CN105434041B - 多量程光学传感 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“多量程光学传感”。本发明公开了使用在末端处带有多个光纤发射器和接收器的导管的差异光学响应来估计消融灶的深度。使用光纤的紧密间隔的发射器/接收器对来检测较浅深度处的组织光学响应。为了检测更深的组织响应，相同的或不同的发射器可以与相对较远的另一个接收器一起使用。根据所需的感测深度选择发射器和接收器之间的距离。光信号在消融过程中的达到稳定和达到峰值指示在所选择的组织深度处的终点。

Description

多量程光学传感
背景技术
技术领域
本发明涉及侵入式医疗装置。更具体地讲，本发明涉及使用此类装置来消融组织。
相关领域的描述
本领域已知的是使用电能来消融身体组织。通常用以下方法进行消融：以足以破坏靶组织的功率向电极施加交变电流，例如射频能量。通常，将电极安装在***受检者体内的导管的远侧末端上。可使用本领域已知的多种不同方式来跟踪远侧末端，例如通过测量在远侧末端处由受检者体外的线圈生成的磁场来跟踪远侧末端。
使用射频能量消融心脏组织的已知困难在于控制组织的局部加热。一方面期望产生足够大的消融灶以有效消融异常的组织病灶或阻止异常传导模式，另一方面又不期望过量的局部加热效应，两者之间面临权衡取舍。如果射频装置产生的消融灶太小，则医疗手术可能不太有效，或可能需要太多时间。另一方面，如果组织过量加热，则可能会由于过热而出现局部炭化效应、凝结物、和/或***性蒸汽爆裂。此类过热区域可形成高阻抗，并可形成热量通道的功能性障碍。使用较慢的加热可更好地控制消融，但是会不当地延长手术时间。
Lieber等人的美国专利8,147,484公开了当进行消融时对组织反射光谱特征的实时光学测量。该技术涉及组织辐射和从组织重新捕获光以监测经反射的光强度变化，作为组织中的蒸汽形成的指示以用于预防蒸汽爆裂。进行观察来确定测量的反射光谱强度(MRSI)在指定的时间段期间是否增加，之后以指定速率进行MRSI的降低。如果在指定时间内并以指定速率降低MRSI，则推断出蒸汽袋的形成。
发明内容
以引用方式并入本文的共同转让的美国临时申请61/984953公开了由导管末端附近的光传感器测量的光反射率指示事件，诸如即将发生的蒸汽爆裂。
根据本发明的公开实施例，使用在末端处带有多个光纤发射器和接收器的导管的差异光学响应来估计消融灶的深度。使用紧密间隔的发射器/接收器对来检测较浅深度处的组织光学响应。为了检测更深的组织响应，相同的发射器可以与较远的另一个接收器一起使用(或反之亦然)。根据所需的感测深度选择发射器和接收器之间的距离。光信号在消融过程中的达到稳定和达到峰值指示在所选择的组织深度处的终点。
根据本发明的实施例，提供一种被配置用于***患者体内邻近组织的***管。该管具有用于将能量递送到组织的电导体，以及附接到***管的远侧部分并且电耦合到电导体的传导盖。包含在***管内的多根光纤在远侧部分处具有接线端。光纤能够配置为将光辐射输送到组织的传输光纤，并且能够配置为输送来自组织的经反射的光辐射的接收光纤。在***管的远侧部分处，光纤的接线端以相应距离彼此间隔开。光模块被配置用于当电导体将能量递送到组织时，通过根据传输光纤和接收光纤之间的相应距离将传输光纤和接收光纤选择性地相关联来询问预先确定深度处的组织，该光模块可操作来沿着光路发射光，该光路穿过所选择的传输光纤，从组织反射，并且作为反射光通过所选择的接收光纤返回到光模块。连接到光模块的处理器分析反射光。
根据该设备的另一个方面，光模块可操作用于改变在光路中发射的光的强度。
根据该设备的另一个方面，光路中发射的光为单色的。
根据该设备的另一个方面，光路中发射的光具有675nm的波长。
根据该设备的另一个方面，选择性地相关联的传输光纤和接收光纤以0.5mm-2mm的间隔间隔开。
根据该设备的一个方面，分析反射光包括确定反射光停止以大于预先确定的速率而改变强度的时间。
根据该设备的另一个方面，分析反射光包括识别返回光中的强度峰值的时间。
根据该设备的另一个方面，分析反射光包括确定在相应询问深度处发生反射光强度的变化速率的改变超过预先确定的百分比的时间。
根据该设备的另一个方面，分析反射光包括计算两个波长的比率，并且确定比率停止以大于预先确定的速率而改变的时间。
