CN108601618B - 具有阻抗引导的取向的力感测导管 - Google Patents

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Abstract

一种适于确定接触力的导管，该导管包括近端节段、远端节段和从近端节段延伸到远端节段的弹性节段。远端节段包括多个尖端电极，其包括围绕远端节段的圆周布置的至少三个径向电极。径向电极被配置为输出指示接触力的接触矢量的电信号。弹性节段包括力感测装置，该力感测装置被配置为输出指示接触力的轴向分量的大小的电信号，其中，通过由接触矢量对接触力的轴向分量的大小进行缩放来确定接触力。

Description

具有阻抗引导的取向的力感测导管
相关申请的交叉引用
此申请要求于2016年1月29日提交的临时申请号62/288,434的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。
技术领域
本公开涉及用于消融和/或标测患者的身体内的解剖空间的医疗装置和方法。更具体地，本公开涉及用于测量导管上的接触力的装置和方法。
背景技术
在消融治疗中，评估消融元件和靶向待消融的组织之间的接触可以是有用的。在介入心脏电生理(EP)过程中，例如，接触可以被用于评估正被递送的消融治疗的有效性。可以通过知晓导管的一部分是否接触靶向组织以及导管的部分在什么程度上按压在靶向组织上来帮助其他基于导管的治疗和诊断(诸如标测)。组织往回对导管施加力，其可以被测量以评估接触以及导管按压在靶向组织上的程度。
除其他方面外，本公开还涉及利用导管测量力的系统。
发明内容
示例1是适于确定接触力的导管，该导管包括近端节段、远端节段和从近端节段延伸到远端节段的弹性节段。远端节段包括多个尖端电极，尖端电极包括围绕远端节段的圆周布置的至少三个径向电极。径向电极被配置为输出指示接触力的接触矢量的电信号。弹性节段包括力感测装置，其被配置为输出指示接触力的轴向分量的大小的电信号，其中，通过由接触矢量对接触力的轴向分量的大小进行缩放来确定接触力。
在示例2中，示例1的所述导管，其中，多个尖端电极还包括布置在远端节段的远端端部处的至少一个轴向电极，该轴向电极被配置为与径向电极一起输出指示接触力的接触矢量的电信号。
在示例3中，示例1或2中的任一项所述的导管，其中，力感测装置包括具有纵轴的弹性元件和位置传感器，该位置传感器沿弹性元件的纵轴布置并且被配置为输出指示近端节段和远端节段之间的相对轴向移动的信号。
在示例4中，示例1或2中的任一项所述的导管，其中，力感测装置包括弹性元件，其由压阻材料制成并且被配置为输出压阻材料的电阻的变化，该压阻材料的电阻的变化指示由弹性元件的轴向压缩的变化所产生的弹性元件的应变的变化。
在示例5中，示例3或4中的任一项所述的导管，其中，弹性元件被配置为在相对于近端节段的基本取向(base orientation)中机械地支撑远端节段、当远端节段响应于接触力的施加而相对于近端节段移动时进行压缩、并且一旦接触力已被移除就使远端节段弹性地返回到相对于近端节段的基本取向。
在示例6中，示例1-5中的任一项所述的导管，其中，多个尖端电极是标测电极。
在示例7中，示例1-6中的任一项所述的导管，其中，远端节段还包括被配置为递送消融治疗的消融元件。
示例8是用于确定接触力的系统，该系统包括根据示例1-7中的任一项所述的导管和控制电路。该控制电路被配置为：从多个尖端电极中的每个接收电信号；基于它们各自的电信号来确定多个尖端电极中的每个的单独矢量；通过对多个尖端电极中的每个的单独矢量进行求和来确定接触力的接触矢量；从力感测装置接收电信号；基于从力感测装置接收到的电信号来确定接触力的轴向分量的大小；以及通过由接触矢量对接触力的轴向分量的大小进行缩放来确定接触力。
在示例9中，示例8的所述系统，其中，针对多个尖端电极中的每个的单独矢量包括相应尖端电极的大小和方向。
在示例10中，示例8或9中的任一项所述的系统，其中，控制电路还被配置为致使多个尖端电极中的至少一个提供远端节段外部的电流，并且单独矢量中的每个的大小包括电压。
在示例11中，示例8-10中的任一项所述的系统，还包括具有显示器的用户界面，其中，控制电路还被配置为在显示器上用图形指示接触力的大小和方向。
示例12是用于确定施加在导管上的接触力的方法，导管具有布置在近端节段和远端节段之间的弹性节段，远端节段包括多个电极，并且弹性节段包括轴向力感测装置。该方法包括：从多个电极中的每个接收电信号；基于它们各自的电信号确定针对多个电极中的每个的单独矢量；通过对多个电极中的每个的单独矢量进行求和来确定接触力的接触矢量；从轴向力感测装置接收电信号；基于从轴向力感测装置接收到的电信号来确定接触力的轴向分量的大小；以及通过由接触矢量对接触力的轴向分量的大小进行缩放来确定接触力。
在示例13中，示例12的所述方法，其中，确定针对多个电极中的每个的单独矢量包括确定相应电极的大小和方向。
