通过经阴道的nirs监测排尿动力学的制作方法

专利名称：通过经阴道的nirs监测排尿动力学的制作方法
技术领域：
本发明涉及生理学近红外光谱术(NIRS)领域。本发明更特别地涉及NIRS在泌尿 科诊断应用中的用途。
背景技术：
尿失禁或不自主漏尿是一种影响大部分人群的病症，但尤其在女性中普遍存在 (Melville等人2005)。尿失禁可以以不同形式存在，例如应激性尿失禁和急迫性尿失禁， 或两种形式的混合。尿节制依赖于很多因素，包括膀胱壁周围的逼尿肌松弛和尿道周围的 尿道括约肌及其结构(包括血管)的正确活性(Smith等人2006)。膀胱或尿道括约肌中肌 肉活性的异常还可能引起其他问题，例如膀胱过于活跃或排尿不净。导致膀胱功能异常(例如膀胱过于活跃或尿失禁)的膀胱逼尿肌的异常可能由例 如逼尿肌活性受损或逼尿肌的神经连接受损所引起(Semins和Chancellor，2004)。监测逼 尿肌的活性为泌尿科医师诊断或监测患有例如尿失禁或膀胱过于活跃之病人的膀胱功能 提供有用的信息。传统的尿动力学检测不能直接测定膀胱肌肉的活性。为此，已经应用了其 他的成像技术，但也不能提供膀胱肌肉活性的详细信息。例如，已经在膀胱充盈及排空实验 中应用超声波造影术(ultrasonography)来测定脊髓受损的动物的膀胱容量(Keirstead 等人2005)。在另一项研究中，使用多层平面回波成像术(multi-slice echo-planar imaging)来估测膀胱容量和其形态。导致尿失禁的尿道括约肌的缺陷或异常可由很多不同的因素引起，例如骨盆手 术、分娩以及骨盆损伤后尿道压迫和支托能力的丧失、腰骶神经病变以及由衰老引起的肌 肉强度的丧失(Macura等人2006)。可以利用大量的已有技术对尿道括约肌和其他结构例 如血管进行评估，例如尿动力学测定、膀胱尿道镜检查、膀胱尿道照相术、超声波造影术和 磁共振成像术(Macura等人2006)。仍需要改进设备和方法，以便对尿道括约肌及其结构的 活性和状态进行精确监测和/或成像。尿失禁通常可能与骨盆底肌强度弱和/或尿道括约肌强度弱有关，所述强度弱可 能是或不是由妊娠期间阴道分娩所引起。普遍认为强化骨盆底肌和/或尿道括约肌可能是 有益的，在妊娠中有助于妊娠期分娩和防止随后尿失禁的发生，或在非妊娠相关的情况下 例如改善或降低尿失禁的发生(Vasconcelos等人2006 ;de Oliveira等人2007)。在骨盆 底肌或尿道括约肌强化锻炼中利用生物反馈是一种提高这些练习的效果的方法。文献中 描述了几种在这些锻炼过程中进行生物反馈监测的方法，包括肌电图(electromyography， EMG)、阴道压力仪、超声波或测定阴道内压力(Peschers等人2001)。近红外光谱术(NIRS)是一种已经用于多种不同的生物医学用途的技术，例如监 测血液的氧合作用和血红蛋白含量、测定脑活性和评估不同的组织。在近红外光谱(特别 是700至llOOnm之间)中，身体中光的主要吸收者是存在于血红蛋白、氧基血红素、水和 脂质中的生色团。在实践中，NIR光穿透例如皮肤、骨、肌肉和软组织等组织时，被生色团吸 收。这些生色团对NIRS光的吸收能力不同，这取决于氧合的改变。由于可见光谱中(例如450-700nm)的光通常被不同的组织成分削弱，所以其只能穿透组织较短的距离。在近红外 光谱中，组织的穿透高得多，高至几厘米，从而允许对不同组织的性质进行非侵入性监测。 例如，美国专利公开2006/0276712公开了利用近红外光经皮肤监测膀胱逼尿肌的方法和设备。组织对近红外光的透明度与单个生色团的特定吸收光谱之间的独特关系是临床 近红外光谱学的基础。在利用NIRS的研究中，主要的目标生色团是血红蛋白，其在氧合状 态(02Hb)和脱氧状态(HHb)下对NIR光谱的消光系数(吸收的特征)不同。线粒体呼吸 链的终端酶细胞色素c氧化酶(CCO)也根据其氧化还原状态而对NIR光谱的吸光度不同， 尽管CCO对整体吸收的贡献比血红蛋白要少很多(大约十分之一)。临床上使用的大部分OTRS设备是连续性波长的装置，其具有发射多个波长的光 脉冲至组织中的激光器和检测未吸收的返回光子的传感器。非连续性波长下光吸收的变化 产生原始的光学数据，所述数据可以利用修正后的Lambert-Beer定律而经软件算法转换 成每个生色团的浓度变化。临床上应用的NIRS数据处理中的相关算法和软件也解决了由 人体组织的性质所带来的诸多局限性，包括NIR光的路径长度和因分散于视野之外而不能 被检测到的光子损失。