使用納米材料的實(shí)時醫(yī)療裝置可視化的制作方法
【專利摘要】一種醫(yī)療裝置和用于定位所述裝置的方法包括具有長度尺寸和表面（102）的結(jié)構(gòu)。體積（106）與所述表面相關(guān)聯(lián)，并沿所述長度尺寸的一部分延伸。將納米材料（108）結(jié)合到所述體積中，并且所述納米材料（108）被配置為對激發(fā)信號做出響應(yīng)，從而所述激發(fā)信號生成來自所述納米材料的響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)所述結(jié)構(gòu)在研究對象內(nèi)的定位。
【專利說明】使用納米材料的實(shí)時醫(yī)療裝置可視化
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及醫(yī)學(xué)圖像可見度，更具體而言，涉及用于提高醫(yī)學(xué)圖像中的裝置可見度的系統(tǒng)和方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]導(dǎo)管或針的可視化在很多醫(yī)療介入過程中都很重要。對于導(dǎo)管可視化的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)包括利用造影染劑的X-射線成像(熒光透視)。由于電離輻射和染劑本身的毒性，這樣的過程是侵入性的。諸如超聲或磁共振成像(MRI)的常規(guī)成像技術(shù)無法提供導(dǎo)管材料的清晰對比度。安裝在導(dǎo)管上的用于導(dǎo)管可視化的電磁跟蹤傳感器由于電磁場的畸變而缺乏準(zhǔn)確性。此外，準(zhǔn)確的導(dǎo)管可視化是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)椋话愣?，由不可控的依賴于角度的鏡面反射來表征導(dǎo)管。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)本原理，一種醫(yī)療裝置和用于定位所述裝置的方法包括具有長度尺寸和表面的結(jié)構(gòu)。體積與所述表面相關(guān)聯(lián)，并沿所述長度尺寸的至少一部分延伸。在所述體積內(nèi)結(jié)合納米材料，并將其配置為對至少一個激發(fā)信號做出響應(yīng)，從而所述激發(fā)信號生成來自所述納米材料的響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)所述結(jié)構(gòu)在研究對象內(nèi)的定位。
[0004]一種用于定位醫(yī)療裝置的系統(tǒng)包括具有結(jié)合于其內(nèi)的納米材料的醫(yī)療裝置，所述納米材料被配置為對至少一個激發(fā)信號做出響應(yīng)。激發(fā)源被配置為生成所述至少一個激發(fā)信號，從而生成來自所述納米材料的響應(yīng)發(fā)射。傳感器被配置為接收所述響應(yīng)發(fā)射。圖像處理模塊被配置為使用所述響應(yīng)發(fā)射在醫(yī)學(xué)圖像中繪制所述醫(yī)療裝置。
[0005]一種用于定位醫(yī)療裝置的方法包括:提供具有結(jié)合于其內(nèi)的納米材料的醫(yī)療裝置，所述納米材料被配置為對至少一個激發(fā)信號做出響應(yīng)；使用所述至少一個激發(fā)信號來激發(fā)所述納米材料，以生成來自所述納米材料的響應(yīng)發(fā)射；感測所述響應(yīng)發(fā)射；以及處理所述響應(yīng)發(fā)射，從而相對于醫(yī)學(xué)圖像定位所述醫(yī)療裝置。
[0006]另一種用于生成醫(yī)療裝置的圖像的方法包括:使用針對所述納米材料的第一電磁激發(fā)頻率來激發(fā)包含在醫(yī)療裝置中的納米材料，以獲得第一可成像響應(yīng)，所述第一可成像響應(yīng)相對于周圍材料是能夠探測的；使用針對所述納米材料的第二電磁激發(fā)頻率來激發(fā)包含在所述醫(yī)療裝置中的所述納米材料，以獲得包括與所述第一可成像響應(yīng)的可認(rèn)知差異的第二可成像響應(yīng)，所述第二可成像響應(yīng)相對于周圍材料是能夠探測的；以及從所述第二可成像響應(yīng)中減去所述第一可成像響應(yīng)，從而提供相對于研究對象的所述醫(yī)療裝置的圖像。
[0007]通過以下結(jié)合附圖閱讀的對本公開的示范性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本公開的這些以及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]參考以下附圖，本公開將詳細(xì)介紹優(yōu)選實(shí)施例的以下描述，其中:[0009]圖1是根據(jù)一個實(shí)施例的具有含有納米材料的固體層或涂層的醫(yī)療裝置的局部橫截面視圖；
[0010]圖2是根據(jù)另一實(shí)施例的具有含有處于懸浮液中的納米材料的形成了環(huán)形腔的管的醫(yī)療裝置的局部橫截面視圖；
[0011]圖3是根據(jù)另一實(shí)施例的具有含有處于懸浮液中的納米材料的縱向管的醫(yī)療裝置的局部橫截面視圖；
[0012]圖4是示出了根據(jù)一個示范性實(shí)施例的用于對醫(yī)療裝置成像的系統(tǒng)的方框/流程圖；
