冷冻消融方法和系统与流程

本发明涉及一种方法和系统，其用于提供对医疗装置的热处理元件的温度的更大控制，使得操作者能够延长冷冻消融手术的融化期。

背景技术：

热处理组织的方法常常用于各种各样的医疗目的。例如，可以借以破坏组织的冷冻消融可以用来处理心律失常、在癌症的治疗中消融肿瘤以及用于皮肤病和产科手术。此外，将组织冷却至半致死温度常常在电生理学研究中使用。

无论被处理的组织如何，由冷冻消融手术形成的消融灶的永久性都是最重要的。靶组织必须被完全且永久性地影响，这防止被治疗的病症的复发。在包括心房颤动(AF)的某些形式的心律失常的处理中，在心脏内的特定位置处必须形成永久性的电传导阻断。因此，必须形成连续的透壁消融灶，从而确保靶组织中的所有心肌细胞都被破坏。具体地，通过若干机制由冷冻性损伤快速杀死肌细胞，这些机制可包括由于结冰、渗透压失衡、脱水、线粒体损害和凋亡过程延迟导致的细胞膜破裂。

组织细胞损害的类型和严重性受处理过程的若干参数影响。例如，在冷冻消融手术中，这些参数可包括冷冻的持续时间、处理温度、冷却和融化速率、以及冷冻-融化-冷冻循环的次数。事实上，通过在大约-20℃和大约-25℃之间的适度低温下形成温度平台来延长冷冻消融手术的融化阶段可以导致更完全的细胞破坏和因此减小的重新传导可能性。另外，将处理元件维持在该温度范围内可以通过防止冷冻区过深地穿透到组织内部而降低附带损害的发生率。

当前的心脏冷冻消融系统以流向处理装置的受控的制冷剂流量来操作，导致在给定条件下最低的可实现操作温度。也就是说，操作者没有办法控制最低温度或冷却和融化速率。唯一可控制的参数是冷冻的持续时间和冷冻-融化-冷冻循环的次数。

因此，希望提供一种方法和系统，通过该方法和系统，冷冻消融手术的参数可以是完全可控的。例如，希望提供一种方法和系统，通过它可以由操作者控制冷冻的持续时间、处理温度、冷却和融化速率、以及冷冻-融化-冷冻循环的次数。

技术实现要素：

本发明有利地提供了一种方法和系统，其用于提供对医疗装置的热处理元件的温度的更大程度控制，使得操作者能够延长冷冻消融手术的融化期。在一个实施例中，一种用于可控制地调整医疗装置处理元件的温度的系统可包括：流体递送管道，其包括上游部分和下游部分；过冷却器，其位于上游流体流动路径和下游流体流动路径之间；旁路流体流动路径，其具有与上游流体流动路径直接连通的第一端部和与下游流体流动路径直接连通的第二端部；第一阀门，其在过冷却器和旁路流体流动路径的第一端部之间位于上游流体流动路径中；以及第二阀门，其位于旁路流体流动路径中。该系统还可包括与流体递送管道流体连通的制冷剂源。作为示例，处理元件在第一阀门完全打开且第二阀门完全关闭时可以达到最低处理温度，并且在第一阀门完全关闭且第二阀门完全打开时可以达到最高处理温度。制冷剂源可以是液体制冷剂源，并且该系统还可包括与流体递送管道流体连通的气体制冷剂源。调整气体制冷剂与液体制冷剂的比率可以选择性地控制处理元件的温度。液体制冷剂源可以是第一储箱，并且气体制冷剂源可以是第二储箱。备选地，液体制冷剂源和气体制冷剂源可以是公共储箱(即，液体制冷剂源和气体制冷剂源可以位于同一储箱中)。公共储箱可以限定流体贮存器，液体制冷剂源在流体贮存器的底部处，并且气体制冷剂源在流体贮存器的顶部处。此外，公共储箱可包括与液体制冷剂源流体连通的第一阀门和与气体制冷剂源流体连通的第二阀门，对第一和第二阀门中的至少一个的操纵调整气体制冷剂与液体制冷剂的比率。例如，第一和第二阀门中的至少一个可以被操纵，直到处理元件达到在大约-20℃和大约-25℃之间的温度。储箱还可包括浸料管，其与第一阀门连通且延伸进入液体制冷剂源。第一和第二阀门可以在公共储箱的同一端上，或者它们可以在公共储箱的相对两端上。流体递送管道可以与处理元件流体连通，并且该系统还包括与处理元件流体连通的流体回收管道、在流体回收管道中的第一阀门和在流体递送管道中的第二阀门，对第一和第二阀门中的至少一个的独立操纵选择性地控制处理元件的温度。备选地，该系统可包括仅在流体回收管道中的阀门，该阀门的操纵选择性地控制处理元件的温度。

