Electroanatomic mapping of thesinuatrial activation: First experience with the newCARTOTM-mapping system
Summary Prerequisite for successfulradiofrequency catheter ablation oftachycardias is the exact mapping dur-ing the electrophysiologic study. Thenew mapping system CARTOTM allowsa three-dimensional color-coded elec-troanatomic map of impulse propaga-tion using electromagnetic technology.Mapping of sinuatrial activation in theright atrium of 11 patients represents
the first clinical experience with thisnew system. The physiological activa-tion sequence could be determined inall patients three-dimensionally, andthe sinus node could be localized as aphysiological activation focus with interindividual variability only in thesagital plane without complications.The nonfluoroscopic mapping systemallows high resolution visualization ofelectrical activity and may thereforeimprove precision and simplify the de-termination of the arrhythmogenic sub-strate during tachycardias for success-ful catheter ablation.
Key words Electroanatomic 3D-map– sinuatrial activation
Zusammenfassung Die erfolgreicheRadiofrequenz-Katheterablation tachy-karder Rhythmusstörungen setzt einegenaue Lokalisation des arrhythmoge-nen Substrats während der elektrophy-siologischen Untersuchung voraus. Mit
Hilfe der elektromagnetischen Techno-logie des neuen MappingsystemsCARTOTM ist die dreidimensionalefarbkodierte elektroanatomische Dar-stellung der Aktivierungssequenz mög-lich. Mapping der sinuatrialen Aktivie-rung des rechten Vorhofs bei 11 Patien-ten lieferte erste klinische Erfahrungenmit diesem neuen System. Die physio-logische Aktivierungssequenz ließ sichbei allen Patienten komplikationslosdreidimensional darstellen und der Sinusknoten als physiologischer Akti-vitätsfokus mit interindividueller Varia-bilität lediglich in der Sagittalebenelokalisieren. Das nichtfluoroskopischeMappingsystem erlaubt eine Visualisie-rung der elektrischen Aktivität undkann dadurch die Lokalisierung desarrhythmogenen Substrats währendTachykardie vor erfolgreicher Ablationerleichtern.
Eingegangen: 2. September 1997Akzeptiert: 13. Januar 1998
Dr. P. Nimmermann (✉) · E. HoffmannC. Reithmann · T. Remp · G. SteinbeckMedizinische Klinik IKlinikum Großhadern, LMU MünchenMarchioninistr. 15D-81377 München
Einleitung
Die erfolgreiche Ablation des arrhythmogenen Substratstachykarder Rhythmusstörungen setzt die exakte Zuordnunglokaler intrakardialer Elektrokardiogramme und anatomischerStrukturen voraus. Genaues Mapping ist die Grundlage für dasVerständnis für die, der supraventrikulären oder ventrikulärenTachyarrhythmie zugrundeliegenden pathophysiologischen
Mechanismen (1, 2, 3). Allen Mappingarten (Mapping desOberflächen-EKGs, epikardiales oder endokardiales Map-ping) ist die Registrierung der elektrischen Aktivierungsse-quenz durch Aufzeichnung extrazellulärer Elektrogramme ge-meinsam. Beim endokardialen Mapping wurden bisher dieverschiedenen Positionen der Mehrelektrodenkatheter unterRöntgenkontrolle ein- oder zweidimensional bestimmt. Einegenaue reproduzierbare Zuordnung der lokalen Aktivierungzu einer bestimmten anatomischen Position war somit nur
eingeschränkt möglich. Das neue nichtfluoroskopische Map-pingsystem CARTOTM (Biosense, Cordis-Webster, J & J) er-laubt eine dreidimensionale anatomische Darstellung der un-tersuchten Herzhöhle mit Farbkodierung der Aktivierungsse-quenz unter Einbeziehung jedes gemappten Punktes (elektro-anatomisches 3D-Map). So kann die elektrische Aktivierungjeder Katheterposition der kardialen anatomischen Strukturzugeordnet werden und sowohl die früheste Erregung lokali-siert als auch der Erregungsablauf dreidimensional dargestelltwerden (4, 6). Ein weiterer Aspekt dieses Systems ist die Vor-stellung einer zukünftigen Einsparung von Röntgendosis fürPatienten und Untersucher bei komplexen Untersuchungen.
