使用近红外荧光聚合物的外科手术可视化和医疗成像装置和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求doyle、reeder和wood于2017年2月18日提交的，名称为“使用近红外荧光聚合物的外科手术可视化和医疗成像装置和方法”的美国专利申请序列号62/460,802的优先权，由国家或地区法律允许其全部公开内容通过引用并入本文。

本发明大体上涉及医疗成像，并且更具体地，涉及使用近红外荧光聚合物来增强成像的装置和方法。

背景技术：

各种外科手术技术都需要使用外科手术辅助装置，例如操纵器、定径器、支撑器等。这些外科手术辅助装置通过在外科手术部位的诸如物理移动、拉伸和重新放置组织等行动来帮助识别解剖结构和手术组织。例如，外科手术辅助装置向组织和相关外科手术靶标提供形状和结构，以促进各种外科手术，并允许外科医生移动和重塑手术切割平面。这种外科手术辅助装置的实例包括例如阴道操纵器、肠定径器、子宫操纵器等。

随着机器人辅助外科手术的日益广泛使用，外科手术辅助装置也可以用于帮助外科手术区域的可视化，为组织和相关外科手术靶标提供形状和结构，并使得能够更好地操纵外科手术区域。尽管机器人辅助外科手术比传统外科手术方法允许具有更少的侵入性和更复杂的外科手术，但外科医生可能无法完全看到靶标部位并无法辨别有关外科手术部位的重要方面，例如，组织的深度和质量以及不同类型的组织的存在和质量，特别是因为机器人手术是在没有任何有关组织的触觉反馈的情况下进行的。

因此，在本领域中需要一种外科手术辅助装置，该装置将改善在该部位的组织的可视化，从而使外科医生能够更快速且有效地评估手术的进度。

技术实现要素：

本发明包括一种医疗装置，其发射足够的荧光以穿透周围的生物材料(例如组织)至预定深度，从而使外科医生可以更清楚地可视化照射深度内不同类型组织的存在和质量。该医疗装置可以包括聚合物和嵌入所述聚合物中的近红外荧光染料，使得近红外荧光染料的激发将产生能够穿透生物材料至预定深度的近红外荧光。预定深度约为十毫米，是由浓度为百万分之四的吲哚菁(indocyanine)染料的乙醇溶液所产生的荧光量实现的。该医疗装置可以是具有头部的肠定径器，所述头部至少部分地由嵌入有近红外荧光染料的聚合物形成。该医疗装置可以是阴道操纵器，其至少部分地由嵌入有近红外荧光染料的聚合物形成。该医疗装置可以是具有杯的子宫操纵器，所述杯至少部分地由嵌入有近红外荧光染料的聚合物形成。所述杯可包括由嵌入有近红外荧光染料的聚合物形成的引导脊。该医疗装置可以是输尿管导管，其由嵌入有近红外荧光染料的聚合物形成。该医疗装置可以是气管导管，其由嵌入有近红外荧光染料的聚合物形成。该医疗装置可以是喂食管，其由嵌入有近红外荧光染料的聚合物形成。近红外荧光染料可以是吲哚菁绿。聚合物可以是聚己内酯。该医疗装置可包括与近红外荧光染料一起嵌入聚合物中的增强剂。增强剂可以是奶粉。

本发明还包括一种在医疗程序中可视化生物材料的方法，其中将本发明的装置放置在待被可视化并用近红外辐射的第一频率激发的组织下方。检测由该装置发射的近红外辐射的第二频率，并显示以供查看。该装置发射的近红外辐射的第二频率穿透组织至约十毫米的深度。显示由该装置发射的近红外辐射的第二频率以供查看可以包括结合可见光谱显示近红外辐射的第二频率。用近红外辐射的第一频率激发装置的步骤包括调节近红外辐射源的强度、入射角和占空比(dutycycle)中的至少一种。

