具体实施方式
本公开提供用于在虚拟导管上对电生理信号进行分类的系统、装置和方法。为了说明的目的，将参考对心脏电生理信号(例如，使用HD栅格导管测量的心内电描记图)进行分类来描述本公开的方面。然而，应当理解，本文的教导可以在其它上下文中和/或关于其它电极配置而具有良好的优势。
图1示出示例性电解剖标测系统8的示意图，该示例性电解剖标测系统8用于通过导航心脏导管并测量在患者11的心脏10中发生的电活动并三维地标测电活动和/或与如此测量的电活动有关或代表电活动的信息来进行心脏电生理研究。系统8例如可用于使用一个或多个电极创建患者心脏10的解剖模型。系统8还可以用于测量沿着心脏表面的多个点处的电生理数据，并与测量电生理数据的每个测量点的位置信息相关联地存储测量数据，例如以创建患者心脏10的电生理标测图。
如本领域的普通技术人员将认识到的，并且如将在下面进一步描述的，系统8确定通常在三维空间内的对象的位置，并且在一些方面，确定对象的定向，并将这些位置表达为相对于至少一个参考确定的位置信息。
为了简化说明，将患者11示意性地描绘为椭圆形。在图1中所示的实施例中，示出了施加到患者11的表面的三组表面电极(例如，贴片电极)，其限定了三个大致正交的轴，在此称为x轴、y轴、和z轴。在其它实施例中，电极可以以其它布置定位，例如在特定身体表面上的多个电极。作为另一替代方案，电极不必在身体表面上，而是可以定位在身体内部。
在图1中，x轴表面电极12、14沿第一轴施加到患者，诸如施加到患者胸部区域的侧面上(例如，施加到每只手臂下方的患者皮肤)，并且可以称为左电极和右电极。y轴电极18、19沿着大体正交于x轴的第二轴(诸如沿着患者的大腿内侧和颈部区域)施加到患者，并且可以称为左腿电极和颈部电极。z轴电极16、22沿着大体上正交于x轴和y轴两者的第三轴(诸如沿着在胸部区域中的患者的胸骨和脊柱)施加，并且可以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。
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可以是固定的心脏内电极31的替代物，如在下面进一步详细描述的。还应当理解，此外，患者11可以具有位于合适位置的大部分或全部传统心电图(“ECG”或“EKG”)系统导联。在某些实施例中，例如，可以使用一组标准的12条ECG导联来感测患者心脏10上的心电图。该ECG信息可用于系统8(例如，可以将其作为输入提供给计算机系统20)。就ECG导联被很好地理解而言，并且为了使附图更加清楚，在图1中仅示出了单个导联6及其与计算机20的连接。
还示出了具有至少一个电极17的代表性导管13。在整个说明书中，该代表性导管电极17被称为“游移电极”、“移动电极”或“测量电极”。通常，将使用导管13上或多个这种导管上的多个电极17。例如，在一个实施例中，系统8可以包括设置在患者的心脏和/或脉管系统内的十二个导管上的六十四个电极。当然，该实施例仅是示例性的，并且可以使用任何数量的电极和导管。
特别地，出于本公开的目的，在图2中示出了示例性多电极导管13的一部分，通常称为HD栅格导管。HD栅格导管13包括耦合到桨状件202的导管主体200。导管主体200可以进一步分别包括第一和第二主体电极204、206。桨状件202可包括第一花键208、第二花键210、第三花键212和第四花键214，它们通过近侧耦合器216耦合至导管主体200，并通过远侧耦合器218耦合至彼此。在一个实施例中，第一花键208和第四花键214可以是一个连续片段，并且第二花键210和第三花键212可以是另一个连续片段。在其它实施例中，各种花键208、210、212、214可以是(例如，分别通过近侧和远侧耦合器216、218)彼此耦合的分离的片段。
如上所述，花键208、210、212、214可包括任何数量的电极17；在图2中，示出了以四乘四阵列布置的十六个电极17。还应当理解，如沿着花键208、210、212、214以及在花键208、210、212、214之间所测量的，电极17可以均匀和/或不均匀地间隔开。
导管13(或多个这种导管)通常经由一个或多个引入器并使用熟悉的程序被引入患者的心脏和/或脉管系统。实际上，将导管13引入患者心脏10的左心室的各种方法，诸如经中隔方法，对于本领域普通技术人员来说将是熟悉的，并且因此不需要在此进一步描述。
