CN104970919A - 预控式激光手术系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种预控式激光手术系统，包括：机架以及设置于机架上的控制模块、显示模块、激光发射模块、深度传感器和图像采集模块，其中：控制模块与激光发射模块相连并输出启动指令，控制模块与机架相连并传输旋转升降指令，图像采集模块、控制模块和显示模块依次相连并实时显示采集位置图像，深度传感器与控制模块相连并输出激光发射模块的实时深度信息。本发明能够预先获得手术部位及深度信息并反馈控制激光激发，显著提高了医疗安全。

Description

预控式激光手术系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种激光医疗设备领域的技术，具体是一种预控式激光手术系统及其控制方法。

背景技术

激光作为手术工具，具有准确、快速、干净，不会造成机械损伤等优点，已在眼科、美容、口腔等学科广泛应用。近年来，基于新材料新技术而开发的超高功率皮秒、飞秒激光，峰值功率可达太瓦级，其对周边组织无热损伤，被称为“冷激光”，可应用硬组织的切割和钻孔手术。然而，由于缺乏机械力反馈，手动操作激光手术过程中，激光束必然存在加速、减速等移动过程，而激光发生器的输出功率恒定，导致待切割组织在激光束的加速段、减速段的能量积累不均匀，造成切割深度严重不均匀；另外，外科手术中环境是完全非结构化的，不同病人、不同部位存在个体性差异，不同手术会涉及不同且复杂的手术规划和设计，以上原因容易导致激光光束偏移，切割深度不齐，速度失控等安全问题。现有的激光手术系统主要是通过显像系统实时观察被激光照射生物组织的变化情况，根据手术所需，手动控制手术过程中的激光照射量。由于激光截骨扫描速度快、精度高，手动控制难以确保精确的手术效果。

手术导航技术能在术前进行手术模拟及预测，术中可把深层次隐藏的重要解剖结构可视化，解决体内解剖结构深部”看得见”的问题，Sebastian Stopp，Herbert Deppe，Tim Lueth.在”A new concept for navigated laser surgery”(Lasers in Medical Science.2008，23，261‐266；)中公开了一种利用导航系统获得位置信息反馈控制激光手术的方法；但手术导航系统只能控制激光的位置及方向，不能控制激光手术的深度。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101849868A，公布日2010.10.06，

公开了一种自控激光手术设备，其中提供了一种控制手术量，提高治疗准确度的自控激光手术设备。它通过控制模块对CCD摄像头采集的病灶组织和正常组织的图像和光谱进行识别和处理，当激光切割到正常组织时，会伴有光强和颜色的突变过程，随时检测到这一突变过程并及时控制激光器关断。然而，这个过程必然会导致激光对非计划手术部位正常组织的伤害。

美国专利文献号US2014/0276679A1，申请日2013年3月14日，公开了一种探测激光眼科手术深度的方法：当超短脉冲超强功率的激光作用于组织时，其切割机制是由等离子介导的组织熔解过程，通过对等离子产生部位的深度定位，可以获得激光手术的深度信息。然而，这种方法只能用于透明眼球组织的深度测量，不能用于骨骼和牙体硬组织等非透明组织器官的 深度测量。

发明内容

本发明针对现有激光设备对于精细部位的外科激光系统，存在着激光光束偏移，切割深度不齐等缺陷，提出一种预控式激光手术系统及其控制方法，能够预先获得手术部位及深度信息并反馈控制激光激发，显著提高了医疗安全。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种预控式激光手术系统，包括：机架以及设置于机架上的控制模块、显示模块、激光发射模块、深度传感器和图像采集模块，其中：控制模块与激光发射模块相连并输出启动指令，控制模块与机架相连并传输旋转升降指令，图像采集模块、控制模块和显示模块依次相连并实时显示采集位置图像，深度传感器与控制模块相连并输出激光发射模块的实时深度信息。

所述的机架包括：支柱立架、悬梁、悬臂和悬挂架，其中：支柱立架和悬梁和转动连接，悬臂和悬梁滑动连接，从而悬臂能够前、后、左、右方向自由移动。

所述的控制模块包括：显示控制单元、手术规划及存储单元、手术导航控制单元、激光控制单元及光学相干成像信息处理单元，其中：显示控制单元与显示模块相连并传输采集位置图像及用户界面操作信息，图像采集模块与手术导航控制单元相连并传输光纤手柄及手术部位实时工作状态信息，激光控制单元与激光器相连并传输激光器开关信息，深度传感器与光学相干成像信息处理单元相连并传输激光参考臂及样品臂相干成像后光强空间分布信息。

