CN105726117B - 消融的光谱感测 - Google Patents

Abstract

本发明题为“消融的光谱感测”。本发明公开了一种用于组织评估的方法，所述方法包括使用施加到活体受检者的身体内的位点的侵入式探头来消融所述位点处的组织。在所述组织的消融的第一阶段，对多个不同波长的来自所述位点的散射光强度进行第一测量。在继所述第一阶段之后的所述组织的所述消融的第二阶段，对所述多个不同波长的来自所述位点的所述散射光强度进行第二测量。通过计算发生在所述第一测量和所述第二测量之间的所述不同波长的所述散射光强度的变化的不同相应量度并且比较所述相应量度来评估所述消融的进程。

Description

消融的光谱感测

相关申请的交叉引用

本申请为2012年12月17日提交的美国专利申请13/716,517（作为美国专利申请公布2014/0171806而公布）的部分继续申请，该专利申请为2010年6月16日提交的美国专利申请12/816,492（作为美国专利申请公布2011/0313280而公布）的部分继续申请。这些相关申请的公开内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明整体涉及侵入式医疗装置和治疗方法，且具体地讲涉及评估身体内的组织的消融。

背景技术

微创心内消融为用于各种类型的心律失常的治疗选择。为进行此种治疗，医师通常通过血管系统将导管插入心脏中，使导管的远侧端部与异常电活动区域中的心肌组织接触，并且随后对该远侧端部处或远侧端部附近的一个或多个电极增能，以便产生组织坏死。

用于监测消融治疗的各种方法在本领域中是已知的。例如，其公开内容以引用方式并入本文的美国专利7,001,383描述了对心脏中的消融灶形成的实时监测和标测。所公开的方法包括在指定用于消融的多个位点处对心脏施加局部治疗。在每个相应位点处，感测指示所述位点处的消融电平的参数。该方法优选地包括显示心脏标测图，以及响应于相应感测参数而在消融手术期间在所述标测图上指定所述位点处的相应消融电平的指示。

其公开内容以引用方式并入本文的美国专利申请公布2014/0171936描述了一种具有冲洗末端的导管，该冲洗末端带有温度传感器和光纤阵列。导管包括插入管，该插入管具有被配置用于插入患者身体中的组织附近的远侧端部，并且该插入管包含具有用于向组织输送电能的电导体的内腔。将传导盖附接到插入管的远侧端部并且电耦合到电导体。在插入管内包括许多个光纤，每个光纤终止于盖的外表面附近，并且被配置成在将电能输送到组织的同时将光辐射输送到该组织以及从该组织输送光辐射。

美国专利8,147,484描述了一种使得能够在进行消融的同时对组织反射光谱特征进行实时光学测量的系统和方法。该方法涉及对组织的辐射和对来自该组织的光的重新捕集，以监测作为组织中的蒸汽形成的指示器的所反射光强度的变化以防止蒸汽爆裂。该系统包括：导管，该导管适于收集从经历消融的组织反射的光；检测部件，该检测部件识别并分离所收集的光的组成波长；量化设备，该量化设备用于产生所收集光的所测量光强度数据；和处理器，该处理器分析与时间相关的所测量的光强度数据。分析所测量的反射光谱强度（MRSI）与时间的关系，其中进行关于MRSI是否初始在指定的时间段增大，之后以MRSI中的指定速率减小的观察。如果不存在MRSI的减小，则继续向组织传送消融能量。然而，如果存在MRSI在指定时间内和以指定速率的减小，则该方法推断形成蒸汽袋并且减少或停止向组织传送消融能量。

以引用方式并入本专利申请的文献将视为本专利申请的整体部分，不同的是如果在这些并入的文献中定义的任何术语与在本说明书中明确或隐含地给出的定义在某种程度上相冲突，则应只考虑本说明书中的定义。

发明内容

下文描述的本发明的实施例提供了可用于评估经历消融手术的组织的设备和方法。

因此，根据本发明的实施例提供了一种用于组织评估的方法，所述方法包括使用施加到活体受检者的身体内的位点的侵入式探头来消融该位点处的组织。在消融组织的第一阶段，以多个不同波长对来自所述位点的散射光强度进行第一测量。在继所述第一阶段之后的消融组织的第二阶段，以多个不同波长对来自所述位点的散射光强度进行第二测量。通过计算发生在第一测量和第二测量之间的不同波长的散射光强度的变化的不同相应量度并且对比该相应量度来评估消融的进程。

