СОЧЕТАНИЕ IRE И РЧ-АБЛЯЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕНЕРАТОРА СИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
COMBINATION OF IRE AND RF ABLATION USING A SINUSOIDAL SIGNAL GENERATOR

Область применения изобретения
Настоящее изобретение в общем относится к медицинскому оборудованию и, в частности, к устройству и способам необратимой электропорации (IRE) и радиочастотной абляции (RFA).
Предпосылки создания изобретения
Необратимая электропорация (IRE) и радиочастотная абляция (RFA) представляют собой методики абляции мягких тканей, в которых абляция производится путем введения катетера или тонкого зонда в ткань при излучении электромагнитного излучения из конца катетера.
В методике IRE прикладывают короткие биполярные импульсы сильного электромагнитного поля для создания постоянных и потому летальных нанопор в клеточных мембранах, тем самым нарушая гомеостаз клетки (внутренние физические и химические условия). Типичные значения ширины импульсов находятся в диапазоне от 0,5 до 5 мкс, частоты повторения импульсов составляют от 50 кГц до 1 МГц, а амплитуды импульсов - от 200 до 2000 В. Вызванная IRE гибель клетки наступает в результате апоптоза (запрограммированной гибели клетки), а не некроза (повреждения клетки, которое приводит к разрушению клетки под действием ее собственных ферментов), как в других методиках на основе термической и радиационной абляции. IRE обычно используют для абляции опухоли в областях, в которых важны точность и сохранение внеклеточного матрикса, кровотока и нервов.
В методике RFA к ткани прикладывают переменный ток большой мощности, так что выделяемое током тепло приводит к абляции ткани. RFA используют, например, для абляции токопроводящих путей сердца, опухолей и других аномальных тканей. В RFA обычно используют токи с амплитудой с амплитудой в диапазоне от 0 до 200 В и частотой в диапазоне 350-500 кГц.
Изложение сущности изобретения
В вариантах осуществления настоящего изобретения, описанных в настоящем документе, предложены улучшенные системы и способы необратимой электропорации и радиочастотной абляции.
Следовательно, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения предложен медицинское устройство, которое включает зонд, выполненный с возможностью введения в тело пациента и включающий множество электродов, выполненных с возможностью приведения их в контакт с тканью внутри тела. Медицинское устройство также включает генератор электрических сигналов, выполненный с возможностью попеременной подачи между одной или более парами электродов синусоидальных радиочастотных (РЧ) сигналов первого и второго типов. Сигналы первого типа имеют первое напряжение, достаточное для обеспечения необратимого электрофореза (IRE) в ткани, находящейся в контакте с электродами, и первую мощность, которая недостаточна для термической абляции ткани, а сигналы второго типа имеют вторую мощность, достаточную для термической абляции ткани, находящейся в контакте с электродами, и второе напряжение, которое недостаточно для обеспечения IRE в ткани.
В описанном варианте осуществления генератор электрических сигналов дополнительно выполнен с возможностью подачи сигналов первого типа без перемежения с сигналами второго типа.
В дополнительном варианте осуществления генератор электрических сигналов выполнен с возможностью подачи сигналов второго типа без перемежения с сигналами первого типа.
В другом варианте осуществления генератор электрических сигналов выполнен с возможностью подачи сигналов в зависимости от температуры, измеряемой находящимся в зонде датчиком температуры.
В еще одном варианте осуществления зонд выполнен с возможностью приведения его в контакт с тканью в сердце пациента и подачи сигналов для абляции ткани в сердце.
В описанном варианте осуществления продолжительность сигналов первого типа не превышает четырех секунд, тогда как продолжительность сигналов второго типа превышает четыре секунды.
