手术成像系统的制作方法
【专利说明】手术成像系统
[0001]本申请要求2013年3月15日提交的、标题为“高光谱成像装置(HYPERSPECTRALIMAGING DEVICE) ”的美国临时申请、申请号为61/800，911的优先权，该临时申请以全文引用的方式并入到本文中。
[0002]本申请还要求2013年3月15日提交的、标题为“用于基于端口的手术程序的外部视频观测器(EXTERNAL VIDEO SCOPE FOR PORT-BASED SURGICAL PROCEDURES) ” 的美国临时申请、申请号为61/800，695的优先权，该临时申请以全文引用的方式并入到本文中。
[0003]本申请还要求2013年5月1日提交的、标题为“用于基于进入端口的医疗程序的成像总成(IMAGING ASSEMBLY FOR ACCESS PORT-BASED MEDICAL PROCEDURES) ” 的美国临时申请、申请号为61/818，223的优先权，该临时申请以全文引用的方式并入到本文中。
[0004]本申请还要求2013年3月15日提交的、标题为“用于微创手术程序的规划、成像和引导的系统、装置和方法(SYSTEMS, DEVICES AND METHODS FOR PLANNING, IMAGING, AND(GUIDANCE OF MINIMALLY INVASIVE SURGICAL PROCEDURES) ” 的美国临时申请、申请号为61/801，530的优先权，该临时申请以全文引用的方式并入到本文中。
[0005]本申请还要求2013年5月1日提交的、标题为“用于微创手术程序的规划、成像和引导的系统、装置和方法(SYSTEMS, DEVICES AND METHODS FOR PLANNING, IMAGING, AND(GUIDANCE OF MINIMALLY INVASIVE SURGICAL PROCEDURES) ” 的美国临时申请、申请号为61/818，280的优先权，该临时申请以全文引用的方式并入到本文中。
技术领域
[0006]本发明是关于在微创治疗中使用的成像方法以及使用光学成像且更特别是高光谱成像的图像引导式医疗程序。
【背景技术】
[0007]生物组织的光学吸收和散射特性取决于组织的化学与结构特性和相互作用的光的波长这二者。由于组织的这些吸收和散射特性如何随着光变化对于组织中的化学物质或结构(组织的光谱)而言常常是独特的，所以这能够特别有用。举例来说，可使用氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收特征来测量血液和组织的氧化，且可使用由差异细胞大小引起的散射变化来检测癌变前期及癌变组织。测量光学特性随着光的这些变化的领域被称为光谱学，且用以测量各种波长下的光的装置被称作光谱仪。已经发现光谱学在医学方面的大量当前和潜在应用。
[0008]传统光谱仪从单个样品点进行光谱的测量。然而，可以组合多个空间点的光谱形成3D空间数据集(有时被称作超立方体)，其中前两个尺寸是空间尺寸且第三个尺寸为波长。换句话说，每一图像像素具有整个光谱而非仅具有强度或RBG值。这被称为高光谱成像且由于可对空间分析的组织化学物质或微结构特性进行成像而成为强大的技术，从而提供对组织更全面的理解，且对于组织区分来说可为一项有用的技术。根据Dicker等人的论文[使用高分辨率高光谱成像来区分正常皮肤与黑素瘤(Differentiat1n of Normal Skinand Melanoma using High Resolut1n Hyperspectral Imaging)]，应用高光谱图像分析(或高光谱成像)在常规苏木精伊红染色样本(即，正常和异常皮肤、良性痣和黑素瘤)中寻找良性皮肤组织与恶性皮肤组织之间的光谱差异。结果显示，只要控制染色和切片厚度，就能客观地区分初始数据集中的所有皮肤情况。
【发明内容】
[0009]本发明提供用于以单色或宽带光和成像光对组织照明的系统、方法和装置，该单色或宽频光和成像光已从组织反射回去。成像可为白光成像或高光谱成像。所述系统可为独立高光谱成像系统，被整合为外部视频观测器之部分或外部视频观测器上的辅助成像模块。首先呈现特别适合于微创手术的视频观测器的各种元件，然后解释适合于高光谱成像的视频观测器的配置。
[0010]因此，在第一方面中，提供一种高光谱成像设备，该设备用于进行外科手术区域的高光谱成像，所述高光谱成像设备包括:
[0011 ] 照明式外视镜(exoscope)，所述照明式外视镜包括:
[0012]纵向外壳；
[0013]设置于所述纵向外壳内的光学成像总成；
[0014]成像摄像机，所述成像摄像机与所述光学成像总成连接以用于检测由所述光学成像总成收集到的图像；以及
[0015]由所述纵向外壳支撑的一个或多个照明源，其中与每一照明源有关联的照明轴偏离所述光学成像总成的成像轴；
[0016]远端光源；
[0017]光谱滤波装置，所述光谱滤波装置与所述远端光源进行光学通信；以及
