合并光学组织评估及激光消融的导管

摘要

本文描述了利用导管系统执行合并光学组织评估和激光消融的装置和方法。导管系统包括处理装置以及导管，该导管具有近侧区段和远侧区段，该远侧区段具有多个光学端口。该多个光学端口配置为将曝光辐射束发射到样本、接收一个以上的散射辐射束，以及发射激光消融能量，使得样本的一部分消融。处理装置包括第一光源，配置为产生曝光辐射源束；以及第二光源，配置为产生激光消融能量。导管系统还包括一个以上的复用器，将曝光辐射束引导到该多个光学端口、组合一个以上的散射辐射束，并且将激光消融能量引导到该多个光学端口中的至少一个光学端口。

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及合并光学组织评估和激光消融的导管的设计和使用方法。

背景技术

消融是用于产生组织坏死的医疗技术。它用于帮助治疗不同的病变，包括癌症、巴瑞特氏食道，或心律不整等。在一些情况下，可利用各种类型的消融，诸如用于冷冻消融的低温冷却、用于化学消融的化学品、射频(radiofrequency，RF)消融、激光消融等。对于射频(RF)消融，施加具有高于几百千赫(kHz)的振荡频率的交流电，避免以焦耳效应传递热量时，刺激该组织。

组织温度的增加产生生物分子的变性，包括蛋白质，例如胶原、肌球蛋白或弹性蛋白。传统上，借由将外部电极放置在患者身体上来进行射频消融，并且向放置于患者体内且与待治疗的组织接触的导管尖端施加交流电。消融效果取决于多种因素，包括施加的电功率、电接点的品质、局部组织特性、接近组织表面的血流的存在，以及冲洗的效果。由于这些参数的变异性，难以获得一致的结果。

发明内容

现有的用于射频消融治疗的消融导管和方法受到限制，原因在于要将导管电极对准标的组织，来满足射频消融手术期间的准确性是充满挑战的。在本文呈现的实施例中，描述了一种合并光学组织评估和激光消融的消融导管。

消融导管可以提供给射频消融导管一种具成本效益的解决方案，在射频消融导管中的每个电极使用复杂的电导线。在一些实施例中，消融导管包括用于评估和消融标的组织的多个光学端口。借由允许激光消融能量发射(transmit)穿过用于组织评估的相同光学端口，消融导管可以使用单个基板，该基板允许对正在消融的标的组织进行焦点评估。在本文呈现的实施例中，描述了使用具有多个光学端口的导管来执行光学组织评估和激光消融的装置和方法，该多个光学端口用于将曝光辐射束和激光消融能量发射到标的组织。

在一个实施例中，导管系统包括导管以及处理装置。该导管具有远侧区段、近侧区段，以及耦合在该远侧区段和近侧区段之间的护套。远侧区段包括多个光学端口和保持器，该保持器将该多个光学端口保持在固定空间关系。该多个光学端口配置为将一个以上曝光辐射束发射到样本、接收已从样本反射或散射的一个以上的散射辐射束，且发射激光消融能量，使得样本至少一部分消融。处理装置或导管的近侧区段包括：第一光源，配置为产生曝光辐射源束；以及第二光源，配置为产生激光消融能量。导管系统还包括复用器，配置为将一个以上的曝光辐射束从辐射源束引导到该多个光学端口、组合一个以上的散射辐射束，以及将激光消融能量引导到该多个光学端口中的至少一个光学端口。实施例中描述了一种用于执行合并光学组织评估和激光消融的示例方法。该方法包括提供消融导管，其中该消融导管包括近侧端部、具有多个光学端口的远侧端部，以及耦合在该近侧端部和远侧端部之间的护套。该方法还包括：经由该多个光学端口将一个以上的曝光辐射束发射到消融导管的远侧端部附近的样本；经由该多个光学端口接收已从样本散射或反射的一个以上的辐射束；以及使用从该多个光学端口中的至少一个光学端口输出的激光消融能量，来消融样本的至少一部分。

在另一个实施例中，描述了一种用于执行合并光学组织评估和激光消融的导管系统。导管系统包括导管以及处理装置，该导管具有远侧区段、近侧区段，以及耦合在该近侧区段与远侧区段之间的护套。远侧区段包括多个光学端口，该多个光学端口配置成将一个以上的曝光辐射束发射到样本、接收已从样本反射或散射的一个以上的散射辐射束，并且发射激光消融能量，使得样本至少一部分消融。处理装置或导管的近侧区段包含第一光源，配置为产生曝光辐射源束，以及第二光源，配置为产生激光消融能量。下面参考附图详细描述了进一步的特征和优点，以及各种实施例的结构和操作。应注意，本文中所描述的特定实施例不旨在限制性的。这些实施例在本文中仅用于说明的目的。基于本文所包含的教导，其他实施例对于相关领域的技术人员将是显而易见的。

附图说明

并入本文中并形成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明一起进一步用于解释本发明的原理，并且使相关领域的技术人员能够制造和使用本发明。

图1示出了根据本公开的实施例的导管的示例图。

图2A和图2B示出了根据本公开的实施例的导管的剖面。

图3A至图3G示出了根据本公开的实施例的导管的远侧端部的视图。

图4A和图4B示出了根据本公开的实施例的导管的远侧端部的附加视图。

图5A和图5B示出了根据本公开的实施例的导管的合并光学评估和激光消融系统的示例方框图。

图6示出了在不同波长和温度下黑体光谱的示例图。

图7示出了根据本公开的实施例的用于氮化硅波导的层堆叠的示例图。

图8示出了根据本公开的实施例的设计成引导辐射束的装置的示例图。

图9A和9B分别示出了根据本公开的实施例的作为波长和层厚度的函数的反射率的示例曲线图。

图10示出了根据本公开的实施例的具有冲洗方法的波导的示例环境。

图11示出了根据本公开的实施例的示出在相应的焦点特征值深度的每个波长的焦平面位置的示例曲线图。

图12示出了根据本公开的实施例的用于执行合并光学组织评估和激光消融的示例方法。

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

尽管讨论了具体的配置与排列，但是应当理解，这仅仅是为了说明的目的。所属领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可使用其它配置与排列。所属领域的技术人员将明白，本发明也可用于多种其它应用中。

