CN102341038A - Mri兼容医疗装置温度监控系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于医疗装置的温度监控系统，包括：光学发射/接收单元，具有近端、远端和在近端与远端之间延伸的内芯的细长光纤，以及形成于光纤的内芯中的一个或多个光纤布拉格光栅元件。光纤在近端与发射/接收单元操作性地耦接。光纤的至少一部分还与医疗装置操作性地耦接，并构造为测量医疗装置上的一个或多个温度感测位置处的温度。

Description

MRI兼容医疗装置温度监控系统和方法
技术领域
本发明涉及在诊断和治疗过程中使用的医疗装置，特别涉及用于监控医疗装置在磁共振成像环境中的温度的系统和方法。
背景技术
MRI已成为诊断成像疗法(modality，模式)的主流，并逐渐成为介入成像模式的主流。MRI超过其他成像模式(例如X光)的主要好处包括：高级软组织成像，并避免患者暴露于X光所产生的电离辐射中。MRI的高级软组织成像能力已经在诊断成像方面提供了很大的临床好处。类似地，传统地使用X光成像以进行引导的介入过程必然从MRI的软组织成像能力中大量获益。另外，用MRI引导可避免患者大量暴露于与传统的X光引导的介入过程相关的电离辐射。
MRI用三个场来对患者人体成像：大静态磁场、时变梯度磁场、以及射频(RF)电磁场。静态磁场和时变梯度磁场共同起作用，以与静态磁场一起建立质子排列，并在患者体内建立空间相关的质子旋转频率(共振频率)。以共振频率施加的RF场干扰初始排列，使得，当质子不受约束而回到其初始排列时，可以检测到自放松情况下发出的RF，并处理该RF以产生图像。
当医疗装置在外部或内部接近或接触患者组织时，与MRI相关的三个场中的每一个会对患者产生安全危险。一个重要的安全危险是，会从MRI扫描器的RF场与医疗装置之间的相互作用产生的发热(RF导致的发热)，所述医疗装置特别是具有带有组织接触电极的细长传导性结构的医疗装置，例如，起搏器中的电极线和植入型心脏复律除颤器(ICD)引线、引导线、和导管(catheter)。因此，由于更多的患者装配有可植入医疗装置，并且，由于MRI诊断成像的使用越来越普遍且越来越多，所以，对在MRI环境中的安全装置的需求增加。
开发了多种MRI技术，作为对用于引导介入过程的X光成像的替代方式。例如，当医疗装置在介入过程期间通过患者的身体前进时，可以跟踪其前进，使得可将装置恰当地传递至目标位置。一旦传送至目标位置，便可监控装置和患者组织，以改进治疗传递。因此，在介入过程中，跟踪医疗装置的位置是有用的。示例性的介入过程包括，例如，包括用于诊断心律不齐的诊断过程的心脏电生理学过程、和消融过程(例如，心房纤维性颤动消融、室性心动过速消融、心房扑动消融、沃尔夫帕金森白色综合征消融、房室结消融、SVT消融，等等)。用MRI跟踪医疗装置的位置在肿瘤手术过程中也是有用的，例如，乳腺肿瘤、肝肿瘤和前列腺肿瘤消融；并且，在泌尿手术过程中也是有用的，例如，子宫肌瘤和前列腺肥大消融。
在许多以上情况中，细长的或大表面积金属结构可以存在于介入装置(其在手术过程期间使用以传送治疗或提供诊断)中、存在于植入装置(其放在身体内以提供治疗或传递诊断)中；或存在于用来将介入或植入装置部署或传递至患者的工具。具有金属结构的介入装置的实例可以包括斑块切除装置、栓障、电生理学导管、活体检查针/工具，以及干细胞传递导管。具有金属结构的植入装置的实例可以包括耳蜗植入物、起搏器、植入型心脏复律除颤器、胰岛素注射器、神经刺激器、引线、人工心瓣、止血夹、以及非铁磁镫骨植入物。最后，具有金属结构的部署或传递工具的实例可以包括导管、护套、导引器、引导线、经中隔装置、以及套管针。
如本领域的技术人员所理解的，这些金属结构在MRI扫描处理的过程中可能经历发热。此发热可能由许多因素导致，包括但不限于，来自MRI梯度开关的涡流、由于金属结构与MRI发射线圈之间的电磁相互作用而引起的RF诱发发热、以及金属/组织界面处(在那里，加热可能出现在金属结构和所连接的组织这两者中)的大电流密度。在所有这些情况中，监控单个点或多个点处的装置温度是重要的，这使得可以保持装置发热的安全水平。
在一些上述情况中，介入过程还可以包括消融治疗的传递，其或者是热量形式的传递，例如，通过射频传递、激光传递、微波传递；或者是高聚焦超声传递；或者是冷冻传递，例如，通过低温流体的传递。当介入过程包括消融能量的传递时，监控治疗传递点的温度可能尤其重要，这使得可适当地用滴定法测量该治疗。因此，温度监控对于在MRI引导下执行的介入过程来说是重要的步骤。
