CN104720752B - 一种用于空腔结构内部热成像的探测器及系统装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于空腔结构内部热成像的探测器及系统装置，用于空腔结构内部热成像的探测器由一个软轴主体和设置在软轴主体远端的用于采集热成像信息的波长传感器、用于采集其它不同变量信息的传感器以及扩张球囊构成，其远端用于伸入管状结构内部采集热成像信息；系统装置还包括一信息处理控制单元，该信息处理控制单元用于数据采集及处理；以及一机械控制单元，用于向软轴主体上的扩张球囊充压，旋转器连接软轴主体近端，用于驱动软轴主体转动。该探测器及系统装置可以采集关于中空结构内表面特性的高时间和高空间分辨率数据同时对这些数据进行处理，此外还可以同时记录其他的物理或化学变量数据。
Description
技术领域
本发明涉及探测装置领域，特别涉及一种用于空腔结构内部热成像的探测器及系统装置。
背景技术
研究中空结构，如管状、椎状、球状及其他几何形状的内外表面的材料特性具有重要的意义。这些中空结构可能是由工程师设计的也可能是自然形成的，可以是生物性材料，也可以是非生物性材料。在以下的描述中，对这类中空结构总的用“管状结构”给予描述，但管状结构应该被理解为更宽泛的含义，即涵盖了所有几何外形的中空结构。
管状结构具有多种物理及化学特性，包括了其表面的导热性。通过热量测量可以探测管状结构的破损、缺陷、泄漏及表面温度改变等，因此研究管状结构的热量测量方法具有重要的意义。例如，基于红外辐射探测原理的热成像照相机可以被用于探测隔热性差的构筑物的热量泄漏，此外，还可用于探测管状结构的泄漏。但这类测量一般都是从被探测物的外部进行的，因此，当管状结构被嵌入或埋入其他材料时，从外部探测管状结构内部的破损、缺陷、泄漏及表面温度改变等就难以进行了。而在医疗领域，红外热成像照相机也通常被用于研究人体表面及皮肤的热特性。
在工程学领域，由于管状结构的缺陷或破损往往首先产生于内壁表面，因此通过测量管状结构内壁表面的热特性来探测其泄漏、破损及其他类型的缺陷具有重要的意义。此外，探测生物性管状结构内表面的热特性及泄露、破损也同样具有重要意义。例如，人体胃肠道就是一个典型的生物性管状结构，胃肠道可将营养物质和液体从口腔运送到肠道并使其在肠道内被吸收。食物被吞咽进入食管并被运送到胃，在进入小肠之前，食物在胃内被进一步分解。
而食管和肠道的各种疾病都可能干扰或抑制食管、肠道的正常机械功能，并可能引发不同的症状。在最常见的胃肠疾病中，有一些被称作“功能性疾病”且致病原因尚不明确。因此，这类疾病无法通过常规的诊断工具如记录压力和医疗成像技术等来进行诊断。
由于管状结构通常被用于输送冷的或热的流体，一般带有隔热材料来尽量减少进入管道内的热能或减缓热能从管道散失。然而，管状结构在被制造的过程中或长期使用后，可能会产生损伤，例如铁质管道或受到持续性的缓慢腐蚀。在管状结构内的液体真正发生泄漏之前，可以通过测量管状结构表面的热量变化来发现其缺损部位。但实际使用中的管状结构，很多都难以从外部来进行热量变化检测，因此，开发一种可以从管道内部来进行热量变化检测的解决方案是非常必要的。
物理特性包括热特性，对于生物性管状结构也同样非常重要。人体胃肠道是6—10米长的管状结构，其温度会基于几个原因而发生局部变化。例如食道内表面的温度会根据冷热程度而发生显著变化。而炎症过程及癌症也会导致组织的局部温度上升。伴有胃肠道症状的患者通常都需要接受胃肠功能检测。这些检测通常都需要由专业技术人员或护士在胃肠动力实验室进行操作。大多数有消化内科的大型医院都配备有胃肠动力实验室。目前，应用最为广泛的食道检测技术是高分辨率食道压力测量（HRM）， pH值记录以及内窥镜检查。