需注意的是，说明书中对“实施例”、“一个实施例”、“示例实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不一定包括特定特征、结构或特性。而且，这样的表达方式不一定指同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，本领域技术人员将在知识范围内实现这样的特征、结构或特性。

本文所用的“激光能量”或“激光消融能量”，是指基于电磁辐射的受激发射的光学放大过程所发射的光，并且是指由一激光源产生的一个以上的激光光束。应当注意，尽管本申请可以具体涉及心脏消融术，但是配合用于消融的附加能量源，本文描述的实施例也可以针对其他病变。使用激光消融能量来治疗其它病变的原理是类似的，因此用于施加激光消融能量的技术是类似的。

本文公开了用于合并光学组织评估和激光消融的消融导管的实施例，其中该消融导管包括用于评估和消融标的组织的多个光学端口。在一些实施例中，导管的该多个光学端口配置成将曝光辐射束发射到样本、接收已从样本反射或散射的一个以上的散射辐射束，且发射激光能量，使得样本至少一部分消融。通过利用相同的光学端口来发射光学评估信号和激光消融信号，消融导管可以提供对在单个基板中，正在消融的相同标的组织进行焦点评估，该基板允许两种模态。

在本文中，术语“电磁辐射”、“光”、“辐射束”，都是用于描述相同的电磁信号，经由各种描述的元件和系统所传播。

导管实施例

图1示出了根据本公开的实施例的导管100。导管100包括近侧区段102、远侧区段104，以及耦合在近侧区段102和远侧区段104之间的护套106。在实施例中，护套106包括用于导航目的的一个以上的不透射线标记。在一个实施例中，导管100包括导管100与处理装置108之间的通信接口110。通信接口110可以包括处理装置108与导管100之间的一个以上的导线。在其他示例中，通信接口110是允许无线通信的接口元件，诸如蓝牙、WiFi、蜂巢式网络等。通信接口110可以与位于导管100的近侧区段102或远侧区段104内的一个以上的收发器元件进行通信。

在一个实施例中，护套106和远侧区段104是抛弃式的。如此一来，每次要执行新手术时，近侧区段102可通过将新的护套106和远侧区段104附接而重新使用。在另一个实施例中，近侧区段102也是抛弃式的。

在一些实施例中，诸如电源、第一光源和第二光源，以及干涉仪元件的各种电子和光学组件位于处理装置108中，来自这些组件的电和光信号可以经由通信接口110发送到近侧区段102。通过将这些组件容纳在处理装置108中，整个导管100可以是抛弃式的。

在其他实施例中，近侧区段102可以容纳在导管100的操作中使用的各种电子组件和光学组件。第一光源可以包括在近侧区段102内以产生用于光学评估的辐射源束。第一光源可以包括一个以上的激光二极管、超发光二极管(super luminescent diodes，SLEDs)或发光二极管(light emitting diodes，LEDs)。由光源产生的辐射束可以具有在红外线区域内的波长。在一个示例中，辐射束具有1.3μm的中心波长。所述光源可经设计，仅以单一波长输出辐射束，或其可为扫掠源且经设计以输出不同波长的范围。所产生的辐射束可以经由连接在近侧区段102和护套106内的远侧区段104之间的光传输介质，被引导至远侧区段104。光传输介质的一些示例包括单模、极化保持，或多模光纤和集成光波导。在一个实施例中，电传输介质和光传输介质由允许电和光信号传播的相同混合介质所提供。

此外，近侧区段102可包括第二光源，诸如用于组织消融的激光能量源。在一些实施例中，激光能量源可发射波长为980nm或波长为1060nm的激光能量消融光束。来自近侧区段102中的源的激光能量，可以经由连接在近侧区段102和远侧区段104之间于护套106内的光传输介质，往下传播至导管100，并且激光能量可以从导管100的远侧区段104输出到标的组织。例如，来自源的激光能量可以产生5W至12W的光功率，其施加到标的组织20-30秒，可以在心脏组织中产生透壁损伤。在另一示例中，来自源的激光能量可以产生30W至50W的光功率，该光功率施加到标的组织60-90秒。参照图5A和图5B，讨论关于用于光学评估的第一光源，和激光消融第二光源，是如何耦合在一起的细节。

在一个实施例中，近侧区段102包括干涉仪的一个以上的组件，以便使用从第一光源产生的光来执行低相干干涉测量(low coherence interferometry，LCI)。由于干涉数据分析的性质，在一个实施例中，用于将光引导到远侧端部104和从远侧端部104引导光的光传输介质，不影响光极化的状态和程度。在另一个实施例中，光传输介质以恒定和可逆的方式影响极化。

近侧区段102可以包括另外的接口元件，借此导管100的用户可以控制导管100的操作。例如，近侧区段102可以包括偏转控制机构，该偏转控制机构控制远侧区段104的偏转角度。偏转控制机构可以要求近侧区段102上的元件的机械运动，或者偏转控制机构可以使用电连接来控制远侧区段104的运动。近侧区段102可包括允许用户在远侧端部104处施加激光能量，或当辐射束从远侧端部104发射时控制的各种按钮或开关，从而允许获取光学数据。在一些示例中，这些按钮或开关位于耦合到处理装置108的单独的用户接口处。

远侧区段104包括多个光学观察端口，这将在下面进一步详细描述。在一个实施例中，一个以上的光学观察端口加工到远侧区段104的外部主体中。例如，远侧区段104的外部主体的一个以上的光学观察端口可以通过激光钻孔、3D列印、立体光刻(stereolithography，SLA)、熔融沉积成型(fused deposition modeling，FDM)、选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)或其他技术来产生。光学观察端口分布在远侧区段104的外侧上，从而产生多个不同的观察方向。光学观察端口还允许多个方向，其中通过一个以上的光学观察端口，激光能量可引导用于组织消融。在一个实施例中，所述多个观察方向中的每一个基本上是非共面的。光学观察端口还可以设计有冲洗功能，以在消融时冷却远侧区段104和周围组织。参照图3A至图3G和图4A至图4B，讨论关于远侧区段104的设计细节。

