CN113017827A - 一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统，包括导管，导管的左右两端分别为导管近端和导管远端，导管的内腔设置有光波导和超声信号通道，光波导的近端连接有脉冲激光光源，光波导的远端终止于导管远端端面，脉冲激光光源发出的激光脉冲通过光波导从导管远端正前方出射，并消蚀导管正前方的组织；超声信号通道的近端连接有超声成像引擎，超声信号通道的远端连接有前视成像的超声成像探头，超声成像探头用于聚焦和扫描成像以辅助激光消蚀术。本发明把血管超声成像和激光消蚀术结合成为一个导管系统，既保留了激光消蚀术的治疗效果，也提供了血管超声成像的图像引导，可提升激光消蚀术在偏心型的血管狭窄中的应用。

Description

一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统
技术领域
本发明属于血管内成像和血管狭窄治疗技术领域，尤其涉及一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统。
背景技术
皮冠状动脉介入治疗(PCI)手术通常将指引导管送至待扩张的冠状动脉口，再将相应大小的球囊沿导丝送到狭窄的节段，根据病变的特点用适当的压力和时间进行扩张，达到解除动脉狭窄的目的，传统的治疗手段包括血管成形术和支架植入。斑块消蚀术则是一种心脏介入辅助治疗技术，其中包括冠状动脉腔内斑块旋磨术，轨道旋切术和激光消蚀术等。近年来，准分子激光(Excimer Laser)冠脉内斑块消蚀术使用了紫外线光源，导管设计，以及脉冲式发射的冷光源，提高了手术的有效性和安全性。紫外激光光源能被生物组织有效地吸收，能提供足够的能量来破坏表面组织的分子间作用力。同时，光被组织吸收后引起局部温度上升并引起光-声消融和光-热消融效应，且这些效应只发生在生物组织表面的一个薄层，对周围的组织影响很小。在导管顺利通过病变后，使用球囊能充分扩张并植入支架，能完成再血管化。
但是，准分子激光斑块消蚀术仍存在一定的风险。例如，如果消蚀导管远端是健康的血管组织，脉冲激光可能会消蚀健康的组织，从而引发夹层或穿孔等手术事件。而且，在没有成像技术指导的情况下，医生可能并不能确定消蚀导管远端是否与病变完全接触。而这种不确定性在偏心型血管狭窄中更为明显。
综上所述，如何提供一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统，结合成像技术和激光消蚀术进一步为病人提供有效的治疗，已经成为亟需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统，包括导管100，所述导管100的左右两端分别为导管近端和导管远端200，其特征在于，所述导管100的内腔设置有光波导101和超声信号通道103，其中，
所述光波导101的近端连接有脉冲激光光源105，所述光波导101的远端终止于导管远端端面201，所述脉冲激光光源105发出的激光脉冲通过所述光波导101从所述导管远端200正前方出射，并消蚀所述导管100正前方的组织；
所述超声信号通道103的近端连接有超声成像引擎104，所述超声信号通道103的远端连接有前视成像的超声成像探头102，所述超声成像探头102用于聚焦和扫描成像以辅助激光消蚀术。
优选的，所述超声成像探头102为电容微机械超声传感器阵列，所述电容微机械超声传感器阵列包括若干个阵元203，通过激励不同组合的阵元203，从而完成合成聚焦和扫描成像。
优选的，从超声成像引擎104发出的激励信号通过超声信号通道103传递到超声成像探头102，由超声成像探头102中的发射单元把电信号转换成机械波，机械波向导管远端200的正前方或者与正前方成一定仰角传播，回波信号被超声成像探头102中的接收单元收集并转换回电信号并传播至超声成像引擎104。
优选的，所述光波导101为一组光纤束或者充满液体的密闭管，所述光波导101的远端端面和所述超声成像探头102的远端端面位于导管远端端面201，所述导管远端端面201为一个平面或光滑曲面上；所述导管远端端面201划分为至少两个区域,其中，第一区域用来放置光波导101的出口端面，第二区域用来排列超声探头的阵元203。
