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CN106963479A - 使用门控的超声和力测量的组织深度估计 - Google Patents

使用门控的超声和力测量的组织深度估计 Download PDF

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CN106963479A CN201710019728.2A CN201710019728A CN106963479A CN 106963479 A CN106963479 A CN 106963479A CN 201710019728 A CN201710019728 A CN 201710019728A CN 106963479 A CN106963479 A CN 106963479A
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Abstract

本发明题为“使用门控的超声和力测量的组织深度估计”。本发明提供了一种用于估计组织的厚度的方法，该方法包括接收多个测量，每个测量指示(i)施加至组织的相应机械压力，以及(ii)在有相应机械压力的情况下穿过组织的超声波的一个或多个往返传播时间。选择一组测量，其具有落在机械压力值的指定部分子范围内的机械压力。基于所选择的一组测量中的往返传播时间来估计组织的厚度。

Description

使用门控的超声和力测量的组织深度估计
技术领域
本发明整体涉及使用超声波的组织测量，并且具体涉及使用超声探头和力测量来估计组织深度。
背景技术
超声技术在用于测量组织深度的导管中有所使用。下面提供现有技术的示例。
公开内容以引用方式并入本文的美国专利8,628,473描述了具有声监测的消融导管，该消融导管包括细长导管主体。邻近远侧端部设置的远侧构件，并且该远侧构件包括消融元件以在导管主体之外的目标区域处消融生物部分。一个或多个声换能器，每个声换能器被配置成将声束朝着相应的目标消融区域引导，并接收来自该目标消融区域的反射回波。
美国专利申请公布2011/0144491描述了在医疗插入装置(MID)中使用的可操作的声换能器组件，该专利的公开内容以引用方式并入本文。在实施方案中，组件旨在响应于感测或检测到的力或施加在MID上的负载的声信号。可操作的声换能器组件包括开关阵列和多个定向的声换能器元件。开关阵列响应于力或负载并激活最靠近力或负载的来源的定向声换能器元件。开关阵列可包括多个开关，其中的至少一个开关响应于力或负载并且可激活在视野中具有目标组织的定向声换能器元件。
美国专利申请公布2011/0028848描述了用于测量组织表面(诸如不同类型组织之间的界面或组织与体液之间的界面)的空间位置的装置，该专利的公开内容以引用方式并入本文。该装置包括细长导管主体，该细长导管主体具有远端部分、由远端部分承载的多个定位元件和由远端部分承载的至少一个脉冲回波声元件。
美国专利8,545,408描述了包括导管的消融系统，该导管包括设置在远侧部分中并被布置成发出和接收声束的脉冲回波超声换能器，该专利的公开内容以引用方式并入本文。换能器发出和接收声脉冲以向换能器提供检测到的关于被消融的目标组织区域的信息。旋转机构围绕导管的纵向轴线旋转至少远侧部分。控制和界面系统处理换能器检测到的信息，并通过用户界面和/或待用于控制消融的控制和界面系统向使用者提供反馈。
以引用方式并入本专利申请的文献将视为本专利申请的整体部分，但不包括在这些并入的文献中以与本说明书中明确或隐含地给出的定义相冲突的方式定义的任何术语，而只应考虑本说明书中的定义。
发明内容
本文所述的本发明实施方案提供了一种用于估计组织的厚度的方法。该方法包括接收多个测量，每个测量指示(i)施加至组织的相应机械压力，以及(ii)在有相应机械压力的情况下穿过组织的超声波的一个或多个往返传播时间。选择一组测量，其具有落在机械压力值的指定部分子范围内的机械压力，并基于所选择的一组测量中的往返传播时间来估计组织的厚度。
在一些实施方案中，选择组包括分析机械压力值的两个或多于两个子范围中的机械压力值的稳定性水平，并且选择落在具有最佳稳定性水平的子范围内的测量。在其它实施方案中，指定部分子范围包括接近零机械压力。在另一些其它实施方案中，选择组包括确定其中机械压力值落在所选择的子范围内的一个或多个时间段，并且选择在该时间段期间所采集的测量。
