НЕОБРАТИМАЯ ЭЛЕКТРОПОРАЦИЯ (НЭП) НА ОСНОВЕ ИМПЕДАНСА
IRREVERSIBLE ELECTROPORATION (IEP) BASED ON IMPEDANCE

Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится по существу к инвазивной абляции и, в частности, к необратимой электропорации (НЭП) сердечной ткани.
Предпосылки создания изобретения
Оценка параметров инвазивной абляции и контроль абляции на основе результатов оценки были ранее предложены в патентной литературе. Например, в опубликованной заявке на патент США № 2013/0006228 описаны устройства для локализованной подачи энергии и способы применения таких устройств, в частности для терапевтического лечения биологических тканей. Описанные способы могут включать расположение и размещение элементов для подачи энергии в нужный участок и подачу энергии с помощью элементов для подачи энергии. В одном варианте осуществления коэффициент заполнения радиочастотного (РЧ) диапазона и (или) ширина импульса могут быть выполнены с возможностью изменения в зависимости от одного или более выбранных параметров, которые могут включать в себя частоту лечебного сигнала, мощность лечебного сигнала или импеданс ткани относительно лечебного сигнала.
В другом примере в публикации заявки на патент США № 2016/0066977 описана медицинская система для абляции участка ткани с применением мониторинга в реальном времени во время процедуры лечения электропорацией. Импульсный генератор генерирует предлечебный тестовый сигнал с частотой по меньшей мере 1 МГц перед процедурой лечения и внутрилечебные тестовые сигналы во время процедуры лечения. Модуль управления лечением определяет значения импеданса по предлечебному тестовому сигналу и внутрилечебным тестовым сигналам и определяет ход электропорации и конечную точку воздействия в режиме реального времени на основании определенных значений импеданса во время лечения.
Изложение сущности изобретения
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, который описан ниже в настоящем документе, предложен способ необратимой электропорации (НЭП), включающий выбор электродов катетера, размещенных в контакте с тканью органа, для подачи импульсов НЭП между выбранными электродами. Импеданс измеряют между выбранными электродами. На основании измеренного импеданса выбирают протокол НЭП, который содержит параметры, удовлетворяющие предварительно заданному критерию безопасности при измеренном импедансе. Импульсы НЭП подают в соответствии с выбранным протоколом.
В некоторых вариантах осуществления изобретения выбор протокола НЭП включает в себя выбор ширины импульса, частоты повторения импульсов и числа импульсов НЭП.
В некоторых вариантах осуществления изобретения выбор заданного критерия безопасности включает в себя выбор протокола НЭП, в котором порог импеданса ниже измеренного импеданса, что обеспечивает отсутствие перегрева ткани импульсами НЭП.
В одном варианте осуществления изобретения порог импеданса выбранного протокола получают с помощью одного из расчетов или справочной таблицы.
В другом варианте осуществления изобретения способ НЭП дополнительно включает в себя установку протокола НЭП, включающего в себя порог импеданса. Импеданс измеряется между выбранными электродами, и измеренный импеданс сравнивается с заданным порогом. Если измеренный импеданс ниже порога, протокол НЭП изменяется таким образом, чтобы новый порог импеданса был ниже измеренного импеданса. НЭП применяют в соответствии с измененным протоколом.
В одном варианте осуществления изобретения установка протокола НЭП включает в себя выбор ширины импульса, частоты повторения импульсов и числа импульсов НЭП, а изменение протокола НЭП включает в себя изменение одного или более из параметров ширины импульса, частоты повторения импульсов и числа импульсов НЭП. В другом варианте осуществления изобретения изменение одного или более из параметров ширины импульса, частоты повторения импульсов и числа импульсов НЭП включает уменьшение ширины импульса или частоты повторения импульсов и увеличение числа импульсов.
В некоторых вариантах осуществления изобретения изменение протокола НЭП включает в себя сохранение той же совокупной величины электрической энергии, подаваемой посредством НЭП.
