用于光学相干断层成像集成外科显微镜的抬头显示器的制造方法
【专利说明】
[0001 ] 优先权要求
[0002] 本申请要求2012年8月28日提交的美国临时申请No.61/871，037(代理人案号 No. 9526-49PR)的优先权，其公开以引用的方式并入到本文中如同其在本文中全面陈述。
[0003] 政府支持的声明
[0004] 本发明部分地由国家健康机构国家眼科机构在批准申请ID R44EY018021-03下受 政府支持而被资助。美国政府享有本发明构思的特定权利。
技术领域
[0005] 本发明构思涉及外科显微镜，并且更特别地，涉及使用光学相干断层成像(0CT)的 眼科外科显微镜。
【背景技术】
[0006] 外科显微镜向外科医生提供放大的操作视场。常见地，眼科外科显微镜是具有用 于外科医生的双目查看端口的立体变焦显微镜，并且经常使一个或两个观测者查看端口对 于外科医生成九十度(左边和右边）。显微镜的物镜与患者眼睛的表面之间的工作距离可以 在从大约100mm到大约200_的范围。在为外科医生的手动工作提供适合的访问视场的该工 作距离处，患者眼睛内的查看视场可能十分有限。十分常见的是使用中间透镜(诸如Oculus Optikgerat的双目间接眼科显微镜(ΒΙ0Μ))以修正对于外科医生的放大倍率和查看视场。 这种中间透镜被安装到显微镜头的下方台架，并且包括机械部件以调整焦点并且将透镜翻 转进入以及退出显微镜的查看视场。
[0007]其它照射或成像设备也可以用在外科领域中。理想地，所有照射和成像源将被直 接同轴集成到操作显微镜的光路及其之内，而不影响用于外科医生、观测者和麻醉师等的 操作视场。仍然想要利用已经集成到良好运转的操作显微镜的机械控制和属性来为紧密耦 合到手术视场的成像和其它附件提供容易操控的安装，而不使操作显微镜的视觉属性劣 化。
[0008] 特别关注的情况是将光学相干断层成像(0CT)成像合并到手术可视化实践中。0CT 提供眼组织微结构的高分辨率成像，并且示出将信息提供给外科医生以改进治疗结果，并 且通过减少风险并减少重做而减少手术的总经济负担的巨大前景。
[0009] 现在将讨论常规傅里叶域ocT(roocT)系统以提供与这些系统有关的一些背景。首 先参照图1A，将讨论ro〇CT视网膜成像系统的框图。如图1A所示，该系统包括宽带源100、通 过分束器120彼此耦合的参考臂110和样本臂140。分束器120可以是例如光纤耦合器或体状 或微型光耦合器。分束器120可以提供从大约50/50到大约90/10的分光比。如图1A进一步所 示，分束器120还通过可以由光纤提供的检测路径106耦合到波长或频率采样的检测模块 130〇
[0010] 如图1A进一步所示，源100通过源路径105耦合到分束器120。源100可以是例如连 续波宽带超发光二极管、脉冲宽带源或可调谐源。参考臂110通过参考臂路径107耦合到分 束器120。类似地，样本臂140通过样本臂路径108耦合到分束器120。源路径105、参考臂路径 107和样本臂路径108可以全都由光纤或光纤、自由空间和体状或微光学元件的组合来提 供。
[0011] 如图1A所示，FD0CT视网膜成像系统的参考臂可以包括准直器组件180、可以包括 中性密度滤光器或可变孔径的可变衰减器181、镜组件182、参考臂可变路径长度调整183以 及路径长度匹配位置150,即到感兴趣对象区域的参考臂路径长度与样本臂路径长度之间 的光路径长度匹配。如进一步所示，样本臂140可以包括双轴扫描仪组件190和具有可变焦 点191的物镜。