一种用于调整冷冻消融装置的处理温度的系统可包括：制冷剂源；流体递送管道，其被构造成与制冷剂源和冷冻消融装置流体连通；流体回收管道，其被构造成与冷冻消融装置流体连通；以及加热元件，其与流体递送管道热交换。加热元件可以是热电加热器。另外或备选地，流体回收管道可包括加热流体流动路径，加热流体流动路径的至少一部分与流体递送管道热交换。加热流体流动路径可包括阀门，对该阀门的操纵选择性地影响冷冻消融装置的至少一部分的温度。

一种用于调整冷冻消融装置的处理元件的处理温度的系统可包括：流体递送管道，其包括上游部分和下游部分，上游部分与制冷剂贮存器流体连通，而下游部分与处理元件流体连通；过冷却器，其位于上游流体流动路径和下游流体流动路径之间；旁路流体流动路径，其具有与上游流体流动路径直接连通的第一端部和与下游流体流动路径直接连通的第二端部；第一阀门，其在过冷却器和旁路流体流动路径的第一端部之间位于上游流体流动路径中；以及第二阀门，其位于旁路流体流动路径中，制冷剂贮存器包含气体状态的制冷剂和液体状态的制冷剂两者，制冷剂贮存器具有第三阀门和第四阀门，第三阀门用于将气体状态的制冷剂递送至流体递送管道，第四阀门用于将液体状态的制冷剂递送至流体递送管道，对第一、第二、第三和第四阀门中的至少一个的独立操纵控制处理元件的温度。第一、第二、第三和第四阀门中的至少一个可以被操纵，以使得处理元件达到在大约-20℃和大约-25℃之间的温度。

附图说明

通过参照结合附图考虑的下面的详细描述，将更容易理解对本发明的更完整的理解和伴随的优点及其特征，在附图中：

图1示出了示例性的冷冻消融系统，其包括具有处理元件的处理装置；

图2示出了提供完全可控的冷冻消融参数的系统的第一示意图；

图3示出了提供完全可控的冷冻消融参数的系统的第二示意图；

图4示出了提供完全可控的冷冻消融参数的系统的第三示意图；

图5示出了提供完全可控的冷冻消融参数的系统的第四示意图；

图6A示出了提供完全可控的冷冻消融参数的系统的第五示意图；

图6B示出了提供完全可控的冷冻消融参数的系统的第六示意图；以及

图7A示出了提供完全可控的冷冻消融参数的系统的第七示意图。

具体实施方式

本发明有利地提供了一种方法和系统，通过该方法和系统，冷冻消融手术的参数可以是完全可控的。例如，冷冻的持续时间、处理温度、冷却和融化速率、以及冷冻-融化-冷冻循环的次数可以是由操作者完全可控的。现在参看附图，其中类似的附图标记表示类似的元件，根据本发明的原理的冷冻消融系统的示例性实施例在图1中示出且大体上标示为“10”，该系统包括具有处理元件的处理装置。系统10可以大体上包括处理装置12，该装置在本文中可以被称为导管，该导管可以联接到控制单元或操作控制台14。导管12可以被构造成例如利用处理元件16与组织相互作用。此外，导管12可包括具有标测和/或消融功能(未示出)的一个或多个电极。

导管12可包括细长主体18，其可穿过患者的脉管系统和/或靠近组织区域，以用于诊断或治疗。细长主体18可限定近侧部分20和远侧部分22，并且还可包括一个或多个管腔，该管腔设置在细长主体18内，从而在细长主体18的近侧部分和细长主体18的远侧部分之间提供机械、电气和/或流体连通。例如，医疗装置12还可包括横贯细长主体18的至少一部分且朝向远侧部分22的流体递送管道30。递送管道30可以联接到细长主体18的远侧部分22或者说是从远侧部分22延伸进入处理元件16中。虽然处理元件16在图1中示出为球囊，但应当理解，处理元件16可以是任何处理元件，制冷剂可以流过该处理元件，并且该元件能够热影响组织。

