CN103142200A - 使用微型内窥镜的便携式成像系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种可用车运送的或者人可携带的系统以及执行内窥镜程序的方法。一种便携式显示装置，比如膝上型计算机，被耦合到包括微型照相机和纤维光学照明子系统的手柄上。一种无菌一次性部分装备在照明子系统上并被插入到患者的目标区域中。在内窥镜程序执行时，目标区域的图像从照相机被传送到显示装置，因此便于在程序执行过程中进行实时诊断。

Description

使用微型内窥镜的便携式成像系统
本申请是2007年8月30日递交的申请号为200780040287.9，发明名称为“使用微型内窥镜的便携式成像系统”的分案申请。
技术领域
本申请是申请于2007年4月20日的、申请号为11/788,747的美国专利申请的部分继续申请，而美国专利申请11/788,747又是申请于2006年8月30的申请号为11/512,715的美国专利申请的部分继续申请，而美国专利申请11/512,715又是申请于2006年3月8日的申请号为PCT/US06/008342的国际申请的部分继续申请，而国际申请PCT/US06/008342又是申请于2005年3月8日的美国专利申请11/075,827的部分继续申请，而申请11/075,827又是申请于2001年10月19日的申请号为10/042,126的美国专利申请的部分继续申请。本申请要求申请于2005年3月4日的，当前的申请号为11/072,685，名称为“MiniatureEndoscope With Imaging Fiber System”的美国专利申请为优先权。上述申请的全部内容在此被并入作为参考。
背景技术
内窥镜能够使得对腔内组织结构进行可视化检查。在医疗领域中，内窥镜的使用可以允许为了治疗而检查器官、查看手术部位、对组织进行取样或方便安全地操纵其它手术仪器。
举例来说，腹腔镜被专门用于检查腹部中器官。腹腔镜典型地包括用于照明待被检查区域的光管、至少一个用于聚焦和传递被照明对象的图像的透镜组件、以及用于全部组件的壳体，该壳体被构造成在外科手术期间对组织的损害减少到最小。光管可以包括用于照明部位的光纤元件。腹腔镜壳体包括能够被插入到体腔中的远端截面和近端截面，所述的近端截面可以包括手柄，使用者握着这个手柄可以将远端定位在手术部位的附近。
现有的内窥镜可以包括成像装置，诸如光电耦合装置(CCD)。这个装置可以捕获正在被查看的对象的图像，并将它传送给显示装置，比如监视器。对内窥镜系统的操作特征及工艺性的提高有着持续的需求，以及改善成像能力和减少对患者的危险。
发明内容
本发明是涉及一种具有改进稳定性、分辨率和视野的小直径的成像探针或内窥镜。在本发明优选的实施方案中，包括一次性护套的探针的远端可以在检查中被插入到组织中。探针具有少于3毫米的直径，而且优选的是少于2毫米的直径，以减少在插入点上产生的外伤，并从而提供到部位的路径，否则对于内窥镜工序来说是无法接近的。
在优选的实施方案中，内窥镜具有将来自远端的图像传递到近端的光纤波导。透镜系统被布置在光纤波导的远端处。成像装置被光学耦合到光纤波导的近端上。护套围绕光纤波导延伸，所述的护套包括照明纤维。尽管优选的实施方案利用具有2mm或更少的外径的探针和护套组件，但是一些应用也适合具有大量成像纤维的较大直径的仪器以提供更高分辨率的图像。这些应用可以利用在2-4mm范围内的外径。
在一个实施方案中，透镜系统具有第一透镜元件、第二透镜元件和孔径光阑。透镜系统将光从目标上的任何给定位置上耦合到众多光学纤维上，这样光的数值孔径的作为关于透镜系统的纵向轴的角度的函数而变化。这样就提供了与纤维孔径更加有效的连接。这点可以通过使用非远心透镜系统来实现。
透镜系统的一个优选的实施方案包括一对透镜和孔径光阑。所述的透镜被定以形状来改善远端透镜外围周围的光的收集。这样就提供了横贯装置整个视野的清楚的图像。所述的孔径光阑被如此定位以提供与纤维阵列有效的连接。
成像装置可以是电耦合装置(CCD)、CMOS成像装置或其他具有二维阵列像素元件的固态成像传感器。成像传感器被安装在手柄组件中的电路板上。传感器可以捕获正在被观察的目标的图像，以及安装在电路板上的图像处理电路将图像数据通过视频电缆传递给计算机以进行存储、处理和/或显示。
微型内窥镜系统可以被用于，举例来说，整形外科、风湿免疫疾病(rhematologic)、一般的腹腔镜手术、妇产科或耳、鼻和喉程序，小的和大的关节，心脏、肿瘤、肺、胸部、大脑、GI和兽医的应用。尽管很多应用要求很小的直径以减少损伤，但是一些应用可以适应较大的尺寸。探针可以包括位于护套中或者位于成像探针中的敞开通道以插入其他手术器件以便于用液体冲洗部位、将光或其它能量源引导到治疗部位上、或者移出组织样本。
护套组件可以包括延伸到护套轮轴组件上的连接器上的同心照明纤维阵列。作为替代的，该照明纤维可以耦合到探针组件中的纤维连接器上，其是借助于从手柄延伸到光源壳体的光缆被直接耦合。所述的壳体可以包括视频光盘记录器，该记录器将视频写入到光盘中。对于一些应用来说，照明捆被布置在探针内，这样护套就会更加的细或者可以适应更大的工作通道。
当前的系统，当确定它们在直接的可视化情况下处于正确的位置时，其具有四个用于整形外科手术应用的优选的应用：诊室内诊断，外科手术的切除/程序，诊室内手术后评估，以及将药物递送给关节处的治疗应用。
除了应用在诊室内，该系统还可以应用在手术室中，而不是标准的关节内窥镜。通过减少对用于组织的膨胀的关节内窥镜冲洗液体或较大核心照相机的使用，关节内窥镜程序带来的的疼痛感和膨胀如果没有被消除也会实质上被减少。患者可以在第二天就回到工作岗位或运动场。
所述的系统用于对组织和结合移植程序的处理过程的术后评估，其通常不可能使用常规的MRJ技术。实施例包括：关节软骨重新露面程序的评估、半月板修复、上唇修复、旋转轴肌修补、关节表面的断裂复位、韧带重建和其他的应用。
系统包括计算机(或者其他的观察系统)、照相机、光源和在程序之间不需要再处理的可再使用手柄、无菌屏障和针对单个患者使用的且是一次性的透镜部件。系统消除了对空间的需求、再处理设备的花费、人力和时间敏感内窥镜再杀菌相关的花费。在优选的实施方案中，手柄、护套组件和控制系统是便携式的，而且具有10磅或更少的总重量。
附图说明
通过以下对本发明优选的实施方案的更加具体的描述，本发明前面所述的以及其他的目标、特征和优点将会更加的明显。在附图中，相同的参考数字在各个图中都指代相同的部件。附图并不是严格按照比例绘制的，其重点在于示出本发明的原理。
附图1示出根据本发明的微型内窥镜系统的一个示意图；
附图2是套管的横截面图；
附图3是在套管中套管针的横截面图；
附图4是微型内窥镜的透视图；
附图5是具有在一次性护套上的套管的微型内窥镜的截面图；
附图6A是一次性护套/照明单元的截面图；
附图6B是一次性护套远端的放大的截面图；
附图7A是沿着附图6A中的线7A-7A剖开的一次性护套/照明单元近端的截面图；
附图7B是沿着附图6A和6B中的线7B-7B剖开的一次性护套远端的前视图；
附图8是示出照明猪尾管的一次性护套/照明单元的侧视图；
附图9是微型内窥镜的成像单元的截面图；
附图10A是由在图9中的10A表示的部件所指出的成像单元远端放大视图；
附图10B是沿着附图10A的线10B-10B的成像单元远端的前视图；
附图11是沿着附图10A的线11-11的成像单元的放大的局部截面图的示意图；
附图12是远端透镜系统的放大视图；
附图13是用于内窥镜的远端的不同透镜系统的最大放射角度与标准成像高度的正弦曲线图；
附图14是远端透镜系统的另一个实施方案的放大视图；
附图15是内窥镜的另一个实施方案的截面图；
附图16A是沿着附图15的线16A-16A的内窥镜的截面图；
附图16B是沿着附图15的线16B-16B的内窥镜的截面图；
附图16C是由附图16B中的10C所限定的部件所表示的成像单元的放大的截面图；
附图16D-L示出本发明优选的实施方案；
附图16M-P示出根据本发明的一次性部件的横截面图和端视图；
附图17A是内窥镜的另一个实施方案的截面图；
附图17B是沿着附图17A的线17B-17B的内窥镜的截面图；
附图18是两部分一次性护套/照明单元的侧视图；
附图19是用于本发明优选实施方案的一个控制单元的示意图；
附图20示出应用本发明优选的方法；
附图21示出根据本发明的便携式内窥镜系统优选的实施方案；
附图22A示出根据本发明的内窥镜的优选的实施方案；
附图22B示出用于本发明另一个优选实施方案的控制系统；
附图23是护套的端视图；
附图24A是优选的内窥镜装置的示意图；
附图24B是探针插入部分的横截面图；
附图24C-24I示出根据本发明的内窥镜系统优选的实施方案；
附图25是内窥镜装置另一个优选实施方案的示意图；
附图26示出根据本发明另一个优选实施方案的照明套管的横截面视图；
附图27示出附图26的套管的横截面视图；
附图28示出使用根据本发明优选实施方案的贴有标签的一次性装备的方法。
具体实施方式