В соответствии с примером осуществления настоящего изобретения дополнительно предложена система необратимой электропорации (НЭП), включающая в себя интерфейс и процессор. Интерфейс выполнен с возможностью обмена сигналами с катетером, размещенным в контакте с тканью органа. Процессор выполнен с возможностью (i) выбора электродов катетера для подачи импульсов НЭП между выбранными электродами, (ii) измерения импеданса между выбранными электродами, (iii) выбора на основании измеренного импеданса протокола НЭП, содержащего параметры, которые удовлетворяют заданному критерию безопасности при измеренном импедансе, и (iv) подачи импульсов НЭП в соответствии с выбранным протоколом.
Краткое описание графических материалов
Настоящее изобретение станет более понятным из следующего подробного описания вариантов осуществления, представленных вместе со следующими графическими материалами, причем
на фиг. 1 представлено схематическое графическое изображение системы необратимой электропорации (НЭП) с использованием катетера в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения; и
на фиг. 2 представлена блок-схема, которая схематически иллюстрирует способ подачи импульсов необратимой электропорации (НЭП) с использованием системы, показанной на фиг. 1, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления
Общее описание
Необратимая электропорация (НЭП), также называемая абляцией импульсным полем (PFA - Pulsed Field Ablation), может применяться в качестве инвазивного терапевтического метода для уничтожения клеток ткани путем воздействия на них импульсов высокого напряжения. В частности, импульсы НЭП потенциально могут применяться для уничтожения клеток миокардиальной ткани для лечения нарушения сердечного ритма. Разрушение клеток происходит, когда трансмембранный потенциал превышает пороговое значение, что приводит к гибели клеток и, таким образом, к развитию поражения ткани. В этой связи особый интерес представляет применение биполярных электрических импульсов высокого напряжения (например, с применением выбранной пары электродов, контактирующих с тканью) для генерирования высоких электрических полей (например, со значениями выше определенного порога) для уничтожения клеток ткани между электродами.
Однако если электрический импеданс между выбранными электродами является низким, то высокое напряжение между электродами также может создавать избыточный джоулев нагрев, который может привести к нежелательным последствиям в виде потенциальной клинической опасности, такой как выброс пара в подвергаемой абляции ткани. Например, импульсное напряжение 2 кВ при 100 Ω (оба значения предположительные) мгновенно генерирует в ткани 20 ампер, то есть 40 кВт, что может быть опасным.
Варианты осуществления настоящего изобретения, описанные ниже в настоящем документе, защищают от чрезмерного джоулевого нагрева ткани, подвергаемой НЭП, с учетом электрического импеданса между электродами. В одном варианте осуществления изобретения изначально выбирают протокол абляции НЭП, такой как протокол по умолчанию, причем этот протокол, как правило, определяет форму импульса (пиковое напряжение и ширина), частоту повторения импульсов и число импульсов.
Выбранный протокол можно рассматривать как содержащий определенный порог импеданса, т. е. порог, который должен быть ниже фактического электрического импеданса между электродами, чтобы считать абляцию безопасной. Порог импеданса для данного протокола может быть, например, рассчитан процессором на основе параметров протокола или считан из заранее заданного соотношения (например, из полученного эмпирическим путем или предварительно рассчитанного соотношения, сохраненного в справочной таблице).
В некоторых вариантах осуществления изобретения электроды, выбранные для НЭП, используют для измерения импеданса между электродами. Если измеренный импеданс превышает порог импеданса, т.е. джоулев нагрев находится в допустимом диапазоне, то процессор подает системе команду на выполнение НЭП с использованием первоначального протокола.
Однако если измеренный импеданс находится ниже порога импеданса, и в этом случае выбранный протокол может вызвать чрезмерный нагрев, то процессор или пользователь изменяет первоначальный протокол. Изменение может включать сокращение ширины отдельных импульсов, уменьшение частоты повторения импульсов и (или) увеличение числа импульсов (для сохранения такого же совокупного клинического эффекта). Измененный протокол содержит другой порог импеданса (например, нижний порог), так что тот же самый измеренный импеданс теперь превышает новый порог, и можно выполнить НЭП.