В другом варианте осуществления первое напряжение превышает 500 вольт, а второе напряжение не превышает 200 вольт.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения также предложен способ введения зонда в тело пациента и приведения множества электродов на зонде в контакт с тканью внутри тела и попеременной подачи между одной или более парами электродов синусоидальных радиочастотных (РЧ) сигналов первого и второго типов, причем сигналы первого типа имеют первое напряжение, достаточное для обеспечения необратимого электрофореза (IRE) в ткани, находящейся в контакте с электродами, и первую мощность, которая недостаточна для термической абляции ткани, а сигналы второго типа имеют вторую мощность, достаточную для термической абляции ткани, находящейся в контакте с электродами, и второе напряжение, которое недостаточно для обеспечения IRE в ткани.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения дополнительно предложено медицинское устройство, которое включает зонд, выполненный с возможностью введения в тело пациента и включающий множество электродов, выполненных с возможностью приведения их в контакт с тканью внутри тела. Внешний электрод выполнен с возможностью его наложения на внешнюю поверхность тела. Генератор электрических сигналов выполнен с возможностью попеременной подачи между одним или более электродами на зонде и внешним электродом синусоидальных радиочастотных (РЧ) сигналов первого и второго типов. Сигналы первого типа имеют первое напряжение, достаточное для обеспечения необратимого электрофореза (IRE) в ткани внутри тела, находящейся в контакте с электродами, и первую мощность, которая недостаточна для термической абляции ткани. Сигналы второго типа имеют вторую мощность, достаточную для термической абляции ткани внутри тела, находящейся в контакте с электродами, и второе напряжение, которое недостаточно для обеспечения IRE в ткани.
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 медицинского устройства, используемого в медицинской процедуре в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения; и
на Фиг. 2 представлено схематическое изображение композитного сигнала абляции в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления
В некоторых медицинских процедурах для достижения полной и эффективной абляции целевого объема ткани может оказаться полезной комбинация RFA и IRE. Например, врач может захотеть провести процедуру абляции, в которой RFA используют в течение 20% времени процедуры, а IRE используют в течение оставшихся 80% времени процедуры, или альтернативно RFA можно использовать в течение большей части времени процедуры, а IRE - только в течение малой ее части. Такая комбинация режимов абляции обычно реализуется путем использования двух отдельных генераторов: один РЧ-генератор вырабатывает синусоидальные сигналы абляции для RFA, а генератор IRE вырабатывает прямоугольные импульсные сигналы для IRE. Во время проведения абляции два генератора попеременно включаются для подачи их сигналов в абляционный катетер. Поскольку требуется два специализированных генератора, решение такого типа оказывается дорогостоящим.
Описанные в настоящем документе варианты осуществления настоящего изобретения основаны на осознании того, что для проведения IRE вместо стандартных прямоугольных импульсных сигналов можно использовать синусоидальный сигнал достаточной амплитуды (напряжения). Частота синусоидального IRE-сигнала может быть ниже частоты стандартного прямоугольного импульсного IRE-сигнала, но выше частоты RFA-сигнала. Пиковая амплитуда (напряжение) синусоидального IRE-сигнала может быть выше, чем у стандартных прямоугольных импульсных IRE-сигналов, и ее выбирают так, чтобы амплитуда синусоидального сигнала была выше порога, требуемого для IRE-абляции, в течение времени, достаточного для завершения IRE-абляции.
Таким образом, для генерации сигналов для обеих частей процедуры, RFA и IRE, можно использовать один и тот же генератор синусоидальных сигналов с приемлемой перестройкой: Для IRE частоту и амплитуду сигнала выбирают для получения, как описано ранее, достаточно длительного периода с амплитудой, обеспечивающей IRE; для RFA амплитуду сигнала уменьшают, а частоту корректируют, доводя, например, до типичного значения 480 кГц. Параметры прикладываемых сигналов выбирают, например, путем задания соответствующих продолжительностей сигналов и коэффициентов заполнения, таким образом, чтобы средняя мощность IRE-сигналов была недостаточной для термической абляции ткани, в отличие от RFA-сигналов, которые имеют более низкое пиковое напряжение, но при этом среднюю мощность, достаточную для термической абляции ткани. Например, IRE-сигналы могут подаваться в течение периодов продолжительностью от 100 мс до 4 с, с коэффициентами заполнения менее 10%, или даже около 1%, тогда как RFA-сигналы подаются непрерывно в течение периодов продолжительностью 4-90 с. Таким образом, энергия, передаваемая в ткань IRE-сигналом, оказывается значительно меньше, чем энергия, передаваемая RFA-сигналом, несмотря на более высокую амплитуду IRE-сигнала. Следовательно, основной эффект IRE-сигнала создается благодаря индуцируемым высоким напряжением нанопорам в клеточных мембранах, тогда как RFA генерирует в ткани тепло и тем самым обеспечивает ее абляцию.
