CN108135496B - 消融后组织分析技术 - Google Patents

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Abstract

一种用于识别消融组织区域的设备、系统和方法。具体地，所述设备、系统和方法可以包括一种设备，所述设备具有一个或多个光纤传感器以及处理单元，所述处理单元用于接收来自组织的发射光和/或反射光并且基于所接收到的光而作出关于消融组织、组织接触和/或阻塞的一个或多个判定。所述光纤传感器中的每一个可以包括至少一个多模波导段以及至少一个单模波导段，或者所述光纤传感器中的每一个可以是单模波导。进一步地，每个光纤传感器可以具有纤芯，所述纤芯具有用于将光从组织光学耦合到所述光纤传感器的长周期光栅。所述处理单元可以包括光束处理装置以及高光谱成像及分析装置，并且可以可选地包括光源。

Description

消融后组织分析技术
技术领域
本发明涉及一种用于识别消融组织区域的设备、系统和方法。本发明还涉及一种用于评估治疗元件与组织之间的接触和/或通过所述治疗元件评估体腔的阻塞的设备、系统和方法。具体地，所述设备、系统和方法可以包括一个或多个光纤传感器以及处理单元，所述处理单元用于接收来自组织的发射光和/或反射光并且基于所接收到的光而作出关于消融组织、组织接触和/或阻塞的一个或多个判定。
背景技术
心律失常是心脏的正常节律被打断的情况。某些类型的心律失常，包括心室性心搏过速和心房震颤，可以通过消融(例如，射频(RF)消融、冷冻消融、超声消融、激光消融、微波消融等)从心内膜或从心外膜来治疗。
手术(诸如肺静脉隔离(PVI)和肺静脉前庭隔离(PVAI))通常用于治疗心房震颤。这些手术一般涉及使用低温设备(诸如导管)，所述低温设备位于肺静脉(PV)的口处，如此以使得离开PV进入左心房(LA)的血流被完全阻断。一旦到位，低温设备可以被激活持续足够的持续时间，从而产生在PV-LA连接(诸如PV口或PV前庭)处的心肌组织内的希望的损伤。如果冷冻球囊被用作冷冻设备的治疗元件，则典型地使用流体制冷剂来膨胀球囊，从而使得球囊的整个外径能够产生围绕PV的口和/或前庭的圆周损伤以便中断离开PV的异常电信号。此外或可替代地，冷冻球囊也可以用于治疗心脏壁组织(例如左心房壁组织)，在这种情况下，冷冻球囊被定位成与目标组织相接触。
此手术的成功很大程度上取决于在手术中造成的(多处)损伤的质量，因为不完全的隔离可能会造成AF的晚期复发。目前，消融完全性的主要指标是焦源的电隔离的度量。已知这种方法受到以下事实的限制：无法在消融期间测量损伤范围，并且无法确定电隔离的具体原因。因此，评估隔离的完全性是至关重要的，这消除了对冗余手术的需要，并且减少了手术时间。因此，有利的是监测正治疗的组织光谱部分地作为损伤质量的指征。
一些系统要求将光从设备传输至组织，并且收集被所述设备和/或一个或多个系统部件所反射和所衍射的光。已知光吸收在细胞水平上引起热效应，并且温度与光子的激发直接相关，并且因此光谱信号的发射与在未激发细胞中不同。如果温度升高到限定水平以上，则作为结果，DNA、RNA、以及一些蛋白质可能会变性并且凝固。进一步地，当将光传输到组织时，光的一部分被反射，一部分被散射，另一部分被吸收，并且又另一部分被进一步传输。散射是由于组织内的折射率变化而使得光线被重定向所造成的，并且限制了组织内的光穿透深度。散射与光波长的平方成反比。
可以用在医学手术中使用红外成像通过测量来自具有不同温度特征的癌细胞或异常细胞的所发射的红外辐射来检测这些细胞。红外频谱区域中波长范围从2微米至12微米的环境对象辐射能量取决于对象固有温度。异常细胞的辐射与正常细胞略微不同，这允许将异常细胞成像为具有相异颜色的对象。这个原理通常用在乳房造影中。当利用红外相机拍摄乳房组织时，癌组织被辨识为具有不同灰度级(颜色)，指示在那个定位处具有不同温度的组织。然而，例如，利用内窥镜在体内进行红外成像的使用具有局限性。
内窥镜某些时候还会被用于测量内部体腔中的癌特性。然而，当被用于对包含液体(例如，血液、体内水分、玻璃体液等)的内部体腔进行成像时，红外内窥镜面临局限性。水对于大多数波长的红外线辐射来说是不透明的。
因此，期望的是提供一种冷冻消融系统和设备，所述冷冻消融系统和设备通过在冷冻治疗手术期间提供实时光谱反馈来允许进行实时损伤形成评估。
发明内容
