使用公共光源的光学相干性层析成像和照明

对相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119，本申请要求2010年12月9日提出的美国临时专利申请序列号No.61/421,578的优先权，此处引用了该申请的全部内容作为参考。

技术领域

此处所描述的各实施例涉及显微外科探针领域。更具体而言，此处所描述的各实施例涉及使用宽带光源的外科手术照明领域，具体来说，涉及超连续谱激光在照明和外科手术应用中的使用。

背景技术

显微外科过程领域发展迅速。通常，这些过程涉及使用能够到达要治疗或诊断的组织的探针。这样的过程利用具有耦合到远程控制台中的控制器设备的探针的内窥镜外科手术器械。现有技术的探针的当前状态在操作中十分复杂，常常需要使用复杂机械系统操作的活动部件。在很多情况下，在探针的设计中包括电动机。大部分现有技术的设备的成本使它们难以在一次或只几次外科手术过程之后丢弃。此外，现有技术的设备的复杂性一般导致探针具有几个毫米的截面。这些探针对于眼显微外科技术，实际用途很小。在眼外科手术中，优选1毫米或更小的尺寸，以达到通常涉及的区域，而不会损坏不相关的组织。

在内窥镜检查外科手术器械中使用了提供用于诊断或治疗目的的光的与时间有关的方向的扫描机构。这些器械通常使用在组织的扩展的区域上提供成像、治疗或两者而无需内窥镜相对于其环境移动的探针。然而，对于每一个功能通常有多个探针，并且对于不同的应用使用不同的光源。

因此，需要在小型探针中提供有效照明的对多个功能有用的公共光源。

发明内容

根据本发明的特定实施例，用于外科手术系统的光源包括可操作以产生宽带光的宽带光源。光源还包括适于将所述宽带光分离为具有覆盖可见光谱的至少大部分的光谱范围的照明光和具有所述照明光的所述光谱范围之外的光谱范围的外科手术光的波长分离器。然后，光源包括适于控制外科手术光的施加的至少一个外科手术模块。光源还包括第一和第二耦合光学装置。第一耦合光学装置被配置成以光学方式将照明光耦合到照明光导以便传递到第一外科手术探针。第二耦合光学装置被配置成以光学方式将外科手术光耦合到外科手术光导以便传递到第二外科手术探针。本发明的各实施例还包括包括用于照明光和外科手术光的公共光源的外科系统和使用和操作的方法。

根据本发明的其他实施例，用于提供照明的外科手术系统包括宽带相干光源、耦合光学装置，以及可连接到外科手术探针的纳米级光导。宽带相干光源产生具有包括可见光谱的至少大部分的光谱范围的宽带相干光。耦合光学装置将宽带相干光耦合到带有高数值孔径的纳米级光导，因此当从光纤的远端发出宽带光时产生大的角度分布。

下面将参考下列附图更详细地描述本发明的这些及其他实施例。

附图说明

图1是示出了根据本发明的一特定实施例的包括宽带光源的外科手术系统的框图。

图2示出了根据某些实施例的包括光学扫描元件、机头（hand-piece），以及从从宽带光源耦合到光导的端口的显微外科内腔探针。

图3是诸如图2所示出的显微外科内腔探针的远端的示意截面。

图4是示出了使用公共光源来生成用于照明以及外科手术应用的光的示例方法的流程图。

图5是示出了根据本发明的各实施例的可以被用作宽带光源的超连续谱激光源的框图。

在图形中，相同附图标记的元件具有相同或类似的功能。

具体实施方式

本发明的各实施例提供适用于与多功能外科手术探针（特别是眼外科手术探针）一起使用的公共光源。本发明的其他实施例提供适用于从公共光源传递光的多功能外科手术探针，以提供集成的多功能外科手术探针。在特定实施例中，外科手术探针的多个功能包括用于外科手术位置的可视化的光学相干性层析成像（OCT）扫描和可见的照明。

探针可以是手持式探针，用于由专业人员直接操纵。在某些实施例中，探针可以被设计用于由机器人臂或计算机控制的设备来控制。探针具有靠近操作控制器（假设是专家或设备）的近端，以及靠近组织或与组织接触的远端。根据此处所公开的各实施例的探针可以具有小尺寸、易于从近端操纵，并且最低限度地侵入到周围的组织。在远端，探针带有末端，探针从此处对位于末端的附近的目标组织执行某些动作。例如，探针可以从其末端传递光，并接收从通过末端耦合的组织反射或散射的光。探针的末端可以包括允许末端执行其动作的可移动元件。

