CN101874729B - 具有光纤负载感应能力的医疗装置系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于器官或血管的诊断或治疗的装置，其中具有至少两个光纤传感器配置在远端末梢中的可形变体(5)耦合到处理逻辑(6)，其编程以计算响应于检测到的因远端末梢与器官或血管壁的组织接触而偏转引起的光纤传感器光学特征变化的多维力矢量。力矢量可用于协助直接或自动的使用机器人系统(3)操纵可形变体。

Description

具有光纤负载感应能力的医疗装置系统

本申请是申请号为200680007106.8、申请日为2006年3月1日、发明名称为“具有光纤负载感应能力的医疗装置系统”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及探测和治疗器官的装置，其能够计算因装置远端末梢和器官壁组织之间的接触导致的多维力矢量。

背景技术

多年来，各种器官或血管的探察和治疗通过使用基于导管的诊断和治疗系统而变得可行。此类导管由通向被探察或治疗器官腔的血管引入或另可直接通过做在器官壁上的切口引入。这样，病患避免了开放性外科手术过程所特有的外伤和延长的恢复时间。

为了提供有效诊断或治疗，常需要首先非常精确的绘制被诊断区域。例如当需要选择性的消融心脏中当前路径来治疗心房纤维颤动时会执行这种绘制。常常，绘制过程因为心脏在整个心动周期期间的周期性运动导致的定位被治疗区域的困难而变得复杂。

以前所知的用于绘制血管或心脏内部的系统在，比如，美国专利序号6546271和6226542中有描述。那些专利中描述的导管利用电磁、磁或声感传感器来绘制导管远端末梢的空间位置，然后构建出血管或器官内部的三维造影。

这种先前所知的绘制系统的一个缺点是它们依赖导管的手动反馈和/或阻抗测量来判断导管何时被合适的放置在血管或器官中。那些系统不测量血管或器官壁的接触力，也不检测导管作用在器官或血管壁上的可能改变真实壁位置的接触力。相反，先前所知的绘制方法耗费时间，依赖医师的技术，并且不能补偿过度接触力产生的假象。

因此需要提供检测和监视绘制导管和器官或血管壁之间接触力的装置和方法来允许更快和更精确的绘制。还需要提供允许过程自动化的装置和方法，从而改进测量的电生理值和空间坐标的记录，比如通过只记录那些接触力落在预定范围之内的值。

一旦血管或器官的解剖图绘制好，相同或不同的导管可以用来实现治疗。根据将被应用在血管或器官上的特定治疗，导管可以包含任意数目的末端效应器，比如RF消融电极，旋转切割头，激光消融系统，注射针头或低温流体传递系统。典型的系统在比如，美国专利号6120520、6102926、5575787、5409000和5423807中描述。

因为这种末端效应器的有效性常常依赖于令末端效应器与器官或血管壁组织的接触，所以许多先前所知的治疗系统包括了可扩展的篮子或钩子用来稳定接触组织导管远端末梢。然而这种安排会因为器官或血管的运动而固有地不精确。此外先前所知的系统无法提供感知由组织壁运动施加到导管远端末梢的负载的能力。

比如，在心脏消融系统的例子中，一种极端情况是治疗系统的末端效应器和组织壁之间产生的间隙会导致治疗无效和不恰当的消融组织区域。另一种极端，如果导管的末端效应器和组织壁接触用力过度，如果不小心刺穿组织，会导致心脏压塞。

如前所述，需要提供一种基于导管的诊断或治疗系统来允许感应作用在导管远端末梢上的负载，包括跟随器官或组织运动产生的周期性负载。进一步需要有一种连接用来控制末端效应器的操作的负载感应系统，使得仅当检测到接触力落在预先定义的范围之内时或手动或自动地操作末端效应器。

美国专利号6695808提出几个解决方案以测量由于接触组织表面而产生的接触力，包括机械的，电容的，电感的和电阻的压力感应设备。然而，这些设备的一个缺点是它们相对的复杂而且必须被密封以避免血液或其它液体干扰测量。另外，这种负载感应设备会导致导管远端末梢的插入截面的增大。再进一步，该专利中所描述的那类传感器会受到电磁干扰。

一种先前所知的用于解决医疗环境中潜在电磁干扰的办法是使用基于光的系统而非电气测量系统，比如在Bosselman的美国专利号6470205中描述的。该专利描述了一种用来进行外科手术包含通过关节接点接合的一系列刚性连接的机器人系统。大量布拉格(Bragg)光栅被布置在关节接点处使得每个关节的弯曲角度可以光学地确定，比如，通过使用干涉仪测量布拉格光栅反射的光的波长的变化。计算弯曲角度并不需要知道刚性连接的特性。

Bucholtz的国际公开号WO 01/33165描述了另一种空间定位系统，其中，通过三个一组的光纤应变传感器测量的波长变化用于计算导管或其它医疗仪器的空间位置。尽管该公开透露应变传感器可被放入一个可形变的覆盖物里，和Bosselman的一样，但是没有描述弯曲角度的计算，因为需要可形变的覆盖物的材质特征。

