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CN103052368B - 表面跟踪和运动补偿外科手术工具系统 - Google Patents

表面跟踪和运动补偿外科手术工具系统 Download PDF

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CN103052368B CN201180035450.9A CN201180035450A CN103052368B CN 103052368 B CN103052368 B CN 103052368B CN 201180035450 A CN201180035450 A CN 201180035450A CN 103052368 B CN103052368 B CN 103052368B
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Abstract

一种运动补偿手持式外科手术工具系统包括外科手术工具，该外科手术工具包括手柄和可移动部件；驱动组件，该驱动组件将该可移动部件连接到该手柄，使得该可移动部件可以在相对于该手柄的轴向由该驱动组件移动。该运动补偿外科手术工具系统还包括光学探测系统，该光学探测系统包括附接至该可移动部件的光纤，该光纤具有距该可移动部件的最末端部分固定距离的该光纤具有端部。该光学探测系统配置为在手持式使用期间输出用于确定可移动部件的最末端部分到目标的距离的信号。

Description

表面跟踪和运动补偿外科手术工具系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年7月20日提交的美国临时申请No.61/365,998的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
本发明是在由卫生和公共事业部门(DepartmentofHealthandHumanServices,NIH)授予的政府拨款赞助No.1RO1EB007969-01和lR21NS063131-01Al下做出的。美国政府具有本发明的某些权利。
技术领域
本发明的当前所要求的各实施例的领域涉及外科手术工具和包括外科手术工具的系统，更具体地涉及具有集成的表面跟踪和运动补偿传感器的外科手术工具和系统。
背景技术
视网膜外科手术是微型外科手术的一个示例。在现行实践中，在无手动的仪器的手术显微镜下进行视网膜外科手术。人的局限性包括不能清楚地观察外科手术目标、生理性的手部颤动和缺少工具到组织的相互作用的触觉反馈。此外，诸如缺少接近检测或者智能的功能的工具局限性是增加外科手术危险性和降低完成外科手术目标的可能性的重要因素。当前的仪器不提供生理性的或者甚至基本的解释性的信息。常规的仪器不能克服的技术障碍部分地限制了外科手术的结果(成功和失败)。
微型外科手术需要对由于诸如呼吸和心脏跳动的生理学过程的无意识的病人运动和由于外科医生的手部颤动的持续的注意力和补偿。由此的无意识的距离在外科手术工具和外科手术组织表面之间变化，尽管通常在小于5Hz下数量级为几百显微量尺，但由于微型外科手术的尺度，它可以造成严重的误差。在诸如玻璃体视网膜外科手术和大脑皮层神经外科手术的需要来自有经验的外科医生的高技巧和持续的注意力的易毁坏组织的轴向的无意识的运动是主要顾虑的表面手术情况下，“工具-组织”的相对运动尤其关键。
因此需要改进用于微型外科手术应用的外科手术工具和系统。
发明内容
根据本发明的一个实施例的运动补偿手持式外科手术工具系统包括外科手术工具，该外科手术工具包括手柄和可移动部件；驱动组件，该驱动组件将该可移动部件连接到该手柄，使得该可移动部件可以通过该驱动组件在相对于该手柄的轴向移动。该运动补偿外科手术工具系统还包括光学探测系统，该光学探测系统包括附接于该可移动部件的光纤，该光纤具有距该可移动部件的最末端部分固定距离的端部。该光学探测系统配置为在手持式使用期间输出用于确定所述可移动部件的所述最末端部分到目标的距离的信号。
根据本发明的一个实施例的用于运动补偿手持式外科手术工具系统的外科手术工具包括手柄、连接到该手柄的驱动组件、连接到该驱动组件的可移动部件，该可移动部件连接到该驱动组件使得该可移动部件在相对于该手柄的轴向方向上可移动，以及附接于该可移动部件的光纤，该光纤具有距该可移动部件的最末端部分固定距离的端部。该光纤适合于光学地耦接到光学探测系统，所述光学探测系统被配置为输出用于确定所述可移动部件的最末端部分在手持式使用期间到所述目标的距离的信号。
