專利名稱：用于測量生物組織中的氧含量的探針以及帶有這種探針的導管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權利要求1的前序部分的用于測量生物材料中的 氧含量的探針。另外，本發(fā)明還涉及帶有這種探針的導管。
背景技術：
氧的測量特別是在醫(yī)學領域受到廣泛的關注。這里，確定體內(nèi)溶解的 但是未與血紅蛋白結合的氧的量對于評估對生物材料特別是組織的供給很 重要。被測量氧含量的生物材料的其它例子包括體液例如血液或溶液
(Liquor)。此過程的一個關鍵的因素是在被測的組織中的氧分壓。物理 地溶解在間質(zhì)流體中的氧的分壓對應于在細胞水平上氧的可用性。特別地， 組織中氧的測量還應用于心臟血管和神經(jīng)外科領域，以及移植醫(yī)學領域。 在以上情況下，主要使用包括傳感器系統(tǒng)或探針的導管進行測量，該傳感 器系統(tǒng)或探針特別地與氧發(fā)生反應。
從WO93/05702A1已知最初提到的類型的探針。從US 5，673，694、 US 5，995，208和US 5579,774以及其中引用的公報已知利用纖維光學測量組織 中的氧參數(shù)的其它探針。從J.I. Peterson et al, Anal Chem. 1984， 56， 62-67 中已知另一種纖維光學氧探針。從US 4,752,115 A、 US5，142，155 A和 US4，861，727 A已知另一種纖維光學探針。
一種已知的利用纖維光學來測量物理地溶解的即游離氧的分壓的測量 方法為動態(tài)氧摔滅(oxygen quenching )。在該方法中，嵌入基體中的焚 光染料一例如鉑絡合物(complex) —安裝在光學纖維的遠端。熒光染料通 常被激光輻射經(jīng)由纖維光學地激發(fā)，該激光輻射被調(diào)諧到染料的吸收波段。 通過發(fā)射具有相同的或者紅移的波長的光，所被激發(fā)的染料分子經(jīng)過例如
l至60ns的范圍內(nèi)的時間延遲變回通常狀態(tài)。在存在氧的情況下，這種向 常態(tài)的轉(zhuǎn)變也可以在沒有輻射的情況下通過碰撞過程發(fā)生。這樣，經(jīng)由纖 維反射的光的強度減小。這種減小與緊臨熒光染料的環(huán)境中的游離氧成比 例。已知的纖維光學傳感器對散射光和影響強度的因素例如毛細裂縫或纖 維扭結非常敏感。如果利用鎖定(Lock-in)技術測量由焚光染料反射的光 相對于射入的光的相移，則這種靈敏性可以降低。在這種方法中，利用長 期存在的熒光狀態(tài)在統(tǒng)計學上更易受動態(tài)氧猝滅的無輻射碰撞過程的影響 的事實。即使在測量中應用鎖定技術，已知的纖維光學傳感器仍然顯示出 對分散光和影響強度的因素的敏感性，盡管這種敏感性的程度降低。另夕卜， 已發(fā)現(xiàn)，在同 一組織區(qū)域中使用已知的纖維光學傳感器會產(chǎn)生非常不同的 游離氧含量值，這使得對這樣測量得到的信號的分析幾乎不可能。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種開頭所述類型的探針，使得纖維在測 量位置對破壞性環(huán)境影響的靈敏性降低，并且改進測量結果的可分析性。
