用于基于荧光的激光切除的系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年10月1日提交的美国专利申请no.14/503,706的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

背景技术：

全球范围内，癌症是主要的死亡原因之一。具体地，乳腺癌是妇女最常见的癌症类型，其根据种族的不同是第一或第二主要死亡原因。

近年来，一种有前途的对乳腺癌肿瘤进行实时检测的方法涉及使用特殊标记物。这些标记物可以选择性地结合癌细胞，并且在合适的光的激发下发出荧光(发光)，从而为外科医生提供肿瘤及其边缘的实时图像。标记物通常处于红光或近红外波长范围中，以避免在可见光范围内的组织的自动发出荧光，并且具有增加的穿透深度。然而，目前还没有允许使用荧光标记物对乳腺癌肿瘤进行稳定和快速的实时检测的系统性解决方案。

同时，随着时间推移，激光在医院中的使用不断增加。具体地，已经在各种外科手术中探索了使用激光来切除肿瘤。激光可通过铰接臂或特制光纤传输到手术部位。然而，使用切除激光和同时的荧光检测方案二者将需要操作两个感光设备，这需要参考同一坐标系，从而使外科手术复杂化并需要外科医生更加灵巧。

技术实现要素：

在第一方面，提供一种设备。该设备包括激发光源、切除光源和光束组合器。激发光源被配置成产生激发光。激发光包括具有与荧光基团的激发波长对应的波长的光。荧光基团被配置成响应于接收到具有激发波长的光而发出具有发射波长的发射光。切除光源被配置为产生切除光。切除光被配置成切除(ablate)组织。光束组合器光学地耦合到激发光源和切除光源。该设备还包括控制器。该控制器包括被编程为执行指令的计算机。指令包括使激发光源产生激发光并使切除光源产生切除光。

在第二方面，提供了一种方法。该方法包括使激发光源产生激发光。激发光包括具有与荧光基团的激发波长对应的波长的光。荧光基团被配置成响应于接收到具有激发波长的光而发出具有发射波长的发射光。该方法还包括致使光束扫描器将激发光引向特定的组织位置。光束扫描器可操作为将激发光引向多个组织位置中的任何一个。该方法还包括使相机拍摄至少特定组织位置的图像。相机被配置为检测由荧光基团发射的发射光。该方法还包括基于显示在特定组织位置处的具有发射波长的发射光的图像来确定荧光状态。该方法进一步包括响应荧光状态使得切除光源产生切除光，并使得光束扫描器将切除光引向特定的组织位置。切除光源和激发光源光学地耦合到光束组合器，光束组合器光学地耦合到光束扫描器。

在第三方面，提供了一种方法。该方法包括基于相机的位置、光束扫描器的出口光圈的位置、和激发光相对于特定组织位置的角度而确定形貌图。该方法还包括基于形貌图确定到特定组织位置的焦距。该方法还包括使激发光源产生激发光。激发光包括具有与荧光基团的激发波长对应的波长的光。荧光基团被配置成响应于接收到具有激发波长的光而发出具有发射波长的发射光。该方法还包括使光束扫描器将激发光引向特定的组织位置。光束扫描器可操作为将激发光引向多个组织位置中的任何一个。该方法还包括使相机拍摄至少特定组织位置的图像。相机被配置为检测由荧光基团发射的发射光。该方法还包括基于显示在特定组织位置处的具有发射波长的发射光的图像来确定荧光状态。该方法另外包括响应于荧光状态，使得切除光源产生切除光，并使得光束扫描器至少基于到特定组织位置的焦距而将切除光引向特定组织位置。切除光源和激发光源光学地耦合到光束组合器，并且光束组合器光学地耦合到光束扫描器。

