CN117157007A - 用于测定胃肠道参数的具有腔内阻抗的高分辨率测压法(hrmz) - Google Patents

用于测定胃肠道参数的具有腔内阻抗的高分辨率测压法(hrmz) Download PDF

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Abstract

管腔内阻抗记录用于使用各种记录协议和使用欧姆电定律得出的算法来计算管腔横截面积，或换言之，计算食管/胃肠道在蠕动期间的扩张。另外，提供了食管蠕动的扩张‑收缩图的多个视觉显示，这允许容易地估计蠕动的松弛阶段和收缩阶段。就食管而言，这些扩张‑收缩图可以用于诊断胃肠道的其他区域或食管的失调，这些失调可导致诸如困难吞咽(吞咽困难)、烧心以及胸痛的症状。此外，可以使用这些方案和算法来研究药理学试剂/药物对扩张‑收缩测量的影响，以治疗患有食管症状的患者。

Description

用于测定胃肠道参数的具有腔内阻抗的高分辨率测压法 (HRMZ)
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年10月30日提交的美国临时申请序列第63/107,589号的权益，其内容通过引用并入本文。
背景技术
食管(大约25厘米长的管)将嘴连接至胃。其主要功能是将食物和其他被吞咽物质从嘴和咽部转移到胃中。食管的上端和下端分别被上食管括约肌和下食管括约肌保护。上食管括约肌将食管与咽部和气道分开。另一方面，下食管括约肌将食管的下端与胃分开。这些括约肌是瓣膜状结构，并且除了在吞咽、打嗝、反流和呕吐动作期间之外始终保持闭合。
吞咽的每个动作引起上食管括约肌和下食管括约肌的松弛，随后是食管蠕动。后者由两个阶段组成，初始抑制或松弛阶段，随后是收缩阶段(从食管的顶部至底部顺序行进的食管闭合环)。食管的功能障碍/功能紊乱导致困难吞咽、胸痛、烧心和反流症状。烧心和反流的症状(也称为胃食管反流或GERD)在一般人群中是常见的。困难吞咽也称为吞咽困难在一般人群中也是相当常见的。
当具有吞咽困难症状的患者前往医师处进行诊断时；在仔细询问病史之后，医师通常会下各种化验以确定其症状的原因。通常，X射线研究，也称为钡吞咽研究，是第一次化验。它评估吞咽困难的原因，诸如肿瘤、狭窄、来自胸部结构的食管压迫)以及阻碍吞咽内容物平滑转移到胃中的其他可能的病因。上内窥镜检查或EGD(食管-胃-十二指肠镜检查)通常是下一化验。人们可以使食管和胃的内部可视化以诊断吞咽困难和食管症状的各种原因。如果钡吞咽和上内窥镜检查是正常的，则具有管腔内阻抗的高分辨率测压法(HRMZ)是下一个有序的化验。测压法测量食管管腔内的压力。另一方面，HRMZ的阻抗部分记录吞咽的食团(bolus)在其沿着管的长度通过时的传输。食管的长时间管腔内阻抗记录也用于检测GERD，但是不同于HRM记录期间使用的阻抗记录，以记录在吞咽诱导蠕动期间食团的传输。
HRMZ是用于诊断食管活动障碍的当前黄金标准化验。这些运动性障碍包括食管失弛症、弥漫性食管痉挛、胡桃夹食管、食管胃连接处流出道梗阻(EGJOO)和无效食管动力障碍。研究显示大量患有吞咽困难的患者食管功能测试正常，包括吞咽钡、EGD检查和HRMZ记录。我们的估计是涉及吞咽困难测试的多于50％的患者具有正常记录，并且这些患者被认为具有功能性吞咽困难，这意味着原因不明的吞咽困难。
食管蠕动的初始或第一阶段，即蠕动的松弛阶段允许食管打开以容纳/摄取食团并且不能被HRMZ记录精确测量。目前临床使用HRMZ记录的局限性在于它只能准确评估蠕动的收缩阶段，而不能准确评估松弛阶段。食管的松弛允许它以最小的阻力扩张，使得食团可以穿过食管。
发明内容
本文描述的系统和方法允许人们在诊断不明原因的吞咽困难时可视化地显示和量化扩张收缩参数。研究已经显示，收缩之前的食管扩张程度是松弛的替代，并且可以从HRMZ记录的管腔内食管阻抗部分来测量。本文描述了一种使用管腔内阻抗测量来测量食管在蠕动期间的扩张的方法。使用该方法，在正常健康受试者中已描述了吞咽诱导的扩张-收缩曲线的特征，例如，扩张的幅度和持续时间从近侧食管到远侧食管增加。此外，已经发现在扩张和收缩之间存在独特的时间关系，即，扩张的波动以与收缩以一种紧密的关系行进，尤其是在垂头仰卧位(Trendelenburg position)(受试者的头端低于脚端)。计算机软件已经开发出来，该计算机软件可以在吞咽诱导蠕动期间生成食管的扩张-收缩曲线，量化扩张的振幅，以及从HRMZ研究中得到的扩张-收缩波形之间的时间关系。研究显示，困难吞咽并且具有正常钡吞咽、上内窥镜检查和HRMZ记录(根据当前方案进行)的许多患者在蠕动的松弛阶段具有异常。这些患者的食管扩张情况不如正常健康受试者。
