專利名稱：具有力感測遠端頭的導(dǎo)管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于消融和感測心臟組織電活動的電生理導(dǎo)管，具體地講，涉及在其遠端具有接觸力感測功能的電生理導(dǎo)管。
背景技術(shù)：
心律失常，具體地講是指心房纖顫，一直是常見和危險的醫(yī)療疾病，在老年人中尤為如此。對于具有正常竇性心律的病人，由心房、心室和興奮傳導(dǎo)組織構(gòu)成的心臟在電刺激的作用下可以同步、模式化方式搏動。對于心律失常的病人，心臟組織的異常區(qū)域不會像具有正常竇性心律的病人那樣遵循與正常傳導(dǎo)組織相關(guān)的同步搏動周期。相反，心臟組織的異常區(qū)域不正常地向相鄰組織傳導(dǎo)，從而將心臟周期破壞為非同步心律。之前已知這種異常傳導(dǎo)發(fā)生于心臟的各個區(qū)域，例如竇房(SA)結(jié)區(qū)域中、沿房室(AV)結(jié)和希氏束的傳導(dǎo)通道或形成心室和心房心腔壁的心肌組織中。包括房性心律失常在內(nèi)的心律失?？梢詾槎嘧硬ㄕ鄯敌停涮卣髟谟陔娒}沖的多個異步環(huán)分散在心房腔室周圍，并且這些環(huán)通常是自傳播的。另一方面，或者除多子波折返型之外，心律失常還可以具有局灶性起源，例如當(dāng)心房中孤立的組織區(qū)域以快速重復(fù)的方式自主搏動時。室性心動過速(V-tach或VT)是一種源于某一個心室的心動過速或快速心律。這是一種可能危及生命的心律失常，因為它可以導(dǎo)致心室纖顫和猝死。心律失常的診斷和治療包括標測心臟組織(尤其是心內(nèi)膜和心臟容量)的電性質(zhì)，以及通過施加能量來選擇性地消融心臟組織。此類消融可以終止或改變無用的電信號從心臟的一部分向另一部分的傳播。消融方法通過形成不傳導(dǎo)的消融灶來破壞無用的電通道。已經(jīng)公開了多種用于形成消融灶的能量遞送物理療法，其中包括使用微波、激光和更常見的射頻能量來沿心臟組織壁形成傳導(dǎo)阻滯。在標測然后消融的兩步法中，通常通過向心臟中插入包含一個或多個電傳感器(或電極)的導(dǎo)管并獲取多個點處的數(shù)據(jù)來感應(yīng)并測量心臟中各個點的電活動。然后利用這些數(shù)據(jù)來選擇將要在該處進行消融的心內(nèi)膜目標區(qū)域。消融和標測涉及用導(dǎo)管的頂端電極接觸組織壁。然而，并非總能相對于組織壁正確地定位頂端電極。因此，希望提供在遠端頭具有接觸力感測功能的導(dǎo)管。最近的研究表明，消融灶深度可取決于RF消融過程中頂端電極施加到組織壁的接觸力。因此，希望適于標測和消融的導(dǎo)管在遠端頭電極處具有接觸力感測功能。此外，也希望這種導(dǎo)管裝有三軸傳感器，以確定作用在導(dǎo)管頂端的三維接觸力向量。由于使用磁性位置傳感器監(jiān)測導(dǎo)管位置，并三維標測心室壁，因此可以確定相對于心壁的頂端電極接觸區(qū)域，從而計算頂端電極接觸壓力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用遠端具有接觸力感測功能的導(dǎo)管進行標測和消融。該導(dǎo)管包括導(dǎo)管主體、可偏轉(zhuǎn)段和遠端頭段，其中遠端頭段具有頂端電極和用于感測施加到頂端電極的三維接觸力向量的一體化接觸力傳感器。接觸力傳感器具有主體和至少一個傳感器，其中傳感器具有對主體變形有反應(yīng)的電特性。傳感器適于接收電流并輸出指示電特性變化的電信號。在一個實施例中，傳感器為對于傳感器主體的至少一部分的張力和壓力有反應(yīng)的應(yīng)變計，并且所監(jiān)測的應(yīng)變計的電特性為電阻率。在另一個實施例中，傳感器對于主體的至少一部分的應(yīng)變和應(yīng)力有反應(yīng)，并且所監(jiān)測的電特性為電感或磁滯損耗。在一個更具體實施例中，本發(fā)明的導(dǎo)管包括導(dǎo)管主體、可偏轉(zhuǎn)的中間段和具有頂端電極和接觸力傳感器的頂端段，其中接觸力傳感器對由施加到導(dǎo)管頂端電極的彎矩以及張力和壓力產(chǎn)生的材料應(yīng)變敏感。接觸力傳感器具有杯形主體、多個徑向輻條、軸向直桿構(gòu)件、和安裝在其中一個輻條上的至少一個應(yīng)變計。輻條會聚在主體的中心轂上，直桿構(gòu)件從中心轂伸出并連接到頂端電極，以將所施加的接觸力向量從頂端電極傳到變形并拉緊力傳感器主體的直桿構(gòu)件上。在頂端電極和力傳感器的主體之間沿縱軸線設(shè)置有間隙，以可從施加到頂端電極的力向量將彎矩荷載導(dǎo)入直桿。力傳感器的每個輻條都可具有安裝在其上的不止一個應(yīng)變計，例如彼此對稱地安裝在輻條相對表面上的兩個應(yīng)變計。在該對稱配置中，當(dāng)采用半橋電路配置測量應(yīng)變時，每個應(yīng)變計會抵消另一個的溫度效應(yīng)，并且也會增加向主體的單位應(yīng)變輸入的電阻輸出變化(電阻測量靈敏度)或使其翻倍。在另一個具體實施例中，本發(fā)明的導(dǎo)管具有導(dǎo)管主體、可偏轉(zhuǎn)中間段、具有頂端電極和對應(yīng)變和應(yīng)力敏感的接觸力傳感器的頂端段。接觸力傳感器具有圓柱形主體和至少一根應(yīng)變傳感器線。傳感器線導(dǎo)電，并且具有被應(yīng)變敏感磁性膜包圍的區(qū)段。該區(qū)段和磁性膜被施加預(yù)應(yīng)力并嵌入主體內(nèi)。頂端電極具有近端底腳，圓柱形主體具有遠端，其中遠端被環(huán)鋸以接納頂端電極的近端底腳。力傳感器可具有多根應(yīng)變傳感器線(例如至少三根應(yīng)變傳感器線)，每根線都具有被磁性膜包圍的區(qū)段，其中每個區(qū)段的磁性膜都被施加預(yù)應(yīng)力并嵌入主體內(nèi)。每根應(yīng)變傳感器線被彼此等距地設(shè)置成圍繞力傳感器的縱軸線的徑向圖案， 以實現(xiàn)徑向?qū)ΨQ。


