溫度補償應變感測導管的製作方法

2023-05-10 14:15:06

專利名稱：溫度補償應變感測導管的製作方法
技術領域：
本申請總體上涉及能夠確定在導管的遠端施加的力的外科導管。更具體地，本申 請涉及利用光纖應變傳感器的溫度補償應變感測導管。
背景技術：
已發現利用光基、光纖應變傳感器來確定作用於端部執行器的遠側末端的力的導 管系統近年來有助於用基於導管的診斷和治療系統探查和治療各種器官或血管。這樣的光 基系統可以被配置為使得它們不會影響電磁輻射環境並且不會受到電磁輻射環境影響。在Bosselman的美國專利No. 6，470，205中描述了這樣的一種光基導管系統，該專 利描述了一種用於執行手術的機器人系統，所述機器人系統包括由鉸接接頭聯接的一系列 剛性連杆。多個布拉格(Bragg)光柵布置在鉸接接頭處使得例如通過使用幹涉儀測量由布 拉格光柵反射的光的波長的變化光學地確定每個接頭的彎曲角。由比利時魯汶大學出版的、J. Peirs等人的標題為「微創機器人手術期間的力反 饋的光學力傳感器的設計」的論文中描述了一種用於在機器人手術系統中生成力反饋系統 的三軸力傳感器。該裝置包括將光引導到鄰近該裝置的遠尖端布置的鏡像表面上的多個光 纖。從鏡像表面反射的光的強度被測量並且可以與對遠尖端施加預定的撓曲量所需的力關 聯。該論文描述了一種撓性和緊湊結構，該結構可以用於響應於使該結構變形的接觸力產 生光強度的變化。Leo等人(Leo)的國際公告No. W02007/015139公開了一種用於解析施加到導管的 遠端的力向量(大小和方向)的設備和方法。Leo公開了在導管中使用光纖應變元件而不 增加導管的輪廓並且基本免於電磁幹擾。通常，光纖應變傳感器對溫度的變化敏感。例如，纖維布拉格光柵(FBG)傳感器包 括在其上形成或蝕刻有均勻間隔光柵的光纖。傳播通過光纖的光在窄波長帶寬上由光柵反 射。根據衍射理論反射光的帶寬與光柵的間隔相關。間隔不僅由FBG受到的彈性應變影響， 而且由FBG相對於參考狀態的熱收縮和膨脹影響。溫度變化也可以改變FBG的折射率，進 一步影響由光柵反射的波長帶寬。通常對溫度敏感的光纖應變傳感器的另一個例子是法布裡-珀羅(Fabry-Perot) 應變傳感器。法布裡-珀羅應變傳感器包括在傳輸纖維的端部與反射器之間的間隙。傳輸 纖維常常被設置為部分反射。進入間隙的光在反射器與部分反射傳輸纖維之間相互反射。 根據由相互反射導致的幹涉理論調製由法布裡-珀羅應變傳感器返回的信號。調製與間隙 的尺寸相關。間隙不僅受到限定間隙的結構的彈性應變影響，而且受到所述結構相對於參 考狀態的熱收縮和膨脹影響。儘管光纖應變傳感器可以為某些類型的導管程序帶來益處，但是在靠近導管的遠 端有溫度變化的情況下這樣的應變傳感器的使用可能會受到不利影響。需要一種利用光纖 應變傳感器充分補償應變感測導管的熱狀態的變化的設備和方法。

發明內容
本發明的各種實施例包括一種應變感測組件，其利用基於聚合物的主體並且執行 熱管理和/或溫度測量方法以充分減小和補償光纖應變傳感器中的溫度變化。根據本發明的各種方面的熱管理方法可以包括減小端部執行器(例如消融頭)的 高溫部件與光纖應變傳感器之間的軸向傳導。根據本發明的其它方面的熱管理方法可以包 括將光纖應變傳感器閉路聯接到可控溫度散熱器，例如灌注流。根據本發明的一些實施例 的又一種熱管理方法可以通過應變感測組件的壁使光纖應變傳感器與徑向加熱或冷卻隔
1 。各種實施例的溫度測量方法可以包括測量光纖應變傳感器的代表溫度。這樣的方 法可以適合於這樣的應用或配置，其中光纖應變傳感器的熱管理在應變感測組件的主體上 的指定軸向位置產生大致均勻的溫度。在其它實施例中，多個溫度傳感器的使用可以充分 表徵應變感測組件的熱分布，提供每個光纖應變傳感器的代表溫度。以前嘗試過補償光纖應變傳感器的溫度變化。例如，授予Leo等人(Leo)並且轉 讓給本申請的受讓人的美國專利申請公告No. 2007/0060847描述了一種用於測量多個光 纖應變傳感器的代表溫度並且施加校正以相對於參考或校準狀態補償溫度變化的影響的 方法。Leo也公開了用於光纖應變傳感器與灌注流之間的低熱阻的金屬流動管道的使用，光 纖應變傳感器安裝到所述金屬流動管道。然而，發現金屬流動管道存在靈敏性問題。已發現被設計為提供彎曲和壓縮力的 所需靈敏性的金屬管道的壁厚度太脆而不能用於可靠操作。而發現將壁厚度增加到機械可 靠的尺寸會帶來太大的剛性並且由於靈敏性的損失而使該組件不可操作。