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采用补充信息改善反演问题的解

申请号 CN201480074201.4 申请日 2014-12-12 公开(公告)号 CN106255455B 公开(公告)日 2019-08-16
申请人 科迪影技术股份有限公司; 发明人 曾清国; 贾平; C·拉玛纳森;
摘要 一种方法可以包括存储电测量数据和几何数据。可以基于与至少一个 选定 位置 相关的补充信息来确定一个或多个边界条件,其中,所述位置与患者体内的解剖学包膜相关。基于所述电数据和所述几何数据计算位于患者体内的解剖学包膜上的多个位置的重构电活动,其中所述至少一个边界条件被施加以改进计算。
权利要求

1.一种方法,包括:
存储电数据,所述电数据表示在患者身体上的多个表面测量位置处以非侵入方式测量的电活动;
存储几何数据,所述几何数据表示表面测量位置和包括患者体内的解剖学包膜的患者解剖学结构的几何结构;
使用与至少一个选定位置相关的补充信息来确定至少一个边界条件,至少一个选定位置和患者体内的解剖学包膜相关;以及
基于所述电数据和所述几何数据计算位于患者体内的解剖学包膜上的多个位置的重构电活动,所述至少一个边界条件被施加以改进计算。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,响应于用户输入确定至少一个边界条件。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,补充信息包括基于图像数据识别的解剖学区域,所述至少一个边界条件包括与所识别出的解剖学区域相关的解剖学包膜上的位置。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,所述补充信息包括伤疤或病变的解剖学信息、心内电测量结果、成像数据、与心脏治疗的提供相关的信息或者用户输入数据的至少其中之一。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,确定至少一个边界条件还包括:
针对每个边界条件确定所述解剖学包膜上的位置;以及
针对每个边界条件确定参数值。
6.根据权利要求5所述的方法,其中,针对每个边界条件的所述解剖学包膜上的位置和所述参数值的至少其中之一是相对于时间固定的。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,所述至少一个边界条件包括与解剖学包膜相关的心脏病灶的区域。
8.根据权利要求5所述的方法,其中,针对每个边界条件的所述解剖学包膜上的位置和所述参数值的至少其中之一是相对于时间可变的。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,所述至少一个边界条件包括与解剖学包膜上的位置相关的心脏电活动的测量结果。
10.根据权利要求1所述的方法,其中,计算重构的电活动还包括扩展方程组,以结合表示每个边界条件的方程,每个边界条件针对的是存在于患者体内的解剖学包膜上的位置的子集。
11.根据权利要求1所述的方法,其中,基于在测量患者身体上的多个表面测量位置处的电活动之前采集的补充信息确定所述至少一个边界条件。
12.根据权利要求1所述的方法,其中,基于在测量患者身体上的多个表面测量位置处的电活动的同时采集的补充信息确定所述至少一个边界条件。
13.根据权利要求1所述的方法,还包括:
采用在患者的身体中的已知位置处测得的电活动和已知位置定义至少一个边界条件。
14.根据权利要求1所述的方法,还包括:
采用由放置到患者体内的已知位置处的探头提供的至少一个电信号的预定电特征和已知位置定义至少一个边界条件。
15.根据权利要求1所述的方法,还包括基于患者体内的解剖学包膜的重构电活动来生成心电图绘图。
16.一种系统,包括:
被编程为使用与至少一个选定位置有关的补充信息确定一个或多个边界条件的边界条件发生器,至少一个选定位置与患者体内的包膜相关,
重构引擎,基于电数据和几何数据计算在患者体内的解剖学包膜上的多个位置的重构的电活动,所述电数据表示以非侵入方式从患者身体上的位置采集的电活动,所述几何数据表示患者身体上的所述位置以及包括患者体内的解剖学包膜的患者空间几何结构,施加所述一个或多个边界条件以改进计算;以及
输出发生器,基于所计算出的电活动的估值提供输出数据。
17.根据权利要求16所述的系统,还包括用户接口,从而响应于用户输入有选择地应用或者不应用所述一个或多个边界条件。
18.根据权利要求16所述的系统,还包括:
传感器阵列,包括可置于患者体表上的传感器布置;
非侵入式测量系统,处理来自传感器阵列中的每个传感器的信号并提供表示电活动的电数据。
19.根据权利要求18所述的系统,还包括:
包括至少一个电极的可植入装置;
与所述至少一个电极通信耦合的侵入式系统,所述侵入式系统包括用以完成下述操作的至少一个的电路:基于通过所述至少一个电极在患者体内感测到的电活动提供侵入式电测量数据,或者提供用于经由所述至少一个电极输送至患者体内的目标部位的电信号
20.根据权利要求19所述的系统,其中,所述一个或多个边界条件包括根据侵入式电测量数据确定的心脏电活动的测量结果。
21.根据权利要求16所述的系统,其中,所述边界条件发生器被配置为:
基于所述补充信息为每个边界条件确定解剖学包膜上的位置;以及
基于所述补充信息为每个边界条件确定参数值。
22.根据权利要求21所述的系统,其中,所述补充信息包括心内电测量结果、成像数据、与心脏治疗的提供相关的信息或用户输入数据的至少其中之一。
