WO2019027254A2 - Fbg 광섬유를 이용한 형상 및 접촉력 센싱 카테터 및 카테터 시스템 - Google Patents

Fbg 광섬유를 이용한 형상 및 접촉력 센싱 카테터 및 카테터 시스템 Download PDF

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WO2019027254A2
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김영학
남기병
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정기석
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Definitions

  • the present invention relates to a shape sensing catheter and a catheter system using an FBG optical fiber.
  • the catheter system is applied to a catheter body for sensing a deformed shape and a contact force and direction applied to the catheter tip using light wavelength information, Gt; catheter < / RTI >
  • a catheter is a medical instrument used for introducing a tube into a patient's body to perform high-frequency treatment on the affected part, injecting a medical substance into the body, and discharging body fluids and the like to the outside.
  • the affected part may be damaged. Conversely, if the tip of the catheter is in contact with the lesion with too little pressure, the lesion may not be treated properly, so the pressure applied by the catheter to the lesion is required to be precisely measured according to the location and type of procedure.
  • Intervention is characterized by minimally invasive surgery, which has a high safety, high patient prognosis, and minimal pain and scarring.
  • the intervention procedure requires precise manipulation of the medical practitioner during the procedure, and the success or failure of the operation depends on the experience and ability of the medical practitioner.
  • precise positioning can not be performed at the time of treatment of a sensitive area such as cardiovascular, resulting in damage to blood vessels, other complications, radiation exposure, etc.
  • the control system is recognized as a major technology issue.
  • the hardware includes a catheter that is guided to the heart for intervention, a master (Haptic Master Manipulator) where the healthcare worker operates the catheter, And a slave robot for controlling the catheter may be a main component.
  • the catheter is provided with an electrode for delivering a stent or a radiofrequency ablation to perform electrode ablation.
  • the catheter is required to accurately detect the contact sensing information of the catheter tip and the body tissue, the position information of each part of the catheter, the electrocardiogram information sensed by the electrode sensor The functional accuracy of the surgery directly affects the success or failure of the operation.
  • the catheter enters the inside of the heart, and an electrode provided on the surface portion of the catheter is brought into contact with the inner wall of the heart to thereby map the heart. It is especially important that the contact force (pressure) applied to the tip of the catheter during cardiovascular intervention is precisely measured in size and direction.
  • the contact force (pressure) applied to the tip of the catheter during cardiovascular intervention is precisely measured in size and direction.
  • electrode catheterization if RF is applied while the catheter is not in contact with the target tissue, blood vessels around the catheter electrode located inside the atrium are coagulated to generate thrombus, resulting in cerebral infarction and major organ embolism .
  • cauterization is performed with too much pressure on the inner lining of the heart where the inner wall of the atrium continues to be contracted-relaxed, the inner wall of the heart may be punctured, resulting in a fatal medical accident to the patient.
  • US Patent No. 8,567,265 discloses a catheter that senses tip force in three axial directions using an optical fiber as a prior art that discloses another solution for measuring the pressure applied to the peak of a catheter.
  • 1 shows the above-mentioned U.S. Patent No. 8,567,265.
  • US Pat. No. 8,567,265 discloses a catheter of a Fabry-Perot interferometer according to reflection of light generated when a catheter tip is bent by using an optical fiber, unlike a conventional electrical pressure sensing technique. Calculate the bending value and the contact pressure by the analysis.
  • the 8,567,265, shown in Figure 1 has a structural member 102 with a gap 921 formed in three stages in a sensing assembly 92.
  • the slits-shaped gap 921 in which the portions of the outer circumferential surface of the structural member 102 are arranged at 120 degrees are formed at different heights.
  • three optical fibers 104 are arranged and fixed at intervals of 120 degrees such that output ends of the optical cores are positioned in the gap 921, respectively.
  • FIG. 2 illustrates the principle of a catheter to which catheter technology of US Pat. No. 8,567,265 of FIG. 1 is applied, and is excerpted from the TactiCath TM product description column of St. Jude Medical.
  • Fabry-Perot interference phenomenon is generally formed by inserting a gap cavity between two mirrors with high reflectivity.
  • the basic principle of Fabry-Perot interference phenomenon is that if multiple wavelengths ( ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3 ...) transmitted through the optical fiber are incident on the filter, multiple interference phenomenon occurs in the resonance layer to transmit only a specific wavelength, Data only.
  • the gap 921 of the structural material 102 is shown as a Fabry-Perot Cavity, and the wavelength information of the interfered light through the three gaps 921 using the Fabry- It is understood that the direction and size of the external force are calculated.
  • ThermoCool SmartTouch catheter available from Biosense Webster, Johnson & Johnson Medical.
  • Thermo Cool Smart Touch Catheter is a product that accurately delivers the strength of the catheter's direction and contact area strength and increases safety. It is approved by the US FDA and marketed domestically.
  • the technique of measuring the pressure applied to the peak of the catheter is developed into a catheter that adopts an optical fiber having excellent safety, sensitivity, and small diameter in the use of an electrical pressure sensitive device, .
  • the conventional catheter described with reference to Figs. 1 and 2 requires the structure of the structural member 102 in addition to the optical fiber as the sensing assembly 92.
  • the structural material 102 should be formed such that slit-like gaps 921 are opened at intervals of 120 degrees and have different heights.
  • the structural member 102 must be formed with three gaps 921 of minimum equidistant length. Therefore, the conventional catheter has a high specific gravity of the length of the structural member 102 occupied at the distal end thereof, and thus there is a limit to measure the precise displacement of the distal end of the catheter.
  • analyzing the wavelength information of the light due to the multiple interference phenomenon of Fabry-Perot has a problem in that the system design is complicated and the manufacturing cost is increased.
  • An electro-anatomic mapping (EAM) technique was used to implement the catheter position in the heart in real time.
  • An electro-anatomical mapping technique is a non-contact mapping system that uses a multi-electrode array to construct a three-dimensional position of the catheter through patches of the body surface causing the transthoracic electric field.
  • FIG. 3 is a drawing for explaining the principle of the Ensite NavX TM product of St. Jude Medical applying the electroanatomical mapping technique, and is extracted from the '3D mapping system' document disclosed in International Journal of Arrhythmia.
  • Ensite NavX TM attaches 6 electrodes patches in three pairs on the patient's front and back, left and right, and up and down, and when a current signal of about 8 KHz is emitted from six electrodes, a transthoracic electric field is formed
  • It is an impedance-based mapping system in which a voltage gradient is created through intracardiac tissue along each axis, and this voltage is measured at the electrodes of an intracardiac catheter to determine the position of the catheter.
  • the impedance-based cardiac mapping method is pointed out as a disadvantage that the accuracy of the three-dimensional image is reduced due to the deformation of the electric field caused by a technical problem. Therefore, experience of the practitioner in the registration process is suggested as an important factor to reduce the error.
  • FIGS. 4A and 4B are diagrams for explaining the principle of a CARTO product of Biosense Webster applying a magnetic field mapping technique.
  • FIG. 4A and FIG. 4B illustrate the principle of a CARTO product using a magnetic field mapping technique. It is.
  • a CARTO product of Biosense Webster includes a ring electrode on a tip of a mapping catheter and a location sensor housed inside a catheter.
  • a location pad is composed of three coils C1, C2, C3 and forms a magnetic field, and a location sensor embedded in the catheter is connected to a location pad The intensity of the magnetic field is measured and the distance is calculated to map the position of the catheter.
  • the position sensing using the magnetic field has a cost advantage over the catheter system of the fluoroscopic method, but a system for acquiring the purified mapping in real time has not yet been optimized.
  • a system for acquiring the purified mapping in real time has not yet been optimized.
  • the electro-anatomical mapping technique performs 3D mapping based on the transthoracic electric field, so that the reference source is shaken or the electric field is changed due to the movement of the heart and the patient's breath during the operation,
  • the mapping catheter is limited in that it can only perform sequential mapping according to non-simultaneous contact on a plurality of electrodes. Therefore, it is reported that activation mapping is not possible in arrhythmia with unstable beating such as atrial fibrillation.
  • the magnetic field mapping technique is difficult to acquire deformation information such as the banding of the catheter in real time, and optimization of the system remains a difficult problem. Accordingly, there is a need for other mapping schemes that can improve the accuracy of heart shape mapping and sensing the position of the catheter.
  • the applicant of the present application refers to a catheter and catheter system for cardiovascular intervention, which can confirm the position of the catheter by detecting the shape of the catheter itself in real time without forming an electric field or a magnetic field and acquiring the coordinate value thereof with reference to USP 7,781,724 .
  • U.S. Patent No. 7,781,724 discloses a technique for realizing the real-time shape of the optical fiber and bending by using three FBG optical fibers.
  • 5 shows an optical fiber shape sensing apparatus 10 disclosed in U.S. Patent No. 7,781,724 (hereinafter abbreviated as "prior patent”).
  • the prior art discloses an optical fiber 20 having three or more optical cores 30, 35, 40 and an FBG 50 provided in each optical core 30, 35, 40, a reflectometer 70, and a coupling device 25 for coupling multiple optical fibers 55, 57 and 59.
  • the FBG 50 is a kind of optical sensor, which means a fiber Bragg grating, and reflects a wavelength of light which changes in response to a temperature change.
  • Each of the FBGs 50 disposed in the longitudinal direction of the optical core reflects the intrinsic wavelength of the light, and the FBG 50 reflects the intrinsic wavelength of the light, Since the reflected light wavelength is changed according to the change, the deformation of the strain applied to the optical fiber can be detected.
  • the prior patent according to Fig. 5 detects the frequency displacement from the FBG 50 located on the same cross section of the three optical cores 30, 35 and 40 arranged at 120 degrees, respectively.
  • the two-dimensional shape deformation of the optical fibers 55, 57 and 59 can be calculated by the calculation of the frequency displacement measured in the two optical cores.
  • the prior art discloses that the three-dimensional shape deformation of the optical fibers 55, 57 and 59 can be calculated by the calculation of the frequency displacement measured in three optical cores.
  • the Applicant has confirmed that the three-dimensional shape of the optical fiber can be measured using at least three FBG optical cores and that the coordinate value of the FBG obtained by the shape sensing of the catheter can detect the exact position of the catheter . Accordingly, the present applicant has devised a catheter particularly suitable for the cardiovascular intervention procedure, by allowing the detection of the shape of the catheter and the pressure sensing of the tip simultaneously by referring to the above-mentioned patent.
  • the non-patent literature includes NavXTM cardiac mapping system, International Journal of Arrhythmia 2013, 14 (1): 8-13, and A Novel Method for Non-Fluoroscopic Catheter-Based Electroanatomical Mapping of the Heart, Lior Gepstein, March 18, 1997. '
  • the present invention aims to provide a catheter and catheter system capable of detecting the three-dimensional shape of a catheter in real time and measuring the direction and magnitude of the external force applied to the catheter tip.
  • the present invention also provides a catheter and catheter system designed to have excellent banding range in consideration of the movable range of the optical fiber having insufficient flexibility.
  • the present invention provides a catheter and catheter system improved in measurement sensitivity so as to accurately grasp the refraction position of the optical fiber in consideration of optical interference of FBG reflected light.
  • the present invention provides a catheter capable of measuring a precise external force because a sensing assembly for external force measurement can be formed in the micro area of the catheter tip.