[0013]圖5是示出了根據(jù)另一示范性實(shí)施例的用于對醫(yī)療裝置定位和成像的方法的方框/流程圖；以及
[0014]圖6是示出了根據(jù)示范性實(shí)施例的用于構(gòu)造和使用醫(yī)療裝置的另一方法的方框/流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]根據(jù)本原理，提供了修改醫(yī)療裝置以使其具有處于裝置表面上或者嵌入到裝置表面內(nèi)的額外材料層的系統(tǒng)、裝置和方法。在一個實(shí)施例中，采用納米材料。可以將所述納米材料選擇為對特定波長具有吸收特性。在醫(yī)療過程等期間，向感興趣區(qū)域提供電磁場。響應(yīng)于該電磁場，所述納米材料由入射電磁波的沖擊生成聲波標(biāo)記，之后采用聲波探測器探測所述聲波標(biāo)記。
[0016]在尤為有用的實(shí)施例中，可以采用的納米材料包括例如碳納米管、納米棒或納米球。在其他實(shí)施例中，可以采用圖像相減法，其中，使用處于兩個頻率上的電磁輻射，以更好地推斷處于患者體內(nèi)的醫(yī)療裝置的位置。
[0017]應(yīng)當(dāng)理解，雖然將在醫(yī)療儀器方面描述本發(fā)明；但是，本發(fā)明的教導(dǎo)范圍要寬得多，其適用于在跟蹤或分析復(fù)雜生物學(xué)或機(jī)械系統(tǒng)中采用的任何儀器。具體而言，本原理適用于生物學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)部跟蹤過程，在諸如肺、胃腸道、排泄器官、血管等身體的所有區(qū)域中的過程。附圖中描繪的，尤其是圖4中描繪的元件可以通過硬件和軟件各種組合來實(shí)現(xiàn)，并且提供可以在單個元件或多個元件中結(jié)合的功能。
[0018]通過使用專用硬件以及能夠與適當(dāng)?shù)能浖?lián)合來執(zhí)行軟件的硬件，能夠提供在附圖中所示的各種元件的功能。在由處理器提供所述功能時，可以通過單個專用處理器、單個共享處理器或者多個獨(dú)立處理器提供所述功能，其中，能夠共享所述多個處理器中的一些處理器。此外，術(shù)語“處理器”或“控制器”的明確使用不應(yīng)被解釋為專門指能夠執(zhí)行軟件的硬件，并且其能夠隱含地包括但不限于數(shù)字信號處理器(“DSP”)硬件、用于存儲軟件的只讀存儲器(“ ROM”)、隨機(jī)存取存儲器(“ RAM”)、非易失性存儲器等。
[0019]此外，本文中所有詳述本發(fā)明的原理、方面和實(shí)施例的陳述及其具體范例都旨在均包含其結(jié)構(gòu)和功能的等價(jià)物。此外，旨在使這樣的等價(jià)物既包括當(dāng)前已知的等價(jià)物，又包括未來開發(fā)的等價(jià)物(即，所開發(fā)出的執(zhí)行相同的功能的元件，而不管其結(jié)構(gòu)如何)。因而，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，在本文中提出的方框圖表示體現(xiàn)本發(fā)明的原理的示范性系統(tǒng)部件和/或電路的概念視圖。類似地，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，任何流程表、流程圖等均表示實(shí)質(zhì)上可以在計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中表示并且因此由計(jì)算機(jī)或處理器執(zhí)行的各種過程，而不管是否明確示出了這樣的計(jì)算機(jī)或處理器。
[0020]此外，本發(fā)明的實(shí)施例可以采取從提供程序代碼的計(jì)算機(jī)可用或計(jì)算機(jī)可讀的存儲介質(zhì)可訪問的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式，提供以供計(jì)算機(jī)或者任何指令執(zhí)行系統(tǒng)使用或者與之結(jié)合使用的程序編碼。就本說明書的目的而言，計(jì)算機(jī)可用或計(jì)算機(jī)可讀的存儲介質(zhì)能夠是可以包括、存儲、交換、傳播或發(fā)送程序的任何設(shè)備，所述程序供指令執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè)備或裝置使用或者與之結(jié)合使用。所述介質(zhì)能夠是電子、磁性、光學(xué)、電磁、紅外或半導(dǎo)體系統(tǒng)(或者設(shè)備或裝置)或傳播介質(zhì)。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的范例包括半導(dǎo)體或固態(tài)存儲器、磁帶、可拆卸計(jì)算機(jī)軟盤、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、剛性磁盤和光盤。當(dāng)前的光盤的范例包括緊湊磁盤一只讀存儲器(CD-ROM)、緊湊磁盤一讀/寫(CD-R/W)和DVD。