一些中国的实用新型专利（CN201929931, CN201912043, CN201912041,CN201905858）及其它一些密切相关的中国实用新型专利描述了一种医用胶囊内镜系统，其胶囊型装置可以进入到人体的小肠来进行检测。胶囊内镜系统具有红外扫描功能，可以通过一个接收镜头来探测来自消化道的红外辐射。该系统的局限性在于，其仅包含的红外传感器数量非常有限（仅在胶囊装置的两端设置了两个单向或双向的红外传感器），而其胶囊装置在消化道内的方向是无法控制的。此外，当胶囊装置通过消化道内的某些部位时（如食道）速度过快，从而使得记录数据没有意义。
近年来，随着刺激检测技术被开发出来。这些刺激检测技术的原理包括：通过球囊扩张来对内脏器官施加机械刺激；抑或通过酸液注入及其他方法来对内脏器官施加刺激。为简化起见，在本发明申请书以下的描述中均采用“球囊扩张”这一术语。用于扩张的球囊可用多种不同的材料制成并且具有确定的尺寸或者是可拉伸的。然而，运用刺激检测技术继续开发新的特别是区别于压力记录、内窥镜和磁共振等传统检测方法的技术仍然是非常必要的。
基于上述考虑，开发能获得更好和更详细的管状结构或生物性管状结构的数据/信息并可用于临床诊断的新型装置、系统和方法将有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的之一是针对现有技术存在的不足，提供一种用于空腔结构内部热成像的探测器，它通过在一轴向延伸的软轴主体中设有沿轴向延伸的导线通道，软轴主体的远端设有用于采集热成像信息的波长传感器，以及一个或多个用于采集其它不同变量信息的传感器，使该探测器能够伸入管状结构的内腔用可探测红外光、近红外（拉曼）波长及其他波长能量辐射的传感器来获取物理特性数据（如温度），这一测量方法还可以与其他不同的测量方法如压力记录、pH监测、电阻抗记录及成像技术等相结合，来用于评估中空管状结构内壁的物理和化学特性。
本发明的另一目的是提供一种采用空腔结构内部热成像的探测器的系统装置，它能够处理探测器采集的信息数据和控制探测器动作，并显示出测量或计算出的数据及图像。
本发明的目的之一是这样实现的：一种用于空腔结构内部热成像的探测器，其特征在于：包括一轴向延伸的软轴主体，所述软轴主体中设有沿轴向延伸的导线通道，软轴主体的远端设有用于采集热成像信息的波长传感器，以及一个或多个用于采集其它不同变量信息的传感器，各个传感器的传输导线经导线通道从软轴主体的近端的通道口引出。
所述用于采集热成像信息的波长传感器为一个或多个红外传感器。
所述用于采集热成像信息的波长传感器为横截面呈轴对称形状的柱状结构，该柱状结构上分布有一个或多个红外感应单元。
所述柱状结构的长度小于20cm，红外感应单元排列分布于柱状结构的四周，或排列在柱状结构的一侧。
所述用于采集热成像信息的波长传感器为多个，多个波长传感器按设定的距离排列在软轴主体上。
所述软轴主体中设置有一个或多个的流体通道，各流体通道分别对应设有侧开孔，用于注入或排出流体。
所述软轴主体上设置一密闭的扩张球囊，该扩张球囊将用于采集热成像信息的波长传感器罩住，扩张球囊通过软轴主体设置的侧开孔与软轴主体中设置的流体通道连通。
所述用于采集其它不同变量信息的传感器包括获取pH数据和/或其它相关化学特性数据的传感器，测量位置和加速度数据的传感器，获得电位差数据的传感器，或者用于获得其他相关数据的传感器。