Um erste Erfahrungen mit dieser neuen elektrophysiologi-schen Mappingmethode zu sammeln untersuchten wir die Ak-tivierung des rechten Vorhofs bei Sinusrhythmus (5) mit denfolgenden Fragestellungen: a) Ist das CARTO-System zurdreidimensionalen Rekonstruktion des rechten Vorhofs geeig-net, b) läßt sich die physiologische Erregungsausbreitungdreidimensional darstellen, c) läßt sich der Sinusknoten alsphysiologischer Aktivitätsfokus eindeutig lokalisieren und d)ist das System damit für die elektroanatomische Darstellungder Erregungsausbreitung bei Tachykardien vor Katheterabla-tion geeignet?
Methodik und Patienten
Wir untersuchten 11 Patienten, 6 Männer, 5 Frauen, mittleresAlter 42 ± 16 Jahre, mit unterschiedlichen Indikationen füreine Katheterablation und führten im Rahmen der elektro-physiologischen Untersuchung ein Mapping des rechten Vor-hofs bei Sinusrhythmus mit dem CARTO-System durch.
Das Mappingsystem (CARTOTM) besteht aus drei Elektro-magneten (M1, M2, M3), die dreieckförmig unter dem Un-tersuchungstisch befestigt werden. Durch anliegende Wech-selspannungen verschiedener Frequenzen (1 kHz, 2 kHz,
3 kHz) entstehen drei magnetische Wechselfelder (0,05 bis0,2 Gauss). In der Katheterspitze der 8-F-Untersuchungska-theter (Navistar, Cordis-Webster, J&J) ist ein passiver Sensorproximal der Ablationselektrode integriert. Dieser besteht ausdrei Spulen, die senkrecht zueinander angeordnet sind. Befin-det sich der Katheter innerhalb der magnetischen Wechselfel-der, so wird an jeder der drei Spulen eine meßbare Spannunginduziert. Mit Hilfe mathematischer Algorithmen können dar-aus die magnetische Flußdichte an der Katheterspitze und dieEntfernung des Sensors von den drei unter dem Unter-suchungstisch befestigten Elektromagneten (D1, D2, D3) bestimmt werden. Um Bewegungs- und Atmungsartefakteauszuschließen, wird jede Position des Mappingkatheters bezüglich den gleichbleibenden Koordinaten eines währendder gesamten Untersuchung in fester Position liegenden CARTOTM-Referenzkatheters errechnet und an einer SiliconGraphics Workstation dreidimensional dargestellt. Anhandder gemappten Katheterpositionen kann die jeweilige Herz-höhle anatomisch rekonstruiert werden. Es handelt sich hier-bei nicht um eine anatomische Abbildung, sondern immer nurum eine dreidimensionale Rekonstruktion, deren Genauigkeitabhängig von der Anzahl der Katheterpositionen und der Ent-fernung zwischen den gemappten Punkten ist. Neben der Be-stimmung der Katheterposition im Raum wird während desCARTO-Mappings die Aktivierungssequenz farbkodiert dar-gestellt und dem anatomischen Map zugeordnet.
