CN106659381A - 以光学相干断层成像术增强的外科器械及用于修正外科器械所不希望的移动的系统和方法 - Google Patents

以光学相干断层成像术增强的外科器械及用于修正外科器械所不希望的移动的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种能够修正所不希望的移动的以OCT增强的外科器械，以及一种用于与这种外科器械一起使用的系统和一种在使用OCT的手术过程中修正所不希望的移动的方法。

Description

以光学相干断层成像术增强的外科器械及用于修正外科器械 所不希望的移动的系统和方法
背景
披露领域
本披露涉及以光学相干断层成像术(OCT)增强的外科器械，并且涉及用于对使用OCT的外科器械的所不希望移动进行修正的系统和方法。
相关领域的说明
手术经常涉及对组织的精确移除或对切口的安置。在显微手术中，尤其是在所有三个维度中的精确定位以及精确的运动控制对于避免非预期效果(例如不能完成手术或甚至造成伤害)是关键的。这对于眼科手术是尤其正确的。例如，在玻璃体视网膜手术中，希望工具尖端定位精度为约10μm。人手震颤在手术中是常见问题并且难以避免，而其通常造成约多达50μm的移动。这大大超出对于玻璃体视网膜手术和其他显微手术的希望范围并且降低了这些手术的质量。
因为不可能对外科器械的移动进行适当地控制而使得其他手术(例如对视网膜静脉阻塞的处理)不可能进行。视网膜静脉阻塞影响1.6％的年龄为49岁及年龄更大的人并且可以进行外科处理，但是目前该手术被认为进行起来过于有风险。
用于解决所不希望的移动(例如在显微手术中的偶然移动)的现有方法对震颤进行主动补偿。例如，一种方法在外科器械上放置以磁强计辅助的加速度计来检测震颤并对震颤进行补偿。使用近端加速度计来感测远端运动的其他方法需要复杂的数据过滤和处理并且将显著的重量添加至外科器械上，这趋向于产生更多震颤。
对于可以通过更实际的方式对震颤或其他所不希望的移动进行补偿的显微外科器械、系统和方法仍然存在着需要。
概述
在一个实施例中，本发明涉及一种OCT系统，该OCT系统含有OCT源，该OCT源经由OCT传输介质联接至光束分离器，该光束分离器经由一个OCT路径联接至参考臂并且经由第二OCT传输介质联接至以OCT增强的外科器械。该以OCT增强的外科器械含有OCT聚焦元件、致动器和执行外科手术的外科部件。OCT系统还含有经由OCT传输介质联接至该光束分离器的检测器。该检测器接收OCT光束，该OCT光束含有来自该参考臂的分量和来自该以OCT增强的外科器械的分量。该OCT系统另外含有计算机，该计算机电联接或无线联接至该检测器和该致动器。该外科器械的所不希望的移动导致由该检测器所检测到的干涉图样中的改变，该改变被传达至该计算机，该计算机将电信号或无线信号发送至该致动器，从而引起该外科器械的修正移动。
在另一个实施例中，本发明涉及一种以OCT增强的外科器械，该外科器械含有OCT传输介质、OCT聚焦元件、致动器和外科部件。该致动器能够操作来引起该外科器械响应于行进穿过该OCT传输介质和该OCT聚焦元件的OCT光束进行修正移动。
在另一个实施例中，本发明涉及一种通过以下方式对外科器械的所不希望的移动进行修正的方法：将来自OCT源的OCT光束经由OCT传输介质发送至光束分离器，该光束分离器将该光束分离成行进至参考臂并且被该参考臂反射的OCT光束和行进至该外科器械正进行手术的组织并且被该组织反射的OCT光束；对于由该参考臂和该组织反射的这些OCT光束检测干涉图样；基于该干涉图像确定是否发生了所不希望的移动并且确定适当的修正移动；并且使用位于该外科器械中的致动器引起该外科器械中适当的修正移动。
附图的简要说明
为了更加完整地理解本发明及其特征和优点，现在参考结合附图的以下说明，这些附图并未按比例绘制，在这些附图中：
图1是含有以OCT增强的外科器械的OCT系统；
图2是以OCT增强的外科器械；