采用上述方案，在一轴向延伸的软轴主体中设有沿轴向延伸的导线通道，软轴主体的远端设有用于采集热成像信息的波长传感器，以及一个或多个用于采集其它不同变量信息的传感器，各个传感器的传输导线经导线通道从软轴主体的近端的通道口引出。这样能够利用采集热成像信息的波长传感器对管状结构内腔，尤其是对生物性中空管状结构内腔的整个周向或部分周向内表面进行高分辨率测量。软轴主体采用细长结构，波长传感器设于软轴主体远端，使波长传感器的位置是可控，能根据需要在控制状态下逐一对管状结构内腔各部位进行测量。并且还可以通过流体灌注的方式对所测量的生物性中空管状结构施加冷刺激、热刺激以及其它的如化学刺激或机械刺激等，由此可以观察在受到这些刺激后生物性中空管状结构的内表面温度的变化和是如何恢复到受刺激前的状态。冷刺激或热刺激的施加可以通过冷热流体的灌注来实现，也可以通过从外部对管状结构的一端或两端进行加热来实现。同时，也可以通过对设于软轴主体远端的扩张球囊用冷或热流体灌注充压的方式，暂时或较持久地改变管状结构内表面的温度。采用的流体优选气体，因为气体可以允许来自物体表面的红外线穿过并到达传感器。由此解决了以前对管道结构内腔难以采集热成像信息的难题。
本发明的另一目的是这样实现的：一种采用空腔结构内部热成像的探测器的系统装置，其特征在于包括：
一用于空腔结构内部热成像的探测器，该用于空腔结构内部热成像的探测器远端用于伸入管状结构内部采集热成像信息，所述用于空腔结构内部热成像的探测器由一个软轴主体和设置在软轴主体远端的用于采集热成像信息的波长传感器、用于采集其它不同变量信息的传感器以及扩张球囊构成；以及一信息处理控制单元，该信息处理控制单元通过信号传输线与探测器的各种传感器连接，用于数据采集及处理；以及一机械控制单元，该机械控制单元设于软轴主体近端，机械控制单元包括加压泵和旋转器，加压泵通过流体注入通道与扩张球囊连通，用于向软轴主体上的扩张球囊充压，旋转器连接软轴主体近端，用于驱动软轴主体转动。
该系统装置还包括显示装置，所述显示装置与信息处理控制单元信号连接，用于显示测量或计算出的数据及图像。
采用上述系统装置，能够将用于空腔结构内部热成像的探测器的远端伸入中空管状结构腔内，在可控状态下采集信息，利用信息处理控制单元对采集的信息进行数据处理，并传输给显示装置显示数据及图像，还能根据需要通过机械控制单元向管状结构腔内及扩张球囊灌注流体，对管状结构腔内施加冷、热刺激以及其它的如化学刺激或机械刺激，在施加刺激的状态下采集被测部位的温度变化，使测量获得的数据更加全面。该系统装置能获得更好和更详细的管状结构或生物性管状结构内腔的数据/信息，当用于检测人体的胃肠道疾病尤其有非常重要的意义。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1-1至图1-3为本发明热成像探测器的不同实施例的结构示意图；
图2-1至图2-5为本发明不同横截面的波长传感器的红外感应单元的分布示意图；
图3-1至图3-2为本发明热成像探测器的使用示意图；
图4为本发明系统装置的示意图。
具体实施方式
图1-1展示了本发明用于空腔结构内部热成像的探测器的一种实施例，它包括一轴向延伸的细长软轴主体1，该细长软轴主体1具有足够的长度，可以使细长软轴主体1的远端从管状结构口端延伸进管状结构内腔，以及通过人的口腔延伸至食道和胃部中，或通过人的肛门延伸至肠道中。所述软轴主体1中设有沿轴向延伸的导线通道6，软轴主体1的远端设有用于采集热成像信息的波长传感器2，波长传感器2嵌设套在细长软轴主体1上根据需要设定的已知位置固定，既可以设置在软轴主体1远端的轴段上，距离软轴主体的端头有一定距离，也可设置在软轴主体1远端的端头，如图1-3所示。其优选方案为所述用于采集热成像信息的波长传感器2为一个或多个红外传感器。若有必要的话，波长传感器2将可能包含一个特制的镜头来聚焦或过滤入射的红外光线。该优选方案包括了针对红外波长范围的热成像传感器，但在其他优选方案中，可能包含针对其他波长比如近红外拉曼光线波长或超声波长的传感器。