CN104254277B - 用于定位生物节律异常的源的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开定位心脏节律异常的源的实例系统和方法。根据所述方法，处理第一对心脏信号以界定与所述第一对信号在第一心脏区域的变异性相关的第一系数。此外，处理第二对心脏信号以界定与所述第二对信号在第二心脏区域的变异性相关的第二系数。然后，将所述第一变异性系数与所述第二变异性系数比较以确定指向所述节律异常的源的方向。

Description

用于定位生物节律异常的源的系统和方法
联邦授权
本发明是使用国家卫生研究所(the National Institutes of Health)授予的补助金HL83359和HL103800，在政府支持下完成。政府享有本发明的某些权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年7月27日提交的美国申请第13/559,868号和2011年12月9日提交的美国临时申请第61/569,132号的权益，这些申请的公开内容是以引用全文的方式并入本文。
技术领域
本申请大体上关于生物节律异常。更具体来说，本申请关于识别生物节律异常(如心脏节律异常)的源的系统和方法。
发明背景
心脏节律异常在全世界十分常见而且是发病和死亡的重要诱因。心脏电系统故障是心脏节律异常的直接原因。心脏节律异常以许多种形式存在，其中以心房颤动(AF)、心室性心搏过速(VT)和心室纤维性颤动(VF)最为复杂和最难以治疗。虽然其它节律异常治疗起来较为简单，但也可能是临床显著的，其包括房性心动过速(AT)、室上性心动过速(SVT)、心房扑动(AFL)、房性期前收缩/搏动(SVE)和室性期前收缩/搏动(PVC)。虽然在正常情况下，窦结使心脏保持窦性节律，但在某些情况下，正常窦结的快速激动可导致不适当的窦性心搏过速或窦结折返，这两种情况也属于心脏节律异常。
治疗心脏节律异常，尤其是复杂的AF、VF和VT节律异常极其困难。用于复杂节律异常的药物学疗法并非最优。切除术在心脏节律异常中使用得越来越频繁，通过经血管将传感器/探针调遣到心脏，或直接在手术时安装，并将能量传递到心脏的某一位置，便可减轻和在一些情况中消除心脏节律异常。然而，在复杂的节律异常中，切除术往往遇到困难且无效，因为识别并定位心脏节律异常起因(源)的工具不够精良且会阻碍能量传递到正确的心脏区域以消除异常。
已知用于治疗简单心脏节律异常的某些系统和方法。在简单的心脏节律异常(例如，房性心动过速)中，异常的源可以通过回溯激动的最早位置识别，可以通过切除这个位置减轻和在一些情况中消除异常。然而，即使在简单的心脏节律异常中，切除心脏节律异常的起因将遇到挑战且经验丰富的操刀医师经常需要数小时来切除展示一致逐拍心跳激动模式的简单节律异常(如房性心动过速)。
即使有，但已知成功识别复杂节律异常(如AF、VF或多形性VT)的源或起因的系统和方法甚少。在复杂节律异常中，无法识别激动发起的最早位置，因为激动发起模式逐拍心跳地变化且经常是连续的，不存在最早点或最后点。
诊断并治疗心脏节律异常大体上涉及将具有多个传感器/探针的导管经病患血管导入心脏。传感器检测在传感器所在的心脏位置处的心电活动。电活动大体上被处理成表示传感器位置处的心脏激动的电描记图信号。
在简单的心脏节律异常中，每个传感器位置处的信号大体上是逐拍心跳一致的，从而支持最早激动的识别。然而，在复杂节律异常中，每个传感器位置处的信号可以随着逐拍心跳在各种形状的一种、几种和多种变形之间转变。例如，在AF中当传感器位置的信号包括5、7、11或更多种变形时，那么就难以(虽然并非不可能)识别信号中的哪些变形局限于所述的心脏传感器位置(即，局部激动发起)而非邻近的心脏传感器位置(即，远场激动发起)或简单地是来自病患心脏的另一部分、其它解剖结构或外部电子系统的噪声。以上变形造成难以(虽然并非不可能)识别在传感器位置信号中的心跳的激动发起时间。
在复杂节律异常中的现有策略还将传感器位置处的信号的规律性视为复杂节律异常源(即，在某些传感器位置比邻近传感器位置更有序的源)的代替品。例如，Berenfeld等人的U.S.7,117,030和Gray等人的U.S.5,792,189例举了将可变心房颤动(AF)源视为高度规律的现有方法。然而，这些方法实际上在查找源以治疗人心房颤动方面令人失望。作为另一实例，Sanders等人(Circulation 2005)发现由具有高规律性指数的高光谱域频率指示的规律性位置是复杂(持久)AF中罕有能通过切除术终结AF的位置。其它研究，如Sahadevan(Circulation 2004)识别出人AF中具有快速规律活动的位置，从未发现这些位置会驱动人AF。动物模型(Kalifa，Circulation 2006)和人类研究(Nademanee,J Am Coll2004)提出在接合处可以形成从规律“驱动因子”到可变AF的复杂片段化心房电图(CFAE)。然而，在临床使用时，这种CFAE部位是AF治疗的不良标靶(Oral,Circulation 2007)。
还没有已知能够独立于识别激动发起时间并将其指派给连续心跳信号来识别心脏节律异常的源的系统和方法。由于识别激动发起时间存在困难，所以这极大地限制了心脏节律异常源的诊断，尤其是对于复杂节律异常，而且限制了旨在将其消除的治疗。
发明概要
本发明适用于识别各种节律(包括正常和异常心脏节律)，以及其它生物节律及节律异常(如神经癫痫发作、食道痉挛、膀胱不稳定、肠易激综合征和其它生物异常)的源，可记录其生物信号从而允许确定、诊断和/或治疗异常的起因(或源)。本发明不依赖于或计算任何传感器位置处的信号的激动发起，并因此在提供复杂激动模式和复杂变化心跳信号的复杂节律异常中特别有用。尤其可用于识别心脏节律异常的起因以使可以方便地对其加以治疗。
