CN101563034A - 无线介入设备以及用于无线能量传输的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设想为定位在身体内的介入设备(I2)，并且其包括设想为一旦接收到电功率，则实施与身体的相互作用的电可操作单元(E1，E2)，其中，所述设备还包括传感器(2)，其布置为无线地接收来自远程源的电磁能量，所述传感器布置为谐振电路(2a，2b)，并且其设想为将所接收的电磁能量转换成所述电功率。所述电可操作设备可包括诊断和/或治疗模块。

Description

无线介入设备以及用于无线能量传输的系统
技术领域
本发明涉及一种设想为定位在体内的介入设备，并且其包括设想为一旦接收到电功率，则实施与身体的相互作用的电可操作单元。
本发明还涉及一种用于无线能量传输的系统。
背景技术
介入设备的实施例是本身已知的，并且其包括一种所提供的介入导管，例如，所述导管具有一组线圈，将所述线圈布置为产生局部场变形以达到在磁共振成像中在体内跟踪导管的目的。通过沿所述导管行进的专用线路来在电气方面馈送所述线圈。已知的介入设备适用于广泛的应用范围，包括心脏介入治疗。
已知的介入设备的缺点在于，在磁共振成像监控下执行介入的情况下，由于MR成像脉冲的应用以及电磁RF脉冲和线路馈送电极之间产生的非预期相互作用，可能发生对患者的健康危害。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种介入设备，其中，涉及电可操作单元的操作的安全性方面得以改善。
为了这一目的，根据本发明的介入设备还包括传感器，将所述传感器布置为无线地接收来自远程源的电磁能量，将所述传感器布置为谐振电路，并且设想为将所接收的电磁能量转换成所述电功率。
本发明的技术措施所基于的观察为，通过将至少所述设备的传感器至少布置为谐振电路，并且通过供应由传感受器无线地接收的能量，则可改善与可能的健康危害有关的安全性方面。并入在所述介入设备中的电可操作单元可得到由传感器接收到的能量。具体而言，改善了在借助磁共振成像的检测中的介入期间使用介入设备的安全性方面。由于没有为向传感器供电而附着的导线，因此没有发热，特别是在包含了电可操作单元的导管的末端以及尖端无发热，否则所述发热对于患者可能是严重并且构成危险的。
为了达到有效的能量接收，传感器的谐振频率调整为合适的传输器的频率。优选地，将所述传输器也布置为谐振电路。通过将介入设备与电可操作单元布置在一起用于当被无线地供电时与身体相互作用，由于在患者内不存在供电的线路，则产生了用于介入地与患者相互作用的良好受控制并且安全的系统。在根据本发明的介入无线设备中，所有与患者身体的相互作用是在需要时通过对电可操作单元供给能量而执行的，从而不会发生对患者健康不必要的危害。
从US6,474,341B1中已知了无线介入设备的一个实施例。已知的设备包括与用于从远程布置的源接收电磁能量的传感器一起布置的介入导管。将已知的导管与用于允许导管位置跟踪的传感器一起布置。为了这一目的，将磁场投影至解剖体中以在导管的感测线圈中诱发足以描述所述导管的位置的电压信号。所述传感器无线地转发作为指示了传感器在解剖体中的当前位置的所述电压信号。为了这一目的，已知的导管包括传输和处理单元。可以通过传感器所接收的供电信号来供给所述传输和处理单元能量，所述供电信号以一种合适的方式提供给传输器。
尽管文献US 6,474,341B1公开一种当将传感器设计为谐振电路时的介入设备的操作模式，但是文献US 6,474,341B1仅说明了用于允许位置信号的连续发射的功率供应。而本发明涉及提供能量脉冲以执行一些与身体的相互作用。就这方面而言，接收继而向与身体相互作用的电可操作单元供电的电磁能量的电路需要满足不同的技术要求。例如，当电可操作单元用于心脏起搏目的的情况时，向起搏器馈送的电流范围约从0.1mA至10mA。同健康人类组织的典型阻抗(若干100Ohms+在64MHz的几十pF电容，)一起，这得到了所需的电压。在0.1ms与10ms之间优选地选择单一脉冲的持续时间，2ms为典型值。大部分商业刺激器在脉冲与结合在一个周期中的所限定的脉冲列的各种可能之间提供10-1000ms的时间延迟，并且对于若干个通道均如此。为了提供上述的电流，一种使用二极管连同电容器的布置是合适的。通过开启和关闭功率传输将操纵接收和延迟。对于本发明足够快的功率电子器件和放大器是可得到，例如，用于为MR成像传输RF的电子器件和放大器。对于电可操作单元的其它实施例，馈送给其的所需电流约在0.1mA至10mA的同一范围内。