23.根据权利要求21所述的系统,其中,针对每个边界条件的所述解剖学包膜上的位置和所述参数值的至少其中之一是相对于时间固定的。
24.根据权利要求21所述的系统,其中,针对每个边界条件的所述解剖学包膜上的位置和所述参数值的至少其中之一是相对于时间可变的。

说明书全文

采用补充信息改善反演问题的解

[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2013年12月12日提交的发明名称为USING  SUPPLEMENTAL INFORMATION TO IMPROVE INVERSE PROBLEM SOLUTIONS的美国临时专利申请No.61/915322的权益,通过引用将其全文并入本文。

技术领域

[0003] 本公开涉及通过采用补充信息解决反演问题。

背景技术

[0004] 可以通过解决反演问题而基于在体表测量的电活动来重构体表以内的电活动。这样的应用的一个例子涉及心电图成像,其中,能够将在躯干上测量的电势与几何信息相结合,从而重构出心脏表面上的电势。例如,计算机可以将体表电势活动数据与几何数据相结合并对其进行处理,从而重构心脏表面电势的估值(例如,心外膜电势)。继而可以对重构的心脏表面电势进行处理,以生成适当的心外膜心脏表面电势图、心外膜心脏表面电描记图以及心外膜心脏表面等时线。

发明内容

[0005] 本公开涉及采用补充信息改善反演问题的解,例如,针对电生理学的。
[0006] 作为一个例子,一种方法可以包括存储电测量数据和几何数据。可以基于与至少一个选定位置相关的补充信息来确定一个或多个边界条件,其中,所述位置与患者体内的解剖学包膜相关。基于所述电数据和所述几何数据来计算位于患者体内的解剖学包膜上的多个位置的重构电活动,其中,施加所述至少一个边界条件,以改进计算。
[0007] 作为另一范例,一种系统可以包括边界条件发生器,其被编程为基于补充信息确定一个或多个边界条件。重构引擎可以基于电数据和几何数据计算在患者体内的解剖学包膜上分布的电活动的估值,所述电数据表示以非侵入方式从患者身体上的若干位置采集的电活动,所述几何数据表示患者身体上的所述位置以及包括患者体内的解剖学包膜的患者空间几何结构。可以应用所述一个或多个边界条件对所述计算加以约束,以提供电活动的估值。输出发生器可以基于所计算出的电活动的估值来提供输出数据。附图说明
[0008] 图1描绘了反演问题的示范性畴结构。
[0009] 图2描绘了采用由所述补充信息确定的一个或多个边界条件重构包膜上的电活动的系统的例子。
[0010] 图3描绘了采用第一反演解重构电描记图的系统的例子。
[0011] 图4描绘了采用第二反演解重构电描记图的系统的例子。
[0012] 图5描绘了生成边界条件数据的系统的例子。
[0013] 图6描绘了采用重构电描记图的诊断和/或治疗的系统的例子。
[0014] 图7是描绘了一种采用一个或多个边界条件重构包膜上的电活动的方法的例子的流程图

具体实施方式

[0015] 本公开涉及通过采用补充信息解决反演问题。如文中所公开的,可以利用补充信息来约束用于重构患者体内解剖学包膜(envelope)上的电活动的计算。解剖学包膜可以对应于患者体内的解剖学结构的表面,或者对应于患者体内的虚拟表面。在文中公开的各种例子中,补充信息涉及所研究的解剖学包膜的特征,其中,根据非侵入式电数据计算电信息。
[0016] 在一些范例中,可以采用补充信息确定随着时间的推移保持固定的边界条件。例如,可以将固定边界条件表示为与所研究的解剖学包膜相关的一个或多个位置处的电势的预设低值。已知解剖学位置处的瘢痕组织或病灶是提供固定边界条件的补充信息的例子(例如,能够采用一种或多种成像模态根据成像数据对其加以确定)。
[0017] 或者或此外,在一些范例中,可以采用补充信息确定相对于时间发生变化的边界条件。例如,可以将可变边界条件表示为在与所研究的解剖学包膜相关的一个或多个位置处测量(例如,经由一个或多个接触或者无接触电极)的时变电势。所述位置也可以是固定的,或者其可以随着时间的推移而变化。可以将导管或探针插入到患者体内,从而在已知位置处施加和/或测量信号,可以采用所述施加或者测量作为补充信息来提供对应的可变边界条件。
[0018] 例如,心电描记法反演问题的目的包括将在体表上以非侵入方式测量的电活动与做出测量的体表和所研究的心脏包膜的几何信息相结合,由此对心脏电活动和事件进行表征和/或定位。如文中使用的,“心脏包膜”可以对应于患者心脏的心外膜表面、模型心脏(患者的心脏或者一般化心脏)的心外膜表面或者患者体内的相对于患者心脏或模型心脏具有已知空间关系的任何表面边界。
[0019] 参考图1所示的示范性畴结构,心电图成像(ECGI)的反演问题的目的在于解拉普拉斯方程:
[0020] △u(x)=0,x∈Ω方程1
[0021] 例如,其边界条件如下:
[0022] 狄利克雷(Direchlet)边界条件:躯干表面上的u(x)=uT(x),x∈ΓT(例如,体表电势)
[0023] 纽曼(Neumann)边界条件:躯干表面上的 (例如,体表电流)
[0024] 其中,Ω是躯干表面内的处于ΓT和ΓE之间的3D体积域,如图1所示。
[0025] 除了驱干表面上的电势和/或电流信息之外,文中公开的系统和方法能够利用补充信息进一步改善反演问题的解。所述改善可以包括简化,从而促进计算时间以及提高的准确度。可能存在一个或多个补充信息单元(例如,参考图5),可以用来提供正确的边界条件,以约束反演问题。每个补充信息单元可以是在体表采集电势和/或电流信息之前获得的,可以是在采集电势和/或电流信息之后获得的,并且/或者可以是与电势和/或电流信息的采集同时获得的。如文中所公开的,可以利用补充信息定义一个或多个边界条件。
