JP5703288B2 - 多電極マッピングシステム - Google Patents
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Description
生理学的信号は、単極電位信号等の単極信号であることができる。
生理学的信号を測定することは、第1電極と第2電極との間の電位を測定することを含むことができる。第1電極を心臓腔内に位置付け、第2電極を、電極が心臓腔内の局所組織活性化によって影響を及ぼされないように、心臓腔から隔てて位置付けることができる。
心内膜表面の複数の位置での生理学的情報の決定は、異なるカテーテル位置で測定される信号を、電気的心拍サイクルに従って相互に対して同期化することを含むことができる。測定される信号を、ECGおよび心臓間電気記録図のうちの少なくとも1つを含む生理学的データに基づき同期化することができる。
心内膜表面の複数の位置での双極生理学的情報を決定することは、変換関数を生理学的信号に適用することを含むことができ、変換関数は、生理学的信号を心内膜表面の複数の位置での生理学的情報に関連付ける。双極生理学的情報を決定することは、複数の位置での生理学的情報を測定された信号に関連付けるために、順変換を計算し、順変換を反転させることによって、変換関数を決定することを含むことができる。順変換を反転させることは、正規化によって、劣決定マトリックス反転を再公式化することを含むことができる。正規化は、物理的関係に基づくことができる。物理的関係は、電流と電位との間の関係であってもよい。物理的関係は、以下の方程式:
1つ以上の電極は、心臓腔の内部に定置される、1つ以上のカテーテル上に装着される、複数の空間的に分散された電極を含むことができる。
方法はまた、心臓腔の治療の指針として、決定された生理学的情報を使用することも含むことができる。治療は、心臓の1つ以上の選択領域のアブレーションを含むことができる。方法はまた、アブレーション治療の後に、カテーテル電極信号の測定および生理学的情報の決定を繰り返すことも含むことができる。治療は、細胞治療、遺伝子治療、または他の生物剤の適用を含むことができる。
いくつかのさらなる態様では、システムは、表面を有する心臓腔内の電気的活動に対する単極信号を測定するように構成される、1つ以上の電極と、1つ以上の電極によって測定される単極信号および表面に対する電極の位置に基づき、表面の複数の位置での双極生理学的情報を決定するように構成される、処理ユニットとを含む。
単極信号は、単極電位信号であってもよい。
1つ以上の電極は、少なくとも第1電極と、第2電極とを含むことができる。第1電極を心臓腔内に位置付けることができ、第2電極を、電極が心臓腔内の局所組織活性化によって影響を及ぼされないように、心臓腔から隔てて位置付けることができる。第1電極と第2電極とを、第1電極と第2電極との間の電位を測定するように構成することができる。
電極は、身体の内部に定置される、1つ以上のカテーテル上に装着することができる。電極は、1つ以上の体表面電極を含むことができる。電極は、身体の内部に定置される、1つ以上のカテーテル上に装着される電極、および体表面電極の両方を含むことができる。
いくつかのさらなる態様では、方法は、1つ以上の電極で、表面を有する心臓腔内の電気的活動に対する電位を測定することと、測定される電位および表面に対する1つ以上の電極の位置に基づき、表面の複数の位置での電流情報を決定することとを含む。
電流情報は、電流密度の垂直成分を含むことができる。電流情報は、電流密度ベクトルの大きさを含むことができる。電流情報は、電流密度の接線成分の大きさを含むことができる。
いくつかのさらなる態様では、システムは、心臓腔内の電気的活動に対する電位を測定するように構成される、1つ以上の電極と、1つ以上の電極によって測定される単極信号および表面に対する電極の位置に基づき、表面の複数の位置での電流情報を決定するように構成される、処理ユニットとを含む。
実施形態は、以下のうちの1つ以上を含むことができる。
