用于快速诊断肺部疾病的经皮导管系统和方法

相关申请

本申请是实用程序申请，要求于2018年12月7日提交的临时申请号为62/776,677和62/776,667两者的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

一种集成了电磁导航、超声成像以及反向散射评估的医疗装置导管系统，用于在肺部内提供癌症诊断。所示的实施例与经皮进入装置共同使用。

背景技术

肺癌诊断的现行标准：

目前，传统的癌症协议要求收集在常规检查(X射线，CT)中发现的可疑组织的物理样本(活检)。活检样本被送到实验室以进行显微镜评估，并且由实验室的病理学家公布样本病理以作出疾病诊断。

接下来，患者和他的医师选择合适的治疗方案，其中可能包括手术切除、化疗或在肺癌情况下的消融。如果组织表现为肺癌晚期，则进行保守治疗和临终关怀。如果组织表现为慢性阻塞性肺病(COPD)或其他疾病，则选择适当的治疗方案。如果组织是正常的，则不需要介入治疗。

这种传统的诊断方法发生在多个医疗介入阶段，这些阶段可能需要重复以验证疾病的诊断特征，这是不可取的。这种传统方法的诊断率也很低。许多疾病病例被遗漏，特别是最容易治疗的早期肺部疾病中。有时误诊也会导致不必要的介入。

用于评估肺部疾病的当前技术：

电磁导航(EM)在肺支气管镜检查中的应用始于二十世纪九十年代初。Veran医疗技术公司开发了一套导管系统，该导管系统可以与支气管镜一起使用，或通过胸壁精确定位并到达非常小的组织块。活检工具可以通过导管系统递送至目标组织块，以收集组织的物理样本以进行分析。该技术在标题为“内窥镜应用中四维软组织导航的装置和方法”的美国专利8,696,549中有详细描述。该文件通过引用并入本文。一些系统正在实施图像匹配、电势和光纤定位，并且能够用于替代定位技术。

这是目前最先进的电磁导航辅助肺导航。通常，术前的计算机断层X射线(CT)扫描用于建立患者体内的气道模型。留置导管上的电磁传感器(EM)非常小，可在三个空间(3D)中提供为导管尖端的位置和方向信息。Veran系统还提供了时变跟踪信息的第四维度。呼吸跟踪在Veran系统中可用，这可以有效地改变探头在虚拟显示器中的表观位置，以匹配EM传感器随着身体呼吸运动而移动的物理位置，这在本装置中非常有用。

出于本发明的目的，在三个空间中平移已知位置并将该已知位置精确地参考到从CT或其他成像模态创建的图像空间中的能力允许在超声评估下精确了解准确位置。

目前，将超声成像应用于肺支气管镜检查仪器的装置是众所周知的，并且由多家制造商提供。这些支气管内超声系统(EBUS)允许操作员使用在穿过支气管镜的导管上的径向或锥形超声成像感应器观察气道外部。典型的视野特意很大，通常是360度，而且很深，以调查可能的最大组织量。具有解剖细节的图像通常由医师用于导航。关注目标仅由图像特征定义，并由通过EBUS导管递送到目标部位的活检工具访问。

常规超声的临床应用包含多种成像模式，例如：用于显示在扫描平面中的回波幅度的灰度B-模式成像；用于跟踪给定的固定位置随时间运动的M-模式成像；用于显示扫描平面中的运动的双工、彩色和能量多普勒成像；用于显示对入射超声的非线性响应的谐波成像；用于显示相对组织硬度的弹性成像；以及用造影试剂来显示充满血液空间或用靶向试剂来显示特定的试剂结合组织类型的造影剂成像。一种鲜为人知的超声技术基于定量超声或(QUS)，该技术分析从组织反向散射的接收回波信号中作为频率函数的功率的分布；QUS利用产生的频谱参数来表征和区分组织。另一种潜在的成像技术涉及在成像管道的各个阶段应用人工智能(AI)技术诸如卷积神经网络等，以基于训练数据集来表征组织。这种对图像数据的辅助评估能够加速整体诊断，这是可取的。