  • the present invention provides a catheter comprising: a catheter body having a first region defined as a path where at least one channel is formed, and a tip provided with a tip to be condensed as an external force is applied, An optical fiber penetrating the channel and having a plurality of FBGs arranged along the longitudinal direction of the catheter body; And an elastic member which is provided on the inner side of the distal end to surround the optical fiber and has an elastic force different from an elastic force of the catheter body and focuses an external force applied to the tip on the distal end, Wherein the shape of the catheter body is sensed by optical wavelength information of the FBG group arranged in the first region and an external force applied to the tip is detected by optical wavelength information of the FBG group arranged in the second region .
  • the optical fiber has three or more optical cores, and the three or more optical cores may be disposed with a radius of 0.01 mm to 1.00 mm around the axis of the catheter body.
  • the spacing of the plurality of FBGs on the optical fiber is different, and the distance between the FBGs may be increased toward the leading end.
  • the spacing of the plurality of FBGs on the optical fiber is different, and the spacing distance between the FBGs may be reduced toward the leading end.
  • the elastic member is provided in the second region, and the FBG group disposed in the second region may be located in the elastic member.
  • the optical fiber has three or more optical cores, and light of the same wavelength band may be incident on the three or more optical cores.
  • the optical fiber has three or more optical cores, and light of a different wavelength band may be incident on the three or more optical cores.
  • the three or more optical cores are arranged such that wavelength information transmitted through the FBG group in which light of a different wavelength band is respectively arranged in the first area is discriminated from each other,
  • the shape and shape of the catheter body can be sensed by calculating the direction and angle of bending of the optical fiber.
  • the optical fiber has three or more optical cores, and light may be incident on the three or more optical cores with a time difference therebetween.
  • the three or more optical cores are configured such that optical information is separated from each other by a time difference in which light of the same wavelength band passes through the FBG group arranged in the first region, and optical information of three or more optical wavelengths It is possible to calculate the direction and angle of bending to sense the shape of the catheter body.
  • the shape of the catheter body can be sensed by calculating the direction and angle of bending of the optical fiber with the separated optical information.
  • the optical fiber has three or more optical cores, and the three or more optical cores are arranged such that light is applied to the tip with three or more pieces of wavelength information that have passed through the FBG group arranged in the second region The direction and magnitude of the external force can be sensed.
  • a catheter system including a catheter body in which a first region is defined as a path in which one or more channels are formed, and a tip provided with a tip to be condensed as an external force is applied is defined as a second region, An optical fiber having a plurality of FBGs disposed therein along a longitudinal direction of the catheter main body and an elastic member having a resilient force different from an elastic force of the catheter main body so as to surround the optical fiber, A catheter having an elastic member for concentrating the catheter on the distal end; And calculating the shape of the catheter body from the optical wavelength information of the FBG group disposed in the first region among the plurality of FBGs, and calculating an external force applied to the tip with the optical wavelength information of the FBG group arranged in the second region
  • the catheter body is provided outside the catheter body to transmit an electric signal to the analyzer through a wire disposed inside the catheter body or to transmit an electric energy to the tissue And the like.
  • the catheter is configured such that the optical fiber includes three or more optical cores, and the optical wavelength analyzing unit calculates the direction and angle of bending of the optical fiber with the wavelength information of three or more lights received from the three or more optical cores So that the shape of the catheter body can be sensed.
  • the present invention it is possible to detect the refracted position, the direction, the angle and the curvature of the catheter body through triplet calculation of the three wavelength information changed in accordance with the FBGs provided in the three optical cores, .
  • the optical fiber is positioned at the central portion corresponding to the axis of the catheter body, and at least three optical cores are arranged with a radius of 0.01 mm to 1.00 mm with respect to the linear axis.
  • U.S. Patent No. 8,567,265 in which a plurality of optical cores are arranged outside the catheter body, taking into consideration the structural design that can improve the banding range of the catheter, taking into account the range of motion of the optical fiber, which lacks flexibility .
  • the FBG is provided so that the spacing disposed along the longitudinal direction of the optical core increases toward the tip direction. This minimizes the loss of reflected light due to interference between light beams transmitted through the FBG, thereby improving the resolution for detecting the refraction position.
  • the transition wavelength corresponding to the FBG group of the first region is used for shape sensing
  • the transition wavelength corresponding to the FBG group of the second region is used for pressure sensing.
  • This is particularly suitable as a sensing means of a mapping catheter that must be implemented with a small radius as the sensing assembly is configured to detect the shape and pressure sensing of the catheter with only three or more optical core configurations.
  • FIG. 1 shows a pressure sensitive catheter using an optical fiber as a prior art.
  • Figure 2 shows the sensing principle of a pressure sensitive catheter product to which the technique of Figure 1 is applied.
  • Figure 3 shows a catheter system according to an electro-anatomical mapping technique as a prior art.
  • Figures 4A and 4B illustrate a catheter system in accordance with a magnetic field mapping technique as a prior art.
  • FIG. 5 shows a shape and position detection system of an optical fiber as a prior art.
  • FIGS. 6 and 7 illustrate a catheter system in accordance with an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 illustrates an exploded view of a distal end of a catheter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing the internal structure of an optical fiber of a catheter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 10 illustrates an internal configuration of an optical fiber according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 illustrates a catheter system 1 in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the catheter system 1 may be configured to include a catheter 6, a light wavelength analyzing unit 8, and a coolant pump 9.
  • the catheter system 1 according to the present embodiment measures the magnitude and direction of the external force exerted on the tip 61 of the catheter 6 and acquires three-dimensional pressure information of the tip 61 in contact with the inner wall of the heart .
  • the catheter system 1 according to the present embodiment is embodied as a sensing assembly for pressure measurement of the tip 61 with an optical fiber 65.
  • the sensing assembly composed of the optical fiber 65 can detect the direction and degree and direction of refraction of the catheter body 63 as well as the magnitude and direction of the external force applied to the tip 61, The shape can be sensed.
  • the pressure measurement of the tip 61 and the shape sensing of the catheter 6 are calculated using the optical wavelength information due to the FBGs 6511 and 6513 provided in the optical fiber 65.
  • the optical wavelength information is classified into an FBG group 6511 for sensing the shape of the catheter body 63 and an FBG group 6513 for measuring the pressure of the tip 61, and the measurement principle will be described later with reference to FIGS. 7 to 9 .
  • the catheter system 1 includes a processor 61 that calculates the size and orientation of the external force applied to the tip 61 and the shape of the catheter body 63 by calculating a plurality of optical wavelength information received from the optical fiber 65, A light wavelength analyzing section 8 composed of a light source 81 and a display 83 for visualizing the calculated result can be provided together with the catheter 6.
  • a processor 61 that calculates the size and orientation of the external force applied to the tip 61 and the shape of the catheter body 63 by calculating a plurality of optical wavelength information received from the optical fiber 65
  • a light wavelength analyzing section 8 composed of a light source 81 and a display 83 for visualizing the calculated result can be provided together with the catheter 6.
  • the catheter 6 may include a catheter body 63, an optical fiber 65, a tip 61, an electrode 64 and an elastic member 67.
  • the tip 61 may be implemented in the form of an ablation electrode for electrode ceramic ablation.
  • the tip 61 is connected to the electrode wire 33 to be electrically conductive, and can be heated with externally applied electric power to remove myocardial tissue.
  • the tip 61 may be implemented as an electrical sensor element capable of measuring a vital signal such as an ECG.
  • the tip 61 is coupled to the distal end of the catheter body 63.
  • One or more driving wires 615 are connected to the tip 61 so that the catheter 6 can be steered as the leading direction of the driving wire 615 is controlled by the pulling and pulling.
  • the outer surface of the tip 61 may be provided with a water supply hole 613 through which cooling water transferred to the irrigation tube 31 may be discharged.
  • the catheter 6 may be provided such that a plurality of electrodes 64 are exposed on the surface of the catheter body 63 in addition to the electrodes provided on the tip 61.
  • the plurality of electrodes 64 provided on the surface of the catheter body 63 can cauterize the myocardial tissue contacted by the ablation electrode.
  • each electrode 64 is connected to a driving wire 615 and an electrode wire 33 so that a catheter body 63 region where each electrode 64 is located can be bent.
  • the catheter body 63 can form a loop at the distal end thereof, and the loop formed by the body 63, not the tip 61, comes into contact with the target point so that the plurality of electrodes 64 will cauterize the large area .
  • the electrode 64 may be provided in the form of four to six segmented segments on the circumferential surface of the catheter body 63.
  • the loop of the catheter body 63 is in contact with one side of the circumference. Accordingly, when the electrode 64 is formed along the circumferential surface of the catheter body 63 and a high frequency is applied to the electrode, thrombosis may be generated on the other side not in contact with the catheter body 63, thereby causing side effects.
  • the electrode 64 is provided in the catheter body 63 in the form of a segmented segment as shown in FIG. 6, and a catheter 6 is implemented such that high frequency is applied only to the electrode 64 segment at the point of contact desirable.
  • the electrode 64 is provided outside the catheter body 63 and can transmit an electric signal to the analyzer through the electric wire disposed inside the catheter body 63 or transmit the energy input from the outside to the tissue .
  • the catheter body 63 enters the heart and guides a treatment tool, such as an electrode, to be inserted for removal of myocardial tissue to a target point.
  • a treatment tool such as an electrode
  • the heated electrodes contact the tissue and remove myocardial tissue.
  • the electrode is subjected to ablation for about 60 seconds at about 50 to 60 ° C.
  • the catheter for treating the arrhythmia by removing the myocardial tissue from the electrode reaching the arrhythmogenic region can be classified as an ablation catheter.
  • the electrode may be provided to measure vital signs, and a treatment instrument such as a stent may be induced according to the purpose of the treatment and the surgical method.
  • the catheter body 63 is provided with a biocompatible and flexible material for entry into the ablation catheter or a target site of an electrode or other treatment tool at the tip used in the mapping catheter.
  • the light wavelength analyzing unit 8 may include a processor 81, a display 83, an RF feeder 85, a core coupler 87, and a coupler 89.
  • the processor 81 computes the received light information and the display 83 can visually indicate the shape of the computed catheter body 63 and the pressure and direction of the tip 61.
  • the RF feeder 85 may be connected to the catheter system 1 to supply radio frequency (RF).
  • the RF feeder 85 can be electrically connected, including a connector 89 to be connected to the carter system 1, through which the radio frequency can be easily supplied.
  • the cooling water pump 9 can be connected to the catheter system 1 to supply cooling water from the outside.
  • a passage for moving the cooling water may be provided.
  • the cooling water supplied from the cooling water pump 9 can be transferred to the water supply port 613 by moving inside the catheter system 1.
  • FIG. 8 shows an exploded view of a distal end of a catheter 6 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing the internal structure of an optical fiber of a catheter according to an embodiment of the present invention.
  • the catheter body 63 is defined as a path in which one or more channels are formed, a first area A1 is defined, a tip provided with a tip 61 to which an external force is applied is defined as a second area A2, . It is defined to clearly explain the structural features and functions of the configuration.
  • the path from the tip of the catheter 6 to the tip 61 before the elastic member 67 is divided into a first area A1
  • the path of the leading end for detecting the pressure of the tip 61 after the path of the area A1 is divided into the second area A2.
  • One or more channels may be formed in the catheter body 63.
  • the channel formed in the catheter body 63 there is a channel for penetrating the optical fiber 65 for pressure measurement and an irrigation tube (for cooling the heated electrode It is confirmed that a channel for introducing the electrode wire 33 for supplying electric power to the electrode and a channel for penetrating the driving wire 615 for steering the catheter 6 are formed .
  • the optical fiber 65 may be inserted into the channel and a plurality of FBGs 6511 and 6513 may be disposed along the longitudinal direction of the catheter body 63.
