CN209387066U - 带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，包括检测及控制系统、信号检测部分，信号检测部分包括布置在球囊内部的分布式测量光纤，该分布式测量光纤对球囊的温度场及贴壁处变形量进行检测。本申请通过采用分布式测量光纤，一根光纤就可以分辨出长度上的多点温度，可以达到亚毫米级别甚至更高。另外，由于光纤绕制在球囊上，所以一根光纤就可以获得球囊的二维分布场，只需要少量的光纤就可以测出球囊在空间的分布温度及形变，有利于对消融组织区域的准确评估。

Description

带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊

技术领域

本申请涉及一种用冷冻球囊，更具体地涉及一种带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊。

背景技术

心律失常是心脏的正常节律发生被打断的情况。某些类型的心律失常，包括心室性心搏过速和心房震颤，可以通过从心内膜或从心外膜进行消融手术(例如，射频(RF)消融、冷冻消融、超声消融、激光消融、微波消融等)来治疗。消融手术成功的质量与治疗中组织的温度相关。在现有技术中，通常采用光纤或热电偶作为传感器测量球囊的温度。目前常见的光纤传感器有光法布利-比罗特(简称FP)、布拉格光栅(简称FBG)、荧光式光纤传感器和分布式光纤。

现有冷冻消融过程中，由于传感器得到的温度信息比较有限，只能获得检测传感器周围的温度信息，很难得到所需的空间温度场分布。另外，很难获得球囊贴壁地方空间温度分布与贴壁紧密程度，因此很难准确识别消融组织区域或评估治疗元件与组织之间的接触。如果要准确识别消融组织区域或评估治疗元件与组织之间的接触，需要获得温度场信息，这需要在球囊内部有限的空间内安装更多的传感器，这存在问题且成本昂贵。

例如图1所示的现有技术，其申请号为“201680061381.1”、发明名称为“在冷冻消融过程中的温度和应变测量技术”，公开了一种用于识别消融组织区域和/或评估治疗元件与组织之间的接触和/或通过所述治疗元件评估体腔的阻塞的设备、系统和方法。具体地，所述设备具有一个或多个光纤传感器以及处理单元，所述处理单元用于接收来自组织的发射光和/或反射光并且基于所接收到的光而作出关于消融组织、组织接触和/或阻塞的一个或多个决定。所述光纤传感器中的每一个可以包括至少一个多模波导段以及至少一个单模波导段，或者所述光纤传感器中的每一个可以是包括用于通过组织接触来评估治疗元件的应变的光纤布拉格光栅的单模波导。所述处理单元可以包括光束处理装置以及高光谱成像及分析装置。由于该专利中使用的光纤温度测量技术是基于布拉格光栅(简称FBG)的光栅光纤测量传感器，如果需要测量多点甚至精确定位测量点的位置，在球囊内使用光纤光栅进行多点测温是不够的，因为球囊内部空间是有限，且还有其它测试元器件，如果需要得到球囊的温度场分布，需要非常多的布拉格光栅光纤。分布式光纤传感技术势必光纤光栅传感技术更加先进的传感技术，光纤光栅探测技术获得的信息光栅探头上周围的温度参数，而不能探测沿光纤沿途连续的温度参数。

在多点光纤温度测量技术方面分布式光纤传感系统因具有分布式测量、检测距离长、空间分辨率高、响应时间快、抗电磁干扰等优势，已被广泛应用于航空航天、石油化工、电力工业、核工业、土木工程及军事等领域。目前，分布式光纤传感系统依据光纤中的散射机制可分为如下三种：基于瑞利散射的分布式光纤传感系统、基于拉曼散射的分布式光纤传感系统、基于布里渊散射的分布式光纤传感系统。其中，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统由于其在温度和应变测量上所能达到的测量精度、传感距离、空间分辨率相比另外两种分布式光纤传感系统具有明显的优势，并且能实现对温度和应变的同时测量，而成为该领域的研究热点。

实用新型内容

本文可能用到的术语解释：

温度场：此处是指球囊贴壁的温度在空间上的分布；

空间分辨率：此处是指光纤在长度范围可以定位到的最小距离；

分布式光纤：是指一种利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质的传感系统，分布式光纤原理是利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，采用先进的光时域(OTDR)技术，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，从而实现真正的分布式的测量。

