CN102309314A

CN102309314A - 医疗探针中的光学接触感测

Info

Publication number: CN102309314A
Application number: CN2011101798778A
Authority: CN
Inventors: A·戈瓦里; A·C·阿尔特曼; Y·埃夫拉思
Original assignee: Biosense Webster Israel Ltd
Current assignee: Biosense Webster Israel Ltd
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2031-06-16
Also published as: EP2397099A1; US20110313280A1; JP5819110B2; JP2012000463A; EP2397099B1; CA2742072A1; CA2742072C; IL213371A0; AU2011202359A1; IL213371A; AU2011202359B2; CN102309314B

Abstract

本发明提供用于接触感测的方法，所述方法包括从光学发光体传播光学辐射，所述光学发光体连接到医疗探针的远侧顶端，所述医疗探针设置在体腔内。从连接到所述远侧顶端的光学检测器接收信号，所述信号表征从所述体腔中的组织的所述光学辐射的反射。响应所述信号评估介于所述远侧顶端和所述组织之间的接触质量。

Description

医疗探针中的光学接触感测

技术领域

本发明整体涉及侵入式探针，更具体地讲，本发明涉及验证介于医疗探针和身体组织之间的接触质量。

背景技术

宽泛的医疗手术范围涉及在体内设置诸如传感器、管、导管、分配设备和植入物等物体。已经提出使用各种类型的传感器来感测介于导管和身体内的组织之间的接触。实例方法和系统在美国专利申请公布2007/0123750A1中有所描述，其公开内容以引用方式并入本文中。

发明内容

本文所述的本发明实施例提供用于接触感测的方法，该方法包括：

从连接到医疗探针的远侧顶端的光学发光体传播光学辐射，所述医疗探针设置在体腔内；

从连接到所述远侧顶端的光学检测器接收信号，所述信号表征从所述体腔中的组织的所述光学辐射的反射；以及

响应所述信号评估介于所述远侧顶端和所述组织之间的接触质量。

在一些实施例中，评估接触质量的步骤包括根据接收的所述信号估计介于所述远侧顶端和所述组织之间的距离。在另一个实施例中，评估接触质量的步骤包括根据接收的所述信号检测介于所述远侧顶端和所述组织之间的物理接触。检测物理接触的步骤可以包括检测接收的所述信号处于最大电平。在本发明所公开的实施例中，传播光学辐射的步骤包括使所述光学辐射交替地闪烁，以便校准接收的所述信号的零位电平。

在另一个实施例中，传播光学辐射的步骤包括从所述光学发光体传播第一波长的第一光学辐射，所述方法还包括从另一光学发光体传播第二波长的第二光学辐射，所述第二波长不同于所述第一波长，接收信号的步骤包括接收与所述第一光学辐射和所述第二光学辐射的相应的反射对应的第一信号和第二信号，评估接触质量的步骤包括通过处理所述第一信号和所述第二信号来辨别介于来自所述组织的所述反射和来自所述体腔内的血液之间的所述反射。

在一些实施例中，所述方法包括利用评估的所述接触质量校准连接到所述远侧顶端的接触传感器。在实施例中，传播光学辐射的步骤包括从多个光学发光体发出辐射，接收信号的步骤包括从多个光学检测器接收表征所述反射的多个信号，并且评估接触质量的步骤包括根据所述多个信号来确定所述接触质量。在另一个实施例中，发出辐射的步骤包括利用单条输入线路启用所述光学发光体中的至少两个。除此之外或作为另外一种选择，接收所述多个信号的步骤包括经由单条输出线路接收来自所述光学发光体中的至少两个的所述信号。