其它方面、实施例和实施方式对于本领域普通技术人员来说将通过参考适当的附图阅读以下详细描述而变得显而易见。

附图说明

图1a示出了根据一示例实施例的设备。

图1b示出了根据一示例实施例的设备。

图1c示出了根据一示例实施例的设备。

图2示出了根据一示例实施例的设备的示意性框图。

图3示出了根据一示例实施例的方法。

图4示出了根据一示例实施例的方法。

图5示出了根据一示例实施例的形貌映射方案。

具体实施方式

在下面的详细描述中，参考形成说明书一部分的附图。在附图中，相似的符号通常标识相似的组件，除非另有说明。在详细描述中，附图和权利要求中描述的说明性实施例并不是限制性的。在不脱离本文呈现的主题的范围的情况下，可以使用其它实施例，并且可以进行其它改变。应理解，本公开的各方面，如本文中一般性描述并且在附图中示出的，可以以各种不同的构造进行布置、取代、组合、分离和设计，所有这些都明确地被包含在本文中。

此外，虽然本文所公开的实施方案提及在活体人体上使用或与之结合使用，但是应理解，本文所公开的方法、系统和设备可用于需要选择性地切除组织的任何环境中。环境可以包括任何生物或非生物体或其一部分。环境可能包括非人体组织。例如，本领域技术人员应理解，本文公开的实施例可以通常应用于在许多不同情况下响应于荧光状态的确定而选择性地切除组织。此外，虽然本公开描述了在体内使用的实施例，但本领域技术人员还将认识到，在体外的应用也是可能的。

总览

在一个实施例中，该设备和用于其使用的设备和方法可以包括一医疗装置，该装置可以利用来自激发光源的激发光照亮组织位置。响应于在组织位置处检测到具有发射波长的光(例如来自荧光基团)，该医疗设备可以使得切除光源产生切除光，以便切除该组织位置处的组织。在一些实施例中，该设备和用于其使用的方法可有助于改善特定组织(如癌症组织)的选择性去除。

激发光源可以被配置为产生具有与荧光基团的激发波长相对应的波长的激发光。此外，荧光基团可以被配置为响应于接收和/或吸收激发光而发出发射光。激发光源可以是激光器(例如hene激光器)或发光二极管(led)。

切除光源可以是中红外波长激光器，例如二氧化碳(co2)或氩离子激光器。在本公开的情况中考虑配置为通过切除来去除组织的其它光源和/或激光器。

切除光源和激发光源可以光学地耦合到光束组合器。光束组合器可以包括二向色性(dichroic)材料，其被配置为反射切除光或激发光中的任一种而透射另一种光。光束组合器可以采取其它形式。例如，光束组合器可以包括光纤y耦合器或被配置为组合两束光的其它器件。

光束扫描器可以光学地耦合到光束组合器。光束扫描器可以被配置为将激发光和切除光引向一个或多个组织位置。例如，光束扫描器可以包括x-y镜式电流计或可操作为将激发光和切除光引向多个组织位置中的任何一个的其它设备。

相机可以被配置为拍摄由激发光照射的至少一个特定组织位置的图像。此外，相机可以被配置为检测具有发射波长的光。换句话说，相机能够检测来自荧光基团或来自另一个光源的发射光。

该设备可以包括控制器，其被配置为控制医疗设备的上述部件中的一些或全部。具体地，控制器可以被配置为使激发光源产生激发光，使得光束扫描器将激发光引向特定的组织位置，并且使相机拍摄至少特定组织位置的一个或多个图像。此外，控制器可以被配置为基于显示在特定组织位置处具有发射波长的图像来确定荧光状态。响应于荧光状态，控制器还可以使切除光源产生切除光，并使得光束扫描器将切除光引向特定的组织位置。

控制器可以包括具有处理器和存储器的计算机。控制器也可以采取其它形式。例如，控制器可以包括分布式计算系统或基于云的服务器网络。替换地或另外地，控制器可以是移动设备。控制器可以包括被配置为控制设备的上述元件的软件，诸如硬件驱动器和/或应用程序编程接口。控制器可以使用无线通信与设备的一些或所有其它元件进行通信和/或控制。