所述的显示模块包括：分别与控制模块相连的显示器以及人机操作设备，其中：显示器与显示控制单元相连并接收采集位置图像，人机操作设备与显示控制单元相连并输出用户界面操作信息。

所述的激光发射模块包括：激光器、设置于机架中的光路系统、光纤接口光纤臂及设置于机架上的光纤手柄，其中：激光器与控制模块中的激光控制单元相连并接收启动指令，激光器输出的激光依次通过光路系统、光纤接口、光纤臂引导至深度传感器及待手术部位。

所述的激光器采用超短脉冲超高能量的激光器，其输出能量、脉宽和频率参数通过激光控制单元调整。

所述的光纤接口将悬臂内的激光光束耦合至光纤臂的光纤内。

所述的深度传感器优选设置于所述光纤手柄内，该深度传感器包括：入口凸透镜、50/50分光器、滤光片、反射镜、物镜凸透镜、滤光片和光子探测器，其中：50/50分光器位于中心，入口凸透镜和、反射镜和物镜凸透镜位于50/50分光器的透射光路上，平反射镜、滤光片和光子探测器位于50/50分光器的反射光路上，光子探测器与控制模块中的光学相干成像信息处理 单元相连并输出激光干涉后光强分布信息。

所述的光纤手柄上优选设有动态参考支架。

所述的图像采集模块包括：侧臂机构、导航仪摄像头盒以及设置于其内部的两个CCD摄像头、沿摄像头周边的均匀分布的红外LED灯和图像采集卡，其中：导航仪摄像头盒与侧臂机构固定连接，侧臂机构与机架相连，CCD摄像头正对光纤手柄及其动态参考支架，并与图像采集卡相连并传输光学模拟信号，图像采集卡与控制模块中的手术导航控制单元相连并输出光纤手柄位置信息。

所述的红外LED灯的个数优选为六个。

所述的侧臂机构与机架转动连接，导航仪摄像头盒与侧臂通过球形关节连接，CCD摄像头能够实现上、下、左、右、前、后及旋转7个关节动作，保证光纤手柄及其动态参考支架位于两个摄像头的视域内。

所述的动态参考支架上优选设有手动开关以及示踪器，示踪器上有若干荧光球，通过荧光球反射红外LED光信号能被图像采集模块中的CCD摄像头定位及跟踪。

所述的荧光球的个数优选为四个，且四个荧光球设置于不同的平面。

技术效果

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1)本发明通过预先获得手术部位及深度信息反馈控制激光激发，这种预控方式减少对激光操作人员的依赖，使得激光操作容易。

2)本发明通过增加手动开关控制方式，这种多层次预控式的冗余控制方式最大限度减少激光手术可能发生的意外，提高手术安全。

3)本发明通过把激光手术系统、手术导航系统及光学相干系统整合成更紧凑、高效的系统，比现有的激光手术系统具有更高性能。

附图说明

图1预控激光手术系统的示意图；

图2a预控激光手术系统的激光光路示意图；

图2b预控激光手术系统的激光光路及深度测量示意图；

图3预控激光手术系统模块结构及控制流程示意图；

图中：激光器101、控制模块102、立柱支架103、悬梁104、悬臂105、光纤接口106、光纤臂107、手动开关108、深度传感器109、显示器110、手柄侧端111、示踪器112、悬挂架113、CCD摄像头114、手术导航仪摄像头盒115、光纤手柄116、侧臂机构117、骨解剖组织118、动态参考支架119、激光控制连接端口120、激光激发连接端口121、图像采集卡 122沿摄像头红外LED灯123、立柱支架内反射镜片201、悬梁内光学镜片202、入口凸透镜211、50/50分光器212、样品臂反射镜213、物镜凸透镜214、参考臂反射镜215、滤光片216、光子探测器217。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：机架以及设置于机架上的控制模块102、显示模块、激光发射模块、深度传感器109和图像采集模块，其中：控制模块102与激光发射模块相连并输出启动指令，控制模块102与机架相连并传输旋转升降指令，图像采集模块、控制模块102和显示模块依次相连并实时显示采集位置图像，深度传感器109与控制模块102相连并输出激光发射模块的实时深度信息。

