CN101553162A - 获取光学组织特性 - Google Patents

Abstract

本申请描述了一种用于获取靶材料的光学组织特性的医疗器械(230)。该医疗器械(230)包括具有纵轴(232)的伸长的主体(231)以及集成到伸长的主体(231)内的光纤。该光纤具有第二光纤末端(242，242a，242b)，其设置在伸长的主体(231)的侧壁(233)处并且提供相对于纵轴(232)的横向视场。依照一个实施例，集成了许多光纤，每根光纤具有围绕伸长的主体(231)的光学出口(242，242a，242b)。使用出口(242、242a、242b)来执行漫射光学层析并且还使用光纤来执行光学检查，可以获得有关围绕医疗器械(230)的体积内的肿瘤的存在以及医疗器械(230)的邻近的组织特征化的信息。因此，可以实现光学活组织检查，其中没有移除真实的组织。依照另一个实施例，将光学检测系统集成到真实的活组织检查针(330)中，从而允许同时实现检查和真实的活组织检查。

Description

获取光学组织特性

技术领域

本发明涉及医学组织检查领域。特别地，本发明涉及用于获取人体或动物体的光学组织特性的医疗器械(medical device)，例如针。可插入到要探测的组织中的所述医疗器械包括至少一根用于将照明光导向组织并且用于接收与组织发生相互作用的测量光的光纤。本发明还涉及医疗设备(medical apparatus)以及用于获取人体或动物体的光学组织特性的方法。所述医疗设备和方法均受益于所述医疗器械。

背景技术

为了校正各种癌症疾病的诊断，采用了活组织检查。这可以或者通过内窥镜的内腔(lumen)或者通过穿刺活组织检查来实现。可以例如通过直肠从前列腺进行活组织检查。为了找到进行活组织检查的正确位置，使用了各种不同的成像模式，例如X射线、磁共振成像以及超声。在前列腺癌的情况下，大多数情况下通过超声引导活组织检查。尽管有所帮助，但是这些引导方法却远非最佳的。空间分辨率是有限的，并且此外这些成像模式在大多数情况下不能区分良性的和恶性的组织。结果，在活组织检查过程期间，人们并不知道样品是否取自组织的正确的部分。这意味着典型地进行的是或多或少盲目的活组织检查。其效果在于，即使在组织检查之后没有检测到癌细胞，人们也不确知没有简单地错过进行活组织检查的正确位置。因此，为了改善精度，可以增加进行的穿刺活组织检查的次数。然而，由于每次活组织检查造成切口以及可能还有并发症，因而这不是一种优选的解决方案。

US2005/0203419A1公开了一种穿刺活组织检查，其包括步骤：在针中插入光谱术探针并且通过在针的远端处的针的侧面中形成的窗口收集光学信息。该光学探针包括照明光纤和检测光纤，所述照明光纤将光输送到邻近所述侧窗的组织，所述检测光纤收集来自相同组织的光并且将其输送到光谱术仪器中。基于光谱术测量的结果，可以从针中取出光学探针并且推进切割器以便获得邻近侧窗的组织的样本。

US5318023公开了一种用于使用荧光光谱术进行转移癌的瞬时手术期内(intra-operative)检测和活组织检查的方法和设备。在手术之前服用癌组织选择性地保留的光敏化剂。与活组织检查器械集成在一起的光纤探针照明被检查的组织并且产生荧光，该荧光由光谱仪记录并且绘成光谱曲线。

US2005/0027199A1公开了一种用于在医疗过程期间识别机械医疗仪器之前的组织结构的方法和设备。机械组织穿透医疗仪器具有在穿透方向上穿透组织的远端。光学波前分析系统提供光以便照明医疗仪器之前的组织并且接收由医疗仪器之前的组织返回的光。光纤在近端耦合到波前分析系统并且在远端接近医疗仪器的远端处附接到医疗仪器。

可能存在提供用于获取人体或动物体的更加详细的光学组织特性的工具和方法的需要。

发明内容

这种需要可以通过依照独立权利要求的主题来满足。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。依照本发明的第一方面，提供了用于获取人体或动物体的光学组织特性的医疗器械，特别是针。该医疗器械包括(a)具有纵轴的伸长的主体，其中该伸长的主体被设计成可插入到人体或动物体的组织内，以及(b)光纤，该光纤集成到伸长的主体内。光纤具有第一光纤末端和第二光纤末端，其中第一光纤末端适于耦合到光学仪器，其中第二光纤末端设置在伸长的主体的侧壁处并且其中第二光纤末端提供横向视场，其相对于纵轴定向在横向方向上。

本发明的这个方面基于以下的思想：通过提供相对于伸长的主体定向在侧向方向的横向视场，可以利用所述医疗器械研究的有效内腔可以显著地增大。与配备了仅仅定向在伸长的主体的纵向方向上并且在前面的或者远端的尖端处包括光纤末端的光纤的已知医疗器械形成对照的是，所描述的医疗器械可以允许从光学上研究位于分支导管(canal)旁边的组织。因此，术语分支导管用于基本上为管状的开口，其在将医疗器械插入到组织内时至少临时地在组织内展开。

应当提及的是，术语横向视场表示该视场不仅仅定向在取向与纵轴平行的方向上。在这个方面，横向视场其实表示(a)来源于光纤的第二光纤末端的光的光束路径或者(b)撞击到光纤的第二光纤末端上的光的光束路径相对于伸长的主体的纵轴成角度地取向。优选地，这些光束路径相对于纵轴至少近似成直角90°取向。然而，偏离0°和90°的其他角度也是可能的，以便从光学上研究相对于伸长的主体位于侧向的组织。