[0012] 图1A所图示的样本是眼睛，其包括角膜195、虹膜/瞳孔194、眼晶状体193和视网膜 196。在视网膜196附近示出ro〇CT成像窗口的表示170。视网膜成像系统依赖于物镜加上被 检者眼睛的光学体(显然，角膜195和眼晶状体193)，以对眼睛的后部结构进行成像。如进一 步图示，通过聚焦位置196和参考臂路径长度调整183的协调来选择对象内的感兴趣区域 170,以使得对象内的路径长度匹配位置197处于想要的位置处。
[0013]现参照图1B，将讨论示出FD0CT角膜(前部)成像系统的框图。如图中所示，图1B的 系统与图1A的系统非常相似。然而，物镜可变焦点不需要被包括，并且在图1B中未被包括。 图1B的前部成像系统直接对前部结构进行成像，而不依赖对象的光学体聚焦在前部结构 上。
[0014]如上面讨论那样，眼科外科显微镜可以为外科医生提供他们正对其动手术的眼睛 的各个区域的放大视图。然而，存在可以受益于光学相干断层成像(0CT)所提供的高分辨率 深度解析成像的很多眼科外科手术。因此，将0CT系统集成到外科显微镜可以提供更大的能 力，并且使得能够进行当前不能利用常规的立体成像执行的程序。
[0015] 如图1C所示，在眼睛中存在各种感兴趣的区域，其可能要求不同的0CT成像特征。 例如，参照图1C，区域1(角膜区域)典型地要求相对高分辨率0CT成像。想要相当大的焦点深 度(D0F)以允许整个角膜结构被成像。这样的成像在角膜移植程序的支持中是想要的。类似 地，晶状体（区域2)的成像受益于囊状结构的高分辨率成像。要求大的D0F以同时地对整个 晶状体进行可视化。相比之下，视网膜（区域3)上的结构位于受约束的深度区域中，并且趋 于非常细微。因此，视网膜成像典型地要求非常高的分辨率，但不一定大D0F。
[0016] 将关于图1D和图1E讨论合并有0CT的现有外科显微镜。首先参照图1D，同样的附图 标记返回参考图1A和图1B。然而，如图1D所示，立体变焦显微镜160已经合并到样本臂路径 108中。如图所示，外科显微镜160包括用于外科医生查看样本199的两个目镜(双目查看端 口）162。图1D的外科显微镜160包括分束器161(其中，分束器可以是二向色滤光器）以及置 于二向色滤光器161之下的物镜163。如进一步所图示，样本臂路径108耦合到形成离开光纤 的光束的准直器165以及将光束引导到集成在目镜路径162与主物镜163之间的显微镜的无 限空间中的二向色滤光器161的一对振镜190。光束反射离开二向色滤光器161并且通过物 镜163以对样本199进行成像，样本199可以是被检者的眼睛或任何其它可访问的区域。图1D 所图示的显微镜160是静态外科显微镜，即对于焦距的动态调整是不可能的；仅通过调换光 学元件(安装新的主物镜163)或改变显微镜160与对象199之间的工作距离而能够进行聚焦 改变。
[0017] 现在参照图1E，将讨论合并有0CT的外科显微镜的另一设计。在Izatt等人的美国 专利8,366,271中讨论了图1E所图示的外科显微镜，其公开以引用的方式并入到本文中如 同其在本文中全面地陈述。如图1E所图示，除了在一对振镜190与外科显微镜163的二向色 滤光器161之间提供望远透镜组件集合167以外，图1E的外科显微镜系统与图1D的系统相 似。因此，在图1E的系统中，光束行进通过振镜190进入望远透镜集合167,然后通过二向色 滤光器161经过物镜163对样本199进行成像。望远透镜集合167的存在提供光束成形，以使 得系统的数值孔径最大化，潜在地改进系统产生的图像的横向分辨率，然而，图1E所图示的 系统在修正或控制扫描光束的特征上提供有限的灵活性。外科显微镜被定制为提供对象的 清楚光学查看，具有均匀的照射和准确的色温。立体显微镜提供一定视差以向外科医生提 供空间和形貌感。有时使用染色来突出形貌。在外科显微镜内提供高清晰度视频以改进视 觉清晰性。现在添加了来自娱乐业的形貌三维视频技术，诸如偏振-分集立体镜检查，来增 加层次感。