附图说明

将参考以下附图描述本发明，在附图中，相同的标号指代相同的元件，并且其中：

图1是本发明的基于近红外聚合物的外科手术定径器的透视图；

图2是图1的外科手术定径器的平面图；

图3是根据本发明的基于近红外聚合物的外科手术肠定径器的平面图；

图4是根据本发明的另一种基于近红外聚合物的外科手术肠定径器的平面图；

图5是根据本发明的另一种基于近红外聚合物的外科手术肠定径器的平面图；

图6是本发明的基于近红外聚合物的外科手术阴道和直肠操纵器的端视图；

图7是本发明的基于近红外聚合物的外科手术阴道和直肠操纵器的透视图；

图8是基于近红外聚合物的外科手术阴道和直肠操纵器的剖面图的侧视图；

图9是沿着图8的线a-a截取的基于近红外聚合物的外科手术阴道和直肠操纵器的剖面图；

图10是基于近红外聚合物的外科手术子宫操纵器的端视图；

图11是基于近红外聚合物的外科手术子宫操纵器的透视图；

图12是基于近红外聚合物的外科手术子宫操纵器的侧视图；

图13是基于近红外聚合物的外科手术子宫操纵器的平面图；

图14是基于近红外聚合物的外科手术子宫操纵器的侧视图；

图15是沿着图14的线b-b截取的基于近红外聚合物的外科手术子宫操纵器的剖面图；

图16是根据本发明的外科手术可视化和医疗成像系统的示意图，所述系统包括基于近红外聚合物的医疗装置；

图17是根据本发明的外科手术可视化和医疗成像方法的流程图；

图18是骶骨阴道固定术(sacrocolpopexy)程序中的外科手术视野的nir图像，该手术使用了机器人辅助的外科手术系统并采用了根据本发明的nir聚合物医疗装置；

图19是nir聚合物医疗装置的nir图像，该nir聚合物医疗装置从近红外源接收激发能并发射在成像系统中可见的近红外光；

图20是通过使用根据本发明的基于近红外聚合物的医疗装置识别的作为外科手术起点的具有最少量的组织的区域的nir图像；

图21是通过根据本发明的基于近红外聚合物的医疗装置增强的切口起点的nir图像；

图22是图18至22的程序的全光谱图像；和

图23是图18至22的程序的全光谱图像。

具体实施方式

参照附图，其中相同的标号始终指代相同的部件，在图1中可以看到示例医疗装置100，其可以根据本发明至少部分地由近红外(nir)聚合物形成，用于可视化周围组织。更具体地，本发明包括一种外科手术辅助装置的形成和使用，所述外科手术辅助装置嵌入有荧光染料或染料混合物，如吲哚菁绿染料(icg)，通过将荧光染料包括在用于形成所述装置的聚合物中。可以通过添加荧光增强剂来修饰染料，以减弱荧光的数量和质量。然后可以在外科手术，如机器人辅助的外科手术中，通过将所得荧光医疗装置放置在外科手术区域的组织下，用nir照明照射该装置，然后在nir光谱中可视化周围组织，从而用该装置来提供对周围组织的增强成像。对于外科医生或执业医生而言，在各种医疗程序期间和之后，在外科手术或诊断程序期间确定医疗装置的位置以及周围生物材料的特性是极有价值的。本发明的装置和相关程序和方法满足了这种未满足的需求。如本文进一步所述，当如本文所述构建并使用该装置时，将近红外荧光染料组合在医疗装置(其中，近红外荧光染料的激发产生发射的近红外荧光，其能够穿透生物材料例如组织)中提供了有关周围生物材料的信息，例如组织深度、密度、组织结构和不均匀性的变化、组织异常等。本发明的医疗装置包含已知量的近红外荧光染料，在这种情况下基于规定的近红外染料的量和所提供的激发能获知生物材料穿透。然后从医疗装置接收穿过生物材料的发射的近红外荧光的强度范围，该强度范围与生物材料的物理特性成比例。生物材料的物理特性是待确定的未知变量。与已知的组织穿透值相关的近红外染料的浓度在医疗装置中是预定的。在一个实例中，预定的组织深度穿透为约十毫米，并且由等同于浓度为百万分之四的吲哚菁染料的乙醇溶液所产生的荧光的荧光实现。为了进一步增强诊断和可视化能力，可以调节或者以其他方式改变提供给医疗装置的激发能量的强度、入射角、波长等。也可以采用多个激发波长。可以通过各种检测器和方法(这将在本文中进一步描述)来进行对发射的近红外荧光的检测，并且这种检测可以与可视化、诊断或外科手术系统集成在一起。