在细长软轴主体1上还可以设置一个或多个用于采集其它不同变量信息的传感器3，这些用于采集其它不同变量信息的传感器3包括获取pH数据和/或其它相关化学特性数据的传感器，测量位置和加速度数据的传感器，获得电位差数据的传感器，或者用于获得其他相关数据的传感器，可以测量压力、外力或生物信号。各个传感器的传输导线经导线通道6从软轴主体1的近端的通道口引出，用于连接信息处理控制单元。这些传感器也可能是成像传感器如超声内窥镜或者激光共聚焦内窥镜等可获取管状结构内表面数据，或实现其他功能比如鉴别粘膜下层的肿瘤等。这些用于采集其它不同变量信息的传感器3的数量可能达到30个或更多。
图2-1至图2-5展示了红外成像波长传感器2的横截面的不同实施例，所述用于采集热成像信息的波长传感器2为横截面呈轴对称形状的柱状结构，它可以是横截面为圆形的圆柱状，也可以是横截面为正方形的四棱柱状，还可以是横截面诸如正五变形、正六边形的其它轴对称柱状结构。该柱状结构上分布有一个或多个红外感应单元。所述柱状结构的长度小于20cm，红外感应单元排列分布于柱状结构的四周，或排列在柱状结构的一侧。另外，根据需要所述用于采集热成像信息的波长传感器2为多个，多个波长传感器2按设定的距离排列在软轴主体1上，由此能够使测量的范围更加广泛。
在本发明的一个优选方案中，红外成像波长传感器2的红外感应单元是按照周向排列分布在的柱状体四周（如图2-1、图2-2所示）。在这个优选方案中，红外感应单元可以连续采集在传感器长度范围内的周向数据。传感器的长度可能是几个毫米也可能是十几厘米，并且由多个红外感应单元构成。图2-3、2-4、2-5还展示了红外感应单元仅分布在一个面上的实施例。若红外感应单元仅排列分布在柱状体的一个侧面上，则红外成像波长传感器2可能仅包含一个抑或多个红外感应单元，传感器就无法对管状结构的内壁四周表面进行完整的周向测量，这时可以通过将软轴主体1沿周向自转360度进行测量，软轴主体1的旋转可以通过人转动，也可以通过设置一个使软轴旋转的转动机构来控制软轴主体旋转，由此使传感器2也随之进行360度的旋转。
图1-2和图1-3展示了本发明用于空腔结构内部热成像的探测器的另外两种实施例，在一个优选方案中，探测器的细长软轴主体1中设置有一个或多个的流体通道，各流体通道分别对应设有侧开孔4，用于注入或排出流体，所述流体优选气体。在所述细长软轴主体1上设置一密闭的扩张球囊5，该扩张球囊5将用于采集热成像信息的波长传感器2罩住，扩张球囊5通过软轴主体1设置的侧开孔4与软轴主体1中设置的流体通道连通。这样可以将气体直接注入待测的管状结构内部，通过多个测开孔4形成循环或排出；或者将气体注入扩张球囊5中，通过球囊5来控制注入气体的容积分布，球囊扩张后与管状结构的内壁充分接触，可以保证气体与管状结构内壁进行有效的热交换。这些侧开孔4既可以在没有扩张球囊5的状态下可以设置，也可以在扩张球囊5中和球囊外都设置。图3-1和图3-2展示的两种使用状态，图3-1展示了设置有扩张球囊5的实施例，细长软轴主体1的远端延伸进食管7，气流（虚线表示）从侧开孔4对球囊5充压，球囊5充气扩张后与食管7壁接触并刺激食管。图3-2展示了没有扩张球囊的实施例，细长软轴主体1的远端延伸进直肠8，气流（虚线表示）从侧开孔4进入直肠8，刺激直肠8腔内变化。气体的作用在于允许红外线通过，使得待测表面的红外线可以顺利到达红外传感器。气体是首选，是因为其对红外线的吸收率很低，更有利于红外线通过。
