CN110267614A - 电穿孔的轮廓参数选择算法 - Google Patents

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Abstract

一种确定用于在心脏组织中创建期望的损伤特性的脉冲场消融波形参数的方法。方法提供被配置成递送电穿孔脉冲的电外科发生器，该发生器被配置成：加载预定波形参数(yi)；加载预定建模数据(xi)；接受对用户输入的期望损伤特性(ui)的输入；以及基于(ui)、(yi)和(xi)确定至少一个对应的脉冲场消融波形参数。

Description

电穿孔的轮廓参数选择算法
技术领域
本公开涉及基于期望的损伤特性来确定电穿孔参数的方法和***。
背景技术
电穿孔是向细胞施加电场以便增加细胞膜的渗透性。可引起可逆或不可逆电穿孔的脉冲场消融(“PFA”)是一种非热消融技术，其在期望的区域中创建损伤以治疗诸如心律失常之类的病症，并消融体内组织和/或器官的区域。例如，为了治疗心律失常，可以执行PFA以修改组织，诸如，停止通过心脏组织的异常电传播和/或破坏异常电传导。
PFA包括施加短脉冲电场(PEF)，所述短脉冲电场可以通过电渗透来可逆地或不可逆地使细胞膜不稳定，但通常不影响组织成分(包括无细胞心脏细胞外基质)的结构完整性。PFA的性质允许非常短的时段的治疗能量递送，持续时间大约在数十或数百毫秒的量级上。此外，当靶向心肌细胞时，PFA可能不会像热消融技术那样频繁地或严重地引起对非靶组织的附带损伤。此外，治疗性药剂可以优先引入暴露于具有可逆的膜渗透性的PEF的靶组织的细胞中。
在PFA***中，用户将被递送到组织的PEF的期望参数编程到电外科发生器中或以其他方式将被递送到组织的PEF的期望参数手动输入到电外科发生器中，该电外科发生器被配置成通过电外科手持件将电能递送到靶组织。也就是说，对于给定的递送工具、靶组织或环境，用户可以从诸如波形的振幅、大小、形状、频率和重复之类波形参数中进行选择。在输入那些参数时，可以确定损伤的大小。在这种应用中，损伤(或受影响的区域)的大小(诸如，受影响区域的深度或宽度)通常是期望的结果。然而，不存在允许用户向电外科发生器输入针对特定组织的损伤的期望特性(诸如，用于PFA的长度、宽度和深度)的***或方法。对于设计用于放置在心脏的心内膜表面或心外膜表面上的心脏消融能量递送电极，实现将期望深度或程度的损伤形成到组织中通常是目标。替代电极可以被设计成从组织内的受限空间内(诸如，在脉管***内)消融。在这样的放置中，电场和所产生的损伤从电极阵列径向向外延伸，从而产生围绕电极的特定直径的损伤。
发明内容
本申请有利地提供了确定用于在心脏组织中创建期望的损伤特性的脉冲场消融波形参数的方法。该方法提供了被配置成递送电穿孔脉冲的电外科发生器，该发生器被配置成：加载预定波形参数(yi)；加载预定建模数据(xi)；接受对用户输入的期望损伤特性(ui)的输入；以及基于(ui)、(yi)和(xi)确定至少一个对应的脉冲场消融波形参数。
在该实施例的另一方面，所述方法包括将具有多个电极的电外科设备与电外科发生器耦合，所述多个电极被配置成在所述多个电极中的相邻一个电极之间递送电穿孔脉冲。
在该实施例的另一方面，其中预定建模数据(xi)是预定波形参数(yi)和用户输入的期望损伤特性(ui)的函数。
在该实施例的另一方面，其中电外科发生器被配置成与具有多个电极的电外科医疗设备电耦合，所述多个电极被配置成在所述多个电极中的相邻电极之间递送电穿孔脉冲，并且其中波形参数(yi)包括来自由以下各项组成的组中的至少一项：脉冲的数量、每个脉冲的持续时间、脉冲序列的数量、施加电压、电极极性配置以及脉冲间计时。
在该实施例的另一方面，其中用户输入的期望损伤特性(ui)包括由损伤深度、损伤表面积、损伤宽度和损伤长度组成的组中的至少一项。
在该实施例的另一方面，该方法进一步包括向心脏组织递送个数在30-140之间的电穿孔脉冲。
在该实施例的另一方面，其中所递送的电穿孔脉冲中的每一个之间的脉冲宽度在3-6μs之间。
在该实施例的另一方面，其中以至少4个脉冲序列递送电穿孔脉冲。