通過參考以下與附圖結(jié)合考慮的詳細說明，將更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征以及優(yōu)點，其中圖1是本發(fā)明的導(dǎo)管的一個實施例的俯視平面圖。圖加是沿第一直徑截取的、導(dǎo)管主體和中間段的接合部以及中間段和連接外殼的接合部的實施例的側(cè)面剖視圖。圖2b是沿大致垂直于第一直徑的第二直徑截取的、圖加的接合部的實施例的側(cè)面剖視圖。圖2c是沿C-C線截取的圖加和2b的實施例的末端剖視圖。圖3是本發(fā)明的導(dǎo)管的遠端頭段的實施例的側(cè)面剖視圖，該遠端頭段包括頂端電極和對張力與壓力敏感的接觸力傳感器。圖3a是沿A-A線截取的圖3的遠端頭段的實施例的末端剖視圖。圖北是沿B-B線截取的圖3的遠端頭段的實施例的末端剖視圖。圖3c是沿C-C線截取的圖3的遠端頭段的實施例的末端剖視圖。
圖4是圖3的力傳感器的透視前視圖。圖5是圖3的力傳感器的透視后視圖。圖6是適于和圖3的力傳感器一起使用的電橋電路的實施例的示意圖。圖7是遠端頭段的替代實施例的側(cè)面剖視圖，該遠端頭段包括頂端電極和對應(yīng)變與應(yīng)力敏感的接觸力傳感器。圖7A是適于和圖7的遠端頭段的實施例一起使用的、可偏轉(zhuǎn)的中間段的實施例的末端剖視圖。圖7B是沿B-B線截取的圖7的遠端頭段的實施例的末端剖視圖。圖7C是沿C-C線截取的圖7的遠端頭段的實施例的末端剖視圖。圖8是圖7的接觸力傳感器的實施例的透視圖。圖9是曲線圖，比較了有荷載和無荷載情況下，圖7的接觸力傳感器的應(yīng)變傳感器隨時間變化的方波激勵的電壓輸出。圖10是具有方波輸入濾波器(高通)和整流器/直流電壓均衡器的傳感器驅(qū)動電路的實施例的示意圖。圖11是具有多個磁性涂層的接觸力傳感器的替代實施例的透視圖。
具體實施例方式圖1說明遠端頭具有力感測功能的導(dǎo)管10的實施例。該導(dǎo)管包括具有近端和遠端的細長導(dǎo)管主體12、位于導(dǎo)管主體12遠端的可偏轉(zhuǎn)中間段14、和適于標測、消融和檢測施加到頂端電極17的力(例如當(dāng)頂端電極接觸組織壁19時)的遠端段15。該導(dǎo)管也包括在導(dǎo)管主體12近端處的控制手柄16，用來控制中間段14的雙向偏轉(zhuǎn)?？刂剖直?6也可用作控制器11的導(dǎo)線管，該控制器適于向遠端段15發(fā)送電氣輸入信號并接收來自它的電氣輸出信號，并處理這些輸入和輸出的電信號，以標測、消融和/或通過(例如)微處理器13 感測力，其中微處理器應(yīng)用了具有力感測解決方案的程序算法。根據(jù)本發(fā)明，這些信號包括來自裝在遠端段15殼體內(nèi)的三軸力傳感器的信號，該傳感器可以檢測和測量頂端電極上的接觸力，從而使控制器和處理器可適合在計算接觸力向量中處理這類信號。參照圖2A和2B，導(dǎo)管主體12包括具有單個中央腔或軸上腔18的細長管狀構(gòu)造。 導(dǎo)管主體12是柔性的(即可彎曲)，但沿其長度基本上是不可壓縮的。導(dǎo)管主體12可為任何合適的結(jié)構(gòu)，并且可由任何合適的材料制成。目前優(yōu)選的結(jié)構(gòu)包括由聚氨酯或PEBAX制成的外壁20。外壁20包括由不銹鋼等制成的嵌入式編織網(wǎng)，以增大導(dǎo)管主體12的抗扭剛度，使得當(dāng)旋轉(zhuǎn)控制手柄16時導(dǎo)管10的中間段14將以相應(yīng)的方式進行旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)管主體12的外徑并非決定性因素，但優(yōu)選地為不大于約8F(frenCh，弗倫奇)， 更優(yōu)選地不大于約7F。同樣，外壁20的厚度也不是決定性因素，但要足夠薄，以使得中央管腔18可容納線、電纜和配管等。如果需要，外壁20的內(nèi)表面可襯有加強管22，以得到改善的扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。在本發(fā)明所公開的實施例中，導(dǎo)管具有外徑為約0.090英寸至約0. 100英寸和內(nèi)徑為約0. 061英寸至約0. 065英寸的外壁20。加強管22的遠端和外壁20的遠端之間可用粘合劑彼此固定地附接，其中接合處靠近導(dǎo)管主體12的遠端和近端。在控制手柄16和可偏轉(zhuǎn)段14之間延伸的部件穿過導(dǎo)管主體12的中央管腔18。 這些部件包括頂端電極17的導(dǎo)線40和遠端段15的任何環(huán)電極、遠端段內(nèi)力傳感器的主導(dǎo)線160、用于向遠端段15遞送流體的沖洗管38、電磁位置傳感器的電纜48、和/或用于雙向偏轉(zhuǎn)中間段14的一對拉線44。圖2A、2B和2C中還示出了具有一段較短的管19的可偏轉(zhuǎn)中間段14的實施例。該管也具有編織網(wǎng)構(gòu)造，但具有多個離軸管腔，例如，第一管腔30、第二管腔31、第三管腔32 和第四管腔33。在所示實施例中，直徑上相對的第二管腔31和第四管腔33中各有一根用于雙向偏轉(zhuǎn)的拉線44。第一管腔30載有導(dǎo)線40、主導(dǎo)線160和傳感器電纜48。第三管腔 32載有沖洗管38。中間段14的管19由比導(dǎo)管主體12更柔韌的合適的無毒材料制成。適用于管19 的材料是編織聚氨酯，即具有嵌入的編織不銹鋼或類似材料的網(wǎng)的聚氨酯或PEBAX。