用于可视化电生理数据的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明整体涉及患者的电活动的可视化，并且更具体地涉及通过导管检测的患者 的电生理数据的空间可视化。
【背景技术】
[0002] 在美国，心律失常为死亡的主要原因。通常，电采集信号以有序方式传导穿过心房 并且进入心室内，从而在每个心搏周期中经过心脏中的每个点仅一次。心脏中的不同位置 处的电采集信号具有良好的相关性，其中考虑到从心脏的一个区域到另一区域的正常传播 延迟。响应于局部激活信号，心房肌纤维适当同步地收缩以将血栗送穿过心房。
[0003] 心脏的电传导系统提供心肌的收缩节律或序列，因此其可将血最有效地栗送到身 体的其余部位。电生理学家研究传导系统以诊断和治疗异常的心律(称为心律失常）。希望 提供下述方法和设备，所述方法和设备辅助医师来诊断异常的心律以及计量通过消融疗法 治疗这些心律失常的成功性。
[0004] 尽管完全理解心电生理领域的全部细节并不重要，但理解本发明的有益效果的确 需要心脏电传导系统如何工作和这些心律失常中的一些如何被治疗的基本理解。
[0005] 心脏组织在其涉及到心脏的电传导系统时具有若干重要的特性。首先，心肌细胞 可接收电刺激。接下来，其可响应于这种刺激或者可激活。就心肌细胞而言，它们收缩，由此 导致心脏压缩并且栗送血液。在电学方面，这种活动称为去极化。其为细胞中的化学过程。 一旦去极化，细胞就需要时间(若干毫秒)来恢复。在这种去极化阶段期间，细胞据称是不应 的，这意味着其还未完全恢复并且仍不能接收另一个刺激。最后，心肌细胞可传播该电信 号；即，一旦被刺激，它们就可继而刺激紧邻它们的细胞。因此，心肌细胞从初始刺激点、向 外传播、穿过心脏腔室而被连续地激活。刚被刺激的细胞的不应性阻止去极化波向后运动； 因此该波以有序的方式继续向前穿过心脏组织或心脏腔室壁。"投石问路"类比通常用于描 述这种情况;波纹从单个刺激点以有序的方式向外运动。基于这种情况，需注意，在心脏中， 一些解剖结构(例如，心脏瓣膜孔和血管口）将形成去极化波传播的障碍。另外，源于心脏手 术或受损心肌的疤痕也不传导，并且波必须也绕过这些疤痕的外边缘才能前行。在投石问 路实例中，可将疤痕和心脏瓣膜想象为从池塘表面突起的大岩石;波纹绕过它们传播并且 在另一侧汇合。正常心脏中的这种刺激点由具有称为自动节律性的附加特性的心肌细胞构 成。这些细胞的化学构成允许它们刺激自身，由此启动去极化波，并且随后以特定的节律反 复地刺激自身。正常的心肌细胞不具有这种特性，因此一旦复极化并且准备好，它们每次必 须仅等待以被再刺激。这种连续的去极化和复极化保持心脏以规则的心率跳动，所述心率 被调节以满足身体的氧气需求。
[0006] 在更宏观的意义上，心脏自身具有允许其去极化和收缩以按照有序且有效的方式 栗送血液的一些特征。如图1所示，具有正常电通路(NEP)的正常心跳开始于右心房顶部附 近的窦房结(其为包括具有自动节律性的那些细胞的SA结)并且传播穿过整个右心房和左 心房，由此导致它们收缩并且利用血液填充心室（心脏中的一系列单向瓣膜阻止血液向后 流动）。上部和下部腔室由房室隔分开，所述房室隔由不传导电信号的膜组织构成。因此，在 正常心脏中，去极化波不能简单地继续从心房直接前进到心室。这由连接它们的一个电通 道处的组织来调节。此心肌细胞集合(称为AV结)具有使其延迟去极化从而允许心房完全收 缩的附加特性。其随后将电信号直接发送到心室尖部，其中穿过心室的去极化波导致有效 的收缩，从而将血液发送到肺和身体的其余部位。心房和心室去极化之间的延迟导致心脏 的分离的"卩冬-嗒、卩冬-嗒（lub-Dup，lub-Dup)"声音。