相应的，需要提供诊断和治疗的装置，比如导管或导索，其能够感应作用于装置远端末梢的负载，但基本不增加装置的插入截面。

进一步值得提供诊断和治疗的装置，比如导管或导索，其能够计算作用于装置远端末梢的力并基本不受电磁干扰。

发明内容

如前所述，本发明的目的是提供能够感应作用于装置远端末梢的负载的诊断或治疗装置，包括因器官或组织运动引起的周期性负载。

本发明另一个目的是提供检测和监控比如绘制导管或导索的装置和器官或血管壁之间接触力的装置和方法，以促进这种绘制的速度和精度。

本发明进一步的目的是提供能够使绘制或治疗过程自动化的装置和方法，从而所测量的改进电生理值和空间坐标的记录，比如通过只记录接触力落在预定范围之内的值。

本发明另一个目的是提供装置，其中连接负载感应系统以控制诊断或治疗装置末端效应器的操作，使得只有当检测到接触力落在预先定义的范围之内时，才手动或自动的操作末端效应器。

本发明另一个目的是提供能够感应作用于装置远端末梢的负载，但基本上不增加装置插入截面的诊断和治疗装置。

本发明进一步的目的是提供能够计算作用于装置远端末梢的力并基本上不受电磁干扰的诊断和治疗装置。

本发明另一个目的是提供用于空心体器官，比如心脏，在器官运动的时候能够感应作用于装置远端末梢的负载的装置，以此来最优化布置于远端末梢中的末端效应器的操作。

通过提供例如导管的医疗设备来实现本发明的这些和其它目的，该医疗设备包含可形变体，其远端末梢中配备至少两个光纤传感器以与可形变体一起形变，和处理逻辑，其被编程用于至少计算响应所检测到的光纤传感器光特征变化的两维力矢量。本发明的装置可以配置成导管或导索或可以用于其它需要知道组织接触力的医疗装置。

更优选地，本发明的装置包含非共面的布置于可形变体中的三个光学传感器。比如，三个光纤传感器可以布置在装置的几何轴心的等边三角形顶点上，尽管也可采用其它的配置。使用三个这种光纤传感器有利于允许三维力矢量的计算。光纤传感器优选地从光纤布拉格光栅(FBG)，本征型法布里-珀罗干涉仪(IFPI)，非本征型法布里-珀罗干涉仪(EFPI)，长周期光栅(LPG)，二臂、三臂或四臂迈克尔逊干涉仪(MI)，布里渊散射应变传感器或基于强度的光纤应变传感器中挑选。

进一步根据本发明的原理，该装置包括处理逻辑，比如编程通用目的微处理器或专用集成电路，其工作地连接以接受来自光纤传感器的输出信号，并根据所使用的光纤传感器的个数，从输出信号计算两维或三维力矢量。处理逻辑可以用与单个可形变体物理特征相关的值矩阵来编程，并应用那些值到检测的波长变化上来计算作用在远端末梢上的外部力。更优选地，特定于每个可形变体的力-应变变换矩阵在制造时就确定下来，该力-应变转换通过合适的存储器设备、标记或标签和可形变体建立联系。

根据本发明的一个方面，可使用两个光纤传感器，只要装置的可形变体的中性轴的特性突出。更优选地，在可形变体远端末梢内布置三个光纤传感器来允许作用于可形变体的形变(伸长或收缩)可用三个或更多的非共面点测量。

极小的光纤传感器尺寸在装置的远端末梢中提供了充足空间放置其它的诊断或治疗设备。当配置成导管或导索时，可形变体相较先前所知的拥有力感应能力的系统充分减少了装置的插入截面。另外，传感器的光学本性保证了可能存在的液体不会影响测量，并保证了对于电磁干扰的高等级抗干扰。

本发明的装置可选包括任意数量的用于治疗血管或器官的布置在远端末梢中的先前所知的末端效应器，比如，用于测量电势(如，进行腔内心电图)的电极，配置成通过沉淀射频能量消融组织的电极，和/或三维位置传感器。

有利的，本发明的负载感应系统可用于连续的监控可形变体末端的偏转。比如，负载感应系统的输出信号可用于手动的或自动的指导或控制导管末端效应器的使用和操作。典型的，当用做电气生理学绘制导管的一部分时，本发明能够只在组织壁作用于导管远端末梢的接触力落于预先定义的范围的接触位置测量组织的电势。这样的安排不仅改进了绘制值和组织位置间的空间记录，而且使机器人系统能够自动绘制的过程变得可能。作为更进一步的例子，负载感应系统的输出可被用于控制治疗末端效应器的操作，比如定位接触器官壁的末端效应器和仅当检测到接触力落在预先定义的取值范围内时激励消融电极。

另外，至少一个光纤的远端末梢或附加光纤延伸超出其它的光纤，并装备了附加的FBG，LPG，IFPI，EFPI或布里渊散射型传感器来允许监测可形变体远端末梢的温度。

或者，或另外，温度传感器可位于末梢端非常接近光纤传感器处。温度传感器测量的温度可用于补偿温度变化引起的可形变体的形变，否则该形变可能错误的被解释为力相关的形变。温度传感器可包含任意一些温度传感器。更具体地，温度传感器包括附加的光纤，其不被约束与可形变体一起形变，而是可以因为温度的变化而自由延伸。在优选实施例中，温度传感器包括附加的FBG，LPG，IFPI，EFPI或布里渊散射型传感器。

