DE19622078A1 - Vorrichtung zum Lokalisieren von Aktionsströmen im Herzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lokalisieren von Aktionsströmen im Herzen eines Lebewesens mit Elektroden zum Erfassen einer von den Aktionsströmen erzeugten elektrischen Potentialverteilung auf der Körperoberfläche des Lebewesens, einer Positionserfassungseinheit zum Bestimmen der räumlichen Position der Elektroden und einer mit den Elektroden und der Positionserfassungseinheit verbundenen Lokalisierungseinheit, die aus der Potentialverteilung und der räumlichen Position der Elektroden die Aktionsströme lokalisiert.

Herzrhythmusstörungen stellen eine bedeutende Gruppe von Er­ krankungen in der Kardiologie dar. Eine klinisch eingeführte Therapie von Herzrhythmusstörungen umfaßt die Ablation des arrhythmogenen Gewebes im Herzen. Dazu wird ein Ablations­ katheter über eine Vene oder eine Arterie in den Vorhof oder die Herzkammer des Herzens eingeführt. Im Herzen wird die Stelle gesucht, die Ausgangspunkt der Arrhythmie ist. An die­ ser Stelle wird dann mit Hochfrequenz oder Gleichstrom eine Koagulation des arrhythmogenen Gewebes bewirkt, das arrhyth­ mogene Gewebe wird nekrotisiert. Dieses Verfahren ist in über 90% der Fälle erfolgreich.

Eine Schwierigkeit bei der Ablation stellt das Auffinden der arrhythmogenen Gewebestelle dar. Zur Zeit üblich ist ein en­ dokardiales Mapping, wobei die Herzinnenwand mit an einer Ka­ theterspitze angeordneten Elektroden abgetastet wird und die so gewonnenen Elektrogramme aufgezeichnet werden. Die Posi­ tion des Katheters im Herzen wird dabei mittels Röntgendurch­ leuchtung kontrolliert. Nachteilig ist jedoch die Strahlenex­ position und die nur grobe Erfassung der Position des Kathe­ ters in der Röntgenaufnahme.

Eine genauere Positionierung des Katheters ist durch Verwen­ dung eines intrakardialen Positionsbestimmungssystems gege­ ben, wie es in der US-PS 5,391,199 beschrieben ist. Damit kann die Katheterposition mit einem Fehler von unter 1 mm er­ faßt werden. Das dort beschriebene intrakardiale Positionsbe­ stimmungssystem besteht aus einem außerhalb des Körpers ange­ ordneten Sender mit Sendeantennen und in der Spitze des Ka­ theters angeordneten Empfangsantennen, die mit einem Empfän­ ger zur Auswertung des Empfangssignals verbunden sind. Wei­ terhin benutzt das intrakardiale Positionsbestimmungssystem lokalisierbare Referenzkatheter, die an anatomisch herausra­ genden Stellen befestigt sind und an deren Katheterspitzen ebenfalls Empfangsantennen angeordnet sind. Aus den von den Antennen gemessenen Empfangssignalen wird die Position des Katheters in bezug zu den Referenzkathetern bestimmt. Mit Hilfe des intrakardialen Positionsbestimmungssystems ist auch eine Repositionierung des Katheters an bereits vorher ausge­ suchte Stellen einfacher und genauer möglich als unter Rönt­ genkontrolle.

