CN103330566A - 测量和分析身体中空腔器官的轨迹和角度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的测量和分析身体中空腔器官的轨迹和角度的装置和方法，用于通过导管测量生物体和非生物体内的轨迹和角度变化，例如体内的空腔器官。对于在生物体中应用，本发明是通过从体外开口将导管引入器官而实现的。导管含有感受器如陀螺仪和加速度计，与其它感受器和刺激技术相结合，能够提供导管在通过空腔器官的过程中运行轨迹和弯曲的数据。

Description

测量和分析身体中空腔器官的轨迹和角度的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于测量生物或非生物结构内的轨迹和实时角度方法和装置，例如机体内脏空腔器官。对于生物学领域的应用，通过从身体外部可以应用的开口将导管引入器官。这种导管包含感受器，诸如陀螺仪和加速度计。在其通过空腔器官的过程中，感受器可以单独，或者与其它感受器或刺激技术相结合，提供导管轨迹和弯曲的数据。

背景技术

人体内脏器官具有不同的功能。一些器官的几何形状为管状，其功能之一用于传输管腔中的内容物，如血管和心脏中的血液，泌尿道中的尿液和胃肠道中的液体和半固体的内容物。本发明适用于所有的管腔脏器、甚至非生物体的中空结构，但优选的应用领域是在胃肠（GI）道和泌尿道。

胃肠道由不同的管腔状器官组成，如咽，食道，胃，小肠和大肠包括直肠。连接不同部分的管壁肌肉特化成所谓的括约肌，通常情况下括约肌是关闭的将这些不同的腔室部分分离开来。括约肌的功能是，调节器官内容物流量并防止逆流（返流）。很多疾病与内脏器官功能障碍和所引起的症状有关，如胃肠道，泌尿道和心血管系统。症状常常是来源不明。胃肠道的例子有胃食管反流病（GERD），非糜烂性反流病（NERD），功能性消化不良，肠易激综合征和大便失禁。在泌尿道可能发生尿失禁或部分阻塞。然而，在临床实践中，往往难以确认症状的特异性和其真正的起源。当务之急是开发一种设备和方法，其可以提供内脏器官正常功能和几何特性的数据，并能对内脏器官的功能障碍和症状进行分析。这样的设备和方法，也可用于治疗评估，在介入治疗过程中给内外科医生以指导（如外科手术重建和防止反流的内窥镜操作）。

迄今为止已开发了很多方法研究内脏器官的功能。一些方法包括压力记录， pH值测量，化学测量，医疗图像，等等。其它技术包括给内脏管状器官内的放置的气囊充压，用于测试功能，激发症状或治疗不同疾病。

众所周知，中空器官的弯曲角度和器官的功能和症状相关。例如，曾有学说认为，食道进入胃的角度对酸从胃进入食道的返流非常重要，以及肛门直肠的角度对排便非常重要。例如下食道括约肌的瞬间松弛（TLESPR）与酸返流进入食道相关，并且此相关似乎依赖于食道下括约肌的顺应性，进入胃的角度以及膈脚（即食道通过膈肌时与膈肌之间的角度）。

除了对通过医学图像得到的数据进行繁琐的分析，以上所述的方法中，没有一个可以提供器官特定部位的角度信息。目前，关于肛门直肠角的分析可以通过排便视频来估算，因为在排便时，肛门和直肠连接处向下移动，因此肛门直肠角可以在排便前测量。然而，这样的研究由于放射的辐射和冗长的分析而显得非常不方便。因此，我们需要新的技术来测量角度以及与器官功能相关的几何或机械测量。目前已有的许多传感器，包括陀螺仪，它们的尺寸使得在人体内部放置这些传感器成为可能。

内窥镜已经被现代医学广泛使用。它们主要用于观看胃肠道的内部，并以活组织切片检查，但通常它们不被用于其它类型的测量。为了能看的更清楚，医生一般情况下会旋转或弯曲内窥镜。CN102711587A中描述了一种装置，能够进入人体，从而协助医生更好更清楚的拍CT片。这个装置也许可以临时安装在用于某些器官的内窥镜上。它有助于定位各种身体结构，但依赖于成像技术，如CT。此外，这类技术中不包含取向的测定，不包含例如在本发明中先进的陀螺仪装置。

