本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于近紅外相干斷層成像技術(shù)的血管導(dǎo)航系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

靜脈留置針又稱(chēng)靜脈套管針。核心的組成部件包括可以留置在血管內(nèi)的柔軟的導(dǎo)管(或叫套管)，以及不銹鋼的穿刺引導(dǎo)針芯(鋼針)。使用時(shí)將導(dǎo)管和鋼針一起穿刺入血管內(nèi)，當(dāng)導(dǎo)管全部進(jìn)入血管后，回撤出針芯，僅將柔軟的導(dǎo)管留置在血管內(nèi)從而進(jìn)行輸液治療。穿刺引導(dǎo)針芯位置的正確把握，尤其是穿刺針前端的位置的把握對(duì)穿刺成功率有著直接影響。

具體使用方式如下：

(1)導(dǎo)管內(nèi)套一根穿刺引導(dǎo)針芯，他們的前端是尖銳的，針芯本身也可以是空心的金屬管；

(2)將導(dǎo)管和穿刺針芯一同刺入機(jī)體血管組織；

(3)當(dāng)針尖到達(dá)預(yù)定的深度后將針芯抽出來(lái)，把導(dǎo)管留在機(jī)體內(nèi)。

這樣，便建立了該血管與外界的通道，其關(guān)鍵在于將穿刺針?biāo)椭翙C(jī)體血管組織中，確保位置準(zhǔn)確。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和人們生活水平的逐步提高，肥胖人群的比例也越來(lái)越高，且肥胖人群及嬰幼兒相對(duì)其他正常體重等人群的患病比例更高。在靜脈穿刺時(shí)，護(hù)士對(duì)該群體患者的血管不易評(píng)估，存在一定的困難，同時(shí)患者在需要輸液或抽血時(shí)也會(huì)比較痛苦。該群體在血管穿刺時(shí)，由于多次穿刺或者穿刺不當(dāng)所導(dǎo)致口角，甚至導(dǎo)致醫(yī)療糾紛時(shí)常發(fā)生。但目前的穿刺針深度的控制并無(wú)輔助設(shè)備來(lái)保證，多依賴護(hù)士自身的經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法確保穿刺深度精確可控，扎針容易造成病患痛苦。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種穿刺深度精確可控、減輕病患痛苦的基于近紅外相干斷層成像技術(shù)的血管導(dǎo)航系統(tǒng)及方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種基于近紅外相干斷層成像技術(shù)的血管導(dǎo)航系統(tǒng)，包括依次相連的近紅外光源、光纖干涉模塊、光譜解調(diào)裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、顯示模塊以及分別連接所述光纖干涉模塊的參考臂和樣品臂；所述光纖干涉模塊用于將近紅外光源發(fā)出的光分成兩路分別傳輸至所述參考臂和所述樣品臂，所述參考臂將接收到的光信號(hào)反射形成參考光信號(hào)，所述樣品臂將接收到的光信號(hào)投射到人體并收集人體的反射光信號(hào)形成樣品光信號(hào)，所述參考光信號(hào)與所述樣品光信號(hào)傳輸至所述光纖干涉模塊后形成干涉光譜信號(hào)，依次經(jīng)所述光譜解調(diào)裝置解調(diào)、數(shù)據(jù)采集裝置采集后由所述顯示模塊顯示。

作為其中一種實(shí)施方式，所述樣品臂包括中空的穿刺針和所述穿刺針內(nèi)的光纖成像探頭。

作為其中一種實(shí)施方式，所述光纖成像探頭距所述穿刺針末端0.5～3mm。

作為其中一種實(shí)施方式，所述穿刺針與所述光纖成像探頭末端朝向同一側(cè)傾斜。

作為其中一種實(shí)施方式，所述參考臂包括光路上依次設(shè)置的準(zhǔn)直鏡、匯聚透鏡和反射鏡。

作為其中一種實(shí)施方式，所述光譜解調(diào)裝置包括若干透鏡和CCD。

作為其中一種實(shí)施方式，所述光纖干涉模塊內(nèi)的光耦合器的分光比為70:30、60：40或80:20。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種使用以上任一種基于近紅外相干斷層成像技術(shù)的血管導(dǎo)航系統(tǒng)的血管導(dǎo)航方法，包括：