图2A和图2B示出了根据本公开的实施例的护套106的剖面视图。护套106可以包括将近侧区段102与远侧区段104互连的所有元件。护套106a示出了容纳冲洗通道202、偏转机构206、电连接208和光传输介质210的实施例。图2A示出了包裹在电连接208和光传输介质210上的保护盖212。电连接208可用于向位于远侧区段104中的光学调节组件提供信号。一个以上的光传输介质210，将从光源(曝光的光)产生的光引导向远侧区段104，同时另一子集的光传输介质210，将从远侧区段104返回的光(散射或反射光)，引导回近侧区段102。在另一示例中，相同的一个以上的光传输介质210在两个方向上引导光。在一些实施例中，还可以用一个以上的光传输介质210，将消融激光能量(例如，从激光能量源产生)传播到导管100的远侧区段104。

冲洗通道202是可以将冷却流体引导向远侧区段104的中空管。冲洗通道202可以包括沿着通道设置的加热和/或冷却元件，以影响流体的温度。在另一个实施例中，冲洗通道202还可以用作将远侧区段104周围的流体，引回到近侧区段102的途径。

偏转机构206可以包括设计成向远侧区段104提供信号，以便改变远侧区段104的偏转角度的电或机械元件。根据实施例，偏转系统能够借由致动放置在近侧区段102中的机械控制来引导远侧区段104。该系统可基于护套106中的一系列对齐且均匀间隔开的切口，该切口旨在提供远侧区段104的单向偏斜，并与将近侧区段102中的偏转机构控制与远侧区段104处的导管尖端连接的线相结合。以此方式，近侧区段的特定运动可投射到远侧区段。有其他实施例涉及附接到导管尖端的若干控制线的组合，可使得导管尖端能够沿不同方向偏转。

图2B示出了护套106b的剖面。除了不存在电连接208之外，护套106b描绘了具有大部分与图2A的护套106a相同的元件的实施例。护套106b可用于在近侧区段102或处理装置108中执行所产生的辐射束的调节(例如，复用)的情形中。在一些实施例中，护套106b可以包括用于远侧区段104中的电极的电连接，用于测量组织的心电图。

图3A至图3G示出了根据本公开的实施例的远侧区段104内的视图。例如，图3A示出了远侧区段104a，远侧区段104a具有多个观察端口302、多个波导304，以及基本上位于远侧区段104a的尖端处的一个以上的冲洗通道310。多个观察端口302可以以任何型式围绕远侧区段104a的外部，以实现样本308的各种视图。激光能量可以引导到多个观察端口302中的至少一个观察端口302，以消融样本308的一部分。在一个实施例中，波导304可以是任何类型的波导结构，诸如在光学集成电路内限定的波导。在另一个实施例中，波导304可以是限定在柔性基板上的波导结构。在又一个实施例中，波导304可以是光纤。复用单元312也可以定义在包括波导结构的同一柔性基板上。

在图3A和图3B中，波导304用于多个观察端口302中的每一个，以通过多个观察端口302中的每一个发射和接收光。曝光的光通过观察端口302离开远侧区段104a发射到样本308上，同时通过观察端口302接收由样本308散射或反射的光。多个观察端口302的每个观察端口可以包括多于一个的光纤，例如，光纤束。在近侧区段102或处理装置108内从第一光源产生的光(例如，用于组织评估)，可以使用复用单元312在每个观察端口302中分离。或者，复用单元312可以选择多个观察端口302中的一个以用于光行进到或从其行进。

另外，在近侧区段102或处理装置108内从第二光源(例如，用于激光消融)产生的激光能量，可以使用相同的复用单元312或不同的复用单元(未示出)，引导到一个以上的观察端口302，以选择多个观察端口302中的至少一个以用于标的消融。复用单元312经由光发射线316接收辐射的输入光束和激光光束。光发射线316可以包括任何数量的光发射元件(例如，光纤)，并且可以类似于图2A和图2B的光传输介质210。电线318可包括以将控制信号从导管100的近侧区段102或从处理装置108输送到复用单元312。

复用单元312可以包括相关联的电子零件314，其向复用单元312的各种调节元件提供控制信号。复用单元312可以使用任何复用方法，其允许对由多个观察端口302收集的光进行分离，以及将用于光学组织评估的光和用于激光消融的光分离。其中一种复用方法是时域复用，其中复用单元312以受控的方式在不同的输出波导之间切换，使得在给定的时间，相关联的观察端口302中的仅有一个是活动的。另一种合适的复用方法是频域复用，其中穿过每个观察端口302的光受到调节，使得对应于不同观察端口302的信号的时频行为可以由处理装置(例如，处理装置108)来区分。相干域(coherence-domain)复用也可以用于复用单元312，通过将不同的群延迟引入穿过每个观察端口302的光，使得对应于不同观察端口302的信号出现在不同的相干位置处，因此可以由处理装置(例如，处理装置108)来区分。在一个实施例中，这些方法是非排他性的，并且可以组合以便找到最佳设计折衷。一些复用方法，如相干域复用，不需要复用单元312的任何电致动。因此，在一个实施例中，基于相干域复用的实现，不需要用电传输介质来控制信号。

在一个实施例中，使用热电光学开关的网络在氮化硅光子芯片上产生复用单元312。其他适合用于复用单元312的材料包括二氧化硅、氧氮化物、铌酸锂，lll-V半导体材料、绝缘层上硅(Silicon on Insulator，SOI)、砷化镓(gallium arsenide，GaAs)、碳化硅或光学级聚合物等。支援光切换操作的其他调节效果，包括电光效应、电荷载体密度效应、光机械效应、基于液晶的折射指数调节等。还可以通过微机电(microelectromechanical，MEMS)装置在小型化和封装约束条件下，获得复用功能。电线318和复用单元312之间的连接，可以经由单独的引线接合或焊接，或借由中间基板来实现，所述中间基板允许以单独或批次处理进行倒装芯片组装。在一个实施例中，该中间基板具柔性。

