CN110831488A - 包括头单元和包含集成光源的光缆的无线医学成像系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种包括头单元和光缆的无线医学成像系统。头单元包括头单元壳体、头单元电连接器、图像传感器、无线收发器、中央处理单元和用户输入部件。光缆包括光缆电连接器、电力电缆和集成光源。集成光源包括具有第一光谱的放射辐射源、定位成导向来自放射辐射源的放射的光学元件、容积式光谱转换器、位于转换器周围的光学反射器以及输出滤波器。转换器将从放射辐射源导向的放射转换成具有不同于第一光谱的第二光谱的放射。反射器朝向输出滤波器反射转换器放射。集成光源将来自光缆的光传输通过输出滤波器。

Description

包括头单元和包含集成光源的光缆的无线医学成像系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年2月15日提交的美国临时申请第62/459,306号的权益，其全部公开内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及医学成像系统，更具体地说，涉及无线医学成像系统，该系统包括：(a)头单元，该头单元包括：(i)头单元壳体；(ii)头单元电连接器；(iii)图像传感器；(iv)无线收发器；(v)中央处理单元；和(vi)用户输入部件；和(b)光缆，该光缆包括：(i)光缆电连接器；(ii)电力电缆。和(iii)集成光源，其中集成光源包括：(1)放射辐射源，其具有第一光谱；(2)光学元件，其定位成导向来自放射辐射源的放射；(3)容积式光谱转换器，该转换器定位成将从放射辐射源导向的放射转换成具有不同于第一光谱的第二光谱的放射；(4)光学反射器，其位于转换器周围；以及(5)输出滤波器，反射器定位成朝向输出滤波器反射转换器放射，并且集成光源被配置成通过输出滤波器传输来自光缆的光，以用于例如内窥镜、关节镜和其他外科光学成像仪器和系统。
背景技术
内窥镜手术涉及在微创手术程序中使用复杂的光学仪器系统来可视化患者体内的中空器官或腔体的内部，例如关节内部、呼吸道、硬膜外腔等。内窥镜程序出于多种原因而执行，包括诊断检查、烧灼、重建和韧带修复等。这些程序可以在医院、外科中心、门诊中心或医生办公室执行，现在正被用于诊断现场工作，包括由军队使用。
内窥镜手术最早开发于19世纪初，并且随着时间的推移稳步但缓慢地发展。最早的程序涉及使用插入患者体内的小管和透镜，即简单的内窥镜，医生在使用烛光照明的同时通过它进行观察。虽然这些最早的程序是革命性的，并且显著扩展了对人体的医学理解，但这些程序充满了复杂性和技术局限性。
从最初的内窥镜手术开始，对照明的需求就一直是一个严峻的挑战。从蜡烛开始，光源带来与例如使用容易性、火灾风险和低光输出等有关的许多困难。随着技术的进步，从最基本的电灯开始，引入了更好的光源。虽然工业已经发展到诸如如氙灯和LED的现代照明方法，但这些困难仍然存在。
内窥镜检查的另一个主要挑战是医生如何可视化程序。最早的内窥镜是手持式的，需要外科医生具有沿着内窥镜的长度向内的直接视线。虽然这允许外科医生清楚地观察手术部位，但这意味着外科医生需要保持非常精确的体位，以便使用内窥镜。此外，需要通过内窥镜保持视野意味着外科医生很难使用有效或复杂手术所需的其他工具，因为外科医生不得不在看不到工具在哪里的情况下操纵工具。然而，与光源一样，与内窥镜使用相关的技术在不断改进，包括光学科学的进步和诸如光纤和精密棒形透镜的新制造技术的采用。最近，廉价而精确的图像相机传感器的出现再次戏剧性地改变了内窥镜程序的执行方式。数码相机和外部显示器的使用允许外科医生使用内窥镜，而不必通过镜头直视，但更重要的是，这些发展在进行微创手术时提供了更大的控制和灵活性。
当前最先进的内窥镜手术设备系统基于多年来开发的一系列技术改进的集成。这些系统包括连接到内窥镜的摄像头单元、诸如剃须刀或消融仪的电动外科器械、以及支持多个智能设备的内窥镜推车，所述智能设备包括例如光源单元、相机控制单元、彩色打印机、患者数据管理设备、手术器械控制系统、流体管理系统和泵、多个功率源、数字监视器以及用于功率和数据传输的若干电缆。还有将内窥镜推车连接到摄像头单元和内窥镜的至少两条主电缆：一条电缆将来自光源的光通过外部光纤光缆路径传输到内窥镜，另一条电缆将功率和数据信号传输到摄像头单元和从摄像头单元传输。
现代内窥镜手术程序通常被认为快速简单，但实际上需要很长的术前时间来设置必要的设备，并且需要使用许多电线和电缆，这些电线和电缆通常覆盖在患者身上，并且可能妨碍外科医生及其助手。此外，尽管最先进的基于LED的系统比可能使用超过1000瓦功率的较老的氙气照明系统更高效，但是这些较新的光源单元仍然是功率密集型的，需要300瓦或更多的功率，其中大部分作为热量被浪费或通过从外部光缆泄漏的光而损失。此外，在电缆不正确地覆盖在患者身上或者受热的内窥镜遇到易燃材料的情况下，浪费的热量经常成为手术室火灾的根源。
因此，需要解决能量效率、可用性、多功能性和安全性问题的无线医学成像系统。
发明内容
提供了一种无线医学成像系统。该无线医学成像系统包括(a)头单元，该头单元包括：(i)头单元壳体；(ii)头单元电连接器；(iii)图像传感器；(iv)无线收发器；(v)中央处理单元；和(vi)用户输入部件。无线医学成像系统还包括(b)光缆，该光缆包括：(i)光缆电连接器；(ii)电力电缆；和(iii)集成光源。头单元壳体具有限定外部腔体的外表面、限定内部腔体的内表面、第一孔口和第二孔口。头单元电连接器被配置成通过第一孔口与光缆电连接器可操作地连接。光缆电连接器、电力电缆和集成光源可操作地串联连接。集成光源包括：(1)放射辐射源，其具有第一光谱；(2)光学元件，其定位成导向来自放射辐射源的放射；(3)容积式光谱转换器，该转换器定位成将从放射辐射源导向的放射转换成具有不同于第一光谱的第二光谱的放射；(4)光学反射器，其位于转换器周围；以及(5)输出滤波器，反射器定位成朝向输出滤波器反射转换器放射，并且集成光源被配置成通过输出滤波器传输来自光缆的光。图像传感器、无线收发器和中央处理单元设置在内部腔体中。图像传感器被配置成检测通过第二孔口传输到头单元中的图像。外部腔体被配置成接收外部电池。用户输入部件设置在外表面上。
在一些示例中，集成光源包括可以产生连续光谱光的固态光源；和/或集成光源的输出具有标称480nm至775nm的光谱带宽。同样在一些示例中，放射辐射源在400nm至480nm的范围内操作。同样在一些示例中，光学元件可以将放射辐射源辐射准直、会聚聚焦或者发散聚焦到转换器上。同样在一些示例中，光学反射器将全向光重新导向到期望的光路中。同样在一些示例中，转换器将来自放射辐射源的放射转换成非相干辐射的不同波长、较窄光谱或较宽光谱的放射。同样在一些示例中，滤波器消除了来自放射辐射源的未被转换器转换的放射，并且可选地进一步调节发射的光。同样在一些示例中，来自集成光源的发射辐射光谱的放射几何形状可以进一步被调节、导向、聚焦、准直、反射、折射、衍射或以其他方式通过包含合适的光学部件来修改。
在一些示例中，集成光源被配置成通过将光缆连接到医学成像镜来向感兴趣区域提供照明，使得光从集成光源传输到医学成像镜内，到达感兴趣区域。在这些示例的一些实施例中，光缆还包括保护外壳，保护外壳围绕集成光源并具有开口，并且集成光源被配置成通过开口传输来自光缆的光。同样在这些示例的一些实施例中，光缆还包括适配器，该适配器被配置成进行光缆到医学成像镜的连接。同样在这些示例的一些实施例中，适配器被内置在保护外壳中，以允许集成设计。同样在这些示例的一些实施例中，适配器还被配置成在光缆连接到医学成像镜的同时允许适配器和光缆相对于医学成像镜旋转。
在一些示例中，光缆还包括围绕电力电缆的柔性护套。同样在一些示例中，光缆不包括光纤电缆。同样在一些示例中，图像传感器包括互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片、科学互补金属氧化物半导体(sCMOS)芯片、电荷耦合器件(CCD)芯片或它们的组合。
在一些示例中，头单元的无线收发器被配置成向远程接收器单元的无线收发器传输图像传感器数据以及命令和控制信号，并且从远程接收器单元的无线收发器接收图像传感器数据以及命令和控制信号。同样在一些示例中，头单元被配置成当头单元和远程接收器单元定位成彼此相距达30米时，在头单元的无线收发器和远程接收器单元的无线收发器之间建立连接。同样在一些示例中，头单元的无线收发器可以使用超宽带(UWB)通信模态。同样在一些示例中，头单元的无线收发器被配置成将来自图像传感器的数据以及命令和控制信号传输到外部系统，以用于医学成像系统的管理，而不需要重新编程或重新设计。