本发明有利地提供了一种用于识别消融组织区域的方法和系统。一种设备通常可以包括：细长本体，所述细长本体包括远端部分和近端部分：可膨胀治疗元件，所述可膨胀治疗元件的至少一部分耦合至所述细长本体的所述远端部分；以及光纤传感器，所述光纤传感器具有远端部分和近端部分，所述光纤传感器的至少一部分位于所述可膨胀治疗元件内，所述光纤传感器在所述细长本体内可移动。所述可膨胀治疗元件可以限定内部表面，并且所述光纤传感器可以被配置成当所述可膨胀治疗元件膨胀时与所述内部表面的至少一部分相接触。所述设备可以进一步包括具有近端部分和远端部分的轴，所述轴在所述细长本体内纵向地可移动，并且所述轴的所述远端部分的至少一部分位于所述可膨胀治疗元件内。所述轴可以包括远端部分，并且所述可膨胀治疗元件可以包括近端颈部和远端颈部，所述远端颈部耦合至所述轴的所述远端部分，并且所述近端颈部耦合至所述细长本体的所述远端部分。所述设备可以进一步包括手柄，所述手柄耦合至所述细长本体的所述近端部分，所述手柄包括旋转机构，所述光纤传感器的所述近端部分与所述旋转机构啮合。所述光纤传感器可以包括至少一个单模波导段以及至少一个多模波导段。例如，所述光纤传感器可以包括第一单模波导段、第二单模波导段、第三单模波导段、第一多模波导段和第二多模波导段。在这种情况下，所述第一多模波导段可以位于所述第一单模波导段与所述第二单模波导段之间，并且所述第二多模波导段可以位于所述第二单模波导段与所述第三单模波导段之间。所述可膨胀治疗元件可以进一步包括外表面，所述外表面被配置成当所述可膨胀元件膨胀时与目标组织区域相接触。
一种用于判定组织区域是否已经被消融的医学设备通常可以包括：细长本体，所述细长本体具有远端部分、近端部分和纵向轴线；可膨胀治疗元件，位于所述细长本体的所述远端部分处；轴，所述轴限定管腔并且具有远端部分和近端部分，所述轴的至少一部分位于所述可膨胀治疗元件内；以及第一光纤传感器和第二光纤传感器，所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的每一个都被配置成传输来自所述组织区域的光学数据，所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的每一个的至少一部分位于所述可膨胀治疗元件内并且具有纤芯和包层，所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的每一个的所述纤芯具有光栅。所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的每一个可以是多模波导。进一步地，所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的每一个可以在所述细长本体纵向地可移动。所述可膨胀治疗元件可以限定内表面和外表面，并且所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的每一个的所述包层可以被配置成当所述可膨胀治疗元件膨胀时与所述内表面相接触。在所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的至少一个与所述可膨胀治疗元件之间的接触区域处，来自所述组织的光可以从所述可膨胀治疗元件耦合至所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的所述至少一个的所述包层。所述光栅可以包括周期Λ(nm)，所述周期Λ根据如下公式来选择：
Λ(nm)＝λ/(n有效纤芯–n有效CL)，
其中，n有效纤芯是所述纤芯的有效折射率，n有效CL是所述包层86的有效折射率，并且λ是来自所述组织的所述光的谐振波长。
一种用于判定组织区域是否已经被消融的医学系统可以包括：设备，包括：细长本体，所述细长本体具有远端部分、近端部分和纵向轴线；可膨胀治疗元件，位于所述细长本体的所述远端部分处；轴，所述轴限定管腔并且具有远端部分和近端部分，所述轴的至少一部分位于所述可膨胀治疗元件内；以及至少一个光纤传感器，被配置成传输来自所述组织区域的光学数据，所述至少一个光纤传感器的至少一部分位于所述可膨胀治疗元件内并且具有纤芯和包层，所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的每一个的所述纤芯具有长周期光栅。所述系统还可以包括与所述至少一个光纤传感器通信的处理单元，所述处理单元包括：光束处理装置，所述光束处理装置被配置成接收通过所述光纤传感器传输的光学数据；以及高光谱成像及分析装置，所述高光谱成像和分析装置与所述光束处理装置通信，并且被配置成基于由所述光束处理装置所接收的所述光学数据来生成高光谱图像。所述光束处理装置可以包括光栅和宽带红外探测器。所述光束处理装置可以被配置成将从所述光纤传感器接收的光信号转换为包括多个像素的电信号，并且可以被进一步配置成使每个像素与光谱值相关。所述高光谱成像及分析装置可以被配置成将每个像素的光谱值与消融组织的参考光谱值进行比较，并且可以被配置成至少部分地基于所述比较来判定区域组织是否被消融。