许多用于测量温度的方法和装置是已知的，并在医疗装置领域中使用。一种用于测量温度的示例性装置是热电偶。一般来说，热电偶可以是在经历热梯度时产生电压的任何导体。热电偶典型地用两种不同的金属来产生电路，在该电路中，两个支线(leg)产生不同的电压，可以测量所述电压以确定温度值。热电堆装置以相似的方式操作，并通过串联或并联多个热电偶来构造。另一种用于测量温度的示例性装置是电阻温度计或电阻温度检测器(RTD)。此类型的装置通过使用材料的电阻随变化温度的可预测的变化来操作，并典型地由铂制成。又一用于测量温度的示例性装置是热敏电阻。热敏电阻利用这样一种类型的电阻器，其根据其温度而表现出变化的电阻。存在正系数和负系数装置(PTC和NTC)。与由纯金属形成的RTD相反，热敏电阻通常由陶瓷或聚合物形成。
一种测量温度的示例性方法叫做辐射测温法。每个物体发出辐射能量，并且，每单位面积的此辐射的强度是其温度的函数。在辐射测温法中，用红外温度计来测量辐射强度。辐射测温法通常也叫做光学高温测量法、辐射度温度测量、红外线测温法、光纤测温法、双色辐射测温法、以及红外线测温法。另一种测量温度的示例性方法以半导体吸收理论为基础，并可以叫做“光谱分析”的方法。光谱分析使用末端装有砷化镓(GaAs)的光纤，并针对砷化镓晶体半导体的吸收/传输特性进行操作。当晶体温度增加时，其传输光谱移动至更高的波长。温度与出现吸收移动时的波长之间的关系是可预测的。可以通过分析吸收光谱来获得温度值。又一测量温度的方法叫做荧光测温法。当用红光刺激热敏磷光体时，其在近红外区域中的宽光谱上发光。荧光衰减所需的时间取决于传感器的温度。可以用校准的换算表将所测量的衰减时间转换成温度。
上述已知的用于测量温度的装置和方法具有许多缺点和限制。热电偶是不准确的，其易于受到由于其金属性质而引起的MRI诱发发热，并需要可产生非MRI安全状况的传导性引线。电阻温度计或RTD需要可产生非MRI安全状况的传导性引线，并且是力学上易碎的。热敏电阻也需要可产生非MRI安全状况的传导性引线，并且也是力学上易碎的。关于辐射测温法，体温下的辐射振幅小进而需要大面积的检测器。此外，在导管的末端处难以提供足够的透镜化。光谱分析是昂贵的，且由于使用了砷化镓而在身体中有潜在毒性，并且，光纤难以制造。荧光测温法也是昂贵的并且是不准确的处理，其需要在每次使用之前进行校准。此外，难以定位温度测量点，并且，过程测试不能暴露于环境光线。
用于在MRI环境中测量温度的当前技术是不充分的。因此，所需要的是MRI安全的、精确的、生物相容的、且节省成本的实时温度测量系统。
发明内容
本发明通过提供新颖的用于医疗装置的MRI兼容温度测量系统和方法来解决上述需求。在一个示例性实施方式中，提供了一种温度监控系统，其包括光学发射/接收单元，具有近端、远端和在近端与远端之间延伸的内芯的细长光纤，以及形成于光纤的内芯中的一个或多个光纤布拉格光栅元件。将光纤在近端与发射/接收单元操作性地耦接。光纤的至少一部分还与医疗装置操作性地耦接，且结构构造为测量医疗装置上的一个或多个温度感测位置上的温度。
根据本发明的另一方面，提供了一种估计温度的方法，其总体上包括以下步骤：选择多个已知的校准温度值，对每个校准温度值确定体波长(bulk wavelength)，用公式表示包括多个已知的温度值和对应的多个体波长的校准数据集，并用校准数据集基于当前体波长来确定估计的当前温度值，其中，基于校准数据集中的一个或多个数据点来估计当前温度值。
附图说明
图1是示出了根据本发明的一个示例性温度监控系统的图。
图2是示出了对于图1的温度监控系统的改进设计的图。
图3是示出了一个示例性光学发射/接收电路单元的部件的结构图。
图4是示出了图1的温度监控系统的基本操作的结构图。
图5是示出了根据本发明的替代温度监控系统的基本操作的结构图。
图6是其中嵌有图1的温度监控系统的可植入装置的一个示例性实施方式。
图7是其中嵌有图5的温度监控系统的消融导管的一个示例性实施方式。
图8是其中嵌有图1的温度监控系统的活体检查针装置的一个示例性实施方式。
图9是其中嵌有图1的温度监控系统的干细胞传递装置的一个示例性实施方式。
图10是其中嵌有图1的温度监控系统的介入装置传递系统的一个示例性实施方式。
图11是根据本发明的另一替代温度监控系统的一个示例性实施方式。
图12是示出了根据本发明的一个实施方式的用于确定体波长的过程中的示例性步骤的流程图。
图13是示出了包括发射波长和相关联的接收光量的示例性数据集的图形。
图14是描绘了关于图13的数据集的示例性体范围(bulk range)的图形。
图15是示出了根据本发明的一个实施方式的温度校准过程中的示例性步骤的流程图。
图16是描绘了温度校准过程中所收集的校准数据集的图形。
图17是表格形式的示例性校准数据集。
图18是示出了根据本发明的一个实施方式的温度测量过程中的示例性步骤的流程图。
图19是描绘了用插值法来确定估计温度值的步骤的图示。
图20是描绘了用外推法来确定估计温度值的步骤的图示。
具体实施方式
