使用导管臂的分段线性模型来识别与组织的接触的制作方法

本发明涉及医疗装置的领域，并且具体地涉及心内导管，诸如用于电解剖标测的那些心内导管。

背景技术

美国专利8,226,580描述了一种用于操作医疗探头的方法。该方法包括按压医疗探头的远侧端部，该远侧端部包括一个或多个臂，该臂从中心轴对角地向外延伸且具有耦合到其的抵靠着身体内表面的相应位置转换器，以便致使臂将压力施加于该表面上且响应于该压力而相对于中心轴弯曲。测量耦合到臂的相应位置转换器的位置，并且响应于所测量的位置来估计由臂施加的压力。

美国专利8,478,379描述了一种用于可视化的方法。该方法包括接收指示沿受检者体内探头的长度设置的多个点的相应视在坐标的输入，以及将探头的已知机械特性的模型应用于视在坐标，以便计算相对于可由探头在身体中假定的形状的成本函数。响应于成本函数选取形状，并且基于形状生成沿探头长度的点的校正坐标。然后显示使用校正坐标的探头的表示。

技术实现要素：

根据本发明的一些实施方案，提供了一种与导管一起使用的系统，导管包括与多个电极耦合的至少一个柔性臂。系统包括电接口和处理器，处理器被配置成经由电接口接收多个信号。处理器还被配置成由所接收的信号计算当导管在受检者的身体的一部分内时电极的相应估计的位置。处理器还被配置成将导管的模型拟合到所估计的位置，模型将柔性臂建模为包括多个线性段的分段线性元件；基于按照拟合的线性段中的一个或多个的相应定向，针对电极中的每个电极探知电极是否与受检者的组织接触；以及响应于探知到电极中的至少一个与组织接触来更新受检者的身体的一部分的图。

在一些实施方案中，分段线性元件包括至少三个线性段。

在一些实施方案中，图是电解剖图，并且处理器被配置成通过将由从电极中的至少一个接收的电生理信号携带的信息并入到电解剖图中来更新电解剖图。

在一些实施方案中，处理器被配置成通过将电极中的至少一个的位置并入到图中来更新图。

在一些实施方案中，处理器被配置成通过以下来探知电极是否与组织接触：

计算一个或多个偏转角度，一个或多个偏转角度中的每个由按照拟合而定向的线性段中的相应一个与相应的另一条线的相交形成，

将偏转测量计算为偏转角度的函数，以及

通过将偏转测量与阈值进行比较来探知电极是否与组织接触。

在一些实施方案中，阈值对于电极中的每个是不同的。

在一些实施方案中，偏转角度包括由(i)按照模型与电极中最近的一个电极耦合的线性段中的一个线性段与(ii)线性段中的一个线性段先前沿其对齐的线相交而形成的角度。

在一些实施方案中，线性段中的一个是线性段中的第一个，并且偏转角度还包括另一角度，另一角度由(i)按照模型与线性段中的第一个在远侧接合的线性段的第二个与(ii)朝远侧延伸线性段的第一个的线相交而形成。

在一些实施方案中，函数在电极之间变化。

在一些实施方案中，偏转测量是偏转角度的和，并且处理器被配置成响应于和大于阈值来探知电极与组织接触。

在一些实施方案中，该和是将不同的相应权重应用于偏转角度的加权和。

在一些实施方案中，相对于更近侧的电极，对于更远侧的电极的阈值更小。

根据本发明的一些实施方案，还提供了一种与导管一起使用的方法，导管包括与多个电极耦合的至少一个柔性臂。该方法包括由处理器来计算当导管在受检者的身体的一部分内时电极的相应估计的位置。该方法还包括将导管的模型拟合到所估计的位置，模型将柔性臂建模为包括多个线性段的分段线性元件。该方法还包括基于按照拟合的线性段中的一个或多个的相应定向，针对电极中的每个电极探知电极是否与受检者的组织接触；以及响应于探知到电极中的至少一个与组织接触来更新受检者的身体的一部分的图。

