CN108567483B - 用于力传感器的低成本平面弹簧 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“用于力传感器的低成本平面弹簧”。本发明提供了一种柔性探头，所述柔性探头在其远侧端部中具有组件，所述组件包括发射器和接收器，所述接收器接收来自所述发射器的信号用于感测所述接收器相对于所述发射器的位置。当所述远侧末端接合体腔的壁时，设置在所述发射器和所述接收器之间的一对扁簧线圈响应于施加在所述远侧末端上的压力而变形。

Description

用于力传感器的低成本平面弹簧
背景技术
1.技术领域
本发明涉及用于诊断和外科意图的仪器。更具体地，本发明涉及使用 用于心脏中诊断和外科手术的导管，对力、压力或机械张力或压缩的测 量。
2.相关领域的描述
当心脏组织区域向相邻组织异常地传导电信号时，发生心律失常诸如 心房纤颤，从而扰乱正常的心动周期并造成心律不齐。
用于治疗心律失常的规程包括以外科的方式扰乱造成心律失常的信号 源，以及扰乱用于此类信号的传导通路。通过经由导管施加能量来选择性 地消融心脏组织，有时可能阻断或改变不需要的电信号从心脏的一部分到 另一部分的传播。消融方法通过形成非导电消融灶来破坏不需要的电通 路。
验证电极与靶组织的物理接触对于控制消融能量的递送来说非常重 要。本领域已针对验证电极与组织的接触进行了大量尝试，并且已提出多 种技术。例如，美国专利No.6,695,808描述了用于治疗选定的患者组织或 器官区域的设备。探头具有可推抵所述区域的接触表面，由此产生接触压 力。压力换能器测量接触压力。手术过程中医疗器械必须牢固放置，但是 不与解剖表面过度接触，该布置据说通过给医疗器械的使用者提供接触力 的存在和大小的指示信息来满足所述手术过程的需要。
又如，美国专利No.6,241,724描述了使用分段电极组件在身体组织内 产生消融灶的方法。在一个实施方案中，导管上的电极组件携带压力换能 器，该压力换能器感测与组织的接触，并且将信号传送到压力接触模块。 该模块识别与压力换能器信号相关联的电极元件，并且引导能量发生器将 射频能量传送到这些元件，并且不传送到仅与血液接触的其他元件。
美国专利No.6,915,149中提供了另一个示例。该专利描述了使用具有 用于测量局部电活动的末端电极的导管来标测心脏的方法。为了避免可由 于末端与组织的不良接触所致的人工痕迹，可利用压力传感器来测量末端 与组织之间的接触压力以确保稳定接触。
美国专利申请公布2007/0100332描述了用于评价组织消融的电极组织 接触的系统和方法。导管轴内的机电传感器生成电信号，该电信号对应于 导管轴的远侧部分内的电极运动的量。输出装置接收用于评估电极和组织 之间的接触水平的电信号。
共同转让给Govari等人的美国专利申请公布No.2009/0093806(该美 国专利申请公布以引用方式并入本文)描述了接触压力测量的另一应用， 其中使用传感器来测量响应于位于导管的远侧端部(distal end)处的弹性 构件上的压力的变形。
发明内容
根据本发明的实施方案提供了柔性探头，该柔性探头适于插入活体受 检者的体腔内。探头在其远侧端部中具有接触力传感器，包括发射器，接 收器，该接收器接收来自发射器的信号用于感测接收器相对于发射器的位 置。设置在发射器和接收器之间的弹性元件被配置成当远侧末端(distal tip)接合体腔的壁时响应施加在远侧末端上的压力而变形。弹性元件是一 对扁簧线圈。
根据设备的一个方面，接触力传感器包括一对扁簧线圈之间的间隔 件，以及接触力传感器的相反的端部处的两个保持器，这两个保持器分别 与扁簧线圈接触。
根据设备的一个方面，接触力传感器包括介于探头的近侧部分和远侧 端部之间的可变形结合部。
根据设备的另一方面，发射器和接收器包括平面印刷电路板。
根据设备的又一方面，将磁导材料放置在每个平面印刷电路板的顶部 上。
根据设备的另一方面，材料在每个平面印刷电路板上包括至少一个板 的高导磁合金。
根据设备的另外方面，接触力传感器、发射器和接收器包括整体子组 件。
根据设备的另一方面，接收器包括三个接收线圈。
根据设备的另外方面，发射器包括三个发射线圈。
根据设备的另一个方面，三个发射线圈串联连接，并且恰好由一个发 电机供电。
根据设备的又一方面，三个发射线圈由相应发电机以不同频率供电。
