终止生物组织的高频心律失常电状态的装置和方法
【专利摘要】为了终止生物组织的高频心律失常电状态，获得表示生物组织的当前电状态的电信号。依据电信号确定当前电状态的优势频率，并依据优势频率确定生物组织的当前电状态是否是高频心率失常电状态。此外，依据电信号确定指示优势频率在高频心律失常电状态中如何占优势的优势水平。根据至少一个优势频率，以一定间隔产生至少一个电脉冲系列。对于在所确定的高频心律失常电状态中的生物组织，在优势水平超过预定的阈值时的时间点开始将电脉冲施加到生物组织。
【专利说明】终止生物组织的高频心律失常电状态的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明通常涉及用于终止生物组织的高频心律失常电状态的装置和方法。通常，该组织可以是任何生物组织。更特别地，它是肌肉或神经组织。特别地，该生物组织是心脏或脑组织。甚至更特别地，它是存活动物的心脏或脑，该存活动物可以是人。
【背景技术】
[0002]在正常心脏中，细胞膜的通电去极化的规则波传播以触发机械收缩。心脏的危及生命的心律失常一般与高频旋转电场波或螺旋线相关。常常被称为去纤颤的终止心律失常的一种标准方法将高强度电击施加到心脏。然而，多达几千伏的高电压和因而产生的一些安培的电流可引起对心脏和邻近组织的严重损害。此外，去纤颤对于患者来说是痛苦的，这限制了植入式去纤颤器的接受性。不过，到目前为止，植入这样的去纤颤器是处于危及生命的心律失常的危险下的患者选择的方法。
[0003]心脏心律失常的另一确立的疗法是抗心动过速起搏(ATP)。在ATP中，心脏在心室性心动过速的情况下起搏得比其内在速率更快。然而，ATP未能终止高频心律失常和完全显现的心室纤颤。
[0004]专利申请公布文本US2006/0100670A1提出了提供用于多脉冲去纤颤的心脏刺激方法和系统。这些方法和系统包括感测纤颤事件，确定与纤颤事件相关的纤颤周期长度，以及传送多个去纤颤脉冲以处理纤颤事件。使用皮下和胸内电极的组合来传送去纤颤脉冲。在第一去纤颤波形之后的每个去纤颤波形的传送在时间上分开了与纤颤周期长度相关的一延迟。特别地，在去纤颤波形传送之间的延迟与纤颤周期长度的百分比相关。在US2006/0100670A1的实施例中传送的去纤颤脉冲的实际数量是2或3，特别是2。在各个的脉冲之间的实际延迟在平均周期长度的大约50%和大约125%之间，且一般它在平均周期长度的大约75%和大约100%之间，其中对多个分开的脉冲的心脏响应类似于对单个脉冲的心脏响应。这个区域(其被认为类似于心脏响应对分开的脉冲的分开的响应的相长干涉的区域)已知提供了去纤颤的提高的功效和/或对去纤颤系统的降低的能量要求的机会。
[0005]A.Pumir 等人的 “Wave Emission from Heterogeneities Opens a Way toControlling Chaos in the Heart”(PRL99, 208101 (2007))建议使用由电场的周期性脉冲引起的异质性波发射(wave emission from heterogeneities;WEH)作为心脏中的波的混沌控制的方法。这种方法被认为比ATP更有效，且比去纤颤电击需要少得多的能量。特别地，单个脉冲具有如此低的电场，以使得它们不终止旋转波，但在WEH中施加的脉冲列能够终止旋转波。
[0006]仍然存在对使用低电场脉冲终止生物组织的高频心律失常电状态、引起尽可能少的组织损害和疼痛的容易可行的疗法的需要。
【发明内容】
[0007]本发明涉及用于终止生物组织的高频心律失常电状态的装置，该装置包括:用于提供表示生物组织的当前电状态的电信号的至少一个传感器；依据电信号确定生物组织的当前电状态的至少一个优势频率并依据至少一个优势频率确定生物组织的当前电状态是否是高频心率失常电状态的确定单元；用于根据至少一个优势频率以一定间隔产生至少一个电脉冲系列的电脉冲发生器；以及连接到脉冲发生器的用于将电脉冲施加到生物组织的至少一个电极。为了终止生物组织的所确定的高频心律失常电状态，确定单元依据电信号确定指示该至少一个优势频率在高频心律失常电状态中如何占优势的优势水平；并触发电脉冲发生器以产生在所确定的优势水平超过预定义的阈值时的时间点开始的该至少一个电脉冲系列。
[0008]在另一方面中，本发明涉及终止生物组织的高频心律失常电状态的方法，该方法包括:获得表示生物组织的当前电状态的电信号；依据电信号确定生物组织的当前电状态的至少一个优势频率；依据至少一个优势频率确定生物组织的当前电状态是否是高频心率失常电状态；依据电信号确定指示该至少一个优势频率在高频心律失常电状态中如何占优势的优势水平；根据至少一个优势频率以一定间隔产生至少一个电脉冲系列；以及对于在所确定的高频心律失常电状态中的生物组织，将在优势水平超过预定义的阈值时的时间点开始的电脉冲施加到生物组织。