在示例14中，示例13的所述方法，还包括致使多个电极中的至少一个提供远端节段外部的电流，其中，针对单独矢量中的每个所确定的大小包括电压。
在示例15中，示例12-14中的任一项所述的方法，还包括致使显示装置呈现导管和接触力的表示。
示例16是适于确定接触力的导管，该导管包括近端节段、远端节段和从近端节段延伸到远端节段的弹性节段。远端节段包括多个尖端电极，尖端电极包括围绕远端节段的圆周布置的至少三个径向电极。径向电极被配置为输出指示接触力的接触矢量的电信号。弹性节段被配置为响应于在远端节段上接触力的施加而允许远端节段和近端节段之间的相对运动。弹性节段包括力感测装置，该力感测装置被配置为输出指示接触力的轴向分量的大小的电信号，其中，通过由接触矢量对接触力的轴向分量的大小进行缩放来确定接触力。
在示例17中，示例16的所述导管，其中，多个尖端电极还包括布置在远端节段的远端端部处的至少一个轴向电极，该轴向电极被配置为与径向电极一起输出指示接触力的接触矢量的电信号。
在示例18中，示例16的所述导管，其中，力感测装置包括具有纵轴的弹性元件，该弹性元件被配置为在相对于近端节段的基本取向中机械地支撑远端节段、当远端节段响应于接触力的施加而相对于近端节段移动时进行压缩、并且一旦接触力已被移除就使远端节段弹性地返回到相对于近端节段的基本取向。
在示例19中，示例18的所述导管，其中，力感测装置还包括位置传感器，其沿着弹性元件的纵轴布置并且被配置为输出指示近端节段和远端节段之间的相对轴向移动的信号。
在示例20中，示例18的所述导管，其中，弹性元件由压阻材料制成并且被配置为输出压阻材料的电阻的变化，该压阻材料的电阻的变化指示由弹性元件的轴向压缩的变化所产生的弹性元件的应变的变化。
在示例21中，示例16的所述导管，其中，多个尖端电极是标测电极。
在示例22中，示例16的所述导管，其中，远端节段还包括被配置为递送消融治疗的消融元件。
示例23是用于确定接触力的系统，该系统包括导管和控制电路。导管包括近端节段、远端节段和从近端节段延伸至远端节段的弹性节段。远端节段包括多个尖端电极，尖端电极包括围绕远端节段的圆周布置的至少三个径向电极。径向电极配置为输出指示接触力的接触矢量的电信号。弹性节段包括力感测装置，其被配置为输出指示接触力的轴向分量的大小的电信号。该控制电路被配置为：从多个尖端电极中的每个接收电信号；基于它们各自的电信号来确定多个尖端电极中的每个的单独矢量；通过对多个尖端电极中的每个的单独矢量进行求和来确定接触力的接触矢量；从力感测装置接收电信号；基于从力感测装置接收到的电信号来确定接触力的轴向分量的大小；以及通过由接触矢量对接触力的轴向分量的大小进行缩放来确定接触力。
在示例24中，示例23的所述系统，其中，多个尖端电极还包括布置在远端节段的远端端部处的至少一个轴向电极，该轴向电极被配置为与径向电极一起输出指示接触力的接触矢量的电信号。
在示例25中，示例23的所述系统，其中，力感测装置包括具有纵轴的弹性元件，该弹性元件被配置为在相对于近端节段的基本取向中机械地支撑远端节段、当远端节段响应于接触力的施加而相对于近端节段移动时进行压缩、并且一旦接触力已被移除就使远端节段弹性地返回到相对于近端节段的基本取向。
在示例26中，示例25的所述系统，其中，力感测装置还包括位置传感器，其沿着弹性元件的纵轴布置并且被配置为输出指示近端节段和远端节段之间的相对轴向移动的信号。
在示例27中，示例25的所述系统，其中，弹性元件由压阻材料制成并且被配置为输出压阻材料的电阻的变化，该压阻材料的电阻的变化指示由弹性元件的轴向压缩的变化所产生的弹性元件的应变的变化。
在示例28中，示例23的所述系统，其中用于多个尖端电极中的每一个的各个矢量包括相应尖端电极的大小和方向。
在示例29中，示例23的所述系统，其中，控制电路还被配置为致使多个尖端电极中的至少一个提供远端节段外部的电流，并且单独矢量中的每个的大小包括电压。
在示例30中，示例23的所述系统，还包括具有显示器的用户界面，其中，控制电路还被配置为在显示器上用图形指示接触力的大小和方向。
示例31是用于确定施加在导管上的接触力的方法，导管具有布置在近端节段和远端节段之间的弹性节段，远端节段包括多个标测电极，并且弹性节段包括轴向力感测装置。该方法包括：从多个电极中的每个接收电信号；基于它们各自的电信号确定针对多个标测电极中的每个的单独矢量；通过对多个标测电极中的每个的单独矢量进行求和来确定接触力的接触矢量；从轴向力感测装置接收电信号；基于从力感测装置接收到的电信号来确定接触力的轴向分量的大小；以及通过由接触矢量对接触力的轴向分量的大小进行缩放来确定接触力。
在示例32中，示例31的所述方法，其中，确定针对多个标测电极中的每个的单独矢量包括确定相应标测电极的大小和方向。
在示例33中，示例31的所述方法，还包括致使多个标测电极中的至少一个提供远端节段外部的电流，其中，针对单独矢量中的每个所确定的大小包括电压。
在示例34中，示例31中的任一项所述的方法，还包括致使显示装置呈现导管和接触力的表示。