[0026] 例如,假设心内电极的位置为处于y上,那么可以将来自这些电极的对应测量结果表示为uI(y),其中,区域I处于域Ω(例如,参考图1)内,文中公开的系统和方法可以采用如下用于解反演问题的方程组:
[0027]
[0028] 其中,区域ΓE处于躯干内,如图1所示。
[0029] 通过假设疤痕/病灶区域内的心脏包膜上的位置具有低电势(例如,大约0V),文中公开的系统和方法能够采用如下方程组解反演问题:
[0030]
[0031] 图2示出了采用根据补充信息确定的一个或多个边界条件来重构包膜上的电活动的系统10的例子。所述系统包括绘图系统12,绘图系统12被编程为重构研究区的电活动的估值以及基于重构的电活动估值来生成用于显示和/或进一步处理的图数据14。在图2的范例中,映射系统12包括重构引擎16,重构引擎16被编程为通过执行受到补充信息22约束的反演方法而基于电数据18、几何数据20来计算研究区的电活动的估值。补充信息22的例子可以包括电活动的心内测量(例如,单极和/或双极测量)、疤痕或其他病灶的位置和/或与要为其重构(例如,通过重构引擎16)电活动估值的所研究的心脏包膜有关的用户指定信息。此外,用户能够基于其他先验信息来指定规定位置或区域的条件。
[0032] 绘图系统还可以包括边界条件发生器24,边界条件发生器24被编程为基于补充信息22而确定一个或多个边界条件26。如文中所公开的,每个边界条件26可以对应于具有参数值(例如,电势)和相关位置的向量参数。边界条件还可以包括时间参数,例如,在边界条件(例如,位置和/或电压)随着时间的推移而变化时。既定边界条件26的位置可以是三维空间内对应于所研究的解剖学区域(例如,心脏包膜,例如,心外膜表面、心内膜表面或两者)的位置。
[0033] 作为例子,边界条件发生器24能够确定边界条件26,使之对应于患者心脏的心外膜或心内膜表面上的既定位置的测量心内电势。可以根据定位方法(例如,图6的定位引擎188)确定可以是固定的也可以随着时间变化的位置,并且/或者可以响应于用户输入指定位置(例如,在显示患者解剖学结构的图形用户界面上选择位置)。例如,心内电信息可以来自心内测量结果,例如,来自电生理学研究或者来自心内装置(例如,起搏器、导管或去纤颤器),所述装置可以是永久性植入的,也可以是在电生理学研究过程中临时放置的。还可以根据(例如)侵入式或非侵入式成像模态确定心内补充信息。
[0034] 或者或此外,边界条件26能够确定对应于疤痕组织、病灶或其他能够以可定义方式限制或者影响电活动在解剖学结构内的传播的解剖结构的位置的边界条件26。对于这样的解剖结构(例如,疤痕或病灶)而言,边界条件26将保持固定。例如,疤痕组织或其他病灶可以是自然出现的或者是创造的(例如,在治疗过程中),其倾向于电绝缘,因而不传到电流。相应地,可以将针对所研究的解剖学包膜上的疤痕/病灶区域确定的每个边界条件的参数值设定为固定的低电压或零电压。此外,可以根据侵入式或者非侵入式技术,例如,通过成像模态、直接目测和/或物理探头自动地、人工地或者半自动地(例如,响应于用户输入进行识别,继而确认)确定既定疤痕/病灶在研究区上的位置。
[0035] 因而能够将反演法28编程为基于非侵入式电数据18和几何数据来计算所研究的解剖学包膜上的重构电活动的估值。可以通过施加一个或多个边界条件26约束通过反演法28实施的计算,以改进所述计算。如文中所公开的,可以根据各种各样的已知的或者有待开发的反演法中的任何反演法来实施反演法28。如文中所公开的,能够被实施为系统10中的反演法28以重构受到补充信息22约束的所研究的包膜上的电活动的反演算法的例子包括但不限于美国专利No.7983743、No.6772004或者美国专利公开文本No.2011/0190649中公开的那些算法,通过引用将所述参考文献的每者并入本文。在这些以及其他反演算法中。
[0036] 绘图系统12还可以包括被编程为基于重构电活动生成图数据的图发生器。例如,图发生器能够对重构电活动(例如,电势)进行处理,从而生成表示电势图、电描记图和等时线以及它们的其他衍生物的图数据14。
[0037] 图3和图4演示了用于采用由补充信息确定的一个或多个边界条件来重构心脏包膜上的电势的系统的例子。图3是在采用边界元法的背景下描述的,图4是在无网格(meshless)方案的背景下,即在采用具有基本解的方法的背景下描述的。应当理解,如文中所公开的,所述的边界条件的使用适用于其他解反演问题的技术。
[0038] 图3描绘了采用作为反演解的部分的边界元法(boundary element method)来重构电描记图的系统50的例子。系统50包括重构引擎52,例如,其能够对应于图1的重构引擎16。重构引擎52能够通过使几何数据56和以侵入方式测量的电数据58相结合而生成重构电活动数据54。重构引擎52能够实施被编程为包括变换矩阵计算器62和正则化部件64的反演法。还将重构引擎52配置为对由变换矩阵计算器62实施的计算施加边界条件数据60。所施加的边界条件的每个单元的值可以包括固定的或者可变的边界条件参数。
[0039] 对于变换矩阵采用BEM(边界元法)的例子而言,可以(例如,由边界条件发生器24)采用边界条件数据60生成受到所应用的一个或多个边界条件的每者约束的扩展线性系统。对于边界条件数据60提供的心内测量边界条件的例子而言,可以将变换矩阵计算器62编程为计算已经在其内施加了边界条件数据的扩展线性系统,例如,计算如下:
[0040]