提供本概述以便以简化形式介绍将在以下详细说明中进一步描述的概念的选择。本概述并不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任何部分中指出的任何或所有缺点的实现方式。应当理解，上述主题可被实现为计算机控制的设备、计算机进程、计算系统或诸如一个或多个计算机可读存储介质之类的制品。通过阅读以下详细描述和审阅相关联的附图，这些和各种其他特征将变得明显。
附图说明
图1示意性地示出了位于食管腔中的HRMZ导管，以说明管腔内阻抗测量的原理。
图2示出了与圆柱形介质的电阻相关的参数。
图3A示出了食管内部的导管的网格模型，该导管位于下食管处的食团旁边；图3B示出了导管的电极；图3C示出了正向和反向模型，以及图3D示出了能够示出食团的重建的电导率图像。
图4示出了同时使用两个非重叠色图的阻抗压力热图的示例(以伪色描绘)。
图5示出了覆盖在压力上的阻抗梯度流线图的示例(以伪色描绘)。
图6示出了10cc盐水吞咽部的扩张-收缩图的示例(以伪色描绘)。
图7示出了扩张-收缩图的示例，其中扩张被描绘为波形并且压力被描绘为热图。
图8和图9示出了10cc盐水吞咽部的扩张-收缩波形片段(montages)的示例。
图10示出了10cc盐水吞咽部的扩张性图的示例。
图11示出了10cc盐水吞咽部的扩张-张力图的示例，其中扩张被示出为波形并且张力被示出为热图(以伪色描绘)。
图12示出了说明性食管长度张力环的图。
图13示出了说明性食管压力-半径放样(lofts)图。
具体实施方式
介绍
为何可视化管腔内扩张在评估GI运动障碍时具有重要的临床意义，存在若干原因：
1.食管的吞咽和扩张诱导LES松弛：适当的下食管括约肌(LES)松弛是必要的，以便允许食物或液体进入到胃中。然而，LES肌肉并不总是完美地工作。有时它太弱而不能保持完全闭合，使得胃内容物反流到食管中。还已知在横纹肌或平滑肌段的水平上的食管扩张可引起LES松弛。因此，食管壁的不良扩张可以是食管中食团运输困难的原因，并且因此可能导致困难吞咽或吞咽困难。因此，为了评估临床实践中的食管运动问题，能够使食团输送可视化并量化食管腔中的局部扩张将是非常宝贵的工具。
2.食管的横截面积(CSA)或收缩之前的食管的扩张是蠕动的松弛阶段的间接测量，这不能通过当前记录技术测量。食管的扩张相当于货物(食团)到达其目的地(即，胃)必须经过的高速公路的尺寸。扩张不良的食管类似于一条狭窄的高速公路，通过该狭窄的高速公路，食团必须被迎面而来的蠕动收缩挤压通过以到达胃。因此，蠕动的扩张阶段的异常将导致食物和其他吞咽材料难以从嘴进入到胃中。因此，精确测量蠕动的扩张阶段是至关重要的，并且当前可用的技术无法对其进行精确测量。
3.食团头部和尾部的运动：静止时，食管本体具有少量的音调(tone)，它大部分是静止的，可以包含少量的空气并且反映胸腔内胸膜压力。X射线透视检查显示，在直立状态下饮用一团液体或钡食团，该食团快速从咽部行进至食管，然后进入到胃中。放射学检查揭示，在初始吞咽的几秒内，液体钡食团的头部通常进入远端食管，这主要是由于咽部的强大的“泵状”功能并且由重力辅助。几秒钟后，食管的连续收缩(蠕动)沿食管的长度扫下并且将食团推进胃中，固体食物食团也需要蠕动收缩以推进到胃中。食团从初始吞咽到进入到胃中大约需要8秒至10秒。在直立姿势下，液体钡食团的头部比其尾部移动得快得多，但在卧姿下，两者以大约相同的速度移动，并且在垂头仰卧位更是如此。因此，可视化食团头部和食团尾部的运动也与评估食管蠕动障碍中相关。我们的研究表明，对于患有不明原因的吞咽困难的患者，食管不会很好地扩张(食管狭窄)，并且因此食团可以以更高的食团流动速率和速度行进，导致食团的头端较早到达远端食管中。在一些患者中，由于食管的闭合管腔，食团被卡在远端食管中。
4.食团流动速度和食管壁的生物力学性能：不良的扩张导致狭窄食管，从而改变食团流动特性，1)食团快速流过狭窄食管，这导致食团更快地到达远侧食管中，以及2)食管的扩张减少和食管的管腔中的较高压力表明在运输期间食管壁的较差的扩张性和较大的食管壁张力。这些变化可以导致吞咽困难或食团堵塞，并可能导致食管疼痛。
程序
本文描述的方法可以按以下方式对受试者进行。将HRMZ导管经鼻置入受试者的食管和胃后，要求受试者吞咽已知浓度的盐水(例如，0.5N盐水和0.1N盐水)。可以使用各种体积的吞咽食团，例如5ml盐水、10ml盐水和15ml盐水。可以使用例如0.5N盐水导电率的粘性食团替代盐水食团来评估食管的横截面积和食团流动特性。