Von den Kathetern können sowohl uni- als auch bipolareintrakardiale Signale abgeleitet werden. Zur Analyse des lo-kalen Mapping- und Referenzsignals wird der Zeitpunkt derlokalen Aktivierung (Annotation) vor jeder Mappinguntersu-chung je nach der Morphologie der intrakardialen Elektro-gramme individuell definiert. Es kann zwischen maximalerAmplitude, maximaler Aufstrichgeschwindigkeit, minimalerAmplitude und minimaler Aufstrichgeschwindigkeit gewähltwerden. Bei der Untersuchung ist ein gleichbleibendes Refe-renzsignal Voraussetzung, während die EKG-Morphologie
Abb. 1 Die physikalischenGrundlagen des CARTOTM-Systems: Lokalisation des Sensors im magnetischen Feld
des Mappingkatheters je nach Katheterposition wechselt. So-mit muß das gemappte intrakardiale Signal während odernach der Untersuchung auf seine Richtigkeit überprüft unddie Annotation gegebenenfalls manuell korrigiert werden. Beikomplexen Signalen (Doppelpotentiale, fraktionierte EKGs)muß für alle Punkte eines Maps einheitlich verfahren und dieAnnotationen gegebenenfalls manuell gesetzt bzw. korrigiertwerden (z. B. immer erste positive Amplitude). Die Aktivie-rungszeit jedes gemappten Punktes wird in Relation zu demgleichbleibenden Referenzsignal bestimmt und farbkodiertdargestellt. Die Aktivierungssequenz wird online dem anato-mischen Map zugeordnet und Erregungsursprung und Erre-gungsausbreitung dreidimensional farbkodiert am Bildschirmdargestellt. Rot entspricht hierbei immer der frühesten loka-len Vorhoferregung, violett immer der spätesten. Die Be-standteile des CARTO-Mappingsystems und die physikali-schen Grundlagen sind in Abbildung 1 dargestellt.
Mappinguntersuchung des rechten Vorhofs
Unter Röntgenkontrolle wurden zwei 8-F-Katheter, ein Map-ping- und ein Referenzkatheter, über die Femoralvene in denrechten Vorhof eingeführt. Während der gesamten Untersu-chung muß der Referenzkatheter in einer stabilen Position, z. B. im Koronarsinus, positioniert sein. Der Mappingkathe-ter wird in verschiedenen Positionen des rechten Vorhofs pla-ziert, wobei die ersten drei Punkte, Übergang V. cava supe-rior/rechter Vorhof, Übergang V. cava inferior/rechter Vorhofund Koronarsinuseingang unter Röntgenkontrolle erfaßt wer-den. Anschließend können die übrigen Katheterpositionen ander Vorderwand, Hinterwand, lateralen Wand und am Septumohne zusätzliche Röntgenstrahlung akquiriert werden. Jedereinzelne erfaßte Punkt wird bereits während der Untersu-
chung an der Silicon Graphics Workstation online bearbeitet,um Artefakte auszuschließen und eine bestmögliche Diagno-stik zu ermöglichen.
Ergebnisse
Wir führten bei 11 Patienten (6 Männer, 5 Frauen) mit gesi-cherter Indikation zu einer elektrophysiologischen Untersu-chung und anschließender Ablation mit dem Einverständnisder Patienten ein Mapping des rechten Vorhofs bei Sinus-rhythmus durch (5). Das mittlere Alter betrug 42 Jahre, und eswurden im Mittel 53 verschiedene Katheterpositionen ge-mappt. Die Anzahl und Lokalisation der gemappten Punktewurde so bestimmt, daß eine möglichst vollständige anatomi-sche Rekonstruktion des rechten Vorhofes gelang und das Ge-biet der frühesten Aktivierung möglichst genau lokal einge-grenzt werden konnte („Hot Cold Approach“). Es traten
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Abb. 2 Schematische Darstel-lung der Grenzpunkte des rechtenVorhofs eines CARTO-Mappingsin AP- und RL-Ansicht
während der Untersuchung keine Komplikationen auf. Diedetaillierten Patienten- und Mappingdaten sind in Tabelle 1dargestellt.