[0041] 其中:
[0042] 矩阵A是通过BEM方案生成的具有尺寸M×N的矩阵。
[0043] VEi表示心脏表面处的电势的未知数,
[0044] φBi表示测量的体表电势,
[0045] 表示单位1×N向量,其中,e(iK)=1,
[0046] 表示心脏表面处测量的心内电势。
[0047] 作为额外的或者替代的通过边界条件数据60提供基于疤痕/病灶的边界条件的例子,能够将变换矩阵计算器62编程为计算已经施加了每个这样的边界条件数据的扩展线性系统,例如,计算公式如下:
[0048]
[0049] 尽管在方程5的例子中,边界条件将通过边界条件定义的已知位置处的电势设为零(例如,0V),但是在其他例子中可以采用其他固定的低电压值,如所提到过的。在其他例子中,通过双极测量格式表达对应于图5中的识别出的疤痕/病灶区域的位置和/或方程4的测量心内位置的边界条件。在这样的双极例子中,将上面的方程4和方程5根据下面的双极表达式修改为替换扩展的 向量:
[0050] u(xsi)-u(xsj)=0xsi, 疤痕/病灶  方程6
[0051] 此外,文中公开的系统和方法能够基于这种先前的补充信息的确定性在调整疤痕/病灶对系统的空间影响之前对其分配不同的权重。
[0052] 正则化部件64能够应用正则化技术,从而根据由计算器62计算出的变换矩阵解出所研究的包膜上的电活动的未知值(例如,方程2和3中的VEi)。作为范例,可以将正则化部件64编程为实施Tikhonov正则化,例如,在上文并入的美国专利No.6722004中描述的。可以采用其他正则化技术,例如,GMRes正则化。因而,重构引擎52能够基于正则化矩阵来提供重构的电活动。
[0053] 图4示出了系统80的例子,该系统以无网格方式计算心脏包膜的重构电活动的估值,例如,其方式是采取具有基本解的方法(MFS)。系统80包括重构引擎82,例如,其能够对应于图1的重构引擎。重构引擎82能够通过合并几何数据86和以非侵入方式测量的电数据88而生成重构电活动数据84。重构引擎82还能够实施反演法,该反演法被编程为以无网格方式计算重构电活动的估值,并且通过施加边界条件数据90约束某些计算,即确定系数A的矩阵。
[0054] 作为范例,能够通过向美国专利No.7983743(通过引用并入本文)中公开的技术施加如文中所公开的由补充信息确定的一个或多个边界条件而实施系统80。相应地,下文对图4的描述重点在于施加边界条件用以约束,继而改善反演问题的解。如文中所公开的,所施加的每个单元的边界条件数据90的值可以包括固定的或者可变的边界条件参数。
[0055] 在图4的范例中,重构引擎82包括源节点定位器92和心外膜节点定位器94。将源节点定位器92编程为由几何数据确定一组源节点位置。所述源节点位置能够沿处于体表之外的表面定义既定坐标系(例如,三维坐标系)内的多个位置,其他多个源节点将沿处于心外膜心脏表面内的表面定义多个位置。心外膜节点定位器94能够定义所研究的心外膜表面(或者其他心脏表面)上的多个位置,重构引擎82将根据数据86和88估算所述位置处的电活动。
[0056] 能够将矩阵计算器96编程为通过施加边界条件数据90提供的一个或多个边界条件基于源节点位置和电极位置数据来计算矩阵A。矩阵A适于将在患者身上的每个躯干节点位置处测量的电活动(例如,电势)转化为多个源节点系数,该系数将反映每个源节点的“强度”(例如,上文并入的美国专利No.7983743中所公开的)。
[0057] 作为边界条件数据90定义的心内测量边界条件的例子,能够通过下述形式表达电势:
[0058]
[0059] 因此,能够通过施加每个边界条件而扩展对应的方程组,以提供扩展的线性系统,由此解出系数ai,例如,所述线性方程组可以是如下面的方程8所演示的:
[0060]
[0061] 作为额外的或者替代的通过边界条件数据90定义疤痕/病灶边界条件的例子,能够将变换矩阵计算器62编程为计算已经施加了每个这样的边界条件数据的扩展线性系统,例如,计算公式如下:
[0062]
[0063] 此外,文中公开的系统和方法能够基于这种先前的补充信息的确定性在调整疤痕/病灶对系统的空间影响之前对其分配不同的权重。
[0064] 因而,重构引擎82的组合功能98能够采用计算出的转移矩阵A将测量的非侵入式电数据88转化为所研究的心脏包膜(例如,心外膜表面包膜)上的对应电活动。
[0065] 将反演法计算器100编程为确定转移矩阵的逆的值(例如,Γ=A-1*VT)。由于Γ的计算是一个不适定(ill-posed)问题,反演法计算器能够采用各种各样的数学方案中的任何方案。被认为能够为Γ的计算提供有效的结果的方案的例子可以包括Tikhonov零阶正则化和广义最小残差法(GMRes)。
[0066] 重构引擎还包括计算矩阵B的第二矩阵计算器102。矩阵B的作用在于将来自反演法计算器100的源节点系数转化为每个心外膜节点位置处的所研究的心脏包膜上的对应电活动(例如,心外膜心脏表面电势),例如,如上面并入的美国专利No.7983743中所公开的。可以采用前向(forward)计算器106计算心脏包膜上的重构电活动84的对应估值。
[0067] 图5示出了系统110的例子,该系统包括用以生成边界条件数据114(例如,对应于边界条件26或边界条件数据60、90、183)的边界条件发生器112。边界条件发生器包括边界条件分析器116和边界条件选择器118。可以将边界条件分析器116配置为分析补充信息,例如,所述信息可以被存储为一种或多种类型的数据。例如,分析器能够评估每个数据单元,从而确认其是否表示有效的边界条件(例如,将补充信息的效确定为反演法的边界条件)。边界条件的有效性可能取决于补充信息,例如,包括其值和/或相关位置。可以将边界条件选择器118配置为将分析器116确定的边界条件选择为是有效的。此外,能够将边界条件选择器118配置为在分析表明补充信息为反演法提供了无效边界条件的情况下排除该补充信息。
