本发明涉及一种用于基于生效时间(tte)来确定对靶点组织区域进行冷冻治疗以实现隔离的最佳剂量的系统和方法。
背景技术
冷冻治疗，尤其是冷冻消融，经常用于治疗各种心律失常，包括心房纤颤。许多心律失常是由传导通过心脏组织的异常电流引起的或涉及传导通过心脏组织的异常电流。在冷冻消融期间，通过冷冻治疗导管冷却组织，直到消除异常电传导或以其他方式认为异常电传导被改善。例如，一些异常电流可能源自一个或多个肺静脉内。在这种情况下，可以冷却肺静脉口和/或肺静脉窦，直到肺静脉(多个)与左心房或其他心脏组织隔离。
生效时间(tte)可被定义为心脏组织区域停止传导电流所花费的时间。已知当消融部位周围的所有导电组织已经达到+23℃以下的温度时，就会发生心脏组织停止传导电流这种情况，在该+23℃以下的温度时，细胞不再复极化，并且只有当组织的最深的导电纤维已达到该温度时才会发生这种情况。因此，达到tte的较长时间指示存在更难以冷却的纤维，并且存在更难以冷却的纤维也与实现永久隔离(tti)的更长时间相关。tte和tti两者可以根据待消融的组织的厚度(或者更确切地说，最深的导电纤维所在的位置)(诸如，靶点肺静脉的厚度)、和/或根据消融的质量(诸如，表面接触、推力、冷冻治疗元件与组织的对准、肺静脉阻塞的质量等等)来彼此关联。因此，更好的接触质量和更薄的组织区域导致达到tte的时间更短，因此热学处理剂量越小。
当处置组织的特定区时，可能难以指导或控制冷冻消融的深度。例如，组织温度的降低可能不被包含在使用当前已知方法治疗的所期望的确切区或深度中，并且这通常需要必须实时仔细地监测损伤(lesion)形成和/或组织温度(这可能是困难的并且是不精确的)、和/或必须在冷冻消融手术之后评估损伤形成，如果在手术期间未进行监测，则可能导致意外损害。如果损伤延伸超出靶点治疗区域太远或太深，则可能导致对非靶点组织的附带损害。反过来，如果治疗没有被递送达足够的时间或没有在足够的组织深度下递送治疗，则该手术可能无法纠正异常的电传导。
因此，期望提供一种用于基于生效时间(tte)来预测或确定对靶点组织区域进行冷冻治疗以实现隔离的最佳剂量的系统和方法。
技术实现要素：
本发明有利地提供一种用于基于生效时间(tte)来确定对靶点组织区域进行冷冻治疗以实现隔离的最佳剂量的系统和方法。在一个实施例中，冷冻消融系统通常包括处理器，该处理器被配置成接收标测信号、基于所接收的标测(mapping)信号来计算生效时间(tte)、并基于tte来确定推荐的冷冻消融剂量。在该实施例的一个方面中，处理器进一步被配置成基于tte来确定隔离时间(tti)。在该实施例的一个方面中，推荐的冷冻消融剂量是达到tti所需的冷冻消融量(以秒为单位)。在该实施例的一个方面中，tti是组织区域达到-20℃所花费的时间(以秒为单位)。在该实施例的一个方面，处理器被配置成当没有接收到标测信号时确定达到了tte。在该实施例的附加或替代方面中，处理器被配置成当所接收的标测信号的峰值幅度降低一半时确定达到了tte。在该实施例的附加或替代方面中，处理器被配置成当所接收的标测信号的相邻峰值之间的延迟增加大约20％时确定达到了tte。在该实施例的一个方面中，该系统进一步包括与处理器通信的感测设备，该感测设备包括多个标测元件，该多个标测元件中的每一个标测元件被配置成将标测信号传输到处理器。在该实施例的一个方面中，该多个标测元件中的每一个标测元件被配置成从组织区域获得标测信号。在该实施例的一个方面中，感测设备进一步包括细长主体，该细长主体具有近侧部分和远侧部分，多个标测元件中的每一个标测元件被耦合到细长主体远侧部分。在该实施例的一个方面中，该系统还包括与处理器通信的治疗设备，该治疗设备包括具有近侧部分和远侧部分的细长主体以及耦合到治疗设备细长主体的远侧部分的治疗元件(例如，球囊)。在该实施例的一个方面中，治疗设备还包括中央内腔，并且感测设备细长主体可以在该中央内腔内纵向移动。在该实施例的一个方面中，处理器被配置成基于所确定的推荐冷冻消融剂量来调节治疗元件的温度。例如，处理器可以被配置成通过改变治疗元件内的冷却剂的流量来调节治疗元件的温度。
