用于提供腔体内部的三维图像的成像系统和方法与流程

本发明涉及用于显像和测量体腔内部的系统和方法，更具体地，涉及利用球囊导管(ballooncatheter)通过测量体腔内充涨的球囊的电学特性的体腔显像和测量。

背景技术：
球囊导管被用于多种医疗过程。例如，公知的是将球囊导管插入通道中以使通道扩张，例如像在用于治疗肺癌和通道堵塞会发生的其他情况时的介入性支气管镜检查那样。因此，球囊导管常规上是与多种内窥镜和用于扩张的柔性与刚性的气管镜一起使用，作为一种阻塞来止血，并且作为干扰固定装置使仪器保持在位，以及防止这些仪器在回流压下后退。使用球囊导管将体腔内所不期望的生物材料去除也是公知的。例如，可充涨的球囊导管可以用作介入工具，用于在诸如肺学、心脏学、泌尿科学、妇科、胃肠病学、神经病学、耳鼻喉学和普通外科的介入性医疗的多种应用中切除和清除不必要的材料，例如植入腔内梗阻、肿块和血管内闭塞。在Karakoca的第EP1913882号欧洲专利申请中公开了这种装置的一个例子。这种装置使用具有硬化表面的球囊导管，将其插入体腔中。在插入装置后，使球囊充涨，使球囊在腔中前后移动以使得其硬化表面切除不期望的生物材料。例如，通过拔出球囊，可将残骸清除。在Gunday的美国专利申请公开号No.2010/0121270(第270号申请)中，其发明名称为“切除器球囊系统”，并作为参考引入本文。该申请在Karakoca的基础上提供了多处改进，涉及具有纹路表面的球囊导管，其以最小限度的伤害，以脉冲方式下刮掉目标材料。该第270号申请公开了一种球囊系统，其能够提供生理学反馈来确定内腔直径。这是通过其一个实施例来实现的，该实施例提供了“能够确定输出至球囊的流体的压力的传感器和能够确定输出至球囊的流体流量的传感器”。最后，第270号申请公开了这样的内容“通过使用多个独立的可充涨囊状物或窦，人们将能够更具选择性和更精确地测量内腔直径”。然而，第270号申请仅教导了通过测量压力来测量内腔直径并据此调节用于切除的球囊导管的脉动的方式。虽然该方法在以最小创伤程度切除目标材料方面是非常有效的(例如与球囊导管的脉动相关联的压力测量)，但如果能够使用球囊导管来提供精确的腔体内部表面的绘制图则将是非常有利的。因此，如第270号申请中所教导的那样使流体脉动进入球囊导管以用于切除、并同时带有相关控制系统用于控制泵的脉动在这种应用中是不需要的。已知有多种用于显像内部结构的成像系统，它们包括例如磁共振成像(MRI)、核磁共振成像(NMRI)，或核共振断层(MRT)和轴向计算层析技术(CAT)或有时简称为计算层析(CT)扫描。这些方法在显像内部结构上是非常有效的，但购买和使用这些仪器的成本是相对较高的。在矫形术领域中，即使不是不可能的话，在关节表面间评估空间动力学也通常是非常困难的，尤其是对在它们的整个移动范围中的相反于彼此的关节表面的平移而言。特别是在关节成形术过程中，通常，弄清楚关节表面的几何形状和关节内的空间来完善解剖修复和关节动力学是有利的。在骨头髓腔扩孔内使用导电球囊导管也是很有利的。整形外科的创伤科学在实时显像和测量骨内表面上已经努力很长时间。无法映射骨的解剖学成为外科医生在关节成形术(例如臀部更换、大腿和髋臼的移植)中的能够进行合适的测量和植入的阻碍。它也阻碍了外科医生评估骨折移位和合适地为骨折管理系统(胫骨杆和镀覆系统)的尺寸和将其植入的能力。内腔的成像也是已知的，例如，其公开在美国专利No.7,654,997(Makower等人)中。然而，虽然Makower等人使用了导管装置，但需要使用外部传感器(其与球囊分开)来成像并提供腔体的三维视图。(见其第40栏第64行至第41栏第24行；以及图7D-7E)。这种装置是笨重且难以操作的，并且对于相对较小的腔(例如血管内的测量)而言是不实用的。美国专利No.5,752,522(Murphy)公开了一种用于确定体腔截面尺寸(例如血管直径)的仪器(摘要)。然而，虽然Murphy公开了一种包括具有带导体带的导管的设计，其导体带电阻随着球囊的圆周而变化(第9列,第13-15行)，但Murphy仅限于公开了“导体带”。它没有提供腔体内部的三维视图，而仅仅是提供了腔体的截面的周边轮廓(见图7)。因此，期望存在一种低成本并且可靠的用于测量和绘制体内结构的系统和方法。还期望提供一种用于显像和测量体内结构的系统和方法，它在测量结构过程中并不需要从内部结构中切除材料。