图1是示出了根据本发明的一个示例性温度监控系统10的图。如图1所示，温度监控系统10总体上包括光学发射/接收电路单元12和光纤14，光纤14在近端16与光学发射/接收电路12操作性地耦接。光纤14可以优选地由玻璃或塑料形成，并在远端20附近进一步包括光纤布拉格光栅(FBG)元件18。在图1的示例性实施方式中，将温度监控系统10示出为与导管22一起使用。导管22包括被构造为容纳光纤14的至少一部分的主体24和被构造为由外科医生或支撑装置抓住并保持的导管把手26。如本领域的技术人员将理解的，导管22在本文中为一般性地表述，并可以构造为在许多类型的医疗手术过程中使用，以传递治疗或提供诊断。
可以将温度监控系统10的光纤14构造为，使得其可从导管22完全移除，并可以在不同的导管或另一类型的医疗装置中再次使用。替代地，如图2所示，光纤可以包括与光学发射/接收电路12固定地耦接的第一部分14′和与导管22固定地耦接的第二部分14″。如本领域的技术人员将理解的，第一和第二部分14′和14″可以形成为单独的光纤段。在此替代光纤设计中，导管把手26可以包括连接器28，其允许光纤的第一部分14’与第二部分14”光学耦接，以朝着FBG元件18传送光波。可选地，光学发射/接收电路12可以包括连接器29，其允许第一部分14’可移除地耦接于此。如本领域的技术人员将理解的，在不背离本发明的期望范围的前提下，连接器28和29可以包括任何适当的连接装置。
定位或嵌在导管22的主体24内的FBG元件18允许使用者(例如，外科医生)在医疗手术过程期间监控温度。如本领域的技术人员将理解的，在治疗传递的过程中，可以用一个或多个FBG来监控温度。替代地或附加地，在扫描过程中，可以用一个或多个FBG来监控医疗装置，使得可以保持发热的安全水平。
一般来说，FBG是这样一种类型的分布式布拉格反射器，其构造在一段光纤中，并构造为反射光的预定波长并通过所述反射器传送所有其他波长。通过对光纤芯的折射率增加周期性变量来实现此选择性反射，由此产生特定波长介质镜。因此，FBG用作“滤波器”，以阻止或反射某些波长。
典型地，通过以下方式将FBG形成于光纤中：用紫外线源将折射率的周期(或非周期)变量“写入”或“刻入”光纤的芯中。用来产生变量的方法包括“干涉”和“掩蔽”。可以用于均匀光栅干涉方法，利用分成彼此干涉的两个单独光束的紫外线激光器来沿着干涉图样产生周期性强度分布。折射率的量取决于所使用的激光的强度。对于啁啾FBG的制造来说特别适合的掩蔽方法，利用放在对准光纤的紫外光源之间的光掩模，并基于撞击到光纤上的光的强度来产生光栅结构。在另一种普通方法中，可以操作紫外激光束来将光栅逐点地“写入”光纤中。
如本领域的技术人员将理解的，FBG基于称为“菲涅耳反射”的原理操作，其中，在不同折射率的介质之间传播的光可以在界面处反射以及折射。FBG元件的光栅包括在元件的长度上变化的正弦曲线折射率。可以如下所述地对光栅所反射的波长(叫做布拉格波长)进行近似：
布拉格波长＝2ηΛ，
其中，η代表光纤的光栅中的平均折射率，Λ代表光栅周期。
用FBG元件的结构确定折射率和光栅周期。一般来说，具有用于FBG的六个已知的和公共的结构，包括啁啾结构、超结构结构、高斯切趾结构、离散相移结构、均匀的仅正指数变化结构，以及升余弦变迹结构。
因为布拉格波长对温度敏感，所以可以将FBG用作光纤传感器中的传感元件。在FBG元件中，被测量导致布拉格波长的移动。可以如下所述地来对布拉格波长中的由于所施加的应变(ε)和温度变化(ΔT)而产生的相对移动进行近似：
布拉格波长中的相对移动＝CSε+CTΔT，
其中，CS是应变系数，CT是温度系数。
在上述关系的基础上，可以用FBG来直接感测温度并确定温度变化。各种其他用FBG估计温度的方法也是可能的。以下将进一步详细地描述一种用FBG估计温度的更详细的示例性方法。
温度监控系统10的光纤14可以是单模式或多模式光纤光缆。如本领域的技术人员将理解的，单模式光纤光缆构造为仅传播单束光线或单一模式的光，其可以包含多种不同的波长。单模式光缆具有较小的光传播芯，并且非常适合于长距离传输。相反，多模式光纤光缆具有相对较大的光传播芯，并且非常适合于短距离传输。
虽然在图1中仅示出了一个FBG元件18，但是，具有任意数量的FBG元件的温度监控系统在本发明的期望范围内。在一个示例性实施方式中，每个FBG元件可以具有在大约2mm与大约6mm之间的轴向长度(沿着光纤的轴线)。然而，FBG的长度可以大于6mm或小于2mm，这取决于系统的需求和期望操作。例如，在一个替代实施方式中，光纤可以包括多个FBG，每个FBG具有小于2mm的长度，以使空间选择性最优。
将光学发射/接收电路12示出为在图1的导管14的外部，这仅为了示例的目的且不是限制性的。在替代实施方式中，可以将光学发射/接收电路12定位在医疗装置内或嵌入其中，监控医疗装置中的温度。
图3是示出了一个示例性光学发射/接收电路12的部件的框图。如图3所示，光学发射/接收电路12包括光源30、可调谐滤波器32、扫描发生器34、处理器36、和检测器38。光源30可以是窄带或宽带光源(即，白光)。可操作可调谐滤波器32和检测器38来检测所接收的光的波长(即，可调谐波长滤波器)。
