CN115363537A - 用于身体组织的分布式热通量感测的系统和方法 - Google Patents

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CN115363537A CN202211066206.5A CN202211066206A CN115363537A CN 115363537 A CN115363537 A CN 115363537A CN 202211066206 A CN202211066206 A CN 202211066206A CN 115363537 A CN115363537 A CN 115363537A
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ablation
tissue
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E·E·桑博恩
M·E·弗洛格德
J·M·索格
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Intuitive Surgical Operations Inc
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Abstract

本申请题为“用于身体组织的分布式热通量感测的系统和方法”。用于身体组织的分布式热通量感测的系统包括分布式传感器、热能源和一个或多个处理器。分布式传感器提供对应于测量范围中的多个点的多个温度测量值。热能源沿着测量范围向身体组织施加热能。一个或多个处理器被配置为从分布式传感器接收多个温度测量值，确定在多个点中的每个点处由热能源施加的热能的量，并基于多个温度测量值和由热能源施加的热能的量确定多个点中的每个点处的热通量。多个温度测量值对应于多个点。

Description

用于身体组织的分布式热通量感测的系统和方法
本申请是于2017年12年8日提交的名称为“用于身体组织的分布式热通量感测的系统和方法”的中国专利申请201780063607.6的分案申请。
相关申请
本专利申请要求2016年12月9日提交的题为“System and Method forDistributed Heat Flux Sensing of Body Tissue”的美国临时专利申请第62/432,452号的申请日的优先权和权益，该临时专利申请通过引用整体结合于此。
技术领域
本公开涉及用于测量身体组织的热通量的系统，并且更具体地涉及用于身体组织的分布式热通量感测的系统。
背景技术
医疗机器人系统(例如用于执行微创外科手术程序的远程操作系统)提供了优于传统开放手术技术的许多益处，包括较少的疼痛、较短的住院时间、更快恢复正常活动、最小的瘢痕形成、缩短的恢复时间以及较少的组织损伤。因此，对这种医疗远程操作系统的需求强劲且不断增长。
医疗远程操作系统的示例包括来自美国加利福尼亚州桑尼维尔的IntuitiveSurgical公司的
Figure BDA0003827750660000011
手术系统和
Figure BDA0003827750660000012
STM手术系统。这些系统中的每一个都包括外科医生的控制台、患者侧推车、高性能三维(“3-D”)视觉系统以及耦合到患者侧推车的一个或多个医疗器械。
在执行医疗程序之前、之后和/或期间，确定手术部位处或附近的身体组织的特性是有用的。例如，确定特定身体组织是健康的、消融的、癌性的还是非癌性的是有用的。另外，确定手术部位处或附近的解剖学特征的位置是有用的。例如，可以通过确定血管位置的图来促进手术性能。理想地，在不切入身体组织或从身体提取组织的情况下确定该信息。
在执行医疗程序之前、之后和/或期间，从手术部位提取实时反馈也是有用的。实时反馈反映了手术干预对手术部位处或附近的身体组织的影响。例如，当执行热消融程序时，连续监测对目标组织和非目标组织的热影响是有用的。
因此，提供一种提供外科手术程序的实时监测的系统将是有利的。
发明内容
通过随附于说明书的权利要求最好地总结了本发明的实施例。
在一些实施例中，一种用于身体组织的分布式热通量感测的系统可以包括分布式传感器、热能源和一个或多个处理器。分布式传感器提供对应于测量范围中的多个点的多个温度测量值。热能源沿着测量范围将热能施加到身体组织。一个或多个处理器被配置为从分布式传感器接收多个温度测量值，确定在多个点中的每个点处由热能源施加的热能的量，并且基于多个温度测量值和由热能源施加的热能的量确定多个点中的每个点处的热通量。多个温度测量值对应于多个点。
在一些实施例中，一种使用分布式传感器确定身体组织的热通量的方法可以包括从分布式传感器接收多个温度测量值，确定在多个点处施加的热能的量，以及基于所接收的多个温度测量值和所确定的所施加的热能的量来确定在多个点处的身体组织的热通量。多个温度测量值对应于分布式传感器的测量范围中的多个点。
在一些实施例中，一种使用分布式热通量传感器向消融系统提供反馈的方法可以包括向消融探头提供初始操作参数以执行消融程序，接收在消融程序期间捕获的来自分布式热通量传感器的多个热通量测量值，并基于多个热通量测量值向消融探头提供经调整的操作参数。
应当理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和解释性的，并且旨在提供对本公开的理解而不限制本公开的范围。就此而言，从以下详细描述中，本公开的其他方面、特征和优点对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的远程操作医疗系统的简化图。
图2A是利用本公开的一些方面的医疗器械系统的简化图。
图2B是根据一些实施例的具有扩展医疗工具的医疗器械的简化图。
图3是根据一些实施例的分布式热通量传感器系统的简化图。
图4是表示作为位置函数的热通量的曲线图的简化图。
图5A-5D是根据一些实施例的处于同心布置中的分布式热通量传感器的简化横截面图。
图6A和图6B是根据一些实施例的处于半同心布置中的分布式热通量传感器的简化横截面图。
图7A和图7B是根据一些实施例的处于多光纤布置中的分布式热通量传感器的简化横截面图。
图8是根据一些实施例的处于扫描模式布置中的分布式热通量传感器的简化图。
图9是根据一些实施例的使用分布式热通量传感器的消融系统的简化图。
图10是根据一些实施例的使用多个分布式热通量传感器的消融系统的简化图。
图11是根据一些实施例的确定热通量的方法的简化图。
图12是根据一些实施例的在治疗程序期间提供反馈的方法的简化图。
图13是根据一些实施例的用于检测消融组织的方法的简化图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了描述与本公开一致的一些实施例的具体细节。阐述了许多具体细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践一些实施例。本文公开的具体实施方案是说明性的而非限制性的。本领域技术人员可以实现虽然没有在此具体描述但是也在本公开的范围和精神内的其他元件。另外，为了避免不必要的重复，结合一个实施例示出和描述的一个或多个特征可以并入其他实施例中，除非另外特别描述或者如果一个或多个特征使得实施例不能正常工作。
在某些情况下，没有详细描述公知的方法、程序、部件和电路，以免不必要地模糊实施例的各方面。
以下实施例将根据各种器械和器械的部分在三维空间中的状态来描述它们。如本文所用，术语“方位(position)”是指物体或物体的一部分在三维空间中的位置(例如，可以使用笛卡尔X、Y、Z坐标例如沿笛卡尔X、Y、Z轴的变化来描述的三个平移自由度)。如本文所用，术语“取向(orientation)”是指物体或物体的一部分的旋转放置(三个旋转自由度——例如，其可以使用滚转、俯仰和偏航来描述)。如本文所用，术语“姿势(pose)”是指物体或物体的一部分在至少一个平移自由度中的位置以及该物体或该物体的该部分在至少一个旋转自由度中的取向。对于三维空间中的不对称刚体，可以用全部六个自由度描述完整姿势。
而且，尽管本文描述的一些示例涉及手术程序或工具或者医疗程序和医疗工具，但是所公开的技术适用于非医疗程序和非医疗工具。例如，本文描述的工具、系统和方法可以用于非医学目的，包括工业用途、一般机器人用途以及感测或操纵非组织工件。其他示例应用涉及美容改进、人或动物解剖体的成像、从人或动物解剖体收集数据、建立或取消系统以及训练医疗人员或非医疗人员。另外的示例应用包括用于在从人或动物解剖体移除的组织上进行的程序(不返回人或动物解剖体)以及对人或动物尸体执行程序的用途。此外，这些技术还可用于外科手术和非外科手术、医学治疗或诊断程序。
图1是根据一些实施例的远程操作医疗系统100的简化图。在一些实施例中，远程操作医疗系统100可以适用于例如外科手术、诊断、治疗或活检程序。如图1所示，医疗系统100通常包括用于操作医疗器械104以对患者P执行各种程序的操纵器组件102。操纵器组件可以是远程操作的，或者可以包括远程操作子组件和非远程操作子组件两者，以用于医疗器械104的手动、自动或远程操作控制。操纵器组件102被安装在手术台T上或附近。诸如主控组件106的操作者输入系统允许操作者O(例如，如图1所示的外科医生、临床医生或内科医生)查看介入部位并控制操纵器组件102。
