CN113876357A - 具有可滑动套管的成像及压力传感装置和探头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有探头套管的医疗传感器系统，该探头套管的远端通过插入开口进入患者的管腔中。一个位于套管端部之间的压力信号通道包含在套管远端的压力传感器，这个压力传感器被配置为测量所述压力信号通道中的压力，并产生一个相应的压力测量信号。一个探头套管的套管缩回机制，具有：一、延伸的套管设置，其中套管远端延伸并穿过插入开口进入内腔，并且包围压力测量传感器使之与内腔物理隔离。二、缩回套管设置，其中套管远端从内腔朝向插入开口纵向回拉，以将压力测量传感器的至少一部分暴露到内腔。

Description

具有可滑动套管的成像及压力传感装置和探头
技术领域
本发明涉及一种血管内成像和压力感测组合装置，更具体地，涉及一种具有可滑动探头套管的血管内超声(IVUS)成像和血管内压力感测组合装置。
背景技术
在血管狭窄的治疗过程中，病变的严重程度可以通过结构成像和/或血压测量来评估。血管内超声(IVUS)和光学相干断层扫描(OCT)等成像技术已经用于血管微结构的可视化。这些技术用于确定血管腔大小、支架放置和其他临床相关的信息。为了获取腔内结构的局部信息，一个细长的成像探头通常被使用于远端微型超声或光学组件中。该探头可以设置向组织输送某种形式的探测能量，并收集测量信号以形成图像。
例如血压之类的功能参数，也可用于评估血管中的血流和阻塞。源自血压传感的血流储备分数(FFR)是一种被广泛接受的测量方法，用于评估原位狭窄或狭窄病变的严重程度。FFR被定义为病变远端测量的压力除以冠脉开口压力。这种远端测量使用远端安装了压力传感器的细丝或探头，可以进入血管腔。然而，压力传感器的引入导致血管的部分阻塞。这种阻塞导致血管腔变得更小以及血压的进一步下降，这又导致在FFR测量误差。
既获取结构又获取压力信息能改善上述情况。结构图像还可以提高FFR测量精度，因为血管几何形状可被用来补偿由压力导丝或探头导致的管腔部分闭塞的影响。现有技术已将成像和FFR测量结合到单一设备中，通过仅仅一次探头插入来获取多模态信息。一种直接的做法是并排放置成像通道和FFR通道。然而，与单模态探头相比，这种并排放置会导致横断面不必要地增大。如果将组合探头穿过狭窄处测量远端压力，它将阻塞更大的管腔面积，这可能会进一步影响FFR测量的准确性。
为了实现更小的导管横截面，一些现有技术已经组合了OCT/FFR系统。紧凑的组合系统使用单个光纤制作OCT和FFR探头。然而，由于OCT涉及相干成像，因此OCT通常需要单模光纤。可是单模光纤的纤芯直径非常小，数值孔径通常也很小。因此，从FFR压力传感器反射回来的光只有一小部分可以被单模光纤收集，这导致低信噪比(SNR)，并且生产过程中需要非常精密因而昂贵的对准步骤。这就需要一种低成本高效的解决方案，以在组合成像/FFR测量探头中实现更小的横截面积。
Christopher Petroff等人在美国专利第2014/0094697号(“Petroff”，在这里全文引用)描述了一种现有的用于治疗血管狭窄和其他完全或部分阻塞病变的设备和方法。Joseph M.Schmitt等人在美国专利第8,478,384号(“Schmitt”，在这里全文引用)描述了组合OCT/压力测量探头并提供了关于OCT的基本信息。
发明内容
本发明的实施例涉及一个使用了血管内成像和压力感测的组合探头设计的医学传感器系统。探头套管具有套管近端和套管远端。套管远端被配置为通过一个插入开口进入到患者的管腔中。套管端部之间有一压力信号通道。压力信号通道在套管远端耦合一个压力传感器，这个压力传感器被设置为测量压力信号通道中的压力，并产生一个相应的压力测量信号。一个具有回拉机制的探头套管包括：一、一个延伸的套管设置，其中套管远端穿过插入开口延伸进入内腔，并且包围压力测量传感器，使之与内腔物理隔离。和二、一个回缩的套管设置，其中套管远端在内腔里向插入开口方向纵向回拉，以将压力测量传感器的至少一部分暴露在内腔里。
在进一步的特定实施例中，探头套管还包括一个开口直径基本上大于压力传感器的横截面直径的套管远端开口。所述探头套管可进一步包括一个位于套管两端之间并邻近所述压力信号通道的成像信号通道，还包括一个在套管远端耦合到成像信号信道的、被配置以产生相应成像测量信号的成像传感器。
所述系统还可以在探头内包含一个围绕所述两个信号通道的至少一部分的可旋转扭矩装置，并且被配置为转动套管远端的传感器。所述可转动的扭矩装置可包括一个扭矩线圈，一根柔性管，和/或一个所述套管远端内的微电机。微电机可被配置以旋转成像传感器，或一个反射从成像传感器映传出的成像能量的反射器。
