使用时间分辨的光散射能谱法评估组织或毁损灶深度制造技术

描述了一种使用时间分辨光学方法来提高评价具有与周围组织不同的光学特性的组织成分或毁损灶的深度的能力的方法。本发明专利技术可以特别地适合于使用专门设计的装置(导管)在RF消融(不可逆的组织改性/损害)期间评价毁损灶深度，所述专门设计的装置出于治疗原因在局部区域递送热量。该技术允许以与由稳态光谱法所提供的灵敏度相比更高的灵敏度增加评价被消融的毁损灶的深度或检测其他过程(诸如微泡形成和凝固)的存在的能力。该方法可以用于在组织消融或其他程序(其中需要关于毁损灶深度的信息)期间的体内实时监测。在医学应用中的组织消融、组织热损害、毁损灶和组织深度评估中存在示例性应用。

【技术实现步骤摘要】
使用时间分辨的光散射能谱法评估组织或毁损灶深度本申请是申请号为201480022001.4、进入国家阶段日为2015年10月13日、专利技术名称为“使用时间分辨的光散射能谱法评估组织或毁损灶深度”的原申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请是于2006年4月27日提交的题目为“组织改性的光纤评价”的美国申请号11/414,009(该申请通过引用结合于本文中)的部分继续申请，美国申请号11/414,009是于2005年11月17日提交的题目为“心脏组织消融的光纤评价”的美国申请号11/281，853(该申请通过引用结合于本文中)的部分继续申请，美国申请号11/281，853要求于2004年11月17日提交的题目为“心脏组织消融的光纤评价和光谱法”的美国临时申请号60/629,166(该申请通过引用结合于本文中)的优先权。关于联邦资助的研究或开发的声明按照美国能源部和LawrenceLivermoreNationalSecurity，LLC之间的用于LawrenceLivermore国家实验室运转的合同号DE-AC52-07NA27344，美国政府在本专利技术中具有权利。专利技术背景专利
本专利技术涉及医学诊断学。更特别地，本专利技术涉及用于在医学程序过程中实时研究组织改性的光学询问配置。相关技术描述在正常组织野中毁损灶的存在经常可以通过光与不同的组织成分相互作用的途中发生的变化检测到。例如，外科医生的视觉评估由不同的组织成分对光谱的可见部分中光的散射变化来决定。光谱的近红外(NIR)部分中的光也可以检测由组织成分的结构和生物化学组成的变化所引起的这种差异。NIR光的公认特性在于其可以较深地穿透至组织中，大约几厘米，主要是由于血液吸收减少导致，而且由于散射减少所致。光子的平均穿透深度作为不同组织成分中波长的函数形成了题目为“组织改性的光纤评价”的美国专利申请11/414,009(母案)的基础(其通过引用并入本文)，该申请描述了使用NIR光谱仪进行毁损灶评估。具体地，该申请提供了实时表征关键参数的新方式，特别适合于在心脏组织射频(RF)消融期间的应用，该方式通过结合使用在经典消融导管上的光纤探头来实现。RF消融常常用来治疗房颤(一种导致异常电信号的心脏病况，已知是心律失常)，房颤在心内膜组织中产生导致心脏的不规则跳动。RF能量经由消融电极导管局部递送，所述消融电极导管可以在局部麻醉下经皮插入至股静脉、肱静脉、锁骨下静脉或颈内静脉并且定位在心脏内。目前的方法在实时测量毁损灶形成参数或相关的不良状况方面具有有限的有效性。母案能够实时获得导致待评价的毁损灶形成的过程的关键参数，包括诸如下面的参数：导管-组织接近性、毁损灶形成、毁损灶穿透深度、组织中毁损灶的横截面积、在消融期间形成炭、识别炭与非炭化组织、消融部位周围形成凝块、区分凝固与未凝固的血液、区分消融的与健康的组织，和识别组织中的微泡形成以防止蒸汽爆裂。这些评估借助于加入纤维来提供照明并聚集背散射光通过分析来自消融导管的尖端的漫反射光的光谱特征来实现。心律失常的最常见原因是心房或心室壁附近的心内膜组织中产生的电信号的异常路径选择。导管消融可以用来治疗当心律失常不能用药物疗法控制的病例，或不能耐受这些药物疗法的患者。使用具有能量发射元件的消融导管或类似的探头，通常为射频(RF)能量的形式，在怀疑的此电不应(electricalmisfiring)中心的位置递送足量的能量，导致形成毁损灶。这些毁损灶意在通过建立异常电活动区域之间的非导电屏障来中止心脏的不规则跳动。成功的治疗取决于心脏内消融的位置以及毁损灶的空间特征。获得导管与组织的接触对于毁损灶的形成是至关重要的。