CN101578074B - 利用目标组织可视化和束传输间固定关系的动态光学手术系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了采用目标组织可视化和光束传输间固定关系的动态光学手术系统，提供了处理目标组织的系统和方法，包括利用光源产生处理光束，利用光学元件引导所述处理束至目标组织上，利用多个光学元件从所述目标组织发射出的光中产生所述目标组织的像，以及相对于所述目标组织(利用平移设备)平移所述光源、所述光学元件、和/或所述多个光学元件，以同时沿着所述目标组织移动所述处理束和由所述多个光学元件所限定的所述目标组织的视场。控制电路控制平移设备以使得所述处理束按预定的图案沿着所述目标组织移动。

Description

利用目标组织可视化和束传输间固定关系的动态光学手术系统
本发明要求2006年4月28日提交的美国临时申请No.60/795，918的权益，该美国临时申请所公开的内容通过引用包括在本发明当中。
技术领域
本发明涉及光学手术设备及技术，更具体的涉及采用联动和可视化移动以及光束传输系统来处理组织的光学眼科手术设备。
背景技术
众所周知，在本领域中光凝技术可以用于处理视网膜撕裂、糖尿病性视网膜病变以及其他视网膜病变。公知裂隙灯显微构造可以被用于提供可视化以及上述技术的基础。
传统的眼科手术激光系统包括激光源，其通过光纤连接于安装裂隙灯的传输设备。该处理通常采用可见的对准光束来实现，对准光束可以单独标记出激光光点将触及目标组织的位置。通常在标准全视网膜光凝过程中大约传输1500个激光脉冲，通过多个会话(sessions)需要总共超过90分钟的处理。每一个激光脉冲均由踏板式开关的下压所激活，并且所传输的激光脉冲的参数由控制面板所控制。该单点的“分步重复”方法对于医师和患者来说不仅耗费时间，而且会感到疲劳、乏味且不舒服。
也提出过其他用于提高激光手术的安全性及速度的尝试。这些方法要求基本激光系统非常复杂。例如，在美国专利No.5,921,981、6,066,128和6,096,028中描述的同时多点传输设备，其必须采用能够比单点系统产生相对更大输出功率的激光系统。然而该激光功率的提高引入了附加的和相当大的花费，并有增加可能的安全顾虑。
类似的，为了加快手动操作的速度，在国际公布WO2005/065116A2中描述了一种采用单光束的方法，其利用扫描光学元件对该光束扫描以产生首先被对准光束描绘出的连续的治疗激光光点的图案。对在图案排列中的单光点的扫描允许采用较低功率的激光束和源。为了保证由对准光束和治疗光束二者产生的光点的图案的尺寸及形状相同，该设备采用精细的图案检测及关联的反馈系统。尽管提供了用于改进激光手术的装置，但增加了系统成本和复杂性。此外，对于医师通过显微镜的观察视场和由系统产生的光点的图案之间的相互关系也缺乏考虑。
因此，需要一种安全省时且成本低、应用性强的可以产生处理光的图案的激光手术方法，所述处理光图案的产生具有可靠性并紧密联系于医师的视场。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供用于按预定图案在目标组织上平移光学光束并同时移动医师的目标组织的视场的手术设备及方法。
用于处理目标组织的手术设备包括用于产生处理光束的光源，用于引导所述处理束到目标组织上的光学元件，用于从所述目标组织发射出的光中产生所述目标组织的像的多个光学元件，用于相对于所述目标组织平移所述光源、所述光学元件以及所述多个光学元件三者中的至少一个以同时沿着所述目标组织移动所述处理光束和由所述多个光学元件所限定的所述目标组织的视场的平移设备，用于控制所述平移设备以使得所述处理光束按预定的图案沿着所述目标组织移动的控制电路。
