用于分布式血流測(cè)量的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于動(dòng)脈（AT）中的血流的微創(chuàng)測(cè)量的醫(yī)療系統(tǒng)。介入裝置（IVD）具有光纖（FB），所述光纖包括沿其縱向延伸空間分布的多個(gè)溫度敏感光學(xué)傳感器段，例如光纖布拉格光柵，所述介入裝置（IVD）被配置為插入動(dòng)脈（AT）。溫度變換器（TC）被布置在IVD中，以引入動(dòng)脈中的血液團(tuán)溫度的局部變化（ΔT），以允許利用光纖（FB）隨時(shí)間進(jìn)行熱追蹤。配備激光光源（LS）的測(cè)量單元（MU）將光遞送到光纖（FB），并接收從光纖（FB）反射的光，并且生成對(duì)應(yīng)的時(shí)變輸出信號(hào)。第一算法（A1）將該時(shí)變輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)沿光纖（FB）的各自位置處的溫度的溫度集合。第二算法（A2）根據(jù)所述溫度集合的時(shí)間特性來計(jì)算沿光纖（FB）的各自位置處的血流（BF）的量。這樣的系統(tǒng)能夠用于快速掃描動(dòng)脈以診斷狹窄區(qū)域，而無需注射有毒液體或撤回。能夠?qū)崟r(shí)獲得血流測(cè)量的良好空間分辨率。
【專利說明】用于分布式血流測(cè)量的系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)療裝置領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及用于通過微創(chuàng)介入對(duì)血流進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]精確地測(cè)量血管中的血流阻力對(duì)于診斷和處置狹窄區(qū)域(諸如，對(duì)于診斷例如心臟冠狀動(dòng)脈中的狹窄區(qū)域)很重要。通常利用熒光透視與射線不透性造影劑結(jié)合來識(shí)別動(dòng)脈中的狹窄區(qū)域，并且在許多不同的臨床方面(包含在冠狀和腎動(dòng)脈中)利用流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)(FFR)方法來量化其功能影響。通過FFR，位于導(dǎo)絲尖端的傳感器用于測(cè)量壓力，并且從狹窄的遠(yuǎn)端處和近端處的壓力的比率來計(jì)算FFR，并且當(dāng)該比率在0.7到0.8以下時(shí)，狹窄區(qū)域被視為需要處置。然而，這兩種方法都有缺點(diǎn)。碘化造影劑對(duì)腎臟有害，因此尤其在腎功能差的患者中使用會(huì)出現(xiàn)問題。FFR探頭目前制造起來昂貴，并且對(duì)于分布式測(cè)量需要撤回(pullback)，因而需要相當(dāng)復(fù)雜和耗時(shí)的侵入性過程。
[0003]將冠狀系統(tǒng)的生理狀況進(jìn)行量化的伴隨方法是冠狀流儲(chǔ)備(CFR)，即，在靜息和充血狀態(tài)中的血流的比率,例如，當(dāng)由乙酰膽堿挑戰(zhàn)(challenge)誘導(dǎo)時(shí)，即，在這些測(cè)量方面人工誘導(dǎo)的增加的血流。CFR將冠狀循環(huán)的能力進(jìn)行量化，以響應(yīng)于對(duì)氧氣和營(yíng)養(yǎng)的增大的需求來增加心肌血流量。在冠狀動(dòng)脈中和在心肌微循環(huán)的血管中，CFR受內(nèi)皮機(jī)能障礙影響。在健康對(duì)象中測(cè)量到高FFR和高CFR。由低CFR伴隨的低FFR指示顯著的狹窄，同時(shí)低CFR伴隨的高FFR是微血管病變的指示。
[0004]最常見的情況是，使用尖端傳感器超聲多普勒導(dǎo)絲執(zhí)行血流率測(cè)量。利用該方法，在超聲射束傳播方向上測(cè)量局部血流速度，并且需要額外的幾何結(jié)構(gòu)信息或有關(guān)血管幾何結(jié)構(gòu)和血液動(dòng)力學(xué)(例如，具 有成熟的層流曲線的循環(huán)橫截面)的假設(shè)來評(píng)定流率。用于血流率測(cè)量的備選方法是熱稀釋法和熱膜流速測(cè)定法。在熱稀釋法中，輸液導(dǎo)管用于在室溫下在冠狀動(dòng)脈中給予生理鹽水團(tuán)。該冷溶液將降低輸液導(dǎo)管末梢的溫度，其能夠通過溫度敏感壓力導(dǎo)絲來進(jìn)行感測(cè)。在熱膜流速測(cè)定法中，由電流對(duì)膜進(jìn)行加熱。另一方面，由血流對(duì)膜進(jìn)行冷卻。通過測(cè)量膜的歐姆電阻來確定膜的溫度。給定電輸入功率和血液的熱容量，從膜的穩(wěn)態(tài)溫度能夠評(píng)估流率。熱膜流速測(cè)定法和熱稀釋法都是流率的計(jì)量工具，并且能夠與用于FFR的壓力線進(jìn)行組合。然而，它們是單點(diǎn)測(cè)量。