例如，机器人辅助的外科手术系统包括nir源和检测器，其可用于从根据本发明的装置提供荧光。根据本发明的装置如肠定径器100和本文中所描述的其它装置的使用在周围组织的可视化和外科手术的改进方面提供了意外的结果。根据本发明的装置允许快速且清楚地确定周围组织的深度、识别组织不均匀性、检测肿块或组织不规则性、改善解剖孔和裂口(tear)的可视化和增强外科手术区域的对比度。结果，使用根据本发明的装置进行的外科手术可以更快、更有效地进行，从而减少了患者在外科手术上花费的时间，提高了外科手术的效率，减少了恢复时间，提供了增强的外科手术决策能力，并避免了外科手术失误。

嵌入在医疗装置中的荧光染料可以是任何一种可以单独产生或与荧光增强剂组合时产生可接受量的荧光的荧光染料，这样当将染料掺入到医学上可接受的聚合物中然后成型成为根据本发明的医疗装置时，其产生期望的组织穿透，例如约10毫米。由示例性nir医疗装置产生的将穿透组织至约10毫米的深度从而提供本发明的增强的组织照明的荧光量大约等于由浓度为百万分之四(4)的icg的乙醇溶液产生的荧光量。使用icg，浓度为百万分之四(4)的icg的乙醇溶液所产生的荧光量提供了客观基准，可以据此评估其他染料和染料-聚合物混合物的荧光以确定它们是否会产生本发明所需的预定量的荧光。下表1列出了可用于根据本发明的医疗装置的各种染料和底物组合，以及与4ppmicg的乙醇溶液相比的相对荧光。

表格1

本领域技术人员应认识到，根据本发明，可以改变嵌入聚合物中的染料的特定浓度以产生不同量的荧光，然后可以使其衰减以产生所需量的荧光。例如，在使用过程中可以以更低的浓度使用具有比icg更大的近红外荧光的染料，产生相同的激发，或者在使用过程中以相同的量使用，产生更低的激发，同时仍能实现足够的组织穿透以使外科医生能够区分组织层和类型，至少为十毫米，因为所产生的荧光将大致相同。还应该认识到，根据本发明的医疗装置可以被设计成发荧光至较小的穿透深度，例如七毫米，以用于特定应用，其中该组织穿透量对于该特定应用是足够的。类似地，根据本发明的医疗装置可以被设计成发荧光至更大的穿透深度，例如十二毫米，以用于特定应用，其中该组织穿透量对于该特定外科手术而言是最佳的。

可以将荧光团直接嵌入或组合到医学上可接受的聚合物中，或者可以将其增强以改善和控制为增强医疗装置而选择的荧光团的荧光，从而荧光提供本发明周围组织的增强可视化。例如，icg在低于50μg/ml时在水溶液中发荧光，在较高浓度下淬灭。通过将染料增强并嵌入被认为或被承认可以安全用于外科手术的聚合物中，已经针对本发明成功地测试了icg。icg吸收波长在600nm至900nm之间的近红外光，最佳激发波长为805nm。icg发射波长在750nm至950nm之间的荧光，最佳发射波长为835nm。可以使用具有例如在806nm波长处功率输出为3瓦的激光二极管的激光器来激发嵌入有icg的装置。可以将激光输出去准直(decollimate)以将激光散布在包括icg嵌入式装置的足够的外科手术视野上。从icg嵌入式装置发出的近红外光将穿透周围组织和血液，因此，当被nir成像系统检测到时，荧光装置提供有关组织深度、组织密度和组织不均匀性的大量信息。静脉注射或在血液中稀释后，icg的量子效率提高了1000倍以上，荧光峰值约为10μg/ml。icg在甲醇、乙醇和dmso中强烈发荧光。应当认识到，使用swir染料和相关检测器，波长在1,100至3,000纳米之间的短波红外(swir)可以替代nir。

当嵌入聚合物中时，产生的荧光可能不足以正确地使周围组织成像。因此，本发明可包括通过使用有机和无机化合物，例如牛奶、奶粉、木薯粉、明胶、意大利面(pasta)、乳清、粗面粉和intralipid，来增强icg，这将增强并改变icg嵌入式装置的荧光分布量，从而提供本发明的意想不到的益处(例如视场深度增强)以及在医疗程序中方便地可视化和确定组织厚度和成分的能力。更具体地，可以向聚合物和icg混合物中添加有机和无机材料来增加荧光量并产生用于最佳荧光成像的光散射条件。在没有散射的情况下，激发能将穿过icg嵌入式装置的材料。散射过多时，所有激发能都会在icg嵌入式装置的表面反射，从而使荧光图像过饱和并无法评估。因此，基于医疗应用以及为医疗装置选择的特定聚合物或材料，可以将最佳量的增强染料嵌入根据本发明的医疗装置，以产生有效量的荧光。