附图说明
通过结合附图进行考虑时参考以下详细说明，将更容易更全面理解本发明及其伴随优点和特征，在附图中：
图1示出了包括具有至少一个光纤传感器的设备的示例性冷冻治疗系统；
图2示出了光纤传感器的示意图以及超立方体条带(hypercube swath)的每个像素与电磁波光谱的一部分的相关性；
图3A示出了第一示例性处理单元和光源的示意图；
图3B示出了没有光源的第二示例性处理单元的示意图；
图4A示出了单模光纤的横截面图；
图4B示出了多模光纤的横截面图；
图5A和图5B分别示出了材料折射率对于铝(Al)和锆(Zr)的百分比组成的依赖性；
图6示出了耦合至旋转机构的第一光纤传感器和第二光纤传感器，所述旋转机构位于设备手柄内；
图7示出了根据第一实施例的具有第一光纤传感器和第二光纤传感器的冷冻治疗设备的横截面图，所述冷冻治疗设备定位成与组织区域直接接触；
图8示出了图7的冷冻治疗设备的一部分的横截面图；
图9示出了光从组织通过一系列材料并进入多模光纤段的纤芯的移动；
图10示出了具有在纤芯内包括光栅的光纤传感器的冷冻治疗设备的简化描绘；并且
图11示出了图10的冷冻治疗设备的特写横截面图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于识别消融组织区域的设备、系统和方法。本发明还涉及一种用于评估治疗元件与组织之间的接触和/或通过所述治疗元件评估体腔的阻塞的设备、系统和方法。具体地，所述设备、系统和方法可以包括一个或多个光纤传感器以及处理单元，所述处理单元用于接收来自组织的发射光和/或反射光并且基于消融组织与非消融组织之间的光谱差异而作出一个或多个判定。
现在参照图1，示出了包括具有用于超光谱数据获取的光纤传感器的设备的示例性冷冻治疗系统。高光谱数据获取可以包括扫描组织表面、以及沿电磁波光谱收集图像。这可以构成被称为超立方体的数据集，所述超立方体包括沿电磁波光谱从紫外波长到长红外波长的分层图像，其中，超立方体的每层与波长带相对应。光纤传感器30覆盖超立方体的箭头(即，空间线或条带32)，并且此箭头的每个像素33由电磁波光谱的波长带组成(例如，如图2所示)。利用光纤传感器在大角度上进行的旋转扫描可以创建提供关于组织的组成的诊断信息的推扫式图像。如果传感器的空间分辨率不够高，则不同的特征可能共同占据单个像素33。因此，所获得的波长可能是单一波长的组合，被称作混合像素。例如当在消融组织内在消融段与非消融段之间存在的热间隙被组合为均质混合物时，可能出现混合像素。在这种情况下，空间“分离(unmixing)”算法可以被用于将混合像素分解为具有相异波长的集合。因此，高光谱数据集的空间分离的一方面可以在组织内的消融点与非消融点之间进行辨别。可替代地，所收集的波长可以与使用目标组织的体外评估所收集的空间数据库相比较。
系统10一般可以包括：治疗设备(诸如冷冻治疗导管12)，所述治疗设备用于对组织区域进行热处理；以及控制台14，所述控制台容纳各种系统10控件。系统10可以被适配为用于冷冻治疗手术，诸如冷冻消融。系统10可以另外被适配为用于射频(RF)消融和/或分期RF消融、超声消融、激光消融、微波消融、热球囊消融、或其他消融方法或它们的组合。
冷冻治疗导管12通常可以包括：手柄18；具有远端部分22和近端部分24的细长本体20；一个或多个可膨胀治疗元件，如冷冻球囊26；轴28(例如导丝腔)；以及一个或多个光纤传感器30，其可以在本文中被称为“波导”。进一步地，冷冻治疗导管12可以具有纵向轴线34。所述治疗元件可以是耦合至冷冻治疗导管12的细长本体20的远端部分22的冷冻球囊26。例如，冷冻球囊26可以限定附着至或耦合至细长本体20的远端部分22的近端部分或颈部36，并且可以进一步限定附着至或耦合至轴28(比如轴28的远端部分40)的远端部分或颈部38。然而，将理解，冷冻球囊26可以被耦合至细长本体20和/或轴28、附着到其上、布置在其上、与其整合、或以其他方式附接到其上。另外，可以使用多个冷冻球囊，比如当冷冻球囊26A被布置在第二冷冻球囊26B内(如图7中所示出的)。轴28可以沿着纵向轴线34放置，并且在细长本体20内纵向地可移动或可滑动。以此方式，轴28的纵向移动将影响冷冻球囊26的形状。轴28的近端部分可以与冷冻治疗导管12的手柄18中的一个或多个转向机构44机械连通，如此以使得可以使用一个或多个转向机构44(注诸如旋钮、杠杆、轮、拉绳等)来纵向地延伸或缩回轴28。
