CN109589109B - 中点零参考 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“中点零参考”。本发明公开了一种心脏电生理***，该心脏电生理***包括用于识别心脏中心律失常的来源的装置。本发明所公开的***可为心电图设备并且可生成心脏结构的增强的心电图(EKG)。本发明所公开的***可包括***到心脏结构的腔室中的本发明所公开的导管。本发明所公开的导管可包括电极和变换器，该电极被配置成随时间的过去测量心脏结构的电活动的模拟电信号，该变换器被配置成去除模拟电信号的直流(DC)偏移以生成以0伏特(V)为中心的模拟电信号，该模拟电信号可由模数转换器(ADC)采样并且增益被调整到ADC的最大分辨率，以产生增强的数字心电图(EKG)信号。

Description

中点零参考
发明内容
本发明公开了一种心脏电生理***，该心脏电生理***包括用于识别心脏中心律失常的来源的装置。本发明所公开的***可为心电图设备并且可生成心脏结构的增强的心电图(EKG)。本发明所公开的***可包括***到心脏结构的腔室中的本发明所公开的导管。本发明所公开的导管可包括电极和变换器，该电极被配置成随时间的过去测量心脏结构的电活动的模拟电信号，该变换器被配置成去除模拟电信号的直流(DC)偏移以生成以0伏特(V)为中心的模拟电信号，该模拟电信号可由模数转换器(ADC)采样并且增益被调整到ADC的最大分辨率，以产生增强的数字心电图(EKG)信号。
附图说明
图1是根据本文公开内容的示例性心电图设备100的示意图；
图2是根据本文公开内容的可包括在图1的示例性心电图设备中的示例性导管的示意图；并且
图3是根据本文公开内容的用于在心脏内生成具有单个中点零参考的增强的心电图(EKG)的示例性过程的流程图。
具体实施方式
心电描记法是一种心脏病学测试，其使用导管使用放置在皮肤上和/或心脏内的电极在一段时间内测量和记录心脏的电活动。这些电极检测每个心跳期间由心脏肌肉的去极化的电生理模式引起的小的电变化，并且因此可用于检测异常的心脏病症诸如心肌梗塞、肺栓塞、结构性心脏病(例如，心脏杂音)或心律失常。心电描记法可由心电图机执行，并且所得的测试产生心电图(等效地缩写为EKG或ECG)，该心电图显示心脏中的电信号，通常作为心脏的电活动的电压随时间的过去的曲线图。
示例性心电图***可包括放置在患者的肢体上和胸部的表面上的十二个引线和十个电极。心脏的电位的总体大小由十二个引线测量(每个引线对应于不同的测量角度)并且在一段时间内进行记录。用心内电极(其例如安装在置于心脏的腔室内的导管上)执行的心电描记法产生被称为心内心电图(ICEG)的EKG，并且可与放置在患者外部的常规的十二条引线结合利用或代替所述常规的十二条引线。为了测量心脏肌肉的电活动，EKG电极必须能够检测到患者的皮肤或心脏组织上势能的很小的变化。例如，电变化可由EKG电极检测，作为测量大约1毫伏(mV)或更小的心脏电信号。ICEG可能够仅使用体表面上的表面电极捕获可未在EKG上检测到的电形态，或者至少在某些情况下更准确地捕获。
在每次心跳期间，健康的心脏具有有序的去极化进程。这种有序的去极化模式产生特征性EKG描记线。对于训练有素的临床医生，EKG信号的形态传达关于心脏结构及其电传导***功能的大量信息。除其他外，EKG可用于测量心跳的速率和节律、心室的尺寸和位置、对心脏的肌肉细胞或传导***的任何损伤的存在、心脏药物的作用以及植入的起搏器的功能。对EKG的解释从根本上讲是关于理解心脏的电传导***。正常传导以可预测模式开始并传播，并且偏离该模式可为正常变化或为病理性的。