在操作中，扫描发生器34可以通过将光源30扫过预定范围来对光源30进行调节，使得沿着光纤14发射的光的波长始终是已知的。当光源30发出的波长与FBG元件18的特定布拉格波长匹配时，光沿着光纤14朝着检测器38反射回来。可操作扫描发生器34来将定时信号发射至处理器36。此定时信号允许处理器基于其已经接收到的“强度”与“时间”信息的关系产生“光谱”。可以可操作处理器来识别光谱的各种特性，例如，峰值位置，然后可以用其来估计温度。
图4是示出了根据本发明的温度监控系统10的基本操作的结构图。如图4所示，将光波40(窄带或宽度)从光学发射/接收电路12朝着FBG元件18发射。FBG元件18反射入射在光栅上的预定窄范围或宽范围的光波长42，同时使所有其他的光波长44通过。将所反射的波长42改变方向而朝着光学发射/接收电路12返回，在光学发射/接收电路12处用如以上参考图3的系统结构图描述的可调谐滤波器32和检测器38来检测该波长42。
图5是示出了根据本发明的替代温度监控系统10A的基本操作的结构图。温度监控系统10A与之前描述的温度监控系统10相似，但是，进一步包括沿着光纤14定位的第二FBG元件45。因为布拉格波长以外的波长较少衰减或没有衰减地通过，所以可以在单条光纤上使用多个FBG。如图5所示，将光波40(窄带或宽度)从光学发射/接收电路12朝着FBG元件18发射。FBG元件18反射入射在光栅上的预定窄范围或宽范围的光波长42，同时使所有其他的光波长44通过。将所反射的波长42改变方向而朝着光学发射/接收电路12返回，在光学发射/接收电路12处，用如以上参考图3的系统结构图描述的可调谐滤波器32和检测器38来检测该波长42。被允许通过FBG元件18的光波长44指向第二FBG元件45，在第二FBG元件45处，将第二预定窄范围或宽范围的光波长46朝着光学发射/接收电路12反射回去，在光学发射/接收电路12处，还是用可调谐滤波器32和检测器38来检测该波长46。所有其他的光波长48朝着光纤14的远端20通过第二FBG元件45。如本领域的技术人员将理解的，FBG元件18和第二FBG元件45必须具有其自己的波长段，以确保各种信号不会重叠并且温度监控系统适当地操作。
图6是其中嵌有图1的温度监控系统10的可植入装置50(例如，除颤器)的一个示例性实施方式。如图6所示，可以在心脏51附近将可植入装置50插在患者P的皮肤下方，并且，一般可以包括带有与一个或多个细长电极53的主壳体52，所述电极53可插入通过血管54，且其尺寸构造为沿伸至右心房55和右心室56中。如本领域的技术人员将理解的，在不背离本发明的期望范围的前提下，可植入装置50的尺寸和结构可以改变。
如图6中进一步示出的，光纤14和光学发射/接收电路12都定位或嵌在壳体52内，以使得温度监控系统10完全包含在可植入装置50内。在操作中，可操作温度监控系统10来感测壳体52的植入位置附近的温度。虽然示出了产生对应的单个温度感测位置的单个FBG元件，但是，本领域的技术人员将理解，在不背离本发明的期望范围的前提下，可以用任意数量的FBG元件在壳体52内或沿着电极53的轴向长度实现任意期望数量的温度感测位置。
图7是其中嵌有的图5的温度监控系统10A的消融导管60的一个示例性实施方式。如图7所示，消融导管60包括总体管状的主体62、消融末端64、以及沿着主体62的轴向长度朝着消融末端64延伸的腔66。如本领域的技术人员将理解的，可以将消融导管60构造为，通过腔66将任何适当的消融治疗传递至消融末端64，所述消融治疗包括但是不限于，射频能量、激光能量、微波能量、高聚焦的超声能量、低温流体，等等。
如图7中进一步示出的，可以操作温度监控系统10A的内嵌光纤14，以感测FBG元件18附近的第一感测位置68A处的温度和FBG元件45附近的第二感测位置68B处的温度。虽然将消融导管60示出为包括两个温度感测位置68A和68B，但是，可以通过简单地改变光纤中的FBG元件的数量来产生任意数量的温度感测位置。另外，可以通过改变FBG元件之间的间隔来改变温度感测位置的轴向定位。
图8是其中嵌有图1的温度监控系统10的活体检查针装置70的一个示例性实施方式。如图8所示，活体检查针装置70包括总体管状的主体72、开放远端74，以及沿着主体72的轴向长度延伸的腔76。如本领域的技术人员将理解的，在不背离本发明的期望范围的前提下，可以改变活体检查针装置70的尺寸和结构。
如图8中进一步示出的，可以操作温度监控系统10的内嵌光纤14，以感测FBG元件18附近的单个感测位置78处的温度。然而，如本领域的技术人员将理解的，可以用任意数量的FBG元件来实现沿着活体检查针装置70的轴向长度的任意期望数量的温度感测位置。另外，虽然将光纤14的FBG元件18定位为使得其在主体72的远端附近产生温度感测位置78，但是，可以通过将FBG元件放在另一轴向位置处来改变温度感测位置。