CN101632572A中描述了一种装置，是一个多关节的内窥镜、可以弯曲并且带有很多个传感器。其主要目的是在肠道内活动更方便，而且给病人减少疼痛。本发明与之的主要区别是，包含一个或多个陀螺仪，提供在一个或多个位置上的移动设备的详细信息和方位。此外，本发明不需要医生来特意弯曲设备，因为本发明装置非常柔软，可以贴着肠道走势从而弯曲测量和改变角度。

US 6,216,028B1中描述到，用一种方法来确定在体内的医疗装置的位置和方向。这个技术主要基于设备上的磁铁能够传送到设置在人体外的设备上的多个磁传感器。这个专利的缺点是，不能准确的测定和定位磁铁的位置。另外一个很大的缺点是，它可以仅包含一个磁铁，而本发明具有较高精度的方位测量和一个可以沿着器官长度测量并提供详细数据的移动设备，此移动设备包含多个陀螺仪。本发明的另外一个优点，是可以根据多个陀螺仪的数据从而进行具体数学计算。

CN101048100A是一种能够获取体内信息的装置，而且它包含对周围组织的电刺激装置。本发明与其不同的主要方面，是本发明不含有电刺激设置，而且CN101048100A也不含有本发明的核心元素，即一个含有陀螺仪的胶囊，能够提供具体数据和确定方位。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量和分析身体中空腔器官的轨迹和角度的装置，其能够测量任何空腔结构内部的角度和加速度，但是特别针对机体的空腔器官。本发明的另一个目的是，将其技术与其它技术和设备相结合，用于评估器官的功能和症状，包括器官刺激，与其他传感器的组合是多方面的，实例有压力传感器、力传感器、温度感受器、pH电极、化学感受器，横截面面积的测量，超声晶体以及安装有线圈的导管。

本发明的目的通过一种医疗设备来实现。

一种测量和分析身体中空腔器官的轨迹和角度的装置，包括可插入到体内空腔器官中的可弯曲的导管，导管具有近端和远端，靠近导管的远端设置有至少两个陀螺仪，陀螺仪用来测量与时间相关的三维方位的数据，以在导管插入过程中提供沿导管纵向轴的轨迹和角度的数据，三维方位的数据通过有线或无线的方式被传送给体外的数据采集设备。

陀螺仪与加速度计相结合以获得器官的位置和动态力学性能信息。

导管表面带有1个或多个传感器，所述传感器选自：应变计、压力计、温度计、压电仪、电极传感器、超声波传感器、pH记录装置和/或肌电图（EMG）记录装置的一个或多个。

该医疗设备的操作步骤包括：

a）从体表外部可以接受的开口将导管引入器官内，

b）测量物体通过器官的路径（轨迹），包括路径的角度和移动速度，

c）角度测量与其它测量相结合。例如几何形状，机械力，化学物质和温度，或者伴有或不伴有 吸气（provocatory maneuvres即：深吸气后屏住呼吸）与各种刺激相结合，如通过力，valsalva maneuvres（即：深吸气后，呼气时闭合嘴和鼻子），Muller maneuvres（即深呼气后，闭合嘴和鼻子然后尽力吸气，从而使胸部和肺部的压力低于大气压而形成负压）和张力变化等改变角度。

根据本发明目的，该装置包括一个导管，其还有至少两个能获得器官角度的感受器。在一个优选的技术方案中，一个薄的可弯曲的导管包含一个感受器，陀螺仪将为优选，它能测量一维、二维或三维角度变化，因此沿导管的长度，它能够提供相对的角度和位置的有关数据。在通过器官路径的过程中，该导管通常可被手动控制，从而获得可视化的数据或者提供器官管腔几何形状的数据，例如与器官长轴相关的直行性或者角度变化。在引入过程中，可以得到脏器内腔的轨迹，即与时间和距离相关的定位。为了获得器官的位置和动态力学性能更详细的信息，陀螺仪可与加速度测量相结合。