气体引起管状结构内壁的温度改变，由此可评估该管状结构的状态和特性。例如，如果该管状结构是人的食管，注入冷的气体可以显著减低食道粘膜层表面的温度。在停止气体注入后，食道粘膜层的温度又会恢复到人的正常体温。热量的时间和空间分布特性是非常重要的，例如：对于食道黏膜来说，当注入气体使得黏膜温度上升速度很快时，说明黏膜内的血流状态良好；相反，若黏膜温度上升速度慢，则说明黏膜有缺血的情况。热量的空间改变也是很明显的，例如，某些局部的温度上升速度显著较快，这一现象可归因于局部炎症或者化学物质的注射又或者由于浅表以下的肿瘤的高代谢速率导致的。无需声明的是，温度的差别可以通过其他的方法来实现，例如：从外部冷却或加热管状结构；或者让患者喝下冷的或者热的液体来暂时改变食管的温度。气体也可以通过单独的细长结构来进行注射。
参见图4，本发明还涉及一种采用空腔结构内部热成像的探测器的系统装置，包括：一用于空腔结构内部热成像的探测器，该用于空腔结构内部热成像的探测器远端用于伸入管状结构内部采集热成像信息，所述用于空腔结构内部热成像的探测器由一个软轴主体1和设置在软轴主体1远端的用于采集热成像信息的波长传感器2、用于采集其它不同变量信息的传感器3以及扩张球囊5构成；还包括一信息处理控制单元11，该信息处理控制单元11通过信号传输线9与探测器的各种传感器连接，用于数据采集及处理；还包括一机械控制单元12，该机械控制单元12设于软轴主体1近端，机械控制单元12包括加压泵和旋转器，加压泵通过管子10和流体注入通道与扩张球囊5连通，用于向软轴主体1上的扩张球囊5充压，旋转器连接软轴主体1近端，用于驱动软轴主体1转动。机械控制单元12与信息处理控制单元11通过信号连接，该系统装置还包括显示装置13，所述显示装置13与信息处理控制单元11信号连接，用于显示测量或计算出的数据及图像。由此可以通过在信息处理控制单元11嵌入算法和编程来实现对管状结构内部的360度红外成像数据采集处理。因此，除了显示红外成像以外，还可以由此建立红外成像随时间和其它参数变化的关系。图2-1至图2-5还展示了软轴主体1上的传感器2部分的横截面及一条或多条连接红外传感器和其它传感器的导线位置。
在使用本发明的优选方案中的系统装置时应按照以下步骤来操作：首先将系统装置的热成像的探测器部分或整体放入待测的非生物性管状结构或生物性管状结构如食道或肠道中。然后操作该装置来获取来自官腔内壁的数据。借助新的纳米技术，该发明还可应用于更小的管状器官比如尿道和引道。
上述对获取不同高分辨率数据信号的装置或系统的实施方案已经有了非常详细的描述。这些方案仅提供关于本发明的非限定性形式，因此还可以对这些方案做进一步的修改和改进。 并且一些组成部分可以被类似组件所代替但不脱离本发明的实质和范围。就以上所述的内容，本发明不希望穷举或限制。
不用特别声明的是，本发明也可用于管状结构外部以及非管状结构的物理和化学特性的评估。
Claims (13)
1.一种用于空腔结构内部热成像的探测器，其特征在于：包括一轴向延伸的软轴主体（1），所述软轴主体（1）中设有沿轴向延伸的导线通道（6），软轴主体（1）的远端设有用于采集热成像信息的第一波长传感器（2），以及一个或多个用于采集其它不同变量信息的第二传感器（3），各个传感器的传输导线经导线通道（6）从软轴主体（1）的近端的通道口引出；其中所述软轴主体（1）中设置有一个或多个的流体通道，各流体通道分别对应设有侧开孔（4），用于注入或排出流体；以及所述软轴主体（1）上设置一密闭的扩张球囊（5），该扩张球囊（5）将用于采集热成像信息的第一波长传感器（2）罩住，扩张球囊（5）通过软轴主体（1）设置的侧开孔（4）与软轴主体（1）中设置的流体通道连通；所述扩张球囊（5）配置成能够控制注入流体的容积分布，所述扩张球囊扩张后与空腔结构的内壁充分接触，以保证所述流体与所述内壁进行有效的热交换；以及所述流体能够对生物性空腔结构施加刺激。