此附加光纤也可以延伸超出其它的光纤并且包括了附加的FBG，LPG，IFPI，EFPI或布里渊散射型传感器来测量可形变体远端末梢的温度。或者，附加的光纤的远端末梢延伸超出可形变体中其它光纤并包括了包含迈克尔逊干涉仪传感器或强度传感器的温度传感器。

附图说明

本发明的进一步特点，本质和各种优点通过附图和随后优选实例的详细描述将会体现得更加明显。

图1是根据本发明的装置的示意图；

图2是图1中可形变体远端末梢的示意平面图；

图3是根据图2中III-III的剖面图；

图4是可形变体远端末梢侧面的示意图，其展示了光纤布拉格光栅(FBG)或长周期光栅(LPG)传感器的布置；

图5是可形变体远端末梢侧面的示意图，其展示了本征法布里-珀罗干涉仪(IFPI)传感器的布置；

图6是可形变体远端末梢侧面的示意图，其展示了非本征法布里-珀罗干涉仪(EFPI)传感器的布置；

图7是可形变体远端末梢侧面的示意图，其展示了迈克尔逊干涉仪(MI)传感器的布置；

图8是可形变体远端末梢侧面的示意图，其展示了高分辨率布里渊散射传感器的布置；

图9是可形变体远端末梢侧面的示意图，其展示了反射强度传感器的布置；

图10是可形变体远端末梢侧面的示意图，其展示了微曲强度传感器的布置；

图11是三个相互接触的光纤的透视图；

图12是三个相互接触并形成整体的光纤的透视图；

图13是可形变体远端末梢侧面的示意平面图，其使用图6中光纤来形成远端末梢的整体；

图14是根据本发明构造的示例导管的远端末梢的分解透视图；

图15是可形变体远端末梢的示意平面图，其包括了第四个光纤；并且

图16是本发明装置的示意图，其中负载感应系统的输出被用于控制装置的自动化操作。

具体实施方式

本发明涉及用于希望测量装置远端末梢和器官或血管组织壁之间接触力的诊断和治疗系统的医疗装置和方法。本发明的负载感应能力可用于间歇测量离散点处的接触力或用于连续监控接触力来辅助装置的操控和操作。

包含本发明的医疗装置可典型的配置成导管或导索由医师手动操控，其中医师利用负载感应系统的视频或音频输出提示来判断，比如测量电生理值或进行治疗的最佳位置。另一个选择，可通过提供反馈和控制系统的本发明的负载感应系统，自动控制医疗设备。

有利的，配备了本发明负载感应系统的医疗装置预期可以更快，更精确的诊断或治疗器官或血管，可更好的做测量值和空间位置间的记录。比如，带有本发明负载感应系统的导管将通过提供导管远端末梢和组织壁之间可重现的接触力来允许心脏电势的绘制，从而使得绘制过程的结果更少的依赖于医师个人的能力并促进了自动化的过程。

现在参见图1和图2，根据本发明原理构造的示例装置包含可形变体1，其具有通过电缆4耦合到控制台3的近端2。如下详述，可形变体1包括了远端末梢5典型携带现有技术中已知的用于诊断或治疗血管或器官的任意一种或多种末端效应器。尽管本发明描绘了用于心脏绘制和消融的导管系统的情况，应该理解根据本发明构造的医疗装置可有效的用于其它目的，比如传递药物或生物活性药剂到血管或器官壁或进行心肌血运重建或冷冻消融，如在以上参考专利中描述的。

近端2优选地包括存储设备2a，比如存储器芯片，射频标签或条码标签，其存储可用于计算多维力矢量的数据，正如下文中描述。或者，存储设备2a不必贴着近端2，而是可以是单独一项，比如与各个可形变体相关联地单独封装。近端2可使用现有技术中本身已知的机制，比如拉线或恰当配置的电活性聚合物手动或自动操纵以产生所需的远端末梢5的清晰度或弯曲度的量。可形变体1也可手动或自动的拉伸、缩回和旋转。

可形变体1包括布置在远端末梢5中的至少两个光纤传感器，它们位置近轴地延伸并通过近端2和电缆耦合到控制台3。更优选地，可形变体包括三个光纤传感器布置在其中。另外，进出远端末梢5中的末端效应器的控制信号通过电缆4的合适部件传输到控制台3，再到近端2的触觉部件。显然，电缆4的特性依赖于可形变体1的远端末梢5中布置的末端效应器的特性。

控制台3包括电和光部件以驱动光纤传感器并解释它们的输出信号。控制台3还包括了处理逻辑6，比如编程的通用目的微处理器或者专用集成电路，来接收因为作用于可形变体远端末梢的力而导致的光纤传感器中出现的波长变化相应的输出信号。处理逻辑6基于输出信号和个体可形变体物理特征矩阵计算多维力矢量，如下详述。控制台3优选地还包括表明负载感应系统的输出的器件，比如视频显示器或者音频设备。或者，控制台3可输出信号显示在分离的显示器上。

