由磁共振成像監控的介入過程的導管尖端跟蹤的製作方法

2023-10-29 10:56:37 4

專利名稱：由磁共振成像監控的介入過程的導管尖端跟蹤的製作方法
技術領域：
本發明涉及介入醫學領域。本發明尤其適用於與磁共振成像相結合進行的介入過程的導管跟蹤，並將尤其參照以上來描述。然而，本發明也適用於在磁共振環境中監控其它類型的介入過程。
在由磁共振成像監控的介入過程期間，導管或其它介入器械被插入到對象內，並被操縱以執行一個或多個所選擇的介入任務。這種介入過程的例子包括活檢、流體注射、生理學監測、球囊血管成形術、射頻導管消融、臨時心臟起搏器的植入等。在介入期間，對象至少在介入區域內由磁共振成像掃描器成像。有利的是，這些過程的侵入最小，通常涉及將導管插入對象的靜脈、動脈、膀胱管或其它流體管道。然而，導管或其它器械通常不被磁共振成像掃描器直接成像。為了提供在對象體內操縱導管的引導，需要跟蹤機構。尖端跟蹤機構優選與磁共振成像一起工作，從而在所重建的磁共振圖像上指示或疊加導管尖端的位置，或者測量導管尖端的坐標，以便將自動成像的切片的位置設定成包含導管尖端。
在一個導管尖端跟蹤方法中，射頻天線小線圈被安置在導管的尖端並作為微型接收線圈使用。所述的小線圈通常通過在導管內或導管旁布置的電線連接到磁共振成像掃描器的接收器之一。所接收的天線信號被處理以確定導管尖端的位置坐標。可以通過僅採集對象的三個正交投影確定所述的位置，這比獲得全部圖像更快。因此，位置確定可以和成像處理交替進行而不會導致顯著延時。然而，這種方法的缺點在於由用於磁共振成像的掃描器發射的射頻激勵脈衝與電線耦合，並且能產生能導致對象內變熱的高電場。
在另一種跟蹤方法中，將能夠引起磁化率變化的材料布置在導管尖端上或內部。這種方法通常在重建的圖像中提供弱對比度，從而難以進行尖端跟蹤。可以通過使用具有更明顯磁化率特性的材料實現更強的對比度；但是，這種明顯磁化率變化導致恰好在正在執行介入過程的區域中的所重建的圖像失真或衰減。而且，一旦為執行介入過程將導管尖端適當定位，就沒有辦法「關閉」導管尖端對比度。此外，這種方法不能提供用於自動設定成像切片以包含導管尖端的導管尖端坐標。
在又一導管尖端跟蹤方法中，將包括光電二極體的諧振電路布置在導管的尖端。通過照射或不照射光電二極體，諧振電路的共振頻率在磁共振頻率和顯著漂移的頻率之間變化。通過在導管內或導管旁布置的光纖將切換光應用於光電二極體。當諧振電路被調諧成磁共振頻率時，它響應磁共振信號的射頻激勵而諧振。在這種情況下，MR信號被局部放大，在圖像中產生熱點(MR可視狀態)。該信號放大也可以用於確定在投影度量中導管尖端的坐標。作為另一優點，一旦導管尖端在用於執行介入過程的位置或當將產生高解析度圖像以檢查導管尖端位置時，將光強度切換成解調諧振電路遠離諧振狀態，從而諧振電路在所重建的圖像中變得基本不可見。
這種方法同樣存在缺點。諧振電路是相當大的，通常至少包括光電二極體、微線圈電感器和至少兩個電容器一個用於與微線圈電感器相結合來提供諧振電路；另一個電容器用於阻止直流電流流過光電二極體。光電二極體的阻抗具有大量導電成分，其限制了諧振電路的品質因數。品質因數降低導致所重建的圖像中的導管尖端的對比度降低，也意味著需要共振頻率的較大偏移以將諧振電路解調為基本不可見。
在照射期間由於光電二極體中的電阻損耗，品質因數通常減少到接近一。結果，已諧調的諧振頻率優選對應於非照射的狀態以在MR可見狀態下提供高品質因數。為了在非照射狀態下將共振電路諧調到MR共振頻率，必須將電路精確製造為所選擇的共振頻率。如果例如為了考慮到共振電路的部分的容差、由於電路的電學環境的改變的解調或由磁共振成像掃描器施加的不同磁場，所諧調的共振頻率通過照射獲得，那麼品質因數大幅減少。
另外，雖然諧振電路能夠通過光強度調製在可見狀態和不可見狀態之間切換，但是光電二極體在不偏置狀態下工作並具有相對慢的響應時間。因而，可見和不可見狀態之間的切換時間被限制到約為0.1毫秒或更長。諧振電路可見性切換的一個應用是在導管尖端跟蹤期間將背景磁共振信號從成像對象中去除。在這個應用中，磁共振成像數據被自動採集，同時諧振電路在可見和不可見狀態之間交替，在可見和不可見狀態中所重建的圖像或投影相減地結合以基本除去背景圖像信號。由於切換時間被限制到約為0.1毫秒或更長，這種自動跟蹤容易由於對象的運動或對象體內的磁化狀態的改變而模糊。