每個管腔的大小并非決定性因素，但要足以容納延伸穿過其的各部件。圖2A和圖2B中示出了將導(dǎo)管主體12附接到中間段14的管19的方式。中間段 14的近端包括接納導(dǎo)管主體12的外壁20的內(nèi)表面的外周凹口。中間段14和導(dǎo)管主體12 通過膠或類似材料附連。如果需要，可在導(dǎo)管主體內(nèi)的加強管(如果提供)的遠端與中間段的近端之間設(shè)置間隔區(qū)(未示出)。該間隔區(qū)使導(dǎo)管主體和中間段的接合處形成柔韌性的過渡區(qū)，其使此接合處平滑地彎曲而不會折疊或扭結(jié)。具有此類間隔區(qū)的導(dǎo)管在美國專利No. 5，964，757 中有所描述，該專利的公開內(nèi)容以引用方式并入本文。各拉線44優(yōu)選地涂覆有Teflon. RTM。拉線44可由任何合適的金屬(如不銹鋼或鎳鈦諾)制成，并且用特氟隆涂層賦予拉線潤滑性。拉線的直徑優(yōu)選地在約0.006至約 0. 010英寸的范圍內(nèi)。如圖2B和2C所示，導(dǎo)管主體12內(nèi)每根拉線44的一部分穿過與拉線 44呈包圍關(guān)系的壓縮螺旋彈簧35。壓縮螺旋彈簧35從導(dǎo)管主體12的近端延伸至中間段 14的近端。壓縮螺旋彈簧35由任何合適的金屬制成，優(yōu)選地為不銹鋼，并且壓縮螺旋彈簧自身緊密地纏繞，以提供柔韌性，即彎曲性，但可抗壓縮。壓縮螺旋彈簧的內(nèi)徑優(yōu)選稍大于拉線44的直徑。在導(dǎo)管主體12內(nèi)部，壓縮螺旋彈簧35的外表面還覆蓋有柔韌的不導(dǎo)電鞘管39，例如由聚酰亞胺配管制成的鞘管。拉線44的近端錨固在控制手柄16內(nèi)。拉線的遠端錨固在中間段14遠端附近，如圖2B所示。每根拉線的遠端均設(shè)有T形錨47，該錨包括貼合并壓皺在拉線遠端上的一短截不銹鋼管，如皮下注射器座(hypodermicstock)。不銹鋼管固定到(如通過焊接)由不銹鋼帶等形成的十字件上。十字件牢固地固定到管19外壁上，以錨定每根拉線的遠端。第一拉線穿過可偏轉(zhuǎn)中間段14的第二管腔31，第二拉線穿過可偏轉(zhuǎn)中間段14的第四管腔33。通過適當(dāng)操縱偏轉(zhuǎn)構(gòu)件37 (圖1)，可實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)線44相對于導(dǎo)管主體12的獨立縱向移動，導(dǎo)致中間段14偏轉(zhuǎn)，從而操縱遠端段15。中間段14的遠端處是包括頂端電極17和力傳感器100的遠端段15。參照圖3、 4和5，力傳感器具有“杯”形主體102，該主體包括具有遠端106和近端108的大致圓柱形的壁104，以及大體位于遠端106的橫向平面內(nèi)的多個間隔開的徑向臂或輻條110。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，臂未必位于橫向平面上，并且可以彎曲，只要徑向?qū)ΨQ即可。臂110 向中心會聚到力傳感器的縱軸線114上的轂112上。遠端線形構(gòu)件116沿著力傳感器的縱軸線114從轂112向遠端延伸。圓柱形壁104和臂110具有大致相同的厚度，并且每個臂都具有在環(huán)形壁和轂之間共同的大致均勻的寬度。圓柱形壁104限定在近端108和遠端106之間的中空內(nèi)部空間120。在近端108處，壁104環(huán)繞開口 122而形成中空內(nèi)部空間120。 在遠端處，臂110在它們之間限定大致三角形或楔形的孔126，以允許從遠端或向遠端方向進入和穿入中空內(nèi)部空間120。在所示實施例中，線形構(gòu)件116為具有圓形橫截面的中空圓柱形直桿，但應(yīng)當(dāng)理解，直桿可具有關(guān)于縱軸線114對稱的任何橫截面形狀，并且任何平面部分(planar sections)均與臂110對齊。由于力傳感器100的尺寸限制，直桿的形狀很大程度上取決于可用的制造技術(shù)。在近端固定地安裝或以其他方式連接到臂110和轂112的情況下，直桿 116向遠端延伸，從而對沿其長度施加并傳遞到臂110的壓力-張力和/或彎曲荷載敏感。 參照圖4，當(dāng)在箭頭140方向向直桿116施加力時，臂IlOa受到的應(yīng)力/應(yīng)變在臂的遠端半部D內(nèi)產(chǎn)生壓力，在臂的近端半部P內(nèi)產(chǎn)生張力。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，通過測量每個臂內(nèi)的壓力和張力，可以測量具有徑向和/或軸向分量的任何力，從而確定在三維坐標系內(nèi)的三軸力向量。此外，由于可使用磁性位置傳感器監(jiān)測導(dǎo)管位置，并三維標測心室壁，因此可以確定相對于心壁的頂端電極接觸區(qū)域，從而計算其他參數(shù)，例如頂端電極接觸壓力。由于接觸力不足會導(dǎo)致形成不充足的消融灶(消融灶深度與接觸力相關(guān))，接觸力過大會導(dǎo)致組織壁穿孔，因此利用這種向量和/或參數(shù)可以確定頂端電極是否緊貼組織壁正確設(shè)置。在所示實施例中，直桿116具有中空內(nèi)部空間142，因此可充當(dāng)中央流體口，穿過該口可以將沖洗液或其他流體(例如生理鹽水或肝素)遞送到頂端電極，以冷卻組織、減少凝結(jié)和/或有利于通過增加RF能量輸入形成更深的消融灶。此外，導(dǎo)線、安全線等也可穿過臂110之間的孔126。在所示實施例中，存在至少三個徑向臂110a、110b、110c，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在主要因制造技術(shù)而受限的情況下，多個的數(shù)量可以在約2個和 10個之間的范圍內(nèi)。