现在参见图2和图3，可形变体1优选地在其中配置至少两个光纤传感器，使得可形变体1的形变信息可传到传感器7。只要制造期间可形变体的中性轴位置已知或已确定，光纤传感器就可使用。更优选地，可形变体1包括至少三个光纤传感器，并且包括模制的、机器加工的或压制的材料，比如典型用于制造导索或导管的材料。为了保证光纤形成可形变体1的整体部分，光纤可通过使用粘合剂或其它方法依附于可形变体内，比如二次注塑或共挤压。图3中，光纤7使用粘合剂8粘合到可形变体1中。

当配置了三个光纤传感器，光纤7配置在可形变体1中以使光纤传感器不共面，也就是不位于一个平面。例如，光纤放置在导管纵轴中心的等边三角形的顶点上。其它的配置也可行，只要光纤在可形变体1形变时经历不同的弯曲和延伸角度。光纤传感器7可从光纤布拉格光栅(FBG)，长周期光栅(LPG)，本征法布里-珀罗干涉仪(IFPI)，非本征法布里-珀罗干涉仪(EFPI)，双臂、三臂或四臂迈克尔逊干涉仪(MI)，布里渊散射应变传感器或基于强度的光纤应变传感器中选择。

现在参考图4，描绘了可形变体1安装有三个光纤7，其远端末梢5中布置了FBG或LPG应变传感器9。FBG传感器是一种干涉仪，其中光纤芯中永久性的印刻了(比如，光蚀刻)稳定的布拉格光栅。光纤芯折射率中周期性变化的区域作为一个极窄带反射滤光片用来反射具有预定义的布拉格波长的光。因此光在窄尖峰带中从FBG反射，该窄尖峰带的中心波长线性依赖于布拉格波长和纤芯的平均折射率。因此，改变光栅特性的形变导致反射的布拉格波长的偏移。

LPG和FBG构造相似，包括单模光纤组成，其周期性索引调制光纤芯折射率的周期远长于FBG。布置LPG而不是FBG的可形变体的使用和操作同以下所述类似。

在使用装置期间，因为接触器官组织产生的负载，可形变体1的远端末梢受到挤压和弯曲。位于远端末梢的光纤7的各部分也根据它们位于远端末梢中各自的位置产生了不同程度的形变。

FBG传感器的初始校准，也就是不受任何外力情况下从布拉格光栅反射的平均波长(称为“布拉格波长”)，由光纤制造期间印刻下的光栅特征决定。布拉格波长的任何偏离都和精确的参数，比如张力成比例地相关。在图4的实施例中，布拉格光栅允许每一个光纤7的形变(伸长或收缩)通过测量布拉格光栅反射的光波长来定量。

以上信息，加上已知的可形变体的物理特性，使控制台3的处理逻辑6能够使用合适的算法来计算多维力矢量的分量。然后力矢量可被显示或表明，比如作为图形显示在显示屏上或变换位于或连接控制台3的音频设备发出的音调。

还是参考图4，光纤7中的一个光纤优选地延伸超出其它的光纤，并包含第二个FBG(或LPG)10用来测量可形变体前端的温度。可形变体前端的温度变化可能会由于比如消融电极的操作而产生，将产生相应的布拉格波长的变化。通过了解光纤的物理特征和测量光栅反射光的波长，处理逻辑6能够计算出远端末梢表面的温度，例如，来监控组织消融过程。

再次参考图1，控制台3包含激光器，优选是可调谐激光二极管，其用于通过电缆4注入一束光到光纤中，和光检测器，其检测因为加在应变传感器和可形变体上的形变导致的反射光束特征变化。优选地，控制台3包括光纤布拉格光栅解调器。

在这样的系统中，每个光纤传感器有不同波长的布拉格光栅，其因此响应在特定频率范围中。可调谐的激光器连接到所有的光纤传感器上并每秒几次扫描特定频率。当激光频率对准光栅频率时，光电二极管记录下每个布拉格光栅的波长变化。这样，当可调谐激光器扫描过光栅频率时，每个光纤传感器都可被轮询。

进一步根据本发明的原理，编程处理逻辑6以从光纤布拉格光栅解调器的输出计算两维或三维的力矢量。现在描述这些计算的理论依据。

对于在包括聚醚醚酮(“PEEK”)的可形变体内嵌有三个光纤布拉格应变传感器的装置，全部应变的计算可以使用：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{1,t}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{2,t}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{3,t}\\ {\mathrm{\ΔT}}_t\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{C}_{\mathrm{\ϵ}}& 0& 0& C_{\mathrm{\ϵT}}\\ 0& C_{\mathrm{\ϵ}}& 0& C_{\mathrm{\ϵT}}\\ 0& 0& C_{\mathrm{\ϵ}}& C_{\mathrm{\ϵT}}\\ 0& 0& 0& C_T\end{array}\right]\·\left(\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{1,t}\\ {\mathrm{\λ}}_{2,t}\\ {\mathrm{\λ}}_{3,t}\\ {\mathrm{\λ}}_{4,t}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{1,r}\\ {\mathrm{\λ}}_{2,r}\\ {\mathrm{\λ}}_{3,r}\\ {\mathrm{\λ}}_{4,r}\end{array}\right]\end{array}\right)---\left(1.1\right)$

