能量引导装置及方法

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技术领域
本发明总的涉及插入器具、侵入性器械及类似物，更具体地说，涉及一种 适于由诸如可见光束之类的能量束来引导至一物体内预定目标的侵入性器械， 例如将一活组织检查针引导至病人体内的组织块(tissue mass)。
背景技术
包括活组织检查、损伤引流、趋触实体和椎间盘溶解(discolysis)在内的 各种医疗措施都需要能精确地安插诸如针、定位线或其它活组织检查器具的医 疗器械。在这些操作过程中，从一个实际的通道入口(即一个预定的精确位置) 安插器械，且沿着一个期望的观察路径到达一皮下目标，这对操作是否成功是 极其重要的。
在很多情况下，CT扫描检查(计算机X线体层摄影)或荧光屏成像是结合 诸如活组织检查等医疗措施一同进行的，以便医生可以看到他感兴趣的表皮以 下或皮下目标，即病人体内解剖结构的一部分，例如一肿瘤。这种扫描检查可 以为医生提供一个在“剖切”或“扫描”平面上的病人的横截面图像，从而可 以看到深层结构，例如内部器官、组织、骨结构和异常部位等。医生可以利用 这些图像来选择适用器械的观察路径的最佳路线，所述器械可以是活组织检查 针、引流导管或其它器械。随后，医生可以引导该器械沿着期望的路径抵达目 标或异常部位，以便取出或对其进行治疗。
采用可以获得的成像技术，能确保以很高的精度实现活检针所需的插入深 度和角度，以便对准一对着某一目标的所需路径。此外，还已知有这样的系统， 它们能提供有选择的照明和观察，以便搜寻病人解剖结构的特定皮下部分或目 标。授予Landi等人的美国专利5,212,720揭示了这样的系统，其内容可援引 在此以作参考。在这种双辐射目标定位系统中，一个可透过X光射线但不能透 过光线的物体的表面以下区域是借助两个辐射源(即，一X光射线源和一光源， 后者最好是激光源)沿着观察路径的可视路线来标定的。该系统的激光束可提 供一抵达深层结构的可视观察路线，它位于所述X光射线源和目标之间。医生 可以利用这个可视观察路线使侵入器械在病人体内沿着通向目标的所需通路 对准。
然而，在实际使用时，要使该器械以期望的插入角度并沿着指向目标的观 察路线精确地安插是非常困难的。如果单独采用荧光屏成像，则经常要利用尝 试-误差法，也就是说医生先估计所需的进入角度，随后使器械的针慢慢进入 病人体内，同时观察显示屏以监控针的位置，并按照需要来改变其轨迹。这种 技术的不利之处在于，需要医生在器械以及与器械分开的监视器之间转换他/ 她的注意力。
最终造成的不精确的放置可能给病人带来很大的不适，在某些情况下，在 使针正确地定位于目标位置之前，可能需要反复地将针插入。
此外，荧光屏成像技术需要反复地在荧光屏上成像，以获得位置信息，但 病人和医生同时暴露在电离辐射之下。多次CT扫描检查会占用宝贵的CT扫描 时间。因此，非常希望能提供侵入器械的安插精度，以便缩短操作时间、麻醉 时间、以及病人和医生暴露于离子辐射的时间。
即使采用一激光标定系统与成像系统相结合，医生还是常常很难精确地监 控并维持侵入器械对准预定的目标观察路线。
有人对尝试-失误法提出其它的改进，以便进行基于CT的活组织检查和其 它操作。例如，美国专利4,638,799和4,706,665分别涉及用于椎间盘溶解和 趋触实体操作的机械引导装置。美国专利4,723,544揭示了用于椎间盘溶解的 另一种机械引导装置。美国专利4,733,661、4,930,525和5,102,391涉及通 过CT引导的引流和活组织检查方法。
总的来说，上述专利和公开出版物中揭示的装置都是密切的依赖CT扫描 仪。然而，这样的装置有若干个缺陷，包括：要相对于CT扫描仪进行精确地 连接和对准。此外，该装置可能会妨碍医生的工作区域，需要在CT扫描仪的 位置上进行活组织检查。其它揭示的装置是与CT扫描仪分开的，但是需连接 于天花板、墙壁或地板。某些装置需保持针或活检工具，因而要在每次使用前 进行消毒。此外，上述装置中的某一些没有设置可确保活检器具能沿着所需观 察路线到达目标的装置，因为它们只能测量和维持针相对于通过病人的一个纵 向垂直平面的插入角度。
