专利名称：获取光学组织特性的制作方法
技术领域：
本发明涉及医学组织检查领域。特别地，本发明涉及用于获取人体
或动物体的光学组织特性的医疗器械(medical device),例如针。可插 入到要探测的组织中的所述医疗器械包括至少 一根用于将照明光导向 组织并且用于接收与组织发生相互作用的测量光的光纤。本发明还涉及 医疗设备(medical apparatus )以及用于获取人体或动物体的光学组织特 性的方法。所述医疗设备和方法均受益于所述医疗器械。
背景技术：
为了校正各种癌症疾病的诊断，采用了活组织检查。这可以或者通 过内窥镜的内腔(lumen)或者通过穿刺活组织检查来实现。可以例如 通过直肠从前列腺进行活组织;险查。为了找到进行活组织检查的正确位 置，使用了各种不同的成像模式，例如X射线、磁共振成像以及超声。 在前列腺癌的情况下，大多数情况下通过超声引导活组织检查。尽管有 所帮助，但是这些引导方法却远非最佳的。空间分辨率是有限的，并且 此外这些成像模式在大多数情况下不能区分良性的和恶性的组织。结 果，在活组织检查过程期间，人们并不知道样品是否取自组织的正确的 部分。这意味着典型地进行的是或多或少盲目的活组织检查。其效果在 于，即使在组织检查之后没有检测到癌细胞，人们也不确知没有简单地 错过进行活组织检查的正确位置。因此，为了改善精度，可以增加进行 的穿刺活组织检查的次数。然而，由于每次活组织4会查造成切口以及可 能还有并发症，因而这不是一种优选的解决方案。
US2005/0203419A1公开了一种穿刺活组织检查，其包括步骤在针
集光学信息。该光学探针包括照明光纤和检测光纤,'所述照明光纤将光 输送到邻近所述侧窗的组织，所述检测光纤收集来自相同组织的光并且 将其输送到光谱术仪器中。基于光谱术测量的结果，可以从针中取出光 学探针并且推进切割器以便获得邻近侧窗的组织的样本。
US5318023公开了一种用于使用荧光光语术进行转移癌的瞬时手术期内(intraoperative)检测和活组织检查的方法和设备。在手术之前服 用癌组织选择性地保留的光敏化剂。与活组织检查器械集成在 一起的光 纤探针照明被检查的组织并且产生荧光，该荧光由光谱仪记录并且绘成 光谱曲线。
US2005/0027199A1公开了一种用于在医疗过程期间识别机械医 疗仪器之前的组织结构的方法和设备。机械组织穿透医疗仪器具有在穿 透方向上穿透组织的远端。光学波前分析系统提供光以便照明医疗仪器 之前的组织并且接收由医疗仪器之前的组织返回的光。光纤在近端耦合 到波前分析系统并且在远端接近医疗仪器的远端处附接到医疗仪器。
可能存在提供用于获取人体或动物体的更加详细的光学组织特性 的工具和方法的需要。
发明内容
这种需要可以通过依照独立权利要求的主题来满足。从属权利要求 描述了本发明的有利实施例。依照本发明的第一方面，提供了用于获取 人体或动物体的光学组织特性的医疗器械，特别是针。该医疗器械包括
(a)具有纵轴的伸长的主体，其中该伸长的主体被设计成可插入到人 体或动物体的组织内，以及(b)光纤，该光纤集成到伸长的主体内。 光纤具有第一光纤末端和第二光纤末端，其中第一光纤末端适于耦合到
光学仪器，其中第二光纤末端设置在伸长的主体的侧壁处并且其中第二 光纤末端提供横向视场，其相对于纵轴定向在横向方向上。
本发明的这个方面基于以下的思想通过提供相对于伸长的主体定 向在侧向方向的横向视场，可以利用所述医疗器械研究的有效内腔可以 显著地增大。与配备了仅仅定向在伸长的主体的纵向方向上并且在前面 的或者远端的尖端处包括光纤末端的光纤的已知医疗器械形成对照的 是，所描述的医疗器械可以允许从光学上研究位于分支导管(canal)旁 边的组织。因此，术语分支导管用于基本上为管状的开口，其在将医疗 器械插入到组织内时至少临时地在组织内展开。
应当提及的是，术语横向视场表示该视场不仅仅定向在取向与纵轴 平行的方向上。在这个方面，横向视场其实表示(a)来源于光纤的第 二光纤末端的光的光束路径或者(b)撞击到光纤的第二光纤末端上的 光的光束路径相对于伸长的主体的纵轴成角度地取向。优选地，这些光束路径相对于纵轴至少近似成直角90。取向。然而，偏离0。和90。的其他 角度也是可能的，以便从光学上研究相对于伸长的主体位于侧向的组织。
此外，应当提及的是，光纤可以适于(a)将照明光从光学仪器传 输到组织，(b)将测量光从组织传输到光学仪器或者(c)在第一方向 上传输照明光并且在与第一方向相对的第二方向上传输测量光。在后一 种情况下，必须例如在医疗器械的近光纤末端处或者在相应的光学仪器 处提供适当的分束装置，以便允许实现测量光和照明光的空间分离。
通过顺序地移动医疗器械通过患者身体的组织，可以获得有关位于 医疗器械侧向的大组织内腔的光学特性的信息。因此，也可以实现医疗 器械的旋转运动，以便从光学上沿相对于纵轴的不同角方向研究组织。
应当指出的是，所描述的医疗器械并不限于插入到受检查患者的组 织内。所描述的医疗器械也可以插入例如患者的脉管中或者其他的管状 结构中。 一般而言，所描述的医疗器械可以插入到应该从光学上研究的 任何耙材料(target material)中。
依照本发明的一个实施例，所述医疗器械还包括反射器元件，该反 射器元件设置在伸长的主体的侧壁处并且光学耦合到光纤的第二光纤 末端。所描述的反射器元件可以提供如下优点特别在使用了细长的主 体和/或希望横向视场与纵轴之间的角度至少近似为90°的情况下，可以 避免光纤的强烈弯曲。这使得所述医疗器械的制造容易得多，因为显著 地降低了以相同的弯曲折断光纤的风险。