插入穿刺針和光纖成像探頭，并實(shí)時(shí)觀察所述顯示模塊的圖像；

根據(jù)所述顯示模塊的圖像中干涉信號(hào)的光強(qiáng)變化情況判斷所述穿刺針的穿刺位置，當(dāng)干涉信號(hào)出現(xiàn)大幅度衰減時(shí)拔出光纖成像探頭。

本發(fā)明通過(guò)采用近紅外光源作為成像光源，通過(guò)對(duì)處理后的干涉光譜信號(hào)進(jìn)行可視化分析，可實(shí)時(shí)得知穿刺針在血管的位置情況，避免出現(xiàn)血管扎穿的現(xiàn)象，減輕了病患痛苦。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的血管導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的穿刺針與光纖成像探頭的配合的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2的局部剖視圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的留置針的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5a為本發(fā)明實(shí)施例的穿刺針在體外的狀態(tài)示意圖。

圖5b為本發(fā)明實(shí)施例的穿刺針在皮膚表層的狀態(tài)示意圖。

圖5c為本發(fā)明實(shí)施例的穿刺針在血管腔道內(nèi)的狀態(tài)示意圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例的穿刺針在不同位置時(shí)顯示出的干涉光譜信號(hào)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

參閱圖1，本發(fā)明的血管導(dǎo)航系統(tǒng)基于近紅外相干斷層成像技術(shù)，包括依次相連的近紅外光源1、光纖干涉模塊2、光譜解調(diào)裝置5、數(shù)據(jù)采集裝置6、顯示模塊7以及分別連接光纖干涉模塊2的參考臂3和樣品臂4；光纖干涉模塊2用于將近紅外光源1發(fā)出的光分成兩路分別傳輸至參考臂3和樣品臂4，參考臂3將接收到的光信號(hào)反射形成參考光信號(hào)，樣品臂4將接收到的光信號(hào)投射到人體并收集人體的反射光信號(hào)形成樣品光信號(hào)，參考光信號(hào)與樣品光信號(hào)傳輸至光纖干涉模塊2后形成干涉光譜信號(hào)，依次經(jīng)光譜解調(diào)裝置5解調(diào)、數(shù)據(jù)采集裝置6采集后由顯示模塊7顯示。

近紅外光源1發(fā)出的光經(jīng)光纖干涉模塊2分成兩路，一路經(jīng)樣品臂4中的光纖成像探頭投射并聚焦到人體組織上，并由光學(xué)成像探頭收集組織的反射光信號(hào)得到樣品光信號(hào)；另一路進(jìn)入?yún)⒖急?經(jīng)其內(nèi)的反射鏡反射后得到參考光信號(hào)。

參閱圖2和圖3，樣品臂4包括中空的穿刺針41和穿刺針41內(nèi)的光纖成像探頭42。穿刺針41為空心金屬管，光纖成像探頭42插入空心金屬管內(nèi)部，光纖成像探頭42和穿刺針41配合方式和相對(duì)位置確定后，利用醫(yī)用膠進(jìn)行粘接，保證光纖成像探頭隨空心金屬管一起穿刺進(jìn)行組織，且在穿刺完畢后退出。

該血管導(dǎo)航系統(tǒng)基于光學(xué)相干斷層成像原理，整個(gè)系統(tǒng)主要是由光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)、光纖成像探頭42和留置針三個(gè)部分組成，其中，光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)包括近紅外光源1、光纖干涉模塊2、參考臂3、光譜解調(diào)裝置5、數(shù)據(jù)采集裝置6和顯示模塊7；如圖4所示，留置針的結(jié)構(gòu)主要包括外層的留置軟管11、內(nèi)層的穿刺針41、起保護(hù)穿刺針作用的針帽12、便于把持的持針柄13和連通穿刺針41的延長(zhǎng)管14等，延長(zhǎng)管14與留置軟管11連通，便于輸液，光纖成像探頭42與穿刺針41的配合方式和相對(duì)位置固定后，將二者在靠近持針柄一端固定，光纖成像探頭42即可隨留置針的穿刺針41一起進(jìn)入組織，與皮膚表皮、血管壁及血液接觸。光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)采用近紅外激光作為光源，采用光譜解調(diào)裝置收集干涉光譜信號(hào)，得到組織的斷層圖像信息。當(dāng)穿刺針41到達(dá)指定位置后，血管導(dǎo)航過(guò)程完成，抽出穿刺針41與光纖成像探頭42，留置軟管11即可精確保留在組織的血管內(nèi)以便進(jìn)行后續(xù)的輸液等操作。

