CN114711788A - 在心房颤动中的局部激活驱动程序分类标测 - Google Patents

在心房颤动中的局部激活驱动程序分类标测 Download PDF

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Abstract

本发明题为“在心房颤动中的局部激活驱动程序分类标测”。本发明提供了一种方法，该方法包括从与正经历心房颤动的心脏组织接触的多个电极采集相应信号，以及根据信号计算多个电极对之间的互信息度量。生成以电极作为节点、并且边缘作为节点之间的连接的图形，这些连接超过选定的互信息度量阈值。针对每个节点计算相应局部效率度量，并且对度量取平均以针对选定的互信息度量阈值制定所得局部效率。分析所得局部效率和选定的互信息度量阈值以对心房颤动进行分类。

Description

在心房颤动中的局部激活驱动程序分类标测
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年1月4日提交的美国临时专利申请63/133,723的权益，该临时专利申请以引用方式并入本文。
技术领域
本发明整体涉及心脏病学，并且具体地涉及心律失常。
背景技术
心房颤动(AF)是最常见的心律失常，预计到2050年美国将有6-1200万人受到影响，到2060年欧洲将有1790万人受到影响。射频(RF)或不可逆电穿孔(IRE)或脉冲场(PF)消融是用于AF的治疗选项，其用于改变心脏中的电波的路径。然而，为了有效地施加消融，重要的是定位AF的源或驱动器，并且实现这一点的方法是已知的。
发明内容
本发明的一个实施方案提供了一种方法，该方法由以下组成：
从与正经历心房颤动的心脏组织接触的多个电极采集相应信号；
根据所述信号计算多个电极对之间的相应的互信息度量；
生成以所述电极作为节点、并且边缘作为所述节点之间的连接的图形，对于所述连接，所述相应的互信息度量超过选定的互信息度量阈值；
基于所连接的节点之间的路径长度，计算每个节点的相应局部效率度量，该相应局部效率度量指示所述节点与连接到所述节点的其它节点之间的信息交换的效率；
对所述节点的相应局部效率度量取平均，以针对所述选定的互信息度量阈值制定所得局部效率；以及
分析所述所得局部效率和所述选定的互信息度量阈值以对所述心房颤动进行分类。
信号可以是单极或双极电压或动作电位电压与时间的关系的信号。
通常，根据信号计算包括根据信号估计局部激活时间(LAT)。
在所公开的实施方案中，心脏组织是心房的一部分，并且对心房颤动进行分类包括估计心房的重塑百分比。
在另外的公开的实施方案中，该方法包括向该方法的用户呈现心房颤动的分类。
所述多个电极可位于具有多个脊的导管上。
通常，多个电极中的最近邻的电极分隔小于3mm。
在另一个实施方案中，对所述节点的相应局部效率度量取平均由以下组成：生成直接连接到给定节点的节点的子图，计算所述子图中的每个子图的局部效率度量，以及对所计算的局部效率度量取平均。
在又一个实施方案中，所述方法包括重复生成图形的步骤，以及在递增所述选定的互信息度量阈值的同时对相应局部效率度量取平均，以便产生所得局部效率和互信息阈值的一组有序对。
可以分析所述一组有序对以对心房颤动进行分类。通常，分析所述一组有序对由以下组成：将多项式拟合到所述组，并且响应于所述多项式的一阶导数而对所述心房颤动进行分类。
在又一个实施方案中，根据所述信号计算包括：根据所述信号计算所有电极对之间的相应的互信息度量。
根据本发明的实施方案，还提供了一种设备，所述设备包括：
探头，所述探头具有多个电极，所述多个电极被配置成接触正经历心房颤动的心脏组织；以及
处理器，所述处理器被配置成：
从所述电极接收信号并根据所述信号计算多个电极对之间的互信息度量；
生成以所述电极作为节点、并且边缘作为所述节点之间的连接的图形，对于所述连接，所述相应的互信息度量超过选定的互信息度量阈值；
基于所连接的节点之间的路径长度，计算每个节点的相应局部效率度量，该相应局部效率度量指示所述节点与连接到所述节点的其它节点之间的信息交换的效率；
