CN104274240A - 消融电极与组织接触的检测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法包括将具有时变功率的射频(RF)信号从体内探头传递到探头的附近的组织，以便消融组织。测量探头的附近的温度。通过将测量的温度与根据RF信号的时变功率及时变化的温度阈值进行比较，做出关于探头是否与组织接触的判断。

Description

消融电极与组织接触的检测

技术领域

本发明一般涉及侵入式医疗，并且具体地涉及对医用探头和组织之间的接触的检测。

背景技术

微创心内消融是用于各种类型的心律失常的治疗选择。为了实施此类治疗，医生通常通过血管系统将导管插入到心脏中来使导管的远端在异常电活动的区域中与心肌组织接触，并且接着对远端处或远端附近的一个或多个电极通电以便产生组织坏死。

用于心内消融治疗的许多系统是可商购获得的，诸如由BiosenseWebster Inc.(Diamond Bar，California)提供的CARTO^TM系统。CARTO跟踪导管远端的位置和操作参数并且将此信息以电子方式显示在三维(3D)解剖心脏标测图上。

其公开内容以引用方式并入本文的美国专利8,206,380描述一种用于测量由探头施加在组织上的接触力的方法，所述探头用于加热组织并包含连接至辐射计的天线，所述辐射计的输出读数指示在被探头接触的组织的深处的温度。该方法包括：显示辐射计的输出读数，向探头施加足够的功率以将组织加热到选择的不会使组织致死的第一温度，移动探头使其与组织接触，观察当探头与组织接触时出现的显示的温度读数的增大，以及朝组织推进探头直到显示的温度读数达到与选择的组织接触力对应的值。在组织中的探头位置已经稳定之后，可增大施加到探头的功率以将组织加热到所选择的使组织致死的第二温度并保持该温度至一段足以消融组织的时间，之后将组织加热减弱至亚致死温度。

美国专利申请公开2012/0136348，其公开内容以引用方式并入本文，描述一种医疗方法、医疗器件以及医疗系统，包括推进医疗器件的消融元件与被治疗的组织接触，选择能量的功率水平以消融组织，将选择的功率水平的能量传递到消融元件，确定消融元件是否与组织连续接触，并且当消融元件停止与组织连续接触时减小选择的功率水平。

PCT国际公开WO/9840023，其公开内容以引用方式并入本文，描述一种用于消融身体内的组织的系统，该系统具有：提供不损坏身体组织的细胞结构的能量水平的能量源、联接到能量源的导管，该导管具有电极；并且将用于感测电极的温度同时也感测不损坏身体组织的细胞结构的能量的量的装置传递到电极，该感测装置联接到导管并且联接到能量源，其中可确定电极接触心脏组织的程度(例如，无接触、适度接触、良好接触或极好接触)。

发明内容

本文所述的本发明的实施例提供一种方法，该方法包括将具有时变功率的射频(RF)信号从体内探头传递到探头的附近的组织以便消融组织。测量探头的附近的温度。通过将所测量的温度与根据RF信号的时变功率而及时变化的温度阈值进行比较来做出关于探头是否与组织接触的判断。

在一些实施例中，将所测量的温度与温度阈值进行比较包括根据RF信号的功率的四次方根设定温度阈值。在其它实施例中，该方法包括基于当探头与组织接触时联结所测量的温度和功率的四次方根的第一系数，以及当探头未与组织接触时联结所测量的温度和功率的四次方根的第二系数，在所测量的温度和RF信号的功率的四次方根之间设定比例系数。

在一些实施例中，设定比例系数包括将比例系数指定为第一系数和第二系数的平均值。在其它实施例中，该方法包括将探头是否与组织接触的指示输出给操作者。在其它实施例中，判断探头是否与组织接触包括仅当RF信号的功率高于预定水平时将所测量的温度与的温度阈值进行比较。

根据本发明的实施例，本文另外提供包括信号发生器和处理器的设备。该信号发生器被配置成将具有时变功率的射频(RF)信号传递给体内探头，用于施加到探头的附近的组织以便消融组织。该处理器被配置成接收探头的附近的温度的测量，并通过将所测量的温度与根据RF信号的时变功率而及时变化的温度阈值进行比较来判断探头是否与组织接触。

