专利名称：用于生物物理学参数的快速分布式测量的光学感测使能的介入仪器的制作方法传统仪器典型地仅测量一个物理参数。示例包括用于在尖端位置处进行血液动力学监测的压力/流线、用于在离散电极位置处的电压测量的心脏标测电极以及允许尖端处的组织温度和阻抗测量的消融导管。经由阻抗测量或者电磁(EM)感测的空间跟踪能够结合在这些设备中以方便导航；然而，跟踪测量通常被集中于尖端并且对环境异质性或者潜在阻抗/EM特性的时间变化敏感。此外，跟踪线圈难以在维持信噪比和其它性能特性的同时在亚毫米范围内小型化。线圈尺寸和性能之间的折中限制了仪器的整体占用空间以及工作信道的尺寸或者仪器内的内腔。此外，在磁共振(MR)引导的电生理学(EP)程序期间，导管上的离散点会通过庞大的线圈和变压器电缆来定位。线圈和电缆通常具有妨碍其沿着导管主体跟踪多个点的尺寸。而且，RF生成器在消融期间的噪声阻碍了使用MR精确跟踪线圈的能力。
根据本原理，采用基于光纤的感测。根据本原理的仪器可以避免电磁干扰并且不提供电磁辐射。采用无源并且因此本质上安全的光学传感器。阵列中的光学传感器具有被复用的能力。此外，在使用光学设备时提供多参数感测(应变、温度、压力等等)的能力以及分布式感测的可能性。传感器具有高灵敏度(在光学询问(optical interrogation)中使用干涉测量法时达到纳米应变)，并且对信号幅度的变化不敏感(例如采用光纤布拉格传感器进行波长检测时)。光纤小而且重量轻，并且对于最小化侵入式应用理想。对于许多医疗应用，特别是对于那些要求最小化侵入式导航和手段的应用，(形状和其它相关生物医学参数的)光纤感测以高时间分辨率及高空间分辨率提供沿着光纤的长度的高精确度和高精度定位/生物学参数感测。由于光纤的轻重量、细长的形状因素以及紧凑的截面占用空间，因此光纤技术可以应用于需要能够经由皮肤或者经由自然器官引导到身体内的连续且细长的医疗设备/仪器的精细时空跟踪的临床应用中。此外，提供采用引导线、导管、柔性内窥镜(或者其它类似的细长仪器)的介入程序，其中需要生理运动特性和包括温度、压力以及电压变化的参数的紧凑而健壮的多点/分布式感测。光纤布拉格光栅(FBG)能够直接结合到诸如引导线或者导管的细长仪器的主体内而不会显著改变仪器的机械特性或者形状因素/占用空间。并且，在引入涂层或者晶体材料(例如用于电压感测的Bi12TiO2tl、用于磁感测的Ni-Mn-Ga存储器形状金属合金、用于增强的温度感测的Si金属气相沉积等等)的情况下可对分段运动、电压、温度和压力进行快速的多点和多参数测量。将涂覆的光纤布拉格光栅结合到引导线、导管或者其它柔性细长仪器能够通过实现沿着仪器的快速多参数测量来克服现有技术的限制。在引入涂层或者晶体材料(例如用于电压感测的Bi12TiO2tl、用于磁感测的Ni-Mn-Ga存储器形状金属合金、用于增强的温度感测的Si金属气相沉积等等)的情况下，电压、磁场、温度(能够根据温度变化推导血液动力学流)以及压力是可能的。这些仪器允许沿着仪器的长度以分布的方式进行分段运动跟踪。不同的分段主要受不同的生理运动，例如呼吸对心脏的影响，并且因此，运动特定补偿或者仪器数据的选通变为可能(不需要附加的导管/设备，例如与主EP导管分离以获得呼吸补偿或者X射线荧光的选通的冠状窦导管的跟踪)。将涂覆的光纤布拉格光栅结合到引导线、导管或者其它柔性细长仪器能够通过实现沿着仪器的快速多参数测量来克服现有技术的限制。可以使用单个(或者多个)感测光纤以及光学询问系统(与多个分离传感器、电缆相对，并且需要显著更大的占用空间以利用传统电子设备实现)，例如以分布的方式在仪器的“效应器(effector) ”或者其它分段处(例如在包括在电生理学程序中使用的环路/套索映射导管的尖端的远端IOcm分段处)对运动、电压、温度、压力等等进行同时测量。可以跟踪仪器的“效应器”分段的机械变形以监测对介入做出响应的生物组织的变化，例如在电生理学环路导管中组织诱发的FBG应变的测量以估计电磁响应，或者估计对心脏收缩性的介入影响。