根据本发明的实施例还提供了一种方法，该方法通过以下步骤进行：将包含在探头中的光纤配置为传输光纤和接收光纤，其中光纤的接线端以相应距离彼此间隔开；将探头***到患者体内。当通过探头的消融器将能量递送到体内组织时，该方法进一步通过以下步骤进行：通过根据传输光纤和接收光纤之间的相应距离将传输光纤中的一个和接收光纤中的一个选择性地相关联来询问预先确定深度处的组织；以及建立光路，该光路从光发射器延伸穿过该一个传输光纤以便从组织反射，并且继续作为来自组织的反射光穿过该一个接收光纤至接收器。该方法进一步通过以下步骤进行：从光发射器沿着光路传输光；以及分析通过该一个接收光纤到达接收器的反射光。
附图说明
为更好地理解本发明，以举例的方式提供本发明的详细说明，结合以下附图来阅读详细说明，附图中相同的元件用相同的附图标号来表示，并且其中：
图1为用于进行消融手术的***的图示，该***根据本发明的公开实施例构造和操作；
图2为根据本发明实施例的导管盖的示意性透视图；
图3为根据本发明另选实施例的导管远侧端部的等轴视图；
图4为根据本发明实施例的沿图4的线5-5截取的示意性侧视图；
图5示意性地示出根据本发明实施例的到达图2所示的顶盖中的窗口的光/来自图2所示的顶盖中的窗口的光所经过的路径；
图6为根据本发明实施例的导管的远侧端部的示意图；
图7为根据本发明实施例的导管中光接收器-发射器对的元件间距离与观察到消融终点的实耗时间关联的曲线图；并且
图8为根据本发明实施例的示出改变光辐射强度的影响的一系列曲线图。
具体实施方式
为了全面了解本发明的各种原理，在以下说明中阐述了许多具体细节。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，并非所有这些细节为实施本发明所必需的。在这种情况下，为了不使主要概念不必要地变得模糊，未详细示出熟知的电路、控制逻辑以及用于常规算法和进程的计算机程序指令细节。
概述
现在转到附图，首先参见图1，其为用于在活体受检者心脏12上用于评估电活动和进行消融手术的***10的立体说明图，所述***10是根据本发明的公开实施例构造和操作的。该***包括导管14，由操作者16将导管14经由皮肤穿过患者的血管******心脏12的心室或血管结构中。操作者16(通常为医师)将导管的远侧末端18，例如在消融靶点与心壁接触。按照美国专利6,226,542和6,301,496以及共同转让的美国专利6,892,091中所公开的方法制备电激活图，这些专利的公开内容均以引用方式并入本文中。一种包括***10的元件的商品可以商品名
Figure BDA0000806249970000041
3***得自Biosense Webster，Inc.，3333DiamondCanyon Road，Diamond Bar，CA 91765。该***可由本领域的技术人员修改以体现本文所述的本发明的原理。
可以通过施加热能对例如通过电活动图评价测定为异常的区域进行消融，例如，通过将射频电流通过导管中的金属线传导至远侧末端18处的一个或多个电极，这些电极将射频能量施加到心肌。能量被吸收到组织中，由此将组织加热到一定温度(通常为高于50℃)，在所述温度下组织会永久性失去其电兴奋性。此手术成功后，在心脏组织中产生非传导性的消融灶，这些消融灶可中断导致心律失常的异常电通路。本发明的原理可应用于不同的心室以诊断并治疗多种不同的心律失常。
导管14通常包括柄部20，在柄部上具有合适的控制器，以使操作者16能够按消融手术所需对导管的远侧端部进行操纵、定位和定向。为了协助操作者16，导管14的远侧部分包含向位于控制台24中的处理器22提供信号的位置传感器(未示出)。处理器22可履行如下所述的若干处理功能。
可使消融能量和电信号经由电缆34穿过位于远侧末端18处或附近的一个或多个消融电极32，在心脏12和控制台24之间来回传输。可以通过电缆34和电极32将起搏信号和其他控制信号从控制台24传输至心脏12。同样连接至控制台24的感测电极33设置在消融电极32之间，并且已连接至电缆34。
线连接件35使控制台24与体表电极30和定位子***的其他部件相连，该定位子***用于测量导管14的位置和取向坐标。处理器22或另一个处理器(未示出)可以是定位子***的元件。电极32和体表电极30可以用于在消融点测量组织阻抗，如授予Govari等人的美国专利7,536,218中所提出的那样，该专利以引用方式并入本文。温度传感器(未示出)，通常为热电偶或热敏电阻器，可安装在电极32的每个上或附近。