主控组件106可以位于操作者的控制台处，该控制台通常位于与手术台T相同的房间中，例如在患者P所在的手术台的一侧。然而，应该理解，操作者O可以位于与患者P不同的房间或完全不同的建筑物中。主控组件106通常包括用于控制操纵器组件102的一个或多个控制装置。控制装置可以包括任何数量的各种输入装置，例如操纵杆、轨迹球、数据手套、触发枪、手动控制器、语音识别设备、身体运动或存在传感器和/或类似装置。为了向操作者O提供强烈的直接控制器械104的感觉，控制装置可以被提供有与相关联的医疗器械104相同的自由度。以此方式，控制装置向操作者O提供控制装置与医疗器械104是一体的远程呈现/远程临场感(telepresence)或感知。
在一些实施例中，控制装置可以具有比相关联的医疗器械104更多或更少的自由度，并且仍然为操作者O提供远程呈现。在一些实施例中，控制装置可以可选地是以六个自由度移动的手动输入装置，并且还可以包括用于致动器械(例如，用于闭合抓握钳口、向电极施加电势、输送药物治疗和/或类似操作)的可致动手柄。
操纵器组件102支撑医疗器械104并且可以包括一个或多个非伺服控制连杆(例如，可手动定位并锁定就位的一个或多个连杆，通常被称为装配结构)和远程操作操纵器的运动学结构。操纵器组件102或更具体地远程操作操纵器可以可选地包括多个致动器或马达，这些致动器或马达响应于来自控制系统(例如，控制系统112)的命令而驱动医疗器械104上的输入。致动器可以可选地包括驱动系统，当耦合到医疗器械104时，驱动系统可以将医疗器械104推进到自然或手术创建的解剖孔口中。其他驱动系统可以以多个自由度移动医疗器械104的远端，这些自由度可以包括三个线性运动自由度(例如，沿X、Y、Z笛卡尔坐标轴的线性运动)和三个旋转运动自由度(例如，围绕X、Y、Z笛卡尔坐标轴的旋转)。另外，致动器可以被用于致动医疗器械104的可铰接的末端执行器，用于抓住活检装置和/或类似物的钳口中的组织。诸如旋转变压器(resolver)、编码器、电位计和其他机构的致动器位置传感器可以向医疗系统100提供描述马达轴的旋转和取向的传感器数据。该位置传感器数据可以被用于确定由致动器操纵的物体的运动。
远程操作医疗系统100可以包括具有一个或多个子系统的传感器系统108，用于接收关于操纵器组件102的器械的信息。这种子系统可以包括：方位/位置传感器系统(例如，电磁(EM)传感器系统)；形状传感器系统，用于确定沿着可构成医疗器械104的柔性主体的远端和/或一个或多个区段的方位、取向、速度、速率、姿势和/或形状；和/或可视化系统，用于从医疗器械104的远端捕获图像。
远程操作医疗系统100还包括显示系统110，用于显示由传感器系统108的子系统生成的手术部位和医疗器械104的图像或表示。显示系统110和主控组件106可以被取向，以使得操作者O可以以远程呈现/远程临场的感知来控制医疗器械104和主控组件106。
在一些实施例中，医疗器械104可以具有可视化系统(下面更详细地讨论)，该可视化系统可以包括观察范围组件，该观察范围组件记录手术部位的并行图像或实时图像并通过医疗系统100的一个或多个显示器(例如，显示系统110的一个或多个显示器)将该图像提供给操作者或操作者O。并行图像可以是例如由位于手术部位内的内窥镜捕获的二维或三维图像。在一些实施例中，可视化系统包括可整体地或可拆卸地耦接到医疗器械104的内窥镜部件。然而，在一些实施例中，附接到单独的操纵器组件的单独的内窥镜可以与医疗器械104一起使用以对手术部位进行成像。可视化系统可以实现为硬件、固件、软件或其组合，其与一个或多个计算机处理器交互或以其他方式由一个或多个计算机处理器执行，所述计算机处理器可以包括控制系统112的处理器。控制系统112的处理器可以执行对应于本文描述的方法和操作符的指令。
显示系统110还可以显示由可视化系统捕获的手术部位和医疗器械的图像。在一些示例中，远程操作医疗系统100可以配置医疗器械104和主控组件106的控件，使得医疗器械的相对位置类似于操作者O的眼睛和手的相对位置。以此方式，操作者O可以如同在基本真实临场的情况下观察工作空间那样操纵医疗器械104和手控件(hand control)。就真实临场而言，它意味着图像的呈现是模拟正在物理操纵医疗器械104的操作者的视点的真实透视图像。
在一些示例中，显示系统110可以使用来自成像技术(例如，计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光透视、温度记录法(thermography)、超声、光学相干断层扫描(OCT)、热成像(thermal imaging)、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像和/或类似技术)的图像数据来呈现术前或术中记录的手术部位的图像。术前或术中图像数据可以被呈现为二维、三维或四维(包括例如基于时间或基于速率的信息)图像和/或作为来自根据术前或术中图像数据集创建的模型的图像。
在一些实施例中，通常出于成像引导手术程序的目的，显示系统110可以显示虚拟导航图像，其中医疗器械104的实际位置与术前或并行图像/模型被配准(即，动态地参考)。可以这样做以从医疗器械104的视点向操作者O呈现内部手术部位的虚拟图像。在一些示例中，视点可以来自医疗器械104的尖端。医疗器械104的尖端的图像和/或其他图形或字母数字指示符可以被叠加在虚拟图像上以帮助操作者O控制医疗器械104。在一些示例中，医疗器械104可以在虚拟图像中不可见。
在一些实施例中，显示系统110可以显示虚拟导航图像，其中医疗器械104的实际位置与术前或并行图像配准，以从外部视点向操作者O呈现手术部位内的医疗器械104的虚拟图像。医疗器械104的一部分的图像或其他图形或字母数字指示符可以被叠加在虚拟图像上，以帮助操作者O控制医疗器械104。如本文所述，可以将数据点的视觉表示渲染给显示系统110。例如，本文描述的测量数据点、移动数据点、配准数据点和其他数据点可以以视觉表示显示在显示系统110上。数据点可以通过显示系统110上的多个点(point)或光斑(dot)在用户界面中可视地表示，或者作为渲染模型，例如基于该组数据点创建的网格或线模型。在一些示例中，数据点可以根据它们表示的数据进行颜色编码。在一些实施例中，在已经实现每个处理操作之后，可以在显示系统110中刷新视觉表示以改变数据点。在一些实施例中，虚拟导航图像可以呈现在显示器110中，其从沿着或穿过相应的实际解剖通道(passageway)插入的器械的角度描绘解剖通道的模型。
远程操作医疗系统100还可以包括控制系统112。控制系统112包括至少一个存储器和至少一个计算机处理器(未示出)，用于实现医疗器械104、主控组件106、传感器系统108和显示系统110之间的控制。控制系统112还包括用于实施根据本文公开的一些方面描述的一些或所有方法的编程指令(例如，存储指令的非暂时性机器可读介质)，包括用于向显示系统110提供信息的指令。虽然系统112在图1的简化示意图中被示为单个块，但该系统可以包括两个或更多个数据处理电路，其中可选地在操纵器组件102上或附近执行该处理的一部分，在主控组件106处执行该处理的另一部分，和/或类似物。控制系统112的处理器可以执行指令，包括与本文公开且在下面更详细描述的过程相对应的指令。可以采用各种集中式或分布式数据处理架构中的任何一种。类似地，编程指令可以被实现为多个单独的程序或子例程，或者它们可以被集成到本文描述的远程操作系统的许多其他方面中。在一个实施例中，控制系统112支持无线通信协议，例如，蓝牙、IrDA(红外数据通信)、HomeRF(家用射频)、IEEE 802.11、DECT(数位加强式无线通信)和无线遥测。
在一些实施例中，控制系统112可以从医疗器械104接收力和/或扭矩反馈。响应于该反馈，控制系统112可以向主控组件106发送信号。在一些示例中，控制系统112可以发送指示操纵器组件102的一个或多个致动器移动医疗器械104的信号。医疗器械104可以经由患者P的身体中的开口延伸到患者P的体内的内部手术部位。可以使用任何合适的传统致动器和/或专用致动器。在一些示例中，一个或多个致动器可以与操纵器组件102分离或者与操纵器组件102集成。在一些实施例中，一个或多个致动器和操纵器组件102被提供作为邻近患者P和手术台T定位的远程操作推车的一部分。
控制系统112可以可选地进一步包括虚拟可视化系统，以在图像引导手术程序期间控制医疗器械104时向操作者O提供导航辅助。使用虚拟可视化系统的虚拟导航可以基于对获取的解剖通道的术前或术中数据集的参考。虚拟可视化系统对使用成像技术(例如，计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、荧光透视、温度记录法、超声、光学相干断层扫描(OCT)、热成像、阻抗成像、激光成像、纳米管X射线成像和/或类似技术)成像的手术部位的图像进行处理。可以结合手动输入使用的软件被用于将记录的图像转换成部分或整个解剖器官或解剖区域的分段二维或三维复合表示。图像数据集与复合表示相关联。复合表示和图像数据集描述了通道的各种位置和形状及其连接性。用于生成复合表示的图像可以在临床程序期间被术前或术中记录。在一些实施例中，虚拟可视化系统可以使用标准表示(即，不是患者特定的)或者标准表示和患者特定数据的混合体。复合表示和由复合表示生成的任何虚拟图像可以表示在一个或多个运动阶段期间(例如，在肺的吸气/呼气循环期间)的可变形解剖区域的静态姿势。