在一个实施例中，冷冻消融系统通常包括：包括治疗元件的冷冻治疗设备；包括多个标测元件的感测设备，该多个标测元件中的每一个标测元件被配置成从组织区域获得标测信号；以及与冷冻治疗设备和感测设备通信的处理器，该处理器被编程为：接收来自多个标测元件的标测信号；基于所接收到的标测信号来计算生效时间(tte)；并基于tte确定推荐的冷冻消融剂量。在该实施例的一个方面中，处理器还被编程为基于tte确定隔离时间(tti)，推荐的冷冻消融剂量是达到tti的冷冻消融时间(以秒为单位)。在该实施例的一个方面中，tti是组织区域达到-20℃所花费的时间(以秒为单位)，或者是实现至少75％的细胞死亡所花费的时间(以秒为单位)。在该实施例的一个方面中，处理器还被编程为向推荐的冷冻消融剂量添加60秒，以便实现至少85％的细胞死亡。在该实施例的附加或替代方面中，处理器被编程为提出第二推荐的冷冻消融剂量以便实现至少95％的细胞死亡。在该实施例的一个方面中，处理器进一步被编程为在升温时段之后递送第二冷冻消融剂量。在该实施例的一个方面中，处理器进一步被编程为确定预期发生tte的阈值时间段。在该实施例的一个方面中，如果直到该阈值时间段已经过去之后才发生tte，则推荐的冷冻消融剂量是基于tte的发生的和/或处理器生成重新定位治疗元件的建议。在该实施例的一个方面中，处理器进一步被编程为基于所确定的推荐冷冻消融剂量来调节治疗元件的温度，该调节是通过改变治疗元件内的冷却剂的流量来作出的。在该实施例的一个方面中，治疗元件包括球囊。在该实施例的一个方面中，感测设备进一步包括细长主体，该细长主体具有近侧部分和远侧部分，多个标测元件中的每一个标测元件被耦合到细长主体远侧部分。在该实施例的一个方面中，冷冻治疗设备进一步包括中央内腔，感测设备细长主体在该中央内腔内可纵向移动。在该实施例的一个方面中，处理器进一步被编程为在以下情况时确定达到tte：没有从多个标测元件接收到标测信号；所接收到的标测信号的峰值幅度降低一半；或者所接收到的标测信号的相邻峰值之间的延迟增加大约20％。
在一个实施例中，冷冻消融系统通常包括：冷冻治疗设备，该冷冻治疗设备包括细长主体，该细长主体具有近侧部分、远侧部分、中央内腔、和耦合到该冷冻治疗设备细长主体的远侧部分的治疗元件；感测设备，该感测设备包括具有近侧部分和远侧部分的细长主体以及多个标测元件，该多个标测元件耦合到标测设备细长主体的远侧部分，该多个标测元件中的每一个标测元件被配置成从组织区域获得标测信号，感测设备的细长主体在冷冻治疗设备的中央内腔内可纵向移动；以及处理器，该处理器与冷冻治疗设备和感测设备通信，该处理器被编程为：接收来自多个标测元件的标测信号；基于所接收到的标测信号来计算生效时间(tte)，当所接收到的标测信号的一个或多个峰值幅度减小一半或者所接收到的标测信号的两个或更多个峰值幅度之间的时间增加超过20％时，达到了tte。将tte与隔离时间(tti)相关联，tti是组织区域达到大约-20℃所花费的时间，该组织区域达到大约-20℃一般而言与组织区域内的约75％的细胞死亡或更多细胞死亡相对应；并基于tti确定推荐的冷冻消融剂量。在该实施例的一个方面中，处理器还被编程为向所确定的推荐冷冻消融剂量添加60秒，以便实现在组织区域内的至少85％的细胞死亡。
附图说明
在结合附图考虑时，通过参考以下详细说明，将更容易地理解本发明的更完整的理解以及其所伴随的优点和特征，其中：