根據(jù)本發(fā)明，所述目的由具有權利要求1的特征部分所述的特征的探 針實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用可透過氧的并且同時不可透過液體的膜形成 包圍遠端纖維部分的氣室有利地增加了圍繞染料的測量體積。此時，測量 體積不再減至圍繞染料的緊臨的材料或組織，而是擴展到限定氣室的膜的 外包圍區(qū)域。因此，形成于氣室中的氧分壓是限定氣室的膜的外表面上的 平均自由氧含量的量度。因此，感測體積的擴大使得能夠?qū)Π鼑结樀纳?物組織中的氧供給進行局部地而非單個點的醫(yī)學上可用的顯示。由此可以 比現(xiàn)有技術的光學纖維測量方法中提供的單純的單個點測量更好地評估組 織的狀態(tài)。同時，膜保護氣室中的遠端纖維部分以避免在該處破壞測量的 危險。通過應用前述的鎖定技術進一步提高了根據(jù)本發(fā)明的纖維光學傳感 器的穩(wěn)健性。借助于纖維光學傳感器可以測量組織以及其它生物材料例如 體液如血液或溶液的氧含量。對氧敏感的染料可以是例如柏絡合物或釘絡
合物。對氧敏感的染料或者是作為涂層，或者至少結合在部分膜壁中。顯 然，染料的布置必須使得在染料分子與纖維的遠端面之間的光路盡可能直。 因此，染料優(yōu)選地直接涂覆在纖維的遠端面上。與用染料完全填充纖維遠 端面前面的體積不同，根據(jù)本發(fā)明將染料作為涂層或膜壁組成部分的布置
具有如下優(yōu)點染料的光響應不會^L包含在體積中的其它染料分子吸收并 因此產(chǎn)生不希望的損失。
根據(jù)權利要求2的均勻的膜厚度防止分壓測量信號的時間拖尾效應 (smearing)，這是因為游離氧分子擴散通過膜的時間長度相同。這產(chǎn)生 均勻的傳感器特性。均勻膜厚度并不意味著膜厚度在膜的整個表面上都嚴 格地不變。在實踐中不影響前述均勻的傳感器特性的與平均膜厚度的微小 偏差是可以接受的。這種可接受的偏差例如在20(Him的范圍內(nèi)。具有長期 存在的熒光的對氧敏感的染料可補償由膜厚度中的偏差導致的破壞作用。 為此，具有長達60fts的熒光持續(xù)時間的鉑絡合物對均勻的傳感器特性是有 利的。
根據(jù)權利要求3的氣室可由成本有效地制造出的膜形成。如果氣室的 縱軸線平行于纖維軸線并且與纖維軸線相距一段距離，則氣室可構造成具 有大的連續(xù)的自由空間，該空間適合于布置探針的其它組成部件，特別是 傳感器。如果軸線重合，將形成特別是在加工方面具有優(yōu)勢的旋轉(zhuǎn)對稱的 結構。在軸線重合的情況下，以下結構是特別合適的其中帶有染料的纖 維遠端面位于氣室中心，從而擴散通過膜的游離氧具有擴散長度的對稱性， 這能夠提高測量質(zhì)量。
由于膜管可例如通過將連續(xù)的管切割成一定長度制成，所以根據(jù)權利 要求4的膜可簡單地制成。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)權利要求5的材料在氧滲透性與液體不可滲透性的特 性方面適合于應用在探針中。
根據(jù)權利要求6的膜可以很好地適應包圍的組織，從而防止了測量失真。
根據(jù)權利要求7的充滿空氣的氣室防止在使用前的探針存儲期間氣體
成分變化?？商鎿Q地，可以在使用前使探針中充滿氣體或氣體混合物，所 述氣體或氣體混合物的分子大到不能通過可透過氧的膜擴散到外界。在這 種情況下，為了在使用前不變地存儲探針也對氣室進行填充。
由于水蒸氣使氣室中的氣體的熱容升高，根據(jù)權利要求8的水蒸氣可 滲透性使位于氣室中的傳感器能夠更快地適應周圍溫度。這樣，可以可靠 地測量氣室內(nèi)的溫度而不必用很長時間等待建立熱平衡。因此，如果具有 高度的水蒸氣可滲透性非常重要，則膜可特別地由四氟乙烯-六氟丙烯共聚 物(FEP)形成。由聚乙烯(PE)制成的膜也具有水蒸氣可滲透性，不過 其滲透性比FEP寸氐。
另一目的在于提供一種導管，借助于該導管可以通過根據(jù)本發(fā)明的探 針實現(xiàn)有意義的測量。
根據(jù)本發(fā)明，此目的由具有權利要求9中給出的特征的導管實現(xiàn)。