此外，应当提及的是，光纤可以适于(a)将照明光从光学仪器传输到组织，(b)将测量光从组织传输到光学仪器或者(c)在第一方向上传输照明光并且在与第一方向相对的第二方向上传输测量光。在后一种情况下，必须例如在医疗器械的近光纤末端处或者在相应的光学仪器处提供适当的分束装置，以便允许实现测量光和照明光的空间分离。

通过顺序地移动医疗器械通过患者身体的组织，可以获得有关位于医疗器械侧向的大组织内腔的光学特性的信息。因此，也可以实现医疗器械的旋转运动，以便从光学上沿相对于纵轴的不同角方向研究组织。

应当指出的是，所描述的医疗器械并不限于插入到受检查患者的组织内。所描述的医疗器械也可以插入例如患者的脉管中或者其他的管状结构中。一般而言，所描述的医疗器械可以插入到应该从光学上研究的任何靶材料(target material)中。

依照本发明的一个实施例，所述医疗器械还包括反射器元件，该反射器元件设置在伸长的主体的侧壁处并且光学耦合到光纤的第二光纤末端。所描述的反射器元件可以提供如下优点：特别在使用了细长的主体和/或希望横向视场与纵轴之间的角度至少近似为90°的情况下，可以避免光纤的强烈弯曲。这使得所述医疗器械的制造容易得多，因为显著地降低了以相同的弯曲折断光纤的风险。

所述反射器元件可以与伸长的主体形成整体。这可以提供这样的优点，即所述医疗器械的制造将被简化。可替换地，所述反射器元件可以作为单独的光学部件来形成，其必须附接到伸长的主体。单独的反射器元件可以提供这样的优点，即可以借助于该反射器元件的单独的处理来实现反射器元件的非常高的光学质量。该反射器元件可以例如是反射镜或者具有抛光表面的棱镜。

依照本发明的另一个实施例，所述伸长的主体包括锐化的(sharpened)远端。这可以提供这样的优点，即可以将所述医疗器械插入到组织中，而不显著破坏或者伤害组织。

依照本发明的另一个实施例，所述医疗器械还包括集成到伸长的主体内的光波导，该光波导具有第一波导末端和第二波导末端。因此，(a)第一波导末端适于耦合到光学仪器，(b)第二波导末端设置在伸长的主体的前端，并且(c)第二波导末端提供了前视场，该前视场相对于纵轴定向在纵向方向上。这可以提供这样的优点，即可以从光学上研究的组织内腔可以通过也探测位于伸长的主体的正前方的组织来进一步增大。

此外，当引导所述医疗器械通过患者的组织时，操作人员可以从光学上表征打算将所述医疗器械插入其中的组织。因此，特别在将该医疗器械插入到敏感组织中时，可以实现该医疗器械的更好的导航。

应当提及的是，光波导也可以包括多个光纤元件，其代表整束单独的光纤元件。因此，所述光纤元件束可以代表光学成像系统，其允许获取位于所述医疗器械之前的组织的图像。因此，这些单独的光纤元件中的至少一些可以用于将照明光引导进入患者的组织内。

依照本发明的另一个实施例，所述医疗器械还包括至少一根集成到伸长的主体内的另外的光纤，其中该另外的光纤具有另外的第一光纤末端和另外的第二光纤末端。所述另外的第一光纤末端适于耦合到光学仪器，所述另外的第二光纤末端设置在伸长的主体的侧壁处并且该另外的第二光纤末端提供了另外的横向视场，所述视场相对于纵轴定向在横向方向上。

这可以提供这样的优点，即可以借助于不同的光纤同时研究位于所述医疗器械的横向的组织内腔，所述不同的光纤中的每一根具有横向视场。当然，所述另外的第二光纤末端中的每一个或者至少一些可以光学耦合到对应的反射器元件，以便消除在每根另外的光纤的远端处相应的光纤的强烈弯曲的需要。

优选地，在伸长的主体的侧壁处提供多个第二光纤末端或者另外的第二光纤末端。因此，这些光纤末端可以分布在伸长的主体的主要为圆柱形的壳体(shell)或者主要为圆柱形的外表面(superficies surface)。然而，这些光纤末端也可以分布在渐细的表面上。

如果所述医疗器械包括多个不同的第二光纤末端，那么存在各种不同的可能性，以便采用这些第二光纤末端以从光学上研究包围所述医疗器械的横向组织。在下文中，将作为实例描述用于操作所描述的医疗器械的这些可能性中的三种：

依照第一种可能性，所述第二光纤末端中的一个或多个用于照明横向包围伸长的主体的组织。照明光将被组织散射并且照明光的至少一些光子将由其他的第二光纤末端中的至少一些接收。这些接收的光子代表测量光，其可以借助于分光计共同地加以分析。在这种情况下，测量光的光谱分布可能揭示横向包围所述医疗器械的全体组织的生理特性。

依照第二种可能性，第二光纤末端中的至少一些或者优选地第二光纤末端的全部用于将照明光传输到组织并且用于接收测量光，该测量光由被研究的组织散射回来。因此，每个采用的第二光纤末端必须耦合到用于产生照明光的公共光源并且耦合到用于接收测量光的公共光检测器。因此，分束器可以用于空间分离照明光和测量光。