图9是其中嵌有图1的温度监控系统10的干细胞传递装置80的一个示例性实施方式。如图8所示，干细胞传递装置80包括导管82和干细胞传递针84。导管82包括总体管状的主体85，其具有被构造为允许干细胞传递针84通过其中的开放远端86。干细胞传递针84包括在其中具有腔90的细长主体88。将具有FBG元件18的光纤14嵌在干细胞传递针84的主体88的腔90内。主体88可以包括在远端处的孔，将该孔的结构和尺寸构造为使细胞结构通过其中。如本领域的技术人员将理解的，在不背离本发明的期望范围的前提下，可以改变干细胞传递装置80的尺寸和结构。
如在图9中进一步示出的，可以操作温度监控系统10的内嵌光纤14，以感测FBG元件18附近的单个感测位置92处的温度。然而，如本领域的技术人员将理解的，外科医生可以相对于导管84的开放远端86移动干细胞传递针84，以将温度感测位置定位在期望的点处(或尽可以地靠近期望的点)，外科医生希望获得该期望点处的温度读数。与以上之前描述的医疗装置相似，可以用任意数量的FBG元件来实现沿着干细胞传递装置80的轴向长度的任意期望数量的温度感测位置。另外，虽然将光纤14的FBG元件18定位为使得其在干细胞传递针84的主体88的远端附近产生温度感测位置92，但是，可以通过将FBG元件放在另一轴向位置处来改变温度感测位置。
图10是其中嵌有图1的温度监控系统10的介入装置传递系统100的一个示例性实施方式。如图10所示，传递系统100包括总体上管状的导管本体102、扩张装置104(例如，远端附近的气球)、以及沿着导管本体102的轴向长度延伸的腔106。在一个示例性实施方式中，可以将腔106构造为使膨胀装置(例如，空气或盐水)通过，以用于膨胀和缩小扩装装置104。可以将传递系统100构造为传递任何适当的介入装置，例如，可扩张的展幅器(stent)，等等。
如在图10中进一步示出的，可以操作温度监控系统10的内嵌光纤14，以感测FBG元件18附近的单个感测位置108处的温度。然而，如本领域的技术人员将理解的，可以用任意数量的FBG元件来实现沿着介入装置传递系统100的轴向长度的任意期望数量的温度感测位置。另外，虽然将光纤14的FBG元件18定位为使得其在导管本体102的远端附近产生温度感测位置108，但是，可以通过将FBG元件放在另一轴向位置处来改变温度感测位置。
图11是根据本发明的另一替代温度监控系统10B的一个示例性实施方式。如图11所示，温度监控系统10B与温度监控系统10A相似，但是进一步包括第三FBG元件110和第四FBG元件112。如本领域的技术人员在上述讨论的基础上将理解的，具有沿着光纤14的轴向长度在近端16与远端20之间定位的多个FBG元件，允许沿着医疗装置中的路径在多个点进行温度测量。此类型的“路径”温度监控可以用于监控不止一个位置处的温度可能是很重要的任何医疗装置中，所述医疗装置包括但不限于之前描述的装置。如图11所示，各个FBG元件之间的间隔S可以相等，或替代地，可以变化任意期望的量。因此，可以为了特定应用和使用而定制温度监控装置10B。
虽然以上将医疗装置的各种实施方式描述为包括单个光纤元件，但是，采用多个光纤元件的温度监控系统(每个光学元件在其中具有一个或多个FBG元件)也是可能的。因此，可以将单个医疗装置(例如，消融导管)构造为具有定位或嵌入其中的两个或更多个光纤。此类型的设计可以用于在使用MRI引导的治疗传递或医疗装置传递的过程中，测量一个或多个治疗传递点或用于安全监控的一个或多个位置的温度。此外，虽然一般已将温度监控系统的光纤和FBG元件描述为嵌入或可移除地定位于医疗装置内，但是，在不背离本发明的期望范围的前提下，替代地，可以将其固定地或可移除地耦接于装置的外表面。
如本领域的技术人员将理解的，在不背离本发明的期望范围的前提下，可以将光纤定位在或嵌入装置内，定位在装置的外表面上，或其任何组合。例如，在一个示例性实施方式中，可以将光纤部分地暴露于装置的外部。在另一示例性实施方式中，该装置可以包括至少一部分完全定位/嵌入装置内且至少一个额外部分定位于装置的外部上的光纤。因此，可以考虑许多替代设计，并且，其在本发明的期望范围内。
由于布拉格衍射光栅系统没有MRI系统内的其他温度测量技术的技术缺点，所以，本发明的另一替代实施方式可以包括医疗装置的生物体外或生物体内的温度测量。在此实施方式中，将具有一个或多个FBG元件的光纤光缆放在医疗装置的外部。如本领域的技术人员将理解的，此实施方式可以用于确定MRI中的医疗装置的安全性，涉及组织/电极界面处的焦耳发热、沿着金属结构的长度的电介质发热、梯度诱发发热，等等。
虽然已参考多个分离的医疗装置描述了本发明的温度监控系统，但是，本领域的技术人员将理解，可以将温度监控系统结合于任何在MRI环境中使用的医疗装置中。因此，已经在本文中阐述的实施方式仅为了示例的目的且并非限制性的。