复杂心脏节律异常一般导致一系列激动模式，其极其难以破译，导致至今仍无法确定心跳的准确激动。本发明的优点尤其在于能够从传感器位置处的信号相对于邻近传感器位置处的信号的变异性识别复杂节律异常的源，从而独立于在这些传感器位置处的信号中指派具体激活发起时间(识别心跳)。如此一来，本发明支持确定待治疗的心脏节律异常的源。另一个优点是本发明提供了当将感测装置(如其上具有传感器的导管)用在病患上或附近时可以快速执行，和接着治疗心脏组织以改善异常和在许多情况种治愈异常的方法和系统。由于本发明将提供心脏节律异常源的位置，因此治疗可以立即进行。
现有方法和系统无法确定节律异常的源并因此无法为有意义且有疗效的治疗提供瞄准所述源的方式。另外，现有方法和系统要求大量且复杂的治疗步骤且仍无法提供确定心脏节律异常的源的方式。相对地，本发明用相对少数量步骤来确定心脏节律异常，包括复杂的心房和心室纤维性颤动节律异常的源。
根据实施方案，公开定位节律异常的源的方法。根据所述方法，处理第一对心脏信号以界定与所述第一对信号在第一心脏区域的变异性相关的第一系数。此外，处理第二对心脏信号以界定与所述第二对信号在第二心脏区域的变异性相关的第二系数。然后，将所述第一变异性系数与所述第二变异性系数比较以确定指向所述节律异常的源的方向。
根据另一实施方案，公开定位心脏节律异常的源的方法。所述方法包括针对在一个或多个第二时间点的第二心脏信号处理在一个或多个第一时间点的第一心脏信号以界定与所述第一心脏信号对所述第二心脏信号的一个或多个坐标对的变异性相关的第一系数。所述方法还包括针对在一个或多个第四时间点的第四心脏信号处理在一个或多个第三时间点的第三心脏信号以界定与所述第三心脏信号对所述第四心脏信号的一个或多个坐标对的变异性相关的第二系数。然后，按照从较低变异性系数到较高变异性系数确定指向节律异常的源的方向。
根据又一实施方案，公开定位心脏节律异常的源的系统。所述系统包括至少一个计算装置，其被配置以处理第一对心脏信号以界定与所述第一对信号在第一心脏区域的变异性相关的第一系数，处理第二对心脏信号以界定与所述第二对信号在第二心脏区域的变异性相关的第二系数，和比较所述第一变异性系数与所述第二变异性系数以确定指向所述节律异常的源的方向。
根据另外又一实施方案，公开定位心脏节律异常的源的系统。所述系统包括至少一个计算装置，其被配置以针对在一个或多个第二时间点的第二心脏信号处理在一个或多个第一时间点的第一心脏信号以界定与所述第一心脏信号对所述第二心脏信号的一个或多个坐标对的变异性相关的第一系数，针对在一个或多个第四时间点的第四心脏信号处理在一个或多个第三时间点的第三心脏信号以界定与所述第三心脏信号对所述第四心脏信号的一个或多个坐标对的变异性相关的第二系数，和从较低变异性系数到较高变异性系数确定指向所述节律异常的源的方向。
根据另一实施方案，公开治疗心脏节律异常的方法。根据所述方法，从多个心脏信号反复选择心脏信号对。每对具有第一心脏信号和不同的第二心脏信号。针对在多个第二时间点的所述不同的第二心脏信号处理在多个第一时间点的所述第一心脏信号以界定每个选择对的所述第一心脏信号对所述不同的第二心脏信号的多个坐标对。确定超过临界值的变异性系数。所述变异性系数可以从每个选择对的所述第一心脏信号与所述第二心脏信号之间的所述多个坐标对计算。
然后构建关于每个选择对的变异性系数矩阵。组织关于彼此相关的反复选择对的系数矩阵。利用组织的系数矩阵定位所述心脏节律异常的一个或多个源。将治疗传递到所述一个或多个源处的心脏组织以抑制或消除所述心脏节律异常。
将通过阅读以下实例实施方案的详细描述并结合附图了解本申请的这些和其它目的、目标和优点。
附图简述
一些实施方案是通过实例的方式阐明且不限制于附图，其中：
图1示出识别心脏节律异常的源的实例系统；
图2示出可用于识别图1中的心脏节律异常的源的实例导管；
图3A至图3B示出来自定位于图1中示出的心脏传感器位置的传感器的心脏节律异常的实例简单电描记图信号和心脏节律异常的复杂电描记图信号；
图4A示出按照从图1示出的心脏的某些传感器位置的规律信号活动(低变异性)向邻近传感器位置的不规律信号活动(高变异性)的方向识别心脏节律异常的源的实例方法；
图4B至图4F示出按照从图1中示出的心脏的某些传感器位置的规律信号活动(低变异性)向邻近传感器位置的不规律信号活动(高变异性)的方向识别心脏节律异常的源的实例方法；
图5是示出确定周期性重复活动和/或变异性以识别心脏节律异常的源的实例方法的流程图；
图6A至图6E示出心脏节律异常的源的实例迁移(轨迹)和变异性系数(或规律性指数)识别这种心脏节律异常源的用途；
图7示出识别心脏节律异常的源的周期性重复活动(规律性)指数的实例图；和
图8是通用计算机系统的说明性实例的块图。
具体实施方式
本文公开用于识别心脏节律异常的源的系统和方法。在以下描述中，出于解释的目的，描述了大量具体细节以提供对实例实施方案的全面理解。然而，本领域技术人员将明白实例实施方案可以在无需所有公开的具体细节下实施。
图1示出识别心脏节律异常的源的实例系统100。具体来说，所述实例系统100被配置以检测从病患心脏收集/检测到的与心脏节律异常有关的心脏信息(信号)。所述系统100还被配置以处理所述信号从而确定病患心脏中与不同于病患心脏中的多个邻近组织区域的规律度(例如，较高规律性)的规律度(例如，较低规律性)相关的区域。例如，确定为具有被低变异性(高规律性)包围的高变异性(低规律性)的区域指示了所述心脏节律异常的源。所述心脏包括右心房122、左心房124、右心室126和左心室128。
所述实例系统100包括导管102、信号处理装置114、计算装置116和分析数据库118。
所述导管102被配置以检测心脏中的心脏激动信息并将检测到的心脏激动信息经无线连接、有线连接或有线连接与无线连接两者的组合传输到所述信号处理装置114。所述导管包括可经病患血管插入心脏的多个探针/传感器104至探针/传感器112。