可以采用光频域反射技术(OFDR)以利用相同的名义反射波长以高空间和时间分辨率测量成千上万个传感器。OFDR使用连续可调谐激光器以沿着光纤询问一系列FBG。介入检测来自这些元件的反射光以估计与光纤布拉格元件中的应变相关联的波长偏移。根据并行行进的若干光学芯，能够测量来自多个TOG的应变并且能够重构相应的光纤形状。一种介入仪器、系统和方法包括具有纵向设置的一个或者多个分段部分的细长柔性部件。光纤内部地设置在所述柔性部件中。多个光学传感器耦合到所述光纤并且沿着所述柔性部件的长度分布以使得所述光学传感器定位为沿着所述柔性部件同时监测分离的参数以提供分布式感测。一种用于介入程序的系统包括介入仪器，所述介入仪器包括具有纵向设置的一个或者多个分段部分的细长柔性部件。至少一个光纤内部地设置在所述柔性部件中，并且多个光学传感器耦合到至少一个光纤并且沿着所述柔性部件的长度分布以使得所述光学传感器定位为在不同位置中的至少一个位移并且对于不同的数据源同时监测参数以提供分布式感测。工作站配置为提供接口以控制所述介入仪器并且使用所述介入仪器执行程序。一种医疗介入方法包括提供介入仪器，该介入仪器包括具有纵向设置的一个或者多个部分的细长柔性部件；至少一个光纤，内部地设置在所述柔性部件的；以及多个光学传感器，耦合到所述至少一个光纤并且沿着所述柔性部件的长度分布，以使得所述光学传感器定位为沿着所述柔性部件在不同位置中的至少一个位置并且对于不同数据源参数同时监测参数以提供分布式感测。所述介入仪器被引导到身体中以执行医疗程序。通过以下结合附图对其说明性实施例的详细描述，本公开的这些和其它目的、特征和优点将变得明显。本公开将参照以下附图提供对优选实施例的详细描述，在附图中图1所示为根据本原理的用于执行介入程序的示例性系统的方框图；图2所示为根据本原理的具有感测光纤和参数测量光纤的介入仪器的方框图；图3所示为根据本原理的具有对外部环境开放的窗口的感测光纤和参数测量光纤的介入仪器的方框图；图4A所示为根据本原理的被对准以在相同位置处测量参数的光纤传感器的图；图4B所示为根据本原理的被交错以在相同位置处测量若干参数的光纤传感器的图；图5所示为根据一个示例性应用的采用光学传感器的稳定设备的图；以及图6所示为根据本原理的示例性介入程序的流程图。
设备100可以实现为部件的系统150的一部分。可以采用光学询问控制台112用于在全部光纤中从FBG返回的复用信号的读出。计算设备114可以包括实时FBG感测程序116，用于感测光纤形状、将温度敏感的FBG波长偏移映射到温度变化、将电压/磁场敏感的FBG波长偏移映射到电压/磁场特性和/或将其它定制FBG波长偏移映射到相应的生物物理学参数测量。控制台112被配置用于仪器位置和空间分布式测量的实时交互与视觉显示(例如TOG推导的生物物理学测量、基于内窥镜的视频或者其它成像数据、基于导管的视频或者其它成像数据)。设备100可以可选地包括例如用于电压感测的电极的低成本传统传感器120或者可以包括用于保持感测光纤上相对于感兴趣的基准位置固定的点的稳定/固定机构122 (例如具有或者不具有穿孔以允许流经过固定点的球状物)。系统150可以可选地包括医疗成像系统130以提供感兴趣的解剖结构的更加全局的视觉化以及介入视场(例如用于心脏程序的CV-X射线系统或者用于身体介入的超声系统等等)。可以结合在程序前、程序中或者与光学询问同时获取的成像数据来使用仪器100。成像和光学数据记录能够被组合使用以改善生物物理学参数、仪器特性和组织属性的估计以做出关于介入程序指导的决策并且监测治疗进程。系统150包括到/从来自传感器IOh-C的传感器输出(或者FBG询问输出)的数据连接152，提供光纤形状/附加生物物理学参数的读出。所获取的仪器数据可以承载在连接152上，例如实时视频(例如来自视频内窥镜)、实时超声(例如来自心脏内回声、ICE导管)。仪器治疗机构IM传输例如用于RF消融导管的RF功率、用于HIFU仪器的超声(UQ功率传输等等。