用于标测电生理激活的系统和方法与流程

用于标测电生理激活的系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年5月19日提交的美国临时申请63/026,827号的权益，该临时申请通过引用并入本文，如同在此全面阐述。
技术领域
3.本公开总体上涉及电生理标测，例如可在心脏诊断和治疗过程中执行。具体而言，本公开涉及用于标测和可视化电生理组织激活的系统、设备和方法，包括使用由高密度(“hd”)网状导管或其他多电极装置采集的数据。


背景技术：

4.电生理标测，更特别地心电图标测，是许多心脏诊断和治疗过程的一部分。这些研究通常包括标测沿心脏表面传播的激活波前，因为激活图的可视化可帮助从业者了解心律失常如何通过心腔以及可能在何处进行治疗。


技术实现要素：

5.本公开提供了一种标测心脏激活的方法，包括以下步骤：在电解剖标测系统处接收来自由多电极导管承载的多个电极的电生理数据，所述多个电极限定了多个集团；以及对于多个集团中的每个集团，电解剖标测系统执行包括以下步骤的过程：识别与集团的单极电描记图具有最佳形态匹配的集团的全极电描记图的积分；将与集团的单极电描记图具有最佳形态匹配的集团的全极电描记图的取向定义为集团的激活方向；以及利用集团的全极电描记图的积分和集团的单极电描记图来计算集团的传导速度大小，从而确定心脏激活图。
6.集团的单极电描记图可以是集团的代表性单极电描记图，例如集团的平均单极电描记图。
7.利用集团的全极电描记图的积分和集团的单极电描记图来计算集团的传导速度大小的步骤可包括：将集团的传导速度大小计算为集团的单极电描记图的幅度与集团的全极电描记图沿激活方向的积分的幅度的比值。
8.集团的全极电描记图的积分可以是集团的全极电描记图关于时间的积分。
9.该方法还可包括输出心脏激活图的图形表示。
10.根据本公开的多个方面，多电极导管可以是高密度网状导管。
11.在本公开的附加方面，多个集团中的每个集团包括三个电极，所述三个电极限定两个正交双极。
12.本文还公开了一种用于生成心脏激活图的电解剖标测系统。该系统包括激活标测和可视化处理器，该激活标测和可视化处理器被配置为：接收来自由多电极导管承载的多个电极的电生理数据，所述多个电极限定了多个集团；以及对于多个集团中的每个集团，根据包括以下步骤的过程确定激活方向和传导速度大小：识别与集团的单极电描记图具有最
佳形态匹配的集团的全极电描记图的积分；将与集团的单极电描记图具有最佳形态匹配的集团的全极电描记图的取向定义为集团的激活方向；以及利用集团的全极电描记图的积分和集团的单极电描记图来计算集团的传导速度大小，从而确定心脏激活图。
13.激活标测和可视化处理器还可被配置为输出激活图的图形表示。
14.可以预期，集团的单极电描记图可以是集团的代表性单极电描记图，例如集团的平均单极电描记图。
15.电解剖标测系统可通过以下步骤利用集团的全极电描记图的积分和集团的单极电描记图来计算集团的传导速度大小：将集团的传导速度大小计算为集团的单极电描记图的幅度与集团的全极电描记图的积分的幅度的比值。
16.集团的全极电描记图的积分可以是集团的全极电描记图关于时间的积分。
17.本公开还提供了一种标测组织的电激活的方法。该方法包括：在电解剖标测系统处接收来自由高密度网状导管承载的多个电极的电生理数据，所述多个电极限定了多个集团，每个集团包括三个电极，所述三个电极限定一对正交双极；以及对于多个集团中的每个集团，电解剖标测系统执行包括以下步骤的过程：识别与集团的单极电描记图具有最佳形态匹配的集团的全极电描记图的积分；将与集团的单极电描记图具有最佳形态匹配的集团的全极电描记图的取向定义为集团的激活方向；以及利用集团的全极电描记图的积分和集团的单极电描记图来计算集团的传导速度大小，从而确定组织的激活图。
18.集团的单极电描记图可以是集团的代表性单极电描记图，例如集团的平均单极电描记图。
19.利用集团的全极电描记图的积分和集团的单极电描记图来计算集团的传导速度大小的步骤可包括：将集团的传导速度大小计算为集团的单极的幅度与集团的全极电描记图的积分的幅度的比值。
