CN107529981B - 用于外科手术光学相干断层成像术的跟踪系统 - Google Patents
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Abstract
一种OCT跟踪系统包括能够操作来产生患者眼睛的眼底图像的成像单元以及能够操作来对所述眼底图像进行处理以确定插入到患者眼睛内的外科手术器械的位置的跟踪系统。所述OCT跟踪系统进一步包括OCT系统，所述OCT系统包括能够操作来产生OCT成像光束的OCT光源以及光束扫描器。所述光束扫描器至少部分地基于所述外科手术器械的所述确定的位置将所述OCT成像光束引导至所述患者眼睛内的具体区域，所述患者眼睛内的所述具体区域包括被插入到所述患者眼睛内的外科手术器械的所述确定的位置。
Description
技术领域
本披露总体上涉及用于玻璃体视网膜、青光眼或其它眼科手术的改进可视化，并且具体涉及用于外科手术光学相干断层成像术(OCT)的跟踪系统。
背景技术
用于辅助眼科外科医生的成像和可视化技术变得日益流行，并且正在进行关于这些技术的许多研究和开发。一类眼科手术——玻璃体视网膜手术——涉及玻璃体切除术，从后房中移除玻璃体以进入视网膜。玻璃体切除术的成功执行需要基本上完全去除玻璃体，包括玻璃体基底附近最具挑战性的区域。使用成像技术和装置可以大大有助于提高玻璃体移除的效率。
然而，由于若干种原因，使用成像来辅助玻璃体切除术是特别具有挑战性的。原因之一是玻璃体是透明的。另一个挑战是，外围的可视化需要具有高倾斜角度的成像射束。在膜剥除手术过程中存在类似的可视化组织。目前，典型地使用显微镜或视频显微镜成像来解决前一种的挑战，并且使用基于广角接触透镜或基于非接触的透镜来解决后一种挑战，但是在各自情况下取得有限的成功。
成像的改进可以通过使用光学相干断层成像术(OCT)来实现，一种通过将激光束聚焦到目标上、收集反射束、使得参考束与反射束发生干涉并检测所述干涉、以及测量该射束的焦深内的反射特征的技术。结果是深度上的线扫描、横截面扫描或体积扫描。
常规的诊断眼科OCT系统使用视网膜跟踪来跟踪视网膜的运动。在这样的系统中，初始眼底图像可以被眼底成像器所采集并且被设定为参照。可以实时拍摄顺序的眼底图像并且将其与参照的眼底图像加以比较以便跟踪视网膜的相对运动，所述视网膜的相对运动接着可以被用作OCT扫描器的反馈，使得OCT系统总是跟踪并且扫描视网膜的同一区域。但是，扫描固定且预先确定的区域不一定向外科医生提供可能需要的有用信息，因为在手术过程中，外科医生通常更关心直接位于外科手术器械的下方或与其相靠近的区域。因此，本披露的某些实施例可以有益地提供一种便于增加外科医生对扫描位置的控制的OCT系统。
发明内容
在某些实施例中，一种OCT跟踪系统包括可操作来产生患者眼睛的眼底图像的成像单元以及可操作来对所述眼底图像进行处理以确定插入到患者眼睛内的外科手术器械的位置的跟踪系统。所述OCT跟踪系统进一步包括OCT系统，所述OCT系统包括可操作来产生OCT成像光束的OCT光源以及光束扫描器。所述光束扫描器至少部分地基于所述外科手术器械的所述确定的位置将所述OCT成像光束引导至所述患者眼睛内的具体区域，所述患者眼睛内的所述具体区域包括被插入到所述患者眼睛内的外科手术器械的所述确定的位置。
本披露的某些实施例可以提供一个或多个技术优点。例如，与对外科医生在给定的时刻不在其处工作的预先确定的位置的扫描相比，根据本披露在所述外科手术器械的附近产生实时OCT扫描的能力可以向外科医生提供更多有用的信息。因此，本披露的实施例可以使术中OCT对于外科医生更加方便。
附图说明
为了更加完整地理解本披露及其优点，现在参考结合附图进行以下说明，在这些附图中相同的参考数字指示相同的特征，并且在附图中：
图1根据本披露的某些实施例展示了示例性OCT跟踪系统；