在虚拟导航程序期间，传感器系统108可以被用于计算医疗器械104相对于患者P的解剖体的近似位置。该位置可以被用于产生患者P的解剖体的宏观(外部)跟踪图像和患者P的解剖体的虚拟内部图像两者。该系统可以实施一个或多个电磁(EM)传感器、光纤传感器和/或其他传感器以配准并且一起显示术前记录的手术图像与医疗器具。例如来自虚拟可视化系统的那些，是已知的。例如，美国专利申请号13/107,562(2011年5月13日提交)(公开了“Medical System Providing Dynamic Registration of a Model of an AnatomicStructure for Image-Guided Surgery”)公开了一种这样的系统，该申请通过引用整体并入本文。远程操作医疗系统100还可以包括可选的操作和支持系统(未示出)，例如照明系统、转向控制系统、冲洗系统和/或抽吸系统。在一些实施例中，远程操作医疗系统100可以包括多于一个的操纵器组件和/或多于一个的主控组件。除了其他因素之外，操纵器组件的确切数量将取决于手术程序和手术室内的空间约束。主控组件106可以被并置或者它们可以位于不同的位置。多个主控组件允许多于一个操作员以各种组合控制一个或多个操纵器组件。
图2A是根据一些实施例的医疗器械系统200的简化图。在一些实施例中，医疗器械系统200可以用作利用远程操作医疗系统100执行的图像引导的医疗程序中的医疗器械104。在一些示例中，医疗器械系统200可以用于非远程操作的探索程序或用在涉及传统手动操作医疗器械(例如内窥镜)的程序中。可选地，医疗器械系统200可以用于收集(即，测量)对应于患者(例如，患者P)的解剖通道内的位置的一组数据点。
医疗器械系统200包括耦接到驱动单元204的细长装置202，例如柔性导管。细长装置202包括具有近端217以及远端或尖端部分218的柔性主体216。在一些实施例中，柔性主体216具有大约3毫米的外直径。其他柔性主体外直径可以更大或更小。
医疗器械系统200还包括跟踪系统230，该跟踪系统230用于使用一个或多个传感器和/或成像装置确定沿着柔性主体216的远端218和/或一个或多个区段224的方位、取向、速度、速率、姿势和/或形状，如下面进一步详细描述的。在远端218和近端217之间的柔性主体216的整个长度可以被有效地划分成区段224。如果医疗器械系统200与远程操作医疗系统100的医疗器械104一致，则跟踪系统230。跟踪系统230可以被可选地实现为与一个或多个计算机处理器交互或以其他方式由一个或多个计算机处理器执行的硬件、固件、软件或其组合，所述计算机处理器可以包括图1中的控制系统112的处理器。
跟踪系统230可以可选地使用形状传感器222跟踪远端218和/或一个或多个区段224。形状传感器222可以可选地包括与柔性主体216对准的光纤(例如，设置在内部通路(channel)内(未示出)或在外部安装)。在一个实施例中，光纤具有大约200μm的直径。在其他实施例中，尺寸可以更大或更小。形状传感器222的光纤形成用于确定柔性主体216的形状的光纤弯曲传感器。在一个替代方案中，包括光纤布拉格光栅(FBG)的光纤被用于在一个或多个维度中提供结构中的应变测量值。形状传感器系统222的光纤可以使能一组测量点的同时收集，这些测量点在单个时间点描述沿着柔性导管主体216的长度的形状传感器222的各个部分的方位。在美国专利申请号11/180,389(2005年7月13日提交)(公开了“Fiberoptic position and shape sensing device and method relating thereto”)；美国专利申请号12/047,056(2004年7月16日提交)(公开了“Fiber-optic shape and relativeposition sensing”)；美国专利号6,389,187(1998年6月17日提交)(公开了“OpticalFiber Bend Sensor”)中描述了用于监控三维光纤的形状和相对方位的各种系统和方法，这些文献全部通过引用合并于此。
在一些实施例中，传感器可以采用其他合适的应变感测技术，例如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射和荧光散射。在一些实施例中，细长装置的形状可以使用其他技术来确定。例如，柔性主体216的远端姿势的历史可以被用于在时间间隔内重建柔性主体216的形状。在一些实施例中，跟踪系统230可以可选地和/或另外使用位置传感器系统220来跟踪远端218。位置传感器系统220可以是EM传感器系统的部件，其中位置传感器系统220包括可经受外部生成的电磁场的一个或多个导电线圈。然后，EM传感器系统220的每个线圈产生感应电信号，该感应电信号具有取决于线圈相对于外部生成的电磁场的方位和取向的特性。在一些实施例中，方位传感器系统220可以被配置和定位成测量六个自由度(例如，三个方位坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰、偏航和滚转的三个取向角)或五个自由度(例如，三个方位坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰和偏航的两个取向角)。在美国专利号6,380,732(1999年8月11日提交)(公开了“Six-Degree of Freedom Tracking System Having a PassiveTransponder on the Object Being Tracked”)中提供了位置传感器系统的进一步描述，该专利通过引用整体合并于此。在一些实施例中，形状传感器222还可以用作方位传感器，因为传感器222的形状连同关于形状传感器222的基部的位置的信息(在患者的固定坐标系中，被称为“患者空间”)允许计算沿着形状传感器的各个点(包括远侧尖端)的位置。
在一些实施例中，跟踪系统230可以替代地和/或另外依赖于沿着交替运动(例如呼吸)的循环为器械系统的已知点存储的历史姿势、方位或取向数据。该存储的数据可以被用于开发关于柔性主体216的形状信息。在一些示例中，一系列方位传感器(未示出)(例如与方位传感器220中的传感器类似的电磁(EM)传感器)可以沿着柔性主体216定位，然后用于形状感测。在一些示例中，在程序期间从这些传感器中的一个或多个传感器获取的数据的历史可以被用于表示细长装置202的形状，特别是在解剖通道通常是静态的情况下。跟踪系统230可以包括方位传感器系统220和形状传感器系统222，用于确定沿着器械200的远端218和一个或多个区段224的方位、取向、速度、姿势和/或形状。跟踪系统230可以被实现为硬件、固件、软件或其组合，其与一个或多个计算机处理器交互或以其他方式由一个或多个计算机处理器执行，所述计算机处理器可以包括控制系统116的处理器。
柔性主体216包括通路221，通路221的尺寸和形状被设计成接收医疗器械226。图2B是根据一些实施例的具有延伸的医疗器械226的柔性主体216的简化图。在一些实施例中，医疗器械226可以被用于诸如手术、活检、消融、照明、冲洗或抽吸的程序。医疗器械226可以穿过柔性主体216的通路221部署并且在解剖体内的目标位置处使用。医疗器械226可以包括例如图像捕获探头、活检器械、激光消融纤维和/或其他手术、诊断或治疗工具。医疗工具可以包括末端执行器，所述末端执行器具有单个工作构件，例如手术刀、钝刀片、光纤、电极和/或类似物。其他末端执行器可以包括例如镊子、抓紧器、剪刀、施夹器和/或类似物。其他末端执行器还可以包括电激活的末端执行器，例如电外科手术电极、换能器、传感器和/或类似物。在各种实施例中，医疗器械226是活检器械，其可用于从目标解剖位置移除样品组织或细胞取样。医疗器械226可以与也在柔性主体216内的图像捕获探头一起使用。在各种实施例中，医疗器械226可以是图像捕获探头，其包括在柔性主体216的远端218处或附近具有立体或单视场摄像机的远侧部分，用于捕获由可视化系统231处理的图像(包括视频图像)以供显示和/或提供给跟踪系统230以支持跟踪远端218和/或一个或多个区段224。图像捕获探头可以包括耦接到摄像机以便发送所捕获的图像数据的电缆。在一些示例中，图像捕获器械可以是耦接到可视化系统231的光纤束(例如，纤维镜)。图像捕获器械可以是单光谱或多光谱的，例如在可见光光谱、红外光谱和/或紫外光谱中的一个或多个中捕获图像数据。可替代地，医疗器械226本身可以是图像捕获探头。医疗器械226可以从通路221的开口被推进以执行程序，然后当该程序完成时被缩回到通路中。医疗器械226可以从柔性主体216的近端217移除或者沿着柔性主体216从另一个可选的器械端口(未示出)移除。