附图1中所示出的实施方案示出了微型内窥镜20。该内窥镜20具有成像单元22和护套/照明单元24。内窥镜20具有图像传输路径，比如在用于观察待被检查的目标的杆末端29的加长管28中的多个光导纤维26，其在附图11和12中在纤维146上被更好的示出来。光导纤维26被光学地耦合到手柄32中的成像装置30上，比如在附图9中所示出的电耦合装置，或者其他的像素平板传感器。护套/照明单元24的一次性护套34覆在含有光导纤维26的杆末端29的加长管28上面。一次性护套34的近端具有底部35，该底部35带有用于将护套固定在手柄32上的安装机械装置36。在一个实施方案中，护套/照明单元24的一次性护套34具有多个光导纤维，其用于将光传送到一次性护套34的远端和远端探针29。一次性护套/照明单元24的远端具有连接到光源40上的连接器38。
手柄32可以容纳功率输入端41，该功率输入端41用于向内窥镜20提供功率。可以意识到的是，光源40和/或电源可以被安装在手柄32内。
手柄32也可以容纳图像输出端42。图像输出端42提供内窥镜20的成像单元22中的成像装置与电子存储器和/或显示装置之间的连接。在一个实施方案中，存储装置是被连接到监控器46上的计算机44。控制单元250在附图19中将进行更加详细的描述。
如在接下来更加详细的描述中所述的，成像单元22不需要消毒，这是因为成像单元22并不需要接触到身体，或者直接暴露给身体。护套/照明单元24具有一次性护套34，该一次性护套34是套式组件52，这种套式组件52由被固定到成像单元22上的底部35来承载，而且其覆在加长管28上以生成已消毒的屏障。另外，护套/照明单元24具有已消毒的帘子52，其被安装在护套/照明单元24的底部35上，而且该帘子52被布置覆在成像单元22的剩余部分上以提供一个无菌环境。
内窥镜以及具有一次性护套的内窥镜在申请于2000年9月13日的PCT申请PCT/US00/25107中和申请于2000年3月6日的美国专利申请09/518,954中被描述。上述申请的全部内容作为整体在此被并入本文作为参考。
在进一步详细讨论内窥镜20之前，为了使用这个内窥镜20，需要将内窥镜20布置在身体中以查看所期望的位置。一种这样的方法是将套管60插入到身体中并使内窥镜20穿过套管60。一种将套管60插入到身体中以及通过使用套管60而将内窥镜20插入到身体中的方法将在下面描述。
在插入过程中，套管60，如附图2中所示，首先被插入到身体内的一个部位中。所述的套管60具有底部62和管64。管64具有从远端68延伸到底部62中的空间70中的轴66。在一个实施方案中，所述的管64由诸如塑料或薄壁不锈钢的柔性材料制成。套管60具有路厄(luer)72用于药物或液体的插入或者用于附着到抽气装置上。
为了将套管60插入到身体中，如图3所示，套管针76通过容纳在套管60的轴66内的套管针76的钢性轴78被插入到套管60中。套管针76的钢性轴78稍微伸出套管60的管64的远端，并且其具有探针80以当必要时在手术部位上切割组织。一旦套管60被定位在手术部位上，套管针76就从套管60中被移走，并且内窥镜20被安装。通过使用者的手感触位置来定位套管60。
虽然套管60和套管针76相对最小化了成本且可以在使用之后在杀菌或处理之后能够再次使用，但由于在内窥镜20中有很多的部件，比如在成像装置22中的各种部件，因此还不能指望能够处理整个内窥镜20。内窥镜20使用一次性套管或护套34来帮助维持无菌环境并且减少或消除在再次使用之前的对杀菌的需求。
以上描述了将内窥镜20插入到套管60中以使内窥镜20的远端处在合适的位置上的方法，接下来将进一步详细描述内窥镜20。参考附图4，该附图示出内窥镜20的立体图。内窥镜20具有可再次使用的成像单元22和一次性的护套/照明单元24。一次性护套/照明单元24具有用于覆盖和围绕成像单元22的加长管28的加长管。护套/照明单元24的加长管具有密封的远端84，而且有几个实施方案包括光纤用以将照明从外部光源40，如在附图1中所示的，传送到远端84。在护套/照明单元24的近端处是具有安装机械装置36的底部35，所述的安装机械装置用于固定内窥镜20的成像单元22。光学猪尾管88从底部35伸出来以连接光源40。另外，护套/照明单元24具有帘子52，其被安装在底部35上，并延伸越过成像单元22的手柄32。成像单元22的手柄32含有光学装置和成像装置32以接收通过位于成像单元22的加长管28中的光导纤维26所传递过来的图像，这将在下面接合附图9-11中进行更加详细的描述。
附图5是微型内窥镜20的截面图，该微型内窥镜20包括具有成像光导纤维26的可再次使用的成像单元22和一次性护套/照明单元24。如图所示，套管60覆盖护套/照明单元24的一次性护套34上，所述的护套/照明单元24覆盖了成像单元22的探测器29。
如在附图5中所示，内窥镜20的可再次使用的成像单元22被一次性无菌护套/照明单元24所围绕。所述的一次性护套/照明单元24具有一次性护套34，该护套34在远端84处被密封并且围绕和包围了承载成像单元22的光导纤维26的加长管28。在护套/照明单元24的底部35上的安装机械装置36被固定到成像单元22的安装机械装置92上。
一次性护套/照明单元24具有围绕成像单元22的手柄的帘子52。另外，护套/照明单元24具有连接到如附图1中所示的光源40上的照明猪尾管。照明猪尾管88被光学耦合到护套中的光导纤维上，这将在接下来进行更加详细的描述。
参考附图6A，其示出了护套/照明单元24的侧视图。护套单元24具有一次性护套34，该护套34具有加长的外部护套98，其从底部35处延伸到远端84。照明猪尾管88从底部延伸出来，并被光学耦合到护套34内的照明纤维上，如在附图7中所示。帘子52由护套/照明单元24的底部35所承载用以在两个单元22和24合并时覆盖成像单元22的手柄35。
附图6B是护套/照明单元24的一次性护套34的远端84的放大视图。一次性护套34具有外部护套98，该外部护套98从在附图6A中所示的底部35内延伸出来并且作为护套单元24的防护罩和无菌屏障。与外部护套98隔开的且同心的是一次性护套34的内部管100。该内部管100在间隔102中限定了一个圆柱空间，其用于接收成像单元22的探测器29的加长管28。内部管100同样从一次性护套34的远端84到护套/照明单元22的底部35。内部管100比外部护套98要进一步延伸出来，用以产生通道106来接收众多的照明纤维108，如在附图6A和7A中所示出的。在内部管100的远端处被布置一个窗口110，该窗口被固定到内部管100上以使无菌屏障84位于用于接收成像单元22的加长管28的空间102和与身体接触的护套/照明单元24的外部部分之间。
在优选的实施方案中，护套/照明单元24的一次性护套34的外部护套98是由不锈钢材料制成的，并且其具有大约0.038英寸的外部直径。内部管100同样由不锈钢材料制成。照明纤维108是由玻璃或塑料纤维制成。根据装置的尺寸，最大数量的照明纤维108被用来填充通道106。在一个实施例中，一次性护套34从护套/照明单元24中延伸2.246英寸。
置于外部护套98和内部管之间的是围绕内部管100的众多照明纤维108，如在附图7A和7B中所示的。附图7A是一次性护套24贯穿底部35的截面图。外部护套98被显示在附图7A的下半部分中，并且其终止于附图7A的上半部分中切断部分之前。然而，限定了空间102用以接收成像单元22的加长管28的内部管100延伸到接收舱室114中，如在附图6A中所示，因此该内部管100出现在附图7A的上半部分和下半部分两者中。来自照明猪尾管88的光通过纤维108，如附图6A所示，被传递到在附图7A上半部分出现的照明单元118中，其邻接于位于外部护套98和护套/照明单元24的一次性护套34的内部管100之间的照明纤维108。
附图7B示出一次性护套/照明单元24的远端84。窗口110覆盖并且密封空间102，所述的空间102接收成像单元22并且被内部管100所围绕。置于外部护套98和内部管100之间的是众多照明纤维108。在一个所示出的实施方案中，照明纤维108的远端没有得到保护，而是被暴露给身体。
附图8类似于附图6A，其也示出了一次性护套/照明单元24。另外，附图8示出了整个照明猪尾管，这个照明猪尾管在附图6A中是被折断的。
照明猪尾管88具有连接装置38用于连接到光源40上的连接器上。照明猪尾管88具有众多个光导纤维，这些光导纤维从连接装置38一直到纤维108，所述的纤维108将从光源接收到的光传递到附图7A中所示的照明单元118中，并在84处排出。
参考附图9，其示出内窥镜20的成像单元的截面图。成像单元22具有探针29，该探针具有从手柄32延伸出来的加长管28。在手柄32的近端处是成像装置。在这个实施方案中，将光学图像转换成电图像的电耦合装置(CCD)30B被承载在手柄32的可拆卸壳体120A中。置于在加长管28中延伸的光导纤维或纤维26和CCD30B之间的是众多透镜122A，这些透镜用于捕获光导纤维或纤维26的近端124的图像给CCD30B。玻璃窗口122B被附着在壳体120B上并为周围提供密封。它也防止透镜遭到污染。
成像单元22将来自光导纤维26的图像进行放大并将其耦合到电耦合装置30B上。如前面所描述的，电耦合装置被连接到电存储器和/或显示装置上，比如被连接到监控器46上的计算机44，如图1中所示。
