披露領(lǐng)域

本披露涉及以光學(xué)相干斷層成像術(shù)(OCT)增強(qiáng)的外科器械，并且涉及用于對(duì)使用OCT的外科器械的所不希望移動(dòng)進(jìn)行修正的系統(tǒng)和方法。

相關(guān)領(lǐng)域的說(shuō)明

手術(shù)經(jīng)常涉及對(duì)組織的精確移除或?qū)η锌诘陌仓?。在顯微手術(shù)中，尤其是在所有三個(gè)維度中的精確定位以及精確的運(yùn)動(dòng)控制對(duì)于避免非預(yù)期效果(例如不能完成手術(shù)或甚至造成傷害)是關(guān)鍵的。這對(duì)于眼科手術(shù)是尤其正確的。例如，在玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)中，希望工具尖端定位精度為約10μm。人手震顫在手術(shù)中是常見(jiàn)問(wèn)題并且難以避免，而其通常造成約多達(dá)50μm的移動(dòng)。這大大超出對(duì)于玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)和其他顯微手術(shù)的希望范圍并且降低了這些手術(shù)的質(zhì)量。

因?yàn)椴豢赡軐?duì)外科器械的移動(dòng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)乜刂贫沟闷渌中g(shù)(例如對(duì)視網(wǎng)膜靜脈阻塞的處理)不可能進(jìn)行。視網(wǎng)膜靜脈阻塞影響1.6％的年齡為49歲及年齡更大的人并且可以進(jìn)行外科處理，但是目前該手術(shù)被認(rèn)為進(jìn)行起來(lái)過(guò)于有風(fēng)險(xiǎn)。

用于解決所不希望的移動(dòng)(例如在顯微手術(shù)中的偶然移動(dòng))的現(xiàn)有方法對(duì)震顫進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償。例如，一種方法在外科器械上放置以磁強(qiáng)計(jì)輔助的加速度計(jì)來(lái)檢測(cè)震顫并對(duì)震顫進(jìn)行補(bǔ)償。使用近端加速度計(jì)來(lái)感測(cè)遠(yuǎn)端運(yùn)動(dòng)的其他方法需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)過(guò)濾和處理并且將顯著的重量添加至外科器械上，這趨向于產(chǎn)生更多震顫。

對(duì)于可以通過(guò)更實(shí)際的方式對(duì)震顫或其他所不希望的移動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)娘@微外科器械、系統(tǒng)和方法仍然存在著需要。

概述

在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種OCT系統(tǒng)，該OCT系統(tǒng)含有OCT源，該OCT源經(jīng)由OCT傳輸介質(zhì)聯(lián)接至光束分離器，該光束分離器經(jīng)由一個(gè)OCT路徑聯(lián)接至參考臂并且經(jīng)由第二OCT傳輸介質(zhì)聯(lián)接至以O(shè)CT增強(qiáng)的外科器械。該以O(shè)CT增強(qiáng)的外科器械含有OCT聚焦元件、致動(dòng)器和執(zhí)行外科手術(shù)的外科部件。OCT系統(tǒng)還含有經(jīng)由OCT傳輸介質(zhì)聯(lián)接至該光束分離器的檢測(cè)器。該檢測(cè)器接收OCT光束，該OCT光束含有來(lái)自該參考臂的分量和來(lái)自該以O(shè)CT增強(qiáng)的外科器械的分量。該OCT系統(tǒng)另外含有計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)電聯(lián)接或無(wú)線(xiàn)聯(lián)接至該檢測(cè)器和該致動(dòng)器。該外科器械的所不希望的移動(dòng)導(dǎo)致由該檢測(cè)器所檢測(cè)到的干涉圖樣中的改變，該改變被傳達(dá)至該計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)將電信號(hào)或無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)送至該致動(dòng)器，從而引起該外科器械的修正移動(dòng)。

在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種以O(shè)CT增強(qiáng)的外科器械，該外科器械含有OCT傳輸介質(zhì)、OCT聚焦元件、致動(dòng)器和外科部件。該致動(dòng)器能夠操作來(lái)引起該外科器械響應(yīng)于行進(jìn)穿過(guò)該OCT傳輸介質(zhì)和該OCT聚焦元件的OCT光束進(jìn)行修正移動(dòng)。

