CN102665587A - 结构化照明探头和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种结构化照明手术系统，一个实施例包括：光源，所述光源用于提供光束；包括光纤的光缆，所述光缆光学地耦合到所述光源以用于接收并且传输所述光束；机头，所述机头可操作地耦合至所述光缆；光学元件，所述光学元件的近端光学地耦合到所述光纤的远端，用于接收所述光束并且散射所述光束以照明一区域(例如，手术部位)，其中所述光纤的所述近端的表面积；以及套管，所述套管可操作地耦合至所述机头，用于容纳并且引导所述光纤和所述光学元件。

Description

结构化照明探头和方法
技术领域
本发明一般地涉及手术器械和方法。具体地，本发明涉及用于在眼科手术期间照明区域的手术系统和方法。更加具体地，本发明涉及用于提供术野的结构化照明的照明探头。
背景技术
在眼科手术中，并且特别在玻璃体-视网膜手术中，外科医生依赖于各种技术提供对比以便可视化视网膜上的感兴趣特征。常用的技术是亮野成像、暗野成像和梯度野成像。通过依靠部分地重叠照明斑点使得特征的各部分由直接照明强照并且所述特征的各部分由散射光弱照或背照而照明所述特征，或者通过依靠在视网膜特征上移动照明束产生的动态对比，产生梯度野成像。由于通过经由小切口插入探头尖端而提供内窥镜照明，探头可能必须通过切口点而被铰接，并且照明探头相对于观察显微镜成有限入射角，因此提供期望的对比难以在实际手术环境中实现。
图案化(结构化)照明可以用于提供对比，籍此外科医生可以可视化眼部结构，例如视网膜结构。为了获得期望的对比照明，优选的是产生规则的照明图案(诸如螺旋环图案或环面图案的不规则照明图案不提供有利对比)。然而，可以有效地提供安全地用于眼科程序中的结构化照明的照明器探头还未出现。
图1和图2例示了用线性条纹的图案照明眼底的离轴部分的现有技术方法。由于条纹图案成离轴入射角照明眼底，因此视网膜表面中的任何隆起或凹陷对于观察者示出为弯曲条纹(图3)。当通过眼底照相机进行观察并加以分析时，条纹可以用于导出关于视网膜地形图的信息。然而，该类现有技术照明装置需要通过托架附连到眼底照相机的笨重离轴照明系统并且无法用于眼内显微手术。
因此需要一种眼科照明器，其可以提供术野的结构化、安全照明，同时克服与现有技术眼科照明器关联的问题和缺陷。
发明内容
本发明的用于术野的结构化照明的结构化照明探头和系统以及方法的实施例基本上满足这些和其它需要。本发明的一个实施例是一种手术照明系统，包括：光源，所述光源用于提供光束；包括光纤的光缆，所述光缆光学地耦合到所述光源以用于接收并且传输所述光束；机头，所述机头可操作地耦合至所述光缆；光学元件，所述光学元件的近端光学地耦合到所述光纤的远端，用于接收所述光束并且散射所述光束以照明一区域(例如，手术部位)，其中所述光学元件的所述近端的表面积大于所述光纤的所述远端的表面积；以及套管，所述套管可操作地耦合至所述机头，用于容纳并且引导所述光纤和所述光学元件。
光学元件可以是小号光导，可以是方形光导或锥体。例如，光学元件可以是丙烯酸酯锥体或.9mm乘.9mm方形光导，并且光纤是20号光纤。远端表面积较小的光纤和近端表面积较大的光学元件的组合导致在空间上未填满光学元件的入射孔径。结果是从光学元件的远端输出结构化照明。
套管、光学元件和机头可以由生物相容材料制造。光缆可以包括用于将光缆耦合到光源的光学连接器。这些连接器可以是本领域技术人员公知的标准照明探头光纤连接器，例如ACMI连接器。在一些实施例中，机头中的独立光纤可以耦合到光学元件的近端并且耦合到光缆中的一个光纤或多个光纤的远端。光学元件、光纤和光缆(即，光缆内的一个或多个光纤)应当是规格兼容的，从而将来自光源的光束传输到术野。例如，所有三个元件可以是相同规格的。