在示例35中，示例31中的任一项所述的方法，还包括对从多个标测电极中的每个接收到的电信号进行滤波以移除来自消融过程的电信号。
尽管公开了多个实施例，但是对本领域的技术人员而言，本发明的又其他实施例从下面的详细描述将变得显而易见，该详细描述示出并描述了本发明的说明性实施例。相应地，附图和详细描述要被认为在本质上是说明性的而不是限制性的。
附图说明
图1A-图1C示出了根据此公开的各种实施例的用于利用导管测量力的系统。
图2示出了用于控制本文所描述的各种功能的电路的框图。
图3示出了根据此公开的各种实施例的导管的远端端部的透视图。
图4示出了根据此公开的各种实施例的图3的导管的远端端部的内部的侧视图。
图5示出了与心脏组织轴向接触的图3和图4的导管的远端端部的侧视图。
图6示出了图5的导管的示意性端视图。
图7示出了与心脏组织呈角接触的图3和图4的导管的远端端部的侧视图。
图8示出了图7的导管的示意性端视图。
图9示出了根据此公开的各种实施例的导管的另一实施例的远端端部的侧视图。
图10示出了图9的导管的示意性端视图。
图11示出了根据此公开的各种实施例的导管的另一实施例的远端端部的透视图。
图12示出了根据此公开的各种实施例的图11的导管的远端端部的内部的侧视图。
尽管本发明顺应于各种修改和可替选形式，但具体实施例已经作为示例在附图中示出并且在下面进行详细描述。然而，意图不是将本发明局限于所描述的特定实施例。相反，本发明旨在覆盖落入由所附权利要求限定的本发明范围内的所有修改、等同物和可替代方案。
具体实施方式
各种心脏异常可以归因于心脏组织的不适当的电活动。此类不适当的电活动可以包括但不限于以不支持高效和/或有效的心脏功能的方式的电信号的生成、电信号的传导和/或组织的机械收缩。例如，心脏组织的区域可能在心动周期期间变为过早或否则不同步电活动的，从而导致该区域和/或相邻区域的心脏细胞无节律地收缩(contract out ofrhythm)。结果是异常的心脏收缩，其针对最佳心输出量不被定时。在一些情况下，心脏组织的区域可能提供导致心律失常(诸如，心房纤颤或室上性心动过速)的错误电通路(诸如，短路)。在一些情况下，失活的(inactivate)组织(例如，瘢痕组织)可以优选于机能失常的心脏组织。
心脏消融是治疗心脏组织以使该组织失活的过程。如上所述，靶向待消融的组织可以与不适当的电活动相关联。心脏消融可以损伤组织并防止该组织不适当地生成或传导电信号。例如，损伤的心脏组织的线、圆或其他形成物可以阻断不当的电信号的传播。在某些情况下，心脏消融旨在导致心脏组织的死亡并且在损伤上重新形成疤痕组织，其中疤痕组织不与不适当的电活动相关联。损伤治疗包括电消融、射频消融、冷冻消融、微波消融、激光消融和手术消融等。虽然心脏消融治疗在本文中被称为范例，但是本公开的各种实施例可以涉及消融其他类型的组织的消融和/或递送其他治疗的非消融诊断和/或导管。
理想地，消融治疗可以以微创方式递送，诸如利用通过血管引入到心脏的导管，而不是手术地打开心脏以用于直接进入(诸如，如在迷宫手术过程中)。例如，可以使用单个导管来执行心脏的内表面的电生理学研究(也称为标测)以识别电活动模式。根据这些模式，临床医生可以识别出不适当电活动的区域并以杀死或隔离与不适当电活动相关联的组织的方式来消融心脏组织。然而，在基于导管的过程中缺少直接进入可能要求临床医生仅通过单个导管与心脏组织相互作用并且保持跟踪导管收集的或另外与该过程相关联的所有信息。特别地，确定治疗元件的位置(例如，与组织的接近)、损伤的质量以及组织是否完全损伤、损伤不足(例如，仍然能够生成和/或传导不需要的电信号)或过度损伤(例如，烧穿或另外方式削弱心脏壁)可能是挑战性的。损伤的质量可以取决于消融元件和靶向组织之间的接触程度。例如，几乎不接触组织的消融元件可能未被充分地定位以提供有效的消融治疗。相反，被过度按压入组织的消融元件可能会导致穿孔。
除其他方面外，本公开还涉及用于评估导管的一部分(例如，消融元件)与组织之间的接触程度的方法、装置和系统。知晓接触程度(诸如由导管和组织之间接触产生的力的大小和方向)可以有助于确定靶向组织的损伤程度。有关心脏组织损伤程度的信息可以被用于确定组织是否应该被进一步损伤或组织是否被成功消融等。此外或可替选地，接触的指示在导航导管时可以是有用的，这是因为当使导管在患者内前进时，用户可能感觉不到从组织施加到导管上的力，从而导致血管或心脏组织受损或穿孔。
图1A-图1C示出了用于感测来自身体内部的数据和/或递送治疗的系统100的实施例。例如，系统100可以被配置为标测心脏组织和/或消融心脏组织等其他选项。系统100包括经由手柄114连接到控制单元120的导管110。导管110可以包括细长管状构件，其具有与手柄114连接的近端端部115和被配置为被引入到心脏101或身体的其他区域内的远端端部116。如图1A中所示，导管110的远端端部116位于左心房内。