体内光分散的完整区域范围通常是未知的，使得每个生色团的起始浓度也通常是 未知的。因此，临床上NIRS通常测定浓度相对于起始基线的浓度绝对变化。随着实时采样 和数据的图形转换，可以获得生色团浓度的变化模式及变化量，并用于推断被测组织中正 在发生的生理变化。这些变化包括02Hb增多或减少(一种对氧含量的间接测定)；总血红 蛋白增多或减少(血容量的变化)；02Hb突然减少，并同时伴有HHb增多(缺血)；和02Hb 逐渐减少而HHb增多(缺氧)。由于在线粒体中，细胞色素c氧化酶驱动> 95%的氧消耗 和腺苷三磷酸(ATP)合成，CCO氧化还原状态的变化可以提供细胞水平上有关电子传递和 氧化磷酸化的信息。阐明包括02Hb、HHb和CCO信号变化的NIRS数据可以深入了解氧的利 用、能量动力学和细胞运行是否良好。连续性波长的NIRS设备典型地包括以下元件a)用于每种被测生色团的至少一 个脉冲激光二极管。典型地，激光器发射1、2或4种波长介于729至920nm的近红外波长 范围之间的光，光谱宽度为5nm，脉冲以2kHz的循环频率持续100纳秒；b)光纤束，用于将 光从发射源传递至组织界面(探头或贴片)并回传至设备；c)光极，位于组织界面上，向 组织发射光并接收返回光子；d)光子计数的硬件(光电倍增器或光电二极管)；d)装有软 件的计算机，所述软件包含可以将原始光学数据转换成生色团浓度并储存和显示数据的算 法·’e) 一种视觉显示，其中NIRS数据典型地随时间以图形显示。一些设备提供了多波长的 选择，可以选择使用多于一个的数据通道对不同位点进行对比；几种设备还引入了额外的 空间分辨力，用以测定氧合的血红蛋白占组织全血红蛋白的比率，作为测定组织氧合作用 的指标显示；也可以利用发射器和接收器阵列以区域图的形式进行监测。

发明内容
本发明的多个方面涉及本文的如下示例可以经阴道的NIRS探头来探测功能性 泌尿组织，例如尿道括约肌、膀胱逼尿肌和骨盆底肌肉组织，以获得临床相关信息。本发明 相应提供利用NIRS对泌尿组织如尿道括约肌和/或膀胱和/或骨盆底肌肉组织进行经阴
5道监测或成像的方法和设备。在一个方面中，本发明提供一种近红外光谱分析系统，其适于经阴道监测靶组织 活性，例如为诊断目的对人患者进行非侵入性监测。靶组织可以为例如泌尿生殖肌肉，或与 尿动力学相关的其他组织，例如尿道括约肌和/或膀胱逼尿肌。该系统可以包括探头本体，其可以是例如长的和基本上管状的，具有基本上光滑 的外表面，其成形为插入由阴道壁限定的阴道腔中。探头本体可设置外部柄，有助于放置探 头，以恰当地定位光极。近红外光发射器可以容纳在探头本体中，例如其位置允许由发射器发射的近红外 光通过探头本体的发射器端口部分传至探头本体外。近红外光收集器也可以容纳在探头本 体中，与发射器间隔开，其位置允许由发射器发射的近红外光穿过阴道壁，与泌尿生殖肌肉 相互作用，并通过例如探头本体的收集器端口部分返回至探头本体，然后被收集器收集以 作为收集的光信号。探头本体的发射器和收集器端口部分可以为例如基本可透过近红外 光，或者可适于包括滤光器。近红外光信号源可设置为与发射器联通，以控制发射器的近红外光发射。近红外 光检测器可设置为与收集器联通，以检测所述收集的光信号。外部接口可以连接至探头，用 于与光信号源和光检测器联通，以例如允许操作人员在体外操作光信号源和监测所收集的 光信号。在一些实施方案中，近红外光发射器和收集器(光极)可以在探头本体内相隔光 极间距(interoptode distance)，所述光极间距能够产生光子通道，以最大程度地探测目 标组织，而不是目标组织表面或更深处的组织。因此，可以结合探头定位和光极间距来选择 靶组织，由此避开非靶组织例如阴道壁或骨盆内组织或膀胱内容物。可以选择探头和光极 的构造，例如使得能够对如下组织中的生色团浓度变化进行NIRS监测a)骨盆底的泌尿生 殖肌肉，b)膀胱后壁的逼尿肌，c)中段尿道的尿道括约肌和/或括约肌周围的脉管丛，和/ 或其他在解剖学上与阴道相关的生理学靶组织。外部接口可以设置为包括输出设备，并且所述接口可以设置为将指示泌尿生殖肌 肉活性的信息显示在所述输出设备上。在选定的实施方案中，第二红外光收集器容纳在探头本体中，与发射器间隔开。第 二红外光收集器的可以定位为允许发射器所发射的近红外光穿过阴道壁的第二部分，与第 二泌尿生殖肌肉相互作用，并通过例如探头本体的收集器端口部分返回至探头本体，然后 被收集器收集以作为收集的光信号。