如上所述，根据本发明的由nir聚合物制成的医疗装置将产生足够的荧光，以允许对周围生物材料(例如人体组织)的可视化达到特定外科手术的最佳量。本文描述的本发明和各种实施方案不仅包括人类应用，还包括在各种场景(包括外科手术、诊断等)中的兽医应用。例如，在本文所述的程序中，根据本发明的由嵌入有荧光团的聚合物制成的医疗装置的近红外荧光穿透组织至约10毫米(1厘米)的深度揭示了有关组织的信息，从而可以改善手术决策。穿透深度提供有关该深度内被照射组织的视觉信息，例如组织的质量、不同类型的组织层的厚度、疤痕等。外科医生因此可以轻松确定相对组织深度，识别组织不均匀性，检测肿块或组织不规则性，查明解剖孔或可视化裂口。因此，对于要求外科医生在0到10毫米的厚度范围内区分组织类型或组织一致性的医疗程序，例如在骶骨阴道固定术、囊肿切除术或子宫内膜异位症/肿瘤减积术程序中将膀胱与结缔组织分开，通过将nir聚合物医疗装置放置在待可视化的组织附近，用适当的刺激波长照射医疗装置，然后向外科医生可视化地显示发射的荧光，可以更清楚地可视化这些医疗程序。发出的荧光使外科医生快速识别和定位手术中涉及的恰当的组织或组织层，从而改善实时外科手术决策。因此，本发明有助于减少外科手术所花费的时间，同时改善了外科手术的结果。更短的外科手术时间和更高的外科手术质量降低了与外科手术相关的风险，增加了患者的康复时间，并增加了外科手术成功的可能性。

可以用ccd、cmos、emccd、ingaas(swir)或能够检测发射波长的其他光学传感器来检测和可视化从icg嵌入式装置发射的nir荧光。传感器可以与机器人辅助的外科手术系统相关联，或者作为单独的nir成像系统的一部分提供。例如，fireflynirf成像子系统(可从intuitivesurgical获得)是davinci微创机器人外科手术系统的组成部分，可用于通过根据本发明的装置来检测和观察荧光。类似地，常规nir显微镜和成像系统，例如具有nirf能力的zeisspenteroor显微镜系统，也可以与本发明结合使用，以及腹腔镜系统，例如具有nirf能力的storznovadaq和stryker腹腔镜系统。通过使用icg嵌入式装置形成的荧光图像为用户提供了增强的外科手术对比度(尤其是在机器人辅助的外科手术或其他微创近距离外科手术中)，从而帮助用户检测肿块和其他组织不规则性。

可以将接收到的nir图像数字化并与其他数字数据(例如全光谱图像、超声图像、x射线图像等)组合，并使用各种数字处理技术来产生目标解剖区域的增强图像，提供表面以下组织的信息和可视化，这是迄今为止不可能实现的。这种增强的视野可以实时传递给外科医生，从而提供更好的外科手术指导、决策制定，甚至提供虚拟触觉的尺寸，这在机器人辅助的外科手术系统和装置中是目前尚无法提供的。另外，还可以使用数字信号处理技术将表面下组织信息转换为外科手术控制级别的触觉反馈，例如在机器人辅助的外科手术或其他先进技术外科手术装置和系统中，在控制点向外科医生提供振动、压力、阻力或其他反馈。例如，在某些手术中，外科医生最好在存在最少量组织的区域开始解剖。根据本发明的icg嵌入式装置可以用于选择性地照射不同深度的组织，以将具有最少组织存在的区域传达给外科医生。

可以使用常规的聚合物加工方法将nir聚合物制成期望的医疗装置。例如，如果用pcl作为基础聚合物，则可将其在加热管中旋转以确保nir染料均匀分布，然后使用双螺杆聚合物挤出机进行挤出。类似地，可以使用双料斗仪器(其将固体给料投入发生熔融和混合的加热区域)来生产nir聚合物原料，例如粒料、长丝或管材，然后可以将其挤出、喷射或吹塑以形成根据本发明的医疗装置的形状。或者，可以将nir聚合物配置为用于3d打印机的长丝原料。

