导管成像探测器和方法

专利名称：导管成像探测器和方法
技术领域：
本发明涉及基于使用不会旋转的光纤的光学相干断层摄影术。更具体来说，本发明涉及基于使用不会旋转、密闭于一导管中的光纤的光学相干断层摄影术，所述导管具有一不会旋转以重定向来自所述纤维的光到周围脉管和重定向从所述脉管反射的光返回到所述光纤的尖端。
背景技术：
心肌梗塞或心脏病发作仍然是我们社会中的主要死亡原因。不幸的是，我们大多数人都可能认识患有心肌梗塞的家庭成员或亲密朋友。直到最近，许多调查者仍相信被动脉粥样硬化斑块严重阻塞、随后发展到全部闭塞的冠状动脉是心肌梗塞的主要机理。然而，最近来自许多调查性研究的证据清楚地表明大多数梗塞是归因于由突然斑块破裂引起的非临界狭窄冠状动脉的突然破裂。举例来说，Little和合作者(Little，WC，Downes，TR，Applegate，RJ.The underlying coronary lesion in myocardial infarctionimplications for coronary angiography.Clin Cardiol 1991；14868-874，以引用的方式并入本文中)观察到患有急性斑块破裂的患者的约70％是在如先前冠状血管造影术所显示的闭塞小于50％的斑块上起始的。这个观察结论和类似观察结论已得到其它调查者确认(Nissen，S.Coronaryangiography and intravascular ultrasound.Am J Cardiol 2001；87(增刊)15A-20A，以引用的方式并入本文中)。
识别这些不稳定斑块的技术发展拥有大体降低通常导致过早死亡的急性冠状综合症的发病率的潜力。不幸的是，心脏病专家目前并没有可应用于指定哪些冠状斑块脆弱且因此倾向于破裂的方法可利用。虽然几十年来已使用踏车测试来识别处于较大心血管风险的患者，但这方法并不具有区分稳定型斑块与倾向于破裂且常常导致心肌梗塞的脆弱型斑块的特异性。因为基于识别存在大量关于不稳定斑块(尸体解剖确定)技术的病理学的信息，所以脆弱的斑块的特异性。因为存在大量关于不稳定斑块的病理学的信息(尸体解剖确定)，所以基于识别脆弱斑块的详细描述病理外观的技术提供了一个解决这个问题的有希望的长期对策。
在20世纪80年代早期病理学家首先识别且定性不稳定斑块。Davis及合作者注意到对于在具有与死亡相关的急性心肌梗塞的患者中的连续组织切片的重组，粥样斑块的断裂或开裂是很明显的(Davis MJ，Thomas AC.Plaque fissuringthe cause of acute myocardial infarction，suddendeath，and crescendo angina.Br Heart J 1985；53363-373，以引用的方式并入本文中)。当与人类大动脉中的非溃疡性动脉粥样斑块相比，溃疡性斑块另外定性为具有一薄纤维覆层、随平滑肌细胞减少而增加的巨噬细胞及增加的脂质核(Davis MJ，Richardson PD，Woolf N，Katz DR，Mann J.Risk of thrombosis in human atherosclerotic plaquesrole ofextracellular lipid，macrophage，and smooth muscle cell content，以引用的方式并入本文中)。此外，当通过冠状血管造影术成像时，观察到在脂质池尺寸与百分比狭窄之间无相关性。事实上，多数心脏病学家认同，随着附壁血栓的形成及斑块重塑，不稳定斑块通过断裂的进程而发展为更加狭窄而稳定的斑块，但并没有完全内腔闭塞(Topol EJ，Rabbaic R.Strategies to achieve coronary arterial plaque stabilization.Cardlovasc Res 1999；41402-417，以引用的方式并入本文中)。具有斑块内出血的新生血管化也可以在从小型病变(＜50％被阻塞)向更大显著斑块的进程中起作用。然而，若不稳定斑块的独特特点可被心脏病学家识别且接着被稳定，则可实现急性心肌梗塞及不稳定心绞痛综合症及在冠状动脉疾病的突然进程的极大降低。
本发明使用深度分辨的光反射或光学相干断层摄影术(OCT)来识别已在脆弱斑块中识别的病理特征。在OCT中，通过一光纤分裂器分裂来自一个宽频带光源的光，且一个光纤将光引向管壁且另一光纤将光引向一个移动干涉镜面。光纤的远端与一用于在心导管插入程序期间对冠状动脉问诊的导管相连接。自斑块反射的光与来自干涉镜面的信号重组合形成干涉带(由一光电探测器测量)以允许对微米尺度的斑块精确深度分辨成像。
