使用超聲都卜勒模式定位活體內的醫療裝置的系統和方法

2023-04-27 21:25:41 4

專利名稱：使用超聲都卜勒模式定位活體內的醫療裝置的系統和方法
技術領域：
本發明的領域為醫學成像，並且更具體地為都卜勒模式超聲成像的醫學應用。
背景技術：
完整器官開胸和閉胸操作的主要限制在於實時的器官內顯像的能力。允許實時地在完整器官內成像的形式的當前例子包括螢光透視法、計算機輔助斷層攝影術、磁共振成像以及超聲掃描術。超聲掃描術或應用於心臟超聲成像的超聲心動描記術(回波術)是獲得心臟的實時結構圖像所使用的最常用的診斷形式。回波術(echo)能夠獲得具有高空間解析度和保真度的結構圖像，從而準確測量靜態和動態的解剖尺寸和構造，並且也能夠通過利用都卜勒效應而探測相對物理運動。因此，回波術能夠定性和定量評價血液動力流、湍流和壓力。可以基於流體的流速來標記回波術圖像，以便顯示預定顏色。例如，能夠使與主動脈瓣變窄關聯的高速流體射流呈現黃色或橙色。反之，能夠使與二尖瓣機能不全關聯的低速流體射流呈現藍色或紫色。不管其在提供準確的靜態和動態結構以及血液動力圖像中的價值，超聲掃描術在提供某些醫療裝置，諸如導管、線或器械的高精度圖像時的能力有限。這部分地由於可以歸因於這些裝置的物理屬性的聲影或偽跡。例如，心臟內導管的主體通常可通過回波術辨別； 然而，識別導管上的特殊物理位置諸如其尖端則成問題。為了促進該物理屬性的精確識別， 已做出嘗試，通過物理操作該裝置的表面特性或者將一些形式的對比劑諸如空氣導入裝置中或導入裝置周圍，從而提高醫療裝置的回音強度。取得一些成就的一種技術是使用實時都卜勒模式超聲成像(也稱為B模式超聲成像)。較早的技術在美國專利No. 5，095，910中出現，其全部內容作為參考併入本文，該專利描述了當活檢針的尖端在縱向方向振蕩時，通過使用都卜勒模式超聲成像定位活檢針尖端。隨後的發展包括將機械振動器附加到針或套管的近端，從而提供沿軸的長度向下的縱向振動，如美國專利No. 5，343，865中所描述的，其全部內容作為參考併入本文。可替換地， 美國專利No. 5，329，927，其全部內容作為參考併入本文，其描述了在活檢針中引入橫向彎曲振動，從而在使用都卜勒模式超聲成像時使活檢針更加可見。美國專利No. 7，329，225中描述了一種更新的發展，其也作為參考被併入本文，其使用一種系統從而通過識別都卜勒信號中的局部最大值，在3D超聲掃描中自動跟蹤軸的尖端。然而，還可以通過使用用於定位活體內的醫療裝置的都卜勒模式超聲成像而獲得額外的益處。

發明內容
本發明涉及定位活體內的醫療裝置的遠端的系統和方法。該系統包括具有固定到其上的振動元件的醫療裝置，該醫療裝置被配置為執行以下至少一種程序微創醫學程序、 醫學診斷以及監控內部組織條件。超聲成像系統的掃描頭被放置在主體上，從而生成包括該醫療裝置的實時掃描圖像。成像系統，無論是2D或3D，都包括都卜勒模式，其在掃描圖像中產生著色，從而突出醫療裝置的位置。此外，分配給不同的都卜勒信號的都卜勒模式著色可以被調整，從而當醫療裝置的不同部分被配置為以不同的頻率振動時提供醫療裝置不同部分之間的對比，或者提供醫療裝置與周圍組織中的血液動力流動、湍流或壓力之間的對比。可替換地或組合，醫療裝置內或醫療裝置不同部分內的振動頻率可以被調整，從而在都卜勒模式超聲成像期間提供著色對比。此外，超聲掃描儀可以被配置為利用都卜勒模式著色從而識別在多個掃描數據切片的一個中的醫療裝置的遠端的位置，其中包括醫療裝置的遠端的切片包括滿足預定標準的局部數據。該局部數據可以指示對象移動超過數據切片內的預定閾值，或者可替換地，其可以顯示該數據切片內的最大變化率。因此，公開一種定位活體中的醫療裝置的遠端的改進系統和方法。改進的優點通過附圖和優選實施例的說明體現。