溫度傳感器可以補償氧含量測量的溫度相關性。優(yōu)選地提供的壓力傳 感器可以進行附加的壓力測量，該壓力測量與氧含量測量結合可以提供有 價值的特定組織的信息。通過這種氧含量與壓力相結合的測量，可以例如 測試氧含量和壓力特性在動態(tài)中在何種程度上相關。由此可確定組織壓力 與氧分壓的相關性。相比于在分離的導管應用位置應用多個單獨的導管， 用一個導管檢測不同的生理參數(shù)降低了感染與出血的危險。優(yōu)選地部分為 金屬的導管末端使其例如在CT的成像過程中可見。因此，可在所希望的 區(qū)域?qū)崿F(xiàn)目標定位。在發(fā)生氧分壓值降低的病理生理事件的情況下，例如 在穿孔的管內(nèi)流血、在導管位置的區(qū)域內(nèi)腫脹、或局部缺血的情況下，這 種定位尤其對于區(qū)分局部或整體狀態(tài)是必要的。導管的其它優(yōu)點即上文中 關于探針的敘述中提及的優(yōu)點。
由于在與氧含量測量相同的位置測量溫度，所以根據(jù)權利要求10的溫 度傳感器可以對光學纖維氧含量測量的溫度相關性進行很好的補償。由于 連續(xù)的溫度校正，在體溫過低和體溫過高的情況下所述值也是可靠的。
根據(jù)權利要求11的導管末端使單個導管的組成部件的數(shù)量減少。


在下文中將參考附圖更詳細地說明本發(fā)明的實施例。附圖示出 圖l是用于測量生物組織中氧含量的探針的縱向截面的示意圖； 圖2是探針的與圖i類似的圖，其中光學纖維的遠端纖維部分^:進一
步插入由膜限定的氣室內(nèi)；
圖3是沿圖2中的線m-in的截面圖4是探針的另一個實施例的與圖3類似的截面圖； 圖5是帶有用于測量生物組織中氧含量的探針的另一個實施例的導管 的縱向截面圖6是沿圖5中的線VI-VI的截面的示意圖7是與圖5類似的截面圖，示出導管的另一實施例；和
圖8是沿圖7中的箭頭VDI的正視圖。
具體實施例方式
圖1至圖3示出用于測量生物組織中氧含量的探針的第一實施例。探 針1可以是例如圖5所示類型的導管的組成部件。探針1具有光學纖維2。 遠離待測試的生物組織的近端3可在一側與光源光耦合并且在另一側與光 傳感器光耦合。光學纖維2可以是單纖維或纖維束。
在光學纖維2的面向待測試的生物組織的遠端面4上設置有對氧敏感 的染料5。染料5光耦合到光學纖維2的遠端面4上。該遠端面4上涂有 染料5。包括遠端面4以及染料5的遠端纖維部分6被可透過氧但不可透 過液體的膜7包圍。膜7構造成水蒸氣可滲透。該膜7在包圍的區(qū)域內(nèi)限 定了氣室8，該氣室8包圍帶有染料5的遠端面4。也可以用染料5涂覆在 膜7的內(nèi)壁的至少部分區(qū)域上，來替代用染料5涂覆在遠端面4上的方案。 所選擇的被涂覆的區(qū)域是可由遠端面4"看見"的區(qū)域，也就是從遠端面4 至該區(qū)域具有直接的光路。在另一變型中，也可以將染料5結合在膜7的 壁內(nèi)。
膜7在限定氣室8的位置具有相同的厚度。膜厚度與預定值的允許偏
差根據(jù)所要求的氧分壓的測量動態(tài)而變化。例如，對于在大腦組織內(nèi)進行
的測量，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可允許的偏差是200nm。在圖1至圖3示出的探針中， 氣室8是圓柱形。氣室的縱軸線9與光學纖維軸線10至少在遠端纖維部分 6重合。
在根據(jù)圖1至圖3的實施例中膜7由硅橡膠制成?？商娲?，膜7也 可由聚乙烯(PE)、特氟隆(PTFE)或四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP) 材料中的一種制成。膜7具有足夠的柔性，使其在氣室8內(nèi)的氣體壓力的 作用下可變形。因此，氣室8的形狀可適應于才艮據(jù)環(huán)境壓力而變化的相應 氣體壓力。
