一種對硬化血管或腫瘤進行精確診斷與治療的一體化系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種對硬化血管或腫瘤進行精確診斷與治療的一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括集成診斷和治療的導管(術中成像導管)系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、以及治療系統(tǒng)，其中集成診斷和治療的導管系統(tǒng)用于對血管易損斑塊和各種癌癥的準確診斷與治療；成像系統(tǒng)使用了OCT、血管內超聲、光聲以及熒光中的一種或幾種，用于準確地確定易損斑塊或腫瘤的位置，以實現(xiàn)準確診斷與定位；治療系統(tǒng)包括了熱療單元、冷療單元以及治療球囊，用于對硬化血管或腫瘤進行治療；進一步的本發(fā)明還包括紅外(IR)熱成像儀，用于監(jiān)測治療時的溫度，并且采用專用光纖通過導管傳遞IR信號。本發(fā)明的系統(tǒng)易于操作，能對治療范圍進行精確定位以及對硬化血管或腫瘤進行有效治療。
【專利說明】
-種對硬化血管或腫瘤進行精確診斷與治療的一體化系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種對硬化血管或腫瘤進行精確診斷與治療的一體化系統(tǒng)，屬于生物 醫(yī)學工程領域。
【背景技術】
[0002] 在傳統(tǒng)的屯、臟病學和腫瘤學中，疾病的診斷和治療過程通常是分開的。單獨的診 斷和治療增加了成本，并且不能提供及時的治療，在某些情況下可能會增加再發(fā)率。疾病診 斷和治療可同時進行的系統(tǒng)，將大大降低成本，并提供及時的治療，運可W有效地避免因病 致死的情況。我們已發(fā)明了一種多模式的系統(tǒng)，用于癌癥和屯、臟疾病的診斷和治療。該系統(tǒng) 將熱物理治療和斷層成像與熱成像引導技術結合起來，W確保準確地診斷和治療癌癥和屯、 臟疾病。熱物理治療，因其相對較低的成本，很少的副作用W及較短的治療時間，已被廣泛 應用于臨床研究中，作為實驗性的療法，用于治療各種疾病，并有希望成為外科手術的替代 療法。然而，如果沒有成像引導和監(jiān)測技術，熱物理治療方法的準確性和成功率是有限的。 在幾個低成本的成像模式，如光學相干斷層掃描(0CT)，超聲成像，光聲(PA)成像，巧光成像 和熱成像的輔助下，熱物理治療手術可W達到更高的精度。我們的發(fā)明可應用于幾種致命 的疾病，包括但不限于W下領域的診斷和治療。
[0003] 1.屯、臟病
[0004] 冠狀動脈疾病(CAD)/外周動脈疾病(PAD)是動脈壁內斑塊累積的結果。斑塊是由 脂肪，膽固醇，巧，纖維組織等物質組成，隨著時間的推移，斑塊可硬化并使血管內腔狹窄甚 至阻塞血管內腔。屯、血管疾病導致的死亡中的主要死因（86%)和腦動脈瘤導致死亡的主要 死因（45 % )都是少量被稱為"易損斑塊"的斑塊突然破裂而引起血凝或血栓導致的血管堵 塞^4。
[0005] 針對CAD/PAD的治療，開放式的外科手術血管重建由于其高的長期效力，已成為外 周血管重建的標準方法。而外科旁路手術常伴隨著手術所引起的疾病，例如傷口感染。血管 內治療是一種可替代傳統(tǒng)的外科血管重建的治療方法。但是，目前的血管內治療方法，如經 皮腔內血管成形術(PTA)W及支架置入術，具有次優(yōu)的長期效力。常規(guī)PTA療法存在血管回 彈、撕裂W及高的再狹窄率的問題，尤其在設及腹股溝下的病例中。雖然支架置入術成功地 解決圍手術期中血管回彈和撕裂的問題，提高了手術成功率，但它仍然會產生高的再狹窄 率W及低的長期效力等問題，特別是在膝蓋W下的血管病變病例中7。
[0006] 熱物理球囊血管成形術是治療PAD/CAD的新途徑。它將冷或熱療法和血管成形術 結合在一起來治療動脈粥樣硬化斑塊，運可W改善手術結果，并減少重新干預的需求。在冷 凍治療中，外科醫(yī)生將一個球囊導管置于含有斑塊的動脈中。一旦球囊導管到達斑塊部位， 冷凍劑(通常為液態(tài)一氧化二氮)就充入球囊。由于周圍較高的溫度，冷凍劑膨脹打開了閉 塞的血管，同時凍結所接觸的斑塊。過冷殺死了局部增殖的平滑肌細胞和其它不需要的細 胞，同時維持血管結構。
[0007] 在動脈粥樣硬化的熱消融手術中，利用高溫消融斑塊。高溫可W很容易地打開血 管中的閉塞區(qū)域，為支架置入騰出所需的空間。熱-血管成形術已被證明具有更好的通楊率 W及更低的再狹窄率。
[0008] 另外，最近的研究結果表明，平滑肌細胞異常增殖在粥樣硬化和再狹窄運兩個過 程中都有參與，并且相比于內皮細胞，運些增殖的細胞對低溫和高溫更加敏感。因此，通過 精確控制熱量的遞送，血管的內皮細胞也可W在治療過程中保持完好，運無法由現(xiàn)有的治 療方法實現(xiàn)，同時還可W確保術后低得多的再狹窄率。此外，血管壁內最高的溫度上升可定 位在平滑肌層中，同時通過結合RF加熱和球囊內冷卻劑的流動可W完好地保留血管內皮細 胞。
[0009] 準確的檢測斑塊區(qū)域是防止動脈粥樣硬化致命后果的第一步也是非常必要的一 步。傳統(tǒng)造影術僅顯示了血管的內腔圖像;不可能從運些血管造影圖像中得到動脈粥樣硬 化斑塊的確切位置。對高破裂風險的動脈粥樣硬化斑塊個體識別的可靠方法，是患者選擇 血管介入治療的基礎。斑塊病變的潛在易損性判斷取決于組織結構，化學組成W及組織的 機械性能。纖維帽的厚度，整個斑塊的厚度，病變內部脂質濃度，組織機械性能，都是與病變 易損相關的參數(shù)。20多年來，血管內超聲（IVUS)成像一直是動脈粥樣硬化的標準診斷工具。 血管內超聲是一種基于導管的技術，提供了體內冠狀血管橫截面的高分辨率圖像。在日常 的臨床實踐中，血管內超聲越來越多地用于冠狀動脈管腔，血管壁，W及動脈粥樣硬化斑塊 結構的可視化。血管內超聲成像是通過帶有發(fā)射高頻超聲波的小型傳感器的導管插管執(zhí)行 功能，超聲波的頻率通常在20至50MHz的范圍內。傳感器在動脈中移動時，超聲波的反射轉 換為電子的橫截面圖像。最近的IVUS散射分析工作，證明IVUS在表征特定的損傷，并確定導 致各種臨床綜合征的斑塊方面同時具有可行性和局限性。使用定義拉回速度(0.5至1毫米/ 秒）的機動拉回裝置可W實現(xiàn)整個血管的成像?？v向或3維的計算機輔助重建后，可W實現(xiàn) 容器和斑塊體積的評估。然而，目前血管內超聲在評估用于斑塊分類的薄纖維帽厚度方面， 具有有限的分辨率和靈敏度。