  • the optical fiber 65 may be formed so that the optical core 651 may be shielded in the cover 650 and the cladding layer may be formed so that light can be transmitted through the optical core 651 in total reflection of light in the cover 650 .
  • the optical fiber 65 may include a plurality of optical cores 651, and an embodiment in which a plurality of optical cores 651 are disclosed will be described later with reference to FIG.
  • FBGs 6511 and 6513 serving as optical grating sensors are arranged in the longitudinal direction.
  • An FBG is an optical element known as a fiber Bragg grating sensor, which reflects the wavelength of light that changes in response to temperature or strained strain.
  • the FBG is constructed by exposing a short length of photosensitive fiber to a periodic distribution of light intensity using a holographic interference or phase baskets. When light of a broad wavelength band is transmitted to the FBG, reflections from each part that replace the refractive index are structurally disturbed only at specific wavelengths of light that are Bragg wavelengths.
  • the FBG This causes the FBG to efficiently reflect a specific optical frequency and causes wavelength transitions in the received optical information. Since the Bragg wavelength is a function of the grating interval, the FBG is manufactured with various Bragg wavelengths, and the FBGs having various Bragg wavelengths reflect the intrinsic wavelength of the light in each wavelength band.
  • the FBGs 6511 and 6513 arranged in the longitudinal direction of the optical core 651 can sense that a specific point of the optical core 651 is bent to cause strain deformation.
  • the FBGs 6511 and 6513 are disposed on the optical core 651 at regular intervals, even if light having a wide band of wavelengths is incident on the optical core 651, interference due to the gratings of the plurality of FBGs 6511 and 6513 It is possible to partially lose the transition wavelength information of the light. More specifically, a part of the light incident on the optical core 651 is reflected while being struck by the first FBG positioned first, and the remaining part is advanced through the first FBG.
  • the plurality of FBGs 6511 and 6513 are arranged on the optical fiber 65 at different intervals, and the intervals spaced apart from each other are increased or decreased in the forward direction.
  • the first spacing in the proximal direction is referred to as Gl and the second spacing in the distal direction is referred to as G2.
  • the spacing of the FBG arranged in the tip direction is gradually increased or decreased so that the interval of G2 is larger than the interval of G1.
  • the polarized reflected light is each of the reflected light polarized in the y-axis direction perpendicular to the x-axis in the longitudinal direction, and the reflected light has different wavelength bands, and the wavelengths of the reflected light by the plurality of gratings .
  • the wavelength change sensed by the difference between the plurality of gratings is easy to detect the refraction state.
  • the plurality of FBGs 6511 and 6513 sense the shape of the catheter body 63 with the light wavelength information of the FBG group 6511 disposed in the first area A1, It is possible to sense the external force applied to the tip 61 by the optical wavelength information of the FBG group 6513 and the FBG group 6513 arranged in the second area A2 and the FBG group arranged in the first area A1 (6511) can be combined to be used for shape sensing.
  • the light wavelength analyzer 8 classifies the transition wavelength band of the first FBG group 6511 disposed in the first region A1 and the transition wavelength band of the second FBG group 6513 disposed in the second region A2 Thereby processing optical information.
  • a plurality of lattice sensors belonging to the first FBG group 6511 and the second FBG group 6513 are used to calculate the bending bending and direction at the corresponding positions, and the lattice sensors belonging to the second FBG group 6513 Is further used to calculate the contact force due to axial pressing or bending of the tip 61.
  • the elastic member 67 is made of a material having an elastic force different from the elastic force of the catheter body 63 and adapted to surround the optical fiber 65 on the inside of the tip end so that the external force applied to the tip 61 can be concentrated on the distal end.
  • the elastic members 67 are disposed in the second area A2 and the FBG group 6513 disposed in the second area A2 is positioned in the elastic member 67.
  • the catheter body 63 and the catheter body 63 are made of a single material having a different elasticity from that of the catheter body 63, Is required to be provided at the tip end.
  • a change in physical properties due to the pressing of the tip 61 is concentrated in the second FBG group 6513 located in the second region A2, and thus a meaningful measurement value can be obtained.
  • the elastic member 67 which is a different material, which is assembled with the tip 61 of the catheter body 63 and surrounds the gap G located inside the catheter body 63 together with the tip 61.
  • the elastic member 67 may be provided as a material that is more flexible than the material of the catheter body 63, and may be provided as an element such as a spring in one example.
  • FIG 10 shows an internal configuration of an optical fiber 65 composed of multiple optical cores 651a, 651b and 651c according to another embodiment of the present invention.
  • the optical fiber 65 includes three or more optical cores 651a, 651b, and 651c, and three or more optical cores 651a, 651b, and 651c are disposed around the linear axis of the catheter body 63 May be arranged at a radius of 0.01 mm to 1.00 mm, and more preferably at a radius r of 0.2 mm. 9, a plurality of optical cores 651a, 651b, and 651c are provided in a single optical fiber 65.
  • an optical fiber having a single optical core 651 in the catheter body 63 65 may be provided in the form of three or more.
  • the optical core 651 is formed by a triplet operation of the optical wavelength information received by the three optical cores 651 You can calculate the degree and direction of bending.
  • the optical core 651 having a plurality of optical gratings can calculate the three-dimensional deformation of the catheter body 63 when at least three optical cores are provided.
  • the principle of shape sensing using three optical cores 651 can be referenced to U.S. Patent No. 7,781,724 as an embodiment. Referring to FIGS. 5 to 8 and paragraphs [0046] to [0071] of U.S. Patent No.
  • three strain values are used in three FBG light cores located on the same cross section to determine the center distance of the core boundary from the curvature center x 'axis as well as the bending radius, the direction of bending with respect to r, and the angle a.
  • at least three pieces of FBG sensing information having different radii from the curvature center can calculate the strain variable with the shifted wavelength information and calculate the curved shape of the catheter body 63.
  • three or more optical cores 651a, 651b, and 651c are connected to the tip 61 with three or more wavelength information that has passed through the second FBG group 6513 disposed in the second area A2 The direction and magnitude of the applied external force can be sensed.
  • the optical fiber 65 is inserted into the channel corresponding to the axis of the catheter body 63. That is, the optical fiber 65 is disposed at the center of the catheter body, and the optical core 651 is also located at a radius r within 0.20 mm.
  • the optical core 651 is less flexible than the catheter body 63 due to the nature of the material. Therefore, if the optical core 651 is positioned outside the axis of the catheter body 63, the banding range of the catheter 6 bent with the driving wire 615 can be limited. 7, an optical fiber 65 is disposed in a center channel corresponding to the axis of the catheter body 63, and an irrigation tube 31 or an electrode wire 33 And the like are preferably arranged. This is in contrast to U.S. Patent No. 8,567,265, in which a plurality of optical cores are arranged outside the catheter body, taking into consideration the structural design that can improve the banding range of the catheter, taking into account the range of motion of the optical fiber, which lacks flexibility .
  • the three or more optical cores 651a, 651b, and 651c pass through the first FBG group 6511 disposed in the first area A1, Information can be distinguished from each other, and the direction and angle of bending of the optical fiber 65 can be calculated with three or more optical wavelength information that are discriminated, thereby sensing the shape of the catheter body 63.
  • the path through which light is incident, reflected, and transmitted to each of the optical cores of the three or more optical cores 651a, 651b, and 651c is completely separated from the other optical cores so that the light sources,
  • the wavelengths reflected by the FBG group 6511 disposed in the first area are discriminated from each other, and the optical fiber 65 is divided into three or more optical wavelength information, And the shape of the catheter body 63 can be sensed.
  • the three optical cores 651a, 651b and 651c must be capable of acquiring the respective reflected light separately. For this reason, light of different wavelength band may be incident on the three optical cores 651a, 651b, and 651c.
  • light of R, G, and B wavelengths can be incident on the three optical cores 651a, 651b, and 651c, respectively, and the amount of red light, the amount of green light, and the transition information of the Bblue wavelength are compared
  • the deformation of the shape generated in the first FBG group 6511 can be determined.
  • light having a broadband wavelength may be incident on three or more optical cores 651a, 651b, and 651c with a time difference, respectively.
  • three or more optical cores 651a, 651b, and 651c are distinguished from each other in optical information by a time difference when light in the same wavelength band passes through the FBG group 6511 disposed in the first area A1, It is possible to calculate the direction and angle of bending of the optical fiber 65 with three or more optical wavelength information and to sense the shape of the catheter body 63.
  • the optical cores 651a, 651b and 651c of the catheter main body 63 and the direction and angle of bending of the optical fiber 65 are calculated with the separated optical information to determine the shape of the catheter body 63 Sensing can be performed.
  • the light wavelength analyzing unit 8 may include a processor 81 and a display 83.
  • the light wavelength analyzing section 8 calculates the shape of the catheter main body 63 by using the optical wavelength information of the FBG group 6511 arranged in the first area A1 of the plurality of FBGs, The external force applied to the tip 61 by the light wavelength information of the FBG group 6513 can be calculated.
  • the light wavelength analyzing unit 8 may be provided with a light source that receives light in each wavelength band or at a time difference in order to discriminate the optical wavelength information of the multiple optical cores 651a, 651b, and 651c, And the display 83 can visually indicate the shape of the computed catheter body 63 and the pressure and direction of the tip 61. For example,
  • the shape of the catheter 6 can be sensed by detecting the refracted position, direction, angle and curvature thereof.
  • the optical fiber 65 is positioned at the central portion corresponding to the linear axis of the catheter body 63 and three or more optical cores 651a, 651b and 651c are arranged with a radius of 0.01 mm to 1.00 mm with respect to the linear axis . This can improve the banding range of the catheter in consideration of the movable range of the optical fiber which is lacking in flexibility.
  • the FBGs are provided such that the intervals arranged along the longitudinal direction of the optical cores 651a, 651b and 651c are increased or decreased in the direction of the tip. This minimizes the loss of reflected light due to interference between light beams transmitted through the FBG, thereby improving the resolution for detecting the refraction position.
  • the regions where the FBGs are disposed in the optical cores 651a, 651b, and 651c are discriminated, and the transition wavelength corresponding to the FBG group 6511 of the first region is used for shape sensing and pressure sensing,
  • the transition wavelength corresponding to the FBG group 6513 of the region is used for pressure sensing.
  • This is particularly suitable as a sensing means of a mapping catheter that must be implemented with a small radius as the sensing assembly is configured so that the shape and pressure sensing of the catheter 6 can be detected with only three or more optic cores 651a, 651b, 651c configurations Do.

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Abstract

본 발명은 카테터에 있어서, 하나 이상의 채널이 형성된 경로로서 제1 영역이 정의되고, 외력이 가해짐에 따라 응축되는 팁이 마련된 선단이 제2 영역으로 정의되는 카테터 본체; 상기 채널에 관입되어 상기 카테터 본체의 길이 방향을 따라 복수개의 FBG가 배치된 광섬유; 및 상기 선단의 내측에 상기 광섬유를 감싸도록 마련되며 상기 카테터 본체의 탄성력과 상이한 탄성력을 갖는 소재로 이루어져 상기 팁에 가해지는 외력을 상기 선단에 집중시키는 탄성 부재를 포함하고, 상기 복수개의 FBG는, 상기 제1 영역에 배치된 FBG군의 광 파장 정보로 상기 카테터 본체의 형상을 센싱하고, 상기 제2 영역에 배치된 FBG군의 광 파장 정보로 상기 팁에 가해지는 외력을 센싱하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 3개의 광코어에 각각 마련되는 FBG에 따라 천이된 3개의 파장 정보의 트리플렛 연산을 통해 카테터 본체의 굴절된 위치, 방향과 그 각도 및 곡률을 검출하여 카테터의 형상 센싱이 가능한 이점이 있다.

