DE60125115T2

DE60125115T2 - Verfahren und Gerät zur Charakterisierung von Herzgewebe mittels der lokalen Elektrogramme

Info

Publication number: DE60125115T2
Application number: DE60125115T
Authority: DE
Inventors: Armin Palo Alto Schwartzman; Daniel Reisfeld
Original assignee: Biosense Inc
Current assignee: Biosense Webster Inc
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2021-09-22
Also published as: AU781902B2; HK1042840A1; JP5054873B2; DE60125115D1; JP2002172097A; EP1190671A2; US20020151808A1; CA2357729C; IL145517A0; KR20020023656A; CA2357729A1; AU7607501A; IL145517A; US6725085B2; HK1042840B; ES2278694T3; EP1190671B1; EP1190671A3

Description

GEBIET UND HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Vorrichtung zum Kennzeichnen einer Eigenschaft von Herzgewebe, insbesondere dem ischämischen Zustand von Herzgewebe, aus lokalen Elektrogrammen gerichtet.
Patienten mit Ischämie sind oftmals in Ruhe symptomfrei, erfahren jedoch unter Belastung Symptome. Gegenwärtig liegt eine Anzahl von Techniken zum Diagnostizieren von Ischämie in Herzgewebe vor. Eine solche Technik ist die Elektrokardiographie unter Belastung (Belastungs-EKG), bei der das Elektrokardiogramm gemessen wird, während der Patient sich körperlich bewegt. Andere Techniken zum Erfassen von Ischämie umfassen die Echokardiographie und Kernabbildung. Beide diese Techniken können auch durchgeführt werden, während der Patient unter Belastung ist, die entweder physikalisch oder pharmakologisch mit Mitteln, so wie Dubotamin, hervorgerufen werden kann. Ein Technik zum Diagnostizieren von chronischer Ischämie in Patienten rein aus lokalen Elektrogrammen, die erstellt werden, wenn der Patient in Ruhe ist, hat es bisher nicht gegeben. Weiterhin, obwohl einige der obengenannten Techniken verwendet werden können, um Ischämie auf der Bereichsebene zu diagnostizieren, lassen sie die Ischämie mit punktartiger Genauigkeit nicht erkennen.
Das US-Patent 5 967 995 offenbart ein Verfahren zum Vorhersagen lebensbedrohender Herzarrhythmien durch Sammeln elektrokardiographischer Daten, mathematisches Zerlegen des Signals in mehrere Elemente oder Komponenten, die die wichtigste Information enthalten, und Verfolgen der Änderungen in den mehreren Elementen. Das Verfahren des Patentes '995 erlaubt nicht die Bewertung und Diagnose eines Patienten ohne zeitabhängige historische Daten. Weiterhin lehrt das Patent '995 nicht oder schlägt nicht die Möglichkeit des Diagnostizierens des lokalen ischämischen Zustandes von Gewebe aus lokalen Elektrogrammen vor.
In der WO 96/32897 ist eine Vorrichtung für die Abbildung des Herzens offenbart.
In der WO 99/55226 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen eines Zustandes, der mit akuter Herzischämie verbunden ist, offenbart, welche erfordern, daß Elektroden auf die Außenfläche des Körpers eines Patienten gebracht werden, um EKG-Daten zu erfassen und abzuleiten.
Ein offenbarter Aspekt ist auf ein Verfahren zum Kennzeichnen einer Eigenschaft von Herzgewebe an einem lokalen Stelle eines Herzens basierend auf einem lokalen Elektrogramm, das an dem lokalen Stelle gemessen wird, gerichtet. Das Verfahren umfaßt zunächst das Normieren des lokalen Elektrogramms. Ein Merkmalsvektor wird dann aus dem normierten Elektrogramm herausgezogen. Die Eigenschaft des Herzgewebes an dem lokalen Stelle wird basierend auf dem sich ergebenden Merkmalsvektor klassifiziert.
Eine weitere Ausführungsform des offenbarten Verfahrens ist auf das Kennzeichnen einer Eigenschaft von Herzgewebe an einer Vielzahl von lokalen Stellen eines Herzens basierend auf einer Vielzahl lokaler Elektrogramme gerichtet. Diese Ausführungsform umfaßt zunächst das Normieren der lokalen Elektrogramme. Merkmalsvektoren werden dann aus den normierten lokalen Elektrogrammen herausgezogen. Die Eigenschaft des Herzgewebes an der Vielzahl der lokalen Stellee wird dann basierend auf den herausgezogenen Merkmalsvektoren klassifiziert.
Eine weitere Ausführungsform des offenbarten Verfahrens ist auf das Kennzeichnen einer Eigenschaft eines Bereiches von Herzgewebe eines Herzens basierend auf einer Vielzahl von lokalen Elektrogrammen, die in dem Bereich gemessen werden, gerichtet. Diese Ausführungsform umfaßt zunächst das Normieren der Elektrogramme. Ein Elektrogramm, das für das Gewebe in dem Bereich repräsentativ ist, wird dann aus den normierten Elektrogrammen berechnet. Ein repräsentativer Merkmalsvektor wird dann aus dem repräsentativen Elektrogramm herausgezogen. Die Eigenschaft des Herzgewebes in dem Bereich wird dann basierend auf dem repräsentativen Merkmalsvektor klassifiziert.
Das Normieren der lokalen Elektrogramme umfaßt das Bezeichnen der Elektrogramme, das Auswählen einer einzelnen Herzzyklus aus dem Elektrogramm und das Darstellen des Herzzyklus des Elektrogramms als einen Vektor derart, daß die Bezeichnung sich an einer festen Position innerhalb des Vektors befindet.
Bei einigen Ausführungsformen umfaßt der Normierungsschritt weiter den Schritt des Skalierens des Elektrogramms. In diesem Fall wird das Elektrogramm so skaliert, daß es einen fe sten Wert an einem bestimmten Merkmal des Elektrogramms hat. Das bestimmte Merkmal gemäß einigen Ausführungsformen entspricht der Bezeichnung.
Bei einigen Ausführungsformen umfaßt der Normierungsschritt weiter den Schritt des Zentrierens des Elektrogramms. Der Normierungsschritt kann auch das Zurückweisen außerhalb liegender Elektrogramme umfassen.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Merkmalsvektor eine Projektion des normierten Elektrogramms auf einen vorberechneten Unterraum. Der Unterraum kann durch Hauptkomponentenanalyse eines Trainingssatzes von Elektrogrammen berechnet werden. Bei dieser Ausführungsform basiert der Klassifizierschritt des Verfahrens der Erfindung auf der Position des Merkmalsvektors in dem Unterraum.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Eigenschaft, die durch das offenbarte Verfahren gekennzeichnet wird, bezeichnend für die Anatomie des lokalen Stellees oder des Bereichs. Bei anderen Ausführungsformen ist die Eigenschaft bezeichnend für einen pathologischen Zustand des Herzgewebes, so wie dem Grad der Ischämie des Gewebes an dem lokalen Stelle oder in dem Bereich.
Wenn das Verfahren das Kennzeichnen des Herzgewebes an einer Vielzahl von Stellen oder Bereichen innerhalb einer Kammer des Herzens umfaßt, kann das Verfahren weiter den Schritt des Aufbauens einer Karte der Eigenschaft der Herzkammer umfassen.
Bei einigen Ausführungsformen umfaßt das offenbarte Verfahren weiter den Schritt des Anwendens von Behandlung des Gewebes an dem lokalen Stelle oder dem Bereich. In solchen Fällen kann das Verfahren weiter die nachfolgende Kennzeichnung der Gewebeeigenschaft umfassen, um die Wirksamkeit der Behandlung festzustellen.
Bei einigen Ausführungsformen werden die lokalen Elektrogramme mit einer Elektrode auf einem Katheter gemessen. Der Katheter weist weiter einen Positionssensor, so wie einen elektromagnetischen Sensor, zum Messen der dreidimensionalen Position der Elektrode während der Messung des Elektrogramms auf.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Kennzeichnen einer Eigenschaft von Herzgewebe an einer lokalen Stelle eines Herzens basierend auf einem lokalen Elektrogramm, das an der Stelle gemessen wird, zur Verfügung gestellt. Die Vorrichtung der Erfindung umfaßt einen Katheter und einen Prozessor. Der Prozessor führt die Funktionen des Normierens des Elektrogramms, des Herausziehens eines Merkmalsvektors aus dem normierten Elektrogramm und des Klassifizierens der Eigenschaft des Herzgewebes an der lokalen Stelle basierend auf dem Merkmalsvektor und das Berechnen einer Abbildung der Eigenschaft des Herzgewebes aus.
Der Katheter umfaßt eine Elektrode zum Messen des lokalen Elektrogramms und umfaßt weiter einen Positionssensor, so wie einen elektromagnetischen Sensor, zum Messen der dreidimensionalen Position der Elektrode während der Messung des Elektrogramms, so daß die Berechnung der Abbildung der Eigenschaft des Herzgewebes vereinfacht wird.
