JP2022543792A - 分光計を使用したレーザ制御 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、全体として参照により本明細書に組み込まれている、2019年8月5日出願の米国仮特許出願第62/882,837号、2019年8月30日出願の米国仮特許出願第62/893,959号、および2020年5月19日出願の米国仮特許出願第63/027,005号の優先権の利益を主張する。
図6および図7は、本開示に記載のいくつかの例によるレーザフィードバック制御システム100を使用して1つ以上のレーザシステムを制御するためのアルゴリズムの例を示す流れ図である。図6に示す制御アルゴリズム600によれば、ステップ602で、フィードバックアナライザ140(たとえば、分光センサ142または撮像センサ144)によって、第1の信号(たとえば、分光信号)を検出することができる。ステップ604で、レーザコントローラ160は、フィードバックアナライザ140から第1の信号を受け取ることができる。第1の信号は、第1の特性に対応することができる。ステップ606で、レーザコントローラ160は、第1の信号が第1の事前設定値に概ね等しいかどうかを判定することができる。たとえば、レーザコントローラ160は、第1の信号の振幅を標的値または事前設定された極値(たとえば、最大または最小の振幅)と比較し、標的組織122の第1の特性を判定することができる。第1の特性は、治療処置を受けた後の組織(たとえば、切除または炭化組織)の特性を示すことができる。レーザコントローラ160は、第1の特性(第1の信号と第1の事前設定値との間の比較)に基づいて、所望の治療効果が獲得されたと判定することができ、ステップ608で、第1の制御信号を第1のレーザシステム102へ送り、第1のレーザシステム102の第1の状態から第1のレーザシステム102の第2の状態へ変化させることができる。一例によれば、これにより、満足のいく治療効果(たとえば、切除)の送達の結果として、第1のレーザシステム102は第1の出力110を生成しなくなる。別法として、ステップ606で、第1の信号が第1の事前設定値に概ね等しくない(十分に切除されていない)と判定された場合、レーザコントローラは、いかなる制御信号も送らず、フィードバックアナライザは、第1の信号を引き続き監視することができる。
図9~図11は、標的組成物分析を完全に内視鏡内でどのように実行することができるかを実証する。標的組成物分析は、レーザファイバおよび場合によりデジタル内視鏡の遠位先端上のカメラによって、分光法を介して実行することができる。
本明細書に記載する特徴は、異なるタイプのレーザ源を組み込むのに有利となり得る様々な応用例のためのレーザシステムに関連して使用することができる。たとえば、本明細書に記載する特徴は、医療診断、治療、および手術処置などの産業用または医療用の設定において好適となり得る。
分光システム1720は、それだけに限定されるものではないが、結石、軟組織または硬組織、骨、もしくは歯、または産業用の標的などの標的へ、光源から制御光信号を送り、標的から反射されたスペクトル応答データを収集することができる。この応答は、別個のファイバ、レーザファイバ、または内視鏡システムを通って、分光計へ送達することができる。分光計は、デジタルスペクトルデータをシステムフィードバックアナライザ1730へ送ることができる。UVからIRの光範囲をカバーする分光システムのための光源の例は、表2を参照して上述したものを含むことができる。図20は、一例のフィードバックアナライザ1730を有する分光システム1720の概略図を示す。
フィードバックアナライザ1730は、レーザシステム動作パラメータを提案または直接調整するための分光計からの分光応答データを含めて、様々なソースからの入力を受け取ることができる。一例では、フィードバックアナライザ1730は、標的組成物データの利用可能なデータベースライブラリと分光応答データを比較することができる。分光システムフィードバックに基づいて、信号アナライザは、標的材料組成物を検出し、識別された組織組成物のための効果的な組織治療を実現するために、少なくとも1つのレーザモジュールに対する動作パラメータなどのレーザ動作モード(レーザセットアップとも呼ぶ)を提案する。動作パラメータの例は、少なくとも1つのレーザ波長、パルスまたは連続波(CW)放出モード、ピークパルスパワー、パルスエネルギー、パルスレート、パルス形状、および少なくとも1つのレーザモジュールからの同時または連続のパルス放出を含むことができる。明示しないが、連続パルスは、選択されたパルスエネルギーを送達するように協働するパルスのバーストを含む。