CN114222540A - 用于在脉管内确定特性的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在患者的脉管或心脏(V)中确定特性的方法。它包括将元件放置在脉管或心脏(V)中以及确定作用至所述元件的推进力(2)的步骤。此外，所述元件的加速度(3)和速度(4)中的至少一者被确定。所述元件的周边介质的至少一种特性基于推进力和所述元件的加速度(3)和速度(4)中的至少一者来确定。

Description

用于在脉管内确定特性的方法和系统
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的用于在脉管中确定组织或流体特性的方法和系统。
背景技术
现有技术中以微创方式治疗脉管是已知的。例如，可以采用导管装置递送植入体。这种治疗用于例如治疗狭窄的脉管或动脉瘤等疾病。类似地，在现有技术中已经采用了微型机器人对患者身体的内部部位进行成像和/或治疗。
但是，这种装置在治疗和诊断应用中持续出现的问题是无法获得该装置周围的准确信息。
特别地，结合微创治疗使用的成像技术通常仅提供关于周围组织特性的有限信息。例如，采用X射线的对比成像提供脉管系统的解剖结构信息，但是可能无法提供关于力学特性或血流中流动障碍特性的信息。由此，通常需要并行采用多种方法，使得此类信息的收集变慢、成本高且困难。在采用微创方法进行治疗期间尤其难以实时获取这些信息。
发明内容
由此，本发明的目的是克服现有技术的缺点，尤其是提供一种允许以简单方式确定用于治疗或诊断人体的装置周边的脉管中组织或流体的不同特性的方法和系统。
该目的和其他目的通过根据本发明的独立权利要求的特征部分的方法和系统来实现。
本发明涉及用于在患者的脉管或心脏(V)中确定特性的系统。该系统包括将放置在脉管或心脏中的元件。该系统还包括用于确定作用至该元件的推进力的机构，以及用于确定该元件的加速度和速度中的至少一者的机构。优选地，该系统包括用于确定该元件的加速度和速度两者的机构。
这样的机构可尤其包括传感器例如加速度计，或适于测量与位于患者身体内部或外部的参考点的距离的传感器。附加地或替代地，用于确定推进力的机构还可包括成像装置和/或用于分析由该成像装置生成的图像的计算机。
另外，该系统包括基于推进力以及加速度和速度中的至少一者来确定元件的周边介质的至少一种特性的机构。例如，这样的机构可包括计算机、优选运行软件代码的计算机。优选地，该机构基于元件的加速度和速度二者来确定至少一种特性。
根据本发明的方法提供了确定患者的脉管特性的方式。该方法包括以下步骤：
-将元件放置在脉管或心脏中
-确定作用至该元件的推进力
-确定该元件的实际加速度和实际速度中的至少一者，尤其是该元件的实际加速度和实际速度二者，
-基于推进力和元件的实际加速度和实际速度中的至少一者、尤其是元件的实际加速度和实际速度两者来确定该元件的周边介质的至少一种特性。
能够采用本文描述的方法确定的脉管特性可以是力学特性，例如组织的弹性、刚度、延展性和/或硬度。通过推断，还可以确定组织的解剖学或组织学特性、尤其是坏死或癌组织的存在。当然，也可以确定血液的物理特性，例如黏度和/或流速。附加地或替代地，这些特性可以包括影响流动的脉管特性，例如阻止、减慢或加速脉管中的血液流动或产生湍流的障碍物。还可以想到获取其他诊断相关的特性，例如动脉瘤、血凝块/血栓、气泡和/或脉管壁缺陷的存在。
周边介质应尤其被理解为位于元件附近的能够与该元件相互作用的所有生物材料。它可以是液体、固体、气体或包括软质材料。
元件应被理解为适用于在人体内至少暂时地、自由地运动的任意装置。它尤其可为微型机器人、传感器、药物载体或浮动元件。特别地，该元件可包括磁性元件，比如位于元件内侧和/或表面上的铁磁颗粒。该元件也可由铁磁材料构成。
尤其是，该方法可仅用于分析脉管特性。具体地，该方法可以仅出于确定某些感兴趣的特性的目的而执行。因此，该元件仅被引入用于提供数据以执行该方法，并且不用于其他目的。附加地或替代地，但是可以采用也被引入体内以执行另一个动作的医疗装置来执行该方法。例如，可将微型机器人引入体内以递送药物或治疗目标部位。然后可执行该方法以确定微型机器人何时到达目标部位或甚至限定最佳目标部位。还可以想到采用单独元件来与另一项治疗并行地执行该方法。