在一个实施例中，复用单元312组装在柔性基板上。用于在柔性基板上形成光学元件的方法包括应用于绝缘层上硅(SOI)芯片或晶圆的基板转移后处理步骤，如在美国专利第9,062,960号中更详细地描述的，其公开内容借由引用整体并入本文。在一个实施例中，所得柔性装置比起始厚度(500-700μm)更薄(小于350μm)。复用单元312可以由部分可挠的光学集成芯片来实现。根据实施例，多个波导304(例如，光纤)是适度可挠的，以便到达布置在远侧区段104a中的各种观察端口302。如图3C至图3G所示，光学集成芯片可由通过可挠部分连接的一系列互连的刚性部分形成。相关联的电子零件314可连接到包含复用单元312集成芯片的底侧或上侧。在另一个实施例中，复用单元312和相关联的电子零件314都设置在柔性基板上。在一个示例中，具有复用单元312和相关联的电子零件314两者的柔性基板卷成圆柱形，以装配在导管100的远侧区段104a内。

如图3A所示，远侧区段104a可包括一个以上的冲洗通道310，以将流体输送到远侧区段104a外部上的多个孔(未示出)。经由冲洗通道310输送的流体可在消融手术间用于冷却。在其它实施例中，冲洗通道310可设计成将治疗流体传递到样本308。

远侧区段104a还可包括力感测器317。在一个实施例中，力感测器317设计成沿一个以上的参考轴线，在操作期间测量施加到远侧区段104a的力。力感测器317可包括来自护套(例如，刚性线材)的刚性元件，该刚性元件机械地连接到感测器的一部分。导管和作用在远侧区段104a和护套之间的任何机械固定元件的总体组件，必须确保将足够的压力传递给力感测器317。在另一个实施例中，力感测器317可以是基于压力的感测器，例如应变计。

根据实施例，力感测器317可以具有自身的读出元件，如同复用单元312般定义于相同的基板中。读出原理可以基于与应变相关联的距离变化的干涉分析、基于共振型装置的光谱分析、基于压电装置、基于电容测量，或基于电磁测量。根据一个实施例，由力感测器317产生的信号传播通过附加缆线和/或运行穿过护套106的光传输介质。或者，信号可借由用于复用单元312及其相关联的电子零件314的相同的电路径和光路径传播。在后种情况，可通过适当的信号复用技术来分离复用的光路径和力感测器317的数据路径。另外，如果以低流量和恒定流量来灌注冲洗通道310，则可以通过在导管100的近侧区段102中添加压力转换器来间接测量压力。

在一个实施例中，温度感测器319可以包括在远侧区段104a中，在操作期间基本上测量在导管的尖端处的温度。虽然图3A和图3B仅示出了一个温度感测器319，但是在远侧区段104中可以有任何数量的温度感测器319。温度感测器319可以是热耦合的元件、对温度具有已知电阻依赖性的元件、光学参数随温度变化的元件，或任何其它类型的温度感测器。温度感测器319可包括如同复用单元312般定义于相同的基板中的元件。根据一个实施例，由温度感测器319产生的信号通过穿过护套106的附加缆线和/或光传输介质传播，或者通过用于复用单元312及其相关联的电子零件314相同的电路径和光路径传播。在后种情况下，可通过适当的信号复用技术来分离复用的光路径和温度感测器319的数据路径。

在一些实施例中，远侧区段104可包括用于测量组织心电图的一个以上的电极，和/或用于允许导管导航的一个以上的磁感测器。例如，导管的一个以上的磁感测器可以与外部产生的磁场发生器组合，以用磁场导航导管。

图3B示出了描绘为远侧区段104b的远侧区段的另一实施例。远侧区段104b包括许多与远侧区段104a中描述相同的元件。然而，远侧区段104b不包括复用单元312和相关联的电子零件314。纤维束305用于向远侧区段104b内的多个波导304提供光。在使用远侧区段104b的导管实施例中，复用单元可位于近侧区段102内或导管100外部(例如，与处理装置108一起)。

在图3A和图3B所示的远侧区段104的任一个实施例中，多个观察端口302可以包括一个以上的透镜和/或反射镜或类似的光学元件，其设计成聚焦穿过任何观察端口302的光。根据一个实施例，在每个观察端口302内使用的材料，对于用于光学询问的光的波长范围和用于激光消融的光的波长范围，基本上是通透的。例如，在每个观察端口302内使用的材料，对于1.3μm的光学组织评估和980nm或1060nm的激光消融而言，基本上是通透的。光学元件可涂覆抗反射层以最小化光学损耗。反射镜可以通过选择性地蒸发金属层表面上的掩模局部产生，以使其具有反射性，并且可以是平坦的或提供聚焦功能。在一些实施例中，不需要金属镀层的全内反射(total internal reflection，TIR)反射镜，也可用于重定向和/或聚焦光。远侧区段104的主体可以使用射出成型塑胶形成，并且设计成支援复用单元312的封装。在一个实施例中，在多个观察端口302处使用的光学元件，包括梯度指数透镜和/或具有锥形尖端的透镜。

在一个实施例中，多个观察端口302中的一个以上的包括扫描元件(未示出)，该扫描元件允许在给定方向上，扫描借由观察端口302(例如，一个以上的曝光辐射束和激光消融能量)离开的一个以上的光束。所述扫描元件可以包括微机电系统(MEMS)组件，或者使用电光调节器来控制相关观察端口的辐射束出口角。关于辐射束的扫描的进一步细节和示例，可以在美国专利第9,354,040号中找到，该专利的公开内容借由引用整体并入本文。在一些实施例中，曝光辐射的扫描可以收集样本的光学相干断层扫描(optical coherencetomography，OCT)图像。

图3C至图3G示出了远侧区段104的附加实施例。这些实施例包括许多与图3A和图3B中描述相同的元件，除非另有说明。图3C至图3G示出了包括光子集成电路(photonicintegrated circuit)的远侧区段，其具有由柔性区段接合的刚性区段。如图3C所示，单个基板320可以作为所有刚性光束输入/输出区段322的基部。每个刚性光束输入/输出区段322，连接到至少一个薄且柔性的区段324。光束输入/输出区段322可以提供光学端口，并且通过柔性区段324光学地和机械地互连，以形成远侧区段104的尖端。因此，基板320具有多个整体分支，每个分支包括由柔性区段324互连的刚性光束输入/输出区段322。所述分支在柔性区段324处围绕的远侧端部尖端弯曲。以此方式，可以适应不同的形状和排列。保持器(在图3F和图3G中示出)可用于保持分支和对应的刚性光束输入/输出区段322之间的空间关系。

