颅内成像和治疗系统的制作方法

本发明涉及光学成像领域，尤其涉及用于光学成像以检测血肿的装置。

背景技术：

创伤性颅脑损伤(tbi)死亡的主要原因是脑内和脑周围出血。

特别值得关注的是诸如硬膜外、硬膜下和脑内血肿的急性出血，其可能引起直接的脑受压和/或脑肿胀并可能导致永久性脑损伤和脑死亡。

在早期的检测中这些损伤可能被错过，因为早期的临床症状可能是隐匿的或严重性有限。从原发性损伤开始，随后的临床恶化会在可变的时间快速发生。在临床衰退之前的早期的病变检测可能促进快速的外科手术干预并改善预后。

临床需要是能够通过以有效且最低限度地损害方式去除颅内血肿来减轻脑压力。为了执行该任务，需要以精确地引导外科医生对颅内血肿用尽可能最少损害的、微创性的途径进行外科手术途径为目标。此外，需要确定血肿清除的程度以确保血肿的最大切除。最后，通过在最初的切除术后血肿的术中成像来观察在切除术后期间的额外出血，可以避免外科手术后血肿立即重新积聚的风险。总之，需要一种针对性的脑内血肿清除途径，减少在术后初期血肿重新积聚的风险，以改善患者预后并减少重复手术的需要。

当前，头部损伤通常通过两种方式之一被清除。如果出血是表面的(基于ct成像)，则钻孔并使用抽吸和冲洗将血排出，或者在一些情况下，允许血液自发地排入引流管。在更深或更广泛出血情况下，必须在颅骨上开一个更大的开口，称为开颅手术，以暴露出血区域并进入大脑以完全清除血块。开颅手术的风险更高，与较差的预后相关，并且需要比钻孔更久的恢复。

为了清除深和/或大的颅内血肿，可以通过单个钻孔将导管插入颅内空间并直接进入大脑以到达血肿。抽吸可被应用于导管、通过导管进行冲洗并通过将导管移入或移出血肿中心来进行物理破坏，以从颅内空间抽取血液。此类技术的目的是引导导管/吸管穿过出血并抽取所有血液。使用现有技术，只能使用先验图像来实现此途径。

这类途径的问题包括：

a、由于不准确的导航技术，血肿可能被错过；

b、出血可能在成像和清除之间发展，并且切除的程度可能被低估，留下残余血肿；

c、随着血肿被清除，由于大脑或血肿的转移，剩余血肿的位置可能不清楚，基于先验图像的导航失效；

d、血肿清除后，在外科手术后的间隔内可能立即有血肿的隐匿性重新积聚。由于术中和术后缺乏实时成像，这无法实现。

尽管采用非侵入式漫射光成像(doi)的现有技术系统，无论是近红外光谱技术(nirs)还是漫射光学层析成像(dot)，都具有相对于其他成像模式的某些优势，因为它们是“非侵入式的”或“微创性的”(在荧光系统中，将生物标记标签注入血液中)，在此类系统中，出血事件的成像通常是使用所有传感器(发射器和检测器)在头部外侧执行的，因此依赖于反射几何形状(reflectancegeometry)。对于此类“外部”nir系统，典型的成像深度的“最佳估计”是在反射几何形状中进入组织约3.5厘米。

在小动物成像的情况下，可以采用透射几何形状(transmissiongeometry)，但是只有在动物很小的情况下，才能在透射几何形状中检测到合理数量的nir光。这样，尽管透射几何形状的使用是已知的，但是基于人体太大以至于无法允许传输足够的nir能量而不给组织造成风险的简单事实，它已经从大多数人体成像系统中被排除。

