JP2022516528A - 組織又はアーチファクトを検出又は区別するために使用されるシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

外科用システムは、外科用器具の作業端部に配置された少なくとも１つの発光素子及び光センサのアレイを含み、光センサのアレイ内の個々の光センサが、非脈動成分を含む信号を生成するように適合されている。このシステムはまた、光センサのアレイに結合されたコントローラを含み、コントローラはアナライザを含み、アナライザは、光センサのアレイ内の個々の光センサのそれぞれの信号の非脈動成分の曲線を決定し、曲線を平滑化し、平滑化曲線の導関数を計算し、平滑化曲線を反転し、逆平滑化曲線の導関数を計算し、導関数の差を取り、結果曲線を平滑化し、平滑化結果曲線のゼロ交差を推定し、存在する場合、各ゼロ交差に隣接する点に符号関数を適用し、結果に基づいて、存在する場合、関心領域を識別するように構成されている。

Description

この特許は、脈管などの組織又はアーチファクトを検出又は区別するために使用されるシステム及び方法、特に、少なくとも１つの発光素子と、シャフトの作業端部に配置された少なくとも１つの光センサとをシステムが含む、組織又はアーチファクトを検出又は区別するために使用されるシステム及び方法に関する。

外科分野において、外科処置中にアーチファクト、特に脈管を識別するシステム及び方法は、外科医又は外科チームに貴重な情報を提供する。米国の病院は、手術中の不注意による血管損傷のため、毎年数十億ドルを払い戻し不能なコストとして失っている。さらに、関係する患者は、３２％までの死亡率に直面しており、是正処置を必要とするためさらに９日間病院に留まることが必要となる可能性が高く、数十万ドルではないにしても数万ドルの追加の治療費が発生することになる。結果として、これらの費用を削減又は回避できるように、外科分野において血管などの脈管の存在を正確に決定することを可能にする方法及びシステムから重要な価値が得られる。

外科分野において血管の存在に関する情報を提供するシステム及び方法は、低侵襲外科処置中には特に重要である。従来、外科医は、外科手術中に、血管を識別し、これらの血管への不用意な損傷を避けるために触覚に頼ってきた。腹腔鏡手術及びロボット手術などの低侵襲手術に移行したため、外科医は、手術野内の血管の存在について判断を下すために直接的な視覚化及び触覚を使用する能力を失ってしまった。その結果、外科医は、主として慣習と経験に基づいて手術野に血管が存在するかどうかを判断せざるを得ない。残念ながら、先天的異常、過去の手術による瘢痕、及び体質（例えば肥満）のため、解剖学的な不規則性が頻繁に発生する。このような状況下で、外科医が手術中に（場合によってはリアルタイムで又はリアルタイムに近い状態で）手術野内における脈管の存在及び／又は特性を決定することを可能にするシステム及び方法が大きな利点となるであろう。

一方、手術野内における血管の存在に関する情報を提供するシステム及び方法を備えることは有利であると考えられるが、これらのシステム及び方法が外科的処置をより複雑にするとすれば、当該システム及び方法の採用は妨げられるであろう。従って、システム及び方法は、血管などの組織又はアーチファクトを検出又は区別するためのシステム又は方法を使用する際に外科医又は外科チームがかなり考えたり、システム又は方法を使用するために手術野又は患者をかなり準備したりすることを伴わないことが有利である。

以下でさらに詳細に説明するように、本発明は、外科用器具又は外科用処置を過度に複雑にすることなく、脈管などの組織又はアーチファクトを回避又は分離するための識別の改善を与えることができる、既存のシステム及び方法に対する有利な代替手段を具現化するユーザインタフェースを説明する。

本開示の一態様によれば、外科用システムは、外科用器具と、外科用器具の作業端部に配置された少なくとも１つの発光素子と、外科用器具の作業端部に配置された光センサのアレイであって、光センサのアレイ内の個々の光センサが、非脈動成分を含む信号を生成するように適合されている、光センサのアレイと、光センサのアレイに結合されたコントローラとを含む。コントローラは、アナライザを含み、アナライザは、光センサのアレイ内の個々の光センサのそれぞれの信号の非脈動成分の曲線を決定し、曲線を平滑化して平滑化曲線を生成し、平滑化曲線の導関数を計算し、平滑化曲線を反転して逆平滑化曲線を生成し、逆平滑化曲線の導関数を計算し、逆平滑化曲線の導関数と平滑化曲線の導関数の差を取り、結果曲線を生成し、結果曲線を平滑化して平滑化結果曲線を生成し、平滑化結果曲線のゼロ交差を推定し、存在する場合、各ゼロ交差に隣接する点に符号関数を適用して結果を生成し、存在する場合、各ゼロ交差に隣接する点の結果に基づいて、存在する場合、関心領域を識別するように構成されている。

本発明は、添付図面に関連した以下の説明から、より完全に理解されるであろう。図のいくつかは、選択された構成要素を、他の構成要素をより明確に示すために省略することによって簡略化されている場合がある。いくつかの図中における構成要素の当該省略は、対応する書面による説明で明示的に定義される場合を除き、例示的な実施形態のいずれかにおいて特定の構成要素が存在すること又は存在しないことを必ずしも示すものではない。図面のいずれも、必ずしも縮尺通りではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る外科用システムの概略図である。 図２は、発光素子及び光センサを備えた図１の外科用器具の透過率ベースの実施形態の拡大部分図であり、脈管の部分が発光素子と光センサとの間に配置されているように示されている。 図３は、固定間隔の光センサ及び発光素子を備えた反射率ベースのシステムも装備された図１の外科用器具の実施形態の拡大部分図であり、脈管の部分が発光素子及び光センサに近接するものとして示されている。 図４は、互いに対して調整可能な間隔を有する光センサ及び発光素子を備えた反射率ベースのシステムも装備された外科用器具の別の実施形態の拡大部分図であり、血管の部分が発光素子及び光センサに近接するものとして示されている。 図５は、ビデオシステムと共に使用される外科用システムを例示する、ビデオシステムの一実施形態と組み合わせた本発明の一実施形態に係る外科用システムの概略図である。 図６は、ビデオシステムと共に使用される外科用システムを説明する、ビデオシステムの別の実施形態と組み合わせた本発明の一実施形態に係る外科用システムの概略図である。 図７は、光センサのアレイから受信された信号内の１つ以上の関心領域を検出又は区別するために上述のシステムのいずれかによって使用される方法のフローチャートであり、１つ以上の関心領域の検出又は区別は、組織又は１つ以上のアーチファクトの検出又は区別につながる。 図８は、複数の関心領域の中から、例えば脈管などのアーチファクトに関連する可能性が多かれ少なかれある関心領域を選択するために、上述のシステムのいずれかによって使用される方法のフローチャートである。