对所述节点的相应局部效率度量取平均，以针对所述选定的互信息度量阈值制定所得局部效率；以及
分析所述所得局部效率和所述选定的互信息度量阈值以对所述心房颤动进行分类。
附图说明
结合附图，通过以下对本公开的实施方案的详细描述，将更全面地理解本公开，其中：
图1为根据本发明的实施方案的心房颤动分类系统的示意性图解；
图2为根据本发明的实施方案的由系统的处理器执行的算法的步骤的流程图；
图3示出了根据本发明的实施方案的两个柱状图；
图4为根据本发明的实施方案的示例性示意区域信息图；
图5A和图5B为示出根据本发明的实施方案的子图的示意图；
图6A和图6B为根据本发明的实施方案的所得局部效率与互信息阈值的关系的示意图；
图7A、图7B和图7C为根据本发明的实施方案的所得局部效率与互信息阈值的关系的另外的示意图；并且
图8示出了根据本发明的实施方案的局部效率一阶导数与互信息阈值的关系的示意图。
具体实施方式
概述
虽然对于心房颤动(AF)，重要的是定位AF的驱动器，但对于对心房颤动进行分类以识别RF(射频)或IRE(不可逆电穿孔)/脉冲场(PF)消融的最佳策略也是重要的。具有显著重塑(即，心房的电生理和/或结构变化)的区域在心房颤动维护机制中可能是重要的。因此，了解心房是否已被重塑导致标测和消融策略的改进。
本公开开发了一种用于估计原纤化心房中存在多少重塑的新颖策略。
在本发明的一个实施方案中，将包括多个电极的探头插入人类患者中，使得电极接触正在经历心房颤动的心脏组织。处理器从电极采集信号，并且计算探头的每对电极之间的互信息度量。对于给定的电极对，互信息度量提供该对的信号的互依赖性的数值。(例如，如果信号彼此独立，则度量接近于零。)
处理器生成以电极作为节点，以边缘作为节点之间的连接的图形，超过选定互信息度量阈值。在一个实施方案中，选择阈值使得电极的至少50％具有连接。
处理器计算每个节点的局部效率度量，该给定节点的局部效率度量是连接到给定节点交换信息的有效节点的量度。然后，处理器对图形的局部效率度量取平均以生成选定的互信息度量阈值的所得局部效率度量。
处理器重复生成图形的步骤，以及在递增选定的互信息度量阈值的同时对相应局部效率度量取平均，以便产生所得局部效率和互信息阈值的一组有序对。然后，处理器分析该一组有序对，以便对心房颤动进行分类。
该分析通常包括估计心脏组织的重塑百分比。
在以下的描述中，附图中的类似元件由类似数字来标识，并且类似元件根据需要通过在标识数字后附加字母来进行区分。
现在参见图1，其为根据本发明的实施方案的心房颤动(AF)分类系统20的示意性图解。图1描绘了使用导管24(本文中也称为探头24)以从患者28的心脏26的组织采集单极或双极心脏内ECG(心电图)信号的医师22。导管24在其远侧端部31处包括多个脊30，这些脊可以是机械柔性的，并且在每个脊上存在两个或更多个电极32。电极32位于脊30上，使得最近邻的电极之间的间隔小于3mm。虽然图1描绘了具有五个脊的导管，但是本发明的实施方案包括具有其它数量脊的导管，以及具有多个电极的其它导管，其中最近邻的电极分隔小于3mm。
电极32经由导管24中的导体和接口34耦合到处理器36。处理器36包括处理单元42，通常是中央处理单元(CPU)，并且本文中也称为CPU 42，其耦合到存储器46。存储器46包括多个模块：ECG模块50、跟踪模块58和AF分析模块54。这些模块的功能在下文中进行描述。
CPU 42通常包括通用处理器，该通用处理器具有经编程以执行本文中所述功能的软件。例如，软件可以电子形式通过网络下载，或者另选地或除此之外，该软件可被提供和/或存储在非临时性有形介质诸如磁存储器、光学存储器或电子存储器上。
医师22经由输入装置70(诸如小键盘或指向单元)以及屏幕74与处理器36通信，并且处理器36可将由处理器在屏幕上执行的程序的结果呈现在屏幕上。