设备实例

图1a示出根据一实施例的设备100。设备100可以包括激发光源102。激发光源102可以被配置为产生激发光104。激发光源102可以包括激光器，诸如氦氖(hene)激光器。或者，激发光源102可以是被配置为激发荧光基团(fluorophore)的荧光特性的氙灯或汞灯、发光二极管或者其它光源。换句话说，激发光源102可以产生激发光104，激发光104可以继而包括具有与荧光基团的激发波长对应的波长的光。激发光104可以包括但不限于波长范围在380纳米和1.4微米之间的光。

荧光基团可以吸收特定波长的光并且以更长的发射波长再次发射光，以作为发射光。如本文所述，荧光基团可以具有红光至近红外波长的激发波长，但是其它激发波长也是可以的。荧光基团可以具有在可见光谱到近红外光谱中的相应发射波长，但其它发射波长也是可以的。荧光基团分子的一些实例包括细胞/组织染料，其活性剂可包括小分子、蛋白质或量子点。一些实施方案可以涉及共振能量转移(fret)，其中，第一荧光基团(例如供体染料)的激发电子被传递到第二荧光基团(例如受体染料)，这会导致降低的荧光。荧光基团可结合到组织140中。另外或者可选地，多于一个的荧光基团可以被结合到组织140中，和/或另外的荧光基团可以被结合到身体的其它部分中，例如周围组织、骨骼、体腔等中。荧光基团的其它组合也可以的，且在本文中被考虑。

虽然本发明具体涉及使用荧光基团来指示是否切除特定的组织位置，但也可以利用其它类型的发光特性来实现这些目的。例如，可以与本文公开的方法和设备相关联地利用组织和各种生物标志物的化学发光和磷光。

设备100还包括切除光源106。切除光源106可以是被配置为产生包括中红外波长的切除光108的激光器，例如二氧化碳(co2)激光器。或者，切除光源106可以是另外类型的光源。切除光108可以被配置为切除组织。也就是说，可以配置和/或调整切除光108的功率、占空比、重复率、光谱特性和焦点以便去除组织。切除光108可以包括但不限于1.4微米和12微米之间的波长范围。

光束组合器110可以光学地耦合至激发光源102和切除光源106。光束组合器110可以包括二向色光束棱镜/组合器。或者，光束组合器110可以包括光纤y耦合器或以共线方式组合两个光源的其它方法。光束组合器110可以可选地将组合光112引向光束扫描器120。图1a示出了组合光112包括激发光104和切除光108。然而，在一些实施例中，组合光112可进一步表示或者激发光104或者切除光108。也就是说，组合光112用于示出激发光104和切除光108的基本上共线的路径。一些实施例包括在不同时间产生光的光源。附加地或替代地，实施例可以包括针对给定占空比或操作周期的至少一些部分而同时产生光的光源。

如图所示，可选的光束扫描器120将入射光126引向特定的组织位置150。入射光126可以包括激发光104和/或切除光108。此外，光束扫描器120具有偏转范围122，在该偏转范围122内，其可以将入射光126引向多个组织位置152中的任一个。如上所述，入射光126用于示出激发光104和切除光108的基本上共线的路径，并且并不暗示这两个光源必须同时地产生光，但是在一些实施例中可以考虑这种情况。光束扫描器120可以包括双电流计，其可操作为使激发光104和切除光108在偏转范围122内偏转。偏转范围122可以包括具有多个组织位置152的组织区域。

设备100可以可选地包括被配置为检测至少具有发射波长的光的相机130。相机130可以包括视场132。相机130的视场132至少包括特定的组织位置150，并且可以包含所述多个组织位置152的所有部分或一部分以及其它组织位置。或者，视场132可以或多或少地包括偏转范围122。相机130可以是电荷耦合设备(ccd)相机或被配置为拍摄视场132的图像的其它类型的相机，以便识别以发射波长发出发射光的荧光基团和/或有助于确定视野132的形貌。相机130可被配置为仅在发射波长附近检测光。或者，相机130可以被配置为检测包括了发射波长的相对宽的波长谱内的光。

