CN104427945A - 在尖端处具有大的光纤距离的活检针 - Google Patents

在尖端处具有大的光纤距离的活检针 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有轴和管状构件的活检装置。所述轴可移动地容纳于所述管状构件内并且可具有纵向轴线和带有斜面的远端。至少两个通道在轴的纵向方向上形成于所述轴内,每一通道在所述斜面表面中形成开口,其中光纤容纳于所述通道中的每一个内。此外,用于容纳待提取的组织的凹部可毗邻所述轴的所述远端形成于所述轴中。所述斜面面向上而所述凹部侧向地面向。

Description

在尖端处具有大的光纤距离的活检针
发明领域
本发明一般来说涉及一种具有集成光纤的针。特定来说,本发明涉及一种具有用于获取活检组织切片的横向凹部和集成光纤的活检针。此外,本发明涉及一种包含这样的针的系统,用于基于漫反射和自发荧光测量结果而进行组织检查以在提取组织之前诊断组织是否生癌。
背景技术
为了在影像引导下更准确地在可疑组织中定位活检针,需要装置的尖端处的组织感测。当前活检针并不具有这些组织反馈可能。最近,已报道如图1中所示出的细长的介入装置的细长的介入装置,其中光纤110集成到装置100中,从而允许装置的尖端处的组织反馈。为了允许组织区分,这些装置采用漫反射光谱学。为了感测具有低浓度的组织中的发色团,源与检测器光纤之间的光纤距离120被设计成尽可能大。一般来说,如装置100的针仅具有有限的直径。为了使得源检测器光纤距离大,光纤端部位于针的尖端的斜向表面处,从而允许光纤距离大于针的直径。
图2和3示出具有处于轴的圆周处的凹口230和用于选择性地覆盖凹口的管状构件240的另一传统活检装置200的不同视图。然而,当将光纤110集成到装置200中时,不可能实现大的源检测器光纤距离。这种情形的原因是需要凹口以便能够获取活检组织切片。因此,当将光纤110集成到活检装置中时并且由于光纤不必处于活检针的凹口中,可达成的光纤距离120仅是小的。
发明内容
本发明的目标是提供一种包含用于获取活检组织切片的凹口或凹部的活检针,所述活检针具有用于组织检查的被改良的便利。这个和其它目标可由根据独立权利要求的主题解决。在从属权利要求中描述了其它实施例。
通常,根据实施例的活检装置可包括实心轴和管状构件。所述轴可移动地容纳于管状构件内并且可具有纵向轴线和带有斜面的远端。至少两个通道在轴的纵向方向上形成于轴内,每一通道在斜面表面中形成开口,其中至少一个光纤容纳于通道中的每一个内。此外,用于容纳供提取的组织的凹部可毗邻于轴的远端形成于轴中。
‘斜面’是允许将针引入到组织中的几何结构。通常,针的轴包含圆形横截面。针轴的远端被切割使得形成椭圆表面,所述椭圆表面相对于轴的纵向轴线倾斜。所述斜面在针的最远端处形成尖状尖端。应注意,斜面可与轴形成锐角,以使得针包含尖状尖端。优选地,所述锐角可为大约20°。
根据实施例,斜面面向上而凹部侧向地面向。
在下文中,为更好地理解,将定义几何方面。首先,针包含纵向主轴线,通常是旋转对称轴的中心轴线。此外,针的尖端部分被相对于主轴线以一定角度切割从而形成斜面。观察到斜面表面上以及轴上意指从‘上方’观察。因此,在相反方向上观察意指‘向上’观察。因此,在针的‘下方’与‘上方’相反。斜面的尖状尖端是指针的‘前部’。因此,从‘侧部’观察,能够识别斜面与主轴线之间的角度,并且进一步地,能够观察到形成于侧部处的凹部上和看到其中。因此,在相反方向上观察意指‘侧向地’观察。
尽管斜面表面并不平行于轴的纵向轴线而定向,即,斜面表面的法向向量并不垂直于轴的纵向轴线而定向,但是这个表面应理解为面向上。对应地,尽管横向凹部的法向向量可倾斜,即,可限定向上方向与侧向方向之间的角度,但是应理解,凹部侧向地面向。换句话说,只要斜面的法向向量的向量分量垂直于轴的纵向轴线而定向,斜面应被视为面向上。对应地,只要凹部的法向向量的向量分量垂直于包含轴的纵向轴线和斜面的法向向量两个的平面而定向,凹部应被视为侧向地面向。
根据实施例,活检装置的轴中的凹部形成为使得凹部的法向向量相对于包含轴的轴线和斜面的法向向量的平面以大于30度、优选地大于45度并且更优选地大于70度的角度定向。换句话说,凹部定位成相对于斜面在轴的圆周方向上偏移。
根据另一实施例,凹部的法向向量相对于具有轴轴线和斜面的法向向量的平面而垂直地定向。
根据实施例,活检装置的轴的斜面表面中的两个开口之间的距离大于轴的直径。
在其中两个光纤能够传输光的两个光纤的情况中,所述光纤中的一个的端部表面可位于斜面的顶部处并且所述光纤中的另一个可位于斜面的底部处。
词语‘斜面的顶部’应指示是斜面的表面的一部分的区域,所述区域毗邻于远边缘定位于斜面与轴之间。即,位于斜面的顶部处的光纤可位于斜面的椭圆表面处,靠近于远边缘,即,尖状尖端。