在该实施例的另一方面，其中所确定的至少一个对应的脉冲场消融波形参数是来自由脉冲场消融波形的施加电压振幅和施加电场组成的组中的至少一者。
在该实施例的另一方面，其中该方法进一步包括确定所确定的施加电压振幅是否在预定电压阈值内，并且其中该方法进一步包括当所确定的施加电压振幅高于预定电压阈值时降低所施加的电压振幅。
在该实施例的另一方面中，其中用户输入的期望损伤特性(ui)是损伤深度，并且其中该方法进一步包括设置接受在1mm和8mm之间的用户输入的损伤深度范围。
在另一实施例中，用于电外科***的发生器被配置成递送脉冲场消融脉冲以使心脏组织电穿孔，并且包括具有处理电路***的处理器，该处理电路***被配置成：加载预定波形参数(yi)；加载预定建模数据(xi)；接受对用户输入的期望损伤特性(ui)的输入；以及基于(ui)、(yi)和(xi)确定至少一个对应的脉冲场消融波形参数。
在该实施例的另一方面，该发生器被进一步配置成与具有多个电极的电外科设备电耦合，所述多个电极被配置成在所述多个电极中的相邻一个电极之间递送脉冲场消融脉冲。
在该实施例的一个方面，所述多个电极被配置成向心脏组织递送个数在30-140之间的脉冲场消融脉冲。
在该实施例的一个方面，所递送的脉冲场消融脉冲中的每一个之间的脉冲宽度在1-6μs之间。
在该实施例的一个方面，以至少四个脉冲的序列递送脉冲场消融脉冲。
在该实施例的另一方面，其中预定建模数据(xi)是预定波形参数(yi)和用户输入的期望损伤特性(ui)的函数。
在该实施例的另一方面，其中电外科发生器被配置成与具有多个电极的电外科医疗设备电耦合，所述多个电极被配置成在所述多个电极中的相邻电极之间递送脉冲场消融脉冲，并且其中波形参数(yi)包括来自由以下各项组成的组中的至少一项：脉冲的数量、每个脉冲的持续时间、脉冲序列的数量、施加电压、电极极性配置以及脉冲间计时。
在该实施例的另一方面，其中用户输入的期望损伤特性(ui)包括由损伤深度、损伤表面积、损伤宽度和损伤长度组成的组中的至少一项。
在该实施例的另一方面，其中所确定的至少一个对应的脉冲场消融波形参数是来自由脉冲场消融波形的施加电压振幅和施加电场组成的组中的至少一者。
在该实施例的另一方面，处理电路***被进一步配置成确定施加电压振幅是否在预定电压阈值内，并且其中处理电路***被进一步配置成当所确定的施加电压振幅高于预定电压阈值时降低施加电压振幅。
在该实施例的另一方面中，其中用户输入的期望损伤特性(ui)是损伤深度，并且其中处理电路***被进一步配置成接受在1mm和8mm之间的用户输入的损伤深度范围。
在又另一实施例中，被配置成递送脉冲场消融脉冲以使心脏组织电穿孔的电外科发生器包括处理器，该处理器具有处理电路***，该处理电路***被配置成：加载预定波形参数(yi)；加载预定建模数据(xi)；接受对用户输入的期望损伤特性(ui)的输入；基于(ui)、(yi)和(xi)确定施加的电压振幅。发生器被配置成与具有多个电极的电外科设备电耦合，所述多个电极被配置成在所述多个电极中的相邻一个电极之间递送电穿孔脉冲，所述多个电极被配置成限定基本圆周的配置。处理电路***被进一步配置成确定施加的电压振幅是否在预定电压阈值内，并且其中处理电路***被进一步配置成当所确定的施加电压振幅高于预定电压阈值时降低施加电压振幅。
附图说明
在结合附图考虑时，通过参考以下详细说明，将更容易地理解本文所述实施例的更完整的理解以及其所伴随的优点和特征，其中：
图1是具有相关联的手持件和用于递送PFA的多电极阵列的示例性电外科发生器；
图2是示出根据期望的损伤特性确定PFA波形的步骤的流程图；
图3示出了示例性PFA波形及其参数；以及
图4示出了与示例性模型的预测结果相比的平均横截面损伤深度的残差图。
具体实施方式
在详细描述示例性实施例之前，应注意，实施例主要驻留在装置组件和与基于期望损伤特性的PFA波形轮廓(profile)参数选择相关的处理步骤的组合。相应地，已通过附图中的常规标号在适宜的位置对***和方法的构成进行了表示，这些常规标号仅示出理解本公开的实施例有关的那些特定细节，以便不会模糊具有使本领域内技术人员借助本文的描述容易理解的细节的公开。