典型的HRMZ导管通常具有36个压力传感器(相距1cm)和18个阻抗电极(相距2cm)。然而，更一般地，可以采用具有任何数量的压力传感器和阻抗传感器的HRMZ导管。在这些记录期间，受试者可以被定位在仰卧位或垂头仰卧位。当研究盐水食团时，后者位置是有利的，因为空气和盐水在它们穿过食管时被分开，这增加了从记录的阻抗值测量横截面积(CSA)的准确度。还可以使用含有不同食团体积(例如，5cc、10cc和15cc)的两种浓度(例如，0.1N和0.5N)的盐水(在水浴中加热至体温)的吞咽物，受试者以垂头仰卧位躺下以提高从记录的阻抗值获得的CSA测量的准确度。通过求解由两个盐水溶液产生的两个代数欧姆定律等式来评估每个电极对处的食管的CSA。通过使用已知CSA的玻璃试管中体外(使用相同的方法)测试计算的校正因子，可以改进CSA评估。
食管中的CSA评估
多通道管腔内阻抗(MII)是用于估计食团运输/清除以及监测食管中的酸性/非酸性反流监测的当前黄金标准。然而，当前使用形式下的MII既不能解决食管的食团形状也不能解决管腔扩张。在20世纪90年代早期将多通道管腔内阻抗(MII)引入到GI团体中以解决食管功能测试的先前局限性，诸如缺乏检测食团转运的能力以及反流液(液体、气体或混合物)和非酸性GER的特性。MII连同测压法允许确定食团的存在及其与蠕动的关系。MII检测由食管管腔中的食团的存在引起的电导率的变化。传统的管腔内阻抗测量使用间隔2cm的环形电极。这些环形电极可以具有不同的直径(通常范围从2mm至4mm)和各种高度(例如，4mm)。典型的MII导管由纵向以2cm间隔定位的8个不锈钢环组成。还开发了MII探针的更复杂的数学模型，如例如在2004年卡萨布有限公司、朗蒂斯有限公司和格雷格森(KassabG.S.,Lontis E.R.,Gregersen H.2004)在生物医学工程期刊，第32卷，第1642–1653页(Ann.Biomed.Eng.32,1642–1653)中讨论的“使用阻抗导管测量冠状动脉管腔面积：有限元模型和体外验证”。这些模型证明了由电极间距、电极长度、通道数量和导管半径引起的对测量的影响。MII连同测压法(以组合的HRMZ系统的形式)允许待确定食团(不是它的形状)的存在及其与蠕动的关系。
MII检测的是由存在于食管管腔中的食团引起的电导率变化。在没有食团时，通过食管内衬和胸腔内结构确定阻抗。食团的存在由于其高离子含量而降低了阻抗。MII测量采用施加在纵向布置在探针上的两个环金属电极之间的交流电。以下物理(电学)原理可以用于计算管腔中的食团输送期间的管腔横截面积/扩张。
电通量(Φ)可以被定义为：
Φ＝EAcosθ (1)
其中，θ是由表面横截面积A的法线与电场E形成的角度。
如参考图1所示，电极之间的阻抗取决于食团成分，以及在蠕动和食团传送期间食管管腔的横截面积的变化。在HRMZ系统中由MII利用的测量电流通常具有6μA的振幅和1kHz至2kHz范围内的频率。然后将这两个纵向布置的环形电极之间的阻抗计算为：
其中，Z是阻抗，U表示电势，I是电流，并且Qx是食管管腔的横截面积。然而，找到函数‘f’不是一项简单的任务。目标是找到与食管横截面扩张和阻抗测量相关的函数(回归)，如图2所示，以用于圆柱形介质。
当电流通过食管的长度时，它的流动会遇到一个反向或阻抗(Z)，从而导致能量损失。该阻抗不仅是由于食道段位于电极对之间，而且由于电流泄漏到周围身体，电场附近的组织/器官也会产生这种阻抗。通常，阻抗将是复杂的，由两个分量组成：Z＝R+jX、电阻(能量耗散)和无功(能量守恒)部分，其中，响应的幅度和相位通常将是频率相关的。在低频，如在普通HRMZ系统中使用的那些，电流穿过细胞外流体(ECF)空间，并且不穿透细胞膜，从而减少了它们的电容效应(XC＝1/iωC≈0，ω是角频率，电容由C表示)。因此，阻抗变得等同于电阻。类似地，阻抗的倒数(即，导纳)变得等同于电阻的倒数，即由G表示的电导。此外，如上所述，几何系统的电阻与导体长度、其横截面积及其固有性能(即，电阻率)相关，
R＝L×ρ/CSA (3)
其中，ρ表示导体材料的电阻率(Ω-m)，L表示导体的长度(m)，并且CSA是横截面积(m2)。因此，只要等式中的所有其他参数是已知的，可使用等式(3)来计算CSA。
可以使用HRMZ系统从MII测量值获得食管电阻抗(或等效电阻)。然而，基于先前的讨论，总电阻将是落入电极对之间的电场中的所有组织/器官的加权和，而不是仅食管，这会引起患者间阻抗值可变性，特别是基线差异。
如以下所解释的，在一些实施例中，本文描述的系统和方法可以采用在单次食团被吞咽时进行测量的程序，而在其他实施例中，本文描述的系统和方法可以采用在两次食团被顺序地吞咽时进行测量的程序。将依次讨论这些实施例中的每个实施例。
使用单一盐水浓度食团的CSA评估
