使用時(shí)間分辨的光散射能譜法評估組織或毀損灶深度的制作方法
【專利說明】使用時(shí)間分辨的光散射能譜法評估組織或毀損灶深度
[0001]相關(guān)串請的交叉引用
[0002]本申請是于2006年4月27日提交的題目為“組織改性的光纖評價(jià)”的美國申請?zhí)?1/414，009(該申請通過引用結(jié)合于本文中)的部分繼續(xù)申請，美國申請?zhí)?1/414,009是于2 O O 5年11月17日提交的題目為“心臟組織消融的光纖評價(jià)”的美國申請?zhí)?1/281，853 (該申請通過引用結(jié)合于本文中)的部分繼續(xù)申請，美國申請?zhí)?1/281，853要求于2004年11月17日提交的題目為“心臟組織消融的光纖評價(jià)和光譜法”的美國臨時(shí)申請?zhí)?0/629，166(該申請通過引用結(jié)合于本文中)的優(yōu)先權(quán)。
[0003]關(guān)于聯(lián)邦資助的研究或開發(fā)的聲明
[0004]按照美國能源部和Lawrence Livermore Nat1nal Security，LLC 之間的用于Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)轉(zhuǎn)的合同號DE-AC52-07NA27344，美國政府在本發(fā)明中具有權(quán)利。
[0005]發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域
[0006]本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)診斷學(xué)。更特別地，本發(fā)明涉及用于在醫(yī)學(xué)程序過程中實(shí)時(shí)研究組織改性的光學(xué)詢問配置。
_7] 相關(guān)技術(shù)描述
[0008]在正常組織野中毀損灶的存在經(jīng)常可以通過光與不同的組織成分相互作用的途中發(fā)生的變化檢測到。例如，外科醫(yī)生的視覺評估由不同的組織成分對光譜的可見部分中光的散射變化來決定。光譜的近紅外(NIR)部分中的光也可以檢測由組織成分的結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)組成的變化所引起的這種差異。NIR光的公認(rèn)特性在于其可以較深地穿透至組織中，大約幾厘米，主要是由于血液吸收減少導(dǎo)致，而且由于散射減少所致。光子的平均穿透深度作為不同組織成分中波長的函數(shù)形成了題目為“組織改性的光纖評價(jià)”的美國專利申請11/414，009 (母案)的基礎(chǔ)(其通過引用并入本文)，該申請描述了使用NIR光譜儀進(jìn)行毀損灶評估。具體地，該申請?zhí)峁┝藢?shí)時(shí)表征關(guān)鍵參數(shù)的新方式，特別適合于在心臟組織射頻(RF)消融期間的應(yīng)用，該方式通過結(jié)合使用在經(jīng)典消融導(dǎo)管上的光纖探頭來實(shí)現(xiàn)。RF消融常常用來治療房顫(一種導(dǎo)致異常電信號的心臟病況，已知是心律失常)，房顫在心內(nèi)膜組織中產(chǎn)生導(dǎo)致心臟的不規(guī)則跳動。RF能量經(jīng)由消融電極導(dǎo)管局部遞送，所述消融電極導(dǎo)管可以在局部麻醉下經(jīng)皮插入至股靜脈、肱靜脈、鎖骨下靜脈或頸內(nèi)靜脈并且定位在心臟內(nèi)。目前的方法在實(shí)時(shí)測量毀損灶形成參數(shù)或相關(guān)的不良狀況方面具有有限的有效性。
[0009]母案能夠?qū)崟r(shí)獲得導(dǎo)致待評價(jià)的毀損灶形成的過程的關(guān)鍵參數(shù)，包括諸如下面的參數(shù):導(dǎo)管-組織接近性、毀損灶形成、毀損灶穿透深度、組織中毀損灶的橫截面積、在消融期間形成炭、識別炭與非炭化組織、消融部位周圍形成凝塊、區(qū)分凝固與未凝固的血液、區(qū)分消融的與健康的組織，和識別組織中的微泡形成以防止蒸汽爆裂。這些評估借助于加入纖維來提供照明并聚集背散射光通過分析來自消融導(dǎo)管的尖端的漫反射光的光譜特征來實(shí)現(xiàn)。
[0010]心律失常的最常見原因是心房或心室壁附近的心內(nèi)膜組織中產(chǎn)生的電信號的異常路徑選擇。導(dǎo)管消融可以用來治療當(dāng)心律失常不能用藥物療法控制的病例，或不能耐受這些藥物療法的患者。使用具有能量發(fā)射元件的消融導(dǎo)管或類似的探頭，通常為射頻(RF)能量的形式，在懷疑的此電不應(yīng)(electrical misfiring)中心的位置遞送足量的能量，導(dǎo)致形成毀損灶。這些毀損灶意在通過建立異常電活動區(qū)域之間的非導(dǎo)電屏障來中止心臟的不規(guī)則跳動。成功的治療取決于心臟內(nèi)消融的位置以及毀損灶的空間特征。
[0011]獲得導(dǎo)管與組織的接觸對于毀損灶的形成是至關(guān)重要的。已經(jīng)開發(fā)了許多方法作為提供確認(rèn)在手術(shù)期間建立了適宜接觸的手段。這些手段包括監(jiān)測導(dǎo)管電極和離散電極(其利用血液和心內(nèi)膜之間的電阻率差異)之間的電阻抗以及監(jiān)測導(dǎo)管尖端處的溫度。然而，在目前的實(shí)踐中，這些方法不能提供確定導(dǎo)管與組織的適宜接觸的可靠工具。因此，執(zhí)行該操作的電生理學(xué)家的經(jīng)驗(yàn)和技能對于臨床結(jié)果具有重要作用。