本实施例通过控制模块102控制激光器的脉冲能量、频率及脉冲宽度等输出参数，该控制模块102包括：显示控制单元、手术规划及存储单元、手术导航控制单元、激光控制单元及光学相干成像信息处理单元，其中：显示控制单元与显示模块相连并传输采集位置图像及用户界面操作信息，图像采集模块与手术导航控制单元相连并传输光纤手柄及手术部位实时工作状态信息，激光控制单元与激光器相连并传输激光器开关信息，深度传感器与光学相干成像信息处理单元相连并传输激光参考臂及样品臂相干成像后光强空间分布信息。

所述的机架包括：支柱立架103、悬梁104、悬臂105和悬挂架113。

所述的激光发射模块包括：激光器101、设置于机架中的光路系统、光纤接口光纤臂107及光纤手柄116，其中：激光器101与控制模块中的激光控制单元相连并接收启动指令，激光器101输出的激光依次通过光路系统、光纤接口、光纤臂107引导至深度传感器及待手术部位。

所述的深度传感器109设置于光纤手柄116内，该深度传感器109包括：入口凸透镜211，50/50分光器212，滤光片216，物镜凸透镜214，参考臂反射镜及光子探测器217。激光经凸透镜211，50/50分光器212后，分成两束，分别为参考光臂和样品光臂，参考光臂经参考平面发射后进入滤光片216，样品光臂经反射镜213导向物镜凸透镜214聚焦后经手柄侧端111导出进入组织界面，激光经组织不同层面反射后样品光臂亦进入滤光片216，然后将参考光臂和样品光臂合并以产生干涉图样。光子探测器217的功能是一个二维探测器阵列。当样品光臂对组织进行深度扫描后，可以获得深度结构信息。

所述的光纤手柄116可悬吊在悬挂架上，悬梁和悬臂能够前、后、左、右方向自由移动，引导光纤手柄116位于手术场景中。

所述的图像采集模块包括：侧臂机构117、导航仪摄像头114盒以及设置于其内部的两个CCD摄像头114、沿摄像头114周边的均匀分布的红外LED灯和图像采集卡122，其中：导航仪摄像头114盒与侧臂机构固定连接，侧臂机构117与机架相连，CCD摄像头114正对光纤手柄116及其动态参考支架119，并与图像采集卡122相连并传输光学模拟信号，图像采集卡122与控制模块中的手术导航控制单元相连并输出光纤手柄116位置信息。

所述的侧臂机构117通过与机架相连，实现上、下、左、右、前、后及旋转动作，保证手术场景光线同时进入两个摄像头。

所述的光纤手柄116上设有手动开关108，开关与控制模块相连接，启闭开关通过控制模块控制激光器的启动和关闭。

所述的动态参考支架119上设有示踪器112，示踪器能被两个CCD摄像头114定位及跟踪。 

如图3所示，本装置通过以下方式实现控制：

步骤1)手术导航控制单元通过CCD摄像头探测光纤手柄是否到达规划切割位置，具体步骤包括：

1.1导航系统准备：开启控制模块、显示器、CCD摄像头，红外LED灯，启用显示控制单元，显示手术规划及配准点虚拟位置信息

1.2配准：将动态参考支架固定于待配准解剖部位，调整CCD摄像头位置，保证需配准点位于导航图像的中心视野区，CCD摄像头与需配准点无物体遮挡；CCD摄像头获得需配准点的空间位置信息，并与配准点虚拟位置信息对应，经过最小二乘算法算出配准误差值，误差值小于0.5mm，完成配准过程。

1.3实时跟踪：从悬挂架上取下并移动光纤手柄，使手柄侧端尖头至所需切割解剖组织的对应位置，CCD摄像头即时捕获激光手柄侧端相对于解剖部位空间位置X‐Y轴位置并把信息传回控制模块，此处的X轴是垂直于切割平面并沿切割线前进方向；Y轴是垂直于切割平面垂直于切割线前进方向。由于已经进行配准，手柄侧端尖头的虚拟位置信息在显示器上显示。

步骤2)光学相干成像信息处理单元通过深度传感器实施检测待切割部位厚度，具体步骤包括：

2.1控制模块发出指令，激发光学相干成像激光，激光沿机架内光路、光纤接口、光纤臂到达光纤手柄内的深度传感器。激光经凸透镜聚焦后，被50/50分光器分成两束，分别为参考光臂和样品光臂。

