CN1654011A - 在用腹腔机械手激光治疗时自动定位胃肠道内病灶的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于采用腹腔机械手(5)激光治疗时在胃肠道内自动定位病灶(1)的方法，具有以下步骤：利用腹腔机械手(5)的摄影机(7)拍摄胃肠道的表面图像；将表面图像传输到计算机(13)；通过该计算机(13)基于具体病灶特征根据所要照射的病灶分析所述表面图像；通过该计算机(13)基于所识别的病灶(1)计算调整信号；将所述调整信号传输到腹腔机械手控制装置和/或处于腹腔机械手内的激光系统(10)上；以及基于该调整信号通过腹腔机械手控制装置和/或通过激光系统(10)调整所计算的激光束的定向和激光照射面积的大小。

Description

在用腹腔机械手激光治疗时自动定位胃肠道内病灶的方法
技术领域
本发明一般涉及具有腹腔机械手的内窥镜，用于实施患者体内、尤其是胃肠道内的微创诊断和手术。在此方面，本发明特别是涉及一种方法以及一种用于实施该方法的系统，以便在短时间内不依赖于操作者而确诊病灶并利用激光进行照射。
背景技术
人体的胃肠道是急性和/或者慢性疾病的活动场所，例如以胃和肠的内侧病理性改变部位的方式，这些部位例如在炎症或者肿瘤过程的范畴内间歇或者连续出血。
特别重要的是，如克罗恩病，结肠炎溃疡，小肠神经性内分泌瘤，肿瘤等炎症肠疾病或者例如像息肉这种小的组织改变，通常随着时间的推移很大程度上会发生恶性病变。常常会在同一患者的许多部位上发现多处下面称为(表面)病灶的这种病理性组织改变，如果不及时通过去除或者其它摧毁，例如通过电凝结或者借助于激光凝结消灭其生长，一般会发展成恶性肠癌。
按照现有技术借助于内窥镜或借助于腹腔机械手实施通过凝结摧毁刚才介绍的病灶。专利文献US 62403 12 B1介绍了一种具有烧蚀能力的激光器的腹腔机械手。对这种腹腔机械手在体内的控制借助于腹腔机械手控制装置通过磁场控制系统实现，并在专利文献DE 101 42 253 C1中详细介绍。
发明内容
根据肠令人惊异的长度(长达11米)和通常大量的病灶，本发明的目的在于提供一种方法和系统，通过该方法和系统可以自动识别和自动摧毁或治疗胃肠道内的病灶。
因此依据本发明提出一种方法，用于采用腹腔机械手的激光胃肠道内病灶的自动定位，具有以下步骤：
-利用腹腔机械手的摄影机拍摄胃肠道的表面图像；
-将表面图像传输到计算机；
-通过该计算机基于具体病灶特征根据所要照射的病灶分析所述表面图像；
-通过该计算机基于所识别的病灶计算调整信号；
-将所述调整信号传输到腹腔机械手控制装置和/或处于腹腔机械手内的激光系统上；以及
-基于该调整信号通过腹腔机械手控制装置和/或通过激光系统调整所计算的激光束的定向和激光照射面积的大小。
此外，本发明还提供一种对识别的病灶进行调整的照射的方法，其具有下列步骤：
-利用腹腔机械手的激光器照射由计算机基于具体病灶特征所识别的病灶；
-在断开激光器后通过摄影机测量被照射面的当前具体病灶特征；
-通过所述计算机基于所测量的当前具体病灶特征确定激光照射面的尺寸；
-通过将腹腔机械手与病灶表面正交定位调整所确定的激光照射面的大小；
-连续或者脉动式地照射病灶表面，测量和监视病灶表面上激光照射面的大小以及当前具体病灶特征。
在此，在本发明第一种可能的实施方式中具有优点的是，依据对病灶表面上激光照射面的所测量的当前具体病灶特征，通过调整腹腔机械手与病灶表面的距离来改变激光照射面的大小。
在本发明第二种可能的实施方式中，依据对病灶表面上激光照射面的所测量的当前具体病灶特征，通过改变激光系统来改变激光照射面的大小。
依据本发明，具体病灶特征涉及具体病灶的颜色、形状以及组织。
具有优点的是，将具体病灶特征与计算机可访问的数据库中或该计算机的数据库中的病灶特征进行比较。
依据本发明，为了测量激光照射面的大小以及为了测量具体病灶特征随时或以周期性的间隔中断或停止利用激光的照射。