根据本发明的一个替代方面，提供了一种对靶组织进行经阴道的NIRS监测的方 法，例如非侵入性监测人患者。为了记录周期性或连续性监测信号，本发明的探头可以插入 由阴道壁限定的阴道腔中。可以操作与发射器联通的近红外光信号源，以控制发射器的近 红外光发射。还可以操作与收集器联通的近红外光检测器，以检测收集的光信号。还可以 操作输出设备，以显示指示靶组织例如泌尿生殖肌肉活性的信息。在一个替代方面中，本发明提供一种对靶组织例如泌尿肌肉活性进行非侵入性经 阴道监测的设备。该设备可以包括如上所述的探头本体和设置为与该探头本体联通的装 置，其包括用于向发射器传送近红外光信号的装置；和用于向体外传送收集的光信号的装 置。与探头本体联通的装置可以包括例如近红外光信号源，其与发射器联通以控制发射器的近红外光发射；和近红外检测器，其与收集器联通以检测收集器收集的近红外光。与探头 本体联通的装置还可以包括外部接口，其与光信号源和光检测器联通，以使操作人员操作 光信号源和在体外监测光检测器。本发明还提供对靶组织进行经阴道监测的方法，例如对泌尿肌肉活性进行非侵入 性监测。该方法可以包括将近红外光发射器置于阴道前穹窿(anterior vaginal roof)附 近的阴道腔中，使得该发射器发射的近红外光穿过阴道穹窿并与靶组织例如泌尿生殖肌肉 相互作用。可以将近红外光收集器设置在阴道前穹窿附近的阴道腔中，并与发射器间隔开， 以收集与泌尿生殖肌肉相互作用的光以作为收集的光信号。可以操作与发射器联通的近红 外光信号源，以控制发射器的近红外光发射。可以操作与收集器联通的近红外检测器，以监 测收集的光信号，其中所述收集的光信号提供有关泌尿肌肉活性的信息。探头可以例如成 形为使阴道壁与探头接合以向发射器端口和收集器端口加偏压，从而与阴道前穹窿并置。根据本发明的另一方面，提供一种对患者中的靶组织进行监测或成像以提供受试 者中组织的生物反馈监测的方法。该方法包括1)在患者体内或其上放置一个或更多个NIRS发射器和/或一个或更多个NIRS检 测器，使得所述NIRS发射器和/或收集器紧靠靶组织；2)从发射器发射NIR光至靶组织上或穿过靶组织，同时利用收集器收集从靶组织 反射的或穿过靶组织的NIR光；3)利用一个或更多个光检测器检测收集器所收集的NIR光；4)将NIRS数据传送至可以被感知的输出设备，以提供生物反馈监测。根据本发明的一些方面，靶组织可以是一个或更多个尿道括约肌、膀胱或骨盆底 肌组织。根据本发明的另一方面，NIR发射器和/或收集器可以是内部NIRS探头的组件。 根据本发明的另一方面，NIR发射器和/或收集器可以通过阴道插入体内并定位至靶组织 附近。发射器和/或收集器可以是阴道NIRS探头的组件。根据本发明的另一方面，NIRS 射器和/或收集器可以通过尿道插入体内并定位至靶组织附近。NIR发射器和/或收集器 可以是尿道NIRS探头的组件。根据本发明的另一方面，NIRS发射器和/或收集器可以通 过直肠插入体内并定位至靶组织附近。NIRS发射器和/或收集器可以是直肠NIRS探头的 组件。根据本发明的某些方面，可以提供生物反馈，以帮助进行为强化尿道括约肌和/或骨 盆底肌而设计的锻炼。该锻炼可以是Kegel锻炼。


图1示出利用本发明的经阴道OTRS探头收集的数据所进行的生物反馈监测，所述 探头包括光纤发射器和接收器。该图显示4个对尿道括约肌收缩(尿道括约肌)的NIRS 扫描。图2示出根据本发明收集的OTRS数据，其显示所有3个参数均表现稳定的基线 期，随后4次重复的骨盆底肌自主性收缩短暂保持，然后松弛(显示了每次收缩、松弛或静 止指令的时间)。图3示出利用本发明的经阴道NIRS监测系统在逼尿肌后壁(穿过前阴道壁)中 测量的自然排空时的生色团变化。图4示出利用本发明的经阴道NIRS监测系统收集的数据，其包括所有4个参数均表现稳定的基线期，随后4次重复的骨盆底肌自主性短暂保持并随后松弛。图5 利用图4中氧合血红蛋白的数据表明，在重复性肌肉收缩过程中测定NIRS 参数的情况下，Hb02变化率的斜率可用于量化骨盆底肌的生理反应/重新氧合。Hb02参数 代表耗氧量，藉此可以对肌肉的“健康”或其生理效力进行定量。在该实施例中通过阴道探 头获得的数据与文献中一致，其证明在锻炼过程中通过NIRS测定的肌肉氧合血红蛋白的 浓度变化反映了锻炼强度和代谢率(Boushel等人，1998)。图6 是阴道腔中放置有本发明NIRS探头的女性泌尿生殖道的示意图，其示出的 探头上的柄用于辅助光极的正确取向和放置。所示探头在其中线有一个发射器和两个传感 器。