授予Frederick的美国专利4,651,732是基于由两薄片形光表示的交叉平 面的原理而作出的。平面的交线限定了一根直线，它可以被定位而限定活组织 检查装置的插入角度。在使用该系统时，活检器械被保持为可在其插入过程中 于两个光束内投下阴影，因而从理论上可以确保该器械随着由两个平面的交线 所限定的预定线路。
然而，该系统有若干缺陷，包括：必须使两个分开的光源对准以确保系统 正确地工作。由于光源与病人隔开相当远的距离，所以这种光束对准必须以很 高的精度来进行。该系统另外的困难之处在于，需要医生同时使活检器具与两 个光平面保持一致。
另外，经常希望能非侵入地成像或看到动物的体内结构，以及在进行维修 时看到诸如建筑物墙壁、轮船舱壁等非生命物体的表面以下结构，或者也可以 通过插入诸如钻头、穿孔器或冲孔器之类的侵入器械来实现。此类技术还包括 X线摄影、荧光屏摄影，更现代一些的是超声波摄影、计算机X线体层摄影和 磁共振成像。然而，还是需要一种能与成像和标定系统一起使用的器械，以沿 着一预定的观察路线到达表面以下的目标。
因此，仍需要一种精度高、使用方便的侵入器械，它能提供表示其与通向 目标的预定观察路线对准的指示信号。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种将可见光束引向物体内的预定目标的 系统，通过使一侵入器械穿透物体的表面来触及该预定目标，该可见光束在一 个所需的穿透点上入射到该物体的表面，可见光束的方向表示侵入器械穿透该 物体所需的角度和轴线，该侵入器械包括用于经皮触及该目标的装置，该侵入 器械还包括一具有一远端和一近端的细长的能量传导部分，该细长的能量传导 部分适于在该近端接收可见光束，并将接收到的光传递至该远端；以及设置在 该用于经皮触及目标的装置和该能量传导部分的远端之间的光响应装置，当该 用于经皮触及目标的装置与该可见光束轴向对准时，该光响应装置可发出可见 光。
本发明的另一个目的在于，提供一种用于监视一器械与一可见光束是否对 准的方法，该方法包括在该器械的外侧提供一可见光束，其中，a)提供一具 有一远端和一近端的细长的光传导部分，该细长的光传导部分适于在该近端接 收该外侧的可见光束，并将该入射光束传递至该远端；一与该细长的光传导部 分共线并同轴的穿透部分；设置在该穿透部分和该细长的光传导部分的远端之 间的发光装置，当该穿透部分与该入射光束轴向对准时，该发光装置发出可见 光；b)监视该发光装置；c)调节该器械相对于该可见光束的位置，使该发光 装置能发出可见光，从而使该器械与该光束保持轴向对准。
附图说明
本发明的前述和其它的目的及特征将通过以下结合附图所作的详细描述 以及所附权利要求而变得更加清楚。应该理解，这些附图仅仅表示本发明的若 干个典型的实施例而不是为了限制本发明的范围。下面将结合附图来对本发明 进行详细的描述。附图中：
图1是本发明所采用的一个能量源的示意图，该能量源能将一能量束沿着 预定路径发射到一表面以下的目标；
图1A是一被穿透表皮的俯视图；
图2是与图1所示能量源一起使用的、根据本发明的侵入器械的示意图；
图2A是图2所示能量传导部分之近端的立体图；
图3A示出了本发明之能量传导部分的长度l与直径d之间的关系；
图3B示出了当d缩小时，本发明之能量传导部分的长度l与直径d之间 的关系；
图3C示出了当d增大时，本发明之能量传导部分的长度l与直径d之间 的关系；
图4是根据本发明一较佳实施例的一个活检器械的立体图；
图5是图4所示活检器械从另一方向看的立体图；
图6是图4所示活检器械的侧面剖视图；
图7是根据本发明的一个可选实施例的钻入器械被部分切除的侧视图；
图7A是图9所示钻入器械的能量传导部分的立体图；