在根据本发明的设备的一个实施例中，所述设备包括介入导管，并且电可操作单元包括治疗模块。
优选地，治疗模块包括心脏起搏或消融设备。由于RF发热，MR机器内部的高度导电结构是有危害的，因此使用磁共振(MR)作为成像模态用于导管介入带来了对所使用的装置的严格的限制。因此，用于X射线荧光透视检查的标准导管对于在MR中使用是不安全的，这是由于其采用了导电导线用于信号传输。特别是在心脏介入期间，导管必须提供三个基本功能：对ECG信号进行绘图，传输起搏信号以及用于消融的RF功率。尽管可以通过使用高电阻导线使ECG绘图成为RF安全的，但提供安全的功率传输是更困难的。所提出的将功率传输至RF安全导管的尖端电极(例如用于心脏起搏)的方式是基于使用布置为谐振电路的专用传感器的RF传输。可以通过完全地避免危害导线而提供功率传输的RF安全性。采用一个或多个体外的传输天线而完成向导管的功率传输，身体的信号通过谐振电路在导管尖端处拾取到。通过这样做，可以使EP导管的所有基本信号转输功能成为RF安全的，并且因此使得这种成像模态可用于此应用。另外，在导管尖端实现拾取电路是具有成本效益的，并且易于实现使所提出的发明特别地适合于诸如EP导管的一次性设备。所述设置优选地包括两个谐振电路，一个在传输器侧，另一个在传感器侧。一个或多个天线位于身体外部并且用于RF功率传输，而传感器位于导管的尖端用于起搏。所述传感器包括谐振电路，将所述谐振电路调整为与传输器具有相同的频率，从而使得其可在没有任何大量的功率损失的情况下，拾取入射RF功率。一旦将RF功率存储在谐振器中，(例如)使用二极管对该RF功率进行整流，并且使用低通滤波器提取DC脉冲。将后者传递给一对电极，所述电极将能量传递至患者组织。
在根据本发明的另一个实施例中，所述设备包括介入导管，并且电可操作单元包括诊断模块。
可在导管的尖端上操作并且需要外部电源的诊断模块的合适的例子可包括下列：
传感器，其用于确定血压和/或例如O2的分压。
涉及压力传感器的为血流测量，其对于判断狭窄程度是有用的，
用于确定温度的传感器。其在当使起搏原理和消融结合时会特别地有用。得到可靠的温度信息以此能够估计对组织的损害程度是人们所关心的。尽管可以以若干种方式来传输输出信号(无线，使用高电阻导线，通过光学方法，等等)，但是可以通过使用整流后的RF功率信号来完成DC电源的提供。还注意到的是，根据本发明的介入设备可包括多个诊断模块。从J.F.L.Goose等，“Silicon Sensors for use in Catheters”，1st Annual InternationalIEEE-EMBS Special Topic Conference on Micro technologies in Medicine andMicrobiology，October 12-14，Lyon，2000，France已知了在介入导管内布置的多个诊断模块的合适的例子。
在根据本发明的介入设备的另一个实施例中，将谐振电路布置为以Larmor频率操作。
以Larmor频率操作是有利的，这是由于接收电路可以吸收例如由正交体线圈(QBC)或任何其它传输线圈在MR频率处所传递的能量。则RF传输的持续时间限定了起搏脉冲的长度。在这一假设中，起搏将必须与成像交错。在成像阶段，必须使用(例如)变容二极管来解调谐振电路。为了使用于起搏的RF对自旋系统的干扰最小化，优选地，使用在所负载QBC的谐振的最边缘处的RF起搏频率，但该频率在没有梯度存在的情况下远离水的谐振。
