具有患者個(gè)體化電極配置的心臟電除顫優(yōu)化方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明屬于醫(yī)療電子
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，具體為一種適用于植入型心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器（ICD)的具有患者個(gè)體化電極配置的心臟電除顫優(yōu)化方法?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]心臟性猝死（suddencardiacdeath,SO))是指在急性癥狀出現(xiàn)后1小時(shí)內(nèi)發(fā)生的由心臟原因引起的非預(yù)期性自然死亡，其發(fā)作通常無(wú)法預(yù)期且無(wú)任何預(yù)兆。2009年國(guó)家"十五"科技攻關(guān)項(xiàng)目的前瞻性研宄表明，我國(guó)S⑶發(fā)生率為41.84/10萬(wàn)，總?cè)藬?shù)高達(dá)54.4萬(wàn)/年，位居全球各國(guó)之首；而在其他發(fā)達(dá)國(guó)家，每年也有數(shù)以十萬(wàn)計(jì)的SCD發(fā)生，占據(jù)了所有心血管疾病死亡的50%左右。其中，心室顫動(dòng)（ventricularfibrillation-VF，簡(jiǎn)稱室顫）是惡性心律失常中最常見(jiàn)的SCD病因，僅在美國(guó)一年就導(dǎo)致了30萬(wàn)例以上SCD的發(fā)生，占S⑶死亡總數(shù)的70%以上。由于室顫發(fā)作時(shí)心臟失去正常泵血功能，大腦及肺等器官和周?chē)M織的血液灌注停止，患者15分鐘內(nèi)若無(wú)生命支持治療措施，復(fù)蘇和存活便幾乎不可能。電擊除顫（electricdefibrillation-ED，簡(jiǎn)稱除顫）作為臨床上唯一可靠并被廣泛使用的室顫轉(zhuǎn)復(fù)方法，能有效終止室顫并避免SCD的發(fā)生。針對(duì)室顫的突發(fā)性及其搶救時(shí)間的緊迫性，植入型心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器（implantablecardioverterdefibrillator,ICD)的出現(xiàn)，進(jìn)一步開(kāi)拓了電除顫技術(shù)在臨床中的應(yīng)用?；颊咴谥踩隝CD以后，可受到其持續(xù)不間斷的心電監(jiān)測(cè)，一旦偵測(cè)到室顫等惡性心律失常的發(fā)生，ICD便能在第一時(shí)間自行啟動(dòng)除顫治療。自1980年首例ICD成功植入人體以來(lái)，ICD已被越來(lái)越多的醫(yī)生和患者所接受和植入，成為S⑶一級(jí)或二級(jí)預(yù)防中最重要的手段之一。在美國(guó)，每年接受I⑶植入的患者已超過(guò)20萬(wàn)例，而我國(guó)每年手術(shù)亦達(dá)萬(wàn)余例，而且目前該數(shù)目正急劇上升。[0003]I⑶的體內(nèi)植入主要是脈沖發(fā)生器的皮下植入和一根或多根除顫電極導(dǎo)絲的體內(nèi)不同區(qū)域、不同部位的植入，而不同的ICD植入方案，其所獲得的除顫治療效果也存在著明顯的不同。首先，ICD適應(yīng)癥患者的個(gè)體差異性一一患者的病史病情及身體狀況迥異，相同的植入模式在不同病人身上所需的最低除顫能量高低不同，所獲得的除顫效果也不盡相同，使得在臨床應(yīng)用中很難形成一套統(tǒng)一的適合所有患者的ICD植入模式；其次臨床現(xiàn)有ICD及植入模式的多樣性一一不同的電極配置（數(shù)量、長(zhǎng)短或彎曲形狀等）和不同的植入部位（心腔內(nèi)、心外膜或體表皮下），由此可形成幾十種甚至上百種植入術(shù)式和體內(nèi)除顫模式。既要考慮大部分常規(guī)患者，又要兼顧小兒和部分先心病人（如先天性單心室、室間隔或房間隔缺損等）等一類(lèi)無(wú)法采用標(biāo)準(zhǔn)電極和常規(guī)植入模式的特殊患者，相應(yīng)調(diào)整電極的植入部位及不同的數(shù)量、形狀和長(zhǎng)度配置。然而如今ICD手術(shù)植入方案的選擇仍單純依賴醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，并缺乏對(duì)患者個(gè)體因素的考慮，呈現(xiàn)較大的盲目性，導(dǎo)致植入電極失效、標(biāo)準(zhǔn)電極與患者比匹配、高能電擊下心肌損傷大、一次放電能量效率較低或電池能量消耗過(guò)快等問(wèn)題。通常為了實(shí)現(xiàn)成功除顫和尋求最佳除顫效果，常常需在術(shù)中或術(shù)后回訪時(shí)反復(fù)多次地手術(shù)調(diào)整電極配置模式和植入部位，不但使患者遭受"千瘡百孔"般的痛苦，亦令醫(yī)生面臨巨大的手術(shù)壓力。