本發明設計了一種克服前述局限性和其它缺點的改進的裝置和方法。
根據一個方面，公開了一種在有關對象上執行並由磁共振成像監控的介入過程中使用的介入器械。一元件適合插入有關對象內以執行介入過程。光纖被布置成傳遞光到該元件上的選定位置。諧振電路被布置在該元件上的選定位置，該諧振電路包括具有線圈電感的線圈和光敏金屬-絕緣體-半導體電容器，所述的光敏金屬-絕緣體-半導體電容器與光纖光耦合併具有由光纖傳遞到那裡的光強度確定的可選擇電容。諧振電路的選定諧振頻率由線圈電感和所選電容確定。可通過將光強度調節成對應於由磁共振成像檢測的調諧共振頻率，來選擇所選共振頻率。
根據另一方面，公開了一種用於在磁共振成像監控下在有關對象上執行介入過程的系統。所述系統包括用於執行磁共振成像的磁共振成像掃描器，和前一段所述的介入器械。
根據又一方面，提供了使用包括前述的諧振電路的介入器械的方法。在包含元件上的選定位置的三維體積中激發磁共振。沿投影方向採集空間選擇投影數據。在沿投影方向採集每個空間位置期間，強度調製傳遞到光敏金屬-絕緣體-半導體電容器的光強度，以調諧共振頻率和磁共振成像檢測不到的解調共振頻率之間調節所選共振頻率。對於沿著投影方向的每個空間位置，將在調諧共振頻率下使用所選共振頻率採集的投影數據和在解調共振頻率下使用所選共振頻率採集的投影數據相減結合，以產生相減結合的投影數據。
本發明的一個優點在於提供尺寸減小的導管尖端跟蹤裝置。
另一優點在於提供包括具有高品質因數的諧振電路的導管尖端跟蹤裝置。
另一優點在於提供一種導管尖端跟蹤裝置，其具有可通過控制向其施加的光強度來調整的調諧共振頻率。
又一優點在於提供具有快速切換響應的導管尖端跟蹤裝置。
還一優點在於提供一種使用所述的具有快速切換響應的導管尖端跟蹤裝置跟蹤導管尖端的方法，所述跟蹤方法對對象運動或數據中的其它差別來源靈敏度降低，所述數據將作為磁化狀態的變化被減去。
通過閱讀下面的優選實施例的具體描述，本領域普通技術人員將更清楚許多另外的優點和好處。
本發明可以採用各種組件和組件的布置，以及各種處理操作和處理操作的安排的形式。附圖僅為了示例優選實施例，不解釋為對本發明的限制。


圖1示意性顯示了使用具有由磁共振成像掃描器監控的尖端跟蹤裝置的導管執行介入應用的系統。
圖2顯示了尖端跟蹤裝置的諧振電路。
圖3顯示了尖端跟蹤裝置的優選光敏金屬-絕緣體-半導體電容器組件的層狀結構。
圖4是圖3的優選光敏金屬-絕緣體-半導體電容器組件的平面圖。
圖5示意性顯示了尖端跟蹤裝置的光敏金屬-絕緣體-半導體電容器組件的電容-電壓-光特性。
圖6示意性顯示了尖端跟蹤裝置的一個實施例。
圖7是尖端跟蹤裝置的優選實施例的透視圖。
圖8示意性繪製了沿垂直於成像切片的z方向的磁共振投影數據。
參考圖1，用於執行介入過程的系統包括諸如導管10的介入器械，其被插入到相關對象12內。使用磁共振成像掃描器16監控導管10的尖端14的位置，該磁共振成像掃描器對置於導管10的尖端14的尖端跟蹤裝置20成像。導管10通常是柔性管狀元件，並可以不具有腔，或具有一個或多個用作流體傳送路徑或光纖、電線等的管道的腔。導管10可以是單件柔性管狀元件，或者它可以由多個具有聯結端的管狀子元件組成。在後一種結構中，導管的總長度取決於聯結的管狀子元件的數量。可以預見也可以採用剛性介入器械。
導管10基本可以為任何類型的導管，例如動脈導管、靜脈導管、中心導管、心臟導管、膀胱導管等。通常使用導管執行的介入過程包括活檢、流體注射、生理學監測、血管成形術、射頻導管消融、臨時心臟起搏器的植入等。尖端跟蹤裝置20易於適合基本各種介入器械，並可以被用於基本任何類型的介入過程。尖端跟蹤裝置20布置在導管10的尖端14，也就是說，通常布置在尖端14幾毫米內。