依照第三种可能性，所述光纤之一用于传输照明光，使得相应的第二光纤末端代表照明源。照明光将由周围组织散射并且照明光的至少一些光子将由其他的第二光纤末端中的至少一些接收。接收的光子同样代表测量光。然而，与第一种可能性形成对照的是，测量光是针对每根光纤单独地被分析的。因此，该分析可能包括单独地收集的测量光的强度和/或光谱分布。

为了获取有关横向包围所述医疗器械的组织的甚至更加详细的信息，可以例如以顺序的方式改变用于照明的光纤以及因而代表照明源的激活的第二光纤末端的空间位置。因此，测量是在不同的时隙中顺序地进行的，其中在每个时隙内，激活不同的第二光纤末端。

应当提及的是，这个实施例允许横向包围所述医疗器械的组织的散射和吸收特性的三维(3D)成像。因此，可以实现与相邻第二光纤末端之间的距离的分辨率相等的纵向分辨率。

在这点上，应当提及的是，所描述的光学扫描相应于称为漫射光学层析(DOT)的方法。DOT是一种新出现的医疗成像模式。它是一种其中优选地利用近红外光照明组织的技术。检测从组织中出射的光，并且通过利用组织中的光传播模型确定组织的局部化光学特性。为了获得3D图像，可以执行上面的层析类型的测量。从不同的源位置照明待成像的组织，并且从所有可能的方向检测从组织中出射的光。根据这些源-检测器测量结果计算3D图像称为图像重建。

DOT允许在围绕所述医疗器械的相对较大的体积内的功能成像，这类似于光学乳房X线照相术中的情况，但是由于这里所描述的实施例中的测量配置的原因，所成像的体积将小于光学乳房X线照相术。在这里所描述的实施例中，一根或多根光纤用于组织的顺序照明。此外，一根或多根其他的光纤用来收集散射的光。使用图像重建算法，有可能获得围绕所述医疗器械的区域中的光学特性的3D图。

DOT的主要优点是相比于其他光学方法的高穿透深度。在近红外光谱区中，穿透深度处于其最大值，并且光学特性主要由重要的生理参数(比如血含量以及氧饱和度)确定。通过组合不同波长下的DOT，有可能将光学参数转化成生理参数。

在采用包括上述第二波导的医疗器械的情况下，其中在伸长的主体的前端提供第二波导末端，可以以这样的方式扩展所描述的DOT，即该第二波导末端也用于传输照明光和/或用于接收散射的测量光。这可以提供这样的优点，即也可以对位于所述医疗器械之前的组织进行光谱学分析。

依照第四种可能性，也可以对于每根光纤执行光学相干层析(OCT)扫描。这对于每根光纤给出沿着一定线的深度扫描。通过组合这些线，可以重建围绕伸长的主体的组织的三维(3D)图像。同样地，可以实现与相邻第二光纤末端之间的距离相应的纵向分辨率。

此外，应当提及的是，上述四种可能性以及用于操作所描述的医疗器械的任何其他的可能性依赖于受研究的组织的直接吸收和散射特性。然而，也有可能通过利用适当的波长进行照明并且同时在检测器侧阻挡该照明波长来绘制组织的荧光信号。荧光可以是内生的或外生的，即借助于对比剂。荧光检测的特异性可以通过本领域中公知的方法(例如荧光寿命成像)来改善。在荧光寿命成像中，使用了脉冲照明，并且使用了受激原子和/或分子的时间衰减，以便及时区分衰减的测量光和照明光或激发光。

最后但并非最不重要的，应当指出的是，可以利用拉曼(Raman)光谱术来操作所描述的医疗器械，以便获得包围所述针的组织的另外的特有特性。拉曼光谱术允许区分正常的组合和异常的组织。当然，也可以借助于上面描述的光波导来实现拉曼光谱术，所述光波导扩展到伸长的主体的前端。

依照本发明的另一个实施例，所述伸长的主体是实心轴(solidshaft)。这可以提供这样的优点，即可以容纳多根或整束光纤，或者可以将其集成到实心轴中。由于可用于光纤的附加的空间的原因，可以显著增加光学探测点的数量，从而允许实现更高分辨率的成像和探测。

应当指出的是，术语“实心轴”不一定意味着该轴是由实心材料制成的。在这个方面，实心轴表示在该轴内可以容纳其他的部件(比如光纤)、支持器元件(比如间隔盘)的意义上该轴不是中空的。

应当提及的是，特别是具有实心轴的所描述的医疗器械可以用作所谓的光学活组织检查器械。因此，不存在从患者身体移除的真实的组织材料，所述组织材料也称为生物蝶呤(biopt)或样品。更合适地，在患者身体内对该组织材料进行体内研究。

依照本发明的另一个实施例，所述伸长的主体是空心轴。因此，将光纤以及如果必要的话还有光波导集成到轴壁中。这可以提供这样的优点，即空心轴的内部可以用作例如用于将对比剂和/或荧光材料引入到应该从光学上研究的组织内的套管(cannula)。

此外，所述套管可以用于施加光敏剂，例如氨基乙酰丙酸(aminolevulic acid)(ALA)。ALA可以提供这样的优点，即其不仅适用于癌症诊断，而且构成用于光动力癌症治疗的潜在工具，所述光动力癌症治疗也可以通过采用所描述的医疗器械在体内进行。

依照本发明的另一个实施例，所述医疗器械还包括可移动地容纳在空心轴内的活组织检查元件。这意味着可以以有利的方式将适于与组织发生机械作用的工具和所描述的空心轴相结合。