[0009]在另一方面中，本发明涉及用于终止心脏的心房的心房纤颤的装置，该装置包括:配置成提供表示心房的当前电状态的电信号的至少一个传感器；配置成依据电信号确定生物组织的当前电状态是否是心房纤颤的确定单元；用于根据电信号以一定间隔产生至少一个系列的电低能量抗纤颤起搏脉冲的电脉冲发生器；连接到脉冲发生器的被配置成将低能量抗纤颤起搏脉冲施加到心房的至少一个电极；配置成提供表示心脏的心室的心室动作电位的另外电信号的至少一个另外的传感器；配置成产生电起搏脉冲的另外的电脉冲发生器；连接到该另外的脉冲发生器并配置成将电起搏脉冲施加到心室的至少一个另外的电极；以及同步单元，其被配置成使该至少一个系列的低能量抗纤颤起搏脉冲与电起搏脉冲同步，以使得该至少一个系 列的低能量抗纤颤起搏脉冲的低能量抗纤颤起搏脉冲在易损窗中没有被施加，在该易损窗期间，心室易受电击引起的心室纤颤的影响。
[0010]在又一方面中，本发明涉及用于终止心脏的心房的心房纤颤的方法，该方法包括:获得表示心房的当前电状态的电信号；依据电信号确定生物组织的当前电状态是否是心房纤颤；根据电信号以一定间隔产生至少一个系列的电低能量抗纤颤起搏脉冲；获得表示心脏的心室的心室动作电位的另外电信号；产生电起搏脉冲；将电起搏脉冲施加到心室；根据电信号以一定间隔产生至少一个系列的电低能量抗纤颤起搏脉冲；将该低能量抗纤颤起搏脉冲施加到心房；以及使该至少一个系列的低能量抗纤颤起搏脉冲与电起搏脉冲同步，以使得该至少一个系列的低能量抗纤颤起搏脉冲的低能量抗纤颤起搏脉冲在易损窗中没有被施加，在该易损窗期间，心室易受电击引起的心室纤颤的影响。
[0011]当检查以下附图和详细描述之后，本发明的其它特征和优点将对本领域中的技术人员来说变得清楚。意图是在此，所有这样的额外特征和优点包括在如权利要求限定的本发明的范围内。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]参考下面的附图可更好的理解本发明。附图中的部件不一定按比例，相反着重在于明确地说明本发明的原理。在附图中，相似的附图标记在全部几个视图中表示相应的部件。
[0013]图1示出用于终止生物组织的高频心律失常电状态的装置的基本设置。
[0014]图2是使用根据图1的装置通过将电脉冲施加到生物组织来终止生物组织的高频心率失常电状态的方法的方框图。
[0015]图3示出在根据图2的方法中确定用于将电脉冲施加到生物组织的最佳起始点的理念。
[0016]图4示出确定在根据图2的方法中施加的电脉冲的最低适当电压的理念。
[0017]图5示出在根据图2的方法中对心律失常电状态的优势频率的相空间进行光栅扫描(raster scan)的理念。
[0018]图6示出在根据图2的方法中对心律失常电状态的优势频率的相空间进行光栅扫描的另一理念。
[0019]图7示出抑制心房纤颤(AF)而没有心室纤颤(VF)的电击感应的理念；以及
[0020]图8示出在根据图2的方法中确定用于将电脉冲施加到生物组织的最佳起始点的理念的更详细图示。
【具体实施方式】
[0021]为了确定生物组织的高频心律失常电状态，必须至少关于高频心律失常电状态的优势频率来捕获生物组织的电状态。这将一般使用感测生物组织的电状态的传感器并使用确定单元来实现，该传感器提供表示生物组织的电状态的电信号，而该确定单元依据电信号确定优势频率。
[0022]依据当前电状态的所确定的优势频率中，确定单元可接着确定当前电状态是否是生物组织的高频心律失常电状态。如果高频心律失常电状态被确定，则至少一个电脉冲系列被施加到生物组织。提供电脉冲发生器，来用于根据至少一个优势频率以一定间隔产生至少一个电脉冲系列；以及提供连接到脉冲发生器的至少一个电极，用于将电脉冲施加到生物组织。
[0023]发明人注意到，通过同一个系列的电脉冲，将有时完全终止并且有时根本不终止相同的生物组织的类似心律失常电状态。此外，他们发现，在终止心律失常电状态时的成功不是简单的概率问题，但在生物组织的心律失常电状态中普遍的电混沌不显示紊乱随着时间的过去的均匀水平，但存在在生物组织的不同区域之间的电场协调的方面的不间断的来来往往。这个协调的全部显示了具有相当大的最大值的波动。如果电脉冲的系列在这样的最大协调被达到时的时间点被施加到生物组织，则终止生物组织的高频心律失常电状态的概率非常高，而如果电脉冲的系列在这些最大值中的两个之间的最小值时被施加到生物组织，则该概率相当低。根据发明人的解释(其然而不应被理解为对本发明的限制)，在最大值之一处开始的电脉冲系列只必须针对生物组织中的稍微更多的电场调和提供以终止高频心律失常电状态，而如果在最小值被施加，则电脉冲系列必须在电调和生物组织时从零开始。
[0024]发明人还发现，在处于高频心律失常电状态中的生物组织内的当前总电场协调可被评估，因为确定了优势频率在高频心律失常电状态中如何占优势，优势频率的强优势指示在生物组织内的高的总电场协调。特别地，确定单元可依据指示生物组织的当前电状态的电信号确定指示至少一个优势频率在高频心律失常电状态中如何占优势的优势水平，并触发电脉冲发生器以产生在优势水平超过预定的阈值时的时间点开始的至少一个电脉冲系列。