Die Vorrichtung der Erfindung kann weiter eine Einrichtung zum Ausführen der Behandlung des Gewebes umfassen.
Die vorliegende Erfindung wird vollständiger aus der folgenden genauen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen verstanden, die zusammen mit den folgenden Zeichnungen zu sehen ist, in der:
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Zeichnung eines Kathetersystems, das beim Erlangen lokaler Elektrogramme nützlich ist;
2 ist eine schematische Zeichnung, die zusätzliche Elemente des Kathetersystems der 1 zeigt;
3A ist ein Blockablaufdiagramm, das eine Ausführungsform des offenbarten Verfahrens veranschaulicht;
3B ist ein Blockablaufdiagramm, das in weiteren Einzelheiten den Normierschritt des Verfahrens der 3A veranschaulicht;
3C ist ein Blockablaufdiagramm einer weiteren Ausführungsform des offenbarten Verfahrens;
3D ist ein Blockablaufdiagramm, das in weiteren Einzelheiten den Normierschritt der Ausführungsform der 3C veranschaulicht;
3E ist ein Blockablaufdiagramm nach einer weiteren Ausführungsform des offenbarten Verfahrens;
3F ist ein Blockablaufdiagramm, welches das Training eines Satzes von Elektrogrammen veranschaulicht;
4A veranschaulicht zwei bezeichnete lokale Elektrogramme, die an unterschiedlichen Stellen in dem Herzen eines Tieres aufgenommen sind;
4B veranschaulicht den letzten Zyklus des Elektrogramms der 4A, bei dem die Elektrogramme und das bezeichnete Merkmal synchronisiert sind;
5A zeigt ein einzelnes lokales Elektrogramm, das mit dem Mittelwert einer Vielzahl von lokalen Elektrogrammen, die im Herzen eines Tieres aufgenommen worden sind, synchronisiert ist;
5B zeigt das einzelne Elektrogramm der 5A skaliert mit dem gemittelten Elektrogramm;
5C zeigt das zentrierte Elektrogramm der 5B;
5D zeigt die ersten drei Vektorbasiselemente, die dem zentrierten, skalierten, synchronisierten Elektrogramm der 5C entsprechen;
5E ist eine graphische Veranschaulichung der ersten 15 Komponenten des Merkmalsvektors, der dem skalierten, zentrierten, synchronisierten Elektrogramm der 5C entspricht;
6 ist eine schematische Zeichnung, welche Bereiche der linken Kammer eines Herzens zeigt; und
7 zeigt den relativen Fehler als eine Funktion der Anzahl der Komponenten für Elektrogramme, die entsprechend dem offenbarten Verfahren analysiert worden sind.
GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung ist auf Vorrichtungen zum Kennzeichnen einer Eigenschaft von Herzgewebe aus lokalen Herzelektrogrammen gerichtet. In ihren verschiedenen Ausführungsformen ist die Erfindung nützlich beim Kennzeichnen der Eigenschaft von Gewebe an einer lokalen Stelle, in einem Bereich oder an einer Vielzahl von Stellen in einem Herzen.
Wie hierin benutzt bezieht sich der Ausdruck „Eigenschaft" auf ein Merkmal des Herzgewebes. Veranschaulichende Merkmale oder Eigenschaften umfassen zum Beispiel anatomische Eigenschaften und physiologische Eigenschaften. Zum Beispiel bezieht sich eine anatomische Eigenschaft auf den Stelle der Stelle innerhalb des Herzens, zum Beispiel in einer Kammer oder einem Vorhof. Sie kann sich auch auf andere anatomische Besonderheiten beziehen, zum Beispiel das Septum, den Apex und die Basis der Herzkammer. Eine physiologische Eigenschaft der Stelle kann das Vorliegen, Fehlen oder das Ausmaß einer Pathologie kennzeichnen, insbesondere den Grad der Ischämie an der Stelle. Das offenbarte Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung sind insbesondere darauf gerichtet, die verschiedenen ischämischen Zustände des Gewebes zu unterscheiden, so wie betäubt, schlafend, Ischämie unter Belastung und Ischämie in Ruhe, um es dem Arzt zu ermöglichen, eine Behandlungsstrategie zu gestalten, die für den Krankheitszustand des Gewebes geeignet ist. Wie hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck „Bereich" auf ein kontinuierliches Segment des Herzgewebes.
Beim Ausführen des offenbarten Verfahrens werden die Eigenschaften des Herzgewebes basierend auf lokalen Elektrogrammen gekennzeichnet. Im Gegensatz zu Körperoberflächenelektrogrammen, welche die elektrische Aktivität des Herzens messen, indem Elektroden verwendet werden, die auf die Oberfläche des Körpers gebracht werden, werden die lokalen Elektrogramme, die bei diesem Verfahren verwendet werden, durch Elektroden erlangt, die entweder das Herzgewebe berühren oder in enger Nähe liegen. Die Elektrogramme können entweder endokardial (von innerhalb des Herzens her) oder epikardial (von der Außenfläche des Herzens her) erlangt werden.
1 und 2 zeigen Elemente eines veranschaulichten Kathetersystems, das zum endokardialen Erlangen lokaler Elektrogramme zur Verwendung bei dem offenbarten Verfahren zweckmäßig ist. Die Vorrichtung umfaßt einen Katheter 21 für das intravaskuläre Einbringen in den menschlichen Körper. Ein distales Ende 24 des Katheters 21 umfaßt eine Elektrode 23 benachbart der distalen Spitze 22 des Katheters zum Aufzeichnen intrakardialer Elektrogramme, wie es zum Beispiel in dem US-Patent 5 391 199 oder in der PCT-Anmeldung WO 97/24 983 beschrieben ist. Als Alternative oder zusätzlich kann das distale Ende 24 des Katheters 21 auch weitere diagnostische Vorrichtungen zum Aufzeichnen von Parameterwerten an Punkten innerhalb des Körpers umfassen und kann auch therapeutische Vorrichtungen umfassen, wie es in der Technik bekannt ist.
Der Katheter 21, der bei der Vorrichtung der Erfindung zum Erlangen von Elektrogrammen zur Verwendung bei dem offenbarten Verfahren verwendet wird, kann mehr als eine Elektrode 23 haben, die darin enthalten ist. Katheter, die mehrere Elektroden enthalten, sind zum Beispiel in den US-Patenten 5 409 000, 5 588 432, 5 931 863, 5 931 835 und 5 921 924 und in der Patentanmeldung der USA 09/506 766 offenbart. Die Verwendung von Mehrelektrodenkathetern beim Sammeln von Elektrogrammen zur Verwendung bei dem offenbarten Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung erlauben die gleichzeitige Messung von Elektrogrammen an mehreren Punkten in der Herzkammer, was möglicherweise die Zeit verringern kann, die zum Sammeln von Elektrogrammen an einer Vielzahl von Stellen innerhalb des Herzens erforderlich ist.
Wie in 2 gezeigt wird ein lokales Elektrogramm erlangt, indem der Katheter 21 mit der Elektrode 23 an seiner distalen Spitze zu einem Punkt in dem Herzen vorbewegt wird, wobei bevorzugt das Gewebe an dem Punkt mit der Elektrode 23 berührt wird, die in der distalen Spitze des Katheters enthalten ist, woraufhin das Elektrogramm über eine gewisse Zeitdauer erlangt wird. Typischerweise werden die lokalen Elektrogramme an jedem Punkt als eine Funktion der Zeit über eine Dauer mehrerer Herzzyklen erlangt. Die Daten werden dann im Computerspeicher für die zukünftige Verwendung abgelegt, wie hiernach beschrieben wird.
Bei der Ausführungsform, die in 1 veranschaulicht ist, umfaßt das distale Ende 22 des Katheters einen Positionssensor 28, welcher Signale erzeugt, die verwendet werden, um die Position und bei einigen Ausführungsformen die Ausrichtung des Katheters innerhalb des Körpers festzustellen. Der Positionssensor 28 befindet sich bevorzugt benachbart der Elektrode 23 in einer festen Lagebeziehung zur Spitze 22. Bei einer Ausführungsform weist der Positionssensor 28 drei Spulen auf, so wie es in der PCT-Anmeldung WO 96/05768 beschrieben ist. Der Positionssensor 28 ermöglicht die kontinuierliche Erzeugung von bis zu sechs Dimensionen von Positions- und Ausrichtungsinformation in bezug auf extern angelegte magnetische Felder. Als Alternative kann der Positionssensor 28 weitere Positions- und/oder Koordinatensensoren aufweisen, wie es in dem US-Patent 5 391 191, in der US 5 443 489 und in der PCT-Anmeldung WO 94/04938 beschrieben ist. Die Messung der Position der distalen Spitze 22 des Katheters während der Messung von Elektrogrammen von der Elektrode 23 vereinfacht die Berechnung einer Abbildung der Eigenschaft des Herzgewebes. Beispielhaft ist der Katheter NAVI-STAR^TM, erhältlich bei Biosense-Webster, Inc. Diamond Bar, Kalifornien, ein Katheter, der sowohl eine Elektrode als auch einen Positionssensor hat, was beim Aufzeichnen von Elektrogrammen zur Verwendung beim Ausführen der vorliegenden Erfindung nützlich sein kann. Weiterhin kann die Spitze 22 mit einem undurchlässigen Markiermaterial beschichtet sein, um die Spitze unter einer Abbildungsvorrichtung, so wie einem Fluoroskop, sichtbar zu machen.