既然已经参考各种医疗装置描述了温度监控系统的几个示例性实施方式，那么，将详细地描述操作该温度监控系统以确定温度测量结果的一个示例性方法。总体上，可以将本发明的示例性方法分成三个过程，包括：确定体波长200、校准温度300、和测量温度400。现在将参考图12至图19描述这些过程中的每个过程。
图12是示出了根据本发明的一个实施方式确定体波长200的过程中的示例性步骤的流程图。在步骤202开始，预先定义三个波长值。这些波长值包括最小波长λmin，最大波长λmax，以及波长步长(wavelength step)λstep。然后，在步骤204，将发射波长λtx设定为最小波长λmin。
以最小波长开始，在步骤206，光学发射/接收单元将窄带(或宽带)光发射至包含一个或多个FBG元件的光纤的近端中。在步骤208，通过医疗装置外部的的光检测器接收并测量从一个或多个FBG元件反射开的光，并且，在步骤210，将所述量和发射波长λtx记录在存储器中。
然后，在步骤212，处理器判断发射波长λtx是否大于或等于最大波长λmax。如果将发射波长λtx判断为小于最大波长λmax，那么，在步骤214，将发射波长λtx增加波长步长λstep，并且过程200进入循环216，在该循环中，重复步骤206至212，从而以λstep的增加步长发射从λmin到λmax的波长。一旦在步骤212处理器判断发射波长λtx大于或等于最大波长λmax，那么过程的此部分完成，并且由发射波长和相关联的接收光量组成的数据集存在。在图13中，用图形代表一个示例性数据集。
虽然已经详细地描述了形成图13中的图形所代表的数据集的一个示例性方法，但是，本领域的技术人员将理解，在不背离本发明的期望范围的前提下，可以使用任何适当的方法。一种替代方法是，沿着光纤发射宽光谱的光，并且当干涉计中的路径差异改变时，测量返回光强度的变化。另一种替代方法是，沿着光纤发射宽光谱的光，并利用具有已知的通/拒比(pass/reject ratio)的返回光通过其中的第二光纤布拉格光栅元件，其中，可以将传送通过第二光纤布拉格光栅元件的光的强度与被第二光纤布拉格光栅元件所拒绝(reject，滤除)的光进行比较，以确定返回光的波长。又一种替代方法是，沿着光纤发射宽光谱的光，并将返回的光分成几束，可以将这些光束馈入许多窄带检测器中，将每个窄带检测器设计为检测特定波长的光。又一种替代方法是，沿着光纤发射多个窄带光信号，每个信号集中在不同波长，并将每个信号唯一地调制或编码，使得可将返回信号解调或解码，以确定对应强度与波长特性的关系。如本领域的技术人员将理解的，仅为了示例的目的且非限制性地提出了上述替代方法。
为了讨论和非限制性的目的，可以将体波长定义为代表所接收的光的中心波长的波长值。为了找到体波长，首先在步骤218识别量最大的波长。在图14中用图形描绘了此步骤。接下来，在步骤220中，确定邻近波长(其包括量最大的波长)的范围，此范围邻近波长的对应量大于最大量减去某一阈值。此范围可以叫做“体范围”。在一个示例性实施方式中，优选阈值可以是大约3dB，但是本领域的技术人员将理解，可以使用任何适当的阈值。然后，在步骤222中，将体波长计算为在所定义的体范围内的量的质心。还在图14中用图形描绘了此步骤。如图14的示意图所示出的，体范围并不包括到主峰值左侧的小量峰值。一旦在步骤222计算体波长，过程200便可以在步骤224终止。
如本领域的技术人员将理解的，在不背离本发明的期望范围的前提下，可以用许多替代方法来计算体波长。例如，可以用峰值检测(即，找到绝对峰值量的值)、过滤峰值检测(即，过滤波长量，随后找到绝对峰值量的值)、过滤质心(即，过滤波长量，随后找到量的质心)等，来确定体波长。因此，体波长过程200是可以使用的许多过程中的一种，并且，这里为了示例的目的且非限制性地对其进行讨论。
接下来，转到图15，给出了示出了根据本发明的一个实施方式的温度校准过程300中的示例性步骤的流程图。在步骤302开始，选择将用来执行校准过程的多个已知的校准温度值。然后，在步骤304中，对每个所选择的校准温度值确定体波长λbulk。在图16中用图形描绘了体波长确定步骤的结果。可以用之前描述的体波长过程200，或任何其他已知的且适于用来确定体波长的过程，来确定这些体波长。在步骤304中，一旦对每个所选择的校准温度值确定体波长，便在步骤306中用公式表示校准数据集并将其储存在存储器中。在如图17中阐述的表格中描述的一个示例性实施方式中，可以将校准数据集储存为多个校准波长λcal和对应的多个校准温度Tcal。一旦将校准数据集储存在存储器中，校准过程便可以在步骤308终止。然后，可以在温度监控过程400中使用所储存的校准数据集来确定一个或多个温度感测位置处的温度。