力傳感器100關(guān)于其縱軸線114徑向?qū)ΨQ，臂110具有相同的尺寸和形狀，并且關(guān)于縱軸線彼此徑向等距。當(dāng)有三個臂時，這三個臂的中心圍繞縱軸線成約0度、120度和240 度，其中每個臂的寬度在臂和環(huán)形壁的接合處跨越約30度。力傳感器可由具有足夠低的熱膨脹系數(shù)的任何合適的材料制成。合適的材料包括不銹鋼和鈦，例如，17-4或15-5不銹鋼和6AL-4V鈦。在這方面，力傳感器的優(yōu)選材料具有最佳的靜誤差帶(具有非線性、不可重復(fù)性和滯后性)，并且包括具有低滯后性和低熱膨脹系數(shù)的金屬，如17-4PH或鈦6AL4V。在構(gòu)造力傳感器時，最好避免使用具有不同熱膨脹系數(shù)的不同材料。力傳感器主體102的“杯”形可采用合適的方法形成，包括拉制杯成形法。臂110 可采用合適的方法形成，包括激光切割、沖壓或銑削。直桿116可采用任何合適的方法連接到轂，包括旋轉(zhuǎn)焊接、釬焊或激光焊接。力傳感器也可由棒材(整塊)在瑞士型CNC車床上加工而成。在圖4和5的實施例中，壁204具有約0. 046英寸的外半徑RW、約0. 069英寸的長度LW、和約0. 008英寸的徑向厚度TRW以及約0. 007英寸的遠端厚度TDW。直桿116具有約0. 030英寸的外徑DBJ々0. 058英寸的長度LB和約0. 004英寸的厚度TB (參見圖4)。 每個臂都具有約0. 024英寸的寬度WA。如圖3A和;3B所示，每個臂或輻條110有利地在臂110遠端表面和/或近端表面上設(shè)有至少一個硅半導(dǎo)體應(yīng)變計或應(yīng)變傳感器(本文中“傳感器”和“計”可互換使用)。在所示實施例中，每個臂的每個遠端表面和近端表面各裝有一個應(yīng)變計，即總共三個近端應(yīng)變計GPa、GPb和GPc，以及三個遠端應(yīng)變計OTajDb和⑶C。每個應(yīng)變計對于相應(yīng)的其上裝有應(yīng)變計的臂的近端半部或遠端半部受到的拉伸或壓縮有反應(yīng)。六個U形應(yīng)變計通過環(huán)氧樹脂之類的粘合劑對稱地安裝在臂上，并形成三對(GPa/⑶a)、(GPb/⑶b)和(GPc/⑶c)，每對包括位于同一臂上的遠端應(yīng)變計和近端應(yīng)變計。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所了解，半導(dǎo)體應(yīng)變計是電阻隨施加到其上的應(yīng)變而變化的裝置。該屬性使其非常適合精確測量極小的力引起的材料應(yīng)變。與較為常規(guī)類型的應(yīng)變計比，由半導(dǎo)體材料制成的應(yīng)變計具有優(yōu)點。這些優(yōu)點包括能夠測量更大范圍的材料應(yīng)變 (最大3倍超范圍)、“靈敏度”更高(可以可靠測量分辨率0. 1微英寸的應(yīng)變)和尺寸更小。半導(dǎo)體應(yīng)變計的形狀可以變化，包括條形、U形和M形，例如Micron Instruments (Simi Valley, California)制造的那些。應(yīng)變計的設(shè)計意圖是提供士0. Ig的計算理論力分辨率。當(dāng)采用500微米應(yīng)變滿量程工作范圍的應(yīng)變計時，傳感器提供0-150g的頂端電極力向量測量范圍和約750g的超限力(因超出材料屈服強度而在主體內(nèi)產(chǎn)生永久變形)安全系數(shù)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所了解，應(yīng)變計可被定制為補償各種參數(shù)，包括力傳感器的非線性徑向應(yīng)變線、應(yīng)變計在力傳感器上的位置精度和力傳感器主體的制造公差。雖然臂上的每對應(yīng)變計也可用作單個溫度傳感器(因此也可監(jiān)測每個臂上應(yīng)變計所在位置的溫度)，但成對的應(yīng)變計(臂的每側(cè)各一個)有利地抵消材料的溫度效應(yīng)。當(dāng)臂材料的溫度發(fā)生變化時，材料膨脹或收縮一定量(例如，每英寸約幾微米)。因此，在臂的每一側(cè)具有一個應(yīng)變計有利地抵消因材料膨脹系數(shù)而產(chǎn)生的溫度效應(yīng)。在壁104的內(nèi)圓周上彼此徑向等距地安裝有適用于應(yīng)變計電路的多個接合端子 (焊接凸塊)156。在一個實施例中，端子由厚約0. 14的銅包環(huán)氧樹脂玻璃制成，以在電絕緣的同時保持柔韌性和強度，并能經(jīng)受最高約275° F的高溫。端子用于大直徑的主導(dǎo)線 (如銅線)160和纖細的應(yīng)變計導(dǎo)線(如24K金線)162之間，對于后者每個應(yīng)變計具有第一應(yīng)變計導(dǎo)線和第二應(yīng)變計導(dǎo)線。在所示實施例中，存在一個公共端子156C和六個專用端子 156D。公共端子156C接納來自每個應(yīng)變計的第一應(yīng)變計導(dǎo)線162，六個專用端子156D中的每一個接納來自每個應(yīng)變計的第二應(yīng)變計導(dǎo)線162。在七個主導(dǎo)線160中，一個主導(dǎo)線在其遠端連接到公共端子156C，剩余六個主導(dǎo)線各自連接到六個專用端子156D中不同的一個上。主導(dǎo)線160在其近端連接到惠斯頓電橋電路170，如圖6所示。在所示實施例中，該電路包括三個半橋(每對應(yīng)變計GPa/⑶a、GPb/GDb和GPc/⑶c各一個半橋)，這些半橋有效地將應(yīng)變計輸出翻倍，并抵消了每個臂的材料溫度效應(yīng)。該電路通過電橋閉合和具有電橋激勵電壓(如5. 