在系统20中，CPU 42可使用跟踪模块58来跟踪电极32的位置。在一个实施方案中，CPU和模块被配置成在系统20中实施高级电流位置(ACL)系统。ACL系统描述于美国专利8,456,182中。在ACL系统中，处理器基于在远侧电极32中的每个远侧电极和耦接到患者28的皮肤的多个表面电极66之间测量的阻抗或电流来估计远侧电极的相应位置。为了便于说明，图1中仅示出一个表面电极66。然后，处理器可将从远侧电极32接收到的任何电生理信号与采集信号的位置相关联。
可替代地或另外地，CPU和模块58被配置成使用电磁跟踪系统来跟踪电极32的位置，例如用于由Biosense Webster(Irvine California)生产的
Figure BDA0003454968040000051
系统中，并且如美国专利号5,391,199 5,433,489和6,198,963中所述。在这种情况下，一个或多个磁性传感器38(通常为单轴、双轴或三轴线圈)附接到远侧端部31。另外，交变磁场辐射器的集合60位于患者28的附近，通常在患者28下方。响应于来自集合60的场，在传感器38中生成的电流由模块58记录，并且模块和CPU分析电流以确定远侧端部的位置以及电极32的位置，因为远侧端部的几何形状是已知的或可以被估计。
图2是根据本发明的一个实施方案的在医师22的总体控制下由处理器36执行的算法的步骤的流程图。在流程图的初始步骤100中，当患者患有心房颤动时，医师22将探头24插入患者28中。处理器36使用模块58来跟踪探头的远侧端部31，并且医师观察屏幕74上探头的跟踪，并且操纵远侧端部，直到探头的电极32接触心房(本文假定包括心脏26的左心房)内的期望组织区段。
通常，心房内的跟踪由处理器36呈现给医师，该处理器将探头的图标叠加在屏幕74上所呈现的心房的预先采集的标测图78上。除了使用由模块58提供的跟踪之外，医师可以使用处理器36来测量电极32与附接到患者28的皮肤的返回电极80之间的阻抗，并且通过阻抗确认电极与心房组织的接触。
一旦处于适当位置，医师22就操作探头24以采集和记录每个电极32的单极信号的集合，即相对于电极80测量的电压的集合。通常，在大约2分钟的时间段内，即，对于大约150个心跳采集信号的集合，但是本发明的实施方案可以采集更短或更长时间段内的信号。通常，应记录最少30秒的AF。CPU 42将所采集的信号存储在存储器46中，并且对于每个信号，CPU使用ECG模块50来计算局部激活时间(LAT)。应当理解，由于患者28具有心房颤动，因此与窦性心律的心脏不同，在心脏中的固定位置处的一个电极的LAT值具有改变的值，即，对于150个心跳，可能存在150个不同的LAT值。
在第一分析步骤104中，CPU 42使用AF分析模块54将每个电极的一组LAT值分类为直方图的箱。通常，为了简化下文描述的计算，直方图具有等宽箱。本发明的实施方案可以使用直方图来表示LAT值的分布，在一个实施方案中，箱的数目大约为
Figure BDA0003454968040000065
其中L是集合中LAT值的数目。
图3示出了根据本发明的实施方案的两个等宽箱直方图，对于电极32X和32Y，在本文中也称为电极X和Y。在由CPU执行的计算中，假设给定箱中的值的数目给出箱的平均LAT的出现的概率
Figure BDA0003454968040000064
。
返回到图2的流程图的步骤104，模块54根据等式(1)估计多个电极对32的互信息度量：
Figure BDA0003454968040000061
其中N表示直方图中的箱的数量，
X是第一给定电极，
Y是第二给定电极，
Figure BDA0003454968040000062
和xi是电极X的直方图的第i个箱中的LAT值的数量，
Figure BDA0003454968040000063
和yi是电极X的直方图的第i个箱中的LAT值的数量，
L是每个直方图中的值总数，
Figure BDA0003454968040000071
