基于模型的射频消融手术辅助系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于模型的射频消融手术辅助系统。本发明专利技术拟建立心内电信号的生成以及传导的通用心脏模型，结合射频消融手术中心内电信号观测以及心脏电生理领域的相关知识，对疑似的心脏状态列举、建模并进行参数识别；利用疑似心脏状态的模型对心内电信号进行标注，为医生提供当前心脏可能状态的估计，以达到更加快速精确的诊断。加快速精确的诊断。加快速精确的诊断。

【技术实现步骤摘要】
基于模型的射频消融手术辅助系统


[0001]本专利技术涉及一种可用于射频消融手术中的用于辅助医生进行患者心脏状态判断的辅助系统。

技术介绍

[0002]随着我国人口老龄化的加快，心律不齐，尤其是快速心律不齐(Tachycardia)，已经成为危害我国人民身体健康的重要疾病之一。心肌有节律的跳动由心内电信号触发，心脏内的电信号传导通路可以被抽象为一个拓扑网络其中V 为心脏组织，E是连接心脏组织的传导路径。电信号由特定心脏组织产生并沿拓扑网络进行传导，电信号的产生和传导异常会导致心律不齐，其中快速心律不齐会造成心脏泵血效率下降，引发心肌缺血，甚至死亡。
[0003]射频消融手术是快速心律失常的主要治疗手段之一，通过将导管(Catheters) 经股静脉穿刺深入心脏内部观测心内电信号(EGM)，医生可以分析电信号在病人心脏中的产生和传导模式，实现病情的诊断并对病灶进行定位。之后医生可以通过导管释放射频(RF)信号对折返环的部分传导通路进行消融，在杀死相应心脏组织的同时切断折返环，恢复心脏的正常心律。
[0004]射频消融手术在室性心动过速、房性心动过速以及交界性心动过速的治疗中表现出了非常好的有效性。在心房纤颤(Atrial Fibrillation)等复杂心动过速病例中也取得了比药物更好的疗效。但射频消融手术仍然面临着一些难以克服的挑战，导致手术成本过高、门槛过高、普及率低。射频消融手术面临的主要挑战包括：
[0005]挑战一：对病人观测的间接性与不连续性
[0006]由于射频消融手术属于微创手术，医生在手术过程中并不能直接观测到导管在心脏中的具体位置，只能通过两组X光产生的导管二维投影间接推断导管在三维空间的位置，并根据经验推断导管与心脏各个腔室的位置关系。同时为了控制病人接受X光照射的时长，X光投影只能间歇获取，导致导管位置信息在时间上的不连续。
[0007]由于心脏内部同时存在的导管数量的限制，医生只能对心脏内部有限的位置同时进行观测。应对这种不利的局面，目前的方案是通过几个位置固定的诊断导管作为参照点，不断移动一个消融导管进行折返通路的定位以及消融。心内电信号的观测在时间上和空间上的不连续产生了很大的诊断盲区，对病人状况准确快速的诊断造成了很大的困难。
[0008]挑战二：当前与历史观测与病人实际心脏状况的对应
[0009]由于射频消融手术观测的间接性，医生需要在手术过程中将当前以及历史观测包含的信息进行拼凑，对病人心内电信号产生和传导的模式进行还原。这一“脑补”的过程对医生的经验以及空间想象能力提出了非常高的要求，极大的增加了医生手术中的脑力消耗。
[0010]挑战三：病人生理状况多样性导致诊断中的不确定性
[0011]由于射频消融手术中医生对病人心脏的不完全观测，不同的心脏状况可能在观测
上无法区分，导致历史观测可以被多种疑似心脏状况解释。医生在手术过程中需要1)列举所有可解释历史观测的疑似心脏状况，并且2)利用领域知识从历史心内电信号中提取信息，通过推理分析排除存在矛盾的心脏状况，最终得到准确的诊断。
[0012]快速而准确的诊断需要大量的医学知识以及推理方法，这些领域知识大多以案例形式存在于心脏电生理教科书中，并未进行形式化总结。同时由于人类的短期记忆能力以及推理能力的限制，医生在处理某些复杂心脏电生理状况的时候容易遗漏某些可解释历史观测的心脏状况，或使用相互冲突的假设，导致对某些电生理状况机理的错误理解，甚至导致错误的诊断与治疗。
[0013]综上所述，射频消融手术需要考虑多样且复杂的病人心脏状况，需要医生进行复杂的推理与操作，也因此导致如下问题：
[0014]1)手术耗时长
[0015]一场射频消融手术的耗时通常在2-6小时左右，对医生的耐力和专注力提出了非常大的挑战，对病人的健康也造成了安全隐患。
[0016]2)对医生经验的依赖程度高，普及难度大
[0017]由于病人的状况各异，射频消融手术的诊断与治疗需要具体问题具体分析。手术的成功率以及效率很大程度上取决于医生的经验，这极大的提升了射频消融手术的门槛，限制了射频消融手术的普及。
[0018]射频消融手术在国内的需求有逐年上涨的趋势，由2010年54559例到2017 年133897例，相对于2016年增长1393例。利用信息技术开发智能消融设备，探索复杂心律不齐的机理，对射频消融手术流程进行优化，为医生提供辅助可以降低射频消融手术的门槛，降低手术成本，提升手术的安全性。
[0019]随着科技的进步，医疗仪器厂商针对射频消融手术中的挑战开发出了各种辅助系统用来减少医生在消融手术中的负担。
[0020]针对挑战一：对病人状态观测的间接性与不连续性
[0021]医疗仪器厂商开发出了可以同时观测更多位置心电信号的导管，在特定心脏区域提高测量的空间连续性。由此带来的导管移动次数的减少也提升了测量的时间连续性。然而由此也引发了原始数据量的激增，与此配套的系统对于新增数据的处理仅限于可视化，对医生的诊断帮助有限。