优选的，第一区域用来排列光纤202，所述光纤202集中排列在半个管壁包围的区域，而阵元203则沿着另一半的管壁排列；或者，阵元203排列成一个圆环，所述光纤202排列在阵元203的内侧；或者，阵元203排列成一个圆环，所述光纤202排列在阵元203的外侧。
优选的，所述光波导101出射的脉冲频率为25Hz-40Hz，光波导101中光传播介质的面积与导管100的横截面积的比例为30％-40％。
优选的，所述脉冲激光光源105选用Nd:YAG三次谐波激光器或者准分子激光器，其中，
Nd:YAG三次谐波激光器发出的紫外激光脉冲的波长为355纳米，紫外激光脉冲产生消蚀的每次脉冲能量通量至少为50MJ/mm2；
准分子激光器发出的激光脉冲的波长为308纳米，且其产生消蚀的每次脉冲能量通量至少为30MJ/mm2。
优选的，所述阵元203沿着与导管远端200的正前方成仰角为60°的圆锥曲面扫描成像。
优选的，所述导管近端处还设置有一个方便导管100旋转的夹具106，以便于控制导管100在轴向方向上的转角以获得最好的成像或者消蚀效果，或者便于控制导管100在血管中的方位角来消蚀不同象限的组织。
优选的，导管系统还包括导丝通道204，导丝通道204中设有导丝205，导管系统顺着导丝205进入血管内；导管远端200还设置有X射线屏蔽材料制成的标记206，用以显示在血管造影时导管系统在血管中的位置。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
1)本发明把血管超声成像和激光消蚀术结合成为一个导管系统，既保留了激光消蚀术的治疗效果，也提供了血管超声成像的图像引导，可提升激光消蚀术在偏心型的血管狭窄中的应用；
2)本发明中光波导的排列使得光能量能够被输送到病灶区域进行激光消蚀术，超声成像探头陈列的排列方式则保持在有限的面积内尽可能地对血管区域成像。
附图说明
图1为本发明的优选实施例1的结构示意图；
图2为本发明的优选实施例1的导管远端立体示意图；
图3为本发明的优选实施例1的导管远端透视图；
图4为本发明的优选实施例2的导管远端端面示意图；
图5为本发明的优选实施例3的导管远端端面示意图。
图中附图标记为：
100-导管，101-光波导，102-超声成像探头，103-超声信号通道，104-超声成像引擎，105-脉冲激光光源，106-夹具；
200-导管远端，201-导管远端端面，202-光纤，203-阵元，204-导丝通道，205-导丝，206-标记；
301-超声传感器阵列，302-波束操控电路芯片，303-导电电路。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的一个宽泛实施例中，一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统，包括导管100，所述导管100的左右两端分别为导管近端和导管远端200，其特征在于，所述导管100的内腔设置有光波导101和超声信号通道103，其中，
所述光波导101的近端连接有脉冲激光光源105，所述光波导101的远端终止于导管远端端面201，所述脉冲激光光源105发出的激光脉冲通过所述光波导101从所述导管远端200正前方出射，并消蚀所述导管100正前方的组织；
所述超声信号通道103的近端连接有超声成像引擎104，所述超声信号通道103的远端连接有前视成像的超声成像探头102，所述超声成像探头102用于聚焦和扫描成像以辅助激光消蚀术。
优选的，所述超声成像探头102为电容微机械超声传感器阵列，所述电容微机械超声传感器阵列包括若干个阵元203，通过激励不同组合的阵元203，从而完成合成聚焦和扫描成像。
优选的，从超声成像引擎104发出的激励信号通过超声信号通道103传递到超声成像探头102，由超声成像探头102中的发射单元把电信号转换成机械波，机械波向导管远端200的正前方或者与正前方成一定仰角传播，回波信号被超声成像探头102中的接收单元收集并转换回电信号并传播至超声成像引擎104。
优选的，所述光波导101为一组光纤束或者充满液体的密闭管，所述光波导101的远端端面和所述超声成像探头102的远端端面位于导管远端端面201，所述导管远端端面201为一个平面或光滑曲面上；所述导管远端端面201划分为至少两个区域,其中，第一区域用来放置光波导101的出口端面，第二区域用来排列超声探头的阵元203。