由于每个电极17位于患者体内，因此系统8可以同时为每个电极17收集位置数据。类似地，每个电极17可用于从心脏表面收集电生理数据。普通技术人员将熟悉用于电生理数据点的采集和处理的多种方式(包括例如接触和非接触电生理标测)，使得对于理解本文公开的技术而言，其进一步的讨论是不必要的。同样地，可以使用本领域中熟悉的各种技术来从多个电生理数据点生成图形表示。就普通技术人员将理解如何从电生理数据点创建电生理标测图而言，本文的方面仅在理解本公开所必需的程度上进行描述。
现在回到图1，在一些实施例中，在第二导管29上示出可选的固定参考电极31(例如，附接到心脏10的壁)。出于校准的目的，该电极31可以是固定的(例如，附接到心脏壁或附近)或与游移电极(例如电极17)以固定的空间关系设置，并且因此可以称为“导航参考”或“本地参考”。除了上述表面参考电极21以外或作为替代，还可以使用固定参考电极31。在许多情况下，心脏10中的冠状窦电极或其它固定电极可以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可以定义坐标系的原点。
每个表面电极耦合到多路复用开关24，并且通过在计算机20上运行的软件选择成对的表面电极，该计算机20将表面电极耦合到信号发生器25。可替代地，可以省去开关24，并且可以提供信号发生器25的多个(例如，三个)实例，每个测量轴(也就是说，每个表面电极对)一个。
计算机20可以包括例如传统的通用计算机、专用计算机、分布式计算机或任何其它类型的计算机。计算机20可以包括一个或多个处理器28，诸如单个中央处理单元(“CPU”)或通常称为并行处理环境的多个处理单元，其可以执行指令以实践本文所述的多个方面。
通常，由一系列被驱动和感测的电偶极子(例如，表面电极对12/14、18/19和16/22)生成三个名义上正交的电场，以便在生物导体中实现导管导航。可替代地，这些正交场可以被分解并且任何成对的表面电极可以被驱动为偶极子以提供有效的电极三角测量。同样地，电极12、14、18、19、16和22(或任何数量的电极)可以以任何其它有效的布置定位，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，可以将多个电极放置在患者11的背部、侧面和/或腹部上。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，可以将由一组预定的驱动(源-汇)配置产生的跨游移电极测量的电势进行代数组合，以产生与如通过沿正交轴简单地驱动均匀电流所获得的有效电势相同的有效电势。
因此，可以选择表面电极12、14、16、18、19、22中的任何两个表面电极作为关于接地参考(诸如腹部贴片21)的偶极子源极和漏极，而未激励电极测量关于接地参考的电压。放置在心脏10中的游移电极17暴露于来自电流脉冲的场，并关于地(诸如腹部贴片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电极更多或更少的电极，并且可以测量每个电极电势。如前所述，可以将至少一个电极固定到心脏的内表面以形成固定参考电极31，该固定参考电极31也关于地(诸如腹部贴片21)进行测量，并且可以定义为系统8相对于其测量位置的坐标系的原点。来自表面电极、内部电极和虚拟电极中的每一个电极的数据集都可以用于确定心脏10内的游移电极17的位置。
系统8可以使用所测量的电压来确定心脏内侧的电极(诸如游移电极17)相对于参考位置(诸如参考电极31)在三维空间中的位置。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达游移电极17相对于原点的位置。在一些实施例中，坐标系是三维(x，y，z)笛卡尔坐标系，但是可以设想其它坐标系，诸如极坐标、球坐标和圆柱坐标系。
从前面的讨论中应该清楚，当表面电极对在心脏上施加电场时，测量用于确定电极在心脏内的位置的数据。电极数据还可以用于创建呼吸补偿值，该呼吸补偿值用于改善电极位置的原始位置数据，如例如在美国专利No.7,263,397中所述，该专利通过引用整体包含于此。电极数据还可以用于补偿患者身体阻抗的变化，如例如在美国专利No.7,885,707中所述，该专利也通过引用整体包含于此。
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，并且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，诸如用剩余的表面电极和体内电极中的至少一个测量的电压。如上所述，可以执行对诸如呼吸和/或阻抗偏移的伪影的补偿。