根据本发明的实施例，也提供用于接触感测的设备，所述设备包括：

医疗探针，所述医疗探针用于插入体腔中，所述探针具有远侧顶端，所述远侧顶端包括：

光学发光体，所述光学发光体被配置成传播光学辐射；和

光学检测器，所述光学检测器被配置成感测从所述体腔中的组织的所述光学辐射的反射，并生成表征感测的所述反射的信号；和

处理器，所述处理器被配置成接收来自所述光学检测器的所述信号，以及响应所述信号来评估介于所述远侧顶端和所述组织之间的接触质量。

根据本发明的实施例，还提供结合用于插入体腔中的医疗探针操作的计算机软件产品，所述医疗探针具有远侧顶端，所述远侧顶端包括光学发光体和光学检测器，所述光学发光体传播光学辐射，所述光学检测器感测所述体腔中的组织的所述光学辐射的反射，以及生成表征感测的所述反射的信号，所述产品包括非临时性计算机可读介质，程序指令被储存在所述介质中，所述指令在被计算机读取时引起所述计算机接收来自所述光学检测器的所述信号，以及响应所述信号来评估介于所述远侧顶端和所述组织之间的接触质量。

通过以下结合附图的实施例的详细说明，将更全面地理解本发明：

附图说明

图1为根据本发明实施例的实现光学接触感测的医疗系统的示意图；

图2为示出根据本发明实施例的使用光学接触感测的导管的示意图；

图3为示意性地示出根据本发明实施例的用于导管的光学接触感测的方法的流程图；

图4为根据本发明实施例的多路复用电路的电路图；和

图5为示出根据本发明实施例的多路复用电路中所使用的控制信号的时序图。

具体实施方式

概述

各种诊断和治疗手术(诸如心内电标测和心脏消融)使用侵入式探针，该探针的远侧顶端配有至少一个电极。电极通常在探针被压帖在身体内组织上时操作。在这些手术中，通常重要的是确定探针与体腔表面的接近度，并且确定探针的远侧顶端何时接触体腔表面。

医疗探针有时以套环(也称为“套索”)构型来实现，其中探针的远侧顶端包括配有多个电极的可调式套环。套环导管的构型使得能够同时对周边区域(诸如如肺静脉)进行标测或消融。然而，为了有效地进行手术，电极应该与静脉的内表面同时物理接触。

本发明的实施例提供用于精确和有效地评估导管-组织接触质量的方法和系统。评估接触质量的步骤可以涉及感测介于导管和组织之间的实际物理接触和/或接近度。在一些实施例中，一个或多个光学接触传感器连接到导管的远侧顶端。每一个光学传感器都包括至少一个光学发光体(诸如发光二极管(LED))和接近该发光体的至少一个相应的光学检测器(诸如光电二极管或光电晶体管)的组合。

在距组织较小距离处，光学检测器感测由光学发光体发出并被组织反射的光学辐射。光学检测器生成表征感测的反射的信号。当光学接触传感器与组织物理接触时，该信号将增大到最大电平。光学检测器所生成的信号被处理，以便评估介于组织和导管远端之间的接触质量。在一个示例实施例中，沿着导管的套环配备多个光学接触传感器。这些传感器产生的信号在介于套环和组织之间的接触质量提供高质量评估。

本文所述的传感器构型提供紧凑和有效的方法来精确且可靠地评估物理接触和接近度两者。此外，利用这些方法生成的接触质量测量值通常不需要对各个导管进行校正。

具体实施方式

图1为根据本发明所公开实施例的实现光学接近度感测的医疗系统20的示意图。系统20包括探针22(在本实例中为导管)和控制台24。在下文所述实施例中，假设探针22用于诊断或治疗处理，诸如在心脏26的肺静脉中周向标测电势，或进行静脉组织的消融。作为另外一种选择，加以必要的变通，探针22可以用于心脏中或其他身体器官中的其他治疗和/或诊断用途。

操作者28(诸如心脏病学家)将探针22穿过患者30的血管系统插入，以使得探针22的远端32进入患者心脏26的心室(如左心房)。操作者28使探针22前进，以使得远侧顶端34(这里以“套环”构型示出)接合在所需位置处的身体组织(如左上肺静脉中的静脉组织)。远侧顶端34包括多个电极和光学接触传感器。在下面的图2中更详细地示出了远侧顶端34的构型。探针22通常由在其近端处的合适的连接器连接到控制台24。