OCT使用一个发射1300nm波长、50nm带宽(波长分布)的超发光二极管光源来在原位形成具有10-20μm轴向分辨率及2-3mm组织穿透度的断层影像。OCT具有以单一细胞水平对组织进行成像的潜力。事实上，发明者最近已利用更广带宽的光源，诸如飞秒级脉冲激光器，以便将轴向分辨率改善到4μm或更小。在所述分辨率条件下，OCT可用于显现内膜覆层、其厚度及包括裂缝、下方脂质池的尺寸及范围及发炎细胞存在的结构细节。此外，在OCT仪器中使用的近红外线光源可透入晚期冠状动脉疾病特有的严重钙化组织区域中。在细胞分辨率条件下，OCT的应用可用于识别脆弱斑块的其他细节，诸如单核细胞及巨噬细胞的渗入。简单来说，OCT的应用可在不切割或干扰该组织的条件下提供一病理样本的细节影像。
关于这种技术应用于成像动脉内腔中的动脉粥样斑块的一个问题是由于存在红细胞而导致光的强散射。一旦将一个导管系统定位在一个冠状动脉中，在OCT光纤与动脉之间的血流可遮蔽透入管壁的光。提出的一个解决方法是使用盐水冲洗。然而，由于心肌缺血最终发生在端端心肌中，故盐水的使用在持续时间方面有限制。发明者已提出使用人工血红蛋白取代盐水。人工血红蛋白是非微粒的且因此并不散射光。此外，人工血红蛋白将被美国食品及药物管理局批准作为血液代用品且可携带防止心肌缺血所必要的氧气。最近，发明者论证了在老鼠心肌冠状动脉中使用人工血红蛋白减少由血液引起的光散射的可行性(Villard JW，Feldman MD，Kim Jeehyun，Milner TE，Freeman GL.Use of a blood substitute to determine instantaneousmurine right ventricular thickening with optical coherencetomography.2002年发行；第105卷；第1843-1849页，以引用的方式并入本文中)。
已建立成像冠状斑块的OCT导管的第一个原型且其目前正由波士顿哈佛-麻省理工学院的调查员联合Light Lab公司来进行测试(Jang IK，BoumaBE，Kang DH，et al.Visualization of coronary atherosclerotic plaquesin patients using optical coherence tomographycomparison withintravascular ultrasound.JACC 2002；39604-609，以引用的方式并入本文中)。该原型导管由单一光源组成且能够通过使一捻转光纤的轴旋转来对一360度弧形的冠状动脉内腔进行成像。因为旋转轴容纳于身体之外，所以必须以统一角速度旋转导管中的捻转杆以便将光在冠状动脉的每个角度部分上聚焦达相等的时间间隔。在旋转轴过程中的机械阻力可产生冠状动脉的记录OCT影像中的明显畸变及假象。不幸的是，因为导管通常被迫在股动脉至冠状动脉中的入口点之间产生若干弯曲(例如，围绕主动脉弓的180度转折)，所以不均匀的机械阻力将导致OCT影像假象。随着OCT的应用自成像冠状动脉的总组织结构转向其以单细胞水平成像的能力，单光纤OCT原型的非统一旋转将日益成为畸变及影像假象的问题来源。
大体上，目前由Light Lab公司开发的内诊镜类型单一通道OCT系统因形成一脉管目标的不规则影像的非恒定旋转速度而蒙受损失。参见美国专利6,134,003，其以引用的方式并入本文中。其用以捻转单一模式光纤的旋转轴方法倾向于产生假象。导管通常被迫从其在股动脉中的入口，到围绕主动脉弓的180度转折，到冠状动脉中的最终目标中产生若干弯曲。所有这些弯曲都将引起旋转轴的不均匀摩擦和光在整个360度冠状动脉弧度上的不均匀的时间分布。随着OCT的应用从冠状动脉的总组织结构转向其以单细胞水平成像的能力，接着单一光纤OCT的不均一旋转甚至将成为更多假象的一个更大来源。
本发明通过将一旋转部分放在光纤探测器的末端来克服目前单一模式内诊镜OCT的这种缺点。通过在外部所抽取的生物相容气体或液体来驱动旋转部分。旋转部分以一微型涡轮、螺旋或水轮，或毫微米技术为基础。该单一模式光纤本身将完全不被转动，而是只有一个将入射光反射到目标管壁的棱镜以恒定速度旋转。

发明内容
本发明是关于一种用于一患者的导管成像探测器。所述探测器包含一传输能量的管道。所述探测器包含一所述管道延伸穿过的第一部分。所述探测器包含一相对于所述管道旋转以重定向来自所述管道的能量的第二部分。
本发明是关于一种对一患者进行成像的方法。所述方法包含将一导管插入所述患者中的步骤。存在相对于延伸穿过所述导管的第一部分的管道旋转所述导管的第二部分的步骤，所述导管的第二部分将穿过所述管道传输的能量重定向到所述患者和接收从所述患者反射回第二部分的能量和将被反射的能量重定向到所述管道。


在随附图式中，说明本发明的优选实施例和实践本发明的优选方法，其中图1为本发明的示范性代表。
图2为图1的2-2的横截面。
图3为图1的3-3的横截面。
图4为图1的4-4的横截面。
图5为一密封腔的示范性代表。
图6为轮子侧面图的示范性代表。
图7为轮子轴向图的示范性代表。
图8为磨机侧面图的示范性代表。
图9为磨机轴向图的示范性代表。
图10a和10b为一螺栓实施例的示范性代表。
图11为质量流实施例的分解图的示范性代表。