如图1B中所示，导管110的远端端部116包括近端节段(segment)111、弹性节段112和远端节段113。近端节段111、弹性节段112和远端节段113可以在如图1B中所示的基本取向中彼此同轴对准。具体地，近端节段111、弹性节段112和远端节段113中的每个与公共纵轴109同轴对准。纵轴109可以延伸穿过近端节段111、弹性节段112和远端节段113中的每个的径向中心，并且可以作为整体延伸穿过远端端部116的径向中心。近端节段111、弹性节段112和远端节段113可以被机械地偏置以呈现基本取向。在一些实施例中，近端节段111与远端节段113的同轴对准可以对应于基本取向。如所示，至少沿着近端节段111、弹性节段112和远端节段113的远端端部116直线延伸。在一些实施例中，近端节段111、弹性节段112和远端节段113的这种直线布置可以对应于基本取向。
如本文进一步讨论的，远端节段113包括被配置为感测局部阻抗变化以确定接触矢量的多个尖端电极。在其他实施例中，多个尖端电极可以另外被配置用于感测电活动(诸如电心脏信号)，并且可以被称为标测电极。在其他实施例中，远端节段113可以此外或可替选地包括将被用于将消融能量递送到组织的消融电极。
导管110包括力感测能力。例如，如图1B和图1C中所示，导管110被配置为感测由于与心脏101的组织117接合而产生的力。远端节段113可以是相对刚性的，而远端节段113的节段近端可以是相对柔性的。特别地，弹性节段112可以比远端节段113和近端节段111更具柔性，使得当导管110的远端端部116接合组织117时，弹性节段112弯曲并压缩，如图1C中所示。例如，如图1B中所示，导管110的远端端部116可以大致上是直的。当远端节段113接合组织117时，导管110的远端端部116可以在弹性节段112处弯曲和压缩，使得远端节段113相对于近端节段111移动。如图1B和图1C中所示，来自组织的法向力使远端节段113移动脱离与近端节段111的同轴对准(例如，相对于纵轴109)，导致弹性节段112压缩。照这样，近端节段111和远端节段113可以是轴向不可压缩的，不因为力而压缩，而弹性节段112可以不太硬并且压缩以适应施加在导管110的远端端部116上的力。在导管110的远端端部116内的力感测装置可以感测弹性节段112的轴向压缩程度，以供在通过接触矢量缩放接触力的大小的轴向分量来确定接触力的大小和方向时使用，如本文进一步讨论的。
系统100的控制单元120包括用于显示信息的显示器121(例如，液晶显示器或阴极射线管)。控制单元120还包括用户输入122，其可以包括用于接收用户输入的一个或多个按钮、切换键、轨迹球、鼠标、触摸板等。用户输入122可以另外或可替选地位于手柄114上。控制单元120可以包含用于执行本文提及的功能的控制电路。控制电路中的一些或全部可以可替选地位于手柄114内。
图2示出了可以执行本文提及的功能的控制电路的示例的框图。这个或其他控制电路可以被容纳在控制单元120内，控制单元120可以包括其中分布有部件的单个壳体或多个壳体。控制电路可以另外或可替选地被容纳在手柄114内。如本领域中已知的，控制单元120的部件可以由电源(未示出)供电，该电源可以向控制单元120和系统100的部件中的任一个供电。除其他选项外，电源可以插入到电源插座中和/或从电池提供电力。
控制单元120可以包括导管接口119。导管接口119可以包括接收来自手柄114的电线(cord)的插头。导管110可以包括多个导体(未示出但本领域已知)以在远端端部116和近端端部115之间传送电信号并且进一步传送到导管接口119。通过导管接口119，控制单元120(和/或手柄114，如果控制电路被包括在手柄114中)可以将电信号发送到导管110内的任何元件和/或从导管110内的任何元件接收电信号。导管接口119可以将信号传导至控制单元120的部件中的任一个。
控制单元120可以包括接触矢量子系统123。接触矢量子系统123可以包括用于操作系统100的接触矢量确定功能的部件。此类部件可以包括高频亚阈值电流发生器和被配置为选择性地向多个尖端电极递送能量以用于确定组织阻抗的多路复用器以及信号处理电路，其被配置为对来自尖端电极的电信号进行滤波和处理以用于确定接触矢量，如本文进一步讨论的。亚阈值能量处于低于消融递送能量或刺激心肌所需的能量的电流。在美国临时专利申请号62/258396中进一步描述了对尖端电极提供亚阈值能量以用于确定组织阻抗，出于所有目的通过引用将其全部内容并入本文。接触矢量子系统123可以经由导管接口119向导管110内的元件发送信号和/或经由导管接口119从导管110内的元件接收信号。
控制单元120可以包括标测子系统124。标测子系统124可以包括用于操作系统100的标测功能的部件。虽然图2中所示的控制电路的所示示例包括标测子系统，但将理解，并非所有实施例都可以包括标测子系统124或用于标测心脏组织的任何电路。标测子系统124可以包括信号处理电路，其被配置为对来自尖端电极的电信号进行滤波和处理以检测局部心脏内电活动。在一些实施例中，导管110可以被配置为被用于局部标测和消融功能两者，在消融过程期间提供局部的、高分辨率ECG信号。在此类实施例中，标测子系统124的信号处理电路可以被配置为对从尖端电极接收到的电信号(即，局部电描记图或阻抗测量)进行滤波以去除从消融能量引入的噪声。标测子系统124可以经由导管接口119从导管110内的元件接收信号。