解決靈敏性/可靠性難題的一種可能方式是利用一種材料，該材料具有比金屬更 低的強度使得用較厚壁實現彎曲和壓縮力的所需靈敏性。返回基於聚合物的主體，現有設 計的特徵在於幾乎全徑的外壁，並且光纖傳感器安裝在外周邊處或附近，同時提供彎曲和 軸向壓縮力的所需靈敏性。然而，在對具有較厚壁的基於聚合物的主體施加溫度校正時，發現典型的溫度補 償方法在某些情況下不足。聚合物具有比金屬顯著更低的熱導率，這與較厚壁溫度耦合，減 小了光纖應變傳感器與灌注流之間的熱耦合。因此，在端部執行器生成並且消散大量熱能 的情況下，例如在消融應用中，應變感測組件的溫度變化即使在指定軸向位置也並不總是 一致。在這樣的情況下，一個光纖應變傳感器的溫度升高可以與另一個光纖應變傳感器的 溫度升高明顯不同。因此，代表溫度可能不精確地表示系統中所有光纖應變傳感器的溫度。通過利用本發明的各個方面中的一個或多個，可以克服現有技術的缺陷。在結構上，本發明的一個實施例包括一種撓性伸長主體，其適於在醫療過程期間 被引入患者體內並且包括端部執行器，所述端部執行器包括應變感測組件，所述應變感測 組件包括可變形主體，可操作地聯接到所述可變形主體的多個光纖應變傳感器，和鄰近所 述多個光纖應變傳感器以確定所述多個光纖應變傳感器的溫度的多個溫度傳感器。在一個 實施例中，所述可變形主體由液晶聚合材料製造。所述多個溫度傳感器在數量上可以等於 或大於所述多個光纖應變傳感器。在一個實施例中，所述多個溫度傳感器中的每一個距離 所述多個光纖應變傳感器中的相應光纖應變傳感器比距離所述多個光纖應變傳感器中的 其它光纖應變傳感器明顯更近。
套筒可以圍繞所述可變形主體的一部分，所述多個光纖應變傳感器和所述多個溫 度傳感器可操作地聯接到由所述套筒部分圍繞的所述可變形主體的所述部分，所述套筒和 所述可變形主體在其間限定環形間隙。包括固體隔熱材料的隔熱件可以布置在所述環形間 隙中。所述套筒可以包括結構元件，例如螺旋線圈，所述結構元件抵抗來自外部壓力增加的 徑向收縮，而且不明顯限制所述可變形主體的彎曲或軸向壓縮。所述光纖應變傳感器例如 可以是纖維布拉格光柵傳感器或法布裡-珀羅傳感器。所述溫度傳感器可以是熱電偶。某些實施例可以包括可操作地聯接到所述可變形主體的遠端的消融頭，所述消融 頭具有底表面，所述底表面與所述可變形主體分離以在其間限定軸向間隙。所述可變形主 體還可以包括終止於所述軸向間隙用於容納灌注流的灌注通道，所述灌注流冷卻所述消融 頭的所述底表面。在另一個實施例中，公開了一種用於導管的端部執行器，包括可變形主體，可操作 地聯接到所述可變形主體的多個光纖應變傳感器，和鄰近所述多個光纖應變傳感器以確定 所述多個光纖應變傳感器的溫度的溫度傳感器。套筒可以圍繞所述可變形主體的一部分， 所述多個光纖應變傳感器和所述溫度傳感器可操作地聯接到由所述套筒圍繞的所述可變 形主體的所述部分。在一個實施例中，所述套筒和所述可變形主體在其間限定環形間隙。所 述套筒可以包括結構元件，所述結構元件抵抗來自外部壓力增加的徑向收縮，而且不明顯 限制所述可變形主體的彎曲或軸向壓縮。包括固體材料的隔熱件可以布置在所述環形間隙 中。所述端部執行器還可以包括可操作地聯接到所述可變形主體的遠側末端的消融頭，所 述消融頭具有底表面，所述底表面與所述可變形主體分離以在其間限定軸向間隙。所述可 變形主體可以包括終止於所述軸向間隙用於容納灌注流的灌注通道，所述灌注流冷卻所述 消融頭的所述底表面。在本發明的另一個實施例中，公開了一種應變感測系統，其包括用於導管的端部 執行器的應變感測組件，所述應變感測組件包括多個光纖應變傳感器和鄰近所述多個光纖 應變傳感器的多個溫度傳感器。電磁源可以與所述多個光纖應變傳感器可操作地聯接以用 於將電磁輻射傳輸到所述多個光纖應變傳感器。在該實施例中，至少一個接收器與所述多 個光纖應變傳感器可操作地聯接以用於接收所述電磁輻射的返回部分，所述返回部分由所 述多個光纖應變傳感器返回。而且，在該實施例中至少一個信號調節器與所述多個溫度傳 感器可操作地聯接以用於測量所述多個光纖應變傳感器附近的溫度。微處理器可以與所述 接收器和所述信號調節器可操作地聯接，並且數字存儲器與所述微處理器可操作地聯接， 所述數字存儲器包含由所述微處理器執行的指令。可執行指令可以包括確定多個公稱應變，所述多個光纖傳感器各有一個公稱應 變，所述多個公稱應變從電磁輻射的返回部分推知；確定多個熱偏差分量，所述多個公稱 應變各有一個熱偏差分量，所述多個熱偏差分量從所述多個光纖應變傳感器附近的溫度推 知；和基於所述多個光纖傳感器的每一個的公稱應變和熱偏差分量推知所述多個光纖傳感 器的每一個的彈性應變。