所述反射器元件可以与伸长的主体形成整体。这可以提供这样的优 点，即所述医疗器械的制造将被简化。可替换地，所述反射器元件可以 作为单独的光学部件来形成，其必须附接到伸长的主体。单独的反射器 元件可以提供这样的优点，即可以借助于该反射器元件的单独的处理来 实现反射器元件的非常高的光学质量。该反射器元件可以例如是反射镜 或者具有抛光表面的棱镜。
依照本发明的另 一个实施例，所述伸长的主体包括锐化的 (sharpened)远端。这可以提供这样的优点，即可以将所述医疗器械插 入到组织中，而不显著破坏或者伤害组织。
依照本发明的另 一 个实施例，所述医疗器械还包括集成到伸长的主 体内的光波导，该光波导具有第一波导末端和第二波导末端。因此，(a)第一波导末端适于耦合到光学仪器，(b)第二波导末端设置在伸长的主 体的前端，并且(c)第二波导末端提供了前视场，该前视场相对于纵 轴定向在纵向方向上。这可以提供这样的优点，即可以从光学上研究的 组织内腔可以通过也探测位于伸长的主体的正前方的组织来进一步增 大。
此外，当引导所述医疗器械通过患者的组织时，操作人员可以从光 学上表征打算将所述医疗器械插入其中的组织。因此，特别在将该医疗 器械插入到敏感组织中时，可以实现该医疗器械的更好的导航。
应当提及的是，光波导也可以包括多个光纤元件，其代表整束单独 的光纤元件。因此，所述光纤元件束可以代表光学成像系统，其允许获 取位于所述医疗器械之前的组织的图像。因此，这些单独的光纤元件中 的至少 一 些可以用于将照明光引导进入患者的组织内。
依照本发明的另 一个实施例，所述医疗器械还包括至少 一根集成到 伸长的主体内的另外的光纤，其中该另外的光纤具有另外的第 一光纤末 端和另外的第二光纤末端。所述另外的第一光纤末端适于耦合到光学仪 器，所述另外的第二光纤末端设置在伸长的主体的侧壁处并且该另外的 第二光纤末端提供了另外的横向视场，所述视场相对于纵轴定向在横向 方向上。
这可以提供这样的优点，即可以借助于不同的光纤同时研究位于所 述医疗器械的横向的组织内腔，所述不同的光纤中的每一根具有横向视 场。当然，所述另外的第二光纤末端中的每一个或者至少一些可以光学 耦合到对应的反射器元件，以便消除在每根另外的光纤的远端处相应的 光纤的强烈弯曲的需要。
优选地，在伸长的主体的侧壁处提供多个第二光纤末端或者另外的 第二光纤末端。因此，这些光纤末端可以分布在伸长的主体的主要为圆 柱形的壳体(shell)或者主要为圆柱形的外表面(superficies surface )。 然而，这些光纤末端也可以分布在渐细的表面上。
如果所述医疗器械包括多个不同的第二光纤末端，那么存在各种不 同的可能性，以便采用这些第二光纤末端以从光学上研究包围所述医疗 器械的横向组织。在下文中，将作为实例描述用于搡作所描述的医疗器 械的这些可能性中的三种
依照第 一种可能性，所述第二光纤末端中的 一个或多个用于照明横向包围伸长的主体的组织。照明光将被组织散射并且照明光的至少 一 些 光子将由其他的笫二光纤末端中的至少一些接收。这些接收的光子代表 测量光，其可以借助于分光计共同地加以分析。在这种情况下，测量光 的光镨分布可能揭示横向包围所述医疗器械的全体组织的生理特性。
依照第二种可能性，第二光纤末端中的至少一些或者优选地第二光 纤末端的全部用于将照明光传输到组织并且用于接收测量光，该测量光 由被研究的组织散射回来。因此，每个采用的第二光纤末端必须耦合到 用于产生照明光的公共光源并且耦合到用于接收测量光的公共光检测 器。因此，分束器可以用于空间分离照明光和测量光。
依照第三种可能性，所述光纤之一用于传输照明光，使得相应的第 二光纤末端代表照明源。照明光将由周围组织散射并且照明光的至少一 些光子将由其他的第二光纤末端中的至少一些接收。接收的光子同样代 表测量光。然而，与笫一种可能性形成对照的是，测量光是针对每根光 纤单独地被分析的。因此，该分析可能包括单独地收集的测量光的强度
和/或光"i普分布。
为了获取有关横向包围所述医疗器械的组织的甚至更加详细的信 息，可以例如以顺序的方式改变用于照明的光纤以及因而代表照明源的 激活的第二光纤末端的空间位置。因此，测量是在不同的时隙中顺序地 进行的，其中在每个时隙内，激活不同的第二光纤末端。
应当提及的是，这个实施例允许横向包围所述医疗器械的组织的散 射和吸收特性的三维(3D)成像。因此，可以实现与相邻第二光纤末端 之间的距离的分辨率相等的纵向分辨率。
在这点上，应当提及的是，所描述的光学扫描相应于称为漫射光学 层析(DOT)的方法。DOT是一种新出现的医疗成像模式。它是一种其 中优选地利用近红外光照明组织的技术。检测从组织中出射的光，并且 通过利用组织中的光传播模型确定组织的局部化光学特性。为了获得3D 图像，可以执行上面的层析类型的测量。从不同的源位置照明待成像的 组织，并且从所有可能的方向检测从组织中出射的光。根据这些源-检测 器测量结果计算3D图像称为图像重建。
DOT允许在围绕所述医疗器械的相对较大的体积内的功能成像，这 类似于光学乳房X线照相术中的情况，但是由于这里所描述的实施例中 的测量配置的原因，所成像的体积将小于光学乳房X线照相术。在这里所描述的实施例中， 一根或多根光纤用于组织的顺序照明。此外， 一根 或多根其他的光纤用来收集散射的光。使用图像重建算法，有可能获得 围绕所述医疗器械的区域中的光学特性的3D图。