本明細書に記載の実施形態は、曲線内の関心領域を検出又は区別するためのシステム及び方法を提供し、それらシステム及び方法は、血管などの組織又はアーチファクトの検出又は区別も含み、それらシステム及び方法は、外科用システム又は外科用器具とともに、又は外科用システム又は外科用器具において使用することができる。そのようなシステムは、外科用器具の作業端部に配置された少なくとも１つの発光素子と、外科用器具の作業端部に配置された光センサのアレイであって、光センサのアレイ内の個々の光センサが、非脈動成分を含む信号を生成するように適合されている、光センサのアレイとを含むことができる。システムは、光センサのアレイに結合されたコントローラを含むことができ、コントローラはアナライザを含む。アナライザは、光センサのアレイ内の個々の光センサのそれぞれの信号の非脈動成分の曲線を決定し、曲線を平滑化して平滑化曲線を生成し、平滑化曲線の導関数を計算し、平滑化曲線を反転して逆平滑化曲線を生成し、逆平滑化曲線の導関数を計算し、逆平滑化曲線の導関数と平滑化曲線の導関数の差を取り、結果曲線を生成し、結果曲線を平滑化して平滑化結果曲線を生成し、平滑化結果曲線のゼロ交差を推定し、存在する場合、各ゼロ交差に隣接する点に符号関数を適用して結果を生成し、存在する場合、各ゼロ交差に隣接する点の結果に基づいて、存在する場合、関心領域を識別するように構成されている。

まず図１～６に目を向けると、このような外科用システム１００の実施形態が図示されている。このシステム１００を使用して、例えば、外科用器具１０６の作業端部１０４に近接した組織Ｔの領域１０２内の脈管Ｖの特性（例えば、存在、直径等）を決定することができる。脈管Ｖは、組織Ｔの領域１０２と共に他の脈管につながっていてよく、さらに、脈管Ｖは、患者の体内にも見いだされる他の器官（例えば心臓）と流体連通するように領域１０２を越えて延びていてもよいことが分かるであろう。さらに、組織Ｔは、図１～４において、特定の深さまで脈管Ｖを完全に取り囲む（周辺及び長さの両方において）ように見えるが、これは、システム１００を使用する全ての例においてそうである必要はない。例えば、組織Ｔは、脈管Ｖの周囲を部分的にのみ取り囲んでいてもよく、及び／又は脈管Ｖの長さの一部だけを取り囲んでいてもよく、あるいは、組織Ｔは、非常に薄い層が脈管Ｖを覆っていてもよい。さらなる例として、脈管Ｖは血管であってもよく、組織Ｔは結合組織、脂肪組織及び／又は肝臓組織であってもよいが、これに限定されない。

図示された実施形態によれば、外科用器具１０６の作業端部１０４は、シャフト１０８の遠位端部でもある。従って、作業端部及び遠位端部を、作業端部１０４又は遠位端部１０４という。また、シャフト１０８は、近位端部１１０も有し、シャフト１０８の近位端部１１０には、グリップ又はハンドル１１２（本明細書では区別なくグリップ１１２という）が配置されている。グリップ１１２は、器具１０６の性質に応じて設計される；図１に図示された熱結紮装置に関しては、グリップ１１２は、トリガー１１４を含めたピストル型グリップであってもよい。１つの選択肢として、略ハサミ型のグリップに配置された指リングを使用してもよい。

作業端部又は遠位端部１０４とグリップ１１２を有する近位端部１１０とは、シャフト１０８の対向する最端部に配置されているように図示されているが、特定の外科用器具は、シャフトの対向する最端部に配置された作業端部（例えば、工具先端部が取り付けられるところ）と、対向する作業端部の中間に配置されるグリップ領域とを有することが分かるであろう。本明細書で使用される「遠位」及び「近位」という用語に従って、このような器具の作業端部を、本明細書では遠位端部といい、グリップ領域を近位端部という。しかしながら、図示された実施形態に対して、遠位端部及び近位端部は、シャフト１０８の対向する最（又は単に反対側の）端部に配置される。

上記のように、図示された好ましい実施形態によれば、外科用システム１００は、少なくとも１つの発光素子１２０（又は単に発光素子１２０）と、１つ以上の光センサ又は検出器１２２（又は単に光センサ１２２）とを有するセンサを備える。図２～４を参照されたい。図示された実施形態によれば、発光素子１２０及び光センサ１２２にはコントローラ１２４が結合されており、このコントローラ１２４は、以下に説明するように、スプリッタ１２６及びアナライザ１２８を備えることができる。図１を参照されたい。