图2A-2C根据本披露的某些实施例展示了图1中描绘的以跟踪模式运行的OCT跟踪系统的简化版本；
图3A-3C根据本披露的某些实施例展示了图1中描绘的以拖放模式运行的OCT跟踪系统的简化版本；
图4根据本披露的某些实施例展示了具有集成OCT跟踪系统的示例性眼科手术显微镜。
本领域的技术人员将理解的是，下述附图仅出于说明目的。这些附图不旨在以任何方式限制申请人的披露内容的范围。
具体实施方式
出于促进对本披露的原理的理解的目的，现在将参考附图中展示的实施例，并且将使用具体语言来描述它们。然而，应理解的是，不旨在限制本披露的范围。本披露所涉及领域内的普通技术人员通常将完全能够想到对于所描述的系统、装置、和方法的任何改变和进一步修改、以及对于本披露的原理的任何进一步应用。具体而言，完全可以想到针对一个实施例描述的系统、装置和/或方法可与针对本披露的其他实施例描述的特征、部件和/或步骤组合。然而，为简洁起见，将不单独地描述这些组合的众多重复。为简单起见，在一些情况下，贯穿这些附图使用相同的参考号来指代相同或相似的零件。
总体上，本披露可以提供一种OCT跟踪系统，所述OCT跟踪系统包括眼底成像单元、跟踪单元、和OCT系统。所述跟踪单元可操作成处理由所述眼底成像单元产生的眼底图像，以便在手术过程中确定外科手术器械在患者眼睛内的位置。所述OCT系统的光束扫描器可以使用所述外科手术器械的确定的位置来引导OCT成像光束在患者眼睛内的位置(例如，引导至所述外科手术器械位于所述患者眼睛内的区域)。作为结果，可以产生在与外科手术器械相同的附近处的OCT图像，并且所述OCT图像可以随着所述外科手术器械在患者眼睛内的移动对其进行跟踪(与系统在使用期间仅跟踪视网膜的情况下，OCT图像具有在患者眼睛内的预定位置不同)。由于外科医生通常最关心眼睛内紧邻外科手术器械的结构，因此如在此所披露的，OCT图像在手术过程中跟踪外科手术器械的系统可以是有益的。
图1根据本披露的某些实施例展示了示例性OCT跟踪系统100。总体上，OCT跟踪系统100包括用于在手术过程中产生患者眼睛104的眼底图像103的成像单元102以及用于处理成像单元102产生的眼底图像103以便确定外科手术器械108(例如，玻璃体切除术探针、激光器探针、镊子、或任何其他合适的外科手术器械)在这些眼底图像103中的位置的跟踪单元106。OCT跟踪系统100还包括OCT系统110，所述OCT系统包括光源/分析单元112和光束扫描器114。光源/分析单元112产生OCT成像光束116，并且光束扫描器114将产生的OCT成像光束116引导至患者眼睛104内的具体区域。光束扫描器114通信地耦合至跟踪单元106，使得可以至少部分地基于外科手术器械108的位置而确定OCT成像光束116被引导到的具体区域。所述OCT成像光束116从患者眼睛104内的具体区域的反射可以沿与OCT成像光束116相同的光路返回至光源/分析单元112，并且光源/分析单元112可以通过确定所述OCT成像光束116的反射与参考臂之间的干涉来产生具体区域的实时截面OCT图像。作为结果，OCT跟踪系统100可以利于在手术过程中跟踪外科手术器械108的运动的实时OCT成像。
OCT跟踪系统100的成像单元102可以包括用于产生患者眼睛104的眼底图像103的任何合适的装置、并且可以包括用于执行那种功能的合适的放大光学器件和聚焦光学器件(未描绘出)。作为简化的示例，通过可操作来反射或部分地反射可见光谱或近红外光谱的波长的反射镜120，患者眼睛104的可见光或近红外光118被引导为朝向成像单元102。在某个实施例中，眼底图像103可以是患者眼睛104的离散的静止影像。在其它实施例中，眼底图像103可以包括患者眼睛104的连续视频流。示例成像单元可以包括数码摄像机、线扫描眼底镜、或共焦扫描眼底镜。