成像单元22的手柄32具有与护套/照明单元24的安装机械装置36耦合的安装机械装置128。安装机械装置128具有用于接收位于安装机械装置36上的管脚的狭缝130。另外，安装机械装置128具有突出物134，该突出物134从探针29中突出出来，并被护套/照明单元24的接收舱室114所接收，如附图6A中所示。
成像单元22的远端的放大图在附图10A中被示出。成像单元22的杆末端29具有加长管28，该加长管28从远端126延伸到手柄32的壳体120。在杆末端29的远端126还有一个管138，所述的管138从远端126延伸出微小的一段距离，并延伸超过光导或图像纤维26的末端微小的一段距离。所述的管138一般是指较长的管，因为与较长的管138同心的更短且更小直径的管140被接收在长管138中，并且延伸远端126上的透镜系统。加长的或外部的管128、长管138和小管140被这样安装，以至于他们的远端是齐平的并且被粘合剂所固定，比如医用环氧树脂。在成像单元22的加长管28的远端处是透镜系统142，其将在接下来进行更加详细的描述。成像单元22的加长管28被容纳在一次性护套/照明单元24内，并因此不需要在第一次使用之前进行消毒。
附图10B是成像单元22的远端126的端视图。透镜系统142、小管140、长管138和外部的或加长管28都在图中被示出，并且它们都是同心的。
参考附图11，其示出内窥镜20的成像单元22的截面图。成像单元22的探针29具有众多的纤维146以将来自杆末端29的远端126的图像传递给手柄32。在杆末端29的远端处围绕纤维146的是长管138，其用于将图像纤维26的纤维146支持在适当位置上。外部或加长管28围绕长管138并从杆末端29的远端126附近的开始端到手柄32内的另一端保护图像纤维26的纤维146。典型的通常有上千个纤维146，如附图11中所示，它们都是熔合在一起的。将图像装载到它们之中是由远端透镜系统142来完成的，该透镜系统142如接下来所述将以与图像纤维束26的位置相关的关系安排图像的光的水平。
另外，纤维以紊乱捆扎的方法被排列。当图像纤维束26从成像单元22的远端126的附近朝向手柄内32的纤维的近端延伸的时候，这种紊乱捆扎的方法限制了图像/光从一个透镜142到另一个的传送。纤维的紊乱捆扎是通过改变纤维的掺杂来实现的，其是将来检查的目标区域。
参考附图12，其示出在护套/照明单元24的一次性护套34内的成像单元22的杆末端29的远端的截面图。一次性护套34具有与内部管100同心的外部护套98。置于外部护套98和内部管100之间的是众多照明纤维108，其将在示出照明的附图7B中得到最佳的展示。在一次性护套的远端处是窗口，该窗口被固定，比如通过胶接，以生成与容纳成像单元22的杆末端29的空气空间或内部管道102的边界。成像单元22具有加长的或外部管28，其从远端126延伸到手柄32中，如附图9中所示。位于杆末端29的远端126处的是两个附加的管或套管，较短的内部套管(其指的是小管140)，它们保持和支持远透镜系统142的透镜元件。一个较大较长的套管(指的是长管138)围绕着管140和图像纤维26的纤维146的起始端。
如在附图12中所示，远端透镜系统142是具有一对透镜150、152和孔径光阑154的消色差透镜系统。透镜150和152每一个都具有面对彼此的凸起表面156。接近远端126的第二透镜152具有临近光学孔径光阑154的平坦表面158。所述的孔径光阑154和透镜150和152被如此设计以至于最大放射角的正弦接近于N.A(数值孔径)处的纤维。
附图12中的射线追踪160示出离开页面的图像以合适的焦距向右侧的投射以及这个图像是如何被传递经过孔径光阑154并经过透镜152和150到达图像纤维26中的众多纤维146。
参考附图13，其示出用于包括现有技术的透镜系统的三个不同透镜系统的最大放射角的正弦与标准图像高度的曲线图。如下面将要讨论的，视野取决于透镜的配置。附图13中的曲线图示出的一条线是50度透镜系统的放射角度的最大正弦值，第二条线是70度透镜系统的放射角度的最大正弦值。在70度的系统中，最大正弦值是0.32。因此，纤维的N.A.(数值孔径)近似于相同。相反，50度视野系统具有近似于0.25的最大放射角度正弦值。因此，纤维具有这样的数值孔径。举例来说，系统在30-80度中的任意所选择的水平上都可以提供视野。
在一个实施方案中，内窥镜20具有10,000纤维元素。在这个实施方案中，每个纤维元素146都具有4.4微米的直径。纤维26的整个直径是0.46。成像单元的加长或外部管28是由不锈钢制成的。可以理解的是，范围可以形成于很多的尺寸，下面的表仅仅是各种干涉尺寸范围的示例：
Figure BSA00000848172000161
从上面的表中可以看到，前面关于附图12和13所描述的消色差透镜的替代是自聚焦传光纤维格林透镜。附图14示出的是具有格林透镜168的内窥镜20的成像单元22的杆末端29。在附图14中所示的格林透镜168是单一元素的径向梯度变折射率透镜。附图14中所示的成像单元22的杆末端29具有加长的或外部管28，其从远端126延伸到手柄32。另外，与附图10相似，管138从远端126延伸出一小段距离。这个管138通常是指长的管，它只是稍微地延伸超过光图像纤维26的末端。与附图10A所示的实施方案相反的是，透镜170是单个透镜，这样就不需要一个较小的管140用来保持透镜系统的元素。
格林透镜168一般不能提供如前面所描述的消色差透镜系统142所提供的优选的图像质量，这在于图像在图像的边缘处变得不是很清楚(即，模糊的和扭曲的)。另外，作为波长函数的颜色校正和强度变化也不如消色差透镜系统好。然而，当成本成为比整体图像质量更重要的因素的情况下，GRIN透镜系统168便是值得的。另外，由于格林透镜170是单一元素，因此区域深度也会受到限制。虽然仅示出2个不同的自由度，但是可以理解的是也可以制成具有其他视野的透镜系统。
附图15是作为替代的内窥镜170的截面图。在内窥镜170的这个实施方案中，照明猪尾管172是成像单元176的手柄174的一部分，因此其不是一次性护套/照明单元178的一部分。光导纤维捆180被用来将照明光从猪尾管178传递到手柄184中的手柄接口182，在那里光被传递到护套/照明单元178上的光接口184中以将光从手柄184传递到一次性护套186。
附图16A是示出接口的截面图。附图16A是一次性护套/照明单元178的底部188的截面图。附图16A的上部分示出与底部188间隔的帘子52。底部188具有光接口184，其接收来自由手柄174承载的手柄接口182的光。
另外，在附图16A-16C中所示出的内窥镜170的实施方案中，护套/照明单元178具有用管子或通道192替换的照明纤维190中的一个。管子192，如在附图15和16A-16C中所看到的，其能够接收激光纤维。使用者使激光纤维从底部188(如附图15中所示)中的照明单元178的近端穿过管子192到达照明单元的远端，以至于使用者在观察图像穿过成像纤维和CCD的同时就能够通过使用激光纤维来完成进程。
附图16A的下半部分示出穿过护套/照明单元178的底部188的横截面图，在其中管192延伸经过底部到达含有照明纤维190的环孔。与附图7A中所示的相似，附图16A示出了内部管194，且照明纤维190位于内部管194的周围。内部管194限定了内窥镜170的成像单元176的探针29穿过其中的空间。
附图16B是一次性护套186的截面图，该一次性护套显示出一次性护套186的外部管196并环绕照明纤维190和一个单个海波管(hypotube)192。内部管194围绕空间102，该空间容纳成像单元176的探针29。附图16C是示出海波管192的放大视图，其中海波管的开口用以接收包含内部管194和外部护套196之间的照明纤维190的环形射线中的激光纤维。虽然附图15A-15C没有示出套管60，但是可以理解的是，在大多数所应用的内窥镜20或170中，套管60都可以被用来对内窥镜20或170提供额外的保护。
在附图16D-L中所示的是用于较小直径内窥镜优选实施方案的一次性护套和成像组件。附图16D示出一次洗护套300，该一次性护套300包括插入到身体中的管状部分304、底部或轮轴组件302(其包括被附着到管状部分304近端上的护套壳体元件314)、套管连接器312，该套管连接器扣在上面所描述的套管的近端连接器上。无菌屏障306被附着到屏障远端上的元件314上。底部302还包括被附着到壳体元件314上的连接器组件305。连接器组件可以包括光耦合器310，当成像装置组件340(如附图16E所示)被插入到护套中以准备好用于应用的装备好的内窥镜357时(如附图16F所示)，所述的光耦合器310可以将照明纤维捆316光学地连接到光源上。光耦合器310因此被布置在无菌屏障306中。组件340包括第一连接器346，所述的第一连接器346连接到可以插入到连接器346中的光耦合器310上。另外，在组件340上的第二连接器适合机械地将组件340附着到位于连接器组件305内的联结元件308上。因此，为了装备好装置便于使用，如附图16F中所示，使用者抓住元件340的手柄部分349并插入管状护套342的末梢穿过联结元件308上的连接器组件中的孔318中，并穿过管状护套304的近端中的近端口311。第一连接器346和第二连接器344分别并实质上同时地与光耦合器310和联结元件308接合。