因此，需要允许对出血事件兼其清除/治疗进行成像和监测的系统和方法，其中，出血事件可以位于使用现有技术的系统和方法无法成像的深度。

提供该背景信息以揭示申请人认为可能与本发明相关的信息。不旨在也不应被解释为承认任何前述信息构成了相对于本发明的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于颅内成像和治疗的系统。根据本发明的一方面，提供了一种用于颅内成像和颅内区域治疗的系统，该系统包括：(a)适于插入颅内区域的导管探针，该导管探针包括：(i)导管壳体；(ii)包括一个或更多个光学发射器的光学探针；以及(iii)可选的外科手术工具；其中，光学探针和外科手术工具均位于壳体内；(b)成像板，该成像板被配置用于通过多个附着点固定附着到被成像和被治疗颅内区域的表面，该成像板包括传感器阵列，每个传感器包括光学接收器；其中，一个或更多个光学发射器被配置为在被成像区域附近发射光，以及传感器阵列被配置为测量透射光以确定被成像区域的状态。在实施例中，其中，被成像区域包括出血事件，外科手术工具被配置为治疗该出血事件。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于对受试者的颅内区域进行成像和治疗的方法，该方法包括以下步骤：提供一种系统，该系统包括：(a)适于插入颅内区域的导管探针，该导管探针包括：(i)导管壳体；以及(ii)包括一个或更多个光学发射器的光学探针，其中，光学探针位于壳体内；(b)成像板，该成像板被配置用于通过多个附着点固定附着到被成像和被治疗颅内区域的表面，该成像板包括传感器阵列，每个传感器包括光学接收器；其中，一个或更多个光学发射器被配置为在被成像区域附近发射光，以及传感器阵列被配置为测量透射光以确定被成像区域的状态；通过多个附着点将所述成像板附着到受试者的颅内区域的表面；将导管探针插入受试者的颅内区域；通过由一个或更多个光学发射器发射的光询问颅内区域，并采用位于成像板上的传感器检测透射光，来获得颅内区域的图像。在实施例中，其中，该系统包括位于壳体内的外科手术工具，该方法进一步包括部署外科手术工具以治疗颅内区域的步骤。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于颅内成像和颅内区域治疗的系统，该系统包括：(a)成像子系统，该成像子系统包括(i)包括一个或更多个光学发射器的光学探针，该光学探针位于导管壳体内；以及(ii)成像板，该成像板被配置用于通过多个附着点固定附着到被成像和被治疗的颅内区域的表面，该成像板包括传感器阵列，每个传感器包括光学接收器；其中，一个或更多个光学发射器被配置为在被成像区域附近发射光，以及传感器阵列被配置为测量透射光以确定被成像区域的状态；以及(b)可选的治疗子系统，该治疗子系统包括：(i)位于导管壳体内的外科手术工具。在实施例中，其中，被成像区域包括出血事件，外科手术工具被配置为治疗该出血事件。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的成像板的示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的导管探针的示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的成像阵列中单个传感器的示意图。

图4是根据本发明的一个实施例的机械臂的示意图。

图5是根据本发明的一个实施例的柔性成像板的示意图。

图6是根据本发明的一个实施例的成像/治疗系统的部件的相对布置的示意图。

图7是根据本发明的一个实施例的替代传感器的示意图。

图8、9a和9b描绘了根据本发明的一个实施例的适于放置在损伤部位上的装置的一种构造。

图10a和10b描绘了根据本发明的一个实施例的适于放置在损伤部位上的装置的另一种构造。

图11是采用固定板与柔性成像板相结合的一个实施例的示意图。

具体实施方式

如本文所使用的，术语“约”是指相对标称值+/-10％的变化。应当理解无论是否被特别提及，这种变化总是被包括在本文所提供的给定值中。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与本发明所属技术领域的普通技术人员通常所理解的含义相同。

本发明提供一种用于在治疗被监测区域的同时对颅内区域进行成像和监测的系统。

为了避免使用位于外部的成像系统可达到的成像深度的限制，本发明提供了一种成像系统，该成像系统通过使用可被部署在体内的光学探针，采用透射几何形状来对大型主体(例如，人类)成像，例如，通过将发射装置定位在术中(导管)探针中。使用这类术中探针给予了将成像深度增加到至少可以安全地插入探针的深度(例如，高达约7cm)的潜力。这样的示例性上限是基于探针放置的外科手术风险因素以及在传感器技术和所允许的光源强度(即不对组织造成损害)的限制内通过组织发送和接收光子的能力来计算的。通过将探针放置在颅内空间和/或大脑中，可以实现更高的分辨率并改善渗透深度。

这种独特的途径还允许通过将动作(即，位置比较)作为处理的一部来快速成像。通常，在nirs中，运动传感器会创造噪声，这是因为nirs固有地依赖于几何结构来导出有用的信息(尤其是在信号电平小的情况下)，并且因为所使用的数学模型通常不考虑演变的几何结构。先前在pct公布文本no.wo2015/070348(其公开内容通过引用并入本文)中已经示范了通过使用空间上的差分测量来将动作本身用作信号。在一个优选实施例中，本系统将动作的使用与透射几何形状相结合。