发明内容

在本发明人看来，一组声学测量连同患者病史可用于宣布结节或其他组织类型样本癌变。预计结节或任何组织类型将适用于这种声学测量方法或过程。这种评估预计能够与传统的病理评估一样准确。可以增加人工智能系统来组合来自多个来源的数据。例如，另一种潜在的成像技术涉及在CT和US成像管道的各个阶段应用AI技术，诸如卷积神经网络等，以基于训练数据集来表征组织。这种AI辅助的图像数据评估可以加速整体诊断，这是可取的。

本发明的导管和相关系统允许在介入期间原位进入、识别和诊断目标组织。这些诊断数据在同一时间和同一位置采集。该综合数据集可以与其他数据和常规医学诊断相结合，以立即做出治疗决定。通过将经皮穿刺针穿过皮肤插入肺部中，然后通过基于术前CT扫描并从术前CT扫描创建的肺模型中的针来观察和导航针和换能器，以常规方式达到大致的目标组织位置。使用者通过针操纵导管，并且电磁(EM)导航用于通过在监视器上呈现给医师的模型图像空间中的肺组织的可视化来接近目标组织位置。来自导航系统的位置信息向医师显示了他在派生的肺部模型中的位置。然后，使用超声成像(US)来定义关注组织的第一目标平面和第一目标体积及其精确位置。接下来，用户定义包含同质组织样本的目标体积的缩小版本。选择该第二缩小目标平面或缩小目标体积，以排除不相关的解剖结构，并产生代表可疑肿瘤组织同质样本的图像平面或图像体积。通过实施QUS技术使用相当于声学活检的方法来评估第二缩小目标。整个导管系统允许放置物理活检取样工具。然后将该工具(例如针或刷子等)放置在经过声学评估的相同目标部位，并对从相同组织中取出的组织样本经受声学活检。

如上所述，超声系统具有两种操作模式。第一成像模式是以切片方式显示相对较大的第一目标区，以及从第二缩小目标区中选择反向散射辐射的第二定量频谱评估模式。

超声成像系统提供导管尖端周围的受控视图。超声换能器的优选实施例是固定于导管的远侧尖端内的位置的平面阵列。平面阵列可用于构建显示的图像平面的合成孔径模式，该图像平面由在导管主体静止时在多个位置多次采集的数据形成。可以将导管从第一位置平移到第二附近位置。导管运动可单独用于从第二缩小目标区排除解剖结构。导管的运动会创建扫描体积，用于图像收缩或反向散射评估。

通常，超声换能器的视场为60度或更小，但如上所述，它能够机械地或电子操纵地旋转或平移以控制视场的大小。与典型EBUS系统相比，视野的深度或范围也可能受到限制，典型的EBUS系统需要大视野的广泛组织。通常，US视野包括几种组织类型。医学判断用于将导管系统调整和定位在目标组织附近，以将用于声学活检的关注组织与其它解剖特征(例如血管等)隔离。以这种方式医学专家选择包含可疑肿瘤组织的第一目标区。接下来，选择初始第一目标体积的子集进行反向散射分析。该第二减小的目标区域将被选择为没有外来的解剖结构并且提供相对同质的组织样本以提供适合于频谱评估的反向散射。

通过由EM导航系统的EM定位部分记录的的声学活检的位置，可以将集成的活检样本装置引导至声学活检位置。这种针尖放置可以以非常高的精度完成，因为它是根据EM传感器4D位置信息的知识计算的。

因此，在实践中，US系统用于对称为第一目标区的组织体积成像，然后操作员操纵导管系统以隔离第二缩小目标区，以将关注组织包含在超声传感器操作的定量模式的较小的视场内。在组织被隔离的情况下，通过评估声学反向散射辐射来评估组织的性质。通过使用QUS工具，非常小的样本可以有效地经受在原位执行的“声学活检”或“声波活检”，并且在已知位置处，如果需要可以重新访问以提供治疗。

此外，QUS可用于分析肿瘤基质和微脉管系统的性质，以提供与细胞死亡和/或细胞凋亡相关的参数，并提供诸如化疗、近距离放射治疗、细胞毒剂(药物)或消融等疗法的确认或监测数据。这种分析方法可以通过使用有效散射直径和有效声波浓度等参数来提供肿瘤对治疗反应的临时反馈。通过在从多个不同方向评估结节并且确定超声信号的穿透深度来分析肿瘤或组织硬度的异质性。