在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種通過(guò)以下方式對(duì)外科器械的所不希望的移動(dòng)進(jìn)行修正的方法：將來(lái)自O(shè)CT源的OCT光束經(jīng)由OCT傳輸介質(zhì)發(fā)送至光束分離器，該光束分離器將該光束分離成行進(jìn)至參考臂并且被該參考臂反射的OCT光束和行進(jìn)至該外科器械正進(jìn)行手術(shù)的組織并且被該組織反射的OCT光束；對(duì)于由該參考臂和該組織反射的這些OCT光束檢測(cè)干涉圖樣；基于該干涉圖像確定是否發(fā)生了所不希望的移動(dòng)并且確定適當(dāng)?shù)男拚苿?dòng)；并且使用位于該外科器械中的致動(dòng)器引起該外科器械中適當(dāng)?shù)男拚苿?dòng)。

附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

為了更加完整地理解本發(fā)明及其特征和優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參考結(jié)合附圖的以下說(shuō)明，這些附圖并未按比例繪制，在這些附圖中：

圖1是含有以O(shè)CT增強(qiáng)的外科器械的OCT系統(tǒng)；

圖2是以O(shè)CT增強(qiáng)的外科器械；

圖3是以O(shè)CT增強(qiáng)的外科器械的另一個(gè)實(shí)施例；

圖4是在以O(shè)CT增強(qiáng)的外科器械中的光束分離和聚焦單元；

圖5是在以O(shè)CT增強(qiáng)的外科器械中的光束分離和聚焦單元的另一個(gè)實(shí)施例；

圖6是在以O(shè)CT增強(qiáng)的外科器械中的聯(lián)接器；并且

圖7是描繪了使用含有以O(shè)CT增強(qiáng)的外科器械的OCT系統(tǒng)的測(cè)量矢量在空間中的關(guān)系的圖。

具體實(shí)施方案的說(shuō)明

在以下說(shuō)明中，通過(guò)舉例的方式對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行闡述以便于討論所披露主題。然而，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該明顯的是，所披露的實(shí)施例是示例性的并且不是所有可能的實(shí)施例的窮舉。

如在此使用的，后面帶有字母的參考數(shù)字指的是元件的具體實(shí)例，并且僅由參考數(shù)字形成的數(shù)字指的是集體元件。因此，例如，裝置‘12a’指的是裝置類(lèi)型的實(shí)例，該裝置類(lèi)型可以集體性地被稱(chēng)為多個(gè)裝置‘12’并且該裝置類(lèi)型中的任一者可以一般性地被稱(chēng)為一個(gè)裝置‘12’。

現(xiàn)參照附圖，圖1是具有以O(shè)CT增強(qiáng)的外科器械200的OCT系統(tǒng)100。光學(xué)相干斷層成像術(shù)(OCT)是用于對(duì)樣本材料(例如至少部分地反射光線(xiàn)的組織)進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查的干涉分析技術(shù)。光學(xué)相干斷層成像術(shù)還可以用于對(duì)樣本材料進(jìn)行功能檢查，例如樣本材料的運(yùn)動(dòng)和速率或組織的血液流動(dòng)。在OCT中，呈OCT光束形式的光線(xiàn)用于基于在參考光束和與樣本材料(例如生物組織)相互作用的采樣光束之間產(chǎn)生的光學(xué)干涉來(lái)測(cè)量距離和深度輪廓。在一些實(shí)施例中，OCT光束可以被提供成脈沖、掃描波長(zhǎng)或?qū)拵Ч狻?/p>

OCT系統(tǒng)100可以對(duì)外科器械200與組織300(在這個(gè)示例圖中表現(xiàn)為眼睛)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和速率進(jìn)行測(cè)量。

OCT系統(tǒng)100另外包括OCT源110，該OCT源產(chǎn)生OCT光束(未示出)，該OCT光束穿過(guò)OCT傳輸介質(zhì)230c行進(jìn)至光束分離器120，該OCT光束在該光束分離器處被分離成使得該光束的一部分穿過(guò)OCT傳輸介質(zhì)230b行進(jìn)至參考臂130并且該光束的一部分穿過(guò)OCT傳輸介質(zhì)230a行進(jìn)至外科器械200。在命中參考臂130或組織300之后，這些OCT光束對(duì)應(yīng)地穿過(guò)OCT傳輸介質(zhì)230b和230a行進(jìn)返回至光束分離器120，這些OCT光束在該光束分離器處經(jīng)由OCT傳輸介質(zhì)230d被引導(dǎo)至檢測(cè)器140。檢測(cè)器140給計(jì)算機(jī)150發(fā)送信號(hào)，該計(jì)算機(jī)包括能夠基于從檢測(cè)器140接收的信號(hào)來(lái)確定外科器械200相對(duì)于組織300的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和速率的處理器。計(jì)算機(jī)150確定外科器械200是否需要修正移動(dòng)，并且如果需要的話(huà)則將信號(hào)發(fā)送至外科器械200中的致動(dòng)器250。致動(dòng)器250響應(yīng)于該信號(hào)并且實(shí)時(shí)地引起外科器械200的修正移動(dòng)。