优选的，第一区域用来排列光纤202，所述光纤202集中排列在半个管壁包围的区域，而阵元203则沿着另一半的管壁排列；或者，阵元203排列成一个圆环，所述光纤202排列在阵元203的内侧；或者，阵元203排列成一个圆环，所述光纤202排列在阵元203的外侧。
优选的，所述光波导101出射的脉冲频率为25Hz-40Hz，光波导101中光传播介质的面积与导管100的横截面积的比例为30％-40％。
优选的，所述脉冲激光光源105选用Nd:YAG三次谐波激光器或者准分子激光器，其中，
Nd:YAG三次谐波激光器发出的紫外激光脉冲的波长为355纳米，紫外激光脉冲产生消蚀的每次脉冲能量通量至少为50MJ/mm2；
准分子激光器发出的激光脉冲的波长为308纳米，且其产生消蚀的每次脉冲能量通量至少为30MJ/mm2。
优选的，所述阵元203沿着与导管远端200的正前方成仰角为60°的圆锥曲面扫描成像。
优选的，所述导管近端处还设置有一个方便导管100旋转的夹具106，以便于控制导管100在轴向方向上的转角以获得最好的成像或者消蚀效果，或者便于控制导管100在血管中的方位角来消蚀不同象限的组织。
优选的，导管系统还包括导丝通道204，导丝通道204中设有导丝205，导管系统顺着导丝205进入血管内；导管远端200还设置有X射线屏蔽材料制成的标记206，用以显示在血管造影时导管系统在血管中的位置。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例和附图，对本发明进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限制本发明。
优选实施例1
图1示出了一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统的示意图。导管系统是导管100的形式便于进入患者的血管，导管100的左端被称为导管近端，导管100的右端被称为导管远端200，系统内部包含了光波导101，超声成像探头102以及超声信号通道103。光波导101的近端连接脉冲激光光源105，光波导101的远端终止于导管远端200的端面。超声信号通道103的近端连接超声成像引擎104，从超声成像引擎104发出的激励信号通过超声信号通道103传递到超声成像探头102，由超声成像探头102中的发射单元把电信号转换成机械波，机械波向导管远端200的正前方或者与正前方成一定仰角传播，回波信号被超声成像探头102中的接收单元收集并转换回电信号并传播至超声成像引擎104。光波导101可以是一组光纤或者充满液体的密闭管，其原因是给予光波导101足够的横截面积以防止高能量的激光脉冲破坏光波导101，光波导101的近端耦合到一个脉冲激光光源105上。紫外激光脉冲通过光波导101从导管远端200正前方出射，并消蚀导管100正前方的组织。为了便于控制导管100在轴向方向上的转角以获得最好的成像或者消蚀效果，导管近端处可以设置一个夹具106以方便导管100的旋转。
图2示出了一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统的导管远端立体示意图。导管远端200是一个集成超声成像探头102和光纤端面的示范性实施例。导管远端端面201可以划分为至少两个区域，其中，第一区域用来排列光纤202，第二区域用来排列超声成像探头102的阵元203。本优选实施例是一种偏心型设计，即让光纤202集中排列在大约半个圆弧包围的区域，而让超声成像探头102沿剩下的圆弧排列。这里的圆弧是指导管100的管壁，管壁可以由多分子材料制成，保持一定的硬度。超声成像探头102可以选择电容微机械超声传感器阵列。阵列可以选择16至64个阵元203,最佳为32个阵元203。每个阵元203里包括若干微单元。阵元203的端面可以贴着导管远端端面201的边缘排列，形成一个扇形的阵列。成像的方式可以通过激励不同组合的阵元203，从而完成合成聚焦和扫描成像，也可以沿着仰角为60°的圆锥曲面扫描。这样的扫描方式既可以观察到导管100前方血管的管壁，又可以减少需要扫描的空间体积，从而提高超声成像的帧数。这里的这个设计的优点在于减少了超声探头的数目，并最大限度减少了导管100的横截面积，从而能进入尺寸较小的血管。由于阵元203只排列在管壁的一部分圆弧上，这个设计并不能对导管100前方整个血管的管壁进行成像。需要通过转动导管近端的夹具106来控制导管100在血管中的方位角来对血管的不同象限成像。