如图所示，位于探头末端的远端发射器和传感器的组合可以根据解剖位置定位且具有 光极间距，以允许穿过阴道前壁对膀胱逼尿肌进行NIRS监测。更近端的发射器和传感器组 合(更靠近探头柄)可以根据解剖位置定位且具有最佳的光极间距。图7 是成人Hb的消光系数和在NIR光谱内氧合血红蛋白(Hb02)、脱氧血红蛋白 (Hb)和细胞色素c氧化酶(CtOx)的吸光度变化的图示，其反映出如下事实本发明的替代 实施方案可以使用从约700nm至约1300nm的多种波长的近红外光(Delpy和Cope，1997)。图8 是本发明中用于经阴道探测膀胱逼尿肌的NIRS系统的构造的图示；其示出 在光极发射器和接收器之间穿过组织的“香蕉”状光子路径(图6中也有体内的图示)，以 及NIRS穿透的有效深度一大约为本发明探头的发射器和接收器之间间距的一半。图9 示出本发明的探头，其包括由配置为监测膀胱逼尿肌和中段尿道的一次性 透明塑料的阴道窥镜制成的本体。所示发射器和传感器(小的银色方块)显示为通过泡沫 嵌件固定。近端(括约肌)和远端(膀胱)的传感器和发射器与三根细纤维光缆连接。这 些元件通过光纤维接口(具有固定螺丝的黑块)从NIRS设备连接至标准直径的光缆(未 显示)。带壳窥镜的柄有助于在监测过程进行正确的定位和保持稳定。发明详述定义本文所用的“受试者”是指动物，例如鸟类或哺乳动物。具体的动物包括大鼠、小 鼠、狗、猫、牛、羊、马、猪或灵长类动物。所述受试者还可以是人，或者称为患者。所述受试 者还可以是转基因动物。所述受试者可以还是啮齿动物，例如小鼠或大鼠。术语“靶组织”是指受试者内可以用本发明的方法和设备分析的任何组织。所述 组织可以包括但不限于泌尿系统、生殖系统或消化系统的组织。靶组织还可以包括泌尿系 统、生殖系统或消化系统周围的或与之相连的组织。根据本发明的某些实施方案，靶组织可 以是膀胱组织。根据本发明的一些实施方案，靶组织可以是尿道括约肌组织。“尿道括约肌(urethral sphincter)”也可被称为“尿道括约肌(sphincter urethrae) 尿道括约肌是用于控制尿从膀胱中流出的肌肉的总称。这些肌肉包围在尿道 周围，尿道是将膀胱与体外相连并允许尿从膀胱流至体外的管道。当尿道括约肌收缩时，尿 道关闭。有两个不同的肌肉区域位于膀胱颈的内括约肌，和外括约肌或远侧括约肌。男性 的括约肌一般比女性强很多。“尿膀胱”，或本文中所称的“膀胱”，是一种中空的、可扩张的(或有弹性的)肌肉 型器官，在哺乳动物中位于骨盆底。其负责在排尿前将肾排出的尿收集起来。尿通过输尿 管进入膀胱并通过尿道排出。逼尿肌是一层由以螺旋束、经线束和环形束排列的平滑肌纤
8维构成的尿膀胱壁。当膀胱扩张时，信号传至副交感神经，使逼尿肌收缩。这促使膀胱通过 尿道排尿。为了使尿排出膀胱，自动控制的内括约肌和自主控制的外括约肌必须是松弛的。 这些肌肉出现问题会导致尿失禁。术语“骨盆底肌”是指肛提肌纤维、尾骨肌以及扩展骨骨盆底部区域的相关结缔组 织。骨盆底肌很重要，可以为骨盆脏器(器官)例如膀胱、肠、子宫(女性中)提供支撑，并 作为尿道括约肌和肛门括约肌的一部分保持尿节制。为强化骨盆底肌而设计的锻炼通常被 称为“Kegel锻炼”。“近红外” (“NIR” )是指700nm至2500nm之间范围的任何光。“近红外光 谱”(“NIRS”)是指利用光谱学设备分析NIR。“NIRS设备”，或本文中所称的“NIRS仪器” 或“NIRS系统”，一般包括以下某些或所有组件NIR光源、NIR光传感器、用于分析数据或分 析传感器所收集或产生的信号和/或控制光源的计算机系统、用于在系统的不同元件之间 传递光的光导器和用于在系统的不同元件之间传递电信号的电连接器。NIRS设备还可以 包括一个或更多个以下元件光发射器和光传感器。NIRS设备的实例是Artinis Medical Systems (荷兰)的OxymonMklll连续波长性近红外仪。适用于本发明的其他MRS仪器可 以是本领域技术人员已知的。“光发射器”或本文中所称的“发射器”、“NIR发射器”或“NIR光发射器”，是适于引 导或投射NIR光使其到达、进入或穿过靶组织的任何设备。光发射器典型地包括或连接至 “光源”或本文中所称的“NIR光源”。光源是能够产生NIR光的设备，其可以包括但不局限 于激光、激光灯、LED等。根据本发明的说明书，适宜光源的选择是本领域的常规技术。在 本发明的上下文中，光源本身可以是光发射器，因而直接提供NIR光至靶组织。