根据本发明的实施例，本文另外提供一种计算机软件产品，包括存储有程序指令的非暂态性计算机可读介质，所述指令当在将具有时变功率的射频(RF)信号从体内的探头传递到组织以便消融所述组织的消融系统中被处理器读取时导致处理器测量探头的附近的温度，并且通过将所测量的温度与根据RF信号的时变功率而及时变化的温度阈值进行比较来判断探头是否与组织接触。

根据本发明的实施例，本文另外提供一种设备，该设备包括处理器和用于与消融系统连通的接口，该消融系统将具有时变功率的射频(RF)信号从体内的探头传递到探头的附近的组织以便消融组织。该处理器被配置成接收探头的附近的温度的测量，并通过将所测量的温度与根据RF信号的时变功率而及时变化的温度阈值进行比较来判断探头是否与组织接触。

结合附图，通过以下对实施例的详细说明，将更全面地理解本发明，其中：

附图说明

图1是根据本发明的实施例操作的心脏的标测和消融系统的示意性图示；

图2是根据本发明的实施例示意性地示出用于确定消融电极组织接触的信号波形的图表；并且

图3是根据本发明的实施例示意性地示出用于确定消融电极组织接触的方法的流程图。

具体实施方式

综述

在射频(RF)消融手术中，体内探头通过患者的身体被引导进入器官或腔体中。探头的远端包括消融电极，RF能量通过该消融电极被施加到与探头接触的组织，诱导组织的局部坏死。为正确执行消融，验证探头是否确实与组织物理接触很重要。

本文所描述的本发明的实施例提供用于验证消融探头是否与组织接触的方法和系统。在本发明所公开的技术中，处理器测量在探头远侧末端处的温度，并将所测量的温度与阈值温度进行比较。如果所测量的温度超过阈值温度，则处理器确定探头与组织物理接触。如果所测量的温度低于阈值温度，则处理器确定无物理接触。处理器输出“接触/无接触”指示给手术的操作者。

在本发明所公开的实施例中，阈值温度取决于所施加的消融信号的功率水平。因此，阈值温度随时间变化，通常随着消融功率在手术期间的增加而增加。在示例性实施例中，所测量的温度可以根据斯忒藩-玻耳兹曼定律建模为与消融功率的四次方根成正比。在该模型中，比例系数根据探头与组织接触与否而不同。在该实施例中，阈值温度在两个可能的建模温度(假设接触和假设无接触)之间设定。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例操作的心脏的标测和消融系统20的示意性图示。系统20可基于例如上述CARTO系统，其中对系统软件有合适增加。系统20包括体内探头，诸如导管24，以及控制台34。通常，导管24用于患者30的心脏26的一个或多个腔室中心律失常的消融部位。而且作为另外一种选择，导管24或其它合适的探头可用于在心脏或其它身体器官中的其它治疗目的。

操作者22，诸如心脏病专家，通过患者30的血管系统插入导管24，使得导管的远端进入心脏26的腔室。操作者22推进导管，使得在导管的远端的电极28在期望的消融位点接触心内膜组织。导管24通常由合适的连接器在其近端连接到控制台34，并且具体地连接到射频(RF)发生器36，其产生射频能量以用于经由导管24传输到电极28。操作者22致动RF发生器36以在心脏中心律失常的可疑部位消融组织。

接近导管24的远端的温度传感器(未示出)，诸如热电偶，测量远端处的温度。在控制台34中的信号处理器40处理热电偶电信号并且被配置成使用如将在后面描述的本文所教导的实施例来确定远端是否与组织接触。

处理器40还可被配置成执行其它功能，诸如在身体的腔体内的导管跟踪。在示例性实施例中，系统20包括由信号源38驱动的磁场发生器32。处理器40接收来自装配在导管24的远端中的磁定位传感器的跟踪信号，诸如在如前面引用的CARTO系统中使用的。