磁共振成像掃描器16包括各種組件，這些組件用於在至少成像對象12的所選擇部分中激發和空間編碼磁共振，用於從對象接收磁共振信號，和用於根據所接收的磁共振信號計算重建的圖像。在圖1中，通過示出磁共振成像掃描器16的主要磁體組件的透視截面圖，示意性表示磁共振成像掃描器16，所述磁體組件限定了磁共振成像掃描器16的基本圓柱形的磁孔。本領域普通技術人員能夠認識到主要磁組件包括在圖1中未示出的各種組件，通常包括用於產生平行於磁孔的圓柱軸(即，平行或反平行於圖1所示的z方向)的基本均勻縱向磁場的主電磁線圈；用於在磁孔內的三維空間內產生磁場梯度的磁場梯度線圈；一個或多個用於產生或檢測磁共振的射頻線圈，等等。主電磁線圈優選為超導線圈，儘管也可以使用電阻線圈或固定磁體。也可以預見到使用垂直場、開放式和其它磁體結構。
在操作中，射頻線圈產生磁共振，所述的磁共振由通過磁場梯度線圈產生的磁場梯度空間編碼。在一個合適的成像脈衝序列中，在射頻激勵脈衝期間沿縱向或z方向施加片選磁場梯度，以將磁共振激勵限制在所選擇的平面切片，例如圖1中所示的包含尖端跟蹤裝置20的示例性平面切片24。在磁共振讀出期間，在垂直於z軸的相位編碼方向施加相位編碼磁場梯度脈衝，並在磁共振讀出期間在垂直於z方向並垂直於相位編碼方向的讀出方向施加讀出磁場梯度。相位編碼和讀出梯度通過所選擇的平面切片的二維k空間執行磁共振讀出。使用二維傅立葉(Fourier)變換處理器重建所採集的磁共振數據以生成切片24的重建圖像。對連續的空間鄰接切片適當重複該脈衝序列以產生三維體積圖像。
所述的磁共振成像掃描器和所述的其操作僅僅是示例性的。本領域普通技術人員為了特殊應用容易修改所述的器械、成像脈衝序列和圖像重建處理。與尖端跟蹤裝置20兼容的合適成像方法基本包括任何類型的磁共振成像方法，例如回波平面成像、使用靈敏度編碼的成像、單切片或多切片旋轉回波成像，等等。應當理解尖端跟蹤裝置20和成像的對象12的周圍區域全都被成像，從而為導管10的尖端14的位置提供了範圍(context)。
繼續參考圖1並進一步參考圖2，尖端跟蹤裝置20包括被設計成具有可選擇共振頻率的諧振電路22(在圖2中由等效電路圖表示)，該共振頻率被光學選擇以響應由磁共振成像掃描器16產生的磁共振激發的調諧的共振頻率。調諧狀態下的諧振電路22響應於射頻激發並產生磁共振響應信號，該信號由磁共振成像掃描器16檢測並在包含尖端跟蹤裝置20的切片24的重建圖像中成像。諧振電路22包括電連接在一起的光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30和電感線圈32以限定諧振LC電路。線圈32具有感應係數Lcoil，該感應係數通常約為幾個納亨。
光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30光學耦合到光纖36，該光纖將選擇的光強度(表示為Ilight)傳遞到光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30。光纖30適合設置在導管10的腔內或適合固定在導管10側面，使得光纖36如圖1所示與導管10一起插入對象12內。所選擇的光強度由光源40輸入到光纖36，該光源適合為燈、發光二極體、雷射器，等等。光耦合到光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30並確定對應於光強度Ilight的選定電容C(Ilight)。電感Lcoil和所選擇的電容C(Ilight)確定共振頻率。對於圖2的諧振LC電路，共振頻率frcs由下面的公式計算frcs==12LcoilC(Ilight)...(1)]]>對於其它諧振電路，例如對於包括代替單個線圈32的多個電感微線圈32，(參見例如下文中描述的圖7)的諧振電路，或者對於具有可由幾個相應的光纖控制的幾個金屬-絕緣體-半導體電容器的多個電路，可以計算諧振電路組件和所選擇的電容C(Llight)之間的相似關係。例如使用公式(1)，當質子迴轉磁比γ＝42MHz/T並且磁場B＝1.5T時，磁共振頻率為fmr＝γB，約為63MHz。當線圈電感Lcoil＝150納亨時，對於通過公式(1)算出的選定電容C(Llight)＝42.5皮法，實現了對應於fmr的調諧共振頻率fres。