0VDC)的靈敏度補償電阻Rl及R2(如3000 Ω )得到平衡?？赡苄枰娮杵髌胶鉁囟妊a償(RBTC)來進一步平衡電橋。平衡溫度補償是在無負載時橋輸出電壓與溫度有關(guān)的變化。對于完全平衡，溫度補償應(yīng)為零。正平衡溫度補償?shù)亩x是在用電壓適當(dāng)激勵電橋時，電橋輸出電壓變化在無負荷情況下隨溫度升高而增加。負溫度補償是指電壓輸出隨溫度升高而減少。這種情況發(fā)生在一應(yīng)變計的電阻變化比另一應(yīng)變計快時。為了將變化減小至零，可以用RBTC將變化較快的應(yīng)變計短接，如圖6所示。在整個電橋上施加 RBTC會使電橋失衡，通過改變橋閉合電阻Rl或R2之一，可以重新調(diào)整所產(chǎn)生的失衡。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所了解，由于橋激勵電壓受應(yīng)變計自熱的影響，因此輸入應(yīng)變計的總功率是預(yù)定的。電路的輸入可以是DC、AC正弦波或方波，只要總功率保持在閾
9值之下，以免應(yīng)變計自熱。例如，輸入500Ω應(yīng)變計的5VDC電壓預(yù)計不會產(chǎn)生自熱，但輸入相同應(yīng)變計的10VDC電壓會產(chǎn)生發(fā)熱問題。為了提高應(yīng)變計的應(yīng)變測量靈敏度，可以的占空比在高壓(如100VDC)下對應(yīng)變計進行脈沖驅(qū)動(具有低占空比的方波波形)，以限制輸入應(yīng)變計的平均功率。應(yīng)變計適于通過產(chǎn)生與所施加應(yīng)變相關(guān)的電阻變化來測量所連接的輻條110的應(yīng)變。電阻變化繼而會改變電橋的電壓輸出(E = IXR)，因此給應(yīng)變計較高的輸入電壓可提高其輸出靈敏度。本如領(lǐng)域普通技術(shù)人員所了解，根據(jù)所用應(yīng)變計的類型，應(yīng)變計可能需要補償電阻器。遠端段15也包括位于力傳感器100和可偏轉(zhuǎn)中間段14之間的一短截連接管53。 在圖3所示實施例中，連接管53具有單一管腔，以允許頂端電極導(dǎo)線40和沖洗管38進入頂端電極17。連接管53還容納有電磁位置傳感器48，其中傳感器的電纜46從傳感器向近端延伸穿過連接管。連接管53還允許穿過來自力傳感器100內(nèi)部的接合端子156的主導(dǎo)線160。連接管53的單一管腔允許這些部件根據(jù)需要從其在中間段14內(nèi)的相應(yīng)管腔向其在頂端電極17內(nèi)的位置重新取向。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的一個目的是在遠端段15內(nèi)提供可變形(產(chǎn)生應(yīng)變)的適形段 (例如力傳感器100)和剛性非適形段(例如遠端加強管57)，非適形段具有剛性并限制任何變形，使得適形段吸收由作用在頂端電極17上的力向量產(chǎn)生的幾乎所有應(yīng)變能。力傳感器100和遠端加強管57應(yīng)由相同材料或至少具有相似熱膨脹系數(shù)的材料制成，以免因各材料熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生熱滯后(因材料熱膨脹和收縮速率不同引起的應(yīng)變)。在一個實施例中，遠端加強管為厚0. 003-0. 006英寸、長0. 125-0. 250英寸的薄壁剛性管57。該管通過(例如)壓力配合或粘結(jié)劑接合于力傳感器100近端的內(nèi)徑或外徑。在圖3所示實施例中，管57附接在力傳感器100的內(nèi)徑上?？梢孕纬纱怪庇诠?7的縱軸線的孔，以便于到環(huán)電極的走線。如圖3所示，頂端電極17限定與力傳感器的縱軸線114對齊的縱軸線180。頂端電極17具有穹形保護遠端182和具有大致平坦的表面的近端184，在該大致平坦的表面內(nèi)形成接納力傳感器的直桿116的中心孔186?？?86具有比直桿長度LB小的深度，以使得頂端電極17和主體102及力傳感器的臂110之間存在間隙或空間190。間隙190的用意在于讓頂端電極更自由，并可在直桿116遠端以更大的轉(zhuǎn)矩移動，從而更好地感測三個維度施加在頂端電極上的力。一短截薄的、流體密封的、柔性彈性管即密封件192在頂端電極和力傳感器主體之間延伸，以有助于將頂端電極17保持在直桿116上，并使間隙190內(nèi)沒有碎屑。具有徑向橫分支198的沖洗通道194與孔180同軸，以允許沖洗管38遞送的流體經(jīng)多個徑向口 199流到頂端電極外面。頂端電極17的近端也包括盲孔201，在該盲孔中錨固頂端電極導(dǎo)線40。頂端電極導(dǎo)線40經(jīng)力傳感器100內(nèi)的孔1 之一通往頂端電極17。如圖2A所示，頂端電極導(dǎo)線穿過中間段14的第一管腔30和導(dǎo)管主體12的中央管腔18，然后到達控制手柄16。傳感器的主導(dǎo)線160也穿過中間段14的第一管腔30和導(dǎo)管主體12的中央管腔18，然后到達控制手柄16，并在手柄處連接到電橋電路170。導(dǎo)管遠端段可包括安裝在連接管53上的環(huán)電極21，該連接管將力傳感器100和中間段的管19的遠端橋接在一起，如圖3所示。環(huán)電極21可由任何合適的固體導(dǎo)電材料制成，例如鉬或金，優(yōu)選為鉬和銥的組合物。環(huán)電極可用膠等安裝到連接管53上。作為另外一種選擇，可通過用導(dǎo)電材料，如鉬、金和/或銥涂覆管53來形成環(huán)電極。可采用濺射、離子束淀積或等同技術(shù)來涂敷涂層?？筛鶕?jù)需要改變管53上環(huán)電極的數(shù)量。環(huán)可以為單極或雙極。