用于組織氧合的繪制的裝置、系統(tǒng)和方法與流程
對相關申請的交叉引用
本申請要求于2014年4月5日提交的美國臨時專利申請no.61/975,742和于2014年10月7日提交的美國臨時專利申請no.62/061,079的優(yōu)先權，其中每一個都整體上通過引用被結合于此。
政府利益
本發(fā)明全部或部分地憑借國立衛(wèi)生研究院(nationalinstitutesofhealth)基金ca153571在政府的支持下完成。政府對本發(fā)明享有一定的權利。
本發(fā)明涉及外科器械和醫(yī)學成像系統(tǒng)，以及由器械和系統(tǒng)使用的分子試劑；具體而言涉及具有用來檢測生物組織的性質的傳感器的外科器械和成像系統(tǒng)，以及用于采用由傳感器收集的信息的系統(tǒng)。感測系統(tǒng)可被配置為獲得在多個位置的組織的生理特性的繪制。另外，來自多個感測模態(tài)的信息可被一起使用，以實現(xiàn)改進的測量準確度。
背景技術：
活生物體由細胞組成。細胞是能夠維持生命和繁殖的最小結構。細胞具有不同的結構，以執(zhí)行不同的任務。組織是許多類似細胞的有機構造，它們之間具有變化數(shù)量和種類的非生物、細胞間物質。器官是幾種不同類型組織的有機構造，被布置使得它們一起可以執(zhí)行特殊功能。
外科被定義為涉及需要手術過程的疾病的醫(yī)學分支。
百分之九十五的時間結腸直腸癌經10-15年的時間范圍通過易理解的一系列基因突變而發(fā)展，開始為贅生物或息肉。在其一生中，大約三分之一到一半的成年人會發(fā)展出一個或多個息肉，其中大約百分之十將繼續(xù)變成癌癥。因此，絕大多數(shù)結腸直腸癌可以通過在惡性轉化之前的早期對息肉的識別和去除來避免。內窺鏡檢查是美國人群篩查良性和惡性息肉的主要手段。雖然結腸鏡檢查可以檢測高達95％的癌性病變，但是大約25％的時間即使利用當前的“增強內窺鏡”技術息肉也被漏診。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明涉及能夠測量組織的生理性質的醫(yī)療設備和系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的一個實施例中，利用磷光的氧依賴性淬滅的技術來評估組織氧合。借此，磷光從天然生物組織中或者經由注入的磷光氧感測分子探測物來產生。在替代實施例中，其它熒光物質或分子標記物可被用來定位具體目標或評估其它生理參數(shù)。用于評估氧合的技術和器械配置在標題為“apparatus,systemsandmethodsfordeterminingtissueoxygenation”的pct專利申請no.pct/us14/31267中公開，其公開內容整體上通過引用被結合于此。
本發(fā)明包括解析和繪制生理狀況或其替代品的成像系統(tǒng)。該成像系統(tǒng)利用從兩個或更多個感測模態(tài)獲得的信息來解析生理狀況。結合使用的附加模態(tài)提供了生理狀況或測量中的絕對測量的改進的準確性。本發(fā)明的一種實施例采取多模態(tài)成像系統(tǒng)的形式，其中一個模態(tài)評估介質的磷光壽命和/或熒光壽命衰變，而另一個模態(tài)評估在介質處或其附近的溫度。在一種配置中，介質是具有與受試者生物組織的附近/駐留/接近/現(xiàn)場氧濃度/張力相關的磷光壽命的可注射探測物；溫度測量允許選擇用于更精確地解析氧合的探測物壽命的精確的溫度依賴性校準系數(shù)。
成像系統(tǒng)的實施例包括被配置為用于檢測和測量由磷光和/或熒光介質發(fā)射的光的衰變的壽命的光學傳感器，其中這種光是由介質在一個或多個激發(fā)波長處的照射產生的，并且還包括用于檢測在光學傳感器的視野中一個或多個點處的溫度的溫度傳感器。該系統(tǒng)還包括被配置為使用溫度測量來補償磷光和/或熒光響應的溫度依賴性壽命變化的處理器。本發(fā)明的實施例包括磷光壽命成像(pli)系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)既包括用于繪制磷光壽命的光學檢測器又包括用于檢測溫度的光學檢測器。該系統(tǒng)另外還能夠配準溫度和壽命圖像，并且利用在每個繪制點處的磷光壽命和溫度二者來確定受試者組織中對應的一個或多個氧合濃度。
本發(fā)明的實施例包括被配置為用于基于區(qū)域中可注射探測物的磷光壽命來生成生物組織氧合的圖譜的成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括光學傳感器，諸如被配置為用于檢測區(qū)域中磷光探測物的磷光衰減的壽命的基于相機的設備，并且還包括被配置為繪制區(qū)域的溫度的溫度傳感器。在一種配置中，溫度傳感器是熱成像相機。區(qū)域中兩個傳感器的測量位置之間的對應關系被識別，以補償從壽命到氧合的溫度依賴性校準。