已经开发了许多方法作为提供确认在手术期间建立了适宜接触的手段。这些手段包括监测导管电极和离散电极(其利用血液和心内膜之间的电阻率差异)之间的电阻抗以及监测导管尖端处的温度。然而，在目前的实践中，这些方法不能提供确定导管与组织的适宜接触的可靠工具。因此，执行该操作的电生理学家的经验和技能对于临床结果具有重要作用。毁损灶治疗的有效性通过对心脏中产生的电信号的消融后监测来评价。如果确定导致心律失常的信号仍然存在(提示毁损灶没有充分形成)，则可以建立额外的毁损灶以形成毁损灶线以阻断异常电流的通过。然而，目前没有方法来实时评估毁损灶如何形成。消融过程也可以导致不合乎需要的副作用诸如组织的炭化、局部血液凝固和组织水的蒸发(其可以导致蒸汽袋形成和随后的内爆(蒸汽爆裂(steampop))，所述内爆可以导致严重的并发症)。如果操作者意识到这些副作用的发生，所有这些副作用可以通过调节导管的RF功率来减轻。很明显，局限于消融后评价是不合乎需要的，因为纠正要求额外的医疗操作同时外科医生关于不合乎需要的消融副作用了解很少。因此，存在着对开发可以有助于在组织中正在形成毁损灶时实时评价毁损灶形成参数的指导工具的需要。心肌的热凝固导致其光学特性显著改变。对于经由RF消融使心肌凝固的情况，Swartling等人报道近红外(NIR)光谱区中光学特性的改变包括散射系数增加(高≈5％)、散射各向异性因数较小的减小(低≈2％)和吸收系数增加(高≈20％)。我们假设RF消融的心脏组织的光学特性的这些变化可以用来提供对毁损灶形成参数的体内监测。考虑到NIR光谱区中血液和心肌的吸收最小，我们假定体内监测可以基于NIR光散射能谱法。这样的方法可以通过脉管系统应用，优选地作为与RF消融导管附接的光纤。母案教导了使用近红外(NIR)光散射能谱法实时地经由RF(或其他类型的)消融评价毁损灶形成。消融导管被修改为结合了空间上分开的光发射和接收纤维，当在导管的尖端处形成毁损灶时所述纤维可以与组织接触。对由接收纤维所聚集的光的光谱分析允许检测关键参数，诸如，导管与组织的接触、毁损灶形成的开始、毁损灶穿透深度和消融期间炭和凝块的形成。专利技术概述本专利技术描述了一种新的光学方法，该方法提供了提高的检测毁损灶深度的能力。以较高的准确度和增加的检出限获得这些深度。更具体地，如在母案中提供的结果所显示的那样，检测毁损灶深度的能力限于约5mm，同时存在值的分布，所述分布可以被认为是噪声。制约深度检出限的机制，并且部分地，噪声是现有技术的固有缺点，所述现有技术利用光谱信息并且将其转变成深度信息。当到达特定深度的光的强度随着深度几乎指数地减小时，从不同的深度检测到的信号甚至更快地减小。因此，检测到的大多数信号来自组织的顶层(1-2mm)。因此，当毁损灶的深度增加时，检测到的信号连续减小，限制了表征比约5-8mm更深的毁损灶的深度的能力，并且也促成了数据中所观察到的“噪声”。为了解决此问题，本专利技术采用了新的方法，该方法通过使用脉冲式照明源(或同步激光源)补充了对光谱信息的分析用于利用时态信息的深度评估，所述脉冲式照明源(或同步激光源)产生具有足够宽的光谱的超短光脉冲或在足够宽的光谱范围内覆盖特定的谱域的光脉冲。为了理解此概念，需要考虑传播至组织的光的速度。假定组织的折射率为约1.4，在t＝0注入的光子需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学时间分辨系统，其用于实时评价至少一种活体心脏组织毁损灶形成参数，该系统包括：/n用于通过将能量引导通过位于第一组织部位处的第一表面而在活体心脏组织中产生毁损灶的工具；/n用于在产生所述毁损灶的同时，将光学询问辐射的第一单个脉冲引导至所述第一组织部位处的所述第一表面上以产生诱导的辐射的第一单个返回信号脉冲的工具，其中所述光学询问辐射的第一单个脉冲具有最大为10ns的脉冲持续时间；/n用于聚集所述诱导的辐射的第一单个返回信号脉冲的至少一部分以产生第一单个聚集辐射脉冲的工具，所述第一单个聚集辐射脉冲具有强度相对于时间的第一信号时域廓线，其中所述第一单个返回信号脉冲的所述至少一部分在从所述毁损灶中通过然后通过所述第一表面从所述毁损灶中传播出之后被聚集；/n用于将来自所述强度相对于时间的第一信号时域廓线的第一信号数据与来自强度相对于时间的第一参照时域廓线的第一参照数据之间的第一差值量化以产生至少一个量化参数的工具；以及/n用于由所述至少一个量化参数确定所述活体心脏组织的至少一个瞬时状态的工具。/n