在实施方案中，估计厚度包括过滤掉在该时间段内、落在预定义的往返极限之外的往返传播时间。在另一个实施方案中，估计厚度包括分析该时间段中的往返传播时间的重复性。在另一个实施方案中，接收多个测量包括接收从一个测量到另一个测量变化的机械压力的测量。
根据本发明的实施方案，另外提供了用于估计组织的厚度的系统。该系统包括界面和处理器。界面被配置成接收多个测量，每个测量指示(i)施加至组织的相应机械压力，以及(ii)在有相应机械压力的情况下穿过组织的超声波的一个或多个往返传播时间。处理器被配置成选择一组测量，其具有落在机械压力值的指定部分子范围内的机械压力，并且处理器被配置成基于所选择的一组测量中的往返传播时间来估计组织的厚度。
结合附图，通过以下对本发明实施方案的详细说明，将更全面地理解本公开，其中：
附图说明
图1为根据本发明实施方案的导管插入系统的示意性图解；
图2为根据本发明实施方案的与被评估的组织接触的导管的远侧端部的示意性图解；
图3为示出根据本发明实施方案的施加至导管末端的力与从组织界面反射的超声信号的对应往返传播时间之间的相关性的图；并且
图4为示意性地示出根据本发明实施方案的使用超声和力测量来确定组织厚度的方法的流程图。
具体实施方式
概述
组织深度的测量在多种治疗和诊断医学规程中有所使用。例如，为了精确地消融，了解组织深度对于设定消融参数诸如消融持续时间和功率非常重要。
微创测量技术诸如超声(US)技术可使用导管而被应用。US换能器联接至问题组织，传输US脉冲穿过组织并检测从组织界面反射回来的回波脉冲。测量发送US脉冲和接收来自组织中的界面的回波脉冲之间的传播延迟的飞行时间(TOF)技术可被用于估计组织的深度。因为超声脉冲的传播速率是已知的，US系统可通过从所测量的TOF(对于单程传播延迟，除以2)推断厚度，来估计问题组织的深度(或厚度)。
器官通常包括由相应界面隔开的多个组织。一些US脉冲可穿过并穿出问题组织传播并且可从更深的组织的界面反射回来。此类反射可干扰对从问题组织的界面反射回来的脉冲的检测。US系统必须过滤不相关的返回脉冲，并且仅根据从问题组织的界面反射的脉冲估计厚度。此外，US系统必须过滤掉对应于超出深度范围(例如，预计深度范围为1-2cm的组织具有10cm深度)的TOF值，以向使用者(例如，内科医生)提供问题组织的精确深度估计。
本文所述的本发明的实施方案提供了用于使用US和力测量来估计组织深度的改进技术。在一些实施方案中，用于估计组织厚度的系统包括机械压力传感器和US换能器。该传感器被配置成测量由导管施加至组织的机械压力。压力通常随时间推移而变化，例如，随时间推移周期性地变化。换能器被配置成在有相应机械压力的情况下传输穿过组织的US脉冲，并接收穿过问题组织并返回至换能器的波。
在一些实施方案中，系统包括处理器，该处理器被配置成接收机械压力的值和从组织界面反射的US波的往返传播延迟的值(例如，TOF)，并使用这些测量来估计组织厚度。
具体地讲，本发明人已经发现，如果由值较小的机械压力值的窄子范围(例如，接近零机械压力值的窄子范围)中的机械压力门控，则组织厚度估计更稳定并且更可靠。因此，在一些实施方案中，处理器选择压力测量的子范围，并且仅使用落在该子范围内的TOF值来估计问题组织的厚度。
换句话讲，处理器仅使用在机械压力落入所选择的压力值的窄子范围内时采集到的TOF值来估计组织厚度。在一些实施方案中，可自适应地(手动地，或者通过处理器自动地)重新选择压力值的子范围，直到获得稳定的TOF测量。
系统说明
图1为根据本发明实施方案的导管插入系统10的示意性图解。系统10包括导管14，该导管由内科医生16插入患者11的血管系统进入心脏12的腔室或血管结构中，如插图15所示。内科医生使导管的远侧末端45在例如消融目标部位处与心脏壁接触。一种包括系统10的元件的商品可以3系统得自Biosense Webster,Inc.,3333 Diamond CanyonRoad,Diamond Bar,CA 91765。此系统可由本领域的技术人员进行修改以实施本文所述的本发明的原理。