[0021]現(xiàn)在參考附圖，其中，相同的附圖標(biāo)記表示相同或類似的元件，并且初始參考圖1，根據(jù)一個實(shí)施例，示范性地描繪了醫(yī)療裝置100的一部分的橫截面視圖。裝置100可以包括例如導(dǎo)管、導(dǎo)絲、內(nèi)窺鏡、探頭、機(jī)器人、電極、過濾器裝置、球囊裝置、針或其他醫(yī)療部件等。裝置100包括可以形成腔104的裝置表面或壁102。在裝置壁或表面102的外側(cè)上形成材料層或體積106。層106包括有助于醫(yī)療裝置100在醫(yī)學(xué)圖像中的可視化的成分。
[0022]在一個實(shí)施例中，層106包括在層106中和/或?qū)?06上具有懸浮的納米材料108的聚合物材料。所述聚合物材料可以包括塑料、環(huán)氧樹脂、粘合劑、樹脂、涂料等?？梢詫⒓{米材料懸浮液模制到或者以其他方式結(jié)合到固體基質(zhì)中，之后將其形成裝置壁102的表面或者淀積在所述裝置壁102的表面上?？梢圆捎肞VA基質(zhì)、瓊脂糖凝膠、其他聚合物凝膠或者采用硅樹脂制造具有懸浮的納米顆粒的固體基質(zhì)。
[0023]納米材料108可以包括具有取決于入射波長或類似成分的光學(xué)特性的單壁或多壁碳納米管、金屬納米棒、納米球、納米籠(nanocage)、量子點(diǎn)?？梢赃x擇在所定義的波長上具有特定的吸收或散射峰值的納米材料108。在過程期間，向感興趣區(qū)域提供電磁場。由于入射電磁波與不同于患者體內(nèi)的周圍組織的納米材料108的相互作用，層106的納米材料108生成電磁或聲波標(biāo)記。探`測方法可以從體外或者使用內(nèi)窺鏡接收器等來使用光聲學(xué)、光學(xué)反向散射成像、熱聲學(xué)。可以應(yīng)用的電磁輻射的范例可以包括使用具有定義的波長的紅外場。在本范例中，可以采用具有5.9的長寬比的金納米棒層，以及具有1000nm的波長的入射輻射。通過這種方式，納米棒受到激發(fā)并提供可見的和/或可測量的響應(yīng)，能夠采用所述響應(yīng)準(zhǔn)確地定位患者體內(nèi)的裝置100。
[0024]諸如金屬納米球、納米棒、碳納米管等的納米材料108的電磁波吸收譜取決于所述材料的幾何結(jié)構(gòu)。諸如激子、聲子和等離子體振子的準(zhǔn)粒子的表現(xiàn)及其與入射波的相互作用也對吸收譜具有極大的影響。對納米材料108的諸如摻雜或者合金化的其他修改也可能對其吸收譜造成顯著影響。
[0025]例如，由金屬納米顆粒對電磁波的吸收的物理來源在于由電磁場誘發(fā)的導(dǎo)帶電子的相干振蕩。這些共振被稱為表面等離子體振子。局部的表面等離子體振子共振取決于粒子的物理尺寸、周圍介質(zhì)的介電常數(shù)以及納米結(jié)構(gòu)的形狀。
[0026]碳納米管(CNT)包括具有被稱為石墨烯(graphene)的排布在平面薄板內(nèi)的碳原子被輥壓成管狀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。CNT能夠被劃分為單壁或多壁。單壁CNT的尺寸可以具有大約Inm的直徑以及幾百納米到微米的長度。CNT具有卓越的電、熱和機(jī)械特性。CNT對電磁輻射的吸收受到其幾何結(jié)構(gòu)的支配，具體而言，受到其直徑和手性(螺旋)的支配，還受到周圍介質(zhì)的介電特性的支配。
[0027]CNT的吸收譜能夠通過其帶隙特性得到很好地描述。CNT是直接帶隙材料，并且其光譜長時間以來一直歸因于價(jià)帶和導(dǎo)帶中的能態(tài)之間的躍遷，其導(dǎo)致了所述吸收譜的常見的范霍夫共振(van Hove resonances)。然而,其他現(xiàn)象,尤其是在這些準(zhǔn)一維系統(tǒng)中的激子(電子一空穴對)的表現(xiàn)，顯著地主導(dǎo)了其光吸收特性。
[0028]CNT具有對應(yīng)于激子狀態(tài)躍遷的明確定義的吸收峰值。此外，能夠使用摻雜顯著地調(diào)諧CNT的共振峰值。能夠有利地將CNT的吸收特性用于成像。例如，CNT吸收近紅外波長上的輻射，在所述波長上通過組織的固有吸收是最低的。因而，能夠采用CNT作為有效的光聲造影劑。
[0029]對于碳納米管(CNT)而言，π等離子體振子共振隨著納米管直徑而變化，根據(jù)經(jīng)
驗(yàn)將納米管直徑確定為 其中，Επ是能量，并且，d是納米管直徑。
[0030]納米材料108的另一種形式包括納米球。例如，納米球可以包括金。這樣的材料的吸收譜也取決于諸如尺寸和長寬比的幾何結(jié)構(gòu)，以及等離子體振子(自由電子氣密度的振蕩)的表現(xiàn)。具有數(shù)十納米的直徑的金納米球在大約550nm上出現(xiàn)吸收峰值。隨著尺寸的增大，峰值光學(xué)吸收朝向可見光譜的紅端移動。
[0031]對于單元素金屬納米球而言，金屬納米球的峰值吸收波長微弱地依賴于尺寸，其中，具有隨著尺寸增大而進(jìn)行紅移的總趨勢。例如，就具有22nm和99nm的尺寸的金納米球而言，峰值吸收波長分別為520nm和575nm。
[0032]決定球形納米顆粒的吸收峰值的另一更強(qiáng)的因素是為了形成合金而增加另一種金屬。金一銀合金納米顆粒的峰值吸收`譜隨著金摩爾分?jǐn)?shù)的降低而藍(lán)移(波長降低)。例如，在金摩爾分?jǐn)?shù)接近零時，峰值譜發(fā)生在大約400nm上，對于0.5的摩爾分?jǐn)?shù)，其升高到450nm,對于0.80的摩爾分?jǐn)?shù),其進(jìn)一步升高到500nm。因而,能夠通過納米球的尺寸以及合金化來調(diào)整納米球，以生成特定的峰值吸收譜。
