具有集成光学相干断层扫描和显示系统的外科手术显微镜

技术领域

本披露总体上涉及用于眼外科手术的外科手术显微镜，并且更具体地涉及具有集成光学相干断层扫描(OCT)和显示系统的外科手术显微镜。

背景技术

眼外科医生在眼外科手术过程中通常依靠外科手术显微镜来看到患者眼睛的微小细节。一类眼外科手术-玻璃体视网膜手术-涉及玻璃体切除术(从后房中移除玻璃体以进入视网膜)。玻璃体切除术的成功执行需要基本上完全移除玻璃体，包括玻璃体基底附近最具挑战性的区域。由于玻璃体的透明性质，仅依靠常规外科手术显微镜用于可视化来进行玻璃体切除术可能是具有挑战性的。

为了帮助可视化，外科医生可以依靠外科手术前的光学相干断层扫描(OCT)成像。OCT成像术是一种通过将激光束聚焦到目标上、收集反射束、使得参考束与反射束发生干涉并检测所述干涉、以及测量所述射束的焦深内的反射特征来使得深度的目标组织能够可视化的技术。结果是深度的线扫描、截面扫描、或体积扫描。在外科手术过程中，外科医生可以参考先前生成的OCT扫描以帮助可视化。然而，仍然缺乏用于提供实时的外科手术中OCT成像以帮助可视化的系统。

发明内容

在某些实施例中，眼外科手术显微镜包括：光束耦合器，所述光束耦合器沿着所述眼外科手术显微镜的光路被定位在第一目镜与放大/聚焦光学器件之间，所述光束耦合器可操作用于沿着所述外科手术显微镜的光路的在所述光束耦合器与患者眼睛之间的第一部分引导所述OCT成像光束(OCT图像是基于所述OCT成像光束的被患者眼睛反射的一部分产生的)。所述眼外科手术显微镜此外包括：实时数据投影单元，所述实时数据投影单元可操作用于投射由所述OCT系统产生的OCT图像；以及光束分离器，所述光束分离器沿着所述眼外科手术显微镜的光路被定位在第二目镜与所述放大/聚焦光学器件之间。所述光束分离器可操作用于沿着所述外科手术显微镜的光路的在所述光束分离器与所述第二目镜之间的第二部分引导所投射的OCT图像，使得所投射的OCT图像透过所述第二目镜可以被查看。

本披露的某些实施例可以提供一个或多个技术优点。例如，如本文所述的将OCT系统与眼外科手术显微镜集成可以允许随着外科医生经由显微镜的放大/聚焦光学器件操纵显微镜视野而自动调整OCT扫描范围，因此通过减少外科医生需要进行的调整次数简化了外科手术。此外，以本文所述的方式集成显示系统(被称为实时数据投影单元)可以允许外科医生透过眼外科手术显微镜的一个或多个目镜来查看由OCT系统产生的OCT图像，从而消除外科医生把目光从患者眼睛移开以查看分开的显示监视器的需要。

附图说明

为了更加完整地理解本披露及其优点，现在参考结合附图进行的以下说明，在这些附图中相似的参考数字指示相似的特征，并且在附图中：

图1展示了根据本披露的某些实施例的具有集成OCT和显示系统的示例性眼外科手术显微镜；

图2A至图2B展示了根据本披露的某些实施例的在图1中描绘的具有可切换的单通道数据注入的眼外科手术显微镜的实施例；

图3展示了根据本披露的某些实施例的在图1中描绘的具有双通道数据注入的眼外科手术显微镜的实施例；

图4展示了根据本披露的某些实施例的在图1中描绘的具有双通道数据注入的眼外科手术显微镜的替代性实施例；并且

图5A至图5C展示了根据本披露的某些实施例的在图1中描绘的具有带3-D感知的双通道数据注入的眼外科手术显微镜的实施例。

本领域的技术人员将理解的是，下述附图仅出于说明目的。这些附图不旨在以任何方式限制申请人的披露范围。

具体实施方式

出于促进对本披露原理的理解的目的，现在将参照附图中展示的实施例，并使用特定语言来描述这些实施例。然而，应理解的是，不旨在限制本披露的范围。本披露所涉及领域内的普通技术人员通常将完全能够想到对于所描述的系统、装置、和方法的任何改变和进一步修改、以及对于本披露的原理的任何进一步应用。具体而言，完全可以想到针对一个实施例描述的系统、装置和/或方法可与针对本披露的其他实施例描述的特征、部件和/或步骤组合。然而，为简洁起见，将不单独地描述这些组合的众多重复。为简单起见，在一些情况下，贯穿这些附图使用相同的参考号来指代相同或相似的零件。