现在参照附图，其中相同的参考标号指代相同的元件，图1中示出了示例性电外科发生器，该示例性电外科发生器被配置成递送电能以不可逆地对组织电穿孔并且一般地被指定为“10”。***10一般包括医疗设备12，该医疗设备12可被直接耦合到能量供应器或通过导管电极分布***13间接地被耦合到能量供应器，该能量供应器例如是，包括能量控制、递送和监测***的脉冲场消融发生器14。远程控制器15可进一步被包括成与发生器通信，以用于操作和控制发生器14的各种功能。医疗设备12一般可包括一个或多个诊断区或治疗区，以用于医疗设备12和治疗部位之间的能量、治疗和/或研究***互。治疗区(多个)可例如将脉冲电穿孔能量递送到接近该治疗区(多个)的组织区域。
医疗设备12可包括可通过患者的血管和/或可接近于用于诊断或治疗的组织区进行定位的细长体16，诸如导管、鞘(sheath)或血管内插管。细长体16可限定近侧部18和远侧部20，并且可进一步包括设置在细长体16内的一个或多个内腔，藉此提供细长体16的近侧部与细长体16的远侧部之间的机械、电和/或流体连通。远侧部20可一般限定医疗设备12的一个或多个治疗区(多个)，该治疗区可操作用于监测、诊断和/或治疗患者的一部分。治疗区(多个)可具有各种配置以促进这样的操作。在纯双极脉冲场递送的情况下，远侧部20包括形成用于能量递送的双极配置的电极，其中能量在一个或多个电极与同一电极阵列上的一个或多个不同电极之间通过。在替代的配置中，多个电极24可用作一个极而包含一个或多个电极(未画出)的第二设备将被放置以用作双极配置的相对极。例如，如图1中所示，远侧部20可包括可在线性配置和扩展配置之间转换的电极载体臂22，其中该载体臂22具有弧形或基本圆形的配置。载体臂22可包括该多个电极24(例如，如在图1中所示的九个电极24)，该多个电极24被配置成递送脉冲场能量。进一步地，载体臂22当在扩展配置中时可位于基本上垂直于细长体16的纵轴的平面中。扩展的载体臂22的平面取向可促进将该多个电极24容易地放置成与靶组织接触。替代地，医疗设备12可具有有着该多个电极24的线性配置。例如，远侧部20可包括沿着共同纵轴线性设置的六个电极24。
发生器14可包括处理电路***，该处理电路***包括与包含软件模块的一个或多个控制器和/或存储器通信的第一处理器17，该软件模块包含指令或算法，以提供本文中所描述的特征、序列、计算或程序的自动操作和执行。***10可进一步包括通过导管电极分布***13与发生器14通信的在患者上的三个或更多个体表ECG电极26，以监测患者的心脏活动，以用于确定在心动周期的期望部分处(例如，在心室不应期期间)的脉冲序列递送计时。除了监测、记录或以其他方式传送医疗设备12内的测量或状况或在医疗设备12的远侧部处的周围环境之外，可通过到多电极导管的连接来进行附加的测量，附加的测量例如包括，发生器14和/或医疗设备12中的温度、电极-组织界面组抗、递送的电荷、电流、功率、电压、功(work)等。体表ECG电极26可与发生器14通信以用于在医疗设备12的操作期间启动或触发一个或多个警报或治疗递送。附加的中性电极患者接地贴片(patch)(未画出)可被用于评估期望的双极电路径阻抗以及监测并在检测到不适当和/或不安全的状况时警告操作者。这些状况包括：例如，由该多个电极24执行的不恰当的(过度的或不足的)电荷递送、电流递送、功率递送、电压递送和功递送；该多个电极24的不恰当的和/或过度的温度；不恰当的电极-组织界面阻抗；在递送高电压能量之前通过递送一个或多个低电压测试脉冲以评估组织电路径的完整性的到患者的不恰当的和/或无意的电连接。
发生器14可包括具有多个输出通道的电流或脉冲发生器，其中每个通道耦合到医疗设备12的该多个电极24中的单个电极或该多个电极24中的多个电极。发生器14可以以一种或多种操作模式进行操作，包括例如：(i)在患者体内的医疗设备12的至少两个电极24之间或导电部分之间的双极能量递送，(ii)到患者体内的医疗设备12上的电极或导电部分中的一个或多个的且通过体内的第二设备(未示出)或与医疗设备12的该多个电极24间隔开的患者返回电极或接地电极(未示出)(诸如，例如在患者的皮肤上或在被定位在患者体内的远离医疗设备12的辅助设备上)的单极(monopolar)或单一极(unipolar)能量递送，以及(iii)单极模式和双极模式的组合。