[0004]為了輔助醫(yī)生確定最佳的I⑶植入方案，提高I⑶的除顫治療效果，并盡可能避免術(shù)后回訪電極再手術(shù)調(diào)整的發(fā)生，減輕病人的痛苦，已有學(xué)者從仿真分析、臨床實(shí)驗(yàn)或者術(shù)中優(yōu)化角度，對(duì)ICD電極配置開(kāi)展優(yōu)化與設(shè)計(jì)研宄。仿真優(yōu)化方面，如《AnnalsofBiomedicalEngineering〉〉2008年發(fā)表的〈〈Optimaltransvenouscoilpositiononactive-cansingle-coilICDdefibrillationefficacy:Asimulationstudy))以及((TheJournalofPhysiology〉〉2013年發(fā)表的〈〈Placementofimplantablecardioverterdefibrillatorsinpaediatricandcongenitalheartdefectpatients:apipelineformodelgenerationandsimulationpredictionofoptimalconfigurations〉〉等，這一類(lèi)方法主要通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)某一具體的患者進(jìn)行建模，再仿真分析若干種ICD配置下的除顫效果，最終通過(guò)比較得出一個(gè)最優(yōu)化配置。臨床實(shí)驗(yàn)方面，如《HeartRhythm》2008年發(fā)表的〈〈Optimizationofsuperiorvenacavacoilpositionandusagefortransvenousdefibrillation》中，通過(guò)對(duì)113名患者進(jìn)行經(jīng)靜脈I⑶的植入試驗(yàn)，優(yōu)化電極參數(shù)配置，得出由右心室電極加上腔靜脈電極所構(gòu)成的雙電極最佳配置方案，并分析電極間距和高度對(duì)除顫效果的影響。《TheNewEnglandJournalofMedicine》2010年發(fā)表的《Anentirelysubcutaneousimplantablecardioverter-defibrillator》中，通過(guò)對(duì)188名患者分別進(jìn)行的短期與長(zhǎng)期ICD植入試驗(yàn)，篩選出四組優(yōu)化皮下ICD電極配置，并進(jìn)一步對(duì)性能比較得出一個(gè)最優(yōu)配置。以上方法都存在不足：缺乏對(duì)患者個(gè)體化因素的考量，僅通過(guò)在一例或者數(shù)例病人身上研宄所獲得的結(jié)論，其普適價(jià)值有限，難以保證適用于每一位個(gè)體患者；其次系統(tǒng)性不足，沒(méi)有廣泛和全面地對(duì)大量臨床可行的ICD配置方案進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，僅從所選定的有限種不同ICD配置中作比較而得出的最優(yōu)化結(jié)果，并非真實(shí)的最優(yōu)結(jié)果。而在術(shù)中優(yōu)化方面，美國(guó)專(zhuān)利2012/0253359Al提出在I⑶的手術(shù)植入過(guò)程中，加入一根額外的電極導(dǎo)絲并對(duì)其施加特定的電刺激，進(jìn)而通過(guò)分析兩電極間的電向量并據(jù)此優(yōu)化ICD電極配置。此方法可以較好的針對(duì)患者個(gè)體進(jìn)行電極植入位置的優(yōu)化，但其應(yīng)用范圍僅限于經(jīng)靜脈植入ICD電極系統(tǒng)，且存在調(diào)節(jié)優(yōu)化幅度有限的問(wèn)題?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0005]本發(fā)明針對(duì)以上技術(shù)與研宄的不足，目的在于解決臨床上植入型心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器(ICD)手術(shù)植入方案選擇的盲目性以及缺乏對(duì)患者個(gè)體差異性考慮的實(shí)際問(wèn)題，而提出一種ICD的除顫效能評(píng)估與除顫電極植入優(yōu)化方法，用于輔助醫(yī)生針對(duì)患者個(gè)體選擇最優(yōu)化的ICD除顫電極配置，以在植入術(shù)前確定其所適宜的ICD植入方案，提升ICD植入的除顫治療效果。