图1b示出了类似于设备100的设备160，但其进一步包括光束传输系统114。光束传输系统114可以光学地耦合至光束组合器110和光束扫描器120。光束传输系统114可以包括铰接臂，其具有配置成将组合光112引导到光束扫描器120的光学器件。例如，铰接臂可以包括能将来自铰接臂的输入部(例如可接收光的(多个)光纤耦合器)的光引导到铰接臂的输出部(例如在组织位置处或附近)的反射镜和/或其它光学部件。或者，光束传输系统114可以包括光纤。在一些实施例中，光纤可以包括配置成使得激发光104和切除光108二者透射的蓝宝石或其它材料。光纤可以是多模光纤。

图1c示出了类似于设备100的设备170，但其进一步包括光学系统124。光学系统124可以光学地耦合到光束扫描仪120和/或设备170的其它元件。光学系统124可以包括诸如透镜和出口光圈的元件。光学系统124的其它元件是可能存在的。透镜可以包括f-theta透镜，其可以被配置为施加场校正，以恢复平的场状态。在一些实施例中，透镜可以包括对激发波长和切除波长的光都是基本上透光的光学材料。例如，透镜可以包括硒化锌(znse)。透镜可以包括附加的或替代的光学材料。

图2示出了根据一实施例的设备200的示意性框图。设备200的元件可以与参考图1a-c所述和所示的设备100的元件相似或相同。控制器210可以包括处理器220和存储器230。存储器230可以本征非瞬时的。控制器210可以包括移动设备、膝上型计算机或其它计算设备。控制器210可以包括一个或多个计算机。计算机不需要是同位的，而是可以是分布式的，例如作为云服务器网络的一部分。

程序指令可以存储在存储器230中，并且可以由处理器220执行。这样的程序指令可以包括执行或实现参考图3和4所示和所示的方法要素的指令。即，程序指令可以包括导致激发光源产生激发光。激发光包括具有与荧光基团的激发波长对应的波长的光。荧光基团被配置成响应于接收到具有激发波长的光而发出具有发射波长的发射光。程序指令可以包括导致光束扫描器将激发光引向特定的组织位置。光束扫描器可操作为将激发光引向多个组织位置中的任何一个。程序指令还可以包括导致相机至少拍摄特定的组织位置。相机被配置为检测由荧光基团发出的发射光。程序指令还可以包括基于在特定组织位置处指示具有发射波长的发射光的图像来确定荧光状态。程序指令可以另外包括响应于荧光状态而使得切除光源产生切除光，并使得光束扫描器将切除光引向特定的组织位置。切除光源和激发光源光学地耦合到光束组合器。光束组合器光学地耦合到光束扫描器。其它程序指令可以执行或实现本文别处描述的动作。

设备200还可以包括激发光源250、切除光源260、光束扫描器270、相机280和可选的可控光学器件290。控制器210可以能够与设备200的每个其它元件经由通信总线进行通信。替换地或另外地，控制器210可以经由直接有线和/或无线通信链路与设备200的其它元件中的一个或多个通信。

如本文所述，控制器210可以控制和/或调整与设备200中的一个或多个其它元件相关联的参数。例如，控制器210可以使激发光源250产生激发光。此外，控制器210可以使光束扫描器270将激发光引向多个组织位置中的特定组织位置。控制器210还可以使相机280拍摄至少包括特定组织位置的视场图像。在一些实施例中，控制器210可以控制相机280的其它方面。例如，控制器210可调节相机280的快门速度或积分时间、灵敏度(例如iso)、光圈、白平衡或其它方面。

控制器210可以确定图像显示在特定组织位置处的具有荧光基团的发射波长的光。例如，控制器210可以分析图像。分析可以指示具有预期发射波长的发射光大于预定阈值(例如最小强度)。在这种条件下，控制器210可以确定荧光状态。

响应于确定的荧光状态，控制器210可以使得切除光源260产生切除光，并使得光束扫描器270将切除光引向特定的组织位置。

控制器210还可以可选地调整或控制各种可控光学器件290。可控光学器件290可以包括被配置为在设备200中对于光进行聚焦、引导、转向、调整、反射或衰减/吸收的光学部件。例如，控制器210可以控制透镜，以获得在特定组织位置处的激发光和/或切除光的最佳或合适的聚焦。控制器210也可以控制设备200的其它元件。例如，控制器210可以调节与设备200相关联的中密度滤波器、频谱滤波器、快门、光圈、光束止档器等。