柔性波导可跨柔性区段延伸，将光学端口光学地连接到复用器312。可以通过去除部分基板材料使基板变薄，以形成柔性区段。可以添加一层聚酰亚胺以加强变薄的部分。复用器312可形成在如图3C所示的刚性区段上，或跨刚性区段和柔性区段实现。虽然在刚性区段上形成光束光学端口较容易，但是光束光学端口也可以在柔性区段上形成。在一个实施例中，光耦合器，例如2x 1或2x 2，可以适当地分散在刚性和/或柔性区段上，以形成复用器312的一部分。

光束输入/输出区段322，可以从光学端口输出聚焦光束或未聚焦光束。此外，光束可以在光束输入/输出区段322的平面中射出(如图3D所示)，或者可以与光束输入/输出区段322的平面成斜角射出，例如与平面正交(如图3E至图3G所示)。然后可以沿着相同的光路径从样本接收辐射。图3E至图3G示出了设计成引导辐射束的装置的各种实施例。进一步的细节和替代排列可在美国专利第9,690,093号中找到，该专利的公开内容以引用的方式整体并入本文。

图3D示出了两个光束输入/输出区段322，光学地和机械地耦合至柔性区段324。波导334沿着基板的平面延伸到光学端口326，其中光学端口326配置为将曝光辐射和激光消融能量的光束引导到标的组织。光学端口326引导辐射束342，基本上平行于沿着每个相应光束输入/输出区段322的传播平面。光学端口326还可以引导曝光辐射和激光能量，无须对准光学端口326和观察端口302，就可以将光传递到感兴趣的区域。光束输入/输出区段322不限于单个光学端口，而是可以具有多个光学端口。

图3E至图3G示出了基本上垂直于基板表面的角度引导辐射束的概念。然而，这些实施例在某些元件的放置和形成不同。例如，图3E示出了由多个光束输入/输出区段322机械地和光学地耦合的基板320，所述多个光束输入/输出区段322机械地和光学地耦合至柔性区段324。柔性区段的下部已去除以赋予柔性。一个以上的波导334形成在每个光束输入/输出区段322上。波导334可以跨柔性区段324延伸，以允许光学端口之间的光耦合。波导334包括由包覆层338a和338b围绕的核心层336。反射器340与波导334在平面中形成，并且设计成将辐射束342反射至观察端口302。

基板320可以是允许执行表面和/或大量微机械加工图案化步骤的任何合适的材料。在一个示例中，基板320是诸如二氧化硅、硅、砷化镓、磷化铟等的晶体材料。在其它示例中，基板320是非晶质的，例如玻璃或多晶硅。波导334的核心层336可以包括具有比包覆层338a和338b更高折射指数的材料，以便限制传播借由波导334的辐射束。例如，核心层336可以包括硅氮化物(Si

根据实施例，可以由蚀刻形成波导334的层形成反射器340。可以使用湿异向性蚀刻剂(例如，四甲基氢氧化铵(tetramethyl ammonium hydroxide，TMAH)和/或氢氧化钾(potassium hydroxide，KOH))沿晶体平面剥离材料，以形成反射器340的表面。通过将反射器340快速暴露于另一种化学蚀刻剂，例如氢氟酸(hydrofluoric acid，HF)，可以通过硅的热氧化和氧化物移除制程进一步使表面平滑。也可采用干蚀刻技术来产生反射器340的角状表面。例如，使用灰阶光罩以产生不同高度光抗蚀剂的反应离子蚀刻(reactive ionetching，RIE)，可用于产生非平面结构。根据一个实施例，反射器340放置在与波导334的端部距离较短的位置。该距离不能太大，否则从波导334射出的辐射束将会传播太远并且出现不希望发生的光学损耗。在本实施例中，反射器340和波导334在基板320的第一表面面内图案化。反射器340可以设计成具有角度的斜面。例如，反射器340的表面可以相对于基板320的第一表面，基本上呈45度角。该角度使辐射束大致以与基板320的表面垂直的角度引导。在另一示例中，反射器340的表面相对于基板320的第一表面，基本上呈54.74度角。图3E的实施例中，光向上反射并且远离刚性光束输入/输出区段322朝向观察端口302。观察端口302可以包括聚焦光学元件，例如透镜，以聚焦发散的辐射束。

图3F示出了不需要附加聚焦元件的替代排列。替代地，根据实施例，光学元件344设置在波导334上方和刚性光束输入/输出区段322的顶面上方。在该实施例中，光学元件344是透镜。透镜可以设计成聚焦辐射束342或准直辐射束342。光学元件344可以是使用纳米压印光刻或灰度掩模的标准光刻蚀刻来制造。透明聚合物的热回流也可用于形成弯曲透镜形状。可以直接在基板320中利用反应离子蚀刻(reactive ion etching，RIE)来制造光学元件344。当基板材料具有高折射指数(例如，诸如硅、磷化铟等的材料)时，可以实现利用反应离子蚀刻(reactive ion etching，RIE)的优点，因此，透镜的性能几乎不取决于周围介质的折射指数。可以调节透镜的聚焦表面的曲率和位置，使得透镜的焦点和焦距达到期望的准直或聚焦性能。在一个示例中，在光学元件344和波导334之间引入中间聚合物层，以便设置透镜工作距离。光学元件344随后可涂覆抗反射电介质堆叠，以最小化光学损耗。尽管所描绘的排列使光学元件344如同波导334一样在基板320的同一侧，但是波导334可以在光学元件344的对侧，在刚性光束输入/输出区段322中具有开口，以允许辐射穿过基板320。

单晶保持器350包括凹槽352，以物理地保持并引导刚性光束输入/输出区段322。图3F中的剖面图示出了基板320如何可以围绕保持器350弯曲。保持器350围绕远侧端部104的尖端，在空间中固定刚性光束输入/输出区段322，且柔性区段324在凹槽352之间跨过保持器的部分。尽管详细示出了两个刚性光束输入/输出区段322，但是每个凹槽352通常在其中具有相应的刚性光束输入/输出区段322。在保持器350中可提供额外的凹槽以用于柔性区段324。保持器350可替代地形成为框架而不是单晶元件。