图12为电场方向的示范性代表。
图13为另一质量流实施例的分解图的示范性代表。
图14a和14b为作为介质的可变形材料的分解图的示范性代表。
图15为另一可变形材料实施例的分解图的示范性代表。
图16a和16b为静电力实施例的示范性代表。
图17大体为纳米转子-纳米定子实施例的示范性代表。
具体实施例方式
现在参考图式，其中同样的参考数字是指若干个图中的类似或相同部件，且更具体来说参考图1，其显示一用于患者的导管成像探测器100。所述探测器100包含传输能量的管道110。所述探测器100包含所述管道110延伸穿过的第一部分120。所述探测器100包含相对于所述管道110旋转以重定向来自所述管道110的能量的第二部分130。
优选地，第一部分120包括一入口管1，流体流动穿过所述入口管1且其中第二部分130通过来自所述入口管1的流动流体转动。第二部分130优选包括一通过所述流动流体转动的涡轮4。优选地，涡轮4包括所述管道110延伸穿过的旋转中心轴20和从所述中心轴20延伸出的螺旋形内槽22，当所述流动流体逆着所述内槽22流动时，所述螺旋形内槽22提供一旋转力矩到所述中心轴20，引起所述中心轴20围绕所述管道110旋转。
所述第二部分130优选具有附着到所述中心轴20的反射材料24，所述反射材料24重定向来自所述管道110的能量。优选地，所述管道110包括光纤3。所述反射材料24优选包括反射来自所述管道110的光的棱镜8或镜子，所述棱镜8与所述中心轴20一起旋转。优选地，所述涡轮4包括支撑所述中心轴20的球形突出物5，其允许所述轴无颤动地旋转。所述第一管道110优选包括至少一出口管2，流体通过所述出口管2从所述第二部分130流出。
优选地，所述第二部分130包括对能量透明的一罩，所述罩封装所述筒体且接触第一部分120，因此除流过所述出口管2之外没有流体可从所述第二部分130逸出。所述第二部分130优选包括一附着到第一部分120的筒体，从所述筒体延伸出球形突出物5且所述筒体界定一来自入口管1的流体流过的腔室。涡轮4安置于所述腔室中。优选地，第二部分130包括一诸如透镜11的能场整形组件，其将能量聚焦于患者上。透镜11可为微透镜、渐变折射率透镜(grin lens)或光纤透镜。探测器100优选包括一连接到入口管1的流体源26。优选地，所述流体源26中的流体选自由氮、氦、盐水、水、D5W或人造血液组成的群组。除了管道110和入口与出口管1、2之外，第一部分120为固体。
优选地，所述涡轮4包括赘生物31，其将穿过辐射能量导向器30的能量反射回辐射能量导向器30(优选为另一光纤)。赘生物31与第二部分130一起旋转。由赘生物31反射的能量指示第二部分130的当前角位置。当光到达赘生物31并从赘生物31反射回来时，所述赘生物31识别旋转部分的一个角位置(并不是所有位置)。以这种方式，可知所述轴20旋转一周且也可知脉管壁上所获得的影像的起始位置。所述赘生物31优选为一区块形状，其中一平坦壁面向所述辐射能量导向器30以反射回能量。优选将其模制于轴10中，且所述平坦壁可具有反射性材料，诸如将一放置于其上的镜子以增大反射。与所述轴20的圆周相比，所述赘生物的宽度较小以便识别一给定点且其足够高以阻断从辐射能量导向器30发射出的能量，因此所述能量被所述赘生物31反射。
本发明是关于一种对一患者进行成像的方法。所述方法包含将一导管插入所述患者中的步骤。存在相对于延伸穿过所述导管的第一部分120的管道110旋转所述导管的第二部分130的步骤，所述第二部分130将穿过所述管道110传输的能量重定向到所述患者和接收从所述患者反射回第二部分130的能量和将被反射的能量重定向到所述管道110。
优选地，所述旋转步骤包括使流体穿过入口管1流动到第二部分130以转动所述第二部分130的步骤。下列步骤优选包括使流体流动穿过入口管1以转动第二部分130的涡轮4的步骤。优选地，所述流动步骤包括使流体逆着从涡轮4的旋转中心轴20延伸出的螺旋形内槽22流动以在所述中心轴20上产生一旋转力矩的步骤，所述旋转力矩引起所述中心轴20围绕延伸穿过所述中心轴20的管道110旋转。所述第二部分130优选具有附着到所述中心轴20的反射材料24，所述反射材料24重定向来自所述管道110的能量。优选地，所述管道110为光纤3。
所述反射材料24优选包括反射来自所述管道110的光的棱镜8或镜子，且包括当流动流体旋转中心轴20将所述棱镜8随着所述中心轴20一起旋转的步骤。优选地，所述旋转步骤包括旋转所述中心轴20的步骤，所述中心轴20由其中安置有中心轴20的涡轮4的筒体的球形突出物5支撑。所述流动步骤优选包括使流体从穿过所述筒体的腔室的入口管1流动的步骤。优选地，所述流动步骤包括通过延伸穿过第一部分120的至少一出口管2移除从第二部分130的筒体流出的流体的步骤。