结合附图，由本发明实施方案的以下详细描述，将更全面地理解本发明，其中：

附图说明

图1是根据本发明的一些实施方案的用于电解剖标测的系统的示意图；

图2是根据本发明的一些实施方案的用于探知电极与组织接触的技术的示意图；以及

图3是根据本发明的一些实施方案的用于构造电解剖图的方法的流程图。

具体实施方式

概述

在本发明的实施方案中，包括一个或多个柔性臂的导管插入到受检者的身体的一部分(诸如受检者的心脏)中。耦合到臂的多个电极然后用于从受检者的组织获取电生理信号，诸如心电图(ecg)信号。在该规程期间，跟踪系统用于跟踪电极的相应位置，使得信号中的每个可与获取信号的位置相关联。例如，可使用在美国专利8,456,182中描述的有功电流位置(acl)系统，该美国专利的公开内容以引用方式并入本文。在acl系统中，处理器基于在电极与耦合到受检者的身体的其他外部电极之间测量的阻抗来估计电极的相应位置。

当执行此类规程时，挑战在于，在任何给定的时间，电极中的哪个电极与受检者的组织接触可不是显而易见的。因此，例如，可能不清楚给定电极的位置和/或由从电极接收的电生理信号携带的任何信息是否应当被并入到在构造下的电解剖图中，假定电极可能实际上没有触摸受检者的组织。

为了解决该挑战，本发明的实施方案提供了一种用于探知组织接触的方法。按照该方法，处理器连续地将导管(或至少导管的包括电极的部分)的模型拟合到估计的电极位置，使得在任何给定时间，模型的构型逼近导管(或至少导管的包括电极的部分)的当前构型。在导管的一个或多个臂接触受检者的组织时，由于臂的屈曲，导管的构型改变。由此，还将模型拟合到估计的电极位置，处理器可基于模型的新构型来探知一个或多个电极正在接触组织。

通常，导管的每个臂被建模为具有多个线性段的分段线性元件。给定此类模型，处理器可基于按照拟合的臂的线性段的相应定向，针对给定臂上的电极中的每个电极探知电极是否与组织接触。例如，处理器可计算一个或多个偏转角度，一个或多个偏转角度中的每个(独自或与一个或多个其他偏转角度组合)指示线性段中的相应的一个已经从其先前的静止定向偏转的程度。处理器然后可将偏转测量计算为这些角度的函数，并且通过将偏转测量与具体阈值进行比较来检查组织接触。例如，处理器可对偏转角度求和，并且然后只有该和大于阈值时才探知组织接触。

系统描述

首先参考图1，图1是根据本发明的一些实施方案的用于电解剖标测的系统21的示意图。

图1描绘医师27使用导管29来执行受检者25的心脏23的电解剖标测。导管29在其远侧端部处包括一个或多个柔性臂20，一个或多个电极22耦合到一个或多个柔性臂20中的每个。在标测规程期间，电极22从心脏23的组织获取电生理信号，诸如ecg信号。通常位于控制台39内的处理器28经由电接口35接收这些信号，该电接口35可包括例如置于控制台39的表面上或内侧的任何地方的端口或插座。处理器28使用包含在这些信号中的信息来构造电解剖图31，电解剖图31将心脏的一个或多个电生理特性与心脏的解剖模型相关联。在该规程期间和/或之后，处理器28可在显示器26上显示电解剖图31。

在该规程期间，跟踪电极22的相应位置。此类跟踪可例如使用前述的acl技术来执行。按照该技术，多个外部电极24耦合到受检者25的身体；例如，三个外部电极24可耦合到受检者的胸部，并且另外三个外部电极可耦合到受检者的背部。(为了便于说明，在图1中仅示出了一个外部电极。)当电极22在受检者体内时，电流连续地在电极22和外部电极24之间传递，测量在外部电极24处得到的电流幅值，并且处理器28经由电接口35接收指示这些幅值的信号。基于这些幅值之间(或由这些幅值所暗示的阻抗之间)的比率，并且给定电极24在受检者的身体上的已知位置，处理器28连续地计算电极22中的每个在受检者的身体内的估计的位置。