[0010] 最近，光學相干斷層掃描(0CT)具有高的分辨率，已經被應用到血管內成像，因為 它可W直接成像于血管薄纖維帽、壞死忍的周圍。所有運些都是易損動脈粥樣硬化斑塊的 主要特征。0CT是一種高分辨率成像模式，利用了寬頻帶光源的短相干長度的優(yōu)點W達到微 米級(μπι)的生物組織14橫截面成像。0CT的成像對比度取決于樣品不均勻的散射性質，散射 性質與樣品的折射率線性相關。0CT提供了 1-15微米的軸向分辨率，穿透深度約2-3毫米。 [001。 2.腫瘤
[0012] 熱療法用于癌癥治療已超過150年。它使用較高的溫度或較低的溫度殺死癌細胞。 相比其他療法，熱療可W縮短住院時間，縮短恢復期，并發(fā)癥比較少，且相比手術傷害更小。 由熱物理作用引起的免疫反應有很大的可能提供了附加的腫瘤治療。據報道，該療法皮膚 癌治愈率為98.6%，且皮膚癌的所有位置都非常相似。然而，運種高治愈率不可能在其它癌 癥類型中發(fā)生。原因之一是在身體內部部位，用于引導和監(jiān)測治療，W保證加熱或冷凍的療 法具有充足殺傷力的高分辨率成像方法是有局限的。
[0013] 此外，治療腫瘤過程中減少對周圍的正常組織的損傷長期W來都是醫(yī)學研究的目 標。在過去的二十年里，隨著技術的進步，微創(chuàng)方法被用來消除不需要的組織。無論冷凍還 是射頻加熱，都吸引了極大的關注，運有助于更好的理解疾病對冷凍/加熱的響應W及有助 于進一步改善制冷/制熱技術。手術中常使用超聲或者CT引導冷凍探針的放置。MRI也可W 對冰凍組織成像。然而，超聲/CT/MRI由其分辨率的限制，很難界定腫瘤的邊界，并提供一個 明確的溫度變化下組織變形的監(jiān)測。OCT給出~加 m的組織可視化分辨率，OCT導管擴展了它 的應用，例如支氣管癌，前列腺癌，結腸癌等。
[0014] 肺癌；
[0015] 放療和化療是治療肺癌的標準方法，但在重新打開阻塞氣道17方面存在局限性。 氣道阻塞的患者并不適合手術:其它治療肺癌的標準方法也是如此。冷凍療法是可W重新 打開阻塞氣管內腔的幾種技術之一。相比于其他技術，冷凍療法的優(yōu)越性在于其較低的成 本，很少甚至沒有副作用W及較短的操作時間（約20分鐘）。
[0016]膜腺癌：
[0017]據美國癌癥協(xié)會估計，在2013年約45220美國人患有膜腺癌，其中38460將因此死 亡。極少數(shù)患者存活超過五年。常規(guī)手術可W殺死膜腺中的腫瘤組織，但也會破壞中的血管 重要細胞。膜腺中充滿了血管。殺滅腫瘤組織而無大量出血或者沒有切斷重要的神經是非 常具有挑戰(zhàn)性的。然而，現(xiàn)在有了一個可靠的治療方法:冷凍治療。冷凍治療可W殺死腫瘤 細胞，卻不會損傷血管。高溫熱消融也被應用在膜腺癌的治療上。
[001引前列腺癌：
[0019] 在北美，前列腺癌是影響男性的最常見的非皮膚惡性腫瘤，并且具有除肺癌之外 最高的死亡率18.即使經過早期干預和常規(guī)處理，30%至40%的男性會會復發(fā)。運意味著他 們需要進一步的治療。有專家認為，冷凍療法是治療復發(fā)性前列腺癌的一個選擇。光學相干 斷層掃描(0CT)也被用于治療前列腺癌，并在前列腺體外試驗中，已被證明可W檢測激光和 射頻消融的動態(tài)過程并且能夠識別良性和惡性腫瘤的微觀結構。高溫熱消融同樣地也已被 證實是前列腺癌的有效治療方法之一。

【發(fā)明內容】

[0020] 本發(fā)明的目的在于提供了一種精確診斷與治療的一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)將熱物理治 療與多個成像模式的導管相結合，可W同時對動脈粥樣硬化血管或腫瘤進行診斷與熱物理 治療。所述的系統(tǒng)包括了成像系統(tǒng)和熱物理治療系統(tǒng)。
[0021] 所述的成像系統(tǒng)包括多個成像模式，如0CT、超聲、光聲、巧光和熱成像，集成診斷 和治療的成像導管系統(tǒng)，成像探頭。所述的成像模式可W集成到同一個所述的導管里面。所 述的成像探頭既可W放置在所述導管內部，也可W與冷凍劑輸導管并行安置在另一個保護 管內部。
[0022] 所述的熱物理治療系統(tǒng)包括了熱物理治療探針或治療球囊、開關閥、調速累，所述 的熱物理治療探針采用高溫也可W采用低溫進行治療，在探針內部集成有0CT成像導管，所 述熱物里治療球囊集成有0CT導管，W及溫度傳感器，所述熱物理球囊在治療時置于血管腔 內斑塊周圍，操作者可W通過鑲嵌在球囊內部的0CT獲得血管壁的圖像，醫(yī)生可W通過0CT 圖像獲得斑塊的準確位置、大小、厚度W及脆弱性等參數(shù)，W及在0CT的導管一端覆蓋有絕 緣層，在絕緣層上安裝有溫度傳感器，用于監(jiān)測治療時局部的溫度，在治療過程中，可W根 據0CT圖像獲得的信息，W及溫度傳感器的相關信息，進行相應的治療。
[0023] 在冷療時，低溫冷卻流體可W沿著0CT導管的引入球囊，采用開關閥和調速累控制 冷卻流體流量，熱療時，根據0CT獲得的相關信息選擇適當?shù)碾姌O組合或者治療策略進行熱 療。
[0024] 進一步的，所述的成像探頭也可W用于監(jiān)控治療過程，可W直觀的從結構變化、溫 度分布W及0CT擴展功能等方面進行監(jiān)控。
[0025] 進一步的，本發(fā)明還使用紅外成像系統(tǒng)監(jiān)測治療過程中的溫度分布，集成了斷層 成像系統(tǒng)，諸如0CT，超聲波和光聲成像用于監(jiān)控深度方向上的組織變化，W及使用了斷層 成像的擴展功能，如多普勒0CT/US/PAW及它們的擴展功能，監(jiān)測和分析組織局部和全局的 微運動，從而測量樣品中移動部位的速度。通過多普勒0CT和偏振敏感0CT監(jiān)控組織中微小 的變化。
[0026] 進一步的，所述0CT系統(tǒng)包括了一個中屯、波長大約1310納米的掃描激光源。從激光 源發(fā)出的光被一個lX2的光纖禪合器分成參考臂和樣本臂，并且使用Mach-Zehnder型干設 儀裝置將90%的激光功率發(fā)送到樣品臂，10%到參考臂。然后利用兩個光循環(huán)器重新定向 反向散射光和反向反射光到兩個用于檢測的50: 50 2 X 2禪合器輸入端口中。所檢測的0CT 信號由計算機中的高速數(shù)字化儀數(shù)字化。在樣品臂中，一個微型光纖光學0CT探頭被安裝在 導管里。
[0027] 進一步的，本發(fā)明所述的成像導管采用了具有超低的傳播損耗和非常小直徑(250 微米，包括緩沖液)的單光纖作為導光介質。