在另一方面，用于处理目标组织的手术设备包括用于产生处理光束的光源，用于从所述目标组织发射出的光中产生所述目标组织的像的多个光学元件，用于相对于所述目标组织平移所述光源和所述多个光学元件、以同时沿着所述目标组织移动所述处理光束和由所述多个光学元件所限定的所述目标组织的视场的平移设备，以及用于控制所述平移设备以使得所述处理光束按预定的图案沿着所述目标组织移动的控制电路。
用于处理目标组织的方法包括利用光源产生处理光束，利用光学元件引导所述处理束至目标组织上，利用多个光学元件从所述目标组织发射出的光中产生所述目标组织的像，以及相对于所述目标组织平移所述光源、所述光学元件以及所述多个光学元件三者中的至少一个，以同时沿着所述目标组织移动所述处理光束和由所述多个光学元件所限定的所述目标组织的视场，以使得所述处理光束按预定的图案沿着所述目标组织移动。
在另一个方面，用于处理目标组织的方法包括利用光源产生处理光束，利用多个光学元件从所述目标组织发射出的光中产生所述目标组织的像，以及相对于所述目标组织平移所述光源和所述多个光学元件，以同时沿着所述目标组织移动所述处理光束和由所述多个光学元件所限定的所述目标组织的视场，以使得所述处理光束按预定的图案沿着所述目标组织移动。
本发明的其他目的及特征将通过对说明书、权利要求书及附图的阐述使其更加清楚。
附图说明
图1为眼科手术设备示意图，其中将激光系统和显微镜平移以同时移动处理光束和医师的视场；
图2为眼科手术设备示意图，其中将显微镜平移以同时移动处理光束和医师的视场；
图3为由眼科手术设备产生的处理光的光点的图案的目标平面俯视图；
图4为由眼科手术设备产生的处理光的线状图案的目标平面俯视图；
图5为由眼科手术设备产生的处理光的光点的二维图案的目标平面俯视图；
图6示意了由显微镜产生的靶，其表示在目标组织图像上处理束的位置；
图7为图1所示的眼科手术设备还包括标线设备的示意图，其表示在目标组织图像上处理束的位置；
图8示意出由标线设备所提供的包括系统信息的图。
图9为眼科手术设备的示意图，其中将激光系统和显微镜的一部分平移，以同时移动处理光束和医师的视场；
图10为眼科手术设备的示意图，其中将激光系统和显微镜的一部分平移，以同时移动处理光束和医师的视场；
图11为眼科手术设备的示意图，其中将透镜平移以同时移动处理光束和医师的视场；
图12为带有可移动透镜的眼科接触透镜的侧面横截面图，将该可移动透镜平移以同时移动处理光束和医师的视场；
图13为眼科手术设备的示意图，其中将激光系统和显微镜平移以同时移动处理光束和医师的视场，其中处理束和可视化束是空间分离的除了它们彼此的相交的点外；
图14为由眼科手术设备产生的处理光的光点的图案的目标平面俯视图，其中光点间的距离不规则；
图15为由眼科手术设备产生的处理光的光点的圆形图案的目标平面俯视图。
具体实施方式
本发明提供眼科手术设备及方法，其通过同时移动处理光束和医师的视场(目标组织可视)来提高诸如视网膜光凝技术的激光手术的速度并改善其安全性。
图1示意出眼科手术设备10，其包括被牢固地安装于显微镜14的光源组件12。光源组件12包含处理光源16(例如532nm的固态激光器，尽管其也可以被其他类型的合适光源所替代，例如气态或固态激光器、激光二极管、闪光灯、发光二极管等)用于产生处理光束18，和对准光源20(例如635nm的激光二极管，尽管其也可以被其他类型的合适光源所替代，例如气态或固态激光器、激光二极管、闪光灯、发光二极管等)用于产生对准光束22。对准光束22可以为眼睛可见的，或者如果使用诸如红外成像的替代可视化方案其，也可以为非可见的。来自光源16的处理束18首先入射到反射镜24，该反射镜用于反射处理光的固定的一部分至用于测量处理束18的功率的光电二极管(出于安全原因)。然后，处理束18入射到光闸28，该光闸28通过选择性的阻止光来控制处理光束18的传输。随后处理光束18入射到转镜30，转镜30将光反射到反射镜32，该反射镜32将处理束18和对准束22合并到同一光路上。反射镜34和光电二极管36用于对束18、22的一部分取样以测量功率(并且可用作光闸28的状态的冗余监视器)。透镜38(例如单个透镜、组合透镜等)可被用于调整离开光源组件12的光。控制电路40通过输入/输出设备42控制光源16、20以及光闸28。控制电路40还接收来自光闸28和光电二极管26、36的监视信号。医师可以使用图形用户界面44和用户输入设备46(比如操纵杆)以通过控制电路40来监视和控制系统。