[0068] 在图5的范例中,可以将测量系统126配置为提供电解剖数据128,例如,所述数据可以包括一个或多个解剖学位置处的测量的电活动。例如,测量系统可以包括一个或多个能够插入到患者体内并且放置到已知位置处或者能够通过定位系统确定的位置处的感测电极(例如,导管、探针、去纤颤器、起搏器等)。所述位置在一个或多个时间间隔内的感测过程中可以是固定的,或者所述位置可能移动。感测电极能够测量电活动,可以对所述电活动进行处理(滤波)并使之随着时间的推移与测量位置相关,从而生成可以对应于心脏组织的直接测量的对应电解剖学数据128。例如,电解剖学数据可以表示各个位置处的电信号(例如,电势)的心内膜和/或心外膜测量结果,包括随着时间的推移采集到的直接测量,例如,其来自患者体内的接触或无接触传感器。所述测量可以是在过程之前采集的(例如,来自先前的EP研究)或者是在过程当中同时采集的或者是在这样的过程之后采集的。因而,这样的电解剖学数据128能够定义经处理后能够确定一个或多个边界条件的补充信息。
[0069] 还可以采用成像系统130提供经配准的成像数据132。可以根据任何成像模态,例如,计算机层析成像(CT)、磁共振成像(MRI)、x射线、荧光检查、声波等实施成像系统130。在一些例子中,可以对经配准的图像数据132进行自动化或半自动化处理,以提供相关补充信息的子集,例如,其表示一个或多个不导电组织的区域(例如,疤痕或病灶)。例如,半自动化识别可以响应于用户输入(例如,经由鼠标触摸屏、触控板)识别出包含疤痕或病灶的心脏组织区域。之后,可以对各个区域共同配准,以提供心脏包膜上的各个要为其重构非侵入式电测量数据的位置的边界条件。本领域的技术人员将理解,可以采用其他类型的成像技术或其他措施识别疤痕、病灶或者其他不传导电信号的区域,以提供经配准的图像数据
132。
[0070] 所述系统还可以包括治疗/导航系统134,治疗/导航系统134被配置为提供对应于补充信息的经配准的治疗数据136。例如,系统134可以包括能够放置到患者体内的已知(或可定位)位置处的探头,从而提供至少一个具有预定电特征的电信号。所述信号的电特征可以是足以(例如,大于刺激阈值)刺激心脏组织的(例如,起搏信号脉冲)或者是非刺激性的,例如,可以采用亚阈脉冲。可以通过边界条件发生器对通过探头施加在(一个或多个)解剖学部位处的信号的预定电特征进行评估和选择,以定义一个或多个边界条件。
[0071] 作为另一范例,可以在导航引导下执行消融治疗(例如,射频消融、冷冻消融等),所述导航引导将提供治疗提供装置的位置的指示,可以记录实施消融的位置(例如,存储到存储器内),以供后续的边界条件评估和潜在使用。
[0072] 可以将导航部件实施为根据一种或多种不同的成像模态提供位置数据,所述模态包括荧光检查成像(例如,x射线、CT等)以及非荧光检查成像。非荧光检查成像的例子可以包括超声波(例如,AcuNav心内超声波)、电磁成像(例如,CARTO XP EP电磁导航系统)、来自St.Jude Medical公司的NavX导航和可视化技术,这里只是举出了几个例子。在发明名称为NAVIGATION OF OBJECTS WITHIN THE BODY的美国临时申请No.62/056214中公开了导航系统的另一个例子,通过引用将其并入本文。在一些范例中,可以将实时治疗的位置的识别提供给成像系统,用户能够(例如,通过用户输入)指定受到了消融的完整区域,从而在经配准的成像数据132内提供对应的补充信息。
[0073] 如所提及的,还可以通过用户输入数据140指定用以确定边界条件的补充信息,例如,所述用户输入数据是响应于用户交互通过用户接口(例如,图形用户界面)提供的。例如,用户可以在图像(例如,成像系统130提供的)上标记出患者解剖学结构的一个或多个位置(例如,一个或多个区域)。或者或此外,用户能够指定患者解剖学结构(例如,心内膜或心外膜表面)的一个或多个位置(例如,一个或多个区域)的电参数,从而基于由用户设定的位置和电参数来提供对应的边界条件。所述电参数可以是固定参数(例如,电势)或者其可以是变量。
[0074] 应当理解,多个系统126、130、134和138可以协作,以提供补充信息,所述补充信息可以提供用于约束反演问题的一个或多个边界条件单元。边界条件分析器116可以对补充信息(例如,自动或人工生成的数据)进行评估,从而识别出一组的一个或多个有效边界条件(例如,位置和电参数)。也可以使时间戳与边界条件数据相关,例如,如果边界条件的电参数随着时间的推移而变化的话。
[0075] 作为范例,可以利用既定的补充信息单元的位置来确定心内膜表面和心外膜表面之间的厚度,边界条件的有效性可以取决于所述厚度,例如,所述厚度可以由成像数据132确定(例如,根据成像数据计算相对的解剖学表面之间的欧几里德距离)。例如,可以定义与既定边界条件位置的壁厚相比较的阈值,如果厚度低于阈值,那么所述边界条件有效,如果大于阈值,那么边界条件无效。边界条件选择器118能够由此选择一个或多个将施加到反演问题上的有效边界条件,从而改善对所研究的解剖学包膜上的重构电活动的估值。在一些范例中,边界条件选择器118可以响应于用户输入(例如,用户输入数据140)选择一个或多个边界条件。在其他范例中,可以将边界条件选择器编程为响应于停止(或关停)向反演问题应用边界条件数据的用户输入指示而禁止采用任何边界条件(不管是否已经确定了有效边界条件)。在不采用任何边界条件时,将不会扩展相关的方程组。
