CN106236205A - 一种基于近红外相干断层成像技术的血管导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于近红外相干断层成像技术的血管导航系统，包括依次相连的近红外光源、光纤干涉模块、光谱解调装置、数据采集装置、显示模块以及分别连接光纤干涉模块的参考臂和样品臂；光纤干涉模块将近红外光源发出的光分成两路分别传输至参考臂和样品臂，参考臂将接收到的光信号反射形成参考光信号，样品臂将接收到的光信号投射到人体并收集人体的反射光信号形成样品光信号，参考光信号与样品光信号经光纤干涉模块后形成干涉光谱信号，依次经光谱解调装置、数据采集装置后由显示模块显示。本发明还公开了一种血管导航方法。通过采用近红外光源作为成像光源，对处理后的干涉光谱信号进行可视化分析，可实时得知穿刺针在血管的位置情况。

Description

一种基于近红外相干断层成像技术的血管导航系统及方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于近红外相干断层成像技术的血管导航系统及方法。

背景技术

静脉留置针又称静脉套管针。核心的组成部件包括可以留置在血管内的柔软的导管(或叫套管)，以及不锈钢的穿刺引导针芯(钢针)。使用时将导管和钢针一起穿刺入血管内，当导管全部进入血管后，回撤出针芯，仅将柔软的导管留置在血管内从而进行输液治疗。穿刺引导针芯位置的正确把握，尤其是穿刺针前端的位置的把握对穿刺成功率有着直接影响。

具体使用方式如下：

(1)导管内套一根穿刺引导针芯，他们的前端是尖锐的，针芯本身也可以是空心的金属管；

(2)将导管和穿刺针芯一同刺入机体血管组织；

(3)当针尖到达预定的深度后将针芯抽出来，把导管留在机体内。

这样，便建立了该血管与外界的通道，其关键在于将穿刺针送至机体血管组织中，确保位置准确。

随着科学技术的飞速发展和人们生活水平的逐步提高，肥胖人群的比例也越来越高，且肥胖人群及婴幼儿相对其他正常体重等人群的患病比例更高。在静脉穿刺时，护士对该群体患者的血管不易评估，存在一定的困难，同时患者在需要输液或抽血时也会比较痛苦。该群体在血管穿刺时，由于多次穿刺或者穿刺不当所导致口角，甚至导致医疗纠纷时常发生。但目前的穿刺针深度的控制并无辅助设备来保证，多依赖护士自身的经验，无法确保穿刺深度精确可控，扎针容易造成病患痛苦。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种穿刺深度精确可控、减轻病患痛苦的基于近红外相干断层成像技术的血管导航系统及方法。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于近红外相干断层成像技术的血管导航系统，包括依次相连的近红外光源、光纤干涉模块、光谱解调装置、数据采集装置、显示模块以及分别连接所述光纤干涉模块的参考臂和样品臂；所述光纤干涉模块用于将近红外光源发出的光分成两路分别传输至所述参考臂和所述样品臂，所述参考臂将接收到的光信号反射形成参考光信号，所述样品臂将接收到的光信号投射到人体并收集人体的反射光信号形成样品光信号，所述参考光信号与所述样品光信号传输至所述光纤干涉模块后形成干涉光谱信号，依次经所述光谱解调装置解调、数据采集装置采集后由所述显示模块显示。