显微镜14包括传输镜50，其将光束18、22经镜片(ophthalmiclens)54指向患者眼睛52。在图1所示的构造中，镜片54在OP处产生患者视网膜的空中实像。传输镜50为可调节(可移动)的以选择性改变患者眼睛50中光束18、22被指向的目标组织。通过让来自患者眼睛52的目标组织的成像光(可视化光束48)穿过镜50、物镜56、放大级58、人眼安全滤光片60、目镜透镜62，然后进入医师眼睛64，从而使患者眼睛的图像可视。未示出由辅助装置提供的用于成像光的源。例如，可以装配裂隙灯显微镜上常规使用的照明系统。人眼安全滤光片60可以阻止来自光束18的治疗光进入医师眼睛64。放大级58包括一个或多个可移动的光学元件(例如透镜)以改变进入目镜透镜62的图像的放大倍数。所示出的放大级包括在裂隙灯显微镜中常规使用的镜筒透镜。目镜透镜62可以是多个光学元件，其同样采用公知的裂隙灯显微镜所使用的方式将目标组织的像传输到医师的双眼。显微镜14的光学系统产生与系统物平面OP共轭的中间像平面IP。优选的，光束18、22和48沿着显微镜14中心光轴OA前进，使得在系统运行时，系统可以提供目标组织周围各个方向的最外围视图。可替代的，显微镜无需使用所示的普通主物镜，还可以使用“格里诺”(Greenough)型的。格里诺显微镜包括两个分离的组合显微镜—每只眼睛一个—每一个显微镜布置具有不同的会聚角。它们价格低廉但不如其他设计灵活。
系统的一个关键特征是，将显微镜14(包括传输镜50)的光轴OA相对于患者眼睛按预定的图案平移，以移动目标组织上的光束18、22，而不使可视化光束48在穿过显微镜14时偏离光轴OA。这允许光束18、22在目标组织上的图案中移动同时伴随着医师视场的相应变化，使得医师看到的外围视图不受损失(也就是说接收光束18、22的目标组织处于目镜透镜62的视场中心)。平移通过平移设备66来实现，该平移设备66相对患者眼睛52按预定的图案平移眼科手术设备10(光源组件12和显微镜14)。更具体的，平移设备相对头部支撑架或其他固定患者头部位置的装置来移动手术设备10。适合的平移设备应包括但不限于在控制电路40的控制下的马达、压电元件、检流计和/或它们的组合。
图1示出在箭头X所指方向上，显微镜14相对患者眼睛的中心线CL(以及/或者镜片54的中心线)偏离一偏移量OS的平移。该平移使光束18、22在其进入镜片54的点也平移了相同的量(OS)，因此引起光束18、22到达患者眼睛52的视网膜组织处的光点从点O移动到点S。(根据显微镜平移距离OS)患者眼睛52中点O和S间的实际距离决定于OP处和目标组织之间光学系统的放大倍率。如果患者眼睛的空中像以系数M被放大，则位于目标组织的点O和S间的距离(由位于目标组织的光束18、22的位移距离DP来表示，该位移距离DP由OS的平移所引起)为DP＝OS/M。在此特定描述中，M(其由镜片54和患者眼睛光学功率68所决定)为使DP小于OS的值。
在图1的配置中，平移设备66一起移动光源组件12和显微镜14，可以由此预想到将二者一体化封装。图2示出了另一种可替代的实施例，其中光源组件12和显微镜14为分开的部件，并且平移设备66仅平移显微镜14(而不平移光源组件12)。在该配置中，光纤70和透镜72、74用于传输光束18、22至传输镜50，以使光源组件12和显微镜14之间的相对移动不改变光束18、22至传输镜50的对齐。通过这种方式，光源组件12中较大和较重的部件无需随着显微镜14的平移移动而移动，来实现所期望的光束18、22在目标组织上的移动。