[0005]GB2 308 888A描述了用于監(jiān)測(cè)血壓的具有光纖電纜的空心針。壓力和壓力變化導(dǎo)致光纖電纜壓縮，由此產(chǎn)生的應(yīng)變導(dǎo)致被寫入光纖電纜的光柵的布拉格波長(zhǎng)的改變。在測(cè)量系統(tǒng)中通過監(jiān)測(cè)從光柵反射回來的光的波長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量?？招尼樋梢园▽?dǎo)管或皮下注射針。玻璃球體可以合并在光纖電纜的末端。由壓力變化導(dǎo)致的球體變形可以在被寫入電纜的光柵上施加壓力。備選地，球體表面可以形成干涉儀，用于測(cè)量壓力變化，并且在纖維中可以發(fā)現(xiàn)光柵，以允許同樣進(jìn)行溫度測(cè)量。然而，布拉格光柵對(duì)于液體靜壓力的敏感度很低，并且因此，這樣的系統(tǒng)不能檢測(cè)由動(dòng)脈的部分閉塞導(dǎo)致的微小壓降。還進(jìn)一步地，這個(gè)方法是單點(diǎn)，并且因此需要將針撤回，以映射一段動(dòng)脈中的壓力變化。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]提供一種用于動(dòng)脈中血壓的微創(chuàng)測(cè)量的系統(tǒng)和方法將是有利的，例如，用于檢測(cè)動(dòng)脈狹窄區(qū)域，其容易執(zhí)行并且其允許在一段動(dòng)脈中壓力變化的快速映射。
[0007]在第一方面，本發(fā)明提供一種用于動(dòng)脈中血流的介入測(cè)量的醫(yī)療系統(tǒng)，所述醫(yī)療系統(tǒng)包括介入裝置，其包括至少一個(gè)光纖，所述至少一個(gè)光纖包括沿其縱向延伸空間分布的多個(gè)溫度敏感光學(xué)傳感器段，其中，所述介入裝置被配置為插入動(dòng)脈，使得光纖能夠被放置在動(dòng)脈內(nèi)部，并且與動(dòng)脈中流動(dòng)的血液進(jìn)行熱接觸，并且使得所述光纖的縱向延伸跟隨動(dòng)脈的縱向延伸，其中所述介入裝置包括溫度變換器和測(cè)量單元，所述溫度變換器被布置為在光纖一端上游位置處引入動(dòng)脈中血液團(tuán)溫度的局部變化，所述測(cè)量單元被布置用于操作連接到介入裝置，其中，所述測(cè)量單元包括光源和處理器單元，所述光源用于將光遞送到介入裝置中的光纖，并且其中，所述測(cè)量單元被布置為接收從光纖反射的光并且生成對(duì)應(yīng)的時(shí)變輸出信號(hào)，并且所述處理器單元用于操作連接到所述測(cè)量單元，其中，所述處理器單元被布置為運(yùn)行第一處理算法，以便將來自測(cè)量單元的時(shí)變輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)沿光纖的各自位置處的溫度的溫度集合，以及其中，所述處理器單元被布置為運(yùn)行第二處理算法，所述第二處理算法被布置為根據(jù)所述溫度集合的時(shí)間特性來計(jì)算沿光纖的各自位置處的血流的量(measure )。
[0008]使用這樣的系統(tǒng)，可能測(cè)量空間分布的和時(shí)間分解的流量詢問，其允許實(shí)時(shí)地對(duì)沿動(dòng)脈內(nèi)部的介入裝置的多個(gè)位點(diǎn)處的流量進(jìn)行同時(shí)量化。因此，這樣的多點(diǎn)流量測(cè)量能夠用于尋找穿過緊狹窄的功能顯著的壓降，例如如使用FFR所完成的。所述系統(tǒng)是基于對(duì)光學(xué)感測(cè)能夠用于充分利用光頻域反射計(jì)方法的空間分布和時(shí)間分解性質(zhì)的深入了解。在這一背景下，光學(xué)感測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是它消除了對(duì)于造影劑注射或要求撤回動(dòng)脈中介入部分不精確且耗時(shí)的方法需要。此外，不同于詢問與單個(gè)/固定的超聲射束取向相切的流量的多普勒流導(dǎo)絲，本發(fā)明將允許得到沿光纖跟隨的整個(gè)中心線路徑的流量特征。由于在沒有電氣連接的情況下執(zhí)行感測(cè)，所述系統(tǒng)能夠被設(shè)計(jì)為兼容MR引導(dǎo)介入的版本。而且，基于光纖的傳感器具有極小的物理足跡，并且因此能夠被部署在窄軌導(dǎo)絲內(nèi)，所述窄軌導(dǎo)絲使由流量測(cè)量裝置本身導(dǎo)致的血流動(dòng)力學(xué)流畸變的水平最小化。這將進(jìn)一步允許在比現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)更窄的動(dòng)脈中的狹窄區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)楣饫w容易制造成適合集成介入導(dǎo)絲的細(xì)小版本，又一優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的介入裝置部分能夠被制造成廉價(jià)版本，其之后通過簡(jiǎn)單光學(xué)接口連接到測(cè)量單元。這允許介入裝置容易替換的，并且因此介入裝置可以是消耗品，并且被制造成一次性使用，因此消除了消毒等需要。此外，所述系統(tǒng)允許沿血管段的體積流率、平均流速的估計(jì)，以及穿過(多個(gè))狹窄的估計(jì)的壓降，尤其，當(dāng)流量估計(jì)與過程內(nèi)的定量冠狀動(dòng)脈造影相結(jié)合時(shí)。
[0009]總之，這樣的系統(tǒng)能夠提高多種現(xiàn)有臨床過程的速度和效率，并且甚至使腎功能差的患者能夠經(jīng)受微創(chuàng)介入。
[0010]應(yīng)當(dāng)理解，所述系統(tǒng)可以包括其他元件，其被布置為對(duì)獲得的血流的量進(jìn)行處理，例如，可以在顯示屏上顯示血流對(duì)位置的量，因此允許醫(yī)療技術(shù)人員執(zhí)行基于該處理結(jié)果的診斷。`