控制单元120可以包括消融子系统125。消融子系统125可以包括用于操作系统100的消融功能的部件。尽管图2中所示控制电路的示出的示例包括消融子系统，但将理解的是，并非所有实施例可以包括消融子系统125或用于生成消融治疗的任何电路。消融子系统125可以包括消融发生器，以根据特定配置(例如，在通过一个或多个电极输出射频消融的情况下的高频交流信号)提供不同的治疗输出。例如在美国专利号5,383,874和美国专利号7,720,420中进一步描述了向目标部位提供消融能量，出于所有目的通过引用将其中的每个的全部内容并入本文。消融子系统125可以支持任何其他类型的消融治疗，诸如微波消融。消融子系统125可以通过导管接口119将信号或其他类型的消融能量递送到导管110。
控制单元120可以包括力感测子系统126。力感测子系统126可以包括用于测量由导管110所经受的轴向力的部件。此类部件可以包括信号处理器、模数转换器、运算放大器、比较器和/或用于调节和测量一个或多个信号的任何其他电路。力感测子系统126可以经由导管接口119向导管110内的元件发送信号和/或经由导管接口119从导管110内的元件接收信号。
接触矢量子系统123、标测子系统124、消融子系统125和力感测子系统126中的每个都可以向处理器127发送信号并且从处理器127接收信号。处理器127可以是用于执行计算机功能的任何类型的处理器。例如，处理器127可以执行存储在存储器128内的程序指令以执行本文中提及的任何功能，诸如确定由导管110所经受的力的大小和方向。
控制单元120还包括可以支持用户输入和输出功能的输入/输出子系统129。例如，除其他选项外，输入/输出子系统129可以支持显示器121以显示本文中提及的任何信息，诸如组织、导管110以及由导管110所经受的力的大小和方向的图形表示。输入/输出子系统129可以经由用户输入122记录密钥和/或其他输入条目并将条目路由到其他电路。
单个处理器127或多个处理器可以执行一个或多个子系统的功能，并且因此子系统可以共享控制电路。虽然本文呈现了不同的子系统，但是电路可以被分配在更多或更少数量的可以被分开或一起容纳的子系统之间。在各种实施例中，电路不分布在子系统之间，而是作为统一的计算系统来提供。无论是分布的还是统一的，部件都可以被电连接以协调和共享资源以执行功能。
图3示出了导管110的远端端部116的详细视图。如所示，近端节段111可以在弹性节段112的近端并与其相邻。弹性节段112与远端节段113相邻。
如图3中所示，导管110是消融导管，并且远端节段113可以包括消融电极130、多个端口131和多个尖端电极132。消融电极130可以呈主要限定远端节段113的外壳形式，并且可以包含其他部件。在其他实施例中，远端节段113可以不包括消融电极130并且可以不由消融电极130来限定。在一些实施例中，多个端口131可以被流体地连接到冲洗流体源以用于冲洗邻近远端节段113的外部容积。尖端电极132可以是微型电极，其在直径上可以每个是大约1毫米，并且可以围绕远端部分113的圆周均匀分布，如图6和图8中更清楚地示出的那样。可以通过绝缘体133使尖端电极132中的每个与消融电极130电隔离。尽管图3的实施例具有围绕远端节段113的圆周彼此大约120度均匀布置的三个尖端电极132(在图3中两个可见)，但应理解的是，其他实施例可以具有围绕远端节段113的圆周分布的多于三个尖端电极132和/或只要尖端电极132的相对位置是已知的，尖端电极132可以围绕远端节段的圆周不均匀地分布。
如图3中进一步所示，导管110包括导管轴134。导管轴134可以从远端节段113延伸到手柄114(图1A)，并且因此沿着弹性节段112、近端节段111并且进一步邻近近端端部115来限定导管110的外表面(图1A)。导管轴134可以是由各种聚合物(诸如聚氨酯、尼龙族聚合物、聚酰胺、聚醚嵌段酰胺、硅树脂和/或其他材料)形成的管。在一些实施例中，导管轴134可以是相对柔性的，并且至少沿着弹性节段112可以不向远端节段113提供任何材料机械支撑(例如，通过将导管轴134的壁沿着弹性节段112细化来促进)。
图4示出了在移除导管轴134以暴露出位于导管轴134之下的各种部件之后图3的导管110的远端端部116的内部的侧视图。如图4中所示，近端节段111可以包括近端环136，远端节段113可以包括远端环138，并且弹性节段112可以包括力感测装置140。近端环136和远端环138中的一个或两个可以由诸如聚乙烯或PEEK的聚合物材料形成，或者可以由诸如不锈钢的金属形成。近端环136和远端环138中的一个或两个可以由金属、聚合物和/或其他材料的复合材料形成。力感测装置140可以分别在近端和远端被附接到近端环136和远端环138。