如在放大的视图16J-16L中所示，光耦合器可以被插入穿过手柄349的远端表面341中的开口335。远端表面可以是圆形的或者整体上是椭圆形的，并且具有2-8cm的直径以便于很容易地握在使用者的手中。所述的联结可以使用一个O型环351，其适合位于开口335的内壁上的O型槽337中。O型环351可以位于耦合器310的O型槽315中以提供光耦合器密封，如附图16K中所示。耦合器310的近端面可以包括光导纤维捆316的磨光近端，其接收来自光源348经过密封窗口343的光，所述的光源348可以是LED或激光器二极管。适于对本发明很多应用进行成像的白光LED的实施例是可以从American Opto Plus LED Corp.，Pomona，California得到的。两个或多个不同的具有白色、宽带或单色发射光谱的光源可以被连接到手柄316不同的光导纤维上，这样一来使用者可以有选择地用光不同的波长或带宽来照亮感兴趣的区域从而用于进行成像和/或光谱分析。光源348可以用电池350来供能，其中电池350可以通过移动盖帽345而被插入到手柄349中。成像装置352可以是位于电子模块354内的CCD或CMOS成像传感器，所述的电子模块354可以包括处理、控制和有线或无线连接，如在此在其他部分所讨论的。
前面所描述的光学继电器被布置在光学壳体347中以将来自成像通道中的光耦合到照相机352上。在管342沿着轴线309被插入穿过开口318和311后，连接器344上的O型环332适于位于槽307内以为光学继电器提供密封。因此，耦合器310向手柄提供第一液体紧密密封，联结元件308向手柄提供第二液体紧密密封。
管状护套304的远端360分别显示在附图16G和16H的局部放大横截面图和端视图中。护套可以包括外部管362、围绕纵向轴363被同轴安装到其上的内部管364、适于位于外部管和内部管之间的圆柱腔体中的光导纤维365。纤维365具有至少80％的填充因子，而且优选的是超过85％，以提供来自光源348的光在较大视野区域中很好的联结和分布。粘合剂366被用来将纤维的远端结合在一起，并与内部和外部管相结合。在制造过程中，粘合剂可以被应用在从位于内部管和外部管之间的圆柱腔体中延伸出来的纤维的部分上，然后纤维以近侧的方向逐渐被拉起，这样覆盖纤维壁的粘合剂就在内部管和外部管之间就被拉起至少2mm。纤维的远端被切割并被磨光以提供单一的光学照明表面。
所期待的是在一个较小直径的内窥镜中提供较大的视野，而且在视野中具有足够的分布均匀的照明，从而在给定的区域深度中提供在诊断上有价值的有用的图像。因此，照明纤维365的远端所占据的区域所形成的远端照明区域IA所占据的区域与窗口307或光收集区域CA(在其中图像在其中被收集)的比例成为定义直径小于3mm的较小直径内窥镜成像特性的一个重要的公制。通常，装置越小，这个比例就变得越紧要。通过使用较小直径的光导纤维，光导纤维的填充因子可以被增加，因此会提供照明区域更加有效的应用。
如在附图16H中所示，在象限371中所示的单独纤维完全地围绕圆周而延伸，并且可以具有1到10行的纤维(举例来说)。拥有直径从30微米到50微米的光导纤维可以被使用，举例来说，用于更完全地使用可用的体积。当使用30微米光导纤维时，根据内部管364和外部管362之间的圆筒体检的尺寸可以使用500至1000的光导纤维。在优选的实施方案中，外部管362的外部直径是1.7mm，外部管的内部直径是1.45mm。内部管364具有1.17mm的外部直径以及1.072mm2的内部直径。在这个实施方案中，有600-800个光导纤维，这样就带来大约0.575mm的照明区域。窗口具有大约1.07mm的直径以及大约0.9mm2的区域。因此，比例IA/IC大约是0.64。该比例优选的是在0.5和1.0之间，但是对于一些应用来说可以高达2.0。
在附图16M中所示的是在制造过程中护套390的横截面图，在其中，照明纤维391的末端向外扩张。在应用粘合剂将纤维附着到护套390的管上之后，纤维的远端被切除，且表面393被磨光。然而，除了圆形末端，每个纤维的远端392都具有稍微有些椭圆或非圆形的外形394，如在附图16N中所示，其改变光从纤维排出的角度并且可以增加5-10度的视野。
除了护套395远端处的窗口，还可以增加棱镜396，如附图16O所示。举例来说，棱镜396可以移动1-10度的视野。作为替代的，可以插入一个其表面以10-30度的角度定位的棱镜，且通过粘合剂层将该棱镜附着到护套的内部管上以在更大的倾斜角上提供侧面观察。在另一个实施方案中，棱镜可以被附着到成像通道的远端，具有与棱镜的形状相匹配的有角的窗口的护套可以与安装在照明纤维的远端上的透镜或棱镜一起使用，或者纤维的远端在护套内形成角度以按照的预期的角度提供预期的照明区域。附图16P示出棱镜396和环绕照明纤维397，所述的环绕照明纤维397具有比较小的直径，优选的是在30-50微米的范围内，这样可以减少相邻纤维之间的空隙空间398，从而提供至少80％的预期的填充因子。
参考附图17A，其示出了作为替代的内窥镜200的截面图。内窥镜200具有成像单元202和护套单元204。与前面的各个实施方案相反的是，一次性的护套204不包括照明单元的任何部分。参考附图17A，照明来源40通过类似于附图15中所示的照明猪尾管208被连接到成像单元202的手柄206上。但是相反的是，并没有这样的一种联结，以至于光被传递到一次性护套204。相反，如在附图17A中所示，照明猪尾管208是成像单元202的手柄206的一部分。一种光导纤维210被用来将来自猪尾管208的照明光传递到手柄206中的接口212中。接口212被布置在手柄206内并且将光传输给众多照明纤维216的环形环214中。
参考附图17B，探针218具有外部管220和内部管222。置于管220和222之间的是用于容纳众多照明纤维的环形空间。与在第一实施方案中的加长管28相似，布置在内部管222中的是图像纤维捆26。纤维捆26由内部管222所间隔。一种长管224，其从远端126中延伸出一小段距离超出图像纤维捆26的末端，该长管被置于纤维26和内部管222之间。
由于护套不需要承载照明到附图17B中所示的实施方案中的杆末端218的远端，因此护套204具有单个外部层226。被弯曲以避免反光的窗口被固定到所述的单个外部层226的远端上。
参考附图18，其示出两块一次性护套/照明单元230。内窥镜具有所述两块一次性护套/照明单元230的第一单元232，被安装在成像单元22的手柄32上的安装和覆盖单元232。安装和覆盖单元232具有帘子52，当使用时，该帘子52延伸越过成像单元22的手柄32和照明猪尾管88。该帘子52被保持在一次性套管234上以支持帘子52，直到被定位在手柄上。一次性护套/照明单元230的第二单元236，一次性护套236，含有覆盖探针29的加长管。这个第二单元236具有安装机械装置238用以固定第一单元232。因此就有可能移动一次性护套、第二单元236，并用一个新的替换它时可以保持帘子52，该帘子52被安装在手柄上的安装和覆盖单元232上。
附图19是用于内窥镜的控制单元250的示意图。这个控制单元250具有电源输出端252、用于来自CCD的图像的输入端254以及光源256。除了用于处理图像数据的处理单元260外，这个单元还具有记录装置258，比如CD记录器，其用于生成一个可存储的媒介来保留数据，比如病人的原始资料。
内窥镜通常如在附图20中的过程顺序270中所示的那样被应用。病人进入到使用者/医师的办公室。医师或技术人员使用双层手套方法，这个方法就是医师的每只手都有两个无菌手套。医师在一只手中拿着没有经过消毒的手柄/照明单元，在另一只手中拿着无菌护套/照明单元。医师这时拿着发光线并将发光线固定到一次性护套/照明单元的猪尾管上。电源和图像输出端同样地被连接到控制单元上。随着内窥镜被连接到控制单元上，护套组件的帘子部分延伸，在步骤272，越过手柄，并下降电线到可以提供无菌区域的长度。这步完成后，医师脱下第一副手套，准备开始程序。
在向部位上涂上药物后，医师用手采用标准的探测技术将具有套管针的套管插入到身体中。一旦套管位于合适的位置上，套管针被移走(在步骤274)，内窥镜的尖端被放置在套管中。通过使用螺丝钉或其他连接机械装置，内窥镜被固定到套管上。在276，系统被启动，视频记录器被启动，这样医师可以将套管移进、移出或在周围移动从而定位探针以便于查看预期的部位或者作为监控器。医师可以使用其他的设备(比如激光解剖刀或电烙工具，或者外科透热工具和/或在探针或护套组件中的手术通道)在部位上执行进程278。在步骤280，整个检查或操作过程都可以被记录在视频光盘或其他存储装置中。在步骤282，这个过程结束，护套组件可以被处理掉，在步骤284，另一个无菌护套组件可以被附着到探针上用于另一次进程。