本明細書に記載するパルスは、全体として、レーザモジュールからのレーザ放出の開始と停止との間の時間を指す。選択された平均レーザパワーが維持される限り、各パルス中のレーザエネルギーの強度は変動し、増大もしくは減少する傾斜もしくは正弦波のプロファイルの形状、または任意の他の形状を、単独でまたはパルスシーケンスと組み合わせて有することがある。たとえば、1つのパルスのみが存在する場合、1Jのパルスエネルギーによる2Wの平均パワー設定が、2Hzの周波数で生じる。しかし、エネルギーは、2Hzのレートで生じる2つの0.5Jのパルスとして、間断なく送達することもできる。それらのパルスの各々は、類似したまたは異なるパルス形状を有することができる。フィードバックアナライザ1730は、アルゴリズムおよび入力データを利用して、上記の例に記載のものなどのレーザ動作パラメータを直接調整または提案する。
基準値=dI/dx*1/I (1)
比較値=Δ(I2-I1)/Δ(x2-x1)*1/I1 (2)
比較値=Δ(I3-I2)/Δ(x3-x2)*1/I2 (3)
勾配(正規化)=[Δ(I2-I1)/Δ(d2-d1)]/Io (4)
上式で、Io=AVERAGE(I1,I2)である。
レーザコントローラ1740は、レーザ結合システムと一体化することができる。レーザ結合システムは、1つ以上のレーザモジュール(たとえば、固体状態レーザモジュール)を1本のファイバに結合する。レーザコントローラ1740は、フィードバックアナライザ1730に結合することができ、フィードバックアナライザ1730は、最適化された信号を、提案された設定とともに、レーザコントローラ1740へ直接送ることができ(自動モード)、またはレーザ設定を調整するための操作者承認を要求することができる(半自動モード)。図17は、完全に自動化されたレーザシステムの概略図である。図18は、半自動化されたレーザシステムの概略図であり、システムは、入力1850およびディスプレイ1860を含むユーザインターフェースなどを介して、ユーザ承認を必要とする。一例では、レーザ設定は、設定範囲内で調整することができ、設定範囲は、一例では、処置の開始時にユーザによって事前に決定することができる。
いくつかの例では、レーザシステムは、任意選択のIoTシステム1750を含むことができ、IoTシステム1750は、スペクトルデータベースライブラリをクラウド1752に記憶することに対応し、スペクトルおよび最適セットアップデータベースライブラリへの迅速なアクセスに対応し、クラウド1752とフィードバックアナライザ1730との間の通信を可能にする。データのクラウド記憶は、フィードバックアナライザ1730への入力を提供する人工知能(AI)技法の使用に対応し、アルゴリズムおよびデータベース改善への瞬時アクセスに対応する。
図21A~図21Dは、図10Aに示すように、一体化されたマルチファイバアクセサリを有する内視鏡2110と、フィードバック制御式のレーザ治療システム1010およびレーザ源1020を備える手術用レーザシステムとを備える内視鏡レーザシステム2100Aおよび2100Bの例を示す。別法として、CCDまたはCMOSセンサなどの検出器を含む撮像システムによって、分光応答を分光計へ収集および送達することができる。分光法を介して、マルチファイバアクセサリのコアのうちの1つ以上を通して標的組成物分析を実行しながら、マルチファイバアクセサリの他のコアのうちの1つ以上を通して伝送される光源によって標的を照射することができる。
本明細書の様々な例に従って記載するレーザシステムは、切除、凝固、蒸発、または他のレーザ作用の有効性を改善するために、内視鏡の硬組織または軟組織手術などの多くの応用例で使用することができる。
上記の詳細な説明は、詳細な説明の一部を形成する添付の図面への参照を含む。図面は、例示を目的として、本発明を実施することができる特有の実施形態を示す。本明細書では、これらの実施形態を「例」とも呼ぶ。そのような例は、図示または記載の要素以外の要素を含むことができる。しかし、本発明者らは、図示または記載の要素のみが提供される例も企図する。さらに、本発明者らは、特定の例(またはその1つ以上の態様)に対して、または本明細書に図示もしくは記載の他の例(またはその1つ以上の態様)に対して、図示または記載の要素の任意の組合せまたは並べ替えを使用する例(またはその1つ以上の態様)も企図する。
Claims (26)
- 手術用フィードバック制御システムであって、
標的に向けた電磁放射に応答して標的から反射信号を受信するように構成されたフィードバックアナライザと、
