CN100542478C - 用于测量生物组织中的氧含量的探针以及带有这种探针的导管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量生物组织中的氧含量的探针(1)。该探针带有至少一个可在近端在一侧与光源光耦合并且在另一侧与光传感器光耦合的光学纤维(2)。对氧敏感的染料(5)布置在纤维(2)的远端面上并且与所述远端面光耦合。包括该远端面与染料(5)的远端纤维部分(6)被可透过氧不可透过液体的膜(7)包围，所述膜(7)在所包围的区域中限定气室(8)，该气室包围带有染料(5)的远端面。探针(1)是导管(14)的组成部件，该导管还包括温度传感器(30)和优选地压力传感器(28)。由此得到一种探针，其中纤维对在测量位置的外界干扰的敏感性降低并且用于分析测量结果的可能性提高。

Description

用于测量生物组织中的氧含量的探针以及带有这种探针的导管
技术领域
本发明涉及一种用于测量生物材料中的氧含量的探针，该探针具有至少一个光学纤维，该光学纤维可在近端在一侧与光源光耦合并且在另一侧与光传感器光耦合，该探针还具有对氧敏感的染料，该染料布置在纤维的远端面上并且与所述远端面光耦合。另外，本发明还涉及带有这种探针的导管。
背景技术
氧的测量特别是在医学领域受到广泛的关注。这里，确定体内溶解的但是未与血红蛋白结合的氧的量对于评估对生物材料特别是组织的供给很重要。被测量氧含量的生物材料的其它例子包括体液例如血液或溶液(Liquor)。此过程的一个关键的因素是在被测的组织中的氧分压。物理地溶解在间质流体中的氧的分压对应于在细胞水平上氧的可用性。特别地，组织中氧的测量还应用于心脏血管和神经外科领域，以及移植医学领域。在以上情况下，主要使用包括传感器系统或探针的导管进行测量，该传感器系统或探针特别地与氧发生反应。
从WO93/05702A1已知最初提到的类型的探针。从US 5,673,694、US5,995,208和US 5579,774以及其中引用的公报已知利用纤维光学测量组织中的氧参数的其它探针。从J.I.Peterson et al，Anal Chem.1984，56，62-67中已知另一种纤维光学氧探针。从US 4,752,115 A、US 5,142,155 A和US4,861,727A已知另一种纤维光学探针。
一种已知的利用纤维光学来测量物理地溶解的即游离氧的分压的测量方法为动态氧猝灭(oxygen quenching)。在该方法中，嵌入基体中的荧光染料—例如铂络合物(complex)—安装在光学纤维的远端。荧光染料通常被激光辐射经由纤维光学地激发，该激光辐射被调谐到染料的吸收波段。通过发射具有相同的或者红移的波长的光，所被激发的染料分子经过例如1至60μs的范围内的时间延迟变回通常状态。在存在氧的情况下，这种向常态的转变也可以在没有辐射的情况下通过碰撞过程发生。这样，经由纤维反射的光的强度减小。这种减小与紧临荧光染料的环境中的游离氧成比例。已知的纤维光学传感器对散射光和影响强度的因素例如毛细裂缝或纤维扭结非常敏感。如果利用锁定(Lock-in)技术测量由荧光染料反射的光相对于射入的光的相移，则这种灵敏性可以降低。在这种方法中，利用长期存在的荧光状态在统计学上更易受动态氧猝灭的无辐射碰撞过程的影响的事实。即使在测量中应用锁定技术，已知的纤维光学传感器仍然显示出对分散光和影响强度的因素的敏感性，尽管这种敏感性的程度降低。另外，已发现，在同一组织区域中使用已知的纤维光学传感器会产生非常不同的游离氧含量值，这使得对这样测量得到的信号的分析几乎不可能。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种开头所述类型的探针，使得纤维在测量位置对破坏性环境影响的灵敏性降低，并且改进测量结果的可分析性。
根据本发明，所述目的通过一种用于测量生物材料中的氧含量的探针实现，该探针具有至少一个光学纤维，该光学纤维可在近端在一侧与光源光耦合并且在另一侧与光传感器光耦合，该探针还具有对氧敏感的染料，该染料布置在纤维的远端面上并且与所述远端面光耦合，其中，包括远端面与染料的远端纤维部分被可透过氧且不可透过液体的膜包围，所述膜在所包围的区域中限定气室，该气室包围带有染料的远端面，染料被设置成在远端面上的涂层。