除非另有说明，否则推进力通常应理解为在与患者身体没有任何相互作用的情况下施加至元件的总力。例如，如果元件是磁性并且由磁场致动，那么推进力是通过磁场施加至元件的力，而不考虑血液流动或由于身体机能产生的其他力，比如身体摩擦、血液流动或血栓堵塞。类似地，如果元件包括自推进机构比如螺旋桨或喷射口，那么推进力将是由该自推进机构施加的力。如果采用自推进机构和磁场的组合，那么推进力将包括这两种力。对于给定质量的元件，还可以根据推进力计算理论加速度和速度。
由于比如摩擦、重力、阻滞力和其他因素的影响，实际和理论的加速度和速度将永远不会相同。在更加复杂的模型中，这种影响将被考虑在内。
例如，如果装置附近的组织或流体的一些参数是已知的，则将它们考虑在内以基于推进力计算元件在该组织中应该达到的理论加速度或最终速度。例如，如果已知血液施加至元件的与速度无关的阻滞力，则可以计算元件的理论最终速度。
相比之下，元件的实际加速度和/或实际速度应被理解为元件关于患者身体的真实加速度和/或真实速度。由此，实际加速度或速度和理论加速度或速度(其可由推进力除以元件质量来确定)之间的差值能得出关于元件环境(例如血液的粘度)或障碍物的信息。
因此，实际推进力应被理解为实际加速度和元件质量的乘积。对于给定元件而言，实际加速度由此为实际推进力的等效参数。
推进力可基于已知参数进行测量或确定，该已知参数比如为致动器的参数例如作用至元件的磁场。
优选地，推进力基于包含在元件内的传感器来确定。如果元件的准确位置是未知的或难以确定的，这是尤其有利的。例如，如果元件位于大脉管内并且由磁场驱动，那么可能无法知道元件所在位置处的磁场的准确特性。由此，如果能够测量磁场施加至元件的力，这个问题就得到了解决。
附加地或替代地，还能够想到采用包含在元件中的另一个传感器来测量实际加速度。
优选地，该方法还包括对元件所在的患者区域进行成像的步骤。特别地，该成像可采用X射线成像、磁共振成像(MRI)、计算机体层照相术、正电子发射断层扫描(PET)和超声成像中的一种来执行。这在执行该方法时能够提供多项优势。一方面，如果借助于该方法确定某种力学特性，成像数据可辅助正确定位和解释(例如分配至某种类型的组织)。另一方面，还能够想到采用成像数据来测量元件的实际加速度和/或速度。
替代地或附加地，还能够想到采用患者的数据库以校正和解释用于导航元件的数据或通过根据本发明的方法收集的数据。在这样的数据库中，不仅关于典型患者或患者组的信息以及患者的单独信息可以存储，还可通过采用人工智能方法进行校正和解释。特别地，可通过深度学习或机器学习方法收集用于校正或解释的某些信息。这样的方法可在根据本发明的方法过程中和/或其制备中实施。
替代地或附加地，还能够想到使用通过采用第一元件生成的数据来修改与导航后续元件相关的参数(例如磁场)。
优选地，周边介质的至少一种特性另外基于该成像数据。例如，成像数据可提供是否存在一定数量的不同类型的组织的信息。另外地或替代地，成像数据可表明血液中存在障碍物。由此，该元件的周边介质的一种特性基于该成像数据，而其他特性比如不同组织类型或障碍物的力学特性。成像数据和力学特性的组合可允许最终确定存在什么类型的组织和/或什么种类的障碍物位于脉管中。
本领域技术人员将理解，这仅仅是如何在根据本发明的方法中有利地使用成像数据的非限制性示例。然而，可以不采用成像数据地执行该方法。
优选地，该方法还包括确定元件位置的步骤。这提供了关于某些组织类型在患者体内的位置的附加信息。这在计划例如通过治疗技术治疗或移除那些组织的情况下尤其有利。优选地，该位置借助于成像技术确定。
优选地，该方法还包括将与位置或时间相关的周边介质的至少一种特性保存入存储器的步骤。这允许在一个工作阶段分析脉管中的多个位置。特别地，接下来可对数据进行分析，例如以创建一维、二维或三维的特性图。例如，脉管的狭窄或动脉瘤可借助于根据本发明的方法沿着所述脉管的纵轴线确定。如果在多个点处确定并保存狭窄或动脉瘤的水平，那么可获取示出沿着纵轴线的狭窄或动脉瘤的图表。类似地，还可在二维或三维中收集数据。
优选地，计算周边介质的至少一种特性的步骤通过运行软件代码的计算机执行。这尤其允许自动执行该方法并且由此是迅速、可靠且成本低的。
优选地，周边介质的至少一种特性是力学特性、血流动力学特性、解剖学特性和组织学特性中的一种。例如，它可为血液的黏度、组织的杨氏模量、血液的流动速度和/或脉管的尺寸或形状尤其是其直径。