在附圖中，相同的參考標記指代相同部件圖1示意性地圖示說明用於定位活體中的醫療裝置的遠端的系統，該裝置包括主體外部的振動元件；圖2示意性地圖示說明用於定位活體中的醫療裝置的遠端的系統，該裝置包括插入主體中的振動元件；圖3圖示說明使用針狀給藥器來放置用於修復二尖瓣的新型弦錨(neo-chord anchor)；圖4示意性地圖示說明用於定位活體中的多個醫療裝置的遠端的系統；圖5圖示說明具有變化密度的醫療裝置的遠端；圖6圖示說明包括多個振動元件的醫療裝置的遠端；圖7A和7B圖示說明使用都卜勒模式對活體中的醫療裝置進行3D超聲跟蹤；以及圖8示意性地圖示說明使用都卜勒模式對植入醫療裝置進行2D超聲跟蹤。
具體實施例方式詳細參考附圖，圖1圖示說明用於掃描醫療裝置103(諸如針、套管等等)的振蕩軸從而提供包括活體內的振蕩軸的實時圖像的實時三維(3D)超聲掃描儀100。其中，醫療裝置103包括軸105，並且具有尖端107，該軸105可以是剛性的或柔性的。通過固定於軸 105近端的振動模塊113，將振蕩(或振動)導引到軸105和尖端107兩者中。通過使用由實時3D超聲掃描儀100提供的圖像，將醫療裝置103引導至患者體內的感興趣的解剖結構，該圖像是通過包括至少一個尖端107的由超聲換能器111限定的掃描區域109內的回波數據獲得的。此外，實時3D超聲掃描儀100被配置為以相關領域技術人員熟知的方式以 3D都卜勒模式工作。軸105的振蕩使整個軸105在由實時3D超聲掃描儀100提供的都卜勒模式圖像中更可辨。此外，不僅軸105更可辨，而且尖端107也特別更可辨。因而，使用實時3D超聲掃描儀100可以更有效引導尖端125。已知使用二維超聲換能器陣列提供回波數據作為三維或體積超聲圖像。例如， Von Ramm和Smith的美國專利No. 4，694，434中公開了一種可控相控陣聲學成像掃描儀(a steered phased array acoustic imaging scanner), gj吏M二會隹奐倉泛zHP車歹lJi^i共區域的錐體體積掃描(pyramidal volumetric scan)。應理解，實時3D超聲掃描儀100可以是Oxaal等人的美國專利No. 5，546, 807中公開的掃描儀類型，其全部內容作為參考併入本文。應進一步理解，Oxaal公開了從體積掃描儀獲得的圖像的顯示，其中能夠實時顯示掃描區域的切片，其中切片有時稱為B模式切片、C(連續)切片和1(傾斜)切片。應理解，雖然附圖中圖示B模式切片，但是能夠在依照本發明的實施例中使用上述任何類型的切片。此外，目前市場上可用的2D和3D都卜勒模式超聲掃描儀都允許調整都卜勒模式圖像的著色， 以便預定範圍的都卜勒數據產生的圖像數據能夠被分配以期望的顏色。因此，都卜勒模式圖像可以被賦予任何期望的著色，以便在圖像中看到的具體特徵，包括活體內振動醫療裝置的特徵都可以在圖像內被分配以具體的顏色。從以下額外的描述將明白，當振動醫療裝置被插入或置入活體內時，該特徵可以有利地與振動醫療裝置結合使用。如美國專利No. 7，329，225和美國專利No. 6，336，899所述，其全部內容作為參考併入本文，可以使用來自3D都卜勒模式超聲掃描儀的數據自動跟蹤活體內的軸的尖端。如圖7A所示，3D回波數據701包括對應於醫療裝置的振蕩尖端的數據。都卜勒模式超聲掃描儀處理該3D回波數據，從而獲得3D回波圖像數據內的移動對象的都卜勒數據，這包括全部軸105和尖端107，兩者都由於附連的振動模塊113而振動。此外，實時3D超聲掃描儀能夠自動選擇圖像數據的B模式切片，其包括醫療裝置的振蕩尖端。如圖7B所示，基於高於預定閾值的指示對象移動的都卜勒數據確定選擇的B模式切片。通過定位3D回波數據中都卜勒數據中的最大值，選擇B模式切片。也可以基於與快速移動對象有關的其他標記，例如特殊區域內都卜勒數據的變化率，選擇切片。例如，可以基於3D都卜勒數據的變化率，選擇 B模式切片，從而使得例如最大斜率指示軸的最快移動部分(即尖端107)。無論軸和尖端是否保持在相同的B模式切片中，上述方法都正確。隨著軸和尖端移動通過如掃描頭703所限定的掃描區域，超聲掃描儀可以被配置為識別並顯示B模式切片，在該B模式切片中出現都卜勒數據的最大斜率。因而，隨著醫療裝置103的尖端107被引導到活體內，可以對其自動跟蹤。