本文描述了吞咽单一食团的两个实施例。在以下讨论的第一情况下，考虑食管周围组织和器官的电导来决定CSA，在第二实施例中，忽略食管周围组织和器官的电导来决定CSA。
假设食管具有表示为Geso的电导(电阻的倒数)，并且周围组织和器官具有表示为Gperim的电导，并且测量的电导Gmeas为，
Gmeas＝Geso+Gperim (4)
在t0时刻，在基线处，假设食管管腔内不存在任何食团并且管腔收缩(CSA＝0)，基于等式(3)，Geso变为
将(5)代入等式(4)，
接下来，在t1时刻，在电阻率为ρ0.5Nsaline的食团吞咽(例如，0.5N)期间，
求解等式(6)和等式(7)，并且假设周围组织电导率保持相同我们可以获得食管管腔CSA，
其中CS Aeso表示食管在电极对之间(它们之间的距离L)的特定高度处的CSA，并且σsaline表示所使用的盐水溶液的电导率(电阻率的倒数)。
使用等式(8)获得的CSAeso值可以通过使用校正因子来细化以改进其准确度，该校正因子是通过在已知直径的玻璃管中进行相同的体外过程获得的。通过这种方式，(基于电极间隔、形状等)计算出每个管的CSA评估误差。接下来，进行非线性回归以获得每个管和每个管之间的CSA的校正因子。最后，在体内，结合体外评估的校正因子使用等式(8)，在任意电极对位点产生最终的CSA。
现在将描述忽略围绕食管的周围组织和器官的CSA的计算。假设食管具有表示为Geso的电导(电阻的倒数)，并且周围组织和器官具有表示为Gperim＝0的电导，基于等式(4)，测量的电导Gmeas变成，
Gmeas＝Geso (9)
在t0时刻，将等式(9)代入等式(3)，
因此，CSA变成，
如前所述，使用等式(11)获得的CSAeso的值可使用通过执行相同过程(即，在体外在已知直径的玻璃管中)获得的校正因子来细化以改进其准确度，并且针对每个管计算使用等式(11)的CSA评估误差。接下来，进行非线性回归以获得每个管和每个管之间的CSA的校正因子。最后，在体内，结合体外评估的校正因子使用等式(11)，在任何电极对位点产生最终的CSA。
接下来，呈现了本文描述的系统和方法的实施例，其中在连续吞咽两个食团的同时进行测量。这些实施例采用最初由卡萨布(Kassab)等人(上文引用)在心脏病学中引入的改良的技术，以使用专门的导管测量冠状血管的CSA。该技术被细化并且适于使用HRMZ测量在蠕动期间测量食管的CSA。卡萨布等人引入了用于冠状动脉的技术(参见2005年卡萨布有限公司、路特斯和霍利克(Kassab G.S.,Lontis E.R.,HorlyckA.,Gregersen H.2005)在《美国生理学杂志：心脏与循环生理学》第288卷第2014–2020页(Am.J.Physiol.HeartCirc.Physiol.288,H2014–2020)的“用阻抗导管测量中等尺寸动脉管腔面积的新方法：体内验证(Novel Method For Measurement Of Medium Size Arterial Lumen Area WithAn Impedance Catheter:In Vivo Validation)”，该技术使用具有已知电导率的盐溶液的两次食团注射来瞬时置换血液并且有效地最小化血液动力学诱导的血液电导变化，以用于分析确定血管横截面积(CSA)以及通过血管壁和周围组织的电流泄漏(平行电导)。
根据这个程序，在t1时刻，使用例如已知电阻率ρ0.1 N saline的0.1N体积盐水，使用等式(4)我们获得以下各项：
接下来，使用相同的等式在时间t2进行相同的操作，插入相同体积的具有不同浓度(例如，0.5N)的电阻率ρ0.5 N saline，
求解等式(12)和等式(13)，并且假设周围组织电导率保持相同我们可获得食管管腔CSA，
其中CS Aeso表示食管在电极对之间(其中L是它们之间的距离)的特定高度处的CSA，并且σsaline表示所使用的盐水溶液的电导率(电阻率的倒数)。
再一次，使用等式(14)获得的CS Aeso的值可以使用校正因子被细化以提高其准确度，该校正因子通过在已知直径的玻璃管中在体外执行相同过程而获得，并且针对每个管计算使用等式(14)的CSA评估误差。接下来，进行非线性回归以获得每个管和其间的CSA的校正因子。最后，在体内，结合体外评估的校正因子使用等式(14)，在任何电极对位点产生最终的CSA。