在另一个特定实施例中，该系统还包含一个在套管内的围绕成像信号通道的至少一部分的可旋转扭矩装置，并且被配置为转动套管远端的传感器。在这样的实施例中，探头套管可具有用于成像信号通道的第一孔和用于压力信号通道的第二孔，使得所述两个通道物理隔离。
在特定实施例中，压力传感器可以是电压力传感器或光学压力传感器。
所述系统可以是一套血管内超声(IVUS)成像系统、一套血管内光学相干断层扫描(OCT)成像系统或一套光谱成像系统。
附图说明
图1提供了本发明一个实施例的成像和压力传感组合探头的整体视图。
图2提供了本发明一个实施例的探头套管远端的侧剖视图。
图3描绘了一种获取狭窄远端压力的特定操作模式。
图4示出了一个探头套管的特定实施例的剖面视图。
图5示出了本发明另一个实施例的探头套管远端的侧剖视图。
图6示出了一个近端配合单元的特定实施例的侧剖视图。
图7示出了另一个具有微型电机的探头远端的特定实施例的侧剖视图。
图8示出了另一个探头远端的特定实施例的侧剖视图。
图9图示了另一个探头主体的特定实施例的剖面视图。
图10示出了另一个近端配合单元的特定实施例的侧剖视图。
图11图示了一个可以与组合探头一起使用的医疗传感器系统的特定实施例。
具体实施方式
以下的具体描述参考了那些展示本发明某些实施例的附图。图1提供了根据本发明的一个实施例的特定成像和压力传感组合探头100的整体视图，该探头100以一种特定形式的导管便于插入到成像患者的如血管的管腔中。所述探头100包括具有套管近端102和套管远端103的探头套管101，在套管远端103处近端外边界104过渡到远端内边界105。探头套管101的材料可以是在超声成像的机械频率中衰减基本很小的材料。
所述套管近端102包括一个压力连接器109，一个成像连接器107，一个近侧配合部141，一个伸缩部分142和一个液体排出口143。所述成像连接器或所述压力连接器可以是光连接器或电连接器。套管远端103包括一个快速交换部部106、一个以超声波换能器或OCT换能器为例的成像传感器113，以及一个压力传感器114。一个成像传感器113以某种特定形式的超声换能器的形式被配置为发送超声能量并获取关于管腔结构的图像信息。所述压力传感器114被配置为感测管腔内的环境压力，并且是光学压力传感器或电传感器。一根连接成像传感器113和成像连接器107的信号传输线108，形成一个成像信号的信道。一根连接压力传感器114和压力连接器109的信号传输线110形成一个压力信号通道。所述信号传输线是光纤或者是电传输线，取决于工作机制为成像传感器或是压力传感器。
所述探头套管101内的一个内孔115包含了旋转内部部件，其中旋转内部部件包括一根电引线108、一组光纤110、一套可旋转扭矩装置111和一个O形环密封件112。所述可旋转扭矩装置111位于探头套管101内，可旋转扭矩装置111围绕套管近端102处的信号通道的至少一部分，并且被配置为旋转套管远端103处的传感器113和114。
如图所示，所述内孔115具有至少一个暴露于组织管腔环境的孔开口116。当所述套管远端103相对于成像传感器113和压力传感器114回拉时，上述两个传感器可以从孔开口116暴露到组织管腔中。该开口116的出口尺寸基本上大于传感器组件113和114的剖面轮廓。当套管远端103相对于两个传感器的方向延伸时，套管远端103可以完全包围两个传感器，使得它们可以旋转。
不失一般性地，下面说明了一种配置了一个结合光纤的光压力传感器，一个结合电传输线的电成像换能器，以及一个扭矩线圈旋转结构的实施例。其他类似的配置也在本发明的范围内。
图2提供了根据本发明的一个实施例的探头套管101的远端103的侧剖视图。一个扭矩线圈121个位于探头套管101内并围绕信号信道的至少一部分，所述信号信道包括光纤110和电导线形成所述电引线108，而扭矩线圈121配置为在导管远端103旋转传感器113和114。例如，这里的成像传感器113是朝向相对于扭矩线圈121的纵轴大致呈径向地传输超声能量的超声换能器。所述光纤110的位置不在超声换能器成像传感器113的能量传输路径中。所述扭矩线圈121可以是单层的或多层的。
在图2的实施例中，附加的保护外壳117被安装到扭矩线圈121以包围成像传感器113和压力传感器114。该保护外壳117可如图所示将远侧末端配置为圆形。该保护外壳117具有侧开口118，使得保护外壳117的壁不影响来自成像传感器113的超声能量的传输。侧开口118还允许保护外壳117外部的压力传递到压力传感器114。可由金属或聚合物制成的保护外壳117可粘接或焊接至扭矩线圈121。在一些实施例中，在保护外壳117的远侧末端处可以有另一个开口，该开口可进一步促进气泡的清除，否则在使用期间气泡会被滞留在保护外壳117内。