优选地，布置在脉管中的元件包括磁性元件，并且确定推进力的步骤包括确定磁场的场强。确定场强应该尤其包括基于生成磁场的单元的已知参数计算在空间中某一点(尤其是元件位置处)的磁场的特性，但还可包括测量空间中某一点的磁场。磁场的测量可通过元件进行并且由此在其位置和/或在参考位置进行。
优选地，该方法还包括基于作用至元件的推进力计算元件的理论加速度或速度的步骤。
优选地，计算元件的速度和加速度的理论值的步骤还基于元件的位置和在成像步骤中所需的成像数据。例如，基于成像数据可以将脉管的尺寸和血容量考虑在内。附加地或替代地，尤其借助于多普勒超声成像测量，血液流动的速度和波动性释放可以测量和考虑。特别地，还可考虑元件关于脉管壁的位置。
优选地，该方法还包括测量元件周围的流体尤其是脉管或心脏中的血液的流动速度的步骤。另外，基于该流动速度可以确定周边介质的至少一种特性。特别地，该流动速度可借助于多普勒超声成像来确定。但是，还能够想到的是采用包含在元件中和/或元件上的传感器测量该流动速度。
优选地，该方法还包括借助于至少一个检测器和/或标记定位元件的步骤。标记可被布置在元件上，检测器可被布置在位于患者体内或关于患者身体的预设位置。例如，检测器可被布置在脉管的外侧上，位于骨比如头骨上或器官比如心脏上。检测器应被理解为适用于检测或帮助检测其附近的元件的任意装置。标记与该元件相关联并且有助于尤其通过传感器检测该元件。
检测器也适用于测量到元件的距离。检测器可尤其优选为电子传感器、磁性传感器或光学传感器。标记可为NFC芯片、磁体或不透射线的材料。还可采用荧光或同位素标记。
本发明还涉及一种用于分析患者体内的元件的周边介质的计算机程序产品。它包括软件代码，当在计算机上运行时该软件代码适用于基于推进力和元件的实际加速度和实际速度中的至少一者尤其是元件的实际加速度和实际速度二者确定元件的周边介质的至少一种特性。计算机程序产品尤其可适用于处理成像数据并且优选地基于由成像装置获取的周边介质的成像数据来确定周边介质的至少一种特性。例如，计算机程序产品可适用于基于成像数据来确定元件的速度和加速度中的至少一者。
本发明还涉及一种用于确定脉管的特性的系统。它包括适用于由体液携带和/或在体液中主动移动的元件、以及测量单元和计算单元。该测量单元适用于确定元件的速度和加速度中的至少一者。计算单元适用于基于元件的加速度和速度中的至少一者来确定脉管的至少一种特性。优选地，测量单元和计算单元中的至少一者适用于确定作用在元件上的推进力。例如，计算可基于操作参数例如磁场的特性计算推进力。附加地或替代地，测量单元还适用于例如通过测量磁场测量施加在元件上的力。特别地，该计算单元可通过执行如本文所述的方法、尤其优选通过运行适用于执行如上文所述的方法的步骤的软件代码来确定脉管的至少一种特性。
本领域技术人员将理解，该系统尤其适用于执行如上文所述的任意方法步骤。
优选地，该系统包括适用于对患者体内的元件所在区域进行成像的成像装置。这尤其允许执行在根据本发明的方法的上下文中描述的所有步骤，其中可以使用成像单元。特别地，该成像单元可以是PET、MRI、超声、X射线和CT中的任意一种。
附图说明
在下文中，参照以下附图详细描述本发明，附图示出：
图1示意性地示出脉管中的元件。
图2示意性地示出作用有不同的力的元件。
图3示意性地示出窄脉管中的元件。
图4示意性地示出脉管中的元件和成像装置。
图5示意性地示出位于脉管上的标记。
图6示意性地示出带有血栓的脉管中的元件。
图7示意性地示出根据本发明的系统。
图8示意性地示出磁性元件。
具体实施方式
图1示意性地示出了脉管V中的元件1。此处，元件1是包含铁磁材料的移动元件。由此，由外部磁体(未示出，参见图8)施加的磁场可引导和/或推进脉管V内的元件1。由此，可以向元件1施加力2。在此情况下，假设没有例如由身体机能比如血液流动、摩擦或重力的影响的情况下，磁场施加的力2将是唯一作用至元件1的力。因此在此例子中其代表了推进力。但是，由于流阻，该元件也承受阻滞力。在此，阻滞力是未知的，并且应当予以确定以便确定血液的流体特性和脉管壁的摩擦。但是，还可以在推进力中包括流阻和摩擦。还可以测量元件的实际加速度3或速度4。在此，该加速度3例如通过包含在该元件中的加速度计来测量。替代地，还可以例如借助于成像装置来测量加速度。实际加速度3表征了力2和阻滞力之间的差值。因此，可以计算出阻滞力，从而也计算血液和脉管的流体特性。当然，这在血液的流体特性受病症影响的情况下是尤其有利的。