作为其中一种实施方式，所述样品臂包括中空的穿刺针和所述穿刺针内的光纤成像探头。

作为其中一种实施方式，所述光纤成像探头距所述穿刺针末端0.5～3mm。

作为其中一种实施方式，所述穿刺针与所述光纤成像探头末端朝向同一侧倾斜。

作为其中一种实施方式，所述参考臂包括光路上依次设置的准直镜、汇聚透镜和反射镜。

作为其中一种实施方式，所述光谱解调装置包括若干透镜和CCD。

作为其中一种实施方式，所述光纤干涉模块内的光耦合器的分光比为70:30、60：40或80:20。

本发明的另一目的在于提供一种使用以上任一种基于近红外相干断层成像技术的血管导航系统的血管导航方法，包括：

插入穿刺针和光纤成像探头，并实时观察所述显示模块的图像；

根据所述显示模块的图像中干涉信号的光强变化情况判断所述穿刺针的穿刺位置，当干涉信号出现大幅度衰减时拔出光纤成像探头。

本发明通过采用近红外光源作为成像光源，通过对处理后的干涉光谱信号进行可视化分析，可实时得知穿刺针在血管的位置情况，避免出现血管扎穿的现象，减轻了病患痛苦。

附图说明

图1为本发明实施例的血管导航系统的结构示意图。

图2为本发明实施例的穿刺针与光纤成像探头的配合的结构示意图。

图3为图2的局部剖视图。

图4为本发明实施例的留置针的结构示意图。

图5a为本发明实施例的穿刺针在体外的状态示意图。

图5b为本发明实施例的穿刺针在皮肤表层的状态示意图。

图5c为本发明实施例的穿刺针在血管腔道内的状态示意图。

图6为本发明实施例的穿刺针在不同位置时显示出的干涉光谱信号示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1，本发明的血管导航系统基于近红外相干断层成像技术，包括依次相连的近红外光源1、光纤干涉模块2、光谱解调装置5、数据采集装置6、显示模块7以及分别连接光纤干涉模块2的参考臂3和样品臂4；光纤干涉模块2用于将近红外光源1发出的光分成两路分别传输至参考臂3和样品臂4，参考臂3将接收到的光信号反射形成参考光信号，样品臂4将接收到的光信号投射到人体并收集人体的反射光信号形成样品光信号，参考光信号与样品光信号传输至光纤干涉模块2后形成干涉光谱信号，依次经光谱解调装置5解调、数据采集装置6采集后由显示模块7显示。

近红外光源1发出的光经光纤干涉模块2分成两路，一路经样品臂4中的光纤成像探头投射并聚焦到人体组织上，并由光学成像探头收集组织的反射光信号得到样品光信号；另一路进入参考臂3经其内的反射镜反射后得到参考光信号。

参阅图2和图3，样品臂4包括中空的穿刺针41和穿刺针41内的光纤成像探头42。穿刺针41为空心金属管，光纤成像探头42插入空心金属管内部，光纤成像探头42和穿刺针41配合方式和相对位置确定后，利用医用胶进行粘接，保证光纤成像探头随空心金属管一起穿刺进行组织，且在穿刺完毕后退出。

该血管导航系统基于光学相干断层成像原理，整个系统主要是由光学相干断层成像系统、光纤成像探头42和留置针三个部分组成，其中，光学相干断层成像系统包括近红外光源1、光纤干涉模块2、参考臂3、光谱解调装置5、数据采集装置6和显示模块7；如图4所示，留置针的结构主要包括外层的留置软管11、内层的穿刺针41、起保护穿刺针作用的针帽12、便于把持的持针柄13和连通穿刺针41的延长管14等，延长管14与留置软管11连通，便于输液，光纤成像探头42与穿刺针41的配合方式和相对位置固定后，将二者在靠近持针柄一端固定，光纤成像探头42即可随留置针的穿刺针41一起进入组织，与皮肤表皮、血管壁及血液接触。光学相干断层成像系统采用近红外激光作为光源，采用光谱解调装置收集干涉光谱信号，得到组织的断层图像信息。当穿刺针41到达指定位置后，血管导航过程完成，抽出穿刺针41与光纤成像探头42，留置软管11即可精确保留在组织的血管内以便进行后续的输液等操作。