在本发明的操作中，图1显示基于涡轮4的导管型成像探测器100的图，所述探测器100可连接到单一模式纤维3OCT的样本支架。图2、3和4为探测器100在横截面(1)、(2)、(3)处的横截面影像。在探测器100的中心处，存在连接到棱镜8的涡轮4。气体或液体穿过出口管2流入涡轮4腔室中。涡轮4由球形突出物5支撑以在旋转期间维持恒定的位置。在涡轮4的中心处，存在用于放置胶合于筒体9上的光纤3的孔。在涡轮4旋转期间，光纤3根本不移动或旋转。所有这些部件由最外面的透明罩10封装。这透明罩的材料可为任何可生物相容的聚合物(例如塑料Tygon)。探测光从单一模式光纤3发射通过具有将光聚焦于目标组织区域上的曲率的透镜11。连接到涡轮4的旋转棱镜8将入射光朝向脉管壁上的目标组织区域反射。来自目标组织的反射光通过棱镜8回到光纤3。接着对所述光执行标准分析以获得影像。参看以引用的方式并入本文中的美国专利6,134,003。经过涡轮4的气体或液体通过出口管2流出探测器100。通过入口1与出口2之间的压力差来控制第二部分的旋转方向和速度。
通过入口管1施加气体或液体将气压诱导到旋转的涡轮4，因此，放于涡轮4末端的棱镜8也旋转。最后，一成像系统可以恒定速度围绕内脉管壁扫描360度。
优选材料气体氮、氦、CO2或任何可相对容易地溶解于血液或组织中的气体。
流体盐水、D5W或人造血液(Oxyglobin)涡轮4不锈钢、塑料Tygon或特富龙筒体9特富龙罩10塑料Tygon或任何可生物相容的透明塑料优选尺寸透明罩10的外径1.2毫米筒体9的外径0.8毫米入口管1的外径0.2毫米出口管2的外径0.2毫米光纤3的外径0.125毫米优选特性目标速度720度/秒涡轮长度0.5毫米涡轮节距4节距/毫米气体流动速度0.5毫米/秒涡轮面积0.35^2*pi＝0.38mm2涡轮的内筒体的体积0.38*0.5＝0.19mm3目标流率0.19立方毫米/秒以上为所有实例。本发明并非限制于这些值。举例来说，为了获得一较好的影像，流率较低且获得一影像所需的时间则更长。
在图5-9中所示的替代性优选实施例中，第二部分130包括一碾磨机50。所述碾磨机50优选包括一轮子52。优选地，所述碾磨机50包括一固持所述轮子52的密封腔54。所述导管54优选为光纤3。优选地，所述轮子52包括一插塞56和从所述插塞56径向延伸的翼板58。所述插塞56在接收光纤的中心处具有一孔。所述翼板58由引起插塞56旋转的流体推动。
所述密封腔54优选包括入口端60和出口端62。优选地，第二部分130具有附着到插塞56的重定向来自光纤3的能量的反射材料24。所述反射材料24优选包括反射来自光纤3的光的棱镜8，所述棱镜8与所述插塞56一起旋转。优选地，所述密封腔54包括第一袋68和第二袋70，其中尊敬地安置有插塞56的第一端64和插塞56的第二端66，第一和第二袋68、70在插塞56旋转时将所述插塞56维持在密封腔54中的适当位置。
第二部分130优选包括对能量透明的罩33，所述罩33封装密封腔54且接触或附着到第一部分120，因此除流过出口管2之外没有流体可从第二部分130逸出。所述罩333可胶合到第一部分。或者，所述罩33可具有足够长的长度以使其延伸过第一部分和第二部分的长度。在装配期间，在碾磨器(或就那方面来说为涡轮)连接到第一部分之后，接着将所述碾磨器和第一部分插入所述罩中，所述罩基本上为具有一密闭端的长中空透明管。在第一部分末端的碾磨器接着进给穿过所述管直到其处于所述管末端的适当位置。所述挠性管可具有使得其与第一部分的外圆周形成一紧密配合且除了流过出口端之外防止流体从围绕碾磨器的末端逸出的内径。
所述探测器100优选包括连接到入口管1的流体源26。优选地，流体源26中的流体选自由氮、氦、CO2、盐水、水、D5W、乳酸林格或人造血液组成的群组。
优选地，插塞56包括赘生物31，其将穿过辐射能量导向器30的能量反射回辐射波导向器30。赘生物31与插塞56一起旋转。由赘生物31反射的能量指示第二部分130的当前角位置。
优选地，下列步骤包括使流体流动穿过入口管1以转动第二部分130的碾磨器50的轮子52的步骤。所述流动步骤优选包括使流体逆着从轮子52的旋转插塞56延伸出的翼板58流动以引起轮子52围绕延伸穿过插塞56的管道54旋转。优选地，所述第二部分130具有附着到所述插塞56的反射材料24，所述反射材料24重定向来自所述管道54的能量。所述管道54优选为光纤3。优选地，所述反射材料24包括反射来自所述管道54的光的棱镜8，且包括当所述流动流体旋转所述轮子52时将所述棱镜8随着所述插塞56一起旋转的步骤。第二部分的旋转方向和速度由入口与出口60、62之间的压力差来控制。
所述旋转步骤优选包括旋转轮子52的步骤，所述轮子52安置于安置有轮子52的碾磨器50的密封腔54的袋中。优选地，所述流动步骤包括使流体从入口管1穿过密封腔54的入口端60流入密封腔54的步骤。所述流动步骤优选包括通过延伸穿过第一部分120的至少一出口管2移除从第二部分130的密封腔54的出口端62流出的流体的步骤，因此产生一旋转流动路径，其中流体穿过在流体逆着翼板58流动时旋转轮子52的密封腔54。