一个优选的实施方案提供了多光谱成像能力。这个实施方案包括使用光源和检测器以在700nm-1200nm波长范围内提供图像。这样就允许使用者能够穿过血液观察组织。
另一个实施方案使用能够治疗组织的电磁光谱(10nm-380nm)的紫外线(UV)区域。在325-250nm范围内的紫外光能够拉到一起并且可以烧灼。激光或者传统的宽带光源能够被用来向照明系统提供光。成像纤维捆也可以用于照明，其通过手中的电子束分裂器将来自一个或多个光源的光分别地或同时耦合到纤维捆上。
本发明的实施方案能够应用于基于诊室设置的对身体的内部成像进行诊断的应用中。在此所说的基于诊室是指位于除了那些实质上无菌环境下的地方，例如医院的手术室、医院的手续室、接近杀菌装置(比如高压锅)的房间等等。诊室场所的例子(但不限于此)如在医师的办公室、靠近运动综合性建筑中的衣帽间的培训室、救护车、住宅、室外医院、医院走廊、观察室、抢救室、办公楼、储藏室等等。
通过使所有直接接触插入部位附近中患者皮肤的表面成为一次性的，可以避免整个微型内窥镜20在所述部位上的杀菌。一次性使用的部分被保持在无菌包装中，直到它们被用于单个程序时。使用一次性部件允许待被使用的微型内窥镜20符合被接受的看护指导标准，比如用于常规的关节前屈(arthroantesis)的那些。
另外，微型内窥镜20如无流体系统而操作，尽管在需要的时候也可以使用流体。无流体系统是指事实上没有液体媒介、冲洗剂或者膨胀流体(例如，盐溶液)需要被注入到目标区域(即，将通过本发明进行观察的区域)的附近的患者身体中。换句话说，微型内窥镜可以被简单地插入患者的皮肤，而且可以被用来查看目标区域而不需要其他额外的仪器、注射装置、消耗物质，而且不需要产生额外的危险浪费，除了那些比如在冲洗剂液体被注射到目标区域中以及从目标区域中移除时而产生的一次性部分。
一次性部分20可以包括一次性针盖，其在它的远端使用一种透明的窗口。这个透明窗口防止来自患者身体的液体进入且接触到系统的非一次性部分(例如，32)。与一次性部分30一起使用的非一次性部分可以包括细轴，该细轴在导引器内滑动并包含纤维光学照明系统，其用于将目标区域的图像引导到位于手柄32中的微型照相机中。所述的纤维光学照明系统可以包括保护窗口和高分辨率纤维光学器件以及将图像传送给照相机的透镜传递装置。一次性部分还可以包括滑动端口，其用于引导手术器械或者用于通过抽气设备排出液体，或者用于将药物引导到目标区域中。
在本发明的一个实施方案中，提供一种非常便携的微型内窥镜成像系统。在附图21中所示的系统是便携式的，其在于它可以由一个人来进行运送或携带。附图21示出便携式内窥镜系统291可仿效的实施方案，这个便携式内窥镜系统291包括(除了其他的东西)微型内窥镜20、手柄32、成像单元22、电缆290和膝上型电脑292。在附图21中，内窥镜单元和成像单元22通过电缆290被直接连接到膝上型电脑292上。举例来说，成像单元22可以输出视频信号，该视频信号被发送到膝上型电脑292上插孔中的电视中。膝上型电脑292然后被用来输入患者信息、议事细节，而且被用来随着进程的发展来实时显示图像数据。
便携式内窥镜系统的一个实施方案使用了个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)卡以方便图像数据与膝上型292的连接。PCMCIA卡可以是在本领域中熟知的工业上标准的卡，或者也可以是专门适用于微型内窥镜使用的卡。一种专门使用的PCMCIA卡可以包括接收和处理来自成像单元的视频信号的硬件。PCMCIA卡294的输出可以是工业上标准的数据格式以将被处理的图像数据传输给与膝上型电脑相关联的显示器。
便携式内窥镜系统291包括成像单元或接口盒32和用于将数据传输给膝上型电脑292的接口盒电缆290。接口盒可以包括更精密复杂的成像、图像处理和数据通信硬件和/或软件，所述的这些硬件和/或软件都可以使用在PCMCIA卡294中或者直接位于膝上型电脑292内。接口盒296可以被配置以对经过微型内窥镜20的远端接收的数据进行实时图像增强。当在微型内窥镜20中使用不是很昂贵的部件时，图像增强可以产生适合执行诊断的图像。举例来说，GRIN透镜可以被应用在微型内窥镜20中以将图像数据提供给接口盒。接口盒可以使用图像处理算法以增强由GRIN透镜边缘所产生的图像的质量。随后接口盒通过电缆的方式以工业上标准的格式将图像数据传输给膝上型电脑292。系统还可以包括在卡298上用于传送的设备，如显示器295，和光源系统296。系统可以包括用于可视光成像的标准的照明灯，以及用于成像或治疗的红外线或紫外线光源。
一种通常的结构可以包括中央处理单元(CPU)，该CPU典型的由与随机存储器(RAM)相关联的微型处理器和只读存储器(ROM)组成。通常，CPU也可以具有高速缓冲存储器和可编程闪存。在微型处理器和各种不同类型的CPU存储器之间的连接通常是局域总线，但是也可以是更普通的或工业上标准的总线。CPU处理并解释机器可读的或功能上可执行的、与操作系统相关联的指令、用户发展的程序、诊断工具、患者数据医院服务器、健康供应计算机和与远程专家相关联的计算机。图形用户界面(GUI)可以用于患者数据的输入和显示，还可以用于图像的观察。
很多计算平台都配有一个或多个存储驱动器，比如硬盘驱动(HDD)、软盘驱动、压缩盘驱动(CD、CD-R、CD-RW、DVD、DVD-R等)以及专用磁盘和磁带驱动(例如，艾美加(iomega)zipTM和JazTM等)。另外，一些存储驱动器在计算机网络上(比如基于存储系统的网络)也是可获得的。RAM能够存储机器可读的指令和信息，所述的指令和信息是操作软件程序用于处理和显示从微型内窥镜中接收的图像数据的必要的指令和信息。
根据计算平台所期望的供能，很多计算平台都配有一个或多个通讯接口。举例来说，个人计算机、膝上型计算机或条带佩戴式计算机通常都具有高速串行端口(RS-232，RS-422等)、增强的并行端口(EPP)以及一个或多个通用串行总线(USB)端口。计算平台通常也都具有局域网(LAN)接口，诸如以太网卡和其他的高速接口，诸如高性能串行总线IEEE-1394。
诸如无线电话和无线网络PDA的计算平台也可以配有有天线的音频(RF)接口。在一些情况下，计算平台也可以被配有红外线数据安排接口(IrDA)。
计算平台常常配备一个或多个内部扩充插槽，比如工业标准结构(ISA)、扩展工业标准结构(EISA)、周边原件扩展接口(PCI)、个人计算机存储卡协会(PCMCIA)或者用于附加的其他硬件(比如声卡、存储板和图形加速器)的咋、专有接口槽。
另外，很多单元，比如膝上型计算机和PDA，都配备了一个或多个外部扩充插槽，其允许用于能够很容易地安装或移除硬件扩充装置，比如PCMCIA卡、闪存卡和各种各样的专有模块，如可移动硬盘、CD驱动器和软盘驱动器。
计算平台通常配有一个或多个用户输入装置，比如键盘或键区，以及鼠标或触摸装置，和/或触摸屏显示器。在个人计算机的情况下，一个全尺寸键盘经常配备有鼠标或触摸装置，比如追踪球或TrackPointTM。在具有上网功能的无线电话的情况下，一个简单的键盘可以配备有一个或多个专用钥匙。在PDA的情况下，触摸屏经常与手写识别能力一起被提供。以及在膝上型电脑的情况下，可能会提供一个小的键盘和触摸感应显示器。
另外，话筒，比如具有上网功能的无线电话的话筒或个人计算机的话筒与计算平台一起被提供。所述的话筒被用于输入用户的选择，比如网络站点的语音导航、与操作微型内窥镜20相关联的用户菜单，以及用于将数据传输给远程位置，或者自动拨电话号码。常规处于软件形式的语音导航性能可以用于加速与计算机沟通的语速。
很多的计算平台也都配备了照相机装置，比如静态数字照相机或全动态影像数字照相机，其可以被用来促进执行内窥镜进程的个人和专家之间的协作，所述的专家能够指导该进程和借助网络显示装置实质上实时解释结果。
大多数计算平台也都提供了一个或更多个用户输出装置，比如显示器。所述的显示器可以采用很多种形式，包括阴极射线管(CRT)、薄膜工艺学(TFT)阵列、简单的发光二极管(LED)组、液晶显示器(LCD)指示器、仰视(例如，手是自由的)显示器或者投影显示器。
一个或多个喇叭和/或信号器也常常与计算平台相关联。所述的喇叭被用来复制音频指令。信号器可以采用简单的嘟嘟发射器或蜂鸣器的形式，其通常出现在一些诸如PDA和PIM的装置中。信号器可以被用来警告操作者系统出现了错误。这些用户输入和输出装置可以通过专业总线结构和/或接口直接与CPU相互连接，或者它们通过诸如ISA，EISA，PCI等的工业开放总线来进行相互连接。计算平台也可以被提供有一个或多个软件和固件程序以实现计算平台预期的功能。
普遍的软件和固件组织在这个计算平台的范围内。一个或多个操作系统(OS)本机应用程序可以在计算平台上被提供，比如字处理器、电子数据表、关系管理应用程序、地址薄、日历、电子邮件客户、患者追踪、用于操作系统的用户菜单等等。另外，一个或多个便携式或独立于装置的程序也被提供，其必须由OS本机专用平台解释程序来解释，如JavaTM字母和程序。
通常，计算平台也被提供页面浏览器或微浏览器的形式，其包括一个或多个浏览器的扩充，比如浏览器插入键，且被配置以加速网络上图像数据的传输和接收。