[0018] 这种外科立体显微镜局限为表面可视化。光学相干断层成像(0CT)是目前在光学 半透明表面下成像的完善的技术。高分辨率0CT提供观察表面下结构的能力，作为立体、高 清晰度和三维外科显微镜的表面查看的补充。光学相干断层成像是视网膜诊断中的标准护 理，并且在角膜成像和度量中找到一些使用。0CT只是刚开始应用于手术中成像。一种手持 眼科0CT系统（由Bioptigen股份有限公司提供），通过欧盟关于医疗设备的标准并且被Π)Α 批准用于对麻醉的患者成像。这种装置适用于手持和安装配置以在眼外科手术(包括视网 膜外科手术和角膜移植外科手术）中进行结构成像，并且是外科医生显微镜可视化的辅助 工具。
[0019] 在视网膜和角膜外科手术中利用0CT成像的早期结果表明这种外科手术程序对于 利用传统显微镜成像光学器件看不到的组织具有直接并且立刻的影响。因此希望同时利用 传统表面显微镜程序和光学相干断层成像的深度分辨能力，使用抬头显示器来使外科手术 程序可视化。
【发明内容】
[0020] 本发明构思的一些实施例提供外科显微镜系统，其包括:光学相干断层成像(0CT) 系统;物镜；目镜，其用于直接查看在物镜远端的对象;抬头显示模块，其被配置成引导光学 图像通过目镜以便其对至少一个目镜的使用者是可见的；以及，耦合元件，其连接到外科显 微镜，耦合0CT系统、抬头显示模块和物镜。耦合元件具有第一面和第二面，第一面朝向外科 显微镜的目镜定位并且第二面朝向对象定位。耦合元件被配置成:在耦合元件的第一面接 收抬头光学显示信号并且在抬头显示模块的波段中反射信号；以及，在耦合元件的第二面 接收信号并且在0CT系统的波段中反射信号。
[0021] 在另外的实施例中，耦合元件可进一步被配置成:在耦合元件的第一面将抬头显 示信号耦合到显微镜内并且将抬头显示器向外科显微镜的目镜中的至少一个投射以便使 用者通过目镜中的至少一个查看；以及，在耦合元件的第二面将0CT成像光束耦合到显微镜 内并且将0CT光束导向至对象。
[0022] 在另外的实施例中，耦合元件可以是二向色分束器。
[0023]在一些实施例中，耦合元件的第一面可以在抬头显示器的波段中是反射性的并且 在显微镜的观察波段中是透射性的；并且耦合元件的第二面可以在0CT系统的波段中是反 射性的并且在显微镜的观察波段中是透射性的。
[0024]在另外的实施例中，耦合元件的第一面可以在小于500nm波长范围的紫色或蓝色 光谱中是反射性的并且在从至少大约500nm至大约650nm的波长范围中是透射性的；并且耦 合元件的第二面可以在大于650nm波长范围的红外线光谱中是反射性的并且在从至少大约 500nm至大约650nm的波长范围中是透射性的。
[0025] 在另外的实施例中，第一面可以在从大约450nm至大约750nm的范围中是透射性 的;并且第二面可以在从大约450nm至大约750nm的范围中是透射性的。
[0026]在一些实施例中，耦合元件的第一面可以包括在显微镜的观察波段内带宽小于或 等于约50nm的反射缺口。
[0027] 在本发明构思的另外的实施例中，缺口的中心可以在大约51 Onm与520nm之间。在 某些实施例中，缺口的中心可以在大约514nm处。
[0028]在另外的实施例中，抬头显示器可以包括与显微镜的使用者通过显微镜目镜观察 的对象的观察图像在横向对准的0CT图像。
[0029] 在某些实施例中，在显微镜的放大倍率变化下，抬头显示器中呈现的0CT图像可以 具有与使用者通过目镜观察的对象的观察图像匹配的查看视场(F0V)。
[0030] 在另外的实施例中，在显微镜的放大倍率变化下，抬头显示器中呈现的0CT图像呈 现恒定的查看视场(F0V)。
[0031] 本发明构思的另外的实施例提供相关的耦合元件。
【附图说明】
[0032]图1A是示出示例0CT视网膜(后部)成像系统的框图。