图2示意性地表示了与图1中所示类似的元件。在此，为了清楚起见未示出脉管V。另外，元件具有不同的形状且呈立方体而非准球形。但是，其也包括铁磁材料并且可由磁场推进。图2中示意性示出的状态表示当元件已经达到最终速度4时的平衡状态。由此，推进力2和阻滞力5具有相等的标准值(norm values)，但符号相反。最终速度4由此可用于计算血液的参数、比如其黏度。在该方法的类似实施例中，磁场可以以一定频率改变其方向。代替测量速度，人们可以测量元件的运动频率并由此确定血液的流体特性。
图3示意性地示出一种不同类型的元件1。它呈球形，并且由脉管V中的流体被动地携带。它还包括适于测量元件1的实际加速度3的传感器。在此，脉管具有引起血液流速暂时增大的缩窄。因此，加速度计6检测到暂时的加速度(以及加宽区域中的减速度)。因为在本例中元件1是被动携带的，所以推进力为零。因此，实际加速度3可以直接用于确定脉管V的特性，在此情况下是存在缩窄。
图4示出了由脉管V中的流体携带的元件1。为了清楚起见，在此示意性视图中未示出推进机构，但是本领域技术人员将理解在该实施例中可采用任何所描述的移动、转向或引导该装置的方式。在此，采用具有X射线成像装置的成像单元7。元件1在X射线成像中是可见的。另外，血液包含显影剂以使脉管系统在X射线下也是可见的。采用多普勒成像单元8以可视化脉管系统中血液的流动9。当然，多普勒成像单元和X射线成像装置可各自连接至一台计算机或连接至同一台计算机，例如包括根据本发明的计算机程序产品的计算机，以在计算中使用成像结果。
图5示出了在脉管V中移动的元件1。在此，围绕脉管V布置有多个检测器10。它们是由脉管周围的闭合铜线圈形成。该元件包括在其周围产生磁场的永磁体。由此，当元件1穿过检测器10时，活动磁场在检测器中感应出可被检测到的电流。还可以在机器人上设有发射芯片和布置在身体上的接收器/检测器，该接收器/检测器可以对机器人位置进行三角测量。
图6示出了该方法的另一种应用。在此，元件正在脉管中移动并且由磁场推进，该磁场通过包含在元件1中的铁磁元件对元件1施加力2。但是，在脉管V中已经形成有血凝块C，该血凝块阻挡或限制了血液流动。因此，元件1一旦撞击到血凝块C也会停止移动。由此，元件的实际速度变为零，而推进力2不为零。这允许确定一种特性，在此情况下存在血凝块。当然，也可以想到可以额外测量元件1的实际加速度，这将另外给出关于血凝块C的位置和/或其力学特性的信息(较软的血凝块C将导致较小的负加速度值)。
图7示意性地示出了根据本发明的系统。它包括元件1，传感器6被布置在该元件1中。在此示出的传感器适于测量元件的加速度，并且可选地测量基础值比如温度和压力。该系统还包括测量单元11和分析器单元12。测量单元尤其适于从传感器处接收加速度值。但是，测量单元还可基于标记或检测器10测量数值。虽然不需要执行该方法，但是在某些实施例中测量作用至元件1的实际推进力是有利的。由此，在该非限制性的示例中，测量单元11也适于尤其通过与传感器6的交互作用来测量元件位置处的磁场。分析器单元12适于处理从测量单元11处接收的值和由测量单元11接收的值。另外，它包括用于保存数值的存储器15。例如，它可从包含在元件1中的传感器6处接收实际的加速度值。另外，推进力可从外部磁性单元(参见见图8)的参数处得知或由传感器6测得。在任意情况下，分析器单元适用于对这些数值进行处理和分析以确定脉管的至少一个特性。特性值可被选择性地保存在存储器15中。能够想到基于存储器中保存的数值将该系统与适于显示数据的显示器结合，该数据尤其为二维和/或三维数据图示，例如重构患者的解剖结构。应该理解，在此描述的任何示例和实施例都可采用该系统实现。
图8示出了可用于推动元件1的磁性元件14。在此，它包括能够选择性地开启和关闭以产生磁场14的电磁体。当然，也可采用永磁体。还能够想到采用电能来运行叶轮、螺旋桨或其它推进机构。

Claims (18)

1.一种用于在患者的脉管或心脏(V)中确定特性的系统，包括：
-放置在脉管或心脏(V)中的元件(1)，
-用于确定作用至所述元件的推进力(2)的机构，
-用于确定所述元件(1)的加速度(3)和速度(4)中的至少一者、优选加速度(3)和速度(4)两者的机构，