本发明的另一个实施例是一种结构化照明探头，其可以小号照明探头，包括：光纤，所述光纤可操作以接收光束并且传输所述光束以照明一区域；机头，所述机头可操作地耦合到所述光纤；光学元件，所述光学元件的近端光学地耦合到所述光纤的远端，用于接收所述光束并且散射所述光束以照明一区域，其中所述光学元件的所述近端的表面积大于所述光纤的所述远端的表面积；以及套管，所述套管可操作地耦合到所述机头，用于容纳并且引导所述光纤和所述光学元件。所述区域可以是手术部位，例如视网膜。
本发明的其它实施例可以包括一种使用根据本发明的教导的结构化照明器进行术野的结构化照明的方法，以及本发明的结构化照明器的外科机头实施例在眼科手术中的用途。另一个实施例可以包括一种通过将光学元件(如上所述)或远侧光纤选择性地耦合到与光源耦合的光纤而提供结构化和常规照明的照明器。远侧光纤和光学元件可以都容纳在套管中并且例如借助于机械致动器进行选择。远侧光纤可以具有与光纤相同的直径。此外，本发明的实施例可以并入用于眼科或其它手术中的手术机器或系统。根据本发明的教导设计的结构化照明器的其它用途将是本领域的技术人员公知的。
附图说明
通过参考结合附图进行的以下描述可以获得本发明及其优点的更全面理解，在附图中相似的附图标记指示相似的特征，并且其中：
图1-3是为了确定视网膜地形图而离轴照明眼底的现有系统和方法的图形表示；
图4是根据本发明的教导的用于结构化照明的系统的实施例的图形表示；
图5是本发明的结构化照明器探头的实施例的远端的近视图的图形表示；
图6是根据本发明的教导的结构化照明器的实施例的图形表示；
图7A和7B例示了可以由根据本发明的教导的结构化照明器探头的实施例提供的预测结构化照明图案；
图8A和8B例示了可以由根据本发明的教导的结构化照明器探头的其它实施例提供的预测结构化照明图案；
图9是由根据本发明的教导的结构化照明器的实施例产生的圆形斑点的实际直线网格图案的图像；
图10是本发明的结构化照明器探头的实施例的横截面图的图形表示，所述结构化照明器探头包括未填满方形光导的圆形20号光纤；
图11示出了可以由根据本发明的教导的结构化照明器探头的实施例提供的圆牛眼形结构化照明图案；
图12是根据本发明的教导的结构化照明器的实施例的图形表示，所述结构化照明器包括锥形光学元件；
图13A-13C例示了根据本发明的教导的结构化照明器探头的实施例的图案化和非图案化输出，所述结构化照明器探头具有耦合到高NA源的光学元件；
图14是本发明的结构化照明器探头的实施例的图形表示，所述结构化照明器探头包括方形光管光学元件；
图15A和15B是根据本发明的教导的结构化照明器的双功能实施例的图形表示；以及
图16是例示了本发明的广角照明器的实施例在眼科手术中的使用的图示。
具体实施方式
在附图中例示了本发明的优选实施例，相似的附图标记用于表示各图的相似和相应部分。
本发明的各实施例提供用于手术程序中(例如玻璃体-视网膜/后段手术中)的基于小号(例如，19、20、25或更小号)光纤的内部照明器装置。本发明的实施例可以包括连接到小号套管(例如，19、20、25或更小号)的机头，例如由得克萨斯州沃思堡市的AlconLaboratories，Inc.销售的Alcon-Grieshaber Revolution-DSPTM机头。根据本发明的教导，套管的内部尺寸可以容纳光纤，所述光纤可以终止于至光学元件(例如光导)的光耦合，或者终止于可选择的光导和远侧光纤组合。结构化照明器的实施例可以被配置成用于眼科手术的一般领域中。然而，可以预料并且本领域的技术人员将认识到本发明的范围不限于眼科学，而是可以一般地应用于可能期望结构化照明的其它手术领域。
本发明的实施例提供一种用于在手术部位产生结构化照明的照明探头、系统和方法。结构化照明例如可以包括方形或圆形上的直线网格图案、成任何期望的角方向定向的一系列平行线、单环或多环图案或这些图案的组合。通过将光导光学地耦合到输送光纤的远端使得在空间上未填满光导的入射孔径(近端表面)，产生总探头传输损失最小的图案化(结构化)照明器输出。未填满的程度、未填满的非对称性、光导的形状和将输送光纤的远端修改成不同形状(例如，圆形、椭圆形或近似方形)可以提供照明器输出图案的设计控制。本发明的结构化照明器的实施例可以是方向性或枝型照明器，或本领域的技术人员公知的其它眼科照明器类型。本发明的结构化照明器的实施例可以提供视网膜结构和/或视网膜表面地形图的改善可视化。