[0011]在優(yōu)選實(shí)施例中，所述測(cè)量單元包括干涉儀，當(dāng)與提供具有隨時(shí)間變化波導(dǎo)的光的光源(即，例如基于激光光源的掃頻光源)結(jié)合時(shí)，所述干涉儀允許以良好的空間分辨率獲得精確的流量測(cè)量的可能性。
[0012]一些實(shí)施例包括溫度控制單元，其被布置為在時(shí)間上控制溫度變換器的溫度變化效應(yīng)，以便允許當(dāng)由血流沿動(dòng)脈因此也沿光纖攜帶團(tuán)時(shí)允許沿光纖在時(shí)間上追蹤溫度。在具體實(shí)施例中，所述溫度控制單元被布置為控制所述溫度變換器，以便在恒定頻率上提供局部血液團(tuán)冷卻或加熱的調(diào)制，并且其中，所述測(cè)量單元被布置為在所述頻率上測(cè)量空間分布的溫度。
[0013]在一些實(shí)施例中，所述溫度變換器包括溫度變化元件，其被布置為與動(dòng)脈中的血液進(jìn)行熱接觸，其中，所述溫度變化元件被布置為冷卻或加熱血流的局部團(tuán)。這可以是位于光纖遠(yuǎn)端上游的電動(dòng)冷卻或加熱元件的形式。在其他實(shí)施例中，溫度變換器包括導(dǎo)管，其被布置為注射具有與動(dòng)脈中的血液溫度不同的溫度的在時(shí)間上受限的液體團(tuán)。
[0014]在優(yōu)選實(shí)施例中，多個(gè)溫度敏感光學(xué)傳感器段是光纖布拉格光柵或基于瑞利的傳感器段，然而可以使用其他類型的溫度敏感光學(xué)傳感器段。
[0015]在一些實(shí)施例中，所述介入裝置包括導(dǎo)絲，至少一個(gè)光纖被布置在所述導(dǎo)絲中，例如，導(dǎo)絲可以通過中心的光纖來實(shí)現(xiàn)，其中，所述光纖由導(dǎo)熱層包圍，以及其中，光纖和導(dǎo)熱層被放置在金屬管中，以便提供導(dǎo)絲的適當(dāng)硬度。
[0016]所述光源可以包括激光光源，尤其可以優(yōu)選光源被布置為提供不同波長(zhǎng)的光，例如，控制所述光源，以便提供波長(zhǎng)或頻率的掃頻光信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，來自光源的光被分為遞送到介入裝置中的光纖的第一部分和應(yīng)用到波長(zhǎng)測(cè)量單元的第二部分，所述波長(zhǎng)測(cè)量單元被布置為確定來自光源的 光的測(cè)量或波長(zhǎng)。尤其，所述波長(zhǎng)測(cè)量單元可以包括具有已知光學(xué)吸收譜的氣室(gas cell)，以及馬赫曾德爾干涉儀。這樣的實(shí)施例能夠在產(chǎn)生的血流測(cè)量結(jié)果中提供相對(duì)于空間位置分辨率和相對(duì)于每個(gè)位置的流量分辨率的高精度。
[0017]所述第一處理算法可以包括通過傅里葉分析將來自測(cè)量單元作為時(shí)間函數(shù)的輸出信號(hào)空間分解為分布式溫度曲線。因此，這樣的算法能夠使用能夠在標(biāo)準(zhǔn)處理設(shè)備上實(shí)時(shí)運(yùn)行的眾所周知的算法部件來實(shí)現(xiàn)。
[0018]介入裝置和測(cè)量單元被布置為通過光學(xué)接口進(jìn)行互連，以便允許所述測(cè)量單元和介入裝置在正常使用期間在空間上分離?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)光纜和連接器，因此使作為制造成低成本版本并被認(rèn)為是一次性元件的版本的介入裝置易于更換。
[0019]為了使MR掃描具有兼容性，所述介入裝置優(yōu)選地純粹由非磁性材料制成。
[0020]所述方法還可以包括圖形呈現(xiàn)手段，用于將經(jīng)測(cè)量的血流對(duì)動(dòng)脈中的位置進(jìn)行可視化，例如，包括圖示血流對(duì)動(dòng)脈長(zhǎng)度位置的圖形的呈現(xiàn)的顯示器。例如，測(cè)量出的血流數(shù)據(jù)可以被顯示為與草圖或相關(guān)動(dòng)脈的X-射線照片進(jìn)行疊加，以便為醫(yī)師將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化。處理器單元可以被布置為直接驅(qū)動(dòng)顯示屏，或者處理器單元可以被布置為通過有線或無線連接將經(jīng)測(cè)量的血流數(shù)據(jù)通信至具有顯示模塊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?；诶盟鱿到y(tǒng)獲得的血流數(shù)據(jù)，醫(yī)師或其他受過專門訓(xùn)練的人員可以進(jìn)行相應(yīng)的診斷。
[0021]在第二方面，本發(fā)明提供用于動(dòng)脈中血流的微創(chuàng)測(cè)量的方法，所述方法包括介入裝置，所述介入裝置包括至少一個(gè)光纖，所述光纖包括沿其縱向延伸在空間上分布的多個(gè)溫度敏感光學(xué)傳感器段，其中，所述介入裝置包括溫度變換器，將所述介入裝置插入動(dòng)脈，由此光纖能夠被放置在動(dòng)脈內(nèi)并且與動(dòng)脈中流動(dòng)的血液進(jìn)行熱接觸，并且由此，所述光纖的縱向延伸跟隨動(dòng)脈的縱向延伸，通過溫度變換器在光纖一端上游位置處引入動(dòng)脈中血液團(tuán)溫度的局部變化，將光遞送到介入裝置中的光纖，接收從光纖反射的光，將時(shí)變反射光轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)沿光纖在各自位置處的溫度的溫度集合，以及根據(jù)所述溫度集合的時(shí)間特性來計(jì)算沿光纖的各自位置處的血流的量。