具有优点的是，拍摄表面图像、向计算机的传输以及通过计算机进行分析连续进行。
在本发明的另一实施方式中，通过与腹腔机械手的在Z-方向上的受控定位相结合地相应移动腹腔机械手，通过在XY-平面上横向移动激光束或通过相对于病灶-腹腔机械手-连接线(Z-轴)摆动激光束，利用激光器的确定的表面功率密度照射整个病灶表面。
在此，按照本发明，表面功率密度依据病灶类型在时间上由计算机预先规定。
具有优点的是，在XY-平面上横向移动激光束或相对于Z-轴摆动激光束通过激光器相对于腹腔机械手的空间定向进行。
在此，在一可能的实施方式中，激光器相对于腹腔机械手的空间定向通过微型机电机构进行，如移动膜片、形状记忆合金、可电压缩的聚合物、压电执行元件等。
在本发明的另一构成中，激光束的运动通过光阑的移动产生。
在本发明第三可能的构成中，激光束的运动通过激活所选择的与腹腔机械手集成化的3D-激光器二极管阵列的激光器二极管产生。
在本发明的第四构成中，激光束的运动通过磁场控制系统产生，其中，将集成在腹腔机械手内的激光器与可移动的微型磁铁或可磁化的材料相耦合，该磁铁或该材料不用于腹腔机械手的导航，而且该磁铁或该材料可以通过外部磁场的设置而摆动或移动。
在本发明的另一构成中，还可以利用上述方法对腹腔机械手的其它部件、例如摄影机进行定向
此外，本发明还涉及用于实施本发明的方法的系统。
在依据本发明该系统可能的实施方式中，计算机或者位于患者体外或者与腹腔机械手集成化，或者是由集成化和设置在体外的计算机的组合。
附图说明
现借助附图的实施例对本发明的其它优点，特征和特性作详细说明。其中：
图1示出一系统，利用该系统可计算机控制地操纵腹腔机械手的激光束；
图2示出在笛卡尔坐标系中与患病组织表面所要凝结的病灶相对的具有激光器的腹腔机械手；
图3A示出与所要凝结病灶上激光照射面相关的第一调整电路；
图3B示出与所要凝结表面的二维扫描相关的第二调整电路。
具体实施方式
图1示出具有有烧蚀能力的激光器10的腹腔机械手5。发出的激光束11聚光并平行于病灶-腹腔机械手-连接线(以下称为Z-轴线)聚焦。激光器焦点2通常处于距腹腔机械手5几厘米的距离内。在腹腔机械手5激光束侧的末端上，在中心设置了具有镜头7的(CCD-)摄影机，通过该摄影机可以光学上采集激光束11的在焦点一侧的部分。摄影机7与HF-发射和接收单元8连接，由该单元通过腹腔机械手的天线9将拍摄的图像实时地通过计算机13的HF-发射和接收单元14的天线15传输。传输的图像例如可以在计算机的显示屏上显示，并由操作者(例如医生)用于诊断或者治疗方案。
在此，对腹腔机械手在胃肠道内的控制或调度通过磁场控制系统(未示出)进行。为此腹腔机械手具有线性磁铁6，在其上面在利用3D-梯度场的交替作用下可以这样施加转矩和平移力，使腹腔机械手沿例如肠运动。导航或者通过操作者借助可以相应改变3D-梯度场的力输入装置(例如所谓的6D-鼠标)进行。另一种可能性是计算机控制的导航，其中，计算机通过腹腔机械手的摄影机识别肠壁并这样控制或调整3D-梯度场，使腹腔机械手不依赖于操作者沿肠导向。
本发明在于这样构成腹腔机械手-计算机系统，使腹腔机械手通过摄影机识别肠壁上的病灶，并对这些病灶利用其激光器尽可能不依赖于操作者这样照射，使这些病灶最终可以被视为得到治疗。本发明的重点之一是在前面同样自动进行的病灶识别之后，对病灶进行自动照射。
依据本发明的系统一方面由胶囊状的腹腔机械手5组成，它具有磁棒6，摄影机7以及具有烧蚀能力的激光器10。磁棒6在腹腔机械手控制装置的框架内可电磁耦合到磁场控制系统的动态磁场上，由此腹腔机械手5例如可以利用6D-鼠标在空间内导航。动态磁场通过环绕待检查的患者设置的麦克斯韦线圈产生。腹腔机械手5的摄影机7和激光器10耦合到与天线9连接的腹腔机械手5的HF-发射和接收单元8上。此外，系统16还由带有显示屏13的计算机组成。计算机13同样与HF-发射和接收单元14连接，该单元又与天线15连接，从而特别是可以将由腹腔机械手的摄影机7(连续)拍摄的图像发送到计算机13并实时显示在显示屏上。基于计算机13显示屏上的图像显示，操作者可对腹腔机械手5进行相应的定向或定位并相应调整激光器10。
