JP2023536415A - 音響フィードバックを使用するレーザ治療 - Google Patents

音響フィードバックを使用するレーザ治療 Download PDF

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Abstract

標的へのレーザエネルギーの送達に応答する音響フィードバックに基づく被験者の体内の標的構造のレーザ治療の自動制御のためのシステム、デバイス、および方法が開示される。例示的なレーザエネルギー送達システムは、体の標的にレーザエネルギーを向けるレーザシステムと、標的へのレーザエネルギーの送達に応答して音響信号を受信するコントローラ回路とを備える。制御回路は、所望の治療効果を達成するために、レーザエネルギー出力を調整するようにレーザシステムを制御するための制御信号、または標的に対するレーザファイバ遠位端の位置を調整するようにアクチュエータを制御するための制御信号を生成し得る。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その内容が参照により本明細書にその全体において組み込まれる、2020年7月21日に出願した米国仮特許出願第63/054,334号の優先権の利益を主張するものである。
本文書は、一般に、レーザ外科手術システムに関し、より詳細には、音響フィードバックを使用して外科手術用レーザを標的に制御可能に適用するためのレーザ内視鏡システムに関する。
内視鏡は、典型的には、医師が視覚的アクセスを提供されるように、患者の内部位置へのアクセスを提供するために使用される。いくつかの内視鏡は、患者の体から不要な組織または異物を除去する低侵襲性外科手術において使用される。例えば、腎臓系を検査し、直接的な視覚的制御下で様々な処置を実行するために、臨床医によって腎盂尿管鏡が使用される。経皮的腎砕石術(PCNL)処置において、腎盂尿管鏡が患者の脇腹を介して腎盂に配置される。例えば、泌尿器系、胆嚢、鼻腔、消化管、胃、または扁桃腺を含む体の様々な領域から結石または塊が可視化され、摘出され得る。
軟組織または硬組織などの様々な標的治療領域に外科手術用レーザエネルギーを送達するために、レーザまたはプラズマシステムが使用されてきた。レーザ治療の例は、アブレーション、凝固、気化、破砕などを含む。砕石術の用途において、他の結石形成領域の中でも、腎臓、胆嚢、尿管などにおける結石構造を破壊するため、または大きい結石をより小さい破片にアブレートするために、レーザが使用されてきた。内視鏡レーザ治療において、レーザが標的治療構造のみに適用され、非治療組織が意図しないレーザ照射を免れ得るように、生体内の標的治療構造(例えば、結石または癌組織)を認識することが望ましい。
本文書は、標的へのレーザエネルギーの送達に応答する音響フィードバックに基づくレーザ治療の自動制御のためのシステム、デバイス、および方法について説明する。例示的な内視鏡レーザエネルギー送達システムは、被験者の体内の標的にレーザエネルギーを向けるレーザシステムと、標的へのレーザエネルギーの送達に応答して音響信号を受信し、受信した音響信号から1つまたは複数の音響特性を測定し、1つまたは複数の音響特性に基づいて、レーザ照射パラメータ設定を調整することなどによって、標的に送達するためのレーザエネルギーを生成するようにレーザシステムを制御するための第1の制御信号を生成する音響フィードバックコントローラ回路とを備える。制御回路は、所望の治療効果を達成するために、標的に対するレーザファイバ遠位端の位置を調整するアクチュエータへの第2の制御信号を生成し得る。
例1は、被験者の体内の標的にレーザエネルギーを向けるように構成されたレーザシステムと、標的へのレーザエネルギーの送達に応答して音響信号を受信し、受信した音響信号から1つまたは複数の音響特性を測定し、1つまたは複数の音響特性に基づいて、標的に送達するためのレーザエネルギーを生成するようにレーザシステムを制御するための第1の制御信号を生成するように構成された音響フィードバックコントローラ回路とを備える内視鏡レーザエネルギー送達システムである。
例2において、例1の主題は、1つまたは複数の音響特性に基づいてレーザ照射パラメータ設定を調整するためにレーザシステムへの第1の制御信号を生成するように構成され得る音響フィードバックコントローラ回路と、調整されたレーザ照射パラメータ設定に従ってレーザエネルギーを生成するように構成され得るレーザシステムとをオプションで含む。
例3において、例1～2のうちの任意の1つまたは複数の主題は、音響信号を感知するように構成された音響センサをオプションで含み、音響センサは、音響フィードバックコントローラ回路に通信可能に結合される。
例4において、例3の主題は、内視鏡の遠位部分に取り付けられるように構成され得る音響センサをオプションで含む。
例5において、例3～4のうちの任意の1つまたは複数の主題は、圧電センサを含むことができる音響センサをオプションで含む。
例6において、例3～5のうちの任意の1つまたは複数の主題は、マイクロフォンを含むことができる音響センサをオプションで含む。
例7において、例1～6のうちの任意の1つまたは複数の主題は、音響信号強度を含むことができる1つまたは複数の音響特性をオプションで含む。
例8において、例1～7のうちの任意の1つまたは複数の主題は、音響信号形状特性を含むことができる1つまたは複数の音響特性をオプションで含む。
例9において、例1～8のうちの任意の1つまたは複数の主題は、受信した音響信号の周波数またはスペクトル成分を含むことができる1つまたは複数の音響特性をオプションで含む。
例10において、例1～9のうちの任意の1つまたは複数の主題は、測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、標的を複数の構造タイプのうちの1つとして識別するように構成され得る音響フィードバックコントローラ回路をオプションで含む。
例11において、例10の主題は、測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、標的を結石構造または解剖学的構造のうちの1つとして識別するように構成され得る音響フィードバックコントローラ回路をオプションで含む。
例12において、例11の主題は、測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、標的をそれぞれ別個の組成を有する複数の結石タイプのうちの1つとして分類し、標的の分類に基づいてレーザ照射パラメータ設定を調整し、調整されたレーザ照射パラメータ設定に従って、分類された結石タイプの標的にレーザエネルギーを送達するようにレーザシステムへの第1の制御信号を生成するように構成され得る音響フィードバックコントローラ回路をオプションで含む。
例13において、例11～12のうちの任意の1つまたは複数の主題は、測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、標的を複数の組織タイプのうちの1つとして分類し、分類された組織タイプに従って、レーザエネルギーを送達するかまたはレーザエネルギーの送達を保留するようにレーザシステムへの第1の制御信号を生成するように構成され得る音響フィードバックコントローラ回路をオプションで含む。
例14において、例13の主題は、標的を治療領域または非治療領域として分類し、レーザエネルギーを治療領域に送達し、非治療領域へのレーザエネルギーの送達を保留するようにレーザシステムへの第1の制御信号を生成するように構成され得る音響フィードバックコントローラ回路をオプションで含む。
例15において、例13～14のうちの任意の1つまたは複数の主題は、標的を正常組織または癌組織として分類し、分類された癌組織の標的にレーザエネルギーを送達し、標的が正常組織として分類された場合、レーザエネルギーの送達を保留するようにレーザシステムへの第1の制御信号を生成するように構成され得る音響フィードバックコントローラ回路をオプションで含む。
例16において、例1～15のうちの任意の1つまたは複数の主題は、内視鏡の長手方向通路を介して被験者に挿入されるように構成された遠位部分を有する光学経路をオプションで含む。
例17において、例16の主題は、レーザシステムに結合され、レーザエネルギーを標的に送信するように構成されたレーザファイバを含むことができる光学経路をオプションで含む。
例18において、例17の主題は、音響信号を音響フィードバックコントローラ回路に送信するように構成され得る光学経路をオプションで含む。
例19において、例16～18のうちの任意の1つまたは複数の主題は、1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性に基づいて音響フィードバックコントローラ回路によって生成された第2の制御信号に従って内視鏡の長手方向通路に対する光学経路の長手方向の並進を作動させるように構成されたアクチュエータをオプションで含み、長手方向の並進は、標的に対する光学経路の遠位端の位置における変化を引き起こす。
例20において、例19の主題は、受信した音響信号を使用して、光学経路の遠位端と標的との間の距離を計算し、光学経路の遠位端と標的との間の計算された距離に基づいて、光学経路の長手方向の並進を作動させるための第2の制御信号を生成するように構成され得る音響フィードバックコントローラ回路をオプションで含む。
例21において、例19～20のうちの任意の1つまたは複数の主題は、標的へのレーザエネルギーの送達に応答して、標的の画像から標的上のレーザスポットサイズを測定し、標的上の所望のレーザスポットサイズを達成するために、光学経路の長手方向の並進を作動させるための第2の制御信号を生成するように構成され得る音響フィードバックコントローラ回路をオプションで含む。
例22は、被験者の体内の標的にレーザエネルギーを送達するためにレーザシステムを制御するための方法である。方法は、レーザシステムによって生成されたレーザエネルギーを、光学経路を介して標的に向けるステップと、レーザを標的に送達することに応答して、音響センサを介して音響信号を受信するステップと、音響フィードバックコントローラ回路を介して、受信した音響信号から1つまたは複数の音響特性を測定するステップと、音響フィードバックコントローラ回路を介して、1つまたは複数の音響特性に基づいて、標的に送達するためのレーザエネルギーを生成するようにレーザシステムを制御するための第1の制御信号を生成するステップとを含む。
例23において、例22の主題は、1つまたは複数の音響特性に基づいてレーザ照射パラメータ設定を調整するために第1の制御信号を生成するステップと、調整されたレーザ照射パラメータ設定に従ってレーザエネルギーを生成するステップとをオプションで含む。
例24において、例22～23のうちの任意の1つまたは複数の主題は、受信した音響信号の音響信号強度、音響信号形状特性、または周波数もしくはスペクトル成分のうちの1つまたは複数を含むことができる1つまたは複数の音響特性をオプションで含む。
例25において、例22～24のうちの任意の1つまたは複数の主題は、測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、標的を複数の構造タイプのうちの1つとして識別するステップをオプションで含み、複数の構造タイプは、結石構造または解剖学的構造のうちの1つを含む。
例26において、例25の主題は、測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、標的を、それぞれ別個の組成を有する複数の結石タイプのうちの1つとして分類するステップと、標的の分類に基づいて、レーザシステムのためのレーザ照射パラメータ設定を調整するステップと、調整されたレーザパラメータ設定に従って、レーザエネルギーを標的に送達するようにレーザシステムへの第1の制御信号を生成するステップとをオプションで含む。
例27において、例25～26のうちの任意の1つまたは複数の主題は、測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、標的を複数の組織タイプのうちの1つとして分類するステップと、分類された組織タイプに従って、レーザエネルギーを送達するかまたはレーザエネルギーの送達を保留するようにレーザシステムへの第1の制御信号を生成するステップとをオプションで含む。
例28において、例22～27のうちの任意の1つまたは複数の主題は、アクチュエータを介して、1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性に基づいて、標的に対する光学経路の遠位端の位置を調整するステップをオプションで含む。
例29において、例28の主題は、音響フィードバックコントローラ回路を介して、内視鏡の長手方向通路に対する光学経路の長手方向の並進を作動させるようにアクチュエータへの第2の制御信号を生成するステップを含むことができる、遠位端位置を調整するステップをオプションで含む。