Description

FBG 광섬유를 이용한 형상 및 접촉력 센싱 카테터 및 카테터 시스템
본 발명은 FBG 광섬유를 이용한 형상 센싱 카테터 및 카테터 시스템에 관한 것으로서, 카테터 몸체가 변형되는 형상의 센싱과 카테터 선단에 가해지는 접촉력과 방향을 광의 파장 정보를 이용하여 산출함에 따라 심혈관 중재시술시 적용되기에 적합한 카테터 및 카테터 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 카테터는 환자의 체내로 튜브를 삽입하여 환부에 고주파 치료를 하거나, 의료용 물질을 체내로 주입하고 체내의 체액 등을 외부로 배출하기 위하여 사용되는 의료용 기구이다.
상기와 같은 카테터를 이용하여 시술을 행하는데 있어서 카테터의 선단인 첨두가 환자의 환부에 과다한 압력을 가할 경우 환부를 손상시키는 경우가 발생하였다. 이와 반대로, 카테터의 선단이 너무 적은 압력으로 환부와 접촉된다면 환부가 제대로 치료되지 않는 경우가 발생하므로 카테터가 환부에 가하는 압력은 시술 위치와 종류에 따라 정밀하게 측정되는 것이 요구된다.
한편, 영상장비를 이용하여 목표하는 질환부위에 카테터를 유도하여 치료 및 시술하는 것을 중재시술이라 한다. 중재시술은 최소 침습을 특징으로 하여 시술 안전성이 높고 환자의 예후가 우수하며 통증과 흉터가 최소화되는 등 환자의 만족도가 높아 적용 범위가 넓어지는 추세이다. 그러나, 중재시술은 시술시 의료 종사자의 정밀한 조작이 요구되어 의료 종사자의 경험, 능력에 따라 수술의 성패가 좌우된다. 또한, 수술의 종류에 따라 심혈관과 같이 민감한 부위의 치료시에는 정밀한 위치조정에 실패하여 혈관이 손상될 우려가 있고, 기타 합병증, 방사선 피폭 등의 문제를 야기할 수 있어, 정밀하고 정확한 시술을 짧은 시간 내에 가능하게 할 수 있는 의료 기기와 장비의 개발이 필수적인 실정이다. 즉, 환자의 입장에서는 시술하는 의료 종사자의 경험, 능력에 따른 합병증을 최소화하고, 의료 종사자 입장에서는 여러 명의 환자를 시술함에 따라 지속적으로 방사선에 노출되는 문제를 피하고자, 중재시술을 원격으로 수행하도록 제어 시스템을 구성하는 것이 주요 기술 이슈로 인지되는 실정이다.
심혈관 중재시술을 위한 원격 제어 시스템을 구성하고자 할 경우, 하드웨어 측면에서는 중재시술을 위해 심장으로 유도되는 카테터와, 의료 종사자가 카테터를 조작하게 되는 마스터(Haptic Master Manipulator)와, 마스터의 조작과 연동되어 카테터를 제어하는 슬레이브(Slave Robot)가 주요 구성이 될 수 있다. 여기서, 카테터는 스텐트를 전달하거나 고주파 절제를 위한 전극이 구비되어 전극도자절제술을 수행하게 된다. 전술한 바와 같이 카테터는 정밀한 제어가 중요하며, 원격으로 제어를 구현하고자 할 경우 카테터 첨단부와 체내 조직의 접촉 센싱 정보, 카테터 각 부분의 위치 정보, 카테터에 구비된 전극센서에서 감지하는 심전도 정보 등의 기능적 정밀도가 수술의 성패에 직접적으로 영향을 미치게 된다.
심혈관 중재시술의 경우, 카테터는 심장의 내부에 진입하여 카테터의 표면부에 구비된 전극이 심장 내벽과 접촉함으로써 심장을 매핑하게 된다. 심혈관 중재시술시 카테터의 선단에 가해지는 접촉력(압력)은 그 크기와 방향이 정밀하게 측정되는 것이 특히 중요하다. 전극도자절제술을 수행할 경우 카테터가 목표 조직에 접촉하지 않은 상태에서 RF가 인가되면, 심방 내부에 위치한 카테터 전극 주위에 존재하는 혈액을 응고시켜 혈전이 생성됨에 따라 뇌경색, 주요장기 색전이 발생하게 된다. 또는, 지속적으로 심방 내벽이 수축-이완되고 있는 심장 내벽에 너무 과도한 압력으로 카테터가 접촉하면서 소작을 진행할 경우 심장 내벽을 천공하게 되어, 환자에게 치명적인 의료사고가 발생될 수 있다.
이처럼, 중재시술에서 카테터는 매핑 또는 조직의 고주파 절제시 선단에 가해지는 압력의 정밀한 측정이 요구됨에 따라 카테터의 첨두에 가해지는 압력을 측정하기 위한 다양한 형태의 센서들이 제시되고 있다. 종래에는 외부에서 가해지는 힘에 따라 출력되는 전류가 달라지는 전기적 압력 감지식 소자를 이용한 힘 센서를 이용하였다. 하지만, 전기적 압력 감지식 소자를 이용한 힘 센서는 미세한 외력이 가해졌을 때 출력되는 전류의 변화가 크지 않고, 전류의 변화를 정밀하게 측정하기 위해서는 고가의 장비가 필요하며, 전기적 압력 감지식 소자의 크기를 늘려 전류량을 늘릴 경우 카테터의 크기가 증가하여 혈관 내에 삽입되는 카테터에 조합되지 못하는 문제점이 있다.
이에 따라 카테터의 첨두에 가해지는 압력을 측정한 다른 해결수단을 제시한 종래기술로서, 미국등록특허 제8,567,265호는 광섬유를 이용하여 3축 방향의 선단 힘을 감지하는 카테터를 개시한다. 도 1은 상기 미국등록특허 제8,567,265호를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 미국등록특허 제8,567,265호의 카테터는 기존의 전기적 압력 감지식과 달리 광섬유를 이용하여 카테터 선단의 굴곡시 발생되는 빛의 반사에 따른 패브리-페로 간섭현상(Fabry-Perot interferometer)의 분석으로 굴곡값과 접촉 압력을 계산한다. 도 1에 제시된 미국등록특허 제8,567,265호의 카테터는 센싱 어셈블리(92)에 3단으로 갭(gap)(921)이 형성된 구조재(102)를 구비한다. 이 때 구조재(102)는 외주면의 일부가 각각 120°로 배치된 슬릿 형상의 갭(921)이 서로 다른 높이로 형성된다. 여기서, 광섬유(optical fiber)(104)는 120도의 간격으로 각각 갭(921)에 광코어의 출력단이 위치하도록 3개가 배치되어 고정된다. 3단의 갭(921)은 마치 스프링과 같은 세그먼트 구조를 형성하며, 선단에 특정 방향에서 외력(F)이 가해지면 각 위치에서의 갭(921)의 간격이 변화되고, 이에 따라 반사되어 광섬유(104)가 수신한 광의 다중간섭현상을 분석하여 접촉력의 크기와 방향을 감지하게 된다.
도 2는 도 1의 미국등록특허 제8,567,265호 카테터 기술이 적용된 카테터의 원리를 설명하는 것으로, 세인트주드 메디컬사의 TactiCathTM 제품 설명란에서 발췌된 것이다. 패브리 페로 간섭현상이란 일반적으로 두 개의 고반사율을 가지는 거울 사이에 하나의 공진층(gap cavity)을 삽입하여 구성된다. 패브리 페로 간섭현상의 기본원리는 광섬유를 통하여 전달된 다파장(λ1, λ2, λ3 ...)이 필터에 입사되면 공진층에서 다중간섭현상을 발생시켜 특정한 파장만 투과시키고 다른 파장들은 반사시킴으로써 원하는 데이터만 선별하는 것이다. 도 2를 참조하면, 구조재(102)의 갭(921)은 패브리-페로 갭(Fabry-Perot Cavity)으로 도시되었으며, 패브리 페로 간섭현상을 이용하여 3개의 갭(921)을 통해 간섭된 광의 파장 정보를 이용하여 외력의 방향과 크기를 산출함을 이해할 수 있다.
도 1 및 도 2에 제시된 선단 압력 감지 카테터 기술이 적용된 다른 제품으로는 존슨앤존슨 메디칼의 바이오센스 웹스터(Biosense Webster)에서 출시한 써모쿨 스마트터치(ThermoCool SmartTouch) 카테터가 있다. 써모쿨 스마트터치 카테터는 카테터의 방향 및 접촉 부위 힘의 강도를 정확히 전달하고 안전성을 높인 제품으로 미국 FDA의 승인 및 국내에 시판되는 제품이다.
이와 같이, 카테터의 첨두에 가해지는 압력을 측정하는 기술은 전기적 압력 감지식 소자의 이용에서 안전성, 민감도 및 작은 직경을 가짐으로써 카테터와의 조립성이 우수한 광섬유를 적용시킨 카테터로 발전되고 있는 실정이다.
그러나, 도 1 및 도 2를 통해 설명한 종래의 카테터는 센싱 어셈블리(92)로서 광섬유 외에 구조재(102)의 구성이 필수적으로 요구된다. 이 때, 구조재(102)는 슬릿 형상의 갭(921)이 120°의 간격으로 개구되며, 서로 다른 높이를 갖도록 형성되어야 한다. 결국, 구조재(102)는 최소 등간격의 3개의 갭(921)이 길이 방향으로 형성되어야 한다. 따라서, 종래의 카테터는 선단에 차지하게 되는 구조재(102) 길이의 비중이 높아 카테터 선단의 정밀한 변위를 측정함에 한계가 존재한다. 또한, 패브리-페로의 다중간섭현상으로 광의 파장 정보를 분석하는 것은 시스템 설계가 복잡하고 이에 따라 제조단가가 높아지는 문제점이 있다.
또한, 심혈관 중재시술시 심장의 매핑과 더불어 매핑된 심장 내에서 현재 진입된 카테터의 위치 정보를 정확하게 확인할 수 있어야 한다. 이와 관련하여, 종래에는 전기해부학적 매핑(EAM, Electro-Anatomic Mapping) 기법을 사용하여 심장 내의 카테터 위치를 실시간으로 구현하였다. 전기해부학적 매핑 기법은 비접촉성 매핑 시스템으로, 다중전극어레이(multi-electrode-array)를 이용하여 경흉부 전기장을 유발하는 체표의 패치를 통해 카테터의 위치를 3차원으로 구성하는 기술이다.
도 3은 전기해부학적 매핑 기법을 적용한 세인트주드 메디컬사의 Ensite NavXTM 제품의 원리를 설명하기 위한 도면으로, International Journal of Arrhythmia에 개시된 '3차원 매핑 시스템' 문헌에서 관련 내용을 발췌한 것이다. 도 3을 참조하면, Ensite NavXTM 는 환자의 체표에 있는 전후, 좌우, 상하에서 3쌍 총 6개의 전극 패치를 부착하고, 6개의 전극에서 약 8KHz의 전류 신호가 방출되면 경흉부 전기장이 형성되어 각 축을 따라 심장 내 조직을 통해 전압 경사(voltage gradient)를 형성시키고, 이 전압이 심장 내 카테터의 전극에 측정되어 카테터의 위치가 확인되는 임피던스에 기반한 매핑 시스템이다.