图3是以OCT增强的外科器械的另一个实施例；
图4是在以OCT增强的外科器械中的光束分离和聚焦单元；
图5是在以OCT增强的外科器械中的光束分离和聚焦单元的另一个实施例；
图6是在以OCT增强的外科器械中的联接器；并且
图7是描绘了使用含有以OCT增强的外科器械的OCT系统的测量矢量在空间中的关系的图。
具体实施方案的说明
在以下说明中，通过举例的方式对细节进行阐述以便于讨论所披露主题。然而，对本领域普通技术人员应该明显的是，所披露的实施例是示例性的并且不是所有可能的实施例的穷举。
如在此使用的，后面带有字母的参考数字指的是元件的具体实例，并且仅由参考数字形成的数字指的是集体元件。因此，例如，装置‘12a’指的是装置类型的实例，该装置类型可以集体性地被称为多个装置‘12’并且该装置类型中的任一者可以一般性地被称为一个装置‘12’。
现参照附图，图1是具有以OCT增强的外科器械200的OCT系统100。光学相干断层成像术(OCT)是用于对样本材料(例如至少部分地反射光线的组织)进行结构检查的干涉分析技术。光学相干断层成像术还可以用于对样本材料进行功能检查，例如样本材料的运动和速率或组织的血液流动。在OCT中，呈OCT光束形式的光线用于基于在参考光束和与样本材料(例如生物组织)相互作用的采样光束之间产生的光学干涉来测量距离和深度轮廓。在一些实施例中，OCT光束可以被提供成脉冲、扫描波长或宽带光。
OCT系统100可以对外科器械200与组织300(在这个示例图中表现为眼睛)之间的相对运动和速率进行测量。
OCT系统100另外包括OCT源110，该OCT源产生OCT光束(未示出)，该OCT光束穿过OCT传输介质230c行进至光束分离器120，该OCT光束在该光束分离器处被分离成使得该光束的一部分穿过OCT传输介质230b行进至参考臂130并且该光束的一部分穿过OCT传输介质230a行进至外科器械200。在命中参考臂130或组织300之后，这些OCT光束对应地穿过OCT传输介质230b和230a行进返回至光束分离器120，这些OCT光束在该光束分离器处经由OCT传输介质230d被引导至检测器140。检测器140给计算机150发送信号，该计算机包括能够基于从检测器140接收的信号来确定外科器械200相对于组织300的相对运动和速率的处理器。计算机150确定外科器械200是否需要修正移动，并且如果需要的话则将信号发送至外科器械200中的致动器250。致动器250响应于该信号并且实时地引起外科器械200的修正移动。
在一些实施例中，OCT传输介质230是光纤。
在图1中示出的实施例中，就光学延迟而言参考臂130是靠近组织300定位的并且处于距OCT源110一段可接受距离的预先确定的位置中。从组织300穿过外科器械200行进返回至检测器140的OCT光束与来自参考臂130的OCT光束发生干涉并且产生干涉图样。作为结果，可以确定外科器械200相对于组织300的运动特性(例如间隙、位移和速率)。
在一个实施例中，参考臂130包括用于反射OCT光束的镜子。
在一个实施例中，检测器140是光谱仪。在另一个实施例中，检测器140包括产生表明在检测器140处的入射光线强度的电信号的光电二极管或类似装置。
检测器140可以将电信号输出至计算机150。在这种实施例中，计算机150可以包括用于信号调节、解调、数字化和数字信号处理的电路。在另一个实施例中，检测器140将无线信号输出至计算机150。