例30において、例28～29のうちの任意の1つまたは複数の主題は、標的へのレーザエネルギーの送達に応答して、標的の画像から標的上のレーザスポットサイズを測定するステップと、アクチュエータを介して、標的上の所望のレーザスポットサイズを達成するために、光学経路の遠位端の位置を調整するステップとをオプションで含む。
例31は、マシンの1つまたは複数のプロセッサによって実行されると、レーザシステムによって生成されたレーザエネルギーを、光学経路を介して標的に向ける動作と、レーザを標的に送達することに応答して、音響センサを介して音響信号を受信する動作と、音響フィードバックコントローラ回路を介して、受信した音響信号から1つまたは複数の音響特性を測定する動作と、音響フィードバックコントローラ回路を介して、1つまたは複数の音響特性に基づいて、標的に送達するためのレーザエネルギーを生成するようにレーザシステムを制御するための第1の制御信号を生成する動作とを含む動作をマシンに実行させる命令を含む少なくとも1つの非一時的マシン可読記憶媒体である。
例32において、例31の主題は、1つまたは複数の音響特性に基づいてレーザ照射パラメータ設定を調整するために第1の制御信号を生成する動作と、調整されたレーザ照射パラメータ設定に従ってレーザエネルギーを生成する動作とをさらに含む動作をマシンに実行させる命令をオプションで含む。
例33において、例31～32のうちの任意の1つまたは複数の主題は、受信した音響信号の音響信号強度、音響信号形状特性、または周波数もしくはスペクトル成分のうちの1つまたは複数を含む1つまたは複数の音響特性を測定する動作をマシンに実行させる命令をオプションで含む。
例34において、例31～33のうちの任意の1つまたは複数の主題は、測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、標的を複数の構造タイプのうちの1つとして識別する動作をマシンに実行させる命令をオプションで含み、複数の構造タイプは、結石構造または解剖学的構造のうちの1つを含む。
例35において、例34の主題は、測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、標的を、それぞれ別個の組成を有する複数の結石タイプのうちの1つとして分類する動作と、標的の分類に基づいて、レーザシステムのためのレーザ照射パラメータ設定を調整する動作と、調整されたレーザパラメータ設定に従って、レーザエネルギーを標的に送達するようにレーザシステムへの第1の制御信号を生成する動作とをマシンに実行させる命令をオプションで含む。
例36において、例34～35のうちの任意の1つまたは複数の主題は、測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、標的を複数の組織タイプのうちの1つとして分類する動作と、分類された組織タイプに従って、レーザエネルギーを送達するかまたはレーザエネルギーの送達を保留するようにレーザシステムへの第1の制御信号を生成する動作とを含む動作をマシンに実行させる命令をオプションで含む。
例37において、例31～36のうちの任意の1つまたは複数の主題は、アクチュエータを介して、1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性に基づいて、標的に対する光学経路の遠位端の位置を調整する動作をマシンに実行させる命令をオプションで含む。
例38において、例37の主題は、音響フィードバックコントローラ回路を介して、内視鏡の長手方向通路に対する光学経路の長手方向の並進を作動させるようにアクチュエータへの第2の制御信号を生成する動作を含む、遠位端位置を調整する動作をオプションで含む。
例39において、例37～38のうちの任意の1つまたは複数の主題は、標的へのレーザエネルギーの送達に応答して、標的の画像から標的上のレーザスポットサイズを測定する動作と、アクチュエータを介して、標的上の所望のレーザスポットサイズを達成するために、光学経路の遠位端の位置を調整する動作とを含む動作をマシンに実行させる命令をオプションで含む。
この要約は、本出願の教示のうちのいくつかの概要であり、本主題の排他的または網羅的な扱いであることを意図していない。本主題に関するさらなる詳細は、詳細な説明および添付の特許請求の範囲に見出される。本開示の他の態様は、以下の詳細な説明を読み、理解し、その各々が限定的な意味でとられるべきではない詳細な説明の一部を形成する図面を見れば、当業者には明らかになるであろう。本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲と、その法的均等物によって定義される。
様々な実施形態が、添付の図面の図において例として示されている。そのような実施形態は、例示的であり、本主題の網羅的または排他的な実施形態を意図していない。
解剖学的構造または結石構造などの体内の標的構造にレーザ治療を提供するように構成されたレーザエネルギー送達システムの例を示すブロック図である。 レーザフィードバック制御システムと、前記システムが使用され得る環境の一部とを示すブロック図である。 レーザエネルギーの送達に応答して生成された音響信号および音響信号から抽出された音響特性の例を示す図である。 レーザエネルギーの送達に応答して生成された音響信号および音響信号から抽出された音響特性の例を示す図である。 音響フィードバック信号を使用して内視鏡の遠位端に対する光学経路の位置を制御および調整することができる内視鏡レーザ砕石システムの例を示す図である。 標的構造から反射されたフィードバック信号を使用して、分光反射信号強度と、ファイバの遠位端と標的構造との間の距離との間の関係を表す較正曲線の例を示す図である。 被験者の体内の標的構造にレーザビームを送達するためにレーザシステムを制御するための方法を示すフローチャートである。 本明細書で論じる技法(例えば、方法論)のうちの任意の1つまたは複数が実行され得る例示的なマシンを示すブロック図である。
レーザ内視鏡検査は、特定の診断または治療効果を達成するために、内蔵を観察および手術し、外科用レーザを標的身体領域に送達する医療処置である。レーザ内視鏡検査は、軟組織および硬組織の治療(例えば、癌細胞を損傷または破壊する)ため、または砕石術用途において使用されてきた。例えば、PCNLにおいて、開業医は、硬性鏡を、患者の背中における切開部を介して患者の腎臓に挿入することができる。スコープを通して、開業医は、腎臓または尿管上部内の特定の結石を位置特定し、スコープを介して、比較的高出力の赤外線レーザビームを結石に照射することによって、結石をより小さい破片に砕くことができる。レーザビームは、結石をより小さい破片にアブレートすることができる。次いで、結石の破片は、腎臓から取り除かれ得る。スコープは、内視鏡、腎盂尿管鏡、および/または膀胱鏡を含み得る。
内視鏡レーザ治療において、標的をリアルタイムで検出し、標的を特定の組織または結石タイプとして認識し、治療構造(例えば、癌組織、または特定の結石タイプ)のみにレーザエネルギーを適用し、非治療組織(例えば、正常組織)へのレーザ照射を回避または低減することが望ましい。従来、対象の標的治療構造の認識は、内視鏡を介して標的外科手術部位およびその周囲の環境を可視化することなどによって、オペレータによって手動で実行される。そのような手動の手法は、手術部位への狭いアクセスが制限された外科的視野を提供する特定の環境において精度が低くなる可能性がある。生検技法は、組成を生体外で分析するために、標的構造を体外に取り出すために使用されてきた。しかしながら、多くの臨床用途において、外科手術時間を短縮し、治療効果を改善するために、組織組成を生体内で決定することが望ましい。例えば、レーザ砕石術において、生体内での結石タイプの自動認識、および周囲の組織からそれを区別することは、医師が、標的結石をより効果的にアブレートすると同時に、標的結石に隣接する非治療組織への照射を回避するために、照射パラメータ設定(例えば、レーザ出力または照射時間)を調整することを可能にする。
従来の内視鏡レーザ治療は、処置中に組織タイプ(例えば、組成)を連続的に監視することができないという制限も有する。内視鏡処置中には多くの可動部分が存在し、内視鏡から見た組織は、処置中に変化する可能性がある。従来の生検技法は、そのタイプを識別するために組織サンプルの切除を必要とするので、処置全体を通して組織タイプを監視するために使用することはできない。内視鏡の先端における構造タイプ(例えば、軟組織タイプもしくは硬組織タイプ、正常組織対癌組織、または結石構造の組成)の継続的な監視および認識は、処置中に治療をより適切に適応させるためのより多くの情報を医師に与え得る。例えば、医師が、硬い表面を有するが、柔らかい芯を有する腎臓結石を粉塵化している場合、内視鏡による連続的な組織組成情報は、医師が、結石の硬い表面に対してよりよい性能を発揮する第1の設定から結石の柔らかい芯に対してよりよい性能を発揮する第2の異なる設定へのように、連続的に検出された結石表面組成に基づいて照射パラメータ設定を調整することを可能にし得る。
少なくとも上記の理由のため、本発明者らは、生体内でそれぞれ異なる組成を有する異なる構造タイプを識別し、構造タイプの識別に従って治療を調整することができるシステムおよび方法に対する満たされていない要求を認識している。
本明細書で説明されるのは、標的へのレーザエネルギーの送達に応答する音響フィードバックに基づく被験者の体内の標的構造のレーザ治療の自動制御のためのシステム、デバイス、および方法である。例示的な内視鏡レーザエネルギー送達システムは、被験者の体内の標的にレーザエネルギーを向けるレーザシステムと、標的へのレーザエネルギーの送達に応答して音響信号を受信し、受信した音響信号から1つまたは複数の音響特性を測定し、1つまたは複数の音響特性に基づいて、レーザ照射パラメータ設定を調整することなどによって、標的に送達するためのレーザエネルギーを生成するようにレーザシステムを制御するための第1の制御信号を生成する音響フィードバックコントローラ回路とを備える。制御回路は、所望の治療効果を達成するために、標的に対するレーザファイバ遠位端の位置を調整するアクチュエータへの第2の制御信号を生成し得る。
本明細書で論じる様々な実施形態によるシステム、デバイス、および方法は、レーザ内視鏡処置中のリアルタイムで生体内の標的識別を改善する。本明細書で説明する特徴は、内視鏡、レーザ外科手術、レーザ砕石術、照射パラメータ設定、および/または分光方に関してもさらに使用され得る。標的および用途の例は、腎臓結石のレーザ砕石術、および軟組織のレーザ切開または気化を含み得る。本明細書で説明する特徴を組み込んだ内視鏡システムの例において、組織または結石のタイプが、生体内で識別および監視され、最適なレーザ治療のための、照射パラメータ設定(例えば、強度、出力、持続時間、周波数、またはパルス形状、照射時間、または発射角度)などの、レーザエネルギーおよび送達を調整するために使用され得る。組織タイプまたは結石タイプの連続的な監視および識別の能力は、レーザ治療の瞬時の調整を可能にする。標的構造の改善された認識および分類により、患者は、偶発的なレーザ発射または間違った位置のレーザ発射から保護され得、改善された治療効果および組織の安全性が達成され得る。
本文書において論じるいくつかの例によれば、標的におけるレーザ発射中の音響フィードバックは、組織もしくは結石のタイプもしくは組成を識別するため、照射パラメータ設定を調整するため、および/またはレーザファイバの遠位端と標的との間の所望の距離(ファイバ-標的距離とも呼ばれる)を達成するなどのために標的に対するレーザファイバの位置または向きを制御可能に調整することなどによってレーザエネルギーの送達を調整するために使用され得る。音響フィードバックは、レーザパルスが標的への経路に沿って媒体(例えば、液体および蒸気)を通って伝播して液体および蒸気を振動させるとき、ならびにレーザパルスが標的に投射して標的を振動させるときに生成される音響信号を含み得る。本明細書で論じる様々な例によれば、ファイバ-標的距離は、音響フィードバック信号を使用して推定され得る。アクチュエータは、標的に対するレーザファイバの遠位部分の位置または向きを制御可能に調整し得る。いくつかの例において、適切な標的要素(例えば、癌病変または結石)がレーザ発射範囲内にない場合、レーザは、ロックされ得る(すなわち、発射が防止され得る)。例えば、レーザ砕石術処置中、結石がレーザ発射範囲内にない(例えば、組織のみがレーザ範囲内にある)場合、レーザは、ロックされ得る。自動ロック制御またはファイバ-標的距離調整は、既存のレーザ砕石術システムの性能を改善し、電力を節約し、患者の安全性を高め、結石アブレーションの有効性を改善するために、標的が最適な発射距離内にあることを保証し得る。
本明細書で論じる音響フィードバックレーザエネルギー送達システムは、他のタイプのフィードバックを利用する従来のレーザエネルギー送達システムよりも有利であり得る。例えば、視覚的フィードバックは、人間の反応時間によって制約される場合があり、これは、高速なレーザと標的の相互作用およびプロセス(例えば、ファイバ先端における気泡の形成、水/蒸気媒体内および結石材料による時間非線形レーザ光吸収、振動、ならびに他の不安定性)に対して長くなる可能性がある。それに加えて、人間の反応時間は、人間のオペレータ間で著しく変動する場合がある。対照的に、音響波は、音の形成から、フィードバックを取得し、それに応じてレーザエネルギーまたはレーザ送達を調整するまでの待ち時間が短縮され得るように、組織、結石、および周囲の液体媒体を通過する高速の伝播速度を有する。