[0033]對于合金納米球而言，能夠使用合金的形成來獲得針對既定峰值波長的更廣泛的選擇多樣性。對于18nm的金一銀合金納米球而言，能夠使用下述等式來確定峰值波長:入最大=130xAu+390，其中，λ β大是以nm為單位的峰值吸收波長，并且，xAu是金的摩爾分?jǐn)?shù)。
[0034]納米材料108的另一種形式包括納米棒。與納米球相比，例如金納米棒(即，圓柱形金納米顆粒)的峰值吸收波長只是微弱地依賴于其直徑，相反所述峰值吸收波長隨著所述納米棒的長寬比的增大而急劇增大。例如，具有5.9和3.7的平均長寬比的納米棒分別在1000nm和785nm上出現(xiàn)峰值光學(xué)吸收。
[0035]例如，對于單元素金屬納米棒而言，由于金的生物學(xué)相容性，因此，可以選擇金作為范例性材料?？梢酝ㄟ^下述等式給出金屬納米棒的峰值吸收波長:λ=33.34 emR_46.31 em+472.31，其中，λ最大是以nm為單位的峰值波長，em是周圍介質(zhì)的介電常數(shù)，并且，R是被定義為棒的長度除以寬度的長寬比。因而，吸收的峰值波長隨著長寬比以及介質(zhì)的介電常數(shù)而線性地變化。可以選擇使優(yōu)選的峰值波長處于例如650nm到1200nm的紅外區(qū)域中的人體組織的光學(xué)窗口內(nèi)。如果周圍介質(zhì)具有已知的介電常數(shù)(例如，ε m=3)，則能夠在上述方程中代入這一值，以確定峰值波長作為長寬比R的函數(shù)。介質(zhì)的介電常數(shù)是長寬比的函數(shù)，并且能夠?qū)⑵浣３蓡握{(diào)遞減函數(shù)。[0036]對于合金納米棒而言，光學(xué)特性作為合金成分和長度的函數(shù)而變化。存在包括縱向模式和橫向模式在內(nèi)的多重共振。作為一個范例，由于針對既定長度而言，這些峰值作為合金成分的函數(shù)而變化，因此，橫向模式能夠用于成像。峰值橫向模式波長Um)作為金摩爾分?jǐn)?shù)xAu的函數(shù)而變化:λ最大=149 xAu+360。
[0037]由于這些波長作為棒長(或者針對固定尺寸等價(jià)地作為長寬比)的函數(shù)而變化，縱向模式也能夠用于差分成像。對于金的65%的摩爾分?jǐn)?shù)而言，峰值縱向波長從123nm的長度下的716nm紅移至328nm的長度下的1467nm。
[0038]除了出現(xiàn)譜共振之外，納米材料108還具有固有地不同于生物組織的光學(xué)特性，其通過諸如光學(xué)相干斷層成像的成像模態(tài)提供了造影機(jī)制。在這樣的情況下，采用納米材料108作為散射造影劑。
[0039]納米材料108提供了多種方法和材料來調(diào)諧其電磁波吸收特性。這些特性能夠有利地用于醫(yī)療成像應(yīng)用中，以提供圖像對比度和不透明度。例如，由于大部分生物組織在近紅外波長中具有低固有吸收，因而納米材料能夠在例如血液中提供光學(xué)造影劑。此外，納米材料108的吸收特性還可以導(dǎo)致光聲效應(yīng)，能夠使用成像超聲掃描儀探測所述效應(yīng)。
[0040] 參考圖2，根據(jù)另一示范性實(shí)施例示出了另一醫(yī)療裝置200。裝置200可以采取與裝置100相同的形式。裝置200包括圍繞裝置壁205的一部分或者整個裝置壁205的同心管202。同心管202在裝置壁205和管202之間形成環(huán)形腔206。利用納米材料懸浮液208中的納米材料108填充環(huán)形腔206。腔206內(nèi)的懸浮液208的流體可以包括水、鹽溶液或其他生物相容性材料?？梢允褂醚h(huán)/攪動裝置210使納米材料懸浮液產(chǎn)生循環(huán)，從而避免納米材料108沉淀。所述循環(huán)/攪動裝置210可以包括外部泵、振動裝置、通過使鐵磁顆?；旌隙M(jìn)行混合的電磁攪拌裝置等當(dāng)中的一個或多個。應(yīng)當(dāng)理解，所述循環(huán)/攪動裝置210可以位于裝置200處或者位于所述裝置200上，或者可以在過程期間位于患者外部。
[0041]在另一實(shí)施例中，作為環(huán)形腔206的替代或者除了環(huán)形腔206之外，可以利用納米懸浮液208填充裝置200的內(nèi)腔212。
[0042]參考圖3，根據(jù)另一示范性實(shí)施例示出了另一醫(yī)療裝置300。裝置300包括貫穿醫(yī)療裝置300的長度或者其長度的部分一個或多個管302。所述一個或多個管302也可以環(huán)繞所述裝置(例如，以線圈式、螺旋式或其他構(gòu)造)。管302攜帶納米材料懸浮液208。
[0043]可以使用循環(huán)/攪動裝置210使納米材料懸浮液208產(chǎn)生循環(huán)，從而避免納米材料108沉淀。所述循環(huán)/攪動裝置210可以包括外部泵、振動裝置、通過使鐵磁顆?；旌隙M(jìn)行混合的電磁攪拌裝置等當(dāng)中的一個或多個。應(yīng)當(dāng)理解，所述循環(huán)/攪動裝置210可以位于裝置300處或者位于所述裝置300上，或者可以在過程期間位于患者外部。