在本发明所公开的实施例中，消融组织包括通常通过将导管插入身体中并且经由导管对该组织施加能量来消融受检者的心脏中的心肌组织。

在一些实施例中，进行第一测量和第二测量包括将光从探头中的发射器朝所述位点引导，并且使用探头中的接收器来收集从组织散射的光。在本发明所公开的实施例中，发射器和接收器包括至少一个光纤，该光纤在探头的远侧端部处的位于所述位点附近的光端口与耦合到所述探头的近侧端部的光学测量模块之间延伸穿过所述探头。

在本发明所公开的实施例中，所述多个所述不同波长包括处于可见光范围中的第一波长和处于红外光范围中的第二波长。通常，第一波长介于600nm和700nm之间，并且第二波长介于700nm和800nm之间。在一个实施例中，第一波长介于630nm和670nm之间，第二波长介于750nm和790nm之间，并且所述多个所述不同波长包括介于670nm和710nm之间的第三波长。

在本发明所公开的实施例中，计算所述不同相应量度包括分别计算第一波长、第二波长和第三波长的所述散射光强度的第一测量和第二测量之间的第一比率、第二比率和第三比率，并且比较所述相应量度包括评价第一比率、第二比率和第三比率之间的数学关系，以便评估消融的进程。通常，评价所述数学关系包括基于第二比率和第三比率的乘积除以第一比率的结果来估计由所述位点处的消融形成的消融灶的尺寸。

更一般地，计算所述不同相应量度包括至少计算所述第一波长和所述第二波长的所述散射光强度的所述第一测量和所述第二测量之间的第一比率和第二比率，并且评估所述进程包括基于所述第一比率和所述第二比率之间的比较来估计由所述位点处的消融形成的消融灶的尺寸。

根据本发明的实施例，还提供了一种包括侵入式探头的医疗设备，该侵入式探头被配置成插入活体受检者的身体中，以将多个不同波长的光朝身体内的治疗位点引导并且接收从所述位点散射的光。将光模块耦合到所述侵入式探头，以便在所述治疗位点处的组织的消融的第一阶段对所述多个不同波长的来自所述位点的散射光强度进行第一测量，并且在继所述第一阶段之后的组织的消融的第二阶段对所述多个不同波长的来自所述位点的所述散射光强度进行第二测量。处理器被配置成通过计算发生在所述第一测量和所述第二测量之间的所述不同波长的所述散射光强度的变化的不同相应量度并且比较所述相应量度来评估消融的进程。

附图说明

结合附图阅读本发明实施例的以下详细说明，将更全面地理解本发明，在附图中：

图1为根据本发明实施例的用于心内消融的系统的示意性图示说明；

图2为根据本发明实施例的在消融手术期间与心肌组织接触的导管的示意性细部图；

图3为根据本发明实施例的具有光学感测能力的导管的远侧末端的示意性端视图；

图4为框图，其示意性地示出根据本发明的实施例的光模块；

图5和图6为根据本发明实施例的在消融位点处的消融手术中的连续阶段中的来自消融位点的散射光强度的示意性光谱曲线图；并且

图7为根据本发明实施例的对消融灶深度对多个消融灶之上的散射光强度的比率的示意性曲线图。

具体实施方式

心肌组织消融的挑战之一是知道何时停止给定位点处的治疗：施加过少的能量可导致形成仅浅消融灶，从而无法达到理想的治疗目的，而施加过多的能量可导致过量的组织损伤甚至穿孔。因此，需要评估已在消融手术期间在任一点处形成的消融灶的尺寸（且具体地深度），并且因此需要在手术已达到理想的消融灶尺寸时终止该手术。

就这一点而言，本发明人已发现心肌组织的某些光学光谱特征在消融期间变化，并且这些特征赋予消融灶尺寸的良好指示。具体地，本发明人已发现散射光的强度在消融期间不同波长下（具体地在处于红色范围和近红外范围内的选择的波长下）不同程度地变化。不同波长下相对散射变化之间的关系（其可表示为在不同波长下所测量的消融前散射强度与消融后散射强度的比率的商）与消融灶深度密切相关。

因此，在下文描述的实施例中，将侵入式探头施加到有将在此消融组织的身体中的位点。探头用于在消融过程中的不同阶段对多个不同波长的来自所述位点的散射光强度进行测量。处理器计算发生在第一测量和第二测量之间的不同波长的散射光强度的变化的不同相应量度，并且比较该相应量度，以便评估消融的进程。这些测量可例如在所述过程之前、在所述过程期间和在所述过程结束时进行且比较，并且在每个阶段提供对消融灶尺寸（且具体地讲消融灶深度）的估计。