在一些示例中，中央处理单元管理集成光源、图像传感器或无线收发器中的至少一个。同样在一些示例中，头单元还包括协处理器，该协处理器帮助图像传感器为中央处理单元转换图像。同样在一些示例中，用户输入部件包括配置成控制图像传感器的功能的按钮。同样在一些示例中，第二孔口包括第二孔口连接器，该第二孔口连接器被配置用于将医学成像镜连接到头单元壳体。
在一些示例中，头单元壳体具有300至800cm3的体积。同样在一些示例中，头单元电连接器和图像传感器设置在彼此相距1至6cm的范围内。同样在一些示例中，头单元不包括头单元的内部腔体中的散热器。同样在一些示例中，头单元还包括窗口，该窗口设置在第二孔口内，并被配置成允许图像穿过其中。
在一些示例中，无线医学成像系统还包括外部电池，该外部电池设置在外部腔体中，并且向集成光源、图像传感器、无线收发器或中央处理单元中的一个或多个提供功率。在这些示例的一些实施例中，外部电池是可拆卸可充电电池。在这些实施例中的一些中，无线医学成像系统还包括用于可拆卸可充电电池的可拆卸外壳，可拆卸外壳包括可拆卸可充电电池，并且外部腔体被配置成通过将可拆卸外壳闩锁到外部腔体中来接收可拆卸可充电电池。同样在这些实施例中的一些中，可拆卸外壳还包括电池管理系统。同样在这些实施例中的一些中，电池管理系统被配置成(a)调节可拆卸可充电电池的功率输出，(b)报告可拆卸可充电电池的荷电水平，以及(c)防止故障。同样在这些示例的一些实施例中，外部电池是不可拆卸可充电电池。同样在这些示例的一些实施例中，外部电池具有高容量，并且可以提供足够的功率来操作集成光源、图像传感器和无线收发器。在这些实施例中的一些中，外部电池具有超过3,000毫安小时(mAh)的容量。同样在这些示例的一些实施例中，头单元还包括功率管理系统，该功率管理系统被配置成控制由外部电池提供的功率，并将该功率分配给集成光源、图像传感器、无线收发器或中央处理单元中的一个或多个。
在一些示例中，无线医学成像系统还包括远程接收器单元。根据这些示例，远程接收器单元包括：(i)接收器单元壳体；(ii)无线收发器；(iii)中央处理单元；和(iv)通信接口。此外，接收器单元壳体具有内部腔体，该内部腔体包含远程接收器单元的无线收发器、远程接收器单元的中央处理单元和通信接口。在这些示例的一些实施例中，远程接收器单元的无线收发器被配置成向头单元的无线收发器传输图像传感器数据以及命令和控制信号，并且从头单元的无线收发器接收图像传感器数据以及命令和控制信号。同样在这些示例的一些实施例中，远程接收器单元的中央处理单元管理远程接收器单元的无线收发器或通信接口中的一个或多个，并且可以为其执行数据处理。同样在这些示例的一些实施例中，通信接口被配置成与多种类型的外部相机管理系统通信，而不需要重新编程或重新设计。
在一些示例中，头单元还包括内部可充电电池。根据这些示例，内部腔体还包含内部可充电电池。在这些示例的一些实施例中，内部可充电电池被配置成在外部电池停止提供功率或断开连接的情况下用作二次电池系统。同样在这些示例的一些实施例中，头单元还包括配置成管理内部可充电电池的电池管理系统。在这些实施例中的一些中，头单元的内部可充电电池和电池管理系统允许集成光源、图像传感器、无线收发器和中央处理单元切换到低功率模式，以节省功率。同样在这些示例的一些实施例中，内部可充电电池可以从外部电池充电到容量。同样在这些实施例的一些示例中，内部可充电电池被配置成根据外部电池的存在性由单独的功率或电池管理系统从外部控制。同样在这些示例的一些实施例中，内部可充电电池足以为无线医学成像系统的操作提供功率。
附图说明
现在参考附图，其中相同的附图标记始终代表相应的部件：
图1以透视图示出了本文公开的示例性无线医学成像系统，在该示例中，该系统包括头单元、光缆、包括可拆卸可充电电池的可拆卸外壳和远程接收器单元，其中包括可拆卸可充电电池的可拆卸外壳附接到头单元，头单元附接到对应于内窥镜的医学成像镜，并且远程接收器单元附接到最先进的内窥镜系统；
图2以分解透视图示出了头单元和可拆卸外壳，该可拆卸外壳包括图1的无线医学成像系统的可拆卸可充电电池；
图3以前视图示出了图1的示例性无线医学成像系统的头单元；
图4以后视图示出了图3的头单元；
图5以侧视图示出了图3的头单元；
图6以剖视图示出了图3的头单元的实施例；
图7以剖视图示出了图3的头单元的另一个实施例，其中头单元还包括内部可充电电池；
图8以透视图示出了图1的示例性无线医学成像系统的光缆和传输的光(L)；
图9以前视图示出了头单元、光缆和包括图1的示例性无线医学成像系统的可拆卸可充电电池的可拆卸外壳，其中包括可拆卸可充电电池的可拆卸外壳附接到头单元，并且头单元附接到对应于内窥镜的医学成像镜；
图10以剖视图示出了头单元、光缆和包括图9的示例性无线医学成像系统的可拆卸可充电电池的可拆卸外壳，其中头单元还包括内部可充电电池，包括可拆卸可充电电池的可拆卸外壳附接到头单元，并且头单元附接到对应于内窥镜(内窥镜仅部分示出)的医学成像镜；
图11以剖视图示出了图9的光缆和传输的光(L)；
图12以前视图示出了包括图1的示例性无线医学成像系统的可拆卸可充电电池的可拆卸外壳；
图13以侧视图示出了包括图12的可拆卸可充电电池的可拆卸外壳；
图14以剖视图示出了包括图12的可拆卸可充电电池的可拆卸外壳的实施例；
图15以侧视图示出了头单元和包括图1的可拆卸可充电电池的可拆卸外壳，其中包括可拆卸可充电电池的可拆卸外壳附接到头单元；
图16以剖视图示出了图3的头单元的实施例，其中头单元还包括内部可充电电池，并且包括图12的可拆卸可充电电池的可拆卸外壳附接到头单元；
图17以侧视图示出了本文公开的示例性无线医学成像系统的头单元和不可拆卸的可充电电池，其中不可拆卸的可充电电池附接到头单元；
图18以前视图示出了图1的示例性无线医学成像系统的远程接收器单元；
图19以后视图示出了图18的远程接收器单元；
图20以侧视图示出了图18的远程接收器单元；
图21以剖视图示出了图19的远程接收器单元；
图22是本文公开的基本固态集成光源的示意图；
图23是本文公开的另一集成光源的示意图，该集成光源使用多个部件来增强光源的效率和安全性；
图24是使用图23的集成光源的示意图，并示出了系统中光的可能的光束路径；
图25是磷光体涂覆转换器的操作的示意图；
图26是根据本文公开的集成光源的一个方面的示例容积式光谱转换器的操作的示意图；和
图27是比较最先进的3-LED系统(虚线)和本文公开的集成光源(实线)的示例性光谱(Y轴：强度；x轴：波长(nm))的曲线图。
具体实施方式
在以下描述中，描述了无线医学成像系统的各种实施例。应当理解，在不脱离无线医学成像系统的范围的情况下，可以使用其他实施例，并且可以进行结构改变。另外，应当理解，除非另外指明，无线医学成像系统不限于特定的材料、尺寸、制造过程等，因为这些可以变化。
如图1-21和图23所示，公开了一种无线医学成像系统31。如图1-6所示，无线医学成像系统31包括(a)头单元32，头单元32包括：(i)头单元壳体33；(ii)头单元电连接器34；(iii)图像传感器35；(iv)无线收发器36；(v)中央处理单元37；和(vi)用户输入部件38。如图1和图8-11所示，无线医学成像系统31还包括(b)光缆39，光缆39包括：(i)光缆电连接器40；(ii)电力电缆41；和(iii)集成光源42。如图3和图6所示，头单元壳体33具有限定外部腔体44的外表面43、限定内部腔体46的内表面45、第一孔口47和第二孔口48。如图10所示，头单元电连接器34被配置成通过第一孔口47与光缆电连接器40可操作地连接。光缆电连接器40、电力电缆41和集成光源42可操作地串联连接。如图11和图23所示，集成光源42包括：(1)放射辐射源202，其具有第一光谱；(2)光学元件204，其定位成导向来自放射辐射源202的放射；(3)容积式光谱转换器205，转换器205定位成将从放射辐射源202导向的放射转换成具有不同于第一光谱的第二光谱的放射；(4)光学反射器206，其位于转换器205周围；以及(5)输出滤波器207，反射器206定位成朝向输出滤波器207反射转换器205放射，并且集成光源42被配置成通过输出滤波器207传输来自光缆39的光。如图6所示，图像传感器35、无线收发器36和中央处理单元37设置在内部腔体46内。图像传感器35被配置成检测通过第二孔口48传输到头单元32中的图像。如图10所示，外部腔体44被配置成接收外部电池49。用户输入部件38设置在外表面43上。