图1和2示出了通过利用显微镜14将成像光束48引导至医师眼睛64的视网膜，从而使患者眼睛52可视化。然而应该注意的是，照相机或其他适合的成像设备(例如扫描激光检眼镜、光学相干断层扫描等)可以被用于捕捉成像光束并为医师再现所形成的图像。该图像可以被显示在电子显示器上或系统的图形用户界面44上。
通过按预定的图案移动显微镜14(以及可选的光源组件12)，从而使医师能够以半自动的方式快速处理目标组织的相对大的区域，而保持光束18、22位于或接近医师视场的中心。例如，图3示意出通过如上所述移动显微镜14而被传输到目标组织上处理区域78的处理束18的光点76的图案。此处，光源16和/或光闸28被配置用以产生脉冲的处理束18，其中在脉冲光束的传输之间移动显微镜14。系统逐步通过X方向上的移位(以速度V)，并在每一个光脉冲时停止，从而提供了待传输的每一个光点而同时系统是静止的。然后重复该移位，通过移动、停止、处理以及重复该顺序多个光点76被传输至处理区域78。该过程可以首先使用对准束22来执行，以向医师显示出处理束图案被指向的位置。一旦对准光点的图案被可视地对齐于所期望的处理区域78，医师则启动系统以传输处理光的图案至同一处理区域78。
尽管所示的光点76为圆形，但其不一定为圆形。投影到处理区域上的光束的图案也无需为分散的光点。在单脉冲期间或采用连续光源时系统可以沿着目标组织移动处理束18。图4示意出当处理光源16开启且光闸28打开时在处理区域上移动的处理光的光点76，其结果形成了构成在处理组织上处理光的线的光束图案。在这个例子中，如果光点76的直径为d，并在正x方向上以d/t的速率沿着目标组织移动，则该光点提供覆盖距离D的有效脉冲宽度t。如果处理光源为连续的，则t可以尽可能的长，那么通过单独应用处理束18即可覆盖相对长的处理区域78。可选的，用门控制光束的开启和关闭，这样可以提供光点的阵列。
光点的图案或线无需局限于仅是单条直线。图5示意出在多个方向平移显微镜14产生的二维图案。在该例子中，系统首先以速度V1平移以完成路径1。然后系统以速度V2沿着路径2执行垂直的移位，最后系统以速度V3沿着路径3执行另一垂直的移位，从而完成两行离散的处理光点76。还可能是弯曲的路径，包括弧形、圆形和任意的路径。可以按如图5所示的离散静止光点，或在目标组织上的一条或多条线(弯曲的或直的)传输处理光。
应该注意的是包括对准光束光源20和使用对准光束22为可选的。如果使用对准光束22，则对准光束的图案既能够精确的重复出处理光的图案(也就是说在目标组织上空间上相互重叠)，其又可以是表示将被应用处理光图案的位置的不同图案。例如，对准束18的图案可以是方形或圆形的，其环绕或者以其它方式限制将接收处理束18的图案的组织。
图6示出另一种可选的对准束22的使用。作为将对准光投影到目标组织并可视化该对准光的替代，在用于可视化目标组织的光学元件之间或在它们其中之一上形成作为标记的靶80(比如固定的标线)可以用于表示处理图案的位置。该对齐方案所利用的是在目标组织的可视化图像82(通过显微镜14所观察到的)与处理图案中光点76的位置之间的固定关系的事实。此处靶80被用于告知医师处理束在目标组织上的位置。因为显微镜的成像系统随着处理束18相对目标组织进行移动，所以图像82中光点76的位置不会改变。图像82有效地充当用于相对于组织定位光点76的对齐辅助。
图7示出了实现靶80的配置，其中包括位于中间像平面IP的产生或形成靶80的标线设备84。该标线设备84可以是带有标记记号的无源光学元件或在控制电路40控制下的能够产生靶80的有源光学元件，例如LCD或投影设备。对齐标线设备84的靶80，以便将处理束18仅传输至目标组织的位置，所述目标组织的位置位于由覆盖在目标组织的图像上的靶80限定的边界中。此处，靶80被直接成像到医师眼睛中，使其看起来像覆盖在患者视网膜的图像上。在有源光学标记设备的情况下，靶80为可调节以便适应不同的系统放大倍率、光点尺寸、处理区域及形状，同时仍提供固有精度。诸如激光功率、脉冲宽度、处理区域、光点尺寸等系统信息也可以通过标线设备84向医师显示出来，从而使医师无需不得不偏离所看的患者图像(参见图8)动态地获取这些信息。如果捕捉到像并在显示器或GUI44上将其显示出来，那么仅有在期望通过激光来处理的处理区域的边界内示出的部分的靶才能被显示出来。