[0044]參考圖4，其示范性描繪了一種用于執(zhí)行醫(yī)療過程的系統(tǒng)400。系統(tǒng)400可以包括工作站或控制臺412，通過所述工作站或控制臺412對過程進(jìn)行監(jiān)督和管理。工作站412優(yōu)選地包括一個或多個處理器414以及用于存儲程序和應(yīng)用的存儲器416。存儲器416可以存儲裝置感測模塊415，其被配置為解讀來自醫(yī)療裝置402 (403)的納米層或懸浮液404(405)的電磁和/或聲反饋信號。感測模塊415被配置為使用所述信號反饋(以及任何其他反饋)來提供位置或者在醫(yī)學(xué)圖像中描繪所述醫(yī)療裝置402 (或403)。例如，醫(yī)療裝置402(403)可以包括導(dǎo)管、導(dǎo)絲、內(nèi)窺鏡、探頭、機(jī)器人、電極、過濾器裝置、球囊裝置、針或其他醫(yī)療部件等。工作站412可以包括用于使用成像系統(tǒng)410查看研究對象的內(nèi)部圖像的顯示器418。成像裝置410可以包括諸如光學(xué)相干斷層成像、共焦顯微鏡、光聲學(xué)等成像模態(tài)。例如，成像系統(tǒng)410還可以包括磁共振成像(MRI)系統(tǒng)、熒光透視系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)斷層成像(CT)系統(tǒng)、超聲系統(tǒng)或者其他可以查看激發(fā)的納米材料的系統(tǒng)。顯示器418還可以允許用戶與工作站412及其部件和功能進(jìn)行交互。這一交互還可以通過接口 420得到進(jìn)一步的促進(jìn)，所述接口可以包括鍵盤、鼠標(biāo)、操縱桿或任何其他允許用戶與工作站412進(jìn)行交互的外圍設(shè)備或控件。
[0045]工作站412包括一個或多個能量或激發(fā)源406，以提供在預(yù)定波長上的激發(fā)能?；蛘?，可以將一個或多個激發(fā)源406結(jié)合到所述裝置403 (或402)內(nèi)，由此，不需要從身體/研究對象448外部的源提供入射輻射。選擇激發(fā)波長，并且調(diào)諧納米材料，以對這些波長敏感?？梢栽谒鲞^程現(xiàn)場或在所述過程之前執(zhí)行這一操作。能量源406可以提供具有紅外、X-射線、可見光等形式的電磁能。相應(yīng)地調(diào)整納米材料的吸收譜，以提供對所述激發(fā)的可測量的響應(yīng)。采用傳感器單元408來探測從納米材料404 (405)回傳的電磁能或聲能。其允許確定將用于解讀裝置402的形狀和/或取向的能量發(fā)射。將采用所述信號作為反饋，以進(jìn)行調(diào)整或者以其他方式執(zhí)行所述醫(yī)療過程。傳感器單元408可以包括光探測器、超聲傳感器(探頭)或者其他一個或多個傳感器裝置。
[0046]如果所述納米材料處于懸浮液中，那么可以采用循環(huán)或攪動裝置422混合或攪動所述懸浮液，從而避免納米材料(404、405)沉淀?？梢蕴峁┏上裣到y(tǒng)410，以采集實(shí)時的手術(shù)中的成像數(shù)據(jù)。可以在顯示器上顯示所述成像數(shù)據(jù)，并且感測模塊415可以計(jì)算實(shí)時圖像內(nèi)的能量發(fā)射位置。能夠顯示醫(yī)療裝置402的數(shù)字繪制(使用來自納米材料404的反饋)，從而相對于所述實(shí)時圖像揭示裝置402的位置。可以通過圖像處理模塊417生成所述數(shù)字繪制。在一個實(shí)施例中,成像系統(tǒng)410包括超聲系統(tǒng)，并且來自納米材料404的發(fā)射本質(zhì)上是聲發(fā)射。通過這種方式，能夠同時顯示解剖學(xué)圖像和裝置圖像。
[0047]在另一有用的實(shí)施例中，介入應(yīng)用包括在研究對象448內(nèi)使用兩個醫(yī)療裝置。例如，一個裝置402可以包括被放置在一個點(diǎn)上的引導(dǎo)導(dǎo)管，并且另一裝置403可以包括用于沿所述導(dǎo)管的長度在固定/不同的點(diǎn)上執(zhí)行消融或活檢的針。裝置402包括納米材料404，并且裝置403包括納米材料405。在本范例中，納米材料404和405是具有不同的峰值吸收波長的兩種不同類型的納米材料。采用納米材料404對引導(dǎo)導(dǎo)管進(jìn)行成像，并且采用納米材料405對所述針進(jìn)行成像。
[0048]在過程期間， 通過第一波長激發(fā)納米材料404，并且通過不同的波長激發(fā)納米材料405。通過這種方式，采用納米材料404來確定導(dǎo)管的位置，同時使用所述針上的納米材料405相對于所述導(dǎo)管準(zhǔn)確地定位所述針。
[0049]在另一示范性實(shí)施例中，使用所結(jié)合的納米材料404，采用圖像相減法更好地推斷裝置402的位置。由于納米材料404的吸收譜是先驗(yàn)已知的，組織成分的吸收譜也是已知的，因而可以選擇兩個頻率，對于這兩個頻率而言，吸收系數(shù)與組織的吸收系數(shù)相似，同時確保納米材料404在這兩個頻率上的吸收是不同的。首先將患者或研究對象448暴露于第一頻率下，這引起納米材料404的第一響應(yīng)(發(fā)射)，并將其記錄在第一圖像中。之后，將患者暴露于第二頻率下，這引起納米材料404的不同的第二響應(yīng)(發(fā)射)，并將其記錄在第二圖像中。之后，圖像處理模塊417從第一圖像中減去第二圖像，以產(chǎn)生唯一與納米材料404有關(guān)的信息，并且產(chǎn)生醫(yī)療裝置402的位置。[0050]能夠?qū)⑦@一方法連同描述的先前實(shí)施例中的任意以及所有實(shí)施例一起使用，以推斷裝置402、403等(例如，導(dǎo)管、針等)的位置。對于納米材料404、405的成像而言，電磁輻射的入射波長取決于納米材料及其幾何結(jié)構(gòu)。例如，具有5.9和3.7的平均長寬比的金納米棒分別在1000和785nm上出現(xiàn)峰值光學(xué)吸收。成像裝置410提供能夠顯示的來自納米材料404、405的對比度。