能够创建结节的3D或4D超声图像。使用者能够为3D或4D图像计算非纹理参数和纹理参数。相对于相邻结构(胸膜、裂缝、血管等)的尺寸、形状和位置等非纹理特征的描述可以在超声空间中定义。另外，基于纹理的特征例如像素强度直方图和游程长度(连续相似的灰度级或RF级)和共现等来定义精细到粗糙组织的度量。诸如对比度、能量、同质性、熵、平均值和最大概率等共现指标可用于表征结节中的组织。图像可以被分解为正交分量以为这些图像提供小波特征。内核可用于反映或突出图像中特定或不同类型的结构。基于多个方向应用多个内核可用于表征结节的组织。AI技术可用于增强图像域中基于纹理的分类。

示例性的US系统使用采用现代微加工技术制造的压电换能器。通常，单个换能器元件的阵列是可寻址的并且可以被单独激活。通常，阵列将包括尺寸为可操作特定谐振频率的元件。尽管单频率阵列是可能的，但预期该阵列将具有至少两个频率的可操作的元件。元件可以被认为具有有时被称为鼓尺寸的直径和深度，并且像鼓一样，每个元件将具有与其几何形状相关联的共振频率。通常，有许多替代制造方法可用于生产超声换能器阵列，包括基于PZT(压电换能器)、pMUT(压电式微加工超声换能器)或cMUT(电容式微加工超声换能器)的装置。预计这些方法中的任何一种都可以用于收集组织信息。需要权衡考虑，并且期望将装置的部分带宽最大化。对不同组织类型具有共同或一致的表征可以通过换能器到已知性能特征的校准，或者使用由集成电路(例如pMUT)提供的可重复性来实现。这种标准化是提供组织的可重复性识别的关键。该系统可以允许改变超声换能器的不同频率，并因此在多个频率(4MHz至50MHz)捕获组织数据。成像可以被优化为20MHz，而声学活检可以在通常是更高的不同的频率下获得。

当前的US系统具有在横向方向降低分辨率的限制，这根据关注组织与超声换能器的距离产生不同的信号。超声换能器的阵列结构可为整个视场(FOV)或换能器的不同深度在横向方向上提供更高的、一致的分辨率。

具有集成EM定位的US系统允许通过记录多个超声图像平面和重建体积来收集3D和4D超声体积。这些体积可以被呼吸门控，以在相同的关注组织位置上创建多个体积(即吸气潮气量，呼气潮气量或沿着呼吸周期的过渡状态)。这些体积可以处于从原始电信号数据到波束形成的B-模式图像数据中的多种处理状态以供分析。

集成EM传感器能够从多个视点或角度对相同的目标组织进行采样，从而基于视点确定变化或改变。避免诸如血管，裂缝或周围感染等结构提供更清洁的声学活检，并且可用于确定基于来自其它结构的干扰收集声学活检的质量。

为了使超声换能器尽可能靠近关注组织，重要的是将装置小型化至直径小于2mm并尽可能短以进行急转弯，来保持导管穿过患者气道的灵活性。在至少一个实施例中，阵列具有至少64个成像元件，但是从16到超过256的其它配置是可行的。这些多个成像元件被多路复用，以允许尽可能少的导线来驱动US换能器，同时保持每秒20帧到30帧的帧速率。

利用EM系统和注册的CT数据，提供相关的多模态图像，以增强解释。可以注册的其它模式(例如PET-CT等)以识别关注组织。超声图像提供了除EM系统之外的其他数据点，可用于术前或术中图像的变形。不仅可以将路径记录为点云，而且可以将气道外部的路径体积收集作为点云的一部分。