一般而言，本披露可以提供具有集成OCT和显示系统的外科手术显微镜。集成OCT系统可以在显微镜的放大/聚焦光学器件与显微镜的目镜之间的点处被耦合至显微镜的光路。作为结果，OCT扫描范围可以随着外科医生经由显微镜的放大/聚焦光学器件操纵显微镜视野而自动调整。显示系统(在本文中被称为实时数据投影单元)也可以被耦合至外科手术显微镜的光路，使得由OCT系统产生的OCT图像可以被外科医生查看而不需要观看单独的显示监视器。

图1展示了根据本披露的某些实施例的具有集成OCT和显示系统的示例性眼外科手术显微镜100。眼外科手术显微镜100可以促进在外科手术过程中放大患者眼睛102的视图，并且总体上可以包括目镜104、中继透镜106、放大/聚焦光学器件108、物镜110、以及外科手术查看光学器件112。目镜104、中继透镜106、放大/聚焦光学器件108、物镜110、以及外科手术查看光学器件112中的每一者都可以包括如本领域普通技术人员所理解的任何合适的光学部件。眼外科手术显微镜100此外可以包括集成OCT系统114和实时数据投影单元116，所述集成OCT系统可操作用于产生患者眼睛102的OCT图像，所述实时数据投影单元可操作用于经由一个或两个目镜104将这些OCT图像显示给外科医生。OCT系统114所集成到外科手术显微镜100(如以下进一步详细讨论的)中的位置可以有利地允许随着外科医生经由放大/聚焦光学器件108操纵显微镜视野而使OCT扫描范围自动调整。而且，实时数据投影单元116可以有利地允许外科医生查看由OCT系统114产生的OCT图像而不需要观看分开的显示监视器。

OCT系统114可以包括光源/分析单元118和光束扫描器120。一般而言，光源/分析单元118可以产生OCT成像光束122，并且光束扫描器120(与外科手术显微镜的其他光学部件相结合)可以将产生的OCT成像光束122引导至患者眼睛102内的具体区域。OCT成像光束122从患者眼睛102内的具体区域的反射(反射的OCT成像光束124)可以沿着与OCT成像光束122相同的光路返回至光源/分析单元118，并且光源/分析单元118可以通过确定反射124与OCT成像光束122的参考臂之间的干涉来产生所述具体区域的OCT图像。如本领域技术人员将理解的是，本披露设想的是OCT系统114可以包括用于操纵OCT成像光束122的任何合适的附加光学部件，并且为了简洁起见没有描绘/描述出这些附加部件。

在某些实施例中，OCT成像光束122可以包括覆盖相对窄的波长带(例如，830nm-870nm、790nm-900nm、950nm-1150nm)的红外光束或近红外光束。但是，可以使用具有任何合适的光谱范围的OCT成像光束122。OCT成像光束122可以穿过光束扫描器120(下面进一步详细描述)连同OCT系统114的任何其他合适的光学部件(未描绘出，如上所述)。OCT成像光束122然后可以经由外科手术显微镜100的上述光学部件中的一个或多个被引导至患者眼睛104(如以下进一步详细描述的)。