与流体递送管道30流体连通的一个或多个流体注射元件32可以设置在球囊16的内室34中。流体注射元件32可以具有适用于将来自流体递送管道30的制冷剂或其它流体递送到球囊16中的任何构型。作为非限制性示例，流体注射元件32可包括在腔室34内围绕轴或致动元件36的多个绕圈(如图1所示)。此外，流体注射元件32可包括在其中的一个或多个开口或端口，以有助于流体从流体递送管道30至球囊16的室34的递送和可选的定向喷出。

系统10也可包括与流体递送管道30和流体注射元件32流体连通的一个或多个流体供应贮存器44，例如压力储箱，其包括冷却剂、低温制冷剂等。作为非限制性示例，流体供应贮存器44可以是如图所示和在下文中更详细描述的制冷剂储箱。系统10也可包括排放或清扫系统，以用于回收或排放用过的制冷剂以重复使用或丢弃。清扫系统可包括限定用于回收用过的制冷剂的通道的流体回收管道48、流体回收贮存器50和真空泵52，真空泵52用于形成压力梯度以将膨胀的制冷剂从球囊室34吸入流体回收管道48，然后吸入流体回收贮存器50中(即，从装置的远侧部分向装置的近侧部分，并且进入操作控制台)。除了各种其它管道和/或二级流动路径之外，系统的流体流动路径可至少包括流体递送管道30和流体回收管道48。此外，虽然流体供应贮存器44和流体回收贮存器50可以各自位于操作控制台14之内或之外，但它们为简单起见而被称为操作控制台14的一部分。操作控制台14还可包括泵、阀门、控制器等，以回收和/或再循环被递送至导管12的柄部、细长主体和/或流体通路的流体，如下文更详细描述的。

操作控制台14可包括一个或多个控制器、处理器和/或软件模块，软件模块包含指令或算法以提供本文所述特征、序列或程序的自动化操作和性能。例如，操作控制台14可包括一个或多个计算机56，其包括一个或多个处理器58，以用于接收来自遍布系统10的一个或多个传感器的信号，和/或用于系统10的自动、半自动和/或手动操作。所述一个或多个计算机56可包括一个或多个用户输入装置60，用户可通过用户输入装置对系统参数进行编程，这些参数例如是球囊16的充胀和缩憋、制冷剂通过流体递送和回收管道的循环、和/或对一个或多个电极或其它热递送元件的操作。用户输入装置60可包括键盘、旋钮、按钮、拨盘、脚踏板、鼠标、触摸屏、语音输入单元和/或开关。另外，用户可以使用用户输入装置来超驰编程到操作控制台14或由操作控制台14预定的系统10的自动操作。更进一步地，由所述一个或多个处理器58接收的信号可以用来自动地或半自动地控制球囊16的构型(例如，通过使致动元件36延伸或回缩)。所述一个或多个计算机56还可包括一个或多个显示器62，例如计算机屏幕或其它可视元件，其与所述一个或多个处理器58和/或用户输入装置60通信。最后，操作控制台14可包括一个或多个扬声器或其它音频警报发生器，其与所述一个或多个处理器58和/或用户输入装置60通信。

导管12可包括柄部68，其联接到细长主体18的近侧部分20。柄部68可包括用于在控制导管12或系统10的另一个部件中识别和/或使用的电路。例如，柄部68可包括一个或多个传感器，以监测系统参数，例如在导管12或系统的一个或多个流体流动路径内的流体压力。另外，柄部68也可包括连接器72，其可直接地或借助于一个或多个管线间接地配合到流体源/排放口和操作控制台14。柄部68还可包括血液检测电路，其与注射管腔、排放管腔和/或空隙管腔流体连通和/或光学连通。柄部68也可包括减压阀，其与流体递送管道30和/或排放管腔流体连通，以在预定的阈值值被超出的情况下在该值下自动地打开。