在一些实施方案中，传感器104至传感器112中的一个或多个可以不插入病患心脏。例如，一些传感器可以经由病患表面(例如，心电图-ECG)或远程而不接触病患(例如，心磁图)地检测心脏激动。作为另一个实例，一些传感器还可以从非电学感测装置的心脏运动推导出心脏激动信息(例如，超声波心动图)。在各个实施方案中，这些传感器可分开或按不同组合使用，且这些分开或不同组合还可以与插入病患心脏的传感器组合使用。
定位在所关注的心脏传感器位置的传感器104至传感器112可以检测在所述传感器位置处的心脏激动信息且还可以传递能量以在所述传感器位置切除心脏。注意传感器104至传感器112还可以从重叠的心脏区域(例如，右心房122和左心房124)检测心脏激动信息。
所述信号处理装置114被配置以将由传感器104至传感器112在传感器位置检测到的心脏激动信息处理(例如，净化和放大)成电描记图信号并将经处理的信号提供给计算装置116用于根据本文公开的方法加以分析。在处理来自传感器104至传感器112的心脏激动信息时，信号处理装置114可以减去来自心脏120的重叠区域的心脏激动信息以将经处理的信号提供给计算装置116用于处理。虽然在一些实施方案中，所述信号处理装置114被配置以提供单极信号，但在其它实施方案中，信号处理装置114可提供双极信号。
所述计算装置116被配置以从所述信号处理装置114接收检测到/经处理的信号且还被配置以根据本文公开的方法分析所述信号以确定病患心脏的邻近区域的规律度(或变异度)，从而可以生成可用于定位心脏节律异常源和消除所述源的邻近区域规律性(或变异性)映射图(表示)。
分析数据库118被配置以支持或辅助计算装置116的信号分析。在一些实施方案中，分析数据库118可储存与一段时间内在多个邻近传感器位置处的信号相关或基于其产生的规律性映射图，本文将更详细描述。所述分析数据库118还可提供与所述规律性映射图相关的中间数据的储存。
图2示出经由在所关注的心脏120传感器位置处的多个传感器240检测电信号的实例导管200。导管200可类似于或不同于导管102且传感器240可以类似于或不同于图1中的传感器104至传感器112。
导管200包括多个齿槽(或经络)220，每个可以包括多个传感器(或探针)240。通过沿杆轴245转动，齿槽或经络220可以如230所描绘般从空间上更广阔地间隔或分离或如235所描绘般从空间上更贴近地间隔。
传感器240的不同空间排列(经由齿槽220的空间分离)可以具有从空间上延伸所关注的心脏120面积的作用。按照空间排列定位在所关注的心脏120传感器位置的传感器240可以检测在所述传感器位置处的心电信号且还可以传递能量以在所述传感器位置处切除(或按其它治疗方式治疗)心脏。
可使用具有各种传感器240空间排列的不同导管，如螺旋、径向辐条或其它空间排列。
图3A示出来自定位于心脏120的传感器位置的传感器的心脏节律异常的简单心电图信号的实例。
作为实例，所述心脏节律异常可以是复杂节律异常AF、VF和多形性VT，或另一种心脏节律异常。在这个实例中，信号大体上展示可识别激动发起(例如，对于心跳来说)。心跳可表征为具有尖锐转折点和高斜率去极化的激动发起，接着一段温和、低斜率再极化期，这一般持续约100ms与250ms之间。
图3A中的简单信号之间的规律或相位关系大体上易于识别。
图3B示出来自定位于心脏120的传感器位置的传感器的心脏节律异常的复杂心电图信号的实例。作为实例，所述心脏节律异常可以是复杂节律异常AF、VF和多形性VT，或另一种心脏节律异常。
图3B中的信号大体上不展示可识别激动发起(例如，对于心跳来说)。所述信号包括由心脏节律异常导致的多个短时间变形，其造成激动发起(去极化)的辨别(去极化)过于困难。类似地，图3B中的复杂信号之间的规律或相位关系不容易辨别。
图4A示出按照从图1示出的心脏120的某些传感器位置的规律信号活动(低变异性)向邻近传感器位置的不规律信号活动(高变异性)的方向识别心脏节律异常的源的实例方法。
版面400示出从图1的心脏120中的邻近传感器位置(例如，不同区域)，(如)经由导管102、导管200中的电极获得的多个实例信号(例如，ECG信号)。为了阐明所述实例方法，从传感器位置选择一对信号(例如，两(2)个实例信号)标记为SIG.1和SIG.2。注意可以从导管102、导管200获得多个信号，例如64个、128个或另一个数目的信号。所述对中的每个信号是电压时间序列。所述信号具有如导管102、导管200的传感器所检测般沿信号可变的振幅(例如，电压)。可根据本文公开的实例方法沿实例信号SIG.1、SIG.2中的每个识别或选择大量时间点。
如版面410所示，在SIG.1中选择一个或多个时间点和在SIG.2中选择对应(例如，同期)一个或多个时间点。在SIG.1、SIG.2中的这些对应时间点被归集(例如，配对)成这个信号对的一个或多个坐标对。例如，版面420用图形示出信号对SIG.1、SIG.2之间的这种时间点归集。界定或确定所述一个或多个坐标对的变异性系数。在版面430示出的一个实例中，可从SIG.1的时间点向SIG.2的时间点的转换矩阵M界定信号对中的这些坐标对的变异性系数。例如，可将矩阵M中的值取平均以界定所述变异性系数。可使用其它评价技术，如标准偏差分析、频率分析、熵分析、互相关分析、随机分析、蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟法、混沌量化和/或其它复杂统计学分析，以及其组合。