根据本发明的系统还可以通过以已知和受控的方式返回被成像区域来采用时间比较以创造图像。通过结合传统静态成像和动作两者作为信号模型的各个方面，已开发出一种途径，该途径允许在外科手术开始时初始创造出血状态的图像，然后在治疗过程中重新评估出血状态。

通过使用机电监测的传感器(成像)板使系统成为可能。成像板与光学探针的术中受控放置的组合(其中探针的坐标系几何被约束为与传感器板相同的坐标系，因此避免了配准的需要)允许精确的控制，以允许基于运动传感器的差分算法来工作。

尽管由于异质组织的微妙性及其对数据的影响，nir的实时绝对成像是目标，但以前这是一项非常难以实现的任务。因此，本发明提供了一种实时途径，该实时途径可以创造提供关于被询问的颅内区域的状态的绝对信息的图像。例如，当用于监测出血事件时，本系统可被用于获得关于血量存在或不存在的绝对信息，该血量可以连续地与关于出血事件的初始状态所获得的先验知识进行比较。

因此，在一个实施例中，本发明还提供了一种系统，该系统可以在治疗期间监测出血事件的改变或演变。因此，在这样的实施例中，本发明的系统可以确认出血事件的完全清除/治疗，避免了残留损伤。

本发明还提供了一种系统，该系统可被用于在术后恢复期间连续地监测外科手术部位是否有进一步的出血事件。nir的使用允许连续监控，而不会使患者暴露于不安全数量的辐射能量中，这是诸如ct成像的成像方法的特征。另外，由于本发明考虑了使用可被牢固地固定在颅骨上的成像板，因此在术后监测期间带有nir源的导管探针可以被留在原处，从而在检测到进一步的出血事件时，最大程度地减少外科手术准备时间。

根据本发明，用于颅内成像的系统包括光学探针，该光学探针包括一个或更多个用于照亮被询问区域的光学发射器。根据一个实施例，光学探针位于导管探针内，该导管探针被配置用于插入被询问的颅内区域。在优选的实施例中，光学发射器发射nir光。光通过被询问的组织透射，并且透射光通过位于成像板上的传感器阵列被检测。在优选的实施例中，被询问的组织包括出血事件。

在一个实施例中，用于对受试者的颅内区域进行成像和治疗的方法包括以下步骤：通过采用由一个或更多个光学发射器所发射的光来询问颅内区域并采用位于成像板上的传感器来检测透射光，来获得颅内区域的图像。

因此，系统还包括成像板，该成像板包括传感器阵列，每个传感器包括光学接收器。在采用该系统来定位和成像出血事件的那些实施例中，光学发射器在出血事件附近发射光，并且传感器阵列测量透射光以实时确定出血事件的位置和状态。

位于成像板中的传感器阵列可以以任何合适的配置被布置，包括但不限于网格状的“n×m”配置、放射状排列的“星爆”配置或一系列同心圆。

成像板可以由刚性或柔性材料构成。柔性材料的使用允许板与被成像的身体部位相符合，从而确保接收器和被成像的表面之间的最佳接触。在可以将成像板预成型为与处于可变形状态的被成像的身体部位的形状相符合，随后硬化为假定的刚性形式的情况下，使用刚性材料来构成成像板可能是合适的。

在一个实施例中，3d打印技术被用于制造定制的成像板，该板的形状是基于使用例如ct或mri成像过程所获得的患者的头部的先验图像。使用定制的成像板可以最大程度地减少(甚至排除)对具有形状恢复能力的传感器的需求。

在柔性成像板和刚性成像板两者的情况下，成像阵列中所采用的传感器通常是可独立移置的，以确保每个接收器可以维持与被成像的不平坦表面的最佳接触。

根据一个实施例，每个传感器进一步包括偏置机构以确保维持与表面的最佳接触，包括但不限于弹簧状机构或使用合适的弹性材料将接收器保持在最佳接触位置。

在一个实施例中，每个传感器包括固定壳体，该固定壳体内定位有柱塞，该柱塞被配置为与接收器接合。在另一个实施例中，每个传感器进一步包括用于测量位移的位置传感器。

在一个实施例中，每个传感器包括线性位移传感器(lds)，该线性位移传感器(lds)被提供以确定每个传感器的相对径向位置。径向位置的测量与阵列的物理x-y几何结构的知识结合，允许确定头部的基本形状以及该表面上每个传感器的确切位置。