利用来自探针22中所配备的光学接触传感器的信号，控制台24确定在介于远侧顶端34和静脉组织之间的接触质量。如上所述，术语“接触质量”是指介于远侧顶端和组织之间的实际物理接触，以及远侧顶端与组织的接近度。在图1的实例中，控制台24也通过电缆36连接到身体表面电极，该电极通常包括粘合剂皮肤贴片38。控制台24根据测量的介于探针和贴片38之间的阻抗来确定探针22在心脏26内部的位置坐标。尽管系统20使用基于阻抗的传感器来测量位置，但也可以使用其他位置跟踪技术(如基于磁性的传感器)。磁性位置跟踪技术在(例如)美国专利5,391,199、5,443,489、6,788,967、6,690,963、5,558,091、6,172,499、6,177,792中有所描述，其公开内容以引用方式并入本文中。基于阻抗的位置跟踪技术在(例如)美国专利5,983,126、6,456,864和5,944,022中有所描述，其公开内容以引用方式并入本文中。

控制台24包括处理器40，该处理器在软件中进行编程，以进行下文所述功能。处理器40通常包括通用计算机，该计算机具有合适的前端和接口电路，用于接收来自探针22的信号，并控制控制台24的其他组件。例如，可以经网络将所述软件以电子形式下载到处理器40中，或可以将软件提供在计算机可读的非临时性有形介质上，诸如光学、磁或电子存储介质。作为另外一种选择，可以通过专用或可编程数字硬件组件、或利用硬件和软件元件的组合进行处理器40的一些或全部功能。

输入/输出(I/O)通信接口42使控制器24能够与探针22和贴片38相互作用。根据从探针22以及从贴片38接收的信号，处理器40生成并显示标测图46，该标测图示出远侧顶端34在患者体内的位置、介于套环和身体组织之间的距离和/或接触指示、以及有关正在进行的手术的状态信息和指导。利用显示器44将标测图46显示给操作者28。可以将探针22的位置添加在标测图46上或心脏26的另一图像上。

作为另外一种选择或除此之外，系统20可以包括用于在患者30体内操纵和操作探针22的自动化机构(未示出)。此类机构通常能够控制探针22的纵向运动(前进/后退)和远端32的横向运动(偏转/转向)两者。在此类实施例中，处理器40根据由探针和贴片提供的信号产生用于控制探针22的运动的控制输入，如下文进一步所述。

图2为示出根据本发明实施例的探针22的远侧顶端34的功能元件的示意图。远侧顶端34包括一个或多个电极50和一个或多个光学接触传感器52。光学接触传感器52将信号传输到控制台24，从而使处理器40能够精确地测量导管-组织接触和导管-组织接近度两者。电极50可以包括消融电极(一旦套环与组织良好接触，该消融电极就进行消融)或电标测电极(一旦套环与组织良好接触，该电标测电极就感测组织中的电势)。在本实例中，电极50也用于测量远侧顶端34的位置坐标。在此实施例中，控制台24根据测量的介于电极50和贴片38之间的阻抗来确定远侧顶端34的位置坐标。

每一个光学接触传感器52都包括光学发光体54A和54B(诸如LED)和光学检测器56(诸如光电二极管或光电晶体管)。在本实例中，每一个光学接触传感器都包括两个LED和一个光电二极管。在可供选择的实施例中，每一个光学接触传感器52都可以包括至少一个光学发光体和至少一个光学检测器。当给定的光学接触传感器52处于距组织57较小距离处时，该传感器中的检测器56感测从组织反射的LED辐射，并因此输出信号。该信号通常表征介于传感器和组织之间的距离。当光学接触传感器与组织物理接触时，来自检测器56的信号增大到最大电平。

LED 54A和54B可以发出不同波长(如红光和/或红外光波长范围)的光学辐射。例如，在图2的实施例中，LED 54A可以具有某一波长，LED54B可以具有不同的波长，光电二极管56可以感测由这两个LED引起的反射。通过处理不同波长的反射，处理器40可辨别介于来自静脉组织和来自心脏26中的血细胞之间的反射。因此，处理器可在很少或没有由血液或其他反射源引起的失真的情况下评估与组织的接触质量。除此之外或作为另外一种选择，控制台24可以使LED 54A和54A闪烁，以便于处理器40找到接收的信号的准确零位电平。