在替代优选实施例的操作中且参考图5-9，如此项技术中所熟知，探测器100通过股动脉引入患者中且通过标准的导管插入技术移动到相对于心脏的所要位置。一旦探测器100处于所要位置，就将气体(诸如氮、CO2或氦或任何可相对容易地溶解于组织中的气体)或液体(诸如盐水、D5W、乳酸林格(lactated ringers)或人造血液(oxyglobin))从流体源26引入到探测器100的第一部分120的入口1。除了延伸穿过第一部分120的入口管1和出口管2和光纤3之外，探测器100的第一部分120基本上为固体。
探测器100的第二部分130附着(诸如通过胶合)到第一部分120。当第二部分130附着到第一部分120时，其与第一部分120适当对准以使光纤3沿第二部分130轴线从第一部分120延伸入中空以接收光纤3的第二部分130的中心。此外，入口管1与第二部分130的入口端60对准，且出口管2与第二部分130的出口端62对准，因此来自入口管1的流体流入入口端60且来自出口端62的流体流入出口管2。入口端60和出口端62都具有其中的弯曲以分别使沿入口管1中的轴线方向朝向流动的流体流动方向重定向朝向大体上的径向方向进入第二部分130且大体上从第二部分130以径向向外方向进入沿出口管2的轴线方向。第二部分的旋转方向和速度由入口与出口60、62之间的压力差控制。
第二部分130呈具有安置于密封腔54中的轮子52的碾磨器50形式。所述轮子52包含具有光纤3延伸穿过的中空中心轴线的插塞56和从插塞56径向向外延伸的翼板58。插塞56的第一端64安置于密封腔54的第一袋68且插塞56的第二端66安置于密封腔54的第二端66袋中。第一袋和第二袋68、70将插塞56维持在密封腔54的所要位置中，同时允许插塞56在密封腔54内自由旋转。通过将密封腔54的盖移除来将插塞56和翼板58引入密封腔54中，因此插塞56可引入密封腔54的主体中。所述盖的末端接着重新安装于所述主体上，其中插塞56的第一端64安置于第一袋68中且插塞56的第二端66安置于所述盖中所存在的第二袋70中。
随着流体流动穿过入口管1到出口端62和流入密封腔54，其撞击翼板58且引起翼板58在流体流的迫使下移动。翼板58的这种移动有效地引起插塞56旋转。所述流体逆着翼板58从入口端60流入且在其旋转时沿着围绕插塞56的路径且接着在出口端62处流出密封腔54以完成其在密封腔54内部的横越。流体通过出口端62离开密封腔54内部且接着通过出口管2从密封腔54运走且最终流出患者身体。通过使流体穿过相对于安置于插塞56下方的出口端62高于插塞56的一点处的入口端60进入密封腔54来有效地产生一旋转流体路径以使插塞56维持旋转。第二部分的旋转方向和速度由入口与出口60、62之间的压力差来控制。
当插塞56旋转时，安置于第一端64处的棱镜8与插塞56的中心轴线对准且因此与光纤3的中心轴线对准且以与插塞56相同的速度旋转。安置于插塞56中心的光纤3基本上不与插塞56接触且在插塞56由于转动翼板58的流体的作用而围绕光纤3旋转时保持静止。棱镜8重定向从光纤3发射的光径向向外朝向安置有探测器100的脉管的内壁。棱镜8的旋转引起光遍及一连续弧度、一圈一圈地遍及脉管内壁的圆周扫描。罩33覆盖密封腔54且保护密封腔54与脉管内的环境隔离，诸如与血液或其它流体或颗粒隔离。罩33透明以允许从光纤3发射的光透过所述罩33和到达脉管，和允许脉管内部所反射的光朝向棱镜8重新透过罩33，这时在棱镜8处光再次重定向到光纤3中，所述光先前来自于所述光纤3。然而，所反射的光现在携带有关脉管性质的信息，脉管引起光变化且在沿光纤3往回发送和在患者体外发送到分析器的反射光中得到证明。接着所述分析器使用熟知技术来分析其所接收的反射光。
碾磨器50和翼板58例如由不锈钢、Mg合金、塑料、Tygon或特富龙制成。举例来说，密封腔54由特富龙制成。罩33例如由塑料Tygon或任何可生物相容的透明塑料制成。探测器100的外径为约1mm。探测器100的第二部分130的近似尖端长度为5mm。轮子52的目标旋转速度为约720度/秒，其中流过密封腔54的流体的目标流率为约0.19mm3/秒。
如图10a和10b中所示，也可使用螺栓实施例，其中流体流动方向取决于流体流的方向而将所述螺栓向前或向后移动。
参看图17下列关于基于纳米技术的探测器尖端的不同实施例的描述。
质量流如图11中所示，如果介质为溶液，那么在所述溶液中可产生一质量流以提供致动转子的力矩。一个实例为上文所要的流动致动涡轮。在那种状况下，质量流为流动流体流。
质量流可为离子流。当介质为某种电解质(诸如NaCl溶液)时，可提供电场来使离子(诸如Na+和Cl-)朝向相反方向移动。离子移动所产生的质量流提供使溶剂(意即水)流动的净动力。围绕纳米发动机的轴的电场使其足够强以影响定子与转子之间的介质电解质，介质电解质中的水围绕所述轴流动以使得在定子与转子之间产生一力矩。此外，由于障碍物结构(诸如转子上的扇叶)，可充分使用所述力矩。如图12中所示，通过交错电极以在介质区域周围得到正电荷和负电荷可提供环状定向的电场。