Таким образом, в описанных вариантах осуществления решается задача сочетания RFA и IRE путем предоставления медицинского устройства, включающего многофункциональный генератор электрических сигналов, работающий совместно с зондом, таким как катетер с множеством электродов, который вводят в тело пациента таким образом, что электроды приводятся в контакт с тканью внутри тела. Генератор сигналов обеспечивает синусоидальные радиочастотные (РЧ) сигналы первого и второго типов попеременно. Сигналы первого типа имеют напряжение, достаточное для обеспечения IRE в ткани, находящейся в контакте с электродами, при этом мощность сигналов недостаточна для термической абляции ткани. Сигналы второго типа имеют мощность, достаточную для термической абляции ткани, находящейся в контакте с электродами, при этом их напряжение недостаточно для обеспечения IRE в ткани. В описываемых далее в настоящем документе вариантах осуществления сигналы подаются между одной или более парами электродов на зонде. Альтернативно или дополнительно описываемые в настоящем документе устройство и способы можно с внесением соответствующих изменений модифицировать для подачи таких сигналов между одним или более электродами на зонде и внешним электродом, таким как накладываемый на спину электрод, который располагают на поверхности тела.
В описанных вариантах осуществления проводящий процедуру абляции врач может раздельно задавать амплитуды и частоты сигналов IRE и RFA, вырабатываемых одним генератором сигналов, а также выбирать временную схему (продолжительности) этих сигналов. Таким образом, генератор электрических сигналов обеспечивает сигналы для двух типов абляции путем простой перестройки рабочих параметров генератора, при этом нет необходимости в обеспечении двух раздельных генераторах сигналов.
На Фиг. 1 представлено схематическое графическое изображение медицинского устройства 20 в ходе сочетающей IRE и RFA медицинской процедуры в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. Врач 22 выполняет процедуру на пациенте 24 с применением абляционного катетера 26, дистальный конец 28 которого включает множество абляционных электродов 30.
Чтобы начать процедуру, врач 22 вводит катетер 26 в тело пациента 24, а затем направляет катетер с помощью рукоятки 32 управления к соответствующему участку внутри или снаружи сердца 34 пациента 24. Врач приводит дистальный конец 28 в контакт с тканью 36, такой как миокардиальная или эпикардиальная ткань сердца 34. Затем генератор 38 электрических сигналов (ГЕН СИГ) вырабатывает множество синусоидальных сигналов, включающих перемежающиеся IRE-сигналы и RFA-сигналы, как описано ниже со ссылкой на Фиг. 2. Сигналы передаются через катетер 26, по различным соответствующим каналам, к абляционным электродам 30, которые обеспечивают применение сигналов к ткани 36 пациента 24.
При униполярной РЧ-абляции токи сигналов протекают между абляционными электродами 30 и внешним электродом, или «возвратной пластиной» 42, которая подключается снаружи пациента 24, обычно на коже торса пациента, к генератору 38 сигналов. При биполярной РЧ-абляции токи сигналов протекают между парами абляционных электродов 30. При IRE-абляции биполярные сигналы протекают между парами абляционных электродов 30. Альтернативно, как отмечалось выше, РЧ-сигналы для термической абляции и IRE можно применять между электродами 30 и возвратной пластиной 42.