[0051]參考圖5，其示出了根據(jù)一個示范性實(shí)施例的一種用于對納米材料成像的方法。在方框502中，選擇對電磁輻射的預(yù)定波長(或頻率)具有響應(yīng)的納米材料成分并對其進(jìn)行調(diào)諧。如文中所描述的，所述調(diào)諧可以包括材料類型(例如，納米球、納米管CNT等)、材料選擇(例如,金、石墨等)、幾何結(jié)構(gòu)選擇(例如尺寸和形狀)、摻雜濃度等。在方框503中，將納米材料的成分結(jié)合到一個或多個醫(yī)療裝置或儀器內(nèi)。所述納米材料可以包括具有相同的吸收譜的材料，或者可以包括具有不同的吸收譜的材料。在一個實(shí)施例中，所述不同的納米材料中的每一個可以與不同的裝置唯一地相關(guān)聯(lián)，或者同一裝置可以包括響應(yīng)于不同的波長/頻率的納米材料。在方框504中，在醫(yī)療過程期間，將一個或多個醫(yī)療裝置引入到患者(例如，哺乳動物)中。
[0052]在方框506中，選擇性地應(yīng)用對應(yīng)于一個或多個類型的納米材料的激發(fā)頻率的電磁頻率，以激發(fā)所述納米材料。在方框508中，從來自納米材料的響應(yīng)發(fā)射中采集圖像信息。所述發(fā)射響應(yīng)于至少一個電磁激發(fā)頻率。所述圖像信息可以用于在患者的解剖/醫(yī)學(xué)圖像中定位一個或多個醫(yī)療裝置。
[0053]在方框510中，在另一實(shí)施例中，針對一個或多個裝置，可以獲得對于多個電磁激發(fā)頻率的圖像信息。在本范例中，所述裝置包括具有兩個截然不同的激發(fā)頻率的納米材料。優(yōu)選地，歸因于納米材料的第二頻率響應(yīng)與第一頻率相比存在可識別的不同，而且這些響應(yīng)不同于周圍區(qū)域。例如，所述第一響應(yīng)、第二響應(yīng)等應(yīng)當(dāng)不同于周圍組織的響應(yīng)，而且對于所有的激發(fā)頻率而言，組織響應(yīng)基本上是相同的。
[0054]在方框512中，將所述第 一圖像和第二圖像相減，從而獲得所述裝置的納米材料所特有的圖像信息。這樣就識別了所述醫(yī)療裝置在患者中的位置。采用這樣的信息來推斷例如導(dǎo)管、針等的位置。盡管可以采用任何可用的圖像處理技術(shù)，所述相減可以包括簡單的像素值相減。
[0055]在方框514中，所述一個或多個裝置的位置可以疊加在其他醫(yī)療圖像上，從而為技術(shù)人員或醫(yī)生提供有用的定位工具，用于識別裝置位置并實(shí)施所述過程。這樣的過程可以包括例如使用導(dǎo)管、觀測儀、針等實(shí)施的介入過程，諸如，心臟導(dǎo)管插入術(shù)、導(dǎo)管探測、消融過程中的跟蹤和定位、用于組織活檢過程的引導(dǎo)的針可視化、在微創(chuàng)手術(shù)中的其他儀器(內(nèi)窺鏡)的可視化等。
[0056]參考圖6，根據(jù)另一尤其有用的實(shí)施例，示范性地描繪了另一用于構(gòu)建和使用具有所需特性的導(dǎo)管的方法。在方框602，選擇感興趣的組織在其上具有最低的吸收的位置處的波長(例如，入射波長上的人體組織特性)。對于人體組織而言，650nm-1200nm是所需的(這包括700nm-900nm的近紅外(IR)窗口，其中，光在組織中具有其最大的穿透深度)。如果醫(yī)療裝置(例如，導(dǎo)管和針)處于體表或體外，那么可以選擇其他波長。
[0057]在方框604中，識別出在這些波長和頻率上具有最佳吸收的納米材料。對顆粒尺寸、形狀等進(jìn)行選擇。對這些納米材料進(jìn)行額外的篩選，以獲得最佳的生物相容性。可以如上文所描述的，對納米材料進(jìn)行選擇。
[0058]在方框606中，通過在醫(yī)療裝置的表面上涂覆、分層放置(等)納米材料或者根據(jù)文中所公開的一個和多個實(shí)施例形成所述裝置，來構(gòu)造所述醫(yī)療裝置(例如，導(dǎo)管)?？梢栽谒鲅b置的外部提供用于激發(fā)所述顆粒的電磁輻射源，或者可以將所述電磁輻射源結(jié)合到導(dǎo)管設(shè)計(jì)中(因此，不需要從在過程期間采用所述裝置的身體的外部的源提供入射輻射)?？梢圆捎酶吖β始t外(IR)發(fā)光二極管(LED)，以提供所述激發(fā)。
[0059]在方框608中，由于裝置的入射輻射而由所述納米材料生成的光聲信號或其他反饋則能夠通過超聲探頭和身體表面上的其他傳感器進(jìn)行跟蹤。
[0060]在解釋所附的權(quán)利要求的過程中，應(yīng)當(dāng)理解:
[0061]a) “包括” 一詞不排除存在給定權(quán)利要求中列出的那些元件或動作之外的其他元件或動作；
[0062]b)元件前面的“一”或“一個”一詞不排除存在多個這樣的元件；
[0063]c)權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記都不限制其范圍；