柄部68也可包括一个或多个致动或控制特征，其允许用户从医疗装置的近侧部分控制、偏转、驾驭或以其它方式操纵医疗装置的远侧部分。例如，柄部68可包括诸如杠杆或旋钮74的一个或多个部件，以用于操纵细长主体18、轴36、导丝和/或导管12的附加部件。

系统10还可包括一个或多个传感器76，以便除了监测、记录或以其它方式传送导管12内或在导管12的远侧部分处的周围环境内的测量值或状态之外，监测遍布系统10的操作参数，包括例如在操作控制台14和/或导管12中的压力、温度、流量、体积等。(多个)传感器76可以与操作控制台14连通，以用于在医疗装置12的操作期间引发或触发一个或多个警报或治疗剂递送修改。一个或多个阀门、控制器等可以与(多个)传感器连通以提供流体通过导管12和系统10的管腔/流体路径的受控分散或循环。这样的阀门、控制器等可位于医疗装置12的一部分中和/或操作控制台14中。

虽然医疗装置12可以与流体源流体连通以低温处理所选组织，但也可设想到，医疗装置12可以附加地包括在其上的一个或多个导电部分或电极，其联接到作为处理或诊断机构的射频发生器或功率源80。如果导管12包括能够发送射频(RF)、超声波、微波、电穿孔能量等的热电冷却元件或电极，细长主体18可包括与功率源80电气连通的管腔。

现在参看图2-5，示出了提供完全可控的冷冻消融参数的系统的示意图。如上文所讨论的，系统流体流动路径可包括一个或多个阀门、管道、二级流动路径、一个或多个流体供应贮存器44、一个或多个流体回收贮存器50、真空泵52、以及其它系统部件。系统10还可包括一个或多个过冷却器82，其具有各种制冷部件，例如，压缩机、冷凝器、毛细管、热电元件和/或热交换器。目前已知的冷冻消融系统常常包括过冷却器，以确保制冷剂在完全液体状态下被递送至球囊，因为制冷剂具有最大制冷潜能(最大焓)。例如，递送至球囊16的液体制冷剂可以使球囊16达到大约-80℃的温度。然而，始终以最大制冷潜能将液体制冷剂递送至球囊的系统不提供如下的一种手段，其用来控制或调整球囊的温度并因此通过形成在大约-20℃和大约-25℃之间的范围内的温度平台(在本文中称为“平台温度”)而延长融化阶段。融化期可以在大约2秒至大约40秒之间保持。例如，融化期可以保持大约20秒以达到所需结果。

一种用于提供可控的球囊温度的装置在图2中示出。图2所示系统10可包括热交换器旁路流动路径88，其允许将冷却剂递送至球囊16，同时完全或部分地避开过冷却器82。系统10可包括在过冷却器82的上游(即，在过冷却器82和制冷剂供应贮存器44之间)的电磁阀S1和旁路流动路径88，旁路流动路径88具有位于阀门S1上游的第一端部、位于过冷却器82下游的第二端部、以及位于第一和第二端部之间的电磁阀SX。例如，将制冷剂导向通过旁路流动路径88可以完全避开过冷却器82。阀门S1和/或SX可以被打开或关闭，以改变球囊16的温度。目前的冷冻消融系统可以经改装而具有旁路流动路径88(其可包括例如一管道和一个或多个阀门)，以便为现有系统增加温度调整功能。被传输通过过冷却器的制冷剂可以在低于其正常饱和温度或沸点的温度下存在。因此，在离开过冷却器时，制冷剂可以处于完全液体的状态。如果阀门SX关闭且阀门S1打开，制冷剂将从流体供应贮存器44传输并通过过冷却器82。液体制冷剂可以接着经由流体递送管道30从过冷却器传输到球囊室34中，制冷剂处于完全液体状态。当制冷剂离开流体递送管道30和流体注射元件32的较高压力环境并进入较低压力的球囊室34时，制冷剂将膨胀成气体(或者，如果以气体状态递送，制冷剂将仅仅膨胀并保持在气体状态)，并且制冷剂的温度将通过焦耳-汤姆逊效应而降低。在腔室34内的这种温度降低允许球囊16从周围组织带走热量，这可以导致组织的冷冻消融。