Медицинское устройство 20 дополнительно включает процессор (ПРОЦ) 44. Процессор 44 получает от врача 22 (или от другого оператора) параметры 46 настройки процедуры до и/или во время осуществления процедуры абляции. Например, используя одно или более приемлемых устройств ввода, таких как клавиатура, мышь или сенсорный экран, врач 22 задает соответствующие амплитуды и частоты композитного сигнала, включающего перемежающиеся сигналы IRE и RFA, для подачи на выбранные электроды 30, а также временную схему подачи сигналов IRE и RFA, как более подробно описано ниже со ссылкой на Фиг. 2.
Врач 22 может также вводить дополнительные параметры 46 настройки, такие как максимальная мощность, максимальная амплитуда тока, максимальная амплитуда напряжения, продолжительность сигнала и/или любые другие требуемые параметры, используя упомянутые выше устройства ввода. Параметры можно устанавливать отдельно для каждого сигнала абляции и/или коллективно для всех сигналов. В ответ на получение параметров 46 настройки процессор 44 взаимодействует с генератором 38 сигналов таким образом, что генератор сигналов вырабатывает сигналы в соответствии с параметрами настройки. Кроме того, процессор может выводить параметры настройки на дисплей 48 (который может включать упомянутый выше сенсорный экран).
Процессор 44 может быть дополнительно выполнен с возможностью отслеживания соответствующих положений абляционных электродов 30 в ходе процедуры с использованием любой приемлемой процедуры отслеживания. Например, дистальный конец 28 может включать один или более электромагнитных датчиков положения (не показано на фигуре), которые в присутствии внешнего магнитного поля, создаваемого одним или более генератором 50 магнитного поля, выдают сигналы, которые изменяются с положением датчиков. На основе этих сигналов процессор может определять положения электродов. Альтернативно для каждого электрода процессор 44 может определять соответствующие импедансы между электродом и множеством внешних электродов 52, подключенных к пациенту 24 в множестве различных мест, а затем вычислять соотношения между этими импедансами, при этом такие соотношения указывают местоположение электрода. В качестве еще одной альтернативы процессор может одновременно использовать как электромагнитное отслеживание, так и отслеживание на основе измерения импедансов, как описано, например, в патенте США 8,456,182, описание которого включено в настоящий документ путем ссылки.
В некоторых вариантах осуществления процессор 44 определяет, какой из абляционных электродов 30 находится в контакте с тканью пациента,и использует эти электроды, а не другие электроды, для приложения сигналов к тканям. Иными словами, процессор может выбрать подмножество каналов, ведущих к тем электродам, которые находятся в контакте с тканью, и затем использовать генератор 38 сигналов для подачи сигналов в выбранное подмножество каналов, но не в другие каналы.
В некоторых вариантах осуществления процессор 44 выводит на дисплей 48 соответствующее изображение 54 анатомии пациента, аннотированное, например, для указания текущего положения и ориентации дистального конца 28. Альтернативно или дополнительно на основании сигналов, получаемых от соответствующих датчиков, размещенных на дистальном конце 28, процессор может отслеживать температуру и/или импеданс ткани 36 и управлять генератором 38 сигналов в соответствии с полученными данными. Альтернативно или дополнительно процессор может выполнять любую иную требуемую функцию для управления или иным образом содействия в проведении процедуры.
Процессор 44 и генератор 38 сигналов обычно находятся внутри пульта 56 управления, и каждый из процессора и генератора сигналов может включать один или несколько блоков. Катетер 26 подключен к пульту 56 управления посредством электрического интерфейса 58, такого как порт или гнездо. Таким образом, сигналы передаются от генератора 38 сигналов к дистальному концу 28 посредством интерфейса 58. Аналогичным образом сигналы для отслеживания положения дистального конца 28 и/или сигналы для отслеживания температуры и/или импеданса ткани могут поступать в процессор 44 посредством интерфейса 58. Генераторы 56 магнитного поля подключены к пульту 56 управления посредством кабелей 60.