本文書において論じる高速音響フィードバックシステムは、例えば、照射パラメータ設定および/またはレーザファイバ位置もしくは向きを含む、より高速でリアルタイムのレーザ治療制御を、向上した精度で可能にする。一般に、直径が約150μmから1000μmの範囲の光ファイバについて、ファイバの可撓性とアブレーション速度との間にトレードオフが存在する。一般に、直径が大きいファイバほど速いアブレーション速度を提供し、直径が小さいファイバほど可撓性である傾向がある。ファイバ位置のより速い調整は、標的上の所望のレーザスポットサイズを達成するのに役立つ可能性があり、それによって小さい直径のファイバでのレーザアブレーション速度を改善する。このように、本明細書で論じる高速音響フィードバックシステムは、オペレータが、大きい直径のファイバ(例えば、約500μm～1000μm)を使用するのと同様の高いアブレーション速度を達成するために、小さい直径(例えば、約150μm～365μm)を有するより可撓性の光ファイバを使用することを可能にする。高速音響フィードバックシステムは、水の吸収によるレーザ光の損失を大幅に低減するために、レーザファイバと標的との間の媒体における一貫した気泡トンネルの作成を容易にし得る。
本明細書で論じる音響フィードバックレーザエネルギー送達システムの別の利点は、標的のタイプ、およびレーザファイバと標的との間の媒体の状態についての詳細な知識なしで、レーザ治療が最適化され得ることである。そのような治療最適化手法は、事前選択された治療目標を改善された効率で安定化または最大化し得る。例えば、レーザアブレーション速度は、適用されるレーザ出力密度に依存し、標的におけるレーザ発射に応答して生成される音響信号の強度(例えば、音響信号ピーク振幅)は、レーザ出力密度に相関する。本明細書で論じるレーザエネルギー送達システムは、音響信号ピーク振幅を最大化するために、ファイバ位置とレーザ出力とを自動的に調整し得る。他の生体内フィードバック制御レーザ治療と比較して、本明細書で説明する音響フィードバックシステムは、有利には、より正確かつ高速の治療制御を可能にし、処置時間を短縮し、レーザ治療効率を改善することができる。
図1は、解剖学的構造(例えば、軟組織、硬組織、または癌組織などの異常組織)または結石構造(例えば、腎臓結石、膵胆道結石、または胆嚢結石)などの被験者の体内の標的構造122にレーザ治療を提供するように構成されたレーザエネルギー送達システム100の一例を示すブロック図である。一例において、システム100は、内視鏡レーザエネルギー送達システムである。レーザエネルギー送達システム100は、レーザフィードバック制御システム101と、少なくとも1つのレーザシステム102とを含む。レーザフィードバック制御システム101は、標的からフィードバック信号130を受信し得る。レーザ送達を制御するために、様々なフィードバック信号が使用され得る。一例において、フィードバック信号130は、音響信号を含み得る。音響信号は、レーザパルスが標的への経路に沿って媒体(例えば、液体および蒸気)を通って伝播し、液体と蒸気とを振動させるとき、およびレーザパルスが標的に投影し、標的を振動させるときに感知され得る。別の例において、フィードバック信号130は、反射電磁信号(例えば、光源から放射された反射照明光)を含み得る。さらに別の例において、フィードバック信号130は、反射レーザ信号を含み得る。レーザフィードバック制御システム101は、フィードバック信号130を分析し、音響信号からの音響特性または反射電磁信号からの分光特性などの1つまたは複数の信号特性を生成し、レーザエネルギー出力および/またはレーザ送達を制御し得る。レーザフィードバック制御システム101は、軟(例えば、非石灰化)組織もしくは硬(例えば、石灰化)組織、または腎臓結石、膵胆道結石、または胆嚢結石などの結石構造の治療のための産業用途および/または医療用途などの様々な用途において使用され得る。いくつかの例において、レーザエネルギー送達システム100は、組織もしくは他の解剖学的構造の正確に制御された治療的処置(例えば、組織アブレーション、凝固、気化など)、または非解剖学的構造の治療(例えば、結石構造のアブレーションまたは粉塵化)を送達し得る。
レーザフィードバック制御システム101は、1つまたは複数のレーザシステムと動作的に通信し得る。図1は、第1のレーザシステム102に接続され、オプションで(点線で示す)第2のレーザシステム104に接続されたレーザフィードバックシステムを示す。本開示の範囲内で、追加のレーザシステムが企図される。第1のレーザシステム102は、第1のレーザ源106と、電源、ディスプレイ、冷却システムなどの関連構成要素とを含み得る。第1のレーザシステム102は、第1のレーザ源106と動作可能に結合された第1の光学経路108も含み得る。一例において、第1の光学経路108は、光ファイバを含む。第1の光学経路108は、第1のレーザ源106から標的組織122にレーザビームを伝送するように構成され得る。
フィードバック信号130の分析に基づいて、レーザフィードバック制御システム101は、所望の治療効果を提供するための適切なレーザ出力を生成するために、第1のレーザシステム102および/または第2のレーザシステム104を制御し得る。例えば、レーザフィードバック制御システム101は、別の治療的処置(例えば、血管の凝固)の前に組織が適切にアブレートされたかどうかを判断するために、治療的処置(例えば、腎臓結石などの結石をより小さい破片にアブレートする)中に標的構造122の特性を監視し得る。
一例において、第1のレーザ源106は、第1の出力110を提供するように構成され得る。第1の出力110は、標的構造122の吸収スペクトルの一部に対応する波長範囲などの、第1の波長範囲にわたり得る。第1の出力110は、組織の吸収スペクトルに対応する波長範囲にわたるので、第1の出力110は、標的構造122の効果的なアブレーションおよび/または炭化を提供し得る。
一例において、第1のレーザ源106は、第1の波長範囲において放射される第1の出力110が組織による入射する第1の出力110の高い吸収(例えば、約250cm-1を超える)に対応するように構成され得る。例示的な態様において、第1のレーザ源106は、約1900ナノメートル(nm)と約3000nmとの間(例えば、水による高い吸収に対応する)および/または約40nmと約520nmとの間(例えば、オキシヘモグロビンおよび/またはデオキシヘモグロビンによる高い吸収に対応する)の第1の出力110を放射し得る。明らかに、光と組織との相互作用には、吸収と散乱という2つの主なメカニズムが存在する。組織の吸収が高い(250cm-1を超える吸収係数)場合、第1の吸収メカニズムが支配的であり、吸収が低い(250cm-1未満の吸収係数)場合、例えば、800～1100nmの波長範囲におけるレーザでは、散乱メカニズムが支配的である。
第1のレーザ源106には、様々な市販の医療グレードのレーザシステムが適している可能性がある。例えば、約515nmと約520nmとの間、または約370nmと約493nmとの間の第1の波長範囲における第1の出力110を提供するInXGa1-XN半導体レーザなどの半導体レーザが使用され得る。代替的には、以下の表1に要約されているものなどの赤外線(IR)レーザが使用され得る。
オプションの第2のレーザシステム104は、第2の出力120を提供するための第2のレーザ源116と、電源、ディスプレイ、冷却システムなどの関連構成要素とを含み得る。第2のレーザシステム104は、第1のレーザ源106から動作可能に分離され得、あるいは、第1のレーザシステム106に動作可能に結合され得る。いくつかの実施形態において、第2のレーザシステム104は、第2の出力120を伝送するために第2のレーザ源116に動作可能に結合された(第1の光学経路108とは別の)第2の光学経路118を含み得る。代替的には、第1の光学経路108は、第1の出力110と第2の出力120の両方を伝送するように構成され得る。
特定の態様において、第2の出力120は、第1の波長範囲とは異なる第2の波長範囲にわたり得る。したがって、第1の波長範囲と第2の波長範囲との間にはいかなる重複も存在しない場合がある。代替的には、第1の波長範囲および第2の波長範囲は、互いに少なくとも部分的な重複を有し得る。本開示の有利な態様において、第2の波長範囲は、標的構造122の吸収スペクトルの一部に対応しない場合があり、入射放射線は、以前にアブレートまたは炭化されていない組織によって強く吸収される。いくつかのそのような態様において、第2の出力120は、有利には、非炭化組織をアブレートしない場合がある。別の実施形態において、第2の出力120は、以前にアブレートされていない炭化組織をアブレートし得る。追加の実施形態において、第2の出力120は、追加の治療効果を提供し得る。例えば、第2の出力120は、組織または血管を凝固させるのにより適し得る。
図2は、レーザフィードバック制御システム200と、それが使用され得る環境の少なくとも一部とを示すブロック図である。レーザフィードバック制御システム101の一例であるレーザフィードバック制御システム200は、フィードバック分析器240と、メモリ250と、コントローラ回路260とを含む。フィードバック分析器240は、本明細書で説明する主題の一態様によれば、標的へのレーザエネルギーの送達に応答して音響信号を感知するように構成された音響センサ241を含み得る。音響信号は、レーザパルスが標的への経路に沿って媒体(例えば、液体および蒸気)を通って伝播して液体および蒸気を振動させるとき、ならびにレーザパルスが標的に投射して標的を振動させるときに感知され得る。いくつかの例において、音響センサ241は、可聴範囲の波、超音波、または超低周波音波などの特定の波長を有する特定の音波を感知し得る。音響センサ241の例は、とりわけ、マイクロフォン、ハイドロフォン、静電容量センサ、圧電センサ、圧電セラミックセンサ、光ファイバセンサ、または固体音響検出器を含み得る。フィードバック分析器240は、1つまたは複数の音響特性を生成するために、音響信号を分析し得る。音響特性の例は、強度、出力、周波数もしくはスペクトルコンテンツ、または受信した音響信号の形状を表すグラフィカルな特徴(例えば、音の強度の時系列の形状特性)を含み得る。いくつかの例において、音響特性は、受信した音響信号の1つまたは複数の統計的特徴(例えば、信号の平均または分散)を含み得る。
フィードバック分析器240は、標的構造122から反射された分光信号を感知し、反射信号から1つまたは複数の分光特性を生成し得る分光センサ242をオプションで含み得る。分光特性は、反射率、反射スペクトル、吸収指数などの特性を含み得る。分光センサ242の例は、フーリエ変換赤外線(FTIR)分光計、ラマン分光計、UV-VIS分光計、UV-VIS-IR分光計、または蛍光分光計などを含み得る。各分光センサ242は、分光技法に対応する。例えば、目から、または高解像度カメラによって作成されたカラー画像からもたらされる情報と同様に、しかしより定量的かつ客観的に、物体から反射された光からの情報を収集するために、UV-VIS反射分光法が使用され得る。光の反射および吸収は、材料の化学組成と表面特性とに依存するので、反射分光法は、材料に関する情報を提供し得る。この技法を使用して、サンプルの表面特性とバルク特性の両方に関する情報が取得され得る。反射分光法は、硬組織または軟組織の組成を認識するために使用され得る。蛍光分光法は、サンプルからの蛍光を分析する電磁分光法の一種である。蛍光分光法は、材料化合物を励起し、材料化合物に典型的には可視領域またはIR領域における光を放射させる、通常は紫外線である光のビームを使用することを伴う。この方法は、硬組織および軟組織などのいくつかの有機成分の分析に適用され得る。FTIR分光法は、迅速な材料分析に使用され得、比較的良好な空間分解能を有し、材料の化学組成に関する情報を与える。ラマン分光法は、硬組織成分と軟組織成分とを識別するために使用され得る。高空間分解能技法として、ラマン分光法は、標的内の成分の分布を決定することにも有用である。上記で説明した分光法技法は、それぞれ異なる成分を有する構造タイプを示す1つまたは複数の分光特性を生成するために、分光センサ242によって分光信号を分析するために、単独でまたは組み合わせて使用され得る。
フィードバック分析器240は、一実施形態において、紫外(UV)波長、可視(VIS)波長、または赤外(IR)波長に感度を有するCCDまたはCMOSカメラなどの撮像カメラなどの撮像センサ244をオプションで含み得る。いくつかの実施形態において、分光センサ242は、様々な特徴(例えば、炭化および非炭化組織、血管系など)の感知および検出を強化するために、本明細書で列挙した2つ以上のタイプの分光計または撮像カメラを含み得る。