前記フィードバックアナライザと動作可能に通信するコントローラとを備え、前記コントローラが、前記受信した反射信号に基づいて所定の動作を実行するように、手術用システムへの制御信号を生成するように構成されることを特徴とする手術用フィードバック制御システム。 - 請求項1に記載の手術用フィードバック制御システムであって、
前記フィードバックアナライザが、前記受信した反射信号に基づいて分光データを収集するように構成された分光計を含み、または前記分光計に結合され、
前記コントローラが、前記分光データに基づいて前記所定の動作を実行するように、前記手術用システムへの前記制御信号を生成するように構成されることを特徴とする手術用フィードバック制御システム。 - 請求項1または2に記載の手術用フィードバック制御システムであって、放射源に結合された光ファイバを備え、前記光ファイバが、前記放射源によって生成された前記電磁放射を伝送するように構成されることを特徴とする手術用フィードバック制御システム。
- 請求項1~3のいずれか1項に記載の手術用フィードバック制御システムであって、前記フィードバックアナライザに結合された光ファイバを備え、前記光ファイバが、前記反射信号を前記フィードバックアナライザへ伝送するように構成されることを特徴とする手術用フィードバック制御システム。
- 請求項1~4のいずれか1項に記載の手術用フィードバック制御システムであって、前記フィードバックアナライザのための前記反射信号の画像を生成するように構成されたカメラを備えることを特徴とする手術用フィードバック制御システム。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の手術用フィードバック制御システムであって、前記コントローラが、前記受信した反射信号に基づいて前記標的の組成物を判定するように構成されることを特徴とする手術用フィードバック制御システム。
- 請求項6に記載の手術用フィードバック制御システムであって、前記標的が結石標的を含み、前記コントローラが、前記受信した反射信号に基づいて、
前記結石標的の第1の部分の第1の組成物を判定し、
前記結石標的の異なる第2の部分の第2の組成物を判定するように構成され、前記第2の組成物が、前記第1の組成物とは異なることを特徴とする手術用フィードバック制御システム。 - 請求項7に記載のシステムであって、前記手術用システムが手術用レーザシステムであり、前記コントローラが、
前記結石標的の前記第1の部分を標的とするように、第1のレーザ設定をプログラムし、または前記第1のレーザ設定をプログラムするようにユーザに提案し、
前記結石標的の前記第2の部分を標的とするように、第2のレーザ設定をプログラムし、または前記第2のレーザ設定をプログラムするように前記ユーザに提案するように、前記手術用レーザシステムへの制御信号を生成するように構成され、前記第2のレーザ設定が、前記第1のレーザ設定とは異なることを特徴とするシステム。 - 請求項6~8のいずれか1項に記載のシステムであって、前記コントローラが、
クラウドコンピューティングデバイスと通信して、機械学習ベースの標的認識エンジンを含む前記クラウドコンピューティングデバイス内のクラウドサービスにアクセスし、
前記クラウドサービスを使用して前記標的の前記組成物を判定するようにさらに構成されることを特徴とするシステム。 - 請求項1~9のいずれか1項に記載のシステムであって、前記手術用システムが手術用レーザシステムであり、前記コントローラが、前記受信した反射信号に基づいて、レーザ設定を調整し、またはレーザ設定を調整するようにユーザに提案するように、前記手術用レーザシステムへの制御信号を生成するように構成されることを特徴とするシステム。
- 請求項1~10のいずれか1項に記載のシステムであって、前記電磁放射が、10nm~400nmの1つ以上の波長を含むことを特徴とするシステム。
- 請求項1~10のいずれか1項に記載のシステムであって、前記電磁放射が、200nm~1100nmの1つ以上の波長を含むことを特徴とするシステム。
- 手術用システムのフィードバック制御の方法であって、
電磁放射を標的に向けることと、
前記標的への前記電磁放射に応答して前記標的から反射信号を受信することと、
前記受信した反射信号に基づいて所定の動作を実行するように、前記手術用システムへの制御信号を生成することとを含むことを特徴とする方法。 - 請求項13に記載の方法であって、
前記受信した反射信号に基づいて、分光計を使用して分光データを収集することと、
前記分光データに基づいて前記所定の動作を実行するように、前記手術用システムへの前記制御信号を生成することとを含むことを特徴とする方法。 - 請求項13または14に記載の方法であって、前記所定の動作が、前記標的の組成物を判定することを含むことを特徴とする方法。