根据本发明，可以增强各种医疗装置，以提供增强的视场深度以及确定组织厚度和组成，从而改善与那些医疗装置相关的外科手术所需的准确性、效率和时间。例如，肠道定径器、阴道操纵器、直肠操纵器、子宫操纵器、探条装置、输尿管支架、输尿管导管、气管插管、胃内饲管、止血材料(hemostaticagent)、缝合线、夹子、u形钉(staples)、螺钉、探针、外科手术针等可以与本发明结合使用以提供穿透到周围组织中的近红外荧光。根据本发明的装置可以用于各种外科手术中，其中周围组织的可视化为外科医生带来了益处，例如肿瘤外科手术、子宫内膜异位症的去除/识别或骨盆重建手术。

实施例1

为了制备用于示例性医疗装置的吲哚菁绿(icg)，将乙醇添加到吲哚菁绿中。将10ml乙醇添加到25mgicg中并轻轻混合。将steralloy2380a树脂和steralloy2380b固化剂以50ml2380b与200ml2380a的比例混合。将2ml乙醇和icg溶液添加到树脂和固化剂组合物中。为了提供具有适当美学品质的最终外科手术工具，将steralloypd-7mp不透明白色分散体添加到混合物中。将icg溶液和颜色分散体添加到steralloy2380b固化剂中，然后将所得混合物添加到steralloy2380a树脂中。将所得混合物(约每百万icg20份)倒入模具中，以浇铸所得外科手术装置。应当认识到，也可以采用其他方法，例如在喷射成型、吹塑、挤出、3d打印等之前，将icg或icg溶液添加到塑料给料中。

实施例2

根据本发明，通过以下方法制备增强型nir聚合物：将由icg和奶粉形成的增强型nir粉末嵌入到聚(己内酯)(pcl；2-oxyoanone)——一种经常用于fda-批准的装置如缝合材料如monocryl(ethicon)的生物相容性热塑性材料——中，然后将icg嵌入的聚合物成型为医疗装置所需的形状。选择了奶粉而不是粗面粉，因为当在不同的加热条件下重复使用并重复浸入水中时，由icg和粗面粉形成的nir粉末会导致粗颗粒和一些不良性质。相比之下，当使用icg和dmso混合物时，由于dmso从材料中消散，所得聚合物仅发出足够持续约24小时的荧光。为了获得更细的颗粒粉末，用约100cc的纯乙醇将50g干燥脱水牛奶(evaporatedmilk)重新水化，然后将约500ml的水添加到2.5mgicg的1ml水溶液(来自冷冻的原液)中。这样得到浅绿色溶液，然后将其倒入浅锅中，蒸发至干，机械粉碎，并通过筛子。最终产品为脱水奶粉中约50ppmicg(50mg/kg)。将所得nirf粉末以1重量％、5重量％和10重量％(10,000-100,000ppm)添加到置于玻璃器皿干燥箱中的硅胶容器中的聚己内酯(instamorph)中，并反复揉捏并通过滚筒以实现混合和材料薄片化的目的。

作为脱水奶粉(其通常是通过喷雾干燥产生的，基于溶质浓度得到可控的颗粒大小)的替代，可以使用其他材料来增强荧光染料的量子效率，其他材料例如淀粉、氨基酸、蛋白质、油、乳剂、微胶粒(micelles)、食用色素、增塑剂或已经批准用于人类用途的其他试剂，它们可以制成颗粒用于与icg混合并掺入到聚合物中，以生产增强型nir聚合物。例如，玉米淀粉可以与icg预结合，然后嵌入到根据本发明的聚合物中。

实施例3

图1至图5示出了外科手术肠定径器100形式的外科手术可视化和医疗成像装置。肠定径器100包括轴101、手柄103和头部105。轴101可具有各种长度，取决于所需的外科手术任务。头部105的长度可以例如在25-33毫米的范围内。肠定径器100至少部分地由根据本发明的nir聚合物制成。例如，整个肠定径器100、仅头部105或仅头部105的一部分可以由nir聚合物形成，以在暴露于近红外辐射时用于近红外荧光。

实施例4

图6-9描绘了由根据本发明的荧光聚合物形成的外科手术阴道操纵器600形式的外科手术可视化和医疗成像装置。外科手术阴道操纵器600包括圆柱形形式601，其具有端部603和芯部605。芯部605可以由与外科手术阴道操纵器的其余部分相同的材料制成，或者在一些实施方案中可以是中空的或以其他材料填充。阴道操纵器600至少部分地包括根据本发明的nir聚合物，当暴露于近红外辐射时，用于阴道操纵器600的近红外荧光。