尽管图2示出探针在远侧顶端34中具有两个光学接触传感器52，但如上所述，本发明的实施例可以采用在远侧顶端中具有任何数量的光学接触传感器的探针。检测器的数量无需不可避免地等于发光体的数量。此外，尽管图2示出了配有两个光学接触传感器的套环导管，但本发明的实施例可以将任何所需数量的光学接触传感器装备到具有任何合适的构型的医疗探针上。此外，类似地，实施下文所述方法时，不仅可以使用套环导管，而且可以使用其他类型的导管和探针在心脏中和在其他身体器官及区域中进行医疗手术和测量应用。

利用光学接触传感器的接触质量感测

如上所述，本发明的实施例对导管-组织物理接触以及导管-组织接近度提供精确和有效的测量。然后，根据标测图46所提供的视觉反馈，操作者28可对探针22进行定位，以使得电极50与适当的身体表面同时接触，以用于医疗手术。在一些实施例中，LED 54A和54B发出光学辐射，光电二极管56向处理器40传输表征从静脉组织反射的光学辐射的信号。根据接收的信号，处理器40确定介于远侧顶端34和组织之间的距离，或验证两者间的接触。在一些实施例中，光学传感器52可以结合另一类型的接触传感器(如压力传感器/力传感器)使用，以便校准所述另一类型的接触传感器的零位电平或其他读数。

图3为示意性地示出根据本发明实施例的用于导管的光学接触感测的方法的流程图。当操作者28将探针22定位在心脏26中时(步骤60)，LED 54A和54B沿着远侧顶端34从其相应的点发出光学辐射(步骤62)。如上所述，LED 54A和54B可以发出相同或不同波长的光学辐射，并且这些LED可以在使用过程中恒定地照明或闪烁。

光电二极管56感测反射的LED辐射，并生成表征感测的反射光学辐射强度的信号。控制台24中的处理器40接收来自光电二极管56的信号(步骤64)。如果光电二极管56感测到来自LED的最大电平的反射的辐射，则远侧顶端34的对应部分最有可能与静脉组织直接物理接触(因为信号的强度)。另一方面，如果光电二极管56感测到来自LED的小于最大电平的反射的辐射，则远侧顶端34的相关部分最有可能与组织没有接触，信号将具有表征介于远侧顶端该部分和组织之间的接近度或距离的某一非零值。由于介于检测到的反射与接近度之间的关系，介于光电二极管56和组织之间可能存在这样的距离：其中光电二极管没有检测到从组织射出的任何反射，并产生对应的零位信号。该零位信号可指示默认最小距离，超过该最小距离就无法检测到反射。

处理器40根据接收的信号检查是否检测到最大电平的反射的光学辐射(步骤66)。如果没有检测到最大反射，则处理器40计算套环导管与静脉组织的接近度(步骤68)。由于远侧顶端34通常将包括多个光学接触传感器52，所以处理器40将接收来自这些传感器中的每一个的信号，因此能够确定介于套环导管的每一个部分和静脉组织之间的距离(以及确定套环导管的哪些部分与组织良好接触)。然后，处理器40用接近度信息更新显示器44上的标测图46，提示操作者28重新定位探针22(步骤70)，所述方法继续步骤60。返回步骤66，如果检测到最大反射，则套环导管被正确地定位，以进行医疗手术(步骤72)。

信号复用

在一些实施例中，如在上述套环导管构型中，导管远侧顶端配有多个光学接触传感器。由于穿过导管的控制线路和电源线路的数量，除了电极50之外，使导管配有多个传感器还可以充分利用探针的物理尺寸。在本发明的一些实施例中，往返于光学接触传感器的信号被复用到数量相对少的线路上，从而减少穿过导管的控制线路和信号线路的数量。