下述实施例涉及使用呈导管形式的探头来消融心肌组织，该探头施加能量（诸如电能），以便消融组织。导管包括一个或多个光纤，光纤具有位于所述导管的远侧端部处的多个光端口，为了比较光谱，通过光端口将不同波长的光朝所述组织引导并且接收散射光。然而，另选地，可在使用本领域中已知的任何合适的消融技术来消融心肌组织和其它类型的组织时使用其它类型的探头以及光接收器和发射器来应用本发明的原理。

图1为根据本发明实施例的用于心脏消融治疗的系统20的示意性图示说明。操作者28（诸如，介入心脏病专家）将导管22经由患者26的血管系统插入到患者的心脏24的腔室中。例如，为了治疗心房纤颤，操作者可将导管推进到左心房内并且使导管的远侧端部30与待消融的心肌组织进行接触。

将导管22在其近侧端部处连接到控制台32，所述控制台32由操作者28来控制，以施加和监测所需的治疗。在此实施例中，控制台32包括射频（RF）能量发生器34，该射频能量发生器将电力经由导管22提供到远侧端部30，以便消融目标组织。光模块40通常从可包括激光器、白炽灯、弧光灯或发光二极管（LED）的一个或多个光源提供光辐射，以用于从远侧端部30传输到目标组织。如下所述，模块40如下所述接收并分析从目标组织返回且在远侧端部处获取的光辐射。基于这些结果，控制台32可自动地或响应于操作者28的输入来控制由RF能量发生器34施加的功率以及消融手术的其它方面。出于此后一个目的，控制台32通常将相关测量结果呈现在显示器38上。

控制台32还可接收并跟踪来自导管22的信号，该信号与诸如远侧端部30的位置和由所述远侧端部对所述组织施加的力等参数相关。控制台32中的冲洗泵通常将冷却流体（诸如盐水溶液）通过导管22提供到冲洗远侧端部30。系统20可部分地基于由BiosenseWebster公司(Diamond Bar, California)生产的CARTO系统，该述系统提供这类设施以支持导管22的导航和控制。然而，系统20的这些任选特征超出本说明书的范围且为简洁起见而从附图中省略。

图2为示出根据本发明实施例的在消融手术期间与心肌组织40接触的导管22的远侧端部30的示意性细部图。导管22在其远侧端部处具有传导盖42。通常，盖42包括适于用作例如消融电极的生物相容性金属，诸如例如金、钯、铂、或这些材料的合金。导管22中的电导体（未示出）通过导管22来将电能从射频发生器34输送到盖42，以便为盖增能，以消融与盖接触的心肌组织，从而形成消融灶44。具有这些特征的导管和盖的更多细节例如在上述美国专利申请公布2014/0171936中有所描述。

导管22包括光纤46、48，光纤在光模块36和通过远侧端部30中的盖42打开的相应光端口50之间延伸穿过导管。在所描绘的例子中，光纤46将光发射到消融位点中，而光纤48接收从组织散射的光并且使该光返回到光模块。在本说明书的上下文中和权利要求书中，术语“光”是指处于任何波长带的光辐射，包括可见、红外和/或紫外辐射。

尽管图2示出两个光纤46, 48和对应端口50，但导管22可另选地包括更小或大量的光纤、以及其它种类的光发射器和接收器。例如，可在导管末端中嵌入诸如合适的发光二极管和光电二极管等微型光源和检测器，以便发射和感测所接收的光。除此之外或另选地，导管可包括透镜和/或其它类型的传输光学器件和收集光学器件。

图3为根据本发明实施例的导管22的远侧端部30处的盖42的示意性端视图。在此视图中，假设穿过导管的六个光纤（如图2中的光纤46和48）终止于盖42中的不同位置处的相应窗口50处。此构造使得能够使用光纤的不同组合来探测消融灶44内的不同位置。可用的探测路径包括单窗口路径54，其中从给定窗口50发射的光返回同一窗口，使得同一光纤用作发射器和接收器。窗口间路径52限定其中来自给定窗口的光返回不同窗口的构型。

