CN103781410B - 具有集成在可移动插入物中的光纤的针装置 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的一种针装置包括空心轴、细长插入物和操作部件。所述空心轴具有带有斜面的第一远端部分，所述细长插入物具有第二远端部分且可移动地布置于所述空心轴内，且所述操作部件可在第一状态与第二状态之间移位。此外，所述操作部件与所述细长插入物互连，以使得当所述操作部件在所述第一状态中时所述第二远端部分位于所述空心轴内且位于所述斜面的近侧，且使得当所述操作部件在所述第二状态中时所述第二远端部分位于所述空心轴外部且位于所述斜面的远侧。
Description
发明领域
本发明总体来说涉及一种具有集成的纤维的针装置。特别来说，本发明涉及一种具有包含至少一根光纤的可移动插入物的针装置，用于（例如）基于漫反射或自发荧光测量而进行光学组织检查以诊断组织是否生癌。
背景技术
在肿瘤学领域中，能够从正常组织辨别肿瘤组织是重要的。金牌标准是在活组织检查之后或在外科切除手术之后在病理科室检查组织。该当前工作方式的缺点是在进行活组织检查或执行外科切除手术的程序期间缺失实时反馈。在（举例来说）活组织检查针的情况下提供即时反馈的一种方式是并入纤维以在针的尖端处执行光学测量。可采用各种光学方法，其中漫反射（DRS）和自发荧光测量作为最常研究的技术。使用数个探针来执行这些测量，但一般而言这些探针具有钝端表面且因此不是针的直接整体部分。
在美国专利US4566438中，描述一种其中并入可在针的尖端处执行DRS和自发荧光测量的两个纤维的尖锐光纤通管丝。然而，通管丝中的纤维是有斜面的且因此纤维中的光的很大部分将在针的尖端处经历全内反射，从而到达纤维的包覆材料且然后离开纤维。穿过缓冲器的此行进可导致包覆材料的显著量的不需要的自发荧光，从而妨碍组织自发荧光的测量。
发明内容
为将纤维集成到针中，可使用多腔概念，因此针由外套管和插入物组成，其中插入物（举例来说）由具有集成在多腔的内腔中的一个中的纤维的多腔核心制成。
在尝试至少缓解所提及的缺点的情况下，较佳地由根据本发明的实施例的针满足以下要求：
-针必须是尖锐的。
-将纤维集成到针中必须不改变穿透到组织中的穿透性能。
-针中的纤维可不延伸超过套管的斜面。
-所述纤维应与组织进行良好接触，亦即，应避免纤维端部与组织之间的空洞，因为其可填充满血液。
因此，本发明的目标是提供一种光纤集成到其中的针装置，以使得较佳地满足以上要求。本发明的另一目标可能是提供一种用于使用针装置的系统。
这些和其它目标可由根据独立权利要求的主题实现。从属权利要求中描述本发明的进一步的实施例。
根据本发明，提出一种包括在内部具有多腔通管丝（亦即，细长插入物）的套管或空心轴的针装置。所述插入物至少含有远端和至少一个管腔。所述套管具有斜面端，且所述插入物的所述远端以使得在插入期间不突出所述套管的斜面的方式来成形。在所述管腔中，存在可在近端处连接到控制台的大致笔直的裂开纤维（亦即，角端面很小以使得在界面处无全内反射可发生）。所述针装置的所述插入物可在针已插入身体中以后向前移动。因此，以此方式，所述插入物（其中插入物在纤维的远端）被按压抵靠着组织且确保所需要的良好接触。
总体来说，根据本发明的实施例的针装置包括空心轴、细长插入物和操作部件。所述空心轴具有带有斜面的第一远端部分，所述细长插入物具有第二远端部分且可移动地布置于所述空心轴内，且所述操作部件可在第一状态与第二状态之间移位。此外，所述操作部件与所述细长插入物互连，以使得当所述操作部件在所述第一状态中时所述第二远端部分位于所述空心轴内且位于所述斜面的近侧，且使得当所述操作部件在所述第二状态中时所述第二远端部分位于所述空心轴外部且位于所述斜面的远侧。
