专利名称：具有一次性使用的针状探头的光学活组织检查系统的制作方法
本申请要求享有2003年3月17日提交、题目为“具有一次性使用的针状探头的光学活组织检查系统”的美国临时专利申请系列No.60/455,536的优先权，通过引用并入本文。
本申请要求享有2004年3月17日提交、题目为“具有一次性使用的针状探头的光学活组织检查系统”、Docket No.为BL-4NPROV的美国专利申请系列No.＿＿＿＿的优先权，通过引用并入本文，Luiz B.Da Silva为申请人。
背景技术：
发明领域本发明涉及使用组织的光学测量以精确测定组织类型和状态的组织诊断探头和系统。
相关技术的描述在美国每周约有19,000例对妇女进行的开放式外科乳腺活组织检查。仅发现约3000例癌症。因此，这些活组织检查中的约85％是不必要的。这意味着由于在诊断乳腺中癌变组织的不确定性，在美国每周约有16,000个妇女进行了不必要的开放式外科乳腺活组织检查。
由于开放式外科乳腺活组织检查对患者是侵入性和创伤性的，因此人们]很希望能避免该检查。在外科活组织检查中，异常组织的待检位置将利用薄的钩状准绳来标记。外科医生循着准绳直至待检异常组织的位置并切除可疑区域。开放式外科活组织检查是活组织检查中最普通的形式，对患者来说是侵入性的、令人痛苦的且希望避免的。开放式外科活组织检查还可能留下疤痕组织，这可能使将来乳房X线照片的诊断能力变得模糊，从而给患者带来了严重的障碍。
活组织检查的另外一种形式是大芯径针活组织检查(14号针头)。标准芯径活组织检查移除1mm×17mm芯径的组织。大芯径针活组织检查比外科活组织检查的侵入性小，但仍去除一些不需要去除的组织。
活组织检查的另外一种形式是微针吸入式活组织检查。在这种活组织检查中，吸出少量的细胞用于细胞学分析，这种方法是微创的。但是，利用微针吸入的一个缺点是精确性差。这种精确性差由采样量小所导致，这使得精确细胞学诊断变得困难。
常规活组织检查方法的另一个缺点是实验室核查和分析切除的样品组织需要的时间较长。通常，从第一次检查到最后的诊断可能需要等待约两个月的时间。因此，许多妇女在等待最后确诊的同时可能经历强烈的不安。
人们已经研发出各种方法和装置来测量组织的物理特征，以试图区分癌变和非癌变组织。例如，Strobl等人的美国专利No.5,303,026(Stroble专利)描述了一种用于散射介质如生物组织光谱分析的设备和方法。更具体而言，Stroble专利描述了一种用于实时产生和收集来自施加有多重激发波长的样品组织的荧光、反射、散射和吸收信息的设备和方法。
Tiemann等人的美国专利5,349,954也描述了一种用于表征组织的设备。该设备还包括中空针，用于将光从单色仪通过针传送到所期望的组织区域。在针的轴中设置有具有光敏表面的发光二极管，该光敏表面从轴朝向外，用于探测来自组织区域的背散射光。
Coppleson等人的美国专利5,800,350公开了一种用于组织类型识别的设备。具体而言，该设备包括一种探头，该探头设计用于接触组织并使所述的组织经受众多不同的刺激如电、光、热、声、磁场，并探测对刺激的各种物理响应。该设备还包括组合处理各种响应以便将组织分类的处理器。该处理利用提供给设备操作者的组织类型指示(例如正常、癌变前期/癌变或未知)实时进行。
Mah等人的美国专利6,109,270和Hular等人的美国专利申请系列No.09/947,171公开了用于组织表征的多峰形性(multimodality)设备。虽然Mah等人和Hular等人描述的多峰形性探头能提供可能的更高精确性(例如灵敏性和特异性)，但一次性使用的多峰形性探头的生产却比较昂贵。
考虑到现有活组织检查技术的一些局限性，人们需要便宜、方便且可靠的能够提供组织类型和状态实时分析的一次性使用的探头。本发明满足了这种需要。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种供医生使用以在较宽的波长范围(通常为300nm-1000nm)精确测量组织光学特征的方法和系统。