根据设备的另一方面，接触力传感器、发射器和接收器包括整体子组 件。
根据本发明的实施方案还提供了一种方法，该方法通过提供适于插入 活体受检者的体腔中的柔性导管得以实施。探头在其远侧端部处具有接触 力传感器。接触力传感器包括发射器、接收器以及设置在发射器和接收器 之间的弹性元件。弹性元件是一对扁簧线圈。该方法通过以下方法得以进 一步实施：当远侧末端接合体腔的壁时在远侧末端上施加压力而使弹性元 件变形，并且当使弹性元件变形时，从发射器发射信号，在接收器中接收信号，并处理该信号以确定接收器相对于发射器的位置。
根据该方法的一个方面，根据接收器中的信号的振幅测量发射器和接 收器之间的距离。
附图说明
为更好地理解本发明，就本发明的详细说明以举例的方式做出参考， 该详细说明应结合以下附图来阅读，其中类似的元件用类似的附图标号来 表示，并且其中：
图1为根据本发明的实施方案的用于评估活体受检者的心脏中的电活 动的系统的图解示意图；
图2为根据本发明的实施方案的导管的远侧部分的局部剖视图；
图3为适用于根据本发明的实施方案的图3中所示的导管的子组件；
图4为根据本发明的实施方案的心脏导管的远侧部分的正视图；
图5为根据本发明的另选实施方案的心脏导管的远侧部分的组件的放 大正视图；
图6为根据本发明的另选实施方案的导管的远侧端部的示意性剖面 图；
图7为图6中根据本发明的实施方案以稍微透视的方式示出的组件的 分解图；
图8为根据本发明的实施方案的具有集成定位线圈的接触力传感器的 平面组件的顶视图；
图9为根据本发明的实施方案的弹簧组件的斜视图；以及
图10为根据本发明的实施方案的图9中所示组件的侧正视图。
具体实施方式
在下文的描述中，列出了许多具体细节，以便提供对本发明的各种原 理的全面理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，并非 所有这些细节都是实践本发明所必需的。在这种情况下，未详细示出熟知 的电路、控制逻辑部件以及用于常规算法和过程的计算机程序指令的细 节，以免不必要地使一般概念模糊不清。
以引用方式并入本文的文献将被视作本申请的整体部分，不同的是， 就任何术语在这些并入文件中以与本说明书中明确或隐含地作出的定义矛 盾的方式定义而言，应仅考虑本说明书中的定义。
系统综述
现在转到附图，首先参见图1，该图为用于在活体受检者心脏12上评 估电活动并且执行消融手术的系统10的立体说明图，系统10是根据本发 明的公开实施例构造和操作的。该系统包括导管14，由操作者16将导管 14经由皮肤穿过患者的血管系统插入心脏12的心室或血管结构中。操作者 16，通常为医师，使导管的远侧末端18例如在消融目标位点处与心脏壁接 触。可根据公开于美国专利6,226,542和6,301,496中和公开于共同转让的 美国专利6,892,091中的方法来制备电活动标测图，这些专利的公开内容以 引用方式并入本文。一种包括系统10的元件的商品可以
Figure RE-GDA0001731915570000041
系统购 自Biosense Webster，Inc.(3333Diamond Canyon Road，Diamond Bar，CA 91765)。此系统可由本领域的技术人员进行修改以实施本文所述的本发明 的原理。
可以通过施加热能对例如通过电活动图评价而确定为异常的区域进行 消融，例如，通过将射频电流通过导管中的金属线传导至远侧末端18处的 一个或多个电极，这些电极将射频能量施加到心肌。所述能量在组织中被 吸收，从而将该组织加热到该组织永久性地失去其电兴奋性的点(通常高 于50℃)。此手术成功后，此过程在心脏组织中形成非传导性的消融灶， 这些消融灶可中断导致心律失常的异常电通路。本发明的原理可应用于不同的心脏腔室，以诊断并治疗多种不同的心律失常。
导管14通常包括柄部20，在柄部上具有合适的控制件，以使操作者 16能够按消融手术所需对导管的远侧端部进行操纵、定位和定向。为了协 助操作者16，导管14的远侧部分包括向位于控制台24中的处理器22提供 信号的位置传感器(未示出)。处理器22可以履行如下所述的若干处理功 能。
可使消融能量和电信号经由线缆34穿过位于远侧末端18处或附近的 一个或多个消融电极32，在心脏12和控制台24之间来回传送。可以通过 缆线34和电极32将起搏信号和其它控制信号从控制台24传送至心脏12。 还连接到控制台24的感测电极33设置在消融电极32之间，并且具有至缆 线34的连接部。