总体来说，所述针装置的尖端（亦即，所述斜面）是斜向的以便允许容易进入到组织中。因此，具有“斜面”意指允许将针引入到组织中的几何结构。通常，针的轴包含圆形截面。针轴的远端（特定来说，空心针的轴的远端）经切割以使得形成椭圆表面，所述椭圆表面相对于轴的纵轴倾斜。此外，轴的纵轴与倾斜表面（亦即，斜面）之间限定一个角度。所述斜面在针的最远端处形成尖状尖端。此外，轴的外表面与斜面的倾斜表面之间的边缘可能被削尖。
词语“斜面”也可能包含在针的尖端处的用于将针引入到组织中的类似结构。举例来说，所述斜面可能是凸形或凹形表面，或所述斜面可能是数个小表面的组合，其中这些表面通过阶梯或边缘彼此连接。也可能是，轴的横截面未由斜面完全切割，以使得留下钝（亦即，相对于轴的纵轴垂直定向）的区域。此“钝的”端部可包含圆形边缘或也可形成圆形前边缘。作为另一实例，可通过对称地或不对称地布置以形成针的尖端的两个或两个以上的斜向表面来形成尖锐边缘。
根据本发明的实施例，细长插入物的远端部分包括斜面。插入物的前表面包含斜面部分、阶梯式部分和钝的部分中的至少一个。
应注意到，斜面可与轴形成锐角，以使得针包含尖状尖端。较佳地，所述锐角可为大约20°。
针装置的细长插入物可以可移除方式布置于空心轴内。亦即，可插入物可布置成在针装置插入到组织中期间其斜面与空心轴的斜面呈适当关系，且在所述插入后，插入物可被释放且往回拉出轴，以使得空心轴可用于注射物质或将（举例来说）液体抽吸出身体。
根据本发明的又一实施例，细长插入物包括均在细长插入物的斜面处具有开口端的两个通道，其中一个开口端比另外一个开口端更近侧地定位。针装置可包括各自布置于所述通道中的一个内的两个光纤，其中布置于通道内的具有更近侧地定位的开口端的光纤可突出到开口端之外。所述光纤可自通道的开口端突出光纤直径的一半以上。在纤维的这种布置的情况下，在纤维的端表面紧密接近的情况下，尤其是荧光测量可能具有增强的信号。
根据本发明的另一实施例，插入物中的两个通道的开口端彼此相距一段距离而定位，所述距离大于细长插入物的直径。在纤维的这种布置情况下，尤其是漫反射光谱学可能具有良好结果。举例来说，所述距离可以大于所述直径的1.1倍。特定来说，所述距离可以大于所述直径的1.25倍。较佳地，所述距离可以大于所述直径的1.5倍。换句话说，在针的尖端部分处的纤维端部之间的距离应尽可能大。注意，从所述纤维中的一个的中心轴线到所述纤维中的另一个的中心轴线来测量所述距离。
根据本发明的又一实施例，针装置的操作部件包含电磁驱动器和电驱动机械驱动器中的至少一个的元件，以使得（举例来说）第一状态与第二状态之间的运动可因开关元件的电接触而执行。
根据本发明的另一实施例，针装置的操作部件包含用于将所述操作部件在所述第一状态与所述第二状态之间人工地移位且因此插入到空心轴的远端中和自空心轴的远端抽出的元件。所述操作部件可包含第一杠杆和第二杠杆，其中所述第一杠杆可在第一状态与第二状态之间枢转，且其中所述第二杠杆布置于第一杠杆与细长插入物之间，以使得杠杆的枢转运动转化成细长插入物的平移运动。
根据本发明的另一实施例，细长插入物在朝向其中所述细长插入物的第二远端部分位于空心轴内且位于空心轴近侧的第一斜面的位置的方向上被弹簧偏压。
为促进插入物在空心轴内部的运动，针装置可进一步包括用于支撑细长插入物的平移运动的至少一个轴承。
根据本发明的又一实施例，针装置进一步包括包含光源、光检测器和用于处理由光检测器提供的信号的处理单元的控制台，其中所述光源和所述光检测器与光纤连接。所述光源和所述光检测器中的一个可与第一光纤连接，且所述光源和所述光检测器中的另一个可与第二光纤连接。所述光源可以是激光器、发光二极管或滤波光源中的一个，且所述控制台可进一步包括纤维开关、分束器或二色波束组合器中的一个。
根据本发明的实施例，系统适于执行由漫反射光谱学、漫射光学断层成像术、差分路径长度光谱学和拉曼（Raman）光谱学组成的组中的至少一个。
根据本发明的另一实施例，针装置进一步包括用于激活光学测量的开关。当操作部件在第二状态中时，所述开关可激活所述光学测量。注意，用于激活光学测量的开关和上文所提及的用于触发插入物在空心轴内部的运动的开关可以集成在单一开关元件中。