圖2圖示說明了具有改進構造的醫療裝置213，其中振動模塊213在接近軸205的遠端207處固定到軸205。該構造提供的一種優點在於，可以顯著降低或消除使用中的套管或周圍組織的減振效應。在該構造中，振動模塊213可以是小型壓電裝置，其被配置成以被選擇為適合於軸205的遠端207的頻率振動。特別地，壓電裝置的振動頻率應被選擇為與軸的振動模式相關，從而降低由軸自身引起的減振量。因而，當軸在體內時，在超聲掃描儀顯示的都卜勒模式圖像中，遠端變得更可見。圖3中圖示說明這種醫療裝置的應用。圖中，新型弦(neO-chOrd)303和附連的錨305(示出在閉合位置)通過中空針307插入並且被放置，以修復心臟311內的受損二尖瓣葉309。可以通過患者胸部中的小切口插入針，並且向上通過左心室進入心臟，來執行該程序，並且可以在心臟跳動的條件下執行該程序。振動模塊313被固定在針307的遠端附近。使用都卜勒模式的超聲掃描儀(2D或3D)，通過提供都卜勒模式圖像的可視引導，促進錨305和新型弦303的放置。特別地，可以對超聲掃描儀的都卜勒模式進行顏色調整，從而使得局部最大值(即表示針307的尖端315的那部分圖像)相比於針307的軸呈現不同的顏色。此外，通過調整顏色，可以進一步提高都卜勒模式圖像的著色，從而使得與血液動力流、湍流或壓力，以及與局部鄰近區域中的組織運動相比尖端315也呈現不同的顏色，在該例子中，局部鄰近區域中的組織是跳動的心臟。圖4示出這樣的系統，在該系統中多個醫療裝置403、405被用於和放置於在超聲掃描儀100的掃描頭111產生的掃描區域109內的活體中。如圖2所示，第一醫療裝置403 包括軸407和鄰近其遠端411固定的振動模塊409。類似地，第二醫療裝置405包括在軸 415的遠端417固定到軸415的振動模塊413。振動模塊409、413的定位，無論是接近相應軸的遠端或是在軸的近端處，都是設計選擇的問題。期望在有些醫療裝置中，使用一種在醫療裝置的設計、材料或使用方面比其他構造更好的構造是有利的。在該系統中，可以使用相同的頻率來振動兩個醫療裝置403、405，或者使用不同的頻率振動它們。後者能夠提供這樣的優點，即都卜勒模式圖像可以被著色，從而使用不同的顏色代表兩個軸407和415，因而允許在都卜勒模式圖像中區分兩個軸407、415。圖5圖示說明醫療裝置的遠端501，其被配置為以不同的速度振動。振動模塊503 被固定在鄰近遠端501，其被較高(或較低)密度材料的內含物有效地分為三個截然不同的部段505、507、509，從而在每個各自的部段中改變振動頻率。前兩部段505、507被區域511 分隔，區域511是遠端501內的較高密度材料組成的區域。可替換地，整個部段507可以由不同密度的材料形成，以實現類似的功能性。該區域中較高密度的材料用於削弱振動模塊 503產生的振動，以便兩個不同的部段505、509可以在都卜勒模式圖像中以不同的顏色顯示。類似地，後兩部段507、509被區域513分隔，區域513也是較高密度材料的區域。因而， 這後兩個部段507、509也可以在都卜勒模式圖像中以不同的顏色顯示。振動模塊503產生的振動頻率、構成遠端的材料以及用於超聲掃描儀的都卜勒模式的靈敏度應預先匹配，以便所有的三個部段可以在都卜勒模式圖像中以不同顏色呈現。當醫療裝置為導管並且正用於設置球囊以打開通路時，圖5中所示的構造是有用的。球囊可以被放置在中間部段507，並且都卜勒模式圖像中不同顏色的不同部段的顯示可以用於精確設置通路中的球囊。圖6示出醫療裝置的遠端601，其配置有兩個振動模塊603、605。兩個振動模塊 603,605被設置為以不同的頻率振動，以便使尖端609能夠與遠端601的近端部分611相比以不同的速度振動。為了避免整個遠端601都以由兩個振動模塊603、605產生的振動之間的結構幹涉引起的頻率振動，遠端601的中心部分607被構造為降低上述兩種頻率中的至少一種頻率。通過該構造，遠端601的尖端609和近端部分611能夠在都卜勒模式圖像中以不同的顏色顯示。圖8圖示說明植入患者體內並放置在2D超聲掃描頭805的掃描區域803內的醫療裝置801。