根據(jù)應用，在探針l內(nèi)纖維2可以不同方式相對于膜7定位。在根據(jù) 圖1的位置中，纖維2只被插入氣室8很短的距離，因此一皮膜7包圍的遠 端纖維部分6相對于氣室8的長度來說很短。在根據(jù)圖2的位置中，纖維 2被進一步插入氣室8中，使得插入其中的遠端纖維部分6大約是氣室8 的長度的一半。在根據(jù)圖2的位置中，帶有染料5的遠端面4對稱地居中 布置在氣室8中，從而對于擴散通過膜7的游離氧，擴散長度具有對稱性。
以如下方式使用探針l:
首先將探針1 -任選地與包括該探針的導管一起-在測量位置插入病 人體內(nèi)。在使用揮:針1之前將氣室8中充滿空氣。將光源和光傳感器在近 端與纖維2耦合。膜7在外側被病人的生物組織包圍。游離氧，即未與血 紅蛋白結合的氧可從外部擴散通過膜7，從而進入氣室8。因為氣室8以液 體密封形式相對于外界封閉，所以液體與組織都不能進入氣室8。
根據(jù)耦合光的波長調(diào)諧染料5，使得光耦合到染料5內(nèi)的結果是，在 氣室8中存在的氧分子的作用下，從染料5反饋回到光學纖維2中的可由 光傳感器測量的光的量根據(jù)氣室8中的游離氧濃度而變化。限定氣室8的 膜7的相同厚度相應地確保了游離氧從包圍膜7的生物組織滲透入氣室8 的時間相同。因此，不會由于不同的滲透時間導致測量誤差。
借助于光傳感器，測量作為從光源耦合入纖維2的光的結果的從染料 5反饋回到纖維2內(nèi)的光的量。這種反饋光的量是氣室8中的氧含量的量 度，并且因此是在包圍膜7的生物組織中的未與血紅蛋白結合的氧即游離 氧的量度?？商鎿Q地，例如可以應用鎖定技術測量根據(jù)耦合光的相位而變 化的反饋光的相移。由于染料5的長期存在的狀態(tài)在統(tǒng)計學上更易受到由 氧引發(fā)的通過碰撞過程進行的無輻射的向常態(tài)的轉(zhuǎn)變的影響，所以有助于 反饋光的熒光狀態(tài)的平均持續(xù)時間變化，這種變化繼而導致相對于可用作 鎖定基準的輻射信號的可測量的相移。
在圖l至圖3所示的結構中，膜7—體地形成。膜7的材料在纖維進 入氣室8的區(qū)域中相對于光學纖維2提供密封。
在探針1的一個變型中(為簡化起見也將參考圖1至圖3對該變型進 行說明)，膜7包括限定圓柱形氣室8的殼壁的膜管11。膜管11的遠離 纖維的端面端具有密封蓋12。該密封蓋可由與膜管11相同的材料制成。 可替換地，由于膜管11是可透過氧的就足夠了，所以可用與膜管11不同 的材料、特別是完全不可滲透流體的材料來生產(chǎn)密封蓋12。膜管11在面 向纖維的一側由密封環(huán)13相對于纖維2密封，該密封環(huán)13可由與密封蓋 12相同的材料制成。
圖4中的揮:針l的結構與圖1至3中的結構的不同之處僅在于，圖4 中的探針的氣室的縱軸線9不與氣室8的纖維軸線10重合，但兩軸線彼此 平行。這樣，具有圖4中示出的結構的氣室8具有更大的連續(xù)的自由空間， 在該空間中可容納其它部件，例如其它傳感器。
圖5和圖6示出帶有另一結構的探針1的導管14。下文中對導管14 進行說明時，僅說明與上文中參考圖1至4所述的不同之處。與上文中參 考圖1至4所說明的部件相對應的部件具有相同的參考序號，并且僅當其 結構和功能與圖1至圖4中的部件不同時才對其進4iS兌明。導管14具有殼 體15。在所示的結構中所述殼體由鈦制成，但也可由其它金屬制成。殼體 15 —體地形成并且在結構上分為遠端殼體部分16、中間殼體部分17和近 端殼體部分18。遠端殼體部分16在其遠端部纟皮無創(chuàng)傷的導管末端19覆蓋。 在遠端殼體部分16的周邊上，導管末端19與膜7的膜管11會合。
導管末端19是膜7的密封蓋。膜7的近周向端部20被推靠在中間殼