ε_t＝C·(λ_t-λ_r)    (1.1a)

其中：

r-设置参考(零值)测量时的时间

t-相对于参考时间的时间

λ_i，r，i＝1，4-布拉格光栅的参考波长

λ_i，t，i＝1，4-布拉格光栅在时间t的波长

ε_i，t，，i＝1，3-时间t的全部应变值

ΔT_t-时间t的温度变化

C_ε-波长和应变之间的线性系数

C_εT-布拉格光栅的温度补偿系数

C_T-波长和温度之间的线性系数

λ_r-布拉格光栅参考波长的矩阵(向量)

λ_t-时间t的布拉格光栅波长的矩阵(向量)

ε_t-全部应变和温度变化的矩阵(向量)

C-应变转换器和补偿矩阵

全部应变包括由于可形变体的测量温度和预定义参考温度之差导致的可形变体的热膨胀部分。作为作用力函数的弹性应变因此可以如下计算：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{el}1,t}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{el}2,t}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{el}3,t}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Tc}}\\ 0& 1& 0& -{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Tc}}\\ 0& 0& 1& -{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Tc}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{1,t}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{2,t}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{3,t}\\ {\mathrm{\ΔT}}_t\end{array}\right]---\left(1.2\right)$

ε_el，t＝α_T·ε_t    (1.2a)

其中：

ε_eli，t，i＝1，3-时间t的弹性应变值

α_T-导管材料的热膨胀系数(PEEK)

ε_el，t-时间t的弹性应变矩阵(向量)

α_T-温度减少矩阵

弹性应变和光纤传感器经受的内力相关，是可形变体的物理尺寸和材质特性的函数：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{el}1,t}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{el}2,t}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{el}3,t}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& y_1& -x_1\\ 1& y_2& {-x}_2\\ 1& y_3& {-x}_3\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{E_{\mathrm{ten}}\·A}& 0& 0\\ 0& \frac{1}{E_{\mathrm{flex}}\·I_x}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{E_{\mathrm{flex}}\·I_y}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{N}_{z,t}\\ M_{x,t}\\ M_{y,t}\end{array}\right]---\left(2.1\right)$

ε_el，t＝G·δ·I_Ft    (2.1a)

其中：

x_i和y_i，i＝1，3-关于导管横截面的重心的布拉格光栅坐标

E_ten-导管的等效张力/压缩杨氏模量

E_flex-导管的等效挠曲杨氏模量

I_x-关于x轴的惯性矩

I_y-关于y轴的惯性矩

N_z，t-时间t的z轴方向法向力

M_x，t-时间t的x轴挠矩

M_y，t-时间t的y轴挠矩

G-几何矩阵

δ-弹性矩阵

I_F，t-时间t的内力矩阵(向量)

方程(2.1)可重新排列以求解作为弹性应变的函数的内力。然后方程(1.3)的弹性应变可代入重新排列的矩阵系统来计算作为弹性应变的函数的内力，正如下方方程(2.3)显示的：

$\left(2.1\right)\⇒\left[\begin{array}{c}{N}_{z,t}\\ M_{x,t}\\ M_{y,t}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{E}_{\mathrm{ten}}\·A& 0& 0\\ 0& E_{\mathrm{flex}}\·I_x& 0\\ 0& 0& E_{\mathrm{flex}}\·I_y\end{array}\right]\·{\left[\begin{array}{ccc}1& y_1& -x_1\\ 1& y_2& -x_2\\ 1& y_3& -x_3\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{el}1,t}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{el}2,t}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{el}3,t}\end{array}\right]---\left(2.2\right)$

$\left(2.1a\right)\⇒I_{F,t}=S\·G^{-1}\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{el},t}---\left(2.2a\right)$

其中：

S＝δ^-1-刚度矩阵

只剩下将光纤导管传感器经受的内力和由组织壁实际加在可形变体远端末梢上的外部接触力相关联。根据可形变体外壁的光纤传感器的位置计算这些力，假定可形变体基本上是不可压缩的：

$\left[\begin{array}{c}{F}_{x,t}\\ F_{y,t}\\ F_{z,t}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& -\frac{1}{d}\\ 0& \frac{1}{d}& 0\\ -1& 0& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{N}_{z,t}\\ M_{x,t}\\ M_{y,t}\end{array}\right]---\left(3.1\right)$

F_t＝d·I_F，t    (3.1a )

其中：

F_x，t-时间t的x轴方向的接触外部横力(反向)

F_y，t-时间t的y轴方向的接触外部横力(反向)

F_z，t-时间t的z轴方向的接触外部横力(反向，压缩为正)

d-侧力接触点和传感器截面间距离(沿z轴)

F_t-时间t的接触外部力矩阵

d-变换矩阵

F_t＝K_λ·(λ_t-λ_r)＝K_λ·λ_t-F_r(3.3)

其中：

K_λ-力变换矩阵，K_λ＝d·S·G^-1·α_T·C    (3.4)

F_r-参考力矩阵(向量)，F_r＝K_λ·λ_r    (3.5)