[0018]光导，所述光导具有与所述光谱滤波装置的输出进行光学通信的近端和一个或多个远端，其中每一远端与一个照明源进行光学通信。
[0019]在另一方面中，提供一种方法，该方法在提供白光视频供给的同时进行高光谱成像，所述方法包括:
[0020]提供如上所述的高光谱设备，其中，所述成像摄像机具有一个超过预先选择的视频帧率的帧率；
[0021]在获得高光谱图像数据的同时；
[0022]以等于所述预先选择的视频帧率的获取速率间歇地获取白光图像帧；以及
[0023]基于所述获取的白光图像帧来提供白光视频供给。
[0024]在另一方面中，提供一种外视镜，该外视镜用于在医疗程序期间，对进入端口内的外科手术区域进行成像，所述外视镜包括:
[0025]纵向外壳；
[0026]设置于所述纵向外壳内的光学成像总成，所述光学成像总成包括大于近似25厘米的工作距离；
[0027]成像变焦摄像机，所述成像变焦摄像机与所述光学成像总成连接以用于检测由所述光学成像总成收集到的图像；
[0028]其中所述光学成像总成和所述成像变焦摄像机经构造以使得与所述成像变焦摄像机收集到的图像有关联的最小视野近似等于所述进入端口的直径。
[0029]通过参考以下详细描述和附图可进一步理解本发明的功能和优点方面。
【附图说明】
[0030]现将参看附图仅以举例方式描述实施方案，在所述附图中:
[0031]图1示出支持基于进入端口(access port-based)的微创手术的实例导航系统。
[0032]图2为说明导航系统的系统组件的框图。
[0033]图3为说明在使用导航系统、基于端口的手术程序中所包含的处理步骤的流程图。
[0034]图4为使用视频观测器的实例实施方案基于端口的脑部手术。
[0035]图5A为具有摄像机连接器和照明光学器件的视频观测器的实例实施方案。
[0036]图5B为用以将来自外部光源的光传递到视频观测器的光纤束的实例实施方案。
[0037]图5C为视频观测器和照明总成的实例实施方案。
[0038]图6说明视频观测器的实例成像光学子系统。
[0039]图7说明用于宽视场布置的照明光学器件和滤光轮的布置。
[0040]图8A说明在具有两个照明源的端口和具有反射性表面的端口的远端处所获得的非均匀照明。
[0041]图8B说明在具有两个照明源的端口和具有粗糙表面的端口的远端处所获得的近似均匀照明。
[0042]图9为说明标准高光谱成像系统的实例实施方案。
[0043]图10为说明用以以多路复用方式获取高光谱数据和白光图像的方法的流程图。
[0044]图11为说明以特定波长带进行成像的实例实施方案。
[0045]图12示出计算机控制系统的实例非限制性实现方式。
【具体实施方式】
[0046]将参考下文所讨论的细节来描述本发明的各种实施方案和方面。以下描述和附图用以说明本发明，不应被解释为限制本发明。描述众多特定细节以提供对本发明的各种实施方案的透彻理解。然而，在某些例子中，未对熟知或传统细节进行描述以便提供对本发明的实施方案的简洁论述。
[0047]如本文中所使用，术语“包括(comprises) ”和“包括(comprising) ”应解释为包括性且开放式的，而非排他性的。具体来说，当用于说明书和权利要求中时，术语“包括(comprises) ”和“包括(comprising) ”及其变化意指包含指定特征、步骤或组件。这些术语不应解译为排除其它特征、步骤或组件的存在。
[0048]如本文中所使用，术语“示例性”意味“充当实例、例子或说明”，且不应被解释为比本文中所公开的其它配置的更优或有利。
[0049]如本文中所使用，术语“约”和“近似”意欲涵盖可存在于值范围的上限和下限的一些变化，例如特性、参数和尺寸的变化。在一个非限制性实例中，术语“约”和“近似”意指正负10%或更少。
[0050]基于端口的手术是微创外科手术技术，其中引入一个端口以使用手术工具进入所关心手术区。不同于例如腹腔镜技术的其它微创技术，端口直径大于工具直径。因此，所关心组织区通过端口可见。而且，可使用外部设置的光学系统(例如，显微镜和视频观测器)看见在皮肤表面之下几厘米深度处所关心区中、并且通过端口中的狭窄通道接触的暴露组织。
[0051]基于端口的手术程序期间的组织区分的当前方法采取使用外部放置的视频观测器的视觉验证。组织区分可能是有用的，因为外科医生没有一种在手术程序期间有效地确认组织类型的定量手段。传统上，高光谱成像还未被预料到用于在脑部手术过程中使用，因为这种方法具有对组织极有限穿透深度并且可能不会经颅有效地使用。
[0052]而且，基于端口的手术中的狭窄通道在血管意外被切断时常常堵塞。在这些事件中，可能需要外科医生停止其当前手术过程(例如，打开硬脑膜、稍微收缩脑沟以用于端口的跨脑沟导航或切除肿瘤组织)并且冲洗腔体以使得更好地观看腔体。而且，这样的出血也限制外科医生快速地识别出血位置，使得特定血管壁结块终止出血。
[0053]因此，在本发明的一些方面中，提供系统和方法以用于在基于端口的微创手术程序中利用光学成