眼科照明系统100的跟踪单元106通常可操作成至少部分地基于成像单元102产生的眼底图像103来确定外科手术器械108在患者眼睛104内的位置。跟踪单元106可以包括硬件、固件、和软件的任意合适的组合。在某些实施例中，跟踪单元106可以包括处理模块122和存储模块124。处理模块122可以包括微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、或任何其他合适的计算设备或资源的一者或多者。处理模块122可以单独工作或与OCT跟踪系统100的其他部件一起工作以便提供在此描述的功能性。存储模块124可以采取易失存储器或非易失存储器的形式，包括但不限于磁性介质、光学介质、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可移动介质、或者任何其他适当的存储部件。
跟踪单元106可以被编程来(或者可以将软件存储在存储模块124中，所述软件在被所述处理模块122执行时，可以运行来)处理成像单元102产生的眼底图像103，以便确定并且跟踪外科手术器械108在患者眼睛104内的位置。例如，所述处理模块122可以接收并且处理成像单元102所采集的图像。所述跟踪单元106的存储模块124可以储存预处理图像数据和/或后处理图像数据。处理模块122可以基于所述眼底图像来检测并且计算外科手术器械108在术野中的位置和/或取向(或位置和取向的变化)。
跟踪单元106可以通信联接(通过有线或无线通信)至OCT系统110，并且跟踪单元106可以被编程为(或可以将软件储存在存储模块124中，所述软件在被所述处理模块122执行时可操作来)产生待通信给OCT系统110的信号，以便引发OCT系统110的光束扫描器114指引OCT成像光束116在患者眼睛104内的位置。可以基于外科手术器械108在患者眼睛104内的确定的位置以及有可能基于外科医生的用户输入(可以由图形用户界面(GUI)或其他合适的输入装置来接收)而产生信号。下面将进一步详细描述通过跟踪单元106控制光束扫描器114。尽管跟踪单元106主要被描述为控制光束扫描器114，本披露可以想到的是，可替代地，光束扫描器114本身可以包括基于成像单元102产生的眼底图像103便于跟踪外科手术器械108的硬件、固件、和软件的任意合适的组合。
OCT跟踪系统100的OCT系统110可以包括光源/分析单元112和光束扫描器114。如本领域普通技术人员将理解的是，OCT系统110可以包括用于操纵OCT成像光束116的任意合适的额外的光学部件，并且为了简洁起见没有描绘/描述出这些额外的部件。作为一个示例，OCT成像光束116可以包括覆盖相对窄的波长带(例如，830nm-870nm、790nm-900nm、950nm-1150nm)的红外光束或近红外光束。但是，可以使用具有任何合适的光谱范围的OCT成像光束116。所述OCT成像光束116可以穿过光束扫描器114(下面进一步详细描述)连同OCT系统100的任何其他合适的光学部件(未描绘出，如以上所描述)。然后，例如通过可操作来反射落入OCT成像光束116光谱范围内的光的反射镜126，可以将OCT成像光束116引导至患者眼睛104。此外，反射镜120可以是允许落入OCT成像光束116光谱范围内的光穿过使得所述OCT成像光束116可以到达患者眼睛104的反射镜。在替代性实施例中，在图1中，反射镜126可以被放置在反射镜120与患者眼睛104之间。在这种情况下，反射镜126可以是允许光118穿过并且允许OCT成像光束116被反射以便对患者眼睛104成像的反射镜。
光束扫描器114可以包括利于OCT成像光束在X-Y平面聚焦的任何适合的光学部件或光学部件的组合。例如，光束扫描器114可以包括成对的扫描反射镜、微镜装置、基于MEMS的装置、可变形平台、基于检流计的扫描器、多边形扫描器和/或谐振PZT扫描器中的一者或多者。
