使用光相干层析探头的器官映射系统的制作方法
【专利说明】使用光相干层析探头的器官映射系统
[0001]相关申请
[0002]本申请在35USC§ 119(e)下要求2012年4月17日递交的美国临时专利申请N0.61/625，221和2012年4月17日递交的美国临时专利申请N0.61/625，151的优先权的利益。这些申请的内容全部通过引用合并于此。
技术领域
[0003]在本发明的一些实施方案中，本发明涉及组织映射和3D建模系统和方法，更特别地而非唯一地涉及使用光相干层析(“0CT”)对器官进行映射和建模的方法和系统。
【背景技术】
[0004]光相干层析是发展中的非侵入性光成像技术，其能够用于执行材料和生物组织中的微结构的高分辨率截面活体原位成像。
[0005]1991年Huang等人首先演示了 0CT。授予Pitris等人的美国专利6，564，087披露了用于OCT成像的光纤探针型探头，如授予Xingde Li等人的美国专利7952718中所记载的。
[0006]OCT的第一个临床应用是眼科。自从那时起，OCT成像广泛应用于各种临床专业，涉及到趋于散射光的组织中的病理成像。能够通过导管、通过内窥镜、通过腹腔镜以及通过探针输送到被扫描组织的邻近组织，OCT预期会对许多医学应用产生很大影响，应用范围从瘤形成的筛选和诊断到启动新的微创手术操作。如下文章论述了 OCT成像技术的一些用途:作者 We1-Cheng Kuo, Jongsik Kim, Nathan D.Shemonski, Eric J.Chaney, DaroldR.Spillman,Jr.,和 Stephen A.Boppart, “Real-time three-dimens1nal opticalcoherence tomography image-guided core-needle b1psy system", B1MEDICAL OPTICSEXPRESS, 2012 年 4 月-6 月，vol.3，N0.6，第 1149-1161 页。
[0007]如在生物/临床背景下所使用的，当前流行的OCT探头的形式朝向组织电磁波伸入，通常是在可视的、IR的或近IR的波长内的组织电磁波。然后，探头系统通常测量从那些组织反向散射的电磁波的量值和“回波时间”(发送电磁脉冲与检测回波之间的时间间隔)。
[0008]与用于在超声探头系统中生成成像数据的声波相比，与光相关的回波延时非常快，事实上过快而不能允许利用当前已知的方法来进行直接电子检测。结果，OCT探头在分析接收到的数据时使用诸如干扰仪的方法。OCT探头系统，将光投射到组织中并且使用干扰测量方法来隔离光反射以及计算通过测量的回波延迟所指示的目标距离，可以达到1-15微米的图像分辨率，并且已经报告了亚微米分辨率。这些分辨率可以比通过在临床背景下使用的诸如超声、MRI和CT的常规成像模块所达到的分辨率高一个或两个数量级。在活体背景下可用的这种高分辨率可以允许进行各种各样的研究和临床应用。
[0009]与光相关的回波延时非常快。在OCT成像中常见的具有?10微米分辨率的距离测量需要?30毫微微秒(30X10 15秒)的时间分辨率。在该时标上直接电子检测是不可能的，但是干扰量度能够检测该时标上的时差。最常见的检测方法使用带有扫描基准延迟臂的迈克耳孙干涉仪。在所谓的干扰量度“时域”方法中，通常为宽带超级发光二极管或窄线宽度激光器的光源提供被引导到组织中而且沿着基准臂的光。从组织反射/散射回来的光与从基准臂的端部反射回来的光结合，检测干扰模式和/或合成的结合振幅，根据这些可以计算反射/散射物体与基准臂长度相比的距离。在OCT的使用的可替代的“频域”方法中，在波长宽带上快速调谐激光光源，傅立叶分析用来推导各距离处的被成像结构。
[0010]在医学上，OCT使得能够在无需移除和处理标本的情况下进行组织微结构的实时的、原位可视化。OCT处理在一些背景下可以使医疗人员原位地且实时地可视化组织形态，因此已经用于诊断成像和手术干预的实时引导。
