CN103327875B - 用于光学相干断层成像、照射或光凝固术的组合外科内探测器 - Google Patents

Abstract

一种外科系统包括可操作以发射外科激光束的外科激光源和可操作以发射OCT束的OCT引擎。外科系统还包括光学地耦接到外科激光源和OCT引擎的内探测器。内探测器包括用于传送OCT束的OCT光纤、用于传送外科激光束的外科激光光纤、以及光学地耦接到OCT光纤和外科激光光纤的扫描光学器件，扫描光学器件被配置为同时扫描OCT束和外科激光束二者。外科系统还包括被编程以控制扫描光学器件在靶向组织区域上扫描OCT束和外科激光束以检测来自靶向组织区域的OCT信号的处理器。

Description

用于光学相干断层成像、照射或光凝固术的组合外科内探 测器

对相关申请的交叉引用

本申请要求2011年1月21日提交的美国临时专利申请序列号61/435,031的优先权。

技术领域

这里描述的实施例涉及显微外科探测器的领域。更具体地，这里描述的实施例涉及组合光学相干断层成像与照射或光凝固术的外科内探测器的领域。

背景技术

显微外科手术的领域正在迅速发展。通常，这些手术涉及能到达正被治疗或诊断的组织的探测器的使用。这样的手术使用具有耦接到远程控制台中的控制器设备的探测器的内窥外科器械。当前最新探测器在操作中是相当复杂的，常常需要移动利用复杂的机械系统操作的部件。在很多情况下，在探测器的设计中包括电动机。大多数现有技术设备具有使它们在一个或仅仅少数几个外科手术之后难以丢弃的成本。此外，现有技术设备的复杂度一般导致具有几毫米横截面的探测器。这些探测器对于眼科显微外科技术几乎没有实际用途。在眼外科中，一(1)毫米或更小的尺寸是优选的，以访问通常涉及的区域而不损害无关组织。

在内窥手术器械中已经使用允许用于诊断或治疗目的的光随时间变化的方向的扫描机制。这些器械通常使用在组织的扩展区域上提供成像、治疗、或二者的探测器，而不需要内窥镜相对于它的周围移动。然而，通常存在用于每个功能的多个探测器，并且不同的光源用于不同的应用。

因此，仍然存在对以协作方式组合不同功能的外科内探测器的需要。

发明内容

根据本发明的特定实施例，一种外科系统包括可操作以发射外科激光束的外科激光源和可操作以发射OCT束的OCT引擎。外科系统也包括光学地耦接到外科激光源和OCT引擎的内探测器。内探测器包括用于传输OCT束的OCT光纤、用于传输外科激光束的外科激光光纤、以及光学地耦接到OCT光纤和外科激光光纤的扫描光学器件，该扫描光学器件配置以同时扫描OCT束和外科激光束二者。外科系统还包括被编程以控制扫描光学器件在靶向组织区域上扫描OCT束和外科激光束并且检测来自靶向组织区域的OCT信号的处理器。

本发明的各种实施例也将扩展到与提供的说明书和由外科系统的各种元件执行的步骤一致的操作方法。同样地，本发明的实施例可以扩展到在用来以描述的方式控制外科系统的计算机可读介质中包含的软件。这也将扩展到对本领域技术人员来说显而易见的任何适当变化，他们将对也明显的方法和软件做出类似的修改。