繼續參考圖1，磁共振成像掃描器16由磁共振成像控制器44控制。當需要尖端跟蹤時，磁共振成像控制器44控制光源控制器46以將光源40的光強度設定為一個數值，在該數值所選電容C(Llight)將諧振電路22調諧到調諧共振頻率。在這種調諧狀態下，如果尖端跟蹤裝置20存在於被成像的切片或體積內，尖端跟蹤裝置20在所重建的圖像中可見。另一方面，在成像期間可能需要從圖像中去除尖端跟蹤裝置20。如果這樣，磁共振成像控制器44控制光源控制器46以將光源40的光強度設定為一個數值，在該數值所選擇的電容C(Llight)將諧振電路22解調到解調共振頻率。在這種解調狀態下，即使尖端跟蹤裝置20存在於被成像的切片或體積內，尖端跟蹤裝置20也基本在所重建的圖像中不可見。用於基本不可見的解調量取決於諧振電路22的品質因數。
參考圖3和4，光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30的優選實施例包括矽金屬-氧化物-半導體(MOS)電容器，該電容器具有p+矽襯底50和布置在該襯底上的較輕摻雜p型矽層52。較輕摻雜p型矽層52通過外延矽沉積形成並且摻雜濃度優選為約1016cm-3到約1017cm-3，更優選為約5×1016cm-3。可以在外延生長期間或通過諸如離子注入的後續處理，引入較輕摻雜p型矽層52的摻雜。p+/p矽結構可以通過其它方法形成，例如通過以輕摻雜襯底開始，並通過摻雜劑擴散或合適的p型摻雜物的離子注入形成p+/p摻雜結構。
布置在較輕摻雜p型矽層52上的絕緣層包括厚場氧化物54和布置在光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30的孔60的區域中的較薄孔氧化物56。氧化物層54、56是由較低摻雜p型矽層52的所選部分的氧化形成的合適的氧化物層。在另一方法中，氧化層54、56通過等離子體沉積或另外的沉積技術沉積。較薄孔氧化物56的厚度優選為約10nm到約20nm，更優選為約17.5nm。氧化層54、56的橫向尺寸由光刻技術適當地限定。
場電極62遍布在包括在孔60上的器件上。場電極62適合為諸如銦錫氧化物層的透明薄導電氧化物。在另一結構中，場電極62是多晶矽層。在一個實施例中，場電極62是厚度優選為200nm到500nm，更優選為約380nm的多晶矽層。場電極62應當足夠透光以允許光強Ilight的大部分穿透到較輕p摻雜半導體層52。在孔60外的一個或多個區域中的場電極62上布置接觸電極64。接觸電極64與布置在p+矽襯底50的背側的背側接觸電極66一起為光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30提供電接觸。在合適的實施例中，接觸電極64、66適合是厚度為約1微米的鋁層。
較輕摻雜p型矽層52的厚度被優選為基本與零電勢下較輕摻雜p型矽層52中的空間電荷區的厚度相一致。對於約5×1016cm-3的較低摻雜p型矽層52的優選p型摻雜水平，較輕摻雜p型矽層52的厚度優選為約200nm到約500nm，更優選為約300nm。這種厚度選擇被設計成使諧振電路22的品質因數最大化。
繼續參考圖3和4並參考圖5，光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30具有圖5所示的電壓-電容C(Ilight)特性。在暗條件下(即，無照射，或者換句話說照射強度Ilight＝0)，獲得圖5中標識的最小電容Cmin。隨著照射強度Ilight的增加，電容增大，直至最大值Cmax。最小電容Cmin和最大電容Cmax的絕對值與孔60的面積有關。圖4所示的基本正方形孔60的區域適合以孔60的直邊尺寸為特徵。表I示出了對於所述的具有p+/p摻雜矽結構50、52並具有孔60的各種直邊尺寸長度的光敏金屬-氧化物-半導體，最小電容Cmin和最大電容Cmax的典型值。
表I-電容值優選地，諧振電路在磁共振圖像中可見的調諧諧振頻率對應在最小電容Cmin和最大電容Cmax中間的電容。在這種設置中，通過對照射強度Ilight適當準確的調整，調諧諧振頻率可以準確地被調整以對應由磁共振成像掃描器16測量的磁共振頻率。而且，將諧振電路22設計成使得中間電容提供調諧共振頻率允許調諧共振頻率被上下調整以適應，例如由磁共振成像掃描器16施加的不同磁場導致的磁共振頻率偏移。然而，也可以預見到將尖端跟蹤裝置20設計成使得最小電容Cmin對應用於可視的調諧共振頻率，或將尖端跟蹤裝置20設計成使得最大電容Cmax對應用於可視的調諧共振頻率。