光束扫描器120可以包括促进OCT成像光束122在X-Y平面中聚焦的任何合适的光学部件或光学部件组合。例如，光束扫描器120可以包括成对的扫描反射镜、微镜装置、基于MEMS的装置、可变形平台、基于检流计的扫描器、多边形扫描器、和/或谐振PZT扫描器中的一者或多者。在某些实施例中，光束扫描器120的光学部件的位置可以用自动方式操纵。仅是作为一个实例，光束扫描器120可以包括一对扫描反射镜，所述扫描反射镜各自耦合至马达驱动器，所述马达驱动器可操作用于使反射镜围绕垂直轴线旋转。作为结果，通过控制所耦合的马达的位置(例如，根据预先确定或选择的扫描图样)，可以控制OCT成像光束122在患者眼睛104内的X-Y定位。此外，可以通过本领域理解的OCT系统114的一个或多个其他部件来控制OCT成像光束122的焦深以便促进3-D OCT成像。

如上所述，反射的OCT光束124可以沿与OCT成像光束122行进的光路基本上相同的光路返回至OCT系统114。一旦反射的OCT光束124到达光源/分析单元118，光源/分析单元118就可以基于反射的OCT光束124与OCT成像光束122的参考臂之间的干涉来构造OCT图像(A型扫描)(如本领域已知的)。而且，通过经由光束扫描器120在X-Y平面内移动成像光束和/或改变成像光束122的焦深，可以产生多个OCT图像(A型扫描)并且将其结合到OCT截面图像(B型扫描)中，并且可以结合多个截面图像(B型扫描)以产生3-D OCT图像。

在某些实施例中，OCT系统114可以经由位于外科手术显微镜100的光路中的光束耦合器126被集成到外科手术显微镜100中。光束耦合器126可以包括光学元件，所述光学元件被配置成用于反射OCT成像光束122的光谱范围内的波长(例如，红外波长)，同时允许可见光谱中的光穿过外科手术显微镜100。作为一个实例，光束耦合器126可以包括二向色热镜、偏振分束器和陷波滤光器中的一者。

在某些实施例中，光束耦合器126可以沿外科手术查看光学器件112与目镜104之间的光路定位。外科手术查看光学器件112可以包括下置的黄斑透镜(drop-on macularlens)、基于接触的广角透镜、如(双目间接检眼镜)BIOM的基于非接触的查看系统、或任何其他合适的查看光学器件。更具体地，光束耦合器126可以沿放大/聚焦光学器件108与目镜104之间的光路来定位。作为结果，OCT成像光束122将穿过放大/聚焦光学器件108，从而允许OCT扫描范围随着外科医生经由放大/聚焦光学器件108操纵显微镜视野而自动调整。虽然没有描绘，但是本披露设想的是，OCT系统114可以此外包括任何合适的光学部件，从而鉴于OCT成像光束116穿过放大/聚焦光学器件108和物镜110的事实而促进OCT成像光束122在患者眼睛102内的适当聚焦。

在某些实施例中，除了OCT成像光束122之外，OCT系统114可以产生可见的瞄准光束(未描绘出)。这种可见的瞄准光束可以经由目镜104对外科医生可见并且可以帮助外科医生引导OCT成像。在这样的实施例中，光束耦合器126可以被配置成用于反射OCT成像光束122的光谱范围(例如，红外波长)和窄的可见光带(瞄准光束落入所述窄带内)，同时允许穿过外科手术显微镜100的可见光处于瞄准光束的窄带之外。

由OCT系统114产生的一个或多个OCT图像(在图1中用附图标记128标识)可以被传达至实时数据投影单元116以用于经由一个或两个目镜104显示给外科医生，所述一个或多个OCT图像可以包括A型扫描、B型扫描、或者通过结合上述多个B型扫描而构造的3-D OCT图像。实时数据投影单元116可以包括用于投射图像的任何合适的装置并且可以包括用于聚焦所述图像的任何合适的光学器件(未描绘出)。例如，实时数据投影单元116可以包括抬头显示器、一维显示阵列、二维显示阵列、屏幕、投影仪装置、或全息显示器中的一者。

在某些实施例中，实时数据投影单元116可以经由位于外科手术显微镜100的光路中的光束分离器130被集成在外科手术显微镜100中。光束分离器130可以包括光学元件，所述光学元件被配置成用于将由实时数据投影单元116产生的经投射的图像朝向一个或多个目镜104反射，而基本上不干扰从患者眼睛102反射的可见光。