实施例5

图10-15描绘了外科手术子宫操纵器1000。子宫操纵器1000包括杯1001，围绕杯1001的圆周的引导脊1007，以及位于杯1001内的可膨胀气球1003。轴1005可操作地与杯1001联接。在一些实施方案中，轴1005具有刻度标记，并且还可以包括导管或开口以将空气或其他气体输送到可膨胀气球1003。子宫操纵器1000至少部分地包括根据本发明的nir聚合物。例如，杯1001可以完全由nir聚合物形成。或者，引导脊1007可以由nir聚合物形成，当暴露于近红外辐射时，用于近红外荧光。

实施例6

图16示出了外科手术可视化和医疗成像系统1600，其包括近红外(nir)源1605以及多个照相机1601和1603，用于在可见光谱和nir光谱中对组织1609进行三维成像，在组织1609下放置了基于nir聚合物的医疗装置1607。应当认识到，可以使用多个照相机，对于可见光谱和nir光谱使用不同的照相机，或者可以使用同时在可见光谱和nir光谱中检测并产生图像的组合照相机，根据装置1607中使用的nir聚合物的组成来选择特定的nir波长。例如，可以检测波长在750nm和950nm之间，最佳或首选波长为835nm的荧光的照相机将适合于基于icg的nir聚合物。

来自nir源1605的照射可以被引导到视野上，并由此被引导到医疗装置1607上，使得装置1607发荧光。nir源1605可以产生这样的激光：所述激光发射波长在600nm至900nm范围内的激发能，该激光被去准直以使激光散布在外科手术视野上，所产生的装置1607的荧光的激发波长为805nm或806nm。nir源1605源可以具有由伺服系统或压电电机控制的入射角调节。nir源1605还可具有占空比调整。

当由照相机1601和1603检测并向外科医生显示时，如上所述所得荧光提供了组织1609的增强可视化。系统1600可以被包含作为机器人辅助的外科手术系统的一方，其中各种部件附接到机器人附件或其支撑件或结构或形成为机器人附件或其支撑件或结构的一部分，装置1607偶联至系统1600的机器人臂或甚至形成为系统1600的机器人臂的一部分。本发明的系统还可以包括基于icg的外科手术装置本身。

用于nir聚合物医疗装置1607的成像的照相机1601可以偶联到数字信号处理器和成像系统，以进一步处理捕获的图像或视频，例如衰减强度、增益等，以便用户可以修改显示的图像以获得最大效果。

图17是在外科手术期间使用根据本发明的nir聚合物医疗装置改善组织的可视化的方法的流程图。在步骤1701中，对外科手术靶标部位成像。可以用诸如ccd或cmos阵列的传感器通过全光谱检测或通过仅近红外检测来执行成像。在步骤1703中，由例如激光nir源发出波长范围在600nm至900nm之间，优选805nm或806nm的nir辐射。激光源可以被去准直或以其他方式分散以将红外光散布在外科手术视野或目标区域。在步骤1705中，靶标部位或目标外科手术区域被进一步成像。成像在整个外科手术中实时连续进行，并且可以记录下来以进行进一步处理，以向主治外科医生提供增强的可视化。对于特定的可视化和数字成像需求，可以任选地调整近红外辐射源的强度1707、入射角1709或占空比1711。这些nir变量可以受软件控制以允许进行特定的诊断或成像，或者受外科医生的手动控制，以有助于在外科医生的控制和指导下进行实时可视化。