在图4的实施例中，力感测装置140可以包括弹性元件142和位置传感器144。弹性元件142具有纵轴145。弹性元件142被描绘为螺旋弹簧，但是可以具有本领域已知的其他合适的形式。弹性元件142可以由弹性材料形成，例如聚合物材料、金属(例如不锈钢、镍钛诺)或其他材料。在一些实施例中，弹性元件142可以由不锈钢海波管形成。弹性元件142被附接到近端环136和远端环138并且具有纵轴145。位置传感器144沿着弹性元件142的纵轴145布置。位置传感器144可以是例如微型感应式位置传感器、线性可变差动变压器(LVDT)、电容式传感器、光学传感器、超声波传感器或应变计传感器。位置传感器144还可以被附接到近端环136和远端环138。可替选地，位置传感器144可以在其远端端部被附接到远端节段113内的任何结构，并且可以在其近端端部被附接到近端节段112内的任何结构。在任何情况下，位置传感器144被配置为输出指示近端节段111和远端节段113之间的相对轴向移动的信号，如以下所讨论的。
在基本取向中，近端环136、远端环138和力感测装置140可以相对于纵轴109同轴对准，如图4中所示。例如，纵轴109可以延伸穿过近端环136、远端环138和力感测装置140中的每个的相应径向中心。内管146可以穿过导管110(诸如，从手柄114，图1A)延伸到近端环136，并且可以包括一个或多个管腔，在其内一个或多个导体(未示出)可以从近端端部115(图1A)延伸到远端节段113，诸如用于与一个或多个电元件(例如，尖端电极132、消融电极130、位置传感器144或其他部件)连接。冷却剂流体可以另外或可替选地被引导通过内管146。在各种实施例中，导管110被打开冲洗(例如，通过多个端口131)以允许冷却剂流体流出远端节段113。各种其他实施例涉及非冲洗导管110。
一个或多个系绳(tether)148(示出一个)可以附接到近端环136。将图1A和图4一起考虑，系绳148可以附接到手柄114内的偏转机构，以引起远端端部116的偏转。手柄114上的旋钮、滑块或柱塞可以被用于在系绳148中产生张紧或松弛。
如图4中所示，弹性节段112可以从近端环136的远端边缘延伸到远端环138的近端边缘。因此，近端环136可以是近端节段111(图1A)的一部分并且甚至可以限定近端节段111(图1A)的长度。同样地，远端环138可以是远端节段113的一部分。弹性节段112可以是大部分或完全由弹性元件142机械支撑的相对柔性的部分。因此，近端环136和远端环138可以比弹性元件142更硬，使得指向远端节段113的接触力导致远端端116沿着弹性元件142而不是沿着远端节段113或近端节段111而弯曲。
因此，弹性元件142可以允许远端节段113基于施加在远端节段113上的接触力相对于近端节段111移动，并且一旦接触力已被移除就可以使远端节段113弹性地返回到其相对于近端节段111的原始取向。在远端节段上的接触力的施加期间随着弹性元件142压缩，位置传感器144输出指示近端节段111与远端节段113之间的相对轴向移动以克服弹性元件142的恢复力的信号。控制单元120(图2)的力感测子系统126可以使用此电信号来确定接触力的轴向分量的大小。可以使用胡克定律计算接触力的轴向分量的大小，其中基于预定的常数，弹性元件(例如，弹性元件142)的位移与放置在元件上的力成比例。仅施加在远端端部上的接触力的轴向分量的大小由力感测子系统126确定，这是因为只存在一个位置传感器144并且其沿着弹性元件142的纵轴布置。
在图4的实施例中，力感测装置140包括弹性元件142和位置传感器144。在其他实施例中，力感测装置140仅包括在弹性元件142上。在此类实施例中，弹性元件142由压阻材料形成，使得当应变被施加到弹性元件142时，弹性元件142的电阻率改变。如此配置，弹性元件142可以输出指示由弹性元件142的轴向压缩变化产生的弹性元件142中的应变变化的压阻材料的电阻的变化。控制单元120(图2)的力感测子系统126可以使用该电信号来确定施加在远端节段113上的接触力的轴向分量的大小。
图5示出了大部分被血液池150环绕并且与心脏101的组织117轴向接触(图1A)的图3和图4的导管110的远端端部116的侧视图。图6示出了图5的导管110的示意性端视图。将图5和图6一起考虑，多个尖端电极132被具体地指定为径向电极132a、132b和132c，因为每个尖端电极面向相对于远端节段113的纵轴L的径向方向。通过尖端电极132中的任一个(或在一些实施例中，消融电极130)驱动的电流产生可以由尖端电极132感测并作为电信号输出的电压。即，驱动电流在径向电极132a、132b或132c中的每个处产生由接触矢量子系统123感测的电压。电压可以被表示为单独矢量152、154和156，其具有感测到的电压的大小和分别从与径向电极132a、132b或132c最接近且与其等距的点向外朝向径向电极132a、132b或132c径向延伸的方向，如图6中所示。对于给定的亚阈值电流，在径向电极132a、132b或132c中的每个处感测到的电压主要是与邻近于径向电极132a、132b或132c中的每个的外部环境的阻抗的函数。控制单元120内的控制电路(例如在接触矢量子系统123或处理器127内)可以对三个电压矢量152、154和156进行求和以确定接触矢量160。