Die dreidimensionalen Koordinaten des Positionssensors 28 werden typischerweise relativ zu der Position eines Referenzsensors 124 (2) bestimmt. Der Referenzsensor 124 ist auch bevorzugt ein elektromagnetischer Sensor, der gemäß denselben Grundsätzen arbeitet, wie der Positionssensor 28 in dem Abbildungskatheter 21. Der Referenzsensor 124 kann außerhalb des Patienten angeordnet werden, zum Beispiel als Teil eines haftenden Flickens, der auf die Haut des Patienten gebracht wird, wie in 2 gezeigt. Als Alternative kann der Referenzsensor 124 innerhalb des Patienten angeordnet werden, zum Beispiel als eine Komponente eines Referenzkatheters, der an einem bestimmten Punkt in dem Herzen des Patienten während der Abbildungsprozedur positioniert wird. Somit liefert der Positionssensor 28 in dem Abbildungskatheter 21 die dreidimensionalen Koordinaten der Spitze 22 des Abbildungskatheters relativ zu dem Referenz-Positionssensor 124.
Beim Aufbauen einer Abbildung der Eigenschaft des Herzens werden die Koordinaten der Spitze 22 des Katheters während des Erlangens von Elektrogrammen typischerweise in bezug zu einem bestimmten Punkt in dem Herzzyklus gesetzt, zum Beispiel dem Ende des Diastolenteiles des Herzzyklus, das aus Körperoberflächendiagrammen bestimmt werden kann.
Der Katheter 21 umfaßt bevorzugt einen Griff 30 mit Steuerelementen 32, die verwendet werden, um das distale Ende 21 des Katheters 21 in eine gewünschte Richtung zu lenken. Der Katheter 21 weist bevorzugt einen Lenkmechanismus im distalen Ende 24 auf, wie es in der Technik bekannt ist, um das Neupositionieren der Spitze 22 zu vereinfachen.
Der Katheter 21 ist über ein Verlängerungskabel 25 mit einer Konsole 34 gekoppelt, die es dem Benutzer ermöglicht, die Funktion des Katheters 21 zu beobachten und zu regulieren. Die Konsole 34 umfaßt bevorzugt einen Computer 36, eine Tastatur 38, eine signalverarbeitende Schaltung 40, die sich typischerweise innerhalb des Computers 36 befindet, und eine Anzeige 42. Die signalverarbeitenden Schaltungen 24 empfangen, verstärken, filtern und digitalisieren typischerweise Signale von dem Katheter 21, einschließlich Signalen vom Positionssensor 28 und von der Elektrode 23, woraufhin diese digitalisierten Signale von dem Computer 36 verwendet werden, um die Elektrogramme zu verarbeiten und die Position und/oder Ausrichtung der Spitze 22 des Katheters zu berechnen. Als Alternative kann die geeignete Schaltung dem Katheter 21 selbst zugewiesen werden, so daß die Schaltungen 40 Signale erhalten, die bereits verstärkt, gefiltert und/oder digitalisiert sind. Der Computer 36 enthält auch einen Prozessor 39 zum Normieren der lokalen Elektrogramme, die über die Elektrode 23 des Katheters 21 erlangt worden sind. Der Prozessor 39 führt auch die Funktion des Herausziehens eines Merkmalsvektors aus den normierten Elektrogrammen durch und arbeitet auch, um das Herzgewebe basierend auf den Merkmalsvektoren zu klassifizieren. Bevorzugt umfaßt der Computer 36 einen Speicher zum Speichern von Positions- und Elektrogramminformation. Der Prozessor 39 im Computer 36 arbeitet auch so, daß er eine Abbildung der Eigenschaft des Herzgewebes berechnet. Bei einigen Ausführungsformen weist der Computer 36 weiter eine besondere Graphikschaltung zum Anzeigen der Abbildung der Herzeigenschaft auf. Der in 1 gezeigte Computer 36 ist auch so ausgestattet, daß er EKG-Signale der Körperoberfläche vom EKG-Monitor 73 erhält, der mit einer Vielzahl von EKG-Leitungen 52 auf der Körperoberfläche verbunden ist. Als Alternative kann die Überwachung des EKG auch direkt durch die signalverarbeitenden Schaltungen 40 durchgeführt werden.
Wie in 2 gezeigt führt ein Arzt 51 den Katheter 21 durch eine Inzision im Gefäßsystem ein, z.B. indem ein intravaskulärer Ansatz verwendet wird, in eine Kammer eines Herzens 29 eines Patienten 91, so daß die Elektrode 23 der distalen Spitze 22 des Katheters und der Positionssensor 28 sich innerhalb der Herzkammer befinden. Gemäß einem beispielhaften Positionssensor, der in der PCT-Patentanmeldung mit der Nummer WO 96/05768, angemeldet am 24. Januar 1995, und in dem US-Patent 5 391 199 beschrieben ist, die auf den Übertragungsempfänger der vorliegenden Anmeldung übertragen sind, erzeugt der Sensor 28 Signale als AntwStelle auf extern angelegte magnetische Felder, die von Generatorspulen 27 für elektromagnetische Felder erzeugt worden sind, welche auf dem Operationstisch 108 nahe dem Patienten 91 befestigt sind. Die Größe der Signale, die von dem Sensor 28 erzeugt werden, hängt von der Position und Ausrichtung des Sensors in dem angelegten magnetischen Feld ab. Die Feldgeneratorspulen 27 sind über ein Kabel 41 mit Treiberschaltungen verbunden, die Teil der signalverarbeitenden Schaltungen 40 sind. Die Schaltungen 40 steuern den Betrieb der Generatorspulen 27 und des gesamten Positionssensor-Stelleungssystems.
Als Alternative kann das Kathetersystem zum Erhalten lokaler Elektrogramme zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung Feldgeneratorspulen in dem Katheter und Sensoren außerhalb des Patienten benutzen.
Obwohl das Kathetersystem hierin mit bezug auf elektromagnetische Positionssensoren beschrieben worden ist, kann irgendein anderer Sensor, der dreidimensionale Positionsinformation und als Option Ausrichtungsinformation zur Verfügung stellt, beim Erhalten der Elektrogramme zum Ausführen des offenbarten Verfahrens verwendet werden. Beispielhafte Sensoren, die auch verwendbar sind, umfassen akustische Sensoren und magnetische Sensoren. Zum Beispiel können akustische Sensoren des Typs, der in dem US-Patent 5 409 000 und in der PCT-Anmeldung WO 99/05971 offenbart sind, in dem Kathetersystem verwendet werden, um die Elektrogramme zur Verwendung bei dem offenbarten Verfahren zu erhalten.
Wie es in dem US-Patent 5 391 199 offenbart ist, wird das Abbilden einer Eigenschaft des Herzens durchgeführt, indem die distale Spitze 22 des Katheters 21 an einer Stelle in dem Herzen positioniert wird, Stelles- und Elektrische Information an der Stelle abgefühlt wird, die abgefühlte Stelles- und elektrische Information an der Stelle bearbeitet wird, um einen Datenpunkt zu erzeugen, und diese Schritte ausreichend oft wiederholt werden, um eine Ab bildung der Eigenschaft des Herzens zu erzeugen. Für eine genaue Abbildung der Eigenschaft basierend auf der elektrischen Aktivität der Kammer werden Stelles- und elektrische Daten bevorzugt abgefühlt, wenn die Elektrode 23 an der distalen Spitze 22 des Katheters 21 an jeder Stelle in Kontakt mit oder in enger Nachbarschaft zur Herzwand liegt.
Wenn man einen pathologischen Zustand aus den Elektrogrammen oder aus der sich ergebenden Eigenschaftsabbildung des Herzgewebes identifiziert hat, kann der physiologische Zustand behandelt werden, indem eine Behandlung an der physiologisch betroffenen Stelle oder den Stellen durchgeführt wird. Ein Behandlungsverfahren umfaßt das lokale Abtragen der Herzoberfläche. Wie in 2 gezeigt, kann das Abtragen durchgeführt werden, indem HF-Energie an eine lokale Stelle von einer Ablations-Energiequelle 53 über Schaltungen 40 und ein Kabel 25 zu der Elektrode 23 geliefert wird, die in der distalen Spitze 22 des Katheters 21 enthalten ist. Als Alternative können therapeutische Mittel an die Stelle einer Läsion geliefert werden, indem ein Zuführkatheter verwendet wird, welcher Positionsabfühlmöglichkeiten hat, wie er beispielsweise in den ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldungen 09/19 453 und 09/379 540 beschrieben ist. Die US-Patentanmeldung 09/19 453 offenbart Behandlungen für Ischämie, welche Wachstumsfaktoren umfassen, so wie den Fibroplast-Wachstumsfaktor und den vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor, ebenso wie Gene, welche den Wachstumsfaktor codieren. Die US-Patentanmeldung 09/379 540 offenbart das Liefern von Zellen, so wie Myoblasten oder Myozyten, zu dem Herzen für die Behandlung von Ischämie. Als Alternative, wie es in der offengelegten PCT-Anmeldung 98/30 144 offenbart ist, kann die Behandlung das Bestrahlen des Herzgewebes mit Laserstrahlung umfassen, um die Gefäßneubildung des Herzgewebes zu fördern.