[0022]所述方法適于由技術(shù)人員執(zhí)行，但不一定需要由醫(yī)師執(zhí)行。能夠向能夠相應(yīng)地對(duì)患者進(jìn)行診斷的醫(yī)師提供產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。例如，所述方法可以包括將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像呈現(xiàn)，例如，通過使疊加到覆蓋已經(jīng)被研究的動(dòng)脈的X射線的數(shù)據(jù)可視化，以便指出可能的狹窄區(qū)域的位置。
[0023]在一些實(shí)施例中，執(zhí)行來自介入裝置的溫度校準(zhǔn)測(cè)量，以便在引入局部血液團(tuán)的溫度變化之前獲得基線參考。
[0024]在一些實(shí)施例中，就在引入局部血液團(tuán)的溫度變化之前執(zhí)行動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量，以及之后在后來的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)上執(zhí)行測(cè)量。
[0025]應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，第一方面的相同優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施例同樣適用于第二方面。通常，可以以在本發(fā)明范圍內(nèi)的任何可能的方式結(jié)合并耦合第一方面和第二方面。參考下文所描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其他方面、特征和/或優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的，并得以闡述。
[0026]本發(fā)明可以以若干方式來實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)是獨(dú)立系統(tǒng)，例如，包括用于使經(jīng)測(cè)量的數(shù)據(jù)可視化的移動(dòng)系統(tǒng)，諸如已知的例如用于醫(yī)學(xué)超聲掃描器設(shè)備。在其他實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)純粹是測(cè)量工具，并且因此所述系統(tǒng)的所述處理器單元包括有線或無線接口，以將經(jīng)測(cè)量的數(shù)據(jù)通信至例如醫(yī)院或診所的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]將僅以范例的方式，參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中
`[0028]圖1示出了本發(fā)明的實(shí)施例的框圖，
[0029]圖2圖示了另一實(shí)施例的元件。
[0030]圖3圖示了溫度變換器的實(shí)施方式，其包括被布置為注射液體團(tuán)的導(dǎo)管，
[0031]圖4圖示了溫度敏感光纖的實(shí)施方式，其被布置在介入導(dǎo)絲內(nèi)，以及
[0032]圖5和圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明的方法的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]圖1圖示了一個(gè)醫(yī)療系統(tǒng)實(shí)施例的元件的框圖。介入裝置IVD包括現(xiàn)有技術(shù)中已知的空間分布的光纖布拉格光柵的集成纖維FB的導(dǎo)絲。例如，纖維具有諸如1-2米的長(zhǎng)度。另外，溫度變換器TC被布置為與導(dǎo)絲相連，以允許在時(shí)間上控制纖維FB上游的局部血液團(tuán)的冷卻或加熱。例如，溫度變換器TC可以是連接到容器和裝置的導(dǎo)管形式，所述導(dǎo)管能夠遞送具有不同于動(dòng)脈血液的特定溫度的一部分液體。在其他版本中，溫度變換器是電控微型加熱器，能夠控制所述電控微型加熱器，以提供動(dòng)脈中血液團(tuán)的在時(shí)間上受限的局部加熱，例如，可以控制加熱器，以提供在恒定調(diào)制頻率上加熱。由溫度變換器TC引入的局部加熱或冷卻允許沿纖維FB追蹤動(dòng)脈血流中的溫度變化。優(yōu)選地，導(dǎo)絲被配置為如此細(xì)小，以致它能夠在不顯著干擾其中的血流的情況下插入動(dòng)脈。
[0034]測(cè)量單元MU (例如)經(jīng)由電纜連接到所述介入裝置IVD，以允許所述測(cè)量單元MU被放置為遠(yuǎn)離在檢查中的患者。優(yōu)選地，這樣互連的電纜被配置為利用連接器互連至所述介入裝置IVD，以便使作為能夠以低成本版本制造為允許一次性使用的介入裝置易于更換。所述測(cè)量單元MU光學(xué)地連接到介入裝置IVD的纖維FB。激光光源LS生成光，以將其應(yīng)用于纖維FB的一端，通常應(yīng)用于被放置在血流上游的纖維FB的末端。來自纖維FB相同末端的光(即，從纖維FB中的布拉格光柵反射的光)由測(cè)量單元中的光學(xué)換能器系統(tǒng)OT接收?？刂葡到y(tǒng)CS用于控制所述激光光源LS和光學(xué)換能器系統(tǒng)0T，并且包括光學(xué)元件，所述光學(xué)元件被布置為提取二維溫度數(shù)據(jù)，也就是對(duì)應(yīng)于溫度對(duì)沿纖維的空間位置對(duì)時(shí)間。優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)包括干涉儀的實(shí)現(xiàn)，諸如現(xiàn)有技術(shù)中已知的。