20.集团的全极电描记图的积分可以是集团的全极电描记图关于时间的积分。
21.该方法还可包括输出组织的激活图的图形表示。
22.本发明的前述和其他方面、特征、细节、效用和优点将通过阅读以下描述和权利要求以及通过查看附图而变得明显。
附图说明
23.图1是示例性电解剖标测系统的示意图。
24.图2示出了可结合本公开的多个方面使用的示例性导管。
25.图3a和3b提供了用于由多电极导管承载的电极和与其相关联的双极的字母数字标记惯例。
26.图4是可根据本公开各的方面执行的代表性步骤的流程图。
27.图5a至5c是多电极导管上的三电极集团即根据图3a和3b的命名法的电极c2、c3和d2的集团的代表性单极电描记图。
28.图6a和6b是根据图3a和3b的命名法的电极c2、c3和d2的集团的正交双极电描记图。
29.图7是根据图3a和3b的命名法的电极c2、c3和d2的集团的平均单极电描记图。
30.图8a至8c分别示出了根据图3a和3b的命名法的电极c2、c3和d2的集团在32度、100
度和140度的全极电描记图。
31.图9a至9c分别是图8a至8c的全极电描记图关于时间的积分。
32.图10是根据本公开的多个方面的激活图的代表性可视化。
33.虽然公开了多个实施例，但本公开的其他实施例对于本领域技术人员而言将通过以下详细描述变得显而易见，该详细描述示出并描述了说明性实施例。因此，附图和详细描述在本质上被认为是说明性的而非限制性的。
具体实施方式
34.本公开提供了用于生成和可视化电生理图、特别是组织的电生理激活图的系统、设备和方法。为了说明的目的，将参考心脏激活图并且结合电解剖标测系统(例如同样来自abbott laboratories的ensite precision
tm
心脏标测系统)来描述本公开的多个方面，所述心脏激活图由使用高密度(hd)网状导管(例如来自abbott laboratories(abbott park，伊利诺伊州)的advisor
tm hd网状标测导管)采集的心内电描记图创建。然而，本领域普通技术人员将理解如何将本文的教导有利地应用于其他环境和/或其他装置。
35.图1示出了示例性电解剖标测系统8的示意图，该系统用于通过导航心脏导管并测量在患者11的心脏10中发生的电活动以及三维标测电活动和/或与如此测量的电活动有关或代表该电活动的信息来进行心脏电生理学研究。例如，系统8可用于使用一个或多个电极来创建患者心脏10的解剖模型。系统8还可用于测量沿心脏表面的多个点处的电生理数据，并将测量的数据与测量电生理数据的每个测量点的方位信息相关联地存储，例如以创建患者心脏10的诊断数据图。
36.如本领域普通技术人员将认识到的，系统8确定目标(通常在三维空间内)的方位(并且在某些方面，取向)，并且将这些方位表示为相对于至少一个参考确定的位置信息。这在本文中被称为“定位”。
37.为了简化说明，患者11被示意性地描绘为椭圆形。在图1所示的实施例中，三组表面电极(例如，贴片电极)被显示为施加到患者11的表面，定义了三个大致正交的轴，本文中称为x轴、y轴和z轴。在其他实施例中，电极可以以其他布置定位，例如特定身体表面上的多个电极。作为另一替代方案，电极不需要在身体表面上，而是可定位在身体内部。
38.在图1中，x轴表面电极12、14沿第一轴施加到患者，例如患者胸部区域的侧面(例如，施加到每个手臂下方的患者皮肤)，并且可被称为左电极和右电极。y轴电极18、19沿与x轴大致正交的第二轴、例如沿患者的大腿内侧和颈部区域施加到患者，并且可被称为左腿电极和颈部电极。z轴电极16、22沿与x轴和y轴都大致正交的第三轴、例如沿患者的胸部区域中的胸骨和脊柱施加，并且可被称为胸部电极和背部电极。心脏10位于这些表面电极对12/14、18/19和16/22之间。