医疗器械226可以另外容纳在其近端和远端之间延伸以可控地弯曲医疗器械226的远端的缆线、联动装置或其他致动控件(未示出)。美国专利号7,316,681(2005年10月4日提交)(公开了“Articulated Surgical Instrument for Performing MinimallyInvasive Surgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity”)和美国专利申请号12/286,644(2008年9月30日提交)(公开了“Passive Preload and Capstan Drive forSurgical Instruments”)中详细描述了可转向器械，这些文献的全部内容通过引用并入本文。
柔性主体216还可以容纳在驱动单元204和远端218之间延伸以可控地弯曲远端218的缆线、联动装置或其他转向控件(未示出)，例如通过远端218的虚线描绘219所示。在一些示例中，至少四根缆线被用于提供独立的“上下”转向以控制远端218的俯仰和“左右”转向以控制远端281的偏航。美国专利申请号13/274,208(2011年10月14日提交)(公开了“Catheter with Removable Vision Probe”)中详细描述了可转向的细长装置，该申请通过引用整体并入本文。在其中医疗器械系统200由远程操作组件致动的实施例中，驱动单元204可以包括可移除地耦接到远程操作组件的驱动元件(例如致动器)并从其接收电力的驱动输入。在一些实施例中，医疗器械系统200可以包括夹持特征件、手动致动器或用于手动控制医疗器械系统200的运动的其他部件。细长装置202可以是可转向的，或者可替代地，该系统可以是不可转向的，其没有集成的机构用于使操作者控制远端218的弯曲。在一些示例中，在柔性主体216的壁中限定一个或多个管腔，医疗器械可以通过所述管腔部署并在目标手术位置处使用。
在一些实施例中，医疗器械系统200可以包括柔性支气管器械，例如支气管镜或支气管导管，用于肺的检查、诊断、活检或治疗。医疗器械系统200还适用于通过自然或手术创建的连接通道在各种解剖系统(包括结肠、肠、肾和肾小管、大脑、心脏、包括脉管系统的循环系统和/或类似物)的任一系统中导航和治疗其他组织。
来自跟踪系统230的信息可以被发送到导航系统232，在那里它与来自可视化系统231和/或术前获得的模型的信息组合，以向操作者提供实时方位信息。在一些示例中，实时方位信息可以被显示在图1的显示系统110上，以用于医疗器械系统200的控制。在一些示例中，图1的控制系统116可以利用方位信息作为用于定位医疗器械系统200的反馈。在2011年5月13日提交的美国专利申请号13/107,562(公开了“Medical System Providing DynamicRegistration of a Model of an Anatomic Structure for Image-Guided Surgery”)中提供了用于使用光纤传感器来配准和显示手术器械与手术图像的各种系统，该申请的全部内容通过引用并入本文。
在一些示例中，医疗器械系统200可以在图1的医疗系统100内被远程操作。在一些实施例中，图1的操纵器组件102可以由直接操作者控件代替。在一些示例中，直接操作员控件可以包括用于器械的手持操作的各种手柄和操作者界面。
图3是根据一些实施例的分布式热通量传感器系统300的简化图。根据与图1-图2一致的一些实施例，分布式热通量传感器系统300可以是医疗系统(例如远程操作医疗系统100和/或医疗器械系统200)的部件。分布式热通量传感器系统300能够提供信息以帮助解决身体组织的热通量的空间变化。该信息可以用于识别身体组织的类型、身体组织的健康和/或身体组织的状况。如下面将更详细描述的，还可以确定身体组织和解剖学特征的位置。在一些示例中，分布式热通量传感器系统300可以被用于识别身体组织的类型，例如肺组织、肺组织的特定层、血管或其他器官(例如，心脏、肝脏、隔膜组织和/或类似物)的组织。在一些示例中，来自分布式热通量传感器系统300的信息可以被用于诊断目的、确定组织的健康，例如用于确定组织是癌性的、非癌性的、健康的还是不健康的(例如，发炎、感染、坏死等)。在一些示例中，该信息可以被用于识别组织的状况，例如消融或未消融。在一些示例中，分布式热通量传感器系统300可以被用于例如通过提供血管位置的图来准备手术程序。在一些示例中，分布式热通量传感器系统300可以被用于例如通过确定在执行消融程序期间是否已成功消融了目标组织而在执行手术程序期间进行实时监控。在每种应用中，分布式热通量传感器系统300能够以很少的物理侵入(例如，不切入身体组织和/或从身体提取组织)来探测身体组织的特征。例如，分布式热通量传感器系统300可以通过针插入、通过穿过自然孔口或人工开口的微创进入和/或类似操作来探测身体组织。
传感器系统300包括容纳在器械315中、安装到器械315或以其他方式耦接到器械315的分布式传感器310，该器械315可以是例如针、内窥镜探头、消融探头、导管、吻合器、施夹器、针驱动器、抓紧器、牵开器、剪刀、剪切器、手术刀、吻合器、烧灼装置、血管封闭器，或任何各种手术、诊断、治疗、输送或活检器械中的任一种。在操作期间，器械315被定位成与身体组织进行热接触以测量沿着测量范围Z的多个点处的温度。例如，可以通过将器械315插入身体组织中，将器械315放置成直接接触身体组织的表面和/或以其他方式将器械315定位成足够靠近身体组织来实现热接触，以便以期望的精度确定温度。器械315可以是刚性直的、柔性的、可转向的和/或弯曲的，并且虽然示出为在直接插入路径中插入组织内，但是测量范围Z内的插入路径可以以任何必要的图案弯曲，以便横穿组织并避免任何不应刺破的解剖结构。测量范围Z可以延伸穿过一种或多种类型的生物组织，包括癌性和非癌性组织、消融组织、健康组织、血管、神经和/或其他解剖结构或不同的组织层。如图3所示，测量范围Z被示出为跨越对应于癌性组织、血管和非癌性组织的区域。
根据一些实施例，分布式传感器310可以包括光纤传感器。在各种实施例中，光纤传感器可以包括光纤布拉格光栅(FBG)，以提供沿着光纤的长度的分布式应变和/或温度测量值。2005年7月13日提交的美国专利申请号11/180,389中描述了光纤传感器的一个示例，该申请的公开内容通过引用整体并入本文。
在一个实施例中，光纤传感器可以包括容纳在单个包层内的一个或多个芯体。每个芯体内提供光纤布拉格光栅的阵列。每个FBG包括芯体的折射率的一系列调制，以便在折射率中产生空间周期性。可以选择间距，使得来自每个折射率变化的部分反射对于窄波长带相干地相加，因此仅反射该窄波长带而使更宽的波长带通过。在制造FBG期间，调制被间隔开已知的距离，从而引起已知波长带的反射。当光栅遇到诸如温度或应变的环境条件时，光纤变得被压缩或拉伸。光纤中的这些变化改变了折射率分布，并因此改变了FBG的光谱响应。可以解释光谱响应的变化以确定变化的刺激。
存在多路复用光纤布拉格光栅的多种方式，使得单个光纤芯体可以承载许多传感器，并且可以区分每个传感器的读数。例如，可以使用波分复用(WDM)来区分读数。在一些示例中，沿着光纤长度的温度可以使用光频域反射计(OFDR)和/或光时域反射计(OTDR)来确定。沿着光纤传感器的长度的连续温度测量可以通过使用扫描波长干涉测量法解释芯体的光学响应来导出。例如，OFDR可以实现沿着单个光纤芯体分布的数百或数千个FBG的温度检测。根据一些实施例，光纤传感器可以实现小于1mm的空间分辨率。根据一些实施例，光纤传感器的直径可以是200微米或更小。
在一些实施例中，光纤传感器可以另外确定传感器的形状。例如，光纤传感器可以使用多芯光纤同时确定传感器的温度和三维形状，至少一个芯体形成光纤弯曲传感器，如上面关于图2所讨论的。用于形状和温度测量的多芯光纤的一个示例在2015年12月7日提交的国际专利申请号PCT/US2015/064213中有所描述，该申请的公开内容以其整体并入本文。可以组合形状数据和温度数据以确定使用光纤传感器获得的每个温度测量值的三维方位。
传感器系统300还可以包括耦接到分布式传感器310的传感器检测系统318。传感器检测系统318生成并检测用于沿测量范围Z确定温度和/或形状的反射光。因此，传感器检测系统318可以在已知参考系中确定分布式传感器的形状和/或方位、位置、取向和/或姿势。传感器检测系统可以包括光源、光学检测器和解调器。
传感器系统300还可以包括定位成与身体组织热接触的局部热源320。局部热源320在分布式传感器310的可检测范围内将热量施加到身体组织，使得分布式传感器310测量局部热源320对身体组织的温度的影响。例如，局部热源320可以将热量施加到与分布式传感器直接相邻的身体组织。在该示例中，局部热源320可以与分布式传感器310安装到相同的器械315。可替代地，局部热源320可以定位在分布式传感器310附近并且基本上平行于分布式传感器310。在一个示例中，局部热源320可以包括完全或部分地围绕分布式传感器310缠绕的导电包层。导电包层在施加电流时变热。在一些示例中，局部热源320和分布式传感器310可以是相同的装置。