Zusätzlich sind das offenbarte Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung nützlich beim Durchführen von Nachfolgestudien der Eigenschaft des Herzgewebes, um die Wirksamkeit eines bestimmten Behandlungsprotokolls festzustellen.
Bei einer anderen Ausführungsform ist das offenbarte Verfahren auf das Kennzeichnen der Eigenschaft des Herzgewebes in einer Vielzahl von Stellen gerichtet. In diesem Fall, nachdem das lokale Elektrogramm an der ersten Stelle erlangt worden ist, wird die distale Spitze 24 des Katheters zu einer anderen Stelle innerhalb des Herzens vorbewegt, und Elektrogramme werden wiederum wie oben beschrieben erlangt. Dieser Prozeß wird wiederholt, bis alle ge wünschten Stellen mit der Elektrode 23 an der distalen Spitze 22 des Katheters besucht worden sind.
Wie in 3A gezeigt, weist das Verfahren der Erfindung des Kennzeichnens einer Eigenschaft von Herzgewebe an einer lokalen Stelle basierend auf einem Elektrogramm, das an der lokalen Stelle gemessen worden ist, die Schritte des Normierens des lokalen Elektrogramms 62, des Herausziehens eines Merkmalsvektors aus dem normierten Elektrogramm 64 und des Klassifizierens der Eigenschaft des Herzgewebes basierend auf dem Merkmalsvektor 68 auf.
Normieren des Elektrogramms
Wie es in 3B gezeigt ist, weist der Schritt des Normierens des Elektrogramms selbst die folgenden drei Schritte auf: Bezeichnen des Elektrogramms 70, Auswählen eines einzelnen Herzzyklus aus dem Elektrogramm 72 und Festlegen der Position der Bezeichnung innerhalb des Vektors des Elektrogramms 74. Zusätzlich kann der Schritt des Normierens des Elektrogramms die optionalen Schritte des Skalierens des Elektrogramms 76 und des Zentrierens des Elektrogramms 78 umfassen. Diese Schritte werden hiernach vollständiger beschrieben.
Bezeichnen des Elektrogramms
Bezeichnen bezieht sich auf das Identifizieren eines bestimmten Merkmals in den aufgezeichneten Elektrogrammen. Das Bezeichnungsmerkmal kann irgendein Merkmal des Elektrogramms sein, der minimale Wert, der maximale Wert, die Position der minimalen Steigung oder die Position der maximalen Steigung usw. 4A zeigt zwei Elektrogramme, die an unterschiedlichen Stellen des Herzens eines Hundes aufgenommen worden sind. Die Elektrogramme der 4A werden an ihrem minimalen Wert bezeichnet, wie es durch Kreise auf den Elektrogrammen der 4A angegeben ist. Der Zweck des Bezeichnens der Programme ist es, die Bezeichnung als einen Punkt zu verwenden, um den alle Elektrogramme, die in der Studie verwendet werden, synchronisiert werden.
Auswählen eines einzigen Herzzyklus
Die lokalen Elektrogramme werden typischerweise an jeder Stelle über eine minimale Zeitdauer aufgezeichnet, zum Beispiel ungefähr drei Sekunden mit einer Abtastrate von 1 kHz.
Somit zeichnet für das menschliche Herz jedes aufgezeichnete Elektrogramm mehrere Herzzyklen auf. Da die Morphologie der Elektrogramme sich von Zyklus zu Zyklus aus einer Vielfalt von Gründen (z.B. Arrhythmien, Instabilität des Katheters, Rauschen) ändern kann, werden Elektrogramme, die keinen akzeptablen Grad an Periodizität zeigen, zurückgewiesen. Die aufgezeichneten Elektrogramme werden entsprechend der Zykluslänge des gleichzeitig aufgezeichneten Körperoberflächenelektrogramms in Zyklen analysiert. Das letzte Segment, das dem letzten aufgezeichneten Zyklus entspricht, wird dann mit allen vorangehenden Zyklen verglichen. Wenn die Korrelation aller Zyklen in einem Elektrogramm größer ist als ein minimaler Schwellenwert, dann wird der letzte Zyklus ausgewählt, akzeptiert und im Speicher eines Computers abgelegt, damit er bei dem nächsten Schritt des Verfahrens verwendet wird. Die minimale Korrelation zwischen Zyklen ist bevorzugt größer als oder gleich ungefähr 90% und ist weiter bevorzugt als größer als oder ungefähr gleich 95%.
Fixieren der Bezeichnung des Elektrogrammvektors
Wie es hierin erläutert werden wird, erfordert bei einigen Ausführungsformen das offenbarte Verfahren die Verwendung einer Vielzahl von Elektrogrammen; d.h. wenigstens eines Testelektrogramms und einer Anzahl von Trainingselektrogrammen. Der Zweck des Fixierens der Bezeichnung des Elektrogrammvektors ist es zum Teil, das wenigstens eine Testelektrogramm mit den Trainingselektrogrammen zu synchronisieren.
Bei anderen Ausführungsformen wird die Vorrichtung der Erfindung zum Kennzeichnen der Eigenschaft des Gewebes an einer Vielzahl von Stellen basierend auf einer Vielzahl lokaler Elektrogramme angewendet. Da unterschiedliche Stellee innerhalb des Herzens zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert werden, ist es notwendig, alle die Elektrogramme, die bei der Studie verwendet werden, zu synchronisieren. Die Elektrogramme werden zeitlich verschoben, so daß ein bestimmtes Merkmal des Elektrogramms, d.h. die Bezeichnung bei allen den Elektrogrammen zur Übereinstimmung gebracht wird.
Der Vektorindex des Synchronisationspunktes wird als Null angesehen, und ein Fenster von L1 Millisekunden (ms) vor (einschließlich Null) und L2 Millisekunden nach dem Synchronisationspunkt werden gesichert und in der anschließenden Analyse verwendet. Wenn x(t) die Vektordarstellung des letzten Schlages eines aufgezeichneten Elektrogramms ist, dann ist die Vektordarstellung des synchronisierten Elektrogramms x^s(t) gegeben durch: xs(t) = x(t + t0), t = –L1, ..., L2, t0 = arg⎨min t[x(t)]⎬}
Empfohlene Werte für L1 und L2 für menschliche Herzen sind 50 ms und 150 ms, wenn die Bezeichnung am minimalen Wert des Elektrogramms gewählt wird.
4B zeigt den letzten Herzzyklus aus den Elektrogrammen der 4A um das Bezeichnungsmerkmal, den minimalen Wert des Elektrogramms, synchronisiert.
Skalieren des Elektrogramms
Um die Unterscheidung zwischen Elektrogrammen aufgrund von Unterschieden in der Signalmorphologie hervorzuheben, können Unterschiede in der Amplitude kompensiert werden, indem alle Elektrogramme so skaliert werden, daß ihre Werte an einem bestimmten Merkmal des Elektrogramms alle gleich sind. Die Elektrogramme können auf das oben beschriebene Bezeichnungsmerkmal skaliert werden. Als Alternative können die Elektrogramme auf irgendein anderes Merkmal als dem Bezeichnungsmerkmal skaliert werden.
Es sei angenommen, daß die Elektrogramme um das Bezeichnungsmerkmal skaliert sind, falls x_n ^s(t) ein synchronisiertes Elektrogramm aus N Elektrogrammen darstellt, dann kann das skalierte Elektrogramm x_n ^sc(t) durch den Ausdruck angegeben werden:
wobei a_n, ein Skalierungsfaktor, und x s(t), der Mittelwert aller N Elektrogramme an dem Skalierungsmerkmal durch die Ausdrücke gegeben sind:
5A zeigt ein einzelnes lokales Elektrogramm (durchgezogene Kurve) verglichen mit dem Mittelwert einer Vielzahl lokaler Elektrogramme (gestrichelte Kurve), die im Herzen eines Hundes aufgenommen worden sind. 5B zeigt das einzelne lokale Elektrogramm (durchgezogene Kurve) der 5A skaliert mit dem mittleren Elektrogramm (gestrichelte Kurve) der 5A um das Bezeichnungsmerkmal und die minimale Spannung.