或者，光源 可以在物理上与实际上提供NIR光至靶组织的光发射器不同。在这种情况下，光源发出的 光可以通过光导器传递至光发射器，使NIR光通过光导器从光源运行至光发射器，并随后 于发射器中被引导或投射以到达、进入或穿过靶组织。适于本发明目的的光导器实例是纤 维光缆。光源可以通过用于控制电源脉冲时机的外部系统软件控制。“光收集器”或本文中所称的“收集器”或“NIR光收集器”，是能够接收或收集由 靶组织反射的或穿过靶组织的光的设备。收集的光可以随后传递至另一设备进行分析，例 如光检测器。“光检测器”或本文中所称的“检测器”或“NIR光检测器”，能够将由靶组织 反射的或穿过靶组织的光分成目标波长区域，并提供与每个目标区域的光发射成比例的信 号。本文中所述方法、仪器和系统可以包括一个或更多个检测器。在本发明的某些实施方 案中，光检测器本身可以作为光收集器。在这种情况下，靶组织发出的NIR光可以被光检测 器收集和探测。在本发明的其他实施方案中，光收集器可以在物理上与光检测器不同。在 这种情况下，收集器所收集的由靶组织反射的或穿过靶组织的NIR光可以通过光导器从光 收集器传导至光检测器，因而将收集的光从光收集器传递至光检测器。光检测器可以通过 例如系统软件控制，并且开始采集和积分的时间可以与光源的开关和脉冲以及生理活动同 步化。如作为本发明的一部分描述的，光检测器可与NIRS仪器相连，或者如前所述可以是 NIRS仪器中的集成组件。在另一些方面中，本发明提供监测泌尿动力学的方法和设备，包括对泌尿组织例 如膀胱和尿道括约肌进行鉴定、定位、监测、诊断和成像。在选定的实施方案中，可以获得尿 道括约肌、膀胱逼尿肌后壁和骨盆底肌之生色团浓度的重复性变化。将本发明的经阴道系统应用于膀胱逼尿肌后壁与临床特别相关，因为在可能不能施行耻骨弓NIRS的肥胖病人 中，阴道方法提供了 一种获得逼尿肌数据的替代方法。在本发明的一个方面中，通过NIRS 检测到的尿道括约肌和周围血管丛的生理变化增加了额外的、与排尿障碍(包括尿失禁) 分类相关的生理信息。本发明的一个附属方面是认识到提肌中存在自主性尿道括约肌的分支，其促进尿 道括约肌和肛门括约肌。这是相关的，原因是常常存在涉及整个提肌的共同的松弛程度，特 别是在女性中。本发明提供了能够监测这些靶组织的系统。本发明的NIRS探头可以整合有其他治疗或诊断组件，例如用于其他成像过程如 超声波、MRI或多普勒的元件，和/或例如可包括EMG或电刺激的压力探头。这样，本发明 的NIRS数据可与其他诊断或治疗方法进行关联。在本发明的一些实施方案中，OTRS设备 可与其他医疗设备结合使用，所述医疗设备例如一种成像设备如超声波设备，或一种外科 手术设备。这样，NIRS探头系统可用于引导或指导外科手术设备，或可用于在外科手术过 程中监测靶组织的其他特征，从而改进外科手术治疗。在一个方面中，本发明提供一种独立无线设备。患者可以例如在家使用这样的设 备，例如测定其骨盆底锻炼时的一致性和顺应性。这样可以收集到数据，使得能够量化骨盆 底肌训练的效率。在本发明的某些实施方案中，用于监测靶组织的NIRS设备可以是便携式 的。设备中的多种元件可与设备中的其他组件在物理上分离。NIRS探头可以例如包括NIR 光发射器和检测器/收集器，然后由检测器/收集器所输出的信号可被无线地传递至远端 以做进一步处理，并随后显示输出信号。输出显示设备可以是计算机屏幕或者视觉输出的 显示器。或者，输出可以是听觉的或触觉的。设备的远端组件可以通过多种模式进行联通， 所述模式包括但不限于蓝牙、Wi-Fi、光学、无线电信号等。在替代的实施方案中，用于信号传输的探头连接物可以例如是光缆，其可以例如 与NIRS监测设备联通，所述NIRS监测设备例如是二通道NIRS监测器。额外的发射器和传 感器对可以添加至探头中，并且额外的通道可用于多通道设备上。发光二极管(LED)可以 用于设备中，取代所使用的激光器和无线技术，以便例如制成能够实时传递数据和图像至 膝上型电脑或类似监测仪器的手持式无线设备。单个发射器(LED或激光器)和位置与发 射器有固定间距的一系列传感器在空间上分离的构造也可与相关软件一起使用，以对不同 深度的组织进行最佳监测。本发明系统已用于在一系列的研究中获得数据，其表明，利用本发明的系统所检 测到的生色团浓度的变化模式在自主性骨盆底收缩过程中在患者内是可再现的。随着内腹 压的增加，由咳嗽或自主性瓦耳萨耳瓦动作(Valsalva maneuver)产生的变化模式产生独 特的和可再现性的特征。