线连接件35将控制台24与体表电极30和用于测量导管14的位置和 取向坐标的定位子系统的其它部件连接在一起。处理器22或另一个处理器 (未示出)可以是定位子系统的元件。电极32和体表电极30可用于如以 引用方式并入本文的授予Govari等人的美国专利7,536,218中所提出的在消 融位点处测量组织阻抗。温度传感器(未示出)，通常为热电偶或热敏电 阻器，可安装在电极32中的每个上或附近。
控制台24通常包含一个或多个消融功率发生器25。导管14可适于利 用任何已知的消融技术将消融能量例如射频能量、超声能量、冷冻能量和 激光产生的光能传导至心脏。共同转让的美国专利Nos.6,814,733、 6,997,924和7,156,816中公开了此类方法，这些专利以引用方式并入本文。
在一个实施方案中，定位子系统包括磁定位跟踪布置，该磁定位跟踪 布置利用磁场生成线圈28，通过以预定的工作容积生成磁场并感测导管处 的这些磁场来测定导管14的位置和取向。定位子系统在以引用方式并入本 文的美国专利No.7,756,576以及上述美国专利No.7,536,218中有所描述。
如上所述，导管14联接到控制台24，这使得操作者16能够观察并调 控导管14的功能。控制台24包括处理器，优选为具有适当信号处理电路 的计算机。该处理器被联接以驱动监视器29。信号处理电路通常接收、放 大、过滤并数字化来自导管14的信号，包括由传感器诸如电传感器、温度 传感器和接触力传感器和位于导管14远侧的多个位置感测电极(未示出) 生成的信号。数字化信号由控制台24和定位系统接收并使用，以计算导管 14的位置和取向以及分析来自电极的电信号。
为了生成电解剖标测图，处理器22通常包括电解剖标测图发生器、图 像对准程序、图像或数据分析程序和被配置成在监视器29上呈现图形信息 的图形用户界面。
通常，系统10包括为简明起见而未示出于附图中的其它元件。例如， 系统10可包括心电图(ECG)监视器，该心电图(ECG)监视器被联接以接收来 自一个或多个体表电极的信号，以便为控制台24提供ECG同步信号。如 上所述，系统10通常还包括参考定位传感器，该参考定位传感器位于附接 到受试者身体外部的外部施加参考贴片上，或者位于插入心脏12中并相对 于心脏12保持在固定位置中的内置导管上。提供了用于使液体循环穿过导管14以冷却消融位点的常规泵和管路。系统10可接收来自外部成像模态 诸如MRI单元等的图像数据并且包括图像处理器，该图像处理器可结合在 处理器22中或由处理器22调用以用于生成并显示图像。
第一实施方案。
现在参考图2和图3，它们分别是导管的远侧部分41的局部剖视图和 根据本发明的实施方案的远侧部分41中的组件109的示意性局部分解图。 如图2所示，远侧部分41具有消融电极43。温度传感器57可存在于远侧 部分41中以监测消融位点处的温度。柔性弹簧螺旋线63是弹性材料的管 状件，其沿着该管状件的长度的一部分具有穿过其的多个交织的螺旋切 口，该管状件随着导管与组织之间的接触力变化而沿着对称轴线51收缩和 扩张。
包括螺旋线63的接触力传感器53设置在消融电极43近侧的远侧部分 中。接触力传感器53由射频接收器-发射器组合(图2中未示出)组成。在 该实施方案中，接收器在发射器近侧。但是，它们可以相反的顺序设置。 接触力传感器53在远端部分41内形成可变形的联接构件。这种两部分具 体实施简化了将磁场发生器和磁位置传感器组装到构件中。
组件109通常由柔性塑料护套87覆盖。当导管69用于例如通过经由 电极89传送射频电能消融心内膜组织时，在远侧末端49的区域中产生大 量的热。为此，期望塑料护套87包含耐热塑料材料，诸如聚氨酯，其形状 和弹性在暴露于热时基本不受影响。最重要的是，塑料护套87用于不让血 液进入导管内部。
如在图3中最佳理解的那样，接触力传感器53包括成对的射频发射器 和接收器。接收器是三个线圈94的组，任选地设置有用于信号增强的内部 铁氧体磁芯111。线圈94面向发射线圈113，该发射线圈是发射接收于线 圈94中的射频信号的单频环形天线。三个线圈94从由发射线圈113产生 的入射射频辐射产生信号。所接收的射频信号的振幅通常与线圈94和发射 线圈113之间的距离大致成反向变化，并且因此提供螺旋线63的接触力依 赖性变形的测量。从下面的实施方案的描述中将看到，发射器和接收器可 以分别实现为平面印刷电路板(PCB)。这减小了接触力传感器53的总体尺 寸。