附图说明
根据说明书、附图和示例的解释，更进一步的目的和优点将变得明显。
图1是根据本发明的一个实施例的运动补偿外科手术工具系统(CCD、行扫描照相机；G，光栅；L1、L2，无色准直仪)的示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的外科手术工具的示意图(IN：用于外科手术刀架的内部针；ON:用于保护和对准的外部针；ONM:外部针架；BS:备用弹簧；SL:用于内部针架的滑动器；SQ：SQUIGGLE微型马达；SQM:微型马达固定架；SQC:微型马达绳索；SMF:单模)。
图3A示出了根据本发明的一个实施例的外科手术工具的原型；图3B示出了用于微型解剖器的外科手术刀尖；图3C示出了用于微型镊子的外科手术刀尖(SMF：单模光纤)；图3D示出了手持的情形。
图4A-4D示出了根据本发明的一个实施例的边缘搜索方法。图4A示出了原始的A型扫描数据(存在"幻边(GhostEdge)")。图4B示出了在一维腐蚀算法("幻边"被擦掉和实际边缘保留)后的A型扫描数据。图4C示出了A型扫描的阈值化。图4D示出了用于边缘位置的第一过零点(深度标尺改变)。
图5A是系统控制流程图；图5B是根据本发明的一个实施例的速度控制曲线。
图6A和6B示出了根据本发明的一个实施例的示例的运动补偿结果。
图7A-7D示出了根据本发明的一个实施例的利用表面跟踪和运动补偿的切口的一个示例。图7A是切口区域的正面图像；图7B是沿着图7A中的红色踪迹(切口的底部)的B型扫描；图7C是沿着图7A中的蓝色踪迹(切口的顶部)的B型扫描；以及图7D是(b)和(c)的组合；
图8A-8D示出了利用徒手的切口的一个示例；图8A是切口区域的正面图像；图8B是沿着图8A中的红色踪迹(切口的底部)的B型扫描；图8C是沿着图8A中的蓝色踪迹(切口的顶部)的B型扫描；以及图8D是(b)和(c)的组合；
图9A和9B示出了沿着切口踪迹的切口深度变化的一个示例，图9A具有表面跟踪和运动补偿而图9B没有表面跟踪和运动补偿。
具体实施方式
以下详细地讨论本发明的一些实施例。在要描述的实施例中，为了清楚起见，使用特定的技术名词。然而，本发明不意图局限于这样选择的特定的技术名词。本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的宽泛概念下，可以使用其它等效的部件和开发其它的方法。本说明书中任何地方所引用的所有引证文献应看作每个已被逐一包括那样通过引用被包括。
本发明的一些实施例可以提供基于共用路径光学相干层析成像(common-pathopticalcoherencetomography,CP-OCT)距离传感器能够表面跟踪和运动补偿以提高微型外科手术的准确性和安全性的简单和紧凑的手持式微型外科手术工具。本发明的一些实施例利用单光纤探针作为CP-OCT距离传感器并且利用高速的压电微型线性马达用于一维致动。刀尖和外科手术目标表面之间的距离从OCT信号通过自动边缘搜索算法来确定。目标表面可以例如是组织的表面，或者它可以在组织内。根据来自CP-OCT距离传感器的反馈通过计算机来控制微型线性马达。在本示例中，根据本发明的一个实施例的CP-OCT微型外科手术工具被小型化到直径15mm的塑料注射器内并且能够在小于5显微量尺分辨率下表面跟踪。利用内部脂质层产生的虚拟影像用于模拟实际的组织表面和单光纤集成微解剖器作为外科手术尖端工作以在这个示例中的虚拟影像表面上进行跟踪和精确地切割。
本发明的一些实施例可以集成到标准的徒手微型外科手术工具里和使外科医生能够安全地和有效地做出精确的外科手术动作。
图1是根据本发明的一个实施例的运动补偿外科手术工具系统100的示意图。运动补偿外科手术工具系统100包括外科手术工具102，外科手术工具102包括手柄104和可移动部件106。该外科手术工具还包括将可移动部件106连接到手柄104的驱动组件108，使得可移动部件106在相对于手柄104的轴向110通过驱动组件108可移动。外科手术工具系统100还包括光学探测系统112，该光学探测系统112包括附接于可移动部件106的光纤114，该光纤具有距可移动部件106的最末端部分固定距离的端部。光学探测系统112配置为输出用于确定可移动部件106的最末端部分到目标116的距离的信号。
运动补偿外科手术工具系统100还包括配置为与用于移动外科手术工具102的可移动部件106的驱动组件108通信的驱动控制器118。运动补偿外科手术工具系统100还包括配置为与光学探测系统112通信以接收用于确定距离的信号和配置为与驱动控制器118通信的数据处理器120。