発光素子１２０は、外科用器具１０６の作業端部１０４に配置される。また、光センサ１２２も外科用器具１０６の作業端部１０４に配置される。いずれの場合も、「配置された」というフレーズは、作業端部１０４での発光素子１２０又は光センサ１２２の物理的な配置、又は作業端部１０４での光ファイバ又は他の光ガイドの配置を指し得る。その光ガイドは、発光素子１２０又は光センサ１２２に結合されており、従って発光素子１２０又は光センサ１２２は他の場所に配置されてもよい。システム１００は、透過率ベースのアプローチに従って動作することができ、その結果、光センサ１２２は、例えば図２に示されるように外科用器具１０６の反対側のジョーの上など、発光素子１２０の反対側に発光素子１２０に面して配置される。なお、システム１００は、（前方で面する脈管及び／又は組織の検出のための）反射率ベースのシステムを含んでよく、その結果、発光素子１２０及び光センサ１２２は、共通の方向に向かい、例えば２個のジョーの装置の単一のジョーの上などで、それらの間の間隔が固定されていてもよい（図３を参照）。あるいは、反射率ベースシステムの発光素子１２０及び光センサ１２２は、例えば、発光素子１２０を２個のジョーの装置の一方のジョーの端部又は先端部に配置し、光センサ１２２を２個のジョーの装置の他方のジョーの端部又は先端部に配置することによって、発光素子１２０と光センサ１２２との間隔を調節できるように構成されていてもよい（図４を参照）。そのような反射率ベースのシステムの動作に関して、２０１７年２月１０日に出願されたＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ１７／１７４３６号が、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

発光素子１２０は、少なくとも１つの波長を有する光を放出するように構成されていてもよい。例えば、発光素子１２０は、６６０ｎｍの波長を有する光を放出してもよい。これは、単一の素子、又は複数の素子（これらの素子は、以下で詳細に説明するように、例えば、整列して配置又は構成されてもよい）で達成できる。同様の態様において、光センサ１２２は、少なくとも１つの波長（例えば、６６０ｎｍ）の光を検出するように構成される。ここで説明する実施形態によれば、光センサ１２２は複数の素子を含み、これらの素子は整列して配置又は構成される。

特定の実施形態によれば、発光素子１２０は、少なくとも２つの異なる波長の光を放出するように構成でき、光センサ１２２は、少なくとも２つの異なる波長の光を検出するように構成できる。一例として、発光素子１２０は、可視領域の光を放出し、光センサ１２２は、近赤外領域又は赤外領域の光を検出するように構成できる。具体的には、発光素子１２０は光を放出し、光センサ１２２は６６０ｎｍ及び９１０ｎｍの光を検出することができる。このような実施形態は、例えば、生体内条件下で血管Ｖ及びその周囲の組織Ｔの最適な透過を確保するために使用できる。

血流の変化の影響によっては、第３の波長の光を放出及び検出してもよい。すなわち、検出方法が、関心のある血管内の血流速度の変化に影響を受けやすいことが分かった場合には、８１０ｎｍ（すなわち、等吸収点）の光を放出及び検出して、血流速度の変化の影響を制限又は排除するために結果を正規化することができる。追加の波長の光を使用してもよい。

いくつかの実施形態によれば、個別の光センサ１２２は、第１脈動性成分と第２非脈動性成分とを含む信号を生成するように構成される。第１脈動性成分は信号の交流（ＡＣ）成分とすることができ、第２非脈動性成分は直流（ＤＣ）成分とすることができることが分かるであろう。光センサ１２２がアレイの形態である場合には、脈動性情報及び非脈動性情報は、アレイの構成要素ごとに、又は少なくともアレイの少なくとも１つの縦列を画定するアレイの構成要素ごとに生成できる。

脈動性成分に関して、血管は、１分当たり約６０パルス（又は脈拍）の特徴的な脈動を有するものとして説明できることが分かるであろう。これは、患者の年齢及び状態によって変動する場合があるが、脈動の範囲は、典型的には、１分当たり約６０～約１００パルス（又は脈拍）である。光センサ１２２は、血管を通る血液の動きに対応する特定のＡＣ波形を有する信号（これはコントローラ１２４に渡される）を生成する。特に、ＡＣ波形は、血管内の脈動血流によって吸収又は反射される光に相当する。一方、ＤＣ成分は、主として、組織によって吸収され、反射され、及び／又は散乱された光に相当するため、血管は、センサアレイ内のセンサのそれぞれからのＤＣ信号で形成される曲線において「影」又は「くぼみ」として現れることがある。

このような実施形態によれば、コントローラ１２４は、光センサ１２２に結合され、かつ、光センサアレイ１２２の構成要素ごとに第１脈動性成分と第２非脈動性成分とを分離するためのスプリッタ１２６を備えることができる。また、コントローラ１２４は、脈動性成分に基づいて（少なくとも部分的に）外科用器具１０６の作業端部１０４に近接する領域１０２内における脈管Ｖの存在及び／又は特性を決定するためのアナライザ１２８を備えることができる。本明細書に記載の実施形態によれば、アナライザは、システム１００の光センサ１２０からのＤＣ信号における関心領域を最初に検出又は区別することによって、その決定を行うことができる。

関心領域の決定の詳細を議論する前に、システムのさらなる詳細は、例えば、図１及び図２の透過率ベースの実施形態を参照して議論され得る。発光素子１２０は、上記のように、１つ以上の素子を含むことができる。図２に模式的に示された実施形態によれば、光センサ１２２は、第１発光素子１２０－１、第２発光素子１２０－２、及び第３発光素子１２０－３を備えることができる。発光素子の全ては、特定の波長（例えば、６６０ｎｍ）で光を放出するように構成されていてもよく、又は特定の発光素子は、他の発光素子とは異なる波長で光を放出してもよい。各発光素子は、例えば、発光ダイオードとすることができる。