[0022]针对挑战二：当前与历史观测与病人实际心脏状况的对应
[0023]医疗仪器厂商利用电磁定位原理开发了可被追踪的导管以及配套的导管追踪系统。利用导管历史位置信息，该系统可实现如下几种功能：1)医生可在手术初期对目标腔室的内壁使用导管进行位置采样，利用导管的历史位置信息生成心脏内壁的三维视图，为之后的手术提供参照系；2)对不同位置在心脏周期内同一阶段采集到信号的相位差进行可视化，医生可以据此在一定程度上推断心电信号在心脏内的传导模式；3)通过对心脏内不同位置测量的电信号强度进行可视化，医生可以大致判断疤痕组织的位置，对折返环的定位有一定的帮助。此类辅助系统在一定程度上将历史观测与病人的实际心脏状况相对应，为医生提供了有效的数据可视化，减少了医生的负担，提升了射频消融手术的效率。
[0024]在医学界与学术界也存在一些基于模型的诊断尝试，利用病人的数据调整心脏模型参数，建立病人专属心脏模型，并根据模型的仿真进行诊断与折返环定位。但由于此类模
型复杂度太高，病人的数据无法对模型的所有参数进行识别，“专属”的程度有限，对诊断只能起到一定的指导作用。同时由于计算量过大，此类模型只适合进行术前与术后分析，对手术过程中的诊断与定位的实时指导有限。
[0025]针对挑战三：病人状况的多样性
[0026]现有的射频消融手术辅助系统主要提供历史数据的可视化，对历史数据的分析还处于比较初步的阶段。射频消融手术中最耗时的心脏状态估计以及疑似病理追踪方面仍然依靠医生的经验以及不断的试错，因此这也是本项目的主要切入点。
[0027]针对挑战四：对复杂快速心律失常机理的理论存在争议
[0028]学术界与医学界开发出了一些基于心脏电生理知识的复杂心脏模型，用于复杂心律失常如纤颤的机理仿真与探索。但同样由于模型复杂度的原因，模型很难实现病人的专属化，对于特定病人手术过程中的诊断与定位并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模型的射频消融手术辅助系统，其特征在于，利用心脏模型对手术诊断过程中可能产生的分歧进行解释和区分，并利用手术过程中获得的新信息更新和排除心脏模型，为医生提供可能的诊断与相应的依据，包括以下单元：初始心脏拓扑结构建立单元，用于建立K个心脏拓扑结构γ1，γ2，...γ
K
，包括以下步骤：在手术前根据已知病人信息建立K个心脏拓扑结构γ1，γ2，...γ
K
，对应患者K种疑似的心脏内部电信号传导网络结构，每个心脏拓扑结构包括点状态机和线状态机：点状态机对心脏内可观测以及不可观测的关键组织以及病例相关组织进行建模，用于模拟心脏组织电信号的产生和阻隔；而线状态机用于模拟心脏内关键组织之间电信号的传输特性；通过调整点状态机与线状态机的拓扑结构以及参数，医生可对不同心动过速机理进行区分并对相应病理进行解释；激活信号识别单元，用于在心内电信号中识别心脏组织的激活信号，包括以下步骤：手术中病人心脏内有N个导管，每个导管可观测到周边不同组织的激活信号，这些激活信号在时间上的累积即医生所见的心内电信号；激活信号识别单元从心内电信号中识别激活信号，并在收到激活信号时输出激活信号发生的时刻以及对应的导管名称；拓扑结构更新单元，用于在导管移动时更新心脏拓扑结构中可被观测的点状态机位置以及连接，包括以下步骤：每个导管可观测不少于一个心脏组织所产生的激活信号，在本系统中由心脏拓扑结构γ1，γ2，...γ
K
中的可观测点状态机表示；若心脏某组织在电信号传导过程中被激活，对应心脏拓扑结构中的可观测点状态机同时发出激活信号；在导管移动时，可观测的心脏组织也发生变化，可观测点状态机在心脏拓扑结构中的位置与连接也改变；拓扑结构更新单元根据导管的新位置对心脏拓扑结构中的可观测点状态机位置及连接进行更新；心脏模型筛选单元，每获得一次激活信号后列举并筛选出所有可能解释历史激活信号的心脏模型，包括心脏模型的状态以及参数信息，包括以下步骤：步骤0、在手术开始前，收到0个激活信号，根据初始心脏拓扑结构γ1，γ2，...γ
K
建立K个标注树标注树的每个节点为一个心脏模型标注树的每个节点为一个心脏模型代表第j个可解释前i个激活信号的以γ
k
为拓扑结构的心脏状态；每个心脏模型包括心脏拓扑结构γ，心脏模型参数范围cp，以及电信号历史传播路径集Ψ；心脏模型分别作为标注树的根节点，其心脏拓扑结构初始为γ1，γ2，...γ
K
；心脏模型参数范围cp包括拓扑结构中点状态机的不应期长度以及线状态机的传输延迟，参数范围cp若无先验信息均初始为[0，∞]，电信号历史传播路径集Ψ初始为空集；步骤1、等待第i个激活信号σ
i
，记录收到该激活信号σ
i
的导管n，将k初始为1，将j初始为1；步骤2、若第i-1轮的心脏模型中电信号历史传播路径集Ψ为空集，则进入步骤3，否则进入步骤4；步骤3、若拓扑结构γ
k
中存在S个可能产生初始激活信号的点状态机，假设标注树第i层中已有P个心脏模型，则建立S个心脏模型作为标注树中
的子节点，其中每个心脏模型复制的所有内容，电信号历史传...

【专利技术属性】
技术研发人员：江智浩，吴雨桐，唐韧之，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：