如图1、图9和图10所示，无线医学成像系统31可以如下操作。基于头单元电连接器34与光缆电连接器40的操作连接，头单元32和光缆39可以被连接。光缆39可以连接到医学成像镜50，例如内窥镜、关节镜或另一种医学成像镜。医学成像镜50也可以连接到头单元32，例如在头单元32的第二孔口48处。头单元32可以通过头单元电连接器34、光缆电连接器40和电力电缆41从电池(例如外部电池和/或内部电池)向集成光源42供应功率。集成光源42可以向感兴趣区域(例如人类或动物患者体内的手术部位)提供照明，使得光从集成光源42传输到医学成像镜50中，到达感兴趣区域。图像传感器35然后可以检测通过第二孔口48传输到头单元32中的图像。如图1、图10和图21所示，头单元32的无线收发器36可以例如向远程接收器单元52的无线收发器51传输和从远程接收器单元52的无线收发器51接收图像传感器数据以及命令和控制信号。用户输入部件38可以用于控制集成光源42和/或图像传感器35。
首先参照图10考虑头单元32，如所述，无线医学成像系统31包括(a)头单元32，其包括：(i)头单元壳体33；(ii)头单元电连接器34；(iii)图像传感器35；(iv)无线收发器36；(v)中央处理单元37；和(vi)用户输入部件38。
头单元壳体33可以通过模制、铸造和/或3D打印以及其他技术制成。头单元壳体33可以由诸如塑料、不锈钢和/或钛等材料制成。头单元壳体33可以用作图像传感器35、无线收发器36和中央处理单元37的外壳，例如，在使用期间(例如在手术期间)和在清洁期间(例如在消毒期间)提供保护。头单元壳体33还可以用作外部电池49可以接收在其上的结构，例如在使用期间(例如在手术期间)提供外部电池49的附接、支撑和/或快速更换的位置。
头单元电连接器34可以是标准电连接器，例如插头和插座连接器的插头或插座部件，或者定制电连接器，以及其他类型。头单元电连接器34可以可操作地连接到电池，例如外部电池和/或内部电池。头单元电连接器34也可以可操作地连接到光源驱动器53，如下文所讨论的。合适的头单元电连接器34包括例如引脚-插座连接器、精密气密耦合连接器、Mill-Max连接器、单引脚+护套连接器、MT连接连接器、馈通引脚连接器、筒式连接器、弹簧加载(弹针式)连接器和接触连接器。
再次参照图10转到光缆39，如所述，无线医学成像系统31还包括光缆39，其包括：(i)光缆电连接器40；(ii)电力电缆41；和(iii)集成光源42。光缆39可以由各种制造商提供的标准电连接器和电力电缆以及如下所述的定制集成光源42定制而成。光缆39也可以修改为具有各种增强，例如增加耐用性、易于消毒等。
光缆电连接器40、电力电缆41和集成光源42可操作地串联连接。因此，光缆39可以通过光缆电连接器40和电力电缆41向集成光源42供应功率。
光缆电连接器40可以是标准电连接器，例如插头和插座连接器的插头或插座部件，或者定制电连接器，以及其他类型。如所述，头单元电连接器34被配置成通过第一孔口47与光缆电连接器40可操作地连接。可操作连接可以产生电路，将光缆39的集成光源42与电池(例如外部电池和/或内部电池)连接。可操作连接可以是直接的，例如基于对应于一对匹配电连接器(例如插头和插座连接器对)的头单元电连接器34和光缆电连接器40。可操作连接也可以是间接的，例如基于使用适配器来连接头单元电连接器34和光缆电连接器40。通过第一孔口47的可操作连接可以例如基于以下方式来实现：头单元电连接器34设置在头单元32的内部腔体46内，并且光缆电连接器40通过第一孔口47插入，使得头单元电连接器34与光缆电连接器40的连接发生在头单元32的内部腔体46中。通过第一孔口47的可操作连接也可以例如基于下述实现：头单元电连接器34设置在头单元32的外表面43上，并且头单元电连接器34通过第一孔口47可操作地连接到电池(例如，外部电池或内部电池)，使得头单元电连接器34与光缆电连接器40的连接发生在头单元32的外部。通过第一孔口47的可操作连接也可以通过其他方式实现，例如使得头单元电连接器34与光缆电连接器40的连接发生在第一孔口47本身中。在任何情况下，也可以实现通过第一孔口47的可操作连接，使得第一孔口47在连接时被有效密封，例如基于光缆39和头单元壳体33之间在第一孔口47处的密封接触。类似于头单元电连接器34，合适的光缆电连接器40包括例如引脚-插座连接器、精密气密耦合连接器、Mill-Max连接器、单引脚+护套连接器、MT连接连接器、馈通引脚连接器、筒式连接器、弹簧加载(弹针式)连接器和接触连接器。
光缆39的电力电缆41可以是标准电力电缆，尤其包括导体54。合适的电力电缆41包括例如铜铝和实心导体。
如上所述，参照图11和图23，集成光源42包括：(1)放射辐射源202，其具有第一光谱；(2)光学元件204，其定位成导向来自放射辐射源202的放射；(3)容积式光谱转换器205，转换器205定位成将从放射辐射源202导向的放射转换成具有不同于第一光谱的第二光谱的放射；(4)光学反射器206，其位于转换器205周围；以及(5)输出滤波器207，反射器206定位成朝向输出滤波器207反射转换器205的放射，并且集成光源42被配置成通过输出滤波器207传输来自光缆39的光。因此，集成光源42可以是光源的各种部件已经集成为例如单件形式的光源，而不是例如各种部件保持分立的光源，例如保持可容易拆卸和/或可互换的光源。集成光源42可以是例如发光二极管、激光二极管或有机发光二极管，以及其他类型的集成光源。在一些示例中，集成光源42包括可以产生连续光谱光的固态光源56，和/或集成光源42的输出具有标称480nm至775nm的光谱带宽。同样在一些示例中，集成光源42可以产生可调谐的光的光谱。同样在一些示例中，无线医学成像系统31包括多个集成光源42。下面将更详细地描述集成光源42。
参照图8-11，在一些示例中，集成光源42被配置成通过将光缆39连接到医学成像镜50来向感兴趣区域(例如人类或动物患者体内的手术部位)提供照明，使得光从集成光源42传输到医学成像镜50内，到达感兴趣区域。例如，集成光源42可以定位在光缆39内或其端部57处，其取向使得集成光源42将光传输到医学成像镜50内，到达感兴趣区域。这可以基于例如集成光源42定位所在的光缆39的端部57与医学成像镜50的灯柱59的端部58的连接。如下文所讨论的，连接可以是直接的，例如通过光缆39的端部57和灯柱59的端部58之间的直接接触；或者是间接的，例如通过使用光缆39的端部57和灯柱59的端部58之间的适配器60。
在一些示例中，光缆39还包括保护外壳61。保护外壳61可以是例如圆柱形外壳以及其他形状的外壳，并且可以由例如诸如钛的金属以及其他材料制成。根据这些示例，保护外壳61围绕集成光源42，从而为集成光源42提供保护，例如防止由于与其他物体的物理接触而损坏，并且潜在地用作集成光源42的散热器，例如通过吸收在使用期间集成光源42产生的热量。保护外壳61还具有开口62，从而允许集成光源42将光传输到保护外壳61之外。根据这些示例，集成光源42被配置成通过开口62传输来自光缆39的光。例如，集成光源42可以定位在保护外壳61内，使得当集成光源42将光传输通过输出滤波器时，光也可以通过保护外壳61的开口62。