为了将能力扩展到吞咽的整个持续时间，存在一个要克服的重要障碍，那就是两个盐水食团的吞咽的‘持续时间’尽管相似，但可能不完全相同。后者意味着在减法之前，对应的波形必须对于所有阻抗通道在时间上对准。在一个实施方式中，在迈尔斯(Myers CS)、拉宾纳(Rabiner LR)在1981年《贝尔系统技术期刊》第60卷第10页(The Bell SystemTechnical Journal 1981；60:10.)中发表的“用于连字识别的若干动态时间扭曲算法的比较研究(A Comparative Study Of Number Dynamic Time-Warping Algorithms ForConnected Word Recognition)”中描述的“动态时间扭曲”可用于此目的，这是在语音处理中发现两个波形之间的最佳对准的公知技术。在当前情况下，动态时间扭曲可被用来对齐两个盐溶液波形，此后CSA评估过程可使用等式(14)。一旦在常规食管HRMZ测试期间实施双食团方案，计算机程序就可以用于在食团横过食管长度时呈现食团的显示。以此方式，如果受试者处于垂头仰卧位躺下时，先前的CSA评估将更稳健，因为它允许吞咽的空气与盐水食团分离。注意，随着吞咽食团的粘度增加，可以在仰卧位进行记录，因为仰卧位的粘性食团以类似于垂头仰卧位的盐水食团的方式在食管行进。
使用食管阻抗断层摄影术的CSA评估
一种更先进的CSA计算方法利用了吞咽液体或固体食团时食管管腔内的电导率变化。该方法使用在软场成像中采用的逆建模技术。这种方法导致电导率(变化)图像的重建，其中食团可以随后使用计算机视觉技术分割出来。后者可以使用当前使用的、经鼻插入的、具有不同电流注入电压拾取方案的相同导管来实现。特别地，目前用于HRMZ的导管具有单一的圆形电极带。然而，为了在食管阻抗断层扫描中使用，每个电极环将由每个环中的多个电极组成。这种布置在图3B中示出，其示出了导管110和电极112。
在每个食管水平(level)上，将电流注入到一个电极对中并且记录其他电极之间的电压。例如，对于相邻协议，可以连续移动注入，以便通过使用单频(50kHz)或多频(高达1MHz)使用所有电极对。横跨食管本体Ω产生的电压场的控制等式是：
其中σ是介质的电导率，φ是电势，ω是频率，并且ε是介电常数。为了评估σ(即，食管组织传导率)，必须解决以下两个问题：正向和反向。正问题是为食管中的已知电导率分布确定电压分布的问题，而反问题包括使用导管表面处的测量电压来重建电导率图像。
如果我们用g(m)＝d表示前向算子g，其中m是模型，并且d是边界测量电压向量，目标是建立一种模型，该模型产生实际测量的电压，通过dT表示，最简单的方法是最小化以下总和，该总和是平方误差总和的最小值，
其中F表示弗罗贝尼乌斯范数。
现在，假设没有模型零空间并且仅需要如等式(7)中所描述的数据失配项来解决反问题，如果我们可以以某种方式使g运算符线性化，我们可以使用诸如共轭梯度(CG)的线性方法来推导等式(16)的关键点。这可以通过使用泰勒展开式来线性化参考模型m0邻域中的正问题来完成，
忽略高阶项，
g(m)＝g(m0)+G(m-m0)(18)
其中，G是矩形矩阵，该矩形矩阵给出了m＝m0时正问题对模型参数的灵敏度：
接下来，我们可以使用这个泰勒展开式来使反问题线性化，
d＝g(m)≈(m0)+G(m-m0) (20)
假设，δd＝d-g(m0)；δm＝m-m0，表示扰动，因此
δd＝Gδm (21)
这是关于m＝m0的m的扰动的线性化反问题
由于问题是不适定的(测量中的小误差可能会在重建中引入大误差)，等式(17)中的电压误差的最小化不太可能产生任何好的结果。这是因为在实践中，线性最小二乘计算通常涉及奇异矩阵或数值奇异(小特征值)的矩阵。对于独特的解决方案，我们必须添加一些与电导率有关的附加信息，这些附加信息独立于被称为现有技术的数据。正则化减轻了这些奇异性。这可以通过丢弃小的特征值来完成，或者可以将解的大小以及数据失配置于不利地位(penalize)。换言之，(17)的最小化问题可以写为：
min(||δdT-G(δm)||2+λ||Rδm||2) (22)
等式(22)的第一项是数据失配项，并且第二项被称为正则化项。容差系数(fudgefactor)(或超参数)λ控制两个项之间的权衡，并且不仅考虑使范数(norm)本身最小化的可能性，而且考虑模式的某个线性函数(即R)的范数。如果n＝0,1,2……且/>是n阶离散差分算子。在这种情况下，等式(22)中的第二项将模型的斜率、粗糙度或更高阶导数置于不利地位。如果寻求光滑解，这将是有用的。而且，还可以进行灵敏度分析，以估计和找到电极形状的最佳配置，以及使用食管造影(esophageal phantom)的不同的电流注入、电压拾取协议。
先前讨论的方法的有限元模拟结果显示在图3A至图3D中，其中，食团由位于-11cm(半径为1.5cm)的深度处的圆形内含物表示，并且随后添加具有变化衰减(seeds)的12dB高斯伪随机噪声。为了获得真实的电阻率(或电导率)，应当求解正向和反向模型。此外，通过仔细地选择边缘保持先验(edge-preserving priors)，允许食团存在的更连贯区域和对比区域。