Positive Ergebnisse zur Verkürzung des endokardialen Mappings hat eine Vor- oder Groblokalisation der arrhythmogenen Gewe­ bestelle im Herzen durch Body Surface Potential Mapping (BSPM) gezeigt, ein Vielkanal-Elektrokardiographle-(EKG)- Meßverfahren mit bis zu 256 Elektroden. Dieses Verfahren ist z. B. beschrieben in Artikeln von Arne SippensGroenewegen, Hans Spekhorst, Norbert M. van Hemel, J. Herre Kingma, Richard N.W. Hauer, Michiel J. Janse und Arend J. Dunning: "Body Surface Mapping of Ectopic Left and Right Ventricular Activation", erschienen in Circulation, Vol. 82, No. 3, Sep­ tember 1990, pp. 879-896 und von Conrado Giorgi, R´ginald Nadeau, Pierre Savard, Mohammad Shenasa, Pierre L. Pag´ und Ren´ Cardinal: "Body surface isopotential mapping of the en­ tire QRST complex in the Wolff-Parkinson-White syndrome. Cor­ relation with the location of the accessory pathway", er­ schienen in American Heart Journal, Vol. 121, No. 5, May 1991, pp. 1445-1453. Die Ergebnisse der Vor- oder Groblokali­ sierung werden in schematische Herzbilder (SippensGroenewegen 1990) oder auch, wie in dem Artikel von H. Bruder, B. Scholz und K. Abraham-Fuchs: "The influence of inhomogeneous volume conductor models on the ECG and the MCG", erschienen in Phys. Med. Bio., Vol. 39, 1994, pp. 1949-1968, beschrieben ist, in Magnetresonanzbilder eingetragen. Der Eintrag der lokalisier­ ten arrhythmogene Gewebestelle in Magnetresonanzbilder setzt die Anwendung eines Lokalisierungsverfahrens voraus, wie es z. B. in dem Artikel von B. Scholz und A. Oppelt: "Probability Based Dipole Localisation and Individual Localisation Error Calculation in Biomagnetism", erschienen in Proc. 14th Ann. Int. Conf. IEEE, Eng. Med. Biol. Soc. Paris, 1992, pp. 1766-1767, beschrieben ist. Dabei wird zunächst die Position der Elektroden mit einem extrakorporalen Positionsbestimmungs­ sytem erfaßt. Die Thoraxgeometrie wird durch Modellierung z. B. mittels eines Boundary Element-Verfahrens nachgebildet. Aus der Position der Elektroden, den aufgenommenen Meßsigna­ len und der modellierten Thoraxgeometrie wird die Position des arrhythmogenen Substrats mit Hilfe eines Quellmodells und eines iterativen Verfahrens (z. B. Levenberg-Marquardt- Algorithmus) oder eines Rasterverfahrens bestimmt. Notwendig ist weiterhin eine Transformation zwischen dem durch das ex­ trakorporale Positionsbestimmungssystem gegebenen Koordina­ tensystem und dem Koordinatensystem, in dem das Magnetreso­ nanzbild vorliegt. Nach der Transformation wird dann das Lo­ kalisierungsergebnis in das Magnetresonanzbild eingetragen. Nachteilig an diesem Verfahren ist der durch Ungenauigkeit in der Transformation liegende Fehler in der Größenordnung von 6 bis 8 mm. Des weiteren ist das Magnetresonanzbild nicht das­ jenige Bild, das später zur Darstellung des Herzkatheters verwendet wird.

Eine Erweiterung des vorstehend angeführten Verfahrens ist unter der Bezeichnung Pacemapping bekannt, bei dem versucht wird, eine unter der Arrhythmie gemessene Potentialverteilung mit Hilfe eines durch künstliche Stimulation ausgelösten Herzschlags möglichst genau nachzubilden. Die Stelle der Sti­ mulation, bei der das gelingt, ist in guter Näherung die Aus­ gangsstelle der Herzarrhythmie und damit die zu ablatierende Stelle.