在一些示例中，光缆39还包括适配器60，适配器60被配置成进行光缆39到医学成像镜50的连接。适配器60可以是例如用于通用端部的适配器，以及其他类型的适配器。根据这些示例，光缆39的端部57，例如光缆39的保护外壳61的端部63，可以具有例如整体地或通过临时附接等方式连接到其上的适配器60。因此，在一些示例中，适配器内置于保护外壳中，以允许集成设计。同样在一些示例中，适配器临时附接到保护外壳。适配器60的使用可以允许将光缆39连接到各种不同类型医学成像镜50的灯柱59的各种不同的标准端部。合适的适配器60包括例如具有标准适配器端部的适配器，用于器械端部，例如ACMI LUXTEC端部、ACMI SNAP-ON FEMALE(ACMI卡扣母)端部、ACMI-LONG端部、DESIGNS FOR VISIONHEADLIGHT(视觉前照灯设计)端部、PILLING端部、STORZ OLYMPUS端部、LUXTEC ULTRALITEHEADLIGHT(LUXTEC超轻前照灯)端部、LUXTEC HEADLIGHT(LUXTEC前照灯)端部、WOLF MALE(WOLF公)端部、WOLF FEMALE DYONICS(WOLF母DYONICS)端部、ZEISS HEADLIGHT(蔡司前照灯)端部和UNIVERSAL端部；以及用于光源端部，例如ACMI LUXTEC端部、ACMI-LONG STRYKER端部、DESIGNS FOR VISIONS(视觉设计)端部、OLYMPUS端部、PILLING端部、LUXTECULTRALITE端部、STORZ端部、WOLF DYONICS端部、ZEISS-SMALL端部和UNIVERSAL端部。合适的适配器60还包括例如螺纹连接器、磁性连接器和弹簧连接器。
同样在一些示例中，适配器60还被配置成在光缆39连接到医学成像镜50的同时允许适配器60和光缆39相对于医学成像镜50旋转。这种适配器60可以用作旋转连接器。示例性合适的旋转连接器包括销环连接器和双环连接器等。销环连接器可以包括在连接器的一侧上的中心圆形端口和同径向(co-radial)环，以及在连接器的另一侧上的中心销和偏置销。中心销装配到中心端口中，然后偏置销可以沿着同径向环滑动。这些连接是使用金属销和环来完成的，使得电力可以流动，而与适配器60和灯柱59的相对位置无关。双环系统实际上是相同的，不同的是中心销和端口被以与第一环相同的方式作用的第二环代替。
同样在一些示例中，光缆39还包括围绕电力电缆41的柔性护套55。柔性护套55可以保护和绝缘光缆39的电力电缆41。柔性护套55可以包括例如内部金属护套64和外部塑料护套65以及其他部件和结构。
同样在一些示例中，光缆39不包括光纤电缆。如下文所讨论，使用包括电力电缆41和集成光源42的光缆39而不是光纤电缆，极大地增加了光缆39的功能性和耐用性。
回到头单元32，参照图10，如所述，图像传感器35被配置成检测通过第二孔口48传输到头单元32中的图像，例如由连接在第二孔口48处的医学成像镜50传输的图像。合适的图像传感器35是已知和可商购获得的，例如ON Semiconductor AR0230CS。在一些示例中，图像传感器35包括互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片、科学互补金属氧化物半导体(sCMOS)芯片、电荷耦合器件(CCD)芯片或它们的组合。同样在一些示例中，头单元32还包括协处理器66，该协处理器66帮助图像传感器35为中央处理单元37转换图像。在这些示例中，协处理器66可以与图像传感器35接口。例如，协处理器66可以从图像传感器35接收原始图像数据形式的输入，并将原始图像数据转换成可压缩并可由大多数常见的图像处理硬件和/或软件读取的格式。合适的协处理器66是已知和可商购获得的，例如ON SemiconductorAP0202AT。
在一些示例中，头单元壳体33具有300至800cm3的体积，例如350至750cm3、400至700cm3、450至650cm3或500至600cm3的体积。同样在一些示例中，头单元电连接器34和图像传感器35设置在头单元壳体33内彼此相距1至6cm的范围内，例如，彼此相距1.5至5.5cm、2至5cm、2.5至4.5cm或3至4cm。根据这些示例，头单元壳体33可以具有紧凑的形状。
如所述，光缆39包括集成光源42。因为光缆39包括集成光源42，所以光缆39不需要从内窥镜推车延伸，因此相对于内窥镜检查中常规使用的光缆而言可以较短。例如，光缆39可以具有3至30cm、4至20cm或5至15cm等的长度。
参照图3、图6和图10，在一些示例中，第二孔口48包括第二孔口连接器67，该第二孔口连接器67被配置用于将医学成像镜50连接到头单元壳体33。第二孔口连接器67可以包括例如螺纹，使得第二孔口48对应于带螺纹的腔体。螺纹可以允许大多数常见的医学成像镜通过自身或利用工业标准的C型安装耦合器正确地接口。
参照图1、图10和图21，头单元32的无线收发器36控制和导向要从无线医学成像系统31发送和由无线医学成像系统31接收的信号。在一些示例中，头单元32的无线收发器36被配置成向远程接收器单元52的无线收发器51传输图像传感器数据(例如视频数据)以及命令和控制信号，并且从远程接收器单元52的无线收发器51接收图像传感器数据以及命令和控制信号，如下文所讨论的。在这些示例的一些实施例中，头单元32被配置成当头单元32和远程接收器单元52定位成彼此相距达30米时，在头单元32的无线收发器36和远程接收器单元52的无线收发器51之间建立连接。同样在一些示例中，头单元32的无线收发器36使用超宽带(UWB)通信模态。同样在一些示例中，头单元32的无线收发器36被配置成将图像传感器数据以及命令和控制信号传输到外部医学成像系统或管理系统，而不需要任何改变，例如重新编程、重新设计或更新。在一些示例中，无线收发器36包括天线68和/或与天线68接口。天线68可以允许向远程接收器单元52和/或医学成像系统传输和从远程接收器单元52和/或医学成像系统接收携带图像传感器数据和/或命令和控制信号的无线信号，医学成像系统例如是标准内窥镜推车上的相机控制单元。合适的无线收发器36是已知的，并且是可商购获得的，例如Starix Technology STX1101。
如上所述，在一些示例中，头单元壳体33具有300至800cm3的体积，例如350至750cm3、400至700cm3、450至650cm3或500至600cm3的体积。具有在这些范围内的体积的头单元壳体33可以是手持式的。因此，头单元32的无线收发器36可以向远程接收器单元52的无线收发器51传输和从远程接收器单元52的无线收发器51接收图像传感器数据(例如视频数据)以及命令和控制信号，其中头单元32被手持。
参照图10，中央处理单元37可以执行和/或控制无线医学成像系统31的一个或多个功能。在一些示例中，中央处理单元37管理以下至少一个：集成光源42、图像传感器35或无线收发器36。在这些示例的一些实施例中，中央处理单元37可以执行诸如对如上文所讨论的来自图像传感器35的视频信号进行编码、解码来自无线收发器36的传输和/或控制集成光源42的亮度等功能。同样在一些实施例中，中央处理单元37可以与如下文所讨论的电池系统69接口，并且将功率分配给无线医学成像系统31的一些或所有部件，例如集成光源42、图像传感器35和/或无线收发器36等。同样在一些实施例中，中央处理单元37可以与存储器模块70接口。存储器模块70可以允许例如存储和检索由无线医学成像系统31的一些或全部部件发送或向其发送的数据、指令和/或命令信号。同样在一些实施例中，中央处理单元37可以与光源驱动器53接口。光源驱动器53可以接收由如下文所讨论的电池系统69供应的功率，并且可以以集成光源42可以高效地操作的方式转换和整形功率。合适的中央处理单元37是已知和可商购获得的，例如NXP SCM-i.MX 6Dual。
参照图1、图2和图10，用户输入部件38可以对应于允许用户与集成光源42和/或图像传感器35接口的控制表面71。用户输入部件38可以包括例如橡胶按钮、电容按钮、滚轮、电容屏幕和/或开关，它们可以可操作地耦合到集成光源42和/或图像传感器35。接口可以包括集成光源42的控制特征，例如功率和/或强度。例如，这可以通过向集成光源42的二极管供应直接功率和/或在集成光源42的二极管上施加占空比来实现，该占空比降低了总功耗，并且以比人眼或相机看到的速度更快的速度闪烁二极管。接口还可以包括控制图像传感器35的特征，例如白平衡、亮度、缩放和/或图像捕捉等。
因此，在一些示例中，用户输入部件38包括配置成控制集成光源42的功能的按钮。
另外，在一些示例中，用户输入部件38包括配置成控制图像传感器35的功能的按钮。
参照图10，头单元32可以可选地包括头单元32的内部腔体46内的散热器。然而，在头单元32的内部腔体46中不需要散热器。这是因为头单元32中不包括集成光源42，因此不需要在头单元32的内部腔体46中包括散热器来吸收来自集成光源42的热量。这也是因为头单元32的任何其他部件在使用期间都不一定产生足够的热量，以至于需要内部腔体46内的散热器。