图1示出了示例性冷冻消融系统，其被配置成确定针对靶点组织区域的冷冻消融的最佳剂量；
图2a-2c示出了不同厚度的示例性肺静脉的横截面视图；
图3a示出了将示例性tte与tti数据进行比较的图表，其中数据根据组织厚度被分组；
图3b示出了将示例性tte与tti数据进行比较的图表，其中所有数据点合并在一起；
图4示出了左心房和肺静脉之间的电描记图，其中随着肺静脉被隔离，电描记图改变；以及
图5示出了将冷冻消融剂量与附带损害进行比较的图表。
具体实施方式
本发明有利地提供了基于生效时间(tte)来确定或预测对靶点组织区域进行冷冻治疗以实现电隔离的最佳剂量的系统和方法。特别地，如其中相同的参考标号指代相同的组件的附图中所示的，图1中示出了医疗系统，其通常被指定为'10'。医疗系统10通常可包括冷冻消融设备12、感测设备14、以及耦合到冷冻消融设备12和/或感测设备14的一个或多个控制单元16。
冷冻消融设备12可以包括医疗探针、导管、或其他器械，并且通常可以包括一个或多个诊断或治疗元件18，以用于设备12和治疗部位之间的能量的相互作用或其他治疗性相互作用。治疗元件(多个)18可向治疗区(多个)附近的组织区域(包括心脏组织)递送例如低温治疗、射频能量或其它能量传递。特别地，一个或多个治疗元件18可以被配置成降低相邻组织的温度，以便执行冷冻治疗和/或冷冻消融。例如，治疗区(多个)18可包括一个或多个球囊(如图1中所示)，低温冷却剂可在该一个或多个球囊中循环以便降低球囊的温度。附加地，治疗区(多个)18可以包括其他导热和/或导电组件，诸如，与控制单元16通信的一个或多个电极。
冷冻消融设备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主体20，诸如导管、鞘(sheath)或血管内导引器。细长主体20可限定近侧部分24和远侧部分26，并且可进一步包括设置在细长主体20内的一个或多个内腔，该一个或多个内腔提供细长主体20的近侧部分24与细长主体20的远侧部分26之间的机械、电和/或流体连通。进一步地，一个或多个治疗区18(诸如，图1中所示的球囊)可以被耦合到细长主体远侧部分26。
在操作期间，冷却剂可以从冷却剂供应源30流动通过冷冻消融设备细长主体20内的冷却剂递送导管到达远侧部分26，在此处冷却剂随后可以诸如通过一个或多个喷嘴、孔、或其他流量控制元件31来进入治疗区18的内部，其中冷却剂可以膨胀以冷却治疗区18。膨胀的冷却剂随后可以从治疗区18的内部通过冷却剂回收导管进入冷却剂回收储集器36和/或清除系统。
冷冻消融设备12可进一步包括耦合到细长主体近侧部分24的手柄44，并且手柄44可包括一个或多个转向或偏转组件，以用于操纵细长主体20、一个或多个治疗区18、和/或冷冻消融设备12的附加组件。手柄44还可以包括可直接或间接地配合到控制单元16的连接器，以在冷冻消融设备12的一个或多个组件与控制单元16的一个或多个组件之间建立通信，如本文所描述的。例如，在示例性系统中，将所选择的治疗模式供应给治疗区(多个)18的冷却剂供应源30、冷却剂回收储集器36、和/或一个或多个替代能量源(诸如，例如射频发生器、超声波发生器、光源等)以及系统10的各种控制机构可以被容纳在控制单元16中。控制单元16还可以包括具有一个或多个显示器50和处理器和/或软件模块52的一个或多个计算机48，并且一个或多个处理器52可以被编程为，或者其能够编程为以执行本文所描述的特征、序列、或程序的自动操作和执行。应该理解的是，一个或多个系统组件可以物理地位于控制单元16的外部；然而，为了简单起见，不是冷冻消融设备12或感测设备14的一部分的任何系统组件在本文中可被称为位于控制单元16内。