[0025]以这种方式，电脉冲系列在关于终止高频心律失常电状态的概率的最佳时间点被施加到生物组织。这也意味着在这个最佳时间点施加的电脉冲的电压和能量可低于在任何其它时间点施加的一系列电脉冲的电压和能量，即使将达到终止高频心律失常电状态的相同概率。因此，本发明的方法被称为低能量抗纤颤起搏(LEAP)。
[0026]用于定义用于将电脉冲系列施加到生物组织的最佳时间点的预定阈值可被调节到一般出现在处于其高频心律失常电状态中的任一个中的特定生物组织内的电协调的最大值。
[0027]特别地，阈值可以是优势水平的以前记录的最大值的百分比。以这种方式，阈值自动适应于目前出现在当前高频心律失常电状态中的最大优势水平。优势水平的以前记录的最大值的百分比可被调节到在80%到95%的典型范围内的适当值，例如到90%。
[0028]在确定优势水平时，确定单元可针对在优势频率的至少一侧上扩展的频率范围中的频率分量对电信号进行滤波。优选地，确定单元进行滤波所针对的频率范围在优势频率的两侧上扩展。特别地，它可从优势频率的大约一半伸展到优势频率的两倍。这个频率范围内的电信号的强度集中于优势频率上是用于评估在高频心律失常电状态中的生物组织的电协调的非常适当的标准。
[0029]为了确定优势水平，确定单元可比较在优势频率处的电信号的强度与在至少一个邻近频率处的电信号的强度。这些强度的比可被理解为优势水平。特别地，在优势频率处的电信号的强度可与在至少一个邻近频率处的电信号的强度相比较，因为在包括优势频率的频率窗内的电信号的强度的积分与在包括邻近频率的频率窗内的电信号的强度的积分被比较。使用这样的频率窗也对优势水平有平滑效应，因为噪声减少了，所确定的优势水平可被噪声影响。在两个不同的频率处的电信号的强度之间的这样的比较容易实时地或接近实时地被实现。
[0030]发明人还注意到，甚至具有相同类型的不同生物组织也显示在通过施加一系列电脉冲终止生物组织的高频心律失常状态时相关的非常不同的电传播特性。特别地，这些不同的电传播特性需要电脉冲的不同电压或能量来达到利用一个系列的电脉冲终止高频心律失常电状态的某个概率。因此，利用低电压和能量的脉冲达到终止高频心律失常电状态的适当概率需要评估生物组织的实际电特性。然而，通过简单的尝试-错误过程来进行这个评估是不 合适的，在这个尝试-错误过程中，不同电压和电能的电脉冲被施加到之前自愿转换到高频心律失常电状态的生物组织。发明人发现，生物组织的电传播特性可从生物组织的非电刺激基本状态开始被适当地评估。例如，在跳动的心脏中，这样的非电刺激基本状态存在于各个的心跳之间。如果在生物组织的这个电基本状态中，具有相同的持续时间但具有不同的电压的各个电脉冲被施加到生物组织，且如果在每个各个的电脉冲之后(即响应于各个的电脉冲)在生物组织处被感测到的电信号被评估，则可估计生物组织的电特性，用于调节将由电脉冲发生器产生的至少一个电脉冲系列的电脉冲的最低适当的电压，以成功地终止生物组织的未来高频心律失常电状态。生物组织对各个电脉冲的响应(特别是响应时间)对所施加的电脉冲的电压或电场的依赖性可被评估为幂定律。这个幂定律考虑到关于生物组织中的异质性的分布的结论，来自异质性的波发射由该系列电脉冲的电脉冲引起。
[0031 ] 生物组织的电特性的这个评估可在用于确定生物组织的高频心律失常电状态的装置的设置模式中被执行，其中电脉冲发生器在相同的持续时间和在从相同的范围获取的不同电压和可适合于由电脉冲发生器产生的用于终止生物组织的未来高频心律失常电状态的该系列电脉冲的电脉冲的电压下产生各个的电脉冲。
[0032]高频心律失常电状态的优势频率还可限定在生物组织中的该优势频率的电波的所有潜在定相的相空间。由优势频率限定的相空间对应于在普通时间空间中的持续时间，在普通时间空间中的持续时间等于优势频率的倒数值或其周期时间。到终止生物组织的未来高频心律失常电状态的末尾，将一系列电脉冲施加到生物组织，该系列电脉冲对优势频率所限定的满相空间进行光栅扫描一次的。应注意，对满相空间进行光栅扫描和只对其扫描一次这两者是本发明的装置和方法的一些实施例的相关方面。对其扫描一次确保命中在其定相中的易损窗中的对生物组织的高频心律失常电状态作出贡献的每个旋转波。扫描满相空间不多于一次避免了利用所施加的电脉冲在生物组织中产生继发的高频心律失常电状态。因为对相空间进行光栅扫描意味着将被终止的每个圆形波遭受在其易损窗中的电脉冲，每个电脉冲的电能可被保持低，而不失去在易损窗内的必要的功效。单电脉冲的这个低电能也减小产生生物组织的继发的不需要的电状态的危险，因为电能可仅仅对此是低的。
[0033]尽管每个系列电脉冲只对优势频率所限定的满相空间进行光栅扫描一次，多于一个系列的电脉冲可被施加到生物组织来以一定间隔终止高频心律失常电状态，该间隔比一个系列的电脉冲彼此跟随所处于的间隔长得多。优选地，该系列的间隔甚至比每个单系列的电脉冲的持续时间还长。
[0034]每个系列电脉冲的单个脉冲被产生所处于的时间间隔必须被选择成使得由至少一个优势频率限定的相空间以足够小的相位间隔被光栅扫描，从而命中在其易损窗中的每个旋转波，但利用尽可能低的总数的电脉冲。