相应地，在一些示例中，头单元32包括在头单元32的内部腔体46内的散热器。根据这些示例，散热器可以吸收在使用期间头单元32的任何部件可能产生的热量。散热器可以具有多种结构，包括例如散热器/热管结构。合适的散热器可以定制成装配在头单元壳体33内。
同样在一些示例中，头单元32不包括在头单元32的内部腔体46中的散热器。相对于包括散热器的头单元32，这可以提供优点，包括更简单的结构、更低的成本和/或更轻的重量。
同样在一些示例中，无论头单元32是否包括在头单元32的内部腔体46内的散热器，头单元壳体33本身都可以用作散热器。例如，由钛制成的头单元壳体33可以吸收由头单元32的任何部件在使用期间产生的热量，因此其本身可以用作散热器。
参照图2、图3和图10，在一些示例中，头单元32还包括窗口73。根据这些示例，窗口73设置在第二孔口48内，并被配置成允许图像不受阻碍地通过其中。窗口73可以由诸如蓝宝石玻璃、塑料和/或丙烯酸类等材料制成。窗口73还可以覆盖有涂层，例如抗反射涂层、抗划伤涂层和/或红外过滤涂层等。
在这些示例中的一些中，第二孔口48包括如上文所讨论的第二孔口连接器67，例如包括螺纹的第二孔口连接器67，其被配置用于将医学成像镜50或耦合器连接到头单元壳体33，如上文所讨论。在这些示例中，窗口73可以允许由连接在第二孔口48处(例如对应于螺纹孔的第二孔口48处)的医学成像镜50传输的图像进入头单元壳体33中。
参照图10，如所述，头单元电连接器34被配置成通过第一孔口47与光缆电连接器40可操作地连接。另外，可以实现通过第一孔口47的可操作连接，使得第一孔口47被有效地密封，例如基于光缆39和头单元壳体33在第一孔口47处的密封接触。在一些示例中，设置在第二孔口48内的窗口73也有效地密封第二孔口48。在这些示例中，头单元32被配置成通过第一孔口47向集成光源42提供功率，并且窗口73可以允许由连接在第二孔口48处的医学成像镜50传输的图像进入头单元壳体33内，而不损害头单元壳体33的密封完整性和/或消毒的适用性。在这些示例中，头单元32可以在手术之前消毒，并且头单元壳体33的内部腔体46可以在手术中以及手术之后在头单元32的使用期间保持无菌。
窗口73可以通过各种方法设置在第二孔口48内，例如通过定位在第二孔口48内并密封在其中。
在一些示例中，无线医学成像系统31还包括印刷电路板74。印刷电路板74可以设置在头单元壳体33的内部腔体46内。印刷电路板74可以支撑和定位图像传感器35、无线收发器36和中央处理单元37中的一个或多个，它们也设置在头单元壳体33的内部腔体46内。印刷电路板74可以由诸如铜、塑料、玻璃纤维和/或树脂等材料制成。印刷电路板74可以为了稳定性和/或放置而附接到头单元壳体33的内表面45。合适的印刷电路板74可以定制。
参照图10和图12-17，在一些示例中，无线医学成像系统31还包括外部电池49，该外部电池49设置在头单元壳体33的外部腔体44中，并且向集成光源42、图像传感器35、无线收发器36或中央处理单元37中的一个或多个提供功率。外部电池49可以包括一个或多个电池单元75。电池单元75可以具有化学物质，例如锂离子、镍镉或锂聚合物等。合适的电池单元75是已知和可商购获得的，例如LG 18650MJ1。
在这些示例的一些实施例中，外部电池49是可拆卸可充电电池76。在这些实施例中，无线医学成像系统31还可以包括用于可拆卸可充电电池76的可拆卸外壳77。可拆卸外壳77可以由诸如塑料、不锈钢和/或钛等材料制成。可拆卸外壳77可以包括可拆卸可充电电池76。因此，可拆卸外壳77可以在手术和/或消毒期间保护可拆卸可充电电池76。外部腔体44可以被配置成通过将可拆卸外壳77闩锁到外部腔体44中来接收可拆卸可充电电池76。例如，可拆卸外壳77可以包括闩锁机构，该闩锁机构允许从头单元壳体33的外部腔体44快速移除和更换可拆卸外壳77和其中的可拆卸可充电电池76。
可拆卸外壳77还可以进一步包括电池管理系统78。电池管理系统78可以执行一个或多个功能。例如，电池管理系统78可以被配置成(a)调节来自可拆卸可充电电池76的功率输出，(b)报告可拆卸可充电电池76的荷电水平，以及(c)防止故障。替代地和/或附加地，电池管理系统78可以被配置成存储识别可拆卸可充电电池76的信息，例如充电周期数、唯一标识符等。合适的电池管理系统78可以定制。
参照图17，在这些示例的一些实施例中，外部电池49是不可拆卸可充电电池89。
参照图10，在这些示例的一些实施例中，外部电池49具有高容量，并且可以提供足够的功率来操作集成光源42、图像传感器35、中央处理单元37和无线收发器36。例如，外部电池49可以具有超过3,000毫安小时(mAh)的容量。
同样在这些示例的一些实施例中，头单元32还包括功率管理系统79，该功率管理系统79被配置成控制由外部电池49供应的功率，并将该功率分配给集成光源42、图像传感器35、无线收发器36或中央处理单元37中的一个或多个。合适的功率管理系统79可以由可商购获得的部件制成，包括例如Texas Instruments TPS63020DSJ。
参照图1和图18-21，在一些示例中，无线医学成像系统31还包括远程接收器单元52。远程接收器单元52包括接收器单元壳体80、无线收发器51、中央处理单元81和通信接口82。接收器单元壳体80具有内部腔体83，内部腔体83包含远程接收器单元52的无线收发器51、远程接收器单元52的中央处理单元81和通信接口82。接收器单元壳体80可以由诸如塑料、不锈钢和/或钛等材料制成。相应地，在手术和/或清洁期间，接收器单元壳体80可以保护远程接收器单元52的无线收发器51、远程接收器单元52的中央处理单元81和通信接口82，以及接收器单元壳体80内部的任何其他部件，例如接收器单元壳体80的内部腔体83中的任何其他部件。
在这些示例的一些实施例中，远程接收器单元52的无线收发器51被配置成向头单元32的无线收发器36传输图像传感器数据以及命令和控制信号，并且从头单元32的无线收发器36接收图像传感器数据以及命令和控制信号。例如，远程接收器单元52可以包括第一外部连接84，其为诸如天线功能、数据传输和/或功率传输等操作提供连接。远程接收器单元52还可以包括第二外部连接85，其可以用于将远程接收器单元52连接到内窥镜系统，包括例如各种现有最先进的内窥镜系统中的任何一种。
同样在这些示例的一些实施例中，远程接收器单元52的中央处理单元81管理远程接收器单元52的无线收发器51或通信接口82中的一个或多个，并且可以根据需要执行数据处理。例如，远程接收器单元52可以包括多个印刷电路组件，其可以用于诸如功率控制、无线信号处理、计算和/或视频压缩和解压缩等功能。
同样在这些示例的一些实施例中，通信接口82被配置成与多种类型的外部相机管理系统通信，而不需要任何改变，例如重新编程、重新设计或更新。
远程接收器单元52的合适的无线收发器51是已知和可商购获得的，例如如上文所讨论的。远程接收器单元52的合适的中央处理单元81也是已知和可商购获得的，例如如上文所讨论的。远程接收器单元52的合适的通信接口82是已知和可商购获得的，例如HDMI或DVI通信接口。
参照图7和图10，在一些示例中，头单元32还包括内部可充电电池86。内部腔体46还包含内部可充电电池86。
在这些示例的一些实施例中，内部可充电电池86被配置成在外部电池停止提供功率或被移除的情况下用作二次电池系统87。
同样在这些示例的一些实施例中，头单元32还包括配置成管理内部可充电电池86的电池管理系统88。例如，头单元32的内部可充电电池86和电池管理系统88允许集成光源42、图像传感器35、无线收发器36和中央处理单元37切换到低功率状态，以节省功率。
同样在这些示例的一些实施例中，内部可充电电池86可以从外部电池49充电至容量。
同样在这些示例的一些实施例中，内部可充电电池86被配置成根据外部电池49的存在性由单独的功率或电池管理系统控制。
同样在这些示例的一些实施例中，内部可充电电池86足以为无线医学成像系统31的操作提供功率。
合适的内部可充电电池是已知和可商购获得的，例如如上面关于外部电池所讨论的。合适的电池管理系统88也是已知和可商购获得的，例如如上文讨论的。
无线医学成像系统31有利地包括集成光源42，该集成光源42提供与最先进的内窥镜系统相当的足够高的光输出，同时比常规地用于这种系统的光源使用更少的功率和产生更少的热量。