本发明的另一个目的是提供一种供外科医生使用以确定可疑的损伤是癌组织还是正常组织的系统。
本发明的另一个目的是提供一种供外科医生使用以快速诊断乳腺癌的低成本一次性使用的探头和系统。
本发明的一个目的是提供一种供医生使用以在较宽的波长范围精确测量组织的光学特征的方法和系统。
本发明的另一个目的是提供一种供外科医生使用以确定可疑的损伤是癌组织还是正常组织的系统。
本发明的一些实施方案包括一次性使用的针状探头，该探头包含用于在针状探头远端发送和聚集光的光纤维。该一次性使用的针状探头可以和包含传感器的手柄连接，所述手柄用于监控探头如何工作。例如，手柄中的传感器可以包括探测组织中探头深度的力传感器和位置传感器。手柄可以通过缆线与控制单元连接，所述控制单元可以包括光源、光探测器、控制电子设备和用于分析所收集数据的一个或多个微处理器。
在另一个实施方案中，针状探头的内芯含有沿外部金属护层的电导体，该电导体包含用来在一个较宽的频率范围(如1KHz-1MHz)内检测组织电特性的电极对。控制电子设备内的软件分析所测得的电特性并确定组织的类型和可能的组织状态。利用电特性分辨组织的类型和状态在大量的文献中已经记载；在通过引用并入本文的下列一系列文献中我们可以获得一个全面的了解C.Gabriel，S.Gabriel，E.Corthout，Thedielectric properties of biological tissuesI，Phys.Med.Biol.41，2231；S.Gabriel，R.W.Lau and C.GabrielThe dielectric properties of biological tissuesII.Measurements in thefrequency range 10Hz to 20GHz，Phys.Med.Biol.41，2251(1996)；S.Gabriel，R.W.Lauand C.GabrielThe dielectric properties of biological tissuesIII.Parametric models for thedielectric spectrum of tissues，Phys.Med.Biol.41，2271(1996)。
在正常的运用中，医生使用新的无菌探头并将它连接到手柄。然后系统被激活并且光从探头的远端出去。接着医生把该探头插入组织并操纵它直至可疑病变处。在整个插入期间，系统测量了组织的光学特性，这些光学特性随后可以得以分析以确定组织的类型和状态。
可以调节探头-手柄连接器，仅使得探头在一个方位上被连接并因此对准全部光纤。在一个实施方案中，手柄内的光纤和探头临近连接(proximity coupled)。在可替代实施方案中，手柄含有连接从手柄至探头或是从探头至手柄的光的光学透镜。
控制单元含有例如白光源，用于测量组织的吸收和散射特性。在控制单元中可以设置激光器以激发组织荧光。在控制单元中可以设置光栅光度计和过滤检测器以测量散射光和荧光发射。各种源和检测器可用于控制单元中，我们可以从通过引用并入本文的“Tissue OpticsApplications in Medical Diagnostics and Therapy”SPIE MS102，Editor Valery V.Tuchin，得到全面的了解。
手柄可以包括可测量施加到探头上以刺穿组织的力的传感器。系统可利用该信息定位在许多情况下比正常组织僵硬的损伤。特别是对于乳腺组织更是如此。手柄还可以包括检测组织中探头深度的位置传感器。在一个实施方案中，位置传感器连接到可滑动护层，该可滑动护层同轴安置在探头的一次性使用针状部分上。
在本发明的另一个变式中，用反射涂料涂敷光纤维从而减少来自纤维之间连接的散杂光。铝涂层是一种合适的涂层。
本发明的另一个变式在光纤维之间使用光吸收聚合物从而减少来自纤维之间连接的散杂光。
本发明的另一个变式包括如上所述的探头，其中该探头还包括能够存储有关探头的有用信息的存储器。