选择局部热源320的输出功率水平以在分布式传感器310的可检测范围内沿着测量范围Z(例如，分布式传感器310的2mm内的身体组织)引起身体组织的温度的可测量变化，而不会改变或损坏身体组织。因此，可以凭经验确定给定程序的输出功率水平，因为期望水平可能基于所研究的身体组织的类型和/或其他操作条件而变化。通常，局部热源320的输出功率水平实质上小于通过施加热能来操作以破坏组织的诸如消融工具的器械的输出功率水平。
在一些示例中，当分布式传感器310包括光纤传感器时，可以通过光纤施加加热照明以使光纤变热和/或将热量辐射到相邻组织中。加热照明可以具有与用于确定温度的照明的波长不同的波长。例如，加热照明的波长可以对应于具有低透射率的光纤的透射光谱的一部分。在说明性示例中，光纤可以包括由熔融石英制成的玻璃包层，该玻璃包层吸收波长为2200nm的照明。因此，可以将波长为2200nm的加热照明发射到光纤的包层中，以通过吸收加热照明来加热光纤。同时，用于确定光纤温度的照明可以被发射到光纤的芯体中。尽管光纤的加热可能随着沿光纤的距离变化为不均匀的(例如，非线性的)，但是在处理期间可以考虑这种不均匀性，例如，使用对结果进行调整以补偿由不均匀加热引起的不均匀性的预定校准曲线。
在一些示例中，可以通过在光纤传感器内部生成驻波电磁波来将热量施加到身体组织，从而使光纤变热。例如，光纤传感器可以涂覆有导电材料(例如，金属)，以支持光纤内部的驻波。与这样的实施例一致，分布式热通量传感器系统300可以包括RF发生器，以在光纤中生成驻波。
在一些示例中，光纤传感器可以包括一个或多个导电纤维和/或芯体。例如，可以用半导体或金属材料来拉制光纤，使得光纤的一个或多个芯体是导电的。因此，可以通过电阻加热导电纤维来对身体组织施加热量。
在一些实施例中可以省略局部热源320。附加地或可替代地，分布式热通量传感器系统300可以包括远程热源，例如下面参考图9所讨论的消融探头、来自工具(诸如容器密封器、烧灼装置或热剪)的热源，和/或通过电磁辐射、声波和/或类似物将热能辐射到身体组织中的位于身体外部的热源。在一些示例中，分布式热通量传感器系统300可以包括冷却而不是加热身体组织的局部或远程热能源。
传感器系统300还包括耦接传感器检测系统312的处理器330，以接收对应于分布式传感器310的测量范围Z中的点的多个温度测量值。处理器330可以进一步确定每个对应点在已知参考系中的三维方位。可以同时或者顺序地独立接收多个温度测量值。处理器330可以进一步确定局部热源320在多个点处施加的热能的量。例如，在每个点处施加的热能的量可以是恒定值、已知变量值、用户提供的参数、由局部热源320提供的参数，和/或类似物。在一些示例中，处理器330可以耦接到局部热源320以接收指示施加的热量的量的信号和/或控制施加的热量的量。
处理器330基于所接收的温度测量值和所确定的施加的热量的量来确定测量范围Z中的多个点中的每个点处的热通量。根据一些实施例，可以基于可施加到组织而不会相应地升高组织温度的最大量的热量来确定热通量。也就是说，基于由局部热源320施加到受影响的组织体积的热量的量与由组织传导远离受影响的体积的热量的量相匹配的点来确定热通量。在一些示例中，处理器330可以识别与所确定的热通量分布相对应的组织类型。例如，处理器330可以包括数据库(或其他数据结构)和/或可以与数据库(或其他数据结构)通信，该数据库(或其他数据结构)基于其热通量分布来识别组织和/或其他解剖学特征的类型。与这样的实施例一致，处理器330可以通过查找对应于数据库中的给定热通量的组织或解剖学特征的类型来预测测量范围中的每个点处的组织和/或解剖学特征的类型。
处理器330还可以确定患者体内的每个热通量测量值的三维位置。例如，处理器330可以从光纤传感器接收形状数据，并基于已知参考系中的形状数据确定三维位置。基于已知参考系中的三维位置以及已知参考系与患者参考系和/或成像参考系的配准，处理器330可以将热通量测量值覆盖在患者身体的图像(例如，如上面关于图1所讨论的内窥镜图像、CT图像和/或虚拟导航图像)上，跟踪给定位置处的热通量随时间的变化，和/或类似情况。
传感器系统300还包括可以由用户(例如，外科医生或分布式热通量传感器系统300的其他操作者)观看的显示器340(例如，显示系统110)。例如，显示器340可以被合并到操作者的控制台和/或主控组件(例如，主控组件106)。根据一些实施例，显示器340可以耦接到处理器330并且可以描绘在测量范围Z中的多个点中的每个点处的所确定的热通量的视觉表示。在一些示例中，视觉表示可以包括作为沿着测量范围Z的方位的函数的热通量的曲线图。在一些示例中，视觉表示可以包括将热通量识别为沿着测量范围Z的方位的函数的字母数字文本，例如电子表格。在一些示例中，视觉表示可以包括具有叠加的热通量信息的患者身体的图像。例如，可以基于测量的热通量对图像中的解剖学特征进行颜色编码。在一些示例中，显示器340可以向用户提供视觉、听觉和/或触觉警报。例如，当热通量超过(和/或下降到低于)阈值或进入目标范围时，显示器340可以警告用户。警报可以指示例如器械315已经到达目标区域和/或已经进入危险区域并且应该停止器械向前移动或者应该缩回器械。在一些示例中，显示器340可以指示用户基于确定的热通量调整一个或多个医疗器械(例如，如下面参考图7所讨论的消融探头)的参数和/或改变医疗程序(例如，消融程序)的性能。
图4是表示沿测量范围Z的热通量的曲线图400的简化图。在与图3一致的一些示例中，曲线图400可以描绘使用分布式热通量传感器系统300确定的测量数据，并且可以经由显示器340显示给用户。如曲线图400所示，对应于血管的测量范围404具有最高的热通量，因为血管中的血流大于其他类型的组织内的血流。相反，测量范围406中的非癌性组织可能具有最低的热通量，因为通过非癌性组织的血流很少。测量范围402中的癌性组织具有中等热通量，因为通过癌性组织的血流通常比非癌性组织更大。尽管未在曲线图400中描绘，但是可以以类似的方式区分除癌性和非癌性组织以及血管之外的各种类型的组织。例如，健康组织可能具有比消融组织更大的血流量和相应更大的热通量。虽然曲线图400被描绘为具有相对嘈杂的信号，但是应该理解，可以将各种信号处理技术应用于原始测量数据以平滑数据。
图5A和图5B是根据一些实施例的处于同心双极布置中的分布式热通量传感器500的简化截面图。根据与图3一致的一些实施例，分布式热通量传感器500可以用于实现分布式传感器310、器械315和/或局部热源320。在一些实施例中，分布式热通量传感器500可以具有非常小的直径，例如，400微米或更小，以便于以最小的组织损伤插入身体组织中和/或身体组织附近。
分布式温度传感器510位于分布式热通量传感器500的中心。分布式温度传感器510通常对应于如上面参考图3所述的分布式传感器310。因此，分布式温度传感器510可以是光纤传感器。
导电包层520同心地设置在分布式温度传感器510周围。导电包层520用于实现如上面参考图3所述的局部热源320。导电包层520包括内导体522和外导体524。内导体522和外导体524在分布式热通量传感器500的尖端526处耦合以形成电路。电流源528提供电流以使内导体522和/或外导体524通过电阻加热产生热量。电流源528可以是DC电流源、AC电流源、脉冲电流源和/或类似物。电流源528可以由用户手动控制和/或由处理器(例如，处理器330)自动控制。
分布式热通量传感器500可以包括一个或多个绝缘层532、534和/或536，以防止或减少来自导电包层520的电流泄漏。例如，外绝缘层536可以包括在外导体524之上的Kapton涂层，以阻止电流被分流到体内。同样地，内绝缘层532可以将内导体522与分布式温度传感器510电分离。然而，在一些示例中，可以省略内绝缘层532。例如，内导体522可以与分布式温度传感器510直接接触(例如，当内导体522被形成为光纤传感器上的导电涂层时)。
间隔绝缘层534将内导体522和外导体524分开。根据一些实施例，间隔层534可以是内导体522和外导体524之间的气隙。例如，间隔层534可以是内导体522和外导体524均使用金属管形成时的气隙。附加地或可替代地，间隔层534可以包括绝缘管，例如玻璃毛细管。与这样的实施例一致，内导体522和外导体524可以通过用导电材料(例如碳涂层)涂覆玻璃毛细管的内表面和外表面来形成。可以选择碳涂层的厚度以提供大的电阻以有效地将电流转换成热量。例如，碳涂层的厚度可以是10nm或更小。
图5C和图5D是根据一些实施例的处于同心单极布置中的分布式热通量传感器550的简化截面图。分布式热通量传感器550通常提供与分布式热通量传感器500相同或相似的功能。然而，与分布式热通量传感器500不同，分布式热通量传感器550包括没有返回电流路径的导电包层560。相反，分布式热通量传感器500包括位于分布式热通量传感器500的尖端处的主体电极570，该主体电极570在导电包层560和身体组织之间形成电接触。因此，该主体为由电流源528提供的加热电流提供返回路径。因为导电包层560具有比导电包层520更少的导电层，所以分布式热通量传感器550可以具有比分布式热通量传感器500更小的直径。此外，由于具有更少和/或更薄的层，导电包层560相对于导电包层520可以提供改善的热传导，从而提高分布式温度传感器510对导电包层560外部的温度的灵敏度和/或精度。