Zentrieren der Elektrogramme
Bei einigen Ausführungsformen des offenbarten Verfahrens wird ein Merkmalsvektor aus den Elektrogrammen herausgezogen, wobei der Merkmalsvektor eine Projektion des normierten Elektrogramms auf einem vorberechneten Unterraum ist. Der Unterraum, bei einigen Ausführungsformen, wird durch Hauptkomponentenanalyse eines Trainingssatzes von Elektrogrammen berechnet. Wenn die Hauptkomponentenanalyse verwendet wird, wird der Mittelwert aller synchronisierten Elektrogramme wünschenswerterweise von jedem Elektrogramm subtrahiert. Wir nennen diese Bearbeitung das „Zentrieren" des Elektrogramms. Somit, falls x_n ^s(t) ein synchronisiertes Elektrogramm aus N Elektrogrammen darstellt, dann ist das zentrierte (mittelwertbefreite) Elektrogramm x_n ^c(t) gegeben durch: xcn (t) = xsn (t) – x s(t), t = –L1, ..., L2, n = 1, ..., Nwobei x s(t) wie hierin zuvor definiert ist.
Die Elektrogramme können bei dem Verfahren der Erfindung sowohl skaliert als auch zentriert werden. In diesem Fall ist das skalierte, zentrierte Elektrogramm, xsccn (t), durch den Ausdruck gegeben:
wobei xsn (t), a_n und x s(t) wie zuvor hierin definiert sind.
5C zeigt die zentrierten, skalierten, synchronisierten Elektrogramme der 5A und 5B.
Herausziehen eines Merkmalvektors aus dem normierten Elektrogramm
Wie in 3A gezeigt, ist der nächste Schritt bei dem offenbarten Verfahren das Herausziehen eines Merkmalsvektors aus dem normierten Elektrogramm 64. Das Verfahren basiert auf der Annahme, daß individuelle Elektrogramme als aus Basiselementen (hiernach bezeichnet als u_m, m = 1, ... M, hiernach) zusammengesetzt dargestellt werden können. Wenn man diese Elemente identifiziert hat (wie im „Training" hiernach beschrieben), können wir Komponenten berechnen, d.h. Koeffizienten, welche das Ausmaß darstellen, zu dem jedes der Basiselemente zu einem gegebenen Elektrogramm beiträgt.
Sei X_L×N = [x₁, ..., x_N] eine Sammlung von N synchronisierten, skalierten und zentrierten Elektrogrammen, die an einer Vielzahl von Stellen in einem Herz aufgezeichnet worden sind, wobei jedes ein L-dimensionaler Spaltenvektor ist: xn = ⌊xn scc(t)⌋, t = –L1, ..., L2
Eine Vektorbasis der Größe M U_L×M = [u₁, ..., u_M] ist eine unitäre Matrix, welche eine Sammlung aus M festen Spaltenvektoren ist, wobei u_m = [u_m(t)], t = –L1, ..., L2. Diese Vektorbasis wird als eine Matrixtransformation verwendet, die auf die Datenmatrix X_L×N wie folgt angewendet wird: Y = UTX
In der Matrix Y_M×N = [y₁, ... y_N], die aus der obigen Operation erhalten worden ist, ist die Spalte y_n = [y_1,n, ..., Y_M,n]^T ein Merkmalsvektor, welcher eine Komponentendarstellung des Elektrogramms x_n ist. Jede der M Komponenten y_m,n, jedes der Elektrogramme wird innerhalb der Matrixtransformation berechnet als:
Die Komponenten y_m,n stellen den Beitrag jedes der Basissatzvektoren um zu jedem der Elektrogramme x_n dar.
Wenn die Matrix U unitär ist (alle u_m's sind wechselweise Stellehogonal), sind die Komponenten y_m,n, die zu einem bestimmten Elektrogramm x_n gehören, unkorreliert. Dies bedeutet, daß jede Komponente Information enthält, die aus den anderen Komponenten nicht erhalten werden kann.
5D stellt die ersten drei Vektorbasiselemente u_m dar, die dem zentrierten, skalierten, synchronisierten Elektrogramm der 5C entsprechen. Die Matrixelemente in 5D sind entsprechend ihren Komponenten skaliert und wurden berechnet, wie hierin beschrieben. 5E ist eine graphische Darstellung der ersten 15 Komponenten des Merkmalsvektors entsprechend dem skalierten, zentrierten, synchronisierten Elektrogramm der 5C. Wie aus der 5E zu sehen ist, kann der Hauptanteil der Variation in dem Elektrogramm durch die ersten wenigen Komponenten des Merkmalsvektors berücksichtigt werden.
Klassifizieren der Gewebeeigenschaft basierend auf dem Merkmalsvektor
Der nächste Schritt bei dem offenbarten Verfahren ist das Klassifizieren des Gewebemerkmals an der lokalen Stelle basierend auf dem Merkmalsvektor 68. Gewebe, an dem ein Elektrogramm abgenommen worden ist, kann gemäß irgendeiner Anzahl von Eigenschaften klassifiziert werden. Diese Eigenschaften können zum Beispiel die Pathologie des Gewebes widerspiegeln, an dem das Elektrogramm erlangt worden ist. Als Alternative kann die Eigenschaft den Stelle des Gewebes in dem Herzen widerspiegeln, an dem das Elektrogramm erlangt worden ist. Wenn die bestimmte Eigenschaft gegeben ist, durch die das Gewebe klassifiziert werden soll, gibt es einen Satz fester Koeffizienten α_m, m = 1, ..., M, die bestimmt werden, wie es in „Training" unten beschrieben ist, welche den Beitrag jeder Komponente zu der bestimmten Eigenschaft beschreibt. Die Komponenten y_m,n können linear kombiniert werden, wobei die Koeffizienten α_m verwendet werden, um einen charakteristischen Parameter φ zu bilden, der wie folgt definiert ist:
Elektrogramme werden klassifiziert, indem der Wert von φ mit einer vorbestimmten Schwelle verglichen wird, die von der gekennzeichneten Eigenschaft abhängt.
Die α_m Koeffizienten können als Komponenten eines Klassifikationsvektors α = [α₁, ..., α_P]^T in dem Unterraum, der durch U bestimmt ist, interpretiert werden. Der kennzeichnende Parameter φ ist daher proportional zu der Projektion des Merkmalsvektors y auf den Klassifizierungsvektor. Das Setzen einer Klassifizierungsschwelle für den Wert von φ ist äquivalent zum Aufteilen des Unterraumes U in zwei Bereiche: einen, in dem die Projektion des Merkmalsvektors auf den Klassifizierungsvektor größer ist als die Schwelle, und einen anderen, in dem die Projektion kleiner ist als die Schwelle. Somit werden Merkmalsvektoren im wesentlichen entsprechend ihrer Position in dem Unterraum U klassifiziert.
Als Alternative kann der kennzeichnende Parameter φ als eine nicht lineare Kombination der Komponenten y_m,n definiert werden, wobei in dem obigen Ausdruck die Komponenten zu Potenzen erhoben werden. Zusätzlich ist es möglich, die kennzeichnende Funktion als ein Produkt oder Verhältnis bestimmter Komponenten und Potenzen zu definieren.
TRAINING
Erhalten der Vektorbasis
Wie zuvor angegeben verwendet das offenbarte Verfahren zum Kennzeichnen von Herzgewebe eine Matrixbasis aus Elementen und Koeffizienten, die aus dem Training bestimmt werden. Der Zweck des Trainings ist es, (1) die Vektorbasis U_L×M = [u₁, ..., u_M] zu erhalten, die zuvor als eine unitäre Matrix definiert worden ist, welche aus einer Sammlung aus M festen Spaltenvektoren u_m = [u_m(t)], t = –L1, ..., L2 besteht, und (2) den Satz kennzeichnender Koeffizienten zu erhalten, welche die Vektorbasis mit einer bestimmten Eigenschaft des Herzgewebes, die bestimmt werden soll, korrelieren.
Das Training wird durchgeführt, wie in 3F gezeigt. Ein Satz Trainingselektrogramme wird zunächst bezeichnet 70. Ein einzelner Herzzyklus wird aus jedem der bezeichneten Elektrogramme 72 ausgewählt. Die Position der Bezeichnung wird dann mit Bezug auf jeden der Elektrogrammvektoren 74 in dem Trainingssatz festgelegt. Die Elektrogramme werden dann skaliert 76 und zentriert 78. Die Hauptkomponentenanalyse 88 wird dann auf den Elektrogrammvektoren durchgeführt, um eine Vektorbasis 90 und einen Merkmalsvektor aus Komponenten 92 herauszuziehen. Eine beschränkte Vektorbasis wird aus der Vektorbasis 90 aus gewählt, um die Elektrogramme innerhalb eines gewünschten Fehlers 94 darzustellen. Die Eigenschaft, die durch das offenbarte Verfahren bestimmt werden soll, wird dann gegen eine kennzeichnende Funktion 96 korreliert, um kennzeichnende Koeffizienten zu bestimmen, die wie oben beschrieben verwendet werden.
Sei X_L×N = [x₁, ..., x_N] ein Trainingssatz, welcher eine Sammlung aus N synchronisierten, skalierten und zentrierten Elektrogrammen, von denen jedes ein L-dimensionaler Spaltenvektor ist: xn = [xsccn (t)], t = L1, ..., L2 n = 1, ..., N
Der Satz der Elektrogramme X_L×N, auf dem das Training durchgeführt wird, d. h. der Trainingssatz, ist unterschiedlich von dem Satz der Elektrogramme, der für die Klassifizierung gedacht ist.