[0028] 所述的0CT成像過程中的側視圖探針和前視圖探針采用了不同的方式進行掃描， 所述的前視圖探針通常采用外部機械掃描裝置，W維持小尺寸的內管狀器官（如血管，氣 管，食道和結腸）。并且采用了旋轉掃描裝置實現(xiàn)0CT光纖探針的回轉掃描。所述的回轉掃描 使用了外部旋轉接頭。為了保證所述系統(tǒng)旋轉和固定部件之間的光信號傳輸，旋轉接頭使 用了一個旋轉電機和一個光纖接頭。
[0029] 進一步的，本發(fā)明采用了一個線性外部馬達拉回探針，實現(xiàn)縱向圓周Ξ維圖案掃 描。
[0030] 由于掃描裝置可W小到幾百微米，且被插入到成像對象內部近端的探針/導管中， 因此，為了得到高質量的0CT圖像，在光纖的末端，使用了微型光聚焦和再引導組件。所述的 微型聚焦采用了漸變折射透鏡，并且采用了微棱鏡來引導光速中的光線垂直于縱向軸線。
[0031] 進一步的，探針遠側端頭，還可W利用一球透鏡作為聚光元件，W及使用GRIN光纖 作為光聚焦元件的全光纖探頭。所需的聚焦參數(shù)可W由無忍光纖的長度和GRIN光纖的透鏡 來調節(jié)，再次，一個角度的拋光W及涂層可W用來重定向側視設計的光束。
[0032] 進一步的，側視掃描探針還可W使用微MEMS電機帶動遠端旋轉。其中，MEMS馬達的 內窺鏡的主要優(yōu)點在于，沒有必要從傳統(tǒng)的內窺鏡的近端禪合旋轉扭矩。
[0033] 另一種探頭是前視懸臂式掃描探針。掃描探針由壓電，靜電或磁力驅動。根據驅動 力，該材料可W是錯鐵酸鉛(PZT)或是可變形的聚合物或者是其它材料。對于二維懸臂掃描 器，非諧振激勵具有更廣泛可操作自由度的優(yōu)點，特別是對一個簡單但幾乎理想的2-D光柵 的掃描能力，運需要對每個軸都有完全不同的掃描頻率。該掃描策略可W是諧振，非諧振或 半共振。圖6顯示了前視成像探針數(shù)個實現(xiàn)。
[0034] 進一步的，所述系統(tǒng)的探針封裝在一個透明管中，用W保護光學元件和遠端尖端 免受機械損傷。
[0035] 進一步的，所述的熱物理治療系統(tǒng)可W利用液氮或其他制冷劑，不同的制冷劑可 W達到不同的治療效果。在所述的熱物理治療系統(tǒng)中也可W采用J-T膨脹閥來獲得制冷劑 用于對病變組織進行冷凍。
[0036] 進一步的，所述的熱物理治療系統(tǒng)采用射頻加熱，射頻電極的不同設計可W對治 療區(qū)域進行適形治療。射頻電極可W放置在球囊的表面也可W放置在球囊內部。射頻電極 通過柔性導線與RF發(fā)生器W及控制基板相連。當斑塊被集成成像系統(tǒng)診斷為可處理和治療 的領域，就可W通過電極啟動既定的射頻加熱。射頻能量穿透到斑塊中，產生較高的溫度殺 死增殖的平滑肌細胞，消融斑塊。
[0037] 進一步的，球囊內存在一定溫度的流體，W保護血管內皮免受過熱損傷。氣囊內循 環(huán)流的溫度可與射頻加熱功率同時調整，W達到完整的保留內皮的斑塊消融。
[0038] 進一步的，該球囊表面的射頻電極可W是單一正極的設計也可W是雙極電極的設 計。
[0039] 進一步的，所述的熱物里治療系統(tǒng)，可W采用微波進行加熱。微波發(fā)射天線可W放 置在球囊表面，也可W放置在球囊內部。
[0040] 進一步的，所述系統(tǒng)也可W用紅外、激光或超聲加熱組織。激光或紅外光可通過光 纖被傳輸?shù)讲∽儏^(qū)域來消融斑塊。該光纖可W附著在氣囊表面上，或與0CT透鏡安置在一 起。治療區(qū)域由0CT成像信息確定后，激光或紅外線被傳輸?shù)浇M織消融的確切位置。超聲換 能器可W集成在導管上。
[0041] 進一步的，所述系統(tǒng)中的集成導管可W進一步采取雙重或多重的球囊。所有球囊 都被連接到低溫冷卻液罐或另一個常溫的氣體/空氣罐；只有一個球囊在治療期間填充有 低溫冷卻液體。0CT將用于識別斑塊的位置。一旦斑塊區(qū)域被識別，接觸該斑塊的球囊將充 滿低溫冷卻液體，另一個球囊將充滿常溫氣體或空氣。用運種方式，僅斑塊區(qū)域會受到治 療，而其他健康區(qū)域不會受冷凍療法的影響。運樣的安排大大提高了治療效率，減少了由冷 凍治療引起的副作用。只有在成像技術，如能準確識別斑塊位置的0CT的幫助下，運種改進 才能實現(xiàn)。
[0042] 進一步的，所述系統(tǒng)中還可W采用紅外熱成像儀進行溫度監(jiān)控，紅外信號的傳輸 光線，可W集成在所述的導管上。
[0043] 進一步的，本發(fā)明還可W包括IVUS成像模式到系統(tǒng)中，W提供深部組織的監(jiān)測。系 統(tǒng)中使用微US換能器和微型的0CT的探頭，并且進一步包括IVUS到系統(tǒng)中，不會增加導管的 直徑。綜合成像導管的一個實現(xiàn)方案中，0CT探頭和超聲波振子將被緊密地安置在一起。用 PMN-PT單晶或其它材料可W制造孔徑尺寸約為0.5mmX 0.5mm的超聲換能器，在應用于構建 小尺寸高靈敏度的US傳感器時，其具有優(yōu)異的壓電性能。也可W使用其他IVUS探頭材料，例 如PZT，W及其它壓電材料。也可W使用其它的IVUS探頭設計，如環(huán)換能器和陣列設計。超聲 換能器的中屯、頻率范圍為lOMHz至50MHz，運取決于其不同的應用。換能器可W連接固定在 薄壁聚酷亞胺或金屬管的近端，0CT探針也固定于此?？蒞在管內設置一個窗口作為光束和 聲波的退出通道。使用US可W監(jiān)視組織深入區(qū)域中低溫冷卻過程的效果。
[0044] 進一步的，本發(fā)明還可W包括光聲成像(PA巧Ij成像模式中，脈沖激光，可作為PA信 號激勵源。自由空間激光的輸出可W先通過聚焦物鏡聚集，再禪合到光纖進行傳輸。PA光纖 可W包括在0CT/IVUS導管中，但并不會增加該導管的總直徑。
[0045] 進一步的，所述系統(tǒng)中還可W包括用于癌癥診斷的巧光流式細胞儀。
[0046] 進一步的，所述系統(tǒng)中還可W包括巧光成像系統(tǒng)，W準確地對組織中的某些分子 進行成像。
[0047] 進一步的，所述的成像系統(tǒng)可W采用單模光纖，多模光纖，雙包層光纖或光子晶體 光纖，用于傳輸〇CT、PA或巧光激發(fā)光W及收集0CT和巧光信號。
[0048] 進一步的，所述的成像系統(tǒng)可W包括功能擴展，如多普勒0CT，偏振敏感0CT，用于 血管、膠原、軟骨和神經的成像。在本專利中的0CT包括所有功能擴展的光學相干成像。