図２に示されるように、発光素子１２０が１つ以上の発光ダイオードを備えるアレイの形態である実施形態に関して、ダイオードは、１次元アレイ、２次元アレイ又は３次元アレイの形態で配置できる。一次元アレイの例は、単一平面内の線に沿ってダイオードを配置することを含み、二次元アレイの例は、単一平面内の複数の縦列及び横列にダイオードを配置することを含むことができる。二次元アレイのさらなる例は、ダイオードを曲面上又は曲面内の線に沿って配置することを含むことができる。三次元アレイのさらなる例は、曲面上又は曲面内の複数の平面、例えば、複数の縦列及び横列に配置されたダイオードを含むことができる。

また、光センサ１２２は、１つ以上の素子を備えることもできる。また、図２に示された実施形態によれば、光センサ１２２は、第１光センサ１２２－１、第２光センサ１２２－２、第ｎ光センサ１２２－ｎなどを備えることができる。発光素子１２０－１、１２０－２、１２０－３の場合と同様に、光センサ１２２－１、１２２－２、１２２－３、１２２－ｎはアレイ状に配置されていてもよく、上記アレイに関する説明がここでも同様に当てはまる。

実際には、光センサ１２２のアレイが光センサの横列（図２のような）を含む場合には、アレイ１２２を、代替的に線形アレイということができる。アレイ１２２の個々の光センサ１２２は、互いに隣接して配置でき、又は光センサは互いに間隔をあけて配置できる。光センサの横列を画定する個々の光センサが、異なるアレイの横列又は縦列を画定する光センサによって互いに分離されていてもよい。しかしながら、特定の実施形態によれば、アレイは、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）、特に、複数の画素を含むリニアＣＣＤ撮像デバイスを備えることができる。別の選択肢として、ＣＭＯＳセンサアレイを使用することができる。

システム１００は、発光素子１２０、センサ１２２、及びコントローラ１２４に加えて、ハードウェア及びソフトウェアを備えることができる。例えば、１つ以上の発光素子１２０を使用する場合には、個々の発光素子のスイッチングを制御するために、駆動コントローラを設けることができる。同様に、１つ以上のセンサ１２２を備える場合には、マルチプレクサを設けることができ、このマルチプレクサは、センサ１２２及び増幅器に結合できる。さらに、コントローラ１２４は、必要に応じてフィルタ及びアナログ－デジタル変換を含むことができる。

特定の実施形態によれば、スプリッタ１２６及びアナライザ１２８は、１つ以上の電気回路構成部品によって画定できる。他の実施形態によれば、１つ以上のプロセッサ（又は単にプロセッサ）は、スプリッタ１２６及びアナライザ１２８の動作を実行するようにプログラムできる。さらなる実施形態によれば、スプリッタ１２６及びアナライザ１２８は、部分的には電気回路部品によって画定され、部分的にはスプリッタ１２６及びアナライザ１２８の動作を実行するようにプログラムされたプロセッサによって画定されていてもよい。

例えば、スプリッタ１２６は、第１脈動性成分と第２非脈動性成分とを分離するようにプログラムされたプロセッサを備えていてもよく、又は当該プロセッサによって定義されていてもよい。さらに、アナライザ１２８は、第１脈動性成分に基づいて、外科用器具１０６の作業端部１０４に近接する領域１０２内における脈管Ｖの存在を決定する（又は、例えば、その大きさを定量化する）ようにプログラムされたプロセッサを備えていてもよく、又は当該プロセッサによって定義されていてもよい。プロセッサがプログラムされる命令は、プロセッサに関連付けられたメモリ上に格納されていてもよく、このメモリは、コンピュータ実行可能命令が格納されている１つ以上の有形非一時的コンピュータ可読メモリを備えることができ、このメモリは、プロセッサによって実行されると、１つ以上のプロセッサに１以上の動作を実行させることができる。

組織及び／又はアーチファクト（例えば、血管又は尿管などの脈管）の特性（その特性は、位置及び寸法（例えば、長さ、幅、直径）を含み得る）を決定するためのそのような透過率ベースのシステムの動作に関して、例として、限定としてではなく、米国公開公報第２０１５／００６６０００、２０１７／０１８１７０１、２０１８／００４２５２２及び２０１８／００９８７０５が、それぞれ参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。このようなシステムの動作に関連する問題に対処し得る関連する構造及び動作に関して、２０１６年１０月７日に出願されたＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ１６／５５９１０号、及び２０１７年８月２５日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ１７／４８６５１号が、それぞれ参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。

図５及び図６は、例えば、従来から低侵襲手術又は腹腔鏡手術中に使用できるような、ビデオシステム２００の実施形態と組み合わせた外科用システム１００の実施形態を例示する。ビデオシステム２００は、ビデオカメラまたは他の画像キャプチャ装置２０２、ビデオまたは他の関連するプロセッサ２０４、及び表示画面２０８を有するディスプレイ２０６を含む。

図示されるように、ビデオカメラ２０２は、２個の外科用器具１０６の作業端部１０４に近接する領域１０２に向けられている。図示されるように、外科用器具１０６の両方は、図２に図示されるとともに上記で論じられたような外科用システム１００の実施形態の一部である。この場合、器具１０６は、視覚的インジケータ１３０をそれぞれ含む。しかしながら、他の実施形態によれば、器具１０６のうちの１つのみが視覚的インジケータ１３０を含んでいてもよいことが認識されるであろう。なお、図示を容易にするために、外科用システム１００の他の構成要素は省略されているが、スプリッタ１２６及びアナライザ１２８などのシステム１００の構成要素は、ビデオプロセッサ２０４と同じ物理的ハウジング内に収容されていてもよい。

ビデオカメラ２０２からの信号は、ビデオプロセッサ２０４を介してディスプレイ２０６に渡され、これによって、外科医又は外科チームの他のメンバーは、典型的には患者の内部にある領域１０２並びに外科用器具１０６の作業端部１０４を見ることができる。視覚的インジケータ１３０が、作業端部１０４、従って領域１０２に近接しているため、視覚的インジケータ１３０は、表示画面１０８にも見える。前述のように、これは、領域１０２及び作業端部１０４と同じディスプレイ２０６及び同じ表示画面２０８を介して視覚インジケータ１３０を介して視覚的合図又は警報を外科医が受け取ることを有利に可能にする。これは、次に、視覚的インジケータ１３０を介して伝達される情報を外科医が他の場所で探す必要性を制限する。