图2大致示出照射的过程。腹腔机械手的摄影机7识别例如肠表面的患病器官表面12的病灶1。在本发明一优选实施方式中，病灶1的识别在计算机的基础上进行，后面将详细介绍。计算机13通过磁场控制系统这样作用于腹腔机械手5，即通过在腹腔机械手5的X-和Y-方向上的摆动或平移，使激光束11对准所识别的病灶。通过腹腔机械手5沿病灶-腹腔机械手-连接线(Z-轴)的移动，可校正或调节激光照射面的尺寸以及照射的表面功率密度。
刚才介绍的腹腔机械手5通过计算机的初始定向以及后面计算机控制的照射本身，依据本发明在利用与腹腔机械手集成化的摄影机7的交替作用下自动进行。摄影机7提供所识别病灶1的、但特别是激光照射面的图像，这些图像通过HF-发射接收单元8被实时传输到计算机13。这些图像除了关于激光照射面的尺寸和形状的信息外，还包括有关病灶的颜色、形状和组织的信息以及已经照射过的病灶区域的信息。在本发明一具有优点的构成中，在图像识别算法的基础上，计算机能够将照射前后的颜色、形状和组织特征与储存在按照本发明的一种优选实施方式中由计算机13可访问的数据库内的具体病灶(病灶分类，病灶类型)相对应。
基于计算机的根据其识别对病灶(病灶类型)的描述或分类使得可以在激光照射面的尺寸、照射时间以及激光频率方面使随后的照射过程得到优化。这种照射过程主要以两个调整电路为基础：
调整电路1通过腹腔机械手5到病灶表面的距离以及通过所选择的激光频率来调整激光照射面的尺寸以及表面功率密度。通常腹腔机械手5的激光器10装有类似于激光存储装置(存储在光盘上)的镜组(Optik)，由此在从腹腔机械手5到组织的有限距离上可以将光功率集中在最小的表面上(一微米)。因此产生了这种可能性，即对于本身刚性的镜组，通过激光器10或腹腔机械手5与所要处理或所要照射的病灶1之间的距离确定地(受控制地)改变表面功率密度。激光照射表面2的尺寸通过腹腔机械手5的摄影机7周期性地或者连续地观察并输送到计算机13的调整电路上，该调整电路13同样这样调整距离，使得达到原则上取决于病灶1类型的最佳表面功率密度。
图3A示出调整电路1。在利用激光照射之前、照射期间和照射之后基于形状、尺寸、颜色、组织确定病灶1的类型，其中，通过计算机13将上述特征与储存在数据库内不同病灶类型的特征进行比较。该病灶类型与表面功率密度的额定值相关联，通过放大或者缩小激光照射面，但也可以通过保持或停止照射来调整该表面功率密度。依据本发明，调整是基于计算机进行的。在此，通常是使激光照射表面2数倍小于病灶1本身。但为了自动地或计算机控制地照射可能连同边缘的整个病灶1，还需要另一第二调整电路，其作用是使激光束扫描整个病灶1(可能连同边缘)。
图3B示出这种第二调整电路。腹腔机械手5的摄影机7连续或者周期性地采集患病器官12的病灶表面1。腹腔机械手5的发射和接收单元8将摄影机图像传输到计算机13，计算机13借助于图像处理算法识别已经得到照射的病灶的区域4，并通过磁场控制系统沿X-和/或者Y-轴线摆动或移动腹腔机械手5，使激光束对准还未照射的病灶区域以及边框状的边缘区域。
两个调整电路(调整电路1-图3A和调整电路2-图3B)的组合可以使自动化和优化的具体病灶照射过程通过与同样基于计算机的自动病灶识别相结合，在最短时间内凝结大量病灶。
在本发明不同的(具有优点的)实施方式中，也可以让操作者按照不同的方式在不同的时间点上参与基于计算机的自动化进程。可以设想下列实施方式：
1.操作者控制腹腔机械手从病灶到病灶并初始化各照射过程。
2.操作者可以通过计算机上的菜单选择预先给出照射过程期间表面功率密度的变化。