音響センサ241、ならびにオプションで分光センサ242および/または撮像センサ244は、信号伝送経路280に動作可能に結合され得る。信号伝送経路280は、フィードバック信号(例えば、組織から反射された音響信号または分光信号)を伝送するのに適した光学特性を有する光学経路(例えば、光ファイバ)を含み得る。代替的には、音響センサ241、ならびにオプションで分光センサ242および/または撮像センサ244は、第1の光学経路を108および/または第2の光学経路118を介してそれぞれのフィードバック信号を検出するために、第2のレーザシステム104の第1の光学経路108および/または第2の光学経路118に動作可能に結合され得る。
フィードバック分析器240は、標的を検出および識別し得る標的識別器を含み得る。図2に示す例において、標的識別器は、標的検出器246または標的分類器248のうちの1つまたは複数を含み得る。組織標的または結石標的について、そのレーザエネルギーを吸収する能力は、その組成と液体含有量とに依存する。異なる結石構造または軟組織もしくは硬組織などの異なる標的タイプは、異なる組成および/または液体含有量を有する場合がある。これらの標的が異なる量のレーザエネルギーを吸収する場合、それらは、異なる音響特性として感知され得るそれぞれ異なる振動パターンを生成する場合がある。標的検出器246は、標的構造122を、結石構造のカテゴリまたは解剖学的構造のカテゴリなどの複数の構造カテゴリのうちの1つとして識別するために、1つまたは複数の音響信号特性を使用し得る。結石構造の例は、泌尿器系、胆嚢、鼻腔、消化管、胃、または扁桃腺などの様々な結石形成領域における結石または結石片を含み得る。解剖学的構造の例は、とりわけ、軟組織(例えば、筋肉、腱、靭帯、血管、筋膜、皮膚、脂肪、および繊維性組織)、骨などの硬組織、軟骨などの結合組織を含み得る。
標的分類器248は、標的構造122を、解剖学的構造の識別されたカテゴリ内の特定の組織タイプなど、同じカテゴリの複数の構造タイプのうちの1つとして、または結石構造の識別されたカテゴリ内の特定の結石タイプとして分類し得る。一例において、標的分類器248は、識別された結石を、CaP結石、MAP結石、COM結石、COD結石、コレステロール系結石、または尿酸(UA)結石などの、異なる化学組成を有する結石タイプのうちの1つとして分類し得る。分類は、受信した音響信号の強度、出力、周波数もしくはスペクトル成分、もしくはグラフィカルな特徴もしくは形状、または受信した音響信号から生成された1つもしくは複数の統計的特徴などの、1つまたは複数の音響特性に基づいて行われ得る。いくつかの例において、標的分類器248は、識別された解剖学的構造を、複数の組織タイプのうちの1つとして分類し得る。組織タイプは、萼組織、皮膚組織、髄質組織、または尿管組織などの、別個の解剖学的位置における組織を含み得る。別の例において、標的分類器248は、識別された解剖学的構造を、正常組織または異常組織(例えば、癌組織)として分類するように構成され得る。別の例において、分類器248は、識別された解剖学的構造を、治療領域(例えば、除去を意図した腫瘍またはポリープ)または非治療領域(例えば、血管、筋肉など)として分類するように構成され得る。分類は、上記で説明したように、受信した音響信号の強度、出力、周波数もしくはスペクトル成分、もしくはグラフィカルな特徴もしくは形状、または受信した音響信号から生成された1つもしくは複数の統計的特徴などの、1つまたは複数の音響特性に基づいて行われ得る。レーザエネルギーの送達に応答して生成される音響信号、および様々な音響特性の例について、図3A～図3Bを参照するなどして、以下で論じる。
いくつかの例において、標的検出器246または標的分類器248は、標的構造122を結石構造または解剖学的構造として識別するため、または標的構造122を特定の結石タイプまたは組織タイプとして分類するために追加のフィードバックを使用し得る。そのような追加のフィードバックの例は、例えば、分光信号から生成された1つもしくは複数の分光信号特性、または撮像信号から生成された1つもしくは複数の撮像特性を含み得る。
コントローラ回路260は、フィードバック分析器240およびレーザシステム202と動作的に通信し得る。レーザシステム202は、第1のレーザシステム102、オプションの第2のレーザシステム104、および/または任意の追加のレーザシステムを表し得る。コントローラ回路260は、標的構造122において所望の治療効果を生じさせるために、1つまたは複数のレーザシステムからのレーザ出力を制御するために、本明細書で説明する1つまたは複数の制御アルゴリズムに従って、コントローラ回路260に動作可能に接続されたレーザシステム202を制御し得る。一例において、コントローラ回路260は、1つまたは複数の音響特性などの少なくとも音響フィードバックに基づいてレーザ照射パラメータ設定を調整するために、レーザシステム202への第1の制御信号を生成し得る。レーザ照射パラメータの例は、とりわけ、波長、出力、出力密度、パルスパラメータ(例えば、パルス幅、パルスレート、振幅、デューティサイクル)、照射時間、総線量、またはエネルギーを含み得る。一例において、コントローラ回路260は、少なくとも受信した音響信号に基づいてファイバ遠位端と標的構造122との間の距離(「ファイバ-標的距離」)を変更するなどのために、レーザパルスを送達するための光ファイバの遠位部分の位置または向きを自動的に調整するために、アクチュエータへの第2の制御信号を生成し得る。一例において、フィードバック分析器240は、音響信号から導出された1つまたは複数の音響特性を使用して、ファイバ-標的距離を計算または推定し得、コントローラ回路260は、標的が所望のレーザ発射距離内にあるように、レーザファイバの位置または向きを調整し得る。
例示的な実施形態によれば、コントローラ回路260は、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、または任意の他の同等の集積もしくは離散論理回路などのプロセッサ、ならびにコントローラ回路260に帰属する機能のうちの1つまたは複数を実行するためのそのような構成要素の任意の組合せを含み得る。オプションで、コントローラ回路260は、フィードバック分析器240およびレーザシステム202に有線接続またはワイヤレス接続によって結合され得る。コントローラ回路260は、フィードバック分析器240と(例えば、有線接続またはワイヤレス接続を介して)通信し、(標的検出器246によって決定されるような)標的構造122の識別に基づいて、または(標的分類器248によって決定されるような)標的構造122の分類に基づいて、レーザシステム202の動作モードを決定し得る。
いくつかの例において、レーザシステム202は、2つの別個の動作モードまたは状態、すなわち、レーザシステム202がレーザ出力を生成する第1の状態、およびレーザシステム202がレーザ出力を生成しない第2の状態のうちの1つに関連付けられ得る。例えば、第1のレーザシステム102は、(例えば、第1の波長範囲にわたる)第1の出力110が生成される第1の状態と、第1の出力110が生成されない第2の状態とを有し得る。同様に、第2のレーザシステム104は、(例えば、第2の波長範囲にわたる)第2の出力120が生成される第2の状態と、第2の出力120が生成されない第2の状態とを有し得る。そのような実施形態において、コントローラ回路260は、レーザシステムの動作状態を第1の状態から第2の状態に、または第2の状態から第1の状態に変更する制御信号を送信することによって、レーザシステム220を制御し得る。いくつかの例において、レーザシステム202は、追加の状態、例えば、異なるレーザ照射パラメータ設定に従ったレーザ出力が生成される第3の状態を有し得る。したがって、所望の治療効果を提供するレーザ出力を生成するために、レーザシステムの状態を現在の状態から1つまたは複数の追加の状態に(例えば、第1の状態から第3の状態に、第2の状態から第3の状態に、第3の状態から第1の状態に、第3の状態から第2の状態に)変更するために、コントローラ回路260によって追加の制御信号がレーザシステムに送信され得る。
一例において、コントローラ回路260は、標的が結石構造として識別された場合は第1の動作モードにおいて、または標的が解剖学的構造として識別された場合は第2の動作モードにおいて、標的が解剖学的構造でも結石構造でもないと識別された場合は第3のモードにおいてレーザシステム202を動作させるための制御信号を生成し得る。一例において、第1の動作モードは、腎臓結石などの識別された結石をアブレートまたは粉塵化するために、第1の照射パラメータ設定でプログラムされたレーザビームを送達するためにレーザシステム202を活性化することを含み得る。一例において、第2の動作モードは、レーザ送達を保留すること、または識別された組織に、第1の照射パラメータ設定とは異なる第2の照射パラメータ設定でプログラムされたレーザビームを送達することを含み得る。一例において、第3の動作モードは、レーザシステム202をレーザエネルギーの送達から非活性化することを含み得る。レーザ照射パラメータは、とりわけ、波長、出力、出力密度、パルスパラメータ(例えば、パルス幅、パルスレート、振幅、デューティサイクル)、照射時間、総線量、またはエネルギーを含み得る。
いくつかの例において、コントローラ回路260は、標的分類器248によって決定された、CaP結石、MAP結石、COM結石、COD結石、コレステロール系結石、または尿酸(UA)結石などの複数の結石タイプのうちの1つとしての標的構造122の分類に基づいて、レーザシステム202の動作モードを決定し得る。コントローラ回路260は、結石タイプの分類に基づいて照射パラメータ設定を調整し、調整された照射パラメータ設定に従ってレーザエネルギーを標的構造122に送達するためにレーザシステム202を制御するための制御信号を生成し得る。
いくつかの例において、コントローラ回路260は、異なる解剖学的位置における腎組織(例えば、萼組織、皮膚組織、髄質組織、または尿管組織)、正常組織または異常組織(例えば、癌組織)、治療領域(例えば、除去を意図した腫瘍またはポリープ)または非治療領域(例えば、血管、筋肉など)などの複数の組織タイプのうちの1つとしての標的構造122の分類に基づいて、レーザシステム202の動作モードを決定し得る。コントローラ回路260は、組織タイプの分類に基づいて照射パラメータ設定を調整し、調整された照射パラメータ設定に従って識別された解剖学的構造にレーザエネルギーを送達するレーザシステム202への制御信号を生成し得る。
いくつかの例において、照射パラメータ設定は、複数の結石タイプおよび/または複数の組織タイプに対してそれぞれ決定され得る。結石タイプ-照射パラメータ設定の対応関係または組織タイプ-照射パラメータ設定の対応関係が作成され、ルックアップテーブル、連想配列などにおいて、メモリ250内に記憶され得る。コントローラ回路260は、分類された結石タイプまたは分類された組織タイプに対応する照射パラメータ設定を決定するために、そのような記憶された対応関係のうちの1つを使用し得る。
いくつかの例において、コントローラ回路260は、標的検出器246または標的分類器248によって生成されるような標的タイプまたは標的組成に関する情報を使用することなく、フィードバック分析器240によって生成された1つまたは複数の音響特性に基づいて照射パラメータ設定を直接調整し得る。例えば、標的結石構造におけるレーザ発射に応答して生成された音響信号の強度は、レーザ出力密度に関係付けられる。コントローラ回路260は、所望の音響信号振幅を達成するために、照射パラメータ設定(例えば、レーザ出力)とレーザファイバ位置とを自動的に調整し得る。
様々な例において、フィードバック分析器240は、標的構造122を連続的に監視し、フィードバック信号を収集および分析し、コントローラ回路260と連続的に通信し得る。したがって、コントローラ回路260は、フィードバックの変化(例えば、標的構造122の異なるカテゴリ、異なる組織タイプ、または異なる結石タイプ)が検出されるまで、レーザシステムを1つまたは複数の状態に維持し続け得る。フィードバックの変化が検出されると、コントローラ回路260は、1つまたは複数のレーザシステムと通信し、所望の治療効果を送達するために、それらの状態を変更し得る。代替的または追加的に、コントローラ回路260は、オペレータ(例えば、医療専門家)と通信し、1つまたは複数の出力システムを介してフィードバック信号を示す1つまたは複数の出力を表示し得、オプションで、所望の治療効果を送達するために第1のレーザシステムおよび/または第2のレーザシステムを用いて1つまたは複数の治療処置を実行するようにオペレータに指示し得る。
本明細書で説明する例示的な例において、コントローラ回路260は、各レーザシステムの動作状態を変更することによって、2つ以上のレーザシステムを制御し得る。一態様によれば、コントローラ回路260は、各レーザシステムを独立して制御し得る。例えば、コントローラ回路260は、各レーザシステムを他のレーザシステムから独立して制御するために、各レーザシステムに別個の制御信号を送信し得る。代替的に、コントローラ回路260は、1つまたは複数のレーザシステムを制御するために、共通信号を送信し得る。