图8是根据本发明的一活检器械的侧视图，示出了该器械的套管与管心针 分开的状态；
图9是当一活检器械穿过人体表皮的示意图。
具体实施方式
以下结合图1-9对本发明各实施例所作的详细描述并不限制本发明要求 保护的范围，它们仅仅表示本发明的几个较佳实施例。结合附图可以最清楚地 理解本发明的较佳实施例，附图中相同的标号表示相同的零部件。
现请参见各附图，特别是参见图1，最好是结合本发明一起使用的一个能 量束标定系统60可提供一沿着观察路径65的预定线路指向一个需成像的皮下 目标50的能量束66。需成像的皮下目标位于表皮下方，或位于物体或人体内， 其在人体内的方位或位置可借助X光射线系统或CT扫描仪等成像系统来确定。
能量束66入射到一物体或人体80的表面52(或称作表皮52)上，在入射 点71处以角度72穿透而入。点71和角度72有助于限定通向目标50的观察 路径65(也称作期望的进入路径65)的路线。当沿着观察路径65的路线将能量 束66引导至目标50时，可以借助能量束来引导一侵入器械(如图2中的400) 沿着路径65抵达一目标50。
能量束标定系统60最好是如授予Landi等人的美国专利5,212,720所描 述的双辐射标定系统，该专利的内容可援引在此以作参考。在该系统中，如80 所示一个可透过X光射线但不能透过光线的物体的表面以下区域是借助两个辐 射源(即，一X光射线源和一光源，后者最好是激光源)沿着观察路径65的可 视路线来标定的。
一旦能量束标定系统60已将能量束66沿着期望的进入路径65引导至目 标50，就可利用如图2中标号400所示的一侵入器械透过表皮或表面52穿透 进入人体80，以便经皮触及目标50。表面52可以是一病人的身体，或者需引 入一侵入器械而抵达一表面以下目标的超大结构，例如墙壁、船体或其它表面 结构。
图2示出了根据本发明一较佳实施例的侵入器械400。侵入器械400包括： 一细长的能量传导部分430，它具有一近端451和一远端452；用于经皮触及 目标50的装置440；以及无论装置何时经皮触及目标50均能发出可见光的能 量响应装置425，借以使细长的能量传导部分430轴向对准能量束66。用于经 皮触及目标50的装置440最好是与细长的能量传导部分430共线和同轴。
能量传导部分430最好是一个细长的杆件，它具有一从近端451延伸至远 端452的同轴中心能量传导通道(如图2A中的标号445所示)。能量传导部分 430的近端451适于通过开口436来接收能量束。开口436可让能量束进入， 并允许能量进入能量传导通道445。开口436最好是被一凸缘435围绕。
能量传导通道445可以是一中空的内芯，或者可以包括能将能量从通道 445的开口436传导至远端452的任何材料。当能量是可见光能时，能量传导 通道445可以是用塑料或能沿着能量传导通道445来传导可见光的其它任何不 透明的刚性材料制成。
能量束66最好是可见光束，例如激光束。当凸缘435(最好是参见图2A) 可提供一表示光束相对于开口436的位置的可见标识，从而允许操作者或医生 可以调节侵入器械400的位置，使能量束66对准能量传导通道445的轴线421 进入开口436。凸缘435的宽度h可以按照所需的标识来变化。当侵入器械400 的轴线偏离能量束66时，较窄的凸缘宽度h会减少与能量束66的可见接触。 较宽的凸缘宽度可以导致在一个较宽对准偏移范围内与能量束66形成可见接 触。凸缘435最好是白的或轻度着色的，以便在能量束入射到凸缘435的表面 上时能形成一更加聚焦和清晰的可见点。
熟悉本技术的人员应该理解，具有类似于图2中标号440所示的用于经皮 触及目标的装置的各种器械和器具都适于包括能量传导部分430、能量传导通 道445和能量响应装置425。除了医疗器械之外，还可以包括钻头、穿孔器、 冲孔器或其它任何用于穿透一表面而到达一表面以下目标的器械。