그러나, 해당 비특허문헌에서 상기 임피던스에 기반한 심장 매핑 방법은, 기술적 문제로 발생하는 전기장의 변형으로 인해 3차원 영상의 정확도가 감소되는 것이 태생적인 단점으로 지적하고 있다. 따라서, 해당 오류를 감소시키기 위해 registration 과정에서의 시술자 경험이 중요한 인자로 제시되고 있다.
한편, 도 3으로 전술한 전기해부학적 매핑 기법과는 다른 방식의 매핑 기법으로 자기장을 이용하여 카테터의 위치를 검출하는 시스템이 제안되었다. 도 4a 및 4b는 자기장 매핑 기법을 적용한 바이오센스 웹스터(Biosense Webster)의 CARTO 제품의 원리를 설명하기 위한 도면으로, 'A Novel Method for Nonfluoroscopic Catheter-Based Electroanatomical Mapping of the Heart' 문헌에서 관련 도면을 발췌한 것이다. 도 4a를 참조하면, 바이오센스 웹스터(Biosense Webster)의 CARTO 제품은 매핑 카테터의 팁에 링 형상의 전극이 구비되고(Ring Electrode), 위치 센서(Location sensor)는 카테터의 내측으로 수납되어 구비된다. 도 4b를 참조하면, 위치 패드(Location pad)가 3개의 코일(C1, C2, C3)로 구성되고 각각 자기장을 형성시키며, 카테터에 내장된 위치 센서(Location sensor)는 위치 패드(Location pad)의 자기장의 강도를 측정하고, 거리가 산출되어 카테터의 위치를 매핑하게 된다.
그러나, 해당 비특허문헌은 상기 자기장을 이용한 위치 센싱이 형광투시법의 카테터 시스템에 비하여 비용상 이점은 있으나, 정제된 매핑을 실시간으로 획득하는 시스템은 아직 최적화 되어있지 않고, 카테터의 밴딩이 발생했을 때 이를 빠르게 검출하는 것은 아직 기술적 이슈로 남아있어 현재까지 전통적인 매핑 가이트 카테터와 병용되어 적용되고 있음을 지적하고 있다.
결론적으로, 전기해부학적 매핑 기법은 경흉부 전기장을 기반으로 3차원 매핑을 수행하기 때문에 실제 시술시 심장의 움직임과 환자의 호흡 등으로 기준점(reference source)이 흔들리거나 전기장이 변화되어 해부학적 정확도가 감소되는 한계가 있고, 매핑 카테터는 다수개의 전극에서 동시다발적이 아닌 접촉에 따른 순차적 매핑만 가능하다는 제한점이 있어 심방세동과 같은 박동이 불안정한 부정맥에서는 Activation 매핑 등이 불가능한 한계로 보고된다. 또한, 자기장을 이용한 매핑 기법 역시 카테터의 밴딩과 같은 변형 정보를 실시간으로 획득하기 어렵고 시스템의 최적화가 난제로 남아 있다. 이에 따라, 심장 형상의 매핑과 카테터의 위치를 센싱하는 정확도를 개선시킬 수 있는 다른 방식의 매핑 기법이 요구되는 실정이다.
이에 본 출원인은, 미국등록특허 제7,781,724호를 참조하여 전기장 또는 자기장의 형성 없이 카테터 자체의 형상을 실시간으로 검출하여 그 좌표값을 획득함으로써 카테터의 위치를 확인할 수 있는 심혈관 중재시술용 카테터 및 카테터 시스템을 고안하게 되었다.
미국등록특허 제7,781,724호는 3개의 FBG 광섬유를 이용하여 광섬유의 위치와 밴딩되는 실시간 형상을 구현하는 기술을 개시한다. 도 5는 미국등록특허 제7,781,724호(이하, '선행특허'라 약칭함)에 개시된 광섬유 형상 센싱 장치(10)를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 선행특허는 3개 이상의 광 코어(30, 35, 40)를 구비한 광섬유(20)와 각각의 광 코어(30, 35, 40)에 마련되는 FBG(50), 반사계(reflectometer)(70), 다중 광 섬유(55, 57, 59)를 커플링하는 커플링 장치(25)를 포함하여 구성된다. FBG(50)는 일종의 광학 센서로서 Fiber Bragg Grating을 의미하며, 온도 변형에 반응하여 변하는 빛의 파장을 반사한다. FBG(50)는 각각의 고유 브래그 파장으로 제조되며, 광 코어의 길이 방향으로 배치된 각각의 FBG(50)는 각각 빛의 고유 파장을 반사하여 해당 위치에서의 온도나 변형에 따른 FBG 슬릿 간격의 변화에 따라 반사되는 광 파장을 천이시키므로 광섬유에 가해지는 스트레인의 변형을 감지할 수 있다.
도 5에 따른 선행 특허는 120°로 배치된 3개의 광 코어(30, 35, 40)의 동일 단면에 위치한 FBG(50)로부터 각각 주파수 변위를 검출한다. 광섬유(55, 57, 59)의 2차원적인 형상 변형은 2개의 광코어에서 측정된 주파수 변위의 연산으로 산출할 수 있다. 상기 선행특허는 광섬유(55, 57, 59)의 3차원적인 형상 변형을 3개의 광코어에서 측정된 주파수 변위의 연산으로 산출할 수 있음을 개시하고 있다.
본 출원인은 광섬유의 3차원 형상이 최소 3개의 FBG 광코어를 사용하여 측정할 수 있음을 확인하고, 카테터의 형상 센싱으로 얻은 FBG의 좌표값이 카테터의 정확한 위치를 검출할 수 있는 과제해결 수단이 될 수 있음에 주목하였다. 이에, 본 출원인은 상기 선행특허를 참조하여 카테터의 형상의 검출과 선단의 압력 감지가 동시에 가능하여 심혈관 중재시술에 특히 적합한 카테터를 고안하게 되었다.
관련 비특허문헌으로는 ‘NavXTM cardiac mapping system, 최종일, International Journal of Arrhythmia 2013;14(1):8-13.’과 ‘A Novel Method for Nonfluoroscopic Catheter-Based Electroanatomical Mapping of the Heart, Lior Gepstein, March 18, 1997.’이 있다.
본 발명은 카테터의 3차원 형상을 실시간으로 검출할 수 있고, 카테터 선단에 가해지는 외력의 방향과 크기를 측정할 수 있는 카테터 및 카테터 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 유연성이 부족한 광섬유의 가동범위를 고려하여 밴딩 범위가 우수하게 설계된 카테터 및 카테터 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 FBG 반사광의 광간섭을 고려하여 광섬유의 굴절 위치를 정확히 파악할 수 있도록 측정 민감도를 향상시킨 카테터 및 카테터 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 3개의 광 파장 정보로 카테터 선단에 가해지는 외력의 3축 방향을 분별하여 외력을 크기를 측정할 수 있는 카테터를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 카테터 선단의 미소 영역에 외력 측정을 위한 센싱 어셈블리가 형성될 수 있어 보다 정밀한 외력의 측정이 가능한 카테터를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 카테터에 있어서, 하나 이상의 채널이 형성된 경로로서 제1 영역이 정의되고, 외력이 가해짐에 따라 응축되는 팁이 마련된 선단이 제2 영역으로 정의되는 카테터 본체; 상기 채널에 관입되어 상기 카테터 본체의 길이 방향을 따라 복수개의 FBG가 배치된 광섬유; 및 상기 선단의 내측에 상기 광섬유를 감싸도록 마련되며 상기 카테터 본체의 탄성력과 상이한 탄성력을 갖는 소재로 이루어져 상기 팁에 가해지는 외력을 상기 선단에 집중시키는 탄성 부재를 포함하고, 상기 복수개의 FBG는, 상기 제1 영역에 배치된 FBG군의 광 파장 정보로 상기 카테터 본체의 형상을 센싱하고, 상기 제2 영역에 배치된 FBG군의 광 파장 정보로 상기 팁에 가해지는 외력을 센싱하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 광섬유는 3개 이상의 광코어를 구비하고, 상기 3개 이상의 광코어는 상기 카테터 본체의 선축을 중심으로 0.01mm 내지 1.00mm의 반경으로 배치될 수 있다.
바람직하게, 상기 복수개의 FBG는 상기 광섬유 상에서 배치된 간격이 상이하며, 상기 선단 방향으로 갈수록 상호 이격된 간격이 증가할 수 있다.
바람직하게, 상기 복수개의 FBG는 상기 광섬유 상에서 배치된 간격이 상이하며, 상기 선단 방향으로 갈수록 상호 이격된 간격이 감소할 수 있다.
바람직하게, 상기 탄성 부재는 상기 제2 영역에 마련되어 상기 제2 영역에 배치된 FBG군은 상기 탄성 부재 내에 위치할 수 있다.
바람직하게, 상기 광섬유는 3개 이상의 광코어를 구비하고, 상기 3개 이상의 광코어에는 각각 동일한 파장 대역의 광이 입사될 수 있다.
바람직하게, 상기 광섬유는 3개 이상의 광코어를 구비하고, 상기 3개 이상의 광코어에는 다른 파장 대역의 광이 입사될 수 있다.
바람직하게, 상기 3개 이상의 광코어는, 각각 다른 파장 대역의 광이 각각 상기 제1 영역에 배치된 FBG군을 통과하여 천이된 파장 정보가 상호 분별되고, 분별된 3개 이상의 광 파장 정보로 상기 광섬유의 굴곡의 방향과 각도를 산출하여 상기 카테터 본체의 형상을 센싱할 수 있다.
바람직하게, 상기 광섬유는, 3개 이상의 광코어를 구비하고, 상기 3개 이상의 광코어에는 각각 시간차를 두고 광이 입사될 수 있다.
바람직하게, 상기 3개 이상의 광코어는 동일 파장 대역의 광이 각각 상기 제1 영역에 배치된 FBG군을 통과한 시간차로 광 정보가 상호 분별되고, 분별된 3개 이상의 광 파장 정보로 상기 광섬유의 굴곡의 방향과 각도를 산출하여 상기 카테터 본체의 형상을 센싱할 수 있다.
바람직하게, 상기 3개 이상의 광코어는 동일 파장 대역의 광이 각각 상기 제1 영역에 배치된 각각의 상기 광코어 내부를 지나 상이한 광 경로를 형성하는 경우, 상기 광코어 내부에 배치된 각각의 FBG군을 통해 광 정보를 상호 분별하고, 상기 분별된 광 정보로 상기 광섬유의 굴곡의 방향과 각도를 산출하여 상기 카테터 본체의 형상을 센싱할 수 있다.
바람직하게, 상기 광섬유는, 3개 이상의 광코어를 구비하고, 상기 3개 이상의 광코어는, 광이 상기 제2 영역에 배치된 FBG군을 통과하여 천이된 3개 이상의 파장 정보로 상기 팁에 가해지는 외력의 방향과 크기를 센싱할 수 있다.