在另一个优选的技术方案中，导管沿其长轴含有几个陀螺仪。本优选技术方案的优点是，在通过器官收集数据的过程中，陀螺仪可以被推近或拉出，但为更长时间从固定的位置上获得数据，它也可以被定位在一个固定位置上。这使得对生理过程的测量成为可能，如吞咽和排便，以及maneuvers （即控制呼吸方式的一种或几种运动）激发器官功能的过程。这种maneuver的一个例子是Valsalva maneuver（即吸气后，呼气时闭合嘴和鼻子），这是一个中等程度的力图对抗一个封闭气道呼气的运动（即深吸气后，呼气时闭合嘴和鼻子）。这将改变食道入胃口的角度，其可以由特定的设备来测量。根据目的，陀螺仪和加速度计可以被放置为相距几毫米的距离或较长的距离。弯曲器官和多个感兴趣的部分可能需要很多的陀螺仪提供详细的图片，而直线部分可能只需要一个感受器来获得需要的数据。数据的数学分析可以提供有关器官详细路径的信息。分析通常是几何性质的分析，包括与时间相关的几何变化。在这方面，重要的是要知道感受器之间的距离以及每个感受器的角度。分析可以提供器官在正常的生理过程中或接受刺激过程中详细的与时间相关的三维几何特征。每个陀螺仪将提供其本身方位的数据。陀螺仪数据的分析将提供导管沿其长度方向上弯曲的数据。几个陀螺仪将是有优势的，因为至少有一个可以作为一个参考测量来纠正体位改变。一个感受器可以放置在器官外甚至在身体的表面上，以校正身体动作。

一种优选的技术方案中也可包含其他类型的感受器，诸如压力传感器、力传感器，或与身体外部的传输器或感受器相联系的传感器。这些传感器附加在导管表面可以作为以下测量装置：应变计、压力计、温度计、压电仪、电极传感器、超声波感受器、pH的记录装置或肌电图（EMG）记录装置。当人或动物的器官接受一些人工施加刺激刺激时。其可测量一些人工施加的任何刺激：机械刺激、热刺激、化学刺激、光刺激和电刺激。

需要说明的是：传输器，是一种装置，只起到把信息从一端或一个载体传送到另一端或一个载体的作用；感受器，是一种装置，能够感受某种刺激；传感器，是一种装置，能够感受某种刺激并能将其传送出去。

在另一个优选的技术方案中，使用其它装置而不是陀螺仪测量弯曲度和获得数据。作为例子，这样的方法可以通过以下方式获得：通过测量和分析安装在导管表面或内部的多个超声晶体之间的距离，测量拉伸导管表面上或内部通道的导线所用的力，变形或电阻或电压，导管内吊钩所在放置，分析通过导管内传送的声波，或以其他方式。

对于本发明的所有技术方案中，其所记录的数据、视觉图像数据和录像数据能够以2D或3D图形或彩色图谱显示出来。

本发明还包括利用该装置来测量和分析身体空腔器官的轨迹和角度的方法，所述方法包括：导管从可接受体外开口引入到体内空腔器官中，每个陀螺仪将测量与时间相关的三维方位的数据，以在插入过程中提供沿导管纵向轴的轨迹和角度的数据，数据通过导管内的导线或无线的方式将数据传输到体外数据记录和显示设备并进行可视化和进一步的分析，检查结束后取出导管。

进一步地，所述至少两个陀螺仪位于导管内和/或外表面,使用所述至少两个的陀螺仪，导管可进行一维到三维的测量。

更进一步地，为了估价身体的运动，在研究的空腔系统外放置一个或多个定向传感器。

更进一步地，在感兴趣区域传感器的数量会增加。更进一步地，用几何数学原理对数据进行分析，包括：曲率计算、显示感受器的位置、几何图型、或者是带或不带其它数据的显示的彩色图谱。