[0076] 图6示出了能够用于执行对患者的诊断和/或治疗的系统150的例子。在一些范例中,可以将系统150实施为实时地为患者心脏152生成信号的图形输出和/或图形绘图,以作为诊断过程(例如,电生理学过程中的信号监测)的部分,从而为患者心脏的电活动的评估提供帮助。或者或此外,可以采用系统150作为治疗过程的部分,例如,其有助于帮助医生确定提供治疗的参数(例如,治疗提供位置、量和治疗类型),以及提供可视化,从而有助于促进对何时结束过程的判断。
[0077] 例如,可以将具有一个或多个附着于其上的电极的侵入装置156,例如,起搏导管插入到患者身体154内。所述电极可以经由心内膜或心外膜接触或者不接触患者心脏152。可以通过定位引擎188指导装置156的放置,定位引擎的作用在于采用等效偶极子模型和测量对装置156进行定位,如文中所公开的。所述指导可以是自动化的、半自动化的,或者可以基于所提供的信息来人工实施。本领域技术人员将理解并认识到装置156的各种类型和配置,其可能根据治疗的类型和规程而变化。因而,定位引擎188能够对装置156进行定位,并提供所述装置及其电极的坐标,如文中所公开的。
[0078] 例如,装置156可以包括一个或多个在其上相对于该装置设置在预定位置处的电极。每个个这样的电极可以是经由所述装置156相对于心脏设置的,并可以施加能够被位于三维坐标系内的已知位置处的多个传感器(例如,非侵入式传感器阵列164或者另一种侵入式装置156)测量到的电信号(例如,波形)。因而,所述传感器能够感测到对应于每个施加的信号的电活动。所述传感器还可以感测其他电信号,例如,对应于患者心脏的实时电描记图的电信号。侵入式测量系统158可以包括控制160,该控制160被配置为对测量的信号进行(电)处理和控制对测量的信号的捕获,从而提供对应的侵入测量数据159。
[0079] 作为例子,可以将装置156配置为提供能够受到定位的电信号。装置156能够施加有关提供针对具体定位的治疗(例如,消融)的信号、起搏信号或者有关提供其他治疗(例如,提供电治疗或者控制化学治疗、声波治疗或其任何组合的输送)的信号。例如,装置156可以包括一个或多个位于起搏导管的顶端的电极,例如,用于响应于系统158提供的电信号(例如,起搏脉冲)对心脏起搏。也可以通过侵入式系统158以及置于身体内的装置156提供其他类型的治疗。治疗提供装置可以处于同一导管上,或者位于与用于感测电活动的不同的导管探头上。
[0080] 作为另一范例,系统158可以处于患者身体154之外,并且可以被配置为控制通过装置156提供的治疗。例如,系统158还可以控制通过电连接于输送装置(例如,一个或多个电极)156和系统158之间的导电链路提供的电信号。控制系统160能够控制提供给装置156的用于经由侵入装置156上的电极向心脏152上或内部的一个或多个位置提供治疗(例如,消融或刺激)的信号的参数(例如,电流、电压、重复率、触发延迟、感测触发幅度)。控制电路160能够基于自动控制、人工控制(例如,用户输入)或者自动控制和人工(例如,半自动化)控制的组合来设定治疗参数以及施加刺激。一个或多个传感器(未示出但是可以作为装置的部分)还可以将传感器信息传达回系统158。还可以(例如,通过定位引擎或者响应于用户输入)确定施加这样的治疗的位置,其可以被用来作为确定边界条件的补充信息,如文中所公开的。
[0081] 作为例子,可以通过执行定位确定装置156相对于心脏152的位置,当在过程中实施时,可以通过输出系统162对其进行手术中的跟踪。因而,能够将装置156的位置和治疗参数相结合,从而有助于控制治疗以及记录实施治疗的位置。也可以基于先前独立于所述过程存储的数据来执行所述定位。此外,治疗的施加(例如,响应于用户输入人工进行的或者是自动提供的)能够使得时间戳或者其他时间标识符被(例如,作为元数据)标记到测量数据上,从而识别出治疗是何时施加的,以及触发用以识别出经由装置156施加的治疗的位置的定位。也可以将描述治疗的其他元数据(例如,类型、输送参数等)与测量数据存储到一起。
[0082] 在(例如,通过系统158)提供治疗之前、提供治疗的过程中和/或之后,可以利用测量系统158或166中的一者或多者采集患者的电生理学信息。在图6的范例中,传感器阵列164包括能够用于以非侵入方式记录患者电活动的一个或多个传感器。作为一个范例,传感器阵列164可以对应于高密度布置的体表传感器,这些传感器分布于患者躯干的一部分之上,用于测量与患者的心脏相关的电活动(例如,作为心电图绘图过程的部分)。
[0083] 在2009年11月10日提交的国际申请No.PCT/US2009/063803中示出并且描述了可以采用的非侵入式传感器阵列164的例子,通过引用将其并入本文。可以采用其他布置和数量的传感器作为传感器阵列164。作为例子,所述阵列可以是缩减的一组传感器,其不覆盖患者的整个躯干,并且被设计为测量针对特定目的的电活动(例如,被专设计为分析AF和/或VF的电极布置)和/或被设计为监测心脏的预定空间区域。