控制台24通常包含一个或多个消融功率发生器25。导管14适于利用任何已知的消融技术将消融能量传导到心脏，例如，射频能量、超声能量和激光产生的光能。共同转让的美国专利6,814,733、6,997,924和7,156,816中公开了此类方法，这些专利以引用方式并入本文。
在一个实施例中，定位子***包括磁定位跟踪构造，该磁定位跟踪构造利用生成磁场的线圈28，通过以预定的工作空间生成磁场并感测导管处的这些磁场来确定导管14的位置和取向。在以引用方式并入本文的美国专利7,756,576以及上述美国专利7,536,218中描述定位子***。
如上所述，导管14耦合到控制台24，这使得操作者16能够观察并调控导管14的功能。控制台24包括处理器，优选为具有适当的信号处理电路的计算机。处理器被耦合以驱动监视器29。信号处理电路通常接收、放大、过滤并数字化来自导管14的信号，这些信号包括由传感器诸如电、温度和接触力传感器和位于导管14中的远侧端部的多个位置感测电极(未示出)所生成的信号。控制台24和定位***接收并使用数字化信号以计算导管14的位置和取向以及分析来自电极的电信号。
为了生成电解剖标示图，处理器22通常包括电解剖标示图发生器、图像对准程序、图像或数据分析程序和被配置成在监视器29上呈现图形信息的图形用户界面。
光模块40提供从远侧末端18传输到靶组织的光辐射，通常来自，但不限于激光、白炽灯、弧光灯或发光二极管(LED)。该模块接收并协同处理器22分析从靶组织返回并在远侧端部处获取的光辐射，如下所述。
通常，***10包括其他元件，但为了简洁起见未在图中示出这些部件。例如，***10可包括心电图(ECG)监视器，其被耦合以接收来自一个或多个体表电极的信号，以便向控制台24提供ECG同步信号。如上所述，***10通常还包括基准定位传感器，其或者位于附接在受检者身体外部的外部施加基准补片上，或者位于***到心脏12内并相对于心脏12保持在固定位置的内置导管上。提供了用于使液体循环穿过导管14以冷却消融点的常规泵和管路。***10可接收来自外部成像模态(诸如MRI单元等)的图像数据，并且包括图像处理器，该图像处理器可结合在处理器22中或由处理器22调用以用于生成并显示图像。
现在参见图2，其为根据本发明的实施例的导管盖100的示意性透视图。顶盖100包括大约0.4mm厚的侧壁74，以便在任选温度传感器48与末端的中腔76内部的冲洗流体之间提供所需的热绝缘。冲洗流体穿过孔46退出腔76。
现在参见图3，该图为根据本发明的替代实施例的导管顶盖113的远侧端部的等轴视图。在该实施例中，六个开口114位于远侧端部115处。将在下文中说明，开口114在光纤元件纵向延伸穿过导管14进入顶盖113中的接线端处构成窗口。在其他实施例中，顶盖113可具有其他窗口(未示出)来容纳传感器，例如，温度或接触力传感器。
现在参见图4，该图为根据本发明的实施例示出顶盖100内部(图2)的示意性侧视图。三个纵向通孔102和三个纵向盲孔72形成于侧壁74中。这三组孔72、102可围绕顶盖100的纵向轴线对称分布。然而，这些孔不必围绕该轴线对称分布。任选传感器48安装在中空导管78中，该中空导管78填充有合适的胶(例如环氧树脂)并且装配到侧壁74中的纵向孔72内。导管78可包含合适的塑性材料(例如聚酰亚胺)并且通过合适的胶(例如环氧树脂)来保持就位。此装置提供了传感器48的阵列，这具有更易于制造和耐用的可能优点。
每个纵向通孔102终止于在壁74的表面中的开口114，并且透明窗口116被置于该开口中。光纤118被***通孔中的每个中。在一些实施例中，可以不安装温度传感器48，并且只有光纤118被结合到壁中。这种实施例能够通过以下描述的方法确定与顶盖的组织接触，和/或表征位于顶盖附近的组织。
窗口116起到密封件的作用，该密封件避免在顶盖100的外表面之外的流体渗入包含光纤的孔中。窗口116可以通过用光学透明胶或环氧树脂填充开口114来形成。在一些实施例中，窗口的材料可以填充有散射剂，以便散射穿过窗口的光。
另选地，窗口可由光学性能平面材料或透镜材料形成，并且可以用胶固定到它们的开口。
在一个实施例中，每根光纤118或每根光纤128为单光纤，通常具有约175μm的直径。在另选的实施例中，每根光纤118或每根光纤128包括一束基本上类似的光纤，通常具有也为约175μm的束直径。将光纤实现成束增加了顶盖100相对于导管14(图1)的更近侧区域的柔韧性。