图6A和图6B是根据一些实施例的处于半同心布置中的分布式热通量传感器600的简化截面图。分布式热通量传感器600通常提供与如先前关于图5所讨论的分布式热通量传感器500和/或550相同或相似的功能。特别地，分布式热通量传感器600包括分布式温度传感器610、导电包层620、内导体622、外导体624、尖端626、电流源628和绝缘体630，其通常对应于类似标记的图5的元素。虽然导电包层620以双极布置示出，类似于导电包层520，但应理解，导电包层620也可以以单极布置配置，类似于导电包层560。
然而，与分布式热通量传感器500不同，分布式热通量传感器600以半同心布置配置，其中分布式温度传感器610未被导电包层620完全包围。半同心布置提供用于分布式温度传感器610和身体组织的直接接触的接口。因此，在一些实施例中，分布式热通量传感器600可以实现相对于分布式热通量传感器500的改进的测量精度和/或响应性。
图7A和图7B是根据一些实施例的处于多光纤布置中的分布式热通量传感器700的简化截面图。分布式热通量传感器700通常提供与如先前关于图5和图6所讨论的分布式热通量传感器500和/或600类似的功能。然而，分布式热通量传感器700包括多个分布式温度传感器711-719而不是单个分布式温度传感器。十字形局部热源720被设置在分布式温度传感器711-719之间，使得每个分布式温度传感器711-719被设置在局部热源720的不同象限中。因此，每个分布式温度传感器711-719测量热通量传感器700的不同侧上的身体组织温度。分布式热通量传感器700可以用于确定与热通量相关的差分、梯度和/或其他方向信息。尽管在图7中描绘了四个分布式温度传感器711-719，但是应该理解，可以使用任何数量的分布式温度传感器。
在一些示例中，可以从分布式热通量传感器700中省略局部热源720。例如，局部热源720可以用热绝缘体代替。与这样的实施例一致，分布式热通量传感器700可以用作具有方向灵敏度(例如，四象限灵敏度)的分布式温度传感器。远程热能源可以用于向分布式温度传感器附近的组织供应热能，以用于热通量测量应用。
图8是根据一些实施例的处于扫描模式布置中的分布式热通量传感器800的简化图。分布式热通量传感器800通常提供与如先前关于图5-图7所讨论的分布式热通量传感器500、600和700类似的功能。然而，分布式热通量传感器500、600和700通常以批量模式沿测量范围Z中的每个点测量热通量(例如，在每个点同时测量热通量和/或无需物理地重新定位传感器)，分布式热通量传感器800则以扫描模式(即，通过将温度传感器810和/或热源820物理地移动通过测量范围Z)测量温度。在一些实施例中，分布式热通量传感器800可以被安装到或以其他方式集成到诸如导管、探头、针、消融工具、活检工具或任何类似装置的器械中。
在一些示例中，温度传感器810可以是分布式温度传感器，例如光纤传感器。通过将光纤传感器物理地移动通过测量范围Z所获得的信息可以用于补偿光纤传感器的测量灵敏度和/或由热源810施加的热量的分布的空间不均匀性。例如，扫描模式可以用于确定分布式热通量传感器800的校准曲线。
在一些示例中，温度传感器810可以是点温度传感器，例如基于外部法布里-珀罗干涉仪(EFPI)的温度传感器。基于EFPI的温度传感器对由点温度传感器810中的温度变化引起的光程长度的微小变化极其敏感。与这些实施例一致，热源820可以是耦合到点温度传感器的点热源。因此，点热源与点温度传感器一起移动通过测量范围Z。然而，在一些示例中，点热源可以独立于点温度传感器移动。在一些实施例中，分布式热通量传感器800可以包括用于加热身体组织的其他装置，例如细长的加热源，其在整个测量范围内施加热量而无需物理重新定位。
在各种示例中，传感器800(或其安装到的器械)的移动(例如，插入)可以由诸如操纵器组件102的定位器830控制。例如，定位器830可以将传感器800(例如，温度传感器810和/或热源820)自动移动(例如，插入/撤回/转向)通过测量范围Z，定位器830可以包括用于插入、撤回和/或铰接传感器800的远程操作致动机构，或者传感器800可以被手动插入/撤回/转向并且定位器830。因此，各种参数(例如，扫描路径、扫描速率和/或扫描次数)可以被预编程到处理器(例如，处理器330)内，以使用定位器830自动或远程控制传感器800。处理器可以从诸如传感器检测系统318的传感器系统接收位置信息，以提供指示传感器800在给定时间点的位置的输出信号。基于该信号，处理器可以生成作为位置的函数的温度和/或施加的热量的图。该图用于确定测量范围内的每个点处的热通量。
尽管图3-图8中描绘的实施例示出了在一个维度(即，沿着分布式温度传感器的细长轴线)上确定热通量，但是应该理解，各种替代方案都是可能的。特别地，图3-图8中描绘的实施例可以适于生成二维面积和/或三维体积的热通量图。例如，热通量传感器系统300可以包括多个热通量传感器，例如热通量传感器300-600，其以不同的角度和/或位置插入整个身体组织。类似地，热通量传感器系统300可以包括一个或多个弯曲和/或柔性热通量传感器。在一些实施例中，可以在二维或三维中扫描热通量传感器。
图9是根据一些实施例的使用分布式传感器的消融系统900的简化图。在消融程序期间，消融系统900施加消融能量(例如，热能、化学能和/或机械能)以破坏目标组织(例如，癌性组织或者癌性组织和癌性组织周围的非癌性或健康组织的有限体积)，同时试图使该程序对非目标组织(例如，非癌性组织、血管、周围器官等)的影响最小化。
消融系统900包括分布式传感器910、器械915和传感器检测系统918，其通常对应于如先前关于图3所讨论的温度传感器310、器械315和传感器检测系统318。分布式传感器910被放置在目标组织中或附近，以在消融程序期间监测在测量范围内的温度的空间和/或时间变化。例如，如图9所示，测量范围Z跨越非目标组织和目标组织的一部分。消融系统900还可以包括局部热源920，其通常对应于如先前关于图3所讨论的局部热源320。
消融系统900包括将消融能量输送到目标组织的消融探头930。例如，消融探头930可以包括射频能量、微波辐射、超声能量、激光能量、直接热能和/或类似物的来源，其使目标组织变热。在一些示例中，消融探头930可以包括冷冻目标组织的冷冻探头。当消融探头930包括热能的来源(例如，RF/微波源、直接热源和/或冷冻治疗探头)时，可以使用消融探头930而不是局部热源920在分布式传感器910的测量范围内局部加热身体组织。在一些示例中，消融探头930可以包括化学输送系统以执行化学消融，但是然后可能需要局部热源920。
消融探头930可以安装到器械935。器械935的位置可以使用定位器938(诸如操纵器组件102或驱动单元204)来控制。例如，定位器938可以包括用于插入和/或撤回消融探头920的远程操作致动机构。尽管未在图9中示出，但是器械915的方位同样可以使用单独的定位器或定位器938来控制。在一些示例中，可以手动定位消融探头920和/或器械915。
处理器940被耦接以从传感器检测系统918接收温度信息。例如，处理器940可以接收在测量范围中的多个点处测量的温度。处理器940还可以确定由局部热源920和/或消融探头930施加的热量的量。基于测量的温度和施加的热量，处理器940可以确定测量范围中的多个点中的每个点处的热通量。确定的热通量可以被用于区分消融的组织和未消融的组织。例如，热通量可以基于组织的生物状态(例如，活的或死的)、组织的化学和/或结构特性、组织是否干燥等而改变。在一些示例中，处理器940还可以例如通过使用由分布式传感器910提供的形状数据来确定每个温度测量值在已知参考系中的三维方位。
基于热通量信息，处理器940生成一个或多个监测信号和/或反馈信号。例如，处理器940可以生成对应于作为方位的函数的热通量的图的监测信号。可以经由显示界面(诸如显示器340)向用户显示该图。附加地或可替代地，处理器940可以生成与一定体积的组织中的热通量的二维或三维图对应的监测信号。在给定温度测量值的三维方位信息的情况下，热通量图位置、方位和/或取向可以与已知的参考系相关联。通过将热通量图参考系与组织体积(例如患者)参考系和/或成像参考系配准，热通量图可以被叠加在患者身体的图像上并且可以在图像中的一个或多个点处识别组织的状态。
在一些示例中，处理器940可以生成方位反馈信号以调整消融探头920的方位。例如，处理器940可以将方位反馈信号发送到定位器930，以在热通量信息表明消融探头920不在目标组织内和/或太靠近非目标组织时自动增大或减小消融探头920的深度。
根据一些实施例，处理器940可以生成功率反馈信号以调整消融探头920的输出功率。例如，处理器940可以将功率反馈信号发送到消融探头920以在热通量信息表明目标组织和/或非目标组织的热通量在期望范围之外时自动调整由消融探头提供的消融能量的量。功率反馈信号基于实时热通量信息，因此相对于使用“经验法则”或其他估计方法设置消融探头920的输出功率提供了改进的性能。