Что касается величины энергии абляции, если импеданс находится ниже порога, протокол корректируется таким образом, чтобы сохранить как можно более аналогичную величину подаваемой энергии, чтобы провести абляцию при заданном импедансе. Оптимизация заключается в изменении ширины импульса, и (или) числа импульсов, и (или) числа серий для сохранения как можно более аналогичной величины подаваемой энергии с целью получения такого же клинического и теплового эффекта. Для абляции с более низким импедансом совокупная величина энергии тем не менее снижается путем изменения ширины импульса и (или) числа импульсов, а порог импеданса соответственно корректируется до максимального допустимого значения.
При изменении протокола пиковое напряжение импульсов НЭП обычно не снижается, поскольку это влияет на генерируемое поле электропорации. В некоторых вариантах осуществления изобретения пиковое напряжение может снижаться до тех пор, пока оно поддерживается выше заданного минимального уровня, требуемого для того, чтобы НЭП обладала клинической эффективностью.
Как отмечалось выше, для поддержания клинического эффекта изменения в протоколе, как правило, не затрагивают общую (например, совокупную) величину энергии. Вместо этого изменения выражаются в увеличении времени подачи импульсов так, чтобы выделяемое тепло могло в большей степени распространяться и максимальная температура, вызванная нагревом, снижалась.
В другом варианте осуществления изобретения врач сначала вводит и размещает катетер в местоположении нужной ткани. Затем система абляции НЭП измеряет импеданс между электродами катетера. Затем система или врач на основании измеренного импеданса выбирает протокол НЭП, содержащий параметры, которые удовлетворяют заданному критерию безопасности при измеренных импедансах. Можно использовать любой подходящий критерий безопасности. Например, предложен критерий безопасности, нацеленный на сведение к минимуму риска перегрева ткани, основанный на измерении минимального импеданса, когда система выбирает протокол, в котором порог импеданса ниже минимального измеренного импеданса, так что полученный электрический ток будет ниже уровня, вызывающего перегрев ткани. Таким образом, указанный протокол можно безопасно использовать, так как ожидаемый джоулев нагрев находится в пределах приемлемого диапазона. В этом варианте осуществления изобретения отсутствует необходимость в изначальном выборе протокола (например, для загрузки протокола и его последующего изменения на основании измеренного импеданса).
Описанную методику можно применять в различных типах процедур абляции НЭП и с различными типами катетеров. В одном примере абляцию НЭП сердечной ткани выполняют с использованием расширяемого каркаса (например, баллона или корзинки), установленного на дистальном конце абляционного катетера. Расширяемый каркас, располагаемый с абляционными электродами, направляется через сердечно-сосудистую систему и вводится в сердце, например, для абляции устья легочной вены (ЛВ).
Внесение вышеописанных изменений в протокол НЭП позволяет повысить безопасность абляции НЭП, например, в устье ЛВ с помощью расширяемого каркасного катетера, сохраняя при этом ее клиническую эффективность.
Описание системы
На фиг. 1 представлено схематическое графическое изображение системы необратимой электропорации (НЭП) 20 с использованием катетера в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Система 20 содержит катетер 21, причем врач 30 вводит ствол катетера 22 в сосудистую систему пациента 28 через оболочку 23. Затем врач 30 направляет дистальный конец 22a ствола 22 к нужному местоположению внутри сердца 26 пациента (вставка 25).
После достижения дистальным концом 22a ствола 22 нужного местоположения врач 30 отводит оболочку 23 и расширяет баллон 40, как правило, путем нагнетания физиологического раствора в баллон 40. Затем врач 30 манипулирует стволом 22 таким образом, чтобы электроды 50, расположенные на баллонном катетере 40, соприкасались с внутренней стенкой устья ЛВ 51 для подачи импульсов НЭП высокого напряжения посредством электродов 50 к ткани устья 51.
Как показано на вставках 25 и 27, дистальный конец 22a оснащен расширяемым баллоном 40, содержащим множество равноудаленных электродов НЭП с гладкой кромкой 50. Из-за уплощенной формы дистального участка баллона 40 расстояние между смежными электродами 50, такое как расстояние 55 между электродами 50a и 50b, остается приблизительно постоянным, даже если электроды 50 покрывают дистальный участок. Таким образом, конфигурация баллона 40 обеспечивает более эффективную электропорацию (например, с приблизительно одинаковой напряженностью электрического поля) между смежными электродами 50, в то время как гладкие кромки электродов 50 сводят к минимуму нежелательные тепловые эффекты.