FBG使能的仪器100之间的数据连接152还提供到/从医疗成像系统130的信息。反馈和控制信号可以通过连接152进行交换。例如，可以采用仪器导航作为基于FBG询问的反馈以辅助对仪器100进行引导。此外，可以采用反馈或者控制信号用于基于FBG询问的仪器治疗传输。系统150可以包括多个处理或者计算设备114，用于生成控制信号、执行计算、生成视频图像、解释反馈等等。例如，分布式FBG形状测量的处理允许分段依赖的呼吸、心脏或者总体患者运动选通、仪器和医疗成像系统数据等的校正。在特别有用的实施例中，根据感测光纤的一个分段101，心脏运动可以在传感器102c处占主导，在另一分段101中，呼吸运动可以在传感器102b处占主导，而第三分段101在传感器10 处反映总体患者运动。多个光纤(或者甚至是单个光纤)允许来自全部三个分段的反馈。诸如手术人员或者技术人员的用户能够选择经由系统150的仪器控制台112上的图形交互从其提取选通信号的特定分段。来自这些区域的信号随后能够用于选通或者运动校正感兴趣的实际测量以从视频内窥镜获得运动补偿视频、或者从ICE导管获得运动补偿超声、或者从X射线成像系统获得运动校正荧光等等。此外，FBG形状测量的处理可以通过处理器114执行以跟踪仪器100的“效应器”分段的变形并且因此监测由介入导致的变化，例如在环路导管中监测组织诱发的FBG应变以估计机电同步或者估计对心脏收缩性的介入影响。用户可以将数据存储在存储器115中。存储器可以包括程序(例如程序116)。程序116可以适于进行测量并且控制传感器(例如FBG)。可以提供显示器157，用于视觉处理和/或用于在处理期间与控制台112和设备100进行接口。用户可以采用用户接口 159与控制台112和/或仪器100进行交互。接口 159可以包括键盘、鼠标、触摸屏系统等等。
参照图2，示例性介入医疗设备200包括在具有对于单独分段201或者作为整体的设备200的分段特定运动校正的细长医疗仪器204中的形状感测光纤202。在该实施例中，细长仪器204可以包括低成本传感器208，诸如用于电压映射的电极、用于温度感测的小型化电热调节器等等。此外，感测光纤202包括嵌入在仪器主体内的FBG 210a-c的分布。在程序期间，FBG推导的形状/运动数据在图形显示器(157，图1)上被可视化，仪器位置被表示为在从与FBG使能的仪器共享数据连接的医疗成像系统在程序前获取的成像数据或者在程序中获取的成像数据的顶部上的配准重叠。临床医生能够图形化地选择仪器200的分段或者子分段以用于例如分离的呼吸运动选通(和/或补偿)210a、心脏运动选通(和/或补偿)210b、胃肠(GI)运动(和/或补偿)210c以及总体患者运动(和/或补偿)210d。传感器定位和位置能够被预先确定或者调节以同时从不同的信息源提供空间特定的测量。工作站或者控制台220采取来自每一个分段或者子分段的指定的运动/选通信息，然后实时计算并且显示感兴趣的运动校正的测量，例如来自EP映射导管的选通/运动校正的电压测量。由嵌入的感测光纤202提供的位置跟踪允许通过仪器200获取的数据的空间映射和多维重构，例如3D视频/图像映射/表面重构、3D电压/温度映射等等。而且，来自感测光纤202的变形测量能够与传统仪器测量(208)组合以监测对介入的响应。例如，具有传统电极O08)的用于电压测量和消融能量传输二者的形状感测使能的柔性环路导管能够在消融和电压测量期间定位为与心室壁接触。与壁接触的环路分段的变形的改变将反映心肌运动的同步以及幅度的改变，这在评估响应中是临床相关的。工作站或者工作台220也能够采用来自每一个分段或者子分段的位置/运动信号以实时显示FBG使能的介入设备的融合重叠，同时或者在程序前获取成像数据。这实现经由FBG使能的位置感测可视化介入设备，这对于不允许设备本身的直接可视化的成像方式尤其有用。例如，标准导管在超声成像下可视程度很差或者在磁共振成像下完全不可视。