39.附加的表面参考电极(例如，“腹部贴片”)21为系统8提供参考和/或接地电极。腹部贴片电极21可替代下面更详细描述的固定的心内电极31。还应当理解，此外，患者11可在适当位置处具有大部分或所有的常规心电图(“ecg”或“ekg”)系统导联。在某些实施例中，例如，一组标准的12ecg导联可用于感测患者心脏10上的心电图。该ecg信息可用于系统8(例如，它可作为输入被提供给计算机系统20)。为了更好地理解ecg导联，并且为了在附图中清晰，图1中仅示出了单条导联6及其与计算机20的连接。
40.还示出了具有至少一个电极17的代表性导管13。该代表性导管电极17在整个说明书中被称为“游移电极”、“移动电极”或“测量电极”。通常，将使用导管13上或多个此类导管上的多个电极17。例如，在一个实施例中，系统8可包括布置在患者的心脏和/或脉管系统内的十二个导管上的六十四个电极。在其他实施例中，系统8可采用包括多个(例如，八个)样条的单个导管，每个样条又包括多个(例如，八个)电极。
41.然而，前述实施例仅仅是示例性的，并且可使用任意数量的电极和/或导管。例如，为了本公开的目的，图2中示出了示例性多电极导管的一段，该示例性多电极导管特别是hd网状导管13，例如advisor
tm hd网状标测导管、sensor enabled
tm
(abbott laboratories，abbott park，伊利诺伊州)。hd网状导管13包括耦合到桨部202的导管主体200。导管主体200还可分别包括第一主体电极204和第二主体电极206。桨部202可包括第一样条208、第二样条210、第三样条212和第四样条214，这些样条通过近侧耦合器216耦合到导管主体200并且通过远侧耦合器218彼此耦合。在一个实施例中，第一样条208和第四样条214可以是一个连续段，第二样条210和第三样条212可以是另一个连续段。在其他实施例中，各个样条208、210、212、214可以是彼此耦合(例如，通过近侧耦合器216和远侧耦合器218)的单独的段。应当理解，hd导管13可包括任意数量的样条；图2中所示的四样条布置仅仅是示例性的。
42.如上所述，样条208、210、212、214可包括任意数量的电极17；在图2中，十六个电极17显示为以四乘四的阵列布置。还应当理解，电极17可均匀和/或不均匀地间隔开，如沿样条208、210、212、214以及在样条208、210、212、214之间测量的。为了便于在本说明书中参考，图3a提供了用于电极17的字母数字标记。
43.如本领域普通技术人员将认识到的，任意两个相邻电极17限定一双极。因此，导管13上的16个电极17限定了总共42个双极—12个沿样条(例如，电极17a和17b之间，或电极17c和17d之间)，12个跨样条(例如，电极17a和17c之间，或电极17b和17d之间)，以及18个在样条之间的对角(例如，电极17a和17d之间，或电极17b和17c之间)。
44.为了便于在本说明书中参考，图3b提供了用于沿样条和跨样条的双极的字母数字标记。图3b省略了用于对角双极的字母数字标记，但这仅是为了在图示中清晰。可以清楚地预期，本文的教导也可应用于对角双极。
45.任何双极又可用于根据本领域普通技术人员熟悉的技术来生成双极电描记图。此外，这些双极电描记图可被组合(例如，线性组合)以通过计算电极集团的电场回路在导管13的平面的任意方向上生成电描记图(同样包括激活定时信息)。公开号为2018/0296111的美国专利申请(
‘
111公开)公开了计算hd网状导管上的电极集团的电场回路的细节，该公开通过引用并入本文，如同在此全面阐述。这些电描记图在本文中被称为“全极电描记图”，并且它们对应的方向在本文中被称为“全极”或“虚拟双极”。
46.在任何情况下，导管13均可用于同时采集由其上的电极17限定的各双极的多个电生理数据点，其中，每个这样的电生理数据点包括选定的双极的方位信息(例如，选定的双极的位置和取向)和电描记图信号。为了说明的目的，将结合由导管13采集的各个电生理数据点来描述根据本公开的方法。然而，应当理解，本文的教导可串行和/或并行地应用于由导管13采集的多个电生理数据点。
47.通常通过一个或多个导引器并使用熟悉的程序将导管13(或多个此类导管)引入患者的心脏和/或脉管系统中。实际上，将导管13引入患者心脏中的各种方法例如经中隔方