[0049] 進一步的，所述的一體化系統(tǒng)還包括利用多普勒0CT功能和偏振敏感0CT功能，進 行治療邊界的確定和組織損傷程度的評估。
[0050] 進一步的所述的成像系統(tǒng)可W包括一個具有側向視圖或前向視圖構造的0CT成像 探針，由外部馬達或遠端微型馬達帶動轉動，其中，前向視圖的0CT探針包括錯鐵酸鉛(PZT) 材料，或電磁巧M)設計，此外0CT探頭還包括用于聚焦的梯度折射率(GRIN)透鏡或GRIN光纖 或球透鏡組合。
[0051] 本發(fā)明所述的集成診斷與治療的系統(tǒng)是一個可多種方式對癌癥、屯、臟病和屯、 血管疾病等進行診斷與治療。我們提出了血管疾病和腫瘤進行診斷和治療的新方法，它在 使用0CT成像進行診斷的同時進行多模態(tài)的熱物理治療，并且在進行治療前，0CT圖像將幫 助制訂治療計劃，它們還可用于監(jiān)控治療的過程，并提供有用的反饋。該方法還包括采用 IVUS、PA-級巧光成像，來量化整個斑塊的厚度，掲示組織的化學成分，W及監(jiān)測在更深的 組織區(qū)域中的治療過程。
【附圖說明】
[0052] 圖1是本發(fā)明診斷與治療系統(tǒng)示意圖；
[0053] 圖2是本發(fā)明0CT與熱物理治療一體化系統(tǒng)的整體結構示意圖；
[0054] 圖3是成像導管截面示意圖；
[0055] 圖4四種使用光纖轉動接頭的側向成像內窺鏡設計方法
[0056] 圖5四種使用MEMS馬達實現(xiàn)側向掃描的設計方法）
[0057] 圖6是八種用光纖致動器實現(xiàn)前向掃描的探針設計方法示意圖；
[0化引圖7是0CT/IVUS和冷凍球囊導管示意圖；
[0059] 圖8是組合的0CT/IVUS成像頭示意圖；
[0060] 圖9(a)和(b)是0CT和超聲對人體冠狀動脈斑塊成像的結果示意圖；
[0061] 圖10是集成化超聲-聲光-0CT-熱物理治療系統(tǒng)和探針示意圖(WDM，波分復用器）；
[0062] 圖11是集成的超聲-聲光探針示意圖；
[0063] 圖12是集成的超聲-聲光系統(tǒng)采到圖像示例；
[0064] 圖13是IBDV和P畑V值隨時間間隔增加而增加的示意圖；
[0065] 圖14是人類大腿皮膚成像示意圖；
[0066] 圖15是基于光纖的偏振敏感0CT系統(tǒng)原理圖；
[0067] 圖16是處理PS0CT數(shù)據的流程示意圖；
[0068] 圖17是豬腫的Ξ維重建偏振敏感0CT的圖像；
[0069] 圖18是血管中的集成0CT成像導管和冷凍球囊的示意圖；
[0070] 圖19是血管中集成的成像探針與射頻熱球囊；
[0071 ]圖20是射頻發(fā)生電極示意圖；
[0072] 圖21是球囊表面多個射頻電極設計示意圖；
[0073] 圖22是在球囊內的射頻電極示意圖；
[0074] 圖23是球囊表面微波天線示意圖；
[0075] 圖24是紅外加熱或激光加熱光纖位置示意圖；
[0076] 圖25是集成的0CT成像與多球囊系統(tǒng)示意圖；
[0077] 圖26是用于腫瘤治療的低溫探針，其中0CT導管位于探針內部。
【具體實施方式】
[0078] 在本發(fā)明的一個方面，提供了一種對硬化血管或腫瘤進行精確診斷與治療的一體 化多模態(tài)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括了集成診斷和熱物理治療的導管(術中成像導管）系統(tǒng)、具有 多種成像模式包括光學相干成像、超聲成像、光聲成像、巧光成像、熱成像的成像系統(tǒng)、W及 包括冷和熱的熱物理治療系統(tǒng)，能夠在實現(xiàn)精確診斷的同時實現(xiàn)精準治療。
[0079] 在另一優(yōu)選例中，上述對硬化血管或腫瘤進行精確診斷與治療的一體化系統(tǒng)能夠 同時實現(xiàn)疾病的診斷與治療。
[0080] 在另一優(yōu)選例中，上述系統(tǒng)將用于成像與治療的同時集成于一個裝置。
[0081] 在另一優(yōu)選例中，上述系統(tǒng)采用了集成診斷和治療的導管(術中成像導管）系統(tǒng)， 用于血管斑塊或各種類型癌癥中的準確診斷和治療，成像系統(tǒng)用于準確地識別病變部位、 監(jiān)測治療程度與深度，所述的熱物理治療系統(tǒng)可W實現(xiàn)冷凍或加熱，或冷和熱組合的治療 方式用于對所述疾病的治療。
[0082] 在另一優(yōu)選例中，上述系統(tǒng)使用了一個紅外（IR)熱成像儀，用于治療過程中溫度 的監(jiān)測。
[0083] 在另一優(yōu)選例中，上述系統(tǒng)用于血管壁和整個大脂質池 W及大腫瘤區(qū)域的橫截面 的圖像可視化，通過IVUS和光學相干斷層掃描(0CT)的多模態(tài)成像，斑塊的易損性與結構特 征/腫瘤區(qū)域可W被評估，位置和大小可W被可視化。
[0084] 在另一優(yōu)選例中，上述裝置或系統(tǒng)還包括一個光聲成像(PA)成像系統(tǒng)，用于提供 組織中各個成分的光吸收分布進而區(qū)分組織中不同化學成分，W便識別斑塊和腫瘤邊界。
[0085] 在另一優(yōu)選例中，上述裝置或系統(tǒng)還包括用于癌癥診斷的巧光流式細胞儀。
[0086] 在另一優(yōu)選例中，上述裝置或系統(tǒng)還包括一個巧光成像系統(tǒng)，W準確地對組織中 的某些分子進行成像。
[0087] 在另一優(yōu)選例中，上述裝置或系統(tǒng)還包括單模光纖，多模光纖，雙包層光纖或光子 晶體光纖，用于傳輸〇CT、PA或巧光激發(fā)光W及收集0CT和巧光信號。
[0088] 在另一優(yōu)選例中，上述裝置或系統(tǒng)包括兩個或兩個W上的成像模式的成像系統(tǒng)， 0CT、IVUS、PAW及巧光成像的組合用于準確地識別易損斑塊或腫瘤的位置，將0CT-IVUS-PA 和冷凍和/或加熱探針集成到一個單一的導管，可大大減少整個操作時間，提高安全性，因 為0CT-IVUS-PA成像系統(tǒng)也可用于實時監(jiān)控，在治療過程中利用0CT-IVUS-PA成像系統(tǒng)將極 大地提高診斷準確性，提高了冷凍治療和/或加熱治療的效果。
[0089] 在另一優(yōu)選例中，上述裝置或系統(tǒng)還包括一個功能擴展，如多普勒0CT，偏振敏感 0CT，用于血管、膠原、軟骨和神經的成像W及治療邊界的確定和組織損傷程度的評估。