由于相干断层成像系统和光纤成像探头相结合，可探测到组织的干涉信号，其中，皮肤和血管壁的干涉信号强，血液的干涉信号较弱，可根据实际信号的强弱区别探头所探测到的组织类型。光纤成像探头随穿刺针一起依次经皮肤表面进入人体，经过皮肤表层、血管壁等组织，然后进入血管内。结合图5a-5c及图6，穿刺针41前端及光纤成像探头前端在皮肤表层和血管壁中时，有较强的干涉信号，并且可通过OCT图像评估血管壁的深度信息；探头随穿刺针进入血管中血液时，血液中的血红蛋白对近红外光的吸收效应强，对光束散射大，使得干涉信号衰减很大，OCT图像的信号较弱，与穿刺针在血管壁中差异明显；当穿刺针刺穿血管后，又可得到组织较强的干涉信号。据此，通过光学相干断层成像系统将光学信号转化电信号，再经过数据处理，然后显示在显示屏上。通过图像分析评估探头接触的不同组织类别，这样就可以实时监测留置针穿刺过程中所处的位置。实现基于光学相干断层成像系统的血管导航，解决了穿刺针的位置监测和扎针难的问题。

穿刺时，将光纤成像探头与留置针的穿刺针结合并固定，光纤成像探头42距穿刺针41末端0.5～3mm，优选为1mm，且穿刺针41与光纤成像探头42末端朝向同一侧倾斜(如图3)，以使光纤成像探头的出光方向与穿刺针的针尖锥度面朝向一致，且光纤成像探头42末端至少有一部分伸出穿刺针41，保证光纤成像探头随穿刺针进入组织时能够将光束聚焦到组织中而不被遮挡。

光纤成像探头42的传光部件由普通单模光纤和自聚焦光纤组成，自聚焦光纤的出光端面研磨成一定的角度，使得出射光束的方向与光纤轴向夹角为80度。传光光纤外面有弹簧线圈和聚酰亚胺透明套管对其进行保护，防止光纤的折断，及与组织的直接接触，同时对出光端面进行保护。光纤成像探头的另一端为SC/APC接头，便于与系统样品臂中的光输出部件连接，将光束传输并聚焦之样品组织。光纤成像探头的直径可根据穿刺针内径的尺寸进行调整，其直径范围可在0.125mm-0.86mm之间进行调整，保证与穿刺针的配合。光纤成像探头的长度范围为200mm-250mm，可根据实际使用条件进行调整。

参考臂3包括光路上依次设置的准直镜31、汇聚透镜32和反射镜33，光谱解调装置5包括扩束透镜、光栅、会聚透镜和线阵CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)，光栅是利用多缝衍射原理使光发生色散的光学元件，经过光栅后形成条纹的特点是：明条纹很亮很窄，相邻明纹间的暗区很宽，衍射图样十分清晰。干涉光谱经过光栅后发生色散，不同波长的光束得到分离，由线阵CCD接收色散后的信号，处理得到断层图像信息，再由数据采集装置6将光信号转化为电信号后进行后续处理，最后将断层图像显示在电脑显示屏中，实时反映光纤成像探头和穿刺针在穿刺过程中的位置情况。

这里优选光纤干涉模块2内的光耦合器的分光比为70:30，近红外光源发出的光首先经70：30的分束器分成两路光，其中一路70％的光束经样品臂中的光纤成像探头，投射并聚焦到组织上，并由光纤成像探头收集组织后向反射光信号得到样品光信号；其余30％的光进入参考臂后经反射镜返回得到参考光信号。样品臂和参考臂返回的光束经耦合器发生干涉，得到包含样品组织结构信息的干涉光谱信号，并由光谱解调装置探测干涉光谱信号，经过AD采集卡转换为数字信号进行后续数据处理。

在其他实施方式中，光耦合器的分光比可以根据需要进行选择，如60:40或80:20。

具体在使用上述血管导航系统进行血管导航时，首先插入穿刺针41和光纤成像探头42，并实时观察显示模块7的图像；然后根据显示模块7的图像中干涉信号的光强变化情况判断穿刺针41的穿刺位置，当干涉信号出现大幅度衰减时拔出光纤成像探头42。

如图5a为本发明实施例的穿刺针在体外的状态示意图；图5b为本发明实施例的穿刺针在皮肤表层的状态示意图；图5c为本发明实施例的穿刺针在血管腔道内的状态示意图。

当光纤成像探头42与不同组织接触时，采集的干涉信号强度不同，具体判断过程如下：

(1)如图5a，当穿刺针41在人体外时，光纤成像探头在皮肤表层可以探测到皮肤表层、真皮层的干涉信号，信号强度强。

(2)如图5b，当穿刺针41进入血管前的过程，光纤成像探头可探测到血管壁组织信息，根据干涉信号和断层图像可以得到血管壁的厚度信息。血管壁的干涉信号，与皮肤表层相比，变化不大，干涉信号较强。