其中，导管远端200的光纤202集中在圆弧的另一侧并紧密排列。光纤202中光传播介质的面积与导管100的横截面积的比例应该大于20％，最佳为30％至40％之间。光纤202的端面被打磨成一个光滑的曲面。这是因为激光消蚀术只发生在与光纤202的端面接触的一个组织薄层上。光滑的端面能确保光能稳定地从传播介质中出射，并让光与组织充分接触。光源的波长选用消蚀作用强的紫外波段，例如Nd:YAG三次谐波激光器或者准分子激光器，Nd:YAG三次谐波激光器的波长为355纳米，产生消蚀的每次脉冲能量通量至少为50MJ/mm2，光波导101出射的脉冲频率至少为10Hz，最佳为25Hz至40Hz之间。准分子激光器的波长为308纳米，产生消蚀的每次脉冲能量通量至少为30MJ/mm2，光波导101出射的脉冲频率至少为10Hz，最佳为25Hz至40Hz之间。由于光纤202的排列是偏心型的，并不能消蚀导管100前方整个管腔内的组织，需要通过转动导管近端的夹具106来控制导管100在血管中的方位角来消蚀不同象限的组织。
其中，导管100就可以顺着导丝205进入血管内部，导管远端200还可以设置X射线屏蔽材料制成的标记206，用来显示在血管造影时导管100在血管中的位置。
图3示出了一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统的远端透视图。超声传感器阵列301和波束操控电路芯片302都放置在导管远端200。波束操控电路芯片302包括各种功能部件，例如脉冲发生器、电压驱动器、前置放大器、处理器、以及输入/输出控制模块。超声传感器阵列301和波束操控电路芯片302可以固定在一个可塑性的绝缘薄片上，绝缘薄片上可印刷出导电电路303来完成超声传感器阵列301、波束操控电路芯片302和导管外超声成像系统的通信。
优选实施例2
图4示出了一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统的导管远端端面示意图。与优选实施例1不同的是，阵元203沿着导管管壁404排列成一个圆环。导管100中间仍保留了导丝通道204。而光波导101，例如但不仅限于光纤202，则紧密地排列在超声传感器阵列301和导丝通道204之间。这种超声传感器和光纤202的设计能对血管壁的整个横截面进行成像，而光纤202的排列也是与导管100的纵轴同心的。这样的设计不需要再转动导管近端从而对血管壁的不同象限成像或者进行消蚀术。但是这样做的缺点在于光纤202的出射端面离血管壁较远，可能无法消蚀位于超声传感器阵列301前方的组织。
优选实施例3
图5示出了另一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统的导管远端端面示意图。与优选实施例2类似，导管100中间仍保留了导丝通道204。不同的是，本优选实施例的设计让阵元203沿着导丝通道204的外壁排列成一个圆环。而光纤202，则紧密地排列在超声传感器阵列301和导管管壁404之间。这种设计能够使光纤202的端面尽量靠近血管壁，从而能消蚀靠近血管壁的狭窄组织。由于超声传感器阵列301离血管壁较远，所以在控制超声波束的时候，扫描曲面的仰角可能需要改变，例如但不仅限于45°或者50°。这个设计还有一个局限是超声传感器阵列301和波束操控电路芯片302放置的空间具有很大的曲率，在放置扁平的电路芯片的时候可能有一些困难。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，例如，将光学相干断层成像(OCT)替换为高频血管内超声(IVUS)，例如使用超过60兆赫兹的换能器)等；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统，包括导管(100)，所述导管(100)的左右两端分别为导管近端和导管远端(200)，其特征在于，所述导管(100)的内腔设置有光波导(101)和超声信号通道(103)，其中，
所述光波导(101)的近端连接有脉冲激光光源(105)，所述光波导(101)的远端终止于导管远端端面(201)，所述脉冲激光光源(105)发出的激光脉冲通过所述光波导(101)从所述导管远端(200)正前方出射，并消蚀所述导管(100)正前方的组织；