虽然现有的心电图***产生的EKG广泛用于诊断和监测心脏病症，但是他们具有一些已知的限制。例如，心律失常是心脏中的节律缺陷，其中心脏跳动不规率，太快或太慢。通过最简单的方法诸如心跳的听诊或外周脉冲的感觉，有可能初步检测心律失常，但是需要进行更高级的测试来诊断具体的心律失常，这通常涉及只有在使用高准确度时才能检测到的微小的电信号。采用心内电极的常规ICEG可提供用于评估心律失常的特定诊断测试，但在许多情况下可不是检测心脏组织中心律失常的具体来源的准确方法，如下所述。
在常规的心内心电图***中，与皮肤和/或心脏组织接触的EKG电极测量作为正电荷流入电极的心脏信号电流，以及作为负电荷流动远离电极的心脏信号电流，以产生随时间的过去的心脏的电信号的电压读数。心电图***的目标是最小化人工痕迹并且最大化EKG信号的准确性，以便向医师提供可靠的信息。
由于患者的内部几何结构导致的阻抗(即，与电流相反)可通过扭曲在EKG电极处提供的电压读数的准确性而对EKG的准确性造成问题。因此，在存在由周围身体所引起的阻抗的情况下，可能难以定位心脏中的心律失常的来源。例如，各种身体类型诸如大骨骼、高肌肉质量或高肥胖症可对EKG电极如何读取来自心脏的特定电信号具有不同的失真效应。
本发明所公开的心电图***和方法通过减轻心脏结构中固有阻抗的失真效应来改善EKG的准确性，以用于识别心脏组织中的心律失常和其他病症的来源。不是使用心脏的电压作为参考电压，而是将发射低电荷的变换器(例如，安装在导管上)放置在心脏内以生成由EKG电极识别的电压信号以去除偏压。例如，由变换器发射的电荷可以是大约几微伏(μV)(例如，在1μV至100μV的范围内，或其他示例性范围)。因此，变换器用于找到并隔离控制点，该控制点是最大灵敏度的区域，其中由于心脏电活动而每单位电压存在最大变化。
因此，根据本发明所公开的心电图***和方法，EKG电极在相同的中点零参考点处被设置在一起，并且因此基于心脏内的由变换器发射的电荷来测量心脏电信号。在心脏内创建该单个中点零参考去除了由于阻抗引起的失真(例如，由患者的内部身体结构的几何结构引起的)。
包括变换器和EKG电极的导管可在心脏中移动(例如，由医师经由柄部物理地移动导管)，同时发射小电荷以刺激心脏组织的部分导致心律失常。例如，为刺激心脏组织而发射的电荷可以是大约几毫伏(mV)(例如，在1mV至100mV的范围内，或其他示例性范围)。心律失常的具***置可由导管定位，因为导致心律失常的肌肉组织将作为心房纤颤而响应于导管，使得医师可隔离EKG上的心律失常。一旦心脏中心律失常的具***置用导管识别，EKG电极可对来自心律失常的隔离信号进行测量。所得的EKG可用作更准确的工具来识别心脏中心律失常的来源，并且研究导致心律失常的隔离的心脏组织。
图1是根据本文公开内容的示例性心电图设备100的示意图。心电图设备100可包括但不限于包括以下部件中的任一个：控制台***101；心内引线107，该心内引线连接到导管120，该导管具有***到患者105的心脏126中的远侧端部114；非接触电极116，该非接触电极位于导管120的远侧端部114处；变换器118，该变换器位于导管120的远侧端部114处；以及引线110，该引线连接到定位在患者105的皮肤上的各种位置中的电极112。控制台***101可包括但不限于包括以下部件中的任一个：模数转换器(ADC或A/D转换器)125；处理器130；数据存储装置155；数据端口打印机160；输入/输出(I/O)设备165；视觉显示设备170；和/或能量源设备175。处理器130可包括但不限于包括以下部件中的任一个或多个：视频控制器135；数字信号处理器(DSP)140；微处理器145；和/或微控制器150。