可对版面400中示出的不同信号对重复版面400至版面430中描述的处理。重申可以从导管102、导管200获得多个信号，例如64个、128个或另一个数目的信号。例如，可以在SIG.3(未示出)中选择一个或多个时间点和在SIG.4(未示出)中选择对应(例如，同期)一个或多个时间点，所述SIG.3、SIG.4可以是第二信号对SIG.3、SIG.4。在一些实施方案中，SIG.3可以是SIG.1，例如，第一对信号与第二对信号之间的共有信号。在其它实施方案中，这两个信号在两个不同信号对之间可以不同。在SIG.3、SIG.4中的对应时间点被归集(例如，配对)成一个或多个坐标对。界定或确定第二信号对SIG.3、SIG.4的一个或多个坐标对的变异性系数，类似或不同于上文在第一信号对SIG 1、SIG 2中所描述。
然后，可按照从经处理的不同信号对之间的较低变异性系数(规律)向较高变异性系数的方向确定异常的源。例如，如版面440中所示，第一信号对可具有低变异性系数。换言之，第一信号对中的信号可以为规律的，例如，振幅(电压)和时间上非无序。如版面450中所示，第二信号对可具有高变异性系数。换言之，第二信号对中的信号可以是不规律的或具有比第一信号对中的信号高的变异性，例如，振幅(电压)和/或时间上无序。因此，复杂节律异常的源位于较高变异性的方向。
作为另一个实例，如版面460中所示，第三信号对可具有低变异性系数。换言之，第三信号对中的信号可以是规律的，例如，振幅(电压)和时间上非无序。如版面470中所示，第四信号对可具有高变异性系数。换言之，第四信号对中的信号可以不规律或具有比第三信号对中的信号高的变异性，例如，振幅(电压)和/或时间(偏移)上无序。因此，复杂节律异常的源位于较高变异性的方向。例如，版面400的不同信号对之间的最高变异性可以由最大振幅无序(变异性)和最大延时无序(变异性)表示。
图4B至图4F示出按照从图1示出的心脏120中的某些传感器位置的规律信号活动(低变异性)向邻近传感器位置的不规律信号活动(高变异性)的方向识别心脏节律异常的源的实例方法。
图4B示出从图1的心脏120中的三个邻近传感器位置(标记为部位1、部位2和部位3)，(如)经由导管102、导管200中的电极获得的三(3)个实例信号(例如，ECG信号)。对于后续处理实例，可以将来自部位1和部位2的信号视为第一信号对，同时可以将来自部位2和部位3的信号视为第二信号对，其中来自部位2的信号为信号对所共有。重申可以从导管102、导管200获得多个信号，例如64个、128个或另一个数目的信号。信号中的每个是电压时间序列。所述三个信号具有如导管102、导管200的传感器所检测般沿信号可变的振幅(例如，电压)。为简明描述根据如下所述的实例方法的信号处理，图示了信号中的四个实例时间点(A、B、C和D)。然而，应注意沿可以根据本文公开的实例方法加以处理的每个实例信号存在大量时间点。
根据所述实例方法，可以确定每个信号在所述多个选择时间点的导数。所述导数可以是零阶导数或较高阶导数(例如，一阶导数或二阶导数)。例如，确定第一(分析)心脏信号在多个第一时间点(例如，A、B、C和D)的导数。作为另一实例，可以确定第二(参考)心脏信号在多个第二时间点(例如，A、B、C和D)的导数。类似地，确定第三心脏信号在多个第三时间点(例如，A、B、C和D)的导数。在一些实施方案中，不同信号中的所述多个时间点是同期的。再次注意信号包括可以根据如本文描述的实例方法加以处理的大量时间点。
参考图4C，可以针对第二(参考)心脏信号在多个第二时间点的导数处理第一(分析)心脏信号在多个第一时间点的导数以界定第一信号对中的第一心脏信号对第二心脏信号的多个坐标对。这些坐标对可以维持在存储器中和/或保存到数据库118。在一些实施方案中，与针对第二心脏信号处理第一心脏信号相关的所述多个坐标对可加以描点并连接以生成多个闭环。例如，与实例时间点A至实例时间点D相关的坐标对可加以描点并连接以生成如图4C的左部所示的第一闭环。
可对多个第一和第二时间点重复所述描点和连接以生成如图4C的右部所示的多个闭环。在这个实例中，出于说明目的，在图4C的左部示出了基于时间点A至时间点D的单个闭环。所述单个闭环可以表示心脏节律的单个循环，而多个闭环可以表示心脏节律的多个循环。如图4C的右部中所示，在图4C的右部中的闭环观察到高规律度(例如，低变异度)。注意可对第一(分析)心脏信号与不同的第二(参考)心脏信号(即，邻近64或128个信号中的其它信号)重复相同处理。
在图4D中，可针对第三(参考)心脏信号在多个第三时间点的导数处理第二(分析)心脏信号在图4B的多个时间点的导数以界定第二信号对中的第二心脏信号对第三心脏信号的多个坐标对。这些坐标对可以维持在存储器中和/或保存到数据库118。在一些实施方案中，与针对第三心脏信号处理第二心脏信号相关的所述多个坐标对可加以描点并连接以生成多个闭环。注意可以针对不同的第三(参考)心脏信号(即，邻近64或128个信号中的其它信号)对第二(分析)心脏信号重复相同处理。
再参考图4D，可以对多个第二和第三时间点重复描点和连接以生成如图4D的右部所示的多个闭环。在这个实例中，出于说明目的，图4D的左部示出了基于时间点A至时间点D的单个闭环。所述单个闭环可以表示心脏节律的单个循环，而多个闭环可以表示心脏节律的多个循环。如图4D的右部所示，在图4D的右部的闭环之间观察到低规律度(高变异度)。
在图4E中，可确定关于第一信号对中的第一心脏信号(分析信号)对第二(参考)心脏信号的规律性指数。可确定变异性指数来替代规律性指数。在一些实施方案中，所述变异性指数是规律性指数的倒数。高规律性指数(或低变异性指数)指示第一心脏信号与第二心脏信号之间的多个坐标对的近似同余性(例如，数学同余性)。可以确定在时间域、频率域和空间域之一中的规律性指数(变异性指数)。还可以使用本文描述的各种其它方法。可以进一步确定图4E的规律性指数是否超过临界值。在一些实施方案中，所述临界值被定义以指示第一(分析)心脏信号对第二(参考)心脏信号(即，对于来自64或128个传感器位置的信号重复的邻近八(8)个信号)的所有规律性指数的顺数某一百分位(例如，顺数第5个百分位)。可使用不同百分位，例如，第10个百分位，或另一个百分位数。类似地，可以对变异性系数界定各个百分位，例如，变异性的顺数第5或第10百分位。