【技术特征摘要】
20130312 US 13/796,8801.一种光学时间分辨系统，其用于实时评价至少一种活体心脏组织毁损灶形成参数，该系统包括：
用于通过将能量引导通过位于第一组织部位处的第一表面而在活体心脏组织中产生毁损灶的工具；
用于在产生所述毁损灶的同时，将光学询问辐射的第一单个脉冲引导至所述第一组织部位处的所述第一表面上以产生诱导的辐射的第一单个返回信号脉冲的工具，其中所述光学询问辐射的第一单个脉冲具有最大为10ns的脉冲持续时间；
用于聚集所述诱导的辐射的第一单个返回信号脉冲的至少一部分以产生第一单个聚集辐射脉冲的工具，所述第一单个聚集辐射脉冲具有强度相对于时间的第一信号时域廓线，其中所述第一单个返回信号脉冲的所述至少一部分在从所述毁损灶中通过然后通过所述第一表面从所述毁损灶中传播出之后被聚集；
用于将来自所述强度相对于时间的第一信号时域廓线的第一信号数据与来自强度相对于时间的第一参照时域廓线的第一参照数据之间的第一差值量化以产生至少一个量化参数的工具；以及
用于由所述至少一个量化参数确定所述活体心脏组织的至少一个瞬时状态的工具。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，
用于产生毁损灶的所述工具包括：消融导管，所述消融导管被配置用于将所述能量递送至所述活体心脏组织以产生所述毁损灶；和用于将所述消融导管插入所述活体心脏组织的工具；
用于在产生所述毁损灶的同时引导所述光学询问辐射的第一单个脉冲的工具包括：在所述消融导管中的至少一个适于将所述光学询问辐射的第一单个脉冲引导至所述活体心脏组织的所述第一组织部位处的所述第一表面上的第一光学导管；并且
用于聚集所述诱导的辐射的第一单个返回信号脉冲的所述至少一部分的工具包括在所述消融导管中的至少一个适于聚集所述诱导的辐射的所述第一单个返回信号脉冲的所述至少一部分的光学导管。


3.根据权利要求1所述的系统，其中用于产生所述毁损灶的所述工具包括选自由下列各项组成的组的工具：
(i)用于向所述活体心脏组织施加射频RF能量的工具；
(ii)用于向所述活体心脏组织施加冷能的工具；
(iii)用于向所述活体心脏组织施加光能的工具；和
(iv)用于向所述活体心脏组织施加热量的工具。


4.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学询问辐射的第一单个脉冲选自由下列各项组成的组：单色光、多个波长的光和连续光谱的光。