[0090] 在另一優(yōu)選例中，上述裝置或系統(tǒng)還包括一個具有側向視圖或前向視圖構造的 0CT成像探針，由外部馬達或遠端微型馬達帶動轉動，其中，前向視圖的0CT探針包括錯鐵酸 鉛(PZT)材料，或電磁化M)設計，此外0CT探頭還包括用于聚焦的梯度折射率(GRIN)透鏡或 GRIN光纖或球透鏡組合。
[0091] 在另一優(yōu)選例中，上述裝置或系統(tǒng)還包括兩個或多個球囊，其中一個球囊用于冷 凍治療和/或加熱治療，而另一個球囊用于保護，W便在0CT圖像引導下，準確診斷斑塊和定 位斑塊的位置。
[0092] 在另一優(yōu)選例中，上述系統(tǒng)中對疾病的治療采用冷和熱的治療方法，包括了冷療 單元和熱療單元。
[0093] 在另一優(yōu)選例中，上述冷療中的冷源可W選擇性的使用液體一氧化二氮或其他冷 凍劑，其中，冷凍劑的改變可W獲得不同冷凍治療能力。
[0094] 在另一優(yōu)選例中，上述系統(tǒng)還包括一個用于冷凍的J-T膨脹閥，J-T膨脹閥將氣體 冷凍，從而作為冷凍劑進入球囊，包括入口和出口。
[00M]在另一優(yōu)選例中，上述裝置或系統(tǒng)進一步包含一個或多個電極的射頻球囊，位于 球囊表面的射頻電極設計可W適應消融區(qū)域的形狀和大小，射頻電極也可放置在球囊內 部。
[0096] 在另一優(yōu)選例中，上述系統(tǒng)還可W選擇性的使用射頻(RF)、紅外、激光、超聲或微 波等其中的一種作為加熱方式。
[0097] 在另一優(yōu)選例中，上述裝置或系統(tǒng)還包括在球囊內使用一定溫度的液體或氣體， W避免血管內皮層過熱。
[0098] 下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0099] 實施例1
[0100] 本實施例中集成診斷與治療的一體化系統(tǒng)的連接關系請參閱圖1，所述的系統(tǒng)主 要用硬化血管、腫瘤、屯、血管等疾病的診斷與治療。所述系統(tǒng)包括了冷熱治療裝置A、成像監(jiān) 控系統(tǒng)B、術中成像導管C、球囊D、紅外（IR)熱照相機E、J-T膨脹閥F，抽氣累G。
[0101] 0CT系統(tǒng):
[0102] 0CT系統(tǒng)（圖2)包括了一個中屯、波長大約1310納米的掃描激光源。從激光源發(fā)出的 光被一個lX2的光纖禪合器分成參考臂和樣本臂，并且使用Mach-Zehnder型干設儀裝置將 90%的激光功率發(fā)送到樣品臂，10%到參考臂。然后利用兩個光循環(huán)器重新定向反向散射 光和反向反射光到兩個用于檢測的50:50 2X2禪合器輸入端口中。所檢測的0CT信號由計 算機中的高速數(shù)字化儀數(shù)字化。在樣品臂中，一個微型光纖光學0CT探頭被安裝在導管里。
[0103] 本實施例中導管的連接關系請參閱圖3。導管中使用單模光纖作為光傳導介質。常 見單模光纖傳播光損耗很小并且半徑也很小(半徑250微米K0CT系統(tǒng)需要讓光束掃描。側 視和前視的探針用不同方式來掃描。側視探針通常使用遠端掃描，W保證探針足夠小。運樣 可W適用于檢測各種內部管狀器官，比如血管，氣管，食道和腸道。0CT探針轉動的轉動可W 用光學轉動接頭實現(xiàn)。運種接頭由轉動馬達和光線接頭組成，從而實現(xiàn)光信號從靜止部分 到轉動部分的傳輸。光纖包裹在傳動線圈里，從而把轉動精確并均勻地從近端傳輸?shù)竭h端。 一個線性移動平臺用于將探針向回拉動，運樣實現(xiàn)了Ξ維掃描。由于運些復雜的掃描器械 位于近端，并在體外，從而保證了深入體內的成像探針只有幾百微米的半徑。運個微小的結 構很適于屯、血管成像。在光纖遠端，我們使用微小的光學聚焦元件來得到高質量的OCT圖 像。一個漸變折射率透鏡可W被用來匯聚光束，一個微型棱鏡可W折射光。整個探針是裝載 一個透明的管子中的，運樣可W保護光學元件和遠端不受到機械損傷。
[0104] 圖4是其他幾種設計探頭的方法。除了采用了GRIN透鏡和微棱鏡的，也可W使用全 光纖探針。一個實現(xiàn)一個全光纖探針的方法是使用一球透鏡作為聚光元件。通過烙接單模 光纖到一小段無忍光纖后的制造，并將無忍光纖的遠端烙成球狀，我們可W制造出一個全 光纖探針。焦距(工作距離）和光斑大小等參數(shù)，可W通過無忍光纖的長度和球透鏡的直徑 來調節(jié)。球投鏡表面被拋成與光軸成45-55度角，運樣可W在球透鏡和空氣界面產生全反 射，使光折向側面，實現(xiàn)側向掃描。也可在球透鏡拋光面鍛上反射涂層，從而更有效地反射 光。類似于上述全光纖探頭，我們也可采用GRIN光纖作為光聚焦元件，制造一個全光纖探 頭。探針可W通過烙合單模光纖到另一小段GRIN光纖制成。所需的聚焦參數(shù)可W由無忍光 纖、GRIN光纖的長度來調節(jié)。同樣的，無忍光纖的表面可W拋光成與光軸成45-55度角，運樣 可W在球透鏡和空氣界面產生全反射，使光折向側面，實現(xiàn)側向掃描。
[0105] 另一種實現(xiàn)側視掃描的方法是在遠端用微型MEMS電機旋轉探針。所述基于MEMS馬 達的內窺鏡的主要優(yōu)點是，不需要使用傳統(tǒng)的內窺鏡的近端旋轉馬達。鍛侶膜的棱鏡或反 射鏡是唯一的運動部件，其實時成像(〉50帖/秒），可W通過MEMS電機實現(xiàn)。由于不需要旋轉 整個內窺鏡，可W省去探針前端的金屬保護套。運種設計使內窺鏡的靈活性增加。此外，傳 統(tǒng)的旋轉內窺鏡和靜態(tài)樣品臂光纖之間的光纖旋轉接頭(FRJ)是不必要的，因此，降低了禪 合功率的波動。圖5是基于MEMS馬達的探針的幾種設計方法。
[0106] 另一種探頭是一個前視懸臂式掃描探針。掃描探針通過壓電，或靜電，或磁力驅 動。可W用錯鐵酸鉛(PZT)、可變形的多聚物、或其它材料。掃描方法可W是諧振，非諧振或 半共振。對于一個二維懸臂掃描器，非諧振驅動的設計具有高操作自由度的優(yōu)點。運種設計 可W使X軸Y軸掃描頻率不同，很適用于實現(xiàn)簡單的但幾乎理想的二維掃描。圖6顯示了前視 成像探針的幾種設計方法。
[0…7] 超聲-0CT系統(tǒng):
[0108] 超聲和0CT可W在不同的空間尺度上對結構成像。對于某些應用，由于0CT穿透深 度很淺（1.5mm)，僅0CT本身是不能對整個樣品成像。30MHz的超聲可W穿透超過5mm的組織。 但是超聲的分辨率約為50到200微米，運樣的分辨率無法準確測量出纖維帽的厚度。2008 年，Sawada小組研究了結合使用0CT和超聲信息來檢測易損動脈粥樣硬化斑塊。他們的結果 證明了單獨使用0CT或超聲信息都是不能準確易損動脈粥樣硬化斑塊。而結合使用0CT和超 聲信息則是一個很可行的方法來分析動脈粥樣硬化斑塊的危險性。運種結合的系統(tǒng)可W保 證深成像深度和高分辨率。