图9示意出类似于图1的另一种可替代的实施例。在该实施例中，不仅整个光源组件12被包含在显微镜14中，而且仅平移显微镜14的一部分86即可以在患者眼睛上产生处理光的图案。具体地，平移设备66移动光源组件12、传输镜50、透镜56以及放大级58。显微镜其余的部件仍然对齐于患者眼睛的中心线CL。这种配置的优点在于平移设备66仅移动部分而非全部的显微镜部件。图10示意出同一实施例，但其中放大级58作为其光学元件的一部分被包含其中，其保持静止而不移动。为了进一步减少由平移设备66所移动的部件的数量，可以将物镜56置于传输镜50的目标组织一侧，其中平移设备66仅平移物镜56以在目标组织上移动束18、22(如图11所示)。
图12示意出另一个类似于图11的实施例。取代移动显微镜14中任意部件，平移位于镜片54内的透镜88。在该配置中，镜片54包括透镜88、接触片90(与患者眼睛接触)、壳体92以及在x和y方向移动透镜88的平移设备94(包括上述任意移动设备)。控制线96可连接于输入/输出设备42。通过平移设备94平移透镜88从而允许患者眼睛的像在物平面OP中移动，从而在目标组织上移动光点76。尽管示出的镜片带有接触片90，但这不是必须的。还可以使用不接触患者眼睛的镜片。在非接触性镜片的情况下，仅有壳体92、透镜88和控制线96包含其中。
图13示出类似于图1的实施例，其中来自光源组件12的束18、22以及穿过显微镜14的可视化束48为空间分离的，并使二者指向由透镜54产生的物平面OP中的共同位置。因此，系统包括三个从不同方向“看”的光学设备，但三者共享患者眼睛52中的共同点S。这种配置允许与现有设备简单集成，因为不需要改变可视化系统的光学链(optical train)来容纳光源组件12。此外，在关于图7描述的方式中，类似于标线设备84的平视(heads-up)显示型设备可以被添加到IP处以向医师提供位于患者眼睛52中束位置的动态显示(通过利用控制电路40来控制和监视平移设备66的移动)。在该配置中，可视化系统完全不需要移动，但仍向医师显示束18、22的最终布置。
可以理解，本发明并不局限于上述及在此详述的实施例，任意及所有在所附权利要求范围内的变化均包括在本发明中。例如通过变化速度V的大小或通过利用变化的时间间隔来对光源进行脉冲调制，可以改变图14所示的连续光点之间的间隔，从而获得不规则的光点间隔。尽管上述为线性扫描，但还可以使用弧状或圆的束移动(例如如图15所示)。尽管所述的实施例包括镜片54，该镜片也可以从任一实施例中删去。

Claims (24)

1.一种手术设备，用于处理目标组织，包括：
光源，用于产生处理束；
第一光学元件，用于引导所述处理束到目标组织上；以及
多个第二光学元件，用于从所述目标组织发射出的光中产生所述目标组织的像；
其特征在于，所述手术设备还包括：
平移设备，用于相对于所述目标组织平移所述多个第二光学元件中的至少一个，以便
相对于所述目标组织平移所述多个第二光学元件的所述至少一个第二光学元件的光轴，以及
同时沿着所述目标组织移动所述处理束和由所述多个第二光学元件所限定的所述目标组织的视场，使得接收处理束的目标组织上的光斑相对于所述多个第二光学元件所限定的视场保持在固定的位置；以及
控制电路，用于控制所述平移设备以使得所述处理束按预定的图案沿着所述目标组织移动。
2.权利要求1所述的手术设备，其中，所述第一光学元件为镜，用于朝向所述目标组织反射所述处理束。
3.权利要求1所述的手术设备，其中，从所述目标组织发射出的光穿过所述第一光学元件并到达所述多个第二光学元件。