注意的是，对于MR应用而言，当在Larmor频率传输功率时，应该在成像期间执行与在表面线圈中所使用的解调可比的拾取电路的解调。在成像期间，必须使接收器的谐振频率从Larmor频率移位若干个MHz。确切的数目取决于传输/接收曲线的宽度。如果谐振器为高质量的，则传输曲线变得非常狭窄，通过将这一曲线移位几个MHz而简便地完成了足够的解调。当接收电路的质量变差，例如由于电阻损失，则曲线变宽并且为了达到有效的解调，频率移位必须更大。后者为接收器在质量相当差的导管尖端的情况(由于其尺寸以及与组织/身体液体的近距离接触)。在任何情况下，根据经验知识，解调电路应该优选地使在操作频率处的(功率)灵敏度下降大约30dB。
在根据本发明的介入设备的另一个实施例中，将谐振电路布置为以与Larmor频率极大不同的频率操作。
对于RF安全性而言，远离Larmor频率而操作功率传输是更优选的。这可通过在Larmor频率以上或以下选择操作频率而完成。对于高频率端，由于足够的功率必须到达接收器，因此人类组织的吸收将会设置一个天然的操作边界。已发现高达GHz频率的操作应该是可能的。
在较低端，天线设计和所传输功率的生理有效性将可能设置所述限制。因此，从若干100kHz以前，所述原理在原则上应该可以实行。
为了避免成像与安全问题的干扰，应将“极大地不同”一词理解为当功率拾取与在Larmor频率的功率拾取相比下降了约30dB时的频率选择。根据电路的确切特征，这确定了所需要的频率移位。
这种操作模式保证了基本上无干扰的MR成像。因此成像和起搏可独立地执行。在心脏起搏的情况下，例如，可以通过开启和关闭传输器来调整脉冲的长度。在这两种情况下，整流和低通滤波提取了预期的、为RF信号包络的DC脉冲。
当在远离MR频率传输时，也可能使用经整流的电流用于显现活动的跟踪导管。除了如上所述的向一对电极传递电压之外，适当设计的感应元件，例如，线圈也可位于该位置。由流经电感的DC电流所生成在图像中的伪影可用于主动地跟踪导管尖端。
优选地，为了保证基本上取向不变地接收供电信号，根据本发明的介入设备的传感器包括多个线圈，将其布置在互相为非平面的构型中。
根据本发明的一种向介入设备无线传输电磁功率的系统包括无线传输器，以及根据上述的介入设备。在附属权利要求8-10中说明了根据本发明的系统的其它有利实施例。
参照附图将更详细地描述本发明的这些及其他方面。
附图说明
图1以示意性的方式示出了根据本发明的介入设备的实施例，所述设备以远离Larmor频率操作；
图2以示意性的方式示出了根据本发明的系统的实施例；
图3示出了非平面传感器构型的示意性视图。
具体实施方式
图1以示意性的方式示出了根据本发明的介入设备的实施例，所述设备以远离Larmor频率操作。本发明的中心部件为位于导管12的尖端12a的接收器电路。在图1中示出了作为Spice电路的示意性实现，在这个具体实施例中，其仅适合于远离MR频率而传输。否则，当以Larmor频率操作时，由于在用于成像的信号传输时需要进行解调，电路变得较复杂。
根据图1，为了拾取信号3，需要包括了合适的感应器2a和电容2b的谐振结构2。优选地以一种方式规定电感2a的维度，即所诱发的电压为10V量级。这可由具有一些10绕组的线圈在9F(3mm)的导管上而实现，假定在所述设备1.5T的位置处，谐振电路的Q因子为30，并且入射B1场为1μT。可使用若干传输器增加可得到的B1场的强度。
必须谨慎处理以下情况：当操作装备有如以上提出的起搏机制的导管时，可以改变有关外部传输器的接收电路中的感应器的取向。这将导致所诱发的电压的变化。一种对这一问题进行补偿的方式为使用多个彼此之间位于直角处的传输线圈(未显出)或至少传输器的非平面构型。
另外或备选地，导管12也可装备有正交马鞍形线圈以及两个整流器电路以克服取向问题。另外，正交体线圈(QBC)可用于传输(在这种情况下在Larmor频率处)，从而提供圆形极化RF场。这还将有利地辅助提供足够的、传感器可拾取的RF功率。