导管120、引线107和110、电极112和116、变换器118和/或心电图设备100的未示出的其他部件(例如，附加的导管、传感器等)可直接在患者上、患者内和/或患者附近使用，以便收集用于可视化、诊断和治疗(例如，消融治疗)的信息。可将该信息提供到控制台***101以用于处理、可视化以及操作员控制和指导，其中的一些在下面描述。
一系列引线110和心内引线107分别将患者105的皮肤表面上的电极112和心脏126内的导管120上的电极116连接到心电图设备100的主控制台101。在示例中，心内导管120可用于诊断和/或治疗处理，诸如用于绘制患者105的心脏126中的电位。在示例中，导管120可***到患者105的血管***中，使得导管120的远侧端部114进入患者心脏126的腔室。虽然图1示出单个导管120和心内引线107，但可类似地使用附加的导管和引线(未示出)，其中可类似地使用一个或多个电极、变换器和/或传感器。此外，心电图设备100可仅使用表面电极112，或仅使用心内电极116，或使用表面电极112和心内电极116两者以用于EKG读数。
原始EKG信号115(即，模拟输入信号)从电极112和/或116采集，并且由可调整的增益ADC 125从模拟格式转换为数字格式。ADC 125通过以采样速率对模拟输入信号115进行采样生成并提供EKG信号115的数字输出117。ADC 125的分辨率指示ADC 125可在模拟值范围内产生的离散值的数量，并且可以伏特电学定义。ADC 125可产生的电压间隔的数量由2M给出，其中M是ADC的比特分辨率。
在示例中，ADC 125可实现为具有24位分辨率、0V至5V的动态范围和可调整的增益的专用集成电路(ASIC)。然后，ADC 125具有在5V/224＝0.30μV的5V范围内定义的最大电压分辨率。如果输入信号大于5V(例如，6V)，则其超出范围，并且不能被ADC 125采样。类似地，如果模拟输入信号(例如，正弦波)具有仅1V的振幅，但以6V DC偏移为中心，则输入信号仍超出范围，并且不能被ADC 125采样。在另一个示例中，有意义的模拟EKG信号可具有大约1mV的最大振幅波动，但是可具有3V DC偏压。然后，ADC 125的24位分辨率在整个3V范围内使用，并且因此不能用于提供更小波动的更精细分辨率。
然而，如果使用变换器118，则心脏中的变换器118消除心电信号的DC偏移，使得捕获的EKG信号以0V为中心并且ADC 125的整个24位分辨率可用于隔离控制点，这是最大灵敏度的区域，其中由于心脏电活动，每单位电压有最大变化。一旦去除直流(DC)偏移，就可将模拟EKG信号放大至ADC转换器125(例如，至5V)的范围，使得使用ADC转换器125的整个分辨率。例如，如果ADC 124的范围为5V，并且测得的EKG信号的振幅为1mv，则500的增益可施加到EKG信号以利用整个动态范围。
一旦模拟信号被转换，ADC 125就将数字EKG信号传送至处理器130以产生EKG曲线图并且/或者执行其他EKG分析。处理器130可耦接到数据存储装置155、数据端口和打印机160、其他I/O设备165和视觉显示设备170，该视觉显示设备可用于显示由心电图设备100产生的EKG。心电图设备100和/或其中的部件中的任一个可由一个或多个能量源175供电。
数据存储装置155是记录信息的任何设备。数据存储装置可为包括在设备100内的信号提供存储介质，并且为处理器130的待存储的计算提供位置。
微处理器145可为将计算机的中央处理单元(CPU)的功能结合到单个集成电路(IC)或几个集成电路上的计算机处理器。微处理器145可为多用途、时钟驱动、基于寄存器的可编程电子设备，其接受数字或二进制数据作为输入，根据存储在其存储器或数据存储装置155中的指令对数字或二进制数据进行处理，并提供结果作为输出。微处理器145包含组合逻辑和顺序数字逻辑两者。