参考以下附图将更进一步地详细描述本发明的这些及其他实施例。

附图说明

图1是根据本发明的特定实施例的外科系统的方框图；

图2示出了根据本发明的特定实施例的内探测器；

图3示出了根据本发明的特定实施例的内探测器的远端；以及

图4示出了根据本发明的另一个特定实施例的内探测器的远端。

在图中，具有相同参考数字的元件具有相同或类似的功能。

具体实施方式

本发明的各种实施例提供具有与外科激光应用和/或照射组合的OCT扫描的内探测器。探测器可以是用于由专业人员直接操纵的手持探测器。在某些实施例中，探测器可以被设计为由机器人臂或计算机控制的设备控制。探测器具有接近于操作控制器(是专业人员或设备)的近端，和接近于组织或与组织接触的远端。根据此处公开的实施例的探测器可以具有小的尺寸，其容易从近端操作，并且最低限度地侵入到周围组织。在远端，探测器以尖端结束，探测器从尖端对位于尖端附近的目标组织执行某些动作。例如，探测器可以传送来自其尖端的光，并且接收从经由尖端耦合的组织反射或散射的光。探测器的尖端可以包括能使尖端执行它的动作的活动元件。

图1是根据本发明的特定实施例的外科系统10的方框图。在描述的实施例中，外科系统10包括用于产生适合于外科领域的可视化的可见光的照射源20和OCT引擎30。外科激光源40提供具有实现靶向组织的修改的适当性质的激光能量，诸如视网膜组织的激光凝固术。虽然下面详细地讨论这些元件时，但是应当理解，外科系统10也可以包括其它外科光源，诸如用于激光凝固术、滤帘切除术、或其它外科应用的激光源。下列描述可以适当地被失配为包括本领域中已知的各种光传送应用。照射源20、OCT引擎30、和外科激光源40利用适合的耦合光学器件耦接到外科探测器100，耦合光学器件可以基于具有为了特定应用被传送的光的期望性质(诸如能量、波长、或数值孔径)的输出光束来选择。外科系统10还包括允许用户控制外科系统10的操作的用户接口50，用户接口可以包括任何适合的输入/输出设备，包括但是不限于键盘、手持控制器、鼠标、触摸屏、脚踏开关、用于语音命令的麦克风、或传统外科系统中已知的许多这样的设备中的任何一个。

照射源20可以是许多外科照射源中的任何一个，诸如氙气灯、发光二极管的集合、激光器、或用于生成落入可见光谱的光的任何其它适合的光源。OCT引擎30是用于测量利用外科光生成的参考光束与从由外科光照射的组织中返回的光之间的干涉的干涉测量装置。在特定实施例中，OCT引擎30可以包括基于光谱仪的干涉仪，也称为“谱域OCT”。这是指使用相对宽的光谱范围的光并且测量光谱带之内的分散波长的干涉以重构关于目标组织的信息的OCT系统。

OCT引擎30也包括处理器32，其可以是用于处理信息的一个或多个适当的电子组件，包括但是不限于微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、或其它可编程设备。处理器32处理关于由从组织反射的光产生的干涉的信息以生成被扫描的组织的数学表示，该数学表示又可以用于产生组织的电子图像。OCT引擎30也包括存储器34，其可以是任何适当形式的信息存储装置，包括电子、磁、或光存储装置，可以是易失性的或者非易失性的。最后，OCT引擎30包括扫描控制器36。扫描控制器36可以是任何适当的组合或硬件、软件、和/或固件和机械组件，其可以包括处理器32和存储器34，适合于控制光学组件的移动以改变由OCT引擎30使用的外科光的方向。例如，在探测器100包括用于OCT束的扫描光学器件的实施例中，扫描控制器36可以与扫描光学器件连接以便控制扫描机制。

在OCT成像技术的一个示例中，具有相干长度的光束可以通过利用探测器被指向目标组织中的某个点。相干长度提供分辨深度，当其在探测器的远端变化时可以被解卷积以产生组织的被照射部分的深度图像(A扫描)。通过B扫描可以获得二维组织图像。在一些实施例中，B扫描是沿着组织的横截面的直线。此外，通过在组织中沿着不同的线执行重复的B扫描，可以提供组织的3D再现。在一些实施例中，B扫描可以是具有相同长度的一组线并且被布置在公共交点的半径中。因此，多个B扫描提供组织中的具有深度的圆形区域的图像。