从任一给定路径52, 54或路径群组接收的散射光取决于所述路径或路径群组中的组织的特性。更长的路径往往会向组织40中探测更深。本发明人已发现为了下文所述的测量目的，通过窗口50中的一者照射组织并且同时经由多个路径52（例如，通过所有其它窗口）接收散射辐射是可用的。此方法赋予消融灶44的区域的良好覆盖和高信噪比。另选地，可使用其它路径和路径组合来提高空间分辨率。

图4为示意性地示出根据本发明实施例的控制台32中的光模块36的细节的框图。一个或多个辐射源68发射光辐射。将光开关70设定成选择穿过导管22运行的光纤46, 48,62, 64, 66, ……，中的一者或多者，该光纤将接收发射的辐射并且将该辐射传输到消融位点处的组织。开关70同样将由所述光纤中的一者或多者从消融位点返回的散射辐射引导至一个或多个检测器72。光开关70可包括例如用于沿着期望的路径引导光的可移动反射器以及聚焦元件的合适构造。另选地或除此之外，开关70可包括斩光轮和分束器，该斩光轮和分束器一次只允许一个源耦合到所述光纤，同时允许所述检测器从所有光纤接收光。任选地，开关70还可包括作为波长分辨测量的辅助手段的滤光片和/或其它波长选择元件或色散元件。在阅读本说明书之后，支持本文所述的测量方案的光模块36的各种设计对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，且所有此类设计均被视为在本发明的范围内。

在一些实施例中，源68中的每一者包括在特定测量波长下操作的窄带光发射器，诸如合适的发光二极管或激光二极管。用于选择这些波长的可能标准示出于以下附图中。例如，源A可包括红色光源，而源B包括红外源。更具体地，源A通常发射介于600nm和700nm之间的波长的光，而源B发射介于700nm和800nm之间的波长的光。在一个有利的具体实施中，源A发射介于630nm和670nm之间的波长的光，而源B发射介于750nm和790nm之间的波长的光，并且源C发射介于670nm和710nm之间的第三波长的光。下文进一步解释用于估计消融灶尺寸的这些特定波长范围的可用性。

另选地或除此之外，源68中的一者或多者可包括通常发射处于至少红外范围和可见范围的波长范围内的光的宽带源。在这种情况下，光开关70可包括色散元件例如光栅或棱柱，该色散元件分离所述不同检测器72之中的从消融位点接收的散射光的不同波长组分，使得每个检测器接收不同波长或波长范围，诸如上述红色范围和红外范围。以此方式获得图5和图6所示的测量结果。

图5和图6为根据本发明实施例的在消融位点处的消融手术中的连续阶段的来自所述位点的散射光强度的示意性光谱曲线图。所述曲线图示出作为在两个不同消融手术（从在对实验动物执行的手术中形成的17个消融灶中选择的）期间的三个不同时间点的波长的函数的光谱强度。该测量是使用类似于上文所示和所述的系统和导管来进行。在每一种情形中，宽带辐射通过所述光纤中的一者传送到所述消融位点，并且散射辐射通过一个或多个其它光纤接收并且利用光谱方法测量。

在每个附图中示出三条光谱曲线：消融前光谱80、在消融手术期间捕集的中间光谱82以及消融后光谱84。所述光谱始一致表现出图5和图6所示的那种类型的双峰结构，该双峰结构具有处于643-650nm的范围的红色带边缘峰86和处于765-772nm的近红外峰88。峰86和峰88处的强度连同位于690-698nm处的中间带边缘处（位于红色与红外之间的边界上）的中间峰90一起测量。一般来讲，强度在遍及感兴趣的整个光谱带（介于约600nm与800nm之间）的消融过程期间减小且因此可赋予进行中的消融的指示。

然而，本发明人发现，峰86和峰88处的散射光强度的消融前测量与消融后测量之间的比率赋予由消融形成的消融灶的尺寸的更可靠估计，且这些比率（其通常彼此不同）之间的比较赋予消融灶深度的可用指示。所述估计在更进一步评价峰90处的消融后测量与消融前测量的比率，并且评价所述三个峰处的比率之间的数学关系时得到进一步改善。

具体地讲，峰88和峰90处的比率的乘积除以峰86处的比率的结果赋予通过实验发现与消融灶深度成比例增大的总体比值L：

在此表达式中，S _j 为峰86(S ₁ )、峰88(S ₂ )或峰90(S ₃ )处的消融前强度，而E _j 为消融的随后阶段（其可为手术的中间阶段或完成）的对应强度。换句话讲，更深消融的特征在于光谱强度在于红外波长和中间波长下相对于在红色波长下下降的大的下降。例如，对于图5所示的曲线而言，L = 1.32，但实际消融灶深度（在解剖心脏之后测量的）为3.12mm；而对于图6所示的曲线而言，L = 2.01，且所测量的消融灶深度为5.71mm。