如从图3C至图3D中可以清楚地看出，重建的电导率在很大程度上正确地定位了食团以及其形状。上述技术的益处是它可以扩展到多频率以允许不仅表征食团，而且实时表征食管壁组织(例如，灌注的变化，其也引起电导率变化)和环境，从而允许液体食团和固体食团两者的可视化。
应注意，当使用固体食团进行食管阻抗断层摄影术时，使患者以垂头仰卧位躺下或必须服用已知导电性的食团不是必需或有利的。
食管参数的确定
可以从使用本文所描述的系统和技术获得的测量值确定与食管相关联的若干参数。例如，拉普拉斯(LaPlace’s)定律可以用于计算食管壁中的张力。应用于管或管道的这种几何定律规定对于给定的内部流体压力，壁张力将与容器的半径成比例。因此，在计算横截面积(假定是圆形几何形状)之后，可以评估食管壁在每个位置处的半径并且将其乘以相同传感器位置处的压力。这可以在吞咽(咽部开口)之前，在每个传感器位置处的参考食管压力点的压力值减去或不减去压力值的情况下进行。
可以确定的另一个参数是食管中的扩张性。一旦在每个位置处获得食管壁的横截面积，就可以通过用压力(CSA/压力)划分CSA来获得扩张性。这可以在吞咽(咽部开口)之前，在每个传感器位置处的参考食管压力点的压力值减去或不减去压力值的情况下进行。
可以确定和显示食管中的任何数量的(例如，36个)位置中的每个位置处的管腔横截面积(长度)和张力。张力被计算为管腔半径(从横截面积导出)乘以压力。这些长度张力环反映了食管中的每个位置处的食管肌肉所做的工作。同样地，可以确定和显示食管中的任何数量的(例如，36个)位置中的每个位置处的半径(长度)和压力。这些环的面积反映了食管肌肉在食管中每个位置处或它们在食管的特定区域处的总和所做的工作。另外，食管中的任何数量的(例如，36个)位置中的每个位置处的管腔半径(长度)和扩张性也可以被确定和显示为长度扩张性环。
不同食管提取的参数(例如，压力或压力导出参数、阻抗或阻抗导出参数、电压、电流等)可以在任何适合的和方便的计算机处理装置上输入、可视化(显示)和分析，该计算机处理装置包括但不限于个人计算机、平板计算机、智能电话、智能眼镜和其他手持式或可穿戴装置。
腹壁的扩张和收缩阶段的可视化
可以对使用本文描述的系统和技术获得的HRMZ记录和测量进行分析以生成可以以各种不同方式显示的扩张-收缩参数的图。这些图可通过可在任何适当且方便的计算机处理装置上执行的软件产生，该计算机处理装置如先前所述可包含(但不限于)个人计算机、平板计算机、智能电话、智能眼镜和其他手持式或可佩戴装置。除其他事项之外，软件程序可以用于生成食管在蠕动期间的扩张-收缩曲线，量化扩张的振幅以及扩张-收缩波形之间的时间关系。下文将描述可产生和显示的多个说明性图。
图4示出了用于阻抗和压力的同时可视化的阻抗压力热图的说明性显示，使用非重叠色图来描绘(并且在图4中使用伪色示出)。相反，常规显示器将压力呈现为热图，并且将阻抗呈现为特定颜色(例如，紫色))的单个阴影。图4中所示的显示器可被可视化为2D中的图像或3D中的表面。
图5示出了覆盖在压力热图上的阻抗梯度流线(在图5中使用伪色描绘)的说明性显示。流线允许快速可视化移动通过低电阻区域的食团，该低电阻区域通过沿着阻抗梯度场的方向移动而允许更多的流动。这是通过使用前向欧拉预测得到的梯度场的流线来实现的。这也允许使用地形流线分析方法来从曲线中提取进一步的信息和特征。
在又一示例中，可以生成并显示2D和3D扩张-收缩图。通过把收缩和扩张显示为信号/波形，或者把扩张显示为波形以及把压力显示为热图，或者把扩张显示为热图以及把压力显示为波形，可以实现蠕动期间食管扩张和收缩的同时可视化。图6示出了10cc盐水吞咽部的说明性扩张-收缩图，其中在一种颜色中扩张并且在另一种颜色中收缩(在图6中使用伪色描绘)。同样地，图7示出了说明性的扩张-收缩图，其中扩张显示为波形，压力显示为热图(在图7中使用伪色描绘)。
图8和图9示出了10cc盐水吞咽部的说明性扩张-收缩波形片段(montages)(圆柱形和实际几何形状两者)。图8示出了正常受试者，并且图9描述了患有胡桃夹食管的患者。这些波形片段可被描绘成2D、3D或视频。波形片段可以在指定的时间间隔内可视化整个吞咽周期。在这种形式的可视化中，食管的扩张可以以圆柱形(网格)几何形状或实际的解剖食管几何形状显示。同时，每个传感器位置处的压力可以被映射在网格上，以用于以另一格式同时显现扩张-收缩。
可以被可视化的又一特征是在整个吞咽期间的扩张性，其可以作为图像呈现，或者在如前所述的将被映射到食管扩张网格的每个传感器位置处被呈现，但是是在网格上覆盖扩张性而不是压力。该特征可以显示为示出整个吞咽的单个图像，或被显示为具有指定帧速率的视频。图10是10cc盐水吞咽部的说明性的扩张性图。