5.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学询问辐射的第一单个脉冲选自由下列各项组成的组：多个波长的光和连续光谱的光，所述系统进一步包括用于将所述至少一个信号时域廓线分成多个谱带的工具，其中所述谱带中的每个谱带n包括各自的时域廓线T(n)。


6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一信号数据包括用于至少一个所述每个谱带的至少一组离散数据点P{T(n)}。


7.根据权利要求6所述的系统，其中所述至少一组离散数据点P{T(n)}中的一个或多个形成所述至少一个信号时域廓线中的一个或多个的数字表示，其中所述数字表示提供在跨过聚集的所述诱导的辐射的所述至少一个信号时域廓线的特定延迟时间的信号强度值。


8.根据权利要求6所述的系统，其中所述至少一组离散数据点P{T(n)}中的一个或多个形成所述至少一个信号时域廓线中的一个或多个的至少一个数字表示，其中所述至少一个数字表示提供在特定延迟时间的信号强度值，其中用于量化所述第一差值的所述工具包括用于将所述至少一个数字表示的至少一部分除以所述第一参照数据的工具，其中，所述第一参照数据包括预定组的离散数据点。


9.根据权利要求6所述的系统，其中所述至少一组离散数据点P{T(n)}中的一个或多个形成所述至少一个信号时域廓线中的一个或多个的至少一个数字表示，其中所述至少一个数字表示提供在特定延迟时间的信号强度值，其中用于量化所述第一差值的所述工具包括用于用所述第一参照数据归一化所述至少一个数字表示的至少一部分的工具，其中，所述第一参照数据包括预定组的离散数据点。


10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述预定组的离散数据点包括所述第一参照数据的至少一部分。


11.根据权利要求1所述的系统，其中，在产生所述毁损灶之前从所述第一组织部位获得所述第一参照时域廓线。


12.根据权利要求1所述的系统，其中，从已有的数据库获得所述第一参照时域廓线。


13.根据权利要求8所述的系统，其中，用于量化所述第一差值的所述工具包括用于对于多个所述每个谱带n，在一组数据点P(n)的至少两个成员之间应用数学公式的工具。


14.根据权利要求8所述的系统，其中用于量化所述第一差值的所述工具包括用于对于所述每个谱带n的不同谱带，在一组数据点P(n)的至少两个成员之间应用数学公式的工具。


15.根据权利要求8所述的系统，其中用于量化所述第一差值的所述工具包括用于生成用于所述至少一组离散数据点P{T(n)}的拟合参数的工具。


16.根据权利要求8所述的系统，其中用于量化所述第一差值的所述工具包括用于对通过在来自所述每个谱带n的不同谱带的一组数据点P(n)的延迟时间对应的数据点之间应用数学公式生成的数据集生成拟合参数的工具。


17.根据权利要求8所述的系统，其中用于量化所述第一差值的所述工具包括用于在来自一个或多个特定延迟时间处的不同谱带的数据点之间应用数学公式后生成在所述一个或多个特定延迟时间处的离散值的工具。


18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个瞬时状态包括在深度A处的瞬时毁损灶深度，所述系统进一步包括：
用于确定形成所述毁损灶的速率的工具，所述速率是心脏组织消融至所述深度A的速率；和
用于由形成所述毁损灶的所述速率推算形成具有比所述深度A更大的深度B的毁损灶所需的消融时间的工具。


19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个瞬时状态包括在4mm的深度的瞬时深度，所述系统进一步包括：
用于确定形成所述毁损灶的速率的工具，所述速率是心脏组织消融至6mm的所述深度的速率；和
用于由形成所述毁损灶的所述速率推算形成具有比深度6mm更大的8mm的深度的毁损灶所需的消融时间的工具。