如图13中所示，由渗透力诱导的质量流是另一选择。当在一种溶液的任何两个区域之间存在密度差时，产生渗透力。溶剂倾向于朝向较高溶质密度的区域流动。一些人已发明了一种使用这种现象的方法。在其装置中，虽然非常类似于有关电解质状况的上述实例，但其将电介质流体用作介质，且其使用带强电荷的电极来提供在电极之间移动的自由电子以使所述电子将电介质流体的一些分子离子化。所述分子离子倾向于移向带负电荷的电极且形成产生渗透力所需的密度差。这种致动也称为离子阻力致动器。
材料的变形当介质为一固体材料时，通过在所述介质材料中周期性地产生变形可在定子与转子之间产生一力矩。设想一些毛毛虫如何不用脚走来移动。其通常周期性地弯曲和拉伸其身体，以使得其可借助其皮肤与树枝之间的摩擦力来接收移动。纳米发动机可以相同的方式工作。如同上文的电解质实例，可制成环状定向的“弯曲和拉伸”结构以围绕轴产生力矩。在这种状况下，所述介质材料只能够连接到转子、只能够连接到定子或不连接到其任何一者。图14a和14b中显示一实例，其中图14b为转子和电极的详细视图。
术语“周期性”意指振动。所述结构并不一定为“毛毛虫”形式，但可使用盘形材料，其可如比萨饼在厨师手指尖转动一般振动。正如无线电话以振动模式响铃一样，其在桌上移动或甚至旋转。通常，周期性变形(或振动)和摩擦可产生移动且我们所需要的旋转运动为移动的特殊状况。
存在若干种可达成材料变形的方法。第一种方法为调节温度来改变物质的原子晶格结构(称为“相”)。一个良好的实例为形状记忆合金(SMA)。数十度的温度上升可使经过适当设计的SMA结构产生较大的几何学变化。
第二种方法为热膨胀或收缩，其为与如图15中所示的第一种方法的概念相似的概念。第三种方法为使用除热能之外的电场来使电介质介质材料收缩以产生变形，诸如弯曲。最后，当压电材料用作介质材料时，可将电压直接施加到所述介质。压电材料可产生较高变形和较高的力且其广泛应用于超声波发动机中，其中使用高频率的电波来致动安置于转子与定子之间的压电结构(在大多数状况下，转子自身为压电结构)。参看图16a和16b，其中图16b为转子和电极的详细视图。
在大多数状况下，转子与介质结构组合。所述转子具有在其周围形成之齿。举例来说，以三角形，其允许转子在一个方向上沿hypotamous的斜坡滑动但不会逆着垂直边缘往回移动。定子进一步包含复数个围绕所述转子但不接触的电极。在操作中，相互改变地使电极带电以在所述转子的齿上产生感应电荷。齿与电极之间的吸引力接着产生一力矩。
通常，探测器100的额外应用包括(1)胃肠道。结肠镜检查法和内窥镜检查法目前都只可以检查胃肠道的表面。当辨别出可代表癌症的可疑区域时，需要活组织检查。OCT具有显现胃肠道壁内2-4mm的优势且具有单一细胞水平的分辨率。探测器可提供组织学影像而不需要活组织检查组织来实时显现和诊断癌症。
(2)泌尿道。膀胱镜检查为一种以光源使膀胱显现以帮助诊断膀胱壁的内表面的移行细胞癌症。膀胱镜检查的应用需要活组织检查来做出移行细胞癌症的最后诊断。探测器100可透入膀胱壁若干毫米，以单一细胞水平显现和无需移除组织来做出移行细胞癌症的诊断。
(3)子宫颈癌和子宫癌。目前用于诊断子宫颈癌的金标准为宫颈抹片检查(pap smear)，其中将细胞从子宫颈刮除，且在光显微镜下检查以诊断癌症。类似地，也对女性刮除子宫的内衬层和在显微镜下检查以辨别癌细胞。探测器100可将发育异常的和恶性的病变成像和对核中的变化量化。
虽然本发明已在前述实施例中为了说明目的而进行了详细的描述，但应了解所述细节只用于说明目的且所属领域的技术人员在不脱离仅由以下权利要求书中所描述的本发明的精神和范围的情况下可在其中做出变化。
权利要求
1.一种用于一患者的导管成像探测器，其包含一传输能量的管道；一所述管道延伸穿过的第一部分；和一提供相对于所述管道的移动以重定向来自所述管道的能量的第二部分。
2.如权利要求1所述的探测器，其中所述第一部分包括一流体流过的入口管且其中所述第二部分由来自所述入口管的流动流体来移动。
3.如权利要求2所述的探测器，其中所述第二部分包括一所述管道延伸穿过的转子和一含有所述转子的密封腔，所述转子与所述密封腔的内表面界定至少一流动路径，所述流动路径围绕所述转子延伸、引导流体沿所述流动路径流动且通过所述流体所提供的反作用力引起所述转子围绕所述管道旋转。
4.如权利要求3所述的探测器，其中所述第二部分包括一由所述流动流体转动的具有所述转子和所述密封腔的涡轮。
5.如权利要求4所述的探测器，其中所述转子包括一所述管道延伸穿过的旋转中心轴和从所述中心轴延伸的螺旋形内槽，当所述流动流体逆着所述内槽流动时，所述内槽提供一旋转力矩到所述中心轴，引起所述中心轴围绕所述管道旋转。
6.如权利要求5所述的探测器，其中所述第二部分具有一个或多个附着到所述中心轴的光学重定向元件，其重定向来自所述管道的能量。
7.如权利要求6所述的探测器，其中所述管道为一辐射波导。
8.如权利要求7所述的探测器，其中所述辐射波导为一光纤。