體部分17的周向臺階21上。周向臺階21的外直徑比膜管11的內(nèi)直徑稍 大。在膜管11與遠端殼體部分16之間存在環(huán)形空間22，該環(huán)形空間是氣 室8的一部分并且通過孔眼23與遠端殼體部分16的圓柱形內(nèi)部相連，該 內(nèi)部也是氣室8的一部分。光學纖維2的帶有染料5的遠端纖維部分6被 插入所述內(nèi)部。然后，纖維2首先穿過密封體24,該密封體24被插入中 間殼體部分17并且可由例如硅橡膠制成。然后，纖維2穿過近端殼體部分 18的圓柱形內(nèi)部以及導管管部25。該導管管部被推壓在形成于近端殼體部 分18中的周向臺階26上。
密封體24的外壁27布置在中間殼體部分17中的殼體窗內(nèi)并且與中間 殼體部分17的包繞的外壁齊平。壓力傳感器28布置在密封體24中。壓力 傳感器28通過信號線29連接到未示出的中央控制和計算單元，該信號線 延伸通過密封體24、近端殼體部分18和導管管部25。
如圖4中所示的結構一樣，在圖5和圖6所示的揮:針1中，氣室的縱 軸線9不與纖維軸線10重合，所以在由遠端殼體部分限定的內(nèi)部中存在大 的連續(xù)的自由空間。溫度傳感器30布置在所述內(nèi)部中。以密封的方式將溫 度傳感器30的近端插入密封體24中。信號線31將溫度傳感器30連接到 中央控制和計算單元。信號線31還穿過密封體24、近端殼體部分18和導 管管部25。
在下文中，僅說明導管14的功能與圖1至4中的探針的應用的不同之 處。在導管14被引入病人的測量位置后，利用根據(jù)上文中參考圖1至圖4 中示出的結構說明的探針1來測量包圍導管14的生物組織的氧含量。同時， 由生物組織經(jīng)由外壁27施加在壓力傳感器28上的壓力由該壓力傳感器28 測量，在氣室8中的溫度由溫度傳感器30測量。測量值經(jīng)由信號線29和 31被傳遞給與探針1的光源和光傳感器相連的中央控制和計算單元。在建 立熱平衡后，由溫度傳感器30測量的在氣室8中的溫度對應于包圍導管 14的遠端殼體部分16的生物組織的溫度。滲透通過膜管11并且進入氣室 8的水蒸氣用于實現(xiàn)這種熱平衡，并且也是快速溫度測量的基礎。
由溫度傳感器30測量的溫度的結果是，在通過光學纖維2測量氧分壓
時可考慮到水蒸氣分壓的溫度相關性。
圖7和圖8示出包括用于測量生物組織中的氧含量的探針的導管的另 一結構。已在前文中參考圖l至6說明的部件具有相同的參考序號并且不 再對其進行單獨的說明。
圖7和8中示出的導管14與圖5和6中所示導管的不同之處主要在于 膜7的形狀與傳感器的布置。在圖7和圖8中示出的結構中，導管末端32 不像圖5和圖6中示出的結構那樣由固體金屬制成，而是具有作為氣室8 的一部分的內(nèi)部槽33。槽33在遠端被端面膜部分34覆蓋，該膜部分34 用與膜管11相同的材料制成并且與膜管11具有相同的材料厚度。膜部分 34在其邊緣與包圍所述膜部分的導管末端32的部分無接縫地會合，使得 膜部分34與包圍所述膜部分的部分一起形成無創(chuàng)傷的導管末端。在圖8 的正視圖中，膜部分34由平行的陰影表示。在圖7和圖8所示的結構中， 帶有染料5的光學纖維2被插入導管末端32的槽33中。
在圖7和圖8所示的結構中，氣室的縱軸線9也不與纖維軸線10重合， 而是被布置在距軸線10 —定距離處并與其平行。
在圖7和圖8所示的結構中，溫度傳感器30沒有布置在氣室8中，而 是布置在近端殼體部分18中。
在圖7和圖8所示的導管14的功能對應于圖5和圖6所示導管的功能。 對于圖7和圖8所示的導管14，在近端殼體部分18的區(qū)域中測量溫度， 從而假設在適當?shù)乜紤]水蒸氣分壓的溫度相關性的情況下，在近端殼體部 分18的區(qū)域內(nèi)的生物組織的溫度與遠端殼體部分16的區(qū)域中的溫度一致。
鉑或釕絡合物可用作染料5。鉑絡合物的典型的熒光持續(xù)時間在0%的 空氣飽合度下是60fis，在100。/。的空氣飽合度下是20jis。釕絡合物的典型 的熒光持續(xù)時間在0%的空氣飽合度下是大約6ns，在100%的空氣飽合度 下是大約4jis。