除了轴28之外，冷冻治疗导管12可以包括一个或多个腔。如图7中所示出的，冷冻治疗导管12可以包括与制冷剂供应储罐48流体连通的制冷剂注射腔46、以及与制冷剂回收储罐52流体连通的制冷剂回收腔50。进一步地，制冷剂回收腔50可以与真空54连通以便于从冷冻球囊26(例如，膨胀制冷剂)中去除流体。如果冷冻治疗导管12包括热电致冷元件或者能够发射射频(RF)、超声、微波、电穿孔能等的电极，则细长本体18可以包括与能量发生器56电连通的腔室。
控制台14可以与冷冻治疗导管12电连通并且流体连通，并且可以包括一个或多个流体(例如，冷冻治疗制冷剂)储罐48、制冷剂回收储罐52、能量发生器56、和具有显示器60的计算机58，并且可以进一步包括各种其他屏幕、用户输入控件、键盘、按钮、阀、管道、接头、电源、处理器、以及用于调节并且监测系统10参数的计算机。如在此使用，术语“计算机”可以是指任何可编程数据处理单元，包括智能手机、专用内部电路系统、用户控制设备等。计算机58可以与处理单元62进行电通信和/或无线通信，所述处理单元与所述一个或多个光纤传感器30进行光通信。计算机58可以进一步地与所述一个或多个处理元件26以及一个或多个系统阀(未示出)进行通信。处理单元62和/或计算机可以可编程用于执行算法，所述算法用于获取和分析超光谱数据并且用于生成一个或多个显示或警报以便将各种系统标准或判定通知给用户。作为非限制性实施例，冷冻治疗导管12的近端部分可以包括电连接，所述电连接可匹配至控制台的至少一部分(例如，利用电生理学记录装备)并且与处理单元62电连通。
具体地，如图3A中所示出的，控制台14可以可选地包括引导光通过所述一个或多个光纤传感器30和定向耦合器66的光源64(比如宽谱光源或激光光源)，但是在不使用光源64的情况下光可以从所述一个或多个光纤传感器30传输到处理单元62，如图3B中所示出的。例如，在不使用光源的情况下所述一个或多个光纤传感器30可以接收和传输从组织自然发射的光。也就是，由所述一个或多个光纤传感器接收和传输的光可以是从组织发射的(或由其产生的)，而不是从光源传递并由组织反射、折射和/或散射的光。如下面更详细描述的，从组织发射和/或反射的光可以向回行进通过所述一个或多个光纤传感器30、通过定向耦合器66、通过检测器/放大器/模数转换器(ADC)70，并进入光束处理装置(BPA)68。然后可以将来自BPA 68的数据传输到高光谱成像及分析装置(HIAA)72以进行高光谱成像和数据分析。
然而，光源64的使用是可选地，因为设备的光纤传感器30可以被配置成通过第一冷冻球囊26A和第二冷冻球囊26B与组织直接接触。冷冻球囊26A，26B可以可选地被调整用于收集从组织自然发射、辐射和/或反射的任何光。例如，这种光学调整可以通过选择适当的折射率、厚度、光栅等来实现。消融组织(在消融后立刻地并且在温度均匀化之前)可以展示出相对周围组织而言的高热对比，这提供了足以允许在消融组织与非消融组织之间进行物理辨别的辐射。尽管有血液的散射和吸收，但是热对比可能是可辨别的。经由瞬逝耦合，电磁波借助于瞬逝的、指数衰减的电磁场从组织传输到光纤传感器30(通过所述一个或多个冷冻球囊26)。冷冻球囊26(或者在使用多于一个的冷冻球囊的情况下，外冷冻球囊)定位成与组织直接接触，从而将光纤传感器30放置成非常靠近组织。由于在图像或光谱获取期间的心脏运动，在感测期间膨胀的冷冻球囊26可以最小化血液流动的影响。HIAA 72可以通过执行用于运动补偿的一种或多种算法来进一步最小化心脏运动。光纤传感器30被配置成支持具有从组织发射的适当频率的模式(或光波传播模式)，并且发射光由此连接或耦合至光纤传感器30。从组织发射、辐射和/或反射的光可以被收集并且传送至BPA 68。此光可以通过色散元件(例如，光栅、C波段波分复用等)被色散成不同波长。此色散光可以然后被检测器(诸如辐射热测量计或CCD)收集作为二维图像(X，λ)，其中，X表示空间维度或条带，并且λ表示频谱维度。光纤传感器30可以在球囊26内抵靠组织旋转，以使得能够收集不同条带并创建超立方体(X，Y，λ)，其中，Y表示第二空间维度。