(3)如图5c，当穿刺针进入血管内部，光纤成像探头随穿刺针进入血液中，光纤成像探头被血液包围，干涉信号大幅度衰减，主要是血管的血红蛋白对近红外光吸收效应强，大部分红光被血红蛋白吸收了，且将信号散射，此时光纤成像探头探测到的光强降低至某一水平。

(4)如果穿刺针继续往前扎，从穿刺针与血管内壁至穿刺针扎穿血管时，光纤成像探头检测的光强强度会升高，并且出现较强的干涉信号，信号的特征为干涉信号立即升高，然后缓慢下降。

据此，穿刺针携带光纤成像探头进行穿刺的过程中，可以根据不同组织及血红蛋白对红光的吸收状态对干涉信号强弱的影响来评估穿刺针的位置和穿刺状态。光学相干断层成像系统可获取血管内部、血管外部、表皮层的干涉信号，且具有不同的特征。因此，可根据不同干涉信号，判断组织类别，进而评估穿刺针在穿刺过程中所处的位置，判断是否穿刺成功，避免扎穿血管。近红外被血红蛋白散射的效果明显，可以作为扎针导航方法，通过近红外光学相干断层成像技术原理确定穿刺针在血管穿刺中的位置。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于近红外相干断层成像技术的血管导航系统，其特征在于，包括依次相连的近红外光源(1)、光纤干涉模块(2)、光谱解调装置(5)、数据采集装置(6)、显示模块(7)以及分别连接所述光纤干涉模块(2)的参考臂(3)和样品臂(4)；所述光纤干涉模块(2)用于将近红外光源(1)发出的光分成两路分别传输至所述参考臂(3)和所述样品臂(4)，所述参考臂(3)将接收到的光信号反射形成参考光信号，所述样品臂(4)将接收到的光信号投射到人体并收集人体的反射光信号形成样品光信号，所述参考光信号与所述样品光信号传输至所述光纤干涉模块(2)后形成干涉光谱信号，依次经所述光谱解调装置(5)解调、数据采集装置(6)采集后由所述显示模块(7)显示。

2.根据权利要求1所述的基于近红外相干断层成像技术的血管导航系统，其特征在于，所述样品臂(4)包括中空的穿刺针(41)和所述穿刺针(41)内的光纤成像探头(42)。

3.根据权利要求2所述的基于近红外相干断层成像技术的血管导航系统，其特征在于，所述光纤成像探头(42)距所述穿刺针(41)末端0.5～3mm。

4.根据权利要求2所述的基于近红外相干断层成像技术的血管导航系统，其特征在于，所述穿刺针(41)与所述光纤成像探头(42)末端朝向同一侧倾斜。

5.根据权利要求1-4任一所述的基于近红外相干断层成像技术的血管导航系统，其特征在于，所述参考臂(3)包括光路上依次设置的准直镜(31)、汇聚透镜(32)和反射镜(33)。

6.根据权利要求1-4任一所述的基于近红外相干断层成像技术的血管导航系统，其特征在于，所述光谱解调装置(5)包括若干透镜和CCD。

7.根据权利要求1-4任一所述的基于近红外相干断层成像技术的血管导航系统，其特征在于，所述光纤干涉模块(2)内的光耦合器的分光比为70:30、60：40或80:20。

8.一种使用权利要求1-7任一所述的基于近红外相干断层成像技术的血管导航系统的血管导航方法，其特征在于，包括：

插入穿刺针(41)和光纤成像探头(42)，并实时观察所述显示模块(7)的图像；

根据所述显示模块(7)的图像中干涉信号的光强变化情况判断所述穿刺针(41)的穿刺位置，当干涉信号出现大幅度衰减时拔出光纤成像探头(42)。