图2是外科手术工具102的放大视图的示意图。在这个示例中，可移动部件106是沿着中心向下具有光纤124的内部针122。光纤124例如可以是单模光纤。在这个实施例中，还有提供保护和对准的外部针126。外部针126由外部针固定架128夹持。内部针122利用连接在外部针固定架128和滑动器130之间以提供回复力的复位弹簧132附接于滑动器130。微型马达134驱动滑动器130从而驱动内部针122。SQUIGGLE微型马达已经被认为适合于微型马达134的一些实施例。微型马达134具有附接于它的微型马达绳索136。
数据处理器120可以配置为进行边缘搜索以确定根据本发明的一些实施例的目标116的边缘、质心或者轴向特征的至少一个。数据处理器120可以是专用的“硬线连接”装置，或者它可以是可编程装置。例如，它可以是但不限于个人计算机、工作站或者用于特殊应用的任何其它合适的电子装置。在一些实施例中，它可以集成到一个单元里或者它可以是可附接的、远程的和/或分布式的。
在一些实施例中，数据处理器120还配置为通过驱动组件108来确定要被移动的可移动部件106的移动量、移动速度和/或移动方向，以对可移动部件106的最末端部分在外科手术期间相对于目标116的运动进行计量。
在一些实施例中，光学探测系统112还包括光学上连接到光纤114的光源138和光学上连接到光纤114的光学检测器140。例如，可以包括2×1光耦合器142以将光源138和光学检测器连接到光纤114(本文中所使用的术语"光"具有宽泛的含义。例如，红外线、可见和紫外光可以包括在术语"光"的宽泛的含义内)。光纤114提供共用传输和接收光路使得光学探测系统是共用路径光学相干层析成像系统(CP-OCT)。
在一些实施例中，光源138可以是超辐射发光二极管。在一些实施例中，光学检测器140可以是如图1的示例中示出的分光计。在其它实施例中，光源138可以是波长扫描激光器并且光学检测器140可以是光电探测器。本发明的各宽泛的概念不限于这些特殊的示例。
在一些实施例中，驱动组件108可以包括具有至少20mm的行程、至少4mm/s的最大速度和至少0.5μm的行进分辨率的压电微型马达。在一些实施例中，驱动组件可以包括重量小于100克的压电微型马达。
在一些实施例中，外科手术工具102可以是但不限于微型外科手术工具。微型外科手术工具可以是例如针、夹子、解剖刀、镊子或者剪刀的其中之一。微型外科手术工具也可以是套管针。
在图1的示例中，傅里叶域CP-OCT系统提供检测部分，该检测部分包括超辐射发光二极管(superluminescentdiode，SLED)光源、高速分光计和宽带光纤耦合器。集成到手持式工具中的单模光纤工作为距离传感探头。刀尖和外科手术目标之间的距离从OCT信号通过自动边缘搜索算法来直接地确定，并且微型线性马达根据来自CP-OCT距离传感器的反馈由计算机控制。
在CP-OCT系统部中，12比特CCD行扫描照相机(e2v,EM4,USA)用作OCT分光计的检测器。超辐射发光二极管(SLED)源(爱尔兰，Superlum公司，λo＝870nm、Δλ＝180nm)用作光源，它具有空气中3.6μm的试验上的轴向分辨率。最小行周期是照相机限制于14.2μs，相当于70k-A型扫描/秒的最大线比率。集成到手持式工具中的单模光纤工作为距离传感探头。刀尖和外科手术目标表面之间的距离通过自动边缘搜索算法从OCT信号来直接地确定。(IEEETransBiomedEng.,56(9),2318-2321(2009)的作者为；Zhang，KZhang，K.,Wang,W.,Han,J-H.,Kang,J.U.,"Asurfacetopologyandmotioncompensationsystemformicrosurgeryguidanceandinterventionbasedoncommon-pathopticalcoherencetomography,"；Electron.Lett.,46(22),1482-1483(2010)的作者为Zhang,K.,Akpek,E.K.,Weiblinger,R.P.,Kim,D-H.,Kang,J.U.,和Ilev,1.K.,"Noninvasivevolumetricqualityevaluationofpost-surgicalclearcornealincisionviahigh-resolutionFourier-domainopticalcoherencetomography,",其全部内容通过引用合并于此),并且根据来自CP-OCT距离传感器的反馈通过计算机来控制微型线性马达。四核的戴尔T7500工作站用于服务帧接收器、马达控制器并且进行实时信号处理和反馈控制。