在某些实施例中，外科手术显微镜100此外可以包括基于探针的OCT系统134。基于探针的OCT系统134可以用与上述关于OCT系统114基本相同的方式产生OCT图像136，除了可以在患者眼睛102内使用被插入到患者眼睛102中的探针138来引导由基于探针的OCT系统134产生的OCT成像光束。在包含OCT系统114和基于探针的OCT系统134两者的实施例中，外科手术显微镜100此外可以包括来源选择单元140。来源选择单元140可以包括任何合适的切换装置，所述切换装置允许选择(由OCT系统114产生的)OCT图像128或者(由基于探针的OCT系统134产生的)OCT图像136，以便传达至实时数据投影单元116或显示器132。作为结果，外科医生可以选择在外科手术过程中使用哪个OCT成像系统用于成像。

在某些实施例中，由实时数据投影单元116投射的OCT图像(例如，OCT图像128和/或OCT图像136)可以显示为与由外科医生经由目镜104查看的可见结构对准的半透明叠加。在这样的实施例中，在OCT图像与眼睛的实际结构之间的对准可以例如基于视网膜跟踪(以下进一步描述)、器械跟踪(以下进一步描述)、瞄准光束、或其任何组合来实现。

在某些其他实施例中，由实时数据投影单元116投射的OCT图像可以被显示在外科医生的视野的拐角或者任何其他合适的位置中，其中这些图像基本上不损害外科医生透过目镜104查看眼睛102的能力。

虽然实时数据投影单元116如上描述为将OCT图像128和/或OCT图像136投射到外科手术显微镜100的光路中，使得这些图像透过一个或多个目镜104可以被查看，但是本披露设想的是，实时数据投影单元116可以此外或可替代地根据具体需要将任何其他合适的信息(例如，从OCT数据、眼底图像、外科手术参数、外科手术图样、外科手术指示符等提取和/或高亮的信息)投射到外科手术显微镜100的光路中。

在某些实施例中，外科手术显微镜100此外可以包括成像单元142和跟踪单元144。如以下进一步详细描述的，成像单元142和跟踪单元144可以共同促进跟踪外科手术器械146在患者眼睛102内的位置的OCT成像。此外或可替代地，成像单元142和跟踪单元144可以共同促进跟踪患者眼睛102的视网膜的OCT成像。

成像单元142可以包括用于产生患者眼睛102的眼底图像148的任何合适的装置、并且可以包括用于执行那种功能的合适的放大和聚焦光学器件(未描绘出)。作为简化的实例，被患者眼睛102反射的沿着外科手术显微镜100的光路的可见光或近红外光150可以经由反射镜152被引导朝向成像单元142，所述反射镜沿着所述光路被放置并且可操作用于部分地反射此类光。在某个实施例中，眼底图像148可以是患者眼睛102的离散的静止影像。在其他实施例中，眼底图像148可以包括患者眼睛102的连续视频流。示例成像单元可以包括数码摄像机、线扫描眼底镜、或共焦扫描眼底镜。

在所描绘的实施例中，因为在经由实时数据投影单元116将OCT图像引入光路中之前从光路采样可见光或近红外光150，所以产生的眼底图像148将不包含经投射的OCT图像(这对于以下描述的器械跟踪可以是有益的)。虽然成像单元142被描绘和描述为位于相对于外科手术显微镜100和OCT系统114的光学部件的具体位置处，但是本披露设想的是，成像单元142可以根据具体需要被放置在相对于那些部件的任何合适的位置处。

外科手术显微镜100的跟踪单元144可以总体上可操作用于至少部分地基于成像单元142产生的眼底图像148来确定外科手术器械146在患者眼睛102内的位置和运动。跟踪单元144可以包括硬件、固件、和软件的任意合适的组合。在某些实施例中，跟踪单元144可以包括处理模块154和存储模块156。处理模块154可以包括一个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、或任何其他合适的计算设备或资源。处理模块154可以单独工作或者与图1中描绘的其他部件一起工作以便提供在此描述的功能性。存储模块156可以采取易失存储器或非易失存储器的形式，包括但不限于磁性介质、光学介质、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可移动介质、或者任何其他适当的存储部件。