方程(3.1)到(3.5)的解答提供了应用于可形变体外表面的普通力和横力，也就是F_norm，t＝F_z，t和

横力的角度Y_t可从表1计算出：

表1

Fx，t	Fy，t	Yt
			≥0	≥0	arcsin(Fy，t/Ftran，t)
＜0	≥0	π-arcsin(Fy，t/Ftran，t)
			＜0	＜0	π-arcsin(Fy，t/Ftran，t)
≥0	＜0	2π+arcsin(Fy，t/Ftran，t)

方程(1.1)到(3.5)中使用的许多值和可形变体或光纤传感器的材料性质有关，比如布拉格波长，热膨胀系数和可形变体的弹性模量。其它值，比如光纤传感器与可形变体外表面间距离容易因所用的制造过程而变化。

为了保证计算出的力矢量的精度，有关每个可形变体的特定信息可存放在存储设备2a中。通常来说，在使用可形变体前，信息以数据文件形式输入给控制台3。比如，存储设备2a可以包括连接到电缆4的其中存储信息的存储芯片，或位于可形变体近端2或可形变体包装上的条码或射频标签。或者，特定于某个体可形变体的数据可从可拆卸存储设备(比如，CD)上传到控制台3，或从制造商的网站安全下载。

每个可形变体的特定信息可通过可形变体制造过程中进行的校准步骤获取，通过作用于可形变体一系列已知力来取得。在这种情况下，前面的方程式可压缩，普通力和横力可通过力到波长变换矩阵直接求出。

F(t)＝K(λ(t)-λ₀)    (4.0)

其中：

F(t)-力向量

λ(t)-为个体传感器测量出的波长向量

λ₀-为个体传感器使用零作用力测量出的波长向量和

K-当作用于一系列已知力到可形变体所计算出的矩阵

在制造的校准步骤期间，可形变体受到以下一系列力的作用：(1)已知量F′的纯粹轴向力；(2)已知量F″的侧力；和(3)已知量F″′相对力F″方向偏转90度角的侧力。当所有的力F′，F″，F″′和波长已知时，力-应变的变换矩阵K可以如下计算：

K＝F(λ(t)-λ₀)^-1    (5.0)

或：

$\left[\begin{array}{ccc}{F}_x& F_x^{\′}& F_x^{\′\′}\\ F_y& F_y^{\′}& F_y^{\′\′}\\ F_y& F_z^{\′}& F_z^{\′\′}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{ccc}({\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_1^0)& ({{\mathrm{\λ}}^{\′}}_1-{\mathrm{\λ}}_1^0)& ({{\mathrm{\λ}}^{\′\′}}_1-{\mathrm{\λ}}_1^0)\\ ({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_2^0)& ({{\mathrm{\λ}}^{\′}}_2-{\mathrm{\λ}}_2^0)& ({{\mathrm{\λ}}^{\′\′}}_2-{\mathrm{\λ}}_2^0)\\ \left({{\mathrm{\λ}}_3-\mathrm{\λ}}_3^0\right)& ({{\mathrm{\λ}}^{\′}}_3-{\mathrm{\λ}}_3^0)& ({{\mathrm{\λ}}^{\′\′}}_3-{\mathrm{\λ}}_3^0)\end{array}\right]}^{-1}=\left[\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]---\left(5.1\right)$

然后力-应变变换矩阵K被保存在和相应的可形变体相关的存储设备2a中，如上所述。然后，当可形变体通过条码读出器、输入板或经电缆4的直接电连接耦合到控制台时，力-应变变换矩阵可输入到控制台3。一旦为给定可形变体提供矩阵K，普通力、横力和横力的施加角度可使用表1通过以上描述的方法计算。

按照以上描述方法计算出的普通力、横力和横力的施加角度，可作为数值输出到作为控制台3其中部分的显示器或连接到控制台3的显示器。另外，包含了可变值或彩色箭头的图形可用于显示指向圆的圆周上的位置来直观看到施加在可形变体远端末梢的横力的大小和方向。通过监控这个显示，操作员可以连续获得关于施加在可形变体远端末梢的接触力的反馈。

现在参见图5，描述了一个可选的实施例，其中光纤应变传感器7包括本征法布里-珀罗干涉仪(IFPI)。延长光纤之一并包括第二个IFPI传感器13用于测量远端末梢前端的温度。

IFPI包括单模光导纤维，其具有反射器12分布在其两端以形成光共振腔11的段。反射器可包括光纤内形成的半反射镜表面或可包括两个FBG。发射自位于控制台3的激光二极管的光撞上邻近的反射器并以特定波长14部分反射回来。穿过邻近反射器并撞上远端的反射器的光也被反射回来。两个反射光束导致的相长干涉和相消干涉可被放置于控制台3的光检测器检测到。

应变或温度的变化改变光共振腔11和传感器13的光学长度，并影响了从中可计算光纤相对偏差的反射特性。这个信息又使得能够作用于因远端末梢5与器官或血管壁接触而施加的力矢量的计算。