系统10可进一步包括感测设备14，其也可以被称为标测设备，以用于从靶点组织获得数据，诸如，标测信号、电描记图(例如，肺静脉电位)、单相动作电位等等。例如，图1中所示的感测设备14可被配置成获得肺静脉电位，该感测设备14类似于
感测设备14可以在细长主体20的中空中央内腔56内纵向移动，并且可以延伸超出细长主体20的远端。感测设备14可包括一个或多个标测或感测电极58，并且感测设备14的远侧部分60可以是柔性的，使得其可被操纵成各种配置以适应患者的解剖结构。作为非限制性示例，可以使用一个或多个转向元件将感测设备远侧部分60操纵成如图1中所示的环或拉索构造。可以在冷冻治疗手术之前、期间或之后由感测设备电极58获得来自患者组织的信号。进一步地，感测设备可以与控制单元16通信，使得由电极58获得的信号可以被传输到控制单元16以进行处理和分析。
冷冻消融设备12和/或控制单元16还可包括一个或多个传感器，以监测整个系统10的操作参数，包括例如控制单元16和/或冷冻消融设备12中的压力、温度、流速、体积等。例如，冷冻消融设备12可以进一步包括靠近治疗区(多个)18的一个或多个温度和/或压力传感器(未示出)，以用于在冷冻消融设备12的远侧部分处监测、记录或以其他方式传送冷冻消融设备12或周围环境内的状况的测量值。传感器(多个)可与控制单元16通信以用于在冷冻消融设备12的操作期间启动或触发一个或多个警报或治疗递送修改。
现在参考图2a-2c，其示出了不同厚度的示例性肺静脉的横截面视图。如下面将更详细讨论的，靶点组织的区域的厚度或最深的导电纤维所处的深度可以影响实现隔离所需的剂量。在图2a-2c中示出了肺静脉以用于说明：然而，应该理解的是，这些相同的原理也可以应用于组织的其他区域中的导电纤维的深度。图2b示出了具有“正常”或“标准”厚度的壁的肺静脉，而图2a示出了具有相对较薄的壁的肺静脉，并且图2c示出了具有相对较厚的壁的肺静脉。
现在参考图3a-4，示出了各种图表，其示出了组织厚度、tte、tti、和最佳冷冻消融剂量之间的关系。如背景技术部分所讨论的，生效时间(tte)可被定义为组织停止导电所花费的时间。已知当消融部位周围的所有导电组织达到约+23℃(±2℃)以下的温度时，会发生组织停止导电。由于一旦在位于一个截面点(优选地在肺静脉口附近，其中肺静脉连接到左心房)处肺静脉四周的所有传导纤维在整个深度上达到约+23°c，tte就会发生，因此不存在所需组织的最少量。换句话说，一旦在深达最后一个传导的纤维处形成约+23℃或更低的圆周环，就会发生tte。如在理想化条件下使用对各种肺静脉厚度的计算建模来估计的，组织厚度、tte、和tti之间观察到的趋势示于图3a和3b中。
如图中所示的，组织区域越厚(或最深传导纤维所处位置越深)，tte就越长。作为参考，平均静脉厚度可以是约1.2mm，比平均厚度更薄的静脉厚度可以是约0.5mm，并且比平均厚度更厚的静脉厚度可以是约2.0mm。
已经确定的是，可以通过约-20℃(±5℃)的温度以至少75％的成功率消融细胞，这可以被称为永久隔离。达到永久隔离所需的冷冻消融量(以秒为单位)可被称为隔离时间(tti)。在tti和组织厚度之间存在与tte和组织厚度之间相类似的关系。通过实验获得图3a和3b中所示的数据。对于每个组织厚度，使用三种施加力(对针对肺静脉施加到治疗元件的10gm、30gm、和50gm的压力的结构分析)，得到九种组合。基于变形的几何形状，对九种组合中的每一种组合进行热量传递分析以测量tte和tti(假设tte发生在+23℃并且tti发生在-20℃)。数据点的每个集群表示用三种不同力所分析的一个组织厚度。