In dem Artikel von Leslie A. Saxon, William G. Stevenson, Gregg C. Fonarow, Holly R. Middlekauff, Lawrence A. Yeatman, C. Todd Sherman und John S. Child: "Transesophageal Echocar­ diography During Radiofrequency Catheter Ablation of Ventri­ cular Tachycardia", erschienen in The American Journal of Cardiology, Vol. 72, September 15, 1993, pp. 658-661, ist als Alternativverfahren zur Röntgenbildgebung im Katheterlabor der versuchsweise Einsatz von transösophagealen Ultraschall­ bildern beschrieben. Dabei wird eine Ultraschallsonde im Öso­ phagus in unmittelbarer Nähe des Herzens positioniert, um Ul­ traschall-Schnittbilder des Herzens zu erstellen. Diese Me­ thode bietet den Vorteil, daß im Ultraschall-Schnittbild die Katheterposition genauer als im Röntgenbild festgestellt wer­ den kann, da dabei Schnittbilder des Herzens zur Verfügung stehen und nicht nur Projektionsbilder.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Bildgebung im Katheterlabor stellt die Verwendung von intrakardialer Echo­ kardiographie dar.,. bei der ein Ultraschall-Bildgebungskopf direkt auf dem Ablationskatheter angebracht ist, wie in Arti­ keln von Jean-Claude Tardiff, Mani A. Vannan, Donald S. Miller, Steven L. Schwartz und Natesa G. Pandian: "Potential applications of intracardiac echocardiography in interventio­ nal electrophysiology", erschienen in American Heart Journal, Vol. 127, No. 4, Part 2, April 1994, pp. 1090-1094, und von Edward Chu, Adam P. Fitzpatrick, Michael C. Chin Krishnankutty Sudhir, Paul G. Yock, Michael D. Lesh: "Radio­ frequency Catheter Ablation Guided by Intracardiac Echocar­ diography", erschienen in Circulation, Vol. 89, No. 3, March 1994, pp. 1301-1305, beschrieben ist. Vorteile dieses Verfah­ rens sind unter anderem die Möglichkeiten, mit dem Ablations­ katheter bereits gesetzte Nekrosen erkennen zu können oder eine Detaildarstellung von kardialen anatomischen Strukturen, z. B. dem atrialen Septum.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung anzugeben, mit der arrhythmogene, zu ablatierende Gewe­ bestellen im Herzen nicht-invasiv und mit verringerter Strah­ lenexposition beschleunigt aufgefunden werden können.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein im Herzen fixierba­ rer Referenzkatheter so ausgebildet ist, daß seine räumliche Position von der Positionserfassungseinheit bestimmbar ist, und daß die Lokalisierungseinheit die Aktionsströme in bezug zum Referenzkatheter lokalisiert.