跟踪单元144可以被编程用于(或者可以将软件储存在存储模块156中，所述软件在被所述处理模块154执行时，可运行用于)处理成像单元142产生的眼底图像148，以便确定并且跟踪外科手术器械146在患者眼睛102内的位置。例如，处理模块154可以接收并且处理成像单元142所采集的图像。跟踪单元144的存储模块156可以储存预处理图像数据和/或后处理图像数据。处理模块154可以基于眼底图像148来检测并且计算外科手术器械146在术野中的位置和/或取向(或位置和取向的变化)。虽然跟踪单元144主要被描述为跟踪外科手术器械146在患者眼睛内的位置，但是本披露设想的是(此外或可替代地)跟踪单元144可以跟踪患者眼睛本身的位置和/或运动。

跟踪单元144可以通信耦合(通过有线或无线通信)至OCT系统114，并且跟踪单元144可以被编程为用于(或可以将软件储存在存储模块156中，所述软件在被处理模块154执行时可操作用于)产生待传达给OCT系统114的信号158，以便致使OCT系统114的光束扫描器120指导OCT成像光束122在患者眼睛102内的位置。

例如，可以基于外科手术器械146在患者眼睛102内的确定位置来产生信号158，并且OCT系统114的光束扫描器120可以将OCT成像光束122引导至外科手术器械146尖端的附近位置。作为结果，可以在外科医生最感兴趣的区域中产生OCT图像128。而且，在OCT图像128在显微镜视野中被显示为半透明叠加的实施例中，对外科手术器械146的跟踪可以此外促进叠加的正确定位。

作为另一个实例，可以基于患者眼睛102的视网膜的确定位置(由跟踪单元144通过以类似于以上关于跟踪外科手术器械146所讨论的方式处理眼底图像148来确定)产生信号158，并且OCT系统114的光束扫描器120可以将OCT成像光束122引导至相对于视网膜的恒定位置。而且，在OCT图像128在显微镜视野中被显示为半透明叠加的实施例中，对视网膜的跟踪可以此外促进叠加的正确定位。

尽管外科手术显微镜100被描绘和描述为包含通过固定的单通道显示的OCT图像(即，实时数据投影单元116被耦合至这两个目镜104之一的光路)，但是本披露设想了其他实施例(如以下关于图2A至图2B、图3至图4、和图5A至图5C所描述的)。

图2A至图2B展示了根据本披露的某些实施例的具有可切换的单通道数据注入的眼外科手术显微镜100的实施例。为了简洁起见，虽然图2A至图2B没有描绘如图1中描绘的眼外科手术显微镜100的某些部件，但是本披露设想的是包括这些部件，并且这些部件以与如上所述关于图1基本上相同的方式起作用。

在图2A至图2B中描绘的实施例中，眼科手术显微镜100包括能够进行单通道数据注入的实时数据投影单元116(即，如图1所示，由实时数据投影单元116注入的图像仅透过这两个目镜104之一可以被查看)。然而，与图1中描绘的实施例不同，图2A至图2B中描绘的实施例提供了改变数据被注入到哪个通道(即，目镜104)的能力。更具体地，图2A描绘了以下实施例是，其中实时数据投影单元116和光束分离器130中的一者或两者可以并排平移以便改变数据被注入的通道，而图2B描绘了以下实施例，其中实时数据投影单元116和光束分离器130的组件可以围绕外科手术显微镜100的中点旋转以便改变数据被注入的通道。作为结果，可以为外科医生提供选择使用哪只眼睛来查看注入数据的灵活性。

图3展示了根据本披露的某些实施例的具有双通道数据注入的眼外科手术显微镜100的实施例。为了简洁起见，虽然图3没有描绘如图1中描绘的眼外科手术显微镜100的某些部件，但是本披露设想的是包括这些部件，并且这些部件以与如上所述关于图1基本上相同的方式起作用。