图3G示出了包括聚焦元件的另一替代排列，从而减轻了在观察端口302中对聚焦元件的需要。取代图3F中所示的折射元件，图3G中的排列包括具有反射镀层346的光学元件344。反射镀层346可以形成在光学元件344的抛物面上，以聚焦或准直来自波导334的光。如上所述，光学元件344和反射镀层346可以形成在刚性光束输入/输出区段322上。或者，反射镀层346可形成在保持器350的凹槽352内形成的抛物面上，从而不需要额外的光学元件。反射镀层346可设计用于正轴或偏轴反射。对于正轴反射，可以在光束输入/输出区段322中形成基本上环形的开口，以允许光束342穿过基板320，并围绕平面反射器340。

另外，以上关于图3D至图3G所描述的特征，可组合以提供引导辐射束342的多种手段。

图4A示出了根据实施例的远侧区段104的外侧的视图。多个观察端口302可位于远侧区段104的整个外表面周围的任何位置，用于在远侧区段104周围提供任意角度观察组织样本(例如，心房壁)，并通过激光消融术消融组织样本的一部分。此外，远侧区段104可包括与图3A和图3B中所示的冲洗通道310相关联的多个开口402。开口402也可以放置在远侧区段104的外表面周围的任何地方，并且用于将液体排出到远侧区段104周围的区域，或者从远侧区段104周围的区域抽吸液体。在一个实施例中，多个观察端口302和开口402可以放置在远侧区段104的外表面的相同位置。

图4B示出了根据实施例的远侧区段104的分解图。多个光学元件404可以位于罩体(cap)410的整个外表面周围的任何位置，用于在远侧区段104周围提供任意角度观察组织样本(例如，心房壁)，并通过激光消融术消融组织样本的一部分。罩体410设计为可安装在保持器350和基板320周围。刚性光束输入/输出区段322装配在保持器350的凹槽352中。然后罩体410装配在保持器350和基板320上，并且通过对准和锁定机构412和414固定。棘爪412装配在意图414内，以将罩体410固定到保持器350，同时允许光学连结到近侧区段102。通过将罩体410固定到保持器350上，光学元件404会与刚性光束输入/输出区段322的光学输出对准。

在一些实施例中，执行合并光学组织评估和激光消融，光学元件404和光学输出之间可能不需要对准。即，罩体410可包括的材料，对于光学询问(optical interrogation)的光波长范围和用于激光消融的光的波长范围，基本上是通透的。例如，罩体410的材料，对于1.3μm的光学组织评估和980nm或1060nm的激光消融而言，基本上是通透的。在一些情况下，罩体410可包括抗反射镀层以避免不期望的背反射，并向组织提供最大发射能量。

合并光学评估和激光消融实施例

图5A和图5B示出了根据本公开的实施例的导管的合并光学评估和激光消融系统的示例方框图。图5A示出了示例系统500，该系统具有第一光源502、第二光源504、第一隔离元件503、第二隔离元件505、耦合元件506、分光器508、第一复用器510、第二复用器512和耦合元件513。在一些实施例中，系统500的每个组件容纳在导管内，例如导管100。例如，第一光源502和第二光源504可位于导管100的近侧区段102或处理装置108内。在一些实施例中，第一光源502产生用于光学评估样本514的辐射束源，波长约为1.3μm，而第二光源504产生用于样本514的组织消融的激光能量，波长约为980nm或1060nm。第一隔离元件503和第二隔离元件505可包括光循环器或隔离器，可将其插入导管中，以避免第一光源502和第二光源504因不期望的背反射而可能造成损坏。由第一光源502和第二光源504产生的一个以上的曝光辐射束和激光消融能量束，可以通过耦合元件506在导管100的近侧区段102中光学耦合。例如，耦合元件506可以是光纤耦合元件，其中光纤耦合元件允许第一光源502和第二光源504在发射到导管的基板中之前耦合。

在一些实施例中，耦合元件506可以将第一光源502和第二光源504在单光纤中耦合，以便在导管100的护套106中的同一光纤中传播一个以上的曝光辐射束和激光消融能量束。分光器508可以在导管100的远侧区段104处，从一个以上的激光能量束中分离出一个以上的曝光辐射束。在一些实施例中，分光器508和/或耦合元件506可位于导管100的处理装置108或近侧区段102中。在光束隔离之后，第一复用器510可将一个以上曝光辐射束引导到导管100的远侧区段104的多个光学端口326。在一些实施例中，第一复用器510可包括被动式复用器(例如，分配树)或主动式复用器(例如，开关)，其中可将一个以上的曝光光束引导到一个以上的光学端口326。第二复用器512可将激光能量引导至导管100的远侧区段104的多个光学端口326中的至少一个光学端口。来自第一复用器510和第二复用器512的一个以上的曝光辐射束和激光能量，可以通过耦合元件513耦合，该耦合元件513可以是光纤耦合元件。然后可以从多个光学端口326，将一个以上的曝光辐射束和激光消融能量发射到样本514。在一些实施例中，第一复用器510和第二复用器512可以位于导管100的远侧区段102或近侧区段104中。在另外的实施例中，可用单个复用器将激光消融能量和一个以上的曝光辐射束复用到多个光学端口326中的至少一个光学端口。尽管图5A示出了仅具有一个输入和一个输出的第一复用器510和第二复用器512，但在系统500中的第一复用器510和第二复用器512，可包括任意数量的输入和任意数量的输出。

图5B示出了另一示例系统520，该系统具有第一光源522、第二光源524、第一隔离元件526、第二隔离元件528、耦合元件530和复用器532。在一些实施例中，系统520的每个组件容纳在导管内，例如导管100。例如，第一光源522和第二光源524可位于导管100的近侧区段102或处理装置108内。在一些实施例中，图5B中的第一光源522和第二光源524，可以与图5A中的第一光源502和第二光源504相同。在系统520中，来自第一光源522和第二光源524的一个以上的曝光辐射束和激光消融能量束，可分别向下传播至导管100的护套106，诸如在两条单独的纤维(例如，一个纤维用一个以上的曝光辐射束对样本524进行光学评估，另一纤维用一个以上的激光消融能量束消融样本524的一部分)。第一隔离元件526和第二隔离元件528可包括光循环器或隔离器，可将其插入导管中，以避免因不期望的背反射可能造成光源损坏。一个以上的曝光辐射束和激光消融能量束，可以通过耦合元件530光学耦合。在一些实施例中，一个以上的曝光辐射束和激光消融能量束的耦合发生在导管100的远侧区段104中。然后复用器532可将一个以上的曝光辐射束和激光能量引导到导管100的远侧区段104的多个光学端口326中的至少一个光学端口。在一些实施例中，可利用两个复用器分别将激光能量和一个以上的曝光辐射束分别复用到多个光学端口326中的一个以上的光学端口。在另外的实施例中，复用器532可位于导管100的远侧区段102中或近侧区段104中。虽然图5B示出了仅具有一个输入和一个输出的复用器532，但在系统520中，复用器532可以包括任意数量的输入和任意数量的输出。