可以通过向心肌施加热能对例如通过评估电激活图而确定为异常的区域进行消融，例如，通过使射频(RF)电流穿过导管中的线传输至远侧末端45处的一个或多个电极。可根据公开于美国专利6,226,542和6,301,496中和公开于共同转让的美国专利6,892,091中的方法来制备电激活图，这些专利的公开内容以引用方式并入本文。
消融能量在组织中被吸收，从而将该组织加热至组织永久性地失去其电兴奋性的点(通常高于60℃)。在手术成功后，此手术在心脏组织中形成非传导性消融灶，该非传导性消融灶中断导致心律失常的异常电通路。本发明所公开的技术的原理可应用到心脏的其它区域，以便诊断和治疗心律失常。
导管14包括柄部20，在柄部上具有合适的控件，以使内科医生16能够按消融手术所需对导管的远侧端部进行操纵、定位和取向。远侧末端45包括位置传感器(未示出)，该位置传感器向包括在控制台24中的处理器22传输信号。
控制台24还包括一个或多个消融功率发生器25，该消融功率发生器被配置成分别向心脏12传输消融能量并传输来自心脏12的电信号。参考插图17，发生器25通过缆线34和位于或靠近远侧末端45的一个或多个消融电极32将消融能量传输到心脏12中。导管14的远侧端部还包括感测电极33，该感测电极被配置成感测来自心脏12的电信号并将该信号通过缆线38传输至处理器22。
系统10还包括被配置成连接控制台24和体表电极30以及用于测量导管14的位置坐标和取向坐标的定位子系统的其它部件的线连接件35。电极32和体表电极30可用于在消融位点处测量组织阻抗，如授予Govari等人的美国专利7,536,218中所提出的那样，该专利以引用方式并入本文。在一些实施方案中，温度传感器(未示出)，通常为热电偶或热敏电阻器，安装在每个电极32上或电极附近。
导管14可被适配为利用例如，RF能量、超声能量和激光产生的光能的任何已知的消融技术，来将消融能量传导至心脏。共同转让的美国专利6,814,733、6,997,924和7,156,816中公开了此类方法，所述专利以引用方式并入本文。
在实施方案中，定位子系统包括磁定位跟踪装置，该磁定位跟踪装置被配置成利用磁场生成线圈28通过在预定义的工作体积中生成磁场并在导管处感测这些磁场来确定导管14的位置和取向。定位子系统在例如以引用方式并入本文的美国专利7,756,576以及上述美国专利7,536,218中有所描述。
处理器22包括通常接收、放大、过滤和数字化来自导管14的信号的信号处理电路(未示出)。此类传感器包括例如由传感器诸如电传感器、温度传感器和接触力传感器生成的信号，以及位于导管14远侧的多个位置感测电极(未示出)。数字化信号由控制台24和定位系统接收，并用于计算导管14的位置和取向以及分析电信号。
在一些实施方案中，处理器22还包括电解剖标测图发生器、图像对准程序、图像或数据分析程序和被配置成在显示器29上呈现图形信息的图形用户界面。
处理器22通常包括通用处理器，该通用处理器通过软件编程来执行本文所述的功能。软件可以电子形式经网络下载到计算机，例如，另选地或另外地，或者软件可以被提供和/或存储在非临时性有形介质上，诸如磁性存储器、光学存储器或电子存储器。
系统10通常包括为简明起见而未示出于附图中的附加元件。例如，系统10可包括心电图(ECG)监视器，其被联接以接收来自一个或多个体表电极的信号，以便向控制台24提供ECG同步信号。系统10还可包括基准位置传感器，该基准位置传感器位于附接至受检者的身体外部的外部施用基准贴片上，或位于插入心脏12中且相对于心脏12保持在固定位置的内部放置导管上。
提供了用于使液体循环穿过导管14以冷却消融位点的常规泵和管线。系统10还可接收来自诸如磁共振成像(MRI)单元的外部成像模态的图像数据，并且可包括图像处理器，该图像处理器可结合在处理器22中或由该处理器22调用以生成并显示图像。
估计组织的厚度
医学规程可能需要对组织厚度进行估计。在微创手术诸如组织消融的情况下，导管14可包括超声(US)换能器。在手术期间，使导管与问题组织接触。换能器传输行进穿过组织以及穿过相应器官中的周围组织的US脉冲。
一些脉冲撞击在器官的某部分(例如，问题组织和其它组织)上并作为返回脉冲反射回换能器。因此，与问题组织的估计厚度不相关的一些返回脉冲可从器官中的区域返回至换能器。在估计中使用此类不相关的返回脉冲可引起错误的厚度估计，并且可由于对消融相应组织的参数的错误设置而使患者的安全或治疗效果面临危险。仅采集和选择与组织厚度的估计相关的返回脉冲的技术对实现问题组织的精确估计非常重要。