根据另一方面，针装置的轴和尖端可由金属制成，其中所述金属可为MRI兼容的，例如钛。针尖端也可以由陶瓷材料制成。这具有可以各种形状模制同时仍允许尖锐且稳健针尖端的优点。在另一端上，针装置的壳体可通过塑料注射模制来制成。细长插入物可由塑料材料制成且可涂覆有金属涂层或具有低自发荧光的涂层。
根据本发明的又一实施例，针的空心轴进一步包含在斜面的两侧处形成的小面。
“小面”可以是小且平的表面。通常，“小面”可通过切割掉主体的小区域来实现，藉此获得具有到达主体的其它表面的边缘的表面。小面的轮廓可受切割角度影响。此外，小面的表面可以是凸形或凹形的，亦即，小面可被弯曲从而形成部分圆柱的形状。小面的边缘可较佳地被削尖或可为圆的且因此为钝的。
主要地，可能通过切割组织或使组织移位来将针或仪器引入到组织中。因此，针或仪器的边缘将是尖锐的或平滑的。将理解，切割和移位或挤压组织的组合也是可能的。取决于应用，针或仪器将或多或少切割及/或移位。
本发明也可以涉及用于根据本发明的针装置的处理单元的计算机程序。所述计算机程序较佳地装载到数据处理器的工作存储器中。然而，所述计算机程序也可以存在于网络（如万维网）上且可被从此网络下载到数据处理器的工作存储器中。所述计算机程序可控制光的发射，可处理来自在检测器纤维的近端处的光检测器的信号。然后，这些数据可在监视器上显现。
本发明的上文所限定的方面和其它方面、特征和优点也可以从下文中将描述的实施例的实例导出且参考实施例的实例予以解释。下文中参考实施例的实例更详细地描述本发明，但本发明不限于所述实施例的实例。
附图说明
图1示出根据本发明的例示性针装置的示意性图示。
图2示出根据本发明的例示性针装置。
图3示出根据本发明的第一实施例的针装置的尖端部分的不同视图。
图4示出根据本发明的第二实施例的针装置的尖端部分的不同视图。
图5示出根据本发明的第三实施例的针装置的尖端部分，其中插入物分别在第一状态和第二状态中。
图6示出根据本发明的包含控制台的针装置。
图7示出不同生物发色团的吸收。
附图中的图示仅为示意性且未按比例。注意，若适当的话，类似元件在不同图中具备相同参考符号。
具体实施方式
为提供针装置，使用呈在具有空心轴100的套管内部的插入物200的形式的多腔通管丝。插入物200通常制成在下述位置处具有良好限定的管腔，所述位置限定可插入于这些管腔中的纤维300之间的距离。
根据本发明，插入物200具有可含有至少一个纤维300的至少一个管腔或通道260。针装置的插入物可在针已插入于身体中以后向前移动。因此，其极便于外科医生使用。形状通常像在（举例来说）注射器的圆筒的一侧处具有操作机构的注射器。外科医生可像正常注射针一样且在用一个手指插入推动操作机构500的杠杆510之后将针引入到组织中。通过推动杠杆510，第二杠杆520将运动转化给插入物200，以使得插入物从其位于空心轴内部的远端向前了套管容器的长度的在空心轴的远端处的位置滑动到空心轴的远端外部的第二位置。在插入物的这个第二位置中，可执行光学测量。通过松开杠杆510，插入物可自动缩回以不突出的第一位置。以此方式，可能在不整体缩回针的情况下通过向外推动针而在不同位置处（亦即，在深度上的不同位置处）测量。这是在测量期间的巨大优点。
为向前推动插入物200，若干个构造是可能的。举例来说，可实施机动化（最可能电磁）的驱动器或人工（最可能手）驱动器。举例来说，两者皆可驱动螺旋轴、凸轮轮廓、楔或杠杆配置。