3.操作者根据所照射的病灶的特征变化(例如颜色变化)，决定照射是否取得了足够效果或者是否需要利用迄今为止的或者变化的照射参数(激光照射面，频率，照射持续时间)继续进行。
4.在各自的自动照射过程之前，由操作者在计算机显示屏上对所要照射的病灶分别进行分割。
通常特别是出于安全原因具有优点的是，这样实现病灶识别和照射的自动化，即使操作者可以计划或参与到基于计算机的整个阶段之中。
总而言之，当胃肠道内病灶的数量非常大时，病灶识别以及病灶照射(凝结)的自动化可以满足医生在此方面的长期愿望。
如已经多次提及的那样，依据本发明的方法和系统主要应用于胃肠道，特别是小肠领域。但那里常见的问题是，腹腔机械手通过肠壁只能这样固定，使其不能或者很难通过外部磁场(磁场控制系统)来转动。特别是调整电路2由此明显受到限制。
因此本发明的另一方面在于，这样构成或这样设置腹腔机械手内具有烧蚀能力的激光器，使激光束不仅可以通过腹腔机械手的移动调节，而且可以相对于腹腔机械手摆动、移动或者甚至产生不同的定位。在此，应采用与如上所述(图3A和3B)由图像识别和控制信号组成的相同的调节回路。
因此依据本发明，治疗的激光器相对于腹腔机械手或者这样移动地设置，使激光束可以对准目标组织而无需腹腔机械手本身移动或者摆动，或者还可以为了使激光器定向这样控制腹腔机械手内的光阑或者透镜，使激光束相对于腹腔机械手进行相应的移动。另一第三可能性是，在腹腔机械手内设置三维激光器(二极管)阵列，其中，激光束仅通过激活最佳击中目标组织的那个激光器产生。
按照前两个依据本发明的可能性的移动性和空间定向可以通过公知的可微型化的电机机制进行。在这种情况下可设想的有电机、移动膜片、形状记忆合金、电可压缩的聚合物，压电执行元件等。也可以使用已经存在的磁场控制系统，以便将激光器相对于腹腔机械手定向，其中，使激光器可移动地悬挂并与(棒状)磁铁或可磁化材料刚性耦合，这里该磁铁或该材料不能与腹腔机械手控制装置的磁棒相混淆。外部磁场可以这样调整，借助于耦合的磁铁在预先规定的方向上对激光器进行控制。在这种情况下，或者腹腔机械手本身例如通过肠壁这样固定，使腹腔机械手通过控制磁场不出现位置变化，或者耦合的激光器磁铁系统的质量或惯性明显小于腹腔机械手的质量或惯性，使用于控制激光器足够调节激光器的磁场明显弱于用于控制腹腔机械手所需的磁场。
需要指出的是，所描述的控制机制并不局限于腹腔机械手的激光器。确切地说，也可以是借助于所述机制相对于腹腔机械手外壳移动和定向的腹腔机械手的其它部件(例如摄像机，其它传感器或者治疗装置)。
此外需要注意的是，调整电路1和调整电路2并非一定要与将体内信号向腹腔机械手外的计算机的传送相关联。腹腔机械手或激光束的全部图像处理和控制也可以通过与腹腔机械手集成的处理器进行。也可以设想将患者体外的计算机与腹腔机械手内集成的计算机相组合。

Claims (19)

1.一种用于采用腹腔机械手(5)激光治疗时在胃肠道内自动定位病灶(1)的方法，具有以下步骤：
-利用腹腔机械手(5)的摄影机(7)拍摄胃肠道的表面图像；
-将表面图像传输到计算机(13)；
-通过该计算机(13)基于具体病灶特征根据所要照射的病灶分析所述表面图像；
-通过该计算机(13)基于所识别的病灶(1)计算调整信号；
-将所述调整信号传输到腹腔机械手控制装置和/或处于腹腔机械手内的激光系统(10)上；以及
-基于该调整信号通过腹腔机械手控制装置和/或通过激光系统(10)调整所计算的激光束的定向和激光照射面积的大小。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，对识别的病灶进行所调整的照射，具有下列步骤：
-利用腹腔机械手(5)的激光器(10)照射由计算机(13)基于具体病灶特征所识别的病灶；
-在断开激光器(10)后通过摄影机(7)测量被照射面的当前具体病灶特征；
-通过所述计算机(13)基于所测量的当前具体病灶特征确定激光照射面(2)的尺寸；