图6是本发明可形变体的另一个可选的实施例，其中可形变体1包含了3个本征法布里-珀罗干涉仪(IFPI)传感器。其中一个光纤延伸超出其它光纤并包括第二个EFPI传感器17来测量远端末梢前端的温度。EFPI传感器包括由空心毛细管15形成的光共振腔11，和光纤切割端16。空心毛细管里有空气。操作EPFI和前面描述的操作IFPI类似，除了光纤切割端作为反射器来反射特定的波长18。从切割端16反射的光导致两个光束相长和相消干涉。应变或温度的变化改变了光共振腔长度并影响反射特性。

图7示出本发明可形变体的另一个可选的实施例，其中可形变体1包含了形成迈克尔逊干涉仪的三个光纤7。每个光纤7在它的远端包含了反射器19；光纤通过光耦合器20在它们的近端耦合。位于控制台3的激光二极管发出波注入到光纤21中，波被耦合器20分离到干涉仪的每个光纤(“臂”)中。耦合器20组合从每个臂反射回来的光。通过使用相干或低相干干涉仪，从不同光纤反射的光的相对相位的变化被测量以计算可形变体1经受的应变。基于计算出的应变，可形变体远端末梢和器官或血管壁组织间的接触力可以被确定。

现在参见图8，描述了光纤包括高分辨率布里渊传感器的实施例。布里渊传感器使用散射原理22，是光纤的本征现象。该现象是光纤中存在的光和声子(压力波)之间的相互作用形成的。波23是相对于注入的波有光频率偏移的反向散射波。其中一个光纤7延伸超出其它光纤并包括第二个布里渊散射传感器24以测量远端末梢前端的温度。应变或温度的变化会改变光频率的偏移。使用脉冲，相位调制或其它技术，沿着光纤选择不同的位置26来测量这些位置的应变状态是可行的。

参看图9和图10，描述了使用强度类型光纤传感器的本发明的另一个实施例。更具体地，图9示出使用反射强度传感器而图10示出使用微曲强度传感器。

图9中，反射强度传感器包括光纤7内的连接区域25。在远端末梢形变或温度变化引起的应变效应下，连接区域25调制发射和/或反射的光波26的幅度。反射光强度的变化通过本身已知的装置测量。附加的光纤也可被提供来进行温度测量。

图10中，微曲强度传感器包括沿着光纤7长度配置的连接区域27。连接区域27可通过在光纤中引入微曲获得。在远端末梢形变或温度变化产生的应变效应下，连接区域27调制发射和/或反射的光波28的幅度。反射光强度的变化通过本身已知的装置测量。

根据优选实施例，三个光纤可相互组装形成完整的部分，如图11描述的，或嵌入粘合剂或其它合适的可形变材料以形成柱面元件29，如图12描述的。这种安排提供了非常小而坚固的装配，可附着在其它普通结构的导管内腔中，如图13描述的，同时也保护了光纤免遭破裂。根据本发明原理，如图11～13所示捆扎光纤保证了所有的三个光纤不共面。

现在参见图4和图14，描述了使用本发明的负载感应能力的示例消融导管的远端末梢。可形变体1包括了电极30，31和32，并耦合到具有冲洗口34的前端33。电极30，31，32，33根据导管的特定应用提供，比如，腔内心电图，射频消融等。前端33也可以是电极。传感器35也可被提供，以提供导管远端末梢三维位置。传感器35是基于电磁、磁、电、超声的原理。

可形变体1包括如上所述配置的至少三个光纤9。其中一个光纤延伸超出其它光纤并包括，比如，第二个布拉格光栅10作为温度传感器。布拉格光栅10容纳在前端33中，并可用于计算因电极操作导致的前端33温度的变化。冲洗口34与位于导管中的一个或多个通道相通，并且可在前端电极操作期间用于传递冷却溶液，比如，生理盐水，到导管的远端末梢，以降低前端温度并控制组织的消融。

尽管前端33示例性地描述为配置以进行射频消融，但是也可使用其它组织消融或治疗末端效应器，比如激光，超声，辐射，微波或其它。此外，其它治疗器件比如药物、干细胞或其它类型细胞的注射器也可被放置在导管的头部内。

至于图15，描述了另一个可选的实施例，其中第四个光纤用于测量其它光纤应变传感器附近的可形变体的温度。因为可形变体1的材料可能对温度变化敏感，所以可形变体温度的变化会导致可形变体和内嵌光纤的伸长或缩短。该效应会导致计算出错误的力矢量。因此，第四个光纤7被可滑动的配置在可形变体1中，使得它并不会受温度引起的可形变体伸长或缩短的影响，从而提供参考测量。但是如果感应器主体的温度已知，比如通过使用第四个光纤，则可形变体的热膨胀或收缩可在力矢量的计算中被补偿。

现在参看图16，描述了另一个利用本发明的负载感应系统的装置实施例。装置40包括具有通过电缆44耦合到控制台45的远端末梢42和近端43的可形变体41。组件41-45的构造和操作和上面描述的图1的实施例类似。

根据本发明的一个方面，图16的装置40进一步包括机器人控制系统，其包括控制器46，输入和显示元件47和传动器48。传动器48耦合到可形变体41以响应于编程的微处理器46发出的指令来操纵可形变体。控制器46通过输入和显示元件47输入的指令来编程，并且传动器48的操作可通过元件47的显示部分来监控。控制器46耦合控制台45以接收本发明的负载感应系统的输出，并使用该信息控制操纵可形变体41和传动器48。控制台45还可接收来自控制器46的输入，其用于确定何时操作可形变体41的末端效应器。