[0064]d)可以由同一項(xiàng)或硬件或軟件實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)或功能表示若干個“模塊”；并且
[0065]e)不要求具備任何特定的動作序列，除非另行明確說明。
[0066]已經(jīng)描述了針對使用納米材料實(shí)現(xiàn)實(shí)時的醫(yī)療裝置可視化的系統(tǒng)和方法的優(yōu)選實(shí)施例(其旨在說明而非限制)，應(yīng)當(dāng)指出，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)上述教導(dǎo)能夠做出修改和變化。因此應(yīng)當(dāng)理解，可以在所披露的公開的特定實(shí)施例中做出改變，這些改變在如所附權(quán)利要求書概述的所公開實(shí)施例的 范圍之內(nèi)。這樣描述完專利法要求的細(xì)節(jié)和特性之后，在所附權(quán)利要求中闡述專利證書主張并希望保護(hù)的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種醫(yī)療裝置，包括: 具有長度尺寸和表面(102)的結(jié)構(gòu)； 與所述表面相關(guān)聯(lián)并且沿所述長度尺寸的至少一部分延伸的體積(106);以及 納米材料(108)，其結(jié)合到所述體積中并且被配置為對至少一個激發(fā)信號做出響應(yīng)，從而所述激發(fā)信號生成來自所述納米材料的響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)所述結(jié)構(gòu)在研究對象內(nèi)的定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述裝置包括針、導(dǎo)管或觀測儀中的至少一個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述納米材料(108)包括納米球、納米棒、納米管、納米籠或量子點(diǎn)中的至少一個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述體積(106)包括在所述表面上形成的固體層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述體積包括相對于所述表面形成環(huán)形腔(206)的管(202)，所述環(huán)形腔包括懸浮液(208)中的所述納米材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，還包括與所述懸浮液(208)連通的攪動機(jī)構(gòu)(210)，以避免所述納米材料沉淀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述體積包括沿所述表面縱向形成的管(302)，所述管包括懸浮液中的所述納米材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，還包括與所述懸浮液連通的攪動機(jī)構(gòu)(210)，以避免所述納米材料沉淀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述至少一個激發(fā)信號包括電磁信號，并且響應(yīng)包括聲響應(yīng)和/或電磁響應(yīng)中的一個。
10.一種用于定位醫(yī)療裝置的系統(tǒng)，包括， 醫(yī)療裝置(402)，其包括結(jié)合于其內(nèi)的納米材料(404)，所述納米材料被配置為對至少一個激發(fā)信號做出響應(yīng)； 激發(fā)源(406)，其被配置為生成至少一個激發(fā)信號，從而生成來自所述納米材料的響應(yīng)發(fā)射； 傳感器(408)，其被配置為接收所述響應(yīng)發(fā)射；以及 圖像處理模塊(417)，其被配置為使用所述響應(yīng)發(fā)射在醫(yī)學(xué)圖像中繪制所述醫(yī)療裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述醫(yī)療裝置(402)包括針、導(dǎo)管或觀測儀中的至少一個。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述納米材料(404)包括納米球、納米棒、納米管、納米籠或量子點(diǎn)中的至少一個。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，將所述納米材料結(jié)合到在所述醫(yī)療裝置上形成的固體層(106)中。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述醫(yī)療裝置包括相對于所述醫(yī)療裝置的裝置壁形成環(huán)形腔的管(202)，所述環(huán)形腔包括懸浮液中的所述納米材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述醫(yī)療裝置包括沿所述醫(yī)療裝置的裝置壁縱向形成的管(302)，所述管包括懸浮液中的所述納米材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括與包括所述納米材料的懸浮液連通的攪動機(jī)構(gòu)(422)，所述攪動機(jī)構(gòu)用以避免所述納米材料沉淀。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個激發(fā)信號包括電磁信號，并且響應(yīng)包括聲響應(yīng)和/或電磁響應(yīng)中的一個。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，將所述聲響應(yīng)繪制在超聲圖像中。