2.2参考光臂经参考臂反射镜发射后进入滤光片，样品光臂经反射镜导向物镜凸透镜，聚焦后经手柄侧端导出进入组织界面，激光经组织内不同层面反射后的样品光臂亦进入滤光片， 参考光臂和样品光臂相互干涉产生干涉图样。

2.3光子探测器是一个二维探测器阵列，收集干涉图样的光强分布信息并反馈至光学相干成像信息处理单元，产生一个二维的数据集，计算出待切割区的厚度。

步骤3)导航定位、深度控制的预控式激光发生模式，具体步骤包括：

3.1激光发生器的激光激发连接端口通过线路与控制模块的激光控制连接端口相连接，控制模块发出指令控制激光器的开机、关机以及修正激光输出量。

3.2手术导航控制单元获得手柄侧端尖头的空间位置信息，并在显示器上实时显示虚拟手柄侧端尖头位置与规划切割线位置相对空间关系，如没有抵达规划切割线位置，操作移动光纤手柄，直到手柄侧端尖头到达手术规划截骨线位置。

3.3光学相干成像信息处理单元获得待切割部位深度信息反馈至控制模块，如果待切割部位厚度没有达到临界值(一个激光脉冲所能切割的最大组织厚度)，控制模块激发发射脉冲截骨激光，在脉冲间隙，相干成像激光再次发射，并获得深度信息，如此循环，直至截骨区厚度达到临界值，控制模块停止激光并提示沿截骨线移动光纤手柄。

3.4光纤手柄上的手动开关与控制模块相连接，关闭手动开关与激光控制单元相连手动控制激光器的关闭，当术中出现意外关闭手动开关即刻关闭激光发生器。

Claims (10)

1.一种预控式激光手术系统，其特征在于，包括：机架以及设置于机架上的控制模块、显示模块、激光发射模块、深度传感器和图像采集模块，其中：控制模块与激光发射模块相连并输出启动指令，控制模块与机架相连并传输旋转升降指令，图像采集模块、控制模块和显示模块依次相连并实时显示采集位置图像，深度传感器与控制模块相连并输出激光发射模块的实时深度信息；

所述的控制模块包括：显示控制单元、手术规划及存储单元、手术导航控制单元、激光控制单元及光学相干成像信息处理单元，其中：显示控制单元与显示模块相连并传输采集位置图像及用户界面操作信息，手术导航控制单元与图像采集模块相连并传输光纤手柄及手术部位实时工作状态信息，激光控制单元与激光器相连并传输激光器开关信息，深度传感器与光学相干成像信息处理单元相连并传输激光参考臂及样品臂相干成像后光强空间分布信息。

2.根据权利要求1所述的预控式激光手术系统，其特征是，所述的显示模块包括：分别与控制模块相连的显示器以及人机操作设备，其中：显示器与显示控制单元相连并接收采集位置图像，人机操作设备与显示控制单元相连并输出用户界面操作信息。

3.根据权利要求1所述的预控式激光手术系统，其特征是，所述的激光发射模块包括：激光器、设置于机架中的光路系统、光纤接口光纤臂及设置于机架上的光纤手柄，其中：激光器与控制模块中的激光控制单元相连并接收启动指令，激光器输出的激光依次通过光路系统、光纤接口、光纤臂引导至深度传感器及待手术部位。

4.根据权利要求3所述的预控式激光手术系统，其特征是，所述的深度传感器设置于所述光纤手柄内，该深度传感器包括：入口凸透镜、50/50分光器、滤光片、反射镜、物镜凸透镜、滤光片和光子探测器，其中：50/50分光器位于中心，入口凸透镜和、反射镜和物镜凸透镜位于50/50分光器的透射光路上，平反射镜、滤光片和光子探测器位于50/50分光器的反射光路上，光子探测器与控制模块中的光学相干成像信息处理单元相连并输出激光干涉后光强分布信息。