在一些实施例中，导管24可被配置具有远端附近的孔以允许冲洗液的流动，诸如盐水溶液，以例如在消融手术期间施加RF信号后冷却组织-电极接口。

在控制台34中的处理器40通常包括通用计算机处理器，具有合适前端和接口电路，其用于接收来自导管24的信号并用于控制和接收来自控制台34的其它组件的输入。处理器40可在软件中编程以执行本文所述的功能。该软件可通过网络以电子形式下载到处理器40，例如，作为另外一种选择或除此之外，其可以在有形的、非暂态性介质，诸如光学介质、磁介质或电子存储介质上提供。而且作为另外一种选择或除此之外，处理器40的一些或全部功能可以由专用或可编程的数字硬件组件执行。

基于从导管24和系统20的其它组件中接收到的信号，处理器40驱动显示器42以向操作者22呈现心脏26的三维(3D)标测图44和在消融期间导管是否与心脏组织接触的指示。接触状态指示可以直接在标测图44(显示在显示器42上的文本)上显示给操作者，或通过任何其它合适的方法来通知操作者消融电极接触状态。可由导管24和由系统20的其它元件测量的以及在显示器42上显示的其它参数可以包括例如心脏组织的电阻抗、局部温度、以及通过导管传递的RF功率。

检测消融电极与组织的接触

在本发明的实施例中，导管24使用消融电极28附近的温度传感器(未示出)来测量其远侧末端的温度。处理器40将所测量的温度与阈值温度进行比较，这取决于下面要描述的施加到消融电极28的RF功率。处理器40然后基于该比较确定消融电极28是否与组织物理接触。

例如，如果处理器40评估所测量的温度高于阈值温度，则处理器40发送在该手术期间消融电极28与组织接触的指示给操作者22，并且反之亦然。(术语“阈值温度”和“温度阈值”在本文中互换使用。)

当RF功率施加到消融电极28时，在探头-组织接口处的温度上升取决于例如围绕电极28的流体和组织的热性质和几何形状。温度上升受正被消融的组织的热特性、组织和电极28的区域中的血液、以及施加到电极-组织接口的任何冲洗液的影响。当消融电极28与组织接触或不接触时，在电极-组织接口处的环境是不同的。

在手术治疗期间，输入至消融电极28的以瓦特为单位的功率P是已知的度量。P是大约由消融电极28辐射的功率，其通过斯忒藩-玻耳兹曼方程与电极-组织接口的绝对温度T有关。当消融电极28与组织接触时，斯忒藩-玻耳兹曼方程由下式给出：

(1)P＝A_c·T⁴

相似地，当消融电极28未与组织接触时，斯忒藩-玻耳兹曼方程由下式给出：

(2)P＝A_NC·T⁴

在方程(1)和方程(2)中的A_C and A_NC是常数，其取决于斯忒藩常数以及电极-组织接口的有效面积和电极的比辐射率ε。A_C表示当探头假设与组织接触时联结功率和温度的常数，并且A_NC表示当无接触时联结功率和温度的常数。

在电极-组织接口处的温度可以由设置在导管24的远端处的温度传感器来测量。在一些实施例中，温度传感器包括结合到消融电极中的一个或多个热电偶，使得温度T为来自所述一个或多个热电偶的电输出的平均值。

方程(1)和方程(2)可以改写为：

$\left(3\right)---T=a_C\·P^{\frac{1}{4}}$

$\left(4\right)---T=a_{\mathrm{NC}}\·P^{\frac{1}{4}}$

其中a_C和a_NC表示分别在接触和无接触情况下在所测量的温度T和消融功率P的四次方根之间的比例系数。比例系数a_C和a_NC是分别来自方程(1)和方程(2)的A_C和A_NC的倒数值。

虽然斯忒藩-玻耳兹曼方程涉及完美的黑体辐射体，但该组织通常会表现为“灰体”(例如，不是完美的黑体)，其所测量的温度T关于黑体辐射仍然与P^1/4成正比，但是具有灰体正比系数(在这种情况下a_C和a_NC)。系数a_C和a_NC的值可以通过实验计算或估算，例如在用于已知的接触和无接触情况下的P和T的分别的测量期间。作为另外一种选择，系数a_C和a_NC的值可以通过仿真、通过分析或数字建模、或者以任何其它合适的方式来计算。