[0035]—般,相空间应以在从π /16到2 π /5的范围内的相位间隔被光栅扫描,2 η是相空间的无量纲尺寸。优选地，相空间以在从η/5到2π/7的范围内的相位间隔被扫描，这意味着需要处于相等的间隔的大约7到10个各个脉冲来对满相空间进行光栅扫描一次。通常，各个脉冲的间隔不需要是相等的。它们可甚至是不相等的，以有意地避免生物组织的任何周期性电状态的激发。然而，它们可以是相等的或至少大约相等，以均匀地对相空间进行光栅扫描。
[0036]实际上，电脉冲可以以从优势频率的倒数值偏离一时间偏差的时间间隔产生，该时间偏差在优势频率的倒数值的1/32到1/5的范围内、优选地在从1/10到1/7的范围内。
[0037]通常，可以 以小于优势频率的倒数值的间隔产生电脉冲。然而，优选地，电脉冲的间隔超过倒数值上面讨论的时间偏差。
[0038]上面讨论的电脉冲的时间间隔和相位间隔包括系列电脉冲的电脉冲的相位持续时间。这个相位持续时间应被选择来在所施加的电场强度处将被终止的旋转波的易损窗内施加足够的电能。另一方面，这个电能应保持低且因而相位持续时间应保持低。实际上，每脉冲的持续时间在2到25ms的典型范围内。优选地，它在从5到15ms的范围内。[0039]在旋转波的易损窗中终止旋转波所必需的每个各个脉冲中横越生物组织被施加的电场可低至0.05Volt/cm ο 3Volt/cm可被视为被适当地施加用于终止生物组织的高频心律失常状态的电场强度的上限。场强度的优选范围从0.1到lVolt/cm。
[0040]与标准心脏去纤颤能量相比较，该系列电脉冲的电脉冲可以在从仅仅1/400到最大1/2的典型范围内。优选地，每脉冲的电能在标准心脏去纤颤能量的从1/200到1/5的范围内，甚至更优选地，它在标准心脏去纤颤能量的从1/100到1/10的范围内。即使在一个全系列的脉冲上施加到生物组织的总电能等于本领域中的技术人员已知的标准心脏去纤颤能量，对生物组织的潜在损坏也低得多，因为能量被分布在较长的时间段上，且因为流经生物组织的最大电流因此小得多。
[0041 ] 如果多个系列的电脉冲被产生，且如果单系列的电脉冲被施加到不同的电极以在不同的空间方向上连续地建立横越生物组织的电场，则每脉冲的电能可甚至进一步减小。这个方面解释下列事实:构成生物组织的高频心律失常电状态的旋转波不仅在它们的定相上而且在其空间取向上是不同的。因此，它们不仅在相空间中而且在三维空间中具有易损窗。如果在三维空间中和在相空间中 的这个易损窗可同时被满足，则特别低的电能就足以终止相应的旋转波。
[0042]到只将尽可能低的数量的电脉冲施加到生物组织的末尾，可依据表示生物组织的电状态的电信号确定在所施加的每个系列电脉冲之后生物组织是否仍然处于心律失常电状态中。只有如果生物组织仍然处于心律失常电状态中，则另一系列的电脉冲才可被施加到生物组织。
[0043]根据本发明，被施加来终止生物组织的高频心律失常电状态的系列电脉冲的电脉冲的电压和能量被保持地尽可能低。由于这里描述的度量，脉冲的电压和电能仍然适合于实现利用单系列的电脉冲的高概率的期望终止。然而，很少使用施加高数量的这样的系列并保持电脉冲的相同电压和电能。替代地，至少一个另外系列的电脉冲可在比之前系列的电脉冲高的电压下产生，以增加快速终止生物组织的高频心律失常电状态的概率。对生物组织的损坏和包含该生物组织的患者的疼痛可随着电脉冲的增加的电压而增加。然而，对此有充分的理由，如果心律失常电状态不能以低电压终止的话。
[0044]此外，如果必须注意到，甚至在具有增加的电压的若干系列的电脉冲之后生物组织仍然在心律失常电状态中，则标准心脏去纤颤能量的单个脉冲可被产生并施加到生物组织。这意味着如果心律失常电状态不能由只引起很少损坏和疼痛到没有引起损坏和疼痛的具有低电压和能量的电脉冲系列终止，则标准去纤颤技术可被应用来最终终止心律失常电状态，其否则对生物组织和包括生物组织的整个生物体可能是致命的。
[0045]生物材料处于高频心律失常电状态中的标准是表示生物组织的电状态的电信号的优势频率。高频心律失常电状态以在从大约5到大约20赫兹的范围内的频率为特征。
[0046]如果在表示生物组织的电状态的电信号中有多于一个优势频率，则电信号的最高优势频率可被理解为限定将被电脉冲扫描的相空间的优势频率。
[0047]可在至少一个电极和形成对电极的电脉冲发生器的壳体之间施加电脉冲。该壳体也可包括用于终止生物组织的高频心律失常电脉冲的装置的另外的部分。
[0048]连接到脉冲发生器的电极另一方面可以是心脏电极。特别地，它可以是胸内电极。在另一变型中，它可以是脑电极，特别是非大脑内电极。[0049]在另一变型中，它可以是骨骼肌肉电极，特别是非皮下电极。
[0050]在一个实施例中，本文公开的抗纤颤起搏的方法通过将低能量抗纤颤起搏(LEAP)脉冲传送到纤颤心房来抑制心房纤颤(AF)。如同被设计成抑制AF的其它电疗法一样，LEAP电击必须在心室“易损窗”之外被施加以通过远场LEAP脉冲来避免心室纤颤(VF)的电击引起的诱发，即，远场脉冲必须被防止在心室的易损期期间被施加到心房以防止VF的可能诱发。注意，心室易损窗不是旋转波的易损窗。虽然在旋转波的易损窗期间施加的适当脉冲将终止旋转波，在心室的易损窗期间施加的脉冲可引起VF。