组件109包括定位器线圈115，该定位器线圈115通过从外部场生成线 圈28(图1)产生的入射RF辐射产生位置依赖性信号而用作位置检测器。 场生成线圈28(通常九个)固定在定位于患者下方的定位垫中。定位器线 圈115由三个线圈94外接。
在一些实施方案中，可通过在发射线圈113中使用不同的频率来辨别 接收在三个线圈94中的信号。力依赖性信号的分析给出了远侧末端上的力 的大小。该分析还可揭示远侧末端相对于螺旋线63的近侧端部轴线的取 向，即螺旋线63围绕对称轴线51的弯曲的量。
使用这些部件的力传感器的更完整的描述在Ben Haim的PCT专利文 献WO96/05768、共同转让的美国专利申请公布No.2011/0130648和 2009/0093806以及共同转让的申请序列号14/974,731中给出，这些专利以 引用方式并入本文。
现在参见图4，该图为根据本发明的实施方案的心脏导管117的远侧 部分的正视图。导管117在其远侧端部处具有消融电极119，以及包括接触 力传感器的弹性接触力传感器组件121。可见的是延伸到消融电极119的近 侧部分的塑料护套123。螺旋状弹簧125形成为管状塑料材料127中的切 口。定位器线圈129设置在弹簧125的近侧。存在图3所示的发射器和接 收器，但在图4中看不到。
第二实施方案。
现在参见图5，该图为根据本发明的另选实施方案的心脏导管的远侧 部分中的组件131的放大视图。组件131类似于组件121(图3)，不同的 是现在在接触力传感器中采用了镍钛诺弹簧133。塑料护套135覆盖弹簧 133。弹簧133相对于护套135滑动。护套135的内径大于弹簧133的外 径。在弹簧133的下方看到了接收线圈137和发射线圈141的边缘。磁导材料139位于发射线圈和接收线圈两者的顶部上。
第三实施方案。
现在参见图6，该图为根据本发明的另选实施方案的导管143的远侧 端部的示意性剖面图。在该实施方案中，组件145包含两个扁簧线圈147。 通常，组件145具有2.5mm的直径和1mm的长度。发射器91和接收器93 的接收线圈94设置在组件145的相反的侧上，并且可包括印刷电路板。导 体95，97向发射器91和接收器93供电。
现在参见图7，该图是根据本发明的实施方案以稍微透视的方式示出 的组件145(图5)的分解图。组件145具有发射器保持器149和接收器保 持器151。发射器91和接收器93(图6中未示出)可附接到这些保持器。 发射器保持器149和接收器保持器151分别与第一扁簧线圈153和第二扁 簧线圈155的外边缘配合。扁簧线圈153，155通过与扁簧线圈153，155的 内部边缘匹配的间隔件157保持分开。扁簧线圈153，155响应于将发射器 保持器149和接收器保持器151朝向彼此推压的压缩力而变形，如图6中 的箭头159所示。当压缩力去除时，扁簧线圈153，155恢复到静止状态。
扁簧线圈153，155可以批量生产以降低单位成本。设计可以由平面金 属片诸如扁平的镍钛诺板切割、冲压或以其它方式形成，并且可定形为其 最终形式。由于发射器保持器149和接收器保持器151位于接触力传感器 的相反的端部处而将发射器91和接收器93分开，所以在心脏导管中最小 化弹簧的弹性部分的厚度是重要的。(图5)。发射器91和接收器93隔开 0.1-1.5mm范围内的距离。此外，通过将金属片激光切割成图案，不需要焊 接，这使得单位成本较低，并且相对于传统的焊接弹簧提高了可靠性。
用于制造适用于(加上必要的变更)扁簧线圈153，155的弹簧线圈的 技术的另外细节公开于名称为“在折叠的镍钛诺片中形成的线圈(Coils Formed in Folded NitinolSheet)”的共同转让的共同未决的申请序列号 15/347,242中，其公开内容以引用方式并入本文。
如在前面的实施方案中那样，组件145、发射器91和接收器93可被构 造成具有介于发射部分和接收部分之间的电连接件的整体模块。
第四实施方案。