雷射器可以用作電磁源。也公開了一種用於確定施加於導管的遠端的力的方法。通常，提供應變感測組件， 其包括多個光纖應變傳感器和鄰近所述多個光纖應變傳感器的多個溫度傳感器。可以獲得 多個溫度測量值，所述多個溫度傳感器各有一個溫度測量值。可以從其推知所述多個光纖 應變傳感器溫度，所述多個光纖應變傳感器各有一個光纖應變傳感器溫度，所述多個溫度從所述多個溫度測量值推知。也可以獲得多個公稱應變測量值，所述多個光纖應變傳感器 各有一個公稱應變測量值。可以推知多個熱偏差分量，所述多個光纖應變傳感器各有一個 熱偏差分量，所述多個熱偏差分量從所述多個光纖應變傳感器溫度推知。可以從所述多個 公稱應變測量值和所述多個熱偏差分量推知多個彈性應變，所述多個光纖應變傳感器各有 一個彈性應變。可以從所述彈性應變推知施加於所述導管的遠端的力的大小和方向。可以 隱含地或明確地執行推知所述多個熱偏差分量。


圖1是可操作地聯接到消融頭的應變感測組件的透視圖；圖IA是圖1的應變感測組件的截面圖；圖IB是圖1的應變感測組件的剖面圖；圖2是消融操作期間未補償應變感測組件的解析力的偏差的圖形；圖3是應變感測組件主體上的溫度傳感器的輸出的圖形，溫度傳感器處於共同軸 向位置並且圍繞應變感測組件的主體的周邊以均勻間隔布置；圖4是本發明的一個實施例中的溫度補償應變感測組件；圖5是本發明的一個實施例中的溫度補償應變感測組件的透視圖；圖6和7是圖5的溫度補償應變感測組件的截面圖；圖8是圖6的截面圖的部分放大圖；圖9是部分組裝的圖5的溫度補償應變感測組件的透視圖；圖10是圖9的部分組件的放大圖；圖11是本發明的一個實施例中的溫度補償應變感測組件的部分組件的透視圖；圖12是圖11的部分組件的截面圖；圖13是多個圖形，顯示了本發明的一個實施例中使用纖維布拉格光柵的溫度補 償應變感測組件的溫度變化、波長變化和解析力；以及圖14和15是多個圖形，顯示了本發明的一個實施例中的校準方法。
具體實施例方式參考圖1、1A和1B，顯示了應變感測組件20，其包括具有感測部分M和軸環部分 26的可變形主體22，所述可變形主體限定中心軸線23。應變感測組件20的感測部分M的 特徵還在於包括具有外表面四的柄觀，所述外表面由套筒30覆蓋。均通過光纖33提供光 源的三個纖維布拉格光柵32可操作地聯接到柄觀。在所示實施例中，軸環部分沈可操作 地聯接到消融頭34。灌注通道36通過柄觀和消融頭34，經由多個蒸騰通道37終止於消 融頭34的外部。在該實施例中，應變感測組件20的特徵在於具有柄半徑38，該柄半徑大約為灌注 通道36的半徑40的3. 5倍。纖維布拉格光柵32安裝在柄28的外表面四上的三個凹槽 42中。纖維布拉格光柵32由此位於離中心軸線23的感測半徑44處，所述中心軸線鄰近套 筒30的內部。參考圖2，顯示了由應變感測組件20產生的典型未校正零應變指示46的圖形。圖 形46表示以力的當量克為單位的解析力縱坐標48與以秒為單位的時間橫坐標49的曲線關係。在圍繞消融操作52的時幀期間的解析軸向力50和解析橫向力51在圖形46上被表 示。在消融頭34和可變形主體22不與外部主體接觸的情況下進行消融操作52 ；因此，在 消融操作52期間應變感測組件20受到的實際力為零。未進行零校正的力指示46示出了消融操作52期間解析軸向力50指示中的負漂 移(即，隱含的張力負荷)，而解析橫向力51保持基本恆定。解析軸向力50的漂移是由於 消融操作52期間纖維布拉格光柵32的溫度增加的影響(例如，熱膨脹和折射率的變化)。圖2的解析橫向力51的基本一致性表示所有三個纖維布拉格光柵32增長相等的 量(即，指示力幾乎是純張力)，表明纖維布拉格光柵32的加熱是基本均勻的。然而，纖維 布拉格光柵32的均勻加熱並不總是被實現。參考圖3，顯示了並未受到均勻加熱的應變感測組件/消融頭端部執行器的時間 與溫度跡線53的關係曲線。時間與溫度跡線53的關係曲線表示溫度縱坐標M與時間橫 坐標陽的關係曲線，帶有圍繞和包括消融間期59的時幀期間的第一溫度跡線56、第二溫度 跡線57和第三溫度跡線58的跡線。生成時間與溫度跡線53的關係曲線的特定應變感測組件(未顯示)包括可操作 地與其聯接的、生成三個溫度跡線56、57和58的三個溫度傳感器，每個溫度傳感器在相同 軸向位置居中並且彼此旋轉地等距間隔(即，間隔開120° )。