本发明的照明器的实施例可以从照明器套管的远端产生呈规则或不规则网格图案形状(例如，圆形、方形、椭圆形、矩形或其它更复杂的形状)的形式的结构化照明。其它实施例可以产生呈线性图案、对称或非对称环形(例如，牛眼形)图案的形式的结构化照明，并且在至少一个实施例中，同时地或顺序地产生结构化和常规照明或多个结构化照明图案。
本发明的结构化照明器的一个实施例可以包括由生物相容聚合材料制造的光纤、光学元件、管茎(套管)和机头，使得可以将结构化照明器的有创部分制造为低成本的一次性手术用品。不同于现有技术，本发明的结构化照明器的实施例可以在玻璃体-视网膜手术期间仅仅使用结构化照明或在双功能实施例中同时地或顺序地使用结构化和常规照明的组合提供视网膜结构的增强对比。由生物相容聚合材料制造的本发明的实施例可以被整合到低成本、铰接机头机构中，使得这些实施例可以包括便宜的一次性照明器械。
图4是手术系统2的图形表示，所述手术系统包括机头10，用于将来自光源12的光束通过线缆14输送到管茎16。线缆14可以是本领域中公知的任何规格的光纤，例如19、20或25号光纤。此外，线缆14可以包括单光纤或多个光纤，所述光纤光学地耦合到光源12以接收光束并且将光束通过机头10传输到管茎16内的光纤22。管茎16被配置成容纳光纤22和在管茎16的远端的光学元件20，如图5-6中更清楚地所示。耦合系统323可以包括在线缆14的每个端部的光纤连接器以将光源12光学地耦合到机头10内的光纤22，如下面更完整地所述。
图5是例示了光学元件20的一个实施例的更详细图示。图5提供了管茎16的远端的放大图。管茎16被示出为容纳光纤22和光学元件20。光学元件20典型地耦合到光纤22，所述光纤可以自身光学地耦合到纤维光缆14。在一些实施例中，纤维光缆14可以包括从光源耦合延伸通过机头10并且直接光学地耦合到光学元件20的光纤。对于这些实施例，不使用独立光纤22。光纤22/14的远端表面可以光学地结合到光学元件20的近端表面，如下面更完整地所述。光学元件20例如可以包括光学级机械加工或注塑的塑料或其它聚合物光导或锥体。
当在机头10内实现时，光纤22具有与纤维光缆14的规格兼容的规格，使得它可以接收并且传输来自纤维光缆14的光。机头10可以是本领域中公知的任何外科机头，例如由得克萨斯州沃思堡市的Alcon Laboratories，Inc.销售的Revolution-DSPTM机头。光源12可以是氙光源、卤素光源、LED光源或能够提供用于输送通过光纤的光的任何其它光源。管茎16可以是本领域的技术人员公知的小号套管，例如在18至30号的范围内。管茎16可以是本领域的技术人员公知的不锈钢或合适的生物相容聚合物(例如，PEEK、聚酰亚胺等)。
光源12可以例如使用在纤维光缆14的端部的标准ACMI光纤连接器光学地耦合到机头10(即，耦合到光纤22)。这允许从光源12通过纤维光缆14到达机头10并且最后从在管茎16的远端的光学元件20发射的光的高效耦合。光源12可以包括本领域的技术人员公知的滤光器以减小源自光源的吸收红外辐射的有害热效应。光源12的(一个或多个)滤光器可以用于以不同颜色的光选择性地照明术野以例如激励手术染色。
在发生以下情况的任何时候可以发生从具有至少某种程度的径向对称性的多模光纤发射的光的空间图案化：在光纤的入射孔径处的光的亮度是非对称地在空间上非均匀的；如果光纤不是在其整个长度上都是自的(即，至少一部分为锥形)，则在光纤的入射孔径处的亮度的空间非均匀性不需要是非对称的；或者如果某个特征或阻塞以100％效率阻止所有光线穿过光纤(例如在光管侧的覆层的区域中的吸收片)。这些现象会发生在现有照明探头中，但是通常被认为是对总体照明有害。然而，已发现例如由本发明的实施例提供的某些结构化照明可以有利于增强观察者(例如，外科医生)区分视网膜特征(例如，那些具有相对于周围视网膜组织隆起或凹陷的区域的视网膜特征)的能力。