每個環(huán)電極連接到相應(yīng)的導(dǎo)線40上，該導(dǎo)線可穿過中間段14的第一管腔30和導(dǎo)管軸12的中央管腔18。應(yīng)當(dāng)理解，可根據(jù)需要為穿過導(dǎo)管(包括導(dǎo)管主體12和/或中間段)的任何線和電纜提供絕緣或保護鞘管。本發(fā)明的導(dǎo)管的一個替代實施例在圖7、7A、7B和7C中示出，在這些圖中，類似的構(gòu)成要素用相同的附圖標記描述。導(dǎo)管在遠端段15內(nèi)裝配有力傳感器200，該力傳感器包括中空圓柱形主體或外殼202和多個嵌入的應(yīng)變感測受拉構(gòu)件204，用來通過感測施加到頂端電極17的三維力向量來監(jiān)測主體202的應(yīng)變。參照圖8，主體包括具有圓形橫截面的壁206、近端208和具有內(nèi)遠端210的環(huán)鋸遠端或外遠端209。外長度在近端208和外遠端 209之間延伸。內(nèi)長度在近端208和內(nèi)遠端210之間延伸。壁在近端和內(nèi)遠端之間具有均勻厚度T。壁具有外周表面212和限定內(nèi)部空間216的內(nèi)周表面214。壁由多個軸向通道或通孔218形成，這些通道或通孔彼此等距地徑向布置在縱軸線220周圍。每個軸向通道 218均橫跨內(nèi)長度，并且在近端208和內(nèi)遠端210內(nèi)限定相應(yīng)的開口 222。參照圖7，力傳感器的外遠端209接納頂端電極的近端底腳230。頂端電極和力傳感器的尺寸使得力傳感器200的外遠端209鄰接頂端電極的近端周邊末端232，并使底腳 230的近端鄰接力傳感器的內(nèi)遠端210，以使得施加到頂端電極17的力向量在力傳感器的外遠端和內(nèi)遠端處被傳遞到力傳感器200。延伸穿過每個通道218的是小直徑的應(yīng)變感測受拉構(gòu)件234(本文中“受拉構(gòu)件” 和“線”互換使用)，例如，多晶銅線之類的小直徑導(dǎo)電線。在所示實施例中，每個應(yīng)變傳感器線在力傳感器主體的內(nèi)遠端處具有U形彎曲，為便于討論，該彎曲確定為第一線部分23 和第二線部分234b。每個開口 222在主體的內(nèi)遠端210處設(shè)置有面朝里的凹口或凹槽236， 以使線不被夾在底腳230和力傳感器的內(nèi)遠端210之間。同樣，每個通道的近端附近設(shè)置有通孔238，以使得線不被夾在力傳感器200和可偏轉(zhuǎn)中間段14的管19的周向開槽的遠端之間。在一個實施例中，外殼202具有約0.095英寸的外徑。主體的壁206具有約 0.025-0.0 英寸的厚度。軸向通道218具有約0.010-0. 014英寸的直徑。每個應(yīng)變感測受拉構(gòu)件234都具有約0. 004-0. 006英寸的直徑，并且“工作”應(yīng)變長度為約0. 10-0. 20英等。每個第一線部分23 的區(qū)段240延伸穿過通道218，并且其子區(qū)段設(shè)置有磁性涂層、膜或?qū)訉?。包含磁性膜244的區(qū)段通過粘合劑或接合劑246嵌入通道內(nèi)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所了解，磁性膜244的組合物為受控的，以使其具有對應(yīng)變敏感的特性。沉積在線上的高滲透性膜對線的電感起決定作用，以便通過測量線的電感或損耗監(jiān)測其磁特性。 在小直徑線上均勻電鍍磁性膜的能力使得磁性膜容易被驅(qū)動至飽和。從而，可以監(jiān)測磁性膜內(nèi)的損耗。由于膜的磁特性對應(yīng)變敏感，因此線可以感測應(yīng)變的變化。由于應(yīng)變感測線是不動的，因此它們被嵌入在通道內(nèi)。又如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所了解，每個應(yīng)變感測線均利用線內(nèi)電流產(chǎn)生的磁場。該磁場作用到周向連續(xù)的磁涂層形狀。然而，外部磁場作用到另一種軸向或直徑方向不連續(xù)涂層的形狀。這些形狀的自退磁效應(yīng)會顯著減少這些外部磁場的效應(yīng)。因此，通過將膜圖案化成小的軸向分離的區(qū)段，可以幾乎消除因通常遇到的外部磁場產(chǎn)生的效應(yīng)而不影響該電流產(chǎn)生的磁場。沉積在線周圍的磁性膜的長度確定了傳感器的有效應(yīng)變區(qū)域。在一個實施例中，該長度為約0.18-0. 20英寸。合適的應(yīng)變傳感器可得自 Sensortex, Inc. (KennettSquare，Pennsylvania)。在施加并干燥/固化將區(qū)段嵌入通道內(nèi)的粘合劑的過程中，每個延伸穿過通道 218的區(qū)段240被用所施加的張力(如1000微米的應(yīng)變)加入預(yù)應(yīng)變(本文中“預(yù)應(yīng)變” 和“預(yù)應(yīng)力”可互換使用)。對線的預(yù)應(yīng)變用來除去信號死區(qū)并增加份額(即傳感器信號跨越長度)。在每個傳感器線上加有受控的均勻張力，以感測力傳感器內(nèi)的對稱性。力傳感器內(nèi)多根線的數(shù)量可在約2和10之間的范圍內(nèi)。在所示實施例中，在力傳感器的縱軸線220 周圍以約90度設(shè)有四根線。在所示實施例中，每個應(yīng)變傳感器線的第一部分23 延伸穿過導(dǎo)管主體的中央管腔18、可偏轉(zhuǎn)中間段14的第一管腔30和相應(yīng)的力傳感器200的通道218。每個應(yīng)變傳感器的第二部分234b延伸穿過力傳感器200的內(nèi)部空間216、可偏轉(zhuǎn)中間段14的第一管腔 30和導(dǎo)管主體12的中央管腔18。