另一方面,‘斜面的底部’意指是斜面的表面的一部分的区域,所述区域正好相反于斜面的顶部而定位。即,位于斜面的底部处的光纤可靠近于斜面与轴之间的近边缘位于斜面的椭圆表面的长轴线上或在所述长轴线附近或毗邻于所述长轴线。
应注意,在光纤的大致圆形横截面的情形中,处于斜面中的开口处的光纤的端部表面可具有圆形形状或椭圆形状。取决于光纤将终止于斜面表面处的角度,光纤的端部表面的形状将受影响,并且因此所发射光或所接收光的方向也受影响。
针的轴具有外径,并且光纤的端部表面彼此以一定距离布置。优选地,光纤端部之间的距离大于轴的直径。举例来说,距离是大于直径的1.1倍以上。特定来说,距离可以是大于直径的1.25倍以上。优选地,距离可以是大于直径的1.5倍以上。换句话说,针的尖端部分处的光纤端部之间的距离应尽可能大。从所述光纤中的一个的中心轴线到所述光纤中的另一个的中心轴线测量这些距离。
根据另一实施例,轴可在其中凹部由管状构件覆盖的第一位置与其中凹部并未由管状构件覆盖的第二位置之间移动。管状构件可包含尖锐的远边缘。
根据另一实施例,活检装置进一步包括控制台,所述控制台包含光源、光检测器和用于处理光检测器所提供的信号的处理单元,其中光源和光检测器中的一个可提供波长选择性。光源可以是激光器、发光二级管或过滤光源中的一个,并且控制台可进一步包括光纤开关、分束器或二向色光束组合器中的一个。此外,所述装置可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)光谱学组成的群组中的至少一个。
本发明的上文所定义的方面和其它方面、特征和优点也可以从下文中将描述的实施例的实例导出并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是包含两个光纤的已知针的图示。
图2是具有凹口的已知针的等轴测视图。
图3是图2的针的侧视图。
图4是在侧部处具有凹部的活检针的等轴测视图。
图5是从上方到在侧部处具有凹部的针上的视图。
图6是在侧部处具有凹部的针的侧视图。
图7示出包含针和控制台的系统。
图8示出血液、水和脂肪的吸收系数的对数曲线。
附图中的图示仅为示意性且未按比例。注意,如果合适的话,类似元件在不同图中设置有相同参考符号。
具体实施方式
在图4到6中,示出活检装置的实施例,其包括轴10、毗邻于远端15的凹口或凹部20、在远端15处的斜面30、在纵向方向上容纳于轴10内的两个光纤40和可相对于轴移动的外部管状构件50。
如图4的等轴测视图中所显现,凹部20相对于斜面30的表面在圆周方向上旋转,即,形成为相对于斜面在圆周方向上偏移。凹部20包括平坦底部表面22和处于底部表面的相应端部的斜切面24。将理解,凹部还可具有任何其它适合的形状,如举例来说,具有在纵向方向上形成的升高的边缘的加深的底部表面。
如图5和6中所示出,管状构件50被定大小以使得实心轴10装配到空心管状构件50中以便可移动地容纳于管状构件内。在使用中,当活检装置被引入到组织中时,管状构件50相对于轴定位,如图5和6中所示出。举例来说,只要借助于利用光纤40的光谱学检测出来癌组织,仅轴10就可向前推动直到凹部20不再被管状构件50覆盖为止。在这个情况中,软组织可进入凹部。随后,管状构件50可被向前推动以便借助于管状构件的尖锐的远边缘55切割组织,以使得组织样本可保留于凹部内因此被安全地包封以供通过将活检装置拉出组织而从组织提取。
两个通道在轴的纵向方向上形成于轴内以用于容纳光纤40。通道和因此光纤布置于凹部旁边剩余的轴材料中,如从第一方向可见,如在图5中;并且以距彼此的最大距离布置,如从第二方向可见,如在图6中。因此,位于斜面30的表面处的光纤40的端部可具有彼此相距的可大于轴10的直径16的距离45。
如图5中所示,具有光纤40的通道可相对于轴轴线14以一定横向偏移设置。特定来说,包含两个光纤通道的平面可平行于包含轴轴线和斜面的法向向量的平面并且以距所述平面非零的距离布置。以这种方式,凹部20可具有轴的直径的大约一半的最大深度。
注意,‘斜面’还可在针的尖端处具有用于将针引入到组织中的另一形状或结构。举例来说,斜面可以是凸状或凹状表面,或斜面可以是几个小表面的组合,其中这些表面通过台阶或边缘彼此连接。也可能是,轴的横截面未由斜面完全切割,以使得留下钝(即,举例来说,相对于轴的纵向轴线垂直地定向的)的区域。这样的‘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更多个斜向表面来形成尖锐边缘。
如上文所描述,凹部的法向向量应至少倾斜而因此具有相对于包含轴轴线和斜面表面的法向向量的平面垂直的向量分量。在图5中,示出法向向量N1,所述向量定义为垂直于凹部20的平坦底部表面22。图5中的向量N1垂直于包含轴轴线14和斜面表面的法向向量N2的平面。