法是本领域普通技术人员所熟知的，因此不需要在此进一步描述。
48.由于每个电极17位于患者体内，因此系统8可同时采集每个电极17的方位数据。类似地，每个电极17可用于从心脏表面收集电生理数据(例如，心内膜电描记图)。普通技术人员将熟知用于获取和处理电生理数据点的各种模式(包括例如接触式和非接触式电生理标测)，因此对于理解本文所公开的技术而言，无需对其进行进一步讨论。同样地，本领域中熟知的各种技术可用于从多个电生理数据点生成心脏几何形状和/或心脏电活动的图形表示。此外，就普通技术人员将理解如何从电生理数据点创建电生理图而言，本文将仅在理解本公开所需的范围内对其方面进行描述。
49.现在返回图1，在某些实施例中，在第二导管29上示出了可选的固定参考电极31(例如，附接到心脏10的壁)。出于校准目的，该电极31可以是静止的(例如，附接到或靠近心脏的壁)或布置为与游移电极(例如，电极17)成固定空间关系，因此可被称为“导航参考”或“局部参考”。固定参考电极31可用于上述表面参考电极21的补充或替代。在许多情况下，心脏10中的冠状窦电极或其他固定电极可用作测量电压和位移的参考；也就是说，如下所述，固定参考电极31可定义坐标系的原点。
50.每个表面电极耦合到多路开关24，并且通过在计算机20上运行的软件来选择表面电极对，计算机20将表面电极耦合到信号发生器25。可替代地，可省去开关24并且可提供信号发生器25的多个(例如三个)实例，每个测量轴(即，每个表面电极配对)一个。
51.计算机20可包括例如常规的通用计算机、专用计算机、分布式计算机或任何其他类型的计算机。计算机20可包括一个或多个处理器28，例如单个中央处理单元(“cpu”)，或多个处理单元(通常被称为并行处理环境)，所述处理单元可执行指令以实践本文所描述的各个方面。
52.通常，三个标称正交电场由一系列驱动和感测的电偶极子(例如，表面电极对12/14、18/19和16/22)产生，以便在生物导体中实现导管导航。可替代地，这些正交场可被分解，并且任何表面电极对可作为偶极子被驱动，以提供有效的电极三角测量。同样地，电极12、14、18、19、16和22(或任意数量的电极)可以以任何其他有效的布置定位，用于将电流驱动到心脏中的电极或感测来自心脏中的电极的电流。例如，多个电极可放置在患者11的背部、侧面和/或腹部。此外，这种非正交方法增加了系统的灵活性。对于任何期望的轴，由一组预定的驱动(源-汇)配置产生的在游移电极上测量的电位可代数地组合，以产生与通过简单地沿正交轴驱动均匀电流所获得的有效电位相同的有效电位。
53.因此，表面电极12、14、16、18、19、22中的任意两个表面电极可被选为相对于接地参考(例如腹部贴片21)的偶极子源和漏极，而未被激发的电极测量相对于接地参考的电压。放置在心脏10中的游移电极17暴露于电流脉冲的场中，并相对于地(例如腹部贴片21)进行测量。实际上，心脏10内的导管可包含比所示的十六个更多或更少的电极，并且可测量每个电极电位。如前所述，至少一个电极可固定到心脏的内表面以形成固定参考电极31，该参考电极也相对于地(例如腹部贴片21)被测量，并且可被定义为系统8测量位置所相对的坐标系的原点。来自每个表面电极、内部电极和虚拟电极的数据集都可用于确定游移电极17在心脏10内的方位。
54.系统8可使用测量的电压来确定心脏内的电极(例如游移电极17)在三维空间中相对于参考方位(例如参考电极31)的方位。也就是说，在参考电极31处测量的电压可用于定
义坐标系的原点，而在游移电极17处测量的电压可用于表示游移电极17相对于原点的方位。在某些实施例中，坐标系是三维(x、y、z)笛卡尔坐标系，但也可考虑其他坐标系，例如极坐标系、球坐标系和柱坐标系。
55.通过前述讨论应当清楚地看出，在表面电极对在心脏上施加电场的同时测量用于确定心脏内的一个或多个电极的方位的数据。电极数据还可用于创建呼吸补偿值，该呼吸补偿值用于改善电极方位的原始方位数据，如例如美国专利7,263,397号中所述，该专利通过引用整体并入本文。电极数据也可用于补偿患者身体阻抗的变化，如例如美国专利7,885,707号中所述，该专利同样通过引用整体并入本文。