本文所描述的本发明的实施例利用接触和非接触系数a_C和a_NC之间的差来确定消融电极28是否与组织接触。在这些实施例中，处理器40基于所施加的RF功率和两个系数来计算阈值温度。

在一些实施例中，阈值温度T_th从这两个系数的平均值推导并且由下式给出：

$\left(5\right)---T_{\mathrm{th}}=\left(\frac{a_C+a_{\mathrm{NC}}}{2}\right)\·P^{\frac{1}{4}}+b$

其中b是可通过实验、仿真或分析或数字建模来确定的偏置项。在可供选择的实施例中，阈值温度可基于两个系数以任何其它合适的方式计算。

通常，消融功率P在手术期间随时间变化。在通常的消融手术中，医生22逐渐增大消融功率，直至达到期望的结果或直至达到某种安全限制。在某些情况下，可以降低消融功率，例如以避免损坏。由于P是时变的并且T_th取决于P，因此阈值温度T_th是时变的并随着消融手术而改变。

图2是根据本发明的实施例示意性地示出用于确定组织与消融电极28接触的信号波形的图。该图描述八个示例性消融手术。间歇110示出其中当施加RF消融功率时电极28未与组织接触的消融手术。间歇115示出其中在消融期间电极28与组织物理接触的消融手术。

在图2中的底部图示出施加到消融电极28的RF功率P的时变波形120，作为由处理器40获取的随时间的数据采样点的函数。图2的顶部图示出测量的导管末端温度的曲线图，作为由处理器40获取的随时间的数据采样点的函数。由温度传感器随时间测量的末端温度波形140如下部图绘制在相同的水平标度上。波形130示出阈值温度T_th的相应值。正如在附图中可见的，阈值温度(波形130)是时变的并且跟踪消融功率水平(波形120)。

在这个例子中，阈值温度由方程(5)推导，其可改写为：

$\left(6\right)---T_{\mathrm{th}}=a\·P^{\frac{1}{4}}+b$

其中a表示a_C和a_NC之间的平均值。在图2的实例中，a＝6.7并且b＝26，使得方程(6)可改写为

$\left(7\right)---T_{\mathrm{th}}=6.7\·P^{\frac{1}{4}}+26$

在图2中所示的时变阈值温度波形130使用方程(7)与施加的RF功率波形120计算。

正如在附图中可见的，当消融电极未与组织接触时(在间歇110中)，所测量的温度波形140低于阈值温度波形130。当消融电极与组织接触时(在间歇115中)，阈值温度波形130高于所测量的温度波形140。这个实例证明了本文描述的阈值机制的有效性。

在本发明的实施例中，处理器40使用在图2中所示的所测量的温度和阈值温度之间的差，以评估在手术治疗期间消融电极28是否与组织接触。当在任何给定的时间间歇中(例如，在图2中示出的采样点的给定的部分中)波形140大于波形130，处理器40断定消融探头与组织接触，并且反之亦然。

在一些实施例中，处理器40仅当消融功率高于某个预定值例如5瓦特时使用上述阈值机制。发明人已经发现，该技术例如与被配置成施加冲洗液以冷却消融组织的探头一起运作良好。

在一些实施例中，基于可由系统20使用的方程(6)的算法针对这种情况由下式给出：

该算法评估当P大于预定阈值功率(例如，5瓦特)并且P大于如在方程(6)中的阈值温度时，探头与组织接触(例如，在算法中contact＝1)。

图3是根据本发明的实施例示意性地示出用于确定消融电极组织接触的方法的流程图。在传递步骤200中，导管24将RF消融信号传递到心脏的组织。RF消融信号由发生器36产生，并且其功率水平通常随时间变化。在测量步骤205中，导管24通常使用末端的附近的温度传感器来测量导管末端附近的温度。在设定步骤210中，处理器40根据如在方程(5)和方程(6)中所示的RF消融信号功率的四次方根来设定阈值温度。

在第一判断步骤215中，处理器40评估所测量的温度是否大于阈值温度。如果小于阈值温度，则在第一报告步骤220中，处理器40向操作者22报告导管未与心脏的组织接触。如果大于阈值温度，则在第二报告步骤225中，处理器40向操作者22报告导管与心脏的组织接触。