图7为根据本发明实施例的将消融灶深度（以毫米为单位）与多个消融灶之上的比值L进行比较的示意性曲线图。L与消融灶深度之间的关系在心脏的不同腔室之间有所不同，且因此，使用不同的符号来指示在右心房（RA）、右心室（RV）和左心室（LV）中测量的结果。然而，在所有情形中，消融灶深度清楚地与比值L以大致线性方式成比例缩放。

为在系统20中应用这些原理，光模块36测量从消融位点散射的光的光谱强度，且处理器74在消融期间和消融之后计算L。处理器74通常将此值作为指示输出到操作者28。除此之外或另选地，处理器可通常与其它感测参数结合使用所述比值，以自动地或半自动地控制消融能量的施加。

尽管上文所呈现的实验结果利用某些特定波长范围，但红色波长和近红外波长的其它选择处的光谱强度之间的关系也可用于获得类似的效果。就这一点而言，应当理解，一对连续测量之间的比率或被除数与除数之间的关系可等效地表示为第一值除以第二值或第二值除以第一值的商。此外，尽管在上述实施例中使用比率来比较不同的光谱强度值，但可另选地应用例如减法等其它算术运算来比较光谱值并计算变化的定量量度。

因此应当理解，上述实施例均以举例的方式引用，并且本发明不受上文具体示出和描述的内容限制。相反，本发明的范围包括上述各种特征的组合和子组合以及它们的变型和修改，本领域的技术人员在阅读上述说明时将会想到所述变型和修改，并且所述变型和修改并未在现有技术中公开。

Claims (8)

1.一种医疗设备，包括：

侵入式探头，所述侵入式探头被配置成插入活体受检者的身体中，以将多个不同波长的光朝所述身体内的治疗位点引导并且接收从所述位点散射的光；

光模块，所述光模块耦合到所述侵入式探头，以便在所述治疗位点处的组织的消融的第一阶段对所述多个不同波长的来自所述位点的散射光强度进行第一测量，并且在继所述第一阶段之后的所述组织的所述消融的第二阶段对所述多个不同波长的来自所述位点的所述散射光强度进行第二测量；和

处理器，所述处理器被配置成通过计算发生在所述第一测量和所述第二测量之间的所述不同波长的所述散射光强度的变化的不同相应量度并且比较所述相应量度来评估所述消融的进程；

其中，由所述处理器计算的所述不同相应度量分别包括所述第一波长、所述第二波长和所述第三波长的所述散射光强度的所述第一测量和所述第二测量之间的第一比率、第二比率和第三比率，并且所述处理器被配置成通过评价第一比率、第二比率和第三比率之间的数学关系来比较所述相应量度，以便评估所述消融的所述进程；

其中，评价所述数学关系包括基于所述第二比率和所述第三比率的乘积除以所述第一比率的结果来估计由所述位点处的所述消融形成的消融灶的尺寸。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述探头包括导管，所述导管被配置成消融所述受检者的心脏中的心肌组织。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述探头包括发射器和接收器，所述发射器被配置成将光朝所述位点引导，所述接收器被配置成收集从所述组织散射的光。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述发射器和所述接收器包括至少一个光纤，所述光纤在所述探头的远侧端部处的位于所述位点附近的光端口与耦合到所述探头的近侧端部的所述光模块之间延伸穿过所述探头。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个所述不同波长包括处于可见光范围中的第一波长和处于红外光范围中的第二波长。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述第一波长介于600nm和700nm之间，并且所述第二波长介于700nm和800nm之间。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述第一波长介于630nm和670nm之间，并且所述第二波长介于750nm和790nm之间，并且其中所述多个所述不同波长包括介于670nm和710nm之间的第三波长。

8.根据权利要求5所述的设备，其中由所述处理器计算的所述不同相应量度至少包括在所述第一波长和所述第二波长的所述散射光强度的所述第一测量和所述第二测量之间的第一比率和第二比率，并且其中所述处理器被配置成基于所述第一比率和所述第二比率之间的比较来估计由所述位点处的所述消融形成的消融灶的尺寸。

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