根据本发明已经发现，用可透过氧的并且同时不可透过液体的膜形成包围远端纤维部分的气室有利地增加了围绕染料的测量体积。此时，测量体积不再减至围绕染料的紧临的材料或组织，而是扩展到限定气室的膜的外包围区域。因此，形成于气室中的氧分压是限定气室的膜的外表面上的平均自由氧含量的量度。因此，感测体积的扩大使得能够对包围探针的生物组织中的氧供给进行局部地而非单个点的医学上可用的显示。由此可以比现有技术的光学纤维测量方法中提供的单纯的单个点测量更好地评估组织的状态。同时，膜保护气室中的远端纤维部分以避免在该处破坏测量的危险。通过应用前述的锁定技术进一步提高了根据本发明的纤维光学传感器的稳健性。借助于纤维光学传感器可以测量组织以及其它生物材料例如体液如血液或溶液的氧含量。对氧敏感的染料可以是例如铂络合物或钌络合物。对氧敏感的染料或者是作为涂层，或者至少结合在部分膜壁中。显然，染料的布置必须使得在染料分子与纤维的远端面之间的光路尽可能直。因此，染料优选地直接涂覆在纤维的远端面上。与用染料完全填充纤维远端面前面的体积不同，根据本发明将染料作为涂层或膜壁组成部分的布置具有如下优点：染料的光响应不会被包含在体积中的其它染料分子吸收并因此产生不希望的损失。
优选地，所述膜的厚度在限定气室的位置处是均匀的，均匀的膜厚度防止分压测量信号的时间拖尾效应(smearing)，这是因为游离氧分子扩散通过膜的时间长度相同。这产生均匀的传感器特性。均匀膜厚度并不意味着膜厚度在膜的整个表面上都严格地不变。在实践中不影响前述均匀的传感器特性的与平均膜厚度的微小偏差是可以接受的。这种可接受的偏差例如在200μm的范围内。具有长期存在的荧光的对氧敏感的染料可补偿由膜厚度中的偏差导致的破坏作用。为此，具有长达60μs的荧光持续时间的铂络合物对均匀的传感器特性是有利的。
优选地，气室至少部分地为圆柱形，该气室的纵轴线与远端纤维部分中的纤维轴线平行或重合，从而气室可由成本有效地制造出的膜形成。如果气室的纵轴线平行于纤维轴线并且与纤维轴线相距一段距离，则气室可构造成具有大的连续的自由空间，该空间适合于布置探针的其它组成部件，特别是传感器。如果轴线重合，将形成特别是在加工方面具有优势的旋转对称的结构。在轴线重合的情况下，以下结构是特别合适的：其中带有染料的纤维远端面位于气室中心，从而扩散通过膜的游离氧具有扩散长度的对称性，这能够提高测量质量。
由于膜管可例如通过将连续的管切割成一定长度制成，所以包括膜管的膜可简单地制成，其中，膜管的端部相对于液体密封以限定气室。
已经发现，硅橡胶、PE、PTFE或FEP材料在氧渗透性与液体不可渗透性的特性方面适合于应用在探针中。
优选地，所述膜具有足够的柔性以便可在气室中的气压的影响下变形，这样，膜可以很好地适应包围的组织，从而防止了测量失真。
优选地，在插入探针之前气室充满空气，充满空气的气室防止在使用前的探针存储期间气体成分变化。可替换地，可以在使用前使探针中充满气体或气体混合物，所述气体或气体混合物的分子大到不能通过可透过氧的膜扩散到外界。在这种情况下，为了在使用前不变地存储探针也对气室进行填充。
优选地，所述膜构造成水蒸气可渗透。由于水蒸气使气室中的气体的热容升高，水蒸气可渗透性使位于气室中的传感器能够更快地适应周围温度。这样，可以可靠地测量气室内的温度而不必用很长时间等待建立热平衡。因此，如果具有高度的水蒸气可渗透性非常重要，则膜可特别地由四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)形成。由聚乙烯(PE)制成的膜也具有水蒸气可渗透性，不过其渗透性比FEP低。
另一目的在于提供一种导管，借助于该导管可以通过根据本发明的探针实现有意义的测量。
根据本发明，此目的通过一种具有根据本发明的探针的导管实现，该导管还具有用于测量包围导管的生物材料的温度的温度传感器，并且优选地包括用于测量包围导管的生物材料中的压力的压力传感器。