20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个量化参数随着所述毁损灶的深度改变单调地改变。


21.根据权利要求1所述的系统，进一步包括用于通过监测在产生所述毁损灶的过程中在不同的谱带所述至少一个量化参数的时间演化来检测至少一个蒸汽爆裂的爆发的工具。


22.根据权利要求1所述的系统，进一步包括用于通过监测每单位时间所述毁损灶的深度变化来确定组织消融速率的工具。


23.根据权利要求1所述的系统，进一步包括用于通过监测在产生所述毁损灶的过程中在不同的谱带所述至少一个量化参数的时间演化来确定在所述毁损灶处是否存在凝块的工具。


24.根据权利要求1所述的系统，进一步包括用于通过监测在产生所述毁损灶的过程中在不同的谱带所述至少一个量化参数的时间演化来确定在所述毁损灶处是否存在炭化的工具。


25.根据权利要求1所述的系统，其中，光学询问辐射的第一单个脉冲包括600nm至1500nm范围内的波长。


26.根据权利要求1所述的系统，其中，光学询问辐射的第一单个脉冲包括600nm至970nm范围内的波长。


27.根据权利要求1所述的系统，进一步包括用于由所述至少一个量化参数中的变化速率推算至多达1.5cm的消融深度的工具。


28.根据权利要求1所述的系统，进一步包括用于，由所述至少一个量化参数确定是否存在正常组织的工具，其中，用于确定是否存在正常组织的所述工具包括用于将所述至少一个量化参数与获自已有的数据库的归一化的参照时域廓线比较的工具。


29.根据权利要求2所述的系统，进一步包括用于利用所述至少一个量化参数的一个或多个变化来确定是否存在所述消融与正常组织的不适当接触的工具，其中，用于利用的所述工具包括用于将所述至少一个量化参数与获自已有的数据库的归一化的参照时域廓线比较的工具。


30.根据权利要求1所述的系统，进一步包括用于由所述至少一个量化参数确定是否存在异常组织的工具，其中用于确定是否存在异常组织的所述工具包括用于将所述至少一个量化参数与获自已有的数据库的归一化的参照时域廓线比较的工具。


31.根据权利要求1所述的系统，进一步包括用于测量在产生所述毁损灶的过程中在一个或多个谱带的所述至少一个量化参数的时间演化的变化的工具，所述系统进一步包括用于利用所述变化来实时检测至少一个微泡的形成的工具，其中所述微泡构成气体或蒸汽爆裂的爆炸性释放的前驱体。


32.一种光学时间分辨系统，其用于实时评价至少一种活体心脏组织毁损灶形成参数，该系统包括：
用于产生具有消融能量的光脉冲的光源；
消融导管，其中所述消融导管包括：
第一光学导管，其用于将所述光脉冲引导到所述活体心脏组织的第一组织部位处以产生诱导的辐射；
第二光导管，其用于聚集所述诱导的辐射，其中，所述聚集的辐射具有强度相对于时间的至少一个信号时域廓线；
检测器，其用于检测具有所述至少一个信号时域廓线的所述诱导的辐射；
显示器，其指示与至少一个量化参数(QP)相对应的毁损灶形成参数，其中，所述至少一个量化参数是通过量化来自所述至少一个信号时域廓线的信号数据与来自至少一个参照时域廓线的参照数据之间的差值而产生的。


33.一种光学时间分辨系统，其用于实时评价至少一种活体心脏组织毁损灶形成参数，该系统包括：
光源；
用于产生毁损灶的消融导管，其中，所述消融导管结合有：第一光学导管，其用于将所述光脉冲引导到所述活体心脏组织的第一组织部位处以产生诱导的辐射；
用于所述光源的脉冲触发器/计时电子设备；
计算机，所述计算机被设置用于控制用于所述光源的所述脉冲触发器/计时电子设备，以产生光脉冲而同时产生毁损灶。


34.根据权利要求33所述的系统，进一步包括：结合于所述消融导管的第二光学导管，用于聚集所述诱导的辐射，其中，所述聚集的辐射具有强度相对于时间的信号时域廓线；
光谱过滤器，其被设置用于光谱清洁所聚集的诱导的辐射；
检测器，用于在光谱清洁后检测所述聚集的诱导的辐射，具有所述信号时域廓线；
用于确定所述毁损灶的深度的工具，
其中，所述光脉冲的脉冲持续时间小于10ns。