DOT的主要优点是相比于其他光学方法的高穿透深度。在近红外光 谱区中，穿透深度处于其最大值，并且光学特性主要由重要的生理参数 (比如血含量以及氧饱和度)确定。通过组合不同波长下的DOT,有可 能将光学参数转化成生理参数。
在采用包括上述笫二波导的医疗器械的情况下，其中在伸长的主体 的前端提供第二波导末端，可以以这样的方式扩展所描述的DOT,即该 第二波导末端也用于传输照明光和/或用于接收散射的测量光。这可以提 供这样的优点，即也可以对位于所述医疗器械之前的组织进行光谱学分 析。
依照第四种可能性，也可以对于每根光纤执行光学相干层析(OCT) 扫描。这对于每根光纤给出沿着一定线的深度扫描。通过组合这些线， 可以重建围绕伸长的主体的组织的三维(3D)图像。同样地，可以实现 与相邻笫二光纤末端之间的距离相应的纵向分辨率。
此外，应当提及的是，上述四种可能性以及用于操作所描述的医疗 器械的任何其他的可能性依赖于受研究的组织的直接吸收和散射特性。 然而，也有可能通过利用适当的波长进行照明并且同时在检测器侧阻挡 该照明波长来绘制组织的荧光信号。荧光可以是内生的或外生的，即借 助于对比剂。焚光检测的特异性可以通过本领域中公知的方法(例如荧 光寿命成像)来改善。在荧光寿命成像中，使用了脉冲照明，并且使用 了受激原子和/或分子的时间衰减，以便及时区分衰减的测量光和照明光 或激发光。
最后但并非最不重要的，应当指出的是，可以利用拉曼(Raman) 光谱术来操作所描述的医疗器械，以便获得包围所述针的组织的另外的 特有特性。拉曼光谱术允许区分正常的组合和异常的组织。当然，也可 以借助于上面描述的光波导来实现拉曼光语术，所述光波导扩展到伸长 的主体的前端。
依照本发明的另 一个实施例，所述伸长的主体是实心轴(solid shaft)。这可以提供这样的优点，即可以容纳多根或整束光纤，或者可 以将其集成到实心轴中。由于可用于光纤的附加的空间的原因，可以显著增加光学探测点的数量，从而允许实现更高分辨率的成像和探测。
应当指出的是，术语"实心轴"不一定意味着该轴是由实心材料制
成的。在这个方面，实心轴表示在该轴内可以容纳其他的部件(比如光
纤)、支持器元件(比如间隔盘)的意义上该轴不是中空的。
应当提及的是，特别是具有实心轴的所描述的医疗器械可以用作所
谓的光学活组织检查器械。因此，不存在从患者身体移除的真实的组织
材料，所述组织材料也称为生物蝶呤(bi叩t)或样品。更合适地，在患
者身体内对该组织材料进行体内研究。
依照本发明的另一个实施例，所述伸长的主体是空心轴。因此，将 光纤以及如果必要的话还有光波导集成到轴壁中。这可以提供这样的优 点，即空心轴的内部可以用作例如用于将对比剂和/或荧光材4牛引入到应
该从光学上研究的组织内的套管(cannula)。
此外，所述套管可以用于施加光敏剂，例如氨基乙酰丙酸(amino levulic acid) (ALA)。 ALA可以提供这样的优点，即其不仅适用于癌症 诊断，而且构成用于光动力癌症治疗的潜在工具，所述光动力癌症治疗 也可以通过采用所描述的医疗器械在体内进行。
依照本发明的另 一个实施例，所述医疗器械还包括可移动地容纳在 空心轴内的活组织4企查元件。这意p木着可以以有利的方式将适于与组织 发生机械作用的工具和所描述的空心轴相结合。
所述活组织检查元件可以包括凹陷，其适于在移除生物蝶呤或样品 之后容纳生物蝶呤组织。所述样品移除可以由凹陷与代表刀刃的空心轴 前边缘之间的切割作用来支持。
如杲所述医疗器械配备了第二波导以及设置在空心轴前端处的第 二波导末端，那么有可能在通过该轴移除该轴尖端处的样品材料之前检 查该样品材料。这也允许核查活组织检查是否得到供病理学家检查的足 够的组织。
结果表明，利用拉曼光谱术可以区分良性的和恶性的组织。因此， 利用位于前端的第二波导末端实现的拉曼光谱术可以用于引导活组织 检查过程。因此，可以以瞄准的方式将所述医疗器械定向到恶性组织。 在这个方面，应当指出的是，基于拉曼数据的诊断精度不必是完美的， 因为实际的临床诊断是之后通过病理学在移除的样品上完成的。
换言之，拉曼光谱术仅仅允许在获取实际的样品之前局部地检查组织。因此，可以最小化穿刺活组织检查的次数，同时真正地提高了活组 织检查过程的精度。
依照本发明的另一个实施例，所述第二光纤末端提供了内部的横向 视场，该视场从空心轴的轴壁朝向中心纵轴。这可以提供这样的优点， 即可以立即从光学上对借助于活组织检查元件从患者身体移除的组织 样品进行分析。因此，在一级近似下，可以检查样品是否是优质的以及 样品在移除之前是否包含足够的组织。如果情况不是这样，那么可以在 从患者身体移除所述医疗器械之前立即执行新的活组织检查。在这个方 面，必须考虑到活组织检查元件的内腔包含足够的空间以允许从受检查 患者获取不止一个样品。
优选地，所述医疗器械包括两种类型的光纤。第一种类型的光纤具 有被定向成从空心轴径向地朝外的横向视场，并且第二种类型的光纤具 有由该实施例所描述的内部横向视场。此外，所述医疗器械还可能配备 了延伸到前端并且允许照明和研究位于该医疗器械远端之前的组织的 光波导。在检查利用位于空心轴侧旁和/或空心轴之前的材料获得的各种 光谱时，可以决定获取生物蝶呤，或者如果没有发现光语中的异常，则 将空心轴进一步移到另一个位置。