由于相干斷層成像系統(tǒng)和光纖成像探頭相結(jié)合，可探測(cè)到組織的干涉信號(hào)，其中，皮膚和血管壁的干涉信號(hào)強(qiáng)，血液的干涉信號(hào)較弱，可根據(jù)實(shí)際信號(hào)的強(qiáng)弱區(qū)別探頭所探測(cè)到的組織類(lèi)型。光纖成像探頭隨穿刺針一起依次經(jīng)皮膚表面進(jìn)入人體，經(jīng)過(guò)皮膚表層、血管壁等組織，然后進(jìn)入血管內(nèi)。結(jié)合圖5a-5c及圖6，穿刺針41前端及光纖成像探頭前端在皮膚表層和血管壁中時(shí)，有較強(qiáng)的干涉信號(hào)，并且可通過(guò)OCT圖像評(píng)估血管壁的深度信息；探頭隨穿刺針進(jìn)入血管中血液時(shí)，血液中的血紅蛋白對(duì)近紅外光的吸收效應(yīng)強(qiáng)，對(duì)光束散射大，使得干涉信號(hào)衰減很大，OCT圖像的信號(hào)較弱，與穿刺針在血管壁中差異明顯；當(dāng)穿刺針刺穿血管后，又可得到組織較強(qiáng)的干涉信號(hào)。據(jù)此，通過(guò)光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，然后顯示在顯示屏上。通過(guò)圖像分析評(píng)估探頭接觸的不同組織類(lèi)別，這樣就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)留置針穿刺過(guò)程中所處的位置。實(shí)現(xiàn)基于光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)的血管導(dǎo)航，解決了穿刺針的位置監(jiān)測(cè)和扎針難的問(wèn)題。

穿刺時(shí)，將光纖成像探頭與留置針的穿刺針結(jié)合并固定，光纖成像探頭42距穿刺針41末端0.5～3mm，優(yōu)選為1mm，且穿刺針41與光纖成像探頭42末端朝向同一側(cè)傾斜(如圖3)，以使光纖成像探頭的出光方向與穿刺針的針尖錐度面朝向一致，且光纖成像探頭42末端至少有一部分伸出穿刺針41，保證光纖成像探頭隨穿刺針進(jìn)入組織時(shí)能夠?qū)⒐馐劢沟浇M織中而不被遮擋。

光纖成像探頭42的傳光部件由普通單模光纖和自聚焦光纖組成，自聚焦光纖的出光端面研磨成一定的角度，使得出射光束的方向與光纖軸向夾角為80度。傳光光纖外面有彈簧線圈和聚酰亞胺透明套管對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，防止光纖的折斷，及與組織的直接接觸，同時(shí)對(duì)出光端面進(jìn)行保護(hù)。光纖成像探頭的另一端為SC/APC接頭，便于與系統(tǒng)樣品臂中的光輸出部件連接，將光束傳輸并聚焦之樣品組織。光纖成像探頭的直徑可根據(jù)穿刺針內(nèi)徑的尺寸進(jìn)行調(diào)整，其直徑范圍可在0.125mm-0.86mm之間進(jìn)行調(diào)整，保證與穿刺針的配合。光纖成像探頭的長(zhǎng)度范圍為200mm-250mm，可根據(jù)實(shí)際使用條件進(jìn)行調(diào)整。

參考臂3包括光路上依次設(shè)置的準(zhǔn)直鏡31、匯聚透鏡32和反射鏡33，光譜解調(diào)裝置5包括擴(kuò)束透鏡、光柵、會(huì)聚透鏡和線陣CCD(Charge-coupled Device，電荷耦合元件)，光柵是利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散的光學(xué)元件，經(jīng)過(guò)光柵后形成條紋的特點(diǎn)是：明條紋很亮很窄，相鄰明紋間的暗區(qū)很寬，衍射圖樣十分清晰。干涉光譜經(jīng)過(guò)光柵后發(fā)生色散，不同波長(zhǎng)的光束得到分離，由線陣CCD接收色散后的信號(hào)，處理得到斷層圖像信息，再由數(shù)據(jù)采集裝置6將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后進(jìn)行后續(xù)處理，最后將斷層圖像顯示在電腦顯示屏中，實(shí)時(shí)反映光纖成像探頭和穿刺針在穿刺過(guò)程中的位置情況。