[0084] 如所提及的,一个或多个传感器电极也可以位于插入到患者体内的装置156上。可以单独地或者结合侵入式传感器164采用这样的传感器,以描绘诸如心室壁的心内膜表面以及心外膜表面的电活动。在这样的用于采集实时的患者电信息的示范性方案(包括通过装置156的侵入式方案、通过阵列164的非侵入式方案或者侵入式感测和非侵入式感测的结合)的每者当中,将实时感测的电信息提供给对应的测量系统158、166。与侵入式系统158类似,测量系统166可以包括适当的控制和信号处理电路168,从而提供描述传感器阵列164中的传感器检测到的电活动的对应测量数据170。测量数据170可以包括模拟和/或数字信息(例如,对应于数据14)。因而,测量数据159和170能够对应于可以用于作为补充信息来确定一个或多个边界条件183的测量的电活动,如文中所公开的。或者或此外,可以采用几何数据172和/或用户输入作为补充信息来确定一个或多个边界条件183。
[0085] 还可以将非侵入式测量控制168配置为控制用于测量电活动并提供非侵入式测量数据170的数据采集过程(例如,抽样速率、线滤波)。在一些范例中,控制168独立于治疗系统操作来控制测量数据170的采集,例如,其响应于用户输入。在其他范例中,可以与治疗的提供同时并且同步采集测量数据170,从而检测心脏152的响应于既定治疗(例如,根据治疗参数)的施加或者响应于出于定位目的施加的具体信号而发生的电活动。例如,可以利用适当的时间戳标引相应的测量数据159和170与治疗的提供之间的时间关系。
[0086] 将输出系统162编程为确定一个或多个边界条件183,例如,如文中所公开的(参考(例如)图5及其相关描述)。如文中所公开的,每个边界条件单元可以包括电参数值(例如,相对于时间固定的或者变化的)和位置参数(例如,与患者体内的位置相关)。因而,边界条件相对于时间可以是固定的(例如,伤疤组织)或者是可变的(例如,感测到的心内电活动)。重构引擎180可以将所确定的边界条件的每者施加到其计算上,所述计算用于基于非侵入式测量数据170估算出所研究的心脏包膜上的重构电活动。
[0087] 例如,可以将电描记图重构180编程为基于过程信号和几何数据172以及边界条件183来计算反演解并提供对应的重构电描记图,边界条件183可以是按照文中所公开的计算出的。因而,重构电描记图可以对应于跨心脏包膜的心电图活动,并且可以包括静态(在既定时刻上是三维的)和/或可以是动态的(例如,随着时间的推移而变化的四维图)。
[0088] 能够被系统150内的重构引擎180利用的反演算法的例子包括上文并入的美国专利No.7983743和No.6772004中公开的算法。因而,重构180能够将通过传感器阵列164测量的体表电活动重构到心脏包膜上的多个位置处(例如,大于1000个位置,例如,大约2000个位置或更多)。在其他范例中,输出系统162能够基于以侵入方式直接测量的电活动来计算心脏的子区域内的电活动,例如,所述测量是经由装置156(例如,包括篮状导管或者其他形式的测量探头)进行的。如所提及的,直接测量还可以约束由重构180实施的计算。
[0089] 由于在一些例子中,测量系统166能够同时地测量预定区域或者整个心脏的电活动(例如,在传感器阵列164覆盖患者身体154的整个胸部的情况下),因而所得到的输出位置数据174的准确度与其他定位技术相比能够得以提升,从而为用户提供更加准确且全面的信息,以促进治疗的监测和施加。或者或此外,所述定位可以是连续过程,并且/或者相对于系统158提供的治疗的施加是同步的。
[0090] 如文中所公开的,心脏包膜可以对应于与患者心脏相对应的三维表面几何结构,所述表面可以是心外膜或心内膜。或者或此外,心脏包膜可以对应于存在于患者心脏的心外膜表面和已经设置了传感器阵列164的患者身体表面之间的几何表面。此外,由电描记图重构180利用的几何数据172可以对应于实际患者解剖学几何结构、预先编程的类属模型或其组合(例如,基于患者几何结构来修改的模型)。可以将通过单个等效偶极子模型计算出的位置与所述几何结构共同配准。
[0091] 作为例子,几何形状数据172可以具有患者躯干的图形表示的形式,例如,所采集的患者的图像数据。这样的图像处理可以包括来自数字图像集的解剖学特征的提取和分割,解剖学特征包括一个或多个器官以及其他结构。此外,可以将传感器阵列164内的电极的每者的位置包含到几何数据172中,例如,通过在将电极设置到患者身上的同时采集图像并通过适当的提取和分割识别坐标系内的电极位置。也可以采用其他不基于成像的技术获得传感器阵列中的电极在坐标系内的位置,例如,数字化仪或者人工测量。
[0092] 如上文所提及的,几何数据172可以对应于数学模型,例如,可以是类属模型或者已经基于患者的图像数据而构建的模型。可以在几何数据172中识别出适当的解剖学界标或其他界标,包括传感器阵列164中的电极的位置,以连同所计算出的装置的位置信息一起加以显示。可以人工(例如,由人通过图像编辑软件)或者自动地(例如,通过图像处理技术)完成这样的界标的识别。
[0093] 作为另一个例子,几乎可以采用任何成像模态采集几何数据172,在其基础上能够构建出对应的理想几何表面的表示,如文中所描述的。可以在记录用于生成患者测量数据170的电活动的同时执行这样的成像,或者可以单独执行成像(例如,在采集测量数据之前或之后)。
[0094] 输出系统162可以生成对应的输出数据174,继而能够通过可视化引擎184将输出数据描绘成显示器192中的对应图形输出,例如,包括重构到心脏包膜上的电活动或者由这样的重构电活动导出的电特征,如上文所提及的。可以将电活动或其衍生物显示到患者解剖学结构的图形模型上或者叠加到心电图194上。
[0095] 输出系统188还可以基于定位引擎188确定的坐标来生成用以识别装置156的位置的输出。输出数据174可以基于根据本公开的任何方案确定的坐标来表示或表征三维空间内的装置156的位置。此外,可以在跨心脏包膜(例如,心脏1252的心外膜或心内膜表面上)的各个空间位置处显示位置(或对应的路径)。所述输出系统能够单独显示所述位置。在其他范例中,可以使所述位置与其他输出数据相结合,从而在心脏152的电活动的图形绘图的上显示位置信息。