図６は、外科用システム１００の一実施形態に関連して使用できるビデオシステム２００の別の実施形態を示す。この実施形態によれば、ビデオプロセッサ２０４は、ビデオカメラ２０２’とは別個のハウジング内に配置されるのではなく、ビデオカメラ２０２’と同じハウジング内に配置される。さらなる実施形態によれば、その代わりに、ビデオプロセッサ２０４は、表示画面２０８’としてのディスプレイ２０６’の残りの部分と同じハウジング内に配置できる。さもなくば、図５に示されたビデオシステム２００の実施形態に関連する上記の説明は、図６に示されたビデオシステム２００の実施形態にも同様に適用される。

ユーザインタフェース１３０は、外科医または外科チームがコントローラ１２４からの出力を見ることを有利に可能にする一方で、図１及び図２に示されるように、ユーザインタフェース１３０に他の出力デバイスを含めることが可能である。例えば、手術に使用されているビデオモニタ３００（例えば、図５及び図６のディスプレイ２０６、２０６’）にアラートを表示してもよいし、アラートによってモニタ上の画像の色を変更したり、点滅させたり、サイズを変更したり、そうでなければ外観を変更させたりすることができる。また、補助出力は、聴覚アラームを与えるスピーカ３０２の形であってもよいし、それを備えていてもよい。また、補助出力は、外科用器具１０６の使用を中断する、外科用器具１０６に関連付けられた安全ロックアウトの形であってもよく、又はそれを組み込んでいてもよい。例えば、ロックアウトは、外科用器具１０６が熱結紮装置である場合に、結紮又は焼灼を防止することができる。さらに追加の例として、補助出力は、バイブレータ３０４などの触覚フィードバックシステムの形であってもよく、これは、触覚指示又はアラームを与えるために外科用器具１０６のハンドル又はハンドピースに取り付けられていてもよいし、それと一体形成されていてもよい。外科用器具１０８の作業端部１０４に配置された発光素子に加えて、１つ以上の発光素子が、視覚的な表示またはアラームを提供するために、例えばグリップ又はハンドル１１２上に配置又は取り付けられるなど、シャフト１０８の近位端部１１０に配置されていてもよい。補助出力のこれらの特定の形態の様々な組み合わせを使用してもよい。

上記のように、外科用システム１００は、ユーザインタフェース１３０及びセンサ（及び好ましい実施形態では、発光素子１２０及び光センサ１２２）が（代替的に、取外可能／可逆的に、又は永続的／不可逆的に）取り付けられた、作業端部１０４を備えた外科用器具１０６も含んでいてよい。代わりに、ユーザインタフェース１３０及びセンサは、外科用器具１０６と一体的に（すなわち、一体として）形成されていてもよい。また述べたように、ユーザインタフェース１３０及びセンサは、外科用器具又はツール１０６と組み合わせて使用される別個の器具又はツールに取り付けられることが可能である。

上記のように、一実施形態では、外科用器具１０６は、熱結紮装置とすることができる。別の実施形態では、外科用器具１０６は、単に、対向するジョーを有する把持器又は把持鉗子であってもよい。さらなる追加の実施形態によれば、外科用器具は、例えば、灌注器、外科用ステープラ、クリップアプライヤ、ロボット外科用システムなどの他の外科用器具であってもよい。さらに他の実施形態によれば、外科用器具は、ユーザインタフェース及びセンサを保持し、これらを外科領域内に配置すること以外の他の機能を有していなくてもよい。単一の実施形態の図示は、システム１００を他の外科用器具又はツール１０６と併用することを排除するものではない。

上述の１つ以上のシステムの文脈において、光センサのアレイから受信したデータからのアーチファクトの特徴付け（例えば脈管の直径の決定）の予備として、関心領域の識別が重要であることが認識されるであろう。さらに、関心領域の識別は、関心領域の識別に影響を及ぼし得る環境要因と比較して比較的ロバストであることが有利である。また、関心のある領域の識別が、識別を行うための計算負担を最小限に抑えることが有利である。前者と併せて、計算負荷を最小化する識別システム及び方法はまた、リアルタイム又はほぼリアルタイムの実装におけるシステム及び方法の使用を容易にし得る。

上記のように、説明されたシステム１００は、発光素子１２０及び光センサ１２２を含み、光センサからの信号は、脈動（又はＡＣ）成分及び非脈動（またはＤＣ）成分を含み得る。本明細書に記載の関心領域を識別するためのシステム及び方法は、非脈動又はＤＣ成分を利用する。このＤＣデータは、本明細書に記載の少なくとも１つの実施形態によるアレイ（例えば線形アレイ等）に配置された複数の光センサからのＤＣデータを含むＤＣ曲線に関して説明することができる。

一般的に、図７に示される方法は、ＤＣ曲線において「くぼみ」が発生する関心領域（すなわち、プロファイルが減少した後に増加するＤＣ曲線に沿った領域）を決定するために使用され得る。特定の実施形態によれば、すべてのくぼみは、関心領域として識別され得る。他の実施形態によれば、次に、関心領域がさらに処理されて、関心領域のどれが、脈管、特に血管などの、特定のアーチファクトに関連する可能性が高い（又はより高い）かを決定することができる。例えば、血管に関連する可能性が高い（又はより高い）関心領域は、異質の又は高吸収性の組織に関連する関心領域から分離され得る。このようにして、この方法を使用して、センサアレイに沿った血管をリアルタイムで位置特定及び追跡することができる。