附图说明

图1-1至图1-3是本发明实施例所述一种可弯曲的塑料导管的结构图。

图2-1是超声检测传感器之间的距离示意图；

图2-2是导管内导线通道之间的距离示意图。

图3显示将导管通过食道被引入胃的路径的一个示意图。

图中：1为导管；2为导线通道；3为食道；4为胃；5为气球；6为用于充盈气球的通道；7为陀螺仪；8为超声晶体。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参照附图，现将本发明详细描述如下。图1是本发明的一个实施例的示意图。其中，A）：附图标记7为可弯曲导管中嵌入的陀螺仪，图1-1所示的一种可弯曲的塑料导管1和放置在近尖端部的陀螺仪7，其中虚线箭头示出陀螺仪的测量方向；B）：图1-2所示的一个同样的导管1与多个陀螺仪7，其中一些陀螺仪7放置在彼此靠近的、感兴趣的特定区域；C）：图1-3所示的一个导管也含有其他感受器如压力传感器和一个用于刺激的可膨胀的气球，附图标记6为用于充盈气球的通道。陀螺仪可内置到一个较大的颗粒中，其含有能记录压力，压缩性，角度，位置和运动速度的感受器，优选使用在肛门直肠区域，或/和一个导管1与其他能测量角度的装置相连，如传感器之间的距离（如图2-1所示，图中示出超声晶体8）或导管内导线通道之间的距离（如图2-2所示，图中显示导管内的用于导线通过的两个通道2。当导管弯曲时，导线可以感受不同张力的变化）的超声检测。

图3是显示将导管通过食道被引入胃的路径的一个示意图，导管含有多个陀螺仪，其放置在食道3与胃4的结合部，允许对食道3和胃4的几何参数进行静态和动态测量；其中虚线箭头表示移动方向。食道进入胃处的角度，以及如何在生理事件期间角度的变化对胃酸返流入食道可能是重要的。数据记录器和显示器可以显示与位置相关的角度变化。

图3显示导管如何用于测量其轨迹，特别是有关角度测量的具体利用。该设备由一个导管1，或者表示为探针，具有近端和远侧端部。远端被引入到食道外的一个容易到达的开口，即嘴或鼻，并进一步向下通过食道进入胃。靠近导管的远端，设置有一个或多个装置，用于测量方位，如微型陀螺仪。每个陀螺仪将记录与时间相关的三维方位的数据。插入与一个或多个装置相连用于测量3D定向的导管，将提供在插入过程中沿纵向轴轨迹和角度的数据。由于陀螺仪也可以测量加速度或可以结合加速度计，因此可以得到详细的几何和机械数据。作为研究的一部分，含有陀螺仪的导管可以置于一个固定位置和记录在该特定点的参数变化。因此，导管的近端处可以固定在鼻子或任何其他器官的外表面。加速度计可以提供感受器的相关位置，如相对口而言，或简单在导管上做标记可以显示感受器的距离，导管前侧就是腹侧，导管后侧就是背侧。或者导管上的小磁铁和外体的磁感受器可以对导管和感受器进行定位。

无论任何类型的感受器，它们可以通过有线或无线的方式将数据传送给体外的数据采集设备。如果它是无线的，它可以通过各种手段，如磁通信，射频通信和蓝牙。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量和分析身体中空腔器官的轨迹和角度的装置，包括可插入到体内空腔器官中的可弯曲的导管，导管具有近端和远端，靠近导管的远端设置有至少两个陀螺仪，陀螺仪用来测量与时间相关的三维方位的数据，以在导管插入过程中提供沿导管纵向轴的轨迹和角度的数据，三维方位的数据通过有线或无线的方式被传送给体外的数据采集设备。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，陀螺仪与加速度计相结合以获得器官的位置和动态力学性能信息。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，导管表面带有1个或多个传感器，所述传感器选自：应变计、压力计、温度计、压电仪、电极传感器、超声波传感器、pH记录装置和/或肌电图记录装置的一个或多个。

4.利用权利要求1-3任一所述的装置来测量和分析身体空腔器官的轨迹和角度的方法，所述方法包括：导管从可接受的体外开口引入到体内空腔器官中，每个陀螺仪测量与时间相关的三维方位的数据，以及在插入过程中提供沿导管纵向轴的轨迹和角度的数据，数据通过导管内的导线或无线的方式将数据传输到体外数据记录和显示设备并进行可视化和进一步的分析，检查结束后取出导管。

5.按权利要求4所述的方法，所述至少两个陀螺仪位于导管内和/或外表面，使用所述至少两个陀螺仪，导管可进行一维到三维的测量。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在导管通过空腔器官收集数据的过程中，陀螺仪可以被推进器官或拉出器官，或被定位在一个固定位置上。

7.根据权利要求4-6之一所述的方法，在感兴趣区域增加传感器的数量。

8.根据权利要求4-7之一所述的方法，用几何数学原理对数据进行分析，包括：曲率计算、显示感受器的位置、几何图型、或者是带或不带其它数据显示的彩色图谱。

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