在一个实施例中，传感器是ldp(线性位移电位计)，该ldp包括在固定壳体内的可变电阻器，该可变电阻器改变ldp的电阻以给出描述线性位移的“信号”。在一个这样的实施例中，电阻器是中空的并且包含光纤，使得纤维的尖端总是与表面接触，并且电阻器的线性位移总是已知的。光纤还充当光学传感器，将在表面所检测到的光子中继转发回远程传感器，或者在替代实施例中，从远程的光源传送光子。

在一个实施例中，在本系统中使用的传感器是“ldp-光子传感器”，该“ldp-光子传感器”采用光纤作为ldp的“桶”，从而将ldp可变电阻器和光学传感器结合为单个部件，从而减少了传感器的占地面积。

(通过使用双/三叉纤维/单向镜、光学滤波器等)这种光学传感器可以被配置为单通道或多通道。这将允许一个单元既可以作为光源和/或探测器，也可以在多个波长下起作用。

在一个实施例中，成像板位于头盔支架上。该头盔支架的形状适合患者的头部，并被提供有高密度的开口，每个开口均可以适于容纳传感器和/或接收导管。

在一个实施例中，这类头盔可以被设计为在先验成像系统(例如，ct/mri)中表现出对比度，该头盔可被用于定位传感器的最佳位置以治疗/监测出血事件。该实施例允许在原始图像的参考帧中进行测量，因此不需要配准。

在一个实施例中，成像板被配置为固定地附着到被成像颅内区域的表面。可以使用任何合适的附着机构，包括但不限于，可被临时插入到颅骨中的外科手术螺钉，或使用生物相容性粘合剂将板附着到正在治疗的受试者的皮肤上。

在一个实施例中，用于对受试者的颅内区域进行成像和治疗的方法包括以下步骤：通过多个附着点将成像板附着至受试者的颅内区域的表面。

在一个实施例中，该系统还包括机械臂系统，该机械臂系统包括一个或更多个机械臂，该机械臂系统被提供以控制系统的部件的相对位置。例如，通过使用连接导管探针和成像板的机械臂来控制导管探针和成像板的相对位置。机械臂经由机械臂壳体连接到各自的部件。

通过控制和监测导管探针相对于成像板的位置，可以实现成像系统的几何控制。

在一个实施例中，提供了可选的机械臂以辅助支撑系统中所有部件的重量。

在一个实施例中，用于对受试者的颅内区域进行成像和治疗的方法包括以下步骤：将导管探针插入受试者的颅内区域。

在该装置的一个实施例中，将成像板放置在被成像颅内区域的部位上方，并且导管探针通过在颅骨上形成的钻孔从成像板的侧面进入损伤部位。

在该装置的一个实施例中，将成像板放置在被成像颅内区域的部位上方，并且导管探针通过成像板中间的开口进入被成像颅内区域的部位。

根据本发明的优选实施例，外科手术工具被提供在导管探针壳体内。在另一个实施例中，外科手术工具被配置为治疗出血事件。在优选的实施例中，外科手术工具是吸管，该吸管被提供为从颅内区域抽吸血液。

还可以预期，本发明的颅内成像系统可以与其他治疗过程一起使用。在这样的替代配置中，该系统可被部署有任何可以安装在导管探针壳体内的外科手术工具，包括但不限于：吸管、烧灼出血血管的烧灼探针、用于冲洗组织的冲洗喷嘴或用于刺激大脑组织的电极刺激器。

在一个实施例中，导管探针进一步包括位置控制机构，该位置控制机构用于控制光学探针在导管壳体内相对于外科手术工具的位置。

在替代实施例中，本发明可以被设想为是一种系统，该系统包括被配置为对被询问组织进行成像的成像子系统以及被配置为治疗组织的可选治疗子系统。在该实施例中，成像子系统包括光学探针，该光学探针包括位于导管壳体内的一个或更多个光学发射器以及包括传感器阵列的成像板，每个传感器包括光学接收器。成像板用于通过多个附着点附着到被成像的颅内区域的表面。在一个实施例中，治疗子系统包括位于导管壳体内的外科手术工具。在一个优选的实施例中，外科手术工具被配置为治疗出血事件。