所述的光敏金屬-絕緣體-半導體電容器僅為示例性的。本領域普通技術人員可以構造其它具有適合特殊應用的電容特性的光敏金屬-絕緣體-半導體電容器。例如，一個或兩個氧化層54、56可以通過等離子體沉積或另外的沉積技術沉積氧氮化矽層、氮化矽層或等替換。同樣，n+/n摻雜半導體結構可以替換p+/p摻雜半導體結構50、52。而且，諸如砷化鎵基光敏金屬-絕緣體-半導體電容器的III族-V族化合物半導體基光敏金屬-絕緣體-半導體電容器可以替換所述的矽基光敏金屬-絕緣體-半導體電容器。
對於該示例性矽基光敏金屬-絕緣體-半導體電容器，光源40適合是發射可見光或近紅外光的發光二極體或雷射器。在一個優選實施例中，適合使用輸出約650nm到900nm的波長範圍的光的雷射二極體。如果光敏金屬-絕緣體-半導體電容器包括帶隙大於矽的半導體材料，優選使用輸出光波長大於所述半導體材料的帶隙的較短波長光源。
重新參考圖1並進一步參考圖6，描述了在導管10的尖端14的尖端跟蹤裝置20的一個合適的實施例。在圖6的實施例中，光敏金屬-絕緣體-半導體電容器被直接粘合在導管10的尖端14。電感線圈32也粘合在導管10的尖端14。分立的組件30、32可以使用透明環氧樹脂、丙烯酸粘合材料等粘合。優選地，尖端跟蹤裝置20由收縮套管70、封裝環氧樹脂、制陶材料等封裝以氣密封並電絕緣尖端跟蹤裝置20。
優選地，尖端跟蹤裝置20的尺寸足夠小使得尖端跟蹤裝置20作為一個點的解析度顯示在所重建的磁共振圖像上。導管10的直徑通常為約2mm或更小。例如在一個實施例中，導管的外徑為1.6mm。尖端跟蹤裝置20的長度優選小於成像切片的厚度dslice。典型地，對於在尖端跟蹤期間執行成像，切片厚度dslice為約6mm到約10mm。在一個優選實施例中，尖端跟蹤裝置20長度約為3mm。
圖6的實施例存在某些缺點，在該實施例中光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30和線圈32直接粘合到導管10的尖端14。將電路組件30、32粘合併且彼此電連接在細長的導管10的尖端14上是困難的。而且，這種方法使得如果跟蹤裝置失靈或如果導管與具有不同主磁場強度的不同磁共振掃描器一起使用時，難以替換尖端跟蹤裝置20。(當然，取決於與照射相關的電容範圍和相應的可選共振頻率的範圍，通過調整照射強度，該LC電路可以適合不同的掃描器)。另外，導管10的尖端14可能包括易碎或熱敏組件，所述組件可能在光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30和線圈32粘合和互連期間被損壞。
參考圖7，描述了另一尖端跟蹤裝置20』。尖端跟蹤裝置20』是在由塑料或另一電絕緣材料製造的中空圓柱絕緣套管74上形成的混合電路。該光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30在此是如前所述的分立元件，該元件粘合到中空圓柱絕緣套管74的外表面。線圈32由多個互相電連接的印刷電路線圈32』替換，該線圈布置在中空圓柱絕緣套管74的外表面。在一個實施例中，沉積幾個完整的共振電路，每一個均包括一個金屬-絕緣體-半導體電容器30和多個互相電連接的印刷電路線圈32』。這些電容器30可以由一個光纖36尋址，或每個電路可以由單獨的光纖36尋址。印刷電路線圈32』優選是使用平版印刷技術在圓柱套管74上形成的薄銅膜或另一種導電材料，所述的平版印刷技術通常用於在印刷電路板、平面微波電路布圖等上形成電跡線。光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30使用合適的方法與印刷電路線圈32』連接，所述的方法例如是引線接合法或引線接合以連接接觸電極64與直接表面粘合以連接背側接觸電極66相結合的方法。