温度传感器可以补偿氧含量测量的温度相关性。优选地提供的压力传感器可以进行附加的压力测量，该压力测量与氧含量测量结合可以提供有价值的特定组织的信息。通过这种氧含量与压力相结合的测量，可以例如测试氧含量和压力特性在动态中在何种程度上相关。由此可确定组织压力与氧分压的相关性。相比于在分离的导管应用位置应用多个单独的导管，用一个导管检测不同的生理参数降低了感染与出血的危险。优选地部分为金属的导管末端使其例如在CT的成像过程中可见。因此，可在所希望的区域实现目标定位。在发生氧分压值降低的病理生理事件的情况下，例如在穿孔的管内流血、在导管位置的区域内肿胀、或局部缺血的情况下，这种定位尤其对于区分局部或整体状态是必要的。导管的其它优点即上文中关于探针的叙述中提及的优点。
由于在与氧含量测量相同的位置测量温度，所以将温度传感器至少部分地布置在气室中可以对光学纤维氧含量测量的温度相关性进行很好的补偿。由于连续的温度校正，在体温过低和体温过高的情况下所述值也是可靠的。
优选地，导管末端为膜的膜管的远端密封部，这可以使单个导管的组成部件的数量减少。
附图说明
在下文中将参考附图更详细地说明本发明的实施例。附图示出：
图1是用于测量生物组织中氧含量的探针的纵向截面的示意图；
图2是探针的与图1类似的图，其中光学纤维的远端纤维部分被进一步插入由膜限定的气室内；
图3是沿图2中的线III-III的截面图；
图4是探针的另一个实施例的与图3类似的截面图；
图5是带有用于测量生物组织中氧含量的探针的另一个实施例的导管的纵向截面图；
图6是沿图5中的线VI-VI的截面的示意图；
图7是与图5类似的截面图，示出导管的另一实施例；和
图8是沿图7中的箭头VIII的正视图。
具体实施方式
图1至图3示出用于测量生物组织中氧含量的探针的第一实施例。探针1可以是例如图5所示类型的导管的组成部件。探针1具有光学纤维2。远离待测试的生物组织的近端3可在一侧与光源光耦合并且在另一侧与光传感器光耦合。光学纤维2可以是单纤维或纤维束。
在光学纤维2的面向待测试的生物组织的远端面4上设置有对氧敏感的染料5。染料5光耦合到光学纤维2的远端面4上。该远端面4上涂有染料5。包括远端面4以及染料5的远端纤维部分6被可透过氧但不可透过液体的膜7包围。膜7构造成水蒸气可渗透。该膜7在包围的区域内限定了气室8，该气室8包围带有染料5的远端面4。也可以用染料5涂覆在膜7的内壁的至少部分区域上，来替代用染料5涂覆在远端面4上的方案。所选择的被涂覆的区域是可由远端面4“看见”的区域，也就是从远端面4至该区域具有直接的光路。在另一变型中，也可以将染料5结合在膜7的壁内。
膜7在限定气室8的位置具有相同的厚度。膜厚度与预定值的允许偏差根据所要求的氧分压的测量动态而变化。例如，对于在大脑组织内进行的测量，已经发现可允许的偏差是200μm。在图1至图3示出的探针中，气室8是圆柱形。气室的纵轴线9与光学纤维轴线10至少在远端纤维部分6重合。
在根据图1至图3的实施例中膜7由硅橡胶制成。可替代地，膜7也可由聚乙烯(PE)、特氟隆(PTFE)或四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)材料中的一种制成。膜7具有足够的柔性，使其在气室8内的气体压力的作用下可变形。因此，气室8的形状可适应于根据环境压力而变化的相应气体压力。
根据应用，在探针1内纤维2可以不同方式相对于膜7定位。在根据图1的位置中，纤维2只被插入气室8很短的距离，因此被膜7包围的远端纤维部分6相对于气室8的长度来说很短。在根据图2的位置中，纤维2被进一步插入气室8中，使得插入其中的远端纤维部分6大约是气室8的长度的一半。在根据图2的位置中，带有染料5的远端面4对称地居中布置在气室8中，从而对于扩散通过膜7的游离氧，扩散长度具有对称性。
以如下方式使用探针1：
首先将探针1-任选地与包括该探针的导管一起-在测量位置插入病人体内。在使用探针1之前将气室8中充满空气。将光源和光传感器在近端与纤维2耦合。膜7在外侧被病人的生物组织包围。游离氧，即未与血红蛋白结合的氧可从外部扩散通过膜7，从而进入气室8。因为气室8以液体密封形式相对于外界封闭，所以液体与组织都不能进入气室8。
根据耦合光的波长调谐染料5，使得光耦合到染料5内的结果是，在气室8中存在的氧分子的作用下，从染料5反馈回到光学纤维2中的可由光传感器测量的光的量根据气室8中的游离氧浓度而变化。限定气室8的膜7的相同厚度相应地确保了游离氧从包围膜7的生物组织渗透入气室8的时间相同。因此，不会由于不同的渗透时间导致测量误差。