在某些实施例中，可以以自动化的方式(例如，基于跟踪单元106产生的上述信号)操纵光束扫描器114的光学部件的位置，以便控制OCT成像光束116被引导到的患者眼睛104的区域。仅是作为一个实例，光束扫描器114可以包括一对扫描反射镜，所述扫描反射镜的每一者联接至马达驱动器，所述马达驱动器可操作来使反射镜围绕垂直轴线旋转。作为结果，通过控制所联接的马达的位置(例如，通过上述信号)，就可以控制OCT成像光束116在患者眼睛104内的X-Y定位。
所述OCT成像光束116到达患者眼睛104的一部分可以被患者眼睛反射(反射的OCT光束128)。反射的OCT光束128可以沿与OCT成像光束116行进的光路基本上相同的光路返回至OCT系统110。一旦反射的OCT光束128到达光源/分析单元112，光源/分析单元112就可以基于反射的OCT光束128与OCT成像光束116的参考臂之间的干涉来构成OCT图像(如本领域已知的)。
如以上所描述的，跟踪单元106可以产生信号以控制光束扫描器114的运行并且因此控制OCT成像光束116在患者眼睛104内的位置。可以基于外科手术器械在患者眼睛106内确定的位置(如跟踪单元106基于成像单元102产生的眼底图像103所确定的，如以上所描述)来产生所述信号。此外，可以基于外科医生的用户输入来产生信号。这样的用户输入可以指示动态横截面OCT扫描以其来跟踪外科手术器械108的“模式”。例如，用户输入可以指示需要根据跟踪模式控制光束扫描器114(如以下关于图2A-2C)。作为另一个实例，用户输入可以指示需要根据拖放模式控制光束扫描器114(如以下关于图3A-3C)。作为又另一个实例，用户输入可以指示需要完全地停用器械跟踪功能。替代地，成像单元102可以跟踪眼底的运动并且引导OCT系统110对患者眼睛的固定的(而不是视网膜跟踪的)区域成像。
图2A-2C根据本披露的某些实施例展示了以跟踪模式运行的OCT跟踪系统100的简化版本。尽管，为了简洁起见，尚未再现OCT跟踪系统100的某些部件，并且为了简洁，像光学部件200一样，以合并的方式描绘了其他部件(例如，与任何其他非描述的部件一起用于在患者眼睛104中聚焦OCT成像光束116的反射镜126)，本披露设想的是在图2A-2C中描绘的OCT跟踪系统100与在图1中描述的OCT跟踪系统基本上相同。
在所展示的跟踪模式中，已经以相继的眼底图像103确定了外科手术器械108的位置的跟踪单元106可以产生用于控制光束扫描器114的定位的信号。所产生的信号可以致使光束扫描器114将OCT成像光束116引导成使得在任何给定时间点，在患者眼睛104内的所述OCT成像光束被引导至外科手术器械108的探针所在的区域。在一个实施例中，始终保持外科手术探针与扫描区域之间的相对位置。
图3A-3C根据本披露的某些实施例展示了以拖放模式运行的OCT跟踪系统100的简化版本。尽管，为了简洁起见，尚未再现OCT跟踪系统100的某些部件，并且为了简洁，像光学部件300一样，以合并的方式描绘了其他部件(例如，与任何其他非描述的部件一起用于在患者眼睛104中聚焦OCT成像光束116的反射镜126)，本披露设想的是在图3A-3C中描绘的OCT跟踪系统100与在图1中描述的OCT跟踪系统基本上相同。
在所展示的拖放模式中，跟踪单元106可以仅响应于外科医生的用户输入来产生用于控制光束扫描器114的定位的信号。换言之，在不存在外科医生的用户输入的情况下(如在图2A-2B中所描绘的)，光束扫描器114可以无论外科手术器械108的位置如何都将OCT成像光束116引导到患者眼睛内的某一设定位置上。但是，如果跟踪单元106接收到输入指明外科医生希望移动OCT成像光束聚焦于其处所述设定位置，跟踪单元106可以产生类似于图2A-2C所述的利于跟踪的信号(但是仅持续在其期间连续地接收到输入的时间段)。作为结果，外科医生可以具有“拖放”产生OCT图像所在的设定位置的能力。