接下来，转到图18，给出了示出了根据本发明的一个实施方式的在一个或多个温度感测位置处的测量温度过程400中的示例性步骤的流程图。在步骤402开始，用任何适当的体波长确定过程来确定当前体波长λbulk，例如，之前讨论的体波长过程200。接下来，在步骤404中，从存储器访问校准数据集。使用校准数据集，在步骤406，在适当的Tcal点与λcal点之间执行插值，以基于当前体波长估计当前温度。在图19中用图形描绘了此插值过程。插值步骤可以使用线性插值或任何适当的更高级的插值，例如，多项式插值。如果当前体波长λbulk落在校准数据集中的Tcal点和λcal点的范围之外，那么步骤406可以替代地用外推来估计当前温度。在图20中用图描绘了此外推过程。如本领域的技术人员将理解的，外推步骤可以使用线性外推或任何适当的更高级的外推，例如，多项式外推。一旦在步骤406中确定了当前温度，温度监控过程便可以在步骤408终止。如本领域的技术人员将理解的，温度监控过程400可以以任何期望的时间间隔重复，以连续地或周期性地监控装置的温度，具有或没有时间插值或外推。
虽然相对于体波(bulk wave)确定、温度校准和温度测量过程描述了几个示例性步骤，但是本领域的技术人员将理解，在不背离本发明的期望范围的前提下，可以改变这些步骤的顺序和数量。因此，仅为了示例的目的且非限制性地提供了示例性步骤。
如本领域的技术人员将进一步理解的，可以将之前描述的过程体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本发明可以采用以下形式：全部硬件实施方式、全部软件实施方式(包括固件、驻留软件、微代码等)、或结合软件和硬件方面的实施方式(通常可以将这种实施方式总体上叫做“电路”、“模块”或“系统”)。此外，本发明可以采用在任何有形介质表达中体现的计算机程序产品的形式，其具有体现在所述介质中的计算机可用的程序代码。
已经参考示出了示例性步骤的流程图描述了包括本发明的方法的过程。将理解，可用计算机程序指令执行流程图中的每个块，以及流程图中的块的组合。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机的处理器，或其他可编程数据处理设备，以产生机器，使得经由计算机的处理器或其他可编程数据处理设备执行的指令产生用于执行流程图的块或多个块中指定的功能/动作的装置。
还可以将这些计算机程序指令储存在计算机可读的介质中，其可指导计算机或其他可编程数据处理设备以用特定方式起作用，使得储存于计算机可读介质中的指令产生这样的人工产品，其包括执行在流程图的块或多个块中指定的功能/动作的指令装置。
还可以将计算机程序指令加载在计算机或其他可编程数据处理设备上，以导致在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤，从而产生计算机执行的过程，使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于执行在流程图的块或多个块中指定的功能/动作的处理。
虽然已经参考优选实施方式描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对形式和细节进行改变。

Claims (37)

1.一种用于医疗装置的温度监控系统，包括：
光学发射/接收单元；
细长光纤，具有近端、远端和在所述近端与所述远端之间延伸的内芯，所述光纤在所述近端与所述发射/接收单元操作地耦接；以及
光纤布拉格光栅元件，形成在所述光纤的内芯中；
其中，所述光纤的至少一部分与医疗装置操作地耦接，并构造为测量所述医疗装置上的温度感测位置处的温度。
2.根据权利要求1所述的温度监控系统，其中，所述光纤是单模式光纤光缆。
3.根据权利要求1所述的温度监控系统，其中，所述光纤是多模式光纤光缆。
4.根据权利要求1所述的温度监控系统，其中，所述光纤可移除地设置于所述医疗装置的内部中。
5.根据权利要求1所述的温度监控系统，其中，所述光纤包括与所述光学发射/接收单元耦接的近光纤段以及与所述医疗装置耦接的单独的远光纤段。
6.根据权利要求5所述的温度监控系统，进一步包括被构造为将所述近光纤段与所述远光纤段操作性地耦接的连接器。
7.根据权利要求1所述的温度监控系统，其中，所述光纤布拉格光栅元件具有在大约2mm与大约6mm之间的轴向长度。
8.根据权利要求1所述的温度监控系统，其中，所述光学发射/接收单元设置在所述医疗装置内。
9.根据权利要求1所述的温度监控系统，其中，所述光学发射/接收单元包括一扫描发生器以及操作性地将光波发射至所述光纤中的光源，其中，所述扫描发生器操作性地调节所述光源。
10.根据权利要求9所述的温度监控系统，其中，所述光源是窄带光源。
11.根据权利要求9所述的温度监控系统，其中，所述光源是宽带光源。
12.根据权利要求9所述的温度监控系统，其中，所述光学发射/接收单元进一步包括操作性地检测从所述光纤布拉格光栅元件反射的光的波长的检测器。