19.一種用于定位醫(yī)療裝置的方法，包括: 提供具有結(jié)合于其內(nèi)的納米材料的醫(yī)療裝置(100)，所述納米材料被配置為對至少一個激發(fā)信號做出響應(yīng)； 使用所述至少一個激發(fā)信號激發(fā)(506)所述納米材料，以生成來自所述納米材料的響應(yīng)發(fā)射； 感測(508)所述響應(yīng)發(fā)射；以及 處理(514)所述響應(yīng)發(fā)射，從而相對于醫(yī)學(xué)圖像定位所述醫(yī)療裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述醫(yī)療裝置(100)包括針、導(dǎo)管和觀測儀中的至少一個。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述納米材料包括納米球、納米棒、納米管、納米籠或量子點(diǎn)中的至少一個。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，提供具有結(jié)合于其內(nèi)的納米材料的醫(yī)療裝置包括將所述納米材料結(jié)合到在所述醫(yī)療裝置上形成的固體層(106);相對于所述醫(yī)療裝置的裝置壁形成的環(huán)形腔(206)中的懸浮液；或者沿所述醫(yī)療裝置的裝置壁縱向形成的管(302)中的懸浮液中的至少一個中。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括攪動(422)在所述醫(yī)療裝置中結(jié)合的作為包含所述納米材料的懸浮液的納米材料，以避免所述納米材料沉淀。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括調(diào)諧(502)所述納米材料的吸收特性，以提供響應(yīng)于所述至少一個激發(fā)信號的吸收譜。
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，處理(514)包括在所述醫(yī)學(xué)圖像中數(shù)字式地生成所述醫(yī)療裝置的圖像。
26.一種用于生成醫(yī)療裝置的圖像的方法，包括: 使用對所述納米材料的第一電磁激發(fā)頻率激發(fā)(506)在醫(yī)療裝置中包含的納米材料，以獲得第一可成像響應(yīng)，所述第一可成像響應(yīng)相對于周圍材料是能夠探測的； 采用對所述納米材料的第二電磁激發(fā)頻率激發(fā)(510)在所述醫(yī)療裝置中包含的所述納米材料，以獲得包括與所述第一可成像響應(yīng)的可認(rèn)知差異的第二可成像響應(yīng)，所述第二可成像響應(yīng)相對于周圍材料是能夠探測的； 從所述第二可成像響應(yīng)中減去(512)所述第一可成像響應(yīng)，以提供相對于研究對象的所述醫(yī)療裝置的圖像。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述醫(yī)療裝置包括針、導(dǎo)管或觀測儀中的至少一個。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述納米材料包括納米球、納米棒、納米管、納米籠或量子點(diǎn)中的至少一個。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述醫(yī)療裝置具有通過在所述醫(yī)療裝置上形成的固體層(106);相對于所述醫(yī)療裝置的裝置壁形成的環(huán)形腔(206)中的懸浮液；或者沿所述醫(yī)療裝置的裝置壁縱向形成的管(302)中的懸浮液中的至少一個結(jié)合的納米材料。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括攪動(422)所述醫(yī)療裝置中結(jié)合的作為包含所述納米材料的懸浮液的納米材料，以避免所述納米材料沉淀。
31.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括調(diào)諧(502)所述納米材料的吸收特性，以提供響應(yīng)于所述激發(fā)頻率的吸收譜。
32.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括在醫(yī)學(xué)圖像中數(shù)字式地生成(514)所述醫(yī)療裝置的圖像。
【文檔編號】A61B19/00GK103491894SQ201280018869
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月20日
【發(fā)明者】S·卡瑪拉卡蘭, B·I·拉朱 申請人:皇家飛利浦有限公司