所述活组织检查元件可以包括凹陷，其适于在移除生物蝶呤或样品之后容纳生物蝶呤组织。所述样品移除可以由凹陷与代表刀刃的空心轴前边缘之间的切割作用来支持。

如果所述医疗器械配备了第二波导以及设置在空心轴前端处的第二波导末端，那么有可能在通过该轴移除该轴尖端处的样品材料之前检查该样品材料。这也允许核查活组织检查是否得到供病理学家检查的足够的组织。

结果表明，利用拉曼光谱术可以区分良性的和恶性的组织。因此，利用位于前端的第二波导末端实现的拉曼光谱术可以用于引导活组织检查过程。因此，可以以瞄准的方式将所述医疗器械定向到恶性组织。在这个方面，应当指出的是，基于拉曼数据的诊断精度不必是完美的，因为实际的临床诊断是之后通过病理学在移除的样品上完成的。

换言之，拉曼光谱术仅仅允许在获取实际的样品之前局部地检查组织。因此，可以最小化穿刺活组织检查的次数，同时真正地提高了活组织检查过程的精度。

依照本发明的另一个实施例，所述第二光纤末端提供了内部的横向视场，该视场从空心轴的轴壁朝向中心纵轴。这可以提供这样的优点，即可以立即从光学上对借助于活组织检查元件从患者身体移除的组织样品进行分析。因此，在一级近似下，可以检查样品是否是优质的以及样品在移除之前是否包含足够的组织。如果情况不是这样，那么可以在从患者身体移除所述医疗器械之前立即执行新的活组织检查。在这个方面，必须考虑到活组织检查元件的内腔包含足够的空间以允许从受检查患者获取不止一个样品。

优选地，所述医疗器械包括两种类型的光纤。第一种类型的光纤具有被定向成从空心轴径向地朝外的横向视场，并且第二种类型的光纤具有由该实施例所描述的内部横向视场。此外，所述医疗器械还可能配备了延伸到前端并且允许照明和研究位于该医疗器械远端之前的组织的光波导。在检查利用位于空心轴侧旁和/或空心轴之前的材料获得的各种光谱时，可以决定获取生物蝶呤，或者如果没有发现光谱中的异常，则将空心轴进一步移到另一个位置。

依照本发明的另一个方面，提供了用于获取人体或动物体的光学组织特性的医疗设备。所提供的医疗设备包括(a)依照上面所描述的任何一个实施例的医疗器械，以及(b)光学仪器，其光学耦合到所述医疗器械的光纤。

依照本发明的一个实施例，所述光学仪器包括(a)光源，其适于产生用于注入到光纤内的照明光，以及(b)光学检测器，其适于接收由光纤传输的测量光。

在这个方面，应当指出的是，可以利用同一根光纤来引导照明光和测量光。在这种情况下，如上面已经指出的那样，可以使用分束器以便空间分离照明光束路径和测量光束路径，使得光源和所述分光计设备可以光学耦合到光纤。

代替分束器的是，也可以使用所谓的猪尾形(pigtail)光纤，其包括两个第一光纤末端。在这种情况下，一个第一光纤末端耦合到光源，另一个第一光纤末端耦合到分光计设备。可替换地，为了引导照明光，可以使用第一光纤，并且为了引导测量光，可以使用第二光纤。

光源可以是单色光源，例如发光二极管或者激光光源。光源也可以是多色光源，例如灯泡。光源还可以是不同的单色和/或多色光源的组合。光源的光谱分布可以调节到适当的光谱范围。光谱范围调节也可以借助于适当的滤波器来实现。

此外，如上面已经所描述的那样，光源可以是脉冲光源，其在同步脉冲光检测的情况下可以提供及时地区别测量光和照明光的可能性。当然，这种时间分辨将要求已经由脉冲照明光激发的原子或分子的衰减的去激发。

依照本发明的另一个实施例，所述光学仪器适于实现漫射光学层析和/或所述光学仪器适于实现光学相干层析。

漫射光学层析在使用了包括多根光纤的医疗器械的情况下是特别有利的。如上面已经所描述的那样，这可以允许从不同的源位置照明受检查的组织并且检测在不同方向上从组织出射的光。因此，基于多个不同的源-检测器测量结果，可以重建3D图像。

漫射光学层析(DOT)可以允许实现围绕所述医疗器械的相对较大的体积内的功能成像。优选地，在近红外光谱区执行DOT。近红外光谱范围具有700nm与1400nm之间以及优选地700nm与800nm之间的光谱带宽。在这个光谱范围内，组织穿透深度处于其最大值，并且人类组织或动物组织的光学特性主要由重要的生理参数(比如血含量和氧饱和度)确定。

依照本发明的另一个实施例，所述光学仪器适于执行以下光学过程中的至少一个：拉曼光谱术，荧光光谱术，自动荧光光谱术，双光子光谱术以及差分路径长度光谱术(differential path length spectroscopy)。这可以提供这样的优点，即上述医疗器械可以用于应用多个不同的光学过程。

例如，拉曼光谱术可以提供组织的分子组成的测量。通过使用适当的算法，可以以89％的总精度区分良性和恶性前列腺活组织检查。欲知进一步的细节，参见出版物“The use of Raman spectroscopy to identify andgrade prostatic adenocarcinoma in vitro；P.Crow，N.Stone，C.A.Kendall，J.S.Uff，J.A.M.Farmer，H.Barr and M.P.J.Wright；British Journal of Cancer(2003)89，106-108”。该出版物的公开通过引用合并于此。