下面对本申请的发明内容进行描述。

为了解决上述在冷冻消融中进行温度测量存在问题，本申请提出一种用少量的传感器便能准确测量出球囊贴壁温度的空间场分布的测量系统。

一种带有温度场测量技术及应变测量的冷冻球囊系统，包括检测及控制系统、信号检测部分，信号检测部分包括布置在球囊内部的分布式测量光纤，该分布式测量光纤对球囊的温度场及贴壁处变形量进行检测。

进一步，所述检测及控制系统包括应变及温度数据处理单元，所述信号检测部分包括激光器、布里渊检测单元。

进一步，所述布里渊检测单元为布里渊泵浦光偏振控制单元。

具体地，所述分布式光纤安装在球囊的内层和外层之间。

优选地，所述分布式测量光纤绕制在球囊上，从而使得光纤测温点在空间上密集，从而提高空间分辨率；分布式测量光纤上多个检测点的检测数据通过所述应变及温度数据处理单元的后期数据处理，获得各检测点的温度及变信号，从而实现球囊内部的分布式测温。

进一步，所述分布式测量光纤在所述球囊上横向或斜向紧密缠绕。

优选地，使得所述分布式测量光纤沿球囊纵轴横向或斜向呈螺旋型缠绕。

进一步，分布式测量光纤从球囊的一个末端倾斜45度开始绕制。

优选地，根据对温度场空间分辨率的需求，设置绕制间隔的密集度。

进一步，各检测点分布在纵向上非均匀分布，根据需要去除掉不需要的检测点。

进一步，所述分布式测量光纤沿球囊纵向固定。

进一步，所述分布式测量光纤为一根或多根。

进一步，进一步，多根光纤纵向安装在球囊中时，多根光纤之间等间隔布置。

进一步，所述检测及控制系统还包括激光控制电路、主控单元、数据记录和存储单元、显示单元、监控及报警控制单元；所述信号检测部分还包括光纤耦合器、调制器、放大器、绕偏器、第一光环形器、第二光环形器、光电探测器、信号放大器单元、数据采集器单元。

进一步，所述主控单元驱动激光控制电路，通过激光器发出的激光信号经过光纤耦合器分为两路信号，第一路信号作为探测信号，第二路信号为泵浦信号，第一路信号经过放大器和绕偏器进入分布式测量光纤，第二路信号经第二光环形器以及布里渊泵浦光偏振控制单元后再经过第一光环形器进入分布式测量光纤；从分布式测量光纤返回的信号经第一光环形器进入光电探测器，经过信号放大单元进入数据采集单元，最后由应变及温度数据处理单元处理，处理后的数据包括分布式测量光纤上各检测点的温度及形变信号，由显示单元进行显示，监控及报警控制单元根据返回数据进行监控及报警，返回数据最后由数据记录和存储单元进行数据记录和存储，并反馈给主控单元进行下一步控制。

具体地，所述激光器为混沌激光器、窄脉冲半导体激光器等。

本申请利用分布式测量光纤沿球囊横向或者斜向紧密缠绕，由于光纤的后向拉曼散射温度效应，当一个光脉冲从光纤的一端射入光线，这个光脉冲会沿着光纤向前传播，并在每一点都会存在反射，方向与入射方向相反，强度与温度有一定的关系，温度越高强度越大，正是通过这个信号计算测量点的温度，另外，利用光时域(OTDR)技术，由光纤中的光传播速度和背向回波时间能对各测温点进行定位，而且由于光纤在距离上的分辨率有一定要求，但经过光纤沿球囊内部绕制后，可以分辨出更多测温点的位置，变形数据及温度数据经耦合器、激光器、探测器最后由数据处理模块通过解调分析计算出形变量及温度。

本申请通过采用分布式测量光纤，一根光纤就可以分辨出长度上的多点温度。(技术上)可以达到亚毫米级别甚至更高，在冷冻球囊中通常达到毫米级别就可以。另外，由于光纤绕制在球囊上，所以一根光纤就可以获得球囊的二维分布场。并且，如果光纤传感器分辨率不够的话，再采用相同长度的分布式光纤便可以从更高空间分辨率上检测出球囊里所有的温度分布。