给定在任何给定时间任何给定电极的估计的位置，处理器可使用估计的位置和/或从电极接收的电生理信号来更新电解剖图。例如，处理器可通过更新为电解剖图基础的解剖模型以包括电极的位置来将电极的位置并入到电解剖图中。另选地或除此之外，处理器可从电生理信号中提取电生理参数(诸如局部激活时间)，并且然后将该参数与对应于电极的估计的位置的电解剖图31的部分相关联。

如上面在概述中所提到的，处理器28被配置成在将电极的位置和/或从电极接收的信号并入到电解剖图中之前来探知给定的电极是否与组织接触。下文参考图2和图3描述用于此类探知的技术。

一般来讲，处理器28可被体现为单个处理器，或者被体现为协作联网或集群的一组处理器。处理器28通常是编程的数字计算装置，该编程的数字计算装置包括中央处理单元(cpu)、随机存取存储器(ram)、非易失性辅助存储装置诸如硬盘驱动器或cdrom驱动器、网络接口和/或外围装置。如本领域所公知的，将包括软件程序的程序代码和/或数据加载到ram中用于由cpu执行和处理，并且生成结果用于显示、输出、传输或存储。程序代码和/或数据可以电子形式例如经网络下载到处理器，或者，另选地或除此之外，程序代码和/或数据可提供和/或存储在非临时性有形介质诸如磁性存储器、光学存储器或电子存储器上。此类程序代码和/或数据在提供给处理器时，产生被配置成执行本文所述任务的机器或专用计算机。

导管模型

现在参考图2，图2是根据本发明的一些实施方案的用于探知电极22与组织接触的技术的示意图。

图2的左侧示出导管29处于其默认(或“静止”)构型，导管在不存在施于导管的任何外力的情况下采用该默认(或“静止”)构型。在所示的具体示例中，导管29包括五个柔性臂20，五个柔性臂20中的每个从导管的中心轴33倾斜地突出。然而，尽管有该具体构型，但是应当注意，本文所述的技术可应用于具有带有任何合适的定向的任何数量的柔性臂的任何合适的导管构型。

叠加在导管上的是导管模型29m，导管模型29m由处理器28用于对导管建模。导管模型29m将导管的柔性臂中的每个建模为包括多个(例如，两个、三个或更多个)线性段的分段线性元件32。(导管轴33通常也被建模为线性段41。)例如，在图2中，导管的具体臂20a由分段线性元件32a建模。线性元件32a包括三个互连的线性段32a1，32a2和32a3，三个互连的线性段32a1，32a2和32a3在任何给定时间共同逼近臂20a的形状。在所示的具体示例中，最近的线性段32a3平行于导管的轴。

在该规程期间，处理器如上所述连续计算电极22的估计的位置，并且然后将导管模型29m拟合到这些估计的位置。处理器因此连续地计算模型的当前构型，模型的当前构型逼近导管臂的当前构型。例如，为了逼近臂20a的当前构型，处理器首先计算耦合到臂20a的四个电极22a，22b，22c和22d的相应估计的位置。处理器然后将模型拟合到这些估计的位置。例如，处理器可根据需要调整线性段32a1和32a2的相应位置和/或定向，使得估计的电极位置与线性段上的电极的位置之间的距离(如由模型假定的)被最小化，如例如在美国专利8,478,379中所述，该美国专利的公开内容以引用方式并入本文。

以说明的方式，图2针对电极22d示出了如由处理器计算的电极的估计的位置64以及如由模型假定的电极的位置62。(位置62位于沿线性段32a2。)为了将模型拟合到估计的电极位置，处理器可应用最小化算法，该最小化算法使考虑了估计的位置64和位置62之间的距离d以及其他电极的相似的距离的距离函数最小化。