在一些實(shí)施例中，OCT傳輸介質(zhì)230是光纖。

在圖1中示出的實(shí)施例中，就光學(xué)延遲而言參考臂130是靠近組織300定位的并且處于距OCT源110一段可接受距離的預(yù)先確定的位置中。從組織300穿過(guò)外科器械200行進(jìn)返回至檢測(cè)器140的OCT光束與來(lái)自參考臂130的OCT光束發(fā)生干涉并且產(chǎn)生干涉圖樣。作為結(jié)果，可以確定外科器械200相對(duì)于組織300的運(yùn)動(dòng)特性(例如間隙、位移和速率)。

在一個(gè)實(shí)施例中，參考臂130包括用于反射OCT光束的鏡子。

在一個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)器140是光譜儀。在另一個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)器140包括產(chǎn)生表明在檢測(cè)器140處的入射光線(xiàn)強(qiáng)度的電信號(hào)的光電二極管或類(lèi)似裝置。

檢測(cè)器140可以將電信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)150。在這種實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)150可以包括用于信號(hào)調(diào)節(jié)、解調(diào)、數(shù)字化和數(shù)字信號(hào)處理的電路。在另一個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)器140將無(wú)線(xiàn)信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)150。

在一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)150另外包括存儲(chǔ)多個(gè)指令(即，可執(zhí)行代碼)的存儲(chǔ)介質(zhì)，這些指令可由訪問(wèn)存儲(chǔ)介質(zhì)的處理器執(zhí)行。該處理器可以執(zhí)行多個(gè)指令，這些指令引起外科器械200中的致動(dòng)器250激活，并且控制這種激活的參數(shù)，從而允許對(duì)外科器械200的所不希望的移動(dòng)加以補(bǔ)償。為了此披露的目的，存儲(chǔ)介質(zhì)可以包括將數(shù)據(jù)和指令存儲(chǔ)至少一段時(shí)間的非易失性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。存儲(chǔ)介質(zhì)可以包括永久性和易失性介質(zhì)、固定和可移除介質(zhì)、以及磁性和半導(dǎo)體介質(zhì)。存儲(chǔ)介質(zhì)可以非限制性地包括以下存儲(chǔ)介質(zhì)，例如，直接存取存儲(chǔ)裝置(例如硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器或軟盤(pán))、順序存取存儲(chǔ)裝置(例如磁帶磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器)、光盤(pán)(CD)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、CD-ROM、數(shù)字多功能光盤(pán)(DVD)、電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM))、閃速存儲(chǔ)器、非易失性介質(zhì)、和以上元件的多種不同組合。

圖2描繪了外科器械200a，該外科器械可以用于OCT系統(tǒng)中并且包括手柄210和插管220。在一些實(shí)施例中，可以用執(zhí)行外科手術(shù)的不同外科部件來(lái)替換插管220。OCT傳輸介質(zhì)230a穿過(guò)手柄210行進(jìn)到插管220中，該OCT傳輸介質(zhì)在該插管220處終止于聚焦元件(例如，透鏡、曲面鏡)240。手柄210還含有致動(dòng)器250，該致動(dòng)器可操作來(lái)從計(jì)算機(jī)(未示出)接收信號(hào)并且響應(yīng)于該信號(hào)引起外科器械200a的移動(dòng)。因?yàn)橹挥幸粋€(gè)OCT光束行進(jìn)穿過(guò)聚焦元件240，圖2中的器械提供一維的OCT測(cè)量。外科器械可以包括與圖2中所描繪的那些相類(lèi)似的多個(gè)OCT傳輸介質(zhì)和聚焦透鏡。這多個(gè)OCT傳輸介質(zhì)可以是經(jīng)由聯(lián)接器聯(lián)接的多個(gè)OCT光纖，如在圖6中示出的。

在示出的實(shí)例中(其中外科器械200含有插管220)，致動(dòng)器250使插管220移動(dòng)進(jìn)出手柄210以補(bǔ)償所不希望的移動(dòng)。例如，如果OCT系統(tǒng)確定插管220距組織(未示出)過(guò)近，則致動(dòng)器250使插管220移動(dòng)到手柄210中以進(jìn)行補(bǔ)償。