Wie zum Beispiel in Lay D., "Linear Algebra and its Applications (Lineare Algebra und ihre Anwendungen)" (2. Auflage), Addison-Wesley, 1997, Kapitel 7 und in Press W., Teukolsky, W., Vettering W. and Flannery B., "Numerical Recipes in C (Numerische Rezepte in C)" (2. Auflage), Cambridge University Press, Kapitel 2.6, offenbart ist, kann die Vektorbasis U_L×M mittels einer Technik gefunden werden, die Hauptkomponentenanalyse (PCA – Principal Component Analysis) genannt wird. Bei dieser Technik wird die gewünschte unitäre Matrix U durch die Singulärwertzerlegung (SVD – Singular Value Decomposition) der Matrix X gefunden. Diese Prozedur liefert Stellehogonale Matrizen U und V und eine quasi-diagonale Matrix S, welche die Beziehung erfüllt: X = USVT = UY
Zusätzlich zu der Vektorbasis U wird eine Matrix Y_M×N = [y₁, ..., y_N] erhalten, in der die Spalte y_n = [y_1,n, ..., y_M,n]^T eine Komponentendarstellung der Elektrogramme x_n ist (wie es in "Herausziehen eines Merkmalsvektors aus dem normierten Elektrogramm" oben definiert ist). Die erhaltenen Komponenten y_m,n sind unkorreliert und in der Reihenfolge abnehmender Varianz. Die Eigenschaft abnehmender Varianz impliziert, daß im Mittel, je kleiner der Komponentenindex m ist, desto höher sein mittlerer Beitrag zu den Elektrogrammen ist. Diese Tatsa che erlaubt uns, die Anzahl der Komponenten auf eine Anzahl M zu beschränken, die viel kleiner ist als die ursprüngliche Dimensionalität L der Elektrogramme.
Die Zahl M wird als die kleinste ganze Zahl festgelegt, für die der mittlere Abschätzungsfehler kleiner ist als ein gegebener Schwellenwert. Wenn man den Vektorbasissatz U_L×M und jede der Komponenten y_m,n für die Elektrogramme in dem Trainingssatz kennt, können die ursprünglichen Elektrogramme wie folgt wieder aufgebaut werden:
Eine Abschätzung x ^sccn (t) des skalierten und zentrierten Elektrogramms xsccn (t) kann aus seinen Komponenten erhalten werden als:
und somit ist die Abschätzung x ^sn (t) des ursprünglichen nicht skalierten und nicht zentrierten synchronisierten Elektrogramms xsn (t) gegeben durch: x ^sn (t) = an[x ^scn (t) + x s(t)], t = L1, ... L2worin a_n und x s(t) wie hierin zuvor definiert sind. Die abgeschätzten Elektrogramme x ^sn (t) können mit den ursprünglichen synchronisierten Elektrogrammen xsn (t) verglichen werden, um einen Schätzfehler e_n zu erhalten, welcher die Qualität der Abschätzung ausdrückt, gegeben durch:
Der mittlere Schätzfehler kann als das arithmetische Mittel des Schätzfehlers e_n definiert werden, das heißt:
Der empfohlene Schwellenwert für den mittleren Schätzfehler ist 10% der Peak-Peak-Amplitude des gemittelten Elektrogramms x s(t).
Um eine geeignete Vektorbasis zu erhalten, sollte die Anzahl der Elektrogramme N in dem Trainingssatz groß sein. Diese Anzahl von Patienten, von denen Elektrogramme abgenommen werden, sollte wenigstens ungefähr 30 sein, obwohl es bevorzugt ist, daß es mehr als 100 sein sollten. Bevorzugt werden ungefähr 50 bis ungefähr 150 Elektrogramme von jedem Patienten aufgezeichnet. Es ist am meisten bevorzugt, wenn die Datenbank so groß wie möglich ist. Es ist möglich, solche Anzahlen von Elektrogrammen in den Trainingssatz von einer zuvor vorbereiteten Datenbank zu erhalten, für die Daten von einem einzelnen Patienten oder von vielen Patienten unter ähnlichen Bedingungen erhalten worden sind (dieselben Herzbereiche und ähnliche Pathologie zu der, die gekennzeichnet wird). Es ist auch möglich, die Vektorbasis ständig zu aktualisieren, indem neue Elektrogramme zu dem Trainingssatz hinzugefügt werden, wenn das Gewebe neuer Patienten gemäß dem offenbarten Verfahren gekennzeichnet wird.
Berechnung charakteristischer Koeffizienten
Wenn eine bestimmte Eigenschaft gegeben ist, nach der es gewünscht wird, die Elektrogramme zu klassifizieren, ist es notwendig, eine unabhängige Definition der bestimmten Eigenschaften für jeden Herzpunkt zu haben, von dem die Elektrogramme in dem Trainingssatz aufgezeichnet worden sind. Zum Beispiel, wenn die Eigenschaft der Herzbereich ist, zu dem das Elektrogramm gehört, kann Stellesinformation mit der Hilfe von Fluoroskopie verfügbar gemacht werden. Wenn die Eigenschaft ein pathologischer Zustand ist, dann kann der pathologische Zustand des Gewebes aus anderen medizinischen Modalitäten erhalten werden. Zum Beispiel kann Ischämie unabhängig mit Echokardiographie, Computertomographie (CT), Magnetresonanzabbildung (MRI – Magnetic Resonance Imaging) oder einer Kernabbildungstechnik, so wie Einzelphotonenemissionscomputertomographie (SPECT – Single Photon Emission Computed Tomography) oder Positronenemissionstomographie (PET) erfaßt werden. Die charakteristischen Koeffizienten α_m für die gegebenen Eigenschaften werden bestimmt, indem eine Suche bei den Koeffizienten innerhalb eines beschränkten Satzes von Werten durchgeführt wird. Die ausgewählten Koeffizienten sind diejenigen, die zu der größten Korrelation zwischen den Werten des charakteristischen Parameters φ und den Werten der Eigenschaften, wie sie durch die zusätzliche Modalität definiert ist, führen.
Eine weitere Ausführungsform des offenbarten Verfahrens ist auf das Kennzeichnen der Eigenschaft von Herzgewebe an einer Vielzahl von Stellen in dem Herzen basierend auf einer Vielzahl von lokalen Elektrogrammen gerichtet. Wie in 3C gezeigt, ist diese Ausführungsform ähnlich der offenbarten Ausführungsform, bei der die Eigenschaft an einer einzelnen Stelle basierend auf einem einzelnen lokalen Elektrogramm gekennzeichnet wird. Bei der Ausführungsform mit vielen Stellen werden die Schritte, wie sie oben für das einzelne lokale Elektrogramm definiert sind, für jedes der Vielzahl der lokalen Elektrogramme wiederholt. Die sich ergebende Kennzeichnung von Gewebeeigenschaften an einer Vielzahl von Stellen kann verwendet werden, um eine Abbildung der Gewebeeigenschaft aufzubauen 80 und um das Gewebe basierend auf der abgebildeten Eigenschaft zu behandeln 82.
Wie in 3D kann der Normalisierungsschritt in der Ausführungsform mit vielen Stellen den optionalen Schritt des Zurückweisens außerhalb liegender Elektrogramme 84 aufweisen. Das Vorliegen einer Vielzahl von Elektrogrammen, die an einer Vielzahl von Stellen gemessen worden sind, erlaubt die Bewertung der Elektrogramme und das Zurückweisen derjenigen, die nach einem oder mehreren Kriterien als Ausreißer betrachtet werden. Zum Beispiel neigen normale Elektrogramme, die mit dem Katheter der 1 erlangt worden sind, dazu, minimale Werte zu zeigen, die der maximalen Depolarisation des darunterliegenden Gewebes entsprechen. Wenn übermäßig Druck auf das Gewebe über die Katheterspitze angelegt wird, neigen die sich ergebenden Elektrogramme dazu, Minimalwerte zu zeigen, die zu längeren Zeiten in bezug auf normal erlangte Elektrogramme verschoben sind. Wenn somit die Synchronisation gemäß dem Kriterium des minimalen Wertes durchgeführt wird, entspricht bei normalen Elektrogrammen der Synchronisationspunkt dem Punkt der maximalen Depolarisation des entsprechenden Herzgewebes. Elektrogramme mit druckinduzierter Verzerrung synchronisieren fehlerhaft an einem viel späteren Punkt als dem Punkt der normalen maximalen Depolarisation. Diese anomalen Elektrogramme können so als Elektrogramme identifiziert werden, die, damit sie synchronisiert werden, in der Zeit um mehr als einen bestimmten Schwellenwert verschoben werden müssen. Der empfohlene Wert dieses Schwellenwertes für menschliche Herzen ist ungefähr 100 ms.