[0051]因为在AF期间的心室激动一般是不规律的，心室活动的感测和例如5个远场脉冲的同步可能是成问题的。为了克服这个障碍，本发明教导在LEAP的输送之前以及在LEAP期间使心室以恒定的周期长度起搏，以捕获并调整规定的心室性节律。可使用放置在右心室的顶点中的留置起搏/感测导管来输送起搏刺激，且单极记录可从导管得到。如在LEAP之前从右心室单极电描记图测量的激动恢复间隔(ARI)将由使LEAP的输送同步的控制器使用，使得没有LEAP脉冲在心室的易损窗期间被输送。该控制器可嵌在容纳LEAP算法的同一 I⑶样的设备中。
[0052]在LEAP的其它实施例中，应用在心室相关不应期(即，易损窗)期间在低于心室激发阈值之下的能量处有效的LEAP协议。因此，心室起搏/感测导管在这里是不需要的。
[0053]现在更详细地参考附图，图1示出用于终止生物组织2的高频心律失常电状态的装置I的基本设计。在由虚线指示的壳体3中，装置I包括确定单元4和电脉冲发生器5。确定单元4和电脉冲发生器5都连接到形成壳体3的部分的对电极6。对电极6用作针对确定电压4的电极7的对电极， 确定电压4的电极7用作提供表示生物组织2的电状态的电信号的传感器。确定单元4确定生物组织2的电状态的任何优势频率，并选择最高优势频率。如果这个最高优势频率指示了生物组织2的高频心律失常电状态，则确定单元启动电脉冲发生器5来根据所确定的优势频率产生至少一个电脉冲系列。这些电脉冲被施加到在对电极6和电极8之间的生物组织2以终止生物组织2的高频心律失常电状态。
[0054]图2是示出在当使用根据图1的装置I时执行的方法上指示的简化方框图。在第一步骤中，使用提供电信号的传感器来感测生物组织的电状态。接着关于电状态的至少一个优势频率来分析表示电状态的电信号。如果这个优势频率是从5赫兹到20赫兹的特征范围，则还确定优势频率的优势水平。在优势频率高于阈值TS时的时间点出开始，根据优势频率产生电脉冲。这些电脉冲接着被施加到生物组织。其后，如果优势频率不在特征范围内，生物组织的电状态就像所完成那样再次被感测。
[0055]图3 (a)示出如果生物组织在高频心律失常电状态中，表示生物组织的当前电状态的在其频率上绘制的电信号的典型强度分布。强度I在优势频率fd处最高，但还有具有相当大的强度的其它频率。强度I在优势频率fd上的集中随着时间而波动。优势频率fd的优势水平Ld可被测量，因为在包括优势频率fd的频率窗上的强度I的积分与包括相邻于优势频率fd的邻近频率fn的频率窗上的强度I的积分比较。图3 (b)是处于心律失常电状态中的生物组织的各种区域的电场协调Ce随着时间t变化的曲线。优势水平Ld是在心律失常电状态中的这个电协调(；的度量。图3 (b)示出优势水平Ld随着时间而波动，并示出在秒的数量级上的时间中的在距离处的最大值。相同的垂直长度的箭头指示在由施加到生物组织的一系列电脉冲引起的生物组织的电协调的可能增加。如果这个系列的电脉冲在优势水平仅仅低时被施加，因而产生的总电协调将不超过确定水平DL，生物组织的电场协调在该确定水平DL之上是如此高，以使得心律失常电状态被终止。然而如果该电脉冲系列在优势水平Ld已经高于阈值TV时的时间点处被施加，则因而产生的总电场协调变得大于确定水平DL。因此，确定优势水平Ld并在优势水平Ld超过阈值TV时触发该系列电脉冲强烈地增大了利用具有某个电压和能量的单个系列电脉冲来终止生物组织的心律失常电状态的机会。
[0056]图8A描绘了使用低能量抗纤颤起搏(LEAP)脉冲(N=5个脉冲，起搏频率6.5Hz)在t=0时成功地在体内终止心室纤颤。图8B表示在LEAP脉冲之前的A中示出的时间系列的间隔。黑条指示时间间隔AT，时间间隔AT被用于得到图8C所示的光谱。图8C是图SB所示的时间系列的光谱图，其指示信号的光谱内容的时间波动。使用快速傅立叶变换和长度AT的时间窗来计算每个光谱。图8D描绘了从光谱图得到的光谱熵并显示如在图SC中观察到的光谱复杂性的相应波动。图8E示出在如在图8B-D中用虚垂直线指示的在时间(I)(在图8D中使用实线绘制)和(2)(在图8D中使用虚线绘制)得到的两个代表性光谱。
[0057]在图8D中描绘的光谱熵被如下定义:
【权利要求】
1.一种用于终止生物组织的高频心律失常电状态的装置，所述装置包括: -至少一个传感器，其用于提供表示所述生物组织的当前电状态的电信号； -确定单兀， -其依据所述电信号确定所述生物组织的所述当前电状态的至少一个优势频率，以及-其依据所述至少一个优势频率确定所述生物组织的所述当前电状态是否是高频心率失常电状态； -电脉冲发生器，其用于根据所述至少一个优势频率以一定间隔产生至少一个电脉冲系列；以及 -至少一个电极，其连接到所述脉冲发生器，用于将所述电脉冲施加到所述生物组织；其中，为了终止所述生物组织的所确定的高频心律失常电状态，所述确定单元-依据所述电信号确定优势水平，所述优势水平指示所述至少一个优势频率在所述高频心律失常电状态中如何占优势；并且 -在所述优势水平超过预定义的阈值时的时间点开始，触发所述电脉冲发生器以产生所述至少一个电脉冲系列。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述阈值是可调节的。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述阈值是所述优势水平的之前记录的最大值的百分比。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述百分比是可调节的。