微控制器150可为单个集成电路上的一个或多个小型计算机。微控制器150可包含一个或多个CPU以及存储器和可编程输入/输出***设备。以铁电RAM、NOR闪存或OTP ROM形式的程序存储器以及少量RAM也经常包括在芯片上。微控制器被设计用于嵌入式应用，与个人计算机或由各种离散的芯片组成的其他通用应用中使用的微处理器形成对比。
DSP140可执行数字信号处理以执行各种各样的信号处理操作。以这种方式处理的信号是表示域诸如时间、空间或频率中的连续变量的样本的数字序列。数字信号处理可涉及线性或非线性操作。非线性信号处理与非线性***识别密切相关，并且可在时间、频率和时空域中实现。将数字计算应用于信号处理允许在许多应用中具有优于模拟处理的许多优点，诸如传输中的错误检测和校正以及数据压缩。DSP适用于流式数据和静态(存储的)数据两者。
图2是根据本文公开内容的可包括在图1的示例性心电图设备100中的示例性导管220(例如，图1中的导管120)的示意图。导管220可经由引线207连接至心电图控制台。导管220可包括但不限于包括以下部件中的任一个或多个：远侧端部214；电极216；变换器218；定位传感器221；远侧末端228；柄部232；和/或控件234。
导管220的远侧端部214可包括远侧末端228处的电极216，该电极可用于测量心脏组织的电特性。电极216还可用于将电信号发送到心脏，以用于诊断目的。电极216还可通过在期望的消融位置处将能量(例如，RF能量)直接施加到心脏组织而对有缺陷的心脏组织执行消融。在示例中，电极216可包括被布置成阵列的非接触电极，该非接触电极可用于同时接收并且测量来自患者的心室的壁的远场电信号。电极216将关于心脏的电特性的信息提供给心电图仪控制台以用于处理。
远侧端部214包括变换器218，该变换器可消除捕获的模拟EKG信号中的DC偏移，使得捕获的EKG信号以0V为中心以隔离控制点，其是最大灵敏度的区域，其中由于心脏电活动，每单位电压有最大变化。
远侧端部214可包括导管220的远侧末端228中的定位传感器221(也称为位置传感器)，该定位传感器可生成用于确定导管220在体内的位置和取向(和/或距离)的信号。在示例中，定位传感器221、电极216和远侧末端228的相对位置和取向是固定的并且是已知的，以便于远侧末端228的准确定位信息。例如，定位传感器221的位置可部分地基于心脏外已知位置的相对位置(例如，基于未示出的心外传感器)来确定。定位传感器221的使用可在周围空间中的磁场内提供改善的位置准确性并且提供适合于患者移动的位置信息，因为导管220的位置信息相对于患者的解剖结构。
导管220的柄部232可由医师操作并且可包括控件234以使医师能够使远侧末端228在期望的方向上有效地转向。
图3是根据本文公开内容的用于在心脏内生成具有单个中点零参考的增强的EKG的示例性过程300的流程图。示例性过程300可在心电图***诸如图1的示例性心电图设备100中实现。
在302处，可捕获心脏结构的电活动随时间的过去的模拟电信号，例如使用位于心内导管和/或皮肤表面上的电极。在304处，例如使用心内变换器可去除模拟电信号的DC偏移，以生成以零为中心的模拟电信号。在306处，可对以零为中心的模拟电信号进行采样，并且以零为中心的模拟电信号的增益可被调整到最大范围，以产生数字EKG信号。在308处，数字EKG信号可被处理以用于输出给用户，例如作为在视觉显示设备上打印或显示的EKG读数。
基于本文的公开内容，许多变化是可能的。虽然在上文以特定组合描述了特征和元件，但是每个特征或元件可独自使用而无需其他特征和元件，或者在具有或不具有其他特征和元件的情况下以各种组合使用每个特征或元件。