[0012]毀損灶治療的有效性通過對心臟中產(chǎn)生的電信號的消融后監(jiān)測來評價(jià)。如果確定導(dǎo)致心律失常的信號仍然存在(提示毀損灶沒有充分形成)，則可以建立額外的毀損灶以形成毀損灶線以阻斷異常電流的通過。然而，目前沒有方法來實(shí)時(shí)評估毀損灶如何形成。消融過程也可以導(dǎo)致不合乎需要的副作用諸如組織的炭化、局部血液凝固和組織水的蒸發(fā)(其可以導(dǎo)致蒸汽袋形成和隨后的內(nèi)爆(蒸汽爆裂(steam pop))，所述內(nèi)爆可以導(dǎo)致嚴(yán)重的并發(fā)癥)。如果操作者意識到這些副作用的發(fā)生，所有這些副作用可以通過調(diào)節(jié)導(dǎo)管的RF功率來減輕。很明顯，局限于消融后評價(jià)是不合乎需要的，因?yàn)榧m正要求額外的醫(yī)療操作同時(shí)外科醫(yī)生關(guān)于不合乎需要的消融副作用了解很少。因此，存在著對開發(fā)可以有助于在組織中正在形成毀損灶時(shí)實(shí)時(shí)評價(jià)毀損灶形成參數(shù)的指導(dǎo)工具的需要。
[0013]心肌的熱凝固導(dǎo)致其光學(xué)特性顯著改變。對于經(jīng)由RF消融使心肌凝固的情況，Swartling等人報(bào)道近紅外(NIR)光譜區(qū)中光學(xué)特性的改變包括散射系數(shù)增加(高^5%)、散射各向異性因數(shù)較小的減小(低?2% )和吸收系數(shù)增加(高?20% )。我們假設(shè)RF消融的心臟組織的光學(xué)特性的這些變化可以用來提供對毀損灶形成參數(shù)的體內(nèi)監(jiān)測?？紤]到NIR光譜區(qū)中血液和心肌的吸收最小，我們假定體內(nèi)監(jiān)測可以基于NIR光散射能譜法。這樣的方法可以通過脈管系統(tǒng)應(yīng)用，優(yōu)選地作為與RF消融導(dǎo)管附接的光纖。
[0014]母案教導(dǎo)了使用近紅外(NIR)光散射能譜法實(shí)時(shí)地經(jīng)由RF(或其他類型的)消融評價(jià)毀損灶形成。消融導(dǎo)管被修改為結(jié)合了空間上分開的光發(fā)射和接收纖維，當(dāng)在導(dǎo)管的尖端處形成毀損灶時(shí)所述纖維可以與組織接觸。對由接收纖維所聚集的光的光譜分析允許檢測關(guān)鍵參數(shù)，諸如，導(dǎo)管與組織的接觸、毀損灶形成的開始、毀損灶穿透深度和消融期間炭和凝塊的形成。
[0015]發(fā)曰月概沐
[0016]本發(fā)明描述了一種新的光學(xué)方法，該方法提供了提高的檢測毀損灶深度的能力。以較高的準(zhǔn)確度和增加的檢出限獲得這些深度。更具體地，如在母案中提供的結(jié)果所顯示的那樣，檢測毀損灶深度的能力限于約5mm，同時(shí)存在值的分布，所述分布可以被認(rèn)為是噪聲。制約深度檢出限的機(jī)制，并且部分地，噪聲是現(xiàn)有技術(shù)的固有缺點(diǎn)，所述現(xiàn)有技術(shù)利用光譜信息并且將其轉(zhuǎn)變成深度信息。當(dāng)?shù)竭_(dá)特定深度的光的強(qiáng)度隨著深度幾乎指數(shù)地減小時(shí)，從不同的深度檢測到的信號甚至更快地減小。因此，檢測到的大多數(shù)信號來自組織的頂層(1-2_)。因此，當(dāng)毀損灶的深度增加時(shí)，檢測到的信號連續(xù)減小，限制了表征比約5-8mm更深的毀損灶的深度的能力，并且也促成了數(shù)據(jù)中所觀察到的“噪聲”。為了解決此問題，本發(fā)明采用了新的方法，該方法通過使用脈沖式照明源(或同步激光源)補(bǔ)充了對光譜信息的分析用于利用時(shí)態(tài)信息的深度評估，所述脈沖式照明源(或同步激光源)產(chǎn)生具有足夠?qū)挼墓庾V的超短光脈沖或在足夠?qū)挼墓庾V范圍內(nèi)覆蓋特定的譜域的光脈沖。
[0017]為了理解此概念，需要考慮傳播至組織的光的速度。假定組織的折射率為約1.4，在t = O注入的光子需要至少45ps以往返到達(dá)5mm毀損灶的底部，然后被回射以到達(dá)檢測器(聚集纖維)，假定僅為沒有多重散射的彈道傳播。因此，如果測量的目的是獲取位于該表面下方5mm的特征(諸如正常和消融的心臟組織之間的界面)的深度信息，則比約45ps更早到達(dá)的所有信號不含有有用的信息。
[0018]當(dāng)組織從正常轉(zhuǎn)變至消融毀損灶時(shí)組織的散射特性的變化影響光在其中傳播的路徑并且因此，影響接收到的信號的時(shí)域廓線。這將導(dǎo)致從毀損灶形成開始所接收到的信號的時(shí)域廓線的連續(xù)變化。本發(fā)明利用此方法來生成時(shí)域廓線的變化的量化參數(shù)，其與消融毀損灶的維度和其他形成參數(shù)直接相關(guān)。
[0019]對位于組織內(nèi)部的組織成分或其他特征的檢測基于NIR譜中存在光學(xué)特性的波長依賴性變化。確定通過RF消融形成的毀損灶上的深度