图6示出了根据本发明的结构化照明器探头的一个实施例。结构化照明器探头300包括机头310和光缆314，所述光缆包括保护外套和可操作地耦合到机头310的光纤322。光纤322可以光学地耦合到光源(未示出)以接收光束并且将光束传输至光学元件320。光纤322的远端和该光学元件320容纳在套管316内。光学元件320接收来自光纤322的光束并且在其远端提供图案化照明350作为输出。在图6中可以看到，光纤320具有小于光学元件320的横截面面积(即，光纤322远端表面的表面积小于光学元件320近端表面的表面积)。光学元件320可以具有圆形、方形、椭圆形或其它横截面形状并且可以具有光导或锥体。
套管(管茎)316可以由钢制成并且可以平滑地弯曲，从而仅仅在最远端接触光学元件320，如图5中所示，或者可以在沿着其长度的任意点接触光学元件。在一个或多个接触点处，光学元件320可以借助于粘合剂结合到管茎316以提供机械强度和密封，由此防止来自眼睛的液体进入光学元件320和管茎316之间的任何气隙。光学元件320还可被耦合到管茎316以使其远端略微延伸超出管茎316远端。光纤322和光学元件320可以通过简单接触、使用光学粘合剂或通过本领域的技术人员公知的其它结合技术光学地耦合，使得光纤322非对称地耦合到光学元件320以产生结构化输出图案350。
图7A和7B例示了可以由本发明的照明器探头的实施例提供的包括方形的直线网格的预测的结构化照明图案。在图7A和7B中产生的图案由这样的实施例创建，所述实施例具有修改成方形的光纤322的远端并且所述远端耦合到包括更大方形光导的光学元件320。图7A表示方形图像的高密度阵列并且图7B表示方形图像的低密度阵列。
图8A和8B例示了可以由本发明的照明器探头的另一个实施例提供的包括方形的直线网格的预测的结构化照明图案。在图8A和8B中示出的图案由这样的实施例创建，所述实施例具有带有常规圆形端部的未修改的光纤322，所述端部耦合到包括更大表面积的方形光导的光学元件320。图8A表示方形图形的高密度阵列并且图8B表示方形图像的低密度阵列。
图9是由本发明的结构化照明器的实施例创建的圆形斑点的实际直线网格图案的图像，所述结构化照明器包括未填满.9mm乘.9mm方形光导320的圆形20号光纤322，如图10中的横截面细节所示。可以通过孔径化光导320的输出而去除输出图案(光束)周边处的光条纹。
本发明的结构化照明器的实施例也可以提供例如图11中所示的圆牛眼形照明图案。这样的图案可以由包括光学地耦合到光纤422的锥体的光学元件420创建，如图12中所示。图12的光纤422和光学元件420是类似的并且提供如关于先前各图中的元件20、22和320、322所述的功能。如图12中所示，光纤422将光束(如先前关于其它实施例所述)传输到光学元件420，未填满光学元件(锥体)420的入射孔径。光学元件420可以是丙烯酸酯锥体。
上述实施例使用典型地具有限制到.5或.63的NA(数值孔径)的标准光纤提供结构化照明。替代地，其它实施例可以包括光学地耦合到高NA源(例如，LED或高NA光子晶体或光子带隙光纤)的光学元件。在这样的实施例中，图案将延伸遍布耦合到光学元件的源的整个NA。图13A-13C例示了这样的实施例的图案化和非图案化输出。图13A示出了在远侧光导未就位的情况下来自LED源的裸输出。图13B和13C示出了在光导就位的情况下由相同LED源创建的图案化输出，在该例子中使用朗伯(Lamberian)发射LED源未填满方形横截面光管(光学元件)。图14是这样的实施例的图形表示，示出了包括方形光管的光学元件520。光管520被示出为由朗伯LED源未填满。
图15A和15B是本发明的结构化照明器的双功能实施例的图形表示。在该实施例中，机头510包括用于在光学元件520的两个远侧输出路径之间进行选择的致动器512，所述致动器可以是本领域的技术人员公知的机械、电、磁或其它致动机构。在该实施例中，光学元件520包括提供标准照明的远侧光纤525和根据本文所述的教导提供结构化照明的远侧光导530。操作中，用户可以借助于致动器512在两个输出路径之间进行选择，所述致动器可以使输送光纤522与远侧光纤525或远侧光导530机械地对准，例如如图15A中所示。精确限位件540确保输送光纤522与远侧光纤525或远侧光导530之间的正确对准。本发明的这样的实施例的用户因此可以具有由其支配的双功能探头，所述双功能探头可以根据需要提供任一类型的照明而不需要更换器械。