Durch die Lokalisierung der Aktionsströme in bezug zu einem anatomisch markanten und bekannten Punkt im Herzen ist eine wesentlich genauere Zuordnung des Lokalisierungsergebnisses zur Anatomie des Herzens möglich. Der Ablationskatheter kann mit großer Genauigkeit an den von der Lokalisierungseinheit ermittelten Ort gebracht werden, weil die Positionen der Elektroden in demselben Koordinatensystem vorliegen, in dem anschließend die Position des Ablationskatheters mittels in­ trakardialem Positionsmeßsystem festgestellt werden kann und die Berechnung einer Transformation vom Koordinatensystem der Elektroden in das Koordinatensystem des bildgebenden Verfah­ rens entfällt. Beispielsweise kann der Ursprung des Koordina­ tensystems an den Ort des Referenzkatheters gelegt werden. Die Richtung einer Koordinatenachse, z. B. der x-Koordinaten­ achse eines rechtwinkligen Koordinatensystems, kann durch die Richtung der Längsachse des Referenzkatheters definiert wer­ den.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich da­ durch aus, daß ein diagnostisches Ultraschall-Tomographie­ gerät mit einem transösophagealen oder intrakardialen Ultra­ schall-Applikator mit der Lokalisierungseinheit verbunden ist zum ortsrichtigen Markieren der lokalisierten Aktionsströme in einem Tomogramm, wobei am Ultraschall-Applikator ein zur Positionserfassungseinheit gehörender, lokalisierbarer Sen­ der- oder Empfängerteil angeordnet ist. Damit ist auch die Lage des Ultraschall-Applikators in demselben Koordinatensy­ stem bekannt, in dem die Lokalisierung durchgeführt wird. Un­ genauigkeiten durch Koordinatentransformationen werden ver­ mieden, das Lokalisierungsergebnis kann mit großer Genauig­ keit in das entsprechende Tomogramm eingetragen werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß an einem Stimulationskatheter ein zur Posi­ tionserfassungseinheit gehörender lokalisierbarer Sender- oder Empfängerteil angeordnet ist. Aus dem Artikel von B. Scholz und A. Oppelt (1992) ist bekannt, in Abhängigkeit vom Signal-Rausch-Verhältnis der gemessenen EKG-Daten die Genau­ igkeit der Lokalisierung durch Fehlerradien anzugeben, in de­ nen sich mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit tatsäch­ lich der Ort der lokalisierten Herzaktivität befindet. Mit Hilfe der Positionserfassungseinheit kann dann ein Stimulati­ onskatheter an den Ort der Lokalisierung im Herzen geführt werden, um dort ein Pacing durchzuführen. Das aus dem Pacing erhaltene EKG-Signal wird dem gleichen Lokalisierungsverfah­ ren unterworfen wie das aus der spontanen Herzaktivität er­ haltene EKG-Signal. Der Abstand der lokalisierten stimulier­ ten Herzaktivität und der aus dem Positionserfassungsgerät ermittelten Position des Pacing-Katheters wird errechnet. Ist dieser Abstand größer als der durch das Signal-Rausch- Verhältnis des EKG-Signals ermittelte Fehlerradius für die Genauigkeit der Lokalisierung, so ist die der Lokalisierung zugrundeliegende Modellbildung mit hoher Wahrscheinlichkeit unzureichend und muß iterativ so lange verbessert werden, bis der errechnete Abstand kleiner als der Fehlerradius ist. Auf diese Weise läßt sich abschätzen, ob die für das Lokalisie­ rungsverfahren notwendige Modellbildung mit hinreichender Ge­ nauigkeit erfolgt ist.

Des weiteren kann, wenn der Ort des Stimulationskatheters mit dem intrakardialen Positionserfassungssystem erfaßt wird, durch Stimulation an mehreren Stellen die Verschiebung von charakteristischen Punkten in der gemessenen Potentialvertei­ lung an der Körperoberfläche, z. B. das Potentialminimum, in Beziehung gesetzt werden zur Verschiebung des Katheters. Aus diesem Zusammenhang läßt sich eine notwendige Richtungsver­ schiebung für den Ablationskatheter zur Erreichung der Ziel­ position quantifizieren. Die notwendige Verschiebung des Ka­ theters ergibt sich z. B. aus der Differenz der Potentialmini­ ma in der unter Arrhythmie und der unter Stimulation gemesse­ nen Potentialverteilungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Figuren er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Lokalisierung von Aktionsströmen mit einem lokalisierbaren Referenz­ katheter und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines transösophagealen Ultraschall-Applikators.

Fig. 1 zeigt schematisch einen menschlichen Oberkörper 2. Ein schraffierter Bereich markiert die Lage des Herzens 3. Auf der Vorder- und Rückseite des Oberkörpers 2 sind Elektroden 4 aufgeklebt zur Ableitung von Potentialen auf der Oberfläche, die von Herzaktivitäten oder Aktionsströmen erzeugt werden, um ein Elektrokardiographie-Mapping (EKG-Mapping) durchzufüh­ ren. Dabei können über 200 Elektroden 4 verwendet werden. Je­ de Elektrode 4 ist über eine Zuleitung 6 mit einer Datenauf­ nahmeeinheit 8 verbunden. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind nur einige wenige Zuleitungen 6 in Fig. 1 dargestellt. Die Da­ tenaufnahmeeinheit 8 umfaßt einen Analogteil mit Verstärkern sowie Analog-Digital-Wandler zur Digitalisierung der Meßsi­ gnale. Die digitalisierten Meßsignale werden dann über eine Leitung 10 einem als Lokalisierungseinheit ausgebildeten Workstationcomputer 12 übermittelt.