计算装置通常也被提供一种操作系统，比如MicrosoftWindows TM，UNIX，IBM OS/2TM或AIX，LINUX，MAC OSTM，Sun SolarisTM或其他平台专用操作系统。比较小的装置，如PDA和无线电话，可以被配备其他形式的操作系统，如实时操作系统(PTOS)或Palm Computing公司的PalmTM。
一组基本的输入和输出功能(BIOS)和硬件装置驱动器356通常被提供以允许操作系统和程序与计算平台所提供的特定的硬件功能相连接并控制该特定的硬件功能。另外，一个或多个嵌入式固件程序358通常由很多个计算平台所提供，这些程序由作为周边装置的一部分的在板上的或“嵌入式”的微处理器来执行，如微控制器或硬件驱动器、连通处理器、网络接口卡或声卡或图形卡。
可以使用包括(但不限于)个人计算机、膝上型电脑、工作站、服务器、可使用网络的电话计算平台的多种多样的各种不同的硬件部件、软件和固件程序、以及其他的应用程序。本领域技术人员可以很容易明白的是，接下来的方法和过程可以由硬件功能可选择地实现，所述的硬件功能或部分或全部都没有脱离本发明的主旨和范围。
一个可仿效的系统使用与网络结合运行的便携式系统。医生诊室含有便携式系统、网络，健康保险提供者具有与其相关联的数据存储器，医院服务器具有数据存储器、远程专家计算机和基于网络的存储系统。
医生诊室使用对一个或多个患者执行诊断评估的便携式系统。从一段时间中所获得的图像数据被存储在膝上型存储器中，并通过网络被传送到一个或多个远程位置。所述的网络可以是以任何形式的网络协议运行的任何类型的网络。举例来说，所述的网络可以是内联网，比如在企业场所或学校校园内运行的局域网(LAN)、在诸如城市或它的周边郊区的地理区域内运行的城域网(WAN)或者诸如全球信息网的广域网(WAN)。另外，网络可以以任何的网络协议运行，举例来说，如传输控制协议和网络协议(TCP/IP)、非同步传输模式(ATM)、同步光纤网(Sonet)、帧中继、综合业务数字网(ISDN)、开放最短路径优先(OSPF)等等。网络可以使用众多的用于连接网络元件和场所的链接。链接可以由固定线路链接和/或无线链接组成。固定线路链接的实施例是(但不限于)同轴电缆、双绞线电缆、光纤等等；无线链接的实施例是(但不限于)射频(RF)，比如基于IEEE802.11的链接，或者无线光通信。网络也可以包括网关和/或防火墙，其用于提供访问网络以及提供保护以防止不希望的网络流量，比如拒绝服务器供给和含有诸如计算机蠕虫和病毒的恶意码的网络流量。
从便携式系统向网络传送的数据可以直接被指引给健康保险提供者。这个健康保险提供者可以通过链接将接收到的数据存档在数据存储器中以用于将来的使用。健康保险提供者可以使用它自己的专家，独自或与自动分析系统相结合查看使用本发明的内窥镜程序中所获得的数据。便携式系统也可以将数据传送给医院服务器。医院服务器可以进一步包括通过链接连接到其上的数据存储器。医院服务器可以作为资源池，以保留与有简历的患者相关联的数据。举例来说，如果一名患者需要基于使用便携式系统获得的诊断的外科手术，那么图像数据可以在手术之前或在手术过程中被查看，以确保合适的和完全的治疗以有效的方式被呈现出来。
使用便携式系统所获得的数据可以进一步通过网络的方式被发送给远程专家计算机。使用远程专家计算机的远程专家可以查看事后的或拟似实时的图像数据。远程专家可以在确定更攻击性的进程时间表之前提供第二种选择或者远程专家可以在场所中提供主要的诊断，在所述的场所中，专业操作人员正在用微型内窥镜20执行进程。举例来说，承受灾难所带来痛苦的人们可以出现在远程现场中而且在灾难受害者上执行一次诊断程序。远程专家通过从自由空间卫星网络实时接收到的图像数据进行检查并且对现场人员进行关于诊断过程的指导。远程专家然后指导现场人员在受害者/病人上标记插入位置，指引针盖，操纵内窥镜20，然而通过使用实时数据就可以在不需要出现在现场的情况下建议用于受害者的精准的治疗。来自便携式系统的数据可以进一步被传送给基于网络的存储系统中。所述的基于网络的存储系统可以作为用于位于便携式计算机中的图像数据的安全和冗余存储器。另外，基于网络的存储系统可以用于将图像数据保持在一个场所中，相比于数据被单独地保存在膝上型计算机上，所述的这个场所会更加容易的被存取。系统与其他的远程实体可以通过使用便携式系统进行通信，而这些都没有脱离本发明的范围。
使用微型内窥镜20与便携式系统协同的优选的方法包含执行诊断程序。可以用车将系统运送到诊室或所述程序将被执行的其他位置中。然后照相机被连接到检查系统上。接下来，在患者身体上准备好插入部位。插入部位的准备包括，除了别的以外，使用医疗上安全的写仪器对部位进行标记，并且用消毒溶液对区域进行清洁，等等。一次性针盖被连接到成像和检查系统上。如在前面所讨论的，只有微型内窥镜20的一次性的部分会接触到患者，因此不需要在部位上实施专门的消毒过程。微型内窥镜20的针盖然后被插入到患者的目标区域中。在针尖位于目标区域附近后，成像和观察系统被启动。在诊断过程中，使用膝上型计算机查看并记录图像数据。当诊断完成后，针从目标区域中撤回。在针撤回后，使用缝合术、用于局部伤口包扎的液体粘合剂、蝶式闭合或传统的诸如纱布或绷带的小伤口包扎来对插入位置进行包扎。
记录下来的图像数据可以被诊断专家来观察，并且显示给处置室中的患者。在观察后，被记录的数据可以被本地存档在膝上型计算机中，存在存储介质中或存在基于网络的存储系统中。另外，图像和图形字母混编的和/或声音注释通过使用网络可以被发送到一个或多个远程位置。然后，在程序结束后，便携式系统被返回到它的存放位置，患者被立即撤走，因此不需要复杂的麻醉。
虽然前面描述了并示出了本发明可仿效的实施方案，但是本发明并不局限于这些。根据前面的记载还可以有很多可替换的实施方案和执行方式，而这些都没有脱离本发明的主旨。举例来说，便携式系统可以在分布式结构中展开，在其中使用者以及患者和包括元件20、21、22的微型内窥镜位于第一地理位置，而便携式显示器位于远一点的距离处并且通过无线网络的方式被连接到微型内窥镜上。在另一个可替代的实施方案中，本发明可以以坚固的配置建立起来，以应用于战场治疗类选法和/或响应远程和崎岖不平的场所中的灾难。仍然在其他的实施方案中，便携式内窥镜系统被集成到机械化运输装置中，诸如火车、救护车、飞机、轮船、飞行器等等。在其他的实施方案中，使用便携式内窥镜系统所产生的图像可以被再播放并被应用于教学应用。在进一步的实施方案中，便携式内窥镜系统可以包括可佩戴计算机，其具有与手柄的短范围高带宽链接以用于接收图像数据。在这个实施方案中，手柄可以包括设备齐全的电源，比如可充电电池。这个实施方案进一步使用戴在用户手上的手持显示器。这种配置向用户提供了最大化的灵活性和最小化的重量。可佩带的实施方案可以进一步通过无线链接的方式与网络通信。
在另一个可替代的实施方案中，膝上型计算机可以由传统的处理装置来替换，所述的处理装置能够具有实质上任何形式的因素和用户接口配置。举例来说，他可以令人期待的具有一个专用的处理模块，该模块只有一个开/关电键。当切换到开时，传统的处理装置可以收集图像数据并将它存储起来用于后来的观察，或者它可以通过使用无线RF或自由空间光学链接自动地将数据传送给远程位置。
附图22A示出根据本发明的便携式内窥镜400的另一个优选的实施方案，其包括具有照相模块404的手柄402、光耦合器406、处理器408、无线通信模块410、无线天线412、电池414和功率调节器416。包括在便携式系统中的还有位于手柄402内的光源418。所述的光源418优选地包括LED组件，比如来自EdmundOptics，Barrington，NJ.的EOSTMLED光纤发光体。光源还可以包括一个或多个激光器二极管或者激光器二极管和LED的组合，在光谱紫外线部分中的激光器或激光器二极管可以被用来在组织中产生荧光以用于对灼烧进行诊断的目的。手柄可以具有带有按钮的控制板409，用户可以使用这个控制板对手柄进行电操作。
照相机404可以是CCD或CMOS成像传感器，比如来自TransChip Israel Research Center，Ltd的TC7040二兆象素CMOS成像传感器装置。这个装置包括1600×1200象素颜色传感器阵列，其与时钟、控制器、图像处理器和本地SRAM存储器一起被包装在单个芯片包装中。照相机优选的是在光谱(750-1000nm)的红外线部分中具有灵敏度和可视度。对于某些应用来说，优选使用红外线的成像传感器(例如，其能够检测到1500nm到1900nm范围内的光)，因为它改善了穿过血液对组织的成像。红外线光源以及用于检测器的光谱或截止滤光片407对于一些光谱成像应用来说是需要的。
先前所描述的一次性部件420具有端口422，该端口用于将来自光源的光耦合到一次性部件的耦合器424内的光纤发光体捆中。护套的远端可以具有切割元件425，该切割元件能够在插入和成像期间凹进去，并且可以通过有线或其它装置进行机械启动从而切割来自身体内的目标区域中的组织样品。