依照本发明的另 一个方面，提供了用于获取人体或动物体的光学组
织特性的医疗设备。所提供的医疗设备包括(a)依照上面所描述的任 何一个实施例的医疗器械，以及(b)光学仪器，其光学耦合到所述医 疗器械的光纤。
依照本发明的一个实施例，所述光学仪器包括(a)光源，其适于 产生用于注入到光纤内的照明光，以及(b)光学检测器，其适于接收 由光纤传输的测量光。
在这个方面，应当指出的是，可以利用同一根光纤来引导照明光和 测量光。在这种情况下，如上面已经指出的那样，可以使用分束器以便 空间分离照明光束路径和测量光束路径，使得光源和所迷分光计设备可 以光学耦合到光纤。
代替分束器的是，也可以使用所谓的猪尾形(pigtail)光纤，其包 括两个第一光纤末端。在这种情况下， 一个第一光纤末端耦合到光源， 另一个第一光纤末端耦合到分光计设备。可替换地，为了引导照明光， 可以使用第一光纤，并且为了引导测量光，可以使用第二光纤。光源可以是单色光源，例如发光二极管或者激光光源。光源也可以 是多色光源，例如灯泡。光源还可以是不同的单色和/或多色光源的组合。 光源的光谱分布可以调节到适当的光镨范围。光谱范围调节也可以借助 于适当的滤波器来实现。
此外，如上面已经所描述的那样，光源可以是脉沖光源，其在同步 脉冲光检测的情况下可以提供及时地区别测量光和照明光的可能性。当 然，这种时间分辨将要求已经由脉冲照明光激发的原子或分子的衰减的 去激发。
依照本发明的另一个实施例，所述光学仪器适于实现漫射光学层析 和/或所述光学仪器适于实现光学相干层析。
漫射光学层析在使用了包括多根光纤的医疗器械的情况下是特别 有利的。如上面已经所描述的那样，这可以允许从不同的源位置照明受 检查的组织并且检测在不同方向上从组织出射的光。因此，基于多个不
同的源-检测器测量结果，可以重建3D图像。
漫射光学层析(DOT)可以允许实现围绕所述医疗器械的相对较大 的体积内的功能成像。优选地，在近红外光谱区执行DOT。近红外光语 范围具有700nm与1400nm之间以及优选地700nm与800nm之间的光谱带 宽。在这个光谱范围内，组织穿透深度处于其最大值，并且人类组织或 动物组织的光学特性主要由重要的生理参数(比如血含量和氧饱和度) 确定。
依照本发明的另 一个实施例，所述光学仪器适于执行以下光学过程 中的至少一个拉曼光谱术，荧光光谱术，自动荧光光谱术，双光子光 "i普术以及差分路;gi长度光"i普术(differential path length spectroscopy )。这 可以提供这样的优点，即上述医疗器械可以用于应用多个不同的光学过程。
例如，拉曼光语术可以提供组织的分子组成的测量。通过使用适当 的算法，可以以89%的总精度区分良性和恶性前列腺活组织检查。欲知 进一 步的细节,参见出片反物"772￡ o/尺ama" ^c^c化asco/ y to We"〃》""c/
L^"丄J.M Farmer //. <a/ <i MP丄 PFn'g/z/V Sn'/^/z Jow7 a/ q/" Cawcer
f2W"卵，706-/W。该出版物的公开通过引用合并于此。
例如，差分路径长度光谱术(DPS)可以用来确定例如体内乳房组织的局部光学特性。DPS测量结果可以提供有关局部组织血含量、局部 血氧合(oxygenation),平均微小脉管直径、p胡萝卜素浓度以及散射斜 度的信息。因此，恶性乳房组织可以表征为组织氧合的显著降低以及相 比于正常乳房组织更高的血含量。欲知进一步的细节，参见出版物 "Of^ca/ 6一" 6reaW 脂."g c/晚re船'a/ /7af/2-/ewgA ■s^edrascopy;
Ao&W丄尸v朋J^e" Phys. Med. Biol. 50 2573扁25S/"。同样地，
该出版物的公开通过引用合并于此。
依照本发明的另 一 个方面，提供了用于获取人体或动物体的光学组 织特性的方法。提供的方法包括(a)利用已经从光源发射并且借助于 上面所描述的医疗器械传输的照明光照明组织，以及(b)检测已经与 组织发生相互作用并且已经借助于所述医疗器械传输的测量光。
本发明的这个方面基于以下思想通过使用上述医疗器械，可以从 光学上研究显著扩大的内腔。这基于以下事实与仅允许研究位于医疗 器械的远端前端之前的组织的现有技术医疗器械形成对照的是，所描述 的方法允许研究横向包围医疗器械的组织材料。
可以借助于分光计设备来分析测量光，所述分光计设备能够测量测 量光的光谱分布。
在这点上，应当强调的是，所描述的用于获取光学组织特性的方法 不用于提供诊断或关于治疗患者。所描述的方法以及本发明的所有其他 方面和实施例仅仅提供附加的和更详细的信息，其可以帮助医师获得诊 断和/或决定适当的治疗过程。
依照本发明的一个实施例，所述方法还包括施加光敏剂。这在荧光 光谱术方面是特别有利的。特别在光敏剂与某种组织材料亲和的情况 下，荧光光语术可以允许明确地识别该组织材料。
光敏剂可以不仅用于癌症诊断。如果光敏剂也包含光动力特性，那 么它也可以用于例如致癌组织的光动力治疗。光敏剂可以是例如氨基乙 酰丙酸(ALA)。