[0109] 基與運個研究的結果，診斷治療一體化系統(tǒng)中還可W包括血管內超聲成像模塊， 從而提供深部組織的監(jiān)控，如圖7所示。使用微換能器和微0CT探頭并不會增加探頭的整體 大小。圖8是一種集成導管的設計方法。0CT探針和超聲換能器緊密的結合在一起。超聲換能 器表面大小為0.5mm X0.5mm，可使用PMN-PT單晶或其它材料等具有優(yōu)異的壓電性能的材料 來構建。其他血管內超聲探頭的常用材料，例如PZT，和其他的壓電材料也可W使用。也可W 使用其它的血管內超聲探頭設計，如環(huán)換能器或陣列換能器。超聲換能器的中屯、頻率可W 是lOMHz到50MHz的，具體的選擇取決于不同的應用。換能器和0CT探針都被固定在一個薄壁 聚酷亞胺管子或金屬管子中。管子被打開一個口，運樣可w讓光束和聲波發(fā)射出。使用超聲 成像，可W監(jiān)控低溫冷卻過程中組織深處的變化。
[0110] 圖9是0CT和超聲對人體一個巧化的動脈斑塊所成的圖像。從0CT圖像，箭頭標明的 纖維帽，可W明顯的看出來。但是，0CT圖像中無法看到深層的血管壁。另一方面，在超聲圖 像中，箭頭標明的回聲陰影部分，清楚地顯示著斑塊的位置。然而，由于超聲的低分辨率，超 聲圖像很難區(qū)分巧和周圍組織的邊界。
[0111] 超聲-光聲-0CT系統(tǒng):
[0112] 運個發(fā)明還可W進一步加入光聲系統(tǒng)，如圖10。光聲系統(tǒng)中，脈沖激光可W用作光 聲信號源。激光輸出到自由空間后，可由物鏡聚焦并禪合到光纖中進行傳遞。光聲的光纖可 W做到包含在0CT和超聲的導管中卻不增加導管的總直徑。
[0113] 另一種實現(xiàn)方法是用一根單一的雙包層光纖傳遞0CT和光聲信號，如圖11所示，運 種光纖穿過了環(huán)狀超聲傳感器的中央空屯、。0CT信號在傳遞過程中通過了雙包層光纖的核 屯、，而PA的激勵光在傳遞時通過了內層雙包層光纖。我們用一個45度角的鏡子使兩個同軸 的激光束和超聲束都射到樣品上。從樣品返回的超聲回波和光聲波可W用鏡面偏轉然后由 超聲環(huán)狀傳感器檢測到。運種并排的設計也可W用到IVUS-PA-0CT的探頭中，如圖11所示。 圖12是集成的超聲-聲光系統(tǒng)采到圖像示例。它可W同時采到結構信息，并分析各處組織成 分對光的不同吸收強度，運樣可W檢測組織中的化學成分。
[0114] 圖12中，a)超聲圖像b)聲光圖像C)合成超聲-聲光圖像d)放大的超聲圖像e)放大 的聲光圖像f)對應的組織切片I代表血管內膜層;Μ代表血管中膜層;A代表血管外膜層;IMT 內膜和中膜的厚度
[01巧]多普勒0CT系統(tǒng):
[0116] 多普勒0CT:通過相位分辨多普勒0CT的方法，可W對組織里的微血管和小至納米 范圍內的微運動都進行成像和監(jiān)測。PR0CT使用相鄰A掃描之間的相位差來測量樣品中的樣 本的運動或運動部件的速度：
[0117]
(1)
[011引其中AT為相鄰A線掃描之間的時間差，λ0是光源的中屯、波長，Δ Φ是相鄰A掃描之 間的相位差。對于0CT系統(tǒng)，最小可檢測的多普勒頻率由最小可分辨的相位差和該系統(tǒng)的A 線速率決定。最小可分辨相位差是和系統(tǒng)的相位穩(wěn)定性有關的，并且受系統(tǒng)機械穩(wěn)定性和 圖像信噪比（SNR)等因素影響。系統(tǒng)的相位穩(wěn)定性可通過統(tǒng)計分析在振鏡不運動的情況下 相鄰A掃描的相位差來確定。典型的FD-0CT系統(tǒng)的最小可分辨相位差是幾個毫弧度到幾十 毫弧度的.在公式（1)中，時間間隔AT在決定D-0CT系統(tǒng)的速度靈敏度中具有重要作用。較 長的時間間隔會增加所有方法的速度靈敏度。在監(jiān)控低溫冷卻過程的時候，PRD0CT算法可 W在相鄰的帖而不是相鄰的A掃描中進行。在相鄰帖中應用運個算法，使得時間間隔大大增 加，從而靈敏度也相應的增加。會得到在相同的B掃描位置，但在不同的時間0CT圖像。 PRD0CT算法將被用來分析運些圖像W獲得低溫冷卻導致的變形。為了計算方程（1)中的相 位差A Φ，來源于互相關理論的算法計算效果很好，而且經常是被優(yōu)先選擇的。此外，可W 通過取相位差的平均值，可W提高信噪比。自相關算法和取平均值可W-起用公式（2)表 述：
[0119]
[0120] 其中J是平均A掃描的數(shù)目，N是平均深度點的數(shù)量，Aw是第j條A掃描和z深度的綜 合數(shù)據。J和N的選擇取決于實際應用。
[0121] PRD0CT只能監(jiān)視沿入射光束方向的變形。相位分辨多普勒方差(PRDV)方法可用于 監(jiān)測垂直于入射光束方向的、由溫度治療引起的變形。在自相關算法的幫助下，PRDV算法可 W表示為：
[0122]
[0123] PRD0CT和PRDV要求0CT系統(tǒng)有很高的相位穩(wěn)定性。在低相位穩(wěn)定性的情況下，使用 W強度為基礎的算法，可防止相位不穩(wěn)定引起對形變測量的誤差。在有相位跳躍或相鄰的 A-線之間抖動的相位不穩(wěn)定情況下，PRD0CT和PRDV的值將大大受相位項的急劇變化影響。 相位的不穩(wěn)定性可能會產生偽像，并且PRD0CT方法的效果會降低。一種基于強度的多普勒 方差（I抓V)方法可W減小相位不穩(wěn)定所造成的偽像。由溫度治療引起的形變的程度可W由 W下公式計算：
[0124]
[0125] 基于強度的算法和PRDV的敏感性也可W通過增加時間間隔而增加，如圖13。圖14 是由多普勒0CT成像的志愿者采到的大腿區(qū)域微血管圖像。微血管增生是腫瘤從良性狀態(tài) 向惡性一個過渡的一個基本步驟。血管發(fā)生在腫瘤生長中起重要作用。多普勒0CT能夠獲取 小至毛細管水平的微血管，運對于癌癥的診斷來說很重要。
[0126] 圖14中，（a)照片顯示在志愿者的大腿成像位置（白色矩形區(qū)域）（b)-(e)最大強度 投影(MIP)查看不同皮膚深度下微循環(huán)網絡的多普勒0CT成像：（b) 120μηι-360皿;（c)360皿- 600μηι; (d)600ym-840ym; (e)840ym-l. 3mm。箭頭表示在每個圖像中檢測到的新血管，圓圈表 示的圖像中檢測到的新的分支。（f)在120皿-360μπι深度下，MIP查看到的多普勒0CT成像。 (g)在360μπι-1300Μ?深度下，ΜΙΡ觀察到的多普勒0CT成像。圖(a)中的比例尺代表1毫米。