56.因此，在一个代表性实施例中，系统8首先选择一组表面电极，然后用电流脉冲驱动它们。在传递电流脉冲的同时，测量并存储电活动，例如利用剩余的表面电极和体内电极中的至少一个测量的电压。可如上所述执行对诸如呼吸和/或阻抗偏移的伪影的补偿。
57.在本公开的多个方面，系统8可以是结合了基于阻抗(例如，如上所述)和基于磁的定位能力的混合系统。因此，例如，系统8还可包括耦合到一个或多个磁场发生器的磁源30。为清楚起见，图1中仅示出了两个磁场发生器32和33，但应当理解，在不脱离本教导的范围的情况下，可使用附加的磁场发生器(例如，总共六个磁场发生器，限定了与由贴片电极12、14、16、18、19和22限定的轴类似的三个大致正交的轴)。同样地，本领域普通技术人员将理解，为了在如此产生的磁场内定位导管13，可包括一个或多个磁定位传感器(例如，线圈)。
58.在某些实施例中，系统8是abbott laboratories的ensite
tm velocity
tm
或ensite precision
tm
心脏标测和可视化系统。然而，可结合本教导使用其他定位系统，包括例如boston scientific公司(马萨诸塞州马尔伯勒市)的rhythmia hdx
tm
标测系统、biosense webster公司(加利福尼亚州尔湾市)的carto导航和定位系统、northern digital公司(安大略省滑铁卢市)的系统、stereotaxis公司的磁导航系统(密苏里州圣路易斯市)，以及abbott laboratories的mediguide
tm
技术。
59.在以下专利中描述的定位和标测系统(所有这些专利通过引用整体并入本文)也可与本发明一起使用：美国专利6,990,370；6,978,168；6,947,785；6,939,309；6,728,562；6,640,11；5,983,126；和5,697,377。
60.本公开的多个方面涉及生成电生理图，并且具体涉及标测组织的电激活。这些电生理图的图形表示也可被输出，例如在显示器23上。因此，系统8可包括激活标测和可视化模块58。
61.将结合图4所示的代表性步骤的流程图来解释根据本公开的多个方面的一种示例性方法，其使用心脏激活标测作为说明。在某些实施例中，例如，流程图400可表示可由图1的电解剖标测系统8(例如，由处理器28和/或激活标测和可视化模块58)执行的几个示例性步骤。应当理解，下面描述的代表性步骤可以是硬件实现的，也可以是软件实现的。为了解释起见，本文使用术语“信号处理器”来描述本文教导的基于硬件和软件的实现方式。
62.在框402中，系统8接收由导管13上的电极17测量的电生理数据。如上所述，电极17限定了多个电极集团，其中，每个集团包括三个(或者，在本公开的某些实施例中，四个或更多个)电极。例如，将结合由电极c2、c3和d2组成的三电极集团来描述本公开的多个方面。
63.本领域普通技术人员将认识到电极c2、c3和d2中的每一个可测量单极电描记图(例如，关于腹部贴片)。在图5a、5b和5c中分别示出了电极c2、c3和d2的示例性单极电描记
图500a、500b和500c。
64.此外，电极c2、c3和d2限定了两个正交双极，即，沿样条210的c3-c2和跨样条210、208的c2-d2。每个双极可测量一双极电描记图，如图6a所示的双极c2-d2和图6b所示的双极c3-c2。
65.在框404中，系统8确定集团的单极电描记图，其被表示为在本公开的实施例中，是集团的单极电描记图的平均值(即，单极电描记图500a、500b和500c的平均值)，但也可考虑其他代表性单极电描记图。例如，可通过基于集团的激活方向和传导速度大小的初始估计值的时间调整来细化集团的初始平均单极电描记图。
66.图7示出了电极c2、c3、d2的集团的平均单极电描记图700。在图7中可以看出，平均单极电描记图700呈现了由于例如ac功率信号引起的噪声。
67.‘