中空圓柱絕緣套管74限定了混合電路尖端跟蹤裝置20』的長度，所述套管的長度約為3mm或更短。除了保持混合電路尖端跟蹤裝置20』接近或小於圖像解析度以外，圓柱套管74應當保持短小以減少其對導管10的柔性的影響。中空圓柱絕緣套管74的內徑被設定尺寸以安裝在導管10的尖端14上。中空圓柱絕緣套管74優選有摩擦地保持在導管10的尖端14上。優選使用類似圖6的收縮套管70的收縮套管、環氧樹脂或丙烯酸密封劑等以至少氣密密封尖端跟蹤裝置20』的共振電路。更優選地，收縮套管或密封劑還遍布和超過圓柱套管74以將尖端跟蹤裝置20』固定到或有助於將其固定到導管10的尖端14。
形成一個或多個圍繞中空圓柱絕緣套管74布置的共振電路的多個印刷電路線圈32』的使用，減少了共振電路與由磁共振成像掃描器16產生的射頻激勵脈衝的耦合強度的方向性，並且減少了響應激勵脈衝由線圈32』輸出的射頻共振信號的方向性。而且，使用印製電路使得尖端跟蹤裝置20』具有較小輪廓，這有利於將所述裝置插入到對象12內。可選地，在將光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30粘合到圓柱套管74之前，光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30的p+矽襯底50被減薄，以減少光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30從圓柱套管74的向外突出。通過使光纖36平行於套管74行進並提供側面光耦合同樣可隨意減小尖端跟蹤裝置20』的外形，所述的側面光耦合例如通過使用以45°角劈開的光纖尖端將光纖36耦合到光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30，以使光支路改變方向進入到光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30的孔60來實現。
雖然在圖7中示出多個相互電連接印刷電路線圈32』被布置在套管74上，但也可以預見將印刷電路線圈直接布置在導管10的尖端14的表面上，以使印刷電路線圈直接在導管10的尖端14上形成。這樣，該混合諧振電路可以被直接布置在導管10的尖端14上而不是布置在套管74上。
重新參考圖1，在插入導管10的期間，磁共振成像掃描器16優選迅速重複快速掃描序列，所述的快速掃描序列顯示了尖端14在對象12內的位置。為此，通過採集連續相鄰圖像切片的成像數據實現的三維體積成像對於提供有效的實時尖端跟蹤來說過於慢。在一個優選實施例中，尖端跟蹤以如下方式執行。首先以非空間選擇方式使感興趣體積勵磁。這可以通過例如施加沒有片選梯度或具有長振動周期(wideslab)的射頻激勵脈衝或切片選擇脈衝來實現。然後，在磁共振讀出期間，沿垂直於切片方向的投影方向施加磁場梯度以採集投影數據。在磁共振讀出期間，磁場梯度優選沿圖1中的z方向施加。如此，產生垂直於切片的一維投影。
參考圖8，示意性示出了用上述方法獲得的投影數據。背景信號80對應沿投影的每個空間位置處來自對象12的磁共振強度。對於軸向投影，投影的每個空間位置對應軸向切片。在對應包含尖端跟蹤裝置20的圖1中所示的軸向切片24的空間位置中，由於由尖端跟蹤裝置20輸出的另外的共振信號，觀測到較大的或增強的磁共振投影信號82。根據信號82，確定包含尖端跟蹤裝置20的切片。優選地，隨後使用片選磁場梯度施加切片成像序列，以選擇用於成像的切片24。所重建的切片24的圖像包括尖端跟蹤裝置20的圖像，從而將尖端跟蹤裝置20定位在三維空間中。可選地，諸如在所選切片24的各側的相鄰切片的幾個相鄰切片也可以被成像，以提供薄體積圖像。重複執行這種包括投影測量和單或多切片成像的這種跟蹤序列，以提供導管10的尖端14的實時跟蹤。或者，可以產生沿x和y軸的二維投影圖像，而不是一維投影。沿x和y軸的投影圖像給出了跟蹤裝置的x、y和z坐標，使跟蹤裝置能夠在成像期間被解調，以避免在診斷圖像中產生假象。優選地，可以在診斷圖像上由投影圖像確定的位置上添加標記。
在一些例子中，增強的信號82接近背景信號80。在一種方法中，背景信號基本被除去。兩個投影測量被快速連續執行，一個在尖端跟蹤裝置20被調諧到調諧諧振頻率的情況下執行，其中尖端在磁共振圖像中可見，另一個在尖端解調且基本不可見的情況下執行。將兩個投影相減結合以基本去除背景信號80，從而剩下增強信號82。然而，如果對象12運動或如果兩個連續投影測量之間磁化狀態改變，連續成像方法可能容易變模糊。