在较佳实施例中，为了简单和容易制造起见，可使用图1和2中所示出的杠杆构造。第一杠杆510包括布置于针装置的壳体600处的枢转部512。包括第一枢转部522和第二枢转部524的第二杠杆520布置于第一杠杆510与插入物200之间，以将第一杠杆在朝向壳体的方向上的枢转运动（箭头A）转化成插入物在朝向针装置的远端的方向上的平移运动（箭头B）。插入物包括适于首先与第二杠杆520的第二枢转部524连接且其次被在壳体600内引导的滑动器250。如图1中所示出，轴承530提供于壳体600与滑动器250之间。此杠杆构造具有极低摩擦，这是优于其它可能构造的优点。杠杆构造也为外科医生提供测量期间的良好“感觉”。重要的是，外科医生在这个情形下通过在测量期间用其指尖感觉插入物是否向前移动而获得清晰的反馈。这感觉可通过调整第一杠杆510的预负载（弹簧550）来调整至外科医生的意愿。注意，弹簧550也可以布置于适于将插入物200的远端部分最后缩回到空心轴100中的其它位置处。
另外，提供可因对第一杠杆510的推动而触发测量的开关540。
图3图示根据本发明的针装置的远尖端部分的第一实施例作为平面视图以及横面侧视图。针包括空心轴100和细长插入物200。轴100形成有斜面110且插入物200形成有前表面210。如图3中可见，斜面110形成有不同于第二斜面210的角度的角度。插入物200进一步包含在插入物的前表面210处具有开口端的通道260。在通道260内布置具有前表面310的光纤300。
图4示出根据本发明的针装置的远端部分的第二实施例。也在这实施例中，轴100具有在斜面的侧部处形成的小面120，以使得所述小面定向到尖端的侧部以及前面。该实施例的插入物200具有钝的远尖端，亦即，插入物200的前表面包含斜面部分210和钝部分240。将理解，当将具有根据第一实施例的远端部分的插入物推出空心轴时，以及将当具有根据第二实施例的远端部分的插入物推出空心轴100时，与组织的接触将因插入物的不同的远尖端而不同。
图5中示出插入物200的远端部分的第三实施例。此处，插入物200的前表面包括钝部分240作为远尖端，后续接着（在从远到近的方向上）是斜面部分220、阶梯式部分230和又一斜面部分220。通过阶梯式部分230，形成了在插入物的轴向方向上定向的表面和横向于轴向方向的表面。在这实施例中，通道260被定位以使得两个通道终止于横向于轴向方向的表面处，所述通道中的一个终止于钝部分240处且所述通道中的另一个终止于阶梯式部分230的横向表面处。
图5中进一步描绘插入物200的远端部分在空心轴内部（亦即，空心轴的斜面的近侧）的位置，和插入物的远端部分在空心轴外部（亦即空心轴的斜面的远侧）的位置。假设当将空心轴引入到组织中时组织将与空心轴的斜面紧密接触，则可以可靠方式按压插入物的前表面的两个横向表面及因此位于通道260内的纤维的端表面与组织接触，因此确保良好光学测量。
可以大规模生产方式生产插入物。可按批次完成生产直线切割纤维。将纤维组装于多腔中可被良好控制，从而使得这些针与大规模生产兼容。此外，由于这种组装方式，可确保相当低成本的针。
如图6中所图示，具有空心轴100和包含至少一个纤维的插入物的针可连接到光学控制台400。光学控制台包括使得光能够经由纤维中的一个或多个纤维提供到在针装置的远端处的插入物的尖端的光源410。散射光由一个或多个纤维收集且朝向至少一个检测器420引导。由所探测结构（例如，组织）的吸收和散射特性确定在“检测”纤维处所测量的反射光的量。可由处理单元440使用专用算法处理数据。针对漫反射测量，光源或检测器或者两者的组合必须提供波长选择性。举例来说，光可通过至少一个纤维从远尖端耦合出，所述至少一个纤维用作源，且波长从例如500nm扫略到1600nm，同时由至少一个检测纤维检测到的光被发送到宽带检测器。另一选择为，宽带光可由至少一个源纤维提供，而由至少一个检测纤维检测到的光被发送到波长选择检测器，例如，分光仪。
针对关于漫反射测量的详细论述，参见R.Nachabe、B.H.W.Hendriks、A.E.Desjardins、M.van der Voort、M.B.van der Mark和H.J.C.M.Sterenborg的“Estimation of lipid and water concentrations in scattering media withdiffuse optical spectroscopy from900to1600nm”，J.Biomed.Opt.15,037015（2010）。