例如，差分路径长度光谱术(DPS)可以用来确定例如体内乳房组织的局部光学特性。DPS测量结果可以提供有关局部组织血含量、局部血氧合(oxygenation)、平均微小脉管直径、β胡萝卜素浓度以及散射斜度的信息。因此，恶性乳房组织可以表征为组织氧合的显著降低以及相比于正常乳房组织更高的血含量。欲知进一步的细节，参见出版物“Optical biopsy of breast tissue using differential path-length spectroscopy；Robert L P van Veen et al(2005)Phys.Med.Biol.50 2573-2581”。同样地，该出版物的公开通过引用合并于此。

依照本发明的另一个方面，提供了用于获取人体或动物体的光学组织特性的方法。提供的方法包括(a)利用已经从光源发射并且借助于上面所描述的医疗器械传输的照明光照明组织，以及(b)检测已经与组织发生相互作用并且已经借助于所述医疗器械传输的测量光。

本发明的这个方面基于以下思想：通过使用上述医疗器械，可以从光学上研究显著扩大的内腔。这基于以下事实：与仅允许研究位于医疗器械的远端前端之前的组织的现有技术医疗器械形成对照的是，所描述的方法允许研究横向包围医疗器械的组织材料。

可以借助于分光计设备来分析测量光，所述分光计设备能够测量测量光的光谱分布。

在这点上，应当强调的是，所描述的用于获取光学组织特性的方法不用于提供诊断或关于治疗患者。所描述的方法以及本发明的所有其他方面和实施例仅仅提供附加的和更详细的信息，其可以帮助医师获得诊断和/或决定适当的治疗过程。

依照本发明的一个实施例，所述方法还包括施加光敏剂。这在荧光光谱术方面是特别有利的。特别在光敏剂与某种组织材料亲和的情况下，荧光光谱术可以允许明确地识别该组织材料。

光敏剂可以不仅用于癌症诊断。如果光敏剂也包含光动力特性，那么它也可以用于例如致癌组织的光动力治疗。光敏剂可以是例如氨基乙酰丙酸(ALA)。

应当指出的是，已经针对不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参照设备型权利要求描述了某些实施例，而参照方法型权利要求描述了其他的实施例。然而，本领域技术人员根据上面的以及下文的描述将了解，除非另有说明，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，有关不同主题的特征之间，特别是设备型权利要求的特征与方法型权利要求的特征之间的任意组合都被认为在本申请中进行了公开。

上面限定的方面以及本发明的另外的方面根据下文描述的实施例的实例是清楚明白的，并且参照这些实施例的实例加以解释。下面将参照实施例的实例更加详细地描述本发明，但是本发明并不限于这些实例。

附图说明

图1示出了包括医疗器械的医疗设备，其用于从光学上研究关于医疗器械横向包围的组织材料。

图2示出了包括医疗器械的医疗设备，其配备了设置在医疗器械的侧壁处的多个不同的光纤出口。

图3示出了包括空心轴的医疗器械，其中可移动地容纳了活组织检查元件，该医疗器械还包括光纤出口，其朝向空心轴的内部。

图4示出了配备反射器元件的医疗器械的透视图，所述反射器元件设置在医疗器械的横向表面处。

图5示出了图4所示医疗器械的截面图和纵截面图。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。应当指出的是，在不同的附图中，利用相同的附图标记或者利用仅在第一数字内与相应的附图标记不同的附图标记来提供相似或相同的元件。

图1示出了依照本发明第一实施例的医疗设备100。该医疗设备100包括光学仪器110和医疗器械130。依照这里描述的实施例，该医疗器械是光学针130。医疗设备100特别适用于从光学上研究关于医疗器械130横向包围的组织材料。

光学仪器110包括适于产生照明光112的光源111。依照这里描述的实施例，光源是激光器111，其发射单色辐射束111。该辐射束通过光学器件113被引导到光纤140的第一光纤末端141上。

光学仪器110还包括分光计设备116，其借助于光学器件118光学耦合到光纤145。分光计设备116用于对医疗器械130提供的测量光117进行光谱分析。分光计设备116设有CCD照相机119，以便检测测量光117，该测量光借助于分光计设备116的至少一个折射或衍射光学元件进行光谱扩展。

医疗器械130包括具有纵轴132的伸长的主体131。在伸长的主体131的侧壁133上，提供了第二光纤末端142，其耦合到光纤140。第二光纤末端142以这样的方式取向，即它们每个提供横向视场144，该视场可以用于照明横向包围伸长的主体131的组织。

医疗器械130还包括设置在伸长的主体131的前端134的波导末端。该波导末端155提供了前视场156，该视场的取向基本上平行于纵轴132。

两根光纤140和145可以以各种不同的组合光学耦合到横向光纤出口142以及前波导出口155。因此，出口142和155可以共同地或者单独地与光纤140或光纤145耦合。在这个方面，应当指出的是，光学耦合到光纤145或分光计设备116的这些出口实际上代表光学入口，因为由组织散射的测量光可以进入这些入口，从而可以借助于分光计设备116分析该测量光。

依照图1所示的实施例，两个横向光纤出口142分配给相同的光纤140。然而，也可能对于这两个横向光纤出口142中的每一个和/或对于前波导出口155使用一根单独的光纤。当然，也可以在伸长的主体131的侧壁133处提供少于或多于两个横向光纤出口142。