控制器210可以被配置为基于相机的位置、出口光圈的位置以及激发光相对于被激发光照射的特定组织位置的角度来确定至少特定组织位置的形貌图(topographicalmap)。也就是说，控制器210可以利用激发光源250照亮特定的组织位置，并且使用相机280拍摄图像。所拍摄的图像可以包括特定的组织位置。由于出口光圈和相机280的相应位置以及激发光相对于特定组织位置的角度是已知的，所以可以计算相对于特定组织位置的焦距(例如到目标的距离)位置。在一些实施例中，可以使用三角测量方法来确定至特定组织位置的焦距或距离。在本公开的范围内可以使用其它算法或方法。

控制器210还可以被配置为在切除光源产生切除光的同时使相机拍摄至少特定组织位置的第二图像，并且基于第二图像来控制切除光源。更多的图像也是可能的。在一个实施例中，特定组织位置可以在向特定组织位置提供切除光的之后或同时被成像。在一些实施例中，可以在组织切除之前和期间拍摄多个图像。这样的后续成像可以帮助用户移除期望的组织，同时减少手术切缘或不期望的组织去除。

方法示例

图3示出了根据实施例的方法300。方法300包括可以以任何顺序执行的框图。此外，可以在本公开的预期范围内向方法300添加或减去各种框图。方法300可以对应于使用设备100或设备200执行的步骤，如参考图1a-c和图2所示和所述的。

框图302包括使激发光源产生激发光。激发光可以包括具有与荧光基团的激发波长对应的波长的光。荧光基团可以被配置为响应于接收到具有激发波长的光而发出具有发射波长的发射光。

框图304包括使得光束扫描器将激发光引向多个组织位置中的特定组织位置。

框图306包括使相机拍摄至少特定组织位置的图像。相机被配置为检测由荧光基团发出的发射光。

框图308包括基于指示特定组织位置处的具有发射波长的发射光的图像来确定荧光状态。确定荧光状态可以包括拍摄图像的图像分析。图像分析可以包括但不限于光谱分析、颜色映射、颜色识别、颜色匹配或其它图像分析方法。在一些实施例中，可以使用阈值来指示例如发射波长下的最小光强或最小照度。该阈值可以用于图像内的特定像素、图像区域或像素集合。在一个实施例中，当根据图像分析图像中的一组像素指示高于阈值的发射波长下的平均强度时，则可以确定荧光状态。确定荧光状态的其它方法是可行的，并且在本文范围内被考虑。一些实施例可以包括基于指示来自希望被去除的特定细胞或组织区域的发射光图像而确定荧光状态。例如，可以将一个或多个荧光基团引入组织中。该一个或多个荧光基团可以结合、关联或以其它方式与特定细胞或组织并置。如本文所考虑的，来自一个或多个荧光基团的发射可指示待去除和/或切除的特定的细胞或组织。

框图310包括响应于荧光状态而使切除光源产生切除光，并使得光束扫描器将切除光引向特定的组织位置。切除光源和激发光源光学地耦合到光束组合器，并且光束组合器光学地耦合到光束扫描器。如上所述，光束扫描器可以包括双电流计。在本发明的范围内考虑其它类型的光束扫描器。例如，配置成对激发光和切除光进行引导的另一光束转向设备也是可以的。

可选地，该方法可以包括使得相机在切除光源产生切除光的同时拍摄第二图像。在一些实施例中，在确定荧光状态之后，相机可拍摄一个或多个后续图像。可以在切除光源产生切除光的同时拍摄后续图像。在这种情况下，后续图像可用于确定当前的荧光状态。换句话说，后续图像可以包括对特定组织位置处存在或不存在荧光的进一步的指示。利用这样的信息，控制器、处理器或其它设备可使得切除光源继续产生切除光，例如，在后续图像中显示荧光的情况下。此外，在后续图像没有显示荧光或以低于预定阈值的强度显示荧光的情况下，控制器、处理器或其它设备可使得切除光源停止产生或减少切除光。