在一个实施例中，计算机150另外包括存储多个指令(即，可执行代码)的存储介质，这些指令可由访问存储介质的处理器执行。该处理器可以执行多个指令，这些指令引起外科器械200中的致动器250激活，并且控制这种激活的参数，从而允许对外科器械200的所不希望的移动加以补偿。为了此披露的目的，存储介质可以包括将数据和指令存储至少一段时间的非易失性计算机可读介质。存储介质可以包括永久性和易失性介质、固定和可移除介质、以及磁性和半导体介质。存储介质可以非限制性地包括以下存储介质，例如，直接存取存储装置(例如硬盘驱动器或软盘)、顺序存取存储装置(例如磁带磁盘驱动器)、光盘(CD)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、CD-ROM、数字多功能光盘(DVD)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))、闪速存储器、非易失性介质、和以上元件的多种不同组合。
图2描绘了外科器械200a，该外科器械可以用于OCT系统中并且包括手柄210和插管220。在一些实施例中，可以用执行外科手术的不同外科部件来替换插管220。OCT传输介质230a穿过手柄210行进到插管220中，该OCT传输介质在该插管220处终止于聚焦元件(例如，透镜、曲面镜)240。手柄210还含有致动器250，该致动器可操作来从计算机(未示出)接收信号并且响应于该信号引起外科器械200a的移动。因为只有一个OCT光束行进穿过聚焦元件240，图2中的器械提供一维的OCT测量。外科器械可以包括与图2中所描绘的那些相类似的多个OCT传输介质和聚焦透镜。这多个OCT传输介质可以是经由联接器联接的多个OCT光纤，如在图6中示出的。
在示出的实例中(其中外科器械200含有插管220)，致动器250使插管220移动进出手柄210以补偿所不希望的移动。例如，如果OCT系统确定插管220距组织(未示出)过近，则致动器250使插管220移动到手柄210中以进行补偿。
在一些实施例中，致动器250使插管220或其他外科部件以与外科器械200的所不希望的移动的速度相匹配的速度移动。致动器250还可以使插管220或其他外科部件在与所不希望的运动的方向、或所不希望的运动的分量方向相反的方向上运动。
致动器250可以是能够响应于所不希望的移动来使外科器械200实时移动的任何外科致动器。在一些实施例中，致动器250可以构成外科器械200的重量的一小部分，以便避免引入额外的震颤。例如，致动器250可以小于外科器械200的重量的25％。在一个实施例中，致动器250是压电致动器。在另一个实施例中，致动器250是音圈致动器。在又另一个实施例中，致动器250是电磁致动器。在另一个实施例中，致动器250是超声致动器。致动器250可以能够如图2中示出地仅在一个方向上移动、或如图3(该图展示了在三个方向上移动)中示出地在两个、三个或更多个方向上移动。在致动器250能够在两个或更多个方向上移动的实施例中，致动器250可以含有多个部件或子致动器，该多个部件或子致动器各自能够在一个方向上移动。
图3描绘了替代性外科器械200b，该外科器械含有光束分离和聚焦单元260而不是聚焦元件240，该光束分离和聚焦单元将沿OCT传输介质230a行进的OCT光束分离成在两个或更多个方向上聚焦的两个或更多个分开的OCT光束。在一个实施例中，该光束被分离成在三个或更多个方向上聚焦的三个或更多个OCT光束。由光束分离和聚焦单元260产生的该多个分离光束具有略微不同的光学路径长度延迟，使得在对应的OCT图像中来自不同光束的OCT信息将在深度方面分开。使用这些不同的图像，对组织相对于外科器械200的多维位移和速率(反之亦然)进行计算。
图4描绘了统一的光束分离和聚焦单元260a。光束分离和聚焦单元将该OCT光束分离成多个光束并且使那些光束在组织(未示出)上聚焦。
图5描绘了替代性光束分离和聚焦单元260b，该光束分离和聚焦单元含有分开的光束分离单元270和光束聚焦单元280。在一些实施例中，光束分离单元270是光纤分离器或多包层光纤。在一些实施例中，光束聚焦单元280是梯度折射(GRIN)透镜。在其他实施例中，光束分离和聚焦单元260b是多面球，例如蓝宝石球。