应当指出的是，已经针对不同的主题描述了本发明的实施例。特别 地，已经参照设备型权利要求描述了某些实施例，而参照方法型权利要 求描述了其他的实施例。然而，本领域技术人员根据上面的以及下文的 描述将了解，除非另有说明，除了属于一种类型的主题的特征的任意组 合之外，有关不同主题的特征之间，特别是设备型权利要求的特征与方法型权利要求的特征之间的任意组合都4支认为在本申请中进行了公开。
的实例是清楚明白的，并且参照这些实施例的实例加以解释。下面将参 照实施例的实例更加详细地描述本发明，但是本发明并不限于这些实例。
图l示出了包括医疗器械的医疗设备，其用于从光学上研究关于医 疗器械横向包围的组织材料。
图2示出了包括医疗器械的医疗设备，其配备了设置在医疗器械的 侧壁处的多个不同的光纤出口。
图3示出了包括空心轴的医疗器械，其中可移动地容納了活组织检 查元件，该医疗器械还包括光纤出口，其朝向空心轴的内部。
图4示出了配备反射器元件的医疗器械的透视图，所述反射器元件 设置在医疗器械的横向表面处。
图5示出了图4所示医疗器械的截面图和纵截面图。
具体实施例方式
附图中的图示是示意性的。应当指出的是，在不同的附图中，利用 相同的附图标记或者利用仅在第 一数字内与相应的附图标记不同的附 图标记来提供相似或相同的元件。
图1示出了依照本发明第一实施例的医疗设备100。该医疗设备100 包括光学仪器110和医疗器械130。依照这里描述的实施例，该医疗器 械是光学针130。医疗设备100特别适用于从光学上研究关于医疗器械 130横向包围的组织材料。
光学仪器110包括适于产生照明光112的光源111。依照这里描述 的实施例，光源是激光器111,其发射单色辐射束111。该辐射束通过 光学器件113被引导到光纤140的第一光纤末端141上。
光学仪器IIO还包括分光计设备116,其借助于光学器件118光学 耦合到光纤145。分光计设备116用于对医疗器械130提供的测量光117 进行光谱分析。分光计设备116设有CCD照相机119,以便检测测量光 117，该测量光借助于分光计设备116的至少一个折射或衍射光学元件
15进行光谱扩展。
医疗器械130包括具有纵轴132的伸长的主体131。在伸长的主体
131的侧壁133上，提供了第二光纤末端142,其耦合到光纤140。第二 光纤末端142以这样的方式取向，即它们每个提供横向视场144，该视 场可以用于照明;镜向包围伸长的主体131的组织。
医疗器械130还包括设置在伸长的主体131的前端134的波导末端。 该波导末端155提供了前视场156,该视场的取向基本上平行于纵轴 132。
两才艮光纤140和145可以以各种不同的组合光学耦合到;镜向光纤出 口 142以及前波导出口 155。因此，出口 142和155可以共同地或者单 独地与光纤140或光纤145耦合。在这个方面，应当指出的是，光学井禺 合到光纤145或分光计设备116的这些出口实际上代表光学入口，因为 由组织散射的测量光可以进入这些入口 ，从而可以借助于分光计设备 116分析该测量光。
依照图l所示的实施例，两个横向光纤出口 142分配给相同的光纤 140。然而，也可能对于这两个横向光纤出口 142中的每一个和/或对于 前波导出口 155 ^f吏用一才艮单独的光纤。当然，也可以在伸长的主体131 的侧壁133处提供少于或多于两个横向光纤出口 142。
图2示出了依照本发明第二实施例的医疗设备200。该医疗设备200 包括光学仪器210和医疗器械230。依照这里所描述的实施例，该医疗 器械是实心光学针130。
光学仪器210包括适于产生照明光212的光源211。照明光由光纤 211a引导，该光纤也可以称为照明光纤211a。光学仪器210还包括适于 借助于测量光纤216a接收测量光217的分光计设备216。光学器件213 被提供，以便将光纤211 a和测量光纤216a分别与医疗器械230内容纳 的选定光纤光学耦合。
也可以用仅仅测量光强的光学检测器216代替分光计设备216。检 测器216可以配备光谱滤波器，以便选择测量光217的某个波长或光谱 范围。
为了选择性地将照明光纤211a和/或测量光纤216a与医疗器械230 的预定光纤耦合，提供了未绘出的定位系统，其用于在取向垂直于光学 针230的纵轴232的x-y平面内调节照明光纤211a和/或测量光纤216a的末端。
光学针230包括具有纵轴232的伸长的主体231。该伸长的主体231 是实心轴236,其容纳多根光纤。伸长的主体231的前端234被锐化， 使得所述医疗器械可以插入到患者身体内，而不对患者造成明显的损伤。
在伸长的主体231的侧壁233上，提供了多个第二光纤末端242、 242a、 242b。每个第二光纤末端242、 242a、 242b通过光纤光学连4妾到 相应的第一光纤末端241、 241a、 241b。第二光纤末端242、 242a、 242b 以这样的方式取向，即它们中的每个提供横向视场，所述坤黄向视场可以 用于照明4黄向包围伸长的主体231的组织和/或用于接收由该组织散射 的测量光。
医疗器械230还包括中心波导，其延伸到伸长的主体231的锐化远 端234处的波导末端255。该波导末端255提供了前视场256,该一见场 的取向基本上平行于纵轴232。
由图2可知，光学针230包含一系列光纤，无需具有内腔。将在针 的基座(base)处的每个光纤入口位置241、 241a、 241b分配给针230 的侧壁233处的横向光纤出口 242、 242a、 242b。通过这种方式，针230 配备了各种不同的光学探针位置。