3つ以上の単極測定値に基づき、双極情報を生成することは、単極信号、および心内膜表面に対する、単極信号を測定するために使用される、1つ以上の電極の位置に基づき、心内膜表面の複数の位置での双極情報を決定することを含むことができる。
システムの実施形態はまた、第1方法に関連して上に記載される、および/もしくは第2方法に関連して以下に記載される、任意の特徴を実施するためのデバイス、ソフトウェア、コンポーネント、ならびに/またはシステムを含んでもよい。
。たとえば物体の位置は、デカルト座標系における物体の点の座標を示す、3つの独立した値、およびデカルト軸のそれぞれに対する物体の配向の角度を示す、3つの独立した値、またはそのような値の任意の部分集合を含むことができる。
定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術用語および科学用語は、本発明が属する技術分野に精通するものによって一般的に理解されるものと同一の意味を有する。参照することによって本明細書に組み込まれる文献と矛盾する場合、本文献が支配する。
本明細書に開示される実施形態は、双極または電流密度情報を用いて、非接触電気解剖マップ(「EAM」)を生成するための方法を含む。非接触EAMを生成するための従来の方法は、単極情報を用いたEAMの生成に依存する。
両方の方法(たとえば非接触方法および接触方法)において、双極または電流密度情報の有用な特徴を抽出し、表示するために、再構築生理学的情報(たとえば双極または電流密度情報)に、さらなる後処理作業を実施することができる。
ッピングにも当てはまる。
蓄積されている。たとえば特定の双極閾値および信号挙動に依存するアルゴリズムならびに方法論が開発されている。この一連の知識およびユーザ経験から利益を得るために、非接触マッピングシステムにおいて、双極EAMを提供することが重要である。
双極カテーテルにおいて、電極間の距離およびそれらの物理的寸法が縮小すると、双極測定は、所与のカテーテル配向において、電場ベクトルに比例するようになる(これは、ひいては電流密度ベクトルに比例する)。図2は、2つの電極(カテーテル電極)を含む双極カテーテルの例示的な先端を示す。図2に示されるように、Se1およびSe2は、双極電極の表面積を表し、deは、電極の中心間の距離を表す。
。典型的なカテーテルでは、これらの寸法は、双極カテーテルが、血液等の均質伝導体内で電流ベクトルに直接比例する電場を推定すると見なすことができるように、数ミリメートルである。したがって、電流密度マップを理想的な双極マップと見なすことができるということになる。マップは、その値が、実際の物理的双極カテーテルにわたる不一致をもたらす、電極寸法および間隔に依存しないという点で理想的である。
非接触システムを使用して双極測定値を取得する一手法は、近隣位置から単極データを減算することである。図3Aおよび図3Bを参照すると、双極測定値を生成することができる、2つのカテーテル構成が示されている。図3Aの構成では、カテーテルは、心臓壁に対して垂直方向に位置付けられ、図3Bの構成では、カテーテルは、心臓壁に対して接線方向に位置付けられる。
図4Aに示されるように、垂直双極測定値(たとえば図3Aに示される場合)を生成するために、垂直方向での、ある距離(たとえば3mm)に、元の表面の拡大版または縮小版のいずれかである別の表面を生成することができる。Ven^を生成するための反転問題は、この表面上で解決される。このステップに続き、Vbn^=v11^−V12^等、両方の表面上の対応する要素を減算することによって、垂直双極測定値が生成される。
の誤差を低減する、およびそれに誤差を加える。したがって、いくつかの実施形態では、以下に記載されるように、双極信号で直接解を使用することが有利な場合がある。
以下に提供される実施例では、有限要素方法を使用する、電流密度の直接解が実践される。同一の目的を達成するために、境界要素、有限容積、有限差分等のいくつかの他の数値方法を使用することができることを理解されたい。以下の実施例では、いくつかの支配方程式が紹介された後、単極の場合の順有限要素公式が記載され、電位および電流密度の場合のより一般化された順公式が続く。加えて、容積正規化を追加する逆演算もまた、以下に記載される。