111申请的教导也可应用于电极c2、c3、d2的集团，以计算在导管13的平面内任意取向的全极(或“虚拟双极”)的全极电描记图(注意，双极c2-d2以0度定向，而双极c3-c2以90度定向)。使用这些教导，在框406中，系统8识别全极取向，其中，对应的全极电描记图的积分呈现了与框404中计算的集团单极电描记图的最佳形态匹配。
68.图8a-8c和9a-9c示出了框406的应用。图8a-8c示出了分别以32度、100度和140度定向的全极电描记图800a、800b和800c。在图9a-9c中分别示出了关于时间900a、900b和900c的对应积分。当然，可针对其他全极取向计算类似的电描记图和积分；图8a-8c和9a-9c中所示的电描记图和积分仅仅是示例性的。
69.应当理解，存在多种计算全极电描记图的积分的方法。例如，可计算几个全极电描记图(例如，根据
‘
111申请的教导)，然后可计算每个全极电描记图的积分。然而，这可能需要大量的计算资源，因为必须确定每个信号然后独立地进行积分。因此，另一种方法是计算电场回路(例如，根据
‘
111申请的教导)，对电场回路进行积分，然后将积分的电场回路投影到各全极方向。后一种方法的计算效率更高，因为与前一种方法的(例如，电场回路在各全极取向的)多次投影和(例如，各全极电描记图的)多次积分相比，后一种方法要求(例如，电场回路的)单次积分和(例如，积分的电场回路在各全极取向的)多次投影。
70.在另外的实施例中，可以以相反的时间顺序计算全极电描记图的积分(例如，积分的极限从右到左而非从左到右表示，参考图8a-8c)。事实上，可能期望计算全极电描记图的正向积分和反向积分二者，然后将这两个积分组合，例如使用平滑时变凸组合，其逐渐减少正向积分并逐渐增强反向积分。这种组合方法有利地将单个积分的头部或尾部的偏移的影响最小化，该偏移是由被积分的全极电描记图中的传播偏移和累积偏移引起的。
71.本领域普通技术人员将理解平滑时变凸组合可采取各种形式。例如，正向积分可通过时变权重a(t)加权，而反向积分可通过时变权重b(t)加权，其中，对于任意时间t，a(t) b(t)＝1。根据本公开的某些方面，a(t)从0线性增加到1并且b(t)从1线性衰减到0。
72.在任何情况下，系统8识别与(例如，700)呈现最佳形态匹配的积分(例如，900a、900b、900c)。该积分在本文中被称为“最佳拟合的全极积分”。形态匹配技术是本领域普通技术人员所熟知的并且不需要在此进一步描述。然而，应用这样的技术，可以认识到，一方面在图7的情况下，另一方面在图9a-9c的情况下，最佳拟合的全极积分以约140度定向，如图9c所示。
73.在框408中，系统8将来自框406的最佳拟合的全极积分的取向定义为集团的激活方向。因此，电极c2、c3、d2的集团的激活方向为约140度。
74.在框410中，系统8根据最佳拟合的全极积分和集团单极来计算集团的传导速度的大小。例如，传导速度大小可被计算为集团单极的幅度与最佳拟合的全极积分(即，沿电极集团定义的激活方向)的幅度之间的比值。
75.决策框412考虑是否存在要分析的附加集团。如果是，则该过程从框404重复。如果否，则可在框414中输出激活图的图形表示，例如图10中的1000。
76.尽管上文已经以一定程度的特殊性描述了多个实施例，但本领域技术人员可在不背离本公开的精神或范围的情况下对所公开的实施例进行许多改变。
77.例如，本文的教导可实时(例如，在电生理学研究期间)或在后处理(例如，对在较早时间执行的电生理学研究期间采集的电生理数据点)期间应用。
78.所有方向参考(例如，上、下、向上、向下、左、右、向左、向右、顶部、底部、上方、下方、垂直、水平、顺时针和逆时针)仅用于识别目的以帮助读者理解本公开，而不构成特别是关于本发明的位置、取向或使用的限制。连结参考(例如，附接、耦合、连接等)应被广义地解释并且可包括元件的连接之间的中间构件和元件之间的相对运动。因此，连结参考不一定意味着两个元件直接连接并且彼此具有固定关系。
79.旨在将上述描述中包含的或附图中所示的所有内容解释为仅是说明性的而非限制性的。可在不背离所附权利要求中定义的本公开的精神的情况下进行细节或结构的改变。