可任選地，可以使用3D超聲掃描頭以及相應的超聲掃描儀。該醫療裝置包括固定到其上的振動模塊807。可以按照期望或考慮裝置構造的需要，以不同顏色識別都卜勒模式圖像中的裝置的不同部分的需要或者出於任何其他原因，可以附連額外的振動模塊。振動模塊807包括其自身的電源和RF接收器，從而能夠自己激活或關閉(上述任何振動模塊都可以包括該特徵)。通過固定至醫療裝置801的振動模塊807，可以執行醫學檢查和/或程序作為植入程序後的程序；例如識別植入體是否有潛在問題，識別植入體是否保持合適設置，為了移除植入體識別植入體是否還保持其合適的幾何構造等。該獨立供電和遙控激活的醫療裝置能夠具有很多應用。一種潛在應用在於，通過將振動醫療裝置精確放置在特殊解剖學區域，探測大小隨時間的變化，從而監控某些疾病條件。例如，在二尖瓣以及前面和後面的連合處放置小的振動裝置能夠允許在功能性二尖瓣反流的情況下監控二尖瓣的大小。如本文所述，振動醫療裝置允許為了人類疾病的治療、診斷和監控目的的實時超聲圖可視化。例如，振動醫療裝置能夠促進開或閉心臟程序，從而允許主動脈瓣、二尖瓣、 肺動脈瓣或三尖瓣的修復、置換或移植。特別地，通過應用振動元件，為承載可膨脹球囊修復主動脈瓣的導管部分提供顏色對比，從而能夠在回波引導下實現主動脈環中的動脈瓣精確定位。此外，為了利於識別線或其他形式的導管，例如可以全部同時使用的抽頭導管，可在每個各自器械中嵌入振動元件。能夠使用振動醫療裝置的其他程序包括所有用於以下程序的經導管方法，即二尖瓣修復和置換；瓣環成形術；新弦裝置或阿爾菲夾或縫合裝置的插入；心室和心房構型更改裝置；心房膜缺陷和卵圓孔未閉的修復；心耳的閉塞或閉合； 裝置在冠狀竇中的插入或移除；心內膜消融損傷(ablative lesion)的定位和產生，從而治療心房纖維顫動或其他電傳導異常；血管內支架(包括但不限於冠狀動脈、主動脈、腎動脈、頸動脈、鎖骨下動脈、腦動脈和下肢動脈及靜脈)以及血管成形術球囊、冠狀動脈旋磨術、粥樣硬化切除術導管或灌注裝置的定位和布置；血管濾器(包括靜脈血栓栓塞過濾器以及腦保護裝置)，其中在完整器官中使用經導管裝置；等等。其他的特殊裝置包括以下文獻中描述的裝置，即美國專利 6，749，630 ；6, 726，717 ；5, 104，407 ；6, 182，664 ；6, 602，288 ； 5，879，366 ；6，214，029 ；5，108，420 ；5，451，235 ；6，723，038 ；6，332，893 ；6，402，680 ； 6, 050, 936以及5，961，440 ；和美國專利申請No. 2007/0112422中的裝置。因而，公開了定位活體中的醫療裝置的遠端的系統和方法。雖然已示出並描述本發明的實施例，但是對本領域技術人員來說顯而易見的是很多更多的更改是可能的，而且不偏離本文的發明思想。因此，本發明不受除了附加權利要求的精神以外的限制。
權利要求
1.一種定位活體內的醫療裝置的系統，所述系統包含超聲掃描儀，其具有掃描頭並且能夠以3D都卜勒模式工作；第一醫療裝置，其具有被配置為插入活體內的第一遠端；以及第一振動元件，其被耦合到所述第一醫療裝置，從而將振動引入所述第一遠端，其中，當所述掃描頭被設置在插入活體內的所述第一遠端上從而獲得組織體積的掃描數據時，所述超聲掃描儀被配置為從所述掃描數據產生多個切片形式的3D都卜勒數據，並且基於滿足預定標準的多個切片中的一個切片內的局部數據來識別所述遠端在切片內的位置。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一振動元件在未插入活體內的近端附近耦合到所述醫療裝置。
3.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一振動元件在接近所述第一遠端處耦合到所述醫療裝置。
4.根據權利要求3所述的系統，其進一步包含耦合到所述第一醫療裝置的第二振動元件，從而將振動引入所述第一醫療裝置的中間部段，其中所述中間部段被配置為插入活體內。