図5および図6は、それぞれ、心電図記録の心内膜および心外膜問題の概略表現を示す。そのような問題をモデル化するために、基調となる電磁方程式は、定常準静電マクスウェル方程式である。技術文献はまた、そのような問題を定常伝導または単に伝導問題とも称する。心電図記録の心内膜および心外膜問題について、そのような問題の周波数では、電場および磁場が分離され、変位電流を無視することができるため、この近似は正当化される。
∇×E=0 (Eは太字) (0.1) 。
∇・J=0 (Jは太字) (0.2) 。
方程式(0.1)は、電場Eが保守的であることを表現する。したがって、Eは、スカラ電位Φによって以下のように記載することができる。
方程式(0.2)は、電流密度ベクトルJが、腔内ドメイン内で波源なしであることを示し、(0.3)は、微分オームの法則である。以下の説明では、伝導率σ(x)は、空間的に変化し、それによって心内膜問題および心外膜問題の両方を同時に治療することが想定される。この問題に対する心内膜解決法は、カテーテルアブレーション等の低侵襲的手順で使用することができる、心臓内マッピングに有用である。心外膜問題は、心筋梗塞および他の心臓病を診断するために使用することができる、非侵襲的な身体表面に基づくEAMに有用である。簡略化のため、本明細書で使用される場合、σは、一般的な空間的変化を示す。
心内膜上の電気的スカラ単極電位を定めることによって、
Φ=Ve Γe(心内膜)上(0.6) 。
良設定一意解を有する、境界値問題(BVP)、いわゆるディリクレの問題が取得される。
織領域(選択領域)をモデル化する。境界条件は、
Φ=Ve Γe(心外膜)上(0.7) 。
であり、式中、ΓeおよびVeは、ここで、それぞれ、心外膜表面および心外膜単極電位を示す。方程式(0.8)は、胴体表面Γtを通って流れる電流がないという事実を表現し、これは、均質ノイマン境界条件と呼ばれる。BVP(0.5)、(0.7)、および(0.8)もまた、一意かつ安定な解を有することが立証される。
Jn=J・n (Jとnは太字。Jnは普通の太さ) (0.10) 。式中、nは、心内膜または心外膜表面の単位垂直ベクトルである。第3の選択肢は、電流密度の接線成分の大きさを表すことである。
総合的な大きさJおよび接線方向の大きさJtは、「符号」情報を損失するが、一方、Jnは、それを保持する。
[順問題の弱形]
有限要素方法によって、ディリクレの問題の解法アルゴリズムを導出するために、以下の解法は、心内膜および心外膜BVP(0.5)、(0.6)および(0.5)、(0.7)、(0.8)の弱形をそれぞれ導入することによって開始する。心内膜問題で開始し、方程式(0.5)を心内膜上の消失値を伴う任意の許容可能な重み関数wで乗算し、積を全ドメインΩにわたって積分する。
式中、第2項は、心内膜表面上の消失重み関数によって、ゼロである。
ラプラス心外膜問題(0.5)、(0.7)、(0.8)の弱形を同様に導出することができる。
式中、第1表面項は、(0.14)の心内膜の場合と同様に、心外膜表面上の消失重み関数によって、ゼロである。(0.15)の第2表面項をゼロに設定することによって、自然境界条件(0.8)を「弱く」施行することができる。空間的に変化する伝導率が仮定される場合、心内膜問題(0.14)および心外膜問題(0.15)の弱形は、同一形であると結論付けることができる。したがって、以下の実施例は、有限要素離散化および心内膜問題逆解のみについて記載し、結果は、心内膜表面を心外膜表面と置換することによって、心外膜問題に直接適用することができる。
Γe上で、Φ=Φe+ΦaΦe=Ve, Φa=0 (0.16) 。
方程式(0.17)は、ディリクレの問題(0.5)、(0.6)の弱形と呼ばれる。これは、任意の許容可能な重み関数wで(0.17)が満たされる場合、Φ=Φe+ΦaがBVP(0.5)、(0.6)の解であることを意味する。