[0007] 电生理学家利用布置在心脏中的各个位置处的电极头导管来研究其电传导系统， 以便诊断心律失常。他们通常使用公认的方法。导管为内部具有导线的长细塑料管，所述导 线在远侧端部处连接到一系列均一间隔开的电极或者更通常的是电极对，所述电极用于记 录心脏中的离散位置处的局部激活。当接触心脏壁时，一对彼此靠近的电极将仅测量此小 块组织处的电活动。记录系统处理这些电描记图，将它们实时地显示在监视器上，并且还允 许用户冻结和查看它们。这允许用户测量并且比较在一个时刻得自各个位置的全部电描记 图的计时差，以便导出当前激活序列并且作出诊断。
[0008] 通常具有五个或十个电极对的多极点导管尤其有助于分析穿过特定组织块的去 极化波。当此类导管紧靠心内膜(心脏的内壁)定位以使其沿着激活波进行取向时，从一端 到另一端(远端到近端或者近端到远端）的激活延迟将导致倾斜的电激活图案。在图2A中， 去极化波首先穿过此导管的极点1 -2。若干毫秒之后，其穿过电极(或"极点"）3-4，随后穿过 5-6,依次类推，直至到达其最后穿过的极点19-20。在此导管上，极点1-2据称是"最早的"， 并且极点19-20据称是"最晚的"。图2B示出了所得的电描记图。对于每个心跳或心搏周期， 极点1 _2的电描记图在时间线上为最早的，极点2_3向后偏移若干晕秒，并且极点19-20为最 晚的。相似地，应当理解，沿另一方向运动的去极化波首先穿过极点19-20,之后穿过极点 17-18、15-16,依次类推，直至到达极点1-2,其中极点19-20为最早的，并且极点1-2为最晚 的，视觉图案将由以另一方式倾斜的电描记图形成。稍后讨论的标测系统将电激活计时以 色标描述为图形表示，其中红色表示较早的激活并且紫色表示较晚的激活。
[0009] 然而，当多极点导管横向于激活波进行取向时，或者如果存在两个相交的激活波， 电描记图将对它们具有凸形或凹形视觉图案。在图3A中，波首先同时穿过远侧极点1-2和近 侦贩点19-20,并且最后穿过中部的极点9-10和11-12。图3B中的电描记图反映出这种情况 并且形成凹形视觉图案。相似地，在其中极点9_10和11-12首先被穿过并且极点1_2和19-20 最后被穿过的相反情况下，所得电描记图的视觉图案将显示出凸形曲线，如图3C所示，其中 极点9 -10和11-12在前并且极点1 _2和19_20在后。
[0010] 另外，还存在日益增多种类的可用的专用电极导管。它们可产生较复杂并且因此 难以单独通过电描记图图案来解释的电描记图图案，如图4A和4B所示。
[0011] 在实施过程中，使用电描记图诊断心律失常需要心脏解剖结构的综合理解以及导 管在心脏腔室中的当前方位的清楚知识。如果医师将导管布置在不同于其想象的位置，或 者如果导管在布置在正确位置之后移动，则由导管的电描记图提供的信息将为不准确的， 由此导致延误诊断或者得到甚至错过的或不正确的诊断。
[0012] -般来讲，心律失常可被广义地分类为局部的、折返的或紊乱的。局部心律失常具 有单个源点。远离SA结的小组心肌细胞已获得自动节律性特性并且以快速率去极化。由于 它们以快于SA结的速率激活，则此处的细胞并不独立地去极化;SA结为"受抑制"的。房性心 动过速为这种情况的实例。用于这种类型的心律失常的治疗目标是定位独立去极化的此组 细胞并且递送局部RF能量(经由定位在此位点处的消融导管的末端）以"消融"或破坏它们。
[0013] 相比之下，折返性心律失常不具有单个源点。去极化、复极化和不应性的特性可允 许下述情况，其中驱动激活模式形成围绕中立非传导结构(例如，心脏瓣膜或外科疤痕）的 环。一旦被引发，去极化波就使其沿着圆顺时针或逆时针地环绕中立结构。尽管去极化波因 其形成先前环而返回到已刚激活的组织，但该组织现在已超过其不应期并且准备被再次刺 激，在这种情况下被返回波刺激。心律失常以此方式持续进行，无限期地绕圈。心房扑动例 如为围绕右心房中的三尖瓣旋转的极其常见的折返性心律失常。对于折返的治疗策略是消 融从环中心内的中立结构到中立结构附近的另一个结构的组织线（同样，通过消融导管）， 由此产生破坏心律失常的非传导病灶或"阻断线"。