在該情況下，第二溫度跡線57指示應變感測組件的一部分比溫度跡線56或58冷 大約1. 5°C，時間與溫度跡線53的關係曲線說明了在消融間期59期間應變感測組件未被均 勻加熱。對於某些應變感測組件由溫度不定性產生的誤差可以為大約10克/K。因此第二 溫度跡線57的溫差可以轉變為大約15解析力的當量克的誤差。應變感測組件的非均勻加熱可以由若干因素導致，包括灌注介質的流速、從諸如 消融頭的高溫源的傳導路徑的不均勻性和可以導致不均勻徑向熱傳導的外部影響。所以， 對於應變感測組件的某些配置，已發現不能依賴於光纖應變傳感器的均勻加熱的假設。參考圖4，在本發明的一個實施例中顯示了應變感測系統60的一個實施例。應變 感測系統60可以包括電磁源62、聯接器64、接收器66、與微處理器可操作聯接的操作者控 制臺67和數字存儲器69。電磁源62可以生成電磁輻射的傳輸分量70，例如雷射器或寬帶 光源。諸如光纖電纜的傳輸線路72將傳輸分量70運載到聯接器64，所述聯接器通過傳 輸/接收線路74將傳輸輻射70引導到光纖應變傳感器76。傳輸分量70可以被傳輸到位 於端部執行器77內的光纖應變傳感器76。進入光纖應變傳感器76的傳輸輻射70的返回 部分78通過傳輸/接收線路74返回到接收器66。應變感測系統60也可以包括鄰近端部執行器77中的光纖應變傳感器76定位的 溫度傳感器80。溫度傳感器80可以經由信號電纜84與信號調節器82可操作地聯接。信 號調節器82可以與微處理器68可操作地聯接。傳輸/接收線路74和信號電纜84可以通過連接器88被聯接，如圖4中所示。儘管僅僅顯示了一個光纖應變傳感器76，但是例如可以通過並行處理路徑或通過 多路復用布置利用多個光纖應變傳感器和溫度傳感器(未顯示)。傳輸/接收線路74可以通過撓性、伸長導管組件90與光纖應變傳感器76可操作 地聯接。在一個實施例中，導管組件90包括近側部分90a、中間部分90b和遠側部分90c。遠側部分90c可以包括包含光纖應變傳感器76的端部執行器77。取決於應用，導管組件 90可以是中空構造(即，具有一個或更多個內腔)或者是非中空構造(即，無內腔)。應變感測系統60可以以在IOHz到IkHz的範圍內的典型和非限定頻率詢問光纖 應變傳感器76。接收器66操縱和/或將輸入返回部分78轉換為數位訊號供微處理器68 處理。可以從商業上可獲得的各種接收設備選擇接收器66。例如，適合用於法布裡-珀羅 光纖應變傳感器的接收器是由加拿大魁北克省魁北克市的FISO Technologies公司生產的 FPI-HR信號調節模塊。適合於纖維布拉格光柵應變傳感器的接收器是由美國喬治亞州拉特 蘭大市的Micron Optics公司生產的Model SM 125光學感測詢問器。在一個實施例中，光纖應變傳感器76是纖維布拉格光柵(FBG)並且返回部分78 是從光柵反射的輻射的窄波長帶。溫度傳感器80可以包括大小合適並且在感興趣的溫度 範圍內靈敏的任何傳感器，例如熱敏電阻器、電阻溫度計或熱電偶。參考圖5-10，在本發明的一個實施例中顯示了可以用作圖4的端部執行器77的溫 度補償應變感測組件100。溫度補償應變感測組件100可以具有總直徑102並且被顯示為 融入操作環境106中。溫度補償應變感測組件100包括可變形主體110，所述可變形主體具 有外表面112並且限定中心軸線114。在所示實施例中，溫度補償應變感測組件100包括可 操作地聯接到可變形主體110的消融頭116以及外部套筒電極118a、11 和118c。外力向 量F被顯示為施加到消融頭116。在可變形主體110的底部顯示了雙坐標系(即笛卡爾坐 標系x-y-z和圓柱坐標系r- θ -ζ)。可變形主體110可以包括軸環部分122、具有頸半徑126的頸部124、徑向隔開結 構1 和圍繞頸部124的外套筒130。外套筒130可以橋接在徑向隔開結構1 與軸環部 分122之間並且與頸部IM協作以限定環形間隙132。環形間隙132可以包括隔熱件134。灌注通道140可以被限定為通過可變形主體110和消融頭116，並且可以終止於形 成於消融頭116中的灌注出口 142。灌注管144可以與灌注通道140可操作地聯接以用於 為灌注通道140提供灌注流體145。可以在可變形主體110與消融頭116的底表面148之 間限定軸向間隙146。應當注意，相對於圖IA的應變感測組件20，頸半徑1 更小並且灌注通道140具 有更小直徑，限定可變形主體110的局部壁厚度150。