使用临床资料、人口统计学和图像数据(CT、FDG-PET(扫描术)、生长率)估计肺结节患者恶性概率的模型(诸如Gurney、梅约诊所(Mayo Clinic)、Herder、VA、北京大学人民医院、布鲁克大学、胸科研究评估和治疗，贝叶斯推理恶性肿瘤计算器等)是众所周知的。尽管它们确实提供了医师的信息，但它们不足以明确地确定结节是否为恶性的。另外，放射组学已被应用于CT图像，以进一步提供基于CT图像数据的恶性肿瘤的可能性。这种具有集成EM功能的US系统能够将CT和FDG-PET图像数据注册到患者，并在患者体内的精确位置同时关联US、CT和FDG-PET图像数据。此外，通过红外线、紫外线和可见光创建支气管镜图像数据(组织的颜色变化)。还可以集成压力传感器以提供关注组织的压力数据。该装置中还可以包括另一种类型的传感器，例如可以集成温度传感器以确定组织和关注组织区域之间的温度变化。可以集成氧气传感器以确定组织之间氧气水平的变化。还可以使用其他类型的传感器以监测组织的代谢特征。这种额外的传感器值可以用于帮助确定癌症的存在。

据了解，该装置不限于对肺，可以用于多种器官(肺，肝，肾，前列腺，软组织，胰腺等)。到达关注组织的途径可以是气道或血管或直接经皮通路，或通过自然孔口进入。它也可以用于治疗确认以及结节诊断。

附图说明

图1是位于经皮穿刺针内的导管的透视图；

图2是用于导管近端的可替代手柄的剖视图；

图3是导管系统的远侧尖端部分的透视图；

图4是导管的远侧尖端的横截面；

图5是系统的电子部分的示意框图；

图6是显示第一目标图像平面的示意图；

图7是显示缩小的第二目标图像平面的示意图；

图8是显示QUS的说明性声学参数的频谱图。

具体实施方式

图1是位于经皮穿刺针10上的导管组件14的透视图。细长导管主体18从图3中最佳可见的远侧尖端16延伸到图1中最佳可见的近侧手柄12。与手柄12的横向电缆15路线相比，在图2中看到了具有轴向电缆7的可替代手柄9。通常，医师将通过相对于针座构件11推动手柄12将远侧尖端16推出针头10。然后，可以使用在19处看到的远侧尖端的套管针端来采集组织样本，例如淋巴结，肺组织等的样本。

图2显示了可替代手柄9的结构，其中电缆7与导管主体18的长轴线21对准。图2中的手柄9显示了沿轴线47位于手柄近端的细长传感器线圈37。传感器线圈37与图2中以附图标记39叠加示出的远侧尖端16中的至少一个传感器正交。至少多于一个传感器位于尖端中，如线圈元件33和/或39的叠加示出的。在使用中并且与远侧线圈33、35和/或39结合时，导航系统可以向医师报告和显示导管主体的角度关系。也就是说，显示器将实时显示导管系统14的取向和行进方向。

图3是单独的远侧尖端的透视图，显示了正好在套管针端19的近侧的超声阵列30的圆柱形取向。

图4是远侧尖端16的横截面示意图，显示了包裹在壳体17周围的平面阵列从而形成圆柱形阵列30。间隙31显示了阵列30的接缝。阵列30包括多个换能器元件，其中两个被显示为元件41和元件43。EM线圈(例如图2中所示的线圈33、35和39)被放置在阵列30的后面或近侧，并且在该横截面视图中看不到。管腔38居中定位以接收穿过其中的导丝。

图5是系统的说明性但非限制性版本中的电子部件的分区。

电子封装34将包含可编程芯片等其它部件以配置阵列30。多路复用器将格式化数据并将数据从导管系统传输到患者接口模块PIM 42，并将其悬挂在患者轮床的床边。PIM42包括用于保护患者的电隔离，还包含导管本身的电源、A/D转换器和在PIM中完成的各种缓冲过程以改善导管的噪声性能。在该实施例中，单独的“比萨盒”外壳44承载用于合成孔径波束形成和控制以及用于QUS过程的反向散射信号的频谱分析的专用硬件。外壳耦接到与基于工作站的导航和显示车。预期在产品的进一步迭代中，比萨盒外壳44的内容物将被并入到工作站46本身中。