手柄402还可以具有条形码读取器442或者能够对附着在其上的一次性部件进行标识的其他装置。条形码440可以被盖印在一次性耦合器424的近端，如附图23中所示。这个条形码可以具有径向的或长方形的阵列。径向阵列可以在耦合器424旋转进入到手柄402的锁定位置时由读取器442进行扫描。可以使用作为替代的一些其它的电子标识和记录装置，比如射频识别(RFID)系统，具有序号的芯片可以位于一次性部件中。可以使用这些用于安全性的和记录/记载清单的目的。在另一个作为替代的实施方案中，一个或多个一次性部件可以被插入到具有机械可读元件或前述的代码的袋子、容器或包装袋中。这个机械可读元件唯一地识别包含在包装袋内的一次性部件或一次性装备。所述的装备包括在前面结合本发明各种不同的实施方案一起所描述的一次性护套、套管和套管针。如在附图28的过程顺序480中所描述的，机械可读包装袋或容器482由诸如被连接到系统计算机上的条形码传感器的扫描器进行扫描，所述的系统计算机然后在484记录特定的一次性包装袋或装备，并且在486使系统运行。在一次性部件被连接并被用来获得图像后，在488，出于安全的目的，一次性部件被拆卸并被处理掉。系统计算机用软件程序进行编程，其要求在系统进行进一步操作之前对新的包装袋代码进行扫描。
无线模块提供了影像从手柄到与台式或膝上型计算机相连通的接收器的传送。电缆405也可以可选择地被连接到手柄402上以提供与计算机和相关联的显示器的连接。显示器450可以被直接集成到手柄402中以用于用户进行观察。影像或者仍然由照相机所采集到得图像可以被记录在可移动介质上，比如紧凑式闪存卡、CD、DVD、迷你DVD或SD卡。紧凑式媒介可以被插入到手柄402中的插槽中。
对于一些应用来说，还需要使用成像波导管将光传送到组织上。手柄内的电子束分裂器可以用于前面所述的那个目的。
手柄402还可以设置一个底部单元460，该底部单元能够通过收发设备462传递和接收来自处理器408中的图像和数据。底部460还可以作为用于电池414的充电器，并且可以包括用于网络或因特网连接的通信电路、无线电传真装置或者标准电话数据连接。内窥镜400可以与系统470进行连接，如在附图22B中所示。与内窥镜的连接479可以使有线的或是无线的。无线发送器/接收器471被连接到处理器472上，该处理器被编程以向内窥镜400提供控制信号。处理器接收图像数据，该图像数据可以被存储在存储器492中或者用装置494进行印刷或电复制。显示装置474，诸如从Motion Computing，Inc.，of Austin，Texas提供的那些显示装置，与显示器495可以通过单元470被集成在一起，或者可以与单元470或使用发送器/接收器475的其它网络进行无线通信。装置474还可以使用连接器473、478与系统470对接。装置474可以通过电池476进行供能，也可以包括能够用于识别患者、一次性护套或其它机械可读数据的扫描器477。传感器477可以是如前面所描述的条形码或者其它识别传感器。在附图22A和22B中所示出的系统可以再具有10磅或更少重量的便携式设计中来执行。
一次性部件还可以在远端处包括透镜，或者用于侧面观察的应用中的棱镜或镜子。一次性部件可以根据应用具有20nm到2500nm之间的长度。对于一些小的关节或者骨头，比如手或脚，可以使用20nm-800nm范围内更小的长度。对于膝部和肩部，可以使用800nm-1500nm范围内的长度，对于诸如臀部的应用中，可以使用1500nm到2500nm范围内更长的长度。对于在诸如乳房或头部的成像应用中，在光谱的可视部分中的成像可以通过在光谱的近红外线或红外线部分中成像来补充。这样可以用于补充乳腺筛查。其它的成像和诊断应用包括卵巢癌诊断成像和光谱诊断、子宫内膜异位、产前诊断应用、子宫脱垂或纤维瘤成像和治疗，以及泌尿系统诊断。系统还可以用于上呼吸道应用，包括耳朵、鼻子和咽喉。这些实施方案可以使用柔软的探针，在其中，聚合管被用来容纳远端成像通道组件并形成一次性护套的桶形壁。如果需要，也可以使用活组织检查(distal)进行收集组织样本。染料或组织自身荧光也可以与窄带光源一起使用，举例来说，所述的窄带光源比如以300nm-500nm范围内的波长发光的激光器二极管。氮化镓二极管激光器可以应用这个目的。
附图24A示出一个优选的实施方案，在其中照明纤维502被刚性地附着到手柄500上。一次性部件510通过连接器512被连接到手柄上，并且包括用于带有角度的或侧面的观察的透镜520或镜子或棱镜540。这个实施方案的横截面侧视图在附图24B中被示出，其也可以在附图17B的横截面侧视图中看到。这个实施方案使用位于一次性护套204上的远端窗口506，所述的一次性护套204具有与护套的液体紧密密封。在这个实施方案中，所述的窗口具有外部透明元件或按照光线217、219示出的远端方向传送来自纤维216的照明光的照明窗口562。窗口560可以具有分开的内部元件或接收从被照明的目标区域中返回的光的光收集窗口564。所述的外部和内部窗口元件通过光屏障566被光学隔绝，所述的光屏障566可以是通过使用粘合剂附着到外部和内部元件562、564两者上的不锈钢隔离物。成像纤维26接收经过元件564收集的光，而且所述的光还被透镜系统225聚焦到一般沿着纵向轴565的成像纤维上。
在附图24C-24E中所示的是包括一次性护套600和成像和照明组件620的较小直径的内窥镜的优选的实施方案的横截面视图。在附图24C中所示的一次性护套600没有并入照明通道，但是具有与在此所描述的窗口组件在远端密封的薄的有墙壁的管602。所述的管602在它的近端处被附着到轮轴604上，所述的轮轴604包括安装在护套壳体元件605上的套管连接器606。护套连接器610被附着到壳体元件605的近侧侧面上，无菌屏障608被附着到壳体元件605的外部墙壁上。
护套连接器610包括O型环槽612，这样一来一旦成像和照明组件620插入到护套600中，配套连接器624上的O型环626将“扣”到连接器610中。在插入期间，管622的远端被插入穿过连接器610中的中心开口，并插入到管602的近侧开口614中。手柄625上的远端轮轴621的远端表面629能够撞在元件605的近侧表面607上。在这个实施方案中，如在附图24D中所示，光纤照明捆628穿过远端轮轴621延伸到被光耦合到光源上的光耦合器627，而不用像在附图16E中所示的实施方案中所需要的那样用窗口对光源进行密封。附图24D的实施方案可以具有附图16E中所示的那些除了上面所描述的部件外相同的手柄部件。在附图24E中所示的装备单元以准备好应用。
护套600的管602的远端640在附图24F的实施方案中被示出。外部直径642是3mm或更少，其优选的实施方案是2mm或更少。护套的具体的实施例具有1.7mm和1.2mm的外部直径。更小的直径在很多应用中对于最小化患者的不舒服来讲是很重要的。远端640用窗口组件648来密封。窗口组件648可以具有有光收集区域CA的光收集窗口650和有照明区域IA的照明窗口652，其中照明区域IA环绕地围绕窗口650延伸。不透明粘合层或者用粘合剂承载在适当位置上的管元件654在外部窗口652和中央窗口650之间形成挡光板。窗口650沿着一次性护套600的光轴644排成一行。
在另一个优选的实施方案中，窗口组件648可以被棱镜组件替换来提供有角度的观察。作为替代的，一种棱镜组件可以被安装在有窗口组件的一次性护套封装的窗口组件620的远端上，所述的窗口组件的形状适合棱镜组件从而能够提供带有角度的观察。举例来说，棱镜组件可以通过粘合剂或卡扣连接器被附着到所述的远端上。
光照明区域IA与光收集区域CA的比率在小直径内窥镜中是很重要的度量，因为它表示了向给定的应用提供所需要的图像质量所要求的光的分布。0.5到2.5范围内的比率是优选的，特别是对于关节内窥镜的应用，在其中根据应用期待拥有60度到75度范围内的视野以及1.5mm到50mm的视野深度。对于关节内窥镜的应用，比如膝部、肩部或臀部，25mm到50mm的远视野是重要的，所以系统被调整具有3mm-50mm的视野深度。对于较小的关节，比如腕部或足部，近视野在1.5-25mm范围内是优选的。孔径光栅676可以被调整以为期待的视野深度改善成像。这样就通过减少照明纤维占用的体积来提供大图像和视野。
用于成像和照明组件620的管622的远端660在附图24G-24H中示出。管622具有密封远端的第二窗口组件662。如在附图24G中看到的，所述的第二窗口组件662包括在内部窗口675和外部窗口677之间提供不透明挡光板的内部窗口675、粘合层或管684。窗口675的近侧表面具有以薄膜形式的孔径光栅676。透镜元件680、682用粘合剂被固定在管678内。透镜和窗口组件662通过耦合管674被固定在管672内的成像纤维670。附图24G的组件随后滑入到内部管668中，所述的内部管668沿着管622承载照明纤维664。在表面686上的粘合层用来将窗口组件662固定到纤维664的远端表面上。