[0035]之后，將由測(cè)量單元MU生成的二維溫度數(shù)據(jù)以有線或無線形式應(yīng)用于處理器單元PU，并且所述處理器單元PU包括運(yùn)行第一算法Al的處理器，所述第一算法Al將來自測(cè)量單元MU的時(shí)變輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)沿纖維FB各自位置處的溫度的溫度集合。之后，將該結(jié)果應(yīng)用于第二算法A2，所述第二算法A2根據(jù)所述溫度集合的時(shí)間特性來計(jì)算沿纖維FB的各自位置處的血流BF的量。血流BF的該量能夠相對(duì)纖維FB位置而被進(jìn)一步處理和/或顯示，以允許醫(yī)療人員相應(yīng)地對(duì)檢查中的患者進(jìn)行診斷。
[0036]應(yīng)當(dāng)理解，所述系統(tǒng)可以在包括測(cè)量單元MU和處理器單元I3U并且還可能包括一個(gè)單一便攜單元中的顯示屏和用戶接口的獨(dú)立裝置中實(shí)現(xiàn)。在其他版本中，僅僅提供所述測(cè)量單元MU作為便攜獨(dú)立裝置，同時(shí)處理器單元的功能由遠(yuǎn)程位置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
[0037]圖2更詳細(xì)地圖示了測(cè)量單元的實(shí)施例；介入裝置再次基于具有光纖布拉格光柵(FBGs)的光纖FB。光纖布拉格光柵(FBGs)的操作背后的基本原理是在折射率變化的每個(gè)界面處的菲涅爾反射。對(duì)于一些波長(zhǎng)，各個(gè)周期的反射光彼此同相，從而存在用于反射的相長(zhǎng)干涉，并且因此存在用于傳播的相消干涉。布拉格波長(zhǎng)對(duì)壓力以及對(duì)溫度是敏感的。這意味著布拉格光柵能夠用作在光纖傳感器中的感測(cè)元件。在FBG傳感器中，被測(cè)對(duì)象(例如，溫度)導(dǎo)致布拉格波長(zhǎng)改變。在電信波長(zhǎng)的`方式中，靈敏度約為13pm/K。在通常能夠確定約0.5pm的波長(zhǎng)偏移的情況下，溫度精確度高于0.1°C。
[0038]光纖FB能夠合并在導(dǎo)絲內(nèi)，其能夠用于與稀釋導(dǎo)管結(jié)合或者能夠具有并入裝置以允許用于液體團(tuán)注射的微型流體通道。經(jīng)由導(dǎo)管注射一小團(tuán)冷鹽水。測(cè)量沿導(dǎo)絲的溫度作為時(shí)間函數(shù)。從空間和時(shí)間上分解的溫度曲線能夠推斷血流率(類似于熱稀釋法)和血流速度。
[0039]通過采用干涉儀測(cè)量技術(shù)利用高空間分辨率能夠獲得沿纖維FB (z方向)的溫度分布，在圖2中描繪其中的范例。示出的光學(xué)元件包括平衡檢測(cè)器BD、纖維耦合器FC、偏振控件PC，循環(huán)器CRC和反射鏡MR。穿過光頻隔離器I發(fā)送來自掃頻源激光系統(tǒng)SS的光，以防止背向反射，并且將其分為兩部分。小部分用于通過氣室GC和具有時(shí)鐘系統(tǒng)的馬赫曾德爾干涉儀MZIC來監(jiān)測(cè)光源SS的波長(zhǎng)。所述氣室GC具有已知的且經(jīng)校準(zhǔn)的吸收譜。所述馬赫曾德爾干涉儀產(chǎn)生取決于在其兩臂不平衡量的高頻率輸出信號(hào)，并且作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖2中未顯示)的觸發(fā)信號(hào)。來自掃頻源SS的光的主要部分被直接導(dǎo)引朝向主要干涉儀，在此，將其分為轉(zhuǎn)到具有高反射鏡的參考臂的部分和轉(zhuǎn)到具有布拉格光柵的纖維FB的部分。兩臂的反射光在2x2結(jié)合器/分離器中進(jìn)行組合。其AC輸出信號(hào)是180°反相，因此由平衡接收器測(cè)量的差異不含有DC信號(hào)。來自纖維FB的光已經(jīng)行進(jìn)了一段光學(xué)路徑長(zhǎng)度，所述光程長(zhǎng)度取決于沿纖維FB (即，z方向上)的反射元件的位置。因此，在纖維FB中的每個(gè)位置z具有相對(duì)于參考臂反射鏡MR不同的路徑長(zhǎng)度差。在掃描波長(zhǎng)同時(shí)，每個(gè)位置z將產(chǎn)生具有其自身頻率的在時(shí)間上變化的信號(hào)。通過傅里葉分析能夠解析頻率成分，從而能夠?qū)崿F(xiàn)在空間上分解的波長(zhǎng)偏移的測(cè)量，即，沿纖維FB的分布式溫度曲線。
