (28) und der distale Positionssensor (30) Signale erzeugen, um die Bestimmung von Positionskoordinaten des proximalen Positionssensors (28) bzw. des distalen Positionssensors (30) durch die Signalverarbeitungsschaltung (36) zu ermöglichen und

    ein Biegestück zwischen dem proximalen Positionssensor (28) und dem distalen Positionssensor (30),

    dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsschaltung (36) die Positionskoordinaten des proximalen Positionssensors (28) und des distalen Positionssensors (30) benutzt, um einen Krümmungsradius des Biegestückes zu bestimmen, wobei der Krümmungsradius einen Bogen definiert und das Biegestück nach dem Biegen diesem Bogen entspricht, so daß die Position irgendeines Punktes auf dem Biegestück bestimmt werden kann.
  2. Katheter nach Anspruch 1, bei welchem vom proximalen Positionssensor (28) und vom distalen Positionssensor (30) mindestens einer ein Magnetfeldsensor ist.
  3. Katheter nach Anspruch 1, bei welchem vom proximalen Positionssensor (28) und vom distalen Positionssensor (30) mindestens einer ein akustischer Sensor ist.
  4. Katheter nach Anspruch 1, bei welchem vom proximalen Positionssensor (28) und vom distalen Positionssensor (30) mindestens einer ein elektrischer Sensor ist.
  5. Katheter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welcher ferner einen physiologischen Sensor umfaßt.
  6. Katheter nach Anspruch 5, welcher ferner eine therapeutische Vorrichtung umfaßt.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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