2.根据权利要求1所述的用于空腔结构内部热成像的探测器，其特征在于：所述用于采集热成像信息的第一波长传感器（2）为一个或多个；所述第一波长传感器（2）为红外传感器或近红外拉曼光线波长传感器或超声波长传感器中的一种或多种，或所述第一波长传感器（2）为包含特制的镜头来聚焦或过滤入射的红外光线的波长传感器。
3.根据权利要求1或2所述的用于空腔结构内部热成像的探测器，其特征在于：所述用于采集热成像信息的第一波长传感器（2）为横截面呈轴对称形状的柱状结构，该柱状结构上分布有一个或多个红外感应单元。
4.根据权利要求3所述的用于空腔结构内部热成像的探测器，其特征在于：所述柱状结构的长度小于20cm，红外感应单元排列分布于柱状结构的四周，或排列在柱状结构的一侧。
5.根据权利要求1所述的用于空腔结构内部热成像的探测器，其特征在于：所述用于采集热成像信息的第一波长传感器（2）为多个，多个第一波长传感器（2）按设定的距离排列在软轴主体（1）上。
6.根据权利要求2所述的用于空腔结构内部热成像的探测器，其特征在于：所述流体对红外线的吸收率允许或有利于红外线通过;和/或所述流体为气体。
7.根据权利要求1-2或5-6中任一所述的用于空腔结构内部热成像的探测器，其特征在于：所述流体能够通过流体灌注的方式输入和所述刺激为冷刺激、热刺激、化学刺激或机械刺激；或所述流体能够是冷或热和能够以流体灌注充压的方式暂时或较持久地改变所述内壁的温度。
8.根据权利要求1所述的用于空腔结构内部热成像的探测器，其特征在于：所述第二传感器（3）是获取相关化学特性数据的传感器、或测量位置和加速度数据的传感器、或获得电位差数据的传感器、或者用于获得压力数据的传感器中的一种或多种。
9.一种采用空腔结构内部热成像的探测器的系统装置，其特征在于包括：
一用于空腔结构内部热成像的探测器，该用于空腔结构内部热成像的探测器远端用于伸入管状结构内部采集热成像信息，所述用于空腔结构内部热成像的探测器包括一个软轴主体（1）和设置在软轴主体（1）远端的用于采集热成像信息的第一波长传感器（2）、用于采集其它不同变量信息的第二传感器（3）以及将用于采集热成像信息的第一波长传感器（2）罩住的扩张球囊（5）；以及
一信息处理控制单元（11），该信息处理控制单元（11）通过信号传输线（9）与探测器的各种传感器连接，用于数据采集及处理；以及
一机械控制单元（12），该机械控制单元（12）设于软轴主体（1）近端，机械控制单元（12）包括加压泵和旋转器，加压泵通过流体注入通道与扩张球囊（5）连通，用于向软轴主体（1）上的扩张球囊（5）充压，旋转器连接软轴主体（1）近端，用于驱动软轴主体（1）转动；所述扩张球囊（5）配置成能够控制注入流体的容积分布，所述扩张球囊扩张后与空腔结构的内壁充分接触，以保证所述流体与所述内壁进行有效的热交换；以及所述流体能够对生物性空腔结构施加刺激。
10.根据权利要求9所述的系统装置，其特征在于：该系统装置还包括显示装置（13），所述显示装置（13）与信息处理控制单元（11）信号连接，用于显示测量或计算出的数据及图像。
11.根据权利要求9所述的系统装置，其特征在于：所述用于采集热成像信息的第一波长传感器（2）为一个或多个红外传感器。
12.根据权利要求9-11中任一所述的系统装置，其特征在于：所述流体能够通过流体灌注的方式输入和所述刺激为冷刺激、热刺激、化学刺激或机械刺激；或所述流体能够是冷或热和能够以流体灌注充压的方式暂时或较持久地改变所述内壁的温度。
13.根据权利要求12所述的系统装置，其特征在于：所述流体对红外线的吸收率允许或有利于红外线通过;和/或所述流体为气体。
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