Процессор 44, как правило, может включать как аналоговые, так и цифровые элементы. Таким образом, процессор 44 может включать множество аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для получения аналоговых сигналов от катетера 26 и от генератора 38 сигналов. Процессор 44 может дополнительно включать множество цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) для передачи аналоговых сигналов управления в генератор 38 сигналов и другие компоненты системы. Альтернативно такие сигналы управления можно передавать в цифровом виде, при условии, что генератор 38 сигналов выполнен с возможностью получения цифровых сигналов управления. Процессор 44, как правило, включает цифровые фильтры для извлечения из полученных сигналов на заданных частотах.
Обычно описываемый в настоящем документе набор функций процессора 44 по меньшей мере частично реализуется программным образом. Например, процессор 44 может включать программируемое цифровое вычислительное устройство, включающее по меньшей мере центральный процессор (ЦП) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Программный код, включающий программное обеспечение и/или данные, загружают в ОЗУ для выполнения и обработки ЦП. Программный код и/или данные могут быть загружены в процессор в электронной форме, например, по сети. Альтернативно или дополнительно программный код и/или данные могут быть предоставлены и/или сохранены на энергонезависимом материальном носителе, таком как магнитная, оптическая или электронная память. Такие программные коды и/или данные при предоставлении процессору приводят к созданию вычислительной машины или специализированного компьютера, выполненного с возможностью выполнения задач, описанных в настоящем документе.
Несмотря на конкретный тип процедуры абляции, показанной на Фиг. 1, следует отметить, что описанные в настоящем документе варианты осуществления можно применять в рамках любого приемлемого типа процедуры многоканальной абляции, объединяющей эффекты термической абляции и электропорации.
На Фиг. 2 представлено схематическое изображение композитного сигнала 100 абляции, вырабатываемого генератором 38 сигналов в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
IRE
IRE
IRE,1
IRE,2
FRA
RFA
RFA,1
RFA,2
IRE
RFA
IRE
RFA
Сигнал 100 абляции включает два типа синусоидальных сигналов: сигналы IRE-абляции 102 и 104, имеющие напряжение V, частоту f и соответствующие продолжительности t и t; и сигналы РЧ-абляции 106 и 108, имеющие напряжение V, частоту f и соответствующие продолжительности t и t. Композитный сигнал 100 абляции может включать синусоидальные сигналы с изменяющимися значениями напряжения, частоты и продолжительности, как показано в приведенной ниже таблице 1. Таким образом, хотя сигналы 102 и 104 IRE-абляции на Фиг. 2 показаны как имеющие одинаковые напряжения и одинаковые частоты, в других вариантах осуществления каждый сигнал может иметь разное напряжение, а также разную частоту. Аналогичным образом сигналы РЧ-абляции 106 и 108 могут иметь разные напряжения и разные частоты. Кроме того, хотя на Фиг. 2 продолжительности t и t показаны как имеющие близкие величины, обычно t имеет значительно меньшее значение, чем t, как указывалось ранее и также показано в таблице 1.
Таблица 1. Типичные значения параметров сигналов IRE и RFA
Параметр
Символ
Типовые значения
Напряжение IRE-сигнала
V<sub>IRE</sub>
500-3000 В
Частота IRE-сигнала
f<sub>IRE</sub>
50 кГц-1 МГц (обычно выше f<sub>RFA</sub>)
Продолжительность IRE-сигнала
t<sub>IRE</sub>
<4 с (обычно 250 мс)
Полная энергия IRE
E<sub>IRE</sub>
<100 Дж
Напряжение РЧ-сигнала
V<sub>RFA</sub>
10-200 В
Частота РЧ-сигнала
f<sub>RFA</sub>
350-500 кГц
Продолжительность РЧ-сигнала
t<sub>RFA</sub>
4-90 с
Полная энергия RFA
E<sub>RFA</sub>
>100 Дж
Следует понимать, что описанные выше варианты осуществления приведены лишь в качестве примера и что настоящее изобретение не ограничено вариантами, показанными и описанными выше в настоящем документе. Напротив, объем настоящего изобретения включает как комбинации, так и подкомбинации различных элементов, описанных выше в настоящем документе, а также их варианты и модификации, которые могут быть предложены специалистами в данной области после прочтения приведенного выше описания и которые не были описаны на предшествующем уровне техники.