在一些实施例中，OCT技术使用正向扫描进程。在这种情况下，光学照射发生在探测器纵向轴的正向。在正向扫描中，在垂直于探测器纵轴平面中，目标组织可以在探测器的前面。因此，从探测器的尖端行进到组织并且从组织返回到探测器的光可以在基本平行于探测器纵轴的方向上行进。在一些利用正向扫描的实施例中，目标组织可以近似而不是精确垂直于探测器纵轴。此外，在一些实施例中，从探测器行进到目标组织以及从目标组织行进到探测器的光可以不平行于探测器纵轴，而是形成关于探测器纵轴的对称模式。例如，在正向扫描中照射目标组织的光可以形成围绕探测器纵轴的实心锥或它的一部分。同样，在正向扫描中由内探测器收集的光可以来自于包括围绕探测器纵轴的锥形部分的一部分的3D区域中的目标组织。

图2示出了包括套管组件110和手持件外壳150的显微外科内探测器100。套管组件110包括可以沿着探测器纵轴延伸并且具有有限横截面的内探测器100的远端。例如，在一些实施例中，套管组件110可以是直径(D₂)为大约0.5毫米，而手持件150可以具有直径(D₁)为诸如12-18毫米的几毫米的基本圆柱形状。耦合电缆195包括承载来自宽带光源20的耦合光学器件50的光的光导。在可替换实施例中，单独的探测器100可以被耦接到公共光源，或外科光和照射光二者可以被耦接到公共光导。

在一些实施例中，组件110可以与包括用于显微外科手术的目标组织的组织接触。因此，组件110可以被涂有防止组织的感染或污染的材料。此外，外科手术与协议可以建立对于组件110的卫生标准，其所有全部通过引用合并于此。例如，可以期望组件110在使用一次之后丢弃。在某些情况中，组件110可以在至少每次对不同的病人或在身体的不同部分执行手术后被丢弃。

手持件外壳150可以更接近于探测器的近端，并且可以具有与元件110相比较更大的横截面。根据某些实施例，元件150可以适用于内探测器100的手动操作。元件150可以适用于机器人操作或由自动设备或远程操作的设备保持。虽然组件110可以与活体组织接触，但是元件150可以不与活组织直接接触。因此，即使元件150可以符合卫生标准，这些与那些用于组件110的元件相比，也可以稍微放宽。例如，元件150可以包括在丢弃之前可以重复地使用的内探测器100的部件和组件。

因此，这里公开的内探测器100的一些实施例可以包括元件150中的复杂组件，并且价格比较低廉、可替换的组件可以包括在组件110中。一些实施例可以具有一次性的可移除的元件110，尽管手持件150可以被使用不止一次。为了避免从手持件150中的内部元件散发的颗粒或烟雾对组织的污染，可以密封手持件150。在一些实施例中，套管组件110可以通过粘合剂接合来固定到手持件150。根据其它实施例，组件110可以从手持件150中可移除，以允许内探测器100的容易替换以用于重复手术。与图2一致的一些实施例可以具有一次性的元件150和一次性的组件110。

在一些实施例中，OCT技术可以使用侧面成像。例如，在侧面成像中，目标组织可以平行于包含探测器纵轴的平面。在像这样的情况中，可以期望以围绕探测器纵轴的圆形轨迹移动照射点，以创建目标组织的闭环图像。这样的情况可以出现在涉及血管内手术的显微外科术中。例如，在冠状动脉血管术中，可以利用这里描述的实施例沿着动脉腔在圆柱截面中完全地扫描冠状动脉的内壁。

图3是示出了根据本发明的特定实施例的示例内探测器100的套管组件110的特定特征的图解。在描述的实施例中，套管110包括具有对应扫描器元件116和118的两个反向旋转的内部套管112和114，扫描器元件116和118可以是梯度指数(GRIN)透镜。扫描器元件116和118相对于彼此旋转以扫描光束。这些元件的操作在2011年1月21日提交的申请号为61/434,942的题为“Counter-rotating Ophthalmic Scanner Drive Mechanism”的共同未决申请中详细地描述，并且通过参考合并于此。一般地说，可以采用一般称为“扫描光学器件”的、适合于扫描光束的活动光学元件的任何集合。