[0127] 偏振敏感0CT
[0128] 偏振敏感光學相干斷層掃描(PS-0CT)可W通過分析生物組織中雙折射性質的變 化(如膠原，軟骨和肌肉中）來評估組織損傷程度。一塊穩(wěn)定的動脈斑塊有高含量的膠原成 分，很厚的膠原纖維W及大量的平滑肌細胞。相反，不穩(wěn)定的斑塊可能具有較低的膠原蛋白 含量，很薄的膠原纖維W及較少的平滑肌細胞。對于動脈粥樣硬化斑塊，PS-0CT可W提供關 于膠原蛋白的含量、纖維厚度和SMC密度十分有用的信息。此外，組織熱損傷程度可通過膠 原中的雙折射變化來進行評估。膠原是許多生物組織的組成成分，它的變性發(fā)生在56-65攝 氏度。
[0129] 圖14中，SPC，靜態(tài)偏振態(tài)控制器;PM，偏振調制器;LP，線性偏振片;PMF，保偏光纖； PBS，偏振分光片;BD，平衡探測器。
[0130] 圖15是基于光纖的PS0CT系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)是在標準0CT系統(tǒng)的基礎上進行改進 的，其中偏振調制器是用來控制參考臂中光的偏振狀態(tài)，從而確保雙折射測量和樣品的光 軸取向是不相關的。快軸和慢軸信號由PBS分離然后通過兩個探測器分別收集。斯托克斯矢 量通常用于描述光束的偏振狀態(tài)，并且可W通過A掃描信號來計算。
[0131] 每個橫向像素的斯托克斯矢量可W通過四個A掃描來計算。樣品的相位延遲可通 過入射光的偏振狀態(tài)W及樣品所在位置的反向散射光來計算。例如龐加萊球載體中的斯托 克斯向量旋轉。0示出了處理PS0CT數(shù)據的流程。圖中在相鄰的A掃描中，通過數(shù)字轉換器獲 得的信號被標記為LH、LV、CH和CV。所檢測的水平(LH)或垂直偏振(LV)的信號是線性偏振狀 態(tài)的輸入，所檢測到的水平(CH)或垂直偏振(CV)的信號為圓偏振狀態(tài)的輸入。然后根據線 性內插法，把運些信號被重新采樣到線性k空間。重新采樣的信號被標記為LH'、LV'、CH'和 CV'。通過快速傅立葉變換重新采樣的數(shù)據被轉換成復雜的深度編碼信號（SLH、SLV、SCH、 8〇0。對于線性的偏振輸入化1、1^\、1^、〇])和圓偏振輸入((：1、〔9、〇]、〇0，復雜的深度編碼 信號用來得到斯托克斯參數(shù)。然后便可獲得強度和相位延遲圖像。圖17是豬腫的Ξ維重建 偏振敏感0CT的圖像。
[0132] 圖16中，對于線偏振輸入，LH(LV)是所獲得的干設信號的水平方向（垂直方向）偏 振部分。對于圓偏振輸入，CH(CV)是所獲得的干設信號水平方向（垂直方向）偏振部分。LH'、 LV '、CH ' 和CV ' 是LH、LV、CH、CV的頻率重新采樣數(shù)據。SLH、SLV、SCH和SCV是LH '、LV '、CH ' 和 CV'的快速傅立葉變換。對于線偏振輸入，我們可W通過化Η和化V得到斯托克斯參數(shù)化I、 LQ、LU和LV)。同理，對于圓偏振輸入，我們可W得到斯托克斯參數(shù)(CI、CQ、CU和CV)。強度圖 像是從LI和CI的均值獲得的。
[0133] 圖18展示了診斷治療易損斑塊的集成0CT成像導管和冷凍球囊的示意圖。有Ξ種 可能的方法實現(xiàn)運種結合。圖18A顯示了冷凍氣囊和0CT導管的直接結合。0CT導管被引入血 管內腔。0CT導管和覆蓋有一層絕緣層，測溫裝置如圖18A右側放大圖所示，鑲嵌在絕緣層的 表面上W監(jiān)測局部溫度。該氣囊被置于血管腔內斑塊區(qū)域的周圍。操作者可W通過0CT獲得 血管壁的圖像，醫(yī)師可W從0CT圖像判斷斑塊的確切位置，大小，厚度W及脆弱性。圖18底部 的圖像顯示了血管斑塊的0CT圖像。低溫冷卻流體將根據從0CT圖像獲得的信息引入氣囊。 沿著0CT導管的箭頭顯示了流體的流動方向。冷卻流體的量(通常為液態(tài)氮或液態(tài)一氧化二 氮）W及冷卻的時間也將由0CT圖像分析來決定，并由閥和累（圖1和圖2所示)控制。在冷卻 過程中，操作者將連續(xù)采集0CT圖像來監(jiān)測治療過程。冷凍后，蒸發(fā)了的制冷劑將被累出氣 囊。
[0134] 為更好地保護健康組織，低溫流體將如圖18B所示地由入口管引入，該管到0CT導 管的相對位置將根據0CT的影像診斷進行調整。該管的出口經調整更接近斑塊的近端。藍色 小箭頭顯示了液體劑的流動方向，與周圍的斑塊進行熱交換后，液體將蒸發(fā)成氣體，紅色箭 頭顯示的是氣相流動。流速也可W通過閥和累來控制。
[0135] 利用J-T膨脹閥，將室溫的氣氣通過導管傳送到氣囊中，并絕熱膨脹形成液體氣， 也可實現(xiàn)冷凍，如圖18C所示。液體氣將蒸發(fā)并膨脹氣球，同時凍結周圍的祀組織。通過控制 氣的流量，冷凍速度可根據治療要求進行控制。
[0136] 圖18中，A.冷凍球囊與導管直接相連，放大的圖像顯示鑲嵌在絕緣層表面的測溫 元件B.0CT導管放置于液體輸送管道內；.C.采用J-T膨脹閥實現(xiàn)冷凍.
[0137] 圖19展示了用于斑塊診斷和治療的集成0CT成像導管和熱成形術球囊。它使用射 頻加熱治療區(qū)域。RF電極設置在氣囊的表面，它們通過如圖所示的嵌在導管內的柔性導線 與RF發(fā)生器W及控制基板相連。當斑塊被集成成像系統(tǒng)診斷為可處理和治療的領域，就可 W通過電極啟動既定的射頻加熱。射頻能量滲透到斑塊中，導致的高溫殺死了增殖的平滑 肌細胞，破壞了病變組織。
[0138] 圖19.血管中集成的成像探針與射頻熱球囊，其中射頻電極在球囊表面。氣囊內可 W存在一定溫度下的流動，W保護血管內皮免受過熱損傷。氣囊內循環(huán)流的溫度可與射頻 加熱功率同時調整，W達到完整的保留內皮的斑塊消融。
[0139] 該氣囊表面的射頻電極可W是單一正極的設計(0A)也可W是雙極電極(0B)的設 計。不同于兩個電極都被使用，一個是正而另一個為負的雙極電極設置，單一電極的設計如 0A所示，電極本身是正極，周圍組織作為負極。
[0140] 圖20中，(A)單電極；（B)雙電極設計
[0141] 如0(A，B，C)所示，射頻加熱可W由多個電極來實現(xiàn)，各電極都被單獨地控制，W達 到覆蓋整個治療域，同時保留健康組織的目的。所述電極可W是線圈(A，B)或薄金屬或半導 體膜(C)。
[0142] 圖21中，（A)多個射頻正電極線圈設計；（B)多個雙電極線圈設計；（C)金屬或半導 體膜做成的電極.