另一方面，如果较温暖的制冷剂(和因此球囊16)温度是所需的，过冷却器82的操作可以占空比化(duty cycling)，从而当过冷却器82“开启”(即，例如，允许在过冷却器82内进行热交换，例如通过启动热电装置或允许在制冷剂和二次冷却液体之间热交换)时，制冷剂以液态进入球囊16。相反地，当过冷却器82“关闭”(即，例如，在过冷却器82内不发生热交换，例如通过停用热电装置或防止在制冷剂和二级冷却液体之间热交换)时，制冷剂的至少一部分可以在气体状态下被递送至球囊16。因此，制冷剂的一些部分可以处于液体状态，并且制冷剂的一些部分可以处于气体状态，其中气体制冷剂造成球囊16达到大于制冷剂在完全液体状态下递送时的温度。这是因为制冷剂的气体部分不膨胀，从而在室34内形成较低温度。

虽然占空比化过冷却器82可以有效地产生较温暖的球囊温度，但温度改变效应可能不会是瞬时的，因为调整过冷却器参数会对穿过其中的制冷剂的温度产生延迟效应。当即时或基本上即时的温度调整为所需时，电磁阀S1可以被关闭，而电磁阀SX可以打开，从而造成制冷剂流过过冷却器旁路流动路径88。将过冷却器82旁通可能意味着制冷剂不会变得完全液化，并且制冷剂中的至少一部分保持在气体状态。

用于提供可控的球囊温度的另一个装置在图3-5中示出。类似于图2中的系统10，图3-5中的系统10也可包括过冷却器旁路流动路径88。因此，这些系统可以类似于图2的系统那样操作。然而，与仅包括液体制冷剂的流体源的系统不同，图3-5中的系统可包括液体制冷剂源和气体制冷剂源。例如，每个制冷剂源可以是单独的储箱。因此，球囊16的温度可以通过递送液体和气体制冷剂的混合物来调整，该混合物在制冷剂源处被控制，而不是通过调整例如过冷却器操作。然而，应当理解，在过冷却器包括与被递送至球囊16的制冷剂热交换的二级制冷剂的情况下，气体和液体制冷剂的受控混合物也可以被递送至过冷却器82。也就是说，过冷却器对被递送至球囊16的制冷剂的冷却效应可以由内部的二级冷却剂的温度确定，二级冷却剂的温度又可以由气体与液体制冷剂的比率确定。还应当理解，球囊16温度可以通过图2中示出和描述的方法和图3-5中示出和描述的方法这两种来调整。如图3所示，系统10可包括液体制冷剂供应贮存器44和分离的气体制冷剂供应贮存器94，两者均与系统流动路径96和球囊室34流体连通。气体制冷剂供应贮存器94也可以添加到现有系统。来自液体制冷剂供应贮存器44的液体制冷剂的递送速率可以经由阀门120控制，而来自气体制冷剂供应贮存器94的气体制冷剂的递送速率可以经由阀门122控制。因此，气体制冷剂与液体制冷剂的混合物或比率可以由阀门120和/或阀门122的独立和选择性操纵来控制。

备选地，如图4所示，流体制冷剂源和气体制冷剂源可以容纳在公共贮存器或储箱104中。公共贮存器104可包括在贮存器104的底部108处的液体制冷剂106和在贮存器104的顶部112处的气体制冷剂110，因为密度较大的液体可能下沉到贮存器104的底部。如本文所用，术语“底部”可以表示重力使液体制冷剂106所下沉到的贮存器104的任何部分。如本文所用，术语“顶部”可以表示与底部竖直对齐且相对的贮存器104的部分。贮存器104可包括与第一阀门120连通的浸量尺(dip stick)114，以用于从贮存器104的底部108且向球囊16中抽吸和递送液体制冷剂106。贮存器104还可包括第二阀门122，以用于从贮存器104的顶部112抽吸和递送气体制冷剂110。因此，第一阀门120和第二阀门122均可以位于贮存器104的同一端上。递送至球囊16的液体制冷剂106和气体制冷剂110的混合物可以通过独立地且选择性地在关闭位置和完全打开位置之间调整阀门120和122来调整。