在另一个实施例中，在不存在外科医生的用户输入的情况下(如在图2A-2B中所描绘的)，跟踪单元106可以以“视网膜”跟踪模式运行。换言之，所述跟踪单元106可以跟踪视网膜(而非外科手术器械)的运动并且产生信号以用于控制光束扫描器114的定位来使用预先设定的扫描图案将OCT成像光束116递送到视网膜上是设定位置(患者眼睛内)，所述扫描图案例如线扫描、圆形扫描、立方扫描、光栅扫描、螺旋扫描、或星形扫描等。类似地，如果跟踪单元106接收到输入指明外科医生希望移动OCT成像光束聚焦于其处所述设定位置，跟踪单元106可以产生类似于图2A-2C所述的利于跟踪的信号(但是仅持续在其期间连续地接收到输入的时间段)。作为结果，外科医生可以具有“拖放”产生OCT图像所在的设定位置的能力。
图4根据本披露的某些实施例展示了具有集成OCT跟踪系统的示例性眼科手术显微镜400。因为被集成到外科手术显微镜400中的OCT跟踪系统的部件可以与关于图1所描述的OCT跟踪系统的部件和OCT跟踪系统100基本相同，所以关于图4使用了相同的参考号。
眼科手术显微镜400可以总体上包括目镜402、中继透镜403、放大/聚焦光学器件404、物镜406、和外科手术观察光学器件412，其中每一者都可以包括任何合适的光学部件，如本领域普通技术人员所理解的。可以通过光束分离器408将沿着外科手术显微镜400的光路经过的光的一部分引导至成像单元102，并且成像单元102可以基于那部分的光产生眼底图像103。光束分离器408可以包括用于重新定向经过眼科手术显微镜400的光的一部分的平面反射镜、分离器立方体、或任何其他合适的光学装置。在某些实施例中，可以沿物镜406与目镜402之间的光路来定位光束分离器408。更具体地，可以沿放大/聚焦光学器件404与目镜402之间的光路来定位光束分离器408(使得眼底图像103与外科医生通过眼科手术显微镜400观察到的相对应)。
可以通过光束耦合器410沿外科手术显微镜的光路的一部分引导由光源/分析单元112产生的并且如上所述由光束扫描器114引导的OCT成像光束116。光束耦合器410可以包括光学元件，所述光学元件被配置成反射OCT成像光束116的光谱范围内的波长(例如，红外波长)，同时允许可见光谱中的光穿过眼科手术显微镜400。在某些实施例中，可以沿外科手术观察光学器件412与目镜402之间的光路定位光束耦合器410。外科手术观察光学器件412可以是下置的黄斑透镜(drop-on macular lens)、基于接触的广角透镜、如(双目间接检眼镜)BIOM的基于非接触的观察系统、或任何其他合适的观察光学器件。更具体地，可以沿放大/聚焦光学器件404与目镜402之间的光路来定位光束耦合器410。此外，OCT系统110可以包括合适的光学部件(未描绘出)，使得鉴于OCT成像光束116穿过放大/聚焦光学器件404和物镜406的事实而获得OCT成像光束116在患者眼睛104内的适当聚焦。
将认识到，各种以上披露的和其他的特征和功能、及其替代方案可以按希望组合到许多其他不同的系统或应用中。还将认识到，其中的各种目前未预见或未预料到的替代方案、修改、变体或改进可以后续由本领域的技术人员做出，这些替代方案、不同或改进也旨在被所附权利要求书所涵盖。
Claims (11)
1.一种OCT跟踪系统，包括：
成像单元，所述成像单元能够操作来产生患者眼睛的眼底图像；
跟踪系统，所述跟踪系统能够操作来：
处理所述眼底图像以便确定被插入到所述患者眼睛内的外科手术器械的位置；和
持续一时间段接收用户输入；以及
OCT系统，所述OCT系统包括：
OCT光源，所述OCT光源能够操作来产生OCT成像光束；以及