根据一些实施例，当满足阈值条件时，处理器940可以生成截止信号以终止消融程序的阶段(例如，结束该程序或移动到多阶段程序的下一阶段)。例如，当已经将消融能量的阈值水平递送到目标组织时、当目标组织的热通量表明该组织已被成功消融时、当非目标组织的热通量偏离预定的可接受范围时和/或类似情况时，处理器940可以将截止信号发送到消融探头920以自动停止提供功率。与功率反馈信号一样，截止信号基于实时信息，因此相对于使用“经验法则”或其他估计方法设置消融程序的持续时间提供了改进的性能。
虽然消融系统900已被描述为自动响应来自处理器940的反馈信号，但应理解，其他替代方案也是可能的。例如，可以向用户显示一个或多个反馈信号，例如方位反馈信号、功率反馈信号和/或截止信号(例如，经由显示器340提供警报或消息)。与这些实施例一致，如何响应反馈信号的决定可以由用户做出而不是自动进行。
此外，虽然已经描述了来自处理器940的反馈信号是基于热通量确定的，但是反馈信号可以附加地或替代地直接根据从分布式传感器910接收的温度测量值来确定。例如，可以在目标组织和/或非目标组织的温度超过预定阈值时触发截止信号。与这些实施例一致，在一些示例中可以省略局部热源920。
根据一些实施例，图10是消融系统1000的简化图，消融系统1000包括多个分布式热通量传感器1011-1019、消融探头1020和导管1025。多个分布式热通量传感器1011-1019从导管1025或消融探头1020径向部署。消融探头1020施加消融能量(例如，热能、化学能和/或机械能)以破坏目标组织，同时使非目标组织基本上保持完好。根据一些实施例，消融探头1020可以各向异性地递送消融能量。与这样的实施例一致，由消融探头1020提供的消融能量的空间分布可以是可调节的。例如，可以通过使用定位器1030和/或处理器1040改变消融探头1020的取向来调整空间分布。
消融探头1020被定位在柔性导管1025(例如，细长装置202)的远端，或者通过柔性导管1025的内腔被递送以定位在柔性导管1025的远端。柔性导管1025可以被导航通过解剖通道(例如，呼吸道、消化道、生殖道)或通过脉管系统以接近目标组织。在一些示例中，柔性导管1025和/或消融探头1020可以是可转向的。当消融探头1020到达目标组织的附近时，分布式热通量传感器1011-1019中的一个或多个可以被部署通过该内腔或柔性导管1025的一个或多个额外内腔或消融探头1020的一个或多个额外内腔。在消融程序期间，处理器1040从分布式热通量传感器1011-1019接收热通量信息。基于热通量信息，处理器1040可以提供反馈以调整由消融探头1020提供的消融能量的空间分布。例如，如图10所示，来自消融探头1020的消融能量在大体朝向分布式热通量传感器1013(其延伸穿过目标组织的中心)并远离分布式热通量传感器1011(其主要延伸穿过非目标组织)取向的方向上传递。以此方式，由分布式热通量传感器1011-1019提供的实时反馈通过更有效地将消融能量从消融探头1020引导到目标组织来改善消融系统1000的性能。
根据一些实施例，可以(例如，经由显示器340)向用户显示一个或多个反馈信号。在一些示例中，一个或多个反馈信号可以包括组织温度的二维或三维实时图，其使用内插来估计分布式热通量传感器1011-1019之间的区域中的组织温度。在一些示例中，实时地图可以与患者解剖体的图像配准(例如，使用由分布式热通量传感器1011-1019提供的三维形状数据)，并覆盖在图像上以供显示。与这些实施例一致，如何响应反馈信号的决定可以由用户做出而不是自动进行。
图11是根据一些实施例的确定热通量的方法1100的简化图。在与图3一致的一些实施例中，方法1100可以在分布式热通量传感器系统(例如，分布式热通量传感器系统300)的操作期间执行。具体地，方法1100可以由分布式热通量传感器系统的处理器(例如，处理器330)执行。
在过程1110中，将诸如分布式传感器310的分布式传感器插入身体组织中的指令被提供给定位模块。例如，定位模块可以包括耦接到分布式传感器的远程操作组件。在一些实施例中，分布式传感器可以是细长的温度传感器，例如基于OFDR的光纤传感器，其以批量模式测量在测量范围中的多个点处的温度(例如，多个点中的每个点处的温度被同时测量和/或无需物理地重新定位温度传感器)。在一些实施例中，分布式传感器可以是点温度传感器，例如基于EFPI的温度传感器，其以扫描模式(即通过移动通过测量范围)测量在测量范围内的温度。与这些实施例一致，发送到定位模块的指令可以包括扫描参数，例如扫描路径、扫描速率和/或扫描次数。在一些示例中，可以省略过程1110，例如当分布式传感器被手动插入身体组织时。
在过程1120中，将热量(或其他热能)施加到身体组织的指令被提供到热源。这些指令可以指定期望的热量或功率水平、期望的电流水平和/或类似参数。响应于这些指令，热源施加热量以引起位于分布式传感器的可检测范围内(例如，在分布式传感器的2mm内)的身体组织的温度的可测量的变化。可以使用局部热源和/或远程热源施加该热量。例如，局部热源可以包括围绕分布式传感器的导电包层，该分布式传感器通过施加电流通过包层而被加热。在一些示例中，分布式传感器本身可以在本地加热。例如，当分布式传感器包括光纤传感器时，可以通过光纤(例如，光纤的包层和/或芯体)施加加热照明以使其变热，如先前关于图3所讨论的。远程热源可以包括射频源或微波辐射源，例如RF消融探头和/或微波或超声换能器。在一些示例中，可以省略过程1120，例如当手动操作加热源时。
在过程1130中，从分布式传感器和/或耦合到分布式传感器的传感器检测系统(例如，传感器检测系统318和/或918)接收与分布式传感器的测量范围内的多个点对应的多个温度测量值。可以同时和/或顺序地且分开地接收多个温度测量值。例如，可以操作光纤传感器以在基本相同的时间提供多个点中的每个点处的温度测量值。相比之下，当温度探头被插入身体组织和/或从身体组织撤回时，基于EFPI的温度传感器可以随时间获取温度测量值。在一些示例中，可以在过程1130中确定多个点中的每个点的三维方位。例如，分布式传感器可以是光纤传感器，其被配置为同时测量沿着传感器的长度的三维形状和温度。从分布式传感器接收的三维形状信息可以被用于确定多个点中的每个点的三维方位。
在过程1140中，确定由热源在多个点中的每个点处施加的热量的量。在一些示例中，可以基于从热源接收的信息(例如，指示输出功率水平的信号)来确定热量的量。在一些示例中，所施加的热量的量可以是预设值和/或用户选择的值。在一些示例中，可以基于在过程1120中发送到热源的指令来确定热量的量。
在过程1150中，基于所接收的温度测量值和所确定的所施加的热量的量，在多个点处确定身体组织的热通量。根据一些实施例，可以基于可施加到组织而不会相应地升高组织的温度的最大量的热量来确定热通量。也就是说，基于热源施加到受影响的组织体积的热量的量与组织从受影响的体积传导出去的热量的量相匹配的点来确定热通量。
在过程1160中，通过显示界面向用户显示与热通量相关联的监控信息。在一些示例中，监控信息可以包括作为方位的函数的热通量的图。在一些示例中，监控信息可以包括在多个点中的每个点处的组织类型的标识。例如，组织类型可以被识别为是癌性的或非癌性的、消融的或健康的，和/或诸如此类。基于组织类型的标识，可以识别血管或其他解剖学特征的位置。在一些示例中，可以通过查询数据库(或其他数据结构)来确定组织类型，以确定与给定热通量匹配的组织类型。在一些示例中，在过程1140中确定的三维方位信息可以用于生成三维热通量图，将该热通量图配准到患者解剖体的模型和/或图像，和/或将该热通量图覆盖到该模型和/或图像上。例如，监控信息可以包括增强图像，其中热通量信息被叠加在患者解剖体的图像上。
在过程1170中，将与热通量相关联的反馈信息被提供给手术器械。在一些实施例中，反馈信息可以被发送到远程操作手术器械。例如，在过程1150中确定的热通量可以指示远程操作手术器械是否被正确定位和/或是否对给定体积的身体组织具有期望的影响。例如，反馈信息可以指示给定点处的热通量在期望范围之外。响应于接收到该反馈信息，远程操作手术器械可以调整其方位和/或其他操作参数。
图12是根据一些实施例的在治疗程序期间提供反馈的方法1200的简化图。在与图9-图10一致的一些实施例中，可以在使用诸如消融系统900和/或1000的消融系统执行的消融程序期间执行方法1200。具体地，方法1200可以由消融系统的处理器(例如处理器940和/或1040)执行。然而，应当理解，方法1200不限于消融应用，并且可以用于各种治疗程序。例如，在与图2一致的实施例中，通常可以使用方法1200向医疗器械(例如，医疗器械226)提供反馈。如前所述，医疗器械226可以包括图像捕获探头、活检器械、激光烧蚀纤维和/或其他手术、诊断或治疗工具。
在过程1210中，将一个或多个分布式热通量传感器(例如，分布式热通量传感器1011-1019)插入治疗程序的目标组织中或附近的指令被发送到定位模块。过程1210通常对应于方法1100的过程1110-1120。在一些实施例中，一个或多个分布式热通量传感器可以径向向外突出穿过细长装置，例如细长装置202。在一些示例中，过程1210可以被省略，例如当手动放置分布式热通量传感器时或者将分布式热通量传感器集成到消融探头中时。