借助于光传感器，测量作为从光源耦合入纤维2的光的结果的从染料5反馈回到纤维2内的光的量。这种反馈光的量是气室8中的氧含量的量度，并且因此是在包围膜7的生物组织中的未与血红蛋白结合的氧即游离氧的量度。可替换地，例如可以应用锁定技术测量根据耦合光的相位而变化的反馈光的相移。由于染料5的长期存在的状态在统计学上更易受到由氧引发的通过碰撞过程进行的无辐射的向常态的转变的影响，所以有助于反馈光的荧光状态的平均持续时间变化，这种变化继而导致相对于可用作锁定基准的辐射信号的可测量的相移。
在图1至图3所示的结构中，膜7一体地形成。膜7的材料在纤维进入气室8的区域中相对于光学纤维2提供密封。
在探针1的一个变型中(为简化起见也将参考图1至图3对该变型进行说明)，膜7包括限定圆柱形气室8的壳壁的膜管11。膜管11的远离纤维的端面端具有密封盖12。该密封盖可由与膜管11相同的材料制成。可替换地，由于膜管11是可透过氧的就足够了，所以可用与膜管11不同的材料、特别是完全不可渗透流体的材料来生产密封盖12。膜管11在面向纤维的一侧由密封环13相对于纤维2密封，该密封环13可由与密封盖12相同的材料制成。
图4中的探针1的结构与图1至3中的结构的不同之处仅在于，图4中的探针的气室的纵轴线9不与气室8的纤维轴线10重合，但两轴线彼此平行。这样，具有图4中示出的结构的气室8具有更大的连续的自由空间，在该空间中可容纳其它部件，例如其它传感器。
图5和图6示出带有另一结构的探针1的导管14。下文中对导管14进行说明时，仅说明与上文中参考图1至4所述的不同之处。与上文中参考图1至4所说明的部件相对应的部件具有相同的参考序号，并且仅当其结构和功能与图1至图4中的部件不同时才对其进行说明。导管14具有壳体15。在所示的结构中所述壳体由钛制成，但也可由其它金属制成。壳体15一体地形成并且在结构上分为远端壳体部分16、中间壳体部分17和近端壳体部分18。远端壳体部分16在其远端部被无创伤的导管末端19覆盖。在远端壳体部分16的周边上，导管末端19与膜7的膜管11会合。
导管末端19是膜7的密封盖。膜7的近周向端部20被推靠在中间壳体部分17的周向台阶21上。周向台阶21的外直径比膜管11的内直径稍大。在膜管11与远端壳体部分16之间存在环形空间22，该环形空间是气室8的一部分并且通过孔眼23与远端壳体部分16的圆柱形内部相连，该内部也是气室8的一部分。光学纤维2的带有染料5的远端纤维部分6被插入所述内部。然后，纤维2首先穿过密封体24，该密封体24被插入中间壳体部分17并且可由例如硅橡胶制成。然后，纤维2穿过近端壳体部分18的圆柱形内部以及导管管部25。该导管管部被推压在形成于近端壳体部分18中的周向台阶26上。
密封体24的外壁27布置在中间壳体部分17中的壳体窗内并且与中间壳体部分17的包绕的外壁齐平。压力传感器28布置在密封体24中。压力传感器28通过信号线29连接到未示出的中央控制和计算单元，该信号线延伸通过密封体24、近端壳体部分18和导管管部25。
如图4中所示的结构一样，在图5和图6所示的探针1中，气室的纵轴线9不与纤维轴线10重合，所以在由远端壳体部分限定的内部中存在大的连续的自由空间。温度传感器30布置在所述内部中。以密封的方式将温度传感器30的近端插入密封体24中。信号线31将温度传感器30连接到中央控制和计算单元。信号线31还穿过密封体24、近端壳体部分18和导管管部25。
在下文中，仅说明导管14的功能与图1至4中的探针的应用的不同之处。在导管14被引入病人的测量位置后，利用根据上文中参考图1至图4中示出的结构说明的探针1来测量包围导管14的生物组织的氧含量。同时，由生物组织经由外壁27施加在压力传感器28上的压力由该压力传感器28测量，在气室8中的温度由温度传感器30测量。测量值经由信号线29和31被传递给与探针1的光源和光传感器相连的中央控制和计算单元。在建立热平衡后，由温度传感器30测量的在气室8中的温度对应于包围导管14的远端壳体部分16的生物组织的温度。渗透通过膜管11并且进入气室8的水蒸气用于实现这种热平衡，并且也是快速温度测量的基础。