5.如权利要求1到4中的任一项所述的装置，其中，为了确定所述优势水平，所述确定单元针对在所述优势频率的至少一侧上扩展的频率范围中的频率分量来对所述电信号进行滤波。
6.如权利要求1到5中的任一项所述的装置，其中为了确定所述优势水平，所述确定单元将在所述优势频率处的所述电信号的强度与在至少一个邻近频率处的所述电信号的强度进行比较。
7.如权利要求1到6中的任一项所述的装置，其中，只有当所述生物组织的所述当前电状态既不是高频心律失常电状态也不是任何其它电激发状态时，设置模式才被激活，在所述设置模式中， -所述至少一个电极将各个电脉冲施加到所述生物组织；以及-所述确定单元响应于所述各个电脉冲，依据所述至少一个传感器所提供的所述电信号确定将由所述电脉冲发生器产生的用于成功地终止所述生物组织的未来高频心律失常电状态的所述至少一个电脉冲系列的电脉冲的最低适当的电压。
8.如权利要求7所述的装置，其中，在所述设置模式中，所述电脉冲发生器在从2到25ms的范围内的相同持续时间和在从0.05到3V/cm的范围内的不同电压下产生所述各个电脉冲。
9.如权利要求1到8中的任一项所述的装置，其中，所述电脉冲发生器以一定间隔和以一数量产生所述至少一个电脉冲系列的电脉冲，使得所述电脉冲对由所述至少一个优势频率所限定的相空间进行光栅扫描一次。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述电脉冲发生器以一定时间间隔产生所述至少一个电脉冲系列的电脉冲，使得所述电脉冲以在从η /16到2 π /5、优选地从π /5到2 π /7的范围内的相位间隔对由所述至少一个优势频率所限定的相空间进行光栅扫描。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述电脉冲发生器以与所述至少一个优势频率的倒数值偏离一时间偏差的时间间隔产生所述至少一个电脉冲系列的电脉冲，所述时间偏差在所述至少一个优势频率的所述倒数值的1/32到1/5、优选地在所述至少一个优势频率的所述倒数值的1/10到1/7的范围内。
12.如权利要求11所述的装置，其中，所述电脉冲发生器以超过所述倒数值的间隔产生所述至少一个电脉冲系列的电脉冲。
13.如权利要求1到12中的任一项所述的装置，其中，所述电脉冲发生器以在从2到25ms、优选地从5到15ms的范围内的每脉冲的持续时间产生所述至少一个电脉冲系列的电脉冲。
14.如权利要求1到13中的任一项所述的装置，其中，所述电脉冲发生器在一电压下产生所述至少一个电脉冲系列的电脉冲，使得每个电脉冲产生在从0.05到3V/cm、优选地从0.1到lV/cm的范围内的跨所述生物组织的电场。
15.如权利要求1到14中的任一项所述的装置，其中，所述电脉冲发生器在从标准心脏去纤颤能量的1/400到1/2、优选地从标准心脏去纤颤能量的1/200到1/5且甚至更优选地从标准心脏去纤颤能量的1/100到1/10的范围内的每脉冲的电能量下产生所述至少一个电脉冲系列的电脉冲。
16.如权利要求1到15中的任一项所述的装置，其中，所述电脉冲发生器产生多个电脉冲系列，每个电脉冲系列的电脉冲对由相同的至少一个优势频率所限定的所述满相空间进行光栅扫描一次，且 所述多个系列中的单个电脉冲系列被施加到连接到所述电脉冲发生器的不同电极以在不同的空间方向上连续地建立跨所述生物组织的电场。
17.如权利要求1到16中的任一项所述的装置，其中，在所述电脉冲发生器产生任何系列的电脉冲之后，所述确定单元依据所述电信号确定所述生物组织是否仍然在所述心律失常电状态中，且其中，仅如果所述生物组织仍然在所述心律失常电状态中，所述电脉冲发生器才产生任何另外系列的电脉冲。
18.如权利要求17所述的装置，其中，所述电脉冲发生器在比之前系列的电脉冲高的电压下产生至少一个另外系列的电脉冲。
19.如权利要求17或18所述的方法，其中，如果所述确定单元在预定义数量的电脉冲系列之后，确定所述生物组织仍然在所述心律失常电状态中，则所述电脉冲发生器产生标准心脏去纤颤能量的单个电脉冲；并且，所述至少一个电极将所述单个电脉冲施加到所述生物组织。
20.如权利要求1到19中的任一项所述的装置，其中，所述确定单元在依据所述至少一个优势频率确定所述生物组织是否在高频心律失常电状态中时，依据所述电信号确定所述生物组织的所述当前电状态的优势频率是否在从5到20Hz的频率范围中。
21.如权利要求1到20中的任一项所述的装置，其中，所述确定单元将所述生物组织的所述当前电状态的所述至少一个优势频率确定为所述电信号的最高优势频率。