在图5和图6中所示示例中，径向电极132a、132b或132c经历相同的外部环境-血液池150，因此三个电压可以是相等的。控制电路对电压矢量152、154和156进行求和以确定具有零大小和未确定方向的接触矢量160。单独考虑，接触矢量160可以意味着轴向接触或根本不接触。控制电路将接触矢量160与由力感测子系统126确定的接触力的轴向分量的大小组合以确定接触矢量160是在轴向方向上。由于接触矢量160是在轴向方向上，因此控制电路通过以1：1对接触力大小的轴向分量进行缩放来确定接触力。即，由力感测子系统126确定的接触力的轴向分量的大小是接触力大小的直接测量。
图7示出了与心脏101的组织117呈角接触的图3和图4的导管110的远端端部116的侧视图(图1A)。图8示出了图7的导管110的示意性端视图。在图7和图8的示例中，径向电极132a、132b和132c不经历相同的外部环境。由于角接触，径向电极132a的外部环境比其他径向电极132b或132c中的任一个包括更多的组织117和更少的血液池150。如在本领域中已知的，心脏组织(诸如组织117)比血液具有更高的阻抗。因此，径向电极132a处的感测电压的大小可以高于径向电极132b或132c中的任一个的电压的大小。类似地，径向电极132c的外部环境比径向电极132b包括更多的组织117和更少的血液池150。因此，径向电极132c处的感测电压的大小可以高于径向电极132b的电压的大小。电压可以被表示为单独矢量162、164和166，其具有感测到的电压的大小和从与径向电极132a、132b或132c最接近且与其等距的点向外朝向径向电极132a、132b或132c径向延伸的方向，如图8中所示。如图8中所示，控制电路可以对三个电压矢量162、164和166进行求和以确定接触矢量170。接触矢量170的方向是接触力的方向。
图7示出了与纵轴L呈角A的接触矢量170。角A可以与矢量162的大小成比例。即，随着角A增大，径向电极132a变得更接近组织117，增大了径向电极132a的外部环境中的组织117的量，并且因此增大了矢量162的大小。以这种方式，角A可以被找到并且接触矢量170在三维中被确定。一旦确定了角A，就可以使用本领域中已知的几何技术将接触矢量170分解成轴向矢量分量172和径向矢量分量174。轴向矢量分量172的大小等于由力感测子系统126确定的接触力的轴向分量的大小。本领域中已知的几何技术可以被用于通过接触矢量170来缩放接触力的轴向分量以确定接触力的大小。
图9和图10示出了根据此公开的各种实施例的导管的另一实施例。图9示出了与心脏组织117呈角接触的导管210的远端端部的侧视图。导管210与上述导管相同，除了导管210还包括另一尖端电极132、布置在远端节段113的远端端部并且相对于纵轴L轴向地向外面向的轴向电极132d。如与以上参照图4-图8描述的实施例那样，通过尖端电极132中的任一个(或在一些实施例中，消融电极130)驱动的电流产生可以由尖端电极132感测并作为电信号输出的电压。即，驱动电流在径向电极132a、132b或132c和轴向电极132d中的每个处产生由接触矢量子系统123感测的电压。电压可以被表示为单独矢量212、214、216和218，其具有感测到的电压的大小和从与径向电极132a、132b、132c和轴向电极132d最接近且与其等距的点向外朝向径向电极132a、132b、132c和轴向电极132d延伸的方向，如图9和图10中所示。如图9中所示，控制电路可以对三个电压矢量212、214和216进行求和以确定中间矢量220。控制电路可对电压矢量218和220进行求和以确定如图10中所示的接触矢量222。接触矢量222的方向是接触力的方向。
可以使用本领域中已知的几何技术将接触矢量222分解成上面参照图7描述的轴向矢量和径向矢量分量。由力感测子系统126确定的接触力的轴向分量等于接触矢量222的轴向矢量分量的大小。因此，可以通过接触矢量222来缩放接触力的轴向分量以确定接触力的大小。
图11和图12示出了根据此公开的各种实施例的导管的另一实施例。图11示出了导管310的远端端部316。导管310与以上描述的导管110相同，除了弹性元件142被弹性元件342代替以形成弹性节段312并且导管轴134从远端节段113延伸到弹性节段312，但沿着弹性节段312限定导管310的外表面。即，弹性元件342沿着弹性节段312限定导管310的外表面。