在下文的描述中，除了另外说明的情况下，使用等式(1)估计所有电极对32的互信息度量。然而，本领域普通技术人员将能够调整描述，加以必要的变更，对于度量被估计为少于所有电极对32的实施方案，例如如果电极中的一些电极未耦合到处理器36，并且假定所有此类实施方案包含在本发明的范围内。
互信息度量是本领域已知的，并且是两个信号之间的依赖性的量度：即，基于对另一个信号的观察而获得的关于一个信号的信息量。因此，如果一个信号是另一信号的确定性函数，则它们的互信息最大化；但是，如果两个信号彼此完全独立，则它们的互信息接近于0。
在图形制备步骤108中，CPU 42使用模块54来设置互信息阈值，使得设置百分比的电极对具有高于该值的互信息值，并且然后准备图形，本文也称为区域信息图，其中图形的节点表示电极32，并且节点之间的边缘表示等于或超过阈值的连接。通常，阈值最初被设定为包括50％的电极对。
图4是根据本发明的实施方案的由CPU 42制备的示例性示意性区域信息图82。举例来说，在图82中，存在48个节点84，对应于导管的远侧端部31中的电极32的数量。边缘86连接与等于或大于互信息阈值的连接相对应的节点。
在子图步骤112中，对于区域信息图形模块54中的每个给定节点生成子图，该子图包括连接到被考虑的给定节点的一组节点。CPU 42计算所述一组中每对节点之间的最短路径作为该对之间的至少连接数，并且对于计算，该CPU认为任何给定的连接都有一单位长度。最短路径长度存储在存储器46中。
图5A和图5B是根据本发明的实施方案的区域信息图82的示意图，其分别示出节点84A的子图88和节点84B的子图90。
如图5A所示，节点84A与节点84B、84C、84D和84E分别具有四个连接或边缘86A、86B、86C和86D。因此，节点84A的子图88包括节点84B、84C、84D和84E。可以由图5A的检查确定这些节点对之间的最短路径长度，并且在表I中给出：
节点对 最短路径长度
84B-84C 2
84B-84D 12
84B-84E 8
84C-84D 12
84C-84E 8
84D-84E 4
表I
如图5B所示，节点84H与节点84J、84K和84L分别具有三个连接或边缘86J、86K和86L。因此，节点84H的子图90包括节点84J、84K和84L。与节点84A相比，节点84H的子图的节点之间没有路径。
在步骤112中，最短路径长度的倒数用于根据等式(2)计算每个节点的局部效率度量E局部：
Figure BDA0003454968040000081
其中NGi是子图Gi中的节点数，并且
Lij是子图Gi中节点i和j之间的最短路径长度。
局部效率已经用于评估脑。它表示故障容差，表明当中心节点被淘汰时每个子图交换信息的程度。
CPU 42使用等式(2)来计算区域信息图中每个节点的局部效率度量。因此，对于节点84A等式(2)，使用表I的路径长度的值，给出E局部为0.0972。
对于节点84H，因为子图的节点之间没有路径，因此E局部为0。
在平均步骤116中，对所计算的局部效率取平均，以在设定的互信息阈值处为图形提供所得局部效率。CPU 42将所得局部效率和对应的互信息阈值存储在存储器46中作为有序对。
如决策步骤120和增量步骤124中所示，CPU 42重复步骤108、112和116，在每次迭代时递增互信息度量阈值，直到达到度量的最大值，通常为约95％。在每次迭代时，CPU将所得局部效率和对应的互信息阈值存储为有序对，使得当迭代终止时，存在CPU 42可用的一组有序对。
在结果步骤128中，根据步骤116中产生的一组有序对中，CPU 42生成所得局部效率与互信息阈值的关系的图形。
图6A和图6B是根据本发明的实施方案的所得局部效率与具有不同电极间距的导管的互信息阈值的关系的示意图。在图6A中，图形200示出了由具有最小电极间距1mm的导管采集的旋转信号的模拟结果。在图6B中，图形204示出了由具有最小电极间距3mm的导管采集的旋转信号的模拟结果。
如图形200所示，存在平台期202，其中与平台的任一侧上的斜率相比，该图形的斜率减小。图形204中没有此类平台期。图形200和图形204示出了当电极间隔小于3mm时，当信号旋转时，图形中存在平台期区域。当电极间隔为3mm或更大时，该平台期不存在。