可以预见，可以在软件控制下开发特定的测试顺序以检测组织异常，例如裂口、异常肿块等。例如，对于检测可能指示某种医学病况的某种组织异常，例如某种密度的非典型肿块，在指定占空比下具有脉冲近红外激发的特定入射角可能是最佳的。在步骤1713中，可以在计算机系统上创建外科手术视野的坐标图，该系统具有处理器、存储器和计算机可读介质或其访问。将坐标分配给所创建的坐标图上的每个位置。在本发明的一些实施方案中，分辨率可以由系统本身或系统的用户或其他操作者来定义。在整个外科手术中，坐标分配的过程可以是实时的或接近实时的，其中使用数字信号处理技术进行坐标分配、重新分配、保留和处理。通过使用nir传感器或照相机，收集并处理来自本发明的icg外科手术装置的近红外发射的亮度值。在步骤1717中，例如，将这些收集的亮度值转换为相对组织深度(厚度)和组织密度值。然后，使用每个坐标的这些相对组织深度和组织密度值来创建外科手术视野的虚拟图像，并将外科手术视野的图像添加到使用近红外数据的外科手术视野的虚拟图像或以其他方式与使用近红外数据的外科手术视野的虚拟图像一起显示。因此，在步骤1719中，将所创建的组织密度和深度的虚拟图像与外科手术视野的图像(靶标部位图像数据)重叠，以创建靶标部位1721的虚拟图像，该虚拟图像的组织深度和密度成像被增强或以其他方式改善，这是迄今为止外科手术成像系统无法实现的。将nir图像添加到外科手术视野图像的组合步骤还可以包括使用来自其他源的成像，例如超声、x射线放射和荧光检查、磁共振成像(mri)、热成像、闪烁显像、弹性成像、触觉成像、光声成像、超声波心动描记术、正电子发射断层扫描、单光子发射断层扫描、内窥镜检查等。

附图18-23是在用机器人辅助的外科手术系统执行的骶骨阴道固定术程序中，在使用根据本发明的nir聚合物医疗装置期间拍摄的一系列顺序图像。所示的荧光最多的区域是nir聚合物医疗装置和手术区域之间组织量最少的区域。在所示插图中，组织量最少(这由nir聚合物医疗装置发出的光的强度证明)的区域是外科医生开始使膀胱瓣显影的区域，从而给外科医生提供视觉上的起点。图18示出了外科手术视野(靶标部位)。图19示出了nir聚合物医疗装置，该装置从近红外源接收激发能并发射近红外光，在成像系统中可以看到该近红外光为绿色发光，周围组织为黑色和白色。图20示出了识别组织量最少的区域作为外科手术起点。图21再次在近红外光下示出了切口的起点。图22和23示出了在全光谱照射下继续的程序。

这些图像代表可以从本发明的装置、系统和方法中受益的示例性外科手术。更具体地说，不管其形状如何，本发明提供穿透预定量的组织的荧光的能力实现了改善的成像可视化，这迄今不可能的。这种穿透提供了有关相对组织深度(这是相邻组织彼此之间的渐增对比度)以及组织的一致性的信息。例如，由于组织密度的差异，与非瘢痕组织相比，包括疤痕组织的组织将以不同的方式被荧光照射。当与机器人外科手术(例如使用davinci机器人的外科手术)组合使用时，本发明提供的nir视觉信息尤为重要，因为外科医生没有能力感知组织的质量，而必须依靠视觉线索。

因为荧光照射了组织中的反差，所以本发明也可以用于发现组织的异常或异质区域。例如，使用本发明可以更明显地看到比周围组织更密或更厚的组织。例如，膀胱、阴道、直肠或输尿管上的子宫内膜异位会因照射穿透的差异而突出显示。由于当从下面的组织去除子宫内膜组织而不损坏下面的组织时必须格外小心，因此本发明可以用于更清楚地描绘不同的组织，从而改善外科手术结果。类似地，使用本发明可以更容易地看到异常或癌变组织，例如最常见于阴道断端的复发性子宫内膜癌。本发明还可用于帮助识别无意的损伤或受伤的组织，从而避免了手动检查或使用可视性液体的需要，并允许更快地修复。

在第一方面，本发明是一种外科手术可视化和医疗成像装置，其包括外科手术肠定径器，其包括轴、手柄和功能性端部，所述外科手术肠定径器包括包含吲哚菁绿染料的塑料，当暴露于近红外辐射时，所述吲哚菁绿染料的比例适合于外科手术肠定径器的近红外荧光。

在第二方面，外科手术可视化和医学成像装置由生物相容性热塑性材料制成。

在第三方面，权利要求的外科手术可视化和医学成像装置由聚己内酯(pcl；2-oxypanone)制成。

在第四方面，外科手术可视化和医学成像装置包括有机材料。

在第五方面，外科手术可视化和医学成像装置包括有机材料，所述有机材料选自由牛奶、木薯淀粉、明胶、意大利面和粗面粉组成的组。

在第六方面，外科手术可视化和医学成像装置包括外科手术阴道操纵器，所述外科手术阴道操纵器包括具有端部和芯部的圆柱形形式，所述外科手术阴道操纵器包括包含吲哚菁绿染料的塑料，当暴露于近红外辐射时，所述吲哚菁绿染料的比例适合于外科手术阴道操纵器的近红外荧光。