所述超声信号通道(103)的近端连接有超声成像引擎(104)，所述超声信号通道(103)的远端连接有前视成像的超声成像探头(102)，所述超声成像探头(102)用于聚焦和扫描成像以辅助激光消蚀术。
2.根据权利要求1所述的一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统，其特征在于，所述超声成像探头(102)为电容微机械超声传感器阵列，所述电容微机械超声传感器阵列包括若干个阵元(203)，通过激励不同组合的阵元(203)，从而完成合成聚焦和扫描成像。
3.根据权利要求2所述的一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统，其特征在于，从超声成像引擎(104)发出的激励信号通过超声信号通道(103)传递到超声成像探头(102)，由超声成像探头(102)中的发射单元把电信号转换成机械波，机械波向导管远端(200)的正前方或者与正前方成一定仰角传播，回波信号被超声成像探头(102)中的接收单元收集并转换回电信号并传播至超声成像引擎(104)。
4.根据权利要求2所述的一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统，其特征在于，所述光波导(101)为一组光纤束或者充满液体的密闭管，所述光波导(101)的远端端面和所述超声成像探头(102)的远端端面位于导管远端端面(201)，所述导管远端端面(201)为一个平面或光滑曲面上；所述导管远端端面(201)划分为至少两个区域,其中，第一区域用来放置光波导(101)的出口端面，第二区域用来排列超声探头的阵元(203)。
5.根据权利要求4所述的一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统，其特征在于，第一区域用来排列光纤(202)，所述光纤(202)集中排列在半个管壁包围的区域，而阵元(203)则沿着另一半的管壁排列；或者，阵元(203)排列成一个圆环，所述光纤(202)排列在阵元(203)的内侧；或者，阵元(203)排列成一个圆环，所述光纤(202)排列在阵元(203)的外侧。
6.根据权利要求4所述的一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统，其特征在于，所述光波导(101)出射的脉冲频率为25Hz-40Hz，光波导(101)中光传播介质的面积与导管(100)的横截面积的比例为30％-40％。
7.根据权利要求1所述的一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统，其特征在于，所述脉冲激光光源(105)选用Nd:YAG三次谐波激光器或者准分子激光器，其中，
Nd:YAG三次谐波激光器发出的紫外激光脉冲的波长为355纳米，紫外激光脉冲产生消蚀的每次脉冲能量通量至少为50MJ/mm2；
准分子激光器发出的激光脉冲的波长为308纳米，且其产生消蚀的每次脉冲能量通量至少为30MJ/mm2。
8.根据权利要求3所述的一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统，其特征在于，所述阵元(203)沿着与导管远端(200)的正前方成仰角为60°的圆锥曲面扫描成像。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统，其特征在于，所述导管近端处还设置有一个方便导管(100)旋转的夹具(106)，以便于控制导管(100)在轴向方向上的转角以获得最好的成像或者消蚀效果，或者便于控制导管(100)在血管中的方位角来消蚀不同象限的组织。
10.根据权利要求1-8任一所述的一种集成超声成像与激光消蚀术的导管系统，其特征在于，导管系统还包括导丝通道(204)，导丝通道(204)中设有导丝(205)，导管系统顺着导丝(205)进入血管内；导管远端(200)还设置有X射线屏蔽材料制成的标记(206)，用以显示在血管造影时导管系统在血管中的位置。
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