[0033]图1B是示出示例光学相干断层成像(0CT)角膜(前部)成像系统的框图。
[0034]图1C是示出眼睛中的各个感兴趣区域的示图。
[0035]图1D是示出示例外科显微镜的框图。
[0036]图1E是示出包括望远透镜集合的示例外科显微镜的框图。
[0037]图2A是根据本发明构思的一些实施例的外科显微镜的框图。
[0038]图2B是根据本发明构思的一些实施例的外科显微镜的框图。
[0039]图3是根据本发明构思的一些实施例所使用的图2B所图示的修改的视网膜透镜的 更详细框图。
[0040]图4A是根据本发明构思的一些实施例的0CT中心通道外科显微镜的框图。
[0041]图4B是根据本发明构思的一些实施例的0CT中心通道外科显微镜的框图。
[0042]图4C是图4A到图4B所图示的0CT中心通道外科显微镜的0CT部分的详细框图。
[0043]图5A至图5C分别是根据本发明构思的一些实施例的0CT系统接口的侧视图、前视 图和斜视图。
[0044] 图6A至图6C是根据本发明构思的一些实施例的与外科显微镜集成的0CT系统的各 个视图。
[0045] 图7A是示出根据本发明构思的一些实施例的0CT集成外科显微镜的框图的框图。
[0046] 图7B是示出包括根据本发明构思的一些实施例的包括集成的外科显微镜的0CT系 统的框图的框图。
[0047] 图7C是示出根据本发明构思的一些实施例的适合于与外科显微镜集成的OCT系统 的框图。
[0048] 图8是示出根据本发明构思的实施例的用于外科成像的0CT光路的示图。
[0049]图9A是示出根据本发明构思的一些实施例的集成到外科显微镜的路径中的0CT系 统的布局的不意图。
[0050] 图9B是示出根据本发明构思的一些实施例的准直器和输入光束变焦（IBZ)系统的 示图。
[0051] 图9C是示出根据本发明构思的一些实施例的利用IBZ改变数值孔径(NA)并且切换 焦点区域的示图。
[0052]图10是示出根据本发明构思的一些实施例的远心中继系统的框图。
[0053]图11是示出根据本发明构思的一些实施例的中继光束扩展器(RBE)系统的示图。 [0054]图12是示出根据本发明构思的一些实施例的用于0CT外科显微镜的高性能物镜的 示图。
[0055] 图13是示出根据本发明构思的一些实施例的远心光学性能的一系列图形和图表。
[0056] 图14是示出根据本发明构思的一些实施例的远心光学性能的一系列图形和图表。 [0057]图15是示出根据本发明构思的一些实施例的当以150mm物镜来偏移焦点时的光学 性能的一系列图形。
[0058]图16是示出根据本发明构思的一些实施例的当以160mm物镜来偏移焦点时的光学 性能的一系列图形。
[0059] 图17是示出根据本发明构思的一些实施例的当以175_物镜来偏移焦点时的光学 性能的一系列图形。
[0060] 图18A和图18B分别是示出用于外科视网膜成像的常规配置和根据本发明构思的 实施例的配置的框图。
[0061] 图19A是根据本发明构思的一些实施例的用于具有宽F0V的0CT集成外科显微镜术 的外科视网膜透镜组件的示图。
[0062] 图19B是示出根据本发明构思的一些实施例的图19A的外科视网膜透镜的光学性 能的一系列图形和不图。
[0063]图20A是示出用于根据本发明构思的一些实施例的用于具有宽F0V的0CT集成外科 显微镜术的外科透镜组件的透镜系统的示图。
[0064]图20B是示出根据本发明构思的一些实施例的图20B的外科透镜组件的光学性能 的概述的示图。
[0065]图21A是示出用于根据本发明构思的一些实施例的用于具有窄F0V的0CT集成外科 显微镜术的外科透镜组件的透镜系统的示图。
[0066]图21B是示出根据本发明构思的一些实施例的图21A的外科透镜组件的光学性能 的概述的示图。
[0067]图22A是示出