图16例示了本发明的结构化照明器的一个实施例在眼科手术中的使用。在操作中，机头10输送光束通过管茎16(经由光纤22/14)并且通过光学元件20以照明眼30的视网膜28。通过机头10输送到光学元件20的光由光源12生成并且借助于纤维光缆14和耦合系统32输送以照明视网膜28。光学元件20可操作地在视网膜上以期望的图案提供结构化照明以提供视网膜特征的有用可视化所需的对比。
尽管在本文中参考示例性实施例详细地描述了本发明，但是应当理解所述描述仅仅作为例子而不应被理解为具有限制意义。所以还应当理解本领域的技术人员在参考了该描述之后将显见并可进行本发明的实施例的细节的许多变化和本发明的附加实施例。可以预料所有这样的变化和附加实施例在如所附权利要求限定的本发明的精神和真实范围内。因此，尽管特别地参考眼科手术的一般领域描述了本发明，但是包含在本文中的教导同样适用于期望提供手术部位的结构化照明的任何场合。

Claims (19)

1.一种结构化照明探头，包括：
光纤，所述光纤可操作以接收并且传输光束；
机头，所述机头可操作地耦合至所述光纤；
光学元件，所述光学元件的近端光学地耦合到所述光纤的远端，用于接收所述光束并且散射所述光束以照明一区域，其中所述光学元件的所述近端的表面积大于所述光纤的所述远端的表面积；以及
套管，所述套管可操作地耦合至所述机头，用于容纳并且引导所述光纤和所述光学元件。
2.根据权利要求1所述的结构化照明探头，其中所述光学元件是机械加工的或注塑的塑料。
3.根据权利要求1所述的结构化照明探头，其中所述光学元件是19、20或25号光学元件。
4.根据权利要求1所述的结构化照明探头，其中所述套管和所述机头由生物相容材料制造。
5.根据权利要求1所述的结构化照明探头，其中所述光纤在近端光学地耦合到光缆，其中所述光缆可操作地耦合至所述光源以将光束传输至所述光纤。
6.根据权利要求5所述的结构化照明探头，其中所述光缆的规格和所述光纤的规格是相同的。
7.根据权利要求1所述的结构化照明探头，其中所述光源是氙光源。
8.根据权利要求1所述的结构化照明探头，其中所述光源是LED光源。
9.根据权利要求1所述的结构化照明探头，其中所述光学元件是光导。
10.根据权利要求1所述的结构化照明探头，其中所述光学元件是锥体。
11.一种结构化照明系统，包括：
光源，所述光源用于提供光束；
包括光纤的光缆，所述光缆光学地耦合到所述光源以用于接收并且传输所述光束；
机头，所述机头可操作地耦合至所述光缆；
光学元件，所述光学元件的近端光学地耦合到所述光纤的远端，用于接收所述光束并且散射所述光束以照明一区域，其中所述光学元件的所述近端的表面积大于所述光纤的所述远端的表面积；以及
套管，所述套管可操作地耦合至所述机头，用于容纳并且引导所述光纤和所述光学元件。
12.根据权利要求11所述的结构化照明系统，其中所述光学元件是机械加工的或注塑的塑料。
13.根据权利要求11所述的结构化照明系统，其中所述光学元件是19、20或25号光学元件。
14.根据权利要求11所述的结构化照明系统，其中所述套管和所述机头由生物相容材料制造。
15.根据权利要求11所述的结构化照明系统，还包括在所述套管的远端处在所述光学元件和所述套管之间的密封件。
16.根据权利要求11所述的结构化照明系统，其中所述光源是氙光源。
17.根据权利要求11所述的结构化照明系统，其中所述光源是LED光源。
18.根据权利要求11所述的结构化照明系统，其中所述光学元件是光导。
19.根据权利要求11所述的结构化照明系统，其中所述光学元件是锥体。
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