图4为根据本发明实施例的多路复用电路80的电路图。电路80包括LED 82A...82H(八个)。LED 82A...82H所发出的光学辐射分别被光电晶体管84A...84H感测。利用总共六条线路来控制电路80-两条输入线路、两条输出线路、一条电源电压线路和一条接地线路。通过两条输入线路85和86使八个LED交替打开和关闭。经两条输出线路87和88来接收八个光电晶体管所生成的信号。另外，电源电压(VCC)线路和接地线路穿过导管。电路80也包括电阻器90。

输入线路85控制LED 82C、82D、82G和82H。向输入线路85施加正电压将启用LED 82D和82H，并引起光电晶体管84D和84H的输出分别出现在输出线路87和88上。向输入线路85施加负电压将启用LED 82C和82G，并引起光电晶体管84C和84G的输出分别出现在输出线路87和88上。向输入线路85施加0V将停用所有四个LED 82C、82D、82G和82H。

输入线路86控制LED 82A、82B、82E和82F。向输入线路86施加正电压将启用LED 82B和82F，并引起光电晶体管84B和84F的输出分别出现在输出线路87和88上。向输入线路86施加负电压将启用LED 82A和82E，并引起光电晶体管84A和84E的输出分别出现在输出线路87和88上。向输入线路86施加0V将停用所有四个LED 82A、82B、82E和82F。

图5为示出根据本发明实施例的用于控制多路复用电路80的信号相位的时序图100。利用具有四个相位的周期性图形来控制输入线路85和86。在每一个相位中，用-5V、0V或+5V来驱动每一条输入线路。每一个相位中的控制电压的组合都确定将在该相位期间启用的一对LED(以及对应的一对光电晶体管，其信号将在输出线路87和88上输出)。

图102和104分别表示施加到输入线路85和86的电压(+5V、0V、-5V)。下表示出了每一个相位期间都施加到输入线路的电压和启用的LED：

图4和图5的复用方案仅利用六条线路来操作八个发光体-检测器对。通常，LED和光电晶体管被布置为使得同时启用的LED彼此远离。因此，给定光电晶体管可仅感测其对应LED所引起的反射。在每一个相位中都操作两个LED也帮助减小DC偏移，因为所有四个相位中的输入和输出线路中流动的电流基本上相同。在可供选择的实施例中，可以任何其他合适的方式来复用任何其他合适数量的光学发光体和检测器，以便减少穿过导管的线路的数量。

以下权利要求中的对应结构、材料、动作、和所有手段或步骤加上功能元件的等同形式旨在包括任何结构、材料或动作，以用于与具体受权利要求书保护的其他受权利要求书保护的元件结合来进行功能。已提供了对本发明的描述以用于举例说明和描述的目的，但并非旨在详尽描述本发明或将本发明限制为本发明所公开的形式。在不脱离本发明的范围和精神的前提下，许多修改形式和变型形式对于本领域的普通技术人员而言将显而易见。选择并描述了以上实施例，以便最好地解释本公开的原理和实际应用，以及使本领域的其他技术人员能够理解本公开的各种实施例具有适于所考虑的具体用途的各种修改形式。

所附权利要求旨在涵盖落在本发明精神和范围内的本公开的所有这种特征和优点。因为本领域技术人员将容易进行许多修改和改变，所以并非旨在将本公开限制于本文所述的有限数目的实施例。因此，应当理解，落入本发明精神和范围内的所有合适的变型形式、修改形式和等同形式都可以使用。