在對固運動產生的模糊不敏感的改進的背景去除方法中，採集單個投影。在投影k空間數據的讀出採集期間，調節光源40以將尖端跟蹤裝置20的共振頻率在可見狀態和不可見狀態之間調節。優選地，k空間是兩倍過採樣的，並且跟蹤裝置可見和不可見數據點被交替採集。為了重建，屬於每一狀態的k空間數據點被單獨傅立葉(Fourier)變換到空間域，並相減結合以基本去除在那個空間位置的噪聲信號。在這種方式中，在各空間位置相減結合的調諧和解調投影測量之間的時間分離被減小到調諧(可見)和解調(不可見)狀態之間的切換時間。有利地，包括光敏金屬-絕緣體-半導體電容器30的尖端跟蹤裝置20可以以約2微秒到約4微秒的循環周期在可見和不可見狀態之間循環，所述循環周期快到足以基本消除因運動引起的模糊或其它不希望差異來源。
雖然已經參考尖端跟蹤裝置20描述了各種尖端跟蹤過程，但它們也適合使用混合電路尖端跟蹤裝置20』或另外的使用一個或多個金屬-絕緣體-半導體電容器元件的尖端跟蹤裝置來實施。實際上，混合電路尖端跟蹤裝置20』適合替換圖1的介入系統中的尖端跟蹤裝置20，用於在由磁共振成像掃描器16監控時對病人12執行介入過程。而且，雖然尖端跟蹤裝置20、20』已經被描述為定位在導管10的尖端14，但也可以預見將諸如跟蹤裝置20、20』的一個或多個跟蹤裝置布置在沿著導管10的另外位置，以提供沿導管的點的坐標。
已經參考優選實施例描述了本發明。顯然，在閱讀和理解前述的具體說明的基礎上可以作出變更和變換。這意味著本發明可以被解釋為包括所有那些落入後附權利要求範圍內的變更和變換或其等效替換。
權利要求
1.一種用於在有關對象(12)上執行並由磁共振成像監控的介入過程中的介入器械，該介入器械包括適合插入有關對象(12)內以執行介入過程的元件(10)；設置成傳遞光到元件(10)上的選定位置(14)的光纖(36)；布置在元件(10)上的選定位置(14)的諧振電路(22)，該諧振電路(22)包括具有線圈電感的線圈(32，32』)和光敏金屬-絕緣體-半導體電容器(30)，所述電容器(30)與光纖(36)光耦合併具有由光纖(36)傳遞到其的光強決定的可選電容，諧振電路(22)的選定諧振頻率由線圈電感和所選定的電容確定，所述選定共振頻率可通過調節光強度來選擇以對應由磁共振成像檢測的調諧共振頻率。
2.根據權利要求1所述的介入器械，其中諧振電路(22)是具有對應線圈電感的電感和對應所選電容的電容的LC電路，且諧振電路(22)的所選共振頻率與電感和電容的乘積的平方根的倒數成比例。
3.根據權利要求1所述的介入器械，還包括套管(74)，諧振電路(22)布置在其上，該套管(74)被布置在元件(10)的尖端(14)上。
4.根據權利要求1所述的介入器械，還包括布置在諧振電路(22)上的收縮套管(70)，該收縮套管(70)氣密性地密封該諧振電路(22)。
5.根據權利要求1所述的介入器械，其中諧振電路(22)是混合電路，其包括包含線圈的印刷電路(32』)；以及包含光敏金屬-絕緣體-半導體電容器的分立半導體器件(30)，該分立半導體器件(30)與印刷電路(32』)電耦合。
6.根據權利要求1所述的介入器械，還包括一個或多個布置在所述元件(10)上的其它選定位置的另外的諧振電路。
7.根據權利要求1所述的介入器械，其中光敏金屬-絕緣體-半導體電容器(30)是矽基金屬-氧化物-半導體(MOS)器件。
8.根據權利要求1所述的介入器械，其中光敏金屬-絕緣體-半導體電容器(30)包括重摻雜半導體襯底(50)；布置在重摻雜半導體襯底(50)上的較輕摻雜半導體層(52)；布置在較輕摻雜半導體層(52)上的絕緣層(56)；以及布置在絕緣層(56)上的導電層(62，64)。
9.根據權利要求8所述的介入器械，其中較輕摻雜半導體層(52)的摻雜被選成使得在零電勢下較輕摻雜半導體層(52)的空間電荷區的深度基本與較輕摻雜半導體層(52)的厚度一致。
10.根據權利要求1所述的介入器械，其中光敏金屬-絕緣體-半導體電容器(30)包括被配置成最大化調諧共振頻率下諧振電路(22)的品質因數的n-n+摻雜半導體層結構和p-p+摻雜半導體層結構(50，52)之一。