现在参考图2，PFA波形参数选择算法可以被编程到第一处理器中，该第一处理器被配置成将期望的治疗结果与发生器中的能量设置相关联。例如，用户可能希望为特定组织创建特定的长度、宽度、表面积和/或深度的损伤，但是不知道创建这种损伤的波形参数。本文描述的示例性算法将期望的损伤特性与输出的波形参数相关联。在一种配置中，建模的损伤特性(xi)是递送的波形参数(yi)和用户输入(ui)的函数。递送的波形参数(yi)可以包括但不限于脉冲的数量、每个脉冲的持续时间、脉冲序列的数量、施加的电压、电极极性配置、脉冲间计时和周期长度的计时。递送的波形的示例性参数如图3所示。用户输入(ui)可包括但不限于：所使用的导管的类型，即医疗设备12的远侧部处的电极26的特定布置、电极间间距和数量，其可以是线形、螺旋形、圆形或其他电极26布置，其是特定医疗设备12的功能；靶组织的类型，例如心脏组织、血管组织、癌组织或其他类型的组织；期望的损伤特性，例如，深度(例如1-10mm)、期望的损伤表面积、期望的损伤长度、期望的损伤宽度和期望的电极间损伤深度。
通过实验建模，以下是用于确定心肌组织中的各种损伤特性(xi)的计算的示例，其中该损伤特性(xi)用作医疗设备12的建模数据和参数，最具代表性的医疗设备20具有远侧部20，该远侧部20具有直径为1-2mm、长度为3-4mm以及电极间间距为3-5mm的多个电极，而能量在图1中所指定的正电极和负电极之间通过：
平均(xi)深度＝0.276+0.001943电压-0.0650脉冲宽度+0.01874脉冲+0.0980序列+0.00186脉冲宽度*脉冲宽度-0.000070脉冲*脉冲。
平均(xi)表面宽度＝-0.65+0.00617电压+0.1454脉冲宽度+0.03167脉冲+0.1881序列-0.000124脉冲*脉冲-0.000192电压*脉冲宽度。
平均(xi)深度(电极间)＝-6.40+0.01135电压+0.1471脉冲宽度+0.02005脉冲+0.329序列-0.000005电压*电压-0.000104脉冲*脉冲-0.01612序列*序列-0.000116电压*脉冲宽度-0.00957脉冲宽度*序列+0.001306脉冲*序列。
实验建模指示被分成变量(yk)的某些波形参数(y)，该变量(yk)在确定建模的损伤特性(xi)时是统计学上显著的消融变量并因此在上述模型中被表示，而其他波形参数对于给定特性在统计学上是不显著的，该其他波形参数通过其他方式(诸如，安全考虑)来被设置并因此被预设置为恒定波形参数(yj)，以限制递送的能量的量、限制来自电极的气泡(bubble)产生、限制递送的时间、限制栓塞负载(embolic load)、降低非意图的肌肉刺激或每个的组合。在一个实施例中，脉冲间计时和相间(inter-phase)计时是被设置为常数并且不能被用户修改的参数。其他参数，例如脉冲宽度被设置为使电极24处的气泡形成最小化的值。特别地，当脉冲宽度被设置在1-6μs之间并且在示例性配置中为5μs时，气泡形成被最小化同时使损伤形成最大化。此外，脉冲的数量也可以被设置为常数以实现最大化的损伤深度，因为增添附加的脉冲可能不会降低现有的组织损伤，但确实会导致不必要的气泡、能量、时间和/或凝结(coagulation)递送。因此，脉冲的数量被设置成在给定其他潜在问题的情况下提供最有效的能量使用。例如，脉冲的数量可以被设置为30-140个脉冲之间的常数(在示例性配置中为120个脉冲)，并且可以不由用户修改。因此，电压和/或电场以及所递送的脉冲序列的数量是模型根据用户输入(ui)确定和优化的其余参数。递送的电压和脉冲序列的数量被标识为波形参数(yk)，其可以基于该模型被优化和确定。此外，施加(application)的次数也是被标识为促进损伤深度的因素。
在基于以上讨论的参数的示例性配置中，对于实现给定损伤深度的单个序列递送，以下等式适用：深度＝f(电压)+C＝A*电压+C±模型误差，其中C是(yk)和(yi)的函数，并且深度是(ui)。因此，在指定期望深度(ui)时，该模型可以设置(例如)递送的电压水平(通过反转所确定的关系)，例如：递送的电压＝(期望的深度-C(+模型误差))/A；或更一般地说：