如果顶盖100通过弹簧连接到导管的更近侧区域，该弹簧的挠度被测量以用于测量顶盖上的力的目的，则这种柔韧性的增加是有利的，因为增加的柔韧性意味着针对给定的力，弹簧挠度存在极小变化或不存在变化。在Beeckler等人的美国专利申请公布2011/0130648中描述可用于使顶盖100接合到导管的更近侧区域的弹簧，该公开以引用方式并入本文。
光模块40(图1)被配置成能够向光纤118和128中的任一个提供光辐射，以用于从相关联的窗口116、124传输以便照射位于顶盖100附近的组织。同时，光模块40能够通过窗口的任一个或所有获取从经照射组织返回的辐射。
窗口116、124的阵列，以及它们的相关联光纤使得本发明的实施例能够使用光辐射来采用多种不同的方法，以用于确定经照射组织的特征，以及顶盖100或该顶盖的区域相对于该组织的接近度。以举例的方式，以下描述三种此类方法，但是本领域的技术人员将了解其他方法，并且所有此类方法都包括在本发明的范围之内。
第一方法检测窗口116、124中的任一个与组织的接触，并且因此检测导管与组织的接触。具有已知强度的光辐射被传输通过每根光纤，直至从光学件的窗口退出。当顶盖100不与组织接触时，通常当顶盖处于心脏12(图1)的血液中时，测量返回到窗口的辐射的强度。光模块40可使用这些强度作为光辐射的参考值。
对于任何指定的窗口而言，可以采用相对窗口参考值(如由模块测量的)的值变化来指示窗口与组织接触。
第二方法测量由光辐射照射的组织的特征。现在参见图6，该图示意性地示出根据本发明实施例的到达顶盖100(图2)中的窗口的光/来自顶盖100中的窗口的光所经过的路径。
如图5所示，对于所有六个窗口116、124而言，总共存在21个不同的路径，这些路径包括6个路径150，其中来自指定窗口的辐射返回到该窗口；以及15个路径160，其中来自指定窗口的辐射返回到不同的窗口。针对指定路径或路径组的光辐射变化取决于该路径或路径组中组织的特征，这使得对所有路径变化的测量提供与位于顶盖100附近的组织特征相关的信息。
例如，可通过以时间复用方式顺序地传输来自窗口116、124中的每个的光辐射并且测量返回辐射，来测量所有路径变化。来自第一窗口的以这种序列进行的第一传输为五个路径160加上通向第一窗口的返回路径150提供值。来自第二窗口的第二传输为四个新路径160加上通向第二窗口的返回路径150提供值。来自第三窗口的第三传输为四个新路径160加上通向第三窗口的返回路径150提供值。来自第四窗口的第四传输为两个新路径160加上通向第四窗口的返回路径150提供值。来自第五窗口的第五传输为一个通向第六窗口的新路径160加上通向第五窗口的返回路径150提供值。来自第六窗口的第六和最后传输提供通过该第六窗口的一个返回路径150。
光模块40(图1)使得光纤的第一部分能够作为传输光纤，并且使得光纤的第二部分能够作为接收光纤。光模块40将传输光纤与接收光纤选择性地相关联以产生光路，该光路穿过所选择的传输光纤，从靶组织反射，并且通过所选择的接收光纤返回。由于光纤的第一部分和第二部分通过适当选择传输光纤和接收光纤以相应距离间隔开，所以光模块40能够根据传输光纤和接收光纤之间的元件间间距询问所需深度处的靶组织。光模块40协同处理器22(图1)可测量所有路径的变化，并且使用校正过程，可以从这些变化得出路径内组织的光学特征。此类特征可以包括路径中组织消融的总体水平，或者坏死组织的量和/或类型。
光路中的光可以是单色光，例如波长为675nm。另选地，该光可以具有更宽的光谱。
现在参见图6，该图为根据本发明实施例的导管的远侧端部的示意图。示出光纤元件的九个接线端(O，A-H)。弦OA-OH将元件O分别与元件A-H连接。附带的表指出接线端的对应的元件间距离。虽然图7详尽示出关于元件O的光路，但是在实施过程中，不是所有的位置都需要专用于光纤元件。在当前的实施例中，三个位置(元件H、B和E)被分配给温度传感器，从而留有待选择的更少的光路。
操作