22.如权利要求1到21中的任一项所述的装置，其中，包括所述确定单元和所述电脉冲发生器的所述装置的壳体的至少一部分形成连接到所述脉冲发生器的对电极，用于将所述电脉冲施加到所述生物组织。
23.如权利要求1到22中的任一项所述的装置，其中，连接到所述脉冲发生器的所述至少一个电极是心脏电极。
24.如权利要求23所述的装置，其中，连接到所述脉冲发生器的所述至少一个电极是胸内电极。
25.如权利要求1到22中的任一项所述的装置，其中，连接到所述脉冲发生器的所述至少一个电极是脑电极。
26.如权利要求25所述的装置，其中，连接到所述脉冲发生器的所述至少一个电极是非大脑内电极。
27.如权利要求1到22中的任一项所述的装置，其中，连接到所述脉冲发生器的所述至少一个电极是骨骼肌肉电极。
28.如权利要求25所述的装置，其中，连接到所述脉冲发生器的所述至少一个电极是非皮下电极。
29.如权利要求1到28中的任一项所述的装置，其中，所述至少一个传感器被配置成提供表示心脏的心房的当前电状态的电信号，其中连接到所述脉冲发生器的所述电极被配置成将所述电脉冲施加到所述心房，且其中所述装置还包括: -至少一个另外的传感器，其被配置成提供表示所述心脏的心室的心室动作电位的另外电信号； -另外的电脉冲发生器，其被配置成产生电起搏脉冲； -至少一个另外的电极，其连接到所述另外的脉冲发生器并且配置成将所述电起搏脉冲施加到所述心室；以及 -同步单元，其被配置成使所述至少一个电脉冲系列与所述电起搏脉冲同步，以使得所述至少一个电脉冲系列的电脉冲在易损窗中没有被施加，在所述易损窗期间，所述心室易受电击引起的心室纤颤的影响。
30.一种用于终止心脏的心房的心房纤颤的装置，所述装置包括: -至少一个传感器，其被配置成提供表示所述心房的当前电状态的电信号； -确定单元，其被配置成依据所述电信号确定所述生物组织的所述当前电状态是否是心房纤_ ; -电脉冲发生器，其用于根据所述电信号以一定间隔产生至少一个系列的电低能量抗纤颤起搏脉冲； -至少一个电极，其连接到所述脉冲发生器，被配置成将所述低能量抗纤颤起搏脉冲施加到所述心房； -至少一个另外的传感器，其被配置成提供表示所述心脏的心室的心室动作电位的另外电信号； -另外的电脉冲发生器，其被配置成产生电起搏脉冲； 的电极，其连接到所述另外的脉冲发生器并被配置成将所述电起搏脉冲施加所述心室；以及 -同步单元，其被配置成使所述至少一个系列的低能量抗纤颤起搏脉冲与所述电起搏脉冲同步，以使得所述至少一个系列的低能量抗纤颤起搏脉冲的低能量抗纤颤起搏脉冲在易损窗中没有被施加，在所述易损窗期间，所述心室易受电击引起的心室纤颤的影响。
31.如权利要求30所述的装置，其中，所述至少一个另外的电极和所述至少一个另外的传感器被组合在配置成放置在所述心室中的一个留置起搏/感测导管中。
32.—种终止生物组织的高频心律失常电状态的方法，所述方法包括: -获得表示所述生物组织的当前电状态的电信号； -依据所述电信号确定所述生物组织的当前电状态的至少一个优势频率； -依据所述至少一个优势频率确定所述生物组织的所述当前电状态是否是高频心率失常电状态； -依据所述电信号确定指示所述至少一个优势频率在所述高频心律失常电状态中如何占优势的优势水平； -根据所述至少一个优势频率以一定间隔产生至少一个电脉冲系列；以及-自所述优势水平超过针对在所确定的高频心律失常电状态中的所述生物组织的预定义的阈值时的时间点起，将所述电脉冲施加到所述生物组织。
33.如权利要求32所述的方法，其中，所述阈值是所述优势水平的之前记录的最大值的百分比。
34.如权利要求32或33所述的方法，其中，在确定所述优势水平时，针对在所述优势频率的至少一侧上扩展的频率范围中的频率分量来对所述电信号进行滤波。
35.如权利要求32到34中的任一项所述的方法，其中，在确定所述优势水平时，将在所述优势频率处的所述电信 号的强度与在至少一个邻近频率处的所述电信号的强度进行比较。
36.如权利要求32到35中的任一项所述的方法，且还包括设置模式，当所述生物组织的所述当前电状态既不是高频心律失常电状态也不是任何其它电激发状态时，所述设置模式被执行，所述设置模式包括: -产生具有相同持续时间和不同电压的各个电脉冲； -将所述各个电脉冲施加到所述生物组织； -响应于所述各个电脉冲而感测在所述生物组织处的电信号；以及-依据所述电信号确定将由所述电脉冲发生器产生的用于成功地终止所述生物组织的未来高频心律失常电状态的所述至少一个电脉冲系列的电脉冲的最低适当的电压。
37.如权利要求36所述的方法，其中，在所述设置模式中，所述各个电脉冲在从2到25ms的范围内的相同持续时间和在从0.05到3V/cm的范围内的不同电压下产生。
38.如权利要求32到37中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个电脉冲系列的电脉冲被产生，以便对由所述至少一个优势频率所限定的满相空间进行光栅扫描一次。