Некоторые аспекты надувных баллонов рассматриваются, например, в предварительной заявке на патент США № 62/899 259, поданной 12 сентября 2019 г., озаглавленной «Balloon Catheter with Force Sensor» («Баллонный катетер с датчиком силы») и в заявке на патент США № 16/726 605, поданной 24 декабря 2019 г., озаглавленной «Contact Force Spring with Mechanical Stops» («Пружина контактной силы с механическими упорами»), обе из которых переуступлены правопреемнику настоящей заявки на патент и описания которых включены в настоящий документ посредством ссылки.
В варианте осуществления изобретения, описанном в настоящем документе, катетер 21 можно использовать для любой подходящей диагностической и (или) терапевтической цели, такой как электрофизиологическая регистрация и (или) вышеуказанная абляция НЭП ткани устья ЛВ 51 в левом предсердии 45 сердца 26.
Проксимальный конец катетера 21 соединен с пультом управления 24, содержащим генератор импульсов НЭП 38, выполненный с возможностью подачи импульсов НЭП между смежными электродами 50. Электроды соединены с генератором импульсов НЭП 38 электрическим проводом, проходящим в стволе 22 катетера 21. В запоминающем устройстве 48 пульта управления 24 хранятся протоколы НЭП, содержащие параметры импульса НЭП, такие как пиковое биполярное напряжение и ширина импульса.
Пульт управления 24 содержит процессор 41, как правило, компьютер общего назначения, с подходящими схемами входного каскада и сопряжения 37 для приема сигналов от катетера 21 и от внешних электродов 49, которые, как правило, размещают вокруг грудной клетки пациента 26. Для этого процессор 41 соединен с внешними электродами 49 посредством проводов, проходящих через кабель 39.
Во время процедуры система 20 может отслеживать соответствующие местоположения электродов 50 внутри сердца 26 с применением способа активной токовой локализации (ACL - Active Current Location), предоставленной Biosense-Webster (Ирвайн, Калифорния), который представлен в патенте США № 8 456 182, описание которого включено в настоящий документ путем ссылки.
В некоторых вариантах осуществления изобретения интерфейсные схемы 37 выполнены с возможностью измерения импеданса между выбранными электродами из числа электродов 50, такого как импеданс между электродами 50a и 50b, после подведения баллона 40 к нужной ткани, но перед выполнением НЭП и передачи измеренного импеданса в процессор 41. Процессор сравнивает импеданс с предварительно заданным порогом импеданса, и если импеданс ниже порога, процессор 41 или предупрежденный (системой) врач 30 изменяет протокол, как описано, например, в таблицах I и II ниже, так, чтобы смягчить риск перегрева при сохранении клинической эффективности НЭП.
В других вариантах осуществления изобретения врач 30 может с помощью пользовательского интерфейса 47 изменять любые параметры измененного протокола.
Для выполнения описанных в настоящем документе функций на процессоре 41, как правило, установлено программное обеспечение. Программное обеспечение может быть загружено на компьютер в электронном виде, например передано по сети, или в альтернативном или дополнительном варианте осуществления может быть обеспечено и (или) может храниться на материальном носителе для долговременного хранения информации, таком как магнитная, оптическая или электронная память.
В частности, в процессоре 41 используется специализированный алгоритм, описанный в настоящем документе, в том числе на фиг. 2, благодаря которому процессор 41 может осуществлять описанные этапы, которые приведены ниже. В частности, процессор 41 выполнен с возможностью управления генератором импульсов НЭП 38 для подачи импульсов НЭП в соответствии с протоколом лечения, который процессор 41 загружает из запоминающего устройства 48.