如图3a和图3b中所示的，对于给定的组织厚度，tte可以与tti相关，并且该趋势也可以应用于非pv组织。由于通常已知当消融部位周围的所有传导组织已经达到约+23℃以下的温度时发生tte，因此当感测设备14不再获得电信号(例如电描记图)、或获得充分衰减或者延迟的电信号时，可以假设组织已经达到约+23℃以下的温度。因此，当从感测设备14接收到的电信号是延迟的、缺失的、或低于预定阈值时，处理器52可以确定已发生tte。例如，处理器52可以被配置成当在手术期间从感测设备14接收到的电信号的数量降低以致没有接收到电信号时确定已经发生tte。附加地或替代地，处理器52可以被配置成当在手术期间从感测设备14接收到电信号，但是所接收到的电信号显示典型的电描记图信号(诸如，p波、q波、r波、s波、t波、和/或u波)已被改变或影响、或者比典型的电描记图信号弱时，确定已经发生tte。例如，一个或多个处理器52可以被配置成当在手术期间从感测设备14接收到的电信号具有已经减小了约正常幅度的一半(例如，减小6db)的幅度时、或当信号峰值之间的时间增加超过冷冻疗法递送开始之前的峰-峰时间间隔的20％时，确定已经发生tte。作为非限制性示例，图4从左到右示出了随着冷冻消融的进行，左心房和肺静脉之间的电描记图的典型面板。图a示出了全幅度电描记图。电描记图从面板b-d逐渐变得更加衰减，并且面板e示出了在肺静脉的隔离(其可被称为传导阻滞或电隔离)之后记录的电描记图。tte发生在面板d和面板e之间。如果一个或多个处理器52确定在预定的时间阈值之后尚未发生tte，则一个或多个处理器52可以基于该延迟确定推荐的冷冻消融剂量。例如，一个或多个处理器52可以推荐三分钟的最大剂量。附加地或替代地，如果一个或多个处理器52确定在预定时间阈值之后尚未发生tte，则一个或多个处理器52可以向用户传达建议(即，生成建议)，该建议是重新定位治疗元件18。
随后可以基于tte(以秒为单位)来确定tti，而无需在手术期间测量或监测组织温度，并且不需要使用昂贵的、复杂的、或耗时的解剖标测技术来确定组织深度。
最佳冷冻消融剂量可以基于tti，该tti进而可以基于tte。例如，如果感测设备14将信号传输到控制单元16以指示tte(或者在靶点组织内电传导不存在或电传导有可接受的减轻)花费约39秒，则一个或多个处理器52可以使用该数据来确定约58秒的tti。换句话说，可以基于tte来确定：将花费约58秒的冷冻消融来实现至少75％的细胞死亡或永久隔离。冷冻消融递送的该时段可以被称为“剂量”。因此，如果花费约39秒得到tte的指示，则实现永久隔离所需的最佳冷冻消融剂量将是约58秒、或超出tte19秒。随后可以将其传达给用户或由系统自动实施。一个或多个处理器52所使用的相关的等式是：
tti＝3.16e-02*tte^2+3.93e-01*tte–8.01e+00,(1)
其中
r2＝9.87e-01(2)
tte和tti是以秒为单位。图3b是在实践中使用等式(1)的非限制性示例，在该情况下使用arcticfront
tti＝0.0316*tte^2+0.3927tte–8.0128(3)
其中
r2＝0.9866.(4)
在消融薄的、接近关键的非靶点结构(诸如，膈神经)的、或者对热处理敏感的组织区域时，75％的tti可以被接受以最小化对非靶点组织的附带损害的风险。在其他情况下，诸如，当消融相对较厚的组织区域或者与关键的非靶点结构良好分离的区域时，增加的细胞死亡可能是优选的。在该情况下，可以将驻留时间添加到最佳剂量。例如，可以将约60秒的驻留时间添加到剂量以实现至少85％的细胞死亡。因此，在上面的示例中，一个或多个处理器52可以向所确定的约58秒的tti添加60秒以达到118秒的推荐剂量，然后可以将该118秒的推荐剂量传送给用户或由系统自动实施。更进一步地，在已经递送了针对至少75％(或至少85％)细胞死亡的推荐剂量之后，一个或多个处理器52可以计算第二(后续)剂量以实现组织区域内的至少95％的细胞死亡。