39.如权利要求38所述的方法，其中，所述至少一个电脉冲系列的电脉冲以一定时间间隔产生，以使得所述电脉冲以在从η /16到2 π /5、优选地从π /5到2 π /7的范围内的相位间隔对由所述至少一个优势频率所限定的相空间进行光栅扫描。
40.如权利要求39所述的方法，其中，所述至少一个电脉冲系列的电脉冲以与所述至少一个优势频率的倒数值偏离一时间偏差的时间间隔产生，所述时间偏差在所述至少一个优势频率的倒数值的1/32到1/5的范围内、优选地在所述至少一个优势频率的倒数值的1/10到1/7的范围内。
41.如权利要求40所述的方法，其中，所述至少一个电脉冲系列的电脉冲以超过所述倒数值的时间间隔产生。
42.如权利要求32到41中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个电脉冲系列的电脉冲以在从2到25ms、优选地从5到15ms的范围内的每脉冲的持续时间产生。
43.如权利要求32到42中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个电脉冲系列的电脉冲在一电压下产生，以使得每个电脉冲产生在从0.05到3V/cm、优选地从0.1到lV/cm的范围内的跨所述生物组织的电场。
44.如权利要求32到43中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个电脉冲系列的电脉冲在标准心脏去纤颤能量的1/400到1/2、优选地在标准心脏去纤颤能量的1/200到1/5且甚至更优选地在标准心脏去纤颤能量的1/100到1/10的范围内的电能下产生。
45.如权利要求32到44中的任一项所述的方法，其中，产生多个系列电脉冲,每个系列电脉冲的电脉冲对由相同的至少一个优势频率所限定的相空间进行光栅扫描，且其中，所述多个系列中的单个系列电脉冲被施加到不同的电极以在不同的空间方向上连续地产生跨所述生物组织的电场。
46.如权利要求32到45中的任一项所述的方法，且还包括在任何系列电脉冲产生之后，依据所述电信号确定所述生物组织是否仍然在所述心律失常电状态中，且仅如果所述生物组织仍然在所述心律失常电状态中，才产生任何另外系列的电脉冲。
47.如权利要求46所述的方法，其中，任何另外系列的电脉冲在比之前系列电脉冲高的电压下产生。
48.如权利要求46或47所述的方法，其中，如果在比所述之前系列电脉冲高的电压下产生的预定义数量的电脉冲系列之后，所述生物组织仍然在所述心律失常电状态中，则产生标准心脏去纤颤能量的单电脉冲并将其施加到所述生物组织。
49.如权利要求32到48中的任一项所述的方法，且包括，在依据所述至少一个优势频率确定所述生物组织是否在高频心律失常电状态中时，依据所述电信号确定所述生物组织的所述当前电状态的优势频率是否在从5到20Hz的频率范围中。
50.如权利要求32到49中的任一项所述的方法，且包括，在确定所述生物组织的所述当前电状态的所述至少一个优势频率时，将所述至少一个优势频率确定为所述电信号的最高优势频率。
51.如权利要求32到50中的任一项所述的方法，其中，所述电脉冲经由至少一个电极和对电极施加到所述生物组织。
52.如权利要求51所述的方法，其中，所述至少一个电极是经由心脏导管放置的心脏电极。
53.如权利要求51所述的方法，其中，所述至少一个电极是从颅外放置的脑电极。
54.如权利要求51的方法，其中，所述至少一个电极是非皮下放置的骨骼肌肉电极。
55.如权利要求32到52中的任一项所述的方法，其中，所述生物组织在心脏的心房中，且其中所述方法还包括: -获得表示所述心脏的心室的心室动作电位的另外电信号； -产生电起搏脉冲； -将所述电起搏脉冲施加到所述心室；以及 -使所述至少一个电脉冲系列与所述电起搏脉冲同步，以使得所述至少一个电脉冲系列的电脉冲在易损窗中没有被施加，在所述易损窗期间，所述心室易受电击弓丨起的心室纤颤的影响。
56.一种用于终止心脏的心房的心房纤颤的方法，所述方法包括: -获得表示所述心房的当前电状态的电信号； -依据所述电信号确定生物组织的所述当前电状态是否是心房纤颤； -根据所述电信 号以一定间隔产生至少一个系列的电低能量抗纤颤起搏脉冲； -获得表示所述心脏的心室的心室动作电位的另外电信号； -产生电起搏脉冲； -将所述电起搏脉冲施加到所述心室； -根据所述电信号以一定间隔产生至少一个系列的电低能量抗纤颤起搏脉冲； -将所述低能量抗纤颤起搏脉冲施加到所述心房；以及 -使所述至少一个系列的低能量抗纤颤起搏脉冲与所述电起搏脉冲同步，使得所述至少一个系列的低能量抗纤颤起搏脉冲的低能量抗纤颤起搏脉冲在易损窗中没有被施加，在所述易损窗期间，所述心室易受电击引起的心室纤颤的影响。
【文档编号】A61N1/362GK103702715SQ201280035067
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年6月14日 优先权日:2011年6月15日
【发明者】S·卢瑟, E·博登沙茨, V·克林斯基, R·吉尔摩, F·芬顿 申请人:马克思-普朗克科学促进协会, 康奈尔大学