如上所述，冷冻治疗导管12可以包括冷冻球囊26，所述冷冻球囊具有耦合至细长本体20的远端部分22的近端颈部36和耦合至轴28的远端部分40的远端颈部38。轴28的远端部分40也可以耦合至远端尖端42或者与所述远端尖端集成，并且远端颈部38可以耦合至轴28的远端部分和/或远端尖端42。然而，将理解的是，冷冻球囊26可以以其他合适的配置耦合至细长本体20和/或轴28。进一步地，图7、图8和图10示出了治疗元件包括内冷冻球囊26A和外冷冻球囊26B的实施例。这样的配置可以增强患者安全性，因为如果内球囊发生泄漏，则外球囊可以防止制冷剂进入患者的血流。冷冻球囊26、或者双球囊配置中的内冷冻球囊26A也可限定内腔室74，在所述内腔室中，制冷剂通过一个或多个注射元件76从流体注射腔46排出。例如，注射元件76可以包括缠绕在轴28上成一个或多个线圈的管道，并且可以具有多个注射孔(未示出)。被排出到内腔室74中的制冷剂可以通过由真空54生成的负压环境从腔室74抽出并进入流体回收腔50，所述内腔室可以与流体回流腔50流体连通。所回收的制冷剂可以排放到大气中或收集在制冷剂回收储罐52中。尽管治疗元件26在本文中被示出和描述为冷冻球囊26，但将理解的是，治疗元件26可以是能够消融组织并将制冷剂保留在其内的任何结构。
所述一个或多个光纤传感器30可以将来自消融组织的光(比如辐射光、发射光、散射光和/或反射光)传输到控制台14以便由处理单元62进行处理和分析。作为非限制性示例，所述一个或多个光纤30可以由本领域已知的适用于光纤光学应用的材料构成，包括但不限于溶胶-凝胶材料。基于多晶玻璃的溶胶-凝胶材料在宽带波长(0.6μm至10.8μm)上展现出可接受的光损耗。多晶玻璃是由溶胶-凝胶方法(金属醇盐的缩聚和光聚)制作的有机玻璃/无机玻璃材料，并且可以采用金属部件和UV剂量来进行折射率调整。
如以上所讨论的，设备的光纤传感器30可以被配置成通过瞬逝耦合来收集来自消融组织和非消融组织的电磁波。每个光纤传感器30可以是包括至少一个阶跃折射率单模光纤(SMF)80和至少一个阶跃折射率多模(MMF)82的单模-多模-单模(SMS)光纤结构。如图4A中所示出的，SMF 80可具有直径为D纤芯SMF的纤芯84、厚度为T包层SMF的包层86、一定长度、以及针对最大瞬逝场耦合系数优化的差异折射率(包层折射率/纤芯折射率)。同样地，如图4B中所示出的，MMF 82可以具有直径为D纤芯MMF的纤芯88、厚度为T包层MMF的包层90、一定长度、以及针对从SMF到MMF的纤芯和包层模式的最大模式耦合优化的差异折射率。MMF纤芯88的直径D纤芯MMF可以大于SMF纤芯84的直径D纤芯SMF。MMF 82可以熔接到SMF 80，以便使光损失最小化。
可以使用利用1.5当量的H2O水解的甲基丙烯酰氧基丙基三氧基硅烷(MAPTMS)、并且利用0.1M HCl作为催化剂来制备混合(1-x)SiO2-xZrO2,(1-x-y)SiO2-xAl2O3-yP2O5,以及(1-y)SiO2-7yAl2O3溶胶-凝胶溶液。进一步地，可以用作折射率调节剂的Zr(OC3H7)4可以以1:1的体积比溶解在异丙醇中，并且然后可以将混合物滴加到部分水解的MAPTMS的搅拌溶液中。加入水以完成醇盐取代基的水解后，可以引入Irgacure 184(瑞士巴塞尔的CibaSpecialty Chemicals Inc)作为光引发剂。原材料的化学成分、紫外线曝光和热处理的调整提供了在632.8nm波长处从1.48到1.52的折射率精确选择。这种有机改性玻璃织物属于混合有机-无机玻璃类别，被冠以各种名称：“ormocers”(有机改性陶瓷)、“ormosils”(有机改性硅酸盐)、“陶瓷化合物”、“聚合陶瓷化合物”或简单混合溶胶-凝胶玻璃(HSGG)。光学设备可以用HSGG快速成型，因为：(1)可以在单个步骤中精确地沉积均匀厚膜而没有裂缝；(2)可以合成大量有机改性材料以便快速适应特定的设备要求；并且(3)HSGG在能够解决设备冲突的材料需求方面提供了独特的优势。这种灵活性的实质可以在有机聚合物的有吸引力的特征与无机玻璃的特征的耦合中找到。图5A和5B分别描绘了膜的折射率与铝(Al)和锆(Zr)的百分比组成的关系。光纤传感器30可以使用HSGG材料的一个或多个变型来制造，以便使得折射率被调整以优化来自组织的光耦合。