レーザフィードバック制御システム200は、出力システム270と動作的に通信し得る。出力システム270は、フィードバック分析器240によって受信された信号および生成された情報を、ユーザ、および/または治療処置のために使用される灌注吸引/ポンピングシステム、もしくは光学ディスプレイコントローラ、もしくは他のシステムなどの他のシステムに通信および/または伝達し得る。伝達される信号および情報の例は、フィードバック信号130(例えば、音響信号、ならびにオプションの分光信号および撮像信号)、信号特性(例えば、生成された音響特性、オプションの分光特性、および撮像特性)、標的検出器246によって生成された標的構造122の識別、または標的分類器248によって生成された標的構造122の分類のうちの1つまたは複数を含み得る。一例において、出力システム270は、スクリーン(例えば、タッチスクリーン)などのディスプレイ272、または代替案において、視覚インジケータ(例えば、1つまたは複数の色のLEDライト)を含み得る。一例において、出力システム270は、聴覚信号を提供することができる聴覚出力システム274(例えば、スピーカ、警報システムなど)を含み得る。出力システム270は、所望の治療効果(例えば、腎臓結石などの結石構造のアブレーション、または癌組織などの異常組織の炭化)が達成されたことを示すために、1つまたは複数の出力(例えば、第1の色のLEDライト、スクリーン上の第1のメッセージ、第1の音色の警報音)を提供し得る。いくつかの例において、出力システム270は、所望の治療効果が達成されなかったときに、1つまたは複数の異なる出力を提供し得る。例えば、出力システム270は、所望の治療効果が達成されなかったことを示すために、1つまたは複数の出力(例えば、第2の色のLEDライト、スクリーン上の第2のメッセージ、第2の音色の警報音)を提供し得る。いくつかの例において、異なる識別された構造カテゴリ(例えば、結石構造対解剖学的構造)または異なる分類された構造タイプに対する治療効果が、それぞれ異なる出力(例えば、異なる色のLED光、スクリーン上の異なるメッセージ、または警報の異なる音色)を使用して、出力システム270において示され得る。そのような出力は、オペレータ(例えば、医療専門家)に対して、1つまたは複数のレーザシステムを使用して追加の治療を提供するなどの適切な行動を取るように促し得る。
図3A～図3Bは、レーザエネルギーの送達に応答して生成された音響信号および音響信号から抽出された音響特性の一例を示す。図3Aは、内視鏡301と、内視鏡301の長手方向通路内に少なくとも部分的に配置された光学経路302とを備える内視鏡レーザ砕石システムの一部の例を示す。図3Aに示す例において、第1の光学経路108または第2の光学経路118の一例である光学経路302は、内視鏡301の遠位端から延在する遠位端304を有する。一例において、光学経路302は、光ファイバまたはレーザファイバを含み得る。第1のレーザ源106または第2のレーザ源116から生成されるようなレーザパルスが、光学経路302を通って伝送され得る。光学経路302の遠位端304は、レーザパルスを結石標的322に向け得る。
図3Bは、時点t0において開始し、時点tEにおいて終了するレーザパルス340に応答して音響センサ241によって感知されるような音響信号350の一例を示す。レーザパルスが液体媒体332および蒸気泡334を通って伝播するとき、液体および蒸気は、レーザエネルギーを吸収して振動し、音響センサによって音響信号として感知され得る圧力波を生成する。図3Bに示すように、音響信号350は、最大液体振動に対応するt1における第1のピーク351と、最大蒸気振動に対応するt2における第2のピーク353とを有する時変信号強度を有する。レーザパルスが標的に到達すると、結石標的322は、レーザエネルギーを吸収して振動し、音響センサによってt3における音響信号ピーク355として感知され得る圧力波を生成する。t0から音響信号ピーク351、353、および355までの時間間隔(すなわち、t1-t0、t2-t0、およびt3-t0)は、光学経路遠位端304からの伝播経路に沿ってレーザパルスが移動した距離に相関する。本開示において説明する様々な例によれば、そのような時間間隔は、レーザエネルギーの送達を制御するために使用され得る。
音響信号350は、例えば、受信した音響信号の強度、出力、周波数もしくはスペクトルコンテンツ、またはグラフィカルな特徴もしくは形状を含む1つまたは複数の音響特性を生成するために、フィードバック分析器240などによって処理され得る。いくつかの例において、音響特性は、音響信号の1つまたは複数の統計的特徴(例えば、信号の平均または分散)を含み得る。コントローラ回路260は、1つまたは複数の音響特性に基づいて照射パラメータ設定を調整し得る。例えば、標的結石構造におけるレーザ発射に応答して生成される音響信号の強度(例えば、音響信号ピーク355の振幅)は、レーザ出力密度に相関する。コントローラ回路260は、音響信号ピーク355の振幅を最大化するなどのために、所望の音響信号強度を達成するために、照射パラメータ設定(例えば、出力、出力密度、パルスパラメータ、照射時間、総線量、またはエネルギー)を自動的に調整し得、および/またはレーザファイバの位置もしくは向きを調整し得る。
いくつかの例において、コントローラ回路260は、標的検出器246および/または標的分類器248を使用することなどによって、音響信号から生成された1つまたは複数の音響特性を使用して、別個の組成を有する複数の結石タイプのうちの1つとしての結石標的322の識別に基づいて、照射パラメータ設定および/またはレーザファイバの位置もしくは向きを調整し得る。
いくつかの例において、コントローラ回路260は、標的におけるレーザ発射に対応する音響信号ピークに関する時間情報などの、音響信号から導出された1つまたは複数の音響特性を使用して、ファイバ-標的距離を計算または推定し得る。例えば、t0とt3との間の時間間隔(t3-t0)は、レーザ-標的距離に相関する、レーザファイバ遠位端304から標的322までのレーザパルス移動時間を表す。コントローラ回路260は、間隔t3-t0を使用してファイバ-標的距離を推定し得る。コントローラ回路260は、所望のファイバ-標的距離を取得または維持するなどのために、標的に対するレーザファイバ位置を自動的に調整するために、アクチュエータへの制御信号を生成し得る。
図4は、内視鏡301の遠位端に対する光学経路302(レーザファイバなど)の位置を制御および調整するために音響フィードバック信号を使用する内視鏡レーザ砕石システム400の例を示す。内視鏡301は、近位部分と、オリフィスまたは切開部を介するなどして患者に挿入されるように構成され得る細長い遠位部分とを含み得る。内視鏡301は、軟(例えば、非石灰化)組織または硬(例えば、石灰化)組織の視覚的検査または治療を提供するため、ならびに腎臓結石もしくは他の結石または他の標的を可視化または破壊するかもしくは他の方法で治療するために有用であり得る。
砕石システム400は、第1のレーザ源106または第2のレーザ源116の一例であり得る少なくとも1つのレーザ源430を含むか、またはそれに結合され得る。レーザ源430は、単一の光ファイバまたは光ファイバの束を含み得る光学経路302にマシン的または光学的に接続され得る。光学経路302は、内視鏡301または同様の器具の作業チャネルまたは他の長手方向の通路もしくは管腔内に延在するように、近位アクセスポートを介して導入され得る。
内視鏡301は、可視化光学経路460および照明光学経路450などの可視化および照明光学系を含むかまたは提供し得、これらの各々は、内視鏡301の細長い本体に沿って長手方向に延在し得る。内視鏡301の遠位端またはその近くの標的領域のユーザまたはマシンの可視化を可能にするために、接眼レンズまたはカメラまたは撮像ディスプレイが可視化光学経路460において設けられるか、または可視化光学経路460に結合され得る。標的領域は、照明光学経路450の近位端における照明光源によって提供され、照明光学経路450の遠位端から放射されるような光470によって照明され得、または電力を供給するために長手方向に延在する電気伝導体などを有する、内視鏡の遠位端またはその近くにおいて配置され得るLEDもしくは他の照明源から放射され得る。
砕石システム400は、コントローラ回路260によって生成される制御信号などに従って、内視鏡301の長手方向通路内およびそれに対する光学経路302の遠位端304の長手方向並進を作動させ得るアクチュエータ485を含み得る。コントローラ回路260は、アクチュエータ485と電気的に通信し得る。アクチュエータ485は、内視鏡301の遠位端またはその近くに配置され得る。一例において、アクチュエータ185は、内視鏡301の作業チャネルもしくは他の長手方向通路に対する、または内視鏡301が参照フレームとして機能し得る別の参照位置に対する光学経路302の遠位端304の長手方向の位置決めを作動させるか、または他の方法で可能にするように、電磁要素、静電要素、圧電要素、または他の作動要素のうちの1つまたは複数を含み得る。
砕石システム400は、標的へのレーザエネルギーの送達に応答して音響信号を検出するように構成された音響センサ241を含み得る。図2を参照して上記で論じたように、音響信号は、レーザパルスが標的への経路に沿って媒体(例えば、液体および蒸気)を通って伝播して液体および蒸気を振動させるとき、ならびにレーザパルスが標的に投射して標的を振動させるときに感知され得る。音響センサ241は、内視鏡301内に配置されるか、または内視鏡301に他の方法で関連付けられ得る。図4に示すような例において、音響センサ241は、内視鏡301の遠位部分に取り付けられ得る。別の例において、音響センサ241は、光学経路302(例えば、レーザファイバ)の遠位端304において配置され得る。感知された音響信号は、光学経路302を介してフィードバック分析器240に伝送され得る。いくつかの例において、感知された音響信号は、照明光学経路450、可視化光学経路460、または専用音響信号経路など、光学経路302とは異なる別の経路を介して追加的または代替的に伝送され得る。
コントローラ回路260は、1つまたは複数の音響特性を使用して、照射パラメータ設定(例えば、とりわけ、波長、出力、出力密度、パルスパラメータ、照射時間、総線量、またはエネルギー)を調整し得る。例えば、コントローラ回路260は、図3Bに示すように、音響信号ピーク355の振幅を最大化するなどのために、所望の音響信号振幅を達成するために、照射パラメータ設定および/またはレーザファイバの位置もしくは向きを自動的に調整し得る。
いくつかの例において、フィードバック分析器240は、音響信号から1つまたは複数の音響特性を生成し、図2を参照して上記で論じたように、標的構造を結石構造のカテゴリまたは解剖学的構造のカテゴリ(例えば、軟組織または硬組織)として認識し得る。コントローラ回路260は、標的検出器246および/または標的分類器248を使用することなどによって、音響信号から生成された1つまたは複数の音響特性を使用して、別個の組成を有する複数の結石タイプのうちの1つとしての結石標的322の識別に基づいて、照射パラメータ設定および/またはレーザファイバの位置もしくは向きを調整し得る。
いくつかの例において、フィードバック分析器240は、図3A～図3Bを参照して上記で論じたように、レーザ-標的相互作用に対応する音響信号ピークに関する時間情報などの1つまたは複数の音響特性を使用して、光学経路302の遠位端と標的との間の距離(「ファイバ-標的距離」)を計算または推定し得る。コントローラ回路260は、計算されたファイバ-標的距離に基づいてファイバ遠位端304の位置または向きを調整するためにアクチュエータ485を制御し得る。例えば、計算された距離が(指定されたマージン内で)所望のレーザ発射範囲を超える場合、コントローラ回路260は、ファイバ遠位端304が標的に対して所望のレーザ発射範囲内に到達するまで、光学経路302を標的に向かって長手方向に移動させるために、アクチュエータ485への制御信号を生成し得る。
いくつかの例において、フィードバック分析器240は、標的から追加のフィードバックを受信し、例えば、標的構造タイプを識別する動作、ファイバ-標的距離を推定する動作、照射パラメータ設定を調整する動作、および調整された照射パラメータ設定に従ってレーザエネルギーを送達するためにレーザ源430を制御する動作、または所望のファイバ-標的距離を達成するために、光学経路302の遠位部分を長手方向に移動させるためにアクチュエータ485を制御する動作を含む動作のうちの1つまたは複数を実行するために、そのような追加のフィードバックを音響フィードバックとともに使用し得る。図4に示すような例において、砕石システム400は、標的の電磁放射(例えば、照明光470)に応答して標的から反射された撮像信号を収集し得る内視鏡カメラまたは撮像デバイス425を含み得る。撮像信号は、光学経路460を通ってフィードバック分析器240に伝送され得る。代替的には、標的から反射された撮像信号は、光学経路302を通って伝送され得る。光スプリッタは、反射された撮像信号をフィードバック分析器240に向け得る。フィードバック分析器240は、撮像データから1つまたは複数の分光特性を生成し得る分光計を含み得る。フィードバック分析器240は、1つまたは複数の分光特性を使用して、標的を結石構造もしくは解剖学的構造として認識するか、または標的を別個の組成の1つのタイプの組織もしくは1つのタイプの結石として分類し得る。フィードバック分析器240は、分光特性を使用してファイバ-標的距離を計算または推定し得、その一例については、図5を参照して以下で論じる。