[0011]使用光纤技术以及干扰量度技术实现的OCT系统当前配置为用于能够以微创方式到达身体器官的导管和内窥镜，如此被输送到靠近身体的兴趣区域的OCT探头在一些情况下能够在不穿透组织的情况下扫描组织。可选地，诸如PitriS op.Cit.所教导的OCT探头系统在一些情况下可用于穿透组织且扫描组织内的小组织体。
[0012]发明概述
[0013]当前OCT扫描的范围在光散射强的组织中仅为2_3mm的事实已经极大地限制了OCT扫描当前所投入的用途。
[0014]根据现有技术的方法，OCT技术之前尚未用来扫描大体积或整个器官以用于诊断目的。本发明的一些实施方案包括用于器官或器官部分的相对大规模诊断扫描以及用于在任选地呈现于显示器上的三维重构模型中映射被扫描体积的手段和方法，任选地实时地进行，这使能与过去的和未来的诊断信息进行比较，可用作治疗程序的导引。
[0015]根据本发明的一些实施方案的方面，提供了用于创建器官的至少部分的三维映射的系统，包括:
[0016]a)至少一个光相干层析(OCT)探头，其可操作以在插入到所述器官中的同时报告成像数据；以及
[0017]b)处理器，其被编程以在所述至少一个探头的多次组织插入过程中接收所述成像数据并且参考三维坐标系来记录所述数据。
[0018]根据本发明的一些实施方案，数据在比单次插入期间单个探头能够成像的体积大的三维体积内延伸。
[0019]根据本发明的一些实施方案，系统还包括:探头位置模块，其可操作以在所述探头报告成像数据的同时报告所述至少一个OCT探头的位置。
[0020]根据本发明的一些实施方案，所述探头包括可操作以报告所述探头的位置的传感器。
[0021]根据本发明的一些实施方案，系统还包括:探头定位模块，其可操作以根据接收到的规定选定位置的命令将所述探头定位在所述选定位置上。
[0022]根据本发明的一些实施方案，系统还包括:定位模块，其可操作以按预定角度以及彼此间距将多次探头插入引导到探头位置。
[0023]根据本发明的一些实施方案，所述定位模块可操作以定位所述探头多次顺序插入所述器官中。
[0024]根据本发明的一些实施方案，所述定位模块可操作将多个OCT探头同时插入所述器官中。
[0025]根据本发明的一些实施方案，系统还包括:位置报告模块，其可操作以将用户所定位的探头的位置与所述探头的预定期望位置之间的差值通知给用户。
[0026]根据本发明的一些实施方案，系统还包括:模板，所述模板包括用于在所述探头插入所述器官的过程中引导所述探头的多个引导通道。
[0027]根据本发明的一些实施方案，系统还包括:除了所述OCT探头之外的第二成像模块。
[0028]根据本发明的一些实施方案，所述第二成像模块将所述器官的所述至少部分的位置报告给如下至少之一:
[0029]a)处理器；以及
[0030]b)用户可视的显示器。
[0031]根据本发明的一些实施方案，系统还包括:位置报告模块，其能够在所述第二成像模块的成像操作期间报告所述第二成像模块的位置。
[0032]根据本发明的一些实施方案，位置报告模块包括附接到所述成像模块上或者附接到所述成像模块中的位置传感器。
[0033]根据本发明的一些实施方案，所述成像模块是超声探头，其包括能够用于引导所述OCT探头插入所述器官中的导件。
[0034]根据本发明的一些实施方案，所述处理器被编程以分析所述探头报告的图像数据并且基于所述数据来检测所述器官的成像边界。
[0035]根据本发明的一些实施方案，所述系统还包括可操作以移动所述探头的伺服机构，并且所述处理器进一步编程以在所述处理器检测到所述器官的所述边界的成像之后计算所述伺服机构的命令。
[0036]根据本发明的一些实施方案，所述处理器可操作以通过控制所述伺服机构来控制探头插入，并且进一步可操作以在来自所述探头的图像数据的分析检测到所述器官的边界之后命令插入的停止。
[0037]根据本发明的一些实施方案，所述处理器可操作以通过控制所述伺服机构来控制探头插入，并且进一步编程以在来自所述探头的图像数据的分析检测到被扫描组织中的可疑病损之后改变所述探头的移动。
[0038]根据本发明的一些实施方案，所述系统还包括也可操作以从身体移除活组织检查样本的OCT探头。