套管110也在套管110的壁内封装OCT光纤120、外科激光光纤122、以及照射光纤124。照射光纤124传递来自照射源20的可见范围内的光，而OCT光纤120传递来自OCT引擎30的适当光谱内的光并且返回组织反射的光以用于干涉测量法测量。外科激光光纤122类似地传递来自外科激光源40的激光能量。在描述的实施例中，OCT光纤120和外科激光光纤122可以使用公共包层，但是也可以使用单独光纤的堆叠结构。

由于OCT测量所需的波长要求，单模光纤可以适合于OCT光纤120，而外科激光光纤122可以是多模的以便相对高效率地传递用于组织修改的足够能量。准直和/或聚焦透镜126可以用于保证从OCT光纤120和外科激光光纤122发射的光在公共平面处聚焦，使得OCT扫描紧接在外科激光束之后。如图所示，OCT和外科激光束然后可以由扫描器元件116和118共同扫描。这有利地使得外科激光对组织的修改能够被监控。

对于每个光纤也可以使用单独的光学元件以代替透镜126和/或扫描器元件116和118，允许在不同的范围或以不同的速率扫描光束。在特定实施例中，与外科激光光纤122相关联的透镜126利用任何适当的光学配置从外科激光束产生多点模式，其又可以由扫描器元件116和118扫描。在其它实施例中，外科激光源40可以使用一个或多个光学元件以发射多个光束，多个光束耦合到多个外科激光光纤122中，多个外科激光光纤122生产多个外科激光点。

OCT引擎30的处理器32可以被编程以检测特定条件，诸如当在目标区域中已经成功地完成组织修改时，的组织结构特性。处理器32也可以被编程来检测何时已经传递过多能量，诸如何时组织已经被烧伤，并且采取补救行动。例如，外科激光源40可以被信号通知关闭，或扫描器元件116和118可以被控制以更快速地将光束移动到靶向组织的新区域。通常，可以基于OCT信号的监视来自动化光凝固束的扫描以便于组织的有效和统一的修改。

虽然已经提供了光凝固术的示例，但是还可以类似地控制用于组织修改的光能量的任何其他的应用。此外，尽管已经给出具有OCT引擎30的处理器32的配置作为示例，但是也能使用用于外科系统的控制电子的任何适当布置，包括用于控制外科系统10的各种子系统的任何数目的单独处理器。因此，术语“处理器”一般可以指代组件的任何组成部分或集合，包括用于存储信息的任何适当的易失性或非易失性存储器，其能引导外科系统10的各种元件的操作。

图4示出了探测器100的套管110的不同实施例。在图4的实施例中，还可以扫描来自照射光纤124的光。诸如在图4的实施例中，扫描照射光束的优势是光束可以被扫过以覆盖较大区域，有效地增加照射光的数值孔径并且直接地将组织的可视化与外科激光束和/或OCT束的扫描相关联。用于OCT的适度高的扫描率，诸如60Hz，一般也足够使得照射在视野内看起来恒定并且均匀。

各种实施例也可以有利地调整照射源20、OCT引擎30、和/或外科激光源40的占空比，以便产生期望的扫描模式。例如，在正在扫描OCT束和照射光束以在目标组织上产生期望的激光模式的同时，可以在选择的点处激活外科激光源40。同样地，也可以选择用于外科激光的点模式与照射场的相对大小。