コントローラ回路260は、1つまたは複数の分光特性を使用して、照射パラメータ設定を調整し得る。コントローラ回路260は、計算された距離に基づいてファイバ遠位端304の位置または向きを調整するために、アクチュエータ485を制御し得る。
いくつかの例において、フィードバック分析器240は、内視鏡カメラまたは撮像デバイス425によって撮影されたような標的の対応する部分の画像から、標的上のレーザスポットサイズを測定し得る。円形のレーザスポットの直径または面積などのレーザスポットサイズは、ファイバ-標的距離に相関する。より大きいスポットサイズは、より長いファイバ-標的距離に対応し、より小さいスポットサイズは、より短いファイバ-標的距離に対応する。レーザスポットサイズに基づいて、コントローラ回路260は、所望のレーザスポットサイズを取得または維持するなどのために、標的に対するファイバ遠位端304の位置を調整するなどのために、光学経路302の長手方向並進を作動させるためのアクチュエータへの制御信号を生成し得る。
図5は、分光反射信号強度(例えば、電磁放射に応答して標的構造から反射された分光信号)と、標的構造から反射されたフィードバック信号を使用するファイバの遠位端と標的構造との間の距離(「ファイバ-標的距離」)との間の関係を表す較正曲線500を示す図である。較正曲線500は、標的構造が特定の波長(例えば、450nmまたは730nm)における電磁放射によって投影されたときに、組織と分光プローブ遠位端との間の異なる距離における反射光強度を測定することによって生成され得る。較正曲線を参照することによって、分光信号の分析は、距離の迅速な推定を可能にする。
較正曲線を生成する例示的なプロセスは、以下の通りである。まず、各距離の基準値が計算され得る。光反射強度は、試料の反射率などに依存するので、較正曲線自体は、距離を識別するために使用できない場合がある。試料の反射率の影響を打ち消すための基準値の一例は、以下の通りである。
基準値=dI/dx*1/I (1)
生体内の外科的プロセス中、オペレータは、標的組織組成の反射スペクトルが検出され得るまで、分光フィードバックを連続的に記録しながら、ファイバまたは内視鏡を移動させ得る。
図5を参照すると、反射光強度がI1である距離x1において第1のスペクトルが測定され得る。この時点において、x1の実際の値および反射信号強度の曲線は、不明である。次いで、ファイバまたは内視鏡の遠位端(反射光検出器)は、連続して移動され得、距離x2に対応する次の反射光強度I2が測定され得る。x1とx2との間の曲線が直線として近似され得るように、x2は、x1に近い場合がある。この時点において、x1、x2、および反射信号強度の曲線は、不明である。比較値は、I1、I2、およびdelta(x2-x1)を使用して、以下のように計算され得る。
比較値=delta(I2-I1)/delta(x2-x1)*1/I1 (2)
次いで、基準値は、比較値と同一のものについて検索される。式(2)において与えられる比較値と同一であることが判明した基準値(xr)が1つだけ存在する場合、xrは、x1の距離として決定され得る。2つの基準値(xr1、xr2)が存在する場合、ファイバまたは内視鏡の遠位端(反射光検出器)は、移動させ続けられ得、距離x3に対応する次の反射光強度I3が測定され得る。x2とx3との間の曲線が直線として近似され得るように、x3は、x2に近い場合がある。この時点において、x1、x2、x3、および反射信号強度の曲線は、不明である。新しい比較値は、I1、I2、I3、delta(x2-x1)、およびdelta(x3-x2)を使用して、以下のように計算され得る。
比較値=delta(I3-I2)/delta(x3-x2)*1/I2 (3)
次いで、基準値は、xr1+delta(x2-x1)およびxr2+delta(x2-x1)と同一のものについて検索される。基準値は、式(3)において与えられる比較値と比較され得る。基準値が比較値とより近い距離が、実際の距離として推定される。
生体内の外科的プロセス中、例示的な方法は、標的組成の反射スペクトルが検出されるまで、分光フィードバックを連続的に記録しながら、ファイバまたは内視鏡を移動させるステップを含み得る。分光器の遠位端が標的に向かって移動している場合の主なケースでは、検出された反射光の強度は、最初は弱く、標的とファイバ端との間の距離が減るにつれて増加する。例えば、第1のスペクトルは、反射光強度がI1である距離d1において測定された。反射データを連続的に収集しながら、ファイバまたは内視鏡の遠位端を標的に向けてわずかに移動させ続け、方法は、距離d2に対応する次の反射光強度I2を測定し得る。次いで、方法は、反射信号の変化の値の計算、勾配=delta(I2-I1)/delta(d2-d1)[1]を含み得る。計算された勾配の値を反射光強度に依存しないようにするために、計算された勾配は、正規化され得る。測定された距離における反射光の勾配を計算するための最終的な式は、
勾配(正規化)=[delta(I2-I1)/delta(d2-d1)]/I0 (4)
になり、ここで、I0=平均(I1,I2)である。
次いで、方法は、必要な距離を推定することを可能にするために、計算された勾配をライブラリ内の較正曲線上のものと比較し得る。すべての計算は、ソフトフェアを使用して高速に行われ得る。
図6は、解剖学的構造(例えば、軟組織、硬組織、または癌組織などの異常組織)または結石構造(例えば、腎臓結石、膵胆道結石、または胆嚢結石)などの被験者の体内の標的構造にレーザビームを送達するためにレーザシステムを制御するための方法600を示すフローチャートである。方法600は、レーザエネルギー送達システム100などのレーザエネルギー送達システム、またはレーザフィードバック制御システム200もしくは砕石システム400などのその変形によって実装および実行され得る。方法600のプロセスは、1つのフローチャートにおいて描かれているが、それらは、特定の順序で実行される必要はない。様々な例において、プロセスのうちのいくつかは、本明細書で示す順序とは異なる順序において実行され得る。
610において、レーザエネルギー(例えば、レーザビームまたはパルス)が標的に送達される。レーザエネルギーは、図1および図2を参照して上記で説明したように、第1のレーザ源106または第2のレーザ源116などのレーザ源から生成され、第1の光学経路108もしくは第2の光学経路118などの光学経路、または信号伝送経路280などのその変形を介して伝送され得る。
620において、レーザエネルギーの送達に応答して音響信号が感知され得る。レーザパルスが標的への経路に沿って媒体(例えば、液体および蒸気)を通って伝播すると、液体および蒸気は、レーザエネルギーを吸収して振動する。レーザパルスが標的に到達すると、標的は、レーザエネルギーを吸収して振動する。液体媒体および蒸気媒体の振動、ならびに標的構造の振動は、音響信号として感知され得るそれぞれの圧力波を生成する。レーザエネルギーが媒体を通過し、標的と相互作用することに応答する音響信号の一例を、図3A～図3Bに示す。図2を参照して上記で論じたように、音響センサは、とりわけ、マイクロフォン、ハイドロフォン、静電容量センサ、圧電センサ、圧電セラミックセンサ、光ファイバセンサ、または固体音響検出器を含み得る。音響センサは、一例において内視鏡の遠位部分などの、内視鏡内に配置されるか、または内視鏡に他の方法で関連付けられ得る。音響センサは、代替的には、光学経路302の遠位端304などの、光学経路(例えば、レーザファイバ)の遠位部分において配置され得る。
630において、音響信号は、1つまたは複数の音響特性を抽出するために分析され得る。音響信号は、図4を参照して上記で説明したように、レーザパルスを伝送するための同じ光学経路を介して、または照明光学経路もしくは可視化光学経路などの別個の異なる経路を介して伝送され得る。音響特性の例は、受信した音響信号の強度、出力、周波数もしくはスペクトル成分、またはグラフィカルな特徴もしくは形状を含み得る。いくつかの例において、音響特性は、音響信号の1つまたは複数の統計的特徴(例えば、信号の平均または分散)を含み得る。
1つまたは複数の音響特性は、いくつかの方法においてレーザエネルギー送達を制御するために使用され得る。640において、1つまたは複数の音響特性に基づいて、コントローラ回路260などを介して、レーザエネルギー出力が調整され得る。例えば、音響信号強度(例えば、振幅)は、レーザ出力密度に相関する。コントローラ回路260は、図3Bに示すように、音響信号ピーク355の振幅を最大化するなどのために、所望の音響信号強度を達成するために、照射パラメータ設定(例えば、出力、出力密度、パルスパラメータ、照射時間、総線量、またはエネルギー)を自動的に調整し得る。
いくつかの例において、1つまたは複数の音響特性は、標的タイプを識別するために使用され得る。図2を参照して上記で論じたように、組織標的または結石標的について、レーザエネルギーを吸収するその能力は、その組成と液体含有量とに依存する。異なる結石構造または軟組織もしくは硬組織などの異なる標的タイプは、異なる組成および/または液体含有量を有する場合がある。これらの標的が異なる量のレーザエネルギーを吸収する場合、それらは、異なる音響特性として感知され得るそれぞれ異なる振動パターンを生成する場合がある。1つまたは複数の音響信号特性は、標的検出器246を使用することなどによって、標的を、結石構造のカテゴリまたは解剖学的構造のカテゴリなどの複数の構造カテゴリのうちの1つとして識別するために使用され得る。それに加えて、1つまたは複数の音響信号特性は、標的分類器248を使用することなどによって、標的を、解剖学的構造の識別されたカテゴリ内の特定の組織タイプまたは結石構造の識別されたカテゴリ内の特定の結石タイプなどの、同じカテゴリの複数の構造タイプのうちの1つとして分類するために使用され得る。レーザ照射パラメータ設定は、識別された標的タイプに基づいて調整され得る。
レーザエネルギー出力を調整することに加えて、またはその代わりに、650において、1つまたは複数の音響特性は、レーザファイバの遠位端と標的との間の距離(「ファイバ-標的距離」)を変更するなどのために、レーザパルスを送達するための光学経路(例えば、レーザファイバ)の遠位部分の位置または向きを自動的に調整するために使用され得る。調整は、コントローラ回路260によって生成された制御信号に従って、内視鏡の長手方向通路内およびそれに対する光学経路(例えば、レーザファイバ)の遠位端の長手方向並進を作動させ得る、図4に示すアクチュエータ485などのアクチュエータを介して達成され得る。一例において、音響信号ピーク355の振幅を最大化するなどのために、所望の音響信号振幅を取得または維持するために、レーザエネルギー出力の調整(例えば、照射パラメータ設定の調整)とともに、光学経路の遠位部分(例えば、光学経路302の遠位端304)の位置または向きの調整が実行され得る。
いくつかの例において、1つまたは複数の音響特性は、ファイバ-標的距離を計算または推定するために使用され得る。推定されたファイバ-標的距離をフィードバック信号として使用し、レーザファイバ位置は、標的が所望のレーザ発射距離内にあるように調整され得る。そのような音響特性の一例は、レーザファイバ遠位端304から標的322までのレーザパルス移動時間を表す、図3Bに示すような時間間隔(t3-t0)である。そのような時間間隔は、ファイバ-標的距離に相関し、ファイバ-標的距離を推定するために使用され得る。コントローラ回路260によって生成されるような制御信号は、所望の時間間隔t3-t0を取得または維持するなどのために、レーザファイバ位置を自動的に調整するためにアクチュエータを制御し得る。
いくつかの例において、540においてレーザエネルギー出力を調整するため、および/または光学経路の遠位端の位置もしくは向きを調整するためにアクチュエータを制御するために、(音響フィードバックとは異なる)追加のフィードバックが使用され得る。そのような追加のフィードバックの例は、例えば、分光信号から生成された1つもしくは複数の分光信号特性、または撮像信号から生成された1つもしくは複数の撮像特性を含み得る。いくつかの例において、そのような追加のフィードバックは、図2を参照して上記で論じたような様々な例に従うなどして、異なる標的タイプを識別するために使用され得る。いくつかの例において、そのような追加のフィードバックは、図5を参照して上記で論じたような様々な例に従うなどして、ファイバ-標的距離を計算または推定するために使用され得る。異なる標的タイプの識別、および推定されたファイバ-標的距離は、650においてレーザエネルギー出力を制御可能に調整するため、および/またはレーザエネルギーを標的に向ける光学経路の遠位部分の位置を制御可能に調整するために、コントローラ回路260などによって使用され得る。