[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案總體可以表述為：在ICD植入術(shù)前，采集患者胸腔區(qū)域的醫(yī)學(xué)影像，并通過(guò)影像分割和解剖重構(gòu)，建立包含該患者胸腔內(nèi)重要組織或器官邊界信息及心臟解剖結(jié)構(gòu)信息的個(gè)體化數(shù)值模型；進(jìn)而利用該模型和計(jì)算機(jī)數(shù)值化方法求解，對(duì)該患者臨床可行的ICD電極系統(tǒng)配置一一包括經(jīng)靜脈電極系統(tǒng)、心外膜電極系統(tǒng)以及全皮下電極系統(tǒng)，分別進(jìn)行除顫效能評(píng)估，并對(duì)電極位置、大小或長(zhǎng)短、植入形狀及數(shù)量的變化作多參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定適于該患者的最佳ICD電極配置模式和植入方案。[0007]根據(jù)本發(fā)明提出的一種ICD的除顫效能評(píng)估與除顫電極植入優(yōu)化方法，其步驟如下：[0008]SI.采集患者胸腔區(qū)域的核磁共振影像（MRI)或電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描（CT)影像，尤其精細(xì)掃描心臟區(qū)域，以獲得心臟及各腔室的詳細(xì)結(jié)構(gòu)；[0009]S2.對(duì)采集影像進(jìn)行計(jì)算機(jī)預(yù)處理，再對(duì)每一幅影像進(jìn)行組織與器官邊界分割，將一系列二維的軸向掃描影像，重構(gòu)為包含胸腔內(nèi)重要組織或器官結(jié)構(gòu)信息的三維心臟-胸腔解剖模型；[0010]S3.對(duì)心臟-胸腔解剖模型作高精細(xì)度的四面體或正六面體網(wǎng)格剖分，尤其精細(xì)剖分心臟區(qū)域，并對(duì)不同組織及器官區(qū)域加載相應(yīng)的電導(dǎo)率值，構(gòu)建三維的患者心臟-胸腔有限元數(shù)值模型；[0011]S4.在心臟-胸腔的有限元數(shù)值模型中加載I⑶除顫電極系統(tǒng)的脈沖發(fā)生器模型以及一根或多根除顫電極導(dǎo)線模型；[0012]S5.利用計(jì)算機(jī)數(shù)值化方法求解I⑶除顫電場(chǎng)的心內(nèi)分布；[0013]S6.對(duì)求解所得的心內(nèi)電場(chǎng)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)多參數(shù)的除顫效能評(píng)估：除顫閾值（DFT)、高場(chǎng)強(qiáng)率、能量均勻度及除顫能量效率，對(duì)心內(nèi)的除顫電場(chǎng)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，綜合分析該ICD電極配置下預(yù)期的除顫效能；[0014]S7.重復(fù)步驟S4至S6,依據(jù)患者病情，對(duì)患者臨床可行的多種I⑶電極配置分別進(jìn)行加載及除顫效能的求解評(píng)估，同時(shí)結(jié)合電極位置、大小或長(zhǎng)短、植入形狀及數(shù)量的變化作多參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定適于該患者的最佳ICD電極配置模式和植入方案。[0015]上述步驟S2中，影像的計(jì)算機(jī)預(yù)處理的具體過(guò)程為：[0016]S21.讀取影像掃描空間的坐標(biāo)原點(diǎn)，建立與其處于同一坐標(biāo)系的影像分割域；[0017]S22.校準(zhǔn)分割域的截面像素間距及軸向掃描間距，使分割域大小與患者胸腔實(shí)際大小保持一致；[0018]S23.對(duì)影像作中值濾波處理，濾除掃描噪聲干擾；[0019]S24.對(duì)影像作高斯濾波處理，提高組織與器官邊界的平滑度。[0020]上述步驟S5中，計(jì)算機(jī)數(shù)值化方法求解的具體過(guò)程為：[0021]S51.在患者心臟-胸腔有限元數(shù)值模型表面加載諾依曼邊界條件；[0022]S52.在患者心臟-胸腔有限元數(shù)值模型內(nèi)的ICD電極系統(tǒng)模型表面加載狄利克雷邊界條件，即設(shè)定除顫放電電壓的有效值；[0023]S53.利用有限元方法求解相應(yīng)ICD除顫放電電壓激勵(lì)下，患者胸腔內(nèi)的除顫電場(chǎng)所滿足的拉普拉斯方程解，即整個(gè)胸腔包括心臟內(nèi)部的除顫電場(chǎng)分布；[0024]上述步驟S6中，所述的除顫閾值，即能夠?qū)颊叱晒Τ澦璧淖钚‰妷?。[0025]上述步驟S6中，所述的高場(chǎng)強(qiáng)率，即受到高除顫電壓作用的心肌單元占心肌單元總量的百分比，反映該次除顫對(duì)心肌的損傷程度。[0026]上述步驟S6中，所述的能量均勻度，即所有心肌單元所受的除顫電流大小的標(biāo)準(zhǔn)差，反映除顫電流在心臟區(qū)域分布的均勻程度。[0027]上述步驟S6中，所述的除顫能量效率，即所有心肌單元所收到的除顫能量占放電總能量的百分比。當(dāng)前第1頁(yè)1 2