-通过将腹腔机械手(5)与病灶表面正交定位调整所确定的激光照射面的大小；
-连续或者脉动式地照射病灶表面，测量和监视病灶表面上激光照射面(2)的大小以及当前具体病灶特征。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，依据对病灶表面上激光照射面(2)的所测量的当前具体病灶特征，通过调整腹腔机械手(5)与病灶表面的距离来改变激光照射面的大小。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，依据对病灶表面上激光照射面(2)的所测量的当前具体病灶特征，通过改变所述激光系统来改变激光照射面的大小。
5.按权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述具体病灶特征涉及特定病灶(1)的颜色、形状以及组织。
6.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将所述具体病灶特征与计算机(13)可访问的数据库中或该计算机(13)的数据库中的病灶特征进行比较。
7.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，为了测量激光照射面的大小以及为了测量所述具体病灶特征随时或以周期性的间隔中断或停止利用激光的照射。
8.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述拍摄表面图像、向计算机(13)传输以及通过计算机分析连续地进行。
9.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过与腹腔机械手(5)的在Z-方向上的受控定位相结合地相应移动腹腔机械手(5)，通过在XY-平面上横向移动激光束或通过相对于病灶-腹腔机械手-连接线(Z-轴)摆动激光束，利用激光器(10)的确定的表面功率密度照射整个病灶表面。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，所述表面功率密度依据病灶(1)的类型在时间上由计算机(13)预先规定。
11.按权利要求8至10之一所述的方法，其特征在于，所述在XY-平面上横向移动激光束或相对于Z-轴摆动激光束是通过将激光器(10)相对于腹腔机械手(5)的空间定向实现的。
12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，所述激光器(10)相对于腹腔机械手(5)的空间定向是通过微型机电机制实现的，如移动膜片、形状记忆合金、电可压缩的聚合物、压电执行元件等。
13.按权利要求11所述的方法，其特征在于，激光束的运动通过光阑的移动产生。
14.按权利要求11所述的方法，其特征在于，激光束的运动通过激活所选择的集成在腹腔机械手(5)内的3D-激光器二极管阵列的激光器二极管产生。
15.按权利要求11所述的方法，其特征在于，激光束的运动通过磁场控制系统产生，其中，将集成在腹腔机械手(5)内的激光器(10)与可移动的微型磁铁或可磁化的材料相耦合，该磁铁或该材料不用于腹腔机械手的导航，而且该磁铁或该材料可以通过外部磁场的设置而摆动或移动。
16.按权利要求11至15之一所述的方法，其特征在于，腹腔机械手(5)的其它部件，例如摄影机(7)的定向借助于依据权利要求10-13之一所述的控制原理进行。
17.一种系统，用于实施按权利要求1至16之一所述的方法。
18.按权利要求17所述的系统，其特征在于，计算机位于待检查的患者体外。
19.按权利要求17所述的系统，其特征在于，计算机集成在腹腔机械手内。
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