在使用QBC的情况下，可得到在1.5T的约20μT的场强度，因此降低了所需绕组的数目。将RF能量存储在由电容2b和电感2a形成的谐振电路中，之后将其转移至一对电极E1，E2。使用二极管6和低通电路，例如分路电容4，则对RF脉冲进行了整流以及滤波，从而提取了DC波形。在图1中，电容器8和电阻器10代表描述了与导管尖端接触的人类组织的复阻抗的典型值。对于用于MR成像的典型频率而言，由电阻器10描述的所述复阻抗的实部为若干个100Ohms，而由电容器8所描述的虚部约为15pF。
图2以示意性的方式示出了根据本发明的系统的实施例。所述系统(图2的所有)包括介入设备，特别是包括电极E1和E2的导管12，其它部分与如参考图1所讨论的部分相同。系统20(见上)还包括无线传输器22，其包括功率装置29以及布置为具有感应元件29a和电容元件29b的谐振电路的传输器。所述系统20(见上)还包括反馈回路25以及布置为根据传输至电极E1，E2的功率而调整功率单元29的控制单元27。
由于相对于传输场接收线圈变化的取向的问题，有利地由反馈回路25监测在电极E1处出现的电压。优选地，使用高电阻导线用于此目的。所述监测将允许生成调整所传输功率水平至实际接收器位置的反馈回路。另外，对于介入应用，不能将组织参数视为常数，结果改变电极之间的阻抗。还将反馈布置为补偿该效应。可以以MR安全方式采用本身已知的高电阻导线来测量通过正好插入电极E1后面的电阻24的电压。向控制单元馈送通过电阻器24所测量的电压，所述控制单元生成输入与预先选择的电压相比的时间相关误差信号。以合适的方式对所述误差信号进行修改，并且使用其来操纵功率源，所述功率源驱动谐振传输器电路，所述谐振传输器电路继而向导管尖端的接收器传递RF功率。
图3示出了非平面传感器构型的示意性视图。已发现将接收器的线圈的线路布置为基本上非平面构型是有利的。图3示出了这种合适的构型的示意性视图，其中，将介入导管31与传感器布置为类似马鞍形构型33。对于具有螺旋布置的线路37的导管35而言，示出了另一种合适的对形成谐振电路的传感器的线路的非平面布置。通过使用接收器所提供的空间交叉的正交线圈37或者马鞍形线圈35，其对于任何取向的平面传输器都是敏感的。
尽管已经在附图和上述描述中详细地说明并描述了本发明，但是应将这种说明和描述视为说明性的或者示范性的而非限制性的；本发明不受到所公开实施例的限制。

Claims (10)

1、一种设想为定位在身体内的介入设备(12)，其包括设想为一旦接收到电功率，则实施与所述身体的相互作用的电可操作单元(E1，E2)，其中，所述设备还包括传感器(2)，其布置为无线地接收来自远程源的电磁能量，所述传感器布置为谐振电路(2a，2b)，并且设想为将所接收的电磁能量转换成所述电功率。
2、根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备包括介入导管(12)，并且所述电可操作单元包括治疗模块。
3、根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备包括介入导管，并且所述电可操作单元包括诊断模块。
4、根据权利要求2或3所述的设备，其中，所述谐振电路布置为以Larmor频率操作。
5、根据权利要求2或3所述的设备，其中，所述谐振电路布置为以与所述Larmor频率极大不同的频率操作。
6、根据从属于权利要求2或3的权利要求5所述的设备，其中，所述单元包括感应元件，其设想为一旦由所述功率供给能量，则产生局部磁场。
7、根据先前权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述传感器包括以互相为非平面的构型布置的多个线圈(33，37)。
8、一种将电磁功率无线传输至介入设备(12)的系统(20)，所述系统包括无线传输器(22)以及根据先前权利要求中的任一项所述的介入设备。
9、根据权利要求8所述的系统，其中，所述传输器(22)以基本非平面构型布置。
10、根据先前权利要求8或9中的任一项所述的系统(20)，其中，所述系统还包括反馈回路(25)，其布置为监测向所述电可操作单元提供的功率，并根据其控制所述传输器(29a，29b)。
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