35.一种用于实时评价至少一种活体心脏组织毁损灶形成参数的光纤评价系统，该光纤评价系统包括：
探头；
一根或多根光纤；
光谱过滤器；
检测器和信号时序分析仪；
计算机；和
显示器；
其中，
在至少一个活体心脏组织的所述第一组织部位的第一表面上的一个点上在所述第一组织部分的损毁灶形成的消融期间来自光源的询问脉冲与所述第一组织部位之间的相互作用所产生的返回信号脉冲的至少一部分被聚集在一根或多根所述光纤中，所述光谱滤波器被用于对所聚集的返回信号脉冲进行光谱清洁，所聚集的返回信号脉冲的至少一个信号时域廓线由所述检测器和所述信号时序分析仪检测；
所述计算机被配置成记录所述信号时域廓线，分析和估计至少一个量化参数(QP)，并通过所述显示器显示相应的毁损灶形成参数，
其中，所述光源提供的光选自单色光、多个波长的光和连续光谱的光。


36.根据权利要求35所述的光纤评价系统，其中，所聚集的返回信号脉冲具有至少一个信号时域廓线，其是强度相对于时间的量度。


37.根据权利要求35所述的光纤评价系统，其中所述计算机被配置成将来自至少一个信号时域廓线的信号数据与来自至少一个参照时域廓线的参照数据之间的差值量化以确定至少一个量化参数(QP)；以及
由所述至少一个量化参数确定所述活体心脏组织的至少一个瞬时状态。


38.根据权利要求35-37中任一项所述的光纤评价系统，还包括配置用于所述第一组织部位的消融的消融导管，其中，所述消融导管被配置用于将消融能量递送至所述活体心脏组织以产生毁损灶，其中，所述消融导管的任何部分均不穿透所述活体心脏组织、所述毁损灶、所述第一表面和所述第一组织部位中的任何一者，其中，所述消融导管进一步结合至少一个适于将来自所述光源的所述询问脉冲引导至所述第一组织部位的所述第一表面上的所述点处，并且其中，所述消融导管进一步结合至少一个适于聚集来自所述心脏组织的第二组织部位的诱导的辐射的光学导管。


39.根据权利要求35-38中任一项所述的光纤评价系统，其中形成毁损灶的消融通过选自由下列各项组成的组的过程产生：(i)向所述活体心脏组织施加射频RF能量，(ii)向所述活体心脏组织施加冷能和(iii)向所述活体心脏组织施加光能和(iv)向所述活体心脏组织施加热量。


40.根据权利要求39所述的光纤评价系统，其中来自所述光源的询问脉冲选自由多个波长的光和连续光谱的光组成的组，所述计算机被进一步配置成将所述至少一个信号时域廓线分成数量n个谱带，其中所述谱带中的每个谱带n包括各自的时域廓线T(n)。


41.根据权利要求40所述的光纤评价系统，其中所述信号数据包括用于至少一个所述每个谱带n的至少一组离散数据点P{T(n)}。


42.根据权利要求41所述的光纤评价系统，其中，所述至少一组离散数据点P{T(n)}中的一个或多个形成所述至少一个信号时域廓线中的一个或多个的至少一个数字表示，其中所述至少一个数字表示提供在特定延迟时间的信号强度值。


43.根据权利要求42所述的光纤评价系统，其中，差值的量化包括将所述至少一个数字表示的至少一部分除以预定组的离散数据点，或者用预定组的离散数据点归一化所述至少一个数字表示的至少一部分，其中所述至少一个量化参数包括至少一组归一化的在特定时间延迟的离散数据点。


44.根据权利要求42或43所述的光纤评价系统，其中所述预定组的离散数据点包括所述参照数据的至少一部分。


45.根据权利要求35所述的光纤评价系统，其中所述计算机被配置成从已有数据库或在形成毁损灶的消融之前从所述第一组织部位获得至少一个参照时域廓线。


46.根据权利要求37所述的光纤评价系统，其中，所述瞬时状态包括在深度A处的瞬时深度，所述计算机被进一步配置成：
确定形成至所述深度A的所述毁损灶的速率，即，心脏组织消融的速率；和
由所述速率推算形成具有比深度A更大的深度B的毁损灶所需的消融时间。


47.根据权利要求46所述的光纤评价系统，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯塔夫罗斯·G·迪莫斯，
申请(专利权)人：劳伦斯利弗莫尔国家安全有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US