図7は、本明細書で論じる技法(例えば、方法論)のうちの任意の1つまたは複数が実行され得る例示的なマシン700のブロック図を全体的に示す。この説明の一部は、レーザエネルギー送達システム100(例えば、レーザフィードバック制御システム101)またはレーザフィードバック制御システム200の様々な部分のコンピューティングフレームワークに適用され得る。
代替実施形態において、マシン700は、スタンドアロンデバイスとして動作し得、または他のマシンに接続(例えば、ネットワーク化)され得る。ネットワーク展開において、マシン700は、サーバ-クライアントネットワーク環境において、サーバマシン、クライアントマシン、またはその両方の能力において動作し得る。一例において、マシン700は、ピアツーピア(P2P)(または他の分散型)ネットワーク環境においてピアマシンとして機能し得る。マシン700は、パーソナルコンピュータ(PC)、タブレットPC、セットトップボックス(STB)、携帯情報端末(PDA)、携帯電話、ウェブアプライアンス、ネットワークルータ、スイッチもしくはブリッジ、またはそのマシンによって行われるアクションを指定する命令(シーケンシャルまたはその他)を実行することができる任意のマシンであり得る。さらに、単一のマシンのみが示されているが、「マシン」という用語は、クラウドコンピューティング、サービスとしてのソフトウェア(SaaS)、他のコンピュータクラスタ構成などの、本明細書で論じる方法論のうちの任意の1つまたは複数を実行するために命令のセット(または複数のセット)を個別にまたは共同で実行するマシンの任意の集合も含むものと解釈されるものとする。
本明細書で説明する例は、ロジックまたはいくつかの構成要素もしくはメカニズムを含み得るか、またはそれらによって動作し得る。回路セットは、ハードウェア(例えば、単純な回路、ゲート、ロジックなど)を含む有形のエンティティにおいて実装された回路の集合である。回路セットのメンバーシップは、時間および基礎となるハードウェアの変動に対して柔軟であり得る。回路セットは、指定された動作を動作時に単独でまたは組み合わせて実行し得るメンバーを含む。一例において、回路セットのハードウェアは、特定の動作を実行するように普遍に設計(例えば、ハードワイヤード)され得る。一例において、回路セットのハードウェアは、特定の動作の命令を符号化するために物理的に変更された(例えば、磁気的、電気的、不変質量の粒子の可動配置など)コンピュータ可読媒体を含む、可変的に接続された物理構成要素(例えば、実行ユニット、トランジスタ、単純な回路など)を含み得る。物理構成要素を接続する際に、ハードウェア構成要素の基礎となる電気的特性は、例えば、絶縁体から導体へ、またはその逆に変更される。命令は、動作時に特定の動作の一部を実行するために、組み込みハードウェア(例えば、実行ユニットまたはローディングメカニズム)が可変接続を介してハードウェア内の回路セットのメンバーを作成することを可能にする。したがって、コンピュータ可読媒体は、デバイスが動作しているときに、回路セットメンバーの他の構成要素に通信可能に結合される。一例において、物理構成要素のいずれかは、2つ以上の回路セットの2つ以上のメンバーにおいて使用され得る。例えば、動作中、実行ユニットは、ある時点において第1の回路セットの第1の回路において使用され得、異なる時点において、第1の回路セット内の第2の回路によって、または第2の回路セット内の第3の回路によって再使用され得る。
マシン(例えば、コンピュータシステム)700は、ハードウェアプロセッサ702(例えば、中央処理装置(CPU)、グラフィック処理ユニット(GPU)、ハードウェアプロセッサコア、またはそれらの任意の組合せ)、メインメモリ704、およびスタティックメモリ706を含み得、それらの一部またはすべてが、インターリンク(例えば、バス)708を介して互いに通信し得る。マシン700は、ディスプレイユニット710(例えば、ラスタディスプレイ、ベクタディスプレイ、ホログラフィックディスプレイなど)、英数字入力デバイス712(例えば、キーボード)、およびユーザインターフェース(UI)ナビゲーションデバイス714(例えば、マウス)をさらに含み得る。一例において、ディスプレイユニット710、入力デバイス712、およびUIナビゲーションデバイス714は、タッチスクリーンディスプレイであり得る。マシン700は、記憶デバイス(例えば、ドライブユニット)716、信号発生デバイス718(例えば、スピーカ)、ネットワークインターフェースデバイス720、および全地球測位システム(GPS)センサ、コンパス、加速度計、または他のセンサなどの1つまたは複数のセンサ721を追加で含み得る。マシン700は、1つまたは複数の周辺デバイス(例えば、プリンタ、カードリーダなど)と通信またはこれらを制御するために、シリアル(例えば、ユニバーサルシリアルバス(USB))接続、パラレル接続、または他の有線もしくはワイヤレス(例えば、赤外線(IR)、近距離無線通信(NFC)など)接続などの出力コントローラ728を含み得る。
記憶デバイス716は、データ構造の1つまたは複数のセットが記憶されるマシン可読媒体722、または本明細書で説明する技法もしくは機能のうちの任意の1つもしくは複数を具体化するかもしくはそれらによって利用される命令724(例えば、ソフトウェア)を含み得る。命令724はまた、マシン700によるその実行中に、メインメモリ704内、スタティックメモリ706内、またはハードウェアプロセッサ702内に、完全にまたは少なくとも部分的に存在し得る。一例において、ハードウェアプロセッサ702、メインメモリ704、スタティックメモリ706、または記憶デバイス716のうちの1つまたは任意の組合せは、マシン可読媒体を構成し得る。
マシン可読媒体722は、単一の媒体として示されているが、「マシン可読媒体」という用語は、1つまたは複数の命令724を記憶するように構成された単一の媒体または複数の媒体(例えば、集中型もしくは分散型データベース、ならびに/または関連するキャッシュおよびサーバ)を含み得る。
「マシン可読媒体」という用語は、マシン700による実行のために命令を記憶、符号化、または搬送することができ、マシン700に本開示の技法のうちの任意の1つもしくは複数を実行させる任意の媒体、またはそのような命令によって使用される、もしくはそれに関連付けられるデータ構造を記憶、符号化、または搬送することができる任意の媒体を含み得る。非限定的なマシン可読媒体の例は、ソリッドステートメモリ、ならびに光学および磁気媒体を含み得る。一例において、質量のあるマシン可読媒体は、不変の(例えば、静止)質量を有する複数の粒子を有するマシン可読媒体を備える。したがって、質量のあるマシン可読媒体は、一時的な伝播信号ではない。質量のあるマシン可読媒体の具体的な例は、半導体メモリデバイス(例えば、電気的にプログラム可能な読み取り専用メモリ(EPROM)、電気的に消去可能なプログラム可能な読み取り専用メモリ(EEPROM))およびフラッシュメモリデバイスなどの不揮発性メモリ、内部ハードディスクおよびリムーバブルディスクなどの磁気ディスク、光磁気ディスク、ならびにCD-ROMディスクおよびDVD-ROMディスクを含み得る。
命令724は、さらに、いくつかの転送プロトコル(例えば、フレームリレー、インターネットプロトコル(IP)、伝送制御プロトコル(TCP)、ユーザデータグラムプロトコル(UDP)、ハイパーテキスト転送プロトコル(HTTP)など)のうちのいずれか1つを利用して、ネットワークインターフェースデバイス720を介して、伝送媒体を使用して、通信ネットワーク726を介して送信または受信され得る。例示的な通信ネットワークは、とりわけ、ローカルエリアネットワーク(LAN)、ワイドエリアネットワーク(WAN)、パケットデータネットワーク(例えば、インターネット)、携帯電話ネットワーク(例えば、セルラーネットワーク)、基本電話(POTS)ネットワーク、およびワイヤレスデータネットワーク(例えば、Wi-Fi(登録商標)として知られる電気電子技術者協会(IEEE)802.11規格ファミリー、Wi-Max(登録商標)として知られるIEEE802.16規格ファミリー)、IEEE802.15.4規格ファミリー、ピアツーピア(P2P)ネットワークを含み得る。一例において、ネットワークインターフェースデバイス720は、通信ネットワーク726に接続するための1つもしくは複数の物理ジャック(例えば、イーサネットジャック、同軸ジャック、または電話ジャック)または1つもしくは複数のアンテナを含み得る。一例において、ネットワークインターフェースデバイス720は、単一入力複数出力(SIMO)技法、複数入力複数出力(MIMO)技法、または複数入力単一出力(MISO)技法のうちの少なくとも1つを使用してワイヤレス通信するための複数のアンテナを含み得る。「伝送媒体」という用語は、マシン700による実行のための命令を記憶、符号化、または搬送することができ、そのようなソフトウェアの通信を容易にするデジタルもしくはアナログ通信信号または他の無形媒体を含む任意の無形媒体を含むものと解釈されるものとする。
補注
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、例示として、本発明が実施され得る具体的な実施形態を示す。これらの実施形態は、本明細書では「例」とも呼ばれる。そのような例は、図示または説明したものに加えて要素を含むことができる。しかしながら、本発明者らは、図示または説明したそれらの要素のみが提供される例も企図している。さらに、本発明者らは、特定の例(またはその1つもしくは複数の態様)に関して、または本明細書において図示もしくは説明した他の例(またはその1つもしくは複数の態様)に関して図示または説明したそれらの要素(またはその1つもしくは複数の態様)の任意の組合せまたは順列を使用する例も企図している。
本文書において、「a」または「an」という用語は、特許文書において一般的であるように、「少なくとも1つ」または「1つまたは複数」の任意の他の実例または使用法とは無関係に、1つまたは2つ以上を含むために使用される。本文書において、「または」という用語は、特に指示のない限り、「AまたはB」が「AだがBではない」、「BだがAではない」、および「AおよびB」を含むなど、非排他的なまたはを指すために使用される。本文書において、「含む」および「その中で(in which)」という用語は、「備える」および「ここで(wherein)」というそれぞれの用語の平易な英語の等価物として使用される。また、以下の特許請求の範囲において、「含む」および「備える」という用語は、制限のないものであり、すなわち、請求項においてそのような用語の後にリストされている要素に加えて要素を含むシステム、デバイス、物品、組成、処方、またはプロセスは、依然としてその請求項の範囲内にあるとみなされる。さらに、以下の特許請求の範囲において、「第1の」、「第2の」、および「第3の」などの用語は、単にラベルとして使用され、それらの対象に対して数値的な要件を課すことを意図していない。
上記の説明は、例示であり、限定ではないことを意図している。例えば、上記で説明した例(またはその1つもしくは複数の態様)は、互いに組み合わせて使用され得る。上記の説明を検討する際に当業者などによって、他の実施形態が使用され得る。要約は、読者が技術的開示の性質を迅速に確認することを可能にするために提供されている。この要約は、特許請求の範囲または意味を解釈または制限するためには使用されないという理解のもとに提出されている。また、上記の詳細な説明において、本開示を効率化するために、様々な特徴が一緒にグループ化されている場合がある。これは、特許請求されていない開示された特徴が任意の請求項に不可欠であることを意図していると解釈されるべきではない。むしろ、発明の主題は、特定の開示された実施形態のすべての特徴よりも少ない特徴にある場合がある。したがって、以下の特許請求の範囲は、これによって、例または実施形態として詳細な説明に組み込まれ、各請求項は、別個の実施形態としてそれ自体で成り立ち、そのような実施形態は、様々な組合せまたは順列において互いに組み合わされ得ることが企図されている。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照し、そのような特許請求の範囲が権利を与えられている均等物の全範囲とともに決定されるべきである。
100 レーザエネルギー送達システム
101 レーザフィードバック制御システム
102 レーザシステム、第1のレーザシステム
104 第2のレーザシステム
106 第1のレーザ源
108 第1の光学経路
110 第1の出力
116 第2のレーザ源
118 第2の光学経路
120 第2の出力
122 標的構造
130 フィードバック信号
200 レーザフィードバック制御システム
202 レーザシステム
240 フィードバック分析器
241 音響センサ
242 分光センサ
244 撮像センサ
246 標的検出器
248 標的分類器、分類器
250 メモリ
260 コントローラ回路
270 出力システム
272 ディスプレイ
274 聴覚出力システム
280 信号伝送経路