[0014] 尽管由定位导管提供的电描记图有助于诊断心律失常，但通常需要更加精确的信 息以完全理解异常的激活模式并且将适当的区域用于作出诊断之后开始的研究的治疗阶 段。在许多情况下，需要一个或多个心脏腔室的大部分或全部心内膜表面上的电描记图的 详细取样。
[0015] 电解剖标测系统已被开发以（1)将心内膜解剖结构清晰地限定为3D虚拟模型，（2) 记录并且按目录分类取样的电描记图，（3)显示从记录于虚拟模型上的电描记图编译的激 活序列（或其他数据），（4)通过将电极导管的精确表示投影到虚拟环境中来实时地跟踪并 且显示电极导管在心脏中的当前位置，并且(5)记录感兴趣位点的精确位置，例如，已施用 RF能量的部位。
[0016] 在标测之后进行消融的此两步过程中，通常通过将容纳一个或多个电传感器的导 管推进到心脏内并采集多个点处的数据来感测并测量电活动。然后利用这些数据来选择将 要进行消融的目标区域。
[0017]心脏或其区域的标测通常涉及利用具有末端和近侧电极的标测导管来记录感兴 趣区域中的电活动。沿着心内膜的壁移动导管，在此期间记录精确位置及其相应的电描记 图。通过采集新点，实时地产生或形成三维解剖标测图。
[0018] 利用记录的电描记图，相对于身体表面ECG或固定的参考导管来计算局部激活时 间（LAT)。每个点的LAT为标测导管的局部电描记图的起点与参考信号之间的间隔。重要的 是，因为点是在具有相同周期长度的同一心律期间采集的，并且因为参考导管或电描记图 总是保持固定，则取样位置和时间的累积数可实时地编译以精确地描述一个心搏周期或心 跳的激活序列。LAT以颜色来描述一红色表示目前记录的最早激活，紫色表示最晚激活一 并且被应用到感兴趣区域的解剖标测图以产生激活或LAT标测图。每个新采集或"点"更新 标测图，直至提供激活序列的完整或至少足够的理解。
[0019] 图5示出了被添加到标测图的一系列新LAT。需注意，在此实例中已限定解剖结构 并且当记录新数据时更新颜色。最后图像示出单个局部激活位点已位于腔室的顶部附近。 心房扑动的取样完成的LAT标测图示于图7A中。红色至紫色图案形成围绕三尖瓣环（由绿色 边界圈出）的顺时针环，所述三尖瓣环已从标测图中切除。在此实例中，还观察到以白色示 出的标测/消融导管、以深绿色示出的两个附加电极、和被示为棕色的消融位点。
[0020] 另外，完成的LAT标测图可被可视化为"传播标测图"，其中标测图上的激活序列由 标测系统作为动画来播放，由此在其每次重复时示出电激活在整个标测的感兴趣区域上的 扩展或传播。这可为极其有益的、动态的替代形式，以在视觉上符合围绕静态LAT标测图的 激活的彩虹色标，在所述静态LAT标测图中极微小的、然而可能重要的色调变化可被略过。 图6示出了得自图5所示的局部激活序列的传播标测图动画的一系列截屏。在该动画中，红 色去极化波在以蓝色示出的整个腔室上随时间而移动。一般来讲，动画不断地循环，因此波 可在其播过时被再次研究。
[0021] 在标测阶段，可根据电生理学家的需要和期望来选择各个参数并且设定阈值。例 如，选择用于指定标测导管上的激活时间的"感兴趣窗口"（W0I)。这为相对于固定位置中的 导管的电描记图或者已被选择为"计时参考"的身体表面的时间间隔。采集仅落在此窗口内 的这些激活时间。因此，W0I用于将所选择的被测量的电描记图限于仅当前心跳或心搏周期 的电描记图。过宽的W0I可包括下一个或上一个周期。W0I还可用于某些情况