또한, 본 발명은 카테터 시스템에 있어서, 하나 이상의 채널이 형성된 경로로서 제1 영역이 정의되고, 외력이 가해짐에 따라 응축되는 팁이 마련된 선단이 제2 영역으로 정의되는 카테터 본체와, 상기 채널에 관입되어 상기 카테터 본체의 길이 방향을 따라 복수개의 FBG가 배치된 광섬유와, 상기 선단의 내측에 상기 광섬유를 감싸도록 마련되며 상기 카테터 본체의 탄성력과 상이한 탄성력을 갖는 소재로 이루어져 상기 팁에 가해지는 외력을 상기 선단에 집중시키는 탄성 부재를 구비한 카테터; 및 상기 복수개의 FBG 중 상기 제1 영역에 배치된 FBG군의 광 파장 정보로 상기 카테터 본체의 형상을 산출하고, 상기 제2 영역에 배치된 FBG군의 광 파장 정보로 상기 팁에 가해지는 외력을 산출하는 광파장분석부를 포함하며, 상기 카테터는 상기 카테터 본체의 외부에 마련되어, 상기 카테터 본체의 내부에 배치된 전선을 통해 전기신호를 분석장치에 전달하거나, 외부로부터 입력되는 에너지를 조직에 전달하는 전극을 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 카테터는, 상기 광섬유가 3개 이상의 광코어를 포함하고, 상기 광파장분석부는, 상기 3개 이상의 광코어로부터 수신한 3개 이상의 광의 파장 정보로 상기 광섬유의 굴곡의 방향과 각도를 산출하여 상기 카테터 본체의 형상을 센싱할 수 있다.
본 발명에 따르면, 3개의 광코어에 각각 마련되는 FBG에 따라 천이된 3개의 파장 정보의 트리플렛 연산을 통해 카테터 본체의 굴절된 위치, 방향과 그 각도 및 곡률을 검출하여 카테터의 형상 센싱이 가능한 이점이 있다.
또한 본 발명은, 광섬유가 카테터 본체의 선축에 해당하는 중앙부로 위치되며 이 때 3개 이상의 광코어는 선축을 기준으로 0.01mm 내지 1.00mm의 반경으로 배치된다. 이는, 복수개의 광코어가 카테터 본체의 외측으로 배치되어야 하는 미국등록특허 제8,567,265호와 대비되는 것으로, 유연성이 부족한 광섬유의 가동범위를 고려하여 카테터의 밴딩 범위를 향상시킬 수 있는 구조 설계를 고려한 것이다.
또한 본 발명은, 광코어의 길이 방향을 따라 선단 방향으로 갈수록 배치된 간격이 증가되도록 FBG가 구비된다. 이는 FBG를 투과한 광 사이의 간섭으로 반사광이 소실되는 것을 최소화하여 굴절 위치를 검출하는 해상도(resolution)를 향상시키는 이점이 있다.
또한 본 발명은, 광 코어에서 FBG가 배치된 영역을 분별하여 제1 영역의 FBG군에 해당하는 천이 파장은 형상 센싱에 이용되고 제2 영역의 FBG군에 해당하는 천이 파장은 압력 센싱에 이용한다. 이는, 카테터의 형상과 압력 센싱을 3개 이상의 광코어 구성만으로 검출할 수 있도록 센싱 어셈블리가 구성됨에 따라 작은 반경으로 구현되어야 하는 매핑 카테터의 센싱 수단으로 특히 적합하다.
도 1은 종래기술로서, 광섬유를 이용한 압력 감지 카테터를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 기술이 적용된 압력 감지 카테터 제품의 센싱 원리를 도시한 것이다.
도 3은 종래기술로서, 전기해부학적 매핑 기법에 따른 카테터 시스템을 도시한 것이다.
도 4a 및 4b는 종래기술로서, 자기장 매핑 기법에 따른 카테터 시스템을 도시한 것이다.
도 5는 종래기술로서, 광섬유의 형상 및 위치 검출 시스템을 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 카테터 시스템을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 카테터의 선단부 분해도를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 카테터의 광섬유 내부 구성도를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 내부 구성도를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 카테터 시스템(1)을 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 카테터 시스템(1)은 카테터(6), 광파장분석부(8) 및 냉각수펌프(9)를 포함하여 구성될 수 있다. 본 실시예에 따른 카테터 시스템(1)은 카테터(6)의 팁(61)에 가해지는 외력의 크기와 방향을 측정하여, 심장의 내벽에 접촉된 팁(61)의 3차원적인 압력 정보를 획득하기 위해 구성된다. 본 실시예에 따른 카테터 시스템(1)은 광섬유(65)가 팁(61)의 압력 측정을 위한 센싱 어셈블리로서 구현된다.
또한, 광섬유(65)로 구성되는 센싱 어셈블리는 팁(61)에 가해지는 외력의 크기와 방향 뿐만아니라 카테터 몸체(63)가 밴딩되는 굴절위치와 정도 및 방향을 파악함에 따라 카테터 몸체(63)의 형상을 센싱할 수 있다. 이 경우, 팁(61)의 압력 측정과 카테터(6)의 형상센싱은 광섬유(65) 내에 마련되는 FBG(6511, 6513)로 인한 광 파장 정보를 이용하여 산출하게 된다. 광 파장 정보는 카테터 몸체(63)의 형상 센싱을 위한 FBG군(6511)과 팁(61)의 압력을 측정하기 위한 FBG군(6513)으로 분류되며 측정 원리는 도 7 내지 도 9와 함께 후술한다.
본 실시예에 따른 카테터 시스템(1)은 광섬유(65)에서 수신된 복수개의 광 파장 정보를 연산하여 팁(61)에 가해지는 외력의 크기와 방향과 카테터 몸체(63)의 형상을 계산하는 프로세서(81) 및 계산된 결과를 가시적으로 구현하는 디스플레이(83)로 구성된 광파장분석부(8)가 카테터(6)와 함께 제공될 수 있다. 이하, 본 실시예에 따른 카테터(6)의 세부 구성을 상세히 설명한다.
카테터(6)는 카테터 본체(63), 광섬유(65), 팁(61), 전극(64) 및 탄성 부재(67)를 포함할 수 있다.
팁(61)은 전극도자절제술을 위한 어블레이션 전극의 형태로 구현될 수 있다. 팁(61)은 전극 와이어(33)와 연결되어 전기적으로 도통되고, 외부로부터 인가된 전력으로 가열되어 심근 조직을 제거할 수 있다. 다른 실시예로, 팁(61)은 ECG 등의 생체신호를 측정할 수 있는 전기적 센서 소자로 구현될 수 있다. 팁(61)은 카테터 몸체(63)의 선단에 결합된다. 팁(61)에는 하나 이상의 구동 와이어(615)가 연결되어, 구동 와이어(615)의 인입, 인출로 선단 방향이 제어됨에 따라 카테터(6)가 조향될 수 있다. 팁(61)의 외면에는 관개 튜브(31)로 전달되는 냉각수가 방출될 수 있는 송수구(613)가 형성될 수 있다.
본 실시예로, 도 6의 확대도를 참조하면 카테터(6)는 팁(61)에 마련되는 전극 외에 복수개의 전극(64)이 카테터 몸체(63)의 표면에 노출되도록 마련될 수 있다. 이 경우, 카테터 몸체(63)의 표면에 복수개 구비되는 전극(64)은 어블레이션 전극으로 접촉된 심근 조직을 소작할 수 있다. 도면에는 도시되지 않았으나 각각의 전극(64)은 구동 와이어(615)와 전극 와이어(33)가 연결되어 각각의 전극(64)이 위치한 카테터 몸체(63) 영역이 밴딩될 수 있다. 이에 따라 카테터 몸체(63)는 선단 부에 루프를 형성시킬 수 있고, 타겟 지점에 팁(61)이 아닌 몸체(63)가 형성한 루프가 접촉되어 복수개의 전극(64)이 대면적을 소작할 수 있도록 한다.
본 실시예로, 전극(64)은 카테터 몸체(63)의 둘레면으로 4개 내지 6개가 분절된 세그먼트 형태로 제공될 수 있다. 어블레이션시 카테터 몸체(63)의 루프는 둘레의 일면이 접촉된다. 이에 따라 카테터 몸체(63)의 둘레면을 따라 전극(64)이 형성되고, 전극에 고주파가 인가된다면 접촉되지 않은 타면에서 혈전을 생성시켜 부작용을 야기시킬 수 있다. 따라서, 전극(64)은 도 6에서 도시된 바와 같이 분절된 세그먼트 형태로 카테터 몸체(63)에 마련되며, 접촉된 지점의 전극(64) 세그먼트에만 고주파가 인가되도록 카테터(6)가 구현됨이 바람직하다.
또한, 전극(64)은 카테터 본체(63)의 외부에 마련되어, 카테터 본체(63)의 내부에 배치된 전선을 통해 전기신호를 분석장치에 전달하거나, 외부로부터 입력되는 에너지를 조직에 전달할 수 있다.
카테터 본체(63)는 심장 내로 진입되어 전극 등 심근 조직의 제거를 위해 삽입되어야 하는 처치구를 타겟 지점으로 가이드 한다. 주로 발작성 상실성 빈박, 심방 빈맥, 발작성 심실 빈맥 등의 빈맥성 부정맥의 치료시에는 가열된 전극이 조직과 접촉되어 심근 조직을 제거하게 된다. 전극은 약 50~60℃의 상태로 약 60초간 절제를 수행하게 되며, 이와 같이 부정맥 발생부위에 도달된 전극이 심근 조직을 제거함으로써 부정맥을 치료하는 카테터는 어블레이션 카테터로 분류될 수 있다. 전극은 심근 조직의 제거 외에도 생체 신호를 측정하기 위해 마련될 수도 있으며, 처치의 목적과 수술 방법에 따라 스텐트와 같은 처치구가 유도될 수도 있다. 카테터 본체(63)는 어블레이션 카테터나 매핑 카테터에 사용되는 선단의 전극 또는 기타 처치구를 목적하는 부위까지 진입시키기 위해 생체적합성이 우수하고 유연한 소재로 제공된다.
도 7을 참조하면, 광파장분석부(8)는 프로세서(81), 디스플레이(83), RF 공급기(85), 코어연결기(87) 및 연결기(89)를 포함할 수 있다. 프로세서(81)는 수신된 광 정보를 연산하며, 디스플레이(83)는 계산된 카테터 본체(63)의 형상과 팁(61)의 압력 및 방향을 가시적으로 표시할 수 있다. RF 공급기(85)는 카테터 시스템(1)과 연결되어 무선주파수(RF: Radio frequency)를 공급할 수 있다. RF 공급기(85)는 카케터 시스템(1) 연결되기 위한 연결기(89)를 포함하여 전기적으로 연결될 수 있으며, 이를 통해 무선주파수를 용이하게 공급할 수 있다.
냉각수펌프(9)는 카테터 시스템(1)과 연결되어 외부에서 냉각수를 공급할 수 있다. 카테터 시스템(1) 내부에는 냉각수가 이동하기 위한 통로가 구비될 수 있다. 냉각수펌프(9)로부터 공급되는 냉각수는 카테터 시스템(1) 내부를 이동하여 송수구(613)로 전달될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 카테터(6)의 선단부 분해도를 도시한 것이다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 카테터의 광섬유 내부 구성도를 도시한 것이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 카테터 본체(63)는 하나 이상의 채널이 형성된 경로로서 제1 영역(A1)이 정의되고, 외력이 가해지는 팁(61)이 마련된 선단이 제2 영역(A2)으로 정의된다. 이는 구성의 구조적 특징과 기능을 명확히 설명하기 위해 정의된 것으로, 카테터(6)의 선단에서 팁(61)과 탄성 부재(67) 이전 까지의 경로를 제1 영역(A1)으로 구분하고, 제1 영역(A1)의 경로 이후로 팁(61)의 압력을 검출하기 위한 선단의 경로를 제2 영역(A2)으로 구분하였다.
카테터 몸체(63)에는 하나 이상의 채널이 형성될 수 있다. 도 4a 및 4b를 참조하면, 카테터 몸체(63)에 형성된 채널의 실시예로서, 압력 측정을 위한 광섬유(65)가 관입되기 위한 채널과, 가열된 전극의 냉각을 위한 관개 튜브(irrigation tube)(31)가 관입되기 위한 채널과, 전극에 전력을 공급하기 위한 전극 와이어(33)가 관입되기 위한 채널과, 카테터(6)의 조향을 위한 구동 와이어(615)가 관입되기 위한 채널이 형성된 것을 확인할 수 있다.