在图3中描绘的实施例中，外科手术显微镜100包括单个实时数据投影单元116和两个光束分离器130(130a和130b)，每个光束分离器与显微镜的对应通道相关联。光束分离器130a和130b可以被配置为使得由实时数据投影单元116投射的数据被复制并且可以经由两个目镜104被查看。可以选择光束分离器130a和130b的反射率，使得透过每个目镜104可以被查看的图像的亮度相同。而且，光束分离器可以是可移动的以便改变在外科医生视野内的移动。可替代地，可以通过在由实时数据投影单元116投射的图像的光路中放置光束偏转装置(例如，声光偏转器)来实现外科医生视野内的移动。

图4展示了根据本披露的某些实施例的具有双通道数据注入的眼外科手术显微镜100的替代性实施例。为了简洁起见，虽然图4没有描绘如图1中描绘的眼外科手术显微镜100的某些部件，但是本披露设想的是包括这些部件，并且这些部件以与如上所述关于图1基本上相同的方式起作用。

在图4中描绘的实施例中，包括两个实时数据投影单元116(116a和116b)。每个实时数据投影单元投射图像，所述图像通过对应的光束分离器130被耦合至外科手术显微镜的光路中。因为每个实时数据投影单元可以注射唯一图像，所以图4的实施例可以促进3-D感知。更具体地，每个实时数据投影单元116可以用略微不同的视角投射相同的图像，以便在透过目镜104查看时提供3-D感知。

图5A至图5C展示了根据本披露的某些实施例的具有带3-D感知的双通道数据注入的眼外科手术显微镜100的实施例。为了简洁起见，虽然图5A至图5C没有描绘如图1中描绘的眼外科手术显微镜100的某些部件，但是本披露设想的是包括这些部件，并且这些部件以与如上所述关于图1基本上相同的方式起作用。

在图5A至图5C中描绘的实施例中，使用一个实时数据投影单元116而不是两个(如在上述关于图4的实施例中)来促进3-D感知。在图5A中描绘的实施例中，单个实时数据投影单元116投射并排图像，这些图像可以略微不同以提供3-D感知(如上所述)。所投射的并排图像可以被光束分离器500分离并且通过光束分离器130a和130b投射到各个目镜104中。在某些实施例中，滤光器502a和502b也可以被放置在所投射的图像的光路中以便进一步促进3-D感知。

在图5B中描绘的实施例中，实时数据投影单元116可以投射彩色编码图像(如立体图中的红色和青色编码图像)，并且彩色编码图像可以穿过光束分离器504a和504b以便被引导朝向外科手术显微镜100的两个通道。滤光器506a和506b可以被放置在每个通道的图像的光路中以便分离彩色编码信息。例如，滤光器506a(如红色滤光器)可以被插入左通道，并且滤光器506b(如青色滤光器)可以被添加至右通道，以便分离所投射的图像中的红色/青色信息。通过适当地校准所投射的图像，可以提供3-D感知而不需要外科医生佩戴额外的眼镜或光学装置。

在图5C中描绘的实施例中，实时数据显示单元116可以是偏振显示器/投影仪(如偏振调制投影仪)并且可以投射偏振编码图像。所投射的偏振编码图像可以穿过偏振光束分离器508a和508b以在这两个通道之间划分。例如，p偏振图像可以被分到一只眼睛(标记为510a)，而s偏振图像将被分到另一只眼睛(标记为510b)。此外或可替代地，通过将波片512a和512b插入这两个通道中，左旋圆偏振图像可以被分到一只眼睛，而右旋圆偏振图像可以被分到另一只眼睛。通过适当地校准所投射的图像，可以提供3-D感知而不需要外科医生佩戴额外的眼镜或光学装置。

将认识到，各种以上披露的和其他的特征和功能、及其替代方案可以按希望组合到许多其他不同的系统或应用中。还将认识到，其中的各种目前未预见或未预料到的替代方案、修改、变体或改进可以后续由本领域的技术人员做出，这些替代方案、不同和改进也旨在被所附权利要求书所涵盖。