力傳感器主體的變形導(dǎo)致應(yīng)變傳感器204的應(yīng)變幅度變化。力傳感器200的每個應(yīng)變傳感器被連接到電源和合適的電路和/或處理器，這些電源和電路和/或處理器通過線提供AC電流并接收其電壓輸出，以檢測電感或損耗，從而確定施加到頂端電極的三維力向量。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，力向量在作用于頂端電極時被傳遞到力傳感器的圓柱形主體，這使得主體略微變形，從而向應(yīng)變傳感器施加應(yīng)變上的改變。各應(yīng)變傳感器的小尺寸和對稱外形使得磁性膜能容易地驅(qū)動至具有不過分大的電流電平的飽和狀態(tài)。所得的磁滯損耗決定了應(yīng)變傳感器的阻抗，并且具有高的應(yīng)力相依性。通過測量線內(nèi)的電感或磁滯損耗監(jiān)測其磁特性。該損耗為關(guān)于電流的非線性響應(yīng)曲線，并且產(chǎn)生可用模擬或數(shù)字信號提取電路檢測的高頻電壓尖峰(參見圖9)。主體可由具有生物相容性、溫度穩(wěn)定性和能經(jīng)受應(yīng)力與應(yīng)變變形的足夠剛性的任何材料構(gòu)成，包括聚醚醚酮(PEEK)、自加強聚亞苯基、聚苯砜或液晶聚合物。將應(yīng)變傳感器粘結(jié)到通道內(nèi)的粘合劑應(yīng)具有與主體結(jié)構(gòu)材料相當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ亢蜔崤蛎浵禂?shù)。如圖7和8所示，每個應(yīng)變傳感器線的遠端和近端是可接近的，以向控制器輸入電流并從控制器輸出電壓。該控制器適于從遠端段15接收信號并向其發(fā)送信號，并處理這些輸入和輸出的電信號，以標測、消融和/或通過微處理器感測力，其中微處理器應(yīng)用具有力感測解決方案的程序算法。圖10說明力傳感器200的驅(qū)動電路的實施例，其中力傳感器采用由運算放大器 152 (驅(qū)動電壓為約1-5伏并且均方根電流為約200-800mA)放大的方波振蕩器150 (頻率輸入范圍為約5-50KHZ)驅(qū)動。該電路也包括充當(dāng)高通濾波器(過濾大于15KHz的信號)的第二運算放大器154，該放大器可消除驅(qū)動頻率下由傳感器線電阻和磁涂層的電感分量組成的大電壓分量。當(dāng)傳感器產(chǎn)生應(yīng)變時，電感略微變化，但功耗因素的變化非常大。直流輸出電壓隨著傳感器應(yīng)變增加而減小。在本發(fā)明的一個替代實施例中，每根線上設(shè)有多個傳感器(磁性膜)。然而，應(yīng)當(dāng)理解，測量跨越每個傳感器的電壓，從而得到每個傳感器端處的線連接點。單線多傳感器配置導(dǎo)致線較少，因為只有一個電流輸入，但是一根線(包括38號線)上接合多個連線在測量應(yīng)變時可能不如采用多個雙線傳感器可靠或性價比高。圖11示出了單線多傳感器配置的實施例，例如，具有三個磁性膜244從而產(chǎn)生三個力傳感器200a、200b和200c的單銅線， 其中每個傳感器提供相應(yīng)的輸出輸出a、輸出b、輸出C。傳感器工作所需的電壓、電流和頻率分別在約1-5伏、200_800mA(方波形)和約 5KHz-50KHz的范圍內(nèi)。當(dāng)傳感器應(yīng)變增加時，在每個方波開始和結(jié)尾處的所得尖峰減小 (參見圖9)。應(yīng)變傳感器電壓輸出濾波電路與基于高速運算放大器的開環(huán)或閉環(huán)峰值脈沖檢測電路結(jié)合，可以將傳感器應(yīng)變電壓峰值轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓輸出(參見圖10)。應(yīng)當(dāng)理解，圖7-9的導(dǎo)管的實施例也可包括在中間段14和力傳感器200之間的連接管53，其中電磁位置傳感器48裝入在力傳感器200的近側(cè)。傳感器48的電纜46可穿過中間段14的第一管腔30，然后到達控制手柄16。已參照本發(fā)明的某些示例性實施例進行了以上描述。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)認識到，在不有意脫離本發(fā)明的原則、精神和范圍的前提下，可以對所述結(jié)構(gòu)進行更改和修改。應(yīng)當(dāng)理解，附圖未必按比例繪制。因此，以上描述不應(yīng)被理解為只涉及附圖中所描繪和示出的具體結(jié)構(gòu)。相反，以上描述應(yīng)被理解為與以下涵蓋其最完整和最清楚范圍的權(quán)利要求書一致，并且支持該權(quán)利要求書。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)管，包括 細長導(dǎo)管主體；可偏轉(zhuǎn)段，所述可偏轉(zhuǎn)段處于所述導(dǎo)管主體遠端； 頂端電極，所述頂端電極處于所述可偏轉(zhuǎn)段遠端；以及接觸力傳感器，所述接觸力傳感器接觸所述頂端電極，以接收作用于所述頂端電極的接觸力，所述力傳感器具有主體和至少一個傳感器，所述至少一個傳感器具有對所述主體因所述接觸力而產(chǎn)生的變形有反應(yīng)的電特性，所述至少一個傳感器適于接收電流并輸出指示所述電特性變化的電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)管，其中所述力傳感器具有主體，并且所述至少一個傳感器為應(yīng)變計，所述應(yīng)變計對所述力傳感器的所述主體的至少一部分的拉伸和壓縮有反應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的導(dǎo)管，其中所述電特性為電阻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)管，其中所述力傳感器具有主體，并且所述至少一個傳感器對所述主體的至少一部分的應(yīng)變和應(yīng)力有反應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的導(dǎo)管，其中所述電特性為電感。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的導(dǎo)管，其中所述電特性為磁滯損耗。