法向向量N2示出于图6中,所述向量由斜面30的表面定义。进一步示出于图6中的是向量分量N2x和N2y,其中向量分量N2x平行于纵向轴轴线14延伸并且向量分量N2y垂直于纵向轴轴线延伸。将理解,举例来说,在其中凹部的法向向量相对于包含轴轴线14和斜面表面的法向向量N2的平面倾斜的实施例中,法向向量N1还可分成向量分量。
如图7中所示出,介入装置的光纤40连接到光学控制台60。所述光纤可理解为光导或光学波导。在实施例中,控制台60包括呈具有嵌入式快门的卤素宽带光源的形式的光源64和光学检测器66。光学检测器66可解析具有大致在波长光谱的可见和红外区域中的波长(例如,从400nm到1700nm)的光。光源64和检测器66的组合允许漫反射测量。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.“Estimation oflipid and water concentrations in scattering media with diffuse opticalspectroscopy from 900 to 1600nm”.J.Biomed.Opt.15.037015(2010)。
另一方面,还可设想其它光学方法(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、荧光和拉曼光谱学)来提取组织性质。
处理器将所测量光谱转换成指示组织状态的生理参数,并且监视器68可用于显现结果。
可在处理器上执行的计算机程序可提供于适合的介质(例如,光学存储介质或与处理器一起供应或作为处理器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通信系统。
对于荧光测量,控制台必须能够提供激发光至至少一个源光纤同时通过一个或多个检测光纤检测由组织产生的荧光。激发光源可以是激光器(例如,半导体激光器)、发光二级管(LED)或过滤光源(例如,过滤汞灯)。一般来说,由激发光源发射的波长短于待检测的荧光的波长的范围。优选的是,使用检测过滤器滤出激发光以便避免由激发光引起的检测器的可能超负载。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)。
在荧光测量将与漫反射测量组合的情况下,可将用于测量荧光的激发光提供到同一源光纤作为用于漫反射的光。这可通过(例如)使用光纤开关或分束器或者具有聚焦光学器件的二向色光束组合器来完成。另一选择为,可使用分离的纤维来提供荧光激发光和用于漫反射测量的光。
为执行光谱学,可使用定做的Matlab 7.9.0(Mathworks,Natick,MA)算法装配所得光谱。在这个算法中,实施广泛接受的分析模型,即,通过参考T.J.Farrel、M.S.Patterson和B.C.Wilson.“A diffusion theory model ofspatially resolved,steady-state diffuse reflectance for the non-invasivedetermination of tissue optical properties”.Med.Phys.19(1992)第879页到第888页引入的模型,所述文献借此以全文引用的方式并入。这个引用的模型的输入引数(input argument)是吸收系数μa(λ)、约化散射系数(reducedscattering coefficient)μ's(λ)和探针的尖端处的发射光纤与收集光纤之间的中心距。
在以下部分中,将简要解释所述模型。所使用的公式主要基于Nachabé等人的工作,并且因此参考R.Nachabe、B.H.W.Hendriks、M.van der Voort、A.E.和H.J.C.M.Sterenborg.“Estimation of biological chromophores usingdiffuse optical spectroscopy:benefit of extending the UV-VIS wavelength rangeto include 1000 to 1600nm”.Optics Express.第18卷.2010.第1432页到第1442页,所述文献借此以全文引用的方式并入,并且进一步参考R.Nachabe、B.H.W.Hendriks、A.E.Desjardins、M.van der Voort、M.B.van derMark和H.J.C.M.Sterenborg.“Estimation of lipid and water concentrations inscattering media with diffuse optical spectroscopy from 900 to 1600nm”.J.Biomed.Opt.15.037015(2010),所述文献借此以全文引用的方式并入。