Eine weitere Ausführungsform des offenbarten Verfahrens ist darauf gerichtet, die Eigenschaft eines Bereiches von Herzgewebe basierend auf einer Vielzahl von lokalen Elektrogrammen zu kennzeichnen, die in dem Bereich erlangt worden sind. Diese Ausführungsform ist schematisch in 3E dargestellt. Bei dieser Ausführungsform werden Elektrogramme, die wie oben ausgeführt erlangt worden sind, zunächst normiert. Ein repräsentatives Elektrogramm wird dann aus den normierten Elektrogrammen 86 berechnet. Das repräsentative Elektrogramm kann zum Beispiel als der Mittelwert oder das Mittel aller Elektrogramme in dem Bereich berechnet werden. Das Verfahren, wie es oben beschrieben ist, wird dann abgeschlossen, indem das repräsentative Elektrogramm verwendet wird, d.h, ein repräsentativer Merkmalsvektor, der repräsentativ für das gesamte Gewebe in dem Bereich ist, wird aus dem repräsentativen Elektrogramm herausgezogen. Die Bereichsklassifizierung der Gewebeeigenschaft wird dann basierend auf den repräsentativen Merkmalsvektor durchgeführt.
Einige Ausführungsformen des offenbarten Verfahrens umfassen den Schritt des Aufbauens einer Abbildung der Eigenschaft des Herzens oder der Herzkammer, welche gemäß dem Verfahren der Erfindung gekennzeichnet worden ist. Eine Abbildung des Herzens basierend auf der Stellesinformation, die mit einem Katheter-Positionssensor erlangt worden ist, und Eigenschaftsinformation basierend auf lokalen Elektrogrammen, wie es hierin beschrieben ist, kann aufgebaut werden, wie es in der ebenfalls anhängigen, auch übertragenen US-Patentanmeldung 09/122,137, angemeldet am 24 Juli 1998, und in ihrer entsprechenden europäischen Patentanmeldung 974,936, offengelegt am 26. Januar 2000, beschrieben ist. Kurz gesagt baut ein Prozessor eine Abbildung, bevorzugt eine 3D-Abbildung der Herzkammer aus einer Vielzahl von Probenpunkten auf der Kammer auf, deren Positionskoordinaten bestimmt worden sind. Ungefähr fünf bis ungefähr fünfzehn Probenpunkte sind im allgemeinen ausreichend, um eine vorläufige Rekonstruktion der Oberfläche mit einer zufriedenstellenden Qualität durchzuführen.
Eine anfängliche, im allgemeinen beliebige, geschlossene gekrümmte 3D-Fläche (hierin auch kurz als eine Kurve bezeichnet) wird in einem Rekonstruktionsraum in dem Volumen der Probenpunkte definiert. Die geschlossene Kurve wird grob an eine Form angepaßt, die einer Rekonstruktion der Probenpunkte ähnelt. Danach wird eine flexible Anpaßstufe wiederholt eine oder mehrere Male durchgeführt, um die geschlossene Kurve zum genauen Ähneln der Form des tatsächlichen Volumens, das rekonstruiert wird, zu bringen. Die 3D-Fläche kann an eine Videoanzeige oder einen anderen Bildschirm zum Betrachten durch einen Arzt oder einen anderen Benutzer der Karte gegeben werden.
Die anfängliche geschlossene, gekrümmte Fläche umfaßt bevorzugt im wesentlichen alle Probenpunkte oder liegt innerhalb im wesentlichen aller Probenpunkte. Jedoch wird angemerkt, daß irgendeine Kurve in der Nähe der Probenpunkte geeignet ist. Bevorzugt kann die geschlossene, gekrümmte 3D-Fläche ein Ellipsoid oder irgendeine andere einfache geschlossene Kurve aufweisen. Als Alternative kann eine nicht geschlossene Kurve verwendet werden, zum Beispiel wenn es gewünscht wird, eine einzelne Wand anstatt dem gesamten Volumen zu rekonstruieren.
Ein Gitter einer gewünschten Dichte wird auf der Kurve definiert. Für jeden der Punkte auf dem Gitter wird ein Vektor definiert, der von der Verlagerung zwischen einem oder mehrerer der Gitterpunkte und einem und mehreren der gemessenen Stellee auf der Herzfläche abhängig ist. Die Oberfläche wird angepaßt, indem jeder der Gitterpunkte als AntwStelle auf den jeweiligen Vektor bewegt wird, so daß die rekonstruierte Fläche so deformiert wird, daß sie dem tatsächlichen Aufbau der Herzkammer ähnelt. Das Gitter teilt die gekrümmte Fläche bevorzugt in vierseitige oder irgendwelche anderen Polygone auf, so daß das Gitter gleichmäßig Punkte auf der Kurve definiert. Bevorzugt ist die Gitterdichte ausreichend, so daß es im allgemeinen mehr Gitterpunkte als Probenpunkte in irgendeiner beliebigen Umgebung gibt. Weiter bevorzugt ist die Gitterdichte entsprechend einem gewünschten Kompromiß zwischen Rekonstruktionsgenauigkeit und -geschwindigkeit einstellbar.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird dazu bestimmte Graphik-Hardware, die dazu gestaltet ist, Polygone zu manipulieren, verwendet, um die oben beschriebenen Rekonstruktionsstufen durchzuführen.
Bevorzugt, nachdem die geometrische Abbildung der Kammer wie oben beschrieben aufgebaut ist, werden Werte der Eigenschaften, die gemäß dem offenbarten Verfahren bestimmt worden ist, für jeden der Gitterpunkte basierend auf der Interpolation der Eigenschaft an umgebenden Punkten, die von der Katheterelektrode abgenommen worden sind, bestimmt. Somit führt das Verfahren zum Erzeugen einer Abbildung einer Eigenschaft der Herzkammer als einer Funktion der Kammergeometrie.
Bevorzugt wird die Eigenschaft auf der rekonstruierten Fläche basierend auf einer vordefinierten Farbskala angezeigt.
Die erzeugte Abbildung wird im allgemeinen an eine Anzeigevorrichtung ausgegeben, so wie einen Computerbildschirm oder einen Computerdrucker.
Beispiel
Elektrogramme wurden aus den linken Kammern bei 8 Hunden in aufeinanderfolgenden Stufen von Ischämie und Infarkt aufgezeichnet, erzeugt über die Ligation der linken vorderen absteigenden (LAD – Left Anterior Descending) Herzarterie, wobei ein Katheter und System wie in 1 und 2 gezeigt verwendet wurden. Für jeden Hund wurde das Abbilden in vier Stufen wie folgt durchgeführt:

1. Grundlinie (Kontrolle, vor der Ligation)
2. Unmittelbar nach der Ligation (und innerhalb der ersten Stunde beendet)
3. 5 Stunden nach der Ligation
4. 3 Tage nach der Ligation

Die Abbildung bestand aus dem Abtasten von Punkten auf der Herzinnenwand der linken Kammer, so daß sowohl der Ort des Punktes im Raum als auch die entsprechenden Elektrogramme gleichzeitig aufgezeichnet wurden. Die Elektrogramme wurden an jedem Stelle über eine Zeitdauer von 3 Sekunden mit einer Abtastrate von 1 KHz aufgezeichnet. Alle aufgezeichneten Elektrogramme wurden bezeichnet und so ausgerichtet, bis alle Bezeichnungen an der 250sten Probe innerhalb des Probenvektors übereinstimmen. Ein Fenster zwischen dem 2301sten und 2599sten Probe wurde für die Datenbank berücksichtigt, das heißt ein Fenster von +200 und –200 ms um die Bezeichnung, welche den letzten Schlag umfaßte. Die Anzahl der Punkte, an denen Elektrogramme bei jedem Hund in jeder Stufe erlangt worden sind, ist gezeigt in
Tabelle 1
Die Stellesinformation über jeden Punkt in der inneren Herzkammer wurde verwendet, um die Elektrogramme entsprechend 13 Standardbereichen zu gruppieren. Die Bereiche entsprechen 6 Umfangszonen (anterior, anterio-septal, inferior, infero-septal, lateral und posterior) sowohl des Basal- als auch des Mittelabschnittes des linken Ventrikels, plus einem Bereich, der die Herzspitze darstellt. Die Stellee, an denen Proben genommen wurden, sind schematisch in 6 gezeigt. Die Bedeutung der Codes in 6 sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2
Jeder Bereich in jeder Abbildung wurde durch einen erfahrenen Echokardiographierer entsprechend dem Grad der Fähigkeit zum Zusammenziehen bewertet. Die Bewertungen waren im Bereich von 1 bis 4, wobei 1 die beste Fähigkeit zum Zusammenziehen anzeigt und 4 die schlechteste Fähigkeit zum Zusammenziehen anzeigt.
Normierung
Da unterschiedliche Stellee innerhalb des Herzens zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert werden, wurden die Elektrogramme entsprechend dem minimalen Wert bezeichnet und synchronisiert. Ein Fenster von L = 124 ms auf jeder Seite des Synchronisationspunktes wurde genommen. Dies führte dazu, daß jedes Elektrogramm zwei 2L + 1 = 249 Probenwerte lang war.