冷冻治疗导管12可以具有在直径上定位于内腔室74内的第一光纤传感器30A和第二光纤传感器30B。每个光纤传感器30A、30B的远端部分94A、94B可以分别附接到轴28的一部分，例如，在远端部分40处的位置处或附近，并且可选地可以附接至耦合至远端尖端42的旋转机构95。相反，每个光纤传感器30A、30B的近端部分96A、96B可以不分别耦合至轴28，而是可以在内腔室74和细长本体20内纵向自由地移动。例如，近端部分96A、96B可以耦合至位于手柄18(图6中示出的)内的旋转机构100或者以其他方式与所述旋转机构啮合。当球囊膨胀和收缩时，旋转机构100可允许光纤传感器30A、30B在内室74和细长本体20内进行纵向移动，同时保持光纤传感器30A、30B中的张力，使得它们不会扣紧、成束、或干扰冷冻治疗手术。旋转机构95可以围绕设备的纵向轴线34顺时针或逆时针旋转。作为非限制性示例，旋转机构100可以包括用于每个光纤传感器30A、30B的卷轴102。每个光纤传感器30A、30B可缠绕在卷轴102上，并且卷轴102可包括齿或者可以与齿交错的突起104或者在基座单元106上的突起104。随着卷轴102旋转，光纤传感器30A、30B可在卷轴102上缠绕或松开。
血液包括若干种成分，包括血浆(通常约55％的总体积)、白细胞和血小板(通常小于1％的总体积)和红细胞(通常约45％的总体积)。典型血浆组成是约92％的水、约7％的蛋白质和约1％的矿物盐、糖、脂肪和激素。通过血液进行成像或感测是由血液的光学特性驱动的：(1)由血红蛋白和水对辐射进行吸收；以及(2)由红细胞对辐射进行散射。存在发生由悬浮的红细胞对光进行低散射以及由血红蛋白和水对辐射进行低吸收的期望特性的波长范围(1.4微米-1.8微米、2.1-2.4微米、3.7微米-4.3微米、4.6微米-5.4微米、以及7微米-12微米)。因此，光源64可以用于以这些范围中的一个或多个范围内的波长向所述一个或多个光纤传感器30传输光。可替代地，所述系统可以仅包括处理单元62，所述处理单元被配置成在没有光源64的情况下感测来自组织的反射/发射光(例如，如图3B中所示出的)。已具体示出了消融组织(即，在消融后立刻地并且在温度均匀化之前)与周围未消融组织相比展示出高的热对比，并且在不借助于外部光源的情况下提供足以由成品高灵敏度辐射热测量计感测的辐射。
所以，特定光波长可以被有利地用于高光谱数据获取。具有有利波长的宽谱光源可以用于照亮组织，以便揭示光谱特征并且在消融组织与非消融组织之间进行辨别。在特定波长范围内(例如，1.4微米至1.8微米)，由血浆中的红细胞进行的辐射散射以及由水和血红蛋白进行的辐射吸收可以被极大地减少。因此，如果使用光源64，则可以选择具有在1.4微米至1.8微米的范围中的波长的光源64，从而使得所收集的光也可以在1.4微米至1.8微米之间。
可替代地，可以选择具有在7微米至12微米的范围中的波长的光源64，从而使得所收集的光也可以在7微米至12微米之间。在此范围中，辐射可以最不可能被红细胞散射，水和血红蛋白对辐射的吸收可以被减少，并且取决于组织的固有温度，组织可以辐射具有在2微米至12微米范围内的波长的能量。再进一步地，将理解的是，光源64可以被配置成传递具有各种波长中的任一种波长的光，从而使得可以选择用于特定手术的期望波长。
虽然紫外(UV)光是受血液散射最大的光并且具有最小组织穿透深度，但是与组织直接接触的光纤传感器30可以被动地聚集在0.35微米至0.5微米范围中的任何发射波长、辐射波长、或反射波长。使用具有在0.35微米至0.5微米范围中的波长的光源可以激发组织内的胶原，所述胶原可以进而发出荧光以便照亮肌肉层下方。来自消融肌肉的反射光可以被光纤传感器30收集，并且然后被HIAA分析。
图7示出了双冷冻球囊治疗元件的示例性放置，所述双冷冻球囊治疗元件与目标组织直接接触以用于通过瞬逝耦合接收来自组织的发射光和/或反射光。在感测期间使球囊26A、26B膨胀可以使被测组织周围血流的影响最小化。当处理元件与组织接触时，组织、外冷冻球囊26B、内冷冻球囊26A、和光纤传感器30可以形成具有不同折射率的叠层，如图9中所示出的。作为用于说明的非限制性示例，外冷冻球囊26B可以由具有在波长632.8nm处测得的折射率1.5的聚氨酯组成，并且内冷冻球囊26A可以由具有在波长632.8nm处测量的折射率1.63的聚对苯二甲酸乙二醇酯组成。SMF包层86可具有例如1.447的折射率，并且SMF包层88可具有约1.4504的折射率。包层、纤芯、以及冷冻球囊的非限制性厚度在图9中示出仅用于说明。外冷冻球囊26B和/或内冷冻球囊26A可以被选择为具有用于一个或多个感兴趣光谱的最佳折射的折射率，并且可以不同于图7中所示出的示例性特性。
如图8和图9中所示出的，从组织发射或辐射的光可首先全部或部分地通过外冷冻球囊26B折射到内冷冻球囊26A，然后折射到例如SMF 80的包层86。SMF 80中的包层模式可以进入MMF 82的纤芯。例如，冷冻治疗导管12可以包括第一MMF段82A和第二MMF段82B，所述第一MMF波导段在SMF 80B段的近端位置处与目标组织相接触(通过冷冻球囊26A、26B)，并且所述第二MMF波导段在SMF 80C段的远端位置处指向目标组织。换言之，第一MMF段82A可以位于第一SMF段80A与第二SMF段80B之间，并且第二MMF段82B可以位于第二SMF段80B与第三SMF段80C之间(如图7中所示出的)。