本发明的另一个变式包括手柄和含有基准光纤维的缆线。所述基准光纤维从控制器延伸，通过柔性缆线连接到手柄，并且进入到手柄内。所述基准光纤维具有远端并且远端包含用于反射光线的反射涂层。
本发明的另一个变式包括如上所述的探头，其中该探头还包括单模光纤维以实施光干涉域反射测定(OCDR)。
本发明的另一个变式包括如上所述的探头，其中该探头是锋利的。在另一个变式中，以小于70度的角度、优选30-70度的角度削切并抛光探头的远端。
本发明的另一个变式包括具有众多纤维和电导体的探头。这种变式特征还在于具有同轴安置在探头的一次性使用针状部分上的可滑动护层。当探头插入组织中时该护层可以从远端缩回。这种变式还可以在手柄中包括位置传感器，该传感器被构置用于读出护层相对于探头远端的位置。
本发明的另一个变式包括用于识别组织的方法，该方法包括人工插入如上所述的任意一个探头。
本发明的另一个变式是组织探测系统，该探测系统包含具有众多光纤维的一次性使用针状探头。该系统还包括具有集成的力和位置传感器的手柄，并且缆线连接到构置用于通过众多光纤维发送和收集光的控制单元。
本发明的其它方面和特征将在下文的描述中部分得以阐述，其它方面和特征对于本领域技术人员而言在阅读下文时部分将变得显而易见，或通过实施本发明而了解。
附图简述并入并构成本公开内容一部分的附图阐述了本发明的实施方案，并且和说明书一起来解释本发明的原理。
图1示出诊断系统的一个实施方案的主要组件。
图2所示为通过一次性使用的针状探头部分中心的详细横截面视图。
图3所示为能够结合到一次性使用的针状探头之中的各种光纤维构造。
图4所示为穿过手柄的详细的横截面视图。
图5所示为穿过手柄的另一个实施方案的详细的横截面视图。
图6所示为两种不同组织类型的测量光谱。
具体实施例方式
图1说明了本发明的主要组件。一次性使用的针状探头10连接到手柄20，手柄20通过缆线30与电子控制单元40相连。该控制单元包括输入装置50(例如键盘)和为医生提供与探头10尖端附近组织相关之信息的显示器60。具有集成光纤维的探头10在远端尖头附近发射并收集光，利用电子控制单元40测量并分析这些光，从而确定组织的类型和状态。缆线30包含光纤维和电线。
图2所示为通过探头10中心的详细横截面视图。探头10包含外金属护层100，护层100与包含光纤维120的内芯110粘合。在一个实施方案中，探头含有众多多模光纤维120。在可选实施方案中，探头含有众多多模和单模光纤维。可选的电导体125也可以集成到内芯110中。当和外金属护层100结合时，电导体125可用于测量组织的电特性。
滑行护层130用于测量组织中探头的深度。当探头插入组织中时，滑行护层130沿探头的针状部分上下滑动。当连接护层的近表面135时，可使之与手柄20中的位置传感器接触。利用锁紧环140连接探头10和手柄20。定位楔(alignment key)145确保探头10与手柄20正确的对准从而在光纤维之间实现高耦合效率。抛光表面150并且在一个实施方案中表面150直接与手柄中的光学表面接触。外金属护层100与标准医用针相似，利用本领域公知的技术制造。内芯110由生物相容性材料制成(例如聚氨酯、聚乙烯、玻璃、陶瓷)。可用生物相容性的胶或环氧树脂将光纤维120内芯110和金属护层100粘合在一起。
图3A-3E所示为用于各种光纤定位的探头10的远端尖头。在图3A中表示的最简单的构造包含外金属护层100和具有两个嵌入式多模光纤维的内芯110。纤维E用于发射光线，第二纤维C收集最初由第一纤维E发射的散射光。图3B-3D所示为具有多个收集纤维C和荧光纤维F的构造，该构造能同时发射和收集光。虽然图中显示所有的纤维具有相同的直径，但也可以使用尺寸相互不同的纤维。光纤维中的一个也可以是用于实施光干涉域反射测定的单模纤维。在一个替代实施方案中，图3E，其中一个光纤维被电导体200替代，用于测量组织的电特性。图3F表示另一替代施方案，其中电导体200和众多光纤维(C、E、F)以一封闭包装取向集成在探头中。电导体200可以是单导线、同轴电缆或多重导线。