双幂律函数(double power law function)可用于描述约化散射的波长相依性,其中波长λ以nm表达并且被规范化成λ0=800nm的波长值。参数α对应于处于这个特定波长的约化散射幅度。
μ s ( λ ) = α ( ρ MR ( λ λ 0 ) - b + ( 1 - ρ MR ) ( λ λ 0 ) - 4 ) [ cm - 1 ]    (等式1)
在这个方程式中,约化散射系数表达为米氏(Mie)和瑞利(Rayleigh)散射的总和,其中ρMR是米氏散射对总散射的约化散射分数。米氏散射的约化散射斜率表示为b并且与粒子大小相关。对于吸收体的同质分布,总光吸收系数μa(λ)可被计算为吸收体的消光系数和体积分数的乘积(参见图8)
μ a Total = f 1 μ a 1 + f 2 μ a 2 + f 3 μ a 3 + · · ·    (等式2)
替代将吸收系数μa(λ)建模为通过所关注的4个发色团的相应浓度来加权的吸收系数的总和,决定将组织吸收系数表达为
μ a Tissue ( λ ) = C ( λ ) v Blood μ a Blood ( λ ) + v WL μ a WL ( λ ) [ cm - 1 ]    (等式3)
其中对应于血液的吸收并且对应于所探测体积中水和脂质一起的吸收。水和脂质的体积分数是vWL=[Lipid]+[H2O],而vBlood代表在150mg/ml的全血中针对血红蛋白的浓度的血液体积分数。
因子C是引起色素封装(pigment packaging)的效应并且针对吸收光谱的形状改变的波长相依校正因子。这个效应可通过以下事实来解释:组织中的血液局限于总体积的极小分数(即,血管)。血管中心附近的血红细胞因此吸收比周边处的血红细胞少的光。有效地,当同质地分布于组织内时,较少血红细胞将产生与离散血管中所分布的实际数目的血红细胞相同的吸收。校正因子可被描述为
C ( λ ) = 1 - exp ( - 2 R μ a Blood ( λ ) ) 2 R μ a Blood ( λ )    (等式4)
其中R表示以cm表达的平均血管半径。与血液相关的吸收系数由下式给出
μ a Blood ( λ ) = α BL μ a Hb O 2 ( λ ) + ( 1 - α BL ) μ a Hb ( λ ) [ cm - 1 ]    (等式5)
其中分别表示含氧血红蛋白HbO2和脱氧血红蛋白Hb的基本消光系数光谱。总量的血红蛋白中的含氧血红蛋白分数注为αBL=[HbO2]/([HbO2]+[Hb]),并且通常称为血液氧饱和度。由于所测量组织中水和脂质的存在的吸收被定义为
μ a WL ( λ ) = α WL μ a Lipid ( λ ) + ( 1 - α WL ) μ a H 2 O ( λ ) [ cm - 1 ]    (等式6)
在这个情形中,与脂质和水一起的总浓度相关的脂质的浓度可写作为αWF=[Lipid]/([Lipid]+[H2O]),其中[Lipid]和[H2O]分别对应于脂质的浓度(0.86g/ml的密度)和水的浓度。
这种使等式6中所定义的吸收系数的表达中的水参数和脂质参数相关而非单独地估计水和脂质体积分数的方式对应于在针对更稳定的拟合中拟合结果的基本函数的协方差的最小化,参考R.Nachabe、B.H.W.Hendriks、M.van der Voort、A.E.和H.J.C.M.Sterenborg.“Estimation of biologicalchromophores using diffuse optical spectroscopy:benefit of extending theUV-VIS wavelength range to include 1000 to 1600nm”.Optics Express.第18卷.2010.第1432页到第1442页。为进一步解释和验证这个定理,参考引文R.Nachabe、B.H.W.Hendriks、A.E.Desjardins、M.van der Voort、M.B.vander Mark和H.J.C.M.Sterenborg.“Estimation of lipid and water concentrationsin scattering media with diffuse optical spectroscopy from 900 to 1600nm”.J.Biomed.Opt.15.037015(2010)。
举例来说,可借助于所描述的算法导出光学组织性质,例如,不同组织发色团(例如,血红蛋白、含氧血红蛋白、水、脂肪等)的散射系数和吸收系数。这些性质在正常健康组织与病变(生癌)组织之间是不同的。