系统20可以各种方式指示导管-组织接触的存在或不存在，诸如使用在显示器42上的合适的视觉指示。在第二判断步骤230中，处理器40评估消融手术是否完成。如果未完成，则消融继续以进行传递步骤200。如果已完成，则消融手术在终止步骤235终止。

应当理解，上述实施例仅以举例的方式进行引用，并且本发明并不限于上面具体示出并描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述各种特征的组合与子组合，以及本领域的技术人员在阅读上述说明时可能想到且未在现有技术中公开的变型和修改形式。以引用方式并入本专利申请的文献将视为本专利申请的整体部分，但不包括在这些并入的文献中以与本说明书中明确或隐含地给出的定义相冲突的方式定义的任何术语，而只应考虑本说明书中的定义。

Claims (14)

1.一种方法，包括：

将具有时变功率的射频(RF)信号从体内探头传递到所述探头的附近的组织以便消融所述组织；

测量所述探头的所述附近的温度；以及

通过将所测量的温度与根据所述RF信号的所述时变功率而及时变化的温度阈值进行比较来判断所述探头是否与所述组织接触。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将所测量的温度与所述温度阈值进行比较包括根据所述RF信号的所述功率的四次方根设定所述温度阈值。

3.根据权利要求2所述的方法，包括基于当所述探头与所述组织接触时联结所测量的温度和所述功率的所述四次方根的第一系数，以及当所述探头未与所述组织接触时联结所测量的温度和所述功率的所述四次方根的第二系数，在所测量的温度和所述RF信号的所述功率的所述四次方根之间设定比例系数。

4.根据权利要求3所述的方法，其中设定所述比例系数包括将所述比例系数指定为所述第一系数和所述第二系数的平均值。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述探头是否与所述组织接触的指示输出给操作者。

6.根据权利要求1所述的方法，其中判断所述探头是否与所述组织接触包括仅当所述RF信号的所述功率高于预定水平时将所测量的温度与所述温度阈值进行比较。

7.一种设备，包括：

信号发生器，其被配置成将具有时变功率的射频(RF)信号传递至体内探头，用于施加到所述探头的附近的组织，以便消融所述组织；以及

处理器，其被配置成接收所述探头的所述附近的温度的测量，并通过将所测量的温度与根据所述RF信号的所述时变功率而及时变化的温度阈值进行比较来判断所述探头是否与所述组织接触。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述处理器被配置成根据所述RF信号的所述功率的四次方根来设定所述温度阈值。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述处理器被配置成基于当所述探头与所述组织接触时联结所测量的温度和所述功率的所述四次方根的第一系数，以及当所述探头未与所述组织接触时联结所测量的温度和所述功率的所述四次方根的第二系数，在所测量的温度和所述RF信号的所述功率的所述四次方根之间设定比例系数。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述处理器被配置成将所述比例系数设定为所述第一系数和所述第二系数的平均值。

11.根据权利要求7所述的设备，其中所述处理器被配置成将所述探头是否与所述组织接触的指示输出给操作者。

12.根据权利要求7所述的设备，其中所述处理器被配置成仅当所述RF信号的所述功率高于预定水平时将所测量的温度与所述温度阈值进行比较。

13.一种计算机软件产品，包括存储程序指令的非暂态性计算机可读介质，所述指令当在将具有时变功率的射频(RF)信号从体内探头传递到组织以便消融所述组织的消融系统中被处理器读取时，导致所述处理器测量所述探头的附近的温度，并且通过将所测量的温度与根据所述RF信号的所述时变功率而及时变化的温度阈值进行比较来判断所述探头是否与所述组织接触。

14.一种设备，包括：

用于与消融系统连通的接口，所述消融系统将具有时变功率的射频(RF)信号从体内探头传递到所述探头的附近的组织以便消融所述组织；以及

处理器，其被配置成接收所述探头的所述附近的温度的测量，并通过将所测量的温度与根据所述RF信号的所述时变功率而及时变化的温度阈值进行比较来判断所述探头是否与所述组织接触。