在該實施例中，代表性的壁厚度150 為大約200-300微米；然而，對於所有實施例該壁厚度可以不是代表性的或限定性的。多個光纖應變傳感器152可以可操作地聯接到可變形主體110。一個或多個溫度 傳感器IM也可以可操作地聯接到可變形主體110。在一個實施例(被顯示)中，溫度傳 感器154的數量等於光纖應變傳感器152的數量，每個溫度傳感器IM用於相應的光纖應 變傳感器152，溫度傳感器154的敏感部分緊鄰相應的光纖應變傳感器152安裝。溝道156 可以限定於可變形主體110的外表面112和與其聯接的傳感器152、152上。光纖應變傳感 器152和溫度傳感器(一個或多個)154的敏感部分可以相對於可變形主體110的近端162 在相同軸向位置160基本居中。參考圖11和12，在本發明的一個實施例中顯示了徑向增強溫度補償應變感測組 件180。在所示實施例中，螺旋線圈182布置在外套筒130內部。備選地，螺旋線圈182可 以嵌入外套筒130內。環形間隙183可以限定於外套筒130或螺旋線圈182與可變形主體 110之間。包括固體材料的隔熱材料184可以布置在環形間隙183中。
外套筒130可以由諸如聚醚嵌段醯胺(以商標PEBAX銷售，該商標是法國科倫布 市Arkema France公司的註冊商標)的熱塑彈性體。隔熱材料184可以包括圍繞可變形主 體110在環形間隙183內卷繞的聚醯胺或聚酯片狀材料。在功能上，螺旋線圈182可以提供徑向剛性，同時順應施加於端部執行器的遠側 部分的軸向和側向力。當端部執行器被插入身體或器官中時受到附加外部壓力時，螺旋線 圈182的徑向剛性可以保持環形間隙183的尺寸。通過保持環形間隙183的尺寸，環形間 隙183和可以布置在其中的任何隔熱材料基本保持它的隔熱性質。同時，螺旋線圈182對 軸向和彎曲力的順應性允許可變形主體118在沒有明顯幹擾的情況下撓曲和壓縮。所述實施例也包括形成於可變形主體110(圖10)中以適合電導線188和消融頭 溫度傳感器190通過的V形凹槽186。電導線188和消融頭溫度傳感器190可以分別通過 軸環部分122中的通路194和196引導，並且可操作地聯接到消融頭116。通路194和196 可以填充有合適的填充物，例如防止存在於軸向間隙146中的灌注流體145進入環形間隙 132。通常，可變形主體110可以包括例如在Leo等人的美國專利申請公告 No. 2006/0200049和2007/0060847中公開的聚合材料，例如液晶聚合物(LCP)或聚醚醚酮 (PEEK)，上述兩個專利被轉讓給本申請的受讓人，並且上述兩個專利的公開內容全文被引 用於此作為參考，可以包括在本文中的明確定義除外。溝道156可以幫助傳感器152、154 的敏感部分的精確定位。光纖應變傳感器152可以包括纖維布拉格光柵(FBG)傳感器或法 布裡-珀羅傳感器。在一個實施例中可以使用膠水162實現光纖應變傳感器152和/或溫度傳感器 (一個或多個)154的操作聯接。膠水162可以放置在溝道156中或光纖應變傳感器152上 並且光纖應變傳感器152放置在溝道156中。在放置之後可以去除過量膠水。一些膠水可 以允許將光纖應變傳感器152放置在溝道156中，接著將膠水塗覆或塗在光纖應變傳感器 152上以將它固定到溝道156。另一種粘結方法可以包括溶劑的使用，所述溶劑被設計為導致可變形主體110的 材料熔化或流動，同時不影響光纖應變傳感器152的材料。該溶劑可以被施加於包圍溝道 156的至少一部分的可變形主體110的區域或地帶，在那裡將安裝光纖應變傳感器152，並 且光纖應變傳感器152放置在其中。備選地，光纖應變傳感器152可以暫時保持就位在可 變形主體110的溝道156中並且該溶劑作為塗層被施加於兩者之上。材料在溝道156之中 和周圍的流動可以導致可變形主體110和光纖應變傳感器152的粘結。該溶劑可以由諸如 衝洗或蒸發這樣的方法去除以阻止熔化過程。儘管以上安裝和粘結方法涉及包括溝道156的實施例，應當認識到可以在缺少溝 道156的情況下利用相同過程。在尺寸上，各種參數的典型和非限定性範圍包括大約2. 3mm的總直徑102，大約 0. 4-0. 8mm直徑的灌注通道140，和大約200-300微米的典型壁厚度150。在功能上，相對於例如圖1中所示的配置減小頸部124的頸半徑1 和/或減小 灌注通道140的直徑提供若干優點。對於灌注流體145的指定流速，更小直徑的灌注通道 140增加流體流的雷諾數，這可以增加灌注流體145與灌注通道140的邊界之間的對流熱傳 遞係數，由此增強灌注流體145與光纖應變傳感器152之間的總熱傳遞。減小半徑1 也