図７を参照して説明したように、関心領域を識別するための方法３００が説明され、これは、上記のシステム１００の実施形態で使用することができる。図７に示される方法３００の実施形態は、ブロック３０２を開始し、ここで、システム１００は、発光素子１２０を制御して、１つ又は複数の波長の光を放出する。方法３００は、ブロック３０４で続き、そこで、光センサ１２２は、光を受け取り、検出された光に従って信号を生成する。おそらく、光センサ１２２によって受け取られる光のかなりの部分は、発光素子１２０からのものであるが、周囲光（すなわち、他の光源からの光）もまた、光センサ１２２によって受け取られる光に寄与し得ることが認識されるであろう。さらに、上記の議論と一致して、光センサ１２２によって受け取られる光は、特に血管などの脈管を含む組織を通過した後に光が受け取られる場合、脈動成分及び非拍動性成分を含み得る。

ブロック３０６で、システム１００は、光センサ１２２から受信された信号を、脈動成分及び非脈動成分に分離する。例えば、スプリッタ１２６は、信号の異なる成分を分離するために使用され得る。さらに、方法３００は、非脈動（又はＤＣ）成分を利用するが、脈動（又はＡＣ）成分が、別個の方法で、又は方法３００の出力と組み合わせて、システム１００によって同様に利用され得ることが認識されるであろう。

方法３００の一実施形態によれば、システム１００は、ＤＣ曲線を平滑化する（この曲線は、アレイに沿った光センサ１２２のそれぞれに対応するＤＣ信号を含み得る）。この点に関して、平滑化はフィルタリングを含み得、そのフィルタリングは平均化も含み得る。ＤＣ曲線の平滑化は、他のセンサと比較して最もはっきりとしたＤＣ信号を有する信号を生成するセンサに焦点を合わせるのに役立つ。

ブロック３１０で、システム１００は、ブロック３０８で生成された平滑化されたＤＣ曲線（平滑化ＤＣ曲線）の導関数を決定する。特に、システム１００は、３点数値微分を使用して導関数を決定するが、代わりに他のｎ点数値微分を使用することもできる。システム１００は、数値微分を使用して導関数を決定し、方法３００によって引き起こされる計算負荷を軽減する。

ブロック３１２で、システム１００は、ブロック３０８で決定された平滑化信号を反転させる。ブロック３１４で、システム１００は、反転された平滑化されたＤＣ曲線（逆平滑化ＤＣ曲線）の導関数を決定する。ブロック３１０の場合のように、システムは、例えば３点数値微分を使用することによって導関数を決定することができる。繰り返しになるが、数値微分を使用すると、方法３００の計算負荷を軽減することができる。

ブロック３１６で、システム１００は、ブロック３１０で決定された導関数からブロック３１４で決定された導関数を差し引く。その次に、システム１００は、ブロック３１６でのこの減算の結果（結果曲線と呼ばれる）を平滑化して、ブロック３１８で平滑化された結果曲線（平滑化結果曲線）を生成する。その次に、システム１００は、方法３００の残りの部分で使用するためにブロック３２０で平滑化結果曲線を補間する。任意選択で、平滑化結果曲線は、方法３００の残りの部分で使用することができる。

ブロック３２２で、システム１００は、平滑化された（及び任意選択で補間された）結果曲線のゼロ交差を推定する。その次に、システム１００は、ブロック３２４で、結果曲線の推定ゼロ交差に隣接する点に符号関数を適用し、ブロック３２６で、隣接する点に符号関数を適用した結果が特定のパターンを示すかどうかを決定する。特に、システム１００は、ゼロ交差に隣接する点について、［１，－１，１］、［１，－１］、［－１，１］のパターンについて結果を分析することができる。このパターンは、オリジナルの信号曲線においてくぼみが発生したことを示唆している。その次に、システム１００は、ブロック３２８で、この領域を関心領域として識別する。

図７に反映されているように、システムは、ブロック３２８で複数の関心領域を識別し得る。すなわち、ゼロ交差の数及びそれらのゼロ交差に隣接する点に対して確立されたパターンに基づいて、システムは、関心領域がないか、１つの関心領域か、又は複数の関心領域かを識別し得る。複数の関心領域を識別する際に、ブロック３２８での決定は、繰り返されてもよいし、または複数回行われてもよい。

図７の方法３００にさらに反映されるように、ブロック３２８で複数の関心領域が決定される状況では、システム１００は、ブロック３３０で追加のアクションを実行して、ブロック３２８で決定された複数の領域から１つ以上の関心領域を選択することができる。例えば、いくつかの実施形態では、特定の関心領域は、脈管がその領域に関連付けられている可能性に基づいて、他の領域と比較して選択され得る。他の実施形態では、例えば、異なる組織を識別しようとする場合、関心領域のすべてが考慮され得る。その次に、システム１００は、例えば参照によりその全体が本明細書に組み込まれる参考文献に開示されている方法などに従って、これらの関心領域に関連する脈管のサイズ（例えば、直径又は有効直径）を決定するなど、ブロック３３２で１つ以上の関心領域についてさらなる分析を実行する。

複数の識別された関心領域から１つ以上の関心領域を選択するために実行され得るアクションの一例として、方法３５０が図８に示される。この方法は、複数の関心領域のうちのどの関心領域が、それに関連する脈管（例えば動脈又は静脈等の血管）を有する可能性が高いか低いかを決定するために使用され得る。一般的に、方法３５０は、最初に、どの関心領域が重複する可能性があるかを決定し、重複する関心領域を、単一の関心領域として扱うべきか、又は別個の関心領域として扱うべきかを解決する。重複の問題を解決した後、方法３５０は、その次に、残りの関心領域のそれぞれが脈管に関連する可能性が高いか低いかを決定しようとする。上記のように、方法３５０を実行した後、複数の領域が、さらなる処理の可能性がある関心領域として識別されることが可能である。