如本文中所述的合并光学评估和激光消融导管可进一步配置为执行温度测量。例如，检测器(例如，位于处理装置108中，或导管100的近侧区段102或远侧区段104中)可在激光消融之前、期间或之后，测量由组织发射的黑体光谱来确定标的组织的一个以上的温度。图6示出了根据本公开实施例，由消融导管测量的，在不同波长和温度下的黑体光谱的示例图。为了测量人体组织温度范围内的温度(例如，在消融期间从37℃到80℃的范围)，导管的检测器可以对从2μm左右开始的波长敏感，如图6所示。

在一些实施例中，为了低损耗和宽频，合并光学评估和激光消融导管可使用氮化硅作为波导的材料来实现。氮化硅可以允许光波导损耗低至0.7dB/m，且该材料可以从近似400nm(氮化硅带隙)至4000nm(氧化硅SiO2吸收)是通透的。在一些实施例中，作为感兴趣的波长(例如，用于激光消融的980nm，用于光学组织评估的1300nm，用于温度测量的2000nm)，氮化硅材料还可以具有比二氧化硅材料更高的折射指数。表1提供了通过电浆辅助化学气相沉积(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)测量生长的氮化硅(Si

表1：氮化硅和二氧化硅的测量折射指数值

图7示出了根据本公开的实施例，用于氮化硅波导的层堆叠的示例图。图7的波导例示出了如对称嵌入在二氧化硅(SiO

在一些实施例中，在合并光学评估和激光消融导管的基板的聚焦光学元件的设计期间，组织评估功能可优先考虑。例如，可能需要约1300nm的设计波长，并在组织中达到1.5mm的焦深(depth of focus，DOF)，以精确地评估损伤透壁性。根据一个实施例，为了在组织中达到所需的焦深(depth of focus，DOF)，可以在焦点处使用约30.54μm的腰光束直径，其放置在距罩体外壁一半焦深(depth of focus，DOF)的距离处，例如0.75mm。图8示出了根据本公开的实施例所设计成引导辐射束的装置800的示例图。装置800包括基板802，具有核心层806和包覆层808a和808b的波导804。在一个实施例中，基板802可以是硅，核心层806可以是氮化硅，包覆层808a和808b可以是二氧化硅。

在一个实施例中，反射器810由波导804端部处的刻面形成。这样，辐射束812在其从波导804射出前向下反射至基板802。根据一个实施例，抗反射(antireflective，AR)镀层816可以包括在波导804和基板802之间的接口处。抗反射(AR)镀层816可图案化，使得其仅存在于反射器810下方。在另一示例中，抗反射镀层816覆盖基板802的表面上的较大区域。抗反射(AR)镀层816可存在于基板802的整个表面上。图8进一步示出光学元件814(例如，透镜、反射镜等)、罩体821、焦深(depth of focus，DOF)822和抗反射(AR)镀层823和824。在一个实例中，在1300nm的波长下，包覆层808b的折射指数(n

图9A和图9B分别示出了根据本公开的实施例，作为波长和层厚度的函数的反射的示例图。如图9A所示，具有抗反射(antireflective，AR)镀层816的基板802的反射，在1300nm最优化。导致零反射的理想材料由厚度为约144nm和折射指数n

在一些实施例中，为了避免来自透镜接口的不期望的背反射，在透镜上提供抗反射(AR)层820，如图8中所示。在一些实施例中，抗反射(AR)层820可设计成考虑在冲洗导管中具有盐水(或在消融手术中使用的任何其他流体)。例如，由盐水或其他流体引起的折射指数变化，可能需要改变抗反射(AR)层820的折射指数和厚度，以确保减少的反射，并且抗反射(AR)层820可以相应地设计以考虑这些变化。在一些实施例中，在非冲洗方法中，抗反射(AR)层820可设计成考量在透镜周围环境中含有空气。例如，由非冲洗导管中的空气引起的折射指数变化，可能需要改变抗反射(AR)层820的折射指数和厚度，以确保减少的反射。在一些实施例中，利用罩体(例如，罩体410)中的冲洗孔等冲洗方法，不与透镜对准也是可行的。

在另外的实施例中，抗反射(AR)层820包含氮化硅。在一些实施例中，如果在空气中使用，约174nm层厚度的抗反射(AR)层820，反射可忽略，而当盐水与透镜接触时达到约2％的反射值。同样地，抗反射镀层823和824可类似地设计成避免罩体821的内表面和外表面中，出现不期望的反射。

图10示出了根据本公开的实施例的具有冲洗方法的波导的示例环境。图10示出了基于光线追踪的模拟，其对应于使用ZEMAX LLC的市售设计软体OpticStudio的冲洗方法。在该示例中，图10示出了具有核心层1006的氮化硅波导，其具有1μm x1μm剖面，5μm厚的二氧化硅层1008b，和硅基板材料1002。在一些实施例中，核心层1006、二氧化硅层1008b和基板1002，表示图8中的核心层806、包覆层808b和基板802的示例性实施例。

在一些实施例中，图10的波导可以包括透镜(例如，光学元件814)，并且光学元件的曲率半径和基板1002的厚度可设计成在焦平面处产生约30.54μm的期望腰光束直径。在一些情况下，焦平面可以与罩体(例如，罩体821)的外壁相距焦深(DOF)/2的距离。例如，透镜与罩体的外壁之间的距离可能是0.5mm，其包括罩体厚度，并且透镜与焦平面之间的总距离可以是固定的并且等于1.25mm。在一个实施例中，透镜(例如，光学元件814)的最佳半径和基板(例如，基板1002)的厚度可以分别是116μm和181μm。例如，这些设计参数可导致焦平面上的腰光束直径为在28.82μm。