继续参见图6，通过配置一个元件(例如元件O)作为光学接收器-发射器对的一个构件以及另一个元件(例如元件A-H)作为另一个构件，导管与***10(图1)协同操作。所选择的接收器-发射器对对于询问相应深度处的消融位点是最佳的。例如，0.5mm的元件间距离对于较浅询问深度是最佳的。约2mm的元件间距离对于约2-3mm的更深水平是最佳的。所选择的元件间距离可以改变，即：通过保持一个元件(例如元件O)固定并依次分析其他元件；或通过根据预先确定的计划表改变配对。在任何情况下，在消融进行时分析通过这些对测量的反射率。一旦使用最大的元件间距离接收的信号稳定(或达到峰值)，就可以推断出在该水平处的组织中不会发生另外的变化。尽管光学询问深度为约2-3mm，但是能够基于在最大询问深度处变化的量值外推消融灶的总深度。另选地，通过操作多个元件作为相应波长处的光发射器，多个接收器-发射器对可以同时操作。
结果
现在参见图7，该图为根据本发明实施例的导管中光接收器-发射器对的元件间距离与观察到光强度变化的实耗时间关联的曲线图。在这种医疗过程中，消融深度随着实耗时间而增加。示出特定距离处的询问深度和实耗时间之间的相关性，其指示在增加的接收器-发射器对距离处的光反射率可用于检测增加的消融深度。
现在参见图8，该图为根据本发明实施例的示出改变光辐射强度的影响的一系列曲线图。终点可以通过建立一个时间来确定，在该时间处反射光的强度不能以大于预先确定的速率改变。另选地，终点可以通过识别反射光终点162、162、164、166的强度峰值来确定。
另选地，终点可以通过经由两个波长处的光纤元件传输光通过路径，并且计算该两个波长处反射光的比率来确定。终点可以定义为一个时间，在该时间处，比率停止以大于预先确定的速率改变。
对反射率数据的分析可以包括对点(本文称其为“起始点”)的识别。随着询问深度增加，起始点代表发生反射率的变化速率的改变超过预先确定的百分比的时间。此类起始点分别对应于不同的询问深度。第一起始点发生在较浅的询问深度处，并且后者实例发生在更深的询问深度处。
使用最大分离距离获得最下层曲线图，并且表现出不同的峰值，而更小分离距离在由点162、164、166、168所示达到消融终点之后导致变平或达到稳定。
本领域的技术人员将会认识到，本发明并不限于上文中具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述各种特征的组合与子组合两者，以及不在现有技术范围内的其变化形式和修改形式，本领域技术人员在阅读上述说明时应当想到这些变化形式和修改形式。

Claims (5)

1.一种设备，包括：
***管，所述***管具有被配置用于***患者体内邻近组织的远侧部分并且包含管腔，所述***管包括：
电导体，所述电导体用于将能量递送到所述组织；
传导盖，所述传导盖附接到所述***管的所述远侧部分并且电耦合到所述电导体；
多根光纤，所述多根光纤被包含在所述***管内并且在所述远侧部分处具有接线端，所述光纤能够配置为将光辐射输送到所述组织的传输光纤，并且能够配置为输送来自所述组织的经反射的光辐射的接收光纤，其中在所述***管的所述远侧部分处，所述光纤的所述接线端以相应距离彼此间隔开；
光模块，所述光模块被配置用于当所述电导体将能量递送到所述组织时，通过根据所述传输光纤和所述接收光纤之间的相应距离将所述传输光纤和所述接收光纤选择性地相关联来询问预先确定深度处的所述组织，所述光模块可操作来沿着光路发射光，所述光路穿过所选择的传输光纤，从所述组织反射，并且作为反射光通过所选择的接收光纤返回到所述光模块；以及
连接到所述光模块的处理器，所述处理器用于分析所述反射光，所述处理器被配置成通过分析所述反射光来确定消融的终点，其中分析所述反射光包括计算两个波长的比率，并且确定所述比率停止以大于预先确定的速率而改变的时间。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述光模块可操作用于改变在所述光路中发射的所述光的强度。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述光路中的所述发射光为单色的。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述光路中的所述发射光具有675nm的波长。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述选择性地相关联的传输光纤和接收光纤以0.5mm - 2mm的间隔间隔开。
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