熟悉电子技术的人员应该理解，能量束可以包括可见光(例如由激光器提 供的光线)、或能以受引导束形式传送的其它能量(例如阴极射线、电子束及类 似物)。能量响应装置425可以是透明的或能响应可见光的其它材料，或者可 以是一能响应其它类型电磁传送的传感器。能量响应装置425可以响应其接收 的能量而提供一可见标识，或者可以响应其接收的能量而提供一可听或可触标 识。所有这些变化均应落入本发明的范围。
图3总的示出了能量传导部分430的设计原理。从这些附图中以及根据已 知的原理，能量传导部分430的长度l与能量传导通道445的直径d之间的关 系可确定从中轴线21向两侧的偏移量e，这个偏移量是可以容许的，并且允许 能量束66斜着横穿能量传导部分430的长度l。
在阻止能量束66斜着横穿通道并抵达能量响应装置425之前，一具有给 定直径d(例如图3A所示)和给定长度l的能量传导部分430可确定自轴线21 的可允许偏移量e。如果超出了可允许的偏移量e，能量响应装置425就不会 照亮。照亮信号无效即标识出器械400没有与通道65对准。
在能量响应装置425熄灭之前，具有与图3A所示一样的长度l但具有较 小直径的能量传导部分430(如图3B所示)可允许自轴线21的一个较小偏移量 e 。
图3C示出了一具有给定直径d的能量传导部分430的较大长度l的效果。 较大的长度l将导致自轴线21的较小偏移量e，以及器械400的较高的精度和 较强的对准能力。
现请参见图4、5和6，其中示出了根据本发明原理的一个侵入器械，在 这个较佳实施例中，它是一个活检器械10。活检器械10适于响应最好是与图 1中标号66所示的激光束形式的光能。
在这个以标号10表示的实施例中，一细长的能量传导部分包括一壳体30， 其中设有一能量传导通道45。壳体30可以由塑料或具有能量响应性质的其它 合适的材料制成，这些材料可允许将例如激光束之类的光束沿着壳体30的轴 线方向在大体成直线的路径内从近端451传向远端452。此外，壳体30可提供 一个便于抓持的表面，以便操作者在插入过程中牢牢地抓住活检器械10。
能量传导通道45可以包括壳体30的一个中空圆柱形内芯，该内芯适于在 壳体30的近端的开口36处接收一受引导的激光束，并使该激光束以直线的路 径从壳体30的近端至末端。如果需要，可以在形成能量传导通道45的壳体30 的内表面上设置可响应或反射光的涂层，按照光技术领域众所周知的原理，这 个涂层可以使能量传导通道45的光传导特性最佳。
或者，与包括中空内芯的情况相反，能量传导通道45可以包括任何合适 的光传导或透明材料。合适的材料是这样的，即，只有当激光束在期望的容差 范围内(如以上结合图3A、3B和3C所述的+/-e)与通道45的轴线21对准时， 才允许激光束从壳体30的近端传递至末端。
按照本发明的原理，活检器械10还包括用于经皮触及一目标的装置，在 此情况下是一根针(最好是如图9中标号24所示)，它是由一管心针装置15、 一穿刺套管装置16(如图8和9所示)和一套管安装装置(如图8和9所示)构成。 管心针装置15被套筒式地或同轴地接纳在套管安装装置22内，从而形成针24。
活检器械10的能量响应元件包括连接毂装置25的一部分40。连接毂装 置25和能量响应装置40可以是医学领域经常使用的路厄J锁(Luer J Lock)， 它具有一光透明部。通过用本技术领域周知的传统装置将连接毂装置25附连 到壳体30的远端，就可以将连接毂装置25夹设在壳体30与针24之间。管心 针装置15的端部27可阻挡来自激光束经过能量响应装置40的光线通道，从 而使光能基本上透过构成能量响应装置40的透明材料而散发。当激光束到达 能量传导通道45的远端时，散发的光能将能量响应装置40照亮。
在活检器械10的一个较佳实施例中，壳体30的长度l是10cm，而其内 径d是2mm。能量响应装置40的外径是6.5mm，其长度是7.0mm。然而，尺寸 并不限于此，可以允许器械10在实现上述功能的同时具有很宽范围的尺寸。