5.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一遠端包含至少一個橫截面段，所述至少一個橫截面段與相鄰的橫截面段相比具有不同的密度。
6.根據權利要求1所述的系統，其中所述預定標準包括指示切片內對象的運動超過預定的閾值的局部數據。
7.根據權利要求1所述的系統，其中所述預定標準包括具有所述切片內最大變化率的局部數據。
8.根據權利要求1所述的系統，其進一步包含第二醫療裝置，其具有被配置為插入活體內的第二遠端；以及第二振動元件，其耦合所述第二醫療裝置，從而將振動引入所述第二遠端。
9.根據權利要求8所述的系統，其中所述第一和第二振動元件被配置成以不同的振動速度工作。
10.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一振動元件包含電源。
11.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一振動元件包含射頻RF接收器，並且所述第一振動元件被配置為可遙控的。
12.一種定位活體內的醫療裝置的方法，所述方法包含將第一醫療裝置的第一遠端插入活體內，所述第一醫療裝置具有耦合到其上的第一振動元件，從而將振動引入所述第一遠端；將超聲掃描儀的掃描頭設置在置入活體內的所述第一遠端上，從而獲得組織體積的掃描數據；從所述掃描數據產生多個切片形式的超聲掃描儀3D都卜勒數據；以及基於滿足預定標準的多個切片中的一個切片內的局部數據來識別所述第一遠端在切片內的位置。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述第一振動元件在未插入活體內的近端附近耦合到所述醫療裝置。
14.根據權利要求12所述的方法，其中所述第一振動元件在接近所述第一遠端處耦合到所述醫療裝置。
15.根據權利要求14所述的方法，其進一步包含將所述第一醫療裝置的中間部段插入活體內，其中所述第二振動元件被耦合到所述中間部段，從而將振動引入所述中間部段。
16.根據權利要求12所述的方法，其中所述第一遠端包含至少一個橫截面段，所述至少一個橫截面段與相鄰的橫截面段相比具有不同的密度。
17.根據權利要求12所述的方法，其中所述預定標準包括指示切片內對象的運動超過預定的閾值的局部數據。
18.根據權利要求12所述的方法，其中所述預定標準包括具有所述切片內最大變化率的局部數據。
19.根據權利要求12所述的方法，其進一步包含將第二醫療裝置的第二遠端插入活體內，所述第二醫療裝置具有耦合到其上的第二振動元件，從而將振動引入所述第二遠端；將超聲掃描儀的掃描頭設置在置入活體內的所述第一遠端和所述第二遠端上，從而獲得組織體積的掃描數據；以及基於滿足預定標準的多個切片中的一個切片內的局部數據來識別所述第二遠端在所述切片內的位置。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述第一和第二振動元件被配置成以不同的振動速度工作。
21.根據權利要求12所述的方法，其中所述振動元件包含電源。
22.根據權利要求12所述的方法，其進一步包含通過所述第一振動元件包含的射頻RF 接收器來遙控所述第一振動元件。
全文摘要
一種定位活體內的醫療裝置的系統，其包括超聲掃描儀，其具有掃描頭並且能夠以3D都卜勒模式工作；醫療裝置，其具有被配置為插入活體內的遠端；以及振動元件，其耦合到醫療裝置，從而將振動引導到第一遠端中。當掃描頭被設置在插入活體內的遠端上以獲得組織體積的掃描數據時，超聲掃描儀被配置為從該掃描數據產生多個切片形式的3D都卜勒數據，並且基於滿足預定標準的切片中的一個切片內的局部數據來識別遠端在切片內的位置。
文檔編號A61B8/12GK102448377SQ201080023593
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月28日 優先權日2009年5月28日
發明者D·祖林格, F·G·杜海 申請人:愛德華茲生命科學公司