9.如权利要求8所述的探测器，其中所述光学重定向元件包括一反射来自所述管道的光的棱镜，所述棱镜与所述中心轴一起旋转。
10.如权利要求9所述的探测器，其中所述涡轮包括支撑所述中心轴的球形突出物，其允许所述轴无颤动地旋转。
11.如权利要求10所述的探测器，其中所述第一管道包括至少一出口管，流体通过所述出口管流出所述第二部分。
12.如权利要求11所述的探测器，其中所述第二部分包括一罩，所述罩具有至少一对所述能量透明的部分，所述罩封装所述密封腔且接触所述第一部分，因此除流过所述出口管之外没有流体可从所述第二部分逸出。
13.如权利要求12所述的探测器，其中所述密封腔界定一附着到所述第一部分的筒体，所述筒体延伸出所述球形突出物且所述筒体界定一来自所述入口管的流体流过的腔室，所述涡轮安置于所述腔室中。
14.如权利要求13所述的探测器，其中所述第二部分包括一个或多个对所述能量进行整形的聚焦元件。
15.如权利要求14所述的探测器，其中所述聚焦元件选自由透镜、镜子、透镜/镜子组合、棱镜和液晶组成的群组。
16.如权利要求15所述的探测器，其包括一连接到所述入口管的流体源。
17.如权利要求16所述的探测器，其中所述流体源包括一从所述流体源抽取所述流体的泵。
18.如权利要求17所述的探测器，其中所述流体源中的所述流体选自由氮、氦、CO2、盐水、水、D5W、乳酸林格或人造血液组成的群组。
19.如权利要求18所述的探测器，其中所述第二部分包括一从所述涡轮延伸出的赘生物。
20.如权利要求19所述的探测器，其中所述第一部分包括一经对准以将能量导向至所述赘生物的第二辐射能量导向器，只有在所述第二能量导向器的尖端与所述赘生物对准时，所述赘生物才将所述能量反射回所述第二辐射能量导向器。
21.一种对一患者进行成像的方法，其包含下列步骤将一导管插入所述患者中；和相对于一延伸穿过所述导管的第一部分的管道旋转所述导管的第二部分，其将穿过所述管道发送的能量重定向到所述患者并接收从所述患者反射回所述第二部分的所述能量且将被反射的能量重定向到所述管道。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述旋转步骤包括使流体穿过一入口管流动到所述第二部分以转动所述第二部分的步骤。
23.如权利要求22所述的方法，其中下列步骤包括使流体穿过所述入口管流动以转动所述第二部分的转子的步骤。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述流动步骤包括使流体逆着从所述涡轮的一旋转中心轴延伸出的螺旋形内槽流动，以在所述中心轴上产生一旋转力矩的步骤，所述旋转力矩引起所述中心轴围绕延伸穿过所述中心轴的所述管道旋转。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述第二部分具有一附着到所述中心轴的反射材料，其重定向来自所述管道的能量。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述管道为辐射波导。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述辐射波导为一光纤。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述反射材料包括一反射来自所述管道的光的棱镜，且包括当所述流动流体旋转所述中心轴时将所述棱镜随着所述中心轴一起旋转的步骤。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述旋转步骤包括旋转所述中心轴的步骤，所述中心轴由其中安置有所述中心轴的一涡轮的筒体的球形突出物支撑。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述流动步骤包括使所述流体从穿过所述筒体的腔室的入口管流动的步骤。
31.如权利要求30所述的方法，其中所述流动步骤包括通过延伸穿过所述第一部分的至少一出口管移除从所述第二部分的所述筒体流出的所述流体的步骤。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述第一部分包括一经对准以将能量导向至所述赘生物的第二辐射能量导向器，只有在所述能量导向器的尖端与所述赘生物对准时，所述赘生物才将所述能量反射回所述第二辐射能量导向器。
33.如权利要求32所述的方法，其中所述第二部分的角位置通过由所述第二辐射能量导向器导向的能量来监控。
34.如权利要求33所述的方法，其中所述第二部分的旋转方向和速度由所述入口与出口之间的压力差来控制。
35.如权利要求3所述的探测器，其中所述第二部分包括一具有所述转子和所述密封腔的碾磨器。
36.如权利要求35所述的探测器，其中所述转子包括一轮子。
37.如权利要求36所述的探测器，其中所述密封腔固持所述轮子。
38.如权利要求37所述的探测器，其中所述管道为一辐射波导。