Die gesamte rechtsatriale Aktivierungszeit, d. h. die Zeitzwischen frühestem und spätestem gemapptem Punkt, betrugbei der CARTO-Untersuchung 72 ± 12 ms und stimmte mitden Aktivierungszeiten im konventionellen Mapping mitMehrelektrodenkathetern überein (69 ± 8 ms), gemessen alsIntervall im intrakardialen EKG zwischen dem Signal im ho-hen rechten Vorhof und dem im Koronarsinuseingang. Diefrüheste lokale Vorhoferregung (farbkodiert rot dargestellt)fand sich bei allen Patienten einheitlich kranial und lateral, amÜbergang V. cava superior/rechter Vorhof im Bereich der er-
warteten anatomischen Position des Sinusknotens. In bezugauf die Sagittalebene lag bei 5 Patienten die früheste Erregungdorsal einer kraniokaudalen Körperachse, bei 7 Patienten ven-tral. Die späteste Erregung (farbkodiert violett dargestellt)fand sich einheitlich im Bereich des Koronarsinuseingangs.Die physiologische Aktivierung des rechten Vorhofs ließ sichbei allen Patienten dreidimensional elektroanatomisch dar-stellen, und der Sinusknoten ließ sich als physiologischer Ak-tivitätsfokus eindeutig lokalisieren. Ein anatomischesSchema des gemappten rechten Vorhofs ist in Abbildung 2 inanterior-posteriorer (AP) und rechtslateraler (RL) Ansichtdargestellt. Die entsprechenden CARTO-Maps mit farbko-dierten Aktivierungssequenzen zweier Patienten in AP- und
Abb. 3 Farbkodierte dreidimen-sionale Aktivierungssequenz desrechten Vorhofs bei Sinusrhyth-mus. Maps von zwei Patienten(Abb. 3a/3b) in AP- und RL-An-sicht; rot: früheste lokale Vorhof-erregung; violett: späteste Vorhof-erregung
RL-Ansicht sind in Abbildung 3a und 3b aufgenommen. Dieunterschiedliche Lokalisation der frühesten rot dargestelltenVorhofaktivierung bezüglich der Sagittalebene (ventral oderdorsal der kraniokaudalen Achse) wird beim Vergleich derrechtslateralen Projektionen deutlich. Nicht auszuschließenist jedoch, daß die Aktivierung von wechselnden Schrittma-cherzellen der in Form und Größe sehr variablen Sinuskno-tenregion erfolgen könnte und die durch sequentielles Map-ping dargestellte Lokalisation der frühesten Erregung ledig-lich temporärer Natur ist.
Das CARTO-System erlaubt neben der farbkodiertenDarstellung der Aktivierungssequenz (Solid-Map) auch eineanimierte Darstellung der Erregungsausbreitung am Bild-schirm (Propagation-Map). Vier einzelne Sequenzen derImpulsausbreitung im rechten Vorhof während einer Sinus-erregung sind in Abbildung 4 in anterior-posteriorer (AP)Ansicht dargestellt. Rot ist das zu dieser Zeit aktivierte,blau das noch nicht oder nicht mehr aktivierte Myokard.Die Ausbreitung der Sinuserregung von lateral über dieVorderwand bis zum Koronarsinuseingang wird in diesenSequenzen verdeutlicht.
Diskussion
Das CARTO-System erlaubt ein nichtfluoroskopisches endo-kardiales dreidimensionales Mapping des Herzens mit ge-nauer Zuordnung intrakardialer elektrischer Signale zu be-stimmten anatomischen Strukturen. In-vitro- und In-vivo-Un-tersuchungen (4, 6) mit dem CARTOTM-Mappingsystem er-gaben bei der Bestimmung der räumlichen Distanz zwischenden gemappten Punkten nur einen geringen Fehler von unter
1 mm (in vitro: 0,42 ± 0,05 mm; in vivo: 0,73 ± 0,03 mm) so-wie eine gute Reproduzierbarkeit jeder Katheterposition miteiner nur geringen Abweichung von 0,16 ± 0,02 mm (in vitro)und 0,74 ± 0,05 mm (in vivo). Die räumliche Auflösung dererstellten Maps hängt jedoch immer von der Anzahl der ge-mappten Punkte ab. Bei den durchgeführten In-vivo-Untersu-chungen (6) wurden 40–60 Punkte für das Mapping einerHerzhöhle benötigt, und am Ende der Lernkurve konnten10–15 Punkte pro Minute akquiriert werden, wodurch sichdieses System auch für den Klinikalltag eignet.