针对自发荧光测量，控制台必须能够将激发光提供到至少一个源纤维，同时通过一个或个多检测纤维检测组织产生的自发荧光。激发光源可以是激光器（例如，半导体激光器）、发光二极管（LED）或滤波光源，例如滤波汞灯。总体来说，由激发光源发射的波长短于待检测的自发荧光的波长的范围。较佳的是，使用检测滤波器过滤掉激发光以便避免由激发光对检测器施加的可能超载。当存在需要彼此区分开的多个荧光实体时，需要波长选择检测器（例如，分光仪）。
在自发荧光测量将与漫反射测量组合的情况下，可将用于测量自发荧光的激发光提供到同一源纤维作为用于漫反射的光。此可通过（例如）使用纤维开关或分束器或者具有聚焦光学器件的二色波束组合器来完成。另一选择为，可使用单独纤维来提供自发荧光激发光和用于漫反射测量的光。
尽管上文描述漫反射光谱学以提取组织性质，也预期其它光学方法，如通过采用多个光纤的漫射光学断层成像术、差分路径长度光谱学、拉曼光谱学。此外，当使用造影剂替代仅看看自发荧光时，也可采用所述系统。
根据本发明，可利用算法来导出光学组织性质，例如不同组织发色团（例如，血红蛋白、氧合血红蛋白、水、脂肪等）的散射系数或吸收系数。这些性质在正常健康组织与病变（生癌）组织之间是不同的。
正常组织中支配可见和近红外范围中的吸收的主要吸收组成部分是血液（亦即，血红蛋白）、水和脂肪。在图7中，呈现这些发色团依据波长的吸收系数。注意，血液支配可见范围中的吸收，而水和脂肪支配近红外范围中的吸收。
总吸收系数是（举例来说）血液、水和脂肪的吸收系数的线性组合（因此，针对每一组分，图7中所示出的值乘以其体积分数）。通过对测量装配模型，同时使用散射幂次定律（参见R.Nachabe、B.H.W.Hendriks、A.E.Desjardins、M.van der Voort、M.B.van der Mark和H.J.C.M.Sterenborg的“Estimation of lipid and water concentrations inscattering media with diffuse optical spectroscopy from900to1600nm”，J.Biomed.，Opt.15，037015（2010）），我们可确定血液、水和脂肪的体积分数以及散射系数。使用这个方法，我们现在可将所测量光谱转化成可用于辨别不同组织的生理参数。
辨别光谱中的差异的另一方法是通过利用主成分分析。这方法允许光谱中差异的分类且因此允许在组织之间进行区分。也可能从光谱提取特征。
举例来说，可在Zhang等人的《光学快报》（Optics Letters，25（2000）第1451页）中找到如何从所测得的荧光提取内在的荧光。
根据本发明的针装置可用于最低限度侵入式针介入，例如，下背痛介入，或在癌诊断的领域中采取活检，或在其中需要针周围的组织特性的情况下。
虽然已在附图及前述描述中详细地图示及描述了本发明，但此图示及描述应被视为说明性的或例示性的而非限制性的；本发明并不限于所揭示的实施例。根据对附图、揭示内容及随附权利要求书之研究，所属领域的技术人员在实践所主张的发明中可理解并达成所揭示实施例的其他变化形式。
在权利要求书中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，且不定冠词“一（a）”或“一（an）”并不排除多个。单一处理器或其它单元可满足权利要求书中所陈述的数个物项的功能。在互不相同的从属权利要求中陈述特定措施的单纯事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可存储/分布于适合介质（例如光学存储介质或与其它硬件一起供应或作为其它硬件的一部分的固态介质）上，但也可以以其它方式分布，例如经由因特网或其它有线或无线电信系统。权利要求书中之任何参考符号皆不应解释为限制所述范围。