在一些實(shí)施例中，致動(dòng)器250使插管220或其他外科部件以與外科器械200的所不希望的移動(dòng)的速度相匹配的速度移動(dòng)。致動(dòng)器250還可以使插管220或其他外科部件在與所不希望的運(yùn)動(dòng)的方向、或所不希望的運(yùn)動(dòng)的分量方向相反的方向上運(yùn)動(dòng)。

致動(dòng)器250可以是能夠響應(yīng)于所不希望的移動(dòng)來(lái)使外科器械200實(shí)時(shí)移動(dòng)的任何外科致動(dòng)器。在一些實(shí)施例中，致動(dòng)器250可以構(gòu)成外科器械200的重量的一小部分，以便避免引入額外的震顫。例如，致動(dòng)器250可以小于外科器械200的重量的25％。在一個(gè)實(shí)施例中，致動(dòng)器250是壓電致動(dòng)器。在另一個(gè)實(shí)施例中，致動(dòng)器250是音圈致動(dòng)器。在又另一個(gè)實(shí)施例中，致動(dòng)器250是電磁致動(dòng)器。在另一個(gè)實(shí)施例中，致動(dòng)器250是超聲致動(dòng)器。致動(dòng)器250可以能夠如圖2中示出地僅在一個(gè)方向上移動(dòng)、或如圖3(該圖展示了在三個(gè)方向上移動(dòng))中示出地在兩個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)方向上移動(dòng)。在致動(dòng)器250能夠在兩個(gè)或更多個(gè)方向上移動(dòng)的實(shí)施例中，致動(dòng)器250可以含有多個(gè)部件或子致動(dòng)器，該多個(gè)部件或子致動(dòng)器各自能夠在一個(gè)方向上移動(dòng)。

圖3描繪了替代性外科器械200b，該外科器械含有光束分離和聚焦單元260而不是聚焦元件240，該光束分離和聚焦單元將沿OCT傳輸介質(zhì)230a行進(jìn)的OCT光束分離成在兩個(gè)或更多個(gè)方向上聚焦的兩個(gè)或更多個(gè)分開(kāi)的OCT光束。在一個(gè)實(shí)施例中，該光束被分離成在三個(gè)或更多個(gè)方向上聚焦的三個(gè)或更多個(gè)OCT光束。由光束分離和聚焦單元260產(chǎn)生的該多個(gè)分離光束具有略微不同的光學(xué)路徑長(zhǎng)度延遲，使得在對(duì)應(yīng)的OCT圖像中來(lái)自不同光束的OCT信息將在深度方面分開(kāi)。使用這些不同的圖像，對(duì)組織相對(duì)于外科器械200的多維位移和速率(反之亦然)進(jìn)行計(jì)算。

圖4描繪了統(tǒng)一的光束分離和聚焦單元260a。光束分離和聚焦單元將該OCT光束分離成多個(gè)光束并且使那些光束在組織(未示出)上聚焦。

圖5描繪了替代性光束分離和聚焦單元260b，該光束分離和聚焦單元含有分開(kāi)的光束分離單元270和光束聚焦單元280。在一些實(shí)施例中，光束分離單元270是光纖分離器或多包層光纖。在一些實(shí)施例中，光束聚焦單元280是梯度折射(GRIN)透鏡。在其他實(shí)施例中，光束分離和聚焦單元260b是多面球，例如藍(lán)寶石球。

圖6描繪了用于將OCT光束分離到多個(gè)OCT光纖410a、410b和410c中的聯(lián)接器400，該多個(gè)OCT光纖分別終止于聚焦元件240a、240b和240c。該多個(gè)OCT光纖和聚焦元件可以通過(guò)類(lèi)似于圖2中描繪的方式來(lái)定位于外科器械200中。OCT光纖410可以具有略微不同的長(zhǎng)度以引起不同的光學(xué)路徑延遲。

在另一個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)器能夠檢測(cè)光線(xiàn)的偏振，并且穿過(guò)外科器械的OCT光束通過(guò)偏振被分離到不同的取向中。這還允許了針對(duì)組織和外科器械相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)和速率的多維測(cè)量。

在又另一個(gè)實(shí)施例中(未示出)，可以使用一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)散光學(xué)元件或二向色光束分離光學(xué)元件將OCT光束以不同取向分離到不同光譜帶中。在這個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)器能夠檢測(cè)這些不同的光譜帶。這個(gè)實(shí)施例也允許了針對(duì)組織和外科器械相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)和速率的多維測(cè)量。