比如，可形变体41可包括设计来绘制病患心脏内的电位的电气生理导管。在这种情况下，远端末梢42可包括一系列如图14中描述的绘制和消融电极。如上所述，先前所知的绘制病患心脏内电位的方法是耗费时间的活动，因为医师通过导管轴的触觉反馈或阻抗测量来确定组织壁的结合情况。

根据本发明原理，传动器48包括能够在病患心脏内前进和旋转导管的多轴工具。如通过控制台45的监控所确定的，控制器46可被编程用来操纵导管直到远端末梢42遇到的接触力落在预定义的范围内。一旦确定接触力落在了预定义的范围内，电位就可被测量和记录。然后控制器46可以按需重新放置导管来绘制病患心脏的其它需要的部分。

有利的，因为远端末梢施加的接触力可控制在希望的范围内，所以组织壁形变的危险降低了。因此，如果导管中也提供了三维定位器系统，比如前面所述，则被测值和被测点的空间位置可获得精确的记录。本发明的负载感应系统类似的可被集成到治疗系统中，比如，包括了如图14所述的消融电极，其中仅当远端末梢和组织壁的接触力超出预定义的最小值或落在预定义的范围内时消融电极可被激励用来消融组织。

另外，当可形变体41的远端末梢42是关节可活动的，控制器46也可给控制台45提供信号来调节远端末梢的关节活动度数。这样，本发明的负载感应系统不仅可被配置作为到外部控制器的反馈环的部分，本身也可接收控制导管41的末端效应器的操作的外部控制信号。

总之，使用光纤应变传感器能够计算在可形变体远端末梢与器官或血管壁组织接触时产生的多维力矢量。当该信息和三维定位传感器结合时，可获得精确的绘制以使得能以最佳作用力诊断或治疗组织。光纤应变传感器的小尺寸和这些设备获得的高分辨率测量使得甚至在潮湿和容易受电磁干扰的情况下也能获得高度精确的测量结果。

尽管本发明的优选实施例如上已述，很明显对于本领域普通技术人员来说，可在不脱离本发明的基础上获得各种变化和修改。所附的权利要求旨在覆盖落在本发明的真正本质和范围内的所有这些变化和修改。

Claims (21)

1.一种用于诊断或治疗器官的装置，该装置包括：

可形变体，具有远端末梢；

至少两个光纤传感器，附着在远端末梢中；以及

处理逻辑，工作地耦合以接收光纤传感器的输出，该处理逻辑被编程为计算对应于远端末梢和器官的组织壁之间接触力的多维力矢量。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述两个光纤传感器相互附着。

3.如权利要求1所述的装置，进一步包括第三个光纤传感器，该第三个光纤传感器布置在可形变体内，使得三个光纤传感器不共面。

4.如权利要求3所述的装置，其中处理逻辑被编程为响应于所述三个光纤传感器的输出计算三维力矢量。

5.如权利要求1所述的装置，其中光纤传感器从下列中选择：光纤布拉格光栅应变传感器，长周期光栅光纤应变传感器，本征法布里-珀罗干涉仪光纤应变传感器，非本征法布里-珀罗干涉仪光纤应变传感器，迈克尔逊干涉仪光纤应变传感器，和布里渊散射光纤应变传感器。

6.如权利要求1所述的装置，其中光纤传感器之一的光纤的远端部分向远侧延伸超出其它光纤传感器，并进一步包括附加光纤传感器。

7.如权利要求1所述的装置，进一步包含可滑动地配置在可形变体的腔中的另一个光纤传感器以测量可形变体的温度。

8.如权利要求1所述的装置，其中远端末梢进一步包含至少一个电极以测量器官的组织的电位。

9.如权利要求8所述的装置，进一步包含编程为当所述接触力落在确定的范围内时测量电位的处理器。

10.如权利要求1所述的装置，其中远端末梢进一步包括至少一个用于通过沉积射频能量消融组织的电极。

11.如权利要求9所述的装置，进一步包含处理器，该处理器被编程为仅当接触力落在确定的范围内时能够激励电极来消融组织。

12.如权利要求1所述的装置，其中远端末梢进一步包括冲洗通道。

13.如权利要求1所述的装置，其中远端末梢进一步包含三维定位传感器。

14.如权利要求1所述的装置，进一步包括耦合到光纤传感器以产生输出的光纤布拉格光栅解调器。

15.如权利要求14所述的装置，进一步包括用于关节连接远端末梢的部件，其中响应于所述输出而确定远端末梢的关节连接。

16.如权利要求14所述的装置，进一步包括响应于所述输出操纵可形变体的机器人控制系统。

17.如权利要求1所述的装置，其中可形变体具有相应的力-应变变换矩阵。

18.如权利要求17所述的装置，其中力-应变变换矩阵存储在可形变体具有的存储器芯片、条码或RFID标签中。

19.如权利要求17所述的装置，其中力-应变变换矩阵在使用可形变体前提供到处理逻辑。

20.如权利要求1所述的装置，其中器官为血管。

21.如权利要求8所述的装置，其中器官为血管。

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