参照图23更详细地考虑集成光源42，并且如下文更详细解释的，在一些示例中，集成光源42是集成光源200，其包括：放射辐射源202，其具有第一光谱；光学元件204，其定位成导向来自放射辐射源202的放射；容积式光谱转换器205，转换器205定位成将从放射辐射源202导向的放射转换成具有不同于第一光谱的第二光谱的放射；光学反射器206，其位于转换器205周围；和输出滤波器207，反射器206定位成朝向输出滤波器207反射转换器205的放射。在这些示例中，如上文所讨论的光缆39包含放射辐射源202、光学元件204、转换器205、反射器206和滤波器207。集成光源200被配置成将来自光缆39的光传输通过输出滤波器207。
在这些示例的一些实施例中，放射辐射源202在400nm至480nm的范围内操作。光学元件204可以将放射辐射源放射准直、会聚聚焦或者发散聚焦到转换器205上。光学反射器206将全向光重新导向到期望的光学路径中。转换器205将来自放射辐射源202的放射转换成非相干辐射的不同波长、较窄光谱或较宽光谱的放射。滤波器207消除了来自放射辐射源202的未被转换器205转换的放射，并且可选地进一步调节发射的光。来自集成光源200的发射辐射光谱的放射几何形状可以进一步被调节、导向、聚焦、准直、反射、折射、衍射或以其他方式通过包含合适的光学部件来修改。
光源200采用固态发光设备，其泵送其中磷光体被容积式设置的介质。发光设备产生光束，该光束被导向到磷光体上，并随后被转换成期望波长的宽光谱或窄光谱光。通过使用容积式设置的磷光体，可以转换更高百分比的入射光，从而提高系统的效率和安全性。然后，该转换后的光可以通过期望的光学路径发送，以便精确控制最终光输出。
光源基于一种将磷光材料容积式设置到基底中的方法。容积式设置的基底提供了优于例如使用薄涂层的现有系统的益处。一个益处是增加了激光到非相干光的转换，这源于可用于光转换的磷光体的量。当前的薄磷光体表面涂层很快因预转换光而饱和，一次只能转换少量的光，大大降低了系统效率。试图使用当前的薄磷光体表面涂层来增加光转换磷光体的量变得极其困难，因为相干光仅沿一个方向行进，因此需要磷光体层增加厚度(这阻碍了传输并因此降低了有效性)或者分布在过分大的区域上。使用容积式沉积方法允许在转换相干光时使用更大量的磷光体，而不产生对更大的相干光放射光束的需求。用于转换的磷光体数量的增加意味着以相同的输入产生更多的非相干光；因此，该系统更高效。此外，随着更多的相干光被转换成非相干光，从最终光源系统发出危险的相干激光的可能性降低。
参考图22，更详细地考虑光源，示出了示例性固态集成光源100。集成光源100包括设置在标准电子部件封装内部的半导体激光器形式的激光二极管101。激光二极管101具有从封装出来的功率引脚102。激光二极管101可以例如提供在400-480nm(优选430-470nm)范围内的相干光。光束103是激光二极管101产生的相干激光光束。光束103撞击容积式光谱转换器104(例如，容积式设置有磷光体颗粒的PMMA)，并与之相互作用。转换器104因此将入射相干激光束103转换成出射宽谱光105。光105可以是任何指定的颜色，例如但不限于白色，并且由设置在转换器104的介质中的磷光体的化学成分决定。
参考图23，示出了以上讨论的集成光源200。集成光源200包括具有第一输出光谱的放射辐射源202，其例如呈设置在标准电子部件封装内部的半导体激光二极管的形式。激光二极管具有从封装出来的电源引脚203。位于放射辐射源202的放射侧前方的是光学元件204，该光学元件204由例如透镜或透镜系统组成，其将从激光二极管202发射的相干激光导向到特定区域。光学元件204可以例如准直、会聚聚焦或发散聚焦放射辐射源202的放射，以便由容积式光谱转换器205转换。容积式光谱转换器205将来自放射辐射源202的放射转换成具有不同于第一光谱的第二光谱的放射。容积式光谱转换器205设置在几何光学反射器206的内部，在该实施例中，几何光学反射器206是但不限于将由转换器205转换的光导向至指定方向的抛物线固体，在这种情况下，该指定方向向前朝向输出滤波器207。在光已经被光学反射器206向前导向之后，光与滤波器207相互作用，滤波器207去除没有被转换器205的转换介质转换成非相干光的任何相干光。此后，只有滤波后的非相干光可以离开光源200，使得发射的光在多种环境中使用安全。参考光源200，所有前述部件位于从封装体201上切除的内部腔体208中，封装体201可以是例如一块固体材料，例如但不限于铝、钢或铜。
参考图24，示出了使用图23中所示光源的可能光路径。与图23的光源200相当的光源300包括与图23的封装体201相当的封装体301。在光源300内定位有半导体激光器形式的激光二极管302，其设置在标准电子部件封装内。激光二极管302发射一束相干光307，其继续与光学元件303相互作用。光学元件303将相干光束307重新导向到更精确的路径308，这允许它与容积式光谱转换器304更有效地相互作用。转换器304通过相干光308与转换器304中存在的容积式设置的磷光体之间的内部物理相互作用，将相干光308转换成非相干光309。随后，非相干光309从转换器304沿多个方向发射。非相干光309然后与几何光学反射器305相互作用。该光学反射器305反射非相干多向光309，并将其向前重新导向310。大部分重新导向的光310穿过滤波器306，并离开311光源300。一些重新导向的光310与滤波器306相互作用，并且由于诸如设计和安全规格的原因，被阻止312离开设备。
图25示出了磷光体涂覆的转换器。部分401是基底400上薄沉积的磷光体涂层。薄磷光体涂层401具有设置在涂层内的磷光体颗粒402。颗粒402将来自右侧的光403转换成不同波长的光404。因为涂层401薄，所以能够转换入射光403的磷光体颗粒402的量有限。因此，大部分入射光403没有被转换，并且不受影响地离开基底405。
图26示出了与图25中的涂层相反的容积式光谱转换器。在这种情况下，磷光体501容积式设置在基底500内。这导致更多的磷光体颗粒502可以与入射光503相互作用，并因此参与光转换。这里有数量大得多的入射光503被转换成期望的波长504。容积式光谱转换器的使用优于磷光体涂覆转换器。
应该注意的是，为了清楚起见，这是一种简化。发射的光不一定全部从前面出来。它通常是全向散射的，并且光源的反射抛物面(例如，206、305)是使光在相同的方向上行进的抛物面。
光学反射器可以是例如模制、机加工、3D打印或以其他方式制造的光学材料件，例如PMMA、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酯、上述材料的组合的共聚物或共混物。它设计成将全向光重新导向到期望的光学路径中。它可以是例如实心几何形状、中空几何形状或几何表面的其他组合。它还可以有利地包括反射材料层，该反射材料层增强了其重新导向光的能力。该层可以是例如外表面、内表面或表面的组合。
转换器(例如，205、304)可以被选择成将来自放射辐射源的放射(例如，蓝光或紫光)转换成另一波长的辐射，例如，窄或宽光谱、非相干辐射。它可以使用转换材料制成，该转换材料可以包括例如磷光材料、荧光材料、其他辐射转换材料或这些材料的组合。转换材料容积式设置在基底中，该基底可以包括例如PMMA、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酯、前述材料的组合的共聚物或共混物，以产生有效均质的复合材料。该过程可以包括例如挤出、涂覆、层压、共混、混合或悬浮。
制造转换器的一个特定示例是将具有转换材料的基底挤出成共混和/或多层的固体复合材料。特别地，固体复合材料可以制成有2至500,000层，这些层可以针对指定的最终用途性能指标进行调整。希望转换器不具有大于1微米的任何缺陷，例如空隙、截留气体、气泡、除了那些有意希望的材料之外的任何材料的掺杂颗粒，或者任何种类的截留液体，无论是蒸气还是液体状态。
转换器可以具有转换材料或多种材料的组合与基底的比率，该比率可以根据指定的最终用途性能指标进行调整。
在优选实施例中，转换材料可以是具有特定颗粒尺寸的单一磷光体，或者具有相似或不同颗粒尺寸的磷光体粉末的混合物，提供具有稳定和/或可变波长的辐射的放射。放射的辐射可以是例如白光。
在另一个优选实施例中，转换器具有在5%和15%之间的转换材料与基底的比率。