-基于所述推进力(2)以及所述元件(1)的加速度(3)和速度(4)中的至少一种、优选加速度(3)和速度(4)两者来确定所述元件(1)的周边介质的至少一种特性的机构。
2.一种用于在患者的脉管或心脏(V)中确定特性的方法，包括以下步骤：
-将元件(1)放置在脉管或心脏(V)中，
-确定作用至所述元件(1)的推进力(2)，
-确定所述元件(1)的加速度(3)和速度(4)中的至少一者，优选加速度(3)和速度(4)两者，
-基于所述推进力(2)和所述元件(1)的加速度(3)和速度(4)中的至少一者、优选加速度(3)和速度(4)两者来确定所述元件(1)的周边介质的至少一种特性。
3.根据权利要求1所述的方法，其中通过包含在所述元件(1)中的传感器(6)来测量所述推进力(2)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括尤其通过X射线成像、磁共振成像、计算机体层照相术、正电子发射断层扫描和超声成像中的一种对所述元件(1)所位于的患者区域进行成像的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其中还基于成像数据确定周边介质的至少一种特性。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括确定所述元件(1)的位置的步骤。
7.根据权利要求4和6所述的方法，其中借助于成像技术来确定所述位置。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的方法，还包括将与所述位置和/或时间相关的所述周边介质的至少一种特性保存入存储器(15)的步骤。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中由运行软件代码的计算机执行计算所述周边介质的至少一种特性的步骤。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述周边介质的至少一种特性为力学特性、血流动力学特性、解剖学特性和组织学特性中的一种。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中放置在所述脉管或所述心脏(V)中的所述元件(1)包括磁性元件(1)，并且确定所述推进力(2)的步骤包括确定磁场(14)的场强。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括基于作用至所述元件(1)的所述推进力(2)计算所述元件(1)的理论加速度或速度的步骤。
13.根据权利要求4和12所述的方法，其中还基于所述元件(1)的位置和在所述成像步骤中获取的成像数据来计算所述元件(1)的速度和加速度的理论值的步骤。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括测量所述元件(1)周围的液体(9)、优选脉管(V)中的血液的流动速度的步骤，并且还基于流动速度(9)确定周边介质的至少一种特性。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括借助于在患者体内布置于所述元件的或位于预设位置的至少一个检测器或标记(10)定位所述元件(1)的步骤。
16.一种用于分析患者体内的元件(1)的周边介质的计算机程序产品，其包括软件代码，当在计算机上运行时所述软件代码适于基于推进力(2)和所述元件(1)的加速度(4)和速度(4)中的至少一者、优选加速度(3)和速度(4)两者、优选还基于由成像装置获取的周边介质的成像数据来执行确定元件(1)的周边介质的至少一种特性的步骤。
17.一种用于确定脉管或心脏(V)的特性的系统，包括由体液携带和/或在体液中主动移动的元件(1)、测量单元(11)和计算单元(12)，其中所述测量单元(11)适于确定元件(1)的加速度(3)和速度(4)中的至少一者，并且所述计算单元适于优选通过执行根据权利要求1至14中任一项所述的方法的步骤来确定所述脉管(V)的至少一种特性。
18.根据权利要求17所述的系统，还包括成像装置(7)，其适于对患者体内的所述元件(1)所在的区域进行成像。
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