正常组织中主宰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8中,呈现随波长而变的这些发色团的吸收系数。注意,血液主宰可见范围中的吸收,而水和脂肪主宰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,针对每一分量,图8中所示出的值乘以其体积分数)。通过将所述模型拟合到测量结果同时使用散射幂律,确定血液、水和脂肪的体积分数以及散射系数。
据本发明的针可用于最低限度侵入式针介入措施中,例如,用于下背痛介入措施或获取活检组织切片中,在癌诊断的领域中或在其中需要所述针周围的组织特性的情形下。
在下文中,根据本发明的实例性针将关于其外径、其插入长度和其优选使用而予以描述。
活检针可具有1.27mm到2.108mm的外径,可以以其长度的100mm到150mm插入到组织中,并且可用于颈部、头部、乳房、前列腺和肝脏中的软组织芯活检中。
软组织的细吸取针可具有介于0.711mm与2.108mm之间的外径,可以以其长度的100mm到150mm插入到软组织中,并且可用于软组织的吸取。
大脑活检针可具有2.108mm的外径,可以以其长度的150mm到250mm插入到组织中,并且可用于诊断性大脑活检。
最后,装置可包含具有2.108mm并且更小的外径的针电极,所述电极可插入到组织中高达其长度的250mm,并且可用于(举例来说)肿瘤的射频消融。
虽然已在附图和前述描述中详细地图示并描述了本发明,但这样的图示和描述应被视为图示性或例示性而非限制性;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它变化形式。
在权利要求书中,措辞“包括”并不排除其它元件或步骤,且不定冠词“一(a)”或“一个(an)”并不排除多个。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施的单纯事实并不指示不能有利地利用这些措施的组合。权利要求书中的任何参考符号皆不应解释为限制所述范围。
参考符号列表:
10        轴
20        凹部
30        斜面
40        光纤
45        光纤距离
50        管状构件
55        远边缘
60        控制台
64        光源
66        光检测器
68        监视器
100       针
110       光纤
120       光纤距离
200       针
230       凹口
N1、N2    法向向量

Claims (13)

1.一种活检装置,包括:
轴(10)和管状构件(50),所述轴以可移动方式容纳于所述管状构件内,
所述轴具有纵向轴线(14)和远端(12),
其中斜面(30)形成于所述轴的所述远端处,所述斜面面向上,
至少两个通道在所述轴的纵向方向上形成于所述轴(10)内,每一通道在所述斜面表面中形成开口,其中光纤(40)容纳于所述通道中的每一个内,并且
凹部(20)毗邻于所述轴的所述远端形成于所述轴中,所述凹部侧向地面向。
2.根据权利要求1所述的活检装置,其特征在于,在所述斜面表面中的两个所述开口之间的距离(45)大于所述轴的直径。
3.根据权利要求1或2所述的活检装置,其特征在于,所述凹部(20)形成为相对于所述斜面(30)在所述轴的圆周方向上偏移至少45度。
4.根据权利要求1或2所述的活检装置,其特征在于,所述凹部(20)形成为相对于所述斜面(30)在所述轴的圆周方向上偏移90度。
5.根据权利要求1所述的活检装置,其特征在于,所述轴(10)能够在其中所述凹部(20)被所述管状构件(50)的覆盖的第一位置与其中所述凹部(20)未被所述管状构件(50)覆盖的第二位置之间移动。
6.根据权利要求1所述的活检装置,其特征在于,所述管状构件(50)包含尖锐的远边缘(55)。
7.根据权利要求1所述的活检装置,其特征在于,所述凹部(20)适于容纳待从组织获取的组织样本。
8.根据权利要求1所述的活检装置,其特征在于,所述活检装置进一步包括控制台(60),所述控制台包括光源(64)、光检测器(66)和用于处理由所述光检测器提供的信号的处理单元。
9.根据权利要求8所述的活检装置,其特征在于,所述光源(64)和所述光检测器(66)中的一个提供波长选择性。
10.根据权利要求8所述的活检装置,其特征在于,所述光源(64)是激光器、发光二级管或过滤光源中的一个。
11.根据权利要求8所述的活检装置,其特征在于,所述控制台(60)进一步包括光纤开关、分束器或二向色光束组合器中的一个。
12.根据权利要求8所述的活检装置,其特征在于,所述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光谱学组成的群组中的至少一个。
13.根据权利要求8所述的活检装置,其特征在于,所述控制台(60)进一步包括监视器(68)。
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