Wir untersuchten mit diesem neuen Mappingsystem beiPatienten mit einer klaren Indikation für eine elektrophysio-logische Untersuchung und Katheterablation die sinuatrialeAktivierung des rechten Vorhofs, da der Sinusknoten deram besten definierte physiologische Erregungsfokus ist.Damit sollte die Zuverlässigkeit der Methode zur Identifi-zierung von Foci bestimmt werden, als Ausgangs- und Re-ferenzuntersuchung zur Einschätzung pathologischer Foci.Das Mapping der physiologischen Erregungsausbreitung er-folgte bei allen Patienten ohne Komplikationen, und der Si-nusknoten konnte jeweils genau, mit geringer interindividu-eller Variabilität, dreidimensional lokalisiert werden. Dierechtsatrialen Aktivierungszeiten bei der CARTO-Untersu-chung stimmten mit den Ergebnissen in der konventionel-len elektrophysiologischen Untersuchung überein. DieMappingzeit mit durchschnittlich 53 gemappten Punktenpro Patient betrug 15 Minuten, so daß dieses Mapping-system keine wesentliche Verlängerung der zum Teil auf-wendigen elektrophysiologischen Untersuchung mit sichbrachte.
Zukünftig stellt das CARTO-System für die elektrophy-siologische Diagnostik und Therapie medikamentös therapie-
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Abb. 4 Vier Sequenzen einer Sinuserregung in AP-Ansicht.Gesamte rechtsatriale Aktivie-rungssequenz: 44 ms; rot: akti-viertes Myokard, blau: nochnicht/nicht mehr aktiviertes Myokard
refraktärer tachykarder Rhythmusstörungen eine vielverspre-chende neue Methode dar. Bei der Diagnose fokaler Arrhyth-mien ergeben sich durch Visualisierung der frühesten Akti-vität, die bei dieser Rhythmusstörung das arrhythmogene Sub-strat charakterisiert und den Ablationsort definiert, wesentli-che Vorteile gegenüber anderen Mappingmethoden. Währenddie konventionellen Mappingmethoden nur elektrische Infor-mationen liefern, wird mit dem CARTO-System durch diedreidimensionale Registrierung die untersuchte Herzhöhleelektroanatomisch rekonstruiert. Je nach Anzahl der gemapp-ten Punkte ist eine Visualisierung der Anatomie möglich, undjede gemappte Katheterposition ist während der Mapping-Un-tersuchung bzw. bei einer anschließenden Ablation einfachwiederzufinden. Als weiterer Vorteil im Vergleich zu den kon-ventionellen Mappingmethoden ist die durch die Radartech-
nologie mögliche Einsparung von Röntgendosis in der Zu-kunft. Da die Aktivierungskarten durch sequentielles Mapping(„point-by-point“) erstellt werden, können jedoch nur stabile,vom Patienten tolerierte Rhythmusstörungen mit konstanterZykluslänge mit dem CARTOTM-System gemappt werden.
Das CARTOTM-System erlaubt eine verbesserte Lokalisa-tion der Foci bei ektopen Tachykardien sowie die elektroana-tomische Diagnostik von Reentry-Tachykardien vor Ablation.Durch die Visualisierung des Pathomechanismus ist somit dieDiagnostik und Therapie komplexer Tachykardien mit stei-genden Erfolgsraten möglich.
Danksagung Manuel Stölzle und Florian Riederer danken wir für ihretatkräftige Mitarbeit bei der Erstellung des Manuskripts.
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