图2为根据本发明实施方案的与被评估的组织39接触的导管37的远侧末端45的示意性图解。导管37可用于实现图1所示的导管14，在这种情况下，组织39包括心脏12的壁的一部分。导管37包括超声换能器41，该超声换能器被配置成产生穿过组织39的超声波。导管37还包括设置在远侧末端45处或其附近的接触力传感器43。
在心跳期间，当血液被泵进/出心脏12的相应腔时，组织39的表面49通常在方向47上上移/下移。在一些实施方案中，末端45保持静止并且基本上垂直于表面49，使得在心跳期间，力传感器43测量响应于心跳的周期性力。当血液被泵进心脏12的相应腔中时，腔膨胀并且传感器43测量高力。当血液从腔泵出时，所测量的力接近于零。
在其它实施方案中，导管37在方向47上往复运动，从而压缩和解压缩组织39的至少位于末端45正下方的区域。导管37的运动可以1-10Hz的频率发生并且以足以将组织39压缩0.3-0.5mm和多达5mm的力执行。导管37的往复运动可由机械致动器51驱动。
在手术期间，换能器41产生从上表面49朝着下表面穿过组织39的超声脉冲53，该下表面代表组织界面55，该组织界面为组织39的相对表面。脉冲53被反射为脉冲57并向上行进至末端45的表面。在有相应机械压力的情况下穿过组织的超声脉冲的往返传播时间代表飞行时间(TOF)。基于超声脉冲在组织中的已知速度，处理器22可将飞行时间转化为组织39的所测量的深度或厚度。
在实施方案中，反射的实际飞行时间范围可根据导管37所在的腔来界定，以提高厚度估计的灵敏度。例如，右心房的反射的可能飞行时间范围往往对应于0.25-7mm的组织厚度并且显著小于超声换能器的全范围或评估左心室所需的范围。在左心室中，反射的可能飞行时间范围将通常对应于2-20mm的组织厚度。
用于接触力传感器43的合适传感器在例如以引用方式并入本文的美国专利申请公布2012/0259194和2014/0100563中有所描述。
换能器41可为在运作模式(M模式)中以10MHz的典型速率发出超声脉冲53的已知单晶类型。组织39可为心室的壁，并且组织界面55上覆心外膜。脉冲53,57的飞行时间随着末端45接近组织界面55和从该组织界面撤回而变化。
其它反射也可被换能器41检测到。这些反射在图2中由反射界面59,61举例说明。分别与界面59,61相关联的飞行时间的变化与所测量的接触力以及导管37的运动的相关性不如与界面55相关联的飞行时间的相关性。界面55可在候选反射中被识别为具有与导管37中的接触力测量具有最高相关性的飞行时间。
如图1和图2所示的TOF和接触力测量的其它方面在2014年12月30号提交的美国专利申请14/585,788中有所论述，该专利的公开内容以引用方式并入本文。
图3为示出根据本发明实施方案的施加至导管末端45的机械力与从组织界面反射的超声描记线65,67和69的对应往返传播时间之间的相关性的一组图。描记线63表示根据传感器43测量的机械压力(也称为接触力)。描记线65,67和69分别表示与组织界面55,59和61(图2)相关联的飞行时间。通过检验显而易见的是，描记线65的形态与描记线63的形态高度相关，而描记线67,69看起来与描记线63不相关。
相关性可由处理器22例如使用诸如授予Govari等人的美国专利申请14/585,788(提交于2014年12月30日)所示的相关性式确认，该专利以引用方式并入本文。通常，该计算应用于描记线的最后两秒。然而，此间隔并不重要。基于该相关性，可从描记线65推断组织界面55很可能对应于组织39的远壁(即，界面55)。
参考插图66，在一些实施方案中，处理器22设置控制上限(UCL)62A和控制下限(LCL)62B以确定描记线63所示的力(即，机械压力)测量的部分子范围。通常，子组的值和范围经选择以提供稳定和重复的力的读数和TOF值。在图3的示例中，描记线63在诸如时间段68,70,72和74的多个单独时间段采集，在其中力值落入力的部分子范围内。
本发明人已发现，如果由窄子范围(例如，在邻近零机械压力的窄子范围)中的机械压力门控，则组织厚度的估计更稳定并且更可靠。