本申请通过分布式测量光纤，只需要少量的光纤就可以测出球囊在空间的分布温度及形变，这有利于对消融组织区域的准确评估。

本申请与现有技术相比，本申请在现有的球囊中，加入的温度监控系统是基于分布式光纤的技术，在单根光纤上，可以实现亚毫米级别的分辨率，因此，一根光纤上可以检测多个点，因此只需要一根或几根光纤就可以检测整个球囊内的温度场分布。目前市场上还没有此种采用分布式测量光纤的球囊，相对于热电偶传感器的球囊，本申请的冷冻球囊可以从更高空间分辨率上检测出球囊里所有的温度分布，并且可对消融组织区域的准确评估。

附图说明

图1为现有技术中在冷冻消融过程中的温度和应变测量技术；

图2为根据本申请的带有温度场测量技术及应变测量的冷冻球囊系统的检测及控制系统图；

图3为根据本申请一个实施方式的球囊光纤绕制图，装在球囊内部的为单根分布式光纤；

图4为图2所示的光纤球囊在绕制后测温点的分布图；

图5为根据本申请另一个实施方式的球囊光纤布置图，装在球囊内部的为多根分布式光纤；

图6为图5所示的光纤球囊在绕制后测温点的分布图；

具体实施方式

下面将对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图中各附图标记分别表示；1—激光控制电路，2—光源，激光器，3—光电耦合器，4—调制器，5—放大器，6—绕偏器，7—第二光环行器，8—布里渊泵浦光偏振控制单元，9—第一光环形器，10—分布式测量光纤单元，11—光电探测器，12—信号放大器单元，13—数据采集器单元，14—应变及温度参数数据处理单元，15—显示单元，16—监控及报警控制，17—数据记录存储，18—主控制单元，19—球囊，20—检测点。

参见附图2，其示出带有温度场测量技术及应变测量的冷冻球囊系统，整个系统最左侧的为数据检测处理及控制系统，其余部分的为信号检测部分，其中分布式测量光纤单元10为绕制在球囊内部的分布式光纤。附图2左侧部分不仅包括数据检测处理及设备控制部分，而且还包括激光的控制部分，通入光纤的激光也是由此部分控制。

参见附图2，主控单元18驱动激光控制电路1，通过激光器2发出的激光信号经过光纤耦合器3分为两路信号，第一路信号作为探测信号，第二路信号为泵浦信号，第一路信号经过放大器5和绕偏器6进入分布式测量光纤10，第二路信号经第二光环形器以及布里渊泵浦光偏振控制单元8后再经过第一光环形器进入分布式测量光纤10。从分布式测量光纤10返回的信号经第一光环形器进入光电探测器11，经过信号放大单元12进入数据采集单元13，最后由应变及温度数据处理单元14处理，处理后的数据包括分布式测量光纤10上各检测点20的温度及形变信号，由显示单元15进行显示，监控及报警控制单元16根据返回数据进行监控及报警，返回数据最后由数据记录和存储单元17进行数据记录和存储，并反馈给主控单元18进行下一步控制。

其中激光器2可采用混沌激光器、窄脉冲半导体激光器等。

参见附图3、4示出根据本申请的一个实施方式的球囊光纤绕制示意图。参见附图3，示出了在球囊内外层之间绕制分布式测量光纤10。由单根分布式测量光纤10沿着球囊的纵轴横向或斜向呈螺旋型绕制在球囊19上，从球囊19的一个末端开始绕制。首先确定测量光纤，在光纤绕制时，光纤优选于沿一些特定的角度进行绕制，例如光纤可沿球囊曲率最大的地方绕制。绕制的角度可根据需要选择，优选地为15度、30度、45度，60度、75度、90度，在一个实施方式中，从球囊19的一个末端倾斜45度开始绕制。

根据对温度场空间分辨率的需求，设置绕制间隔的密集度。在一个优选实施方式中，当对温度场空间分辨率无较高要求时，绕制间隔无需那么密集。

参见附图3，标定了各个检测点。由于球囊是不规则的尺寸，所以各点分布在纵向上并不是均匀分布的，也可以根据需要去除掉不需要的检测点。

本申请通过采用分布式测量光纤10，通过特别绕制加工使得单根低距离分辨率的光纤传感器提高分辨率。分布式测量光纤上多个检测点20的检测数据通过应变及温度数据处理单元14的后期数据处理，获得各检测点20的温度及形变信号，从而实现球囊内部的分布式测温。