4.权利要求2所述的手术设备，其中，所述平移设备平移所述光源、所述镜以及所述多个第二光学元件。
5.权利要求2所述的手术设备，其中，所述平移设备平移所述镜和所述多个第二光学元件。
6.权利要求5所述的手术设备，还包括：
光纤，用于传输所述处理束至所述镜。
7.权利要求2所述的手术设备，其中，所述平移设备平移所述镜以及所述多个第二光学元件中的一部分而非全部。
8.权利要求3所述的手术设备，其中，所述平移设备平移所述第一光学元件。
9.权利要求8所述的手术设备，其中，所述第一光学元件为透镜。
10.权利要求9所述的手术设备，还包括：
壳体；以及
接触元件，被安装在所述壳体，用于接触患者眼睛，其中所述透镜通过所述平移设备安装在所述壳体上，并且其中所述平移设备相对所述壳体移动所述透镜。
11.权利要求1所述的手术设备，其中，所述平移设备平移所述光源和所述多个第二光学元件中的至少一个。
12.权利要求11所述的手术设备，其中：
所述处理束沿着第一光路，从所述光源穿过所述第一光学元件并到达所述目标组织；
从所述目标组织发射的光沿着第二光路，从所述目标组织穿过所述第一光学元件，并穿过所述多个第二光学元件；以及
所述第一和第二光路在空间上分离但彼此相交于一共同位置。
13.权利要求12所述的手术设备，其中：
所述多个第二光学元件包括限定物平面的透镜；并且
所述共同位置位于所述物平面。
14.权利要求1所述的手术设备，其中，所述多个第二光学元件中的至少一个包括靶标记，用于可视性的标注所述目标组织的位置，所述位置为所述处理束在所述目标组织上的入射处。
15.权利要求1所述的手术设备，其中，所述多个第二光学元件还包括：
标线设备，用于可视性标记所述目标组织的图像中的位置，所述位置为所述处理束在所述目标组织上的入射处。
16.权利要求15所述的手术设备，其中，所述标线设备还显示出关于所述处理束和所述光源的操作的至少一个的信息。
17.权利要求1所述的手术设备，其中，引导至所述目标组织的所述处理束为脉冲的，并且其中所述预定的图案包括多个间隔的光点。
18.权利要求17所述的手术设备，其中，所述光点被不规则的距离所间隔开。
19.权利要求1所述的手术设备，其中，所述预定的图案包括一条或多条曲线或直线。
20.权利要求1所述的手术设备，还包括：
用于产生对准束的第二光源，其中所述第一光学元件引导所述对准束到所述目标组织上，并且其中所述平移设备相对于所述目标组织平移所述第一光学元件或者所述多个第二光学元件中的至少一个，以同时沿着所述目标组织移动所述对准束和由所述多个第二光学元件所限定的所述目标组织的视场。
21.权利要求1所述的手术设备，还包括：
图形用户界面，用于操作所述控制电路。
22.一种手术设备，用于处理目标组织，包括：
光源，用于产生处理束；以及
多个光学元件，用于从所述目标组织发射出的光中产生所述目标组织的像；
其特征在于，所述手术设备还包括：
平移设备，用于相对于所述目标组织平移所述多个光学元件，以便相对于所述目标组织平移所述多个光学元件的光轴，以及
同时沿着所述目标组织移动所述处理束和由所述多个光学元件所限定的所述目标组织的视场，使得接收处理束的目标组织上的光斑相对于所述多个光学元件所限定的视场保持在固定的位置；以及
控制电路，用于控制所述平移设备以使得所述处理束按预定的图案沿着所述目标组织移动。
23.权利要求22所述的手术设备，其中：
所述处理束沿着第一光路从所述光源到达所述目标组织；
从所述目标组织发射的光沿着第二光路从所述目标组织穿过所述多个光学元件；以及
所述第一和第二光路在空间上分离但彼此相交于一共同位置。
24.权利要求23所述的手术设备，其中：
所述多个光学元件包括限定物平面的透镜；并且
所述共同位置位于所述物平面。
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