在一些实施方案中，描记线65在时间段68,70,72和74内被检测，在该时间段飞行时间(即，往返传播时间)值被视为是稳定的。在一些情况下，仅可将被视为稳定的TOF测量的子组用于估计组织的厚度。
另外，描记线65的图在所选择的时间段中是重复的。例如，仅描记线65在时间段68和70内的落在极限64A和64B之间的飞行时间值被认为是足够稳定的，并且可用于估计组织39的厚度。另一方面，落在极限64A和64B之外的时间段68,70,72和74内的描记线65的任何TOF值被过滤掉并且不用于估计组织39的厚度。
在另一些其它实施方案中，如果时间段68,70,72和74内的很大一部分飞行时间值落在极限64A和64B之外，则处理器22更新极限62A和62B的值用于选择力测量的不同部分子组。
在实施方案中，TOF测量的整个组可落在压力测量的子范围内，并且可因此被用于估计组织的厚度。然而，通常仅相对小的一部分TOF测量落在压力测量的指定子范围内。
图4为示意性地示出根据本发明实施方案的使用超声和力测量来确定组织39的厚度的方法的流程图。该方法在导管插入步骤100处开始，其中内科医生16将导管14的远侧端部插入患者的心脏中，该远侧端部包括接触力传感器43和US换能器41。
在激活步骤102时，内科医生16引导导管14，使得末端45与组织39接触，并激活力传感器43和US换能器41。当激活时，换能器41发送US脉冲穿过组织并接收由组织界面反射的至少一些脉冲。在采集步骤104处，导管14获取来自传感器43的接触力测量和对应于由换能器41接收的反射脉冲的飞行时间的测量，并通过缆线38向处理器22传输信号。
在关联步骤105处，处理器22预选择与接触力测量关联最好的飞行时间测量。例如，参考上方的图3，处理器22可选择从组织界面55反射的描记线65的飞行时间测量。弃用分别从组织界面61和59反射的描记线67和69的飞行时间测量。
在截割选择步骤106处，在一个实施方案中，内科医生16指定力值的子范围(也称为截割)，该子范围包括力测量的部分子组。在另选的实施方案中，处理器22分析所采集的力值并自动指定相应的子范围，诸如极限62A和62B之间的范围。
在飞行时间选择步骤108中，处理器22选择时间段(例如，时间段68,70,72和74)，其中所测量的力值落在指定子范围内，例如，极限62A和62B之间。处理器22选择对应的飞行时间值并分析一个或多个时间段(例如，时间段68,70,72和74)内的TOF值的重复性和稳定性水平。
在决定步骤110处，处理器22检查所选择的TOF值对于得到组织39的厚度的精确估计是否是足够稳定和可重复的。在实施方案中，处理器22可比较在两个或多于两个时间段(例如，时间段68和70之间)内的TOF值的统计分布，用于估计TOF值的重复性水平。在另一个实施方案中，处理器22可使用落在压力测量的子范围内的整组TOF值，用于估计组织39的厚度。
在另一个实施方案中，处理器22设置极限64A和64B并检查是否任何所选择的TOF值落在极限64A和64B之外。
在一些实施方案中，当处理器22检测到时间段中的TOF值不够稳定时，方法循环回到用来选择不同截割段的截割选择步骤106。在其它实施方案中，处理器22可过滤掉落在极限64A和64B之外的TOF值，并使用剩余的TOF值来估计组织深度。过滤后的值通常包括极少部分的(例如，少于给定部分)在该时间段内落在极限64A和64B之外的TOF值。
在一些情况下，很大一部分(例如，大部分)对应于一个或多个时间段(例如，时间段70)的测量可包括异常数据，例如，当换能器41临时非正交地定位到表面49时。在另一些其它实施方案中，处理器22可在屏幕29上显示这些异常值的分析，可能连同有对内科医生16的询问：是否过滤掉异常值或采取其它操作，诸如在步骤106处选择不同的截割段。
如果处理器确定该时间段内的TOF值足够稳定，则处理器在组织厚度估计步骤112处使用相应的TOF值来估计组织39的厚度，并在显示器29上显示所估计的厚度结果。在参数设置步骤114中，内科医生16使用所估计的厚度来设置医疗过程所需的一个或多个参数(例如，消融参数)。如果内科医生16对所估计的厚度不满意，他或她可例如通过相对于组织39重新定位导管而返回到采集步骤104。在另一个实施方案中，内科医生可回到截割选择步骤106，以便通过更新极限62A和62B来选择其它截割段。