在特定实施例中，扫描模式也可以利用用户接口50可在许多选项当中编程或选择。因此，例如希望调整点模式相对于照射场的大小或扩大照射场的外科医生可以提供适当的输入来这么做。在一个这样的示例中，点模式和照射场可以显示在触摸屏上，并且外科医生可以跨触摸屏拖动他的手指以改变模式的元素的形状或改变模式的元素的大小。还可以对可能的模式设置限制以便防止点太密集在一起以致增加组织损伤的可能性的情况。处理器32还可以被编程来基于占空比和/或扫描速率确定组织修改的预期速率并且调整特定点的停留时间，并且还可以基于OCT反馈监视和控制激光外科术。基于外科需要、适当的照射、和安全考虑的许多其他可能的定制对本领域技术人员来说是明显的。

尽管上文描述集中于外科系统和探测器装置，但是应当理解，本发明的各种实施例也将扩展到与以上提供的说明书和由外科系统的各种元件执行的步骤一致的操作方法。同样地，本发明的实施例可以扩展到在用来以描述的方式控制外科系统的计算机可读介质中包含的软件。这也将扩展到对本领域技术人员来说显而易见的任何适当变化，他们将对也明显的方法和软件做出类似的修改。

本发明的各种实施例提供具有组合外科激光应用和/或照射的OCT扫描的内探测器。如上所述的本发明的实施例仅仅是示范性的。本领域技术人员可以从那些具体地公开中识别各种可替换实施例。那些可替换实施例也预期在此公开的范围内。因此，本发明仅仅由下列权利要求书限制。

Claims (10)

1.一种外科系统，包括：

外科激光源，可操作以发射外科激光束；

OCT引擎，可操作以发射OCT束；

内探测器，光学地耦接到外科激光源和OCT引擎，所述内探测器包括：

OCT光纤，用于传送OCT束；

外科激光光纤，用于传送外科激光束，所述外科激光束耦合到外科激光光纤中并且经过至少一个光学元件，以便产生多个外科激光点；以及

套管组件，包括具有第一扫描光学器件的第一套管和具有第二扫描光学器件的第二套管，其中所述第二套管与第一套管的旋转反向地旋转，来自于所述OCT光纤的所述OCT束和来自于所述外科激光光纤的外科激光束的每一者光学地耦接到所述第一扫描光学器件和第二扫描光学器件中，以使得所述OCT束和所述外科激光束各自都经过所述第一扫描光学器件和第二扫描光学器件，所述第一扫描光学器件和第二扫描光学器件相对于彼此的反向旋转引起对所述OCT束和所述外科激光束二者的同时扫描；以及

处理器，被配置来控制所述第一扫描光学器件和所述第二扫描光学器件以在靶向组织区域上扫描OCT束和外科激光束并且以检测来自靶向组织区域的OCT信号。

2.如权利要求1所述的外科系统，其中处理器被配置以确定靶向组织区域已经成功地由外科激光束修改并且作为响应将外科激光束和OCT束扫描到另一个组织区域。

3.如权利要求1所述的外科系统，其中处理器被配置以确定靶向组织区域已被损害并且作为响应启动补救动作。

4.如权利要求3所述的外科系统，其中补救动作是关闭外科激光源。

5.如权利要求1所述的外科系统，其中外科系统还包括光学地耦接到内探测器的照射源，并且内探测器还包括照射光纤。

6.如权利要求5所述的外科系统，其中照射光纤光学地耦接到所述第一扫描光学器件和所述第二扫描光学器件。

7.如权利要求6所述的外科系统，其中外科系统还包括用户接口，并且处理器还被配置以响应于来自于用户接口的输入来改变照射扫描模式。

8.如权利要求1所述的外科系统，其中处理器还被配置以控制外科激光源的占空比以产生用于外科激光束的选择的点模式。

9.如权利要求8所述的外科系统，其中外科系统还包括用户接口，以及处理器还被配置以响应于来自于用户接口的输入来改变所述选择的点模式。

10.如权利要求1所述的外科系统，其中外科激光源发射多个外科激光束，并且内探测器包括多个外科激光光纤。