参考符号列表：
100 空心轴
110 斜面
120 小面
200 细长插入物
210 前表面
220 斜面部分
230 阶梯式部分
240 钝部分
250 滑动器
260 通道
300 光纤
310 前表面
320 电缆
400 控制台
410 光源
420 光检测器
430 监视器
440 处理单元
500 操作机构
510 第一杠杆
512 第一杠杆的枢转部
520 第二杠杆
522 第二杠杆的第一枢转部
524 第二杠杆的第二枢转部
530 轴承
540 开关
550 弹性元件
600 壳体
Claims (10)
1.一种针，包括：
空心轴(100)，所述空心轴具有带有第一斜面(110)的第一远端部分，
细长插入物(200)，所述细长插入物具有第二远端部分且以可移动方式布置于所述空心轴内，其中所述细长插入物(200)的第二远端部分包括前表面(210)，所述前表面(210)具有斜面部分(220)、阶梯式部分(230)和钝部分(240)中的至少一个，或者所述前表面(210)形成具有与第一斜面(110)不同角度的第二斜面，
具有前表面(310)的第一光纤(300)，其中所述第一光纤的前表面布置于所述细长插入物(200)的前表面(210)处，以及
操作部件(500)，所述操作部件能够在第一状态与第二状态之间移位，
其中，所述操作部件与所述细长插入物互连，以使得当所述操作部件在所述第一状态中时，所述第二远端部分位于所述空心轴内且位于所述第一斜面的近侧，并且使得当所述操作部件在所述第二状态中时，所述第二远端部分位于所述空心轴外部且位于所述第一斜面的远侧；
其中，所述操作部件(500)包含第一杠杆(510)和第二杠杆(520)，所述第一杠杆能够在所述第一状态与所述第二状态之间旋转，且所述第二杠杆布置于所述第一杠杆与所述细长插入物(200)之间，以使得所述第一杠杆被推动时的旋转运动经第二杠杆转化成所述细长插入物朝向远侧方向的平移运动。
2.根据权利要求1所述的针，其特征在于，所述针进一步包括具有前表面的第二光纤(300)，其中所述第二光纤的前表面布置于所述细长插入物(200)的前表面(210)处，其中所述第一光纤的前表面相对于所述第二光纤的前表面布置在远侧。
3.根据权利要求1所述的针，其特征在于，所述操作部件(500)包含电磁驱动器和电驱动机械驱动器中的至少一个的元件。
4.根据权利要求1所述的针，其特征在于，所述操作部件(500)包含用于将所述操作部件在所述第一状态与所述第二状态之间人工地移位的元件。
5.根据权利要求1所述的针，其特征在于，所述细长插入物(200)在朝向其中所述细长插入物的第二远端部分位于所述空心轴(100)内且位于所述空心轴的第一斜面(110)的近侧的位置的方向上被弹簧偏压。
6.根据权利要求1所述的针，其特征在于，所述针进一步包括用于支撑所述细长插入物(200)在所述空心轴(100)内的平移运动的至少一个轴承(530)。
7.根据权利要求1所述的针，其特征在于，所述针进一步包括：
控制台(400)，所述控制台包含光源(410)、光检测器(420)和用于处理由所述光检测器提供的信号的处理单元(440)，其中所述光源和所述光检测器与所述光纤(300)连接。
8.根据权利要求2所述的针，其特征在于，所述针进一步包括：
控制台(400)，所述控制台包含光源(410)、光检测器(420)和用于处理由所述光检测器提供的信号的处理单元(440)，其中所述光源和所述光检测器中的一个与所述第一光纤连接且所述光源和所述光检测器中的另一个与所述第二光纤连接。
9.根据权利要求7或8所述的针，其特征在于，所述针进一步包括：
开关(560)，所述开关用于激活光学测量。
10.根据权利要求9所述的针，其特征在于，当所述操作部件(500)在所述第二状态中时所述开关(560)激活所述光学测量。
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