图2示出了依照本发明第二实施例的医疗设备200。该医疗设备200包括光学仪器210和医疗器械230。依照这里所描述的实施例，该医疗器械是实心光学针130。

光学仪器210包括适于产生照明光212的光源211。照明光由光纤211a引导，该光纤也可以称为照明光纤211a。光学仪器210还包括适于借助于测量光纤216a接收测量光217的分光计设备216。光学器件213被提供，以便将光纤211a和测量光纤216a分别与医疗器械230内容纳的选定光纤光学耦合。

也可以用仅仅测量光强的光学检测器216代替分光计设备216。检测器216可以配备光谱滤波器，以便选择测量光217的某个波长或光谱范围。

为了选择性地将照明光纤211a和/或测量光纤216a与医疗器械230的预定光纤耦合，提供了未绘出的定位系统，其用于在取向垂直于光学针230的纵轴232的x-y平面内调节照明光纤211a和/或测量光纤216a的末端。

光学针230包括具有纵轴232的伸长的主体231。该伸长的主体231是实心轴236，其容纳多根光纤。伸长的主体231的前端234被锐化，使得所述医疗器械可以插入到患者身体内，而不对患者造成明显的损伤。

在伸长的主体231的侧壁233上，提供了多个第二光纤末端242、242a、242b。每个第二光纤末端242、242a、242b通过光纤光学连接到相应的第一光纤末端241、241a、241b。第二光纤末端242、242a、242b以这样的方式取向，即它们中的每个提供横向视场，所述横向视场可以用于照明横向包围伸长的主体231的组织和/或用于接收由该组织散射的测量光。

医疗器械230还包括中心波导，其延伸到伸长的主体231的锐化远端234处的波导末端255。该波导末端255提供了前视场256，该视场的取向基本上平行于纵轴232。

由图2可知，光学针230包含一系列光纤，无需具有内腔。将在针的基座(base)处的每个光纤入口位置241、241a、241b分配给针230的侧壁233处的横向光纤出口242、242a、242b。通过这种方式，针230配备了各种不同的光学探针位置。

光借助于上面所描述的光学仪器210在针230的基座处选择性地耦合进以及耦合出光纤。连接到照明光纤211a的光源211照明例如第一光纤末端241。光将穿越相应的光纤并且照明围绕横向出口位置242的组织。从该位置242散射的光可以例如到达位置242a和242b，其于是代表横向光纤输入端。检测器216连接到测量光纤216a，其分别收集来自每个第一光纤末端241、241a和241b的光。测量光217的强度是横向出口位置242、242a和242b之间的吸收和散射的量的度量。根据这些信号，可以提取围绕所述针的组织特性。

值得指出的是，图2中绘出的实施例允许对包围针230的组织的散射和吸收特性进行三维成像。因此，可以实现纵向空间分辨率与纵向光纤-光纤距离的分辨率相等。

应当提及的是，所描述的医疗器械230也允许在针周围执行漫射光学层析(DOT)。这允许围绕针的相对较大的体积内的功能成像。因此，一个或多个横向光纤出口242、242a、242b用于组织的(顺序)照明。一个或多个其他的光纤出口242、242a、242b用来收集散射的光。使用图像重建算法，有可能获得围绕针230的区域中的光学组织特性的3D图。DOT的主要优点在于，与其他的光学方法相比，穿透深度大。该穿透深度约为源242与检测器242a或242b之间的距离的一半。

DOT的最有利的波长区域是近红外(NIR)光谱区。这里，穿透深度处于其最大值并且光学特性主要由重要的生理参数(比如血含量和氧饱和度)确定。通过组合不同波长下的DOT，有可能可靠地将光学参数转化成生理参数。

而且，也可以针对每根光纤执行光学相干扫描，其针对每根光纤给出沿着一定线的深度扫描。组合这些线，可以重建围绕针的组织的三维图像，其同样具有与所述光纤-光纤距离的分辨率相等的纵向分辨率。

在下文中，将简要地描述这个实施例的一种变型，其中实现了荧光成像和/或光谱测量。因此，光源211和光纤211a用于激发组织内的荧光分子或原子。由这些分子发射的相应的荧光借助于光纤216a收集并且引导到检测器216。

依照另一种变型，可以执行拉曼光谱术。因此，可以针对每个光纤末端位置242、242a、242b等等单独地获得相应的拉曼光谱数据。

图3示出了包括伸长的主体331的医疗器械330。伸长的主体331具有空心轴338的形状。活组织检查元件380沿着医疗器械330的纵轴332可移动地容纳在空心轴338内。前端334被锐化以便有助于将医疗器械330插入到患者身体内。

也包括锐化的远端381的活组织检查元件380包括用于收集组织样品385的凹陷382。该组织样品也表示为生物蝶呤385。为了收集生物蝶呤385，将活组织检查元件380移向前端334，使得凹陷382从空心轴338的前端334突出。在再次向内移动活组织检查元件380时，已经进入凹陷382的生物蝶呤将从其相邻组织切割开来。该切割在边缘382a与边缘334a之间实现。

轴壁338包含光纤340、340a以及光波导350、350a。在本申请内使用的术语中，光波导350和350a分别用于提供前视场356和356a。与之形成对照的是，光纤340和340a分别用于提供横向视场349和349a。横向视场349和另外的横向视场349a分别来源于代表横向光纤出口342的第二光纤末端以及代表另外的横向光纤出口342a的另外的第二光纤末端。