在图2所示的实施例中，组合探头100的套管远端103可以使用快速交换部部分106并结合导丝插入到组织管腔中。所述成像传感器113和所述压力传感器114随后可以在内孔115内旋转并且在需要时同时获取结构和压力信息。因此，探头套管101的套管收缩功能具有两种模式：第一、延伸的套管配置，其中套管远端103通过插入开口延伸到管腔中并包围传感器113和114，使得它们可以在与所述管腔物理隔离的情况下被可旋转扭矩装置111旋转，以及第二、回缩的套管配置，其中套管远端103从内腔向插入开口纵向缩回，以便将传感器113和114中的至少一个的至少一部分暴露于所述内腔以进行传感器测量。
图3示出了另一种特定操作模式，以获取血管腔133中狭窄132远端的压力。套管远端103可以首先插入穿过病变，使得被保护外壳117包围的压力传感器组件114在狭窄132的远端。然后扭矩线圈121被锁定以相对于血管腔133保持静止，而所述探头套管101的远端内边界105沿着快速交换部106中导丝131回拉，直到其整体都处于狭窄132的近端。在该模式中，探头在狭窄部132处的横截轮廓小于探头套管101的远端内边界105。所述压力传感器114测量的压力可以更准确。
图4示出了图2所示的特定实施例沿4-4'线横截面端视图。扭矩线圈121包围着电引线108和光纤110。扭矩线圈121、电引线108和光纤110可以作为一个单元在探头套管101的远端内边界105内旋转。扭矩线圈121可以是单层的或多层的。
以上是将超声成像和光学压力测量结合到一个探头中的特定实施例。这两种技术的结合仅仅说明了本发明的原理。基于本文所述，对所描述的实施例基础上的各种修改和变更对于本领域技术人员来说是显而易见的。实际上，在所描述的特定实施例中使用的成像模态也可以被配置为光学成像技术，例如但不限于光学相干断层扫描(OCT)或光谱学。另一方面，压力传感技术可以被配置为使用电子压力传感器。
图5中示出了结合OCT成像和电压传感器的具体特定实施例。电压传感器150与由电线组组成的电引线151相连。OCT成像光学透镜传感器152与光纤153相连。电引线151不在OCT光学透镜传感器152的能量传输路径中。保护外壳155的材料可以是在OCT成像的光学频段中衰减非常小的材料。远端开口156可有助于气泡从保护外壳155中排出并使得外壳外部的压力传递至压力传感器150。
图6展示了与图2和图4中所示的特定设置相关的近端配合单元124的一个特定实施例。所述配合单元124包括光纤管161，其可以如皮下注射管。光纤管也可以是一些其他的中空柔性管。用于压力感测的光纤110可以放置在光纤管161内部并且连接到光连接器109。光连接器109可以安装在光纤管161上。在另一个特定实施例中，光纤管161上可以设有一个小的管开口164，使得超声成像的电引线108从中引出。电引线108连接到电连接器107上。这里可以存在一个配合装置162，比如框架，其附接两个连接器107和109，使得它们可以作为一个整体旋转来完成超声成像。这里还可以有一个或多个平衡重物163以平衡旋转过程中的离心力。
图7示出了一在远端包含微电机175特定实施例。这里利用一种光学透镜组件173来说明本发明的原理。所述微型电机175的定子与保护外壳117固接。一个光学镜面176被固定到微电机175的转子上。导线174为微型电机175提供电力。附接到光纤172的远端的光学透镜组件173被配置为使得光学镜面176位于透镜组件173的光轴处并且相对于光轴大致地向径向反射光束。光学扫描可以通过旋转镜面176来实现。所述信号通道110和172以及电源线174被封装在纵向管道171中，纵向管道171可以由金属或聚合物制成。
上述是特定的实施例，其中成像和压力信号通道被配置在探头套管的一个单一孔中。在这些配置中，成像传感器和压力传感器可以作为一个整体旋转。然而，如果两个信号通道分别在单独的孔内，则不必旋转压力传感器。图8至图10描绘这样一个特定实施例。
参照图8，探头套管201具有第一孔202，第二孔203，和快速交换部209。所述第一孔202包含一个与光纤205连通的光学压力传感器204。所述第二孔203包含与电线207和与扭矩线圈208连接的超声成像换能器206。所述扭矩线圈208、所述电线207和所述超声成像换能器206可以作为一个整体旋转。第二孔203可以有至少一个通向内腔环境的孔开口210，用于清除气泡。当进行超声成像时，压力传感器204保持在超声成像换能器206的近端，使其不干扰超声能量传输路径。在一些实施例中，探头套管201、超声成像换能器206和扭矩线圈208可相对于组织管腔回缩，同时保持压力传感器204相对于组织管腔静止。当执行压力测量时，压力传感器204可被暴露在快速交换部209远端组织管腔中的狭窄处。
图9示出了图8中的实施例沿9-9'线的剖面图。所述探头套管201包括第一孔202和第二孔203。在所述第二孔203中，围住电线207的扭矩线圈208可以旋转。光纤205在第一孔202中。探头套管201的截面可以设计成任意形状，优选地具有小的横截面轮廓。