然后光可以行进通过光纤传感器30进入控制台14。具体地，光(电磁辐射)可以穿过定向耦合器66并进入BPA 68。BPA 68可以包括光栅、宽带红外检测器(比如辐射热测量计和III-V半导体检测器的组合)、以及读出电子设备，比如转换器电路、信号采样和信号完整性多路复用器。例如，BPA 68中的辐射热测量计可以测量入射电磁辐射(光)的功率。BPA 68可以将光信号转换为包括多个像素33的电信号并且执行信号处理(例如，不均匀性校正、粗糙像素校正和串扰减少)。此外，BPA 68可以使每个像素33与光谱相关。术语“光谱(spectrum)”可以指跨一定波长范围的辐射的振幅和/或强度。然后可以将采用光谱形式的每个像素33的信号传输到HIAA 72以供高光谱数据分析。HIAA 72可以处理电磁波谱的长红外范围内的辐射的波长，以便确定“热点”、或具有较高热特征的组织区域。使用冷冻消融而消融的组织将比非消融组织区域指示更低的热特征。进一步地，HIAA 72可以将采集的光谱数据与参考光谱数据进行比较。例如，HIAA 72可以将每个像素33的光谱与消融组织的参考光谱进行比较。处理单元62可以比如通过显示热特征图、组织的高光谱图像和/或光谱数据来将此数据传送给用户。HIAA 72可以进一步被编程或可编程为用于执行允许对由跳动心脏引起的运动进行补偿的一种或多种算法。
然后光可以行进通过光纤传感器30进入控制台14。具体地，光(电磁辐射)可以穿过定向耦合器66并进入BPA 68。BPA 68可以包括光栅、宽带红外检测器(比如辐射热测量计和III-V半导体检测器的组合)、以及读出电子设备，比如转换器电路、信号采样和信号完整性多路复用器。例如，BPA 68中的辐射热测量计可以测量入射电磁辐射(光)的功率。BPA 68可以将光信号转换为包括多个像素33的电信号并且执行信号处理(例如，不均匀性校正、粗糙像素校正和串扰减少)。此外，BPA 68可以使每个像素33与光谱相关。术语“光谱(spectrum)”可以指跨一定波长范围的辐射的振幅和/或强度。然后可以将采用光谱形式的每个像素33的信号传输到HIAA 72以供高光谱数据分析。HIAA 72可以处理电磁波谱的长红外范围内的辐射的波长，以便确定“热点”、或具有较高热特征的组织区域。使用冷冻消融而消融的组织将比非消融组织区域指示更低的热特征。进一步地，HIAA 72可以将采集的光谱数据与参考光谱数据进行比较。例如，HIAA 72可以将每个像素33的光谱与消融组织的参考光谱进行比较。处理单元62可以比如通过显示热特征图、组织的高光谱图像和/或光谱数据来将此数据传送给用户。HIAA 72可以进一步被编程或可编程为用于执行允许对由跳动心脏引起的运动进行补偿的一种或多种算法。
从光源64发射的光可以可选地由第一SMF段80A传送到MMF 82的纤芯88和包层90中，然后可以作为干涉的结果传送到第二SMF段80B。第二SMF段80B可被抛光和处理以用于最大反射。根据可逆性，反射光可以然后经过相同的光路。从第二SMF段80B反射的光然后可以激励MMF 82的纤芯88和包层90，并且然后被传送到第一SMF段80A中。所传输的光可以是波长相关的，即，可以依赖于血液光学特性。进一步地，可以使用隔离器来防止反射光干扰光源64。定向耦合器66可以将反射光导向BPA 68以便处理所传送的光。
现参照图10，示出了设备的横截面视图，具有光纤传感器的简化描绘。光纤传感器30A、30B可以包括一个或多个SMF波导段80以及一个或多个MMF波导段82，如上所述。无论光纤传感器30A、30B的配置如何，纤芯88都可以包括光栅、诸如长周期光栅(LPG)108A，108B。光纤传感器30A、30B在图10中被示出为好像光栅108在光纤传感器30A、30B的外表面上一样，但是这是为了简化附图。图11示出了光纤传感器30A的特写视图，所述光纤传感器在其纤芯88内具有光栅108A。作为由紫外(UV)照明源进行光刻的结果，可以通过局部折射率调制来创建光栅108。通过每个光纤传感器的纤芯88传输的光可能会受到光栅108的影响。