[0039]根据本发明的一些实施方案，所述系统还包括基于由所述系统创建的三维映射的至少部分来显示图像的显示器。
[0040]根据本发明的一些实施方案，所述系统还包括立体显示器。
[0041]根据本发明的一些实施方案，所述系统还包括显示计算模块，所述显示计算模块可操作以基于来自所述三维映射的信息来计算视图，至少部分地基于所述成像数据中的一些来计算所述信息。
[0042]根据本发明的一些实施方案，所述系统还包括显示计算模块，所述显示计算模块可操作以基于来自所述三维模型的信息、基于来自OCT扫描的信息以及来自如下至少之一的信息来计算视图:
[0043]a)历史数据源；以及
[0044]b)附加成像模块，而不是OCT扫描。
[0045]根据本发明的一些实施方案，所述计算的视图基于在多次探头插入组织期间所述处理器接收到的信息。
[0046]根据本发明的一些实施方案，所述计算的视图是所述器官的一部分的切片图像。
[0047]根据本发明的一些实施方案，所述显示计算模块进一步可操作以基于OCT扫描数据和由如下信息构成的组中的至少一项来计算视图:
[0048]a)来自历史源的信息；以及
[0049]b)来自成像模块而不是OCT探头系统的信息。
[0050]根据本发明的一些实施方案，所述计算的视图包括病损的非观察位置的计算估计，所述估计基于在多次OCT探头穿透期间收集到的数据中所观察到的推定的同一病损的观测部分。
[0051]根据本发明的一些实施方案，所述视图是所述模型一部分的立体视图。
[0052]根据本发明的一些实施方案，所述系统还包括图像分析模块，所述图像分析模块可操作以在OCT扫描数据中检测器官边界的数据模式特征。
[0053]根据本发明的一些实施方案，所述系统还包括图像分析模块，所述图像分析模块可操作以在OCT扫描数据上检测病损的数据模式特征。
[0054]根据本发明的一些实施方案，所述图像分析模块在如下之一检测时与用户通信:
[0055]a)器官边界；以及
[0056]b)可疑病损。
[0057]根据本发明的一些实施方案的方面，提供用于创建器官的至少部分的三维映射的方法，包括:
[0058]a)在多个部位执行至少一个光相干层析(OCT)探头多次插入组织中，每个部位关于所述器官不同地定位；
[0059]b)基于在所述多次插入期间由所述至少一个探头报告的图像数据，利用处理器来创建所述器官的所述至少部分的三维映射。
[0060]根据本发明的一些实施方案，所述方法还包括在所述多次插入期间利用探头位置模块向所述处理器报告在所述成像期间所述至少一个探头的位置。
[0061]根据本发明的一些实施方案，所述方法还包括利用所述处理器来计算作为所述成像数据和与所述成像期间所述至少一个探头的位置有关的信息的函数的、被成像特征在三维空间中的位置。
[0062]根据本发明的一些实施方案，所述方法还包括使用同一探头顺序插入。
[0063]根据本发明的一些实施方案，所述方法还包括使用多个探头同时插入。
[0064]根据本发明的一些实施方案，所述方法还包括在每次插入期间对近似圆柱形的组织体进行成像。
[0065]根据本发明的一些实施方案，至少一些圆柱体具有重叠部分。
[0066]根据本发明的一些实施方案，所述方法还包括:以如下方式来执行插入:两个相邻圆柱体在它们的最远点之间的最大距离限于预选定距离。
[0067]根据本发明的一些实施方案，所述预选定距离是认为足够大而被视为临床上显著的肿瘤的直径。
[0068]根据本发明的一些实施方案，所述方法还包括:在OCT探头插入器官期间，除了OCT探头之外，使用第二成像模块对器官成像。
[0069]根据本发明的一些实施方案，其他成像形态是超声。
[0070]根据本发明的一些实施方案，所述方法还包括:使用包括了导件的超声探头，所述导件用于引导针件插入组织中从而引导探头插入器官。
[0071]根据本发明的一些实施方案，所述方法还包括:当探头插入器官中时，仅使用OCT探头作为成像装置。
[0072]根据本发明的一些实施方案，所述方法还包括:利用所述处