技术实现要素：
因此，本发明的目的是提供一种用于显像和测量人体内部结构的球囊导管系统和方法。本发明的另一个目的是提供一种用于产生体内结构和/或体内结构之间的空间的三维图像的球囊导管系统和方法。本发明的还一个目的是提供用于有效显像非常小的腔(例如血管内的测量)的内部结构的球囊导管系统和方法。本发明的另一目的是提供一种用于有效显像和测量在非常小的腔体(例如关节间的测量；腔内(Intra-cavital)测量)内的内部结构之间和/或之内的空间的球囊导管系统和方法。本发明的还一个目的是提供一种用于显像内部结构的球囊导管系统和方法，其能够提供简单、低成本和可靠的传感器，该传感器可以产生具有鲁棒性并且能够以高性价比方式处理的信号格式的信号。本发明的还一个目的是提供一种用于显像体腔中内部结构的系统和方法，而不切除内部结构。在一个有利的实施例中，通过提供附着在球囊导管上的导电网状物可实现上述这些和其他的目的。球囊导管可被插入腔体中以测量和提供腔体内部的三维图像。随着对球囊导体充涨使其符合腔体内表面区域，导电网状物也基于腔体的内表面区域伸展。这种导电网状物的伸展(在相对于腔体的横和纵的方向上)将会引起附着在球囊导体上的网状物的电学特性(例如阻抗或电阻)的改变。然后可利用这些电学特性上的改变，产生腔体内部结构的三维绘制图(three-dimensionalrendering)。需要理解的是，精确的阻抗测量是广泛应用并且成本效率高的。例如，为了用相对低的产本成本得到高的测量精确率，可利用具有误差校正的离散傅里叶变换(DFT)信号处理技术进行阻抗测量。可有效的使用软件来控制信号处理过程和误差校正。附着在球囊导管表面上的网状物可例如包括纤维网。可以预计到的是，网状物可以附着在球囊导管的外表面或者内表面上。在两种构型中，球囊将膨胀以与腔体内表面的形状相符。纤维网可以包括合成弹力纤维、聚氨酯、复合弹簧或其他合适的材料，并将在其中包括可根据网状物的拉伸或位移而变化的电学特性的电线(或串)。在一个例子中，当待测量的电学特性是阻抗时，随着网状物的每个部分向外拉伸以扩张到待由导管球囊测量的腔的内表面，网状物的各部分的阻抗将会改变(例如网状物的拉伸越大，阻抗的变化越大)。在该方式中，因为网状物包括沿球囊导管纵向延伸和周向地包围球囊导管的部分，因此装置能够随着系统测得网状物的每个分段的阻抗而提供出腔体内部的完整三维视图。此外，由于并不需要除球囊导管自身以外的附加测量装置，所以该装置尤其可以很好地适用于相对小的腔体(例如血管内的)。还需注意的是，在另一个实施例中，网状物可包括射频不透性材料。这样，当插入腔体并且球囊导管膨胀时，可通过成像仪器产生膨胀后的球囊导管的外部视图(例如，射频不透性材料将会清晰地显示在外部扫描上，该外部扫描提供了导管球囊的当前构型的详细视图)。可以预见，对网状物的电测量和对具有射频不透性材料的网状物的成像均能够用于提供腔体内部的高分辨率的三维绘制图或成像。对于本申请，以下术语和定义是适用的：本文所使用的术语“数据”，其意思是标记、信号、标识、符号、域、符号集、表象和其他任何代表信息的物理形式，无论这些信息是永久的或临时的，也无论它们是可见的、可听的、声学的、电的、磁的、电磁的或其它表达方式。用于代表一种物理形式的预定信息的术语“数据”也应被认为是包括任何和所有以不同物理形式或多个物理形式的对同样的预定信息的表示。这里所使用的术语“网络”包括所有种类的网络和互联网络，包括互联网，并且不仅限于任何特定的网络或网间网。术语“第一”和“第二”用来将一个元件、组、数据、目标或事物与其它的区分开，而并不用来代表按时间表示的相对位置或设置。这里所使用的术语“耦接”、“耦接至”、“与……耦接”、“连接”、“连接至”、“与……连接”均意味着两个或更多装置、器具、文档、程序、媒介、部件、网络、系统、子系统，和/或工具之间的关系，它们之间构成以下方式中的任何一个或多个：(a)直接的连接或间接地通过一个或多个其他装置、器具、文档、程序、媒介、部件、网络、系统、亚系统，和/或工具的连接；(b)直接的通信关系或间接地通过一个或多个其他装置、器具、文档、程序、媒介、部件、网络、系统、亚系统，和/或工具的通讯关系；和/或(c)一种功能关系，其中任何一个或多个装置、器具、文档、程序、媒介、部件、网络、系统、亚系统、工具的运行都整体或部分地依赖于它们中的其他任何一个或多个。这里所使用的术语“过程”和“处理”均意味着一种行为或一些列行为，包括例如但不仅限于，连续或不连续的、同步或不同步的、数据的方向、数据的改变、格式化和/或数据的转化、数据的标记或注解、测量比较和/或数据的回看，并且可以包括或不包括程序。在一个有利的实施方式中，提供了一种用于提供腔体内部的三维图像的成像系统，其包括球囊导管和附着在球囊导管上的网状物，该网状物具有沿球囊导管纵向延伸并周向地包围球囊导管的元件。该成像系统还包括与球囊导管耦接的控制器，用于控制球囊导管的膨胀。该成像系统设置成使得网状物的各元件均具有至少一种随元件的拉伸而变化的电学特性，得当元件包括长度(L)时，所测得的电学特性将会不同于当元件包括大于长度(L)的长度(L1)时的电学特性。该成像系统进一步设置成使得控制器测量来自各元件的至少一种电学特性，并利用测量得到的电学特性来产生腔体内表面的三维绘制图。在另一个有利的实施方式中，提供了一种用于提供腔体内部的三维图像的成像系统，其包括球囊导管和附着在球囊导管上的网状物。网状物设有沿球囊...