在自然排尿过程中，其变化模式可与进行经皮NIRS时在逼尿肌前 壁中观察到的变化模式相当。本发明的一个方面涉及靶组织的NIRS生物反馈监测。可以利用NIRS仪器检测靶 组织中与尿流动和尿功能相关的生理变化，并且这些变化可用于生物反馈目的。发明人还 已证实，靶组织中的这种生理变化可以利用NIRS横过或穿过介入组织例如女性患者中阴 道和尿道之间的组织来检测。关于本发明中与生物反馈相关的方面，本发明的NIRS数据可以例如用于量化骨 盆底锻炼的效率，并为病人优化再锻炼提供目标。也可以使用已有的方法对骨盆底NIRS数据进行分析，使得氧合血红蛋白的变化率尤其提供与疲劳度相关的信息，由此提供由生物 反馈锻炼技术产生的肌肉功能改善。由于骨盆底功能障碍继发尿失禁的高发率，所以需要 一种技术来量化生物反馈锻炼的效率。在一些实施方案中，本发明提供利用NIRS设备对靶组织进行生物反馈监测的方 法。在本发明的某些实施方案中，本发明的NIRS设备可以以探头设备的远端紧靠靶组织的 方式使用。这样，光发射器可以发射NIR光至靶组织，并且可以通过紧靠靶组织的收集器或 检测器收集和检测被反射或透射的光。NIRS设备可以是阴道NIRS探头。在选定的实施方 案中，内部NIRS设备的发射器和/或收集器可设置为紧靠靶组织，例如尿道括约肌组织。通 过这样使用NIRS设备，可以将设备的输出信号提供给患者以用于生物反馈监测，使得患者 可以感知输出信号并由此调节其活动。生物反馈可用于强化骨盆底肌或尿道括约肌的活动 中。强化运动可以是Kegel锻炼。生物反馈可用于监测和评价治疗性锻炼。生物反馈也可 用于测定或量化锻炼对括约肌功能的影响，或确定例如锻炼中括约肌的疲劳度。输出可以 是视觉的、听觉的、触觉的，等等。本发明的多个方面中，OTRS生色团浓度的变化排尿期间明显，其在健康和疾病状 态下各不相同。根据本发明所收集的数据可以例如表明影响逼尿肌生理功能的膀胱病理。 例如，可以观察到肌肉厚度、收缩性、氧合作用和血液动力学的变化。根据本发明所收集的 数据表明，在膀胱排尿周期中，经NIRS监测的生色团浓度变化与经尿动力学测定的压力之 间存在同步性。这证明了本发明的一个方面，其涉及可以通过检测氧合作用和尿动力学的 变化来监测压力对膀胱功能的影响。本发明的一些方面涉及对一系列生理特征或病理进行监测或诊断。例如，正确表 征女性排尿障碍的性质可涉及记录逼肌尿和括约肌的信息两者。由骨盆底肌无力引起的尿 失禁可能需要评估所有的这三种组织。生物反馈和骨盆底锻炼主要需要监测自主收缩后骨 盆底肌的能力和恢复情况，但在一些阶段也可能需要评定一些括约肌的信息。可以选择探头的构造，以使其能够对位于可检测的病理位置处的组织进行最佳监 测。这些位置可以包括例如膀胱后壁、尿道括约肌和周围的血管丛，以及骨盆底肌。进行最 佳监测需要NIRS发射器和传感器光极在解剖学上靠近目标组织，而电极之间的间隔固定， 以获得对靶组织的最佳光子监测。光极间距(I0D)有效地聚焦NIRS监测，以从靶组织获得 最大量的信息。相应地，基于光子在光极之下大约半光极间距的深度时透过度最佳的原理 (如图8示出的)，可以对替代过程优化光级间距。在一些实施方案中，可以选择大约2cm 的光极间距，以使光子良好地透过1cm，例如以穿过阴道壁。可以选择较短的I0D作为探测 更为表面的层的手段，且选择更宽的I0D来监测更深处组织。相应地，调节I0D来获得选定 靶组织的最佳组织透过性和监测。其范围可以为例如1至3cm。在一种替代方法中，NIRS 可以以空间分离的构造来使用，其中具有一个发射器和几个收集器，例如3个收集器，收集 器与发射器间隔固定距离-例如1、1. 5和2cm。这种构造可用于进行微细的监测，从而提供 收集器信号，该信号可单独进行分析以提供来自替代组织深度的信息。尽管本文公开了本发明的多个实施方案，但是在本发明的范围内可以根据本领域 技术人员的公知常识做出许多变化方案和修改方案。这些修改方案包括用已知等同物替换 本发明的任意方面，从而以基本上相同的方式获得相同的效果。数值范围包括定义范围的 数值。术语“包括”在本文中是开放式术语，其基本等同于词组“包括但不局限于”，并且其变化形式也有相应含义。本文中所用的单数形式也包括复数个指代物，除非文中另有清楚 的相反说明。因此，例如，“物体”的指代包括多于一个这样的物体。本文中所引用的参考文 献并非承认这些参考文献均是本发明的现有技术。说明书中引用的任何优先权文件和出版 物，包括但不局限于专利和专利申请，通过引用并入本文，如同表明每个出版物具体和单独 通过引用并入本文一样，并且如同在本文中全文陈述一样。本发明包括基本上前文所述和 参照实施例和附图所述的所有实施方案和变化方案。