[0143] 如圖22所示射頻電極可W設置在囊內。球囊內的射頻能量加熱周圍的離子溶液， 熱的溶液再加熱周圍的血管斑塊。
[0144] 如圖23所示，可W利用球囊表面的天線發(fā)射微波來加熱組織。天線與微波發(fā)生器 連接，發(fā)射微波加熱所接觸的疾病組織。
[0145] 也可W用紅外或激光加熱組織。如0所示，激光或紅外線可通過光纖傳輸?shù)讲∽儏^(qū) 域來消融斑塊。如0(A)所示，該光纖與0CT導管并列，或者可W附著在氣囊表面上如0(B)。治 療區(qū)域由0CT成像確定后，激光或紅外光可W被傳導到組織消融的確切位置。
[0146] 圖24中，紅外加熱或激光加熱光纖位置示意圖(A)傳輸激光或紅外光的光纖沿著 0CT導管排列，在球囊上存在一供激光/紅外傳輸?shù)耐该鞔?（B)傳輸激光或者紅外光的光纖 貼于球囊表面。
[0147] 多個氣囊設計:在系統(tǒng)里，集成的導管可W進一步采取雙重或多重的氣囊。圖25所 示的是血管腔內雙氣囊導管的示意圖。所有氣囊都被連接到低溫冷卻液罐W及另一個常溫 的氣體/空氣罐;然而，只有一個氣囊在治療期間填充有低溫冷卻液體。0CT將用于識別斑塊 的位置。一旦斑塊區(qū)域被識別，接觸該斑塊的球囊將充滿低溫冷卻液體，另一個球囊將充滿 常溫氣體或空氣。用運種方式，僅斑塊區(qū)域會受到治療，而其他健康區(qū)域不會受冷凍療法的 影響。運樣的安排大大提高了治療效率，減少了由冷凍治療引起的副作用。只有在成像技 術，如能準確識別斑塊位置的0CT的幫助下，運種改進才能實現(xiàn)。
[014引用于腫瘤的熱物理治療與0CT成像一體化系統(tǒng):
[0149] 如圖19~圖24所示的組織加熱，W及如圖18所示的組織冷凍都可替代地用于更好 地殺傷腫瘤細胞。
[0150] 在腫瘤的診斷治療一體化系統(tǒng)中，0CT的成像導管直接放置于低溫探針的中屯、，在 低溫探針的頭部開一個窗戶用于透光，如圖25和26所示。低溫探針可W穿刺入腫瘤內部或 者直接貼于需治療組織表面。0CT的成像在治療前可W幫助引導低溫探針到達治療區(qū)域，在 治療中則幫助監(jiān)控整個過程。制冷劑流入探針產生冷凍效果，流體的流量與溫度通過圖1和 圖2中所示的閥和累控制。
[0151] 運一低溫探針還可W同時是射頻電極，通過將其與射頻發(fā)生器相連，從而發(fā)射射 頻能量加熱病變區(qū)域，達到治療目的（圖中未顯示）。
[0152] 組織的加熱和冷卻可W-起使用，W便更好的控制溫度W及為更精確和有效的治 療迅速做出調整。
[0153] 加熱和冷卻可W-起用于特定形狀的消融區(qū)域。通過仔細地規(guī)劃加熱區(qū)和冷凍 區(qū)，可W得到特殊形狀的燒蝕區(qū)域。
[0154] 運里本發(fā)明的描述和應用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例 中。運里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實 施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發(fā)明 的精神或本質特征的情況下，本發(fā)明可其它形式、結構、布置、比例，W及用其它組件、 材料和部件來實現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可W對運里所披露的實施例進 行其它變形和改變。
【主權項】
1. 一種對硬化血管或腫瘤進行精確診斷與治療的一體化多模態(tài)系統(tǒng)，其特征在于，所 述系統(tǒng)包括了集成診斷和熱物理治療的導管(術中成像導管)系統(tǒng)、具有多種成像模式包括 光學相干成像、超聲成像、光聲成像、熒光成像、熱成像的成像系統(tǒng)、以及包括冷和熱的熱物 理治療系統(tǒng)，能夠在實現(xiàn)精確診斷的同時實現(xiàn)精準治療。2. 如權利要求1所述的一種對硬化血管或腫瘤進行精確診斷與治療的一體化系統(tǒng)，其 特征在于:能夠同時實現(xiàn)疾病的診斷與治療。3. 如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于:將用于成像與治療的同時集成于一個裝置。4. 如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于：系統(tǒng)采用了集成診斷和治療的導管（術中成 像導管)系統(tǒng)，用于血管斑塊或各種類型癌癥中的準確診斷和治療，成像系統(tǒng)用于準確地識 別病變部位、監(jiān)測治療程度與深度，所述的熱物理治療系統(tǒng)可以實現(xiàn)冷凍或加熱，或冷和熱 組合的治療方式用于對所述疾病的治療。5. 如權利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于：系統(tǒng)使用了一個紅外（IR)熱成像儀，用于治療 過程中溫度的監(jiān)測。6. 如權利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于:裝置或系統(tǒng)還包括一個血管內超聲成像(IVUS) 系統(tǒng)，用于血管壁和整個大脂質池以及大腫瘤區(qū)域的橫截面的圖像可視化，通過IVUS和光 學相干斷層掃描(OCT)的多模態(tài)成像，斑塊的易損性與結構特征/腫瘤區(qū)域可以被評估，位 置和大小可以被可視化。7. 如權利要求1-7所述系統(tǒng)，其特征在于:裝置或系統(tǒng)還包括一個光聲成像(PA)成像系 統(tǒng)，用于提供組織中各個成分的光吸收分布進而區(qū)分組織中不同化學成分，以便識別斑塊 和腫瘤邊界。8. 如權利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于:裝置或系統(tǒng)還包括用于癌癥診斷的熒光流式細 胞儀。9. 如權利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于:裝置或系統(tǒng)還包括一個熒光成像系統(tǒng)，以準確 地對組織中的某些分子進行成像。10. 如權利要求1-9中的任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于:裝置或系統(tǒng)還包括單模光纖， 多模光纖，雙包層光纖或光子晶體光纖，用于傳輸〇CT、PA或熒光激發(fā)光以及收集OCT和熒光 信號。11. 如權利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于:裝置或系統(tǒng)包括兩個或兩個以上的成像模式 的成像系統(tǒng)，〇CT、IVUS、PA以及熒光成像的組合用于準確地識別易損斑塊或腫瘤的位置，將 0CT-IVUS-PA和冷凍和/或加熱探針集成到一個單一的導管，可大大減少整個操作時間，提 高安全性，因為0CT-IVUS-PA成像系統(tǒng)也可用于實時監(jiān)控，在治療過程中利用0CT-IVUS-PA 成像系統(tǒng)將極大地提高診斷準確性，提高了冷凍治療和/或加熱治療的效果。12. 如權利要求1-11中的任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于:裝置或系統(tǒng)還包括一個功能 擴展，如多普勒0CT，偏振敏感0CT，用于血管、膠原、軟骨和神經的成像以及治療邊界的確定 和組織損傷程度的評估。13. 如權利要求1-12中的任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于:裝置或系統(tǒng)還包括一個具有 側向視圖或前向視圖構造的OCT成像探針，由外部馬達或遠端微型馬達帶動轉動，其中，前 向視圖的OCT探針包括鋯鈦酸鉛(PZT)材料，或電磁(EM)設計，此外OCT探頭還包括用于聚焦 的梯度折射率(GRIN)透鏡或GRIN光纖或球透鏡組合。14. 如權利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于:裝置或系統(tǒng)還包括兩個或多個球囊，其中一個 球囊用于冷凍治療和/或加熱治療，而另一個球囊用于保護，以便在OCT圖像引導下，準確診 斷斑塊和定位斑塊的位置。15. 如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于：系統(tǒng)中對疾病的治療采用冷和熱的治療方 法，包括了冷療單元和熱療單元。16. 如權利要求1、或15所述治療系統(tǒng)，其特征在于:冷療中的冷源可以選擇性的使用液 體一氧化二氮或其他冷凍劑，其中，冷凍劑的改變可以獲得不同冷凍治療能力。17. 如權利要求1、或15所述治療系統(tǒng)，其特征在于:還包括一個用于冷凍的J-T膨脹閥， J-T膨脹閥將氣體冷凍，從而作為冷凍劑進入球囊，包括入口和出口。18. 如權利要求1、或15所述治療系統(tǒng)，其特征在于:裝置或系統(tǒng)進一步包含一個或多個 電極的射頻球囊，位于球囊表面的射頻電極設計可以適應消融區(qū)域的形狀和大小，射頻電 極也可放置在球囊內部。19. 如權利要求1、或15所述治療系統(tǒng)，其特征在于：系統(tǒng)還可以選擇性的使用射頻 (RF)、紅外、激光、超聲或微波等其中的一種作為加熱方式。20. 如權利要求1-21中的任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于:裝置或系統(tǒng)還包括在球囊內 使用一定溫度的液體或氣體，以避免血管內皮層過熱。
【文檔編號】A61B34/20GK105877910SQ201610032232
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年1月18日
【發(fā)明人】徐學敏, 陳忠平, 張愛麗, 劉剛軍, 李佳紋
【申請人】上海交通大學, 加利福尼亞大學董事會