备选地，如图5所示，公共贮存器104可包括在贮存器104的底部108处用于调整液体制冷剂106的流动的第一阀门120和在贮存器104的顶部112处用于调整气体制冷剂110的流动的第二阀门122。液体制冷剂106可以在贮存器104的底部108处，而气体制冷剂110可以在顶部112处，如图4中示出和描述的；因此，液体制冷剂106可在底部108处从第一阀门120吸出，而气体制冷剂110可以在顶部112处从第二阀门122吸出。类似于图4的系统，递送至球囊16的液体制冷剂106和气体制冷剂110的混合物可以通过独立地且选择性地在关闭位置和完全打开位置之间调整阀门120和122来调整。如图4或图5所示的公共贮存器104可以被添加到现有系统。

用于提供可控的球囊温度的另一个装置在图6A和图6B中示出。图6A和图6B中的系统可包括一个或多个加热机构。例如，加热机构可包括热交换流动路径126，其包括区域128，在该区域处，递送管道30和回收管道48可以彼此热交换(如图6A所示)。电磁阀138可以选择性地打开或关闭，以允许回收管道48中的较温暖的流体经由热交换流动路径126与递送管道30中的制冷剂热交换。结果，递送管道30中的制冷剂的温度可以增加。

另外或备选地，系统10可包括分布在流体递送侧上的操作控制台14和导管12之间的系统流动路径96中的任何点处的一个或多个热电加热元件130(如图6B所示)。一般来讲，热电加热元件130不会位于导管12内，以避免将附加的功率发送至导管12中。

另一种用于提供可控的球囊温度的装置在图7中示出。类似于图2-6中示出和描述的系统，图7的系统10也可包括过冷却器旁路流动路径88。图7中的系统10也可包括在流体回收管道48中的比例阀136，其可以被调整以在流体回收管道48中形成限制部。该限制部可以减慢从球囊室34进入流体回收管道48的制冷剂的流速，从而增加球囊室34内的压力。球囊室34内的压力增加可以造成其中的制冷剂的沸点提高。结果，室34和因此球囊16内的制冷剂可具有相比允许制冷剂从室34自由地流入流体回收管道48时更温暖的温度。在关闭位置和完全打开位置之间调整阀门136可以因此允许操作者控制球囊16的温度。例如，当阀门136完全打开时，球囊温度可以比当阀门136完全或基本上关闭时更低。

类似地，流体递送管道30中的比例阀MKS和流体回收管道48中的阀门136可以顺序地或同时地单独且选择性地控制，以调整球囊16的温度。例如，完全或基本上关闭阀门136和/或完全或基本上关闭阀门136可以产生比完全打开阀门136和138两者的情况下更温暖的球囊温度。压力换能器PT5可以监测流体回收管道48压力，并将数据发送至操作控制台14。

对于上述实施例中的任一者来说，位于球囊室34中或系统流动路径96内的任何其它点位处的一个或多个温度和/或压力传感器76可以将数据发送至操作控制台14，该信息可以被处理和显示或以其它方式通信至操作者。基于被发送和/或通信的数据，可以由所述一个或多个处理器自动地或半自动地调整或由操作者手动调整一个或多个系统参数。所述一个或多个处理器58可以被编程，以执行一个或多个算法，将系统参数通信至操作者和/或将自动控制任务提示给操作者，和/或自动地或半自动地控制系统参数(例如，打开或关闭一个或多个阀门，调整液体与气体制冷剂的比率等)，以调整球囊16的温度和因此调整导管12对靶组织的作用。例如，如果一个或多个温度传感器、标测电极、定时器等向所述一个或多个处理器58指示靶组织已被消融或处理已持续预定的时间量，所述一个或多个处理器58可以自动地控制一个或多个阀门(例如，以调整液体与气体制冷剂，旁通过冷却器，和/或限制流体回收管道48)，以将球囊16的温度增加至在大约-20℃和大约-25℃之间的范围内的温度，以便延长处理的融化阶段，这可以导致更彻底的细胞破坏和因此减小的再传导可能性。

本文所示出和描述的任何系统部件可以单独地或与本文所示出和描述的任何其它系统部件结合使用，以便实现所需结果。此外，系统部件可以被添加到现有的冷冻消融系统，以提供完全可控的球囊温度。

本领域的技术人员应理解，本发明不限于上文已特定示出和描述的内容。此外，除非上面提到为相反，应当指出，所有的附图都不是按比例的。在不脱离仅由所附权利要求限制的本发明的范围和精神的情况下，根据上述教导，多种修改和变型是可能的。