광섬유(65)는 채널에 관입되어 카테터 본체(63)의 길이 방향을 따라 복수개의 FBG(6511, 6513)가 배치될 수 있다. 광섬유(65)는 피복(650) 내에 광코어(651)가 쉴딩 될 수 있도록 구현될 수 있고, 피복(650) 내에 광의 전반사로 광코어(651)를 통해 광이 전달될 수 있도록 클래드 층이 형성될 수 있다.
광섬유(65)는 복수개의 광코어(651)를 포함할 수 있으며, 복수개의 광코어(651)가 개시된 실시예는 도 10에서 후술한다. 광코어(651) 내에는 광 격자 센서인 FBG(6511, 6513)가 길이 방향으로 배치된다. FBG는 Fiber Bragg Grating 센서로 주지된 광학 소자이며, 온도 또는 스트레인의 변형에 반응하여 변하는 빛의 파장을 반사한다. FBG는 홀로그램 방해 또는 위상 바스크를 이용하여 짧은 길이의 감광성 섬유를 빛 강도의 주기적 분배에 노출시켜 구성된다. 광범위한 파장 대역의 광이 FBG에 전송되면, 굴절률을 대체하는 각 부분으로부터의 반사는 Bragg 파장인 특정 광 파장에 대해서만 구조적으로 방해가 일어난다. 이에 따라 FBG는 효율적으로 특정 광 주파수를 반사하도록 유발시키고, 수신된 광 정보에서 파장 천이를 야기한다. FBG는 Bragg 파장이 Grating 간격의 기능이기 때문에 다양한 Bragg 파장으로 제조되며, 다양한 Bragg 파장을 갖는 FBG가 각각의 파장 대역에서 광의 고유 파장을 반사시킨다.
본 실시예로, 광코어(651)의 길이 방향으로 배치된 FBG(6511, 6513)는 광코어(651)의 특정 지점이 밴딩되어 스트레인 변형이 일어나는 것을 센싱할 수 있다. 그러나, FBG(6511, 6513)이 등간격으로 광코어(651) 상에 배치될 경우 넓은 대역의 파장을 갖는 광이 광코어(651)에 입사되더라도 복수개의 FBG(6511, 6513) 격자에 의한 간섭으로 수신되는 광의 천이 파장 정보가 일부 소실될 수 있다. 보다 상세하게, 광코어(651)로 입사된 광의 일부는 제일 처음 위치한 제1 FBG에 부딪히며 반사되고, 나머지 일부는 제1 FBG를 통과하여 전진한다. 같은 방식으로 제1 FBG를 통과한 광의 일부는 제2 FBG에 부딪히며 반사되고, 반사된 광은 제1 FBG와 다시 만나서 일부는 그대로 통과해 제일 처음으로 제1 FBG에 의해 반사된 광과 합쳐지고, 나머지 일부는 제1 FBG에 의해 다시 반사되어 제2 FBG로 향한다. 이와 같은 현상은 제2 FBG 다음에 위치한 격자들에서도 동일하게 반복적으로 일어나며, 광코어(651)로 입사된 광은 복수의 FBG(6511, 6513)에 의해 반사와 통과를 거듭하면서 서로 간섭을 일으키게 된다. 결국, 다중 간섭에 의해 광대역 파장의 광이 입사되더라도 대부분의 천이 파장 정보가 소실되어 광코어(651)의 분기마다 밴딩되는 물성의 변화를 구분하기에 민감도가 충분치 못하게 되는 문제가 발생한다.
이에 따라, 본 실시예에서는 복수개의 FBG(6511, 6513)가 광섬유(65) 상에서 배치된 간격이 상이하며, 선단 방향으로 갈수록 상호 이격된 간격이 증가하거나 감소하도록 배치된다. 도 9를 참조하면, 근위부 방향의 제1 간격을 G1으로 지칭하였고, 원위부 방향인 선단의 제2 간격을 G2로 지칭하였다. G2의 간격이 G1의 간격보다 크도록 선단부 방향으로 배치되는 FBG는 그 이격 거리가 점차적으로 증가하거나 감소된다.
이와 같은 배치는 복수의 격자에 의한 간섭을 겪은 광이 광 입구를 통해 다시 빠져나올 때 편광된 반사광이 서로 다른 파장차를 갖도록 한다. 보다 상세하게는 편광된 반사광은 길이 방향인 x축과 수직 방향의 y축 방향으로 편광된 각각의 반사광이며 이와 같은 반사광은 서로 상이한 파장 대역을 갖고, 각각 독립적으로 복수의 격자에 의한 반사광의 파장을 나타내게 된다. 이처럼 복수의 격자 사이에 간격이 상이함에 따라 감지되는 파장 변화는 굴절 상태를 검측하기에 용이하다.
나아가, 복수개의 FBG(6511, 6513)는 제1 영역(A1)에 배치된 FBG군(6511)의 광 파장 정보로 카테터 본체(63)의 형상을 센싱하고, 제2 영역(A2)에 배치된 FBG군(6513)의 광 파장 정보로 팁(61)에 가해지는 외력을 센싱할 수 있으며, 제2 영역(A2)에 배치된 FBG군(6513)과 제1 영역(A1)에 배치된 FBG군(6511)을 조합하여 형상센싱에 사용할 수 있다.
광파장분석부(8)는 제1 영역(A1)에 배치된 제1 FBG군(6511)의 천이 파장 대역과 제2 영역(A2)에 배치된 제2 FBG군(6513)의 천이 파장 대역을 구분하여 광 정보를 처리한다. 여기서, 제1 FBG군(6511)과 제2 FBG군(6513)에 속하는 복수의 격자 센서는 해당하는 위치에서의 밴딩 굴곡과 방향을 연산하는데 이용되고, 제2 FBG군(6513)에 속하는 격자 센서는 추가적으로 팁(61)의 축방향 가압이나 밴딩에 따른 접촉력을 연산하는데 이용된다.
탄성 부재(67)는 선단의 내측에 광섬유(65)를 감싸도록 마련되며 카테터 본체(63)의 탄성력과 상이한 탄성력을 갖는 소재로 이루어져 팁(61)에 가해지는 외력을 선단에 집중시킬 수 있다.
탄성 부재(67)는 제2 영역(A2)에 마련되어 제2 영역(A2)에 배치된 FBG군(6513)은 탄성 부재(67) 내에 위치하게 된다.
카테터(6)는 단차가 없도록 단일 소재의 일체형으로 구현하는 것이 가장 바람직하지만, 팁(61)에 가해지는 외력의 크기와 방향을 정확하게 측정하고자 할 경우 카테터 몸체(63)와 탄성력이 상이한 이종의 소재가 선단부에 마련되는 것이 요구된다. 본 실시예에서는 제2 영역(A2)에 위치한 제2 FBG군(6513)에 팁(61)의 가압에 따른 물성 변화가 집중되어야 유의미한 측정값을 획득할 수 있다. 제2 영역(A2)까지 동종의 탄성 소재인 카테터 몸체(63)가 감싸게 된다면 선단 팁(61)에 선축 방향의 외력이 가해져도 그 외력의 크기는 카테터 몸체(63)에 전반적으로 전달되어 정밀한 제1 FBG군(6511)이 위치한 제1 영역(A1)의 물성 변화에 함께 반영되기 때문에 정확한 팁(61)의 접촉력을 측정할 수 없다. 또한, 선단 팁(61)에 외측 방향의 외력이 가해져도 제2 FBG군(6513)이 위치한 제2 영역(A2)의 물성 변화에 집중되지 않아 광량의 변화량을 정밀하게 측정하기 어렵게 된다. 이러한 이유로, 팁(61)과 함께 카테터 몸체(63)의 선단에 조립되고 카테터 몸체(63) 내측에 위치한 갭(G)을 감싸는 이종의 소재인 탄성 부재(67)가 마련되는 것이 바람직하다. 탄성 부재(67)는 카테터 본체(63)의 소재보다 유연한 소재로 제공될 수 있으며, 일 예시로 스프링과 같은 소자로 제공되어도 무방하다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 광코어(651a, 651b, 651c)로 구성된 광섬유(65) 내부 구성도를 도시한 것이다.
도 10을 참조하면, 광섬유(65)는 3개 이상의 광코어(651a, 651b, 651c)를 구비하고, 3개 이상의 광코어(651a, 651b, 651c)는 카테터 본체(63)의 선축을 중심으로 0.01mm 내지 1.00mm의 반경으로 배치될 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.2mm 내의 반경(r)으로 배치될 수 있다. 도 9를 참조하면, 실시예로서 단일 광섬유(65) 내에 다중 광코어(651a, 651b, 651c)가 구비된 형태를 개시하였으나, 카테터 몸체(63)에 단일 광코어(651)를 구비한 광섬유(65)가 3개 이상 구비된 형태로 제공되어도 무방하다.
광섬유(65)의 단면상에 최소 3개의 광코어(651)가 일 예시로 120° 간격으로 배치될 경우, 3개의 광코어(651)에서 수신되는 광 파장 정보의 트리플렛 연산으로 광코어(651)가 밴딩된 정도와 방향을 계산할 수 있다. 복수의 광 격자를 구비한 광코어(651)는 최소 3개가 구비될 경우 카테터 몸체(63)의 3차원 적인 변형을 계산할 수 있다. 3개의 광코어(651)를 이용한 형상 센싱의 원리는 일 실시예로 미국등록특허 제7,781,724호를 참조할 수 있다. 미국등록특허 7,781,724호의 도 5 내지 도 8과 문단번호 [0046] 내지 [0071]을 참조하면, 동일 단면상에 위치한 3개의 FBG 광코어에서 3개의 스트레인 값을 사용하여 만곡 중심으로부터 코어 경계의 센터 거리인 x'축 뿐만 아니라 굽힘 반경, r에 대한 굴곡의 방향과 각도 a를 계산하는 방법을 개시하고 있다. 같은 원리로, 만곡 중심으로부터 반경이 각각 상이한 최소 3개의 FBG 센싱 정보는 천이된 파장 정보로 스트레인 변수를 산출하여 카테터 몸체(63)의 굴곡된 형상을 계산할 수 있다.
또한, 같은 원리로 3개 이상의 광코어(651a, 651b, 651c)는 제2 영역(A2)에 배치된 제2 FBG군(6513)을 통과하여 천이된 3개 이상의 파장 정보로 팁(61)에 가해지는 외력의 방향과 크기를 센싱할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따르면 광섬유(65)는 카테터 몸체(63)의 선축에 해당하는 채널에 관입된다. 즉 카테터 몸체의 중앙으로 광섬유(65)가 배치되며, 광코어(651) 또한 0.20mm 이내의 반경(r)에 위치한다.
광코어(651)는 소재의 특성상 카테터 몸체(63) 보다 유연성이 떨어진다. 따라서, 광코어(651)가 카테터 몸체(63)의 선축을 기준으로 외측에 위치한다면, 구동 와이어(615)로 굴곡되는 카테터(6)의 밴딩 범위가 제한될 수 있다. 이와 같은 이유로, 도 7에 도시된 바와 같이 카테터 몸체(63)의 선축에 해당하는 중앙 채널에는 광섬유(65)가 배치되며, 선축의 외측 방향에 위치한 채널에는 관개 튜브(31)나 전극 와이어(33) 등이 배치되도록 설계됨이 바람직하다. 이는, 복수개의 광코어가 카테터 본체의 외측으로 배치되어야 하는 미국등록특허 제8,567,265호와 대비되는 것으로, 유연성이 부족한 광섬유의 가동범위를 고려하여 카테터의 밴딩 범위를 향상시킬 수 있는 구조 설계를 고려한 것이다.