参考频率域，可利用与所述多个坐标对(或闭环)相关的被选择参数实施频率分析(例如，傅里叶分析)以生成如图4E中所示的频谱。所述被选择参数可以是振幅(例如，电压)、角度、矢量、面积和导数。然后，在图4E的频谱中确定至少一个峰。在一些实施方案中，所述至少一个峰可包括基频。在其它实施方案中，所述至少一个峰可包括所述基频且还有基频的一个或多个谐波。在还有其它实施方案中，所述至少一个峰可只包括基频的谐波中的一个或多个，即，可排除所述基频。
在实施频率分析时，可计算在图4E的频谱中的至少一个峰的面积和。结果(例如，规律性指数)可通过用所述至少一个峰的所述面积和除以在预定义频率范围内(如约4Hz与约12Hz之间)的频谱的总面积计得。在一些实施方案中，可以定义其它频率范围。可确定所述结果(规则性指数)是否超过临界值，如第一(分析)心脏信号对第二(参考)心脏信号(即，对于来自64或128个传感器位置的信号重复的邻近八(8)个信号)的所有规律性指数的顺数某一百分位(例如，顺数第5个百分位)。例如，如图4E所示的图4C的坐标对的规律性指数为0.178，指示第一信号对中的第一心脏信号对第二心脏信号的高规律度。在频率分析中，规律性指数可以在约0.0与约1.0之间的范围内。变异性指数可表示为规律性指数的倒数，或可利用本文描述的计算方法计算。类似地，可以对变异性指数或变异性系数界定各个百分位。
在图4F中，确定关于第二信号对中的第二(分析)心脏信号对第三(参考)信号的规律性指数。可确定变异性指数或变异性系数来替代规律性指数。在一些实施方案中，所述变异性指数是规律性指数的倒数。高规律性指数(或低变异性指数)指示第二心脏信号与第三心脏信号之间的多个坐标对的近似同余性(例如，数学同余性)。如上所述，可以确定在时间域、频率域和空间域之一中的规律性指数(变异性指数)。可使用本文描述的各种方法。可以进一步确定图4F的规律性指数是否超过临界值。在一些实施方案中，所述临界值指示第二(分析)心脏信号对第三(参考)心脏信号(即，对于来自64或128个传感器位置的信号重复的邻近八(8)个信号)的所有规律性指数的顺数某一百分位(例如，顺数第5个百分位)。可使用不同百分位，例如，第10个百分位，或另一个百分位数。类似地，还可以对变异性系数界定各个百分位，例如，变异性的顺数第5或第10百分位。
此外，可利用与所述多个坐标对相关的被选择参数实施频率分析(例如，傅里叶分析)以生成如图4F中所示的频谱。所述被选择参数可以是振幅(例如，电压)、角度、矢量、面积和导数。然后，可在图4F的频谱中确定至少一个峰。在一些实施方案中，所述至少一个峰包括基频。在其它实施方案中，所述至少一个峰可包括所述基频且还有基频的一个或多个谐波。在还有其它实施方案中，所述至少一个峰可只包括基频的谐波中的一个或多个，即，可排除所述基频。
在实施频率分析时，可计算在图4F的频谱中的至少一个峰的面积和。结果(即，规律性指数)是通过用所述至少一个峰的所述面积和除以在预定义频率范围内(如约4Hz与约12Hz之间)的频谱总面积计得。在一些实施方案中，可以定义其它频率范围。可确定所述结果(规则性指数)是否超过临界值，例如，第一(分析)心脏信号对第二(参考)心脏信号(即，对于来自64或128个传感器位置的信号重复的邻近八(8)个信号)的所有规律性指数的顺数某一百分位(例如，顺数第5个百分位)。例如，如图4F中所示的图4D的坐标对的规律性指数为0.073，指示第二心脏信号对第三心脏信号的低规律度。变异性指数可表示为规律性指数的倒数，或可利用本文描述的计算方法计算。类似地，可以对变异性指数界定各个百分位。
如图4C和图4E中所示，第一信号对可具有低变异性系数(高规律性指数)。换言之，第一信号对中的信号可以为规律的，例如，振幅(电压)和时间上非无序。如图4D和图4F中所示，第二信号对可具有高变异性系数(低规律性指数)。换言之，第二信号对中的信号可以是不规律的或具有比第一信号对中的信号高的变异性，例如，振幅(电压)和/或时间上无序。因此，可确定复杂节律异常的源位于较高变异性的方向，从第一对沿第二信号对的方向。
图5是示出确定周期性重复活动和/或变异性以识别心脏节律异常的源的实例方法500的流程图。所述方法开始于操作502。在操作504、操作506中，从多个心脏信号选择一对心脏信号，表示信号对。具体来说，在操作504中从所述多个信号选择第一(分析)信号并在操作506中从所述多个信号选择第二不同(参考)信号。如本文所述，可以存在64个、128个或另一个数目的信号。所述信号可以是经由图1的信号处理装置114处理的ECG信号。
在操作508，参考第一心脏信号相对于第二心脏信号的处理选择关于被选择的信号对的时间点。在操作510中，可利用所述时间点计算关系特性。可以将这个(些)特性储存在(如)数据库118中。所述特性可以识别时间点之间的关系。在一些实施方案中，可以确定每个信号在选择时间点的导数。具体来说，可以针对第二心脏信号在选择时间点的导数处理第一心脏信号的导数以界定选择信号对的第一心脏信号对第二心脏信号的坐标对。
在操作512，确定是否已处理选择信号对的所有时间点。如果确定未处理所有时间点，那么所述方法继续实施操作508至操作512直至所有时间点均已被处理。如果确定已处理所有时间点，那么所述方法500继而进行操作514。