11可以提供材料的減小橫截面，由此減小沿軸向方向Z通過頸部IM的熱傳導以及消融頭116 與光纖應變傳感器152之間的熱耦合。頸部124的壁厚度150也可以適合於溫度補償應變 感測組件100響應於力向量F的預期靈敏度(位移)。頸部124的減小頸半徑1 也可以 相對於現有設計提供環形間隙132的增加厚度，由此增強操作環境106與光纖應變傳感器 152之間的熱隔離。當溝道156存在時還可以減小灌注流體145與光纖應變傳感器巧4之間的熱傳導路徑。湧入灌注流體145的軸向間隙146可以主動冷卻消融頭116的底表面148並且減 小底表面148與可變形主體110之間的軸向熱傳導。通過這些各種熱管理方面，本發明的各種實施例可以導致光纖應變傳感器152由 灌注流體145的溫度支配，消融頭116和周圍環境的影響是其次的。使灌注流體145支配光 纖應變傳感器152的熱狀態的優點在於在操作期間灌注流體145的溫度以及灌注流體145 與灌注通道140之間的對流耦合往往比消融頭116的溫度以及操作環境106與外套筒130 之間的溫度和對流耦合更穩定。在操作中，溫度傳感器(一個或多個)IM可以用於相對於校準或零狀態補償光 纖應變傳感器152的熱膨脹/收縮。對於灌注流體145支配頸部124的溫度的配置，頸部 124的溫度分布可以是基本均勻的或相對於軸向坐標Z是至少基本呈直線，在指定軸向位 置(例如160)可變形主體110的溫度在切向上沒有明顯變化。在這樣的情況下，單一溫度 傳感器1 可以足以實現溫度補償，尤其在光纖應變傳感器152和溫度傳感器IM被定位 使得敏感部分關於相同軸向位置160居中的情況下。各種配置可能在操作期間相對於在指定軸向位置Z (例如在軸向位置160)的切線 坐標θ產生非均勻溫度，如上面參考圖3所述。例如在結構和/或總尺寸要求不允許頸半 徑1 相對於溫度補償應變感測組件100的總直徑102顯著減小的情況下可能存在這種情 況。非均勻熱分布也可能部分由於消融頭116與可變形主體110之間的不均勻或非均勻熱 接觸阻力而存在。在這樣的情況下，多個溫度傳感器1 可能是優選的。溫度傳感器154 可以與光纖應變傳感器152數量相同，並且每個溫度傳感器巧4可以位於一個位置，該位置 離光纖應變傳感器152中的相應一個比離任何其它光纖應變傳感器152更近。照這樣，每 個光纖應變傳感器152的溫度與由相應溫度傳感器IM產生的測量更接近。在一個實施例中，光纖應變傳感器152可以包括長度為L並且在其上蝕刻光柵的 纖維布拉格光柵(FBG)部分。當執行基準(零)測量時，在FBG部分在基準時間r處於基 準溫度Tr時，FBG部分可以反射基準波長λΓ。在操作中，FBG部分可以在相對於基準時間 r的時間t反射波長λ t。由於相對於在時間r的長度L的FBG部分的長度變化AL，波長 Xt可以不同於基準波長λ!·。長度變化AL可以由FBG部分上的應變、引起FBG部分的熱 膨脹的溫度變化或它們的組合導致。公稱應變(apparent strain) Δ L/L因此可以被表達 為Δ L/L = C · ( λ t- λ r) = ε + α · Δ T方程(1)其中ΔΤ = Tt-Tr方程(2)並且C是FBG反射波長和應變之間的線性係數，ε是施加於FBG部分的彈性應變， α是FBG部分的熱膨脹的等價係數，並且Δ T是在時間t的FBG部分的溫度Tt與基準溫度Tr之間的差。公稱應變AL/L之所以這樣命名是因為在不知道光纖傳感器的溫度和熱 行為的情況下，比率Δ ν 似乎是彈性應變的結果。通常，希望在數學上分離彈性應變ε，原因是它主要是由於施加於FBG部分的軸 向力。分離彈性應變得到ε = AL/L-· ΔΤ = C · (λ t-Xr)_a · ΔΤ 方程(3)對於多個FBG部分，方程(3)可以被表達為ε i = ( Δ L/L) ^ai. Δ Ti = C · ( λ t-λ r) - a j · Δ Ti 方程(4)其中下標i表示多個FBG部分中的一個。但是對於溫度變化對光纖傳感器的影響，公稱應變Δ Lzli等於彈性應變￡i。因 此，乘積Cii · ATi可以被認為是相應公稱應變ALzli的熱偏差分量。熱膨脹的等價係數α是受到許多因素影響的參數。在一些實施例中，α主要受 到可變形主體Iio的熱膨脹係數(CTE)影響。