[0040]圖3圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例(實(shí)施例1)例如用于與圖2中圖示的測(cè)量實(shí)施例結(jié)合的系統(tǒng)。將配備含有分布式FBGs的集成纖維FB的導(dǎo)絲連同導(dǎo)管C插入動(dòng)脈AT，即，血流。所述導(dǎo)管C具有集成多模纖維，其在短時(shí)間間隔期間將激光遞送到圍繞尖端的血液中。光通過血液來吸收，并且增加在時(shí)間t=tl時(shí)的溫度，產(chǎn)生具有微微上升溫度T+Λ T的血液團(tuán)，其中，T是血液的正常溫度(通常基礎(chǔ)體溫:~37°C)。所述團(tuán)隨血流沿動(dòng)脈AT迅速傳播，并且如在后面的時(shí)間t=t2時(shí)圖示的，具有上升溫度的血液團(tuán)已經(jīng)沿血液方向行進(jìn)。當(dāng)它傳播時(shí)，它接觸沿導(dǎo)絲以及因此沿纖維FB的不同位置，每個(gè)位置在不同的時(shí)間點(diǎn)上經(jīng)歷溫度的瞬時(shí)增加。溫度中的這些瞬變被迅速傳導(dǎo)至含有分布式FBGs的光纖。
[0041]溫度中的瞬時(shí)差異導(dǎo)致沿導(dǎo)絲并且因此沿纖維FB長(zhǎng)度中的局部變化，其產(chǎn)生從光纖FB反射的可見光特征中非常小但可檢測(cè)的差異。(例如現(xiàn)有技術(shù)中已知的)處理算法用于將來自控制臺(tái)的光學(xué)反射測(cè)量轉(zhuǎn)化成分布式溫度測(cè)量(溫度作為沿纖維FB的長(zhǎng)度的函數(shù))。優(yōu)選地，例如利用如圖2中圖示的系統(tǒng)，以干涉測(cè)量方式執(zhí)行反射測(cè)量。
[0042]圖4圖示了光纖FB能夠如何集成到導(dǎo)絲中的范例，也就是，具有中心的纖維FB以及被放置在金屬管MT中的導(dǎo)熱材料的中間層TCL。
[0043]備選地，所述導(dǎo)絲可以完全由光纖組成。任選地，可以存在直接應(yīng)用于纖維的金屬涂層，所述金屬涂層提供機(jī)械強(qiáng)度。備選地，具有分布式FBGs的光纖能夠被放置在緊鄰導(dǎo)絲的位置。優(yōu)選地，它將在多個(gè)點(diǎn)或沿其長(zhǎng)度連續(xù)附著于導(dǎo)絲。
[0044]為了獲得精確的血流測(cè)量，根據(jù)校準(zhǔn)過程優(yōu)選地校準(zhǔn)所述系統(tǒng)。一旦介入裝置已經(jīng)被放置在血管內(nèi)感興趣的目標(biāo) 點(diǎn)并且在任何溫度挑戰(zhàn)之前，在基線狀態(tài)下執(zhí)行這樣的來自纖維傳感器的光學(xué)測(cè)量校準(zhǔn)。這將建立基線幾何結(jié)構(gòu)配置和基線溫度，纖維傳感器暴露于所述基線溫度中。理想地，還以對(duì)任何周期運(yùn)動(dòng)進(jìn)行門控的方式(例如，利用ECG或呼吸門控)建立校準(zhǔn)測(cè)量。之后，將確保所有其他測(cè)量以從團(tuán)注射和血液動(dòng)力學(xué)流而不是任何其他的物理解剖變化中產(chǎn)生。
[0045]圖5圖示了用于實(shí)施例1的處理方案，其用于從分布式溫度測(cè)量中獲得分布式流量測(cè)量。所述方案涉及光學(xué)測(cè)量0M、分布式溫度測(cè)量DTM、流量測(cè)量FM以及最后的結(jié)果顯示D，例如，作為與獲得的對(duì)于感興趣區(qū)域的熒光鏡檢查的疊加。
[0046]所述處理可以涉及:
[0047]a)針對(duì)時(shí)間上的給定點(diǎn)，追蹤溫度曲線作為長(zhǎng)度函數(shù)，和/或
[0048]b)針對(duì)給定位置，追蹤溫度曲線作為時(shí)間函數(shù)。
[0049]在相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間周期期間給予熱團(tuán)，將產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)情況。通過跟隨穩(wěn)態(tài)溫度曲線下游，能夠類似于標(biāo)準(zhǔn)的熱稀釋方法確定流率。給予短熱團(tuán)和測(cè)量溫度曲線的前面，獲得流速。作為位置函數(shù)的流速變化顯示可能發(fā)生閉塞的位置。優(yōu)選地，團(tuán)的創(chuàng)建受到心動(dòng)周期控制(例如使用ECG信號(hào))以確保團(tuán)每次跟隨相似的軌跡。能夠執(zhí)行多個(gè)團(tuán)，以導(dǎo)出多個(gè)流量測(cè)量結(jié)果，能夠?qū)ζ淙∑骄祦硖岣呔取?br> [0050]實(shí)施籃I提供的用光學(xué)方式給予熱團(tuán)的備選方法是通過添加接近分布式光纖布拉格光柵的長(zhǎng)周期布拉格光柵(LPG)和在該位置處向纖維添加金屬涂層。利用LPG，光能夠被耦合到包層模，并且因此將被吸收在金屬中，從而局部地加熱結(jié)構(gòu)。這樣的實(shí)施方式倉(cāng)泛夠在 P.Caldas 等人在 Proceedings of the European Workshop on Optical FiberSensors (Porto, 2010)SPIE Vol.7653, p.132 上的“Fibre Optic Hot-Wire Flowmeterbased on a Metallic Coated Hybrid LPG-FBG Structure”一文中找到。
[0051]除了利用在導(dǎo)管或能夠穿過導(dǎo)管插入的類似裝置中集成的非光學(xué)(例如電)加熱元件創(chuàng)建具有上升溫度的血液團(tuán)，實(shí)施例3提供與實(shí)施例1相同的系統(tǒng)。必須注意不將溫度提高太多，否則加熱后的血液可能凝固。除了加熱之外，還可以通過給予冷鹽水團(tuán)(室溫)來使用冷卻。對(duì)于熱稀釋法，注射速率約為20ml/min，其僅僅是冠狀動(dòng)脈中流率的一部分。