图7A、图7B和图7C是根据本发明的实施方案的具有2mm的最小电极间距的导管的所得局部效率与互信息阈值的关系的示意图。图形是心脏26的组织的不同重塑百分比的模拟结果。图形210用于10％重塑，图形214用于50％重塑，并且图形218用于90％重塑。从图形显而易见的是，10％重塑不会产生平台期，而50％重塑和90％重塑分别产生平台期216和平台期220。
为了更清楚地说明平台期的存在，在步骤128中，CPU 42拟合多项式，通常是所生成的图形的三次多项式，计算多项式的一阶导数，并且绘制一阶导数与信息阈值的关系的图形。
图8示出了根据本发明的实施方案的从图形210、214和218生成的局部效率一阶导数与互信息阈值的关系的示意图。为了产生图8的图形，CPU 42将三次多项式拟合到图形210、214和218中的每一者。然后，处理单元计算每个拟合多项式的局部效率的一阶导数，并且绘制一阶导数与互信息阈值的关系。
图形224是10％重塑图形210的一阶导数局部效率与互信息阈值的关系；
图形228是50％重塑图形214的一阶导数局部效率与互信息阈值的关系；并且
图形232是90％重塑图形218的一阶导数局部效率与互信息阈值的关系。
如图形所示，图形中的最小值的存在指示大或非常大的重塑，而对于少量，例如10％的重塑，在图中没有最小值。此外，最小值的“清晰度”(例如，最小值处的曲率半径)指示重塑程度，并且本发明的实施方案可以测量曲率半径或一些其它清晰度度量，以评估建模程度。
在步骤128中，可以在屏幕74上向医师22呈现一阶导数图形。替代地或另外地，CPU42可以确定一阶导数图形中是否存在最小值，并且如果存在最小值，CPU可以测量其清晰度。从确定CPU可以呈现结论，如屏幕74上“无显著重塑”、“中间重塑”或“高重塑”。
应当理解，在步骤128中，CPU 42可能不需要生成所描述的所有物理图形，并且CPU可以生成对应于一些图形的数据。换句话说，CPU可以仅使用来自步骤116的有序对，并且从有序对可以呈现上述一阶导数图和/或结论。
为了简单起见，以上描述假定由电极采集的信号用于形成LAT。本领域普通技术人员将能够调整描述，加以必要的变更，使用电压，通常是信号的单极或双极电压或动作电位电压，而不是LAT。
应当理解，上述实施方案以举例的方式被引用，并且本发明不限于上文具体显示和描述的内容。相反，本发明的范围包括上述各种特征的组合和子组合以及它们的变型和修改，本领域的技术人员在阅读上述说明时应当想到所述变型和修改，并且所述变型和修改并未在现有技术中公开。

Claims (24)

1.一种方法，包括：
从与正经历心房颤动的心脏组织接触的多个电极采集相应信号；
根据所述信号计算多个电极对之间的相应的互信息度量；
生成以所述电极作为节点、并且边缘作为所述节点之间的连接的图形，对于所述连接，所述相应的互信息度量超过选定的互信息度量阈值；
基于所连接的节点之间的路径长度，计算每个节点的相应局部效率度量，所述相应局部效率度量指示所述节点与连接到所述节点的其它节点之间的信息交换的效率；
对所述节点的相应局部效率度量取平均，以针对所述选定的互信息度量阈值制定所得局部效率；以及
分析所述所得局部效率和所述选定的互信息度量阈值以对所述心房颤动进行分类。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信号是单极或双极电压或动作电位电压与时间的关系的信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述信号计算包括：根据所述信号估计局部激活时间(LAT)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述心脏组织是心房的一部分，并且其中对所述心房颤动进行分类包括：估计所述心房的重塑百分比。