导管主体18具有可单独寻址的压电换能器元件的矩阵，其中两个在图4中被描绘为元件41和43，其使用微机械加工技术制造成阵列30。阵列的每个元件都可以通电，以从特定换能器位置以球面波形发射超声能量，并且阵列中的每个元件都可以用作接收器，将反向散射声音的机械能转换为电信号。一旦波从给定的元件(例如元件41)发射，伴随换能器(例如元件43)就可以检测到从生物组织反射回来的反向散射能量。在合成孔径情况下，一次只有一个换能器监听发射换能器元件。

通常，成对的元件被激活，其中一个元件41用作声能的发射器，而伴随元件43用作接收器。由于元件在空间中排列，因此数组中存在多个视点。与现有技术方法相比，这提供了大大改进的横向分辨率。

存储该数据后，阵列中的下一个换能器被激活以传输声能，其伴随换能器接收反向散射的返回信号。利用在不同位置处的许多换能器(例如64个换能器)，来自所有位置的所有返回能量的合成可用于通过计算形成与换能器平面正交的图像平面。一次可能激活多个换能器对，并且在示例性实施例中，同步收集的4个通道的数据。这些限制基于数据路径的复杂性、功耗和带宽。因此，其他配置是可能的并且在权利要求的范围内。从在空间不同点处传输和接收的时间序列多路复用数据中提取平面中的图像的数学方法很复杂，但在该领域是众所周知和理解的，尽管该领域不被你知晓。通常，来自在不同时间截取地、在空间许多位置处截取的数据合成所显示的图像平面，并将这些数据共同卷积为单个图像平面，因此称为合成孔径。如果沿路径移动导管，则合成孔径图像平面会扫出体积。这是组织体积的相对低的分辨率的图像，但有助于解析解剖结构的范围以补充对2-D第一图像平面区中的诸如气道、血管等解剖结构的检测。在这方面，本发明的方法可以依赖于平面中的第一目标图像区或依赖于称为第一目标图像体积的3-D体积。在后一种情况下，导管移动用于定义目标组织的第一3-D体积。

在使用中，超声换能器阵列有两种操作模式。在第一模式中，来自反向散射声能的幅度和包络信息用于形成呈现给临床医师的图像。这可以是目标组织的第一2-D切片或目标组织的3-D体积。在第二模式中，减小传输功率以在第一图像平面或图像体积内选择较小的目标平面或体积。这个缩小的视图在2-D切片的情况下称为第二缩小区或切片；或者在3-D体积的情况下称为第二缩小体积。在每种情况下，缩小视图都被选择为没有在第一视图中观察到的解剖细节。总体解剖结构的排除选择均质样本以用于定量分析。来自缩小区切片或体积的反向散射能量的频谱将被定量和自动地评估，而不是用于形成图像。无图像定量信息用于确定组织的缩小区是否表现出癌组织的声学特征。癌症的精确特征或声学特性是当前的研究主题。

图6显示了没有穿刺针的导管组件14的一部分以便于对装置的操作的讨论。导管主体18在患者肺中原位置显示，其中远侧尖端位于图中标记为“60”的位置“1”。在光阴影中显示的第一个目标平面62是与位于气道66附近的可疑肿瘤块64相交的图像平面，并被在图中标记为68的血管穿过两次。该图像模式超声数据用于查找可疑肿瘤块并验证和记录其位置。

图7显示了导管主体18重新定位或稍微移动，使得与缩小的目标平面72相关联的反向散射不与血管或气道相交。这是用于QUS反向散射评估的缩小的第二图像平面。

图8显示了在Y轴上的归一化反射声功率和在X轴上的对应频率的频谱图。以正方形100为代表的正方形表示相应频率下反射功率的幅度。可以通过以数据点100代表的各种数据绘制“最佳拟合”线102。这条线的斜率是有用的参数，在图中被标记为104。最佳拟合线102与y轴相交的点为Y-截距88。如果排除定义中频带的高频和低频，则剩余值的算术平均值将形成图中所示的中频带拟合值86。

校准和替代实施例

通常，将超声频谱被归一化以执行QUS参数。然而，反射信号中的绝对能量仅具有诊断价值，预计未归一化的频谱也将用于临床。出于这个原因，对单个导管传感器的校准非常重要。超声换能器技术和制造方法导致了灵敏度和其他声学特性变化很大。预计每个传感器都将在制造过程中被表征，以在其整个工作范围内为传感器生成补偿轮廓。这种独特的校准表将被存储在导管上，这是对内存的适当读取。