11.根據權利要求1所述的介入器械，其中元件(10)是管狀和柔性的；以及光纖(36)放置在柔性管狀元件(10)的腔內。
12.根據權利要求1所述的介入器械，其中調諧共振頻率對應由光纖(36)傳遞的一光強度，該光強度是可由光纖傳遞的最小強度和最大強度的中間值。
13.一種用於在相關對象(12)上執行由磁共振成像監控的介入過程的系統，該系統包括用於執行磁共振成像的磁共振成像掃描器(16)；以及根據權利要求1所述的介入器械。
14.根據權利要求13的系統，還包括用於控制該系統以執行跟蹤過程的控制器(44，46)，所述跟蹤過程包括在包含元件(10)上的選定位置(14)的三維體積中激勵磁共振；沿垂直於成像切片(24)的投影採集磁共振數據；在採集磁共振數據期間，調節由光纖(36)傳遞的光強度以在調諧共振頻率和磁共振成像掃描器檢測不到的解調共振頻率之間調節所選共振頻率；以及處理磁共振數據以產生基本表示由諧振電路(22)產生的磁共振信號(82)的投影數據。
15.一種用於製造根據權利要求1的介入器械的方法。該方法包括以下步驟之一在元件(10)上的選定位置(14)上滑動套管(74)，諧振電路(22)布置在套管(74)上，在套管(74)上形成限定線圈(32，32』)的平板印刷圖形化膜(32』)，將光敏金屬-絕緣體-半導體電容器(30)粘合到套管(74)，將平板印刷膜(32』)和光敏金屬-絕緣體-半導體電容器(30)電連接以定義諧振電路(22)，並在元件(10)上的選定位置(14)滑動套管(74)，諧振電路(22)布置在套管(74)上，以及將定義線圈(32，32』)的分立電感元件(32)粘合到元件(10)上的選定位置(14)，將光敏金屬-絕緣體-半導體電容器(30)粘合到元件(10)上的選定位置(14)，並將該分立的電感元件(32)和光敏金屬-絕緣體-半導體電容器(30)電連接以定義諧振電路(22)。
16.一種使用根據權利要求1所述的介入器械的方法，該方法包括在包含元件(10)上的選定位置(14)的體積中激發磁共振；採集k空間數據；為了採集k空間數據，對傳遞到光敏金屬-絕緣體-半導體電容器(30)的光強度進行強度調節以在調諧共振頻率和磁共振成像檢測不到的解調共振頻率之間調節所選共振頻率；將使用被調諧到調諧共振頻率的所選共振頻率採集的k空間數據傅立葉變換成第一空間數據集；將使用被解調的所選共振頻率採集的k空間數據傅立葉變換成第二空間數據集；以及相減結合該第一和第二空間數據集以產生相減結合的數據集。
17.一種使用根據權利要求1所述的介入器械執行的血管內成像方法，該血管內成像方法包括將包括所選位置(14)的元件(10)的至少一部分插入到有關對象(12)內；在元件(10)插入有關對象(12)內並且被傳遞到光敏金屬-絕緣體-半導體電容器(30)的光強度選擇調諧共振頻率時，採集磁共振跟蹤數據；基於所述磁共振跟蹤數據確定在有關對象中元件(10)上所選位置(14)的位置坐標；在元件(10)插入有關對象(12)內並且被傳遞到光敏金屬-絕緣體-半導體電容器(30)的光強度選擇磁共振成像檢測不到的解調共振頻率時，採集血管內磁共振成像數據；以及重建血管內磁共振成像數據以形成重建圖像。
全文摘要
一種跟蹤裝置(20，20』)，在有關對象(12)上執行並由磁共振成像監控的介入過程期間用於跟蹤諸如導管(10)的介入器械的尖端(14)，所述跟蹤裝置包括布置在導管(10)的尖端(14)的諧振電路(22)。諧振電路(22)包括具有線圈電感的線圈(32，32』)和光敏金屬－絕緣體－半導體電容器(30)，所述的光敏金屬－絕緣體－半導體電容器與光纖(36)光耦合併具有由光纖(36)傳遞到其的光強度確定的可選擇電容，諧振電路(22)的所選諧振頻率由線圈電感和所選電容確定。共振頻率通過調節傳遞到光敏金屬－絕緣體－半導體電容器(30)的光強度來調節。
文檔編號A61B5/055GK1849521SQ200480025831
公開日2006年10月18日 申請日期2004年9月1日 優先權日2003年9月9日
發明者J·C·米勒, S·韋斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司