图11的示例图示出了根据本公开的实施例，在相应的焦深(DOF)值处的每个波长的焦平面位置。在一些实施例中，用于组织评估和温度监测的焦深(DOF)值，超过对应于激光消融的焦深(DOF)值，从而可以对激光消融手术进行准确的评估。特别是与用于激光消融的焦深(DOF)相比，为了掌握手术进程以及确保患者个安全，组织评估和温度监测可能会在更深的深度进行。

导管实施例的高功率考虑

在一些实施例中，对于导管合并光学评估和激光消融系统，可能要考虑高功率。例如，用于消融组织的激光消融能量的功率约为几十瓦。对于高光学强度，光物质交互作用可能变为非线性。在一个实施例中，可以将波长为980nm、功率高达12W的激光消融能量传递到标的组织。例如，在剖面积为1μm

α＝α

其中α

在双光子吸收(Two-Photon Absorption，TPA)过程中，特定材料的带隙能量可能会由双光子的能量吸收所桥接，从而激发电子从价带到导带。此过程可引起非线性损耗α

α

其中α

其中h，c，n和λ

方程式3和方程式4示出TPA(Two-Photon Absorption)不应在980nm的氮化硅中发生，因为该波长下的光子能量小于E

在一些实施例中，高光学强度还可导致非线性折射指数，其中可如方程式5所示写入依赖性：

n(ω，|E|

其中E是电场幅度，在方程式6中可知n

在一个示例中，在氮化硅波导中以实验方式测得非线性克尔(Kerr)系数为n

在χ

表2：产生的频率值

在一些实施例中，由于氮化硅带隙和二氧化硅吸收，表2中低于400nm和高于4000nm的新频率可能不传播。此外，由于温度信号的光学强度非常低(例如，根据图6中所示的黑体光谱)，因此涉及温度信号所产生的频率(f

在一些实施例中，克尔(Kerr)效应的另一个结果可能是自相位调变(Self-PhaseModulation，SPM)。如方程式5所推导，相对大的光学强度可能会导致由光物质交互作用，使介质的折射指数发生变化。折射指数的这种变化会产生光学信号的相位移，进而导致频谱变宽。在一些实施例中，该变化对于组织评估和温度监测系统两者可能是无关紧要的，因为激光消融信号的光谱特性的变化可能不会对其产生任何影响。然而，除了自相位调变(SPM)之外，还可能会发生交互相位调变(Cross-Phase Modulation，XPM)。交互相位调变(XPM)与自相位调变(SPM)类似，但是由光强度引起的相位移，会影响其它频率，而非激光消融频率。交互相位调变(XPM)效应的强度，随着泵(激光消融)和探针(组织评估)信号之间的波长失谐(detuning)而减小。考虑到波长失谐可能大于300nm，该效应可能不会对组织评估波长产生任何显著的影响。

示例性操作方法

根据本文所述的实施例，导管100可用于执行标的组织的合并光学评估、激光消融和温度监测。导管100的远侧区段104中的多个光学端口中的一个以上的光学端口，可消融围绕在其周边的组织体积的至少一部分。通过调整激光功率和消融时间，可以精确控制传递到标的组织的总激光能量。在另外的实施例中，导管还可以为围绕在标的组织周围的血流，提供温度监测及额外冷却。

截至目前，可以实现各种消融方法以及具有上述基板的消融导管的其他实施例，例如，图1所示的导管100、如图3A至图3G和图4A至图4B所示的远侧区段104，以及图5A至图5B所示的合并光学评估和激光消融系统，以及图6至图11所示的实施例。

图12示出了根据本公开的实施例的用于执行合并光学组织评估和激光消融的示例方法1200。方法1200可由如本文所述的消融导管100执行。

在方框1202处，提供消融导管。例如，消融导管，具有近侧端部、具有多个光学端口的远侧端部，以及耦合在近侧端部和远侧端部之间的护套。例如，消融导管可以包括将多个光学端口保持在固定空间关系的保持器，以及在曝光辐射的波长、温度监测系统和激光能量的波长下，基本上通透的罩体，其中罩体固定在保持器上并且配置为覆盖保持器和多个光学端口。在方框1204处，可通过多个光学端口将一个以上的曝光辐射束发射到样本。例如，一个以上的曝光辐射束，可从配置产生曝光辐射源束的第一光源提供。来自源光束的一个以上的曝光辐射束，可以借由位于导管的近侧端部或远侧端部中的复用器，引导到多个光学端口。

在方框1206处，可以通过多个光学端口从样本接收一个以上的散射或反射自样本的辐射束。例如，一个以上的散射或反射辐射束，可以由导管护套中的光传输介质引导。

在方框1208处，可利用从光学端口的至少一部分输出的激光能量，来消融样本至少一部分。例如，可以从配置为产生激光能量的第二光源提供激光能量。来自第二光源的激光能量，可以通过位于导管的近侧端部或远侧端部中的复用器，引导到至少一个光学端口。

应当理解，是实施方式，而不是发明内容和摘要部分，旨在用于解释申请专利范围。发明内容和摘要部分可阐述发明人预期的本发明的一个以上的但不是所有示例性实施例，因此，并不旨在以任何方式限制本发明和所附的权利要求书。

以上已借助功能构建方框示出特定功能的实现及其关系，从而描述了本发明的实施例。为了便于描述，本文任意定义了这些功能构建方框的边界。只要特定功能及其关系能够适当地执行，就可以定义替代边界。

以上对特定实施例的描述将完全揭示本发明的一般性质，在不脱离本发明的一般概念的情况下，本领域技术人员可以借由应用本领域的知识，容易地修改和/或调适各种应用，例如特定实施例，而无需过度的实验。因此，基于本文中给出的教导和指导，这样的调适和修改旨在处于所公开的实施例的同等物的含义和范围内。应当理解，本文中的措辞或术语是为了描述而非限制的目的，使得本说明书的术语或措辞应由本领域技术人员根据教导和指导来解释。

本发明的广度和范围不应受任何上述示例性实施例的限制，而是应当仅根据所附权利要求书及其同等物来限定。