图12示出了导管310的远端端部316的内部的侧视图。如图12中所示，弹性节段312包括力感测装置340。力感测装置340包括弹性元件342和上面参照图4描述的位置传感器144。为了清楚起见，弹性元件342以横截面示出。弹性元件342可以是生物相容的弹性体聚合物，例如，硅橡胶。弹性元件342具有纵轴345。位置传感器144沿着弹性元件342的纵轴345布置。如图12中所示，弹性元件342可以通过搭接接头附接到近端环136和远端环138。如所示，弹性元件342可以完全环绕位置传感器144而不接触位置传感器144。
如与以上描述的弹性元件142那样，弹性元件342可以允许远端节段113基于施加在远端节段113上的接触力相对于近端节段111移动，并且一旦接触力被移除就可以使远端节段113弹性地返回到其相对于近端节段111的原始取向。在远端节段上的接触力的施加期间随着弹性元件342压缩，位置传感器144输出指示近端节段111与远端节段113之间的相对轴向移动以克服弹性元件342的恢复力的信号。控制单元120(图2)的力感测子系统126可以使用此电信号来确定接触力的轴向分量的大小。可以使用胡克定律计算接触力的轴向分量的大小，其中基于预定的常数，弹性元件(例如，弹性元件342)的位移与放置在元件上的力成比例。仅施加在远端端部上的接触力的轴向分量的大小由力感测子系统126确定，这是因为只存在一个位置传感器144并且其沿着弹性元件142的纵轴布置。
在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所讨论的示例性实施例做出各种修改和添加。例如，尽管以上描述的实施例涉及特定特征，但是此发明的范围还包括具有特征的不同组合的实施例和不包括所描述特征的全部的实施例。相应地，本发明的范围旨在涵盖落入权利要求的范围内的所有此类可替选方案、修改和变化以及其所有等同物。

Claims (11)

1.一种适于确定接触力的导管(110)，所述导管包括：
近端节段；
远端节段，其包括：
多个尖端电极，其包括围绕所述远端节段的圆周布置的至少三个径向电极，所述径向电极被配置为感测由通过所述尖端电极中的任何一个的驱动电流所产生的电压，并且输出指示单独矢量的相应电信号，其中由控制电路对所述单独矢量进行求和以确定所述接触力的接触矢量；以及
弹性节段，其从所述近端节段延伸到所述远端节段，所述弹性节段包括力感测装置，其被配置为输出指示所述接触力的轴向分量的大小的电信号，
其中，通过由所述接触矢量对所述接触力的轴向分量的大小进行缩放来确定所述接触力。
2.根据权利要求1所述的导管，其中，所述多个尖端电极还包括布置在所述远端节段的远端端部处的至少一个轴向电极，所述轴向电极被配置为与所述径向电极一起输出指示所述接触力的接触矢量的电信号。
3.根据权利要求1所述的导管，其中，所述力感测装置包括：
具有纵轴的弹性元件，以及
位置传感器，其沿着所述弹性元件的纵轴布置并且被配置为输出指示所述近端节段和所述远端节段之间的相对轴向移动的信号。
4.根据权利要求1所述的导管，其中，所述力感测装置包括：
弹性元件，其由压阻材料制成并且被配置为输出所述压阻材料的电阻的变化，所述压阻材料的电阻的变化指示由所述弹性元件的轴向压缩的变化所产生的所述弹性元件的应变的变化。
5.根据权利要求3或4中的任意一项所述的导管，其中，所述弹性元件被配置为在相对于所述近端节段的基本取向中机械地支撑所述远端节段、当所述远端节段响应于所述接触力的施加而相对于所述近端节段移动时进行压缩、并且一旦所述接触力已被移除就使所述远端节段弹性地返回到相对于所述近端节段的所述基本取向。
6.根据权利要求1-4中的任意一项所述的导管，其中，所述多个尖端电极是标测电极。
7.根据权利要求1-4中的任意一项所述的导管，其中，所述远端节段还包括被配置为递送消融治疗的消融元件。
8.一种用于确定接触力的系统，所述系统包括：
根据权利要求1-7中的任意一项所述的导管；以及
控制电路，其被配置为：
从所述多个尖端电极中的每个接收电信号；
基于它们各自的电信号来确定所述多个尖端电极中的每个的单独矢量；
通过对所述多个尖端电极中的每个的单独矢量进行求和来确定所述接触力的接触矢量；
从所述力感测装置接收电信号；
基于从所述力感测装置接收到的电信号来确定所述接触力的轴向分量的大小；以及
通过由所述接触矢量对所述接触力的轴向分量的大小进行缩放来确定所述接触力。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，针对所述多个尖端电极中的每个的单独矢量包括相应尖端电极的大小和方向。
10.根据权利要求8或9中的任意一项所述的系统，其中，所述控制电路还被配置为致使所述多个尖端电极中的至少一个提供所述远端节段外部的电流，并且所述单独矢量中的每个的大小包括电压。
11.根据权利要求8或9中的任意一项所述的系统，还包括：具有显示器的用户界面，其中，所述控制电路还被配置为在所述显示器上用图形指示所述接触力的大小和方向。
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