图1是成像板(1002)以及用于(经由螺钉或其他附着机构)将其锚定到头部的固定附着点(1001)的示意图。还示出了用于将机械臂的附件连接到导管探针(未示出)的机械臂壳体(1003)，该机械臂壳体(1003)提供了对导管探针的几何控制。同样未示出的是排列在成像板上的传感器。

图2是导管探针的示意图，该导管探针包括外科手术导管壳体(2001)，该外科手术导管壳体(2001)中定位有用于去除出血的吸管或类似的外科手术工具(2002)以及led探针(2004)。led探针相对于导管壳体的位置由位置控制机构(2003)控制。导管相对于板的位置由附着在机械臂壳体(2005)上的机械臂(未示出)控制。

图3是根据一个实施例的成像阵列中单个传感器的示意图。为了符合头部，每个传感器(接收器(3006))被附着到用于位移的位置传感器，并且具有至主成像仪的自身传感器连接(3005)。在图3所描绘的实施例中，示出了具有连接器(3001)、固定壳体(3002)和柱塞(3003)的线性位移传感器(lds)。在该实施例中，弹簧布置(3004)围绕柱塞定位以机械地稳定传感器。当部署时，弹簧确保接收器3006稳固地稳定在被成像表面上的适当位置。

图4是机械臂(4003)的示意图，该机械臂(4003)的两端(4002)在导管探针上的壳体(4001)和成像板上的壳体(4004)之间延伸。该臂(4003)是机器臂，视外科手术和成像情况，该机械臂允许在板和导管之间进行全范围动作，并且经由相关位置控制i/o连接(4005)将该臂(4003)连接到主成像仪。

图5是根据一个实施例的柔性成像板的其他细节的示意图。示出了机械臂壳体(5001)、柔性成像板(5003)和多个固定附着点(5002)。还描绘了传感器阵列(5004)。尽管此阵列已经被给予n×m＝3×4的尺寸，但这并不旨在限制，可以使用任何大小和形状的传感器阵列。

图6是根据一个实施例的成像/治疗系统的部件的相对布置的示意图，包括导管探针(6002)、成像板(6001)以及连接成像板至导管探针的机械臂(6005)。还描绘了外科手术机器控制单元(6003)及其导管控制臂(6006)。进一步增加的特征是用于成像仪的传感器控制(6004)，该传感器控制(6004)将来自成像系统部件的数据输入到外科手术控制单元(6003)。还描绘了可选控制臂(6007)，该可选控制臂(6007)可以被提供以辅助支撑所有部件的重量。总体控制系统(6008)被提供以处理添加到每个臂的集成与公差控制。

图7描绘了可在本成像/治疗系统中使用的“ldp-光子传感器”的可选变体。该实施例包括标准ldp壳体(7001)和三点ldp连接器(7002)。还描绘了充当ldp桶的光纤末端壳体(7003)和通向光检测器的光纤(7004)。

图8、9a和9b描述了该装置的实施例，其中，将成像板放置在损伤上方，并且导管通过在颅骨上形成的钻孔从成像板的侧面进入损伤部位。图8描绘了根据该实施例的成像系统的部件的相对布置。成像板(8002)被提供为经由机械附着(8001)固定到颅骨表面(8008)的nir传感器阵列。控制臂(8003)被提供以将导管探针(8005)连接到成像板(8002)。光学探针(8004)被提供为位于导管探针内的nir源。

图10a和10b描述了一个替代实施例，其中，导管通过成像板中间的开口进入颅内区域的损伤部位。

图11描述了一个实施例，该实施例包括与柔性成像板(1102)结合的固定板(1101)，该柔性成像板(1102)与患者的头部的表面相符合。固定板(1101)包括与患者的头部固定相关的戒尺(1100)，其允许下面的柔性板(1102)变形以符合患者的头部。柔性板(1102)进一步包括在其上的n个(例如4个)位移传感器(1105)以测量变形程度。位移传感器的数量(n)将确定图像精度。导管通过戒尺(1100)进入损伤部位。

显然，本发明的前述实施例是示例并且可以以许多方式变化。这样的当前或将来的变化不应被视为背离本发明的精神和范围，并且对本领域技术人员显而易见的所有这些修改都应包括在所附权利要求的范围内。