[0096] 此外,在一些范例中,系统158可以联系治疗输送的控制或者电特征的监测来对输出数据174加以利用。所实施的控制160可以是完全自动化的控制、半自动化控制(部分自动化并且响应于用户输入)或者基于输出数据174的人工控制。在一些范例中,治疗系统的控制160可以利用输出数据控制一个或多个治疗参数。在其他范例中,个人可以查看显示器中生成的图,从而对处于基于本公开所确定的位置处的治疗系统进行人工控制。还可以基于输出数据174和对应的图形绘图194来控制其他类型的治疗和装置。
[0097] 鉴于上文描述的上述结构和功能特征,能够参考图7的流程图更好地理解能够实施的方法。尽管出于简化说明的目的,将图7的方法图示和描述为顺次执行,但是应当理解并认识到,这样的方法不受图示顺序的限制,因为在其他例子中,一些方面是按照不同的顺序发生的,和/或是与文中公开的内容的其他方面同时发生的。此外,实施一种方法可能不需要所有的例示特征。例如,可以将所述方法或其部分实现为存储在非暂态机器可读介质当中并且通过一个或多个计算装置的处理器执行的指令。
[0098] 图7描绘了采用一个或多个边界条件重构包膜上的电活动的方法300的例子。在302中,方法300可以包括存储表示患者身体上的多个表面测量位置处的以非侵入方式测量的电活动的电数据(例如,数据18、58、88、170)。可以将电数据存储到非易失性或易失性存储结构当中。在304中,所述方法包括存储几何数据(例如,数据20、60、90、172)。几何数据可以表示患者解剖学结构的几何结构,包括躯干几何结构和患者体内的解剖学包膜(例如,心脏包膜,例如,心外膜包膜)的几何结构。还可以将表面测量位置(例如,对应于电极位置)寄存到几何数据当中。可以将电数据和几何数据存储到非易失性或易失性存储结构内,所述存储结构可以是本地存储器或者可以是分布式的(例如,分布于网络系统当中)。
[0099] 在306中,基于补充信息确定一个或多个边界条件(例如,通过边界条件发生器24或112)。如所提及的,补充信息和相关边界条件可以是固定的或者可以是随着时间的推移而变化的。例如,可以将固定边界条件表示为与所研究的解剖学包膜相关的一个或多个位置(例如,对应于疤痕组织或病灶)处的所确定的(或可编程的)低电势。作为另一范例,可以将变化边界条件表示为在一个或多个固定位置处或者在一个或多个所定位的移动位置处测量(例如,通过一个或多个心内电极)的时变电势。所述位置也可以是固定的,或者其可以随着时间的推移而变化。可以自动确定边界条件,或者可以响应于用户输入选择边界条件。在一些范例中,用户甚至可以指定边界条件(例如,固定边界条件),以模拟在某一区域上建立病痕(例如,通过消融)的效果,其中,若不是对该区域建立病痕,该区域当前是健康的。
[0100] 在308中,方法300包括基于所述电数据和几何数据来计算存在于患者体内的解剖学包膜上的多个位置的重构电活动(例如,通过重构引擎16、52、82或180)。在反演构建过程中,向对应的计算施加每个有效的边界条件(来自308),以改善反演问题。在310中,可以基于所研究的解剖学区域的重构电活动生成对应的输出。所述输出可以是一个或多个时刻上的或者一个或多个时间间隔内的三维解剖图,例如,文中所公开的。
[0101] 考虑上文的结构和功能描述,本领域技术人员将认识到可以将本发明的各个部分体现为方法、数据处理系统或计算机程序产品。相应地,本发明的这些部分可以采取纯硬件实施例、纯软件实施例或者结合了软件和硬件的实施例。此外,本发明的各个部分可以是其上具有计算机可读程序代码的计算机可用存储介质上的计算机程序产品。可以采用任何适当的计算机可读介质,其包括但不限于静态和动态存储装置、硬盘、光学存储装置以及磁存储装置。
[0102] 文中还参考方法、系统和计算机程序产品的方框图描述了本发明的某些实施例。应当理解,可以通过计算机可执行指令实施图解中的各个以及图解中的块的组合。可以将这些计算机可执行指令提供给通用计算机、专用计算机或者其他可编程数据处理设备的一个或多个处理器(或者装置和电路的组合),以生成一种机器,从而使通过所述处理器执行的指令实施在所述一个或多个块内指定的功能。
[0103] 还可以将这些计算机可执行指令存储到计算机可读介质内,所述指令可以指示计算机或者其他可编程数据处理设备按照适当的方式工作,从而使得所述存储在计算机可读存储器内的指令生成一件包含用于实施在一个或多个流程图块中指定的功能的指令的制品。还可以将所述计算机程序指令加载到计算机或其他可编程数据处理设备上,从而使一系列操作步骤得以在所述计算机或其他可编程设备上受到执行,以实施计算机实现过程,从而使在所述计算机或其他可编程设备上运行的指令提供用于实现在流程图和/或方框图的一个或多个块中指定的功能的过程。
[0104] 上文描述的内容只是例子。当然不可能描述部件或方法的每种可以设想的组合,但是本领域技术人员将认识到很多其他的组合和置换也是可能的。相应地,旨在使本发明涵盖所有这样的落在包括所附权利要求的本申请的范围内的变更、修改和变化。在本公开或权利要求中以单数陈述元件或者陈述“第一”或“另一”元件的地方,或者陈述其等价描述的地方,应当解释为包括一个或不只一个这样的元件,即既不要求也不排除两个或更多这样的元件。文中采用的词语“包括”、“包含”是指包括但不限于。词语“基于”是指至少部分地基于。
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