在一些实施例中，系统8是雅培实验室(Abbott Laboratories)的EnSiteTMVelocityTM或EnSite PrecisionTM心脏标测和可视化系统。然而，可以结合本教导使用其它定位系统，包括例如波士顿科学公司(Boston Scientific Corporation)的RHYTHMIA HDXTM标测系统、生物传感韦伯斯特公司(Biosense Webster,Inc.)的CARTO导航和定位系统、北方数字公司(Northern Digital Inc.)的系统、Sterotaxis的/>电磁导航系统以及来自雅培实验室的MediGuideTM技术。
在以下专利(所有这些专利均通过引用整体包含于此)中描述的定位和标测系统也可以用于本发明：美国专利No.6,990,370；6,978,168；6,947,785；6,939,309；6,728,562；6,640,119；5,983,126；以及5,697,377。
本公开的方面涉及用于虚拟导管的电生理信号的分类，例如以便在显示器23上显示电生理信号的图形表示(例如，迹线)。因此，系统8还可包括分类和可视化模块58，该分类和可视化模块58可用于对显示器23上的电生理信号的图形表示(例如，迹线)进行分类并生成该图形表示。本领域普通技术人员将熟悉与电解剖标测系统结合的电生理信号迹线的图形表示，使得对于理解本公开内容不必要对其进行详细描述。
将参考如图3所示的代表性步骤的流程图300来说明根据本教导的对电生理信号进行分类和可视化的一种示例性方法。在一些实施例中，例如，流程图300可以表示可以通过图1的电解剖标测系统8(例如，通过处理器28和/或分类和可视化模块58)来执行的若干示例性步骤。应当理解，以下描述的代表性步骤可以是硬件或软件实现的。为了说明起见，术语“信号处理器”在本文中用于描述本文的教导的基于硬件和软件的实现方式。
在框302中，系统8生成电生理标测图的图形表示，诸如本地激活时间、电压、分数、传导速度等的标测图，并包括多个电生理数据点。如上所述，本领域普通技术人员将熟悉通过电解剖标测系统进行的电生理标测图的图形表示，使得在此不需要对其进行详细讨论。然而，出于说明的目的，图4以本地激活时间标测图400的形式描绘了代表性电生理标测图。本领域普通技术人员还将认识到，每个电生理数据点都包括位置数据和电生理数据(例如，心内电描记图和心脏上测量心内电描记图的位置)二者。
在框304中，系统8诸如通过图形用户界面(“GUI”)接收用户输入以定义虚拟电生理导管。例如，用户可以诸如通过在电生理标测图400上追踪路径402来定义相对于电生理标测图400的虚拟导管的路径。用户还可以指定用于虚拟导管的虚拟电极404的数量。
在框306中，系统8根据来自框304的用户输入定义虚拟导管，其上包括期望数量的虚拟电极404。例如，图4描绘了五个虚拟电极404，它们沿定义虚拟导管的路径402均匀间隔。图4还描绘了与虚拟电极404相对应的电描记图406，其可以根据下面的教导从相关的电生理数据点生成。
在框308中，系统8识别构成电生理标测图400的多个电生理数据点中的一个或多个电生理数据点，该电生理数据点与在框306中定义的虚拟电极处的电活动有关。为了本公开的目的，如果电生理数据点满足关于虚拟电极的一个或多个相关性标准，则其与虚拟电极处的电活动有关。
因此，许多电生理数据点可与虚拟电极处的电活动有关。然而，应理解，在本公开的方面中，仅一个这种相关电生理数据点(更特别地，其电生理信号)将最终与虚拟电极相关联。在本公开的其它实施例中，来自多个这种相关电生理数据点的电生理信号的复合可以与虚拟电极相关联。在本公开的其它方面中，可以增加虚拟电极的数量，这相应地增加了相关的电生理数据点的数量。当然，还设想在特定虚拟电极处可能不存在与电活动相关的电生理数据点(也就是说，可能不存在满足关于虚拟电极的一个或多个相关性标准的电生理数据点)，在这种情况下，没有电生理数据点并且因此也没有电生理信号将与该虚拟电极相关联。
一阶相关性标准是距离标准，其可以被实现为距虚拟电极的位置的最大距离(例如，欧几里得距离、测地线距离)。最大距离可以由用户定义或系统预设，并且通常在约2mm至约6mm之间。落在距虚拟电极的位置最大距离内的任何电生理数据点(例如，落在以虚拟电极为中心并具有最大距离的半径的球内的任何电生理点)可以被视为满足距离标准。
在本公开的一些实施例中，仅应用距离标准。在这种情况下，如果多于一个电生理数据点满足距离标准，则最接近虚拟电极位置的电生理点可以具有与虚拟电极相关联的相关联电生理信号。