7.一種導(dǎo)管，包括 細長導(dǎo)管主體；可偏轉(zhuǎn)段，所述可偏轉(zhuǎn)段處于所述導(dǎo)管主體遠端； 頂端電極，所述頂端電極處于所述可偏轉(zhuǎn)段遠端；以及在所述可偏轉(zhuǎn)段和所述頂端電極之間的接觸力傳感器，所述力傳感器包括杯形主體、 多個輻條、柱桿構(gòu)件、和安裝在所述輻條之一上的至少一個應(yīng)變計，所述輻條會聚在所述主體上的一定位置處，所述柱桿構(gòu)件從所述位置延伸， 其中所述柱桿構(gòu)件的一端連接到所述頂端電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的導(dǎo)管，其中在所述頂端電極和所述力傳感器的所述主體之間存在間隙。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的導(dǎo)管，其中每個輻條具有安裝于其上的至少一個應(yīng)變計。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的導(dǎo)管，其中每個輻條具有至少兩個表面，并且每個表面具有安裝于其上的至少一個應(yīng)變計。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的導(dǎo)管，包括至少三個輻條。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的導(dǎo)管，還包括延伸穿過所述柱桿的沖洗管。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的導(dǎo)管，還包括在所述輻條之間的孔。
14.一種導(dǎo)管，所述導(dǎo)管包括 細長導(dǎo)管主體；可偏轉(zhuǎn)段，所述可偏轉(zhuǎn)段處于所述導(dǎo)管主體遠端； 頂端電極，所述頂端電極處于所述可偏轉(zhuǎn)段遠端；以及在所述可偏轉(zhuǎn)段和所述頂端電極之間的接觸力傳感器，所述力傳感器具有圓柱形主體和至少一個應(yīng)變傳感器線，所述線具有被磁性膜圍繞的區(qū)段，所述區(qū)段和所述磁性膜嵌入所述主體內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的導(dǎo)管，其中所述線被施加預(yù)應(yīng)力。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的導(dǎo)管，其中所述線在大致平行于所述力傳感器的縱軸線的方向上延伸。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的導(dǎo)管，其中所述頂端電極具有近端底腳，所述圓柱形主體具有遠端，所述遠端被環(huán)鋸以接納所述頂端電極的所述近端底腳。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的導(dǎo)管，還包括至少三個應(yīng)變傳感器線，每個所述傳感器線具有被磁性膜圍繞的區(qū)段，每個所述區(qū)段的磁性膜被嵌入所述主體內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的導(dǎo)管，每個所述應(yīng)變傳感器線被彼此等距地設(shè)置成圍繞所述力傳感器的縱軸線的徑向圖案。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的導(dǎo)管，其中所述磁性膜對應(yīng)變敏感。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的導(dǎo)管，其中所述線導(dǎo)電。
全文摘要
本發(fā)明提供了遠端具有接觸力感測功能的標測和消融導(dǎo)管，所述導(dǎo)管包括導(dǎo)管主體、可偏轉(zhuǎn)段和遠端頭段，所述遠端頭段具有頂端電極和用于感測作用于所述頂端電極的三維接觸力向量的接觸力傳感器。接觸所述頂端電極的所述接觸力傳感器具有主體，并且具有至少一個傳感器，所述至少一個傳感器具有對于力向量導(dǎo)致的所述主體的變形有反應(yīng)的電特性。所述傳感器適于接收電流并輸出指示所述電特性變化的電信號。在一個實施例中，所述傳感器為對所述力傳感器的所述主體的至少一部分的拉伸和壓縮有反應(yīng)的應(yīng)變計，并且所監(jiān)測的所述應(yīng)變計的所述電特性為電阻率。在另一個實施例中，所述傳感器對所述主體的至少一部分的應(yīng)變和應(yīng)力有反應(yīng)，并且所監(jiān)測的所述電特性為電感或磁滯損耗。
文檔編號A61B5/0402GK102166136SQ20111003325
公開日2011年8月31日 申請日期2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月22日
發(fā)明者T·V·塞爾基 申請人:韋伯斯特生物官能公司