下面将描述活检器械10，该器械是结合图1和1A所示的能量束引导系统 来工作的。可采用例如授予Landi等人的美国专利5,212,720所描述的那种激 光束标定系统60来引导一激光束66沿着观察路径65在路线抵达病人体30内 的皮下目标50。激光束66可在病人皮肤52的期望进入位置上产生一个可见点 71。激光束66还能照亮观察路径65的路线，随着这个路线可以引向病人皮肤 52以下的目标50。在这种配置下，同样可以确定如图4、5、6、8和9中以标 号10表示的活检器械抵达其目标50所必须的精确的角度72。
操作者或医生可将活检器械10的针16的尖端放到可见点71(最好是如图 1A所示)上，并使壳体30对准路径65的被照亮的路线(如图1所示)，从而使 壳体30大致与激光束轴向地对准。也就是说，来自激光束的光进入开口36。 操作者可以简单地通过用肉眼观察开口36与激光束的相对位置而确定激光束 相对于开口36的位置，
上述的肉眼观察步骤可以在围绕开口36的凸缘35的帮助下进行。当激光 束入射到凸缘35的表面上时，它会产生一个光可见点，在操作者调节活检器 械10的角度位置的过程中，可以用肉眼来监视所述可见点，以便使壳体30对 准激光束。操作者可以调节活检器械10的角度位置，直到激光束看起来已经 对准开口36。
当壳体30与激光束角度对准时，能量响应装置40将被照亮，也就是开始 发出可见光。随着操作者经皮触及目标50，也就是在穿过表面52(在此情况下 是病人的皮肤)将针16插入病人体内直至触及目标50的过程中，她/他需要监 视能量响应装置40的是否照亮。当操作者将针16插向目标50时，她/他会观 察能量响应装置40，同时调节能量传导部分30的位置，以便维持能量响应装 置40的在可见光的照射下发光。因此，当操作者将活检器械插向目标50时， 可以维持通向目标区域的期望路径。
熟悉本技术领域的人员在以上描述的基础上应该理解，具有流体抽吸针 (例如羊膜穿刺针)和其它针的各种侵入器械都适合用于本发明。本发明的侵入 器械10也适用于各种活检技术，包括细胞抽吸、流体抽吸、活组织检查以及 同轴的经皮活检技术。
此外，除了各种针以外，本发明还适用于需要改进型引导机构的其它任何 医疗器械。例如，可以在套针、插入镜、导管及类似物上设置一能量响应元件， 这个元件可以响应沿着某一路径通向目标的可见光束。
图7示出了另一种侵入器械，即按照本发明原理的钻入器械500。其能量 传导部分是通过对钻入器械500的轴530进行修改而形成的，它包括一在近端 531具有开口536的能量传导通道545。在该实施例的钻入器械500中，轴530 是钻入器械500的能量传导部分。
能量传导通道545最好是从钻具本体529的轴530的开口536延伸至远端 553，因而在具有钻头524的情况下，能量传导通道545的中轴线521与用来 经皮触及目标的装置同轴并共线地对准。钻入器械500的轭部572被改制成具 有一能量响应装置540，该装置夹设在钻头524和细长的能量传导部分50之间。 能量响应装置540可以是围绕能量传导通道545之远端552的一个透明环或套 环，来自通道545的光线可以通过该响应装置540散发，因而当光线到达远端 552时可以让操作者看到。
操作时，采用如图1和1A所示的激光定标和定位系统60将一激光束66 引导至一表面以下的目标区域50。如以上结合其它实施例所述的一样，操作者 将钻头524的末端519(如图9所示)定位到由激光束66入射到需穿透表皮52 上而产生的点71。
当轴530沿着轴线521与激光束对准时，能量响应装置540将照亮，即发 出可见光。当操作者经皮触及目标50，也就是用钻头524穿透人体80的表皮 52直到钻头到达期望的目标区域50的同时，他/她可监视能量响应装置540 的照亮情况。当操作者使钻头524朝目标区域50运行时，他/她观察能量响应 装置540，调节能量传导部分530的位置以维持能量响应装置540处于照亮状 态(也就是从中发出可见光)。这样就可以维持通向目标区域50的所需路径。