可以被可视化的另一特征是整个吞咽期间的张力，其可以作为图像呈现，或者在如前所述的将被映射到食管扩张网格的每个传感器位置处被呈现，但是是在网格上覆盖扩张性而不是压力。该特征可以被显示为示出整个吞咽的单个图像，或被显示为具有指定帧速率的视频。扩张也可被覆盖在张力热图上，如图11所示，其为10cc盐水吞咽的说明性扩张-张力图，其中扩张被示出为波形，张力被示出为热图。
图12和图13中示出了附加特征。特别地，图12示出了如前所述的说明性食管长度张力环，并且图13示出了如前所述的说明性食管压力-半径放样(lofts)。
使用本文描述的系统和方法获得的管腔CSA测量值已经针对黄金标准(即，管腔内超声图像)进行了验证。基于这些系统和方法，食管中的任何地方的最大管腔CSA被确定为大约200mm2。与这些经过验证的系统和方法相比，其他技术似乎并非同等地得到验证。例如，美国专利第10,143,416号使用了一种不同的算法方法,该算法方法在管腔CSA的计算中需要吞咽食团的体积。相反，本文描述的算法方法不使用吞咽食团的体积作为参数。其他技术，例如在WO 2012/034168 A1中描述的，使用阻抗和压力测量来评估口咽和食管运动功能。然而，它没有示出用于测量管腔截面积的技术。
本文所描述的不同实施例可以在方法步骤或过程的一般背景下进行描述，在一个实施例中，这些方法步骤或过程可以由计算机程序产品来实现，该计算机程序产品体现在例如非瞬态计算机可读存储器中，包括计算机可执行指令(诸如程序代码)，这些指令由网络化环境中的计算机执行。计算机可读存储器可包括可移动和不可移动存储装置，包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、光盘(CD)、数字多功能盘(DVD)等。通常，程序模块可包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。计算机可执行指令、相关联的数据结构和程序模块表示用于执行本文所公开的方法的步骤的程序代码的示例。这样的可执行指令或关联数据结构的特定序列表示用于实现在这样的步骤或过程中描述的功能的对应动作的示例。
计算机程序产品可以以任何形式的编程语言来编写，包括编译或解释语言，并且其可以以任何形式来部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程或适用于在计算环境中使用的其他单元。计算机程序可以被部署为在计算机上或者在站点处的多个计算机上执行或者分布在多个站点上并且通过通信网络互连。
本文描述的不同实施例可以在不同环境中实现。此类环境和相关应用可被专门构造用于执行根据所公开的实施例的不同过程和操作，或者它们可包括由代码选择性地激活或重新配置以提供必要功能的通用计算机或计算平台。本文公开的过程并非固有地涉及任何特定计算机、网络、架构、环境或其他设备，并且可由硬件、软件和/或固件的合适组合来实现。例如，不同通用机器可以与根据所公开的实施例的教导编写的程序一起使用，或者可以更方便地构造专用设备或系统以执行所需的方法和技术。在一些情况下，实现本文所描述的不同实施例的环境可以采用机器学习和/或人工智能技术来执行所需的方法和技术。
以上示例和公开旨在是说明性的并且不是穷尽的。这些示例和描述将建议本领域普通技术人员的许多变体和替代。例如，尽管上述示例已将本文描述的系统和技术示出为适用于与食管相关联的测量，更一般地，这些系统和技术同样适用于胃肠道的任何部分。所有这些替代和变体旨在被包括在所附权利要求的范围内。熟悉本领域的人员可以认识到本文描述的具体实施例的其他等效物，这些等效物也旨在由所附权利要求所涵盖。

Claims (23)

1.一种用于确定与食管相关联的一个或多个参数的方法，包括：
接收由食管中的阻抗和高分辨率测压导管测量的数据，所述数据表示(i)与至少一个吞咽事件相关联的阻抗或电压，在所述至少一个吞咽事件期间消耗一定量食团，以及(ii)在没有消耗食团时获得的基线阻抗；
基于接收的所述数据和所述食团的电导率值来确定所述食管的横截面积；以及
修正所述横截面积的值以确定已知直径的管的横截面积，所述横截面积的值使用通过重复所述确定步骤而在体外获得的校正因子来确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，接收由所述阻抗和高分辨率测压导管记录的数据包括接收表示第一吞咽事件相关联的阻抗和第二吞咽事件相关联的阻抗的数据，在所述第一吞咽事件期间消耗已知量的第一食团，在所述第二吞咽事件期间消耗已知量的第二食团，所述第一食团和所述第二食团具有彼此不同的第一电导率值和第二电导率值；以及