光栅108可以被配置成接触第一冷冻球囊26A的内表面。当光栅的周期性被选择为满足这两个耦合的光学模式之间的相位匹配条件时，将光耦合通过光栅108是可能的。当光栅周期被选择为使得从第一冷冻球囊26A到包层86模式的光的光栅辅助散射与纤芯88模式谐振时，耦合是有效的。这发生在光栅的周期Λ(nm)满足以下相位匹配条件时：
Λ(nm)＝λ/(n有效纤芯–n有效CL)
(1)
其中，n有效纤芯和n有效CL分别是光纤30的纤芯88与包层86模式的有效折射率，并且λ是谐振波长。
本领域技术人员将理解的是，本发明不限制上文中已经具体示出和描述的内容。另外，除非上文相反地陈述，否则应当注意所有附图是不按比例的。鉴于以上传授内容，在不背离仅由以下权利要求书限制的本发明的范围和精神的情况下，多种修改和变化是可能的。

Claims (12)

1.一种医疗设备，包括：
细长本体，所述细长本体包括远端部分和近端部分；
可膨胀治疗元件，所述可膨胀治疗元件的至少一部分耦合至所述细长本体的所述远端部分；以及
第一光纤传感器，所述第一光纤传感器具有：
远端部分；
近端部分；
第一单模波导段；
第二单模波导段；
第三单模波导段；
第一多模波导段；以及
第二多模波导段，所述第一多模波导段位于所述第一单模波导段与所述第二单模波导段之间，并且所述第二多模波导段位于所述第二单模波导段与所述第三单模波导段之间，所述第一光纤传感器的至少一部分位于所述可膨胀治疗元件内，所述第一光纤传感器在所述细长本体内可移动。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述可膨胀治疗元件限定内部表面，所述第一光纤传感器被配置成当所述可膨胀治疗元件膨胀时与所述内部表面的至少一部分相接触。
3.如权利要求1所述的设备，进一步包括具有近端部分和远端部分的轴，所述轴在所述细长本体内纵向地可移动，并且所述轴的所述远端部分的至少一部分位于所述可膨胀治疗元件内。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述轴包括远端部分，并且所述可膨胀治疗元件包括近端颈部和远端颈部，所述远端颈部耦合至所述轴的所述远端部分，并且所述近端颈部耦合至所述细长本体的所述远端部分。
5.如权利要求4所述的设备，进一步包括手柄，所述手柄耦合至所述细长本体的所述近端部分，所述手柄包括旋转机构，所述第一光纤传感器的所述近端部分与所述旋转机构啮合。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述可膨胀治疗元件进一步包括外表面，并且所述可膨胀治疗元件的所述外表面被配置成当所述可膨胀治疗元件膨胀时与目标组织区域相接触。
7.如权利要求1所述的设备，进一步包括第二光纤传感器，所述第二光纤传感器被配置成传输来自区域组织的光学数据，所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的每一个的至少一部分位于所述可膨胀治疗元件内并且具有纤芯和包层，所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的每一个的所述纤芯具有光栅。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的每一个是多模波导。
9.如权利要求7所述的设备，其中，所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的每一个在所述细长本体内纵向地可移动。
10.如权利要求7所述的设备，其中，所述可膨胀治疗元件限定内表面和外表面，并且所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的每一个的所述包层被配置成当所述可膨胀治疗元件膨胀时与所述内表面相接触。
11.如权利要求10所述的设备，其中，在所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的至少一个与所述可膨胀治疗元件之间的接触区域处，来自所述组织的光从所述可膨胀治疗元件耦合至所述第一光纤传感器和所述第二光纤传感器中的所述至少一个的所述包层。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述光栅包括周期Λ(nm)，所述周期Λ根据如下公式来选择：
Λ(nm)＝λ/(n有效纤芯–n有效CL)，
其中，n有效纤芯是所述纤芯的有效折射率，n有效CL是所述包层的有效折射率，并且λ是来自所述组织的光的谐振波长。
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