由温度传感器30测量的温度的结果是，在通过光学纤维2测量氧分压时可考虑到水蒸气分压的温度相关性。
图7和图8示出包括用于测量生物组织中的氧含量的探针的导管的另一结构。已在前文中参考图1至6说明的部件具有相同的参考序号并且不再对其进行单独的说明。
图7和8中示出的导管14与图5和6中所示导管的不同之处主要在于膜7的形状与传感器的布置。在图7和图8中示出的结构中，导管末端32不像图5和图6中示出的结构那样由固体金属制成，而是具有作为气室8的一部分的内部槽33。槽33在远端被端面膜部分34覆盖，该膜部分34用与膜管11相同的材料制成并且与膜管11具有相同的材料厚度。膜部分34在其边缘与包围所述膜部分的导管末端32的部分无接缝地会合，使得膜部分34与包围所述膜部分的部分一起形成无创伤的导管末端。在图8的正视图中，膜部分34由平行的阴影表示。在图7和图8所示的结构中，带有染料5的光学纤维2被插入导管末端32的槽33中。
在图7和图8所示的结构中，气室的纵轴线9也不与纤维轴线10重合，而是被布置在距轴线10一定距离处并与其平行。
在图7和图8所示的结构中，温度传感器30没有布置在气室8中，而是布置在近端壳体部分18中。
在图7和图8所示的导管14的功能对应于图5和图6所示导管的功能。对于图7和图8所示的导管14，在近端壳体部分18的区域中测量温度，从而假设在适当地考虑水蒸气分压的温度相关性的情况下，在近端壳体部分18的区域内的生物组织的温度与远端壳体部分16的区域中的温度一致。
铂或钌络合物可用作染料5。铂络合物的典型的荧光持续时间在0％的空气饱合度下是60μs，在100％的空气饱合度下是20μs。钌络合物的典型的荧光持续时间在0％的空气饱合度下是大约6μs，在100％的空气饱合度下是大约4μs。

Claims (12)

1.一种用于测量生物材料中的氧含量的探针(1)，具有
-至少一个光学纤维(2)，该光学纤维(2)可在近端在一侧与光源光耦合并且在另一侧与光传感器光耦合，
-对氧敏感的染料(5)，该染料(5)布置在纤维(2)的远端面(4)上并且与所述远端面光耦合，
其特征在于，包括远端面(4)与染料(5)的远端纤维部分(6)被可透过氧且不可透过液体的膜(7)包围，所述膜(7)在所包围的区域中限定气室(8)，该气室(8)包围带有染料(5)的远端面(4)，
-染料(5)被设置成在远端面(4)上的涂层。
2.根据权利要求1所述的探针，其特征在于，膜(7)的厚度在限定气室(8)的位置处是均匀的。
3.根据权利要求1或2所述的探针，其特征在于，气室(8)至少部分地为圆柱形，该气室(8)的纵轴线(9)与远端纤维部分(6)中的纤维轴线(10)平行或重合。
4.根据权利要求1或2所述的探针，其特征在于，膜(7)包括膜管(11)，该膜管(11)的端部(12，13)相对于液体密封以限定气室(8)。
5.根据权利要求1或2所述的探针，其特征在于，膜(7)由以下材料中的一种形成：硅橡胶、PE、PTFE或FEP。
6.根据权利要求1或2所述的探针，其特征在于，膜(7)具有足够的柔性以便可在气室(8)中的气压的影响下变形。
7.根据权利要求1或2所述的探针，其特征在于，在插入探针(1)之前气室(8)充满空气。
8.根据权利要求1或2所述的探针，其特征在于，膜(7)构造成水蒸气可渗透。
9.一种导管(14)，具有
-根据权利要求1至8中的任意一项所述的探针(1)，和
-用于测量包围导管的生物材料的温度的温度传感器(30)。
10.根据权利要求9所述的导管，其特征在于，该导管还包括用于测量包围导管(14)的生物材料中的压力的压力传感器(28)。
11.根据权利要求9所述的导管，其特征在于，温度传感器(30)至少部分地布置在气室(8)中。
12.根据引用权利要求4的权利要求9、10或11所述的导管，其特征在于，导管的末端(19；32)为膜(7)的膜管(11)的远端密封部。
CNB2006800179655A 2005-05-25 2006-05-17 用于测量生物组织中的氧含量的探针以及带有这种探针的导管 Active CN100542478C (zh)

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