例如，图5示意性地描绘了具有多个虚拟电极s0、s1、s2等的虚拟导管502。图5还描绘了多个电生理数据点a、b、c、d、e和f。在每个虚拟电极周围是代表距离标准的虚线圆504。如图5中所示，电生理数据点a落在围绕虚拟电极s0的虚线圆504内，电生理数据点b落在围绕虚拟电极s1的虚线圆504内，电生理数据点c和d落在围绕虚拟电极s3的虚线圆504内，并且没有电生理数据点落在围绕虚拟电极s2和s4的虚线圆504内。
因此，电生理数据点a的电生理信号可以与虚拟电极s0相关联，并且电生理数据点b的电生理信号可以与虚拟电极s1相关联。因为电生理数据点d比电生理数据点c更靠近虚拟电极s3，所以电生理数据点c的电生理信号可以与虚拟电极s3相关联。没有电生理信号将与虚拟电极s2和s4相关联。
距离标准还可以与沿虚拟导管502的距离不同地处理距虚拟导管502的距离。例如，代替使用可以由球形(或如图5中以二维所示，圆形)构造表示的距离标准，距离标准可以由圆柱形构造表示，该圆柱形构造可以以虚拟电极(例如，s0、s1、s2等)为中心并且可以沿着虚拟导管502的长度具有高度。
附加相关性标准包括但不限于双极定向标准、收集时间标准和形态标准。这些中的每一个将在下面依次讨论。
当与构成电生理标测图400的电生理数据点相关联的电生理信号是双极电描记图时，可以使用双极定向标准。双极定向标准评估电生理数据点的双极相对于参考定向的定向。例如，可以定义双极定向标准以评估电生理数据点的双极是否沿着虚拟导管的路径402的方向。可替代地，可以定义双极定向标准以评估电生理数据点的双极是否垂直于虚拟导管的路径402的方向。期望地，使用双极定向标准增加了最终与每个虚拟电极相关联的电生理信号将具有相同或相似的双极定向的可能性。在本公开的方面中，双极定向标准是在以虚拟导管的路径402的方向为中心约36度与约40度之间的范围内。
收集时间标准有助于确保最终与每个虚拟电极相关联的电生理信号在大约相同的时间被收集。收集时间标准可以是从单个时间基准测量的绝对标准(例如，从电生理研究开始测量)，或可以是从重复基准测量的相对标准(例如，从任何给定心跳的去极化开始测量)。在本公开的其它实施例中，基准可以是接近虚拟电极(例如，如上所述满足距离标准的虚拟电极)的电生理数据点的平均(例如，均值或中值)收集时间。
形态标准有助于确保最终与每个虚拟电极相关联的电生理信号具有相似的形态(彼此相似和/或与模板形态相似)。形态标准可以表达为最小形态匹配分数，该最小形态匹配分数可以例如使用相关值或相似性度量来计算；一个示例性相关值是皮尔逊相关系数。关于形态匹配分数的附加细节可以在美国专利申请No.2015/0057507中找到，其通过引用包含于此，如同在此完整阐述一样。
在框310中，不超过一个电生理信号与每个虚拟电极相关联。如上所述，可以设想，如果没有电生理数据点满足关于特定虚拟电极的相关性标准，则没有电生理信号可以与该虚拟电极相关联。
在框312中，系统8根据普通技术人员所熟悉的技术，输出与虚拟电极相关联的电生理信号的图形表示，例如作为显示器23上的多条迹线。输出迹线的顺序可以对应于电生理标测图400上虚拟导管402的路径的方向。例如，图6描绘了与图5的示意性虚拟导管502相对应的多个迹线的代表性输出。
尽管以上已经以一定程度的特殊性描述了几个实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下对所公开的实施例进行多种改变。
例如，系统8可以在电生理标测图的图形表示上显示虚拟电极的图形表示。作为另一示例，可以在电生理标测图的图形表示上突出显示被识别为与虚拟电极处的电活动相关的电生理数据点。
作为另一示例，除了用作双极定向标准的一部分外，虚拟导管的路径402的方向还可以用于指定2D电描记图信号(例如，作为全极性电压环路的一部分)可以投射所沿的方向。
作为另一示例，代替定义包括多个虚拟电极的虚拟导管，可以使用在所定义的路径(例如，路径402)的预设距离内的所有电生理数据点。
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)仅用于标识目的，以帮助读者对本发明的理解，而不是对本发明的位置、定向或用途产生限制。结合参考(例如，附接、耦合、连接等)应被广义地解释，并且可以包括元件的连接之间的中间构件和元件之间的相对移动。这样，结合参考不必推断两个元件是直接连接的并且彼此之间具有固定关系。
意图是，以上描述中包含的或附图中示出的所有内容应被解释为仅是示例性的，而非限制性的。在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神的情况下，可以进行细节或结构上的改变。