FBG使能的仪器与成像结合的使用将便于介入导引，因为成像方式将提供关于组织/器官属性的反馈而raG感测将提供关于仪器属性的信息。应该理解，这里描述的仪器可以具有许多功能特征和变型。例如，仪器(100、200等等)可以包括工作信道或者内腔215以提供旁路流体、施加抽吸、允许其它工具和仪器的运动等等的方式。参照图3，示例性介入医疗设备300包括一个或者多个形状感测光纤302，其各具有单个生物物理学参数感测芯和到外部环境307的接触/窗口 306。细长仪器304具有基于FBG的传感器，用于温度、电压、磁场、化学浓度等等的测量以实现进一步小型化潜力。对于诸如温度或者电压的标量场的测量，采用具有沿着感兴趣的长度(取决于应用)间隔分开的FBG分布的单个光纤。对于在示例性示例中的多参数感测，用于连续FBG的涂层可以交织以使得温度敏感的FBG 308位于电压敏感的FBG 310旁边，按照交替模式跟随有压力敏感的FBG 312。这些FBG的模式和分布/间隔可以根据仪器类型和应用变化。假定这些FBG类型的每一个和嵌入在仪器300内的附加形状感测光纤302的传感器311的邻近接近，也能够应用来自形状感测光纤的测量应变以获得变形校正的温度、压力或者电压测量。所测量的诸如温度的生物物理学参数用于获得对于光纤形状的校正估计(由于FBG中的波长偏移是应变以及温度敏感的)。按照这种方式，能够进行精确和相关的多参数测量以在介入程序期间调节并且进一步提供信息。
为了确保生物物理学参数FBG能够感测环境条件，示出其中生物物理学参数感测光纤302’居中定位为接近仪器300的外围的实施例。对于温度或者电压敏感的FBG，金属或者传导环314放置为围绕仪器300与FBG温度传感器308和外部环境二者接触以确保耦合。对于压力敏感的FBG 310，可以采用在FBG的位置处或者附近的仪器的外围中的窗口306或者320用于将FBG传感器暴露于外部环境中的压力状况(这些窗口 306或者320能够是打开的或者是薄膜覆盖的孔)。这些窗口 306或者320可以关闭并且由操作者根据需要进行控制。参照图4A和4B，以左面的截面图并且以右面的说明性侧面图示出示例性介入医疗设备400来解释本概念。设备400包括位于细长医疗仪器404中的形状感测光纤402，具有可以包括到外部环境的接触或者窗口以对其进行测量的多个生物物理学参数感测芯或者传感器406。图4A中描绘对准的多参数感测芯，而图4B描绘交错的多参数感测芯或者传感器。生物物理学参数感测光纤或者传感器406的多芯设置能够定位在形状感测光纤402周围以允许在仪器外围周围的多个点处进行参数感测。如果这些芯中的FBG被对准(如图4A)以使得在相同轴向截面(位置P处)的每一个FBG感测相同的生物物理学参数，例如温度，能够对测量值取平均以获得更高的信噪比(SNR)性能。可选地，所述芯或者传感器406能够被交错(如图4B所描绘的)以使得在相同的轴向接触点(Q)处，每一个FBG感测不同的生物物理学参数，从而实现沿着仪器400在相同位置处的多参数感测。如在图1-3中的，这些多参数测量能够被联合用于推导更加精确的温度、应变等等校正的估计。应该理解，可以存在所描述的实施例的许多变型。对于给定的程序或者应用可以配置不同的特征和不同的参数。在一些实施例中，细长仪器可以是可重新配置的，以允许FBG传感器的定位或者甚至是光纤密度或者相对外围的位置或者仪器的其它特征的定制。还应该理解，可以利用其它信号承载设备更换光纤并且所述光学传感器可以包括非光学传感器。参照图5，可以采用附加机构或者特征来定制或者增加根据本原理的仪器的功能性。所描述的实施例的任意一个可以与用于仪器500(与描述为仪器100、200、300的那些类似)的稳定/机械固定设备502(例如基于球状物或者其它机械结构)一起采用以获得用于测量的基准位置。例如，可以采用球状物布置以将温度敏感的FBG 504固定在对于远离消融治疗的部位的基准温度测量期望的解剖位置506。