光纖應變傳感器152的CTE也可以是貢獻因 素，膠水162的CTE也是。這些部件的CTE的範圍可以明顯不同。例如，光纖應變傳感器 的CTE可以為大約0. 3微米每開爾文(μ /K)，而由LCP構成的可變形主體的CTE可以具有 1-4 μ /K的CTE。在使用時，膠水162可以具有大約60 μ /K的CTE。此外，光纖應變傳感器152的折射率可能對溫度變化敏感。一些光纖的折射率的 靈敏度可以為大約10皮米每開爾文(pm/K)。取決於溫度補償應變感測組件100、180的配 置(例如幾何、各種材料的CTE、折射率對溫度的靈敏度)，折射率變化的影響可能是明顯 的。例如，已知由於折射率變化產生的結果變化比CTE變化的影響大一個數量級。熱膨脹的實際等價係數α通常受到組裝的不完美和/或不可重複性影響。例如， 光纖傳感器的α可能受到用於實現粘結的膠水162的用量的微小差異影響。因此，在指定 應變感測組件中的每個光纖應變傳感器152通常由它自身獨有的熱膨脹等價係數α表徵。所有這些熱影響被考慮到熱膨脹的等價係數α中。而且，參數的複雜性可以導致 α是非線性的。因此，常常優選的是用實驗確定熱膨脹的等價係數a，例如通過校準，並且 確定組件中的每個光纖應變傳感器的熱膨脹等價係數。方程(4)可以以矩陣的形式表達。例如假設溫度補償應變感測組件100具有三個 FBG傳感器(i = 1，2，3)。相應矩陣表達式為
權利要求
1.一種用於醫療過程中的導管，包括撓性伸長主體，該撓性伸長主體適於在所述醫療過程期間被引入患者體內並且包括端 部執行器，所述端部執行器包括應變感測組件，所述應變感測組件包括可變形主體；多個光纖應變傳感器，所述多個光纖應變傳感器可操作地聯接到所述可變形主體；以及多個溫度傳感器，所述多個溫度傳感器鄰近所述多個光纖應變傳感器，以確定所述多 個光纖應變傳感器的溫度。
2.根據權利要求1所述的導管，其中，所述多個溫度傳感器在數量上等於或大於所述 多個光纖應變傳感器。
3.根據權利要求2所述的導管，其中，所述多個溫度傳感器中的每一個溫度傳感器距 離所述多個光纖應變傳感器中的相應光纖應變傳感器比距離所述多個光纖應變傳感器中 的其它光纖應變傳感器明顯更近。
4.根據權利要求1所述的導管，還包括圍繞所述可變形主體的一部分的套筒，所述多 個光纖應變傳感器和所述多個溫度傳感器可操作地聯接到所述可變形主體的所述部分，在 所述套筒和所述可變形主體之間限定環形間隙。
5.根據權利要求4所述的導管，還包括布置在所述環形間隙中的固體隔熱材料。
6.根據權利要求4所述的導管，其中，所述套筒包括結構元件，所述結構元件抵抗緣自 外部壓力增加的徑向收縮，而不會明顯地限制所述可變形主體的彎曲或軸向壓縮。
7.根據權利要求6所述的導管，其中，所述結構元件包括螺旋線圈。
8.根據權利要求1所述的導管，其中，所述光纖應變傳感器是纖維布拉格光柵傳感器。
9.根據權利要求1所述的導管，其中，所述溫度傳感器是熱電偶。
10.根據權利要求1所述的導管，其中，所述可變形主體包括液晶聚合材料。
11.根據權利要求1所述的導管，還包括可操作地聯接到所述可變形主體的遠端的消融頭，所述消融頭具有底表面，所述底表 面與所述可變形主體分離以在所述底表面與所述可變形主體之間限定軸向間隙，其中，所述可變形主體包括終止於所述軸向間隙用於容納灌注流的灌注通道，所述灌 注流冷卻所述消融頭的所述底表面。
12.一種用於導管的端部執行器，包括可變形主體；多個光纖應變傳感器，所述多個光纖應變傳感器可操作地聯接到所述可變形主體；溫度傳感器，溫度傳感器鄰近所述多個光纖應變傳感器，以確定所述多個光纖應變傳 感器的溫度；套筒，該套筒圍繞所述可變形主體的一部分，所述多個光纖應變傳感器和所述溫度傳 感器可操作地聯接到由所述套筒圍繞的所述可變形主體的所述部分，在所述套筒和所述可 變形主體之間限定環形間隙，所述套筒包括結構元件，所述結構元件抵抗緣自外部壓力增 加的徑向收縮，而不會明顯地限制所述可變形主體的彎曲或軸向壓縮；以及包括固體材料的隔熱件，布置在所述環形間隙中。
13.根據權利要求12所述的端部執行器，還包括可操作地聯接到所述可變形主體的遠側端部的消融頭，所述消融頭具有底表面，所述 底表面與所述可變形主體分離，以在所述底表面與所述可變形主體之間限定軸向間隙，其中所述可變形主體包括終止於所述軸向間隙用於容納灌注流的灌注通道，所述灌注 流冷卻所述消融頭的所述底表面。