由图3可知，横向视场349和349a被向内定向，使得可以在移除生物蝶呤385之后立即从光学上研究从患者身体移除的生物蝶呤385。这意味着，可以在通过空心轴338将生物蝶呤385移除到外部世界之前从光学上检查生物蝶呤385。通过这种方式，可以检查生物蝶呤385是否是优质的以及它在移除之前是否包含足够的组织。如果情况不是这样，那么可以立即执行新的活组织检查，因为凹陷382或者空心轴338的内腔包括足够的空间以便允许完成不止一次活组织检查。

由图3进一步可知，分别来源于第二波导末端355以及另外的第二355a的前视场356以及所述另外的前视场356a被定向成基本上平行于纵轴332。这提供了这样的优点，即可以照明位于锐化的远端334之前的组织。得到的散射和发射的光的至少一部分由其他的光纤收集并且引导到光谱仪，其中例如对拉曼光谱进行记录。在检查该光谱时，可以决定执行活组织检查或者进一步移动轴338通过患者的组织以便到达发现光谱中的异常所在的另一位置。这样的异常可能表示例如恶性组织，其对于由病理学家进行研究是非常重要的，以便提供可靠的正面或负面癌症诊断。

图4示出了配备反射器元件448a的医疗器械430的透视图。设置在伸长的主体431的侧壁处的反射器元件448a中的每一个耦合到容纳在伸长的主体431内的光纤。每个反射器元件448a用于反射照明光或者用于反射测量光，所述照明光从光纤的第二光纤末端发射，所述测量光从横向包围伸长的主体431的外壳439的组织发射或散射。外壳439被使用，以便机械地保护医疗器械430。依照这里所绘出的实施例，外壳439由透明材料制成。然而，应当提及的是，也可能制造具有光学不透明外壳的医疗器械430。

反射器元件448a提供了这样的优点，即可以使配备了反射器元件448a的每根光纤的相应视场的取向基本上垂直于伸长的主体431的纵轴，而不弯曲相应的光纤。

图5示出了图4所示的医疗器械的截面图(左侧)和纵向截面图(右侧)，该医疗器械现在用附图标记530表示。该医疗器械包括伸长的主体531，其容纳光纤540以及另外的光纤540a。光纤540包括第二光纤末端542。所述另外的光纤540a包括另外的第二光纤末端542a。横向视场544被分配给第二光纤末端542。另外的横向视场544a被分配给所述另外的第二光纤末端542a。

为了将视场544、544a横向定向成径向向外，而不必弯曲光纤540、540a，采用了反射器元件548、548a。在图5所示医疗器械530的右视图中，示出了实现反射器元件548、548a的两种可能性。

这些反射器元件可以例如借助于反射镜元件548来实现。反射镜元件548可以与伸长的主体531的轴壁形成整体。可替换地，这些反射器元件可以由棱镜548a实现，其被附接以接近伸长的主体531的轴壁的开口。

伸长的主体531还容纳内壳553，其本身容纳波导550。特别地，从图5所示左视图可知，容纳的波导550包括成束的光纤元件。如上面已经详细地解释的那样，使用了波导550，以便提供医疗器械530的未示出的前视场。

应当指出的是，措词“包括”并没有排除其他的元件或步骤，并且“一”或“一个”并没有排除复数。此外，可以将结合不同实施例描述的元件进行组合。还应当指出的是，权利要求中的附图标记不应当被视为对权利要求的范围的限制。

为了概括本发明的上述实施例，可以作如下陈述：

本申请描述了用于获取靶材料的光学组织特性的医疗器械230。该医疗器械230包括具有纵轴232的伸长的主体231以及集成在伸长的主体231内的光纤。该光纤具有第二光纤末端242、242a、242b，其设置在伸长的主体231的侧壁233处并且提供了相对于纵轴232的横向视场。

依照一个实施例，集成了许多光纤，每根光纤具有围绕伸长的主体231的光学出口242、242a、242b。使用出口242、242a、242b来执行漫射光学层析(DOT)并且还使用光纤来执行光学检查，比如光学相干层析、拉曼光谱术、光散射光谱术等等，可以通过DOT获得有关围绕医疗器械230的体积内的肿瘤的存在(数cm)以及医疗器械230的邻近的组织特征化(数百微米)的信息。这特别对于前列腺癌症是令人感兴趣的。DOT通过引导医疗器械230更加接近前列腺中的可疑区来寻找这些可疑区，由此基于所述光学技术可以做出精密的诊断。因此，可以实现DOT引导的光学活组织检查，其中没有移除真实的组织。依照另一个实施例，可以将光学检测系统集成到真实的活组织检查针330中，从而允许同时实现检查和真实的活组织检查。