实施例利用NIRS设备经阴道对尿道括约肌进行生物反馈监测利用经阴道的NIRS设备(图1)监测女性患者体内的尿道括约肌组织。该设备包 括探头壳中的NIRS发射器和NIRS收集器/检测器，其探头壳设计为插入女性阴道。NIRS 发射器和NIRS收集器/检测器通过纤维光缆连接至NIRS设备。用于控制NIRS发射器和 收集器/检测器的NIRS设备是Artinis Medical Systems (荷兰)的Oxymon MK III。利 用该系统检测了尿道括约肌锻炼过程中尿道括约肌的4次收缩。对于每个下一次收缩，观 察到了恢复速度延长，其可能是由于肌肉疲劳所致。发射器和收集器光极的尺寸如下3mm宽，8mm长，4mm深，并且细玻璃纤维光缆小 至足以装入外直径为2mm的探头中。每根光缆的1. 5mm固体尖端经定制接口与商业NIRS 设备中标准的、直径较大的纤维光缆连接，所述定制接口由带有螺纹固定件的塑料块组成。 Oxymon III产生4种波长(764、855、904和975nm)的NIR光，具有抵消环境光干扰的日光 滤光器，并且具有将原始光数据转换成生色团浓度数据的商用软件和图形显示器。自然排尿过程中产生的生色团浓度(02Hb、HHb和tHb)变化产生了可再现的轨迹。 每次试验过程中的重复性生理活动，例如自主性咳嗽、瓦耳萨耳瓦动作和一系列自主性骨 盆底收缩，每种都具有特征的变化模式。在对中段尿道进行通道检测的过程中，在连续的自 主性骨盆底收缩过程中产生的变化模式和变化幅度方面具有良好的可再现性，并且没有明 显的移动假象。配置了数对NIRS传感器，使得当探头就位时它们穿过阴道前壁而分别置于膀胱 逼尿肌和中段尿道附近。发射器放置于传感器之间的中间位置。进行了一系列调整；所选 定的最终距离是传感器距探头末端1至5cm，发射器距探头末端3cm。光极间距为2cm，上述 距离提供了良好的采样灵敏度。传感器置于高密度塑料泡沫上，所述塑料泡沫成形为在插 入探头壳体中时提供良好的推入配合。为了进行监测，泌尿科医师优化了探头位置，从而确保其位于中线上、完全插入并 进行定向以引导传感器到达阴道前穹窿。传感器的定向和正确的插入在探头近端上的可见 垂直标记的辅助下实现。利用泡沫插入切口来将传感器直接贴靠在壳体前壁上，当插入窥 镜且将手柄保持在患者中线上时，将正确地对准光极。在膀胱排空过程中从逼尿肌后壁收集的经阴道OTRS数据与在大量患者中通过耻 骨弓传感器在经皮监测膀胱逼尿肌前壁过程中观察到的生色团变化模式直接相当。此外， 骨盆底收缩过程中观察到的NIRS参数变化与其他自主性肌肉收缩研究的测量标准特别一 致。这些模式与排尿或由咳嗽或瓦耳萨耳瓦动作产生的各个事件中观察到的那些模式之间 存在明显的差异。此外，分别对逼尿肌和括约肌收集的数据也是不同的，并且只是检测了其与排尿或由自主性生理活动产生的事件的时间关系。参考文献下列文献通过引用并入本文，而不是承认这些文献构成本发明的现有技术，其包 括优先权文件美国专利申请Nos 60/996，167和61/064，235 1. 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权利要求
一种适于对体内泌尿肌肉活性进行非侵入性经阴道监测的近红外光谱分析系统，其包括基本为管状的长形探头本体，其具有基本上光滑的外表面，且成形为用于插入由阴道壁限定的阴道腔中；容纳在所述探头本体内的近红外光发射器，其位置允许由所述发射器发射的近红外光通过所述探头本体的发射器端口部分传至所述探头本体外；容纳在所述探头本体内的近红外光收集器，其与所述发射器间隔开，其位置允许由所述发射器发射的近红外光穿过阴道壁，与泌尿生殖肌肉相互作用，并通过所述探头本体的收集器端口部分返回至所述探头本体，然后被所述收集器收集以作为收集的光信号；近红外光信号源，其与所述发射器联通以用于控制所述发射器的近红外光发射。近红外光检测器，其与所述收集器联通以用于检测所收集的光信号；和外部接口，其与所述光信号源和所述光检测器联通，以允许操作者在体外操作所述光信号源并监测所收集的光信号。
2.权利要求1所述的近红外光谱分析系统，其中所述外部接口包括输出设备，并且所 述接口设置成在所述输出设备上显示指示泌尿生殖肌肉活性的信息。