方程式(0.17)は、有限要素公式の開始点を提供する。Φを補間することによって、
分割(0.16)は、有限要素補間スキームによって容易に実現することができる。
<電流密度の直接解−スカラ電位混合公式>
[混合公式の支配方程式]
電気伝導問題(0.1)〜(0.3)を公式化する、いくつかの代替方法が存在する。目的は、スカラ電位と共に電流密度Jが明示的に演算される公式を使用することである。それを達成するために、伝導問題(0.1)〜(0.3)を、2つの方程式を含む「混合」形で書く。
有限要素離散化を得るために、最初に、系(0.27)、(0.28)の弱形を取得しなければならない。任意のベクトル重み関数Wを用いて(0.27)を乗算し、Ωにわたって積分する。
式中、L2(Ω)は、Ωにおける二乗可積分の関数空間である。この場合も同様に、ベクトル恒等式(0.13)を利用すると、以下のようになる。
全ての許容可能なベクトルおよびスカラ重み関数Wならびにwで、方程式(0.30)、(0.31)が満たされる場合、JおよびΦは、BVP(0.27)、(0.28)の解である。これは、弱形(0.30)、(0.31)が、それぞれ、強問題(0.27)、(0.28)と等しいことを意味する。同一の公式を心外膜問題に使用することができることに留意する。
有限要素方程式を得るために、同様に、スカラ電位公式に進む。(0.20)の場合と同様に、線形節点有限要素でスカラ電位を補間する。一意解を得るために、線形ファセット有限要素関数を使用しなければならない。
<電流密度および電気的スカラ電位の同時反転アルゴリズム>
[電気的スカラ電位に関する反転]
有限要素離散化が利用される際に、心電図記録の反転伝導問題をどのように公式化することができるかを図示するために、電気的スカラ電位公式(0.22)が、開始点を提供する。上述のように、図5に示される心内膜反転問題のみが詳細に記載される。カテーテル点が、演算ドメインの容積4面体メッシュの頂点と一致すると仮定する。これは、カテーテル点がメッシュの頂点であるメッシュを生成することによって、容易に達成することができる。一式のカテーテル頂点数は、Nc(Nの斜め線は二重線)で示され、残りの容積頂点数は、Nc ̄( ̄はcの頭上に位置する)で示される。Na=Nc∪Nc ̄であることに留意する。
心内膜順問題の全ての結果は、修正することなく、心外膜問題に有効であることを以前に示した。これはまた、心外膜反転問題の反転記載についても真である。したがって、図6に示されるように、Nc(Nの斜め線は二重線)は、測定値が入手可能である胴体表面上の一式の頂点数(体表面電極)を示し、Nc ̄( ̄はcの頭上に位置する)は、残りの胴体表面および容積頂点数を包含する。
この小節では、混合公式(0.27)、(0.28)に関する心内膜反転問題の解の公式が示される。混合公式の1つの利点は、これが、心内膜電流密度およびスカラ単極電位の両方を同時に提供するということである。さらに、この公式は、その正規化スキームの一部として、2つの物理量を結合する。
正規化として単極電位公式(2.2)を利用し、それによって推定電流をスカラ単極電位に結合することが有利である可能性がある。これは、正規化パラメータで乗算した正規化マトリックスとして、系マトリックス(2.5)のゼロブロックに代入される。
種々の種類の後処理を使用することができる。いくつかの実施形態では、後処理は、再構築双極または電流密度情報をユーザに出力する(たとえば表示する)ための形式を選択することを伴ってもよい。他の実施形態では、後処理は、さらなる種類の生理学的情報を提供するために、再構築電位の有意なさらなる数学的操作を伴ってもよい。
構築生理学的情報が双極または電流密度に関連する場合、再構築情報の大きさは、色付けされ、3次元のD心内膜表現上に重ね合わせられてもよい。アイソ電流マップは、単一または複数の心拍にわたってサンプリングされた一式のデータ毎に演算される、再構築電流密度である。垂直方向、接線方向、または総双極もしくは電流密度のいずれかの大きさが演算されてもよい。