光借助于上面所描述的光学仪器210在针230的基座处选择性地耦 合进以及耦合出光纤。连接到照明光纤211a的光源211照明例如第一 光纤末端241。光将穿越相应的光纤并且照明围绕横向出口位置242的 组织。从该位置242散射的光可以例如到达位置242a和242b,其于是 代表横向光纤输入端。检测器216连接到测量光纤216a，其分别收集来 自每个第一光纤末端241、 241a和241b的光。测量光217的强度是横 向出口位置242、 242a和242b之间的吸收和散射的量的度量。根据这 些信号，可以提取围绕所述针的组织特性。
值得指出的是，图2中绘出的实施例允许对包围针230的组织的散 射和吸收特性进行三维成像。因此，可以实现纵向空间分辨率与纵向光 纤-光纤距离的分辨率相等。
应当提及的是，所描述的医疗器械230也允许在针周围执行漫射光 学层析(DOT)。这允许围绕针的相对较大的体积内的功能成像。因此， 一个或多个横向光纤出口 242、 242a、 242b用于组织的(顺序)照明。一个或多个其他的光纤出口 242、 242a、 242b用来收集散射的光。使用 图像重建算法，有可能获得围绕针230的区域中的光学组织特性的3D 图。DOT的主要优点在于，与其他的光学方法相比，穿透深度大。该穿 透深度约为源242与检测器242a或242b之间的距离的一半。
DOT的最有利的波长区域是近红外(NIR)光语区。这里，穿透深 度处于其最大值并且光学特性主要由重要的生理参数(比如血含量和氧 饱和度)确定。通过组合不同波长下的DOT,有可能可靠地将光学参数 转化成生理参数。
而且，也可以针对每根光纤执行光学相干扫描，其针对每根光纤给 出沿着一定线的深度扫描。组合这些线，可以重建围绕针的组织的三维 图像，其同样具有与所述光纤-光纤距离的分辨率相等的纵向分辨率。
在下文中，将简要地描述这个实施例的一种变型，其中实现了荧光 成^象和/或光"^普测量。因此，光源211和光纤211a用于激发组织内的焚 光分子或原子。由这些分子发射的相应的荧光借助于光纤216a收集并 且引导到检测器216。
依照另一种变型，可以执行拉曼光谱术。因此，可以针对每个光纤 末端位置242、 242a、 242b等等单独地获得相应的拉曼光谱数据。
图3示出了包括伸长的主体331的医疗器械330。伸长的主体331 具有空心轴338的形状。活组织检查元件380沿着医疗器4成330的纵轴 332可移动地容纳在空心轴338内。前端334^f皮锐化以便有助于将医疗 器械330插入到患者身体内。
也包括锐化的远端381的活组织;险查元件380包括用于收集组织样 品385的凹陷382。该组织样品也表示为生物虫莱呤385。为了收集生物 虫莱p令385，将活组织;险查元件380移向前端334, 4吏得凹陷382 /人空心 轴338的前端334突出。在再次向内移动活组织4全查元件380时，已经 进入凹陷382的生物蝶呤将从其相邻组织切割开来。该切割在边缘382a 与边缘334a之间实现。
轴壁338包含光纤340、 340a以及光波导350、 350a。在本申请内 使用的术语中，光波导350和350a分别用于提供前视场356和356a。 与之形成对照的是，光纤340和340a分别用于提供横向视场349和349a。 横向视场349和另外的横向视场349a分别来源于代表横向光纤出口 342 的第二光纤末端以及代表另外的横向光纤出口 342a的另外的第二光纤末端。
由图3可知，横向视场349和349a被向内定向，使得可以在移除 生物蝶呤385之后立即从光学上研究从患者身体移除的生物蝶呤385。 这意味着，可以在通过空心轴338将生物蝶呤385移除到外部世界之前 从光学上检查生物蝶呤385。通过这种方式，可以检查生物蝶呤385是 否是优质的以及它在移除之前是否包含足够的组织。如果情况不是这 样，那么可以立即执行新的活组织;险查，因为凹陷382或者空心轴338 的内腔包括足够的空间以便允许完成不止一次活组织检查。
由图3进一步可知，分别来源于第二波导末端355以及另外的第二
纵轴332。这提供了这样的优点，即可以照明位于锐化的远端334之前 的组织。得到的散射和发射的光的至少一部分由其他的光纤收集并且引 导到光谱仪，其中例如对拉曼光谱进行记录。在检查该光谱时，可以决 定执行活组织检查或者进一 步移动轴338通过患者的组织以便到达发现 光谱中的异常所在的另一位置。这样的异常可能表示例如恶性组织，其 对于由病理学家进行研究是非常重要的，以便提供可靠的正面或负面癌 症诊断。
图4示出了配备反射器元件448a的医疗器械430的透视图。设置 在伸长的主体431的侧壁处的反射器元件448a中的每一个耦合到容纳 在伸长的主体431内的光纤。每个反射器元件448a用于反射照明光或 者用于反射测量光，所述照明光从光纤的第二光纤末端发射，所述测量 光从横向包围伸长的主体431的外壳439的組织发射或散射。外壳439 被使用，以便机械地保护医疗器械430。依照这里所绘出的实施例，外 壳439由透明材料制成。然而，应当提及的是，也可能制造具有光学不 透明外壳的医疗器械430。
反射器元件448a提供了这样的优点，即可以使配备了反射器元件 448a的每根光纤的相应视场的取向基本上垂直于伸长的主体431的纵 轴，而不弯曲相应的光纤。