通常，至少一个其他电极37耦合到导管轴的远侧部分，朝近侧耦合到臂。基于该电极的估计的位置，处理器还可建立线性段32a3的定向，如上所述，该定向平行于导管轴。

在将模型拟合到估计的电极位置之后，处理器基于按照拟合的线性段中的一个或多个的相应定向，针对电极中的每个电极探知电极是否与受检者的组织接触。

以说明的方式，图2的右侧示出了在臂20a接触受检者的组织时导管29的构型。如图所示，接触的力38致使臂20a朝近侧偏转。由于该偏转，如由处理器通过将模型拟合到估计的电极位置来计算的元件32a的构型改变。具体地，先前与第一线(或“轴”)30对齐的线性段32a2变得与第二线34对齐，而先前也与第一线30对齐的线性段32a1变得与第三线36对齐。如下面详细描述的，给定该新构型，处理器可由线性段的新定向推断出电极中的至少一些与受检者的组织接触。

组织接触探知算法

下面的节段描述了在一些实施方案中由处理器28使用的来探知导管29上的电极中的至少一些是否与组织接触的算法。该算法通常包括两个子算法：用于计算导管的每个臂的一个或多个偏转角度的第一子算法，以及用于由偏转角度来计算一个或多个偏转测量且将这些偏转测量与一个或多个合适的阈值进行比较的第二子算法。

(i)偏转角度的计算

通常，对于每个臂，处理器首先通过计算多个偏转角度来量化臂已经从其先前的默认定向偏转的程度，多个偏转角度中的每个由按照拟合而定向的线性段的相应的一个与相应的另一条线的相交形成。例如，处理器可计算第一偏转角度α1，该第一偏转角度α1由(i)按照模型与电极中最近的一个电极耦合的线性段32a2与(ii)在偏转之前线性段32a2先前沿其对齐的第一线30的相交而形成。(线30可由处理器识别为相对于段32a3(即，相对于导管的轴)以给定角度定向。)处理器还可计算第二角度α2，该第二角度α2由(i)按照模型与线性段32a2在远侧接合的线性段32a1与(ii)朝远侧延伸线性段32a2的第二线34相交而形成。(由于线性段32a1偏转了总角度α1+α2，所以第二角度α2与第一角度α1结合指示线性段32a1偏转的程度。)类似地，如果在分段线性元件32a中存在另一更远侧的线性段，则处理器也可计算该假设线性段与线36之间的角度。

(ii)一个或多个偏转测量的计算以及与一个或多个阈值的比较

接下来，处理器贯穿臂20a上的电极进行迭代。对于电极中的每个电极，处理器将偏转测量计算为偏转角度中的一个或多个的函数。基于偏转测量，处理器探知电极是否与受检者的组织接触。

例如，处理器可计算角度α1和角度α2的和(如上所述，该和指示最远的段32a1的总偏转)，并且探知到只有和大于给定阈值时，给定电极才与组织接触。在一些实施方案中，该和是将不同的相应权重w1和权重w2应用于角度的加权和(w1α1+w2α2)，其中权重中的每个大于或等于零。

通常，对于电极中的每个，阈值是不同的。例如，相对于更近侧的电极，对于更远侧的电极的阈值可更小。因此，例如，为了建立电极22a和/或电极22b与组织接触，处理器可需要α1+α2仅大于15度，而为了建立电极22c和/或电极22d与组织接触，处理器可需要α1+α2大于30度。

在一些实施方案中，另选地或除了阈值在电极之间变化之外，函数在电极之间变化(使得偏转测量在电极之间变化)。例如，对于电极22a和/或电极22b，处理器可相对于w2将低权重分配给加权和w1α1+w2α2中的w1，而对于电极22c和/或电极22d，处理器可相对于w1将低权重分配给w2。

响应于探知到电极中的至少一个与组织接触，处理器可通过将一个或多个电极的位置和/或由从一个或多个电极接收的一个或多个信号携带的信息并入到电解剖图中来更新电解剖图。

流程图

现在参考图3，图3是根据本发明的一些实施方案的用于使用上面参考图2描述的技术构造电解剖图的方法的流程图。(图3假定导管29已经在受检者的心脏内。)