39.如权利要求38所述的探测器，其中所述辐射波导为一光纤。
40.如权利要求39所述的探测器，其中所述轮子包括一插塞和从所述插塞径向延伸的翼板，所述翼板由引起所述插塞旋转的流体推动。
41.如权利要求40所述的探测器，其中所述密封腔包括一入口端和一出口端。
42.如权利要求41所述的探测器，其中所述第二部分具有一附着到所述插塞的反射材料，所述反射材料重定向来自所述光纤的所述能量。
43.如权利要求42所述的探测器，其中所述反射材料包括一反射来自所述光纤的光的棱镜，所述棱镜与所述插塞一起旋转。
44.如权利要求43所述的探测器，其中所述密封腔包括一第一袋和一第二袋，其中尊敬地安置有所述插塞的第一端和所述插塞的第二端，所述第一袋和第二袋在所述插塞旋转时将所述插塞维持在所述密封腔中的适当位置中。
45.如权利要求44所述的探测器，其中所述第二部分包括一罩，所述罩具有至少一对所述能量透明的部分，所述罩封装所述密封腔且接触所述第一部分，因此除流过所述出口管外没有流体可从所述第二部分逸出。
46.如权利要求45所述的探测器，其包括一连接到所述入口管的流体源。
47.如权利要求46所述的探测器，其中所述流体源中的流体选自由氮、氦、盐水、CO2、D5W、乳酸林格(lactated ringers)、水或人造血液组成的群组。
48.如权利要求21所述的方法，其中所述流动步骤包括使流体流动穿过所述入口管以转动所述第二部分的一碾磨器的转子的轮子的步骤。
49.如权利要求48所述的方法，其中所述流动步骤包括使流体逆着从所述轮子的旋转插塞延伸出的翼板流动，以引起所述轮子围绕延伸穿过所述插塞的所述管道旋转的步骤。
50.如权利要求49所述的方法，其中所述第二部分具有一附着到所述插塞的反射材料，其重定向来自所述管道的能量。
51.如权利要求50所述的方法，其中所述管道为一光纤。
52.如权利要求51所述的方法，其中所述反射材料包括一反射来自所述管道的光的棱镜，且包括在所述流动流体旋转所述轮子时使所述棱镜随着所述插塞一起旋转的步骤。
53.如权利要求52所述的方法，其中所述旋转步骤包括旋转所述轮子的步骤，所述轮子安置于安置有所述轮子的所述碾磨器的一密封腔的多个袋中。
54.如权利要求53所述的方法，其中所述流动步骤包括使所述流体从穿过所述密封腔的入口端的入口管流入所述密封腔的步骤。
55.如权利要求54所述的方法，其中所述流动步骤包括通过延伸穿过所述第一部分的至少一出口管移除从所述第二部分的密封腔的出口端流出的流体的步骤，因此产生一旋转流动路径，其中所述流体流过在所述流体逆着所述翼板流动时旋转所述轮子的所述密封腔。
56.如权利要求55所述的方法，其中所述第一部分包括一经对准以将能量导向至一赘生物的第二辐射能量导向器，只有在所述第二能量导向器的尖端与所述赘生物对准时，所述赘生物才将所述能量反射回所述第二辐射能量导向器。
57.如权利要求56所述的方法，其中所述第二部分的角位置通过由所述第二辐射能量导向器导向的辐射能量来监控。
58.如权利要求55所述的方法，其中所述第二部分的旋转方向和速度由所述入口与出口之间的压力差来控制。
59.如权利要求1所述的探测器，其中所述第二部分为一包括一纳米转子、一纳米定子和一由介质材料形成的介质结构的纳米发动机，所述第一部分包括一驱动能量线，通过所述驱动能量线可将驱动能量传送到所述介质结构，借此所述介质结构通过将所述驱动能量转换成所述纳米定子与所述纳米转子之间的反作用力来致动所述第二部分，其中所述第二部分具有一附着到所述纳米转子的反射材料，借此重定向来自所述管道的能量，其中所述管道为一辐射波导。
60.如权利要求51所述的探测器，其中所述介质材料由提供所述反作用力的驱动能量和渗透压来诱导。
61.如权利要求52所述的探测器，其中所述介质材料包括电解质且所述驱动能量为电能。
62.如权利要求51所述的探测器，其中所述介质材料由提供所述反作用力的驱动能量和表面张力差来诱导。
63.如权利要求54所述的探测器，其中所述介质材料包括水且所述驱动能量为产生热量的辐射波能量。
64.如权利要求54所述的探测器，其中所述介质材料包括水且所述驱动能量为产生热量的电能。
65.如权利要求51所述的探测器，其中所述介质材料由提供所述反作用力的驱动能量和磁场变化来诱导。
66.如权利要求57所述的探测器，其中所述介质材料包括导电线圈且所述驱动能量为电能。
全文摘要
本发明涉及一种探测器(100)，其包含一传输能量的管道(110)，所述探测器(100)具有所述管道(110)延伸穿过的一第一部分(120)和一相对于管道(110)旋转以重定向来自所述管道(110)的能量的第二部分(130)。
文档编号A61B5/00GK1780584SQ200480011285
公开日2006年5月31日 申请日期2004年4月23日 优先权日2003年4月28日
发明者马克·D·费尔德曼, 托马斯·E·米尔纳, 陈绍晨, 金敬云, 韩丽新, 欧君琬, 李侯 申请人:德州系统大学董事会