图4示出了根据实施例的方法400。方法400包括可以以任何顺序执行的框图。此外，可以在本公开的预期范围内向方法400添加或减少各种框图。方法400可以对应于使用设备100或设备200的部分或全部元件所执行的步骤，如参考图1a-c和图2所示和所述的。

框图402包括基于相机的位置、光束扫描器的出口光圈的位置、以及激发光相对于多个组织位置中的特定组织位置的角度来确定形貌图。

框图404包括基于形貌图确定到特定组织位置的焦距。

框图406包括使激发光源产生激发光。激发光可以包括具有与荧光基团的激发波长对应的波长的光。荧光基团可以被配置为响应于接收到的具有激发波长的光而发出具有发射波长的发射光。

框图408包括使得光束扫描器将激发光引向多个组织位置中的特定组织位置。

框图410包括使相机拍摄至少特定组织位置的图像。相机被配置为检测由荧光基团发出的发射光。

框图412包括基于显示在特定组织位置处的具有发射波长的发射光的图像来确定荧光状态。

框图414包括响应于荧光状态使切除光源产生切除光，并使得光束扫描器至少基于到特定组织位置的焦距而将切除光引向特定组织位置。切除光源和激发光源光学地耦合到光束组合器，并且光束组合器光学地耦合到光束扫描器。

形貌图实例

图5示出了根据实施例的形貌映射方案500。形貌映射方案500可以包括与本文别处描述的相似或相同的要素。例如，形貌绘制方案500可以包括参照图1a-c和图2所示和描述的设备100和设备200中的要素。此外，形貌映射方案500可以涉及来自本文描述的方法的各种框图，例如，方法400的框图402、404和414。

形貌绘制方案500可以包括光束扫描器520、相机530和组织540。光束扫描器520可以操作为在扫描范围522内将入射光526引向多个组织位置552中的任一个。入射光526可以包括如上所述并相对图1a-c示出的激发光和/或切除光。入射光526可以相对于轴向的光束扫描器参考线554形成入射角556。相机530可以被配置为在视场532内拍摄特定组织位置550的图像。另外，可以在轴向的相机参考线535和线537之间提供图像角533，所述线537在相机光圈531和特定组织位置550之间。此外，相对于光束扫描器529的出口光圈521的诸如相机光圈531的位置的相机530的位置可以得知。通过得知入射角556和相机530相对于出口光圈521的位置，可以使用三角测量方法确定至目标的距离或焦距。

附加地或替代地，三角测量方法可以通过得知两点之间的距离以及两点和第三点之间的连线之间的相应角度来执行。换句话说，三角测量方法也可以在出口光圈521和相机光圈531之间的距离是已知的、并且入射角556和图像角533是已知的情况下进行。执行三角测量方法以产生至少特定组织位置的形貌图的其它方式也是可行的。

在一些实施例中，可以提供其它方法或确定组织区域或多个组织位置540的形貌图。形貌图可以用于确定例如至特定组织位置的距离。到特定组织位置的距离可以表示焦距。基于来自形貌图的信息，诸如控制器210的控制器可以用于调整或以其它方式控制设备100和设备200的其它元件。例如，基于到特定组织位置的焦距，控制器210可以被配置为如上所述地调节激发光源和/或切除光源的焦点。

附图中所示的具体布置不应视为是限制性的。应当理解，其它实施例可以包括给定图中所示的每个元件中的更多或更少的元件。此外，可以组合或省略所示出元件中的一些。另外，示意实施例可以包括未在图中示出的元件。

虽然已经公开了各种示例和实施例，但其它示例和实施例对于本领域技术人员是显而易见的。各种公开的示例和实施例是出于说明的目的，而不是限制性的，真正范围和精神由所附权利要求书指出。