本文所述的***和过程可以硬件和/或软件来实现。用于执行心电描记法的基于计算机的***可能够运行引入包括本文所述的过程的附加特征的软件模块。本文所述的过程可以实现高级心脏可视化和诊断能力，以增强临床医生诊断和治疗心律紊乱的能力。虽然本文公开的过程是关于心脏内的心电描记法过程描述的，但是这些设备和过程可类似地用于身体其他部分的电生理学过程，诸如但不限于脑中的脑电描记法、眼睛中的眼动电图描记法以及肺中的电呼吸描记术。
本发明所提供的方法可包括在通用计算机、处理器或处理器核心中的具体实施。以举例的方式，合适的处理器包括通用处理器、专用处理器、常规处理器、数字信号处理器(DSP)、多个微处理器、与DSP核相关联的一个或多个微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)电路、任何其他类型的集成电路(IC)和/或状态机。可通过使用处理的硬件描述语言(HDL)指令和包括网络表的其他中间数据的结果(此类指令能够被存储在计算机可读介质上)配置制造过程来制造此类处理器。此类处理的结果可以是掩码作品，其然后在半导体制造过程中用于制造能实现本文所述的方法的处理器。
本文提供的方法或流程图可在并入非暂态计算机可读存储介质中的计算机程序、软件或固件中实现，用于由通用计算机或处理器执行。非暂态计算机可读存储介质的示例包括ROM、随机存取存储器(RAM)、寄存器、高速缓冲存储器、半导体存储器设备、诸如内部硬盘和可移动盘的磁介质、磁光介质和诸如CD-ROM盘的光学介质以及数字通用光盘(DVD)。

Claims (10)

1.一种***，所述***被配置成生成心脏结构的增强的心电图(EKG)，所述***包括：
导管，所述导管被配置用于***到所述心脏结构的腔室中，所述导管包括：
多个电极，所述多个电极被配置成随时间的过去测量所述心脏结构的电活动的模拟电信号；
变换器，所述变换器被配置成去除所述模拟电信号的直流(DC)偏移以生成以0伏特(V)为中心的模拟电信号；
所述导管被配置成将以0V为中心的所述模拟电信号提供到控制台***，所述控制台***包括：
模数转换器(ADC)，所述模数转换器(ADC)被配置成对以0V为中心的所述模拟电信号进行采样，并且将以0V为中心的所述模拟电信号的增益调整到所述ADC的最大分辨率，以产生数字心电图(EKG)信号；以及
处理器，所述处理器被配置成处理所述数字EKG信号以用于输出给用户。
2.根据权利要求1所述的***，所述***被配置为心电图设备。
3.根据权利要求1所述的***，其中所述变换器被配置成通过发射低电荷来去除所述DC偏移。
4.根据权利要求1所述的***，其中所述ADC的所述最大分辨率基于所述ADC的动态电压范围。
5.根据权利要求1所述的***，其中所述控制台***还包括：
视觉显示设备，所述视觉显示设备被配置成视觉上显示所述数字EKG信号。
6.根据权利要求1所述的***，所述***还包括：
体表面电极，所述体表面电极被配置成随时间的过去捕获所述心脏结构的所述电活动的第二模拟电信号并且向所述控制台***提供所述第二模拟电信号。
7.根据权利要求1所述的***，其中所述导管还被配置成发射小电荷以刺激所述心脏结构中的组织以检测心律失常的位置。
8.根据权利要求1所述的***，其中所述导管的位置由所述用户手动控制。
9.根据权利要求1所述的***，其中所述导管还包括：
定位传感器，所述定位传感器被配置成生成所述导管的位置和取向信息并且向所述控制台***提供所述位置和取向信息。
10.根据权利要求9所述的***，其中所述处理器还被配置成处理所述导管的所述位置和取向信息并且向所述用户提供所述导管的所述位置和取向信息。
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