光束扫描器，所述光束扫描器能够操作来至少部分地基于所述外科手术器械的所述确定的位置仅在所述时间段期间将所述OCT成像光束引导至所述患者眼睛内的具体区域，所述患者眼睛内的所述具体区域包括被插入到所述患者眼睛内的外科手术器械的所述确定的位置。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述OCT系统能够操作来至少部分地基于所述OCT成像光束的被所述患者眼睛反射的一部分产生所述患者眼睛的所述具体区域的OCT图像。
3.如权利要求1所述的系统，进一步包括外科手术显微镜，所述外科手术显微镜包括第一目镜和第二目镜以及物镜，其中：
所述成像单元能够操作来基于沿着所述外科手术显微镜的光路经过的一部分光产生所述眼底图像，所述一部分光被在所述外科手术显微镜的外科手术观察光学器件与所述第一目镜和所述第二目镜中的一者之间光束分离器反射；并且
通过光束耦合器沿着所述外科手术显微镜的所述光路的一部分引导所述OCT成像光束，所述光束耦合器沿着在所述外科手术观察光学器件与所述第一目镜和所述第二目镜中的一者之间的所述光路定位。
4.如权利要求1所述的系统，其中：
所述跟踪系统进一步能够操作来产生待通信至所述光束扫描器的多个信号，所述信号至少部分地基于所述外科手术器械的所述确定的位置；并且
所述光束扫描器响应于所述信号将所述OCT成像光束引导至所述患者眼睛内的具体区域。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述外科手术器械包括玻璃体切割术探针和激光探针中的一者。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述成像单元包括与在共焦扫描眼底镜中所使用的二维相机、直线扫描相机和单个检测器相同的二维相机、直线扫描相机和单个检测器的至少一者。
7.一种眼科手术显微镜，包括：
成像单元，所述成像单元能够操作来基于沿着所述眼科手术显微镜的光路经过的一部分光产生患者眼睛的眼底图像，所述一部分光被用于所述眼科手术显微镜的外科手术观察光学器件与所述眼科手术显微镜的第一目镜和第二目镜中的一者之间的光束分离器反射；
跟踪系统，所述跟踪系统能够操作来：
处理所述眼底图像以便确定被插入到所述患者眼睛内的外科手术器械的位置；和
持续一时间段接收用户输入；以及
OCT系统，所述OCT系统包括：
OCT光源，所述OCT光源能够操作来产生OCT成像光束；以及
光束扫描器，所述光束扫描器能够操作来至少部分地基于所述外科手术器械的所述确定的位置仅在所述时间段期间将所述OCT成像光束引导至所述患者眼睛内的具体区域，所述患者眼睛内的所述具体区域包括被插入到所述患者眼睛内的外科手术器械的所述确定的位置，所述OCT成像光束经由光束耦合器沿着所述眼科手术显微镜的所述光路的一部分被引导至所述患者眼睛内的所述具体区域，所述光束耦合器沿着在用于所述眼科手术显微镜的所述外科手术观察光学器件与所述眼科手术显微镜的所述第一目镜和所述第二目镜中的一者之间的所述光路定位。
8.如权利要求7所述的眼科手术显微镜，其中，所述OCT系统能够操作来至少部分地基于所述OCT成像光束的被所述患者眼睛反射的一部分产生所述患者眼睛的所述具体区域的OCT图像。
9.如权利要求7所述的眼科手术显微镜，其中：
所述跟踪系统进一步能够操作来产生待通信至所述光束扫描器的多个信号，所述信号至少部分地基于所述外科手术器械的所述确定的位置；并且
所述光束扫描器响应于所述信号将所述OCT成像光束引导至所述患者眼睛内的具体区域。
10.如权利要求7所述的眼科手术显微镜，其中，所述外科手术器械包括玻璃体切割术探针和激光探针中的一者。
11.如权利要求7所述的眼科手术显微镜，其中，所述成像单元包括与在共焦扫描眼底镜中所使用的二维相机、直线扫描相机和单个检测器相同的二维相机、直线扫描相机和单个检测器的至少一者。
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