通常优选径向US换能器来执行本发明的步骤，然而作为替代，传感器可以是形成饼状视场的线性结构。同样，该饼状的视场可以通过机械地或电子地围绕圆步进。

可以在手柄中调节额外的EM传感器，并且该近侧EM传感器系统可以与远侧尖端中的EM传感器阵列一起使用，以转换影响传感器的医师运动，以向医师提供关于导管系统方向的信息和反馈。在该版本中，两个EM传感器的相对运动或位置以及导管的已知几何形状允许计算尖端位置或导管的其它属性。

请注意，沿导管的远侧尖端的长度有几个独立的US换能器。每个US换能器形成一个单独的站。在这种配置中，不需要移动导管来调查组织的扩展体积。在使用中，每个US站都可以形成相对较小的图像平面。传感器换能器站可以彼此相邻或间隔开。从该图像平面反向散射的声能被解释为图像以及组织特征的QUS解释。通过同时接合所有换能器或分别接合它们，操作员可以估计关注的病变的大小。

经皮US针的单平面配置将使用围绕针的单个16到64元件超声换能器环来创建单个图像平面。另外，可以将多个类似的环添加到针上，以从多个图像平面产生3D超声图像体积。该装置可以以多种模式排序来创建图像，最基本的是在一个元件上发送并在同一个环上监听多个相邻元件。也可以在一个环上发送并在针的相同侧监听多个环。

环可以并排或间隔开以创建不同的采样和成像能力。在声学活检应用中，围绕组织中的单个位置从多个角度同时收集反向散射RF能量的能力是有利的。这使得能够在组织中的某个位置立即获得相关的QUS数据。由于声学路径中的组织和解剖结构不同，两个相距5-10mm的环会对每个环上的单个组织位置创建显著不同的RF特征。

多元件阵列的可用换能器还将允许在不同位置执行发设和接收功能。预计这将提高分析质量。

应注意，反向散射辐射可以相对于递送到组织的声能进行归一化，或者可以评估辐射的实际绝对值。有证据表明组织对声学辐射的总吸收具有诊断价值。

通常，换能器技术的模拟性质以及相对较长的信号路径可以通过换能器制造期间的校准过程来解决。预计每个导管将被校准，并将校准信息与单元ID一起存储在集成到导管产品中的只读存储器中。

尽管关于代表性实施例进行了描述，但是在不脱离如权利要求中所表达的本发明的范围的情况下，可以做出各种偏离和添加。本经皮递送导管系统的至少一个实施例及其使用方法可描述如下：

图1中所示的导管组件14，由医师用户(未示出)操作，该医师将导管组件经皮推进到可疑肿瘤患者的肺组织中(通过针10)。组件包括导管主体18，导管主体18终止于近侧手柄12并沿轴线延伸至远侧尖端16。位于远侧尖端16处的多个远侧电磁感应线圈33、35和/或39。至少一个其他电磁感应线圈37位于近侧手柄12内。感应线圈一起操作以允许导航穿过肺组织并用于报告所述导管远侧尖端16在所述肺组织中的位置。圆柱形超声换能器阵列30也位于远侧尖端16内，并被配置成用于发射和接收超声能量，例如以上述方式和图4、图6和图7所示的方式。

圆柱形超声换能器阵列30在第一成像模式下操作以获取位于第一目标平面中的第一目标区的图像，并用于定义位于所述第一目标平面中的第二目标区，该第二目标区包括小于所述第一目标区的缩小的第二目标区，例如如图6所示以及上面更详细的描述。圆柱形超声换能器阵列30还以第二反向散射模式操作，以评估从所述第二目标区反射的声能的频谱特性，例如以图7所示的方式并形成定量超声数据集。

导管组件是如图5所示的系统的一部分，该系统还包括导航系统/超声显示器以向所述医师用户呈现导航、位置和超声数据。

从以上描述中，本发明的许多特征和优点是明显的。本领域技术人员将容易想到许多修改和变化。由于此类修改是可能的，因此本发明不限于所图示和描述的确切构造和操作。相反，本发明应仅受以下权利要求的限制。