图5示出了关于递送剂量对附带损害的影响的示例性数据。作为非限制性示例，一旦实现透壁性，剂量可延长约一分钟，以用于进一步增加消融组织区域的周边的细胞死亡。该第二冷冻消融剂量可以作为冻结-解冻-冻结循环的一部分执行。换句话说，可以递送第一冷冻消融剂量，并且可以通过停止或降低治疗元件18内的冷却剂的流量来允许治疗元件18变暖。在该解冻时段之后，可以将第二冷冻消融剂量递送至该组织。解冻时段可以通过组织自身达到约-5℃和约-40℃之间的温度(并且任选地，在该温度下保持预定的时间段)所花费的时间长度来定义。解冻时段和任选的多次冻结-解冻循环有利于溶质效应，由此在慢速冻结时在组织细胞周围形成大的冰晶，如消融损伤的周边的细胞所经历的那样。随着冰晶的形成，细胞周围的剩余溶液变得越来越高渗。这进而致使细胞通过释放水(脱水)来收缩，以维持渗透平衡。解冻时会产生细胞损害。随着环绕细胞的冰融化，它变得越来越低渗。细胞中的该高浓度的溶质在细胞膜两端产生强烈的压力梯度，其迫使从细胞外环境中大量摄入水，这对细胞结构是有害的。已知这是消融组织区域周边的细胞破坏的主要原因。
然而，应当理解的是，以秒为单位的tte和tti值是近似的(例如，±1秒)，并且可以根据患者、所使用的冷冻消融系统和/或组织与治疗元件之间的接触而变化。例如，图3a和图3b中所示的数据是使用冷冻消融设备，即arcticfront
现在参考图4，示出了将冷冻消融剂量与附带损害进行比较的图表。如上所讨论的，使用特定冷冻消融剂量(如使用以上所描述的相关性所计算的)可以降低对非靶点组织的附带损害的风险。例如，冷冻消融通常以3分钟或4分钟的剂量递送。然而，与使用基于tte的剂量相比，这种盲目施加的剂量可显著增加潜在的附带损害的量(在图4中以m3表示)。与实现至少75％细胞死亡的tti相等的、基于tte的冷冻消融剂量可产生最小的附带损害。进一步地，尽管有时可能期望使用与基于tte的、和tti+60秒相等的冷冻消融剂量来实现至少85％的细胞死亡(或高达至少95％的细胞死亡)，但是这可能会增加附带损害的风险可以使用“一种剂量适合所有”方法(其基于组织厚度来使用针对给定冷冻消融设备12的最大tti)，而不管实际组织厚度或由感测设备14获得的信号。尽管这可能仍然比3分钟或4分钟引起潜在附带损害更少，但是可能比使用基于tte的剂量导致的潜在附带损害更多。
一旦处理器52确定tte，处理器52可基于tte计算推荐的冷冻消融剂量，并且计算机可将该信息显示给用户。用户随后可接受推荐的剂量或拒绝推荐的剂量，并手动或半自动地操作系统。如果用户已经接受了推荐的剂量，则一旦处理器52基于从感测设备14接收到的信号和计算的tte而确定已经达到tti，处理器52就可以自动降低或消除冷却剂流入冷冻消融设备12，或者可以以其他方式发起解冻阶段以破坏治疗元件18和组织之间的冷冻粘附。替代地，计算机50可以向用户显示或向用户传达已经实现了电隔离(例如，通过视觉或听觉警报)，并且用户可以手动结束该手术或决定继续该手术。附加地或替代地，系统可以在治疗期间通过自动调节冷却剂的流量来自动实施推荐的冷冻消融剂量，以实现推荐剂量。替代地，可以在与系统通信但与系统分离的可选计算机64上完成相同的操作。例如，来自设备的信号可以被发送到分开的计算机64，计算机64可以基于上面示出的等式来分析数据并向用户提出剂量。例如，计算机64可以与控制台16进行有线或无线通信。
本领域技术人员应当理解，本发明不限于以上的本文中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。在不背离本发明范围和精神的情况下，在以上示教启示下可能有各种修改和变型，本发明只受所附权利要求书限制。