图1是示出了根据本发明的一特定实施例的包括宽带光源20的外科手术系统10的框图。在所描绘的实施例中，宽带光源20耦合到多功能外科手术探针100的分开的端口。在替换实施例中，可以有对应于不同功能的一个或多个其它外科手术探针100使用来自宽带光源20的光。如下面详细描述的，宽带光源20生成包括在可见光谱内广泛地分布的波长的波长范围中的光，和在一些离散波长处的窄带宽线以便可见光谱中的大部分波长不存在相反，以便提供照明。宽带光源20还在用于照明的光谱之外的适用于特定外科手术应用的至少一个波长范围内生成光。因此，例如，红外辐射可以用于OCT应用。用于OCT应用的典型的波长带包括大约820-870nm、1060nm，或1300nm的波长。可以选择特定波长带，以便在某些操作条件或其他类似的考虑下与光导、相对性能特征兼容。在另一个示例中，高能量蓝色或紫外线辐射可以用于组织修改或其他治疗应用。一般而言，可以使用宽带照明及照明光谱之外的其他光的任何合适的组合。

在特定实施例中，宽带光源20可以是超连续谱激光。超连续谱激光是包括分散介质以跨宽的波长范围（可包括可见光谱）分布窄带激光脉冲的激光源。具有用于照明的这样的宽光谱分布的一个缺点是，相当大的能量可能包括在非可见光波长中。蓝色和紫外线波长中的能量会对眼睛内的视觉组织特别有害，通常通过天生的晶状体的吸收特性来防止紫外线范围中的波长。类似地，红外辐射会容易被视觉组织所吸收，以产生不希望有的对组织的加热。因此，由于安全原因，需要从用于照明的超连续谱激光源中过滤掉非可见光波长，这意味着此能量被浪费并且系统的总效率降低。

本发明的各实施例通过在由照明光照射的至少外科手术目标区域内将光分割为可见光波长范围内的照明光和用于外科手术的外科光，来利用否则会丢失的能量。在图1中所描绘的实施例中，宽带光源20包括将宽带光分割为至少两个不同的光谱分量的波长分离器30，其中至少一个光谱分量横跨包括适用于“白光”外科手术照明的可见光谱的大部分的波长范围。

宽带光源20还包括光束调节元件40，这些元件40改变照明光和外科手术光的能量级和/或过滤掉多余的或不期望的剩余波长，以便产生带有期望的能量和波长特征的相应的光束。在特定实施例中，波长分离器30和/或光束调节元件40可以包括诸如开关或电子控制装置之类的选择器，其准许用户为不同的应用选择外科手术光的期望频带。因此，例如，不同的红外频带可能对于OCT是可选择的。在另一个示例中，在用于OCT的波长和用于治疗的波长之间可以有选择。这可能对于例如对组织执行治疗并且然后验证治疗已经完全地并且成功地执行是有用的。

宽带光源还包括耦合接口50，这些耦合接口50将照明光和外科手术光耦合到光导或者外科手术光模块，光导或者外科手术光模块又耦合到一个或多个探针100。耦合接口50包括适用于允许外科手术光和照明光被有效地传递给目标点的光学元件。在照明光的情况下，用于“白光”照明的宽光谱带需要传输相对宽的光谱范围，而没有实质性损失。同样，需要最小化亮度损失，以便需要当耦合到诸如光纤之类的光导时具有高数值孔径。高数值孔径还提供从照明纤维发出的光的广角分布，照明纤维又允许较小直径的纤维被有效地使用。

用于OCT的外科手术光使用相对较窄的光谱带，以便单模纤维就足够。但是由于准确的OCT测量所需的轴向准确性，通常使用低耗散光纤，光纤必须还适用于无损失地传输波长比较长的红外辐射。如此示例所示出的，光纤和相关联的耦合光学装置50通常对于来自相同源的外科手术光和照明光不同。作为替代地，照明光和外科手术光可以被修改，以便允许两种形式的光通过公共的光导传递。这将需要用于公共光导的耦合光学装置50被修改，以便照明光和外科手术光不彼此干扰，在诸如OCT之类的应用中，允许外科手术光的各种波长与返回光束分离。不太希望照明光被用于OCT或其他外科手术应用的外科手术光扫描，因而可能需要分离器放置在扫描光学装置之前，以将照明光重定向到扫描路径之外。与本发明的各实施例对比，常规的外科手术探针没有解决与使用公共光源相关联的这些问题。

在所描绘的实施例中，OCT引擎60被示为外科手术模块的示例。OCT引擎60是用于测量使用外科手术光所生成的参考光束和从由外科手术光照射的组织返回的光之间的干扰的干涉测量设备。在特定实施例中，OCT引擎60可以包括基于光谱计的干涉仪，也称为“谱域OCT”。这指代OCT系统，该系统使用光的相对宽的光谱范围，并测量光谱带内的离散波长的干扰，以重建有关目标组织的信息。这样的应用特别适用于宽带光源20，因为来自宽带光源20的外科手术光将包括大量的波长。