还可以通过改变转换器的厚度和直径，针对指定的最终用途性能指标来调整转换器。例如，优选实施例包括具有在0.5mm和5mm之间的厚度和在0.5mm和5mm之间的半径的转换器。
输出滤波器(例如，207、306)可以是例如光学透明窗口，但是在优选实施例中，它消除了来自放射辐射源的未被转换器转换的任何发射的辐射。它也可以是例如长通、短通、带通或带阻滤波器，以进一步通过或截止辐射波长，进一步调节发射的光。
还应该注意的是，来自设备的发射辐射光谱的放射几何形状可以进一步被调节、导向、聚焦、准直、反射、折射、衍射或以其他方式通过包含合适的光学部件来修改。
重要的是，本文公开的集成光源42可以用于提供连续的太阳光等效光谱，这对人眼和现代相机系统都是有用的，同时提供与当前系统在较低功率要求下等效的总光强。例如，如图27所示，图27是比较最先进的3-LED系统(虚线)和本文公开的集成光源(实线)的示例性光谱的曲线图，诸如最先进的3-LED系统的当前系统具有对应于所使用的三种LED颜色的三个峰值。虽然人眼可以将它们加在一起并感知白光的很好的近似，但现代相机系统更灵敏，并且在光谱有间隙的地方可能会出现缺陷。通过提供连续的太阳光等效光谱，本文公开的光源克服了这些缺陷，并且在提供较低功率要求下的等效总光强(两个曲线图的积分相似)的同时做到了这一点。
本文公开的无线医学成像系统提供了许多优点，包括以下优点。
无线医学成像系统消除了对与常规内窥镜系统相关的许多电缆的需求。无线医学成像系统可以提供光缆，该光缆包括集成光源、可拆卸和热插拔电池系统以及符合FCC、FDA批准和符合HIPAA的数据传输无线模态。无线医学成像系统可以与当前内窥镜系统、手术流程和手术室轻松集成，甚至是可插入式兼容的（drop-in compatible）。
外部电池可以是电池组的形式，可以由足够数量的电池单元组成，当这些电池单元充满电时，可以持续平均长度的整个手术，而不需要更换。另外，如果在手术前电池组未充满电，或者如果手术时间长于电池电荷能持续的时间，则电池组可以在对手术性能和时间影响最小的情况下热插拔。
集成光源可以具有多种模态，提供与最先进的内窥镜系统相当的足够明亮的光输出，并且足够小，以便设置在无线医学成像系统的光缆内。这消除了对从内窥镜推车延伸的长的外部光传送电缆的需求，以及补偿通过外部光电缆损失的光量的相关需求。这也消除了从头单元沿着即使短的光纤电缆传输光的需要，因为集成光源是光缆而不是头单元的部件，并且因为光缆电连接器、电力电缆和集成光源可操作地串联连接，因此集成光源可以定位在光缆的端部或靠近光缆的端部。这又允许光源向手术区域提供相当于或甚至大于最先进的内窥镜系统提供的光量的光量，同时使用更少的功率和排放更少的废热。此外，没有长的光传送电缆允许外科医生在操纵内窥镜时具有高得多的灵活性。这消除了外部光缆造成的绊倒危险，并提供了更容易和更全面的消毒。使用包括电力电缆和集成光源的光缆而不是光纤电缆，也极大地增加了光缆的功能性和耐用性，因为电力电缆通常可以比光纤电缆做得更薄和更灵活，因此在操纵头单元方面为医生提供了更大的使用便利性，同时也降低了光缆本身例如由于扭结而损坏的风险。集成光源还产生较少的热量，降低了手术室中的材料因热电缆和/或其他热/辐射部件着火的可能性。
可以使用最先进的图像传感器，这些传感器具有增加的低照度、更低的功率要求、更高的分辨率，以及在智能特征方面的诸多改进，所述智能特征为例如自动白平衡、自动曝光和自动色调校正。这允许进一步减少来自集成光源的所需光输出，以在不降低图像质量的情况下充分照亮手术区域，从而使系统更节能，同时仍然为外科医生提供清晰和可操作的图像。
头单元可以在没有附接数据电缆的情况下操作。最先进的内窥镜检查系统使用数据电缆将图像从摄像头单元传送到位于内窥镜推车上的相机控制单元。虽然这种数据电缆通常比外部光缆更薄和更灵活，但这种数据电缆带来运动限制、绊倒问题和消毒困难的相同问题。上述医学成像系统包括无线传输模态，其能够以符合相关法律法规的方式传送无延迟实时视频以及命令和控制信号所需的大量数据。虽然有许多无线传输模态能够以所需的速度传送大量数据，但FDA或FCC批准在手术室使用的模态却很少。同样，在被批准用于手术室的模态中，大多数缺乏完成传输任务所需的带宽，例如，以至少每秒30帧的速度传送1080p或更高分辨率的视频数据。对于被批准在手术室中使用并且具有在所需性能参数范围内传送视频数据的适当带宽容量的少数模态，据信此前没有一种模态被用于在手术设备到监视器或控制器之间的双工传输，如本文所公开的。
无线医学成像系统也可以设计为与其他最常用的内窥镜系统可插入式兼容，从而允许在手术室中轻松采用无线医学成像系统。
这些改进会导致减少的手术室设置时间，提高手术室的安全性，简化但更有效的消毒，并为外科医生提高在手术程序期间的可用性和灵活性。综合起来，这些进步应该允许更短和更安全的手术，改善患者的预后，并减少在针对人类和/或动物患者的广泛的外科和/或兽医应用中医院和外科中心的风险和成本。
很明显，本公开是作为示例的，并且在不脱离本公开所包含的教导的公平范围的情况下，可以通过添加、修改或删除细节来进行各种改变。因此，本发明不限于本公开的特定细节，除非以下权利要求必须如此限定。

Claims (48)

1.一种无线医学成像系统，包括：
(a) 头单元，其包括：(i)头单元壳体；(ii)头单元电连接器；(iii)图像传感器；(iv)无线收发器；(v)中央处理单元；和(vi)用户输入部件；以及
(b) 光缆，其包括：(i)光缆电连接器；(ii)电力电缆；和(iii)集成光源，其中：
所述头单元壳体具有限定外部腔体的外表面、限定内部腔体的内表面、第一孔口和第二孔口；
所述头单元电连接器被配置成通过所述第一孔口与所述光缆电连接器可操作地连接；
所述光缆电连接器、所述电力电缆和所述集成光源可操作地串联连接；
所述集成光源包括：(1)放射辐射源，其具有第一光谱；(2)光学元件，其定位成导向来自所述放射辐射源的放射；(3)容积式光谱转换器，所述转换器定位成将从所述放射辐射源导向的放射转换成具有不同于所述第一光谱的第二光谱的放射；(4)光学反射器，其位于所述转换器周围；以及(5)输出滤波器，所述反射器定位成朝向所述输出滤波器反射所述转换器放射，并且所述集成光源被配置成通过所述输出滤波器传输来自所述光缆的光；
所述图像传感器、所述无线收发器和所述中央处理单元设置在所述内部腔体中；
所述图像传感器被配置成检测通过所述第二孔口传输到所述头单元中的图像；
所述外部腔体被配置成接收外部电池；并且
所述用户输入部件设置在所述外表面上。
2.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中：
所述集成光源包括可以产生连续光谱光的固态光源；和/或
所述集成光源的输出具有标称480nm至775nm的光谱带宽。
3.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述放射辐射源在400nm至480nm的范围内操作。
4.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述光学元件可以将所述放射辐射源放射准直、会聚聚焦或者发散聚焦到所述转换器上。
5.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述光学反射器将全向光重新导向到期望的光学路径中。
6.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述转换器将来自所述放射辐射源的所述放射转换成非相干辐射的不同波长、较窄光谱或较宽光谱的放射。
7.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述滤波器消除来自所述放射辐射源的未被所述转换器转换的放射，并且可选地进一步调节所发射的光。
8.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，来自所述集成光源的所发射的辐射光谱的放射几何形状可以进一步被调节、导向、聚焦、准直、反射、折射、衍射或以其他方式通过包含合适的光学部件来修改。
9.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述集成光源被配置成通过将所述光缆连接到医学成像镜来向感兴趣区域提供照明，使得光从所述集成光源传输到所述医学成像镜内，到达所述感兴趣区域。