可以采用的使用FBG的另一机构包括对于基于多传感器分布式测量的导航或者治疗传输的反馈或者控制(例如在远离消融部位的固定点处的温度基准，用于伴随能量传送的温度评估的监测和控制)而采用的反馈机构。采用在该部位收集的信息以向技术人员或者手术人员提供信息，以提供对在该部位发生的事件的反馈(例如506)。图1中描绘的系统150可以例如用于在程序期间收集和使用该反馈。例如，传感器(光学或者非光学)优选分布为使得测量在仪器的分段中诱发的变形、振动或者任何其它失真模式以确定在介入程序期间对于仪器的组织响应，或者来自该仪器的关于组织-仪器相互作用的反馈(例如在内腔内仪器导航期间的触觉反馈)。参照图6，说明性描绘了医疗介入方法或者程序。在方框602中，提供介入仪器，所述介入仪器包括具有一个或者多个部分的细长柔性部件，所述一个或者多个部分可以被分段或者被纵向设置。至少一个光纤内部地设置在柔性部件中，并且多个光学传感器耦合到至少一个光纤且沿着柔性部件的长度分布以使得光学传感器定位为沿着柔性部件同时监测分离的参数以提供分布式感测。在方框604中，介入仪器被引导进入身体以执行医疗程序。在方框606中，在一个可选实施例中，与多个光纤相关联的一组光学传感器被对准，其中对准组包括与每一个光纤相关联的传感器以使得该对准组沿着柔性部件的长度在相同的轴向位置处测量相同的参数。在方框608中，在另一可选实施例中，与多个光纤相关联的一组光学传感器被交错，其中交错组包括与每一个光纤相关联的传感器以使得该交错组沿着柔性部件的长度在相同的轴向位置处测量不同的参数。可以采用传感器的阵列来向给定区域映射、监测、应用治疗等等。在方框610中，通过各传感器从多个数据源同时收集数据。使用光纤介入仪器执行测试或者治疗，或者执行任何其它动作。在一个实施例中，在方框612中，各传感器被相对定位，相对位置确定为在柔性部件位于数据收集位置时提供对于不同数据源的接近。在方框614中，测量两个或者更多分段的分段运动以提供对于仪器的更加精确的位置取向。在另一实施例中，使用分布的传感器测量仪器的分段的变形以确定在介入程序期间对于仪器的组织响应。在方框616中，光纤和传感器阵列可以被定制并重新定位以提供适合于给定程序的灵活设计。本原理提供用于使用医疗仪器中的光纤技术来执行临床、手术或者测试应用的系统和方法。临床应用包括但不限于基于导管的导航、映射和消融用于房颤或者室性心律失常的治疗(FBG功能化的消融导管、肺静脉环路导管、冠状窦导管等等)、肺静脉收缩监测、心脏再同步治疗和心脏收缩性/机电同步评估、心脏过滤设备或者球状物布置、经导管的阀更换以及在心脏、肺部或者身体介入中的FBG使能的基于内窥镜的程序(成像、活检、消融、NOTES等等)。也存在可应用本原理的其它应用和程序并且可由当前实施例构思。在解释所附权利要求时，应该理解a)词语“包括”不排除在给定权利要求中列出的元件或者动作之外的其它元件或者行为的存在；b)位于元件前面的词语“一”不排除多个这样的元件的存在；c)权利要求中的任何附图标记不限制其范围；d)若干“装置”可以由实现结构或者功能的相同项目或者硬件或者软件代表；并且e)不旨在要求特定的动作次序，除非特别指出。已经描述了用于生物物理学参数(旨在是说明性的而非限制性的)的快速分布式测量的光学感测-使能的介入仪器的系统和方法的优选实施例，但是应注意，本领域普通技术人员在上面的教导下可以做出各种修改和变型。因此应理解，可以对本公开的特定实施例做出改变，该改变落入由所附权利要求概括的这里公开的实施例的范围内。因而描述细节，并且在所附权利要求中阐述了特别是专利法要求的，请求保护的以及期望由专利特许证保护的内容。


一种介入仪器、系统和方法包括具有纵向设置的一个或者多个分段部分(101)的细长柔性部件(100)。光纤(104)内部地设置在所述柔性部件中。多个光学传感器(102)耦合到所述光纤并且沿着所述柔性部件的长度分布以使得所述光学传感器定位为在沿着所述柔性部件的不同位置或者不同数据源处同时监测参数以提供分布式感测。