14.一種應變感測系統，包括用於導管的端部執行器的應變感測組件，所述應變感測組件包括多個光纖應變傳感器 和鄰近所述多個光纖應變傳感器的多個溫度傳感器；電磁源，該電磁源與所述多個光纖應變傳感器可操作地聯接，以用於將電磁輻射傳輸 到所述多個光纖應變傳感器；至少一個接收器，所述至少一個接收器與所述多個光纖應變傳感器可操作地聯接，以 用於接收所述電磁輻射的返回部分，所述返回部分由所述多個光纖應變傳感器返回；至少一個信號調節器，所述至少一個信號調節器與所述多個溫度傳感器可操作地聯 接，以用於測量所述多個光纖應變傳感器附近的溫度；微處理器，所述微處理器與所述接收器和所述信號調節器可操作地聯接；以及 數字存儲器，所述數字存儲器與所述微處理器可操作地聯接，所述數字存儲器包含由 所述微處理器執行的指令，所述指令包括確定多個公稱應變，所述多個光纖傳感器各有一個公稱應變，所述多個公稱應變從所 述電磁輻射的返回部分推知；確定多個熱偏差分量，所述多個公稱應變各有一個熱偏差分量，所述多個熱偏差分量 從所述多個光纖應變傳感器附近的所述溫度而推知；以及基於所述多個光纖傳感器中的每一個的所述公稱應變和所述熱偏差分量而推知所述 多個光纖傳感器中的每一個光纖傳感器的彈性應變。
15.根據權利要求14所述的應變感測系統，其中，所述多個光纖傳感器中的每一個是 纖維布拉格光柵。
16.根據權利要求14所述的應變感測系統，其中，所述電磁源是雷射器。
17.根據權利要求14所述的應變感測系統，其中，所述多個溫度傳感器中的每一個是 熱電偶。
18.一種用於確定施加於導管的遠端的力的方法，包括提供應變感測組件，所述應變感測組件包括多個光纖應變傳感器和鄰近所述多個光纖 應變傳感器的多個溫度傳感器；獲得多個溫度測量值，所述多個溫度傳感器各有一個溫度測量值； 推知所述多個光纖應變傳感器溫度，所述多個光纖應變傳感器各有一個光纖應變傳感 器溫度，所述多個溫度從所述多個溫度測量值推知；獲得多個公稱應變測量值，所述多個光纖應變傳感器各有一個公稱應變測量值； 推知多個熱偏差分量，所述多個光纖應變傳感器各有一個熱偏差分量，所述多個熱偏 差分量從所述多個光纖應變傳感器溫度推知；從所述多個公稱應變測量值和所述多個熱偏差分量推知多個彈性應變，所述多個光纖 應變傳感器各有一個彈性應變；以及從所述彈性應變確定施加於所述導管的所述遠端的所述力的大小和方向。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，隱含地執行推知所述多個熱偏差分量的步驟。
20.根據權利要求18所述的方法，其中，在提供所述應變感測組件的步驟中提供的所 述光纖應變傳感器包括纖維布拉格光柵。
21.根據權利要求18所述的方法，其中，在提供所述應變感測組件的步驟中提供的所 述多個光纖應變傳感器包括三個光纖應變傳感器。
22.一種用於確定施加於導管的遠端的力的方法，包括提供應變感測組件，該應變感測組件包括三個光纖應變傳感器和鄰近所述三個光纖應 變傳感器的多個溫度傳感器；獲得多個溫度測量值，所述多個溫度傳感器各有一個溫度測量值； 推知三個光纖應變傳感器溫度，所述三個光纖應變傳感器各有一個光纖應變傳感器溫 度，所述多個溫度從所述多個溫度測量值推知；獲得三個公稱應變測量值，所述三個光纖應變傳感器各有一個公稱應變測量值； 用於從所述三個光纖應變傳感器溫度和所述三個公稱應變測量值確定三個彈性應變 的步驟，所述三個光纖應變傳感器各有一個彈性應變；以及用於從所述三個彈性應變確定施加於所述導管的所述遠端的所述力的大小和方向的 步驟。
23.根據權利要求21所述的方法，其中，在提供所述應變感測組件的步驟中提供的所 述光纖應變傳感器包括纖維布拉格光柵。
全文摘要
一種應變感測組件(60)，執行熱管理和/或溫度測量方法，以充分減小和補償導管(90)的遠端的光纖應變傳感器(76)中的溫度變化。在一個實施例中，導管的遠端(90c)包括諸如消融頭的端部執行器(77)，所述端部執行器引起鄰近導管的遠端的明顯熱溫度變化。在一個實施例中，多個溫度傳感器用於精確確定多個光纖應變傳感器中的每一個。在其它實施例中，可以通過執行充分減小單一溫度傳感器與多個光纖應變傳感器之間的溫差的熱管理方法利用單一溫度傳感器。
文檔編號A61B19/00GK102098974SQ200980125027
公開日2011年6月15日 申請日期2009年5月13日 優先權日2008年5月14日
發明者G·利奧, N·埃比, Y·萬寧科夫 申請人:恩杜森斯公司