图4所示为手柄20横截面视图，图中展示了关键组件。外壳500包围着力传感器510、位置传感器520、电子板530以及具有集成光纤维545的刚性轴540。轴上的楔560紧密结合探头10的楔槽145(见图2)，从而使手柄20中的光纤维545和电导体555与探头10中的光纤维120和电导体125分别准确对准并连接。抛光对接尖端的表面550以提高手柄20和探头10之间的光耦合。在一个实施方案中，以一定的角度(如8度)抛光对接尖端的表面550和探头表面150以减少背反射。力传感器510测量施加在轴540远端的力。有很多能够被整合到手柄之中的力传感器(例如应变仪、触感传感器、压电力传感器)。位置传感器520测量滑行环525的位置，该滑行环由集成在探头10之中的滑行护层130驱动。与滑行环525连接的弹簧522维持滑行环525和滑行护层130之间的接触。有很多能够被整合到手柄之中的位置传感器(例如电位传感器、光学传感器、电容传感器)。可以在Jacob Fraden的“Handbook of ModernSensorsphysics，designs，and applications”第二版中发现适当的传感器的描述，通过引用并入本文。电子板530调节力传感器510和位置传感器520的信号并且通过集成在缆线30之中的线535将它们传输。在一个实施方案中，电子板530包含模拟数字转换器并且以数值的形式传送测量结果。
图5所示为另一种手柄20的横截面视图，图中示出了关键组件。在该实施方案中，集成在手柄轴540之中的自聚焦透镜(grin lens)600将手柄光纤维545和探头10光纤维120之间的光耦合。当手柄20和探头10连接时，在自聚焦透镜和探头光纤维之间的气隙将减少连接时损伤光学表面的风险。
图6所示为正常的和癌变的乳腺组织的测量光谱。利用具有一个发射纤维和一个收集纤维的针状探头来获取数据。520nm和600nm之间的吸收特征由血液吸收所致。
本发明应用的变化形式非常广泛。例如，本发明可用于检测乳腺中的癌变组织。本发明的探头还可用于表征身体其它部位中发现的其它类型的异常。如上所述，本发明的探头可用于活体内，或者，该探头可在体外用于鉴别组织。优选地，本发明的探头设置用来在探头尖端插入样品组织中时实时而连续地测量组织的特征。来自探头的多个传感器的信号立即被处理从而快速诊断、鉴别或表征组织。
本发明的装置还可结合其它医疗器械一起使用。例如，可以通过插管或者其它用于医疗过程的管状构件将探头插入。
在本说明书(包括任意附属的权利要求、摘要和附图)中公开的所有功能部件和/或公开的任意方法或工序的所有步骤可以任意组合，除非在组合中至少有一些功能部件和/或步骤相互排斥。在本说明书(包括任意附属的权利要求、摘要和附图)中，每一种所公开的功能部件都可以被其它用于相同、相当或相似目的的功能部件所替换，除非另有特别的说明。因此，除非另有特别的说明，公开的每一个功能部件仅仅是同属一系列相当或相似功能部件中的一个例子。本发明并不限于前述实施方案的细节。本发明可扩延至本说明书(包括任意附属的权利要求、摘要和附图)中所公开的功能部件的任意新颖的一个或者是功能部件的任意新颖的组合，或者扩延至本说明书(包括任意附属的权利要求、摘要和附图)所公开的任意方法或工序的步骤的任意新颖的一个或者是任意一个新颖的组合。
权利要求
1.一种诊断系统，包括手柄和控制系统；和用于确定组织类型和状态的装置，其中所述装置与所述手柄可操作连接。
全文摘要
一种一次性使用的针状探头含有用于在针状探头远端发送和聚集光的光纤维。该一次性使用的针状探头可以和包含传感器的手柄(Handpiece)连接，所述传感器用于监控探头如何工作。例如，手柄中的传感器可以包括探测组织中探头深度的力传感器和位置传感器。手柄可以通过缆线与控制单元连接，所述控制单元可以包括光源、光探测器、控制电子设备和用于分析所收集数据的一个或多个微处理器。
文档编号A61B6/00GK1784173SQ200480012076
公开日2006年6月7日 申请日期2004年3月17日 优先权日2003年3月17日
发明者路易兹·B·达·席尔瓦 申请人:路易兹·B·达·席尔瓦