图6描绘了用于将OCT光束分离到多个OCT光纤410a、410b和410c中的联接器400，该多个OCT光纤分别终止于聚焦元件240a、240b和240c。该多个OCT光纤和聚焦元件可以通过类似于图2中描绘的方式来定位于外科器械200中。OCT光纤410可以具有略微不同的长度以引起不同的光学路径延迟。
在另一个实施例中，检测器能够检测光线的偏振，并且穿过外科器械的OCT光束通过偏振被分离到不同的取向中。这还允许了针对组织和外科器械相对于彼此的运动和速率的多维测量。
在又另一个实施例中(未示出)，可以使用一个或多个扩散光学元件或二向色光束分离光学元件将OCT光束以不同取向分离到不同光谱带中。在这个实施例中，检测器能够检测这些不同的光谱带。这个实施例也允许了针对组织和外科器械相对于彼此的运动和速率的多维测量。
在具体示例实施例中，将三个分开的OCT光束提供至组织，图7描绘了光束矢量V1、V2和V3在空间上的关系(代表每个光束的取向)以及组合矢量V_总。这些光束矢量可以是代表了组织相对于外科器械的位移矢量或速率矢量，并且反之亦然。这些光束矢量对外科器械的取向是已知的，因为它们基于器械设计或预先的校准。注意到的是，这些光束矢量V1、V2和V3是总体运动矢量V_总在每个光束方向上的投影。OCT系统测量每个光束矢量的幅值并且计算总体运动矢量V_总。为了对所不希望的运动进行补偿，外科器械使用多个致动器以用于主动运动补偿。对于三维运动补偿，通常需要三个致动器。注意到的是，致动器运动矢量M1、M2、M3的取向同样被认为是已知的参数，但是它们可以不与OCT光束矢量V1、V2、V3的那些取向重叠。可以容易地计算总体运动矢量V_总到那些致动器运动方向M1、M2、M3上的投影，并且可以将该投影用于引导对外科工具的实际运动补偿。
在一个实施例中，OCT系统通过将来自OCT源的OCT光束穿过OCT传输介质发送至光束分离器来修正在外科器械中的所不希望的移动，该光束分离器将OCT光束分离成行进至参考臂的光束和行进至外科器械的光束。在参考臂中的OCT光束经由OCT传输介质来反射返回并(例如通过光束分离器)行进至检测器，该光束分离器将该OCT光束与来自外科器械的光束重新组合。在外科器械中的OCT光束被组织反射返回并且也经由OCT传输介质(例如通过光束分离器)行进至检测器，该光束分离器将该OCT光束与来自参考臂的光束重新组合。检测器将经反射的OCT光束检测为组合的光束或检测为来自参考臂和外科器械的分量。检测器典型地检测干涉图样，如果外科器械经历了预先确定程度的所不希望的移动的话该干涉图样就会改变。检测器将电信号或无线信号发送给计算机，该计算机然后使用其处理器来确定是否发生了所不希望的移动并且确定适当的修正移动。计算机然后将电信号或无线信号发送给外科器械中的致动器以引起修正移动。这种修正移动可以实时发生。例如，它可以在小于一毫秒内发生。
上述类型的以OCT增强的外科器械可以用于显微手术，例如玻璃体视网膜手术(包括眼内套管插入术、对抗凝剂的注射以处理栓塞、和动静脉鞘膜切开术)、耳鼻喉科手术、神经学手术、腹腔镜手术、前列腺手术、和微脉管手术。对外科器械尖端的定位可以被控制到10μm或更小的精度上。
以上披露的主题应认为是展示性而非限制性的，并且所附权利要求书旨在覆盖所有这种修改、增强、以及落入本披露的真实精神和范围内的其他实施例。因此，为了被法律最大程度地允许，本披露的范围将由以下权利要求书及其等效物的最广泛允许的解读来确定并且不应受限于或局限于上述详细说明。例如，许多示例实施例在此描绘和描述为使用三个OCT光束。对本领域普通技术人员将明显的是，在这种实施例中通过相应地增加计算复杂度可以使用任意多个OCT光束，例如三个或更多个光束。

Claims (26)

1.一种光学相干断层成像术(OCT)系统，包括：
OCT源，该OCT源经由第一OCT传输介质联接至；
光束分离器，该光束分离器经由第二OCT传输介质联接至；
参考臂；
以OCT增强的外科器械，该外科器械经由第三OCT传输介质联接至该光束分离器，该外科器械包括：
OCT聚焦元件；
致动器；以及