在操作514，(例如)利用所述关系特性计算选择信号对中的信号之间的变异性指数或变异性系数(或规律性指数)。可使用本文描述的各种技术，如标准偏差分析、频率分析、熵分析、互相关分析、随机分析、蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟法、混沌量化和/或其它复杂统计学分析，以及其组合。在操作516，确定是否已使用与选择的第一(分析)信号有关的所有所需第二(参考)信号。如果确定未使用所有所需的第二信号，那么方法500继续操作506至操作516直至已使用与第一选择信号有关的所有所需第二信号。在一些实施方案中，与针对不同的信号对在所述多个时间点的所有第二(参考)心脏信号处理第一(分析)心脏信号相关的坐标对可加以描点并连接以生成如图4所示的多个闭环。在其它实施方案中，可以将变异性系数(或规律性指数)作为矩阵储存(例如，在数据库118中)。
如果确定已处理所有所需的第二信号，那么方法500继而进行操作518，确定是否已使用所有所需的第一(分析)信号。如果确定未使用所有所需的第一信号，那么方法500继续操作504至516直至已使用所有所需的第一信号。
在操作520，确定是否使用了多个第一信号和多个第二信号。如果确定未使用多个信号，那么在操作522可以返回关于选择的第一和第二信号(即选择信号对)的变异性系数(或规律性指数)。然而，如果确定使用了多个第一信号和多个第二信号(即多个信号对)，那么在操作524描点关于第一信号和第二信号的每个信号对的变异性系数矩阵(或规律性指数矩阵)。(见图7中的点图)。在一些实施方案中，变异性系数(或规律性指数)可以维持在存储器中和/或储存在数据库118中。可利用不同颜色指示或识别超过一个或多个临界值的一个或多个变异性系数(规律性指数)，如本文将参考图6和图7所描述。如本文所描述，可使用临界值来指示变异性系数(或规律性指数)的顺数某一百分位(例如，顺数第5个百分位)。所述方法结束于操作526。
图6A至图6E示出心脏节律异常的源的实例迁移(轨迹)和变异性系数(规律性指数)识别病患中的这种心脏节律异常源的用途。具体来说，图6A至图6E示出单纯通过在被所述变异性系数(规律性指数)识别的AF源处切除来终结的心房颤动(AF)。在图6A中，传统上利用激动时间的等高线(例如，等时线)将AF期间的左心房转动源可视化。图6B示出AF源在图6A的迁移轨迹所示出的小区域中移动(前进)。
在图6C中，变异性系数(规律性指数)阐明了相对于周围邻近的低变异性或高规律性区域(较暖色)的高变异性或低规律性区域(冷色，由箭矢指示)。这个区域是AF的源且与图6A中的转动源准确吻合。如图6C的病患特异几何形状所示，AF的源是在左心房下部。在图6D中，示出AF期间的电极信号，在切除被低变异性或高规律性区域包围的高变异性或低规律性区域(即图6A中的源)后的<1分钟内，AF终止，变为窦性节律(ECG导联aVF，和在切除导管、冠状窦上的电极)。在图6E中，示出参考病患的窦性节律的等时线映射图。这个病患在植入式心脏监测器上保持无AF。(比例尺：1cm)。
图7示出识别心脏节律异常的源的规律性指数的实例图。
可以将关于每个处理信号的变异性系数(规律性指数)的实例图生成为子图网格，每个子图示出使用不同的第一(分析)信号和针对第一信号处理的每一个第二(参考)信号的变异性系数(规律性指数)。然后，可以生成作为子图的组合的实例图。所述实例图将每个信号按照与其它信号的大致空间关系加以排列。将颜色指派给每个传感器位置处的像素，表示关于所述信号对的变异性系数(规律性指数)的值。例如，可以将较低变异性系数(较高规律性指数)编码为红色，同时可将较高变异性系数(较低规律性指数)编码为蓝色。随后可以将每个第一(分析)信号的子图放置到表示那个第一信号相对其它经处理第一(分析)信号的空间位置的较大实例图中，创建如图7中所示的8x8图。
如图7中所示，可确定包围高变异性或低规律性中心区域(冷色)的低变异性或高规律性区域(暖色)。黑色箭矢指示成功切除部位。因此，可确定被低变异性(高规律性)区域包围的高变异性(低规律性)区域用于切除以消除心脏节律异常的源。
图8是通用计算机系统800的说明性实施方案的块图。计算机系统800可以是图1的信号处理装置114和计算装置116。计算机系统800可以包括一组指令，其可供执行以促使计算机系统800实施本文公开的方法或计算机功能中的一个或多个。计算机系统800或其任何部分可以作为独立式装置操作或可以(例如)利用网络或其它连接方式连接到其它计算机系统或周边装置。例如，计算机系统800可以可操作连接到信号处理装置114和分析数据库118。
在如图1至图7所描述的操作中，可利用如本文所描述的心脏节律异常源的识别方法识别疗法有效的病患并辅助引导这种疗法，这可以包括将切除、电能、机械能、药物、细胞、基因和生物剂传递到识别的心脏源的至少一部分。
计算机系统800还可以实现为或合并到各种装置，如个人计算机(PC)、平板PC、个人数字助理(PDA)、移动装置、掌上计算机、膝上型计算机、台式计算机、通信装置、控制系统、网页设备或能够执行指定计划由那台机器采取的行动的一组指令的任何其它机器。此外，虽然示出了单个计算机系统800，但术语“系统”应视为包括任何个别或共同执行一组或多组指令以实施一种或多种计算机功能的任何系统集或子系统集。
如图8中示出，计算机系统800可以包括处理器802，例如，中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或两者。此外，计算机系统800可以包括可经由总线826相互通信的主存储器804和静态存储器806。如图所示，计算机系统800还可以包括视频显示单元810，如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)、平板显示器、固态显示器或阴极射线管(CRT)。另外，计算机系统800可以包括输入装置812，如键盘，和光标控制装置814，如鼠标。计算机系统800还可以包括磁盘驱动单元816、信号产生装置822(如扬声器或远程控制)和网络接口装置808。