5.根据权利要求1所述的方法，并且包括向所述方法的用户呈现所述心房颤动的分类。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个电极位于具有多个脊的导管上。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，包含在所述多个电极中的最近邻的电极分隔小于3mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述节点的相应局部效率度量取平均包括：生成直接连接到给定节点的节点的子图，计算所述子图中的每个子图的局部效率度量，以及对所计算的局部效率度量取平均。
9.根据权利要求1所述的方法，并且包括重复生成所述图形的步骤，以及在递增所述选定的互信息度量阈值的同时对所述相应局部效率度量取平均，以便产生所得局部效率和互信息阈值的一组有序对。
10.根据权利要求9所述的方法，并且包括分析所述一组有序对以对所述心房颤动进行分类。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，分析所述一组有序对包括：将多项式拟合到所述组，并且响应于所述多项式的一阶导数而对所述心房颤动进行分类。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述信号计算包括：根据所述信号计算所有电极对之间的相应的互信息度量。
13.一种设备，包括：
探头，所述探头具有多个电极，所述多个电极被配置成接触正经历心房颤动的心脏组织；以及
处理器，所述处理器被配置成：
从所述电极接收信号并根据所述信号计算多个电极对之间的互信息度量；
生成以所述电极作为节点、并且边缘作为所述节点之间的连接的图形，对于所述连接，所述相应的互信息度量超过选定的互信息度量阈值；
基于所连接的节点之间的路径长度，计算每个节点的相应局部效率度量，所述相应局部效率度量指示所述节点与连接到所述节点的其它节点之间的信息交换的效率；
对所述节点的相应局部效率度量取平均，以针对所述选定的互信息度量阈值制定所得局部效率；以及
分析所述所得局部效率和所述选定的互信息度量阈值以对所述心房颤动进行分类。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述信号是单极或双极电压或动作电位电压与时间的关系的信号。
15.根据权利要求13所述的设备，其中，根据所述信号计算包括：根据所述信号估计局部激活时间(LAT)。
16.根据权利要求13所述的设备，其中，所述心脏组织是心房的一部分，并且其中对所述心房颤动进行分类包括：估计所述心房的重塑百分比。
17.根据权利要求13所述的设备，其中，所述处理器被配置成向所述设备的用户呈现所述心房颤动的分类。
18.根据权利要求13所述的设备，其中，所述多个电极位于具有多个脊的导管上。
19.根据权利要求13所述的设备，其中，包含在所述多个电极中的最近邻的电极分隔小于3mm。
20.根据权利要求13所述的设备，其中，对所述节点的相应局部效率度量取平均包括：生成直接连接到给定节点的节点的子图，计算所述子图中的每个子图的局部效率度量，以及对所计算的局部效率度量取平均。
21.根据权利要求13所述的设备，并且包括重复生成所述图形的步骤，以及在递增所述选定的互信息度量阈值的同时对所述相应局部效率度量取平均，以便产生所得局部效率和互信息阈值的一组有序对。
22.根据权利要求21所述的设备，并且包括分析所述一组有序对以对所述心房颤动进行分类。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，分析所述一组有序对包括：将多项式拟合到所述组，并且响应于所述多项式的一阶导数而对所述心房颤动进行分类。
24.根据权利要求13所述的设备，其中，根据所述信号计算包括：根据所述信号计算所有电极对之间的相应的互信息度量。
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