图1至图4以举例的方式示出用于估计包括在心脏12中的组织39的深度或厚度的系统和过程。然而，本文所述的技术可利用微创设备或以涉及估计组织的深度或厚度的任何其它合适的医疗过程或技术而用于患者11的任何其它器官。
此外，本文所述的时间段选择标准和应用于TOF值的过滤技术以举例的方式给出，并且也可使用其它合适的技术。上述信号采集技术不限于超声过程，并且可包括与以下过程相关联的任何合适的技术：使导管与问题组织极为接近或直接接触。
应当理解，上述实施方案以举例的方式引用，并且本发明并不限于上文具体示出与描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述各种特征的组合与子组合，以及本领域技术人员在阅读上述说明时会想到且未在现有技术中公开的其变型和修改。

Claims (14)

1.一种用于估计组织的厚度的方法，所述方法包括：
接收多个测量，每个测量指示(i)施加至所述组织的相应机械压力，以及(ii)在有所述相应机械压力的情况下穿过所述组织的超声波的一个或多个往返传播时间；
选择一组所述测量，其具有落在机械压力值的指定部分子范围内的机械压力；以及
基于所选择的一组所述测量中的所述往返传播时间来估计所述组织的所述厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中选择所述组包括分析所述机械压力值的两个或多于两个子范围中的所述机械压力值的稳定性水平，并且选择落在具有最佳稳定性水平的所述子范围内的所述测量。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述指定部分子范围包括接近零机械压力。
4.根据权利要求1所述的方法，其中选择所述组包括确定其中所述机械压力值落在所选择的子范围内的一个或多个时间段，并且选择在所述时间段期间所采集的所述测量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中估计所述厚度包括过滤掉在所述时间段内的、落在预定义的往返极限之外的往返传播时间。
6.根据权利要求4所述的方法，其中估计所述厚度包括分析所述时间段中的所述往返传播时间的重复性。
7.根据权利要求1所述的方法，其中接收所述多个测量包括接收从一个测量到另一个测量变化的机械压力的测量。
8.一种用于估计组织的厚度的系统，包括：
界面，所述界面被配置成接收多个测量，每个测量指示(i)施加至所述组织的相应机械压力，以及(ii)在有所述相应机械压力的情况下穿过所述组织的超声波的一个或多个往返传播时间；和
处理器，所述处理器被配置成选择一组所述测量，其具有落在机械压力值的指定部分子范围内的机械压力，并且所述处理器被配置成基于所选择的一组所述测量中的所述往返传播时间来估计所述组织的所述厚度。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器被配置成分析所述机械压力值的两个或多于两个子范围中的所述机械压力值的稳定性水平并且选择落在具有最佳稳定性水平的所述子范围内的所述测量。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述指定部分子范围包括接近零机械压力。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器被配置成确定其中所述机械压力值落在所选择的子范围内的一个或多个时间段并且分析在所确定的时间段期间所采集的所述测量。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述处理器被配置成过滤掉在所述时间段内的、落在预定义的往返极限之外的往返传播时间。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述处理器被配置成分析所述时间段中的所述往返传播时间的重复性。
14.根据权利要求8所述的系统，其中所述界面被配置成接收从一个测量到另一个测量变化的机械压力的测量。
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