外科部件，其中该外科部件执行外科手术；以及
检测器，该检测器经由第四OCT传输介质联接至该光束分离器，其中该检测器接收OCT光束，该OCT光束含有来自该参考臂的分量和来自该以OCT增强的外科器械的分量；以及
计算机，该计算机电联接或无线联接至该检测器和该致动器，
其中该外科器械的所不希望的移动导致由该检测器所检测到的干涉图样中的改变，该改变被传达至该计算机，该计算机将电信号或无线信号发送至该致动器，从而引起该外科器械的修正移动。
2.如权利要求1所述的OCT系统，其中该以OCT增强的外科器械进一步包括分离元件，该分离元件将该OCT光束分离成多个OCT光束。
3.如权利要求2所述的OCT系统，其中该多个OCT光束具有不同的光路延迟。
4.如权利要求2所述的OCT系统，其中该多个OCT光束具有不同的偏振。
5.如权利要求2所述的OCT系统，其中该多个OCT光束具有不同的光谱带。
6.如权利要求2所述的OCT系统，其中该多个OCT光束的矢量被用于确定在该外科器械与组织之间的相对运动和速率。
7.如权利要求2所述的OCT系统，其中该分离元件包括光束分离和聚焦单元，该光束分离和聚焦单元将该OCT光束分离成多个OCT光束。
8.如权利要求7所述的OCT系统，其中该光束分离和聚焦单元包括分开的光束分离单元和分开的光束聚焦单元。
9.如权利要求2所述的OCT系统，其中该分离元件包括联接器和至少两个OCT光纤。
10.如权利要求1所述的OCT系统，其中该以OCT增强的外科器械含有分离元件，该分离元件将该OCT光束分离成至少三个OCT光束。
11.如权利要求1所述的OCT系统，其中该聚焦元件包括聚焦透镜。
12.如权利要求1所述的OCT系统，其中该聚焦元件包括曲面镜。
13.如权利要求1所述的OCT系统，其中该外科部件包括插管。
14.如权利要求1所述的OCT系统，其中该修正移动是在一个方向上的。
15.如权利要求1所述的OCT系统，其中该修正移动是在至少两个方向上的。
16.一种以光学相干断层成像术(OCT)增强的外科器械，包括：
OCT传输介质；
OCT聚焦元件；
致动器；以及
外科部件，
其中该致动器可操作来引起该外科器械响应于行进穿过该OCT传输介质和该OCT聚焦元件的OCT光束进行修正移动。
17.如权利要求15所述的器械，进一步包括分离元件，该分离元件将该OCT光束分离成多个OCT光束。
18.如权利要求16所述的器械，其中该分离元件包括光束分离和聚焦单元，该光束分离和聚焦单元将该OCT光束分离成多个OCT光束。
19.如权利要求17所述的器械，其中该光束分离和聚焦单元包括分开的光束分离单元和分开的光束聚焦单元。
20.如权利要求16所述的器械，其中该分离元件包括联接器和至少两个OCT光纤。
21.如权利要求15所述的器械，其中该OCT聚焦元件包括聚焦透镜。
22.如权利要求15所述的器械，其中该OCT聚焦元件包括曲面镜。
23.如权利要求15所述的器械，其中该外科部件包括插管。
24.一种对外科器械的所不希望的移动进行修正的方法，该方法包括：
将来自OCT源的光学相干断层成像术(OCT)光束经由第一OCT传输介质发送至光束分离器，该光束分离器将该光束分离成经由第二OCT传输介质行进至参考臂并且被该参考臂反射的OCT光束和经由第三OCT传输介质行进至该外科器械正进行手术的组织并且被该组织反射的OCT光束；
对于由该参考臂和该组织反射的这些OCT光束检测干涉图样；
基于该干涉图像确定是否发生了所不希望的移动并且确定适当的修正移动；并且
使用位于该外科器械中的致动器引起在该外科器械中的适当的修正移动。
25.如权利要求22所述的方法，进一步包括将行进至该外科器械的该OCT光束进行分离，并且确定该外科器械和该组织的相对速率和速度。
26.如权利要求22所述的方法，其中引起该适当的修正运动是实时发生的。
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