附图标记列表：

100  医疗设备

110  光学仪器

111  光源/激光器

112  照明光/辐射束

113  光学器件

116  分光计设备

117  测量光

118  光学器件

119  CCD照相机

130  医疗器械/光学针

131  伸长的主体

132  纵轴

133  侧壁

134  前端

140  光纤

141  第一光纤末端

142  第二光纤末端/横向光纤出口

144  横向视场

145  光纤

155  波导末端/前波导出口

156  前视场

200  医疗设备

210  光学仪器

211  光源

211a  照明光纤

212  照明光

213  光学器件

216  分光计设备/检测器

216a  测量光纤

217  测量光

230  医疗器械/光学针

231  伸长的主体

232  纵轴

233  侧壁

234  前端/锐化的远端

236  实心轴

241  第一光纤末端、第一光纤入口位置

241a/b  另外的第一光纤末端、另外的光纤入口位置

242  第二光纤末端/横向光纤出口/横向出口位置

242a/b  另外的第二光纤末端/另外的横向光纤出口/另外的横向出口位值

255  波导末端

256  前视场

+/-x  x方向

+/-y  y方向

330  医疗器械/光学针

331  伸长的主体

332  纵轴

334  前端/锐化的远端

334a  边缘

338  空心轴/轴壁

340  光纤

340a  另外的光纤

342  第二光纤末端/横向光纤出口

342a  另外的第二光纤末端/另外的横向光纤出口

349  内部横向视场

350  光波导

350a  另外的光波导

355  第二波导末端

355a  另外的第二波导末端

356  前视场

356a  另外的前视场

380  活组织检查元件

381  锐化的远端

382  凹陷

382a  边缘

385  样品/生物蝶呤

430  医疗器械/光学针

431  伸长的主体

439  外壳

448a  反射器元件/棱镜

530  医疗器械/光学针

531  伸长的主体

540  光纤

540a  另外的光纤

542  第二光纤末端

542a  另外的第二光纤末端

544  横向视场

544a  另外的横向视场

548  反射器元件/反射镜元件

548a  反射器元件/棱镜

550  包括成束光纤元件的波导

553  内壳

Claims (15)

1.一种用于获取人体或动物体的光学组织特性的医疗器械，特别是针(230，330)，该医疗器械(230，330)包括：

具有纵轴(232，332)的伸长的主体(231，331)，其中该伸长的主体(231，331)被设计成可插入到人体或动物体的组织内，以及

光纤(340)，该光纤集成到伸长的主体(231，331)内，该光纤(340)具有第一光纤末端(241)和第二光纤末端(242，342)，其中

第一光纤末端(241)适于耦合到光学仪器(210)，

第二光纤末端(242，342)设置在伸长的主体(231，331)的侧壁(233，338)处，并且

第二光纤(242，342)末端提供横向视场(144，349)，其相对于纵轴(232，332)定向在横向方向上。

2.依照权利要求1的医疗器械，还包括

反射器元件(448a，548，548a)，其设置在伸长的主体(231，331，531)的侧壁(233，338)处并且光学耦合到光纤(340)的第二光纤末端(242，342)。

3.依照权利要求1的医疗器械，其中

伸长的主体(231，331)包括锐化的远端(234，334)。

4.依照权利要求1的医疗器械，还包括

集成到伸长的主体(231，331)内的光波导(350)，该光波导(350)具有第一波导末端和第二波导末端(255，355)，其中，

第一波导末端适于耦合到光学仪器(210)，

第二波导末端(255，355)设置在伸长的主体(231，331)的前端(234，334)，并且

第二波导末端(255，355)提供了前视场(256，356)，该前视场相对于纵轴(232，332)定向在纵向方向上。

5.依照权利要求1的医疗器械，还包括

至少一根集成到伸长的主体(331)内的另外的光纤(340a)，该另外的光纤(340a)具有另外的第一光纤末端(241a)和另外的第二光纤末端(242a，342a)，其中

所述另外的第一光纤末端(241a)适于耦合到光学仪器(210)，

所述另外的第二光纤末端(242a，342a)设置在伸长的主体(231，331)的侧壁(233，338)处，并且

该另外的第二光纤末端(242a，342a)提供了另外的横向视场(349a)，所述视场相对于纵轴(232，332)定向在横向方向上。

6.依照权利要求1的医疗器械，其中

所述伸长的主体(231)是实心轴(236)。

7.依照权利要求1的医疗器械，其中

所述伸长的主体(331)是空心轴(338)。

8.依照权利要求7的医疗器械，还包括

可移动地容纳在空心轴(338)内的活组织检查元件(381)。

9.依照权利要求7的医疗器械，其中

所述第二光纤末端(342a)提供了内部的横向视场(349a)，该视场从轴壁(338)朝向空心轴(338)的中心纵轴。

10.一种用于获取人体或动物体的光学组织特性的医疗设备，该医疗设备(100，200)包括

依照权利要求1的医疗器械(130，230，330)，以及

光学仪器(110，210)，其光学耦合到所述医疗器械(130，230，330)的光纤(140，340)。

11.依照权利要求10的医疗设备，其中

所述光学仪器(110，210)包括

光源(111，211)，其适于产生用于注入到光纤(140，340)内的照明光(112，212)，以及

光学检测器(116，216)，其适于接收由光纤(140，340)传输的测量光(117，217)。

12.依照权利要求10的医疗设备，其中

所述光学仪器(110，210)适于实现漫射光学层析和/或

所述光学仪器(110，210)适于实现光学相干层析。

13.依照权利要求10的医疗设备，其中

所述光学仪器(110，210)适于执行以下光学过程中的至少一个：

拉曼光谱术，荧光光谱术，自动荧光光谱术，双光子光谱术以及差分路径长度光谱术。

14.一种用于获取人体或动物体的光学组织特性的方法，该方法包括

利用已经从光源(111，211)发射并且借助于依照权利要求1的医疗器械(130，230，330)传输的照明光(112，212)照明组织，以及

检测已经与组织发生相互作用并且已经借助于所述医疗器械(130，230，330)传输的测量光(117，217)。

15.依照权利要求14的方法，还包括

施加光敏剂。

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