方法３５０は、関心領域のいずれかが重複するかどうかの決定が行われるブロック３５２で始まる。この決定は、関心領域の開始点が別の関心領域の開始点と終了点との間にあるかどうか、及び／又は終了点若しくは関心領域が別の関心領域の開始点と終了点との間にあるかどうかで、行うことができる。上記で説明したように、関心領域の開始点及び終了点は、符号関数の結果を比較することによって決定できる。重複する関心領域がある場合、方法３５０はブロック３５４に続き、重複する関心領域がない場合、方法３５０はブロック３６２に続く。

ブロック３５２で少なくとも２つの関心領域が重複していると決定されたとすると、ブロック３５４で関心領域の近さの分析が実行される。一般的には、関心領域が十分に近く、実際にはどの２つの脈管もそれほど接近していないと思われるような場合、システム１００は、それらの関心領域を単一の関心領域として扱うことができ、そうでない場合、それらの領域は個別の領域として扱われ得る。一実施形態によれば、近さの決定は、１）隣接する領域の終点間の近さの決定、２）或る領域の開始点とその前の領域の終了点との近さの決定、及び３）隣接する領域の開始点間の近さの決定を含み得る。すなわち、Ｄは、

である。各列の最初の要素が開始点であり、各列の２番目の要素が終了点である場合、上記の近さの決定（または要因）は、以下のように表すことができる。

ブロック３５４での分析の結果に基づいて、方法３５０は、３５６で領域を単一の領域として識別し、ブロック３５８で複数の領域（例えば、２つの領域）を単一の領域として識別するか、またはブロック３６０で領域を個別の領域として識別するかを決定してよい。

重複領域の問題を解決した後、方法３５０は、残りの領域のどれが、例えば脈管等のアーチファクトに関連する可能性が高いか低いかを決定し続ける。この決定は、これらの質問のいずれか又は両方（つまり可能性が高いか低いか）に答えることができるが、目的は、さらに処理するために、より可能性の高い関心領域を特定することである。図８の方法３５０は、この決定を行うための一実施形態を含むが、他の実施形態もまたこの決定を行うために可能である。

方法３５０によれば、ブロック３６２で複数のパラメータが分析されて、関心領域のそれぞれが脈管に関連する可能性が高い（又は可能性が低い）かどうかが決定される。パラメータのそれぞれは、例えばパラメータをそのパラメータに関連付けられた閾値と比較すること等によって、パラメータが満たされているかどうかを決定するために、ブロック３６４で分析され得る。各パラメータがそれぞれの閾値と比較された後、すべての比較の結果がブロック３６６で分析されて、例えばブロック３６４で実行された分析をさらなる基準と比較することによって、脈管が存在する可能性が高いかどうかが決定されてもよい。その次に、ブロック３６６で行われた決定は、例えば図７の方法３００の一部としてさらなる処理のために関心領域を識別する目的で、ブロック３６８で出力として提供される。ブロック３６２、３６４、３６６、３６８の動作は、識別された関心領域のすべてに対処するために必要に応じて繰り返され得ることが認識されるであろう。

図８の実施形態では、以下の５つのパラメータ、すなわち１）幅、２）関心領域の導関数の標準偏差、３）関心領域に関連付けられたセンサの個々の値の導関数の平均値／関心領域に関連付けられたセンサの個々の値の導関数の標準偏差、４）関心領域に関連付けられたセンサの個々の値の中からの最小値、及び５）関心領域に関連付けられたセンサの個々の値に対する標準偏差／個々の値の平均値が考慮される。他の実施形態によれば他のパラメータを考慮することができ、パラメータの総数は５より多いか又は少なくてもよい。これらのパラメータは、ブロック３６２で特定の順序で決定されてもよいし、又は同時に若しくはほぼ同時に決定されてもよい。方法３５０は、各パラメータを別々に決定し、ブロック３６４でのパラメータの分析に直ちに進んでもよいし、又はブロック３６２ですべてのパラメータを（順次又は同時／ほぼ同時に）決定してからブロック３６４に進んでもよい。

ブロック３６４で、ブロック３６２で決定されたパラメータが分析されて、血管が関心領域に関連付けられている可能性が高いか又は低いことをパラメータが示しているかどうかを決定される。例えば、幅パラメータは最小幅と比較することができる。最小幅は、予想される脈管又は関心のある脈管のサイズに関する実際の制限を表す。上記のように、閾値比較の使用は、関心領域に存在する脈管をパラメータが多かれ少なかれ示唆するかどうかを決定するために使用できる唯一の分析方法ではない。

ブロック３６６で、ブロック３６２で決定されたパラメータのそれぞれのブロック３６４での分析に基づいて、脈管が関心領域に関連付けられている可能性が高いか低いかが決定される。例えば、本実施形態によれば、脈管が存在する可能性が高いかどうかの決定は、すべてのパラメータを満たすことを必要とする。他の実施形態によれば、例えばパラメータの単純な大部分が関連する閾値を超えていれば十分な場合もある。さらに他の実施形態は、パラメータ比較の結果の加重平均を使用してもよい。いずれにせよ、ブロック３６６で決定がなされた後、ブロック３６８で結果が提供される。

システム１００が、図８に示されるような方法を使用する等して、評価する関心領域を決定した後、システム１００は、図７のブロック３３２でアーチファクトを特徴付けることができる。例えば、ブロック３３２で発生する特徴付けは、アーチファクトが脈管であるかどうか、脈管である場合には、脈管が特定のタイプの脈管（例えば動脈）であるかどうかを決定することを含んでいてよい。あるいは、ブロック３３２で発生する特徴付けは、異なるタイプの組織間であってもよい。さらなる代替案として、特徴付けは、アーチファクトの寸法を決定することを含んでいてよい：例えば、アーチファクトが脈管である場合、寸法は、直径（脈管が断面において円形であると見なされるかまたは想定される場合）又は有効直径（脈管が断面において円形以外であると見なされるか想定される場合、実際の直径の代わりに脈管全体の最大寸法が使用される場合がある）であり得る。