Zur Lokalisierung der Aktionsströme aus den gemessenen Poten­ tialwerten wird auch die räumliche Position der Elektroden 4 benötigt. Dazu ist ein freibeweglicher Taststift 14 vorgese­ hen, der in Wirkverbindung mit einer Zentraleinheit 16 steht und mit dieser zusammen eine Positionserfassungseinheit bil­ det. Bei der Positionserfassungseinheit handelt es sich um eine bekannte Vorrichtung, z. B. von der Firma Polhemus Inc., USA, die magnetische Felder benutzt, um eine Position und ei­ ne Orientierung eines Ortes im Raum zu erfassen. Drei ortho­ gonal im Taststift 14 angeordnete Spulen (hier nicht darge­ stellt) empfangen ein von einem Sender abgestrahltes Magnet­ feld. Der Sender ist in der Zentraleinheit 16 angeordnet. Aus den am Aufnahmeort herrschenden magnetischen Feldvektoren wird die Position und Orientierung des beweglichen Taststifts 14 im Raum relativ zur feststehenden Zentraleinheit 16 ermit­ telt und über eine Leitung 20 an den Workstationcomputer 12 gegeben.

Zur Positionserfassungseinheit gehört noch ein intrakardialer Empfängerteil, der an einem im Herzen fixierbaren Referenzka­ theter 22 angeordnet ist. Der Referenzkatheter 22 wird an ei­ ner anatomisch ausgezeichneten Stelle im Herzen 3 fixiert und definiert die Lage und die Richtung eines Koordinatensystems. In diesem Koordinatensystem erfolgt dann die Lokalisierung der Aktionsströme, wie z. B. in der eingangs zitierten Litera­ turstelle Scholz et al., 1992, ausgeführt ist. Das Lokalisie­ rungsergebnis kann in anatomische Bilder des Herzens einge­ tragen werden, wie weiter unten noch beschrieben wird.

Ein mit Hilfe der Positionserfassungseinheit ebenfalls loka­ lisierbarer Operations- oder Pacingkatheter kann dann an die Stelle der lokalisierten Herzaktivität positioniert werden. Nun muß ein intrakardiales Mapping nur noch in der Umgebung der durch das Lokalisierungsergebnis vorgegebenen Position durchgeführt werden muß, was zu einer Einsparung an Opera­ tionszeit und Durchleuchtungszeit beim intrakardialen Mapping führt.

Fig. 2 zeigt nun im Ausschnitt eine schematische Darstellung eines transösophagealen Ultraschall-Applikators 24, der im Ösophagus 26 in unmittelbarer Nähe des Herzens 3 positioniert ist. Innerhalb des Ultraschall-Applikators 24 ist verschieb­ bar ein Ultraschallkopf 28 angeordnet, an dem zusätzlich ein Empfänger der Positionserfassungseinheit montiert ist. Damit kann der Ort des Ultraschallkopfes 28 in demselben Koordina­ tensystem bestimmt werden, wie die Elektroden 4, Referenzka­ theter 22 und gegebenenfalls Pacing- und Ablationskatheter. Der Referenzkatheter 22 ist hier über den arteriellen Abgang 29 in das Herz 3 geführt und darin fixiert. Der Ultraschall­ kopf 28 ist als Sektorscanner ausgeführt und kann in Schnitt­ ebenen 30, z. B. im Abstand d von 0,5 mm, Schnittbilder des Herzens erstellen. Beispielhaft sind in Fig. 2 drei Schnitt­ ebenen 30 eingezeichnet. Die aus der Potentialverteilung ge­ fundene Lage des arrhythmogenen Gewebes kann dann in ein ent­ sprechendes Ultraschall-Schnittbild eingetragen werden. An­ stelle eines transösophagealen Ultraschall-Applikators 24 ist auch die Verwendung eines intrakardialen Applikators möglich, der einen von der Positionserfassungseinheit lokalisierbaren Empfänger umfaßt.