OCT引擎60还包括处理器62，该处理器62可以是用于处理信息的一个或多个合适的电子组件，包括但不限于微处理器、微控制器、专用集成电路（ASIC），或其他可编程器件。处理器62处理关于由从组织反射的光所产生的干扰的信息，以生成扫描的组织的数学表示，该数学表示又可以被用来产生组织的电子图像。OCT引擎60还包括存储器64，该存储器64可以是任何合适的形式的信息存储器，包括电子、磁性，或光存储器，可以是易失性或者非易失性的。最后，OCT引擎60包括扫描控制器66。扫描控制器66可以是适用于控制光学组件的移动以重定向由OCT引擎60所使用的外科手术光的硬件、软件，和/或固件以及机械组件的任何合适的组合，可以包括处理器62和存储器64。例如，在探针100包括OCT光束的扫描光学装置的各实施例中，扫描控制器66可以连接到扫描光学装置，以便控制扫描机构。

在OCT成像技术的一个示例中，具有相干长度的光束可以通过使用探针被定向到目标组织中的某一点。该相干长度提供一解析深度，该解析深度当在探针的远端不同时，可以被去缠绕，以产生组织的照射的部分的深入的图像（A型扫描）。可以通过B型扫描来获得2维组织图像。在某些实施例中，B型扫描是沿着组织的截面的直线。此外，通过沿着组织中不同的线执行重复的B型扫描，可以提供组织的3D再现。在某些实施例中，B型扫描可以是一组具有相同长度并在与公共的交点相距一半径处排列的线。如此，多个B型扫描提供具有一深度的组织中的圆形区域的图像。

在某些实施例中，OCT技术使用前向定向扫描过程。在此情况下，在探针纵向轴的前向方向发生光学照明。在前向定向扫描中，在垂直于探针纵向轴的平面中，目标组织可以在探针前面。如此，从探针的末端传播到组织并从组织返回到探针的光可以在基本上平行于探针纵向轴的方向传播。在使用前向定向扫描的某些实施例中，目标组织可以大致垂直于探针纵向轴，但不精确垂直。此外，在某些实施例中，从目标组织传播到探针中以及从探针传播到目标组织的光可以不平行于探针纵向轴，而是围绕探针纵向轴形成对称模式。例如，在前向定向扫描中照射目标组织的光可以围绕探针纵向轴形成实心锥或其一部分。同样，在前向定向扫描中由内腔探针收集的光可以来自包括围绕探针纵向轴的锥体部分的一部分的三D区域中的目标组织。

图2示出了包括套管组件110和机头外壳150的显微外科内腔探针100。套管组件110包括内腔探针100的远端，其沿着探针纵向轴可以是长形的，并具有有限的截面。例如，在某些实施例中，套管组件110的直径（D₂）可以是大约0.5mm，而机头150可以具有直径（D₁）为若干毫米（诸如12-18mm）的基本上圆柱形的形状。耦合电缆195包括传输来自宽带光源20的耦合光学装置50的光的光导。在替换实施例中，分开的探针100可以耦合到公共光源，或外科手术光和照明光可以耦合到公共光导。

在某些实施例中，组件110可以与组织接触，包括显微外科过程的目标组织。如此，组件110可以涂有防止组织被感染或污染的材料。此外，外科手术过程与协议可以为组件110建立卫生学标准，所有的这些都以引用的方式并入本文中。例如，可能需要组件110在一次性使用之后废弃。在某些情况下，可以至少每当对不同的病人，或在身体的不同的部分执行过程时，废弃组件110。

机头外壳150可以更靠近探针的近端，与元件110相比，可以具有较大的截面。根据某些实施例，元件150可以适用于内腔探针100的手动操作。元件150可以适用于机器人操作，或用于通过自动化设备，或遥控设备来夹持。尽管组件110可以与活组织接触，但是，元件150可能不与活组织直接接触。如此，尽管元件150可以符合卫生学标准，但是，与那些用于组件110的相比，这些可以稍微放松一些。例如，元件150可以包括在丢弃之前可以反复地使用的内腔探针100的部件和组件。

因此，此处所公开的内腔探针100的一些实施例可以在元件150中包括复杂组件，可以在组件110包括成本更低廉，可替换的组件。一些实施例可以具有一次性使用的可移动元件110，而机头150可以使用多于一次。机头150可以密封，以便避免从机头150中的内部元件发出的微粒或烟对组织的污染。在某些实施例中，套管组件110可以通过粘性接合固定于机头150。根据其他实施例，组件110可以从机头150可移除，以对于重复的过程方便地替换内腔探针100。根据图2的一些实施例可以具有一次性使用的元件150和一次性使用的组件110。