他の種類の後処理情報が同様に実施されてもよい。
図9A、図9B、および図9Cは、単極測定を使用して生成される、例示的な生理学的データ、双極測定の間接解、および双極測定の直接解をそれぞれ示す。
図10は、マッピングシステム100の例示的な実施形態の概略図を示す。システム100は、複数の空間的に分散された電極を有する可動式カテーテル110を含む。マッピング手順の信号獲得段階中、カテーテル110は、カテーテル110が挿入される心腔内の複数の位置に移動される。
%、40%、50%、またはさらには60%よりも大きい)。加えて、いくつかの実施形態では、再構築生理学的情報は、心腔内の単一のカテーテル位置で、またはいくつかの位置にわたって、いくつかの心拍にわたって測定される信号に基づき演算される。再構築生理学的情報がいくつかの心拍にわたる複数の測定値に基づく状況では、測定は、測定が心臓サイクルのほぼ同一の相で実施されるように、相互に対して同期化される。複数の心拍にわたる信号測定は、表面ECGまたは心臓内電気記録図等の生理学的データから検出される特徴に基づき同期化することができる。
スプレイシステム)170等の周辺機器も含む。加えて、マッピングシステム100は、容積画像、電極によって測定された生データおよびそれから演算される結果としてもたらされる心内膜表現、マッピング手順を迅速に処理するために使用される部分的に演算された変換、心内膜表面に対応する再構築生理学的情報等を含む、種々の相互接続されたモジュールによって獲得されるデータを記憶するために使用される、記憶装置160を含む。
本明細書に記載される方法およびシステムは、特定のハードウェアもしくはソフトウェア構成に限定されず、多くのコンピューティングまたは処理環境における適用性が見出され得る。方法およびシステムは、ハードウェアまたはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせに実現することができ、ならびに/または市販されるモジュールアプリケーションおよびデバイスから実現することができる。本明細書に記載されるシステムおよび方法の実施が、マイクロプロセッサの使用に少なくとも部分的に基づく場合、方法およびシステムは、1つ以上のコンピュータプログラムにて実現することができ、コンピュータプログラムは、命令を実行可能な1つ以上のプロセッサを含むと理解することができる。コンピュータプログラム(単数または複数)は、1つ以上のプログラム可能なプロセッサ上で実行することができ、プロセッサが可読な1つ以上の記憶媒体(揮発性および不揮発性メモリならびに/または記憶要素を含む)上、1つ以上の入力デバイス上、および/または1つ以上の出力デバイス上に記憶することができる。プロセッサはしたがって、入力データを取得するために、1つ以上の入力デバイスにアクセスすることができ、また、出力データを通信するために、1つ以上の出力デバイスにアクセスすることができる。入力および/または出力デバイスは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、レイド(Redundant Array of Independent Disks:RAID)、フロッピー(登録商標)ドライブ、CD、DVD、磁気ディスク、内蔵ハードドライブ、外付けハードドライブ、メモリスティック、または本明細書に提供されるプロセッサがアクセスすることができる他の記憶装置のうちの1つ以上を含むことができ、そのような前述の例は、包括的ではなく、例であり、制限ではない。
モリデバイスおよび内蔵メモリデバイスの組み合わせを含むように配設することができる、1つ以上のプロセッサ可読かつアクセス可能なメモリ要素ならびに/またはコンポーネントを含むことができ、そのようなメモリは、用途に基づき、連続であってもよく、および/または分割されてもよい。したがって、データベースへの言及は、1つ以上のメモリの関連付けを含むと理解することができ、そのような言及は、市販されるデータベース統合(たとえばSQL、Informix、Oracle)、およびまた、独自開発データベースも含むことができ、そしてまた、リンク、キュー、グラフ、木等のメモリを関連付けるための他の構造も含んでもよく、そのよう構造は、制限としてではなく、例として提供される。