1權利要求
1.一種用于測量生物材料中的氧含量的探針(1)，具有-至少一個光學纖維(2)，該光學纖維(2)可在近端在一側與光源光耦合并且在另一側與光傳感器光耦合，-對氧敏感的染料(5)，該染料(5)布置在纖維(2)的遠端面(4)上并且與所述遠端面光耦合，其特征在于，包括遠端面(4)與染料(5)的遠端纖維部分(6)被可透過氧且不可透過液體的膜(7)包圍，所述膜(7)在所包圍的區(qū)域中限定氣室(8)，該氣室(8)包圍帶有染料(5)的遠端面(4)，-染料(5)被設置成在遠端面(4)和/或限定氣室(8)的膜(7)上的涂層，或者-被結合在膜(7)的壁的至少一部分中。
2. 根據(jù)權利要求1所述的探針，其特征在于，膜(7)的厚度在限 定氣室(8)的位置處是均勻的。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的探針，其特征在于，氣室(8)至少 部分地為圓柱形，該氣室(8)的縱軸線(9)與遠端纖維部分(6)中的纖 維軸線(10)平行或重合。
4. 根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的探針，其特征在于，膜(7 ) 包括膜管(11),該膜管(11)的端部(12, 13)相對于液體密封以限定 氣室(8)。
5. 根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的探針，其特征在于，膜(7 ) 由以下材料中的一種形成硅橡膠、PE、 PTFE或FEP。
6. 根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的探針，其特征在于，膜(7 ) 具有足夠的柔性以便可在氣室(8)中的氣壓的影響下變形。
7. 根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的探針，其特征在于，在插入 探針(1)之前氣室(8)充滿空氣。
8. 根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的探針，其特征在于，膜(7 ) 構造成水蒸氣可滲透。
9. 一種導管(14 )，具有-根據(jù)權利要求1至8中的任意一項所述的探針(1)， -用于測量包圍導管的生物材料的溫度的溫度傳感器(30)， -并且優(yōu)選地包括用于測量包圍導管(14)的生物材料中的壓力的壓力 傳感器(28)。
10. 根據(jù)權利要求9所述的導管，其特征在于，溫度傳感器(30)至 少部分地布置在氣室(8)中。
11. 根據(jù)引用權利要求4的權利要求9或10所述的導管，其特征在 于，導管的末端(19; 32)為膜(7)的膜管(11)的遠端密封部。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量生物組織中的氧含量的探針(1)。該探針帶有至少一個可在近端在一側與光源光耦合并且在另一側與光傳感器光耦合的光學纖維(2)。對氧敏感的染料(5)布置在纖維(2)的遠端面上并且與所述遠端面光耦合。包括該遠端面與染料(5)的遠端纖維部分(6)被可透過氧不可透過液體的膜(7)包圍，所述膜(7)在所包圍的區(qū)域中限定氣室(8)，該氣室包圍帶有染料(5)的遠端面。探針(1)是導管(14)的組成部件，該導管還包括溫度傳感器(30)和優(yōu)選地壓力傳感器(28)。由此得到一種探針，其中纖維對在測量位置的外界干擾的敏感性降低并且用于分析測量結果的可能性提高。
文檔編號A61B5/00GK101179986SQ200680017965
公開日2008年5月14日 申請日期2006年5月17日 優(yōu)先權日2005年5月25日
發(fā)明者G·孔澤 申請人:勞梅迪奇股份公司