在如图8中描绘的特定实施方案中，磁盘驱动单元816可以包括计算机可读介质818，其中可嵌入一组或多组指令820，例如，软件。此外，指令820可以体现如本文所描述的方法或逻辑中的一个或多个。在特定实施方案中，指令820在供计算机系统800执行期间可以完全或至少部分驻留在主存储器804、静态存储器806和/或处理器802内。主存储器804和处理器802还可以包括计算机可读介质。
在替代实施方案中，可以构建专用硬件实现，如专用集成电路、可编程逻辑阵列和其它硬件装置以实现本文描述的方法中的一个或多个。可以包括各个实施方案的设备和系统的应用程序可以从广义上包括各种不同的电子和计算机系统。本文描述的一个或多个实施方案可以利用两个或更多个特殊的互连硬件模块或装置连同可在模块之间和经模块通信的有关控制和数据信号实现功能，或实现为专用集成电路的一部分。因此，本系统涵盖软件、固件和硬件实现。
根据各个实施方案，本文描述的方法可以通过有形体现在处理器可读介质中的软件程序实现且可以供处理器执行。此外，在例示、非限制性实施方案中，实现可以包括分布式处理、组件/对象分布式处理和平行处理。或者，可以构建虚拟计算机系统处理以实现如本文描述的方法或功能中的一个或多个。
还预期计算可读介质包括指令820或响应传播信号接收并执行指令820，以使连接到网络824的装置可以经网络824通信音频、视频或数据。
此外，指令820可以在网络824上经由网络接口装置808传输或接收。
虽然将计算机可读介质示出为单个介质，但术语“计算机可读介质”包括单个介质或多个介质，如集中或分布式数据库，和/或储存一组或多组指令的相关缓存器和服务器。术语“计算机可读介质”应还包括能够储存、编码或承载供处理器执行或促使计算机系统实施本文公开的方法或操作中的任何一个或多个的一组指令的任何介质。
在特定非限制性实例实施方案中，计算机可读介质可以包括容置一个或多个非易失性只读存储器的固态存储器，如记忆卡或其它包装。此外，计算机可读介质可以是随机访问存储器或其它易失性可重写存储器。另外，计算机可读介质可以包括磁光或光学介质，如捕捉载波信号(如在传输介质上通信的信号)的磁盘或磁带或其它储存装置。可以将电子邮件的数字文件附件或其它自含式信息存档或存档集合视为等效于有形储存介质的分布介质。因此，本文包括其中可以储存数据或指令的计算机可读介质或分布介质和其它等效物和后继介质。
根据各个实施方案，本文描述的方法可以实现为运行在计算机处理器上的一个或多个软件程序。可以类似地构建专用硬件实现，包括，但不限制于，专用集成电路、可编程逻辑阵列和其它硬件装置以实现本文描述的方法。此外，还可以构建备选软件实现，包括，但不限制于，分布式处理或组件/对象分布式处理、平行处理或虚拟机处理，以实现本文描述的方法。
还应注意实现公开方法的软件可以任选储存在有形储存介质上，如：磁性介质，如磁盘或磁带；磁光或光学介质，如磁盘；或固态介质，如容置一个或多个只读(非易失性)存储器、随机访问存储器或其它可重写(易失性)存储器的记忆卡或其它包装。软件还可以利用含计算机指令的信号。可以将电子邮件的数字文件附件或其它自含式信息存档或存档集视为等效于有形储存介质的分布介质。因此，本文包括其中可以储存本文软件实现的如本文列出的有形储存介质或分布介质，和其它等效物和后继介质。
因此，已描述了识别生物节律异常的系统和方法。虽然已描述具体实例实施方案，但将明白可以在不脱离本发明的广义范围下对这些实施方案采取各种修改和变化。因此，说明书和图示应按说明性而非限制性观念看待。构成本文一部分的附图按说明和非限制的方式示出了可以实践主题的具体实施方案。充分详细地描述了图示的实施方案以使本领域技术人员能够实践本文公开的教义。其它实施方案可加以利用和推导，使得可以在不脱离公开内容的范围下实施结构和逻辑取代和变化。因此，具体实施方式不应按限制性理念对待，且各个实施方案的范围只由随附权利要求以及有权享有这些权利要求的等价内容的完全范围界定。
为求方便且不希望自愿将本申请的范围限制于任何单个发明或发明概念(如果实际上公开超过一个)，发明主题的这些实施方案在本文可以个别和/或共同地用术语“本发明”指称。因此，虽然本文已图示和描述具体实施方案，但应明白可以用计算以实现相同目的的任何排列取代示出的具体实施方案。本公开内容希望覆盖各个实施方案的任何和所有改编和变化。本文可以使用并充分考虑了任何上述实施方案与本文未具体描述的其它实施方案的组合。
摘要是依照37C.F.R.§1.72(b)提供且将允许读者快速确定技术公开内容的属性和主旨。应理解提交的摘要并非用于解释或限制权利要求的范围或含义。
在实施方案的以上描述中，出于精简公开内容的目的将各种特征一起归集在单个实施方案中。公开内容的这个方法不应理解为反映要求的实施方案具有比每个权利要求明确引述更多的特征。相对地，如以下权利要求所反映，发明主题可以不依赖于单个公开的实施方式的所有特征。因此，特此将以下权利要求并入实施方案的描述中，每个权利要求本身作为不同的实例实施方案。

Claims (28)

1.一种定位心脏节律异常的源的方法，所述方法包括：
处理第一对心脏信号以界定与所述第一对心脏信号在第一心脏区域的变异性相关的第一变异性系数；
处理第二对心脏信号以界定与所述第二对心脏信号在第二心脏区域的变异性相关的第二变异性系数；
比较所述第一变异性系数与所述第二变异性系数；和
基于所述比较确定指向所述节律异常的所述源的方向。
2.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述第一对心脏信号包括针对在一个或多个第二时间点的第二心脏信号处理在一个或多个第一时间点的第一心脏信号以基于所述第一心脏信号对所述第二心脏信号的一个或多个坐标对界定所述第一变异性系数。