これに関して、組織及び／又はアーチファクト（例えば血管又は尿管のような脈管）の特性（特性は、位置及び寸法（例えば、長さ、幅、直径等）を含んでいてよい）を決定するためにブロック３３２でシステム１００によって実行される１つ又は複数のアクションは、例として、限定としてではなく、透過率ベースのシステムについて、米国公開公報第２０１５／００６６０００号、第２０１７／０１８１７０１号、第２０１８／００４２５２２号及び第２０１８／００９８７０５号に記載されたものを含んでいてよい。これらのそれぞれは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

結論として、先の記載は、本発明の異なる実施形態の詳細な説明を示すものであるが、本発明の法的範囲は、本願に添付された特許請求の範囲の文言によって定義されるものであると解すべきである。詳細な説明は、単なる例示であると解釈すべきであり、本発明の全ての可能な実施形態を説明するものではない。本発明の全ての可能な実施形態を説明することは不可能ではないにしても非現実的であるからである。現在の技術又は本願の出願日以降に開発された技術を使用して、多数の他の実施形態を実施することが可能であるが、これらは依然として本発明を規定する特許請求の範囲に含まれよう。

また、本発明において、ある用語が「ここで使用するときに、用語『』は～を意味するものとする」又は同様の文言を用いて明示的に定義されていない限り、その用語の意味を明示的又は暗示的に、その明瞭な意味又は通常の意味を超えて限定する意図はなく、このような用語は、本発明のいずれかの節でなされた任意の記載（特許請求の範囲の文言以外）に基づいて、その範囲が限定されるものと解釈すべきではないことも理解すべきである。読者を混乱させないように明確にするためだけに行われる、本願に添付した特許請求の範囲で言及されている用語を単一の意味と一致する態様で本発明において言及する範囲内では、このような請求項の用語を暗示その他の方法でその単一の意味に限定することを意図するものではない。最後に、クレーム要素を、用語「手段」と、いかなる構造も記載しない機能とを記載することによって定義しない限り、いかなるクレーム要素の範囲も、３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２（ｆ）の適用に基づいて解釈されることを意図するものではない。

Claims (8)

1. 外科用器具を含む外科用システムであって、
   前記外科用器具の作業端部に配置された少なくとも１つの発光素子と、
   前記外科用器具の作業端部に配置された光センサのアレイであって、前記光センサのアレイ内の個々の光センサが、非脈動成分を含む信号を生成するように適合されている、光センサのアレイと、
   前記光センサのアレイに結合されたコントローラと
   を備え、
   前記コントローラは、アナライザを備え、
   前記アナライザは、
   前記光センサのアレイ内の個々の前記光センサのそれぞれの信号の前記非脈動成分の曲線を決定し、
   前記曲線を平滑化して平滑化曲線を生成し、
   前記平滑化曲線の導関数を計算し、
   前記平滑化曲線を反転して逆平滑化曲線を生成し、
   前記逆平滑化曲線の導関数を計算し、
   前記逆平滑化曲線の前記導関数と前記平滑化曲線の前記導関数の差を取り、結果曲線を生成し、
   前記結果曲線を平滑化して平滑化結果曲線を生成し、
   前記平滑化結果曲線のゼロ交差を推定し、
   存在する場合、各ゼロ交差に隣接する点に符号関数を適用して結果を生成し、
   存在する場合、各ゼロ交差に隣接する点の前記結果に基づいて、存在する場合、関心領域を識別する
   ように構成されている、
   外科用システム。
2. 前記アナライザは、前記平滑化曲線の３点微分を計算して、前記平滑化曲線の前記導関数を計算するように構成されている、
   請求項１に記載の外科用システム。
3. 前記アナライザは、前記逆平滑化曲線の３点微分を計算して、前記逆平滑化曲線の前記導関数を計算するように構成されている、
   請求項１に記載の外科用システム。
4. 前記アナライザは、前記平滑化結果曲線のゼロ交差を推定する前に、前記平滑化結果曲線を補間するように構成されている、
   請求項１に記載の外科用システム。
5. 前記アナライザは、各ゼロ交差に隣接する点の前記結果に基づいて複数の関心領域を識別し、前記複数の関心領域から領域を識別し、前記領域に関連するアーチファクトを特徴付けるように構成されている、
   請求項１に記載の外科用システム。
6. 前記コントローラは、プロセッサ及びメモリを備え、
   前記アナライザは、前記光センサのアレイ内の個々の前記光センサのそれぞれの信号の前記非脈動成分の曲線を決定し、前記曲線を平滑化して平滑化曲線を生成し、前記平滑化曲線の導関数を計算し、前記平滑化曲線を反転して逆平滑化曲線を生成し、前記逆平滑化曲線の導関数を計算し、前記逆平滑化曲線の前記導関数と前記平滑化曲線の前記導関数の差を取り、結果曲線を生成し、前記結果曲線を平滑化して平滑化結果曲線を生成し、前記平滑化結果曲線のゼロ交差を推定し、存在する場合、各ゼロ交差に隣接する点に符号関数を適用して結果を生成し、存在する場合、各ゼロ交差に隣接する点の前記結果に基づいて、存在する場合、関心領域を識別する
   ようにプログラムされた前記プロセッサを備えている、
   請求項１に記載の外科用システム。
7. 前記アナライザは、前記識別された関心領域に基づいてアーチファクトを特徴付けるように構成されている、
   請求項１に記載の外科用システム。
8. 前記アナライザは、前記識別された関心領域に基づいて脈管の直径又は有効直径を決定するように構成されている、
   請求項７に記載の外科用システム。

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