(yk)＝f((yi)，(ui)和(xi))
电压水平可以受制于(subject to)如由发生器14设定以用于例如安全防范的最小和最大可实现水平。因此，如果上述关系没有令人满意的解决方案(即，期望深度对于最大允许电压而言太大)，则可另外指定期望的递送数量(脉冲序列的数量)以确保实现该值或警告用户不可接受的输入。然而，该模型可以假设恒定的四个脉冲序列，其具有可接受的栓塞负载，跨与不同的轮廓、安全性问题和标称剂量组相对应的深度范围。例如，该模型假设用户将输入1mm与8mm之间的期望损伤深度，这对应地导致预设置波形参数。上述模型还取决于医疗设备12和多个电极26的布置，并且取决于被治疗的组织类型，即心脏组织。
上述模型将电穿孔用于非包围组织，有效地使电穿孔区域成为远离电极26投射(project)的而不是在那些电极26之间投射的体积。这导致明确定义且可重复的损伤区域，其不同于通过单极射频(RF)或传统电穿孔过程处理的包围组织(encompassed tissue)，该单极射频(RF)或传统电穿孔过程在损伤深度计算中将具有大得多的误差。实际上，如图4所示，该模型的残差图分析示出了模型结果是精确的并且示出了变量之间的二次关系。因此，该模型提供了表示测得的实际数据的结果。
本领域技术人员应当理解，本实施例不限于本文中以上已具体示出并描述的内容。另外，除非作出与以上相反的提及，应该注意所有附图都不是按比例的。鉴于以上的教示，在不背离本申请范围的情况下，多种修改和变化是可能的。

Claims (11)

1.一种用于电外科***的发生器，所述发生器被配置成递送脉冲场消融脉冲以使心脏组织电穿孔，所述发生器包括：
处理器，所述处理器具有处理电路***，所述处理电路***被配置用于：
加载预定波形参数(yi)；
加载预定建模数据(xi)；
接受对用户输入的期望损伤特性(ui)的输入；以及
基于(ui)、(yi)和(xi)确定至少一个对应的脉冲场消融波形参数。
2.如权利要求1所述的发生器，其特征在于，所述发生器被进一步配置成与具有多个电极的电外科设备电耦合，所述多个电极被配置成在所述多个电极中的相邻一个电极之间递送脉冲场消融脉冲。
3.如权利要求2所述的发生器，其特征在于，所述多个电极被配置成向所述心脏组织递送个数在30-140之间的脉冲场消融脉冲。
4.如权利要求2或权利要求3所述的发生器，其特征在于，递送的脉冲场消融脉冲中的每一个之间的脉冲宽度在1-6μs之间。
5.如权利要求2-4中任一项所述的发生器，其特征在于，以至少四个脉冲的序列递送所述脉冲场消融脉冲。
6.如权利要求1-5中任一项所述的发生器，其特征在于，所述预定建模数据(xi)是所述预定波形参数(yi)和所述用户输入的期望损伤特性(ui)的函数。
7.如权利要求1-6中任一项所述的发生器，其特征在于，所述电外科发生器被配置成与具有多个电极的电外科医疗设备电耦合，所述多个电极被配置成在所述多个电极中的相邻电极之间递送脉冲场消融脉冲，并且其中所述波形参数(yi)包括来自由以下各项组成的组中的至少一项：脉冲的数量、每个脉冲的持续时间、脉冲序列的数量、施加的电压、电极极性配置以及脉冲间计时。
8.如权利要求1-7中任一项所述的发生器，其特征在于，所述用户输入的期望损伤特性(ui)包括由损伤深度、损伤表面积、损伤宽度和损伤长度组成的组中的至少一项。
9.如权利要求1-8中任一项所述的发生器，其特征在于，所确定的至少一个对应的脉冲场消融波形参数是来自由所述脉冲场消融波形的施加电压振幅和施加电场组成的组中的至少一者。
10.如权利要求9所述的发生器，其特征在于，所述处理电路***被进一步配置成确定所述施加电压振幅是否在预定电压阈值内，并且其中所述处理电路***被进一步配置成在所确定的施加电压振幅高于所述预定电压阈值时降低所述施加电压振幅。
11.如权利要求1-10中任一项所述的发生器，其特征在于，所述用户输入的期望损伤特性(ui)是损伤深度，并且其中所述处理电路***被进一步配置成接受在1mm与8mm之间的用户输入的损伤深度范围。
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