在附图24I中所示的是当插入到护套600中成像组件620的远端的横截面视图。窗口组件648沿着轴644与第二窗口组件662对齐。外部管602具有3mm或更少的外部直径642，优选的是2mm或更少。管602的内部直径696刚好足够大以随着管622滑入到位置时容纳管622的外部直径695，这样一来第二窗口组件662的远端表面撞在窗口组件648的近侧表面上。因此，来自照明纤维664的光被直接指引穿过窗口元件677和652，并且从组织结构返回的光被成像并通过窗口组件650和675被收集。照明纤维664位于管622的内部直径694和管668的外部直径之间。管668的内部直径692大于管674的外部直径691，因而它将会如上所述的在制备期间滑入到适当位置。一个优选的实施方案具有1.67mm的管602的外部直径642，1.47mm的管602的内部直径696，1.42mm的照明管622的外部直径，1.22mm的管622的内部直径694，1.07mm的照明内部管668的外部直径693和0.91mm的内部直径692，以及最后，管674的外部直径691是0.98mm。中央窗口650在这个实施方案中具有0.6mm的直径。用于这个实施方案的照明区域IA大约是1.09mm2，收集窗口具有大约0.442mm2的区域CA，因此提供大约2.47的比率。
在另一个实施方案中，在包括外部管622、内部管668和纤维664的照明部件的制备期间，为内部管668使用特氟纶是有优势的，因为这样在纤维的院端与粘合剂捆在一起后，内部特氟纶管可以被移走，因此产生一个更大直径的凹处，其中成像通道可以被插入到这个凹处中。中央窗口的直径必然会更大，并且照明窗口的内部直径也会更大，借此减少照明区域。在这个实施方案中，照明区域与收集区域的比例大约是1.6。
附图25示出一个实施方案，在其中手柄550中的光束分裂器554光学地将光源552和成像装置两者都耦合到单一纤维捆上。这样就使照明和光收集穿过单一光通道。光源可以是在前面所描述的LED光源和/或激光器。
在附图26和27中所示的是适于应用在本发明优选的实施方案中的光纤照明套管800的侧面和远端横截面视图。套管组件800包括套管壳体802，所述的套管壳体802被刚性附着到具有液体通道816的液体连接器812上，所述的液体通道816用于将液体引入到套管壳体802中，且随后液体穿过远端探针820的通道826被递送给患者。套管针804具有远端805，所述的远端805从具有尖端的探针820的远端向远处延伸以帮助探针穿过患者的组织中。套管针804可以具有密封内部通道815的墙壁的凸缘814，这样一来液体被注入穿过通道816并被引入穿过围绕套管针探针811周围的通道826。
照明纤维808可以通过电缆810被连接到光源806上。如在附图27中所示，纤维808的远端在外部管822和内部管824之间的探针820的远端上形成照明表面。纤维的远端面可以以一定角度被切割以提供更容易的插入，其还引导光朝向中心轴828。在套管/套管针组件插入到患者身体中以及移走套管针后，具有在远端上具有窗口的一次性管状护套的成像单元可以被插入穿过通道826，如在此所描述的那样。护套或者成像组件也可以用棱镜来装备以提供如前面所述的带有角度的观察。
作为替代的，如前面所述的实施方案，光源可以被置于手柄内并被直接耦合到照明纤维上。然而，照明纤维将在近侧端具有光耦合器，其接收来自手柄中光源经过一次性护套的轮轴中的密封窗口的光。这样就有必要维持成像单元无菌的环境。在这个实施方案中的无菌屏障可以被附着到具有与成像单元有近端连接器的轮轴相邻的一次性护套上。
本领域技术人员根据以上的教导可以对在此所描述的和所举例说明的部分的细节、材料和布置进行很多的改变。据此，可以理解的是，权利要求书并没有被限制在所公开的具体的实施方案中，其可以包括除了在此所具体描述的之外的实施例，而且可以在法律允许的情况下被解释的足够宽。

Claims (32)

1.一种纤维光学内窥镜系统，其用于对哺乳动物身体内的区域进行照明，其包括：
内窥镜手柄；
管状护套，其具有直径少于3mm的外部管状表面和位于该管状护套内的排列成多个同心行的照明光导纤维的同心阵列，所述的光导纤维具有在管状护套内至少80％的填充因子；
在所述管状护套的远端处密封的光学透明元件；以及
在管状护套近端处的连接器组件，其用于与所述内窥镜手柄连接，所述的连接器组件包括与照明光导纤维的近端处连接的光耦合器。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括在所述的内窥镜手柄内部的成像装置，该成像装置与具有透镜的纤维光学成像通道光耦合。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述的内窥镜手柄进一步包括光源。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述的内窥镜手柄包括电池。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述的内窥镜手柄包括光源。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述的光源包括发光二极管。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述的内窥镜手柄进一步包括连接到功率调节电路的处理器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述的连接器组件进一步包括套管连接器。
9.根据权利要求1所述的系统，进一步包括位于外部管内的内部管，该外部管具有少于2mm的直径。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学透明元件包括具有少于1mm厚度的窗口。
11.根据权利要求1所述的系统，其中连接器组件进一步包括按扣。
12.根据权利要求1所述的系统，进一步包括附着到柔软隔膜上的无菌屏障，其中柔软隔膜被附着到位于所述管状护套近端的护套壳体元件上。
13.根据权利要求1所述的系统，其中外部管进一步包括外部金属管，该外部金属管包围内部金属管，所述照明光导纤维在外部金属管和内部金属管之间延伸以限定同心照明区域，以至于光学透明元件限定了光收集区域，其中同心照明区域与光收集区域的比例在0.5到1.0的范围内。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述管状护套包括刚性管，所述刚性管具有在该刚性管近端处有圆形开口的圆柱形空腔，并且该刚性管具有5cm-10cm之间的长度。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述照明光导纤维包括至少500个光导纤维的阵列，该阵列被置于所述外部管和位于该外部管内部的内部管之间。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述照明光导纤维具有至少90％的填充因子。
17.根据权利要求9所述的系统，其中内部管具有0.6-1.8mm范围内的直径。
18.根据权利要求15所述的系统，其中照明光导纤维的阵列具有500-2000个光导纤维。
19.根据权利要求1所述的系统，其中光导纤维与在管状护套远端处的粘合剂被附着在一起并具有磨光的远端表面。
20.根据权利要求1所述的系统，其中所述管状护套的长度在50mm和2500mm之间。
21.根据权利要求1所述的系统，进一步包括将药物或成像染料递送到身体内腔或空腔中的目标区域。
22.一种纤维光学内窥镜系统，其用于对哺乳动物身体内的区域进行照明，其包括：
内窥镜手柄及与纤维光学成像管光耦合的成像装置；
管状护套，其具有少于3mm直径的外部表面以及内部管；
以多个同心行而排列的并在外部管和内部管之间延伸的照明光导纤维阵列，该光导纤维阵列限定了在一次性纤维光学护套的远端处的同心照明表面，所述的照明光导纤维阵列具有至少80％的填充因子；
在管状护套的远端处密封的光学透明元件，以提供在管状护套近端具有开口的管状空腔，所述的光学透明元件限定了光收集区域；以及
安装在管状护套的近端处的轮轴组件，该轮轴组件包括用于将该轮轴组件连接到内窥镜手柄上的手柄连接器和被光学耦合到照明光导纤维阵列的近端上的光耦合器。
23.根据权利要求22所述的系统，其中光耦合器从轮轴组件的近侧延伸出来并且包括发光二极管(LED)耦合器。
24.根据权利要求22所述的系统，其中照明光导纤维阵列进一步包括在所述管状护套近端处的光导纤维捆，其中所述的光导纤维捆被附着到光耦合器上。
25.根据权利要求22所述的系统，其中手柄连接器包括流体密封。
26.根据权利要求25所述的系统，进一步包括在光耦合器上的第一密封件和第二密封件。
27.根据权利要求25所述的系统，其中所述的流体密封包括O型环凹槽。
28.根据权利要求22所述的系统，其中管状护套具有5cm到20cm之间的长度。
29.根据权利要求22所述的系统，其中管状护套包括在管状护套近端处具有圆形开口的刚性管以接收图像收集管。
30.根据权利要求22所述的系统，其中内部管具有至少1.0mm的直径，外部管具有2mm或更少的直径。
31.根据权利要求22所述的系统，其中照明光导纤维阵列具有至少85％的填充因子。
32.根据权利要求22所述的系统，其中每个光导纤维具有30微米到50微米范围内的直径。
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