在图2的示例中，手持式微型外科手术工具使用压电微型马达(瑞典，PiezoMotorAB公司，LEGS-L01S-11)作为机械模块以驱动具有固定的内部针的滑动器。LEGS-L01S-11马达具有35mm的行程、20mm/s的最大速度、依赖于不同的控制模式的小于1nm分辨率以及10N的最大驱动力。例如，诸如镊子、剪刀和微型套管针的各种微型外科手术工具可以附接于内部针尖并且单模CP-OCT光纤探头可以固定在内部针内。
图3A示出了根据本发明的一个实施例的集成到直径15mm的塑料注射器里的外科手术工具系统的原型。图3B和3C示出了具有集成的单模光纤(5.6μm/125μm,芯层/包覆层直径)的外科手术刀尖的示例。光纤尖端和外科手术刀尖之间的固定距离可以通过数字式显微镜来确切地预测量。图3D示出了外科手术工具原型的手持情形的示例。
图4A-4D示出了根据本发明的一个实施例的从OCT信号确定光纤尖端距目标表面的距离的边缘搜索算法的示例。原始的OCT信号首先由一维腐蚀滤波器滤波以使该信号平滑和除去可能的"幻边"。然后通过使用某一阈值电平来处理新的A型扫描数据以防止噪声影响。最后通过后阈值化数据的微分的第一过零点给出边缘位置。
图5A和5B分别示出了根据本发明的一个实施例的外科手术工具系统的一个示例的控制流程图和速度控制曲线。边缘搜索算法用于确定CP-OCT探头到目标的距离d，该距离d被期望保持在固定距离D。在跟踪期间速度控制曲线V(e)应用在该算法中以防止过冲和振荡，其中e是d和D之间的误差。
示例
首先我们对一个示例实施表面跟踪和运动补偿测试。外科手术刀尖垂直地指向反射的目标表面，该目标表面从初始位置来回地移动。该刀尖感测该运动并且通过连同目标表面一起移动来调节为保持恒定距离D＝1120μm。如图6A中，随时间记录d和D之间变化的误差，并且通过比较"补偿关闭"模式和"补偿开启"模式之间的误差值,补偿的作用是明显的。图6B示出了图6A中的在"补偿开启"模式下的误差时间曲线的放大图。补偿误差在±5μm范围内，这与CP-OCT的分辨率较好地匹配。还可以通过将预测滤波应用到跟踪算法来降低相位误差(IEEETrans.Biomed.Eng.,56(9),2318-2321(2009)，作者为Zhang，K.,Wang,W.,Han,J-H.,Kang,J.U.,"Asurfacetopologyandmotioncompensationsystemformicrosurgeryguidanceandinterventionbasedoncommon-pathopticalcoherencetomography,").
然后，为了显示这些工具将实际上提高外科医生的能力，使用从内部脂质膜制造的虚拟影像，我们进行具有表面跟踪和运动补偿以及没有表面跟踪和运动补偿的目标深度100μm的外科手术切割。为了显示相对于虚拟影像表面的切口深度，我们使用我们的高速FD-OCT系统拍摄了切口部位的三维体积的OCT图像(OptExpress,18(11),11772-117842010),作者为Zhang,K.andKang,J.U.,"Realtime4Dsignalprocessingandvisualizationusinggraphicsprocessingunitonaregularnonlinear-kFourier-domainOCTsystem")。图像体积是1000(X)×150(Y)×512(Z)三维像素。图7A和8A示出了切口区域的正面投影图。蓝线和红线表示切口的顶部边缘和底部的截面图像踪迹。如图7D和8D中最后组合地示出的，利用表面跟踪和补偿的切割具有100μm的恒定切口深度，而徒手切割具有100μm到250μm的不规则的深度。
图9示出了两个情况下的沿着切割踪迹的切口深度变化。这些结果清楚地显示智能的工具提供了高精确度的切口深度控制、均匀的切口深度，并且事实上消除了人手颤动。具有和没有跟踪工具控制的切口深度的偏差分别是±5μm和±80μm。
测试了根据本发明的一些实施例的基于CP-OCT距离传感器的手持式微型外科手术工具。该工具能够跟踪微型外科手术目标的组织表面并且能够补偿测微器标尺上的工具-组织的相对运动。利用虚拟影像模型，使用三维FD-OCT来评价切口深度的品质，并且与通过徒手的结果相比，使用表面跟踪和运动补偿工具的结果明显地改善。这样的工具可以广泛地应用于其它的微型外科手术方法并且可以提高外科手术的准确性和安全性。