在过程1220中，向治疗装置(例如，消融探头，例如消融探头920和/或定位器925)提供治疗装置的初始操作参数。在一些实施例中，治疗装置可以被安装到细长装置或被递送通过细长装置(分布式热通量传感器从该细长装置突出)。初始操作参数可以包括定位信息，例如插入深度、取向、导管转向信息和/或类似信息。在一些示例中，在治疗装置包括消融探头的情况下，初始操作参数可以指定消融探头的期望输出功率水平。响应于接收到初始操作参数，消融探头将消融能量(例如，热能、机械能和/或化学能)施加到目标组织。
在过程1230中，从一个或多个分布式热通量传感器接收多个热通量测量值。多个热通量测量值反映治疗程序期间治疗装置对目标组织和/或附近或相邻的非目标组织的影响。例如，在消融程序期间，多个温度测量值可以指示消融探头是否被正确定向和/或设置到正确的消融能量输出。
在过程1240中，将经调整的操作参数提供给治疗设备和/或定位器。基于在过程1230中接收的多个热通量测量值来确定经调整的操作参数。例如，在消融程序期间，当多个热通量测量值指示给定体积的组织以超出期望范围(例如，太慢或太快)的速率被消融时，经调整的操作参数可以增加或减少消融探头的消融能量输出，以使消融速率回到期望的范围。类似地，可以调整消融探头的方位、取向和/或方向性以更精确地瞄准目标组织而不是非目标组织。在一些示例中，经调整的操作参数可以包括当已经满足阈值条件时停止消融程序和/或移动到消融程序的下一阶段。例如，多个热通量测量值可以指示目标组织已被成功消融，或者非目标组织已经偏离可接受的热通量范围。在一些示例中，可以通过将当前热通量测量值与在消融程序开始时捕获的基准热通量测量值进行比较来执行确定目标组织是否已被成功消融。
图13是根据一些实施例的检测消融组织的方法1300的简化图。在与图9-图10一致的一些实施例中，方法1200可以在使用消融系统(例如，消融系统900和/或1000)执行的消融程序之前、期间和/或之后执行。具体地，方法1300可以由消融系统的处理器(例如，处理器940和/或1040)执行。消融程序可以被配置为消融目标部位处的组织，例如癌性组织。
在过程1310中，在目标部位处捕获基准热通量测量值。可以使用分布式热通量传感器(例如，图3-图11中描绘的分布式热通量传感器)来捕获基准热通量测量值。在一些示例中，分布式热通量传感器可以与消融探头集成在一起(例如，热通量传感器和消融探头可以被安装到同一器械上)。在一些示例中，分布式热通量传感器和消融探头可以是分开的。
在过程1320中，在目标部位处执行消融程序。消融程序可以使用消融探头，该消融探头施加热、化学和/或机械消融能量来消融目标部位处的组织。在一些示例中，可能不确定地知道消融能量的量、目标部位相对于消融探头的位置、目标组织对消融能量的敏感性等。因此，可以基于估计、经验数据和/或“经验法则(rules of thumb)”来选择消融程序的各种参数，诸如消融探头的方位、输出功率水平、消融时间等。
在过程1330中，在目标部位处捕获消融后热通量测量值。例如，可以以与基准热通量测量值基本相同的方式捕获消融后热通量测量值。在一些示例中，在过程1310中使用的热通量传感器可以在过程1320的消融程序期间从目标位置撤回并且在过程1330期间重新插入。在其他示例中，热通量传感器可以在整个过程1310-1330中保留在目标部位处。
在过程1340中，将消融后热通量测量值与基准热通量测量值进行比较，以确定目标组织是否被成功消融。在一些示例中，可以基于消融后热通量测量值与基准热通量测量值之间的差异来检测消融的组织。例如，给定位置处的热通量的显著增加可以指示该组织已被消融。当确定目标组织已被成功消融时，可以终止消融程序。然而，当尚未成功消融全部或部分目标组织时，方法1300可以返回到过程1320以继续消融程序，直到所有目标组织被成功消融。重复过程1320直到目标组织被成功消融的能力可以允许在过程1320期间使用的操作参数比单射(single shot)方法被更保守地选择，从而导致对非目标组织的较小影响，同时确保完全消融目标组织。
诸如处理器330、940和/或840的处理器的一些示例可以包括非瞬态的有形的机器可读介质，其包括可执行代码，当由一个或多个处理器(例如，处理器330、940和/或1040)运行时，这些可执行代码可以使一个或多个处理器执行方法1100-1300的过程。可以包括方法1100-1300的过程的一些常见形式的机器可读介质是例如软盘、磁盘、硬盘、磁带、任何其他磁介质、CD-ROM、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、任何其他存储器芯片或盒，和/或处理器或计算机适于读取的任何其他介质。
尽管已经示出和描述了说明性实施例，但是在前述公开中可以预期广泛的修改、变化和替换，并且在一些情况下，可以采用实施例的一些特征而无需相应地使用其他特征。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求限制，并且权利要求应当以与本文公开的实施例的范围一致的方式广泛地解释。

Claims (15)

1.一种用于身体组织的分布式热通量感测的系统，所述系统包括：
分布式传感器，其包括被配置为提供对应于测量范围中的多个点的多个温度测量值的光纤传感器，所述光纤传感器包括延伸通过所述测量范围并且被配置为测量所述光纤传感器沿着所述测量范围的形状的光纤；
热能源，其被配置为沿着所述测量范围向所述身体组织施加热能；和
一个或多个处理器，其被配置为：
在目标部位处捕获基准热通量测量值；
在所述目标部位处的目标组织上启动消融程序；
在所述目标部位处捕获消融后热通量测量值；和
通过比较所述基准热通量测量值与所述消融后热通量测量值来确定所述目标组织是否被成功消融。
2.根据权利要求1所述的系统，其中捕获基准热通量测量值包括：
从所述分布式传感器接收所述多个温度测量值，所述多个温度测量值对应于所述多个点；和
确定由所述热能源施加的热能的量。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个处理器被进一步配置为：
基于来自所述光纤传感器的形状数据，确定所述多个点中的每个在已知三维参考系中的位置。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述分布式传感器与容纳所述热能源的消融探针集成。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述分布式传感器设置在容纳所述热能源的消融探针的外部。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述分布式传感器被配置为在启动所述消融程序之前从所述目标部位撤回并且在捕获所述消融后热通量测量值之前重新插入到所述目标部位。
7.根据权利要求4所述的系统，进一步包括柔性导管，其中所述消融探针安装到所述柔性导管或插入穿过所述柔性导管，并且其中所述分布式传感器安装到所述柔性导管或插入穿过所述柔性导管。
8.根据权利要求1所述的系统，其中确定所述目标组织是否被成功消融包括：
确定所述消融后热通量测量值是否大于所述基准热通量测量值。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个处理器进一步被配置为：
在确定所述目标组织被成功消融后终止所述消融程序。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个处理器进一步被配置为：
在确定所述目标组织未被成功消融后继续所述消融程序；
在所述目标部位处捕获第二消融后热通量测量值；和
通过比较所述基准热通量测量值与所述第二消融后热通量测量值来确定所述目标组织是否被成功消融。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述分布式传感器被配置为以批处理模式或扫描模式测量所述多个点处的温度。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述热能源包括围绕所述分布式传感器的导电包层，所述导电包层被配置为在施加电流时加热。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个处理器进一步被配置为：
通过确定所述光纤传感器的方位和取向中的至少一个在所述已知三维参考系中，基于所述光纤的形状确定所述多个点中的每个的所述位置；和
基于所述光纤的确定的形状生成热通量图。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器进一步被配置为：
将所述身体组织的解剖模型或图像配准到已知三维参考系；
将所述热通量图叠加在所述身体组织的所述解剖模型或图像上；和
经由显示界面显示具有所述热通量图叠加的所述身体组织的所述解剖模型或图像。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器进一步被配置为：
基于所述基准热通量测量值或消融后热通量测量值，识别所述多个点中的每个处的组织类型；和
将所述组织类型分类为癌性、非癌性、消融性、非消融性或健康性中的至少一种。
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