13.根据权利要求12所述的温度监控系统，其中，所述光学发射/接收单元进一步包括操作性地识别从所述光纤布拉格光栅元件反射的光的波长的一个或多个特性的处理器。
14.根据权利要求1所述的温度监控系统，进一步包括形成在所述光纤的内芯中用于测量所述医疗装置上的第二温度感测位置处的温度的第二光纤布拉格光栅元件。
15.根据权利要求1所述的温度监控系统，其中，所述医疗装置是导管。
16.根据权利要求1所述的温度监控系统，其中，所述医疗装置是可植入装置，所述可植入装置具有所述光纤以及嵌入所述可植入装置中的光学发射/接收单元。
17.根据权利要求1所述的温度监控系统，其中，多个光纤布拉格光栅元件形成在所述光纤的内芯中，用于沿着一路径感测温度，所述光纤布拉格光栅元件沿着所述光纤轴向隔开一分隔距离。
18.根据权利要求17所述的温度监控系统，其中，相邻的光纤布拉格光栅元件之间的所述分隔距离是基本上恒定的。
19.根据权利要求17所述的温度监控系统，其中，相邻的光纤布拉格光栅元件之间的所述分隔距离沿着所述光纤的轴向长度变化。
20.一种估计温度的方法，包括：
选择多个已知校准温度值；
针对所述校准温度值的每个确定体波长；
用公式表示包括所述多个已知温度值和对应的多个体波长校准数据集；以及
用所述校准数据集基于当前体波长来确定估计的当前温度值，其中，基于所述校准数据集中的一个或多个数据点来估计所述当前温度值。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括提供温度监控系统的步骤，所述温度监控系统包括：
光学发射/接收单元；
细长光纤，在近端与所述发射/接收单元操作性地耦接；以及
光纤布拉格光栅元件，形成在所述光纤的内芯中。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，将所述光纤的至少一部分与医疗装置操作性地耦接，并将所述光纤的至少一部分构造为测量所述医疗装置上的温度感测位置处的温度。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，通过将光波朝着所述光纤布拉格光栅元件发射至所述光纤的近端中并测量反射波长量，来确定所述体波长。
24.根据权利要求20所述的方法，其中，针对所述校准温度值的每个确定体波长的步骤包括：
确定最小波长值和最大波长值；以及
发射在所述最小波长值与所述最大波长值之间的多个光波长，以针对所述校准温度值的每个确定所述体波长。
25.根据权利要求24所述的方法，进一步包括定义波长步长值的步骤，其中，通过将所发射的波长连续地增加等于所述波长步长值的量来在所述最小波长值与所述最大波长值之间发射所述光波长。
26.根据权利要求24所述的方法，进一步包括产生数据集的步骤，所述数据集包括多个发射光波长和由检测器测量的对应的多个接收的光量。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，通过在体范围内计算所述接收光量的质心来确定针对所述已知校准温度值中的每个的所述体波长。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，通过以下方式来确定所述体范围：识别最大接收光量，并确定所述接收光量大于所述最大接收光量减去一阈值的邻近波长的范围。
29.根据权利要求26所述的方法，其中，通过找到所述接收光量的峰值量值来确定针对所述已知校准温度值的每个的所述体波长。
30.根据权利要求20所述的方法，其中，通过在所述校准数据集中的两个或多个数据点之间进行插值来估计所述当前温度值。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，用线性插值来估计所述当前温度值。
32.根据权利要求30所述的方法，其中，用多项式插值来估计所述当前温度值。
33.根据权利要求20所述的方法，其中，用外推来估计所述当前温度值。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，用线性外推来估计所述当前温度值。
35.根据权利要求33所述的方法，其中，用多项式外推来估计所述当前温度值。
36.根据权利要求20所述的方法，其中，用所述校准数据集基于当前体波长来确定估计的当前温度值的步骤以预定的时间间隔重复，以周期性地监控装置的温度。
37.一种用于医疗装置的温度监控系统，包括：
光学发射/接收单元；
细长光纤，具有近端、远端和在所述近端与所述远端之间延伸的内芯，所述光纤在所述近端与所述发射/接收单元操作性地耦接；以及
一个或多个光纤布拉格光栅元件，形成在所述光纤的内芯中；
其中，所述光纤的至少一部分定位在医疗装置的外表面上，使得可以在所述医疗装置上的一个或多个温度感测位置处感测温度。
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