Fig. 2 zeigt zusätzlich noch einen über den venösen Abgang 31 in das Herz 3 eingebrachten Pacingkatheter 32. Auch der Pacingkatheter umfaßt einen von der Positionserfassungsein­ heit lokalisierbaren Empfänger. Damit kann durch Stimulation die Genauigkeit der lokalisierten Herzaktivität geschätzt werden. Bei nicht mehr tolerierbaren Abweichungen wird, wie weiter oben schon beschrieben ist, das bei der Lokalisierung verwendete Modell iterativ verändert, bis der Fehler im Be­ reich desjenigen Fehlers liegt, der durch das Rauschen des EKG-Signals bedingt ist.

müssen die im Lokalisierungsverfahren verwendeten Modelle des Herzens und des Thorax entsprechend verändert werden. Aus der Schätzung eines durch Rauschen verursachten Fehlerradius um die lokalisierte Herzaktivität herum ergibt sich auch der Be­ reich, in dem anschließend ein intrakardiales Mapping durch­ geführt werden muß. Mit Hilfe des intrakardialen Positionsbe­ stimmungssystems kann jederzeit festgestellt werden, ob der abgetastete Punkt noch im Fehlerbereich oder bereits außer­ halb liegt. Damit wird der Bereich für das endokardiale Map­ ping eingegrenzt, was zu einer Verkürzung der Operations- und Durchleuchtungszeiten führt.

Bei der vorstehend beschriebenen Positionserfassungseinheit ist der Sender in der feststehenden Zentraleinheit 12 und die Empfänger sind im Taststift 14 und den Kathetern angeordnet. Es kann jedoch auch eine Positionserfassungseinheit mit meh­ reren beweglichen Sendern und einem feststehenden Empfänger verwendet werden, wobei dann im Taststift 14 und in den Ka­ thetern jeweils ein Sender angeordnet ist.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Lokalisieren von Aktionsströmen im Herzen eines Lebewesens mit

• - Elektroden (4) zum Erfassen einer von den Aktionsströmen erzeugten elektrischen Potentialverteilung auf der Körper­ oberfläche des Lebewesens,
• - einer Positionserfassungseinheit (14, 16) zum Bestimmen der räumlichen Position der Elektroden (4),
• - einer mit den Elektroden (4) und der Positionserfassungs­ einheit (14, 16) verbundenen Lokalisierungseinheit (12), die aus der Potentialverteilung und der räumlichen Position der Elektroden (4) die Aktionsströme lokalisiert,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein im Herzen fixierbarer Referenzkatheter (22) so ausge­ bildet ist, daß seine räumliche Position von der Positions­ erfassungseinheit (14, 16) bestimmbar ist, und daß
• - die Lokalisierungseinheit (12) die Aktionsströme in bezug zum Referenzkatheter (22) lokalisiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Positionserfassungseinheit eine Zentraleinheit (16) und einen in Wirkverbindung mit der Zentraleinheit stehenden beweglichen und von der Zentralein­ heit (16) lokalisierbaren Taststift (14) umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Referenzkatheter (22) bin zur Positionserfassungseinheit gehörender, lokalisier­ barer Sender- oder Empfängerteil angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß ein diagnosti­ sches Ultraschall-Tomographiegerät mit einem transösophage­ len oder intrakardialen Ultraschallapplikator (24) mit der Lokalisierungseinheit verbunden ist zum ortsrichtigen Markie­ ren der lokalisierten Aktionsstrom in einem Tomogramm, wobei am Ultraschallapplikator ein zur Positionserfassungseinheit gehörender, lokalisierbar ein Sender- oder Empfängerteil an­ geordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß an einem Stimulationskatheter (32) ein zur Positionserfassungseinheit gehörender lokalisierbarer Sender- oder Empfängerteil ange­ ordnet ist, mit dessen Hilfe die Genauigkeit des bei der Lo­ kalisierung verwendeten Körpermodells abgeschätzt werden kann.