10.根据权利要求9所述的无线医学成像系统，其中，所述光缆还包括保护外壳，所述保护外壳围绕所述集成光源并具有开口，并且所述集成光源被配置成通过所述开口传输来自所述光缆的光。
11.根据权利要求9所述的无线医学成像系统，其中，所述光缆还包括适配器，所述适配器被配置成进行所述光缆到所述医学成像镜的连接。
12.根据权利要求11所述的无线医学成像系统，其中，所述适配器被内置在所述保护外壳中，以允许集成设计。
13.根据权利要求11所述的无线医学成像系统，其中，所述适配器还被配置成在所述光缆连接到所述医学成像镜的同时允许所述适配器和所述光缆相对于所述医学成像镜旋转。
14.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述光缆还包括围绕所述电力电缆的柔性护套。
15.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述光缆不包括光纤电缆。
16.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述图像传感器包括互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片、科学互补金属氧化物半导体(sCMOS)芯片、电荷耦合器件(CCD)芯片或它们的组合。
17.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述头单元的所述无线收发器被配置成向远程接收器单元的无线收发器传输图像传感器数据以及命令和控制信号，并且从所述远程接收器单元的所述无线收发器接收所述图像传感器数据以及所述命令和控制信号。
18.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述头单元被配置成当所述头单元和所述远程接收器单元定位成彼此相距达30米时，在所述头单元的所述无线收发器和所述远程接收器单元的所述无线收发器之间建立连接。
19.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述头单元的所述无线收发器可以使用超宽带(UWB)通信模态。
20.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述头单元的所述无线收发器被配置成将来自所述图像传感器的数据以及命令和控制信号传输到外部系统，以用于医学成像系统的管理，而不需要重新编程或重新设计。
21.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述中央处理单元管理所述集成光源、所述图像传感器或所述无线收发器中的至少一个。
22.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述头单元还包括协处理器，所述协处理器帮助所述图像传感器为所述中央处理单元转换所述图像。
23.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述用户输入部件包括配置成控制所述图像传感器的功能的按钮。
24.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述第二孔口包括第二孔口连接器，所述第二孔口连接器被配置用于将医学成像镜连接到所述头单元壳体。
25.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述头单元壳体具有300至800cm3的体积。
26.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述头单元电连接器和所述图像传感器设置在彼此相距1至6cm的范围内。
27.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述头单元不包括位于所述头单元的所述内部腔体中的散热器。
28.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述头单元还包括窗口，所述窗口设置在所述第二孔口内，并且被配置成允许所述图像穿过其中。
29.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述无线医学成像系统还包括外部电池，所述外部电池设置在所述外部腔体中，并且向所述集成光源、所述图像传感器、所述无线收发器或所述中央处理单元中的一个或多个提供功率。
30.根据权利要求29所述的无线医学成像系统，其中，所述外部电池是可拆卸可充电电池。
31.根据权利要求30所述的无线医学成像系统，其中，所述无线医学成像系统还包括用于所述可拆卸可充电电池的可拆卸外壳，所述可拆卸外壳包括所述可拆卸可充电电池，并且所述外部腔体被配置成通过将所述可拆卸外壳闩锁到所述外部腔体中来接收所述可拆卸可充电电池。
32.根据权利要求31所述的无线医学成像系统，其中，所述可拆卸外壳还包括电池管理系统。
33.根据权利要求32所述的无线医学成像系统，其中，所述电池管理系统被配置成(a)调节来自所述可拆卸可充电电池的功率输出，(b)报告所述可拆卸可充电电池的荷电水平，以及(c)防止故障。
34.根据权利要求29所述的无线医学成像系统，其中，所述外部电池是不可拆卸可充电电池。
35.根据权利要求29所述的无线医学成像系统，其中，所述外部电池具有高容量，并且可以提供足够的功率来操作所述集成光源、所述图像传感器和所述无线收发器。
36.根据权利要求35所述的无线医学成像系统，其中，所述外部电池具有超过3,000毫安小时(mAh)的容量。
37.根据权利要求29所述的无线医学成像系统，其中，所述头单元还包括功率管理系统，所述功率管理系统被配置成控制由所述外部电池供应的功率，并将所述功率分配给所述集成光源、所述图像传感器、所述无线收发器或所述中央处理单元中的所述一个或多个。
38.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述无线医学成像系统还包括远程接收器单元，所述远程接收器单元包括：(I)接收器单元壳体；(ii)无线收发器；(iii)中央处理单元；和(iv)通信接口；并且进一步其中，所述接收器单元壳体具有内部腔体，所述内部腔体包含所述远程接收器单元的所述无线收发器、所述远程接收器单元的所述中央处理单元和所述通信接口。
39.根据权利要求38所述的无线医学成像系统，其中，所述远程接收器单元的所述无线收发器被配置成向所述头单元的所述无线收发器传输图像传感器数据以及命令和控制信号，并且从所述头单元的所述无线收发器接收所述图像传感器数据以及所述命令和控制信号。
40.根据权利要求38所述的无线医学成像系统，其中，所述远程接收器单元的所述中央处理单元管理所述远程接收器单元的所述无线收发器或通信接口中的一个或多个，并且能够为其执行数据处理。
41.根据权利要求38所述的无线医学成像系统，其中，所述通信接口被配置成与多种类型的外部相机管理系统通信，而不需要重新编程或重新设计。
42.根据权利要求1所述的无线医学成像系统，其中，所述头单元还包括内部可充电电池，所述内部腔体进一步包含所述内部可充电电池。
43.根据权利要求42所述的无线医学成像系统，其中，所述内部可充电电池被配置成在外部电池停止提供功率或断开连接的情况下用作二次电池系统。
44.根据权利要求42所述的无线医学成像系统，其中，所述头单元还包括配置成管理所述内部可充电电池的电池管理系统。
45.根据权利要求44所述的无线医学成像系统，其中，所述头单元的所述内部可充电电池和所述电池管理系统允许所述集成光源、所述图像传感器、所述无线收发器和所述中央处理单元切换到低功率模式，以节省功率。
46.根据权利要求42所述的无线医学成像系统，其中，所述内部可充电电池可以从外部电池充电至容量。
47.根据权利要求42所述的无线医学成像系统，其中，所述内部可充电电池被配置成根据外部电池的存在性由单独的功率或电池管理系统从外部控制。
48.根据权利要求42所述的无线医学成像系统，其中，所述内部可充电电池足以为所述无线医学成像系统的操作提供功率。
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