图5示出了图4所示的医疗器械的截面图(左侧)和纵向截面图(右 侧)，该医疗器械现在用附图标记530表示。该医疗器械包括伸长的主 体531,其容纳光纤540以及另外的光纤540a。光纤540包括第二光纤 末端542。所述另外的光纤540a包括另外的第二光纤末端542a。横向视
19场544^皮分配给第二光纤末端542。另外的横向^L场544a净皮分配给所述 另外的第二光纤末端542a。
为了将一见场544、 544a纟黄向定向成径向向外，而不必弯曲光纤540、 540a,采用了反射器元件548、 548a。在图5所示医疗器械530的右视 图中，示出了实现反射器元件548、 548a的两种可能性。
这些反射器元件可以例如借助于反射镜元件548来实现。反射4竟元 件548可以与伸长的主体531的轴壁形成整体。可替换地，这些反射器 元件可以由棱镜548a实现，其被附接以接近伸长的主体531的轴壁的 开口 。
伸长的主体531还容纳内壳553,其本身容纳波导550。特别地， 从图5所示左视图可知，容纳的波导550包括成束的光纤元件。如上面 已经详细地解释的那样，使用了波导550,以便提供医疗器械530的未 示出的前一见场。
应当指出的是，措词"包括"并没有排除其他的元件或步骤，并且 "一"或"一个"并没有排除复数。此外，可以将结合不同实施例描述 的元件进行组合。还应当指出的是，权利要求中的附图标记不应当被视 为对权利要求的范围的限制。
为了积无括本发明的上述实施例，可以作如下陈述
本申请描述了用于获取靶材料的光学组织特性的医疗器械230。该 医疗器械230包括具有纵轴232的伸长的主体231以及集成在伸长的主 体231内的光纤。该光纤具有第二光纤末端242、 242a、 242b,其设置 在伸长的主体231的侧壁233处并且提供了相对于纵轴232的横向^L场。
依照一个实施例，集成了许多光纤，每根光纤具有围绕伸长的主体 231的光学出口 242、 242a、 242b。使用出口 242、 242a、 242b来执行漫 射光学层析(DOT)并且还使用光纤来执行光学检查，比如光学相干层 析、拉曼光谱术、光散射光谱术等等，可以通过DOT获得有关围绕医 疗器械230的体积内的肺瘤的存在(数cm)以及医疗器械230的邻近 的组织特征化(数百微米)的信息。这特别对于前列腺癌症是令人感兴 趣的。DOT通过引导医疗器械230更加接近前列腺中的可疑区来寻找这 些可疑区，由此基于所述光学技术可以做出精密的诊断。因此，可以实 现DOT引导的光学活组织检查，其中没有移除真实的组织。依照另一 个实施例，可以将光学检测系统集成到真实的活组织检查针330中，从而允i午同时实现4企查和真实的活组织才全查。
附图标记列表 100 医疗设备
110 光学仪器
111 光源/激光器
112 照明光/辐射束
113 光学器件
116 分光计设备
117 测量光 118光学器件 119 CCD照相枳』
130 医疗器械/光学针
131 伸长的主体
132 纵轴
133 侧壁
134 前端
140 光纤
141 第一光纤末端
142 第二光纤末端/横向光纤出口 144 4黄向4见场
145光纤
155 波导末端/前波导出口
156 前—见场 200 医疗设备
210 光学仪器
211 光源 211a 照明光纤
212 照明光
213 光学器件
216 分光计设备/检测器 216a 测量光纤217 测量光
230 医疗器械/光学针
231 伸长的主体
232 纵轴
233 侧壁
234 前端/锐化的远端 236 实心轴
241第一光纤末端、第一光纤入口位置
241a/b 另外的第一光纤末端、另外的光纤入口位置
242 第二光纤末端^黄向光纤出口M黄向出口位置
242a/b 另外的第二光纤末端/另外的横向光纤出口/另外的横向出口位 值
255 波导末端
256 前视场
+/-X x方向 +/-y y方向
330 医疗器械/光学针
331 伸长的主体
332 纵轴
334 前端/锐化的远端
334a 边缘
338 空心轴/轴壁
340 光纤
340a 另外的光纤
342 第二光纤末端M黄向光纤出口
342a另外的第二光纤末端/另外的横向光纤出口
349 内部4黄向^f见场
350 光波导
350a 另外的光波导
355 第二波导末端
355a 另外的第二波导末端
356 前^L场356a 另外的前视场
380 活组织4企查元件
381 锐化的远端
382 凹陷 382a 边缘
385 样品/生物蝶呤
430 医疗器械/光学针
431 伸长的主体 439 外壳
448a 反射器元件/棱镜
530 医疗器械/光学针
531 伸长的主体 540 光纤
540a 另外的光纤
542 第二光纤末端
542a 另外的第二光纤末端
544 4黄向一见场
544a 另外的横向^L场
548 反射器元件/反射镜元件
548a 反射器元件/棱镜
550 包括成束光纤元件的波导
553 内壳
权利要求
1.一种用于获取人体或动物体的光学组织特性的医疗器械，特别是针(230，330)，该医疗器械(230，330)包括具有纵轴(232，332)的伸长的主体(231，331)，其中该伸长的主体(231，331)被设计成可插入到人体或动物体的组织内，以及光纤(340)，该光纤集成到伸长的主体(231，331)内，该光纤(340)具有第一光纤末端(241)和第二光纤末端(242，342)，其中第一光纤末端(241)适于耦合到光学仪器(210)，第二光纤末端(242，342)设置在伸长的主体(231，331)的侧壁(233，338)处，并且第二光纤(242，342)末端提供横向视场(144，349)，其相对于纵轴(232，332)定向在横向方向上。