[0052]除了通過對(duì)在具有分布式FBGs的纖維中遞送的激光進(jìn)行遞送而創(chuàng)建具有上升溫度的血液團(tuán)，實(shí)施例4提供與實(shí)施例1相同的系統(tǒng)。優(yōu)選地，在纖維包層(例如用雙包層纖維)中遞送光，以免干擾詢問FBGs的光學(xué)路徑。
[0053]除了額外的光纖被并入導(dǎo)絲或?qū)Ч芤栽试S除溫度追蹤以外的形狀追蹤，實(shí)施例5提供與實(shí)施例1相同的系統(tǒng)。形狀追蹤信息用于顯示流量測(cè)量信息，例如，在熒光圖像上疊加。也能夠執(zhí)行非光學(xué)形狀和位置追蹤(例如，利用EM傳感器)。形狀追蹤信息也能夠潛在地用于執(zhí)行多個(gè)團(tuán)以導(dǎo)出用于取平均值的多個(gè)流測(cè)量的情況，以在每項(xiàng)測(cè)量中配準(zhǔn)動(dòng)脈中導(dǎo)絲/導(dǎo)管的空間位置。
[0054]除了從分布式溫度測(cè)量導(dǎo)出流量測(cè)量的算法結(jié)合了來自過程前和/或過程中圖像的解剖信息，實(shí)施例6提供與實(shí)施例1相同的系統(tǒng)。這些圖像的分割能夠允許獲得局部組織導(dǎo)熱性能的估計(jì)(例如，利用查找表)。血管內(nèi)超聲(IVUS)是產(chǎn)生過程中圖像的技術(shù)的范例。實(shí)際上,通過將實(shí)施例1-5中的一個(gè)的光纖添加到IVUS導(dǎo)管，能夠?qū)VUS和本發(fā)明的流量測(cè)量技術(shù)組合到一個(gè)相同的裝置中。
[0055]除了使用瑞利散射代替FBGs，實(shí)施例7提供與實(shí)施例1相同的系統(tǒng)。測(cè)量原理是相同的。瑞利散射產(chǎn)生于小的折射率變化的隨機(jī)分布。這些變化能夠被看作隨機(jī)布拉格周期。差異是以信號(hào)強(qiáng)度為代價(jià)的與成本效率相關(guān)聯(lián)的制造的易化。
[0056]實(shí)施例8提供如實(shí)施例1-7中的一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng),在實(shí)施例8中，導(dǎo)管或?qū)Ыz被導(dǎo)引到上游。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)在遠(yuǎn)端創(chuàng)建團(tuán)。
[0057]實(shí)施例9提供實(shí)施例1-5或7-8中的一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng),在實(shí)施例9中，F(xiàn)BGs用單調(diào)方式進(jìn)行線性調(diào)頻。這意味著諧振波長(zhǎng)是取決于位置的。在沒有溫度變化的情況下，反射波長(zhǎng)是位置的直接測(cè)量。通過使用簡(jiǎn)單直接又非常具有成本效率的光學(xué)系統(tǒng)(發(fā)光二極管、小型單色儀和多元件檢測(cè)器)進(jìn)行反射光譜的連續(xù)測(cè)量，能夠及時(shí)地監(jiān)測(cè)溫度分布。
[0058]實(shí)施例10提供與前沭實(shí)施例1-9中的仟意一個(gè)實(shí)施例相同的系統(tǒng),所沭實(shí)施例10中，向?qū)Ыz或?qū)Ч艿募舛颂砑訅毫Ω袦y(cè)元件。這允許同時(shí)對(duì)體積流率、流速和壓力測(cè)量進(jìn)行組合，但是需要撤回，以便獲得壓力梯度。
[0059]以下能夠看作解釋冠狀血流簡(jiǎn)單描述和關(guān)于本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的計(jì)算的描述實(shí)施例的附錄。
[0060]通過解釋液體流量(即流率)、流速和壓力梯度的各項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)系，將給出顯狀血流的簡(jiǎn)單描述。對(duì)于管子中的層狀粘性流，流率能夠由歐姆如描述，達(dá)西定律描述:
【權(quán)利要求】
1.一種用于動(dòng)脈(AT)中的血流的介入測(cè)量的醫(yī)療系統(tǒng)，所述醫(yī)療系統(tǒng)包括 -介入裝置(IVD)，其包括至少一個(gè)光纖(FB)，所述至少一個(gè)光纖(FB)包括沿其縱向延伸空間分布的多個(gè)溫度敏感光學(xué)傳感器段，其中，所述介入裝置(IVD)被配置為插入動(dòng)脈(AT)，使得所述光纖(FB)能夠被放置在所述動(dòng)脈(AT)內(nèi)并且與所述動(dòng)脈(AT)中流動(dòng)的血液進(jìn)行熱接觸，并且，使得所述光纖(FB)的所述縱向延伸跟隨所述動(dòng)脈(AT)的縱向延伸，其中，所述介入裝置(IVD)包括溫度變換器(TC)，所述溫度變換器(TC)被布置為在所述光纖(FB)的一端上游位置處引入所述動(dòng)脈(AT)中的血液團(tuán)的溫度的局部變化(AT)， -測(cè)量單元(MU)，其被布置用于操作連接至所述介入裝置(IVD)，其中，所述測(cè)量單元(MU)包括用于將光遞送到所述介入裝置(IVD)中的所述光纖(FB)中的光源(LS)，并且其中，所述測(cè)量單元(MU)被布置為接收從所述光纖(FB)反射的光并且生成對(duì)應(yīng)的時(shí)變輸出信號(hào)，以及 -處理器單元(PU)，其用于操作連接到所述測(cè)量單元(MU)，其中，所述處理器單元(PU)被布置為運(yùn)行第一處理算法(Al)，以便將來自所述測(cè)量單元(MU)的所述時(shí)變輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)沿所述光纖(FB)的各自位置處的溫度的溫度集合，并且其中，所述處理器單元(PU)被布置為運(yùn)行第二處理算法(A2)，所述第二處理算法(A2)被布置為根據(jù)所述溫度集合的時(shí)間特性來計(jì)算沿所述光纖(FB)的各自位置處的血流(BF)的量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述測(cè)量單元(MU)包括干涉儀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括溫度控制單元，其被布置為在時(shí)間上控制所述溫度變換器(TC)的溫度變化效應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述溫度控制單元被布置為控制所述溫度變換器(TC)，以便以固定頻率提供對(duì)局 部血液團(tuán)的冷卻或加熱的調(diào)制，并且其中，所述測(cè)量單元(MU)被布置為測(cè)量在所述頻率上的空間分布的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述溫度變換器(TC)包括導(dǎo)管(C)，所述導(dǎo)管(C)被布置用于注射具有不同(AT)于所述動(dòng)脈(AT)中的血液溫度的溫度的在時(shí)間上受限的液體團(tuán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述溫度變換器(TC)包括溫度變化元件，所述溫度變化元件被布置用于與所述動(dòng)脈(AT)中的血液進(jìn)行熱接觸，其中，所述溫度變化元件被布置為冷卻或加熱局部血液團(tuán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)溫度敏感光學(xué)傳感器段包括以下的至少一個(gè):光纖布拉格光柵，以及基于瑞利的傳感器段。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述介入裝置(IVD)包括導(dǎo)絲，所述至少一個(gè)光纖(FB)被布置在所述導(dǎo)絲中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光源(LS)包括激光光源，所述激光光源被布置為提供不同波長(zhǎng)的光。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，來自所述光源(LS)的光被分為被遞送到所述介入裝置(IVD)中的所述光纖(FB)的第一部分和被應(yīng)用到波長(zhǎng)測(cè)量單元的第二部分，所述波長(zhǎng)測(cè)量單元被布置為確定來自所述光源(LS)的光的波長(zhǎng)的量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述波長(zhǎng)測(cè)量單元包括馬赫曾德爾干涉儀和具有已知光學(xué)吸收譜的氣室(GC)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一處理算法(Al)包括通過傅里葉分析將來自所述測(cè)量單元作為時(shí)間函數(shù)的所述輸出信號(hào)空間分解為分布式溫度曲線。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述介入裝置(IVD)和所述測(cè)量單元(MU)被布置用于通過光學(xué)接口互連，以允許在正常使用期間所述測(cè)量單元(MU)和所述介入裝置(IVD)被空間分離。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述介入裝置(IVD)由非磁性材料制造。
15.一種用于動(dòng)脈中的血流的微創(chuàng)測(cè)量的方法，所述方法包括 -提供介入裝置，所述介入裝置包括至少一個(gè)光纖，所述至少一個(gè)光纖包括沿其縱向延伸空間分布的多個(gè)溫度敏感光學(xué)傳感器段，其中，所述介入裝置包括溫度變換器， -將所述介入裝置插入所述動(dòng)脈，使得所述光纖能夠被放置在所述動(dòng)脈內(nèi)，并且與所述動(dòng)脈中流動(dòng)的血液進(jìn)行熱接觸，并且，使得所述光纖的所述縱向延伸跟隨所述動(dòng)脈的縱向延伸， -通過所述 溫度變換器在所述光纖一端的上游位置處引入所述動(dòng)脈中的血液團(tuán)的溫度的局部變化， -將光遞送到所述介入裝置中的所述光纖， -接收從所述光纖反射的光， -將時(shí)變反射光轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)沿所述光纖的各自位置處的溫度的溫度集合，以及 -根據(jù)所述溫度集合的時(shí)間特性來計(jì)算沿所述光纖的各自位置處的血流的量。
【文檔編號(hào)】A61B5/028GK103561641SQ201280026775
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2012年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月1日
【發(fā)明者】G·W·T·霍夫特, A·E·德雅爾丹, M·E·巴利, R·陳 申請(qǐng)人:皇家飛利浦有限公司