基于接收的数据以及所述第一电导率值和所述第二电导率值确定所述食管的所述横截面积。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定考虑围绕所述食管的周围组织和器官的电导。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定假设围绕所述食管的周围组织和器官的电导为零。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述记录是在正在被分析食管的受试者以垂头仰卧位躺下时进行的。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述记录是在正在被分析食管的受试者以垂头仰卧位躺下时进行的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，记录通过所述阻抗和高分辨率测压导管测量的所述数据包括记录表示与所述吞咽事件相关联的压力的数据。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括基于所述食管的所述横截面积和所述压力确定所述食管的壁中的张力的值。
9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括基于所述食管的所述横截面积和所述压力确定所述食管的壁中的扩张性的值。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括生成沿着所述食管的长度的多个位置处的所述食管的所述横截面积和所述张力的显示。
11.根据权利要求7所述的方法，进一步包括生成同时包括沿着所述食管的长度的所述压力和所述阻抗的热图的显示。
12.根据权利要求7所述的方法，进一步包括生成同时包括叠加在沿着食管长度的覆盖在所述压力的热图上的阻抗梯度流线的显示。
13.根据权利要求7所述的方法，进一步包括生成同时包括在沿着所述食管的长度的多个点处和多个不同时间处的蠕动期间的食道扩张和收缩的显示。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述扩张和收缩显示为波形。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，扩张显示为波形，并且压力显示为热图。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，扩张显示为热图，并且压力显示为波形。
17.根据权利要求7所述的方法，进一步包括生成显示，所述显示包括在整个吞咽周期期间在多个不同时间在沿着所述食管的长度的多个点处的扩张和压力的圆柱形表示。
18.根据权利要求9所述的方法，包括生成显示，所述显示包括在整个吞咽周期期间在多个不同时间在沿着所述食管的长度的多个点处的扩张和扩张性的圆柱形表示。
19.根据权利要求8所述的方法，进一步包括生成显示，所述显示包括在整个吞咽周期期间在多个不同时间在沿所述食管的长度的多个点处的所述扩张和张力的圆柱形表示。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定采用食管阻抗断层扫描。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述食团是液体或固体食团。
22.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在手持式装置或可穿戴装置上导入、可视化和分析食管或胃肠道提取的参数。
23.一种非临时性计算机可读介质，包括用于使计算环境执行用于确定与胃肠道的一部分相关联的一个或多个参数的方法的指令，包括：接收由胃肠道的一部分中的阻抗和高分辨率测压导管测量的数据，所述数据表示(i)与至少一个吞咽事件相关联的阻抗，在所述至少一个吞咽事件期间消耗一定量食团和(ii)在没有消耗食团时获得的基线阻抗，其中，接收由所述阻抗和高分辨率测压导管测量的数据包括接收表示与第一吞咽事件相关联的阻抗和与第二吞咽事件相关联的阻抗的数据，在所述第一吞咽事件期间消耗一定量的第一食团，在所述第二吞咽事件期间消耗一定量的第二食团，所述第一食团和所述第二食团具有彼此不同的第一电导率值和第二电导率值；以及基于接收的所述数据以及所述食团的所述第一电导率值和所述第二电导率值来确定胃肠道的所述部分的横截面积。
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