- 請求項15に記載の方法であって、前記標的が結石標的を含み、前記標的の前記組成物を判定することが、
結石標的の第1の部分の第1の組成物を判定することと、
前記結石標的の異なる第2の部分の第2の組成物を判定することとを含み、前記第2の組成物が、前記第1の組成物とは異なることを特徴とする方法。 - 請求項16に記載の方法であって、前記所定の動作が、
前記結石標的の前記第1の部分を標的とするように、第1のレーザ設定をプログラムし、または前記第1のレーザ設定をプログラムするようにユーザに提案することと、
前記結石標的の前記第2の部分を標的とするように、第2のレーザ設定をプログラムし、または前記第2のレーザ設定をプログラムするように前記ユーザに提案することとをさらに含み、前記第2のレーザ設定が、前記第1のレーザ設定とは異なることを特徴とする方法。 - 請求項13~17のいずれか1項に記載の方法であって、
クラウドコンピューティングデバイスとの通信を確立し、機械学習ベースの標的認識エンジンを含む前記クラウドコンピューティングデバイス内のクラウドサービスにアクセスすることと、
前記クラウドサービスを使用して前記標的の組成物を判定することとをさらに含むことを特徴とする方法。 - 請求項13~18のいずれか1項に記載の方法であって、前記所定の動作が、前記受信した反射信号に基づいて、レーザ設定を調整し、またはレーザ設定を調整するようにユーザに提案することを含むことを特徴とする方法。
- 機械によって可読であり、動作を実行するために前記機械によって実行可能な命令のプログラムを有形に実施する非一時的プログラム記憶デバイスであって、前記動作が、
電磁放射を標的に向けることと、
前記標的への前記電磁放射に応答して前記標的から反射信号を受信することと、
前記受信した反射信号に基づいて所定の動作を実行するように、手術用システムへの制御信号を生成することとを含むことを特徴とする非一時的プログラム記憶デバイス。 - 請求項20に記載の非一時的プログラム記憶デバイスであって、前記動作が、
前記受信した反射信号に基づいて、分光計を使用して分光データを収集することと、
前記分光データに基づいて前記所定の動作を実行するように、前記手術用システムへの前記制御信号を生成することとを含むことを特徴とする非一時的プログラム記憶デバイス。 - 請求項20または21に記載の非一時的プログラム記憶デバイスであって、前記制御信号が、前記手術用システムに、前記標的の組成物を判定することを含む前記所定の動作を実行させることを特徴とする非一時的プログラム記憶デバイス。
- 請求項22に記載の非一時的プログラム記憶デバイスであって、前記制御信号が、前記手術用システムに、
結石標的の第1の部分の第1の組成物を判定することと、
前記結石標的の異なる第2の部分の第2の組成物を判定することとを含む前記所定の動作を実行させ、前記第2の組成物が、前記第1の組成物とは異なることを特徴とする非一時的プログラム記憶デバイス。 - 請求項23に記載の非一時的プログラム記憶デバイスであって、前記制御信号が、前記手術用システムに、
前記結石標的の前記第1の部分を標的とするように、第1のレーザ設定をプログラムし、または前記第1のレーザ設定をプログラムするようにユーザに提案することと、
前記結石標的の前記第2の部分を標的とするように、第2のレーザ設定をプログラムし、または前記第2のレーザ設定をプログラムするように前記ユーザに提案することとを含む前記所定の動作を実行させ、前記第2のレーザ設定が、前記第1のレーザ設定とは異なることを特徴とする非一時的プログラム記憶デバイス。 - 請求項20~24のいずれか1項に記載の非一時的プログラム記憶デバイスであって、前記動作が、
クラウドコンピューティングデバイスとの通信を確立し、機械学習ベースの標的認識エンジンを含む前記クラウドコンピューティングデバイス内のクラウドサービスにアクセスすることと、
前記クラウドサービスを使用して前記標的の前記組成物を判定することとをさらに含むことを特徴とする非一時的プログラム記憶デバイス。 - 請求項20~25のいずれか1項に記載の非一時的プログラム記憶デバイスであって、前記制御信号が、前記手術用システムに、前記受信した反射信号に基づいて、レーザ設定を調整し、またはレーザ設定を調整するようにユーザに提案することを含む前記所定の動作を実行させることを特徴とする非一時的プログラム記憶デバイス。
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