在该实施方案中，发射器和接收器是附接到扁簧线圈的相反的端部的 平面结构。发射器和接收器之间的距离随弹簧线圈变形和松弛而变化。现 在参见图8，该图是根据本发明的实施方案的具有集成定位线圈的接触力传 感器中的平面组件161的顶视图。组件161可以安装在扁簧线圈(未示 出)的任一端处，并且具有布置形成为电路板并且配置为发射器或接收器 的电子电路163。电路板可以用具有高磁导率的材料覆盖，以便提高磁校准。材料可以是例如为符合电路板的形状的梯形形式的高导磁合金。电子 电路163连接到以120度角环形布置的三个线圈165。在该示例中，线圈 165被用作接收线圈。
发射线圈的布置是相似的。当线圈165被用作发射线圈时，发射器包 括三个单独的发射器。从下面的描述中将看到，发射线圈与相应的接收线 圈对准，这增加了接触力传感器的读数的准确性。三个发射线圈可被连 接，使得它们串联并且可以由一个交流发电机供电，或者并联，此时它们 可由不同的交流发电机以不同的频率运行。
还示出了可选的绕组167。绕组167是图1中所示的定位子系统的部 件，这在本公开的范围之外。
现在参考图9，该图是根据本发明的实施方案的弹簧组件169的斜视 图。三个平面发射线圈171与可压缩弹簧175的相反的端部上的接收线圈 173相对抗，该可压缩弹簧175被布置为具有至少三个绕组和平坦表面的螺 旋线。
现在参见图10，该图为根据本发明的实施方案的组件169的侧视图。 发射线圈171和接收线圈173是柔性的，并且当弹簧响应于抵靠上支腿181 和下支腿183起作用的压缩力而变形时，发射线圈171和接收线圈173保 持施加到弹簧175的上平坦表面177和下平坦表面179。术语“上”和 “下”在本文中随意地使用以辨别相反的方向。相对于组件169的实际配置，这些术语没有物理意义。
本领域技术人员应当理解，本发明不限于上文具体示出和描述的内 容。相反，本发明的范围包括上文所述各种特征的组合与子组合两者，以 及本领域的技术人员在阅读上述说明书时可想到的未在现有技术范围内的 上述各种特征的变型和修改。

Claims (10)

1.一种用于诊断和外科意图的设备，包括：
柔性探头，所述柔性探头具有近侧部分和远侧端部，所述柔性探头适于插入活体受检者的体腔中，所述柔性探头具有在所述柔性探头的所述远侧端部处的远侧末端；以及
接触力传感器，所述接触力传感器在所述柔性探头的所述远侧端部中，包括：
发射器；
接收器，所述接收器接收来自所述发射器的信号用于感测所述接收器相对于所述发射器的位置；以及
弹性元件，所述弹性元件设置在所述发射器和所述接收器之间，所述弹性元件被配置成当所述远侧末端接合所述体腔的壁时响应施加在所述远侧末端上的压力而变形，其中所述弹性元件是一对扁簧线圈，
其中所述接触力传感器包括所述一对扁簧线圈、位于两者间的间隔件，以及在所述接触力传感器的相反的端部处的两个保持器，所述两个保持器分别与所述扁簧线圈接触。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述接触力传感器包括介于所述柔性探头的所述近侧部分和所述远侧端部之间的可变形结合部。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述发射器和所述接收器包括平面印刷电路板。
4.根据权利要求3所述的设备，其中磁导材料放置在每个所述平面印刷电路板的顶部上。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述磁导材料在每个所述平面印刷电路板上包括至少一个板的高导磁合金。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述接触力传感器、所述发射器和所述接收器包括整体子组件。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述接收器包括三个接收线圈。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述发射器包括三个发射线圈。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述三个发射线圈串联连接，并且恰好由一个发电机供电。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述三个发射线圈由相应发电机以不同频率供电。
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