3.根据权利要求2所述的方法，其中处理所述第二对心脏信号包括针对在一个或多个第四时间点的第四心脏信号处理在一个或多个第三时间点的第三心脏信号以基于所述第三心脏信号对所述第四心脏信号的一个或多个坐标对界定所述第二变异性系数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一心脏信号和所述第三心脏信号包括共有信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一心脏区域和所述第二心脏区域是不同的心脏区域。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一心脏区域和所述第二心脏区域是相同的心脏区域。
7.根据权利要求1所述的方法，其中从所述第一对心脏信号和所述第二对心脏信号中至少一对之间的信号定时变异性和信号振幅变异性中的至少一个确定所述第一变异性系数和所述第二变异性系数中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的方法，其中从所述第一对心脏信号和所述第二对心脏信号中至少一对之间的信号形状变异性确定所述第一变异性系数和所述第二变异性系数中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的方法，其中通过选自由标准偏差分析、频率分析、熵分析、互相关分析、随机分析、蒙特卡罗模拟法、混沌量化和其组合组成的组的一种或多种方法确定所述第一变异性系数和所述第二变异性系数中的至少一个。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述变异性在于振幅、电压、动作、方向、阻抗和传导性中的一个或多个。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述变异性在于时间。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括：
从多个心脏信号反复选择所述第一对心脏信号和所述第二对心脏信号，每个反复选择的对有不同的至少一个心脏信号；
处理来自每次反复的每对的第一反复选择信号和第二反复选择信号以分别界定所述第一变异性系数和所述第二变异性系数；
构建与所述反复选择的心脏信号对的变异性相关的系数矩阵；和
利用所述系数矩阵确定所述节律异常的一个或多个源。
13.根据权利要求12所述的方法，其中确定所述一个或多个源包括：
从所述系数矩阵识别被较低变异性系数区域包围的与较高变异性系数相关的一个或多个心脏区域。
14.根据权利要求1所述的方法，所述节律异常的所述源位于从较低变异性系数向较高变异性系数的方向。
15.一种定位心脏节律异常的源的系统，所述系统包括至少一个计算装置，其被配置以：
处理第一对心脏信号以界定与所述第一对心脏信号在第一心脏区域的变异性相关的第一变异性系数；
处理第二对心脏信号以界定与所述第二对心脏信号在第二心脏区域的变异性相关的第二变异性系数；
比较所述第一变异性系数与所述第二变异性系数；和
基于所述比较确定指向所述节律异常的所述源的方向。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述至少一个计算装置被配置以针对在一个或多个第二时间点的第二心脏信号处理在一个或多个第一时间点的第一心脏信号从而基于所述第一心脏信号对所述第二心脏信号的一个或多个坐标对界定所述第一变异性系数。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述至少一个计算装置被配置以针对在一个或多个第四时间点的第四心脏信号处理在一个或多个第三时间点的第三心脏信号从而基于所述第三心脏信号对所述第四心脏信号的一个或多个坐标对界定所述第二变异性系数。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述第一心脏信号和所述第三心脏信号包括共有信号。
19.根据权利要求15所述的系统，其中所述第一心脏区域和所述第二心脏区域是不同的心脏区域。
20.根据权利要求15所述的系统，其中所述第一心脏区域和所述第二心脏区域是相同的心脏区域。
21.根据权利要求15所述的系统，其中从所述第一对心脏信号和所述第二对心脏信号中至少一对之间的信号定时变异性和信号振幅变异性中的至少一个确定所述第一变异性系数和所述第二变异性系数中的至少一个。
22.根据权利要求15所述的系统，其中从所述第一对心脏信号和所述第二对心脏信号中至少一对之间的信号形状变异性确定所述第一变异性系数和所述第二变异性系数中的至少一个。
23.根据权利要求15所述的系统，其中通过选自由标准偏差分析、频率分析、熵分析、互相关分析、随机分析、蒙特卡罗模拟法、混沌量化和其组合组成的组的一种或多种方法确定所述第一变异性系数和所述第二变异性系数中的至少一个。
24.根据权利要求15所述的系统，其中所述变异性在于振幅、电压、动作、方向、阻抗和传导性中的一个或多个。
25.根据权利要求15所述的系统，其中所述变异性在于时间。
26.根据权利要求15所述的系统，其中所述至少一个计算装置被配置以：
从多个心脏信号反复选择所述第一对心脏信号和所述第二对心脏信号，每个反复选择的对有不同的至少一个心脏信号；
处理来自每次反复的每对的第一反复选择信号和第二反复选择信号以分别界定所述第一变异性系数和所述第二变异性系数；
构建与所述反复选择的心脏信号对的变异性相关的系数矩阵；和
利用所述系数矩阵确定所述节律异常的一个或多个源。
27.根据权利要求26所述的系统，其中所述至少一个计算装置还被配置以从所述系数矩阵识别被较低变异性系数区域包围的与较高变异性系数相关的一个或多个心脏区域以确定所述节律异常的一个或多个源。
28.根据权利要求15所述的系统，其中所述节律异常的所述源位于从较低变异性系数指向较高变异性系数的方向。
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