在第七方面，外科手术可视化和医学成像装置包括外科手术子宫操纵器，其包括杯，与杯可操作地偶联的轴，限制杯的圆周的引导脊，以及杯内的可膨胀气球，所述外科手术子宫操纵器包括包含吲哚菁绿染料的塑料，当暴露于近红外辐射时，所述吲哚菁绿染料的比例适合于外科手术阴道操纵器的近红外荧光。

在第八方面，本发明可以是一种用于机器人辅助的外科手术成像的系统，其包括第一照相机和第二照相机；白光源，用于照射由第一照相机和第二照相机成像的外科手术区域；近红外光源，用于向包含吲哚菁绿染料和塑料的外科手术装置提供近红外辐射源；计算机，其具有处理器、存储器和对计算机可读介质的访问；计算机被配置为接收外科手术视野的坐标图上的每个坐标的亮度值，并输出相对组织深度和密度。

在第九方面，本发明可以包括存储在计算机可读介质上的计算机程序，其中计算机程序执行以下步骤：创建外科手术视野的坐标图；在坐标图上为每个位置分配坐标；接收每个坐标的亮度值；根据接收到的亮度值为每个坐标分配相对组织深度值；根据接收到的亮度值为每个坐标分配组织密度值；使用每个坐标的相对组织深度值和每个坐标的组织密度值创建外科手术视野的虚拟图像；将外科手术视野的图像添加到外科手术视野的虚拟图像；并在计算机监视器上显示外科手术视野的图像与外科手术视野的虚拟图像。

在第十方面，计算机执行的分配相对组织深度和组织密度的步骤提供对组织异常和肿块的识别。

在第十一方面，该系统还包括机械臂。在第十二方面，近红外光源具有强度调节。

在第十三方面，近红外光源具有入射角调节。

在第十四方面，近红外光源具有占空比调节。

在第十五方面，本发明可以是用于增强外科手术成像的基于计算机的方法，该方法包括以下步骤：在具有处理器、存储器和计算机可读介质的计算机上创建外科手术视野的坐标图，并将所述坐标图存储在计算机可读介质上；在计算机上为坐标图上的每个位置分配坐标；在计算机上从数字成像系统接收每个坐标的亮度值，该数字成像系统被配置为在受到近红外源照射时接收外科手术视野的图像；根据接收到的亮度值在计算机上为每个坐标分配相对组织深度值；根据接收到的亮度值在计算机上为每个坐标分配组织密度值；使用每个坐标的相对组织深度值和每个坐标的组织密度值在计算机上创建外科手术视野的虚拟图像；在计算机上将外科手术视野的图像添加到外科手术视野的虚拟图像；并在计算机上在计算机监视器上显示外科手术视野的图像与外科手术视野的虚拟图像。

在第十六方面，本发明可以是一种外科手术可视化和医疗成像装置，其包括：装置，所述装置包括包含吲哚菁绿染料的塑料，当暴露于近红外辐射时，所述吲哚菁绿染料的比例适合于所述装置的近红外荧光。

尽管已经结合本发明的优选实施方案描述了本发明的各个目的，但是显然，对于本领域技术人员而言，许多替代、修改和变化是显而易见的。因此，意图涵盖落入本说明书和附图的精神和广泛范围内的所有这样的替代、修改和变化。如上所述，本发明可以是系统、方法和/或与之关联的计算机程序，并且在本文中参考方法和系统的流程图和框图进行了描述。流程图和框图示出了本发明的系统、方法和计算机程序的可能实现的架构、功能和操作。应当理解，流程图和框图的每个框可以由软件、固件或专用模拟或数字电路中的计算机可读程序指令来实现。这些计算机可读程序指令可以在通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器上实现，以产生实现流程图和框图中的任何方框的一部分或全部的机器。流程图或框图中的每个方框可以表示指令的模块、片段或部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应该注意的是，框图和流程图的每个方框，或框图和流程图中的方框的组合，都可以通过基于专用硬件的系统来实现，该系统执行指定功能或动作，或执行专用硬件和计算机指令的组合。