다시 도 10을 참조하면, 3개 이상의 광코어(651a, 651b, 651c)는 각각 다른 파장 대역의 광이 각각 제1 영역(A1)에 배치된 제1 FBG군(6511)을 통과하여 천이된 파장 정보가 상호 분별되고, 분별된 3개 이상의 광 파장 정보로 광섬유(65)의 굴곡의 방향과 각도를 산출하여 카테터 본체(63)의 형상을 센싱할 수 있다.
다른 실시예로, 3개 이상의 광코어(651a, 651b, 651c)의 각각의 광코어에 광의 입사, 반사 및 전달되는 경로가 다른 광코어와 완전히 분리되어 있어서, 광원, 광의 전달경로, 각각의 FBG에서 반사되는 파장이 각각 별도의 측정센서에 의해 분별되고, 각각 제1 영역에 배치된 FBG군(6511)을 통과하면서 발생한 파장변화를 분별하고, 분별된 3개 이상의 광 파장 정보로 광섬유(65)의 굴곡의 방향과 각도를 산출하여 카테터 본체(63)의 형상을 센싱할 수 있다.
3개의 광코어(651a, 651b, 651c)는 각각의 반사광을 분별하여 획득할 수 있어야 한다. 이러한 이유로, 3개의 광코어(651a, 651b, 651c)에는 각각 다른 파장 대역의 광이 입사될 수 있다. 예시로서, 3개의 광코어(651a, 651b, 651c)에는 각각 R,G,B 파장의 광이 입사될 수 있고, Red 파장의 광량과, Green 파장의 광량과, Bblue 파장의 전이 정보를 비교하여 제1 FBG군(6511)에서 발생된 형상의 변형을 판단할 수 있다.
다른 실시예로, 3개 이상의 광코어(651a, 651b, 651c)에는 광대역 파장의 광이 각각 시간차를 두고 입사될 수 있다. 이 경우, 3개 이상의 광코어(651a, 651b, 651c)는 동일 파장 대역의 광이 각각 제1 영역(A1)에 배치된 FBG군(6511)을 통과한 시간차로 광 정보가 상호 분별되고, 분별된 3개 이상의 광 파장 정보로 광섬유(65)의 굴곡의 방향과 각도를 산출하여 카테터 본체(63)의 형상을 센싱할 수 있다.
또한, 3개 이상의 광코어(651a, 651b, 651c)의 각각의 광코어에 동일한 파장 대역의 광이 입사되어 상이한 광 경로를 형성하는 경우, 제1 영역(A1)의 각각의 광코어(651a, 651b, 651c) 내부에 배치된 각각의 FBG군(6511)을 통해 광 정보를 상호 분별하고, 분별된 광 정보로 광섬유(65)의 굴곡의 방향과 각도를 산출하여 카테터 본체(63)의 형상을 센싱할 수 있다.
광파장분석부(8)는 프로세서(81)와 디스플레이(83)를 포함할 수 있다.
광파장분석부(8)는 복수개의 FBG 중 제1 영역(A1)에 배치된 FBG군(6511)의 광 파장 정보로 카테터 본체(63)의 형상을 산출하고, 제2 영역(A2)에 배치된 FBG군(6513)의 광 파장 정보로 팁(61)에 가해지는 외력을 산출할 수 있다. 광파장분석부(8)는 다중 광코어(651a, 651b, 651c)의 광 파장 정보를 분별하기 위하여 파장 대역 별로 또는 시간차를 두고 광을 입사시키는 광원이 구비될 수 있고, 프로세서(81)는 수신된 3개의 광 정보를 연산하며, 디스플레이(83)는 계산된 카테터 본체(63)의 형상과 팁(61)의 압력 및 방향을 가시적으로 표시할 수 있다.
이상에서와 같이 본 실시예에 따르면, 3개의 광코어(651a, 651b, 651c)에 각각 마련되는 FBG(6511, 6513)에 따라 천이된 3개의 파장 정보의 트리플렛 연산을 통해 카테터 본체(63)의 굴절된 위치, 방향과 그 각도 및 곡률을 검출하여 카테터(6)의 형상 센싱이 가능한 이점이 있다. 또한, 광섬유(65)가 카테터 본체(63)의 선축에 해당하는 중앙부로 위치되며 이 때 3개 이상의 광코어(651a, 651b, 651c)는 선축을 기준으로 0.01mm 내지 1.00mm의 반경으로 배치된다. 이는, 유연성이 부족한 광섬유의 가동범위를 고려하여 카테터의 밴딩 범위를 향상시킬 수 있다.
또한 본 실시예에 따르면, 광코어(651a, 651b, 651c)의 길이 방향을 따라 선단 방향으로 갈수록 배치된 간격이 증가하거나 감소되도록 FBG가 구비된다. 이는 FBG를 투과한 광 사이의 간섭으로 반사광이 소실되는 것을 최소화하여 굴절 위치를 검출하는 해상도(resolution)를 향상시키는 이점이 있다.
또한 본 실시예에 따르면, 광 코어(651a, 651b, 651c)에서 FBG가 배치된 영역을 분별하여 제1 영역의 FBG군(6511)에 해당하는 천이 파장은 형상 센싱 및 압력 센싱에 이용되고 제2 영역의 FBG군(6513)에 해당하는 천이 파장은 압력 센싱에 이용한다. 이는, 카테터(6)의 형상과 압력 센싱을 3개 이상의 광코어(651a, 651b, 651c) 구성만으로 검출할 수 있도록 센싱 어셈블리가 구성됨에 따라 작은 반경으로 구현되어야 하는 매핑 카테터의 센싱 수단으로 특히 적합하다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

Claims (14)

  1. 하나 이상의 채널이 형성된 경로로서 제1 영역이 정의되고, 외력이 가해짐에 따라 응축되는 팁이 마련된 선단이 제2 영역으로 정의되는 카테터 본체;
    상기 채널에 관입되어 상기 카테터 본체의 길이 방향을 따라 복수개의 FBG(Fiber Bragg Grating)가 배치된 광섬유; 및
    상기 선단의 내측에 상기 광섬유를 감싸도록 마련되며 상기 카테터 본체의 탄성력과 상이한 탄성력을 갖는 소재로 이루어져 상기 팁에 가해지는 외력을 상기 선단에 집중시키는 탄성 부재를 포함하고,
    상기 복수개의 FBG는,
    상기 제1 영역에 배치된 FBG군의 광 파장 정보로 상기 카테터 본체의 형상을 센싱하고, 상기 제2 영역에 배치된 FBG군의 광 파장 정보로 상기 팁에 가해지는 외력을 센싱하는 것을 특징으로 하는 카테터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유는,
    3개 이상의 광코어를 구비하고,
    상기 3개 이상의 광코어는 상기 카테터 본체의 선축을 중심으로 0.01mm 내지 1.00mm의 반경으로 배치된 것을 특징으로 하는 카테터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 FBG는,
    상기 광섬유 상에서 배치된 간격이 상이하며,
    상기 선단 방향으로 갈수록 상호 이격된 간격이 증가하는 것을 특징으로 하는 카테터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 FBG는,
    상기 광섬유 상에서 배치된 간격이 상이하며,
    상기 선단 방향으로 갈수록 상호 이격된 간격이 감소하는 것을 특징으로 하는 카테터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 부재는,
    상기 제2 영역에 마련되어 상기 제2 영역에 배치된 FBG군은 상기 탄성 부재 내에 위치한 것을 특징으로 하는 카테터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유는,
    3개 이상의 광코어를 구비하고,
    상기 3개 이상의 광코어에는 동일한 파장 대역의 광이 입사되는 것을 특징으로 하는 카테터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유는,
    3개 이상의 광코어를 구비하고,
    상기 3개 이상의 광코어에는 각각 다른 파장 대역의 광이 입사되는 것을 특징으로 하는 카테터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 3개 이상의 광코어는,
    각각 다른 파장 대역의 광이 각각 상기 제1 영역에 배치된 FBG군을 통과하여 천이된 파장 정보가 상호 분별되고, 분별된 3개 이상의 광 파장 정보로 상기 광섬유의 굴곡의 방향과 각도를 산출하여 상기 카테터 본체의 형상을 센싱하는 것을 특징으로 하는 카테터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유는,
    3개 이상의 광코어를 구비하고,
    상기 3개 이상의 광코어에는 각각 시간차를 두고 광이 입사되는 것을 특징으로 하는 카테터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 3개 이상의 광코어는,
    동일 파장 대역의 광이 각각 상기 제1 영역에 배치된 FBG군을 통과한 시간차로 광 정보가 상호 분별되고, 분별된 3개 이상의 광 파장 정보로 상기 광섬유의 굴곡의 방향과 각도를 산출하여 상기 카테터 본체의 형상을 센싱하는 것을 특징으로 하는 카테터.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 3개 이상의 광코어는,
    동일 파장 대역의 광이 각각 상기 제1 영역에 배치된 각각의 상기 광코어 내부를 지나 상이한 광 경로를 형성하는 경우, 상기 광코어 내부에 배치된 각각의 FBG군을 통해 광 정보를 상호 분별하고, 상기 분별된 광 정보로 상기 광섬유의 굴곡의 방향과 각도를 산출하여 상기 카테터 본체의 형상을 센싱하는 것을 특징으로 하는 카테터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유는,
    3개 이상의 광코어를 구비하고,
    상기 3개 이상의 광코어는,
    광이 상기 제2 영역에 배치된 FBG군을 통과하여 천이된 3개 이상의 파장 정보로 상기 팁에 가해지는 외력의 방향과 크기를 센싱하는 것을 특징으로 하는 카테터.
  13. 카테터 시스템에 있어서,
    하나 이상의 채널이 형성된 경로로서 제1 영역이 정의되고, 외력이 가해짐에 따라 응축되는 팁이 마련된 선단이 제2 영역으로 정의되는 카테터 본체와,
    상기 채널에 관입되어 상기 카테터 본체의 길이 방향을 따라 복수개의 FBG가 배치된 광섬유와,
    상기 선단의 내측에 상기 광섬유를 감싸도록 마련되며 상기 카테터 본체의 탄성력과 상이한 탄성력을 갖는 소재로 이루어져 상기 팁에 가해지는 외력을 상기 선단에 전달하는 탄성 부재를 구비한 카테터; 및
    상기 복수개의 FBG 중 상기 제1 영역에 배치된 FBG군의 광 파장 정보로 상기 카테터 본체의 형상을 산출하고, 상기 제2 영역에 배치된 FBG군의 광 파장 정보로 상기 팁에 가해지는 외력을 산출하는 광파장분석부를 포함하며,
    상기 카테터는,
    상기 카테터 본체의 외부에 마련되어, 상기 카테터 본체의 내부에 배치된 전선을 통해 전기신호를 분석장치에 전달하거나, 외부로부터 입력되는 에너지를 조직에 전달하는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 카테터는,
    상기 광섬유가 3개 이상의 광코어를 포함하고,
    상기 광파장분석부는,
    상기 3개 이상의 광코어로부터 수신한 3개 이상의 광의 파장 정보로 상기 광섬유의 굴곡의 방향과 각도를 산출하여 상기 카테터 본체의 형상을 센싱하는 것을 특징으로 하는 카테터 시스템.
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