参见附图5、6示出根据本申请的一个实施方式的球囊光纤绕制示意图，在该实施方式中，多根测量光纤纵向设置在球囊中。在该实施方式中，各测量光纤可均匀布置在球囊中，或者根据需要非均匀地布置。参见附图6，这种布置方式中球囊上的测量点20没有图4所示的密集，因此在图5、6所示的实施方式中可采用高精度亚毫米级别的分布式光纤传感器，当然也可以根据需要采用其它各种类型分布式光纤传感器。

本申请与现有技术相比，本申请在现有的球囊中，加入的温度监控系统是基于分布式光纤的技术，在单根光纤上，可以实现亚毫米级别的分辨率，因此，一根光纤上可以检测多个点，因此只需要一根或几根光纤就可以检测整个球囊内的温度场分布。

需要说明的是，附图中的实施方案仅为本申请比较有代表性的实施例，本领域技术人员容易理解，本申请的保护范围不仅仅限定在附图中实施方式所限定的范围内，对附图中实施方式的组合、变形、变化均落在本申请的保护范围内。

以上所揭露的仅为本申请几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本申请之权利范围，因此依本申请权利要求所作的等同变化，仍属本申请所涵盖范围。

Claims (17)

1.一种带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，包括检测及控制系统、信号检测部分，其特征在于：所述信号检测部分包括布置在球囊内部的分布式测量光纤，该分布式测量光纤对球囊的温度场及贴壁处变形量进行检测。

2.根据权利要求1所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：所述检测及控制系统包括应变及温度数据处理单元，所述信号检测部分包括激光器、布里渊检测单元。

3.根据权利要求2所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：所述布里渊检测单元为布里渊泵浦光偏振控制单元。

4.根据权利要求3所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：所述分布式光纤安装在球囊的内层和外层之间。

5.根据权利要求4所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：所述分布式测量光纤绕制在球囊上，从而使得光纤测温点在空间上密集，从而提高空间分辨率；分布式测量光纤上多个检测点的检测数据通过所述应变及温度数据处理单元的后期数据处理，获得各检测点的温度及形变信号，从而实现球囊内部的分布式测温。

6.根据权利要求5所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：所述分布式测量光纤在所述球囊横向或斜向紧密缠绕。

7.根据权利要求6所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：所述分布式测量光纤沿球囊纵轴横向或斜向呈螺旋型缠绕。

8.根据权利要求5-7任一项所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：所述分布式测量光纤为一根或多根。

9.根据权利要求7所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：所述分布式测量光纤从球囊的一个末端倾斜45度开始绕制。

10.根据权利要求5-7任一项所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：根据对温度场空间分辨率的需求，设置绕制间隔的密集度。

11.根据权利要求5-7任一项所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：各检测点分布在纵向上非均匀分布，根据需要去除掉不需要的检测点。

12.根据权利要求6所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：所述分布式测量光纤沿球囊纵向固定。

13.根据权利要求12所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：所述分布式测量光纤为一根或多根。

14.根据权利要求13所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：多根光纤纵向安装在球囊中时，多根光纤之间等间隔布置。

15.根据权利要求5-7、9、12-14任一项所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：所述检测及控制系统还包括激光控制电路、主控单元、数据记录和存储单元、显示单元、监控及报警控制单元；所述信号检测部分还包括光纤耦合器、调制器、放大器、绕偏器、第一光环形器、第二光环形器、光电探测器、信号放大器单元、数据采集器单元。

16.根据权利要求15所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：所述主控单元驱动激光控制电路，通过激光器发出的激光信号经过光纤耦合器分为两路信号，第一路信号作为探测信号，第二路信号为泵浦信号，第一路信号经过放大器和绕偏器进入分布式测量光纤，第二路信号经第二光环形器以及布里渊泵浦光偏振控制单元后再经过第一光环形器进入分布式测量光纤；从分布式测量光纤返回的信号经第一光环形器进入光电探测器，经过信号放大单元进入数据采集单元，最后由应变及温度数据处理单元处理，处理后的数据包括分布式测量光纤上各检测点的温度及形变信号，由显示单元进行显示，监控及报警控制单元根据返回数据进行监控及报警，返回数据最后由数据记录和存储单元进行数据记录和存储，并反馈给主控单元进行下一步控制。

17.根据权利要求16所述的带有温度场测量技术及应变测量的新型冷冻球囊，其特征在于：所述激光器为混沌激光器或窄脉冲半导体激光器。