5.根据权利要求3或4所述的预控式激光手术系统，其特征是，所述的光纤手柄上设有动态参考支架。

6.根据权利要求1所述的预控式激光手术系统，其特征是，所述的图像采集模块包括：侧臂机构、导航仪摄像头盒以及设置于其内部的两个CCD摄像头、沿摄像头周边的均匀分布的红外LED灯和图像采集卡，其中：导航仪摄像头盒与侧臂机构固定连接，侧臂机构与机架相连，CCD摄像头正对光纤手柄及其动态参考支架，并与图像采集卡相连并传输光学模拟信号，图像采集卡与控制模块中的手术导航控制单元相连并输出光纤手柄位置信息。

7.根据权利要求6所述的预控式激光手术系统，其特征是，所述的侧臂机构与机架转动连接，导航仪摄像头盒与侧臂通过球形关节连接，CCD摄像头能够实现上、下、左、右、前、后及旋转7个关节动作，保证光纤手柄及其动态参考支架位于两个摄像头的视域内。

8.根据权利要求6或7所述的预控式激光手术系统，其特征是，所述的动态参考支架上设有手动开关以及示踪器，示踪器上有若干荧光球，通过荧光球反射红外LED光信号能被图像采集模块中的CCD摄像头定位及跟踪。

9.根据权利要求8所述的预控式激光手术系统，其特征是，所述的荧光球的个数为四个，且四个荧光球设置于不同的平面。

10.一种根据上述任一权利要求所述系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1)手术导航控制单元通过CCD摄像头探测光纤手柄是否到达规划切割位置，具体步骤包括：

1.1导航系统准备：开启控制模块、显示器、CCD摄像头，红外LED灯，启用显示控制单元，显示手术规划及配准点虚拟位置信息；

1.2配准：将动态参考支架固定于待配准解剖部位，调整CCD摄像头位置，保证需配准点位于导航图像的中心视野区，CCD摄像头与需配准点无物体遮挡；CCD摄像头获得需配准点的空间位置信息，并与配准点虚拟位置信息对应，经过最小二乘算法算出配准误差值，误差值小于0.5mm，完成配准过程；

1.3实时跟踪：从悬挂架上取下并移动光纤手柄，使手柄侧端尖头至所需切割解剖组织的对应位置，CCD摄像头即时捕获激光手柄侧端相对于解剖部位空间位置X‐Y轴位置并把信息传回控制模块，此处的X轴是垂直于切割平面并沿切割线前进方向；Y轴是垂直于切割平面垂直于切割线前进方向。由于已经进行配准，手柄侧端尖头的虚拟位置信息在显示器上显示；

步骤2)光学相干成像信息处理单元通过深度传感器实施检测待切割部位厚度，具体步骤包括：

2.1控制模块发出指令，激发光学相干成像激光，激光沿机架内光路、光纤接口、光纤臂到达光纤手柄内的深度传感器。激光经凸透镜聚焦后，被50/50分光器分成两束，分别为参考光臂和样品光臂；

2.2参考光臂经参考臂反射镜发射后进入滤光片，样品光臂经反射镜导向物镜凸透镜，聚焦后经手柄侧端导出进入组织界面，激光经组织内不同层面反射后的样品光臂亦进入滤光片，参考光臂和样品光臂相互干涉产生干涉图样；

2.3光子探测器是一个二维探测器阵列，收集干涉图样的光强分布信息并反馈至光学相干成像信息处理单元，产生一个二维的数据集，计算出待切割区的厚度；

步骤3)导航定位、深度控制的预控式激光发生模式，具体步骤包括：

3.1激光发生器的激光激发连接端口通过线路与控制模块的激光控制连接端口相连接，控制模块发出指令控制激光器的开机、关机以及修正激光输出量；

3.2手术导航控制单元获得手柄侧端尖头的空间位置信息，并在显示器上实时显示虚拟手柄侧端尖头位置与规划切割线位置相对空间关系，如没有抵达规划切割线位置，操作移动光纤手柄，直到手柄侧端尖头到达手术规划截骨线位置；

3.3光学相干成像信息处理单元获得待切割部位深度信息反馈至控制模块，如果待切割部位厚度没有达到临界值，控制模块激发发射脉冲截骨激光，在脉冲间隙，相干成像激光再次发射，并获得深度信息，如此循环，直至截骨区厚度达到临界值，控制模块停止激光并提示沿截骨线移动光纤手柄；

3.4光纤手柄上的手动开关与控制模块相连接，关闭手动开关与激光控制单元相连手动控制激光器的关闭，当术中出现意外关闭手动开关即刻关闭激光发生器。