首先，在位置计算步骤40中，处理器计算电极在导管29上的相应估计的位置。接下来，在拟合步骤42处，处理器将模型拟合到这些估计的位置，如上所述，该模型将导管的臂中的每个建模为分段线性元件。(通常，如上面参考图2所述的，处理器通过应用用于使模型上的电极的位置与如由处理器计算的电极的估计的位置之间的距离最小化的合适的最小化算法来拟合模型。)接下来，在臂选择步骤44处，处理器选择处理器将应用组织接触探知算法的导管臂中的一个。

如上所述，组织接触探知算法通常包括用于偏转角度计算的第一子算法和用于偏转测量计算的第二子算法。按照第一子算法，处理器在角度计算步骤46处计算所选择的臂的一个或多个偏转角度。如上面参考图2所述，这些角度量化了臂已经从其先前的默认定向偏转的程度。

接下来，按照第二子算法，处理器在偏转测量计算步骤48处将偏转测量计算为在角度计算步骤46处计算的角度的函数。例如，如上面参考图2所述的，处理器可计算角度的和-诸如加权和。随后，如紧接着在下面另外描述的，处理器贯穿臂上的电极进行迭代，检查与组织接触的每个电极。

处理器在电极选择步骤50处通过选择电极来开始每个迭代。接下来，在第一检查步骤52处，处理器检查在偏转测量计算步骤48处计算的偏转测量是否大于电极的阈值。(如上面所提到的，根据电极在臂上的位置，可为每个电极建立单独的阈值。)如果是，则处理器在图更新步骤54处通过将电极的位置和/或从电极接收的信号并入到电解剖图中来更新电解剖图。例如，处理器可将数据点添加到图，该数据点使来自信号的电生理信息和与电极接触的组织的部分的位置相关联。

在图更新步骤54之后，或者如果偏转测量不大于阈值，则处理器在第二检查步骤56处检查臂是否具有尚未检查接触的任何更多的电极。如果是，则处理器返回到电极选择步骤50，并且选择臂上的下一个电极。

在贯穿电极的迭代之后，处理器在第三检查步骤58处检查导管是否具有尚未检查接触的任何更多的臂。如果是，则处理器返回到臂选择步骤44，并且选择导管的下一个臂。

在贯穿导管的臂的迭代之后，处理器在第四检查步骤60处检查电解剖图是否完整。例如，处理器可检查医师是否已经提供指示图完整的输入。如果是，则电解剖图的构造结束。否则，处理器返回到位置计算步骤40。

图3假定对于给定的臂上的所有电极使用相同的函数，使得对于每个臂，偏转测量计算步骤48仅执行一次。然而，应当注意，在另选的实施方案中，可使用任何数量的不同函数来重复执行偏转测量计算步骤48，使得针对臂上的电极中的一个或多个电极中的每个来计算不同的相应测量。

虽然本说明书主要涉及心脏的电解剖标测，但是应当注意，本发明的实施方案可应用于任何解剖标测应用。例如，使用本文所述的技术，可通过将被确定为与组织接触的任何电极的位置重复添加到图，构造受检者的身体的任何部分的解剖图(该解剖图不一定包括任何电生理信息)。

对于不需要采集电生理信息的解剖标测应用，可取代电极22使用其他类型的传感器，其中取代acl跟踪系统，使用其他类型的跟踪系统。例如，导管的臂可配有电磁传感器，并且可在邻近受检者的位置处生成磁场，使得传感器在存在磁场的情况下输出电信号。处理器可经由电接口35接收这些信号，由这些信号计算传感器的估计的位置(如例如在美国专利5,391,199、美国专利5,443,489或美国专利申请公开2007/0265526中所描述的，这些专利的公开内容以引用方式并入本文)，并且然后使用本文所述的技术来探知传感器中的哪些传感器与组织接触。响应于探知到传感器中的至少一个传感器与组织接触，处理器可将传感器的位置并入到解剖图中。

本领域技术人员应当理解，本发明不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明实施方案的范围包括上文所述各种特征的组合与子组合两者，以及本领域的技术人员在阅读上述说明书时可想到的未在现有技术内的变型和修改。以引用方式并入本专利申请的文献被视为本申请的整体部分，但是如果这些并入的文献中限定的任何术语与本说明书中明确或隐含地给出的定义相冲突，则应只考虑本说明书中的定义。