2. 依照权利要求l的医疗器械，还包括反射器元件(448a， 548， 548a)，其设置在伸长的主体(231, 331, 531)的侧壁(233, 338 )处并且光学耦合到光纤(340)的第二光纤末 端(242, 342)。
3. 依照权利要求l的医疗器械，其中伸长的主体(231， 331)包括锐化的远端(234， 334 )。
4. 依照权利要求l的医疗器械，还包括集成到伸长的主体(231, 331 )内的光波导(350),该光波导(350 ) 具有第一波导末端和第二波导末端(255, 355 )，其中， 第一波导末端适于耦合到光学仪器(210)，第二波导末端(255, 355 )设置在伸长的主体(231, 331 )的前端 (234, 334 ),并且第二波导末端(255， 355 )提供了前视场(256, 356 )，该前视场 相对于纵轴(232， 332 )定向在纵向方向上。
5. 依照权利要求l的医疗器械，还包括至少一根集成到伸长的主体(331)内的另外的光纤(340a),该另 外的光纤(340a)具有另外的第一光纤末端(241a)和另外的第二光纤 末端(242a, 342a),其中所述另外的第一光纤末端(241a)适于耦合到光学仪器(210), 所述另外的第二光纤末端(242a, 342a)设置在伸长的主体(231,331)的侧壁(233, 338 )处，并且该另外的第二光纤末端(242a, 342a )提供了另外的横向视场(349a), 所述一见场相对于纵轴(232， 332 )定向在一黄向方向上。
6. 依照权利要求l的医疗器械，其中 所述伸长的主体(231)是实心轴(236)。
7. 依照权利要求l的医疗器械，其中 所述伸长的主体(331)是空心轴(338 )。
8. 依照权利要求7的医疗器械，还包括 可移动地容纳在空心轴(338 )内的活组织;险查元件(381)。
9. 依照权利要求7的医疗器械，其中所述第二光纤末端(342a)提供了内部的横向视场(349a),该视 场从轴壁(338 )朝向空心轴(338 )的中心纵轴。
10. —种用于获取人体或动物体的光学组织特性的医疗设备，该医 疗设备(100, 200)包括依照权利要求l的医疗器械(130, 230, 330),以及 光学仪器(IIO， 210)，其光学耦合到所述医疗器械(130, 230, 330)的光纤(140, 340)。
11. 依照权利要求10的医疗设备，其中 所述光学仪器(110, 210)包括光源(111, 211),其适于产生用于注入到光纤(140, 340)内的 照明光(112, 212),以及光学检测器(116, 216),其适于接收由光纤(140, 340)传输的 测量光(117, 217)。
12. 依照权利要求10的医疗设备，其中 所述光学仪器(110, 210)适于实现漫射光学层析和/或 所述光学仪器(110, 210)适于实现光学相干层析。
13. 依照权利要求10的医疗设备，其中所述光学仪器(110, 210)适于执行以下光学过程中的至少一个 拉曼光谱术，荧光光谱术，自动荧光光语术，双光子光谱术以及差 分路径长度光谱术。
14. 一种用于获取人体或动物体的光学组织特性的方法，该方法包括利用已经从光源(111, 211 )发射并且借助于依照权利要求l的医 疗器械(130, 230, 330)传输的照明光(112， 212)照明组织，以及检测已经与组织发生相互作用并且已经借助于所述医疗器械(130， 230, 330)传输的测量光(117, 217)。
15.依照权利要求14的方法，还包括&力口^^:剂。
全文摘要
本申请描述了一种用于获取靶材料的光学组织特性的医疗器械(230)。该医疗器械(230)包括具有纵轴(232)的伸长的主体(231)以及集成到伸长的主体(231)内的光纤。该光纤具有第二光纤末端(242，242a，242b)，其设置在伸长的主体(231)的侧壁(233)处并且提供相对于纵轴(232)的横向视场。依照一个实施例，集成了许多光纤，每根光纤具有围绕伸长的主体(231)的光学出口(242，242a，242b)。使用出口(242、242a、242b)来执行漫射光学层析并且还使用光纤来执行光学检查，可以获得有关围绕医疗器械(230)的体积内的肿瘤的存在以及医疗器械(230)的邻近的组织特征化的信息。因此，可以实现光学活组织检查，其中没有移除真实的组织。依照另一个实施例，将光学检测系统集成到真实的活组织检查针(330)中，从而允许同时实现检查和真实的活组织检查。
文档编号A61B5/00GK101553162SQ200780045328
公开日2009年10月7日 申请日期2007年11月29日 优先权日2006年12月6日
发明者A·L·布劳恩, B·H·W·亨德里克斯, M·C·范比克, R·W·I·德博尔, S·凯珀, W·H·J·伦森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司