Claims (17)
- 表面を有する心臓腔内の電気的活動に対する生理学的信号を測定するように構成される1つ以上の電極と;
少なくとも一部においてラプラスの方程式に基づき、さらに前記1つ以上の電極によって測定される生理学的信号と、前記表面に対する前記電極の位置とに基づき、前記表面に対する複数の位置での双極生理学的情報を決定するように構成される処理ユニットと
を含むシステムにおいて、
前記双極生理学的情報は電流密度情報を含む、システム。 - 1つ以上の電極は、少なくとも第1電極と、第2電極とを含み、
前記第1電極は、前記心臓腔内に位置付けられ、
前記第2電極は、前記第2電極が心臓腔内の局所組織活性化によって影響を及ぼされないように、前記心臓腔から隔てて位置付けられる、
請求項1記載のシステム。 - 前記電流密度情報は、前記電流密度の垂直成分、電流密度ベクトルの大きさ、および前記電流密度の接線成分の大きさからなる群から選択される情報を含む、
請求項1または2記載のシステム。 - 前記処理ユニットはさらに、互いに異なるカテーテル位置で測定される信号を、電気的心拍サイクルに従って相互に対して同期化するように構成される、
請求項1〜3何れか一項記載のシステム。 - 前記処理ユニットはさらに、前記測定される信号を、ECGおよび心臓間電気記録図のうちの少なくとも1つを含む生理学的データに基づき同期化するように構成される、
請求項4記載のシステム。 - 前記処理ユニットはさらに、前記同期化された信号を、前記心臓腔内の互いに異なるカテーテル位置のカテーテル電極によってサンプリングされる前記位置の全てから1度に取得されたかのように処理するように構成される、
請求項4または5記載のシステム。 - 前記処理ユニットはさらに、変換関数を前記測定された生理学的信号に適用するように構成される、
請求項1〜6何れか一項記載のシステム。 - 前記処理ユニットはさらに、1つ以上の正規化項を含む1つ以上のマトリックスとして表現することができる変換関数を解くように構成される、
請求項1〜7何れか一項記載のシステム。 - 前記1つ以上のマトリックスは、以下の方程式:
請求項8記載のシステム。 - 前記処理ユニットはさらに、変換関数を前記生理学的信号に適用するように構成され、
前記変換関数は、前記生理学的信号を、前記表面の前記複数の位置での前記双極生理学的情報に関連付ける、
請求項1〜9何れか一項記載のシステム。 - 前記処理ユニットはさらに、前記複数の位置での前記生理学的情報を測定された前記信号に関連付けるために、順変換を計算し、前記順変換を反転させることによって、前記変換関数を決定するように構成される、
請求項10記載のシステム。 - 前記処理ユニットはさらに、物理的関係に基づく正規化によって、劣決定マトリックス反転を再公式化するように構成される、
請求項11記載のシステム。 - 前記物理的関係は、以下の方程式:
請求項12記載のシステム。 - 前記システムはさらに、1つ以上の電極の前記位置を取得するように構成される追跡システムを含む、
請求項1〜13何れか一項記載のシステム。 - 前記処理ユニットはさらに、前記双極生理学的情報の後処理を実施するように構成される、
請求項1〜14何れか一項記載のシステム。 - 前記双極生理学的情報の前記後処理によって生成される情報は、アイソ電流マップ;心臓の電気的活動の時間依存挙動に関する情報を含むタイミングマップ;および差分マップからなる群から選択される情報を含む、
請求項15記載のシステム。 - 前記処理ユニットはさらに、前記電流密度情報に基づく情報を表示するように構成されている、
請求項1〜16何れか一項記載のシステム。
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