301 内視鏡
302 光学経路
304 遠位端、光学経路遠位端、ファイバ遠位端
322 結石標的
332 液体媒体
334 蒸気泡
340 レーザパルス
350 音響信号
351 第1のピーク、音響信号ピーク
353 第2のピーク、音響信号ピーク
355 音響信号ピーク
400 内視鏡レーザ砕石システム、砕石システム
425 内視鏡カメラまたは撮像デバイス
430 レーザ源
450 照明光学経路
460 可視化光学経路
470 光、照明光
485 アクチュエータ
500 較正曲線
700 マシン
702 ハードウェアプロセッサ
704 メインメモリ
706 スタティックメモリ
708 インターリンク
710 ディスプレイユニット
712 英数字入力デバイス、入力デバイス
714 ユーザインターフェース(UI)ナビゲーションデバイス、UIナビゲーションデバイス
716 記憶デバイス
718 信号発生デバイス
720 ネットワークインターフェースデバイス
721 センサ
722 マシン可読媒体
724 命令
728 出力コントローラ

Claims (30)

  1. 被験者の体内の標的にレーザエネルギーを向けるように構成されたレーザシステムと、
    前記標的へのレーザエネルギーの送達からもたらされる音響信号を受信し、
    前記受信した音響信号から1つまたは複数の音響特性を測定し、
    前記1つまたは複数の音響特性に基づいて、前記標的に送達するためのレーザエネルギーを生成するように前記レーザシステムを制御するための第1の制御信号を生成する
    ように構成された音響フィードバックコントローラ回路と
    を備える内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  2. 前記音響フィードバックコントローラ回路が、前記1つまたは複数の音響特性に基づいてレーザ照射パラメータ設定を調整するために前記レーザシステムへの前記第1の制御信号を生成するように構成され、
    前記レーザシステムが、前記調整されたレーザ照射パラメータ設定に従ってレーザエネルギーを生成するように構成された、
    請求項1に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  3. 前記音響信号を感知するように構成された音響センサを備え、前記音響センサが、前記音響フィードバックコントローラ回路に通信可能に結合された、請求項1または2に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  4. 前記音響センサが、内視鏡の遠位部分に取り付けられるように構成された、請求項3に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  5. 前記音響センサが、圧電センサを含む、請求項3または4に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  6. 前記音響センサが、マイクロフォンを含む、請求項3または4に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  7. 前記1つまたは複数の音響特性が、音響信号強度を含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  8. 前記1つまたは複数の音響特性が、音響信号形状特性を含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  9. 前記1つまたは複数の音響特性が、前記受信した音響信号の周波数またはスペクトル成分を含む、請求項1から8のいずれか一項に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  10. 前記音響フィードバックコントローラ回路が、前記測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、前記標的を複数の構造タイプのうちの1つとして識別するように構成された、請求項1から9のいずれか一項に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  11. 前記音響フィードバックコントローラ回路が、前記測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、前記標的を結石構造または解剖学的構造のうちの1つとして識別するように構成された、請求項10に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  12. 前記音響フィードバックコントローラ回路が、
    前記測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、前記標的をそれぞれ別個の組成を有する複数の結石タイプのうちの1つとして分類し、
    前記標的の前記分類に基づいてレーザ照射パラメータ設定を調整し、前記調整されたレーザ照射パラメータ設定に従って、前記分類された結石タイプの前記標的にレーザエネルギーを送達するように前記レーザシステムへの前記第1の制御信号を生成する
    ように構成された、
    請求項11に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  13. 前記音響フィードバックコントローラ回路が、
    前記測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、前記標的を複数の組織タイプのうちの1つとして分類し、
    前記分類された組織タイプに従って、前記レーザエネルギーを送達するかまたは前記レーザエネルギーの送達を保留するように前記レーザシステムへの前記第1の制御信号を生成する
    ように構成された、
    請求項11に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  14. 前記音響フィードバックコントローラ回路が、前記標的を治療領域または非治療領域として分類し、レーザエネルギーを前記治療領域に送達し、前記非治療領域へのレーザエネルギーの送達を保留するように前記レーザシステムへの前記第1の制御信号を生成するように構成された、請求項13に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  15. 前記音響フィードバックコントローラ回路が、前記標的を正常組織または癌組織として分類し、前記分類された癌組織の前記標的にレーザエネルギーを送達し、前記標的が正常組織として分類された場合、レーザエネルギーの送達を保留するように前記レーザシステムへの前記第1の制御信号を生成するように構成された、請求項13に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  16. 内視鏡の長手方向通路を介して前記被験者に挿入されるように構成された遠位部分を有する光学経路を備える、請求項1から15のいずれか一項に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  17. 前記光学経路が、前記レーザシステムに結合され、レーザエネルギーを前記標的に送信するように構成されたレーザファイバを含む、請求項16に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  18. 前記光学経路が、前記音響信号を前記音響フィードバックコントローラ回路に送信するように構成された、請求項17に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  19. 前記1つもしくは複数の音響特性または前記1つもしくは複数の分光特性に基づいて前記音響フィードバックコントローラ回路によって生成された第2の制御信号に従って内視鏡の前記長手方向通路に対する前記光学経路の長手方向の並進を作動させるように構成されたアクチュエータを備え、前記長手方向の並進が、前記標的に対する前記光学経路の遠位端の位置における変化を引き起こす、請求項16から18のいずれか一項に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  20. 前記音響フィードバックコントローラ回路が、
    前記受信した音響信号を使用して、前記光学経路の前記遠位端と前記標的との間の距離を計算し、
    前記光学経路の前記遠位端と前記標的との間の前記計算された距離に基づいて、前記光学経路の長手方向の並進を作動させるための前記第2の制御信号を生成する
    ように構成された、
    請求項19に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  21. 前記音響フィードバックコントローラ回路が、
    前記標的へのレーザエネルギーの前記送達に応答して、前記標的の画像から前記標的上のレーザスポットサイズを測定し、
    前記標的上の所望のレーザスポットサイズを達成するために、前記光学経路の長手方向の並進を作動させるための前記第2の制御信号を生成する
    ように構成された、
    請求項19に記載の内視鏡レーザエネルギー送達システム。
  22. 被験者の体内の標的にレーザエネルギーを送達するためにレーザシステムを制御するための方法であって、前記方法が、
    前記レーザシステムによって生成されたレーザエネルギーを、光学経路を介して前記標的に向けるステップと、
    前記レーザを前記標的に送達することに応答して、音響センサを介して音響信号を受信するステップと、
    音響フィードバックコントローラ回路を介して、前記受信した音響信号から1つまたは複数の音響特性を測定するステップと、
    前記音響フィードバックコントローラ回路を介して、前記1つまたは複数の音響特性に基づいて、前記標的に送達するためのレーザエネルギーを生成するように前記レーザシステムを制御するための第1の制御信号を生成するステップと
    を含む、
    方法。
  23. 前記1つまたは複数の音響特性に基づいてレーザ照射パラメータ設定を調整するために前記第1の制御信号を生成するステップと、前記調整されたレーザ照射パラメータ設定に従ってレーザエネルギーを生成するステップとを含む、請求項22に記載の方法。
  24. 前記1つまたは複数の音響特性が、前記受信した音響信号の音響信号強度、音響信号形状特性、または周波数もしくはスペクトル成分のうちの1つまたは複数を含む、請求項22または23に記載の方法。
  25. 前記測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、前記標的を複数の構造タイプのうちの1つとして識別するステップをさらに含み、前記複数の構造タイプが、結石構造または解剖学的構造のうちの1つを含む、請求項22から24のいずれか一項に記載の方法。
  26. 前記測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、前記標的を、それぞれ別個の組成を有する複数の結石タイプのうちの1つとして分類するステップと、
    前記標的の前記分類に基づいて、前記レーザシステムのためのレーザ照射パラメータ設定を調整するステップと、
    前記調整されたレーザパラメータ設定に従って、レーザエネルギーを前記標的に送達するように前記レーザシステムへの前記第1の制御信号を生成するステップと
    をさらに含む、請求項25に記載の方法。
  27. 前記測定された1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性を使用して、前記標的を複数の組織タイプのうちの1つとして分類するステップと、
    前記分類された組織タイプに従って、レーザエネルギーを送達するかまたはレーザエネルギーの送達を保留するように前記レーザシステムへの前記第1の制御信号を生成するステップと
    をさらに含む、請求項25に記載の方法。
  28. アクチュエータを介して、1つもしくは複数の音響特性または1つもしくは複数の分光特性に基づいて、前記標的に対する前記光学経路の遠位端の位置を調整するステップをさらに含む、請求項22から27のいずれか一項に記載の方法。
  29. 前記遠位端位置を調整するステップが、前記音響フィードバックコントローラ回路を介して、内視鏡の長手方向通路に対する前記光学経路の長手方向の並進を作動させるように前記アクチュエータへの第2の制御信号を生成するステップを含む、請求項28に記載の方法。
  30. 前記標的へのレーザエネルギーの前記送達に応答して、前記標的の画像から前記標的上のレーザスポットサイズを測定するステップと、
    前記アクチュエータを介して、前記標的上の所望のレーザスポットサイズを達成するために、前記光学経路の前記遠位端の前記位置を調整するステップと
    を含む、請求項28または29に記載の方法。
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