СПОСОБ НЭП НА ОСНОВЕ ИМПЕДАНСА
На фиг. 2 представлена блок-схема, которая схематически иллюстрирует способ подачи импульсов необратимой электропорации (НЭП) с использованием системы 20, показанной на фиг. 1, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Посредством алгоритма в соответствии с представленным вариантом осуществления реализуется процесс, который начинается на этапе планирования НЭП 80, когда врач использует процессор 41 для загрузки протокола с параметрами импульсов НЭП для подачи к ткани. Пример настроек абляции НЭП в первоначальном протоколе, которые можно использовать для абляции сердечной ткани с использованием описанного баллона 40, представлен в таблице I.
<b>Параметр</b>
<b>Значение</b>
Предварительно заданное пиковое напряжение НЭП
1000 В
Ширина импульса
1 мсек
Частота повторения импульсов
2 Гц
Число импульсов
10
Таблица I. Первоначальный протокол
Затем врач 30 вводит и направляет баллонный катетер 40 к местоположению нужной ткани в органе пациента, например в устье ЛВ 51, с использованием, например, электрода 50 в качестве электродов с датчиками ACL на этапе направления баллонного катетера 82.
Затем на этапе измерения импеданса 84 процессор 41 измеряет импеданс между выбранными электродами (например, с помощью интерфейсных схем 37).
На этапе определения порога импеданса 86 процессор 41 выводит загруженный порог импеданса протокола (например, рассчитанный или выбранный из справочной таблицы).
На этапе проверки импеданса 88 процессор 41 сравнивает измеренный импеданс с порогом импеданса. На этапе изменения протокола 90, если измеренный импеданс ниже порога импеданса протокола, врач с помощью процессора 41 изменяет протокол на протокол, приведенный, например, в таблице II.
<b>Параметр</b>
<b>Диапазон</b>
Предварительно заданное пиковое напряжение НЭП
1000 В
Ширина импульса
0,5 мсек
Частота повторения импульсов
1 Гц
Число импульсов
40
Таблица II. Измененный протокол
Как видно из таблицы II, несмотря на то что ширину импульса и частота повторения импульсов уменьшаются, совокупную величину электрической энергии поддерживают на одном уровне за счет увеличения числа импульсов.
Другими словами, с учетом измеренного импеданса параметры протокола, за исключением напряжения, изменяются таким образом, чтобы поддерживать величину энергии аналогично запланированному значению. Порог импеданса корректируется до уровня ниже измеренного импеданса, поскольку таково условие оптимизации. В результате этого пороговое значение импеданса, автоматически скорректированное для измененного протокола (например, приведенного в таблице II), устанавливается ниже того же измеренного импеданса, затем с использованием измененных параметров импульсов НЭП процессор 41 подает генератору 38 команду подавать импульсы НЭП к ткани на этапе лечения с помощью НЭП 92. Импульсы НЭП подаются между выбранными электродами баллона 40 для изолирования аритмии, возникающей из устья 51 или распространяющейся через него.
С другой стороны, если в измененном протоколе сформирован новый порог импеданса, по-прежнему превышающий измеренный импеданс, процесс повторяется с возвращением к этапу 90 и дальнейшим изменением протокола НЭП.
Несмотря на то, что варианты осуществления изобретения, описанные в настоящем документе, главным образом касаются кардиологических сфер применения, способы и системы, описанные в настоящем документе, можно также применять в других медицинских областях, таких как абляция раковых тканей печени или легких, неврология и оториноларингология.
Таким образом, следует понимать, что описанные выше варианты осуществления изобретения приведены лишь в качестве примера и что настоящее изобретение не ограничено конкретно изображенным и описанным выше в настоящем документе. Напротив, объем настоящего изобретения включает в себя как комбинации, так и подкомбинации различных вышеописанных признаков, а также их варианты и модификации, которые будут очевидны специалистам в данной области после ознакомления с приведенным выше описанием и которые не были описаны на предшествующем уровне техники. Документы, включенные в настоящую заявку на патент путем ссылки, следует считать неотъемлемой частью заявки, за исключением того, что, если определение терминов в этих включенных документах противоречит определениям, сделанным явным или неявным образом в настоящем описании, следует учитывать только определения настоящего описания.