图10图示了与图8和9特定实施例相关联的近端配合单元220的特定实施例。所述配合单元220包括沿纵向方向延伸的扭矩管221。扭矩管221可以是皮下注射管或一些其他中空柔性管。所述电线207在位于扭矩管221的内腔并且连接到电连接器222。所述扭矩管221可以附接到所述扭矩线圈208，使得所述电连接器222、所述扭矩管221、所述电线207和所述扭矩线圈208可以作为一个整体旋转。所述光纤205连接光连接器223。当回拉探头套管201时，光学连接器223附近的支撑套管224提供抗压强度。电连接器222和光连接器223的纵向移动可独立控制或协同控制。在所述探头套管201缩回期间，电连接器222被拉回足够的距离，这进一步回拉超声成像换能器206，以避免卡住探头套管201内的扭矩线圈208。在探头套管201回拉或超声成像换能器206回拉期间，光学连接器223及其支撑套管224保持静止，这允许光学压力传感器204暴露在探头套管201之外。
图11示出了超声成像/压力测量组合系统的一个测量系统300的特定实施例，可以结合在图1至图7中描述的组合探头使用。所述测量系统300包括压力引擎301、光学旋转接头302、压力传感配合套管303、超声成像引擎304和超声成像配合套管305。超声成像/压力测量组合探头306可以配合近端配合单元307。旋转驱动器单元308可以提供超声成像所需的扭矩。

Claims (16)

1.一种医疗传感器系统，其特征在于，包括：
探头套管，其具有：
i.套管近端和套管远端，所述套管远端被配置为通过插入开口插入到患者的管腔中，
ii.套管端部之间的压力信号通道；
压力传感器，其在套管远端与压力信号通道相耦合，用于测量压力信号通道中的压力并产生相应的压力测量信号；和
探头套管的套管缩回机制，其具有：
i.延伸的套管设置，其中套管远端延伸穿过插入开口进入内腔并且包围压力测量传感器使之与内腔物理隔离，并且
ii.回缩的套管设置，其中套管远端在内腔内朝向插入开口纵向回拉，以将压力测量传感器的至少一部分暴露到内腔。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述探头套管还包括在套管远端的开口,其开口直径基本上大于压力传感器的横截面直径。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述探头套管还包括位于所述套管端部之间邻近所述压力信号通道的成像信号通道，以及在套管的远端处耦合到成像信号通道的、被配置为产生相应成像测量信号的成像传感器。
4.根据权利要求3所述的系统，其所述系统还包括在所述探头内的围绕所述两个信号通道至少一部分的可旋转扭矩装置,并且被配置为旋转套管远端的传感器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述可旋转扭矩装置包括扭矩线圈。
6.根据权利要求4所述的系统，其中所述可旋转扭矩装置包括柔性管。
7.根据权利要求3所述的系统，其中在所述系统还包括套管远端的微电机。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述微型电机被配置为旋转所述成像传感器。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述微型电机被配置为旋转一个反射器，其反射从成像传感器出射的成像能量。
10.根据权利要求3所述的系统，其所述系统还包含一个在探头内的可转动的扭矩装置，其围绕所述的成像通道的至少一部分；扭矩装置被配置为旋转套管远端的成像传感器。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，在所述探头套管具有用于成像信号信道的第一孔，以及用于压力信号通道的第二孔，使得上述两个信道物理相互隔离。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述压力传感器是电压力传感器。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述压力传感器是光学压力传感器。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统是血管内超声(IVUS)成像系统。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统是一个血管内光学相干断层扫描(OCT)成像系统。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统是光谱成像系统。
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