Trainings- und Testdatensets
Da unterschiedliche Stufen der Ischämie durch unterschiedliche Signalmerkmale gekennzeichnet werden können, wurden die Datensets für jede Stufe der Ischämie getrennt behandelt. Für jede Stufe der Ischämie besteht der Prüfdatensatz aus der gesamten Sammlung der aufgezeichneten Elektrogramme von allen Tieren, die in der Stufe abgebildet wurden, mit der Ausnahme derjenigen, die nicht innerhalb eines Fensters von 50 ms synchronisiert werden konnten. Dieser Zustand beseitigte Elektrogramme, die starke ST-Segmentanhebung als ein Ergebnis des Katheterdrucks auf die innere Herzwandschicht zur Zeit des Aufzeichnens zeigten. Es ist bemerkt worden, daß starke druckinduzierte ST-Segmentabhebung üblicherweise von einer T-Segmentabsenkung begleitet ist, die dazu führt, daß das Elektrogramm irrtümlich an diesen Punkt synchronisiert anstatt an dem Punkt der normalen maximalen Depolarisation.
Der Trainingssatz wurde als der Untersatz aus dem Prüfsatz definiert, der nur Elektrogramme mit normaler Peak-Peak-Amplitude umfaßte, definiert als größer oder gleich 15 mV. Diese Auswahl erlaubte das Erhalten vergleichbarer Trainingssätze und vergleichbarer Vektorbasen bei den unterschiedlichen Stufen der Ischämie.
Skalieren und Zentrieren
Um die Verschiedenheiten der Elektrogramme aufgrund von Unterschieden in der Morphologie hervorzuheben, wurden die Unterschiede in der Amplitude kompensiert, indem alle die Elektrogramme so skaliert wurden, daß ihr Wert an dem Punkt der Synchronisation gleich dem Wert des mittleren Elektrogramms würde. Zusätzlich wurde der Mittelwert aller synchronisierten Elektrogramme aus jedem Elektrogramm beseitigt (die Elektrogramme wurden zentriert).
Berechnung des Unterraums
Die Vektorbasis U wurde mittels der Singulärwertzerlegung (SVD) der Matrix X, der Matrix der Elektrogrammvektoren, gefunden. Die erhaltenen Komponenten y_m,n sind nicht korreliert und sind in der Reihenfolge abnehmender Varianz. Wenn es so ist, daß das Vorzeichen der Vektoren in der Vektorbasis beliebig ist, wurde das Vorzeichen so gewählt, daß der Wert, der dem maximalen Absolutwert des Vektors entspricht, positiv sein würde. Dies macht Graphen leichter zu visualisieren. Mit anderen Worten, wenn ŭ_n(t) ein Vektorbasiselement darstellt, das aus de SVD-Algorithmus erhalten wurde, dann ist die korrigierte Version u_n(t) gegeben durch: un(t) = ŭn(t)·sgn(un(to)), t = –L, ..., Lwobei
t₀ = arg{max[abs(u_n(t))]}
Die Singulärwertzerlegung erzeugt eine Vektorbasis, die M = 2L + 1 Vektoren enthält. Da die Komponenten in der Reihenfolge abnehmende Varianz vorliegen, wird eine viel kleinere Vektorbasis benötigt, um X mit einem bestimmten Fehlergrad darzustellen. Es wurde gefunden, daß die Anzahl der Komponenten, die erforderlich ist, Elektrogramme genau darzustellen, relativ klein ist. 10 zeigt den mittleren Approximationsfehler relativ zu der mittleren Peak-Peak-Amplitude für eine repräsentative Stufe der Ischämie. Es kn beobachtet werden, daß nicht mehr als 5 Komponenten nötig sind, um einen relativen mittleren Fehler von 10% oder weniger zu erhalten.
Herausziehen des Merkmalverktors aus normierten Elektrogrammen
Die Transformation U wurde dann auf den Prüfsatz X_'L×N angewendet, welcher der vollständige Satz synchronisierter und normierter Elektrogramme ist.
Bereichsmittelung
Das Spektrum der Hauptkomponenten wurde für alle Elektrogramme in dem Datensatz gemittelt, der zu jeder der drei myocardialen Bereiche gehörte, so daß ein repräsentatives Hauptkomponentenspektrum pro Bereich erhalten wurde. Mit anderen Worten wurden die Hauptkomponenten y_m,n durch Bereichsmittel y m,r ersetzt. Die Echobewertungen wurden ebenso über die Hunde gemittelt, so daß man eine repräsentative Echobewertung pro Bereich erhielt. Das Mitteln pro Bereich wird durch die Annahme der Homogenität über die Hunde gerechtfertigt. Da bei allen Hunden dieselbe Herzarterie ligiert wurde, wird erwartet, daß die Pathologie sich in ungefähr denselben Bereichen befindet: Apex, Mitte-anterior und Mitte-anteroseptal.
Korrelation zum Echo
Einzelne mittlere Hauptkomponenten und lineare Kombinationen aus diesen wurden gegen die mittlere Echobewertung aufgetragen, wobei nach Korrelationen gesucht wurde. Um das Ausmaß der Suche zu verringern, wurden die Linearkombinationen der Hauptkomponenten auf die ersten Komponenten und auf Koeffizienten α mit den Werten –1,0 oder 1 beschränkt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengefaßt. Der relativ große Fehler bei den Korrelationen wird durch die relativ kleine Anzahl von Bereichen hervorgerufen, die berücksichtigt worden sind.
Tabelle 3
Die oben beschriebenen Parameter φ wurden wieder für die Daten berechnet, die als eine Grundlinie vor der Ligation als eine Kontrolle aufgezeichnet worden sind. Die erhaltenen Mittelwerte pro Bereich wurden mit diesen mittleren Echobewertungen der Bereiche in der entsprechenden Stufe der Ischämie verglichen. Wenn auf diese Weise die Parameter φ tatsächlich nur zur Pathologie in bezug stehen, dann sollte keine Korrelation mit Werten erwartet werden, die mit den Grundliniendaten erhalten worden sind. Obwohl ein bestimmter Grad der Korrelation an der Grundlinie für die Parameter φ für die unmittelbare Stufe der Ischämie und für die 5 Stunden-Stufe gefunden wurde, waren in allen Fällen die Werte der Parameter φ für die pathologischen Bereiche beträchtlich höher, wenn die Pathologie tatsächlich vorlag. Selbst wenn es einen Zuwachs (in bezug auf die Grundlinie) in den Werten gab, die den gesunden Bereichen entsprachen, war der Zuwachs nicht so beträchtlich wie in den pathologischen Bereichen.
Erfassung von Ischämie bei Einzelnen
Für jeden einzelnen Hund in jeder Stufe der Ischämie wurde der Mittelwert von φ für Punkte mit Echobewertung 1 (normal) mit dem Mittelwert von φ für Punkte mit Echobewertung größer oder gleich 3 (hoch) mittels eines angepaßten t-Testes verglichen. Die sich ergebenden P-Werte der t-Tests, die auf Parametern φ zwischen Punkten mit Echo = 1 und zwischen Punkten mit Echo ≥ 3 bewertet worden sind, sind in Tabelle 4 zusammengefaßt. In einigen Fällen konnten die Tests wegen Fehlens von Daten (entweder elektrischen oder Echo) nicht durchgeführt werden. Bei dem Hauptanteil der Fälle, wo Daten verfügbar waren, wurde gefunden, daß die Kennzeichnung der Gewebeeigenschaft (Ischämie) aus den lokalen Elektrogrammen entsprechend dem offenbarten Verfahren statistisch signifikant war.
Tabelle 4
Es wird verstanden werden, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft genannt sind und der volle Umfang der Erfindung nur durch die Ansprüche beschränkt ist, die folgen.

Claims

Vorrichtung zum Kennzeichnen einer Eigenschaft von Herzgewebe an einer lokalen Stelle eines Herzens (29) basierend auf einem lokalen Elektrogramm, das an der Stelle gemessen worden ist, wobei die Vorrichtung aufweist: (a) einen Katheter (21); und (b) einen Prozessor (39) mit signalverarbeitenden Schaltungen (40), dadurch gekennzeichnet, daß die signalverarbeitenden Schaltungen die Funktionen durchführen: (i) Normieren (62) des Elektrogramms; (ii) Extrahieren (64) eines Merkmalvektors aus dem normierten Elektrogramm; (iii) Klassifizieren (68) der Eigenschaft des Herzgewebes an der lokalen Stelle basierend auf dem Merkmalsvektor; und (iv) Berechnen (80) einer Abbildung der Eigenschaft des Gewebes des Herzens (29), wobei der Katheter eine Elektrode (23) zum Messen des lokalen Elektrogramms aufweist, wobei der Katheter weiter einen Positionssensor (28) zum Messen der dreidimensionalen Position der Elektrode während der Messung des Elektrogramms aufweist, so daß die Berechnung einer Abbildung der Eigenschaft des Herzgewebes erleichtert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der dreidimensionale Sensor (28) ein elektromagnetischer Sensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die weiterhin eine Einrichtung (53) zum Ausführen einer Behandlung des Gewebes aufweist.