Claims

1.一种用于接触感测的方法，包括：

从耦合到医疗探针的远侧顶端的光学发光体传播光学辐射，所述医疗探针设置在体腔内；

从耦合到所述远侧顶端的光学检测器接收信号，所述信号表征从所述体腔中的组织的所述光学辐射的反射；以及

2.根据权利要求1所述的方法，其中评估所述接触质量的步骤包括根据接收的所述信号估计介于所述远侧顶端和所述组织之间的距离。

3.根据权利要求1所述的方法，其中评估所述接触质量的步骤包括根据接收的所述信号检测介于所述远侧顶端和所述组织之间的物理接触。

4.根据权利要求3所述的方法，其中检测所述物理接触的步骤包括检测接收的所述信号处于最大电平。

5.根据权利要求1所述的方法，其中传播所述光学辐射的步骤包括使所述光学辐射交替地闪烁，以便校准接收的所述信号的零位电平。

6.根据权利要求1所述的方法，其中传播所述光学辐射的步骤包括从所述光学发光体传播第一波长的第一光学辐射，并且包括从另一光学发光体传播第二波长的第二光学辐射，所述第二波长不同于所述第一波长，其中接收所述信号的步骤包括接收与所述第一光学辐射和所述第二光学辐射的相应的反射对应的第一信号和第二信号，并且其中评估所述接触质量的步骤包括通过处理所述第一信号和所述第二信号来在来自所述组织的所述反射和来自所述腔内的血液的所述反射之间进行辨别。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括利用评估的所述接触质量校准耦合到所述远侧顶端的接触传感器。

8.根据权利要求1所述的方法，其中传播所述光学辐射的步骤包括从多个光学发光体传播所述辐射，其中接收所述信号的步骤包括从多个光学检测器接收表征所述反射的多个信号，并且其中评估所述接触质量的步骤包括根据所述多个信号来确定所述接触质量。

9.根据权利要求8所述的方法，其中传播所述辐射的步骤包括利用单条输入线路启用所述光学发光体中的至少两个。

10.根据权利要求8所述的方法，其中接收所述多个信号的步骤包括经由单条输出线路接收来自所述光学发光体中的至少两个的所述信号。

11.一种用于接触感测的设备，包括：

光学发光体，所述光学发光体被配置成传播光学辐射；和

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述处理器被配置成通过根据接收的所述信号估计介于所述远侧顶端和所述组织之间的距离来评估所述接触质量。

13.根据权利要求11所述的设备，其中所述处理器被配置成通过根据接收的所述信号检测介于所述远侧顶端和所述组织之间的物理接触来评估所述接触质量。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述处理器被配置成通过检测接收的所述信号处于最大电平来检测所述物理接触。

15.根据权利要求11所述的设备，其中所述光学发光体被配置成使所述光学辐射交替地闪烁，并且其中所述处理器被配置成响应闪烁的所述辐射来校准接收的所述信号的零位电平。

16.根据权利要求11所述的设备，还包括附加的光学发光体，其中所述光学发光体被配置成传播第一波长的第一光学辐射，其中所述另一光学发光体被配置成传播第二波长的第二光学辐射，所述第二波长不同于所述第一波长，并且其中所述处理器被配置成接收与所述第一光学辐射和所述第二光学辐射的相应的反射对应的第一信号和第二信号，并且通过处理所述第一信号和所述第二信号来在来自所述组织的所述反射和来自所述腔内的血液的所述反射之间进行辨别。

17.根据权利要求11所述的设备，还包括耦合到所述远侧顶端的接触传感器，其中所述处理器被配置成利用评估的所述接触质量来校准所述接触传感器。

18.根据权利要求11所述的设备，还包括被配置成传播所述光学辐射的多个光学发光体以及被配置成感测所述反射的多个光学检测器，其中所述处理器被配置成从所述多个光学检测器接收表征所述反射的相应的多个信号，并且根据所述多个信号来评估所述接触质量。

19.根据权利要求18所述的设备，还包括多路复用电路，所述多路复用电路被配置成利用单条输入线路启用所述光学发光体中的至少两个。

20.根据权利要求18所述的设备，还包括多路复用电路，所述多路复用电路被配置成经由单条输出线路复用来自所述光学发光体中的至少两个的所述信号。

21.一种结合用于插入体腔中的医疗探针操作的计算机软件产品，所述医疗探针具有远侧顶端，所述远侧顶端包括光学发光体和光学检测器，所述光学发光体传播光学辐射，所述光学检测器感测所述体腔中的组织的所述光学辐射的反射，以及生成表征感测的所述反射的信号，所述产品包括非临时性计算机可读介质，程序指令被储存在所述介质中，所述指令在被计算机读取时引起所述计算机接收来自所述光学检测器的所述信号，以及响应所述信号来评估介于所述远侧顶端和所述组织之间的接触质量。