這里優(yōu)選光纖干涉模塊2內(nèi)的光耦合器的分光比為70:30，近紅外光源發(fā)出的光首先經(jīng)70：30的分束器分成兩路光，其中一路70％的光束經(jīng)樣品臂中的光纖成像探頭，投射并聚焦到組織上，并由光纖成像探頭收集組織后向反射光信號(hào)得到樣品光信號(hào)；其余30％的光進(jìn)入?yún)⒖急酆蠼?jīng)反射鏡返回得到參考光信號(hào)。樣品臂和參考臂返回的光束經(jīng)耦合器發(fā)生干涉，得到包含樣品組織結(jié)構(gòu)信息的干涉光譜信號(hào)，并由光譜解調(diào)裝置探測(cè)干涉光譜信號(hào)，經(jīng)過(guò)AD采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

在其他實(shí)施方式中，光耦合器的分光比可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，如60:40或80:20。

具體在使用上述血管導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行血管導(dǎo)航時(shí)，首先插入穿刺針41和光纖成像探頭42，并實(shí)時(shí)觀察顯示模塊7的圖像；然后根據(jù)顯示模塊7的圖像中干涉信號(hào)的光強(qiáng)變化情況判斷穿刺針41的穿刺位置，當(dāng)干涉信號(hào)出現(xiàn)大幅度衰減時(shí)拔出光纖成像探頭42。

如圖5a為本發(fā)明實(shí)施例的穿刺針在體外的狀態(tài)示意圖；圖5b為本發(fā)明實(shí)施例的穿刺針在皮膚表層的狀態(tài)示意圖；圖5c為本發(fā)明實(shí)施例的穿刺針在血管腔道內(nèi)的狀態(tài)示意圖。

當(dāng)光纖成像探頭42與不同組織接觸時(shí)，采集的干涉信號(hào)強(qiáng)度不同，具體判斷過(guò)程如下：

(1)如圖5a，當(dāng)穿刺針41在人體外時(shí)，光纖成像探頭在皮膚表層可以探測(cè)到皮膚表層、真皮層的干涉信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)。

(2)如圖5b，當(dāng)穿刺針41進(jìn)入血管前的過(guò)程，光纖成像探頭可探測(cè)到血管壁組織信息，根據(jù)干涉信號(hào)和斷層圖像可以得到血管壁的厚度信息。血管壁的干涉信號(hào)，與皮膚表層相比，變化不大，干涉信號(hào)較強(qiáng)。

(3)如圖5c，當(dāng)穿刺針進(jìn)入血管內(nèi)部，光纖成像探頭隨穿刺針進(jìn)入血液中，光纖成像探頭被血液包圍，干涉信號(hào)大幅度衰減，主要是血管的血紅蛋白對(duì)近紅外光吸收效應(yīng)強(qiáng)，大部分紅光被血紅蛋白吸收了，且將信號(hào)散射，此時(shí)光纖成像探頭探測(cè)到的光強(qiáng)降低至某一水平。

(4)如果穿刺針繼續(xù)往前扎，從穿刺針與血管內(nèi)壁至穿刺針扎穿血管時(shí)，光纖成像探頭檢測(cè)的光強(qiáng)強(qiáng)度會(huì)升高，并且出現(xiàn)較強(qiáng)的干涉信號(hào)，信號(hào)的特征為干涉信號(hào)立即升高，然后緩慢下降。

據(jù)此，穿刺針攜帶光纖成像探頭進(jìn)行穿刺的過(guò)程中，可以根據(jù)不同組織及血紅蛋白對(duì)紅光的吸收狀態(tài)對(duì)干涉信號(hào)強(qiáng)弱的影響來(lái)評(píng)估穿刺針的位置和穿刺狀態(tài)。光學(xué)相干斷層成像系統(tǒng)可獲取血管內(nèi)部、血管外部、表皮層的干涉信號(hào)，且具有不同的特征。因此，可根據(jù)不同干涉信號(hào)，判斷組織類(lèi)別，進(jìn)而評(píng)估穿刺針在穿刺過(guò)程中所處的位置，判斷是否穿刺成功，避免扎穿血管。近紅外被血紅蛋白散射的效果明顯，可以作為扎針導(dǎo)航方法，通過(guò)近紅外光學(xué)相干斷層成像技術(shù)原理確定穿刺針在血管穿刺中的位置。

以上所述僅是本申請(qǐng)的具體實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本申請(qǐng)?jiān)淼那疤嵯拢€可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本申請(qǐng)的保護(hù)范圍。