在某些实施例中，OCT技术可以使用侧面成像。例如，在侧面成像中，目标组织可以平行于包含探针纵向轴的平面。在像这样的情况下，可能期望在围绕探针纵向轴的圆形的轨迹中移动照明点，以产生目标组织的闭环的图像。这样的情况可能会在涉及血管内的过程的显微外科中出现。例如，在冠状血管造影术中，可以使用此处所描述的实施例来沿着动脉管腔在圆柱区域完全扫描冠状动脉的内壁。

图3是示出了根据本发明的特定实施例的示例内腔探针100的套管组件110的特定特征的示意图。在所描绘的实施例中，套管组件110包括环绕OCT纤维114的套管112。套管112可以由用于在外科手术过程中插入到切口中的任何合适的材料（诸如不锈钢）构成。可以在套管中形成槽或通道以容纳照明纤维116。照明纤维116的直径可以比OCT纤维114的直径小得多。

在所描绘的实施例中，套管组件110包括被置于套管组件110的远端的扫描光学装置118。扫描光学装置118包括以任何合适的方式可移动以扫描光束的光学元件。扫描光学装置118可以包括例如用来跨目标区域扫描测量光束的反转渐变折射率（GRIN）透镜。套管112中的照明纤维116绕开扫描光学装置118，以便照明不会被测量OCT光束扫描。这可有利地使分开的照明光和外科手术光容易地在同一个探针100内使用。

图4是示出了使用公共光源来生成用于照明以及外科手术应用的光的示例方法的流程图200。在步骤202中，生成包括照明光和外科手术光的宽带光。如上文所指出的，在此上下文中，照明光是指涵盖适用于对外科手术目标位置进行“白光”照明的可见光谱的至少大部分的光。外科手术光是指照明光的谱带之外的也在被照射的外科手术视野处或其附近传递的光。在步骤204中，宽带光被分成照明光和外科手术光。在步骤206中，调节照明光和外科手术光的光束。例如，可以过滤光，以去除不希望有的波长，可以改善光束一致性，可以适当地调整其他光束性质，以便与最终应用兼容。

照明光在步骤208中使用第一耦合光学装置耦合到照明光导。这可以是例如小直径光纤，其中，照明光耦合到带有高数值孔径的光纤，以当发出照明光时产生广角分布。在步骤210中，外科手术光耦合到外科手术模块，该外科手术模块控制用于组织治疗或特征化的外科手术光的施加。在步骤212中，外科手术光使用第二耦合光学装置耦合到外科手术光导。在步骤214中，照明光导和外科手术光导都耦合到外科手术探针。然后，可以将探针安置在外科手术目标位置附近，以用于选择性的外科手术用途。

在本发明的某些实施例中，外科手术光的波长可由用户选择，以便对于不同的应用，可以使用不同的波长或波长范围。例如，外科医生可以使用OCT波长来表征组织，然后，切换到对组织进行治疗的治疗波长，然后，返回到OCT波长以验证治疗已经成功地执行。一般而言，根据各实施例的使用或操作的任何方法都可以用于这样的实施例。

图5示出了超连续谱光源300的形式的宽带激光源20的示例。超连续谱光源包括超连续谱激光302，该超连续谱激光302通过向诸如光子晶体纤维之类的色散的非线性的介质传递高能激光脉冲来产生宽带激光能量。这有效地增宽了脉冲的光谱分布。超连续谱激光302还可以包括控制电子器件和/或接口308，波束功率可以通过功率监视器310来监测，以便维持宽带脉冲质量。在照明应用中，也可能期望进一步使用另一色散介质304来伸展时域中的脉冲，该另一色散介质304又可以是可连接到诸如探针100之类的外科手术探针的光导306的一部分。也可以执行诸如过滤掉不希望有的或有害的波长之类的其他波束调节。

优选地，可以利用超连续谱波束的空间相干性，以便光导306是具有小于100微米的直径（或其他最大的横截面尺寸）的纳米级的光导306。具体而言，可以使用带有高数值孔径的纳米级光导，诸如芯的折射率和包层的折射率之间的差异大的纤维，以便发出的光有广角分布。一种备选方案将是使纳米级光的尖部形状逐渐变细，诸如通过将它形成为复合式抛物面聚光器，以便产生宽分布角度。也可以使用光束扩展光学装置312来加宽发出的光的角度分布。尽管对于不相干的白光可能难以或不可能从这样的小型光导产生足够的角度分布，但是，超连续谱激光的相干性准许足够的照度（大约5-15流明）以及足够的角度分布，以照射相对较宽的外科手术视野。

本发明的各实施例使用公共光源来提供向外科手术目标区域提供照明和外科手术光。上文所描述的本发明的各实施例只是示例性的。本领域技术人员可以从所公开的那些实施例认识到各种替换实施例。那些替换实施例也在本发明的范围内。如此，本发明只通过下列权利要求来加以限制。