3.权利要求1或2所述的近红外光谱分析系统，其还包括容纳在所述探头本体内的与 所述发射器间隔开的第二红外光收集器，其中所述第二收集器的位置允许由所述发射器发 射的近红外光穿过阴道壁的第二部分，与第二泌尿生殖肌肉相互作用，并通过所述探头本 体的第二收集器端口部分返回至所述探头本体中，然后被所述第二收集器收集；并且其中 所述检测器还与所述第二收集器联通。
4.权利要求1、2或3所述的近红外光谱分析系统，其中所述探头本体的发射器端口部 分对近红外光而言一般是透明的，并且其中所述探头本体的收集器端口部分对近红外光而 言一般是透明的。
5.权利要求1、2、3或4所述的近红外光谱分析系统，其中所述泌尿生殖肌肉是尿道括 约肌。
6.权利要求1-6任一项所述的近红外光谱分析系统，其还包括固定于所述探头本体以 对所述探头本体进行定位的外部柄。
7.一种用于对受试者体内尿道肌肉的活性进行非侵入性经阴道监测的方法，其中将探 头本体插入由阴道壁限定的阴道腔中，其中所述探头本体包括容纳于所述探头本体内的近红外光发射器，其位置允许由所述发射器所发射的近红外 光通过所述探头本体的发射器端口部分传至所述探头本体外；容纳于所述探头本体内的近红外光收集器，其与所述发射器间隔开，其位置允许由所 述发射器发射的近红外光穿过阴道壁，与泌尿生殖肌肉相互作用，并通过所述探头本体的 收集器端口部分返回至所述探头本体，然后被所述收集器收集以作为收集的光信号； 所述方法包括操作与所述发射器联通的近红外光信号源以控制所述发射器的近红外光发射；和 操作与所述收集器联通的近红外光检测器以监测所述收集的光信号。
8.权利要求8所述的方法，其还包括操作输出设备以显示指示泌尿生殖肌肉活性的信息.
9.一种用于对体内泌尿肌肉的活性进行非侵入性经阴道监测的设备，其包括基本为管状的长形探头本体，其具有基本上光滑的外表面，且成形为用于插入由阴道 壁限定的阴道腔中；容纳在所述探头本体内的近红外光发射器，其位置允许由所述发射器发射的近红外光 通过所述探头本体的发射器端口部分传至所述探头本体外；容纳在所述探头本体内的近红外光收集器，其与所述发射器间隔开，其位置允许由所 述发射器发射的近红外光穿过阴道壁，与泌尿生殖肌肉相互作用，并通过所述探头本体的 收集器端口部分返回至所述探头本体，然后被所述收集器收集以作为收集的光信号；与所述探头本体联通的装置，其包括将近红外光信号传送至所述发射器的装置；和用 于将所述收集的光信号传送至体外的装置。
10.权利要求9所述的设备，其中所述与所述探头本体联通的装置包括 近红外光信号源，其与所述发射器联通以用于控制所述发射器的近红外光发射；和 近红外光检测器，其与所述收集器联通以用于检测所述收集器对近红外光的收集。
11.权利要求9所述的设备，其中所述与所述探头本体联通的装置还包括外部接口，其与所述光信号源和所述光检测器联通，以允许操作者在体外操作所述光 信号源并监测所述收集的光信号。
12.一种对受试者体内泌尿肌肉的活性进行非侵入性经阴道监测的方法，所述患者具 有由阴道壁限定的阴道腔，所述阴道壁的背面形成阴道前穹窿，其中所述方法包括将近红外光发射器置于所述阴道前穹窿附近的所述阴道腔中，使得由所述发射器发射 的近红外光穿过所述阴道穹窿并与泌尿生殖肌肉相互作用；将近红外光收集器置于所述阴道前穹窿附近的所述阴道腔内并与所述发射器间隔开， 以收集与所述泌尿生殖肌肉发生相互作用的光作为收集的光信号；操作与所述发射器联通的近红外光信号源，以控制所述发射器的近红外光发射；和 操作与所述收集器联通的近红外检测器，以监测所述收集的光信号，其中所述收集的 光信号提供关于泌尿肌肉的活性信息。
13.权利要求12的方法，其中所述阴道壁的背面形成阴道前穹窿，并且所述探头成形 为使所述阴道壁与所述探头配合以向所述发射器端口和所述收集器端口施加偏压，从而与 所述阴道前穹窿并置。
14.一种生物反馈法，其包括通过权利要求12或13的方法监测泌尿肌肉的活性，和锻 炼所述泌尿肌肉。
全文摘要
本发明涉及在本文中证明可以利用经阴道的NIRS探头对泌尿组织例如尿道括约肌、膀胱逼尿肌和骨盆底肌肉组织的功能进行监测，以获得临床上相关的信息。相应地，本发明提供了利用NIRS对泌尿组织例如尿道括约肌和/或膀胱和/或骨盆底肌肉组织进行经阴道监测和成像的方法和设备。
文档编号A61B6/00GK101888808SQ200880119781
公开日2010年11月17日 申请日期2008年11月5日 优先权日2007年11月5日
发明者安德鲁·J·麦克纳布, 巴巴克·沙德甘, 林恩·斯托瑟斯 申请人:不列颠哥伦比亚大学