本说明书中所示出和讨论的实施例仅意图教导本领域技术人员如何实现和使用本发明。在本发明描述的实施例中，为了清楚起见，使用特定的技术名词。然而，本发明不旨在局限于这样选择的特定的技术名词。正如根据上述讲解本领域技术人员所理解的，在不脱离发明的情况下，可以修改和改变本发明的上述实施例。因此要理解的是，可以在权利要求和它们的等同物的范围内，除了如特定地描述的之外，实施本发明。

Claims (21)

1.一种运动补偿手持式外科手术工具系统，其包括：
外科手术工具，其包括手柄和可移动部件；
驱动组件，其将所述可移动部件连接到所述手柄，使得所述可移动部件通过所述驱动组件在相对于所述手柄的轴向可移动；以及
光学探测系统，其包括附接至所述可移动部件的光纤，所述光纤具有距所述可移动部件的最末端部分固定距离的端部，
其中所述光学探测系统被配置为输出用于确定所述可移动部件的所述最末端部分在手持式使用期间到目标的距离的信号。
2.如权利要求1所述的运动补偿手持式外科手术工具系统，还包括驱动控制器，所述驱动控制器被配置为与用于移动所述外科手术工具的所述可移动部件的所述驱动组件通信。
3.如权利要求2所述的运动补偿手持式外科手术工具系统，还包括数据处理器，所述数据处理器被配置为与所述光学探测系统通信以接收用于确定所述距离的所述信号并且与所述驱动控制器通信。
4.如权利要求3所述的运动补偿手持式外科手术工具系统，其中所述数据处理器被配置为进行边缘搜索以确定所述目标的边缘、质心或者轴向特征中的至少一个。
5.如权利要求4所述的运动补偿手持式外科手术工具系统，其中所述数据处理器还被配置为通过所述驱动组件来确定所述可移动部件的移动的量、移动速度和移动方向，以对所述可移动部件的所述最末端部分在外科手术期间相对于所述目标的运动进行计量。
6.如权利要求1所述的运动补偿手持式外科手术工具系统，其中所述光学探测系统还包括光学地耦接到所述光纤的光源，以及光学地耦接到所述光纤的光学检测器，其中所述光纤提供共用的传输和接收光路，使得所述光学探测系统是共用路径光学相干层析成像系统。
7.如权利要求6所述的运动补偿手持式外科手术工具系统，其中所述光源是超辐射发光二极管。
8.如权利要求6所述的运动补偿手持式外科手术工具系统，其中所述光源是波长扫描激光器并且所述光学检测器是光电探测器。
9.如权利要求6所述的运动补偿手持式外科手术工具系统，其中所述光学检测器是分光计。
10.如权利要求1所述的运动补偿手持式外科手术工具系统，其中所述驱动组件包括具有至少20mm的行程、至少4mm/s的最大速度和至少0.5μm的行进分辨率的压电微型马达。
11.如权利要求1所述的运动补偿手持式外科手术工具系统，其中所述驱动组件包括重量小于100克的压电微型马达。
12.如权利要求1所述的运动补偿手持式外科手术工具系统，其中所述外科手术工具是微外科手术工具。
13.如权利要求12所述的运动补偿手持式外科手术工具系统，其中所述微外科手术工具是针、夹子、解剖刀、镊子或者剪刀的其中之一。
14.如权利要求12所述的运动补偿手持式外科手术工具系统，其中所述微外科手术工具是套管针。
15.一种用于运动补偿手持式外科手术工具系统的外科手术工具，其
包括：手柄；
连接到所述手柄的驱动组件；
可移动部件，其连接到所述驱动组件，使得所述可移动部件在相对于所述手柄的轴向方向上可移动；以及
光纤，所述光纤附接至所述可移动部件，所述光纤具有距所述可移动部件的最末端部分固定距离的端部，
其中所述光纤适合于光学地耦接到光学探测系统，所述光学探测系统被配置为输出用于确定所述可移动部件的所述最末端部分在手持式使用期间到目标的距离的信号。
16.如权利要求15所述的外科手术工具，其中所述驱动组件包括压电微型马达。
17.如权利要求16所述的外科手术工具，其中所述压电微型马达具有至少20mm的行程、至少4mm/s的最大速度和至少0.5μm的行进分辨率。
18.如权利要求16所述的外科手术工具，其中所述驱动组件包括重量小于100克的压电微型马达。
19.如权利要求15所述的外科手术工具，其中所述外科手术工具是微外科手术工具。
20.如权利要求19所述的外科手术工具，其中所述微外科手术工具是针、夹子、解剖刀、镊子或者剪刀的其中之一。
21.如权利要求19所述的外科手术工具，其中所述微外科手术工具是套管针。
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