在具體示例實(shí)施例中，將三個(gè)分開(kāi)的OCT光束提供至組織，圖7描繪了光束矢量V1、V2和V3在空間上的關(guān)系(代表每個(gè)光束的取向)以及組合矢量V_總。這些光束矢量可以是代表了組織相對(duì)于外科器械的位移矢量或速率矢量，并且反之亦然。這些光束矢量對(duì)外科器械的取向是已知的，因?yàn)樗鼈兓谄餍翟O(shè)計(jì)或預(yù)先的校準(zhǔn)。注意到的是，這些光束矢量V1、V2和V3是總體運(yùn)動(dòng)矢量V_總在每個(gè)光束方向上的投影。OCT系統(tǒng)測(cè)量每個(gè)光束矢量的幅值并且計(jì)算總體運(yùn)動(dòng)矢量V_總。為了對(duì)所不希望的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，外科器械使用多個(gè)致動(dòng)器以用于主動(dòng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。對(duì)于三維運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，通常需要三個(gè)致動(dòng)器。注意到的是，致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)矢量M1、M2、M3的取向同樣被認(rèn)為是已知的參數(shù)，但是它們可以不與OCT光束矢量V1、V2、V3的那些取向重疊。可以容易地計(jì)算總體運(yùn)動(dòng)矢量V_總到那些致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)方向M1、M2、M3上的投影，并且可以將該投影用于引導(dǎo)對(duì)外科工具的實(shí)際運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

在一個(gè)實(shí)施例中，OCT系統(tǒng)通過(guò)將來(lái)自O(shè)CT源的OCT光束穿過(guò)OCT傳輸介質(zhì)發(fā)送至光束分離器來(lái)修正在外科器械中的所不希望的移動(dòng)，該光束分離器將OCT光束分離成行進(jìn)至參考臂的光束和行進(jìn)至外科器械的光束。在參考臂中的OCT光束經(jīng)由OCT傳輸介質(zhì)來(lái)反射返回并(例如通過(guò)光束分離器)行進(jìn)至檢測(cè)器，該光束分離器將該OCT光束與來(lái)自外科器械的光束重新組合。在外科器械中的OCT光束被組織反射返回并且也經(jīng)由OCT傳輸介質(zhì)(例如通過(guò)光束分離器)行進(jìn)至檢測(cè)器，該光束分離器將該OCT光束與來(lái)自參考臂的光束重新組合。檢測(cè)器將經(jīng)反射的OCT光束檢測(cè)為組合的光束或檢測(cè)為來(lái)自參考臂和外科器械的分量。檢測(cè)器典型地檢測(cè)干涉圖樣，如果外科器械經(jīng)歷了預(yù)先確定程度的所不希望的移動(dòng)的話(huà)該干涉圖樣就會(huì)改變。檢測(cè)器將電信號(hào)或無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)然后使用其處理器來(lái)確定是否發(fā)生了所不希望的移動(dòng)并且確定適當(dāng)?shù)男拚苿?dòng)。計(jì)算機(jī)然后將電信號(hào)或無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)送給外科器械中的致動(dòng)器以引起修正移動(dòng)。這種修正移動(dòng)可以實(shí)時(shí)發(fā)生。例如，它可以在小于一毫秒內(nèi)發(fā)生。

上述類(lèi)型的以O(shè)CT增強(qiáng)的外科器械可以用于顯微手術(shù)，例如玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)(包括眼內(nèi)套管插入術(shù)、對(duì)抗凝劑的注射以處理栓塞、和動(dòng)靜脈鞘膜切開(kāi)術(shù))、耳鼻喉科手術(shù)、神經(jīng)學(xué)手術(shù)、腹腔鏡手術(shù)、前列腺手術(shù)、和微脈管手術(shù)。對(duì)外科器械尖端的定位可以被控制到10μm或更小的精度上。

以上披露的主題應(yīng)認(rèn)為是展示性而非限制性的，并且所附權(quán)利要求書(shū)旨在覆蓋所有這種修改、增強(qiáng)、以及落入本披露的真實(shí)精神和范圍內(nèi)的其他實(shí)施例。因此，為了被法律最大程度地允許，本披露的范圍將由以下權(quán)利要求書(shū)及其等效物的最廣泛允許的解讀來(lái)確定并且不應(yīng)受限于或局限于上述詳細(xì)說(shuō)明。例如，許多示例實(shí)施例在此描繪和描述為使用三個(gè)OCT光束。對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將明顯的是，在這種實(shí)施例中通過(guò)相應(yīng)地增加計(jì)算復(fù)雜度可以使用任意多個(gè)OCT光束，例如三個(gè)或更多個(gè)光束。