本發(fā)明的實施例是內窺鏡系統(tǒng)(諸如，但不限于，結腸鏡系統(tǒng))，內窺鏡系統(tǒng)被配置為用于基于通過圍繞氧來淬滅可注入磷光/熒光探測物的磷光/熒光壽命來測量組織氧合以及生成氧合的圖譜。內窺鏡系統(tǒng)還包括檢測對應于氧合的圖譜的區(qū)域中的溫度的手段，其中氧感測內窺鏡系統(tǒng)被配置為基于溫度檢測器的熱測量來補償氧合測量的溫度依賴性參數(shù)。本發(fā)明的另一實施例采取獨立于諸如內窺鏡或結腸鏡的鏡來操作以及與鏡一起操作的感測系統(tǒng)的形式。該系統(tǒng)被配置為繪制在鏡尖端處的磷光壽命和溫度兩者，并且結合磷光壽命圖譜使用溫度圖譜來生成溫度補償?shù)慕^對組織氧合圖譜。獨立操作的感測系統(tǒng)的一種配置采取結合基于微型相機的熱成像相機的氧感測系統(tǒng)的形式。獨立操作的感測系統(tǒng)的替代配置采取包括耦合到相干光纖成像束的熱相機的氧感測系統(tǒng)的形式，具有啟用溫度的遠程感測的在紅外線范圍的傳輸。
本發(fā)明的實施例包括基于利用磷光和/或熒光的探測物的成像系統(tǒng)。探測物可以是納米傳感器分子、量子點或者其它分子標簽或標記。探測物可以全身或局部注入，或以其它方式引入體內。成像系統(tǒng)的替代實施例被配置為成像組織的自然或自動熒光。成像系統(tǒng)還包括用于測量至少一個或多個生理或環(huán)境參數(shù)并使用該測量來調整最終測量圖像的校準以補償環(huán)境或生理參數(shù)的手段。環(huán)境和生理參數(shù)可以包括以下至少一個：溫度、ph、存在的吸收劑的其它化合物的濃度、附加探測物的測量，以及參考探測物或具有輔助參考發(fā)射的探測物的測量。成像系統(tǒng)的實施例被配置為基于來自引入的探測物或來自自然發(fā)生的相互作用的磷光和/或熒光響應而生成表示生理參數(shù)的圖像。該系統(tǒng)能夠利用溫度或其它環(huán)境或生理參數(shù)來補償在圖像中表示的測量。
本發(fā)明的實施例描述了用于在圖像覆蓋圖或其它增強現(xiàn)實視圖中生成和組合圖像的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明包括用于在內窺鏡視頻圖像上覆蓋生理參數(shù)的方法。它還包括用于配準氧合圖譜(或其它生理性質的圖譜)與可見光或其它視頻圖像的方法。本發(fā)明的實施例結合了用于將氧合圖譜或對應的前驅體壽命圖譜配準到熱圖譜/圖像并利用配準的溫度信息來補償氧合測量中溫度依賴性變化的方法。配準的一種方法包括利用由每個相機(諸如可見光內窺鏡相機和生理參數(shù)感測相機)檢測的光的波長，諸如近紅外(nir)頻帶中的波長，從多個相機獲取圖像，并且利用圖像之間的相互信息和/或其它特征來進行配準。本發(fā)明包括本發(fā)明的這樣的實施例，其中下列至少兩個利用該方法配準：熱圖像、可見光圖像和磷光壽命圖像。在本發(fā)明的一種配置中，內窺鏡成像器械被配置為繪制胃腸道的組織氧合。
該系統(tǒng)還被配置為識別可疑病變，諸如癌前息肉或病變。包括利用磷光壽命或氧合的靜態(tài)圖像的模式匹配來區(qū)分諸如息肉的病變與健康腸壁組織的方法。與圖像的時間序列相對，靜態(tài)圖像是指單獨捕獲的圖像；靜態(tài)圖像可以被連續(xù)地更新。用于區(qū)分病變與健康組織的替代方法利用圖像的時間序列的壽命的動態(tài)變化。本發(fā)明包括一種器械，其被配置為繪制組織氧合并使用該信息來指導非癌性、癌前或癌性病變中至少一個的定位。另一實施例是被配置為生成組織氧合的圖譜的內窺鏡成像系統(tǒng)，其中氧合圖譜指導病變的定位。該系統(tǒng)包括用于通過組織氧合的繪制來識別潛在可疑病變(諸如息肉)并且可選地生成警報的方法。內窺鏡成像器械被配置為繪制腸壁的組織氧合。該系統(tǒng)還被配置為識別可疑病變，諸如癌前息肉。該系統(tǒng)的一種配置包括利用磷光壽命或氧合的靜態(tài)圖像的模式匹配來區(qū)分息肉與健康腸壁組織的方法。用于區(qū)分息肉與健康腸壁組織的替代方法利用圖像的時間序列的壽命的動態(tài)變化。該系統(tǒng)的另一配置還包括取輪廓、分割和邊界檢測。檢測可以包括諸如主動輪廓模型、水平集方法、邊緣檢測等技術。還包括使用識別出的區(qū)域內氧合的直方圖來進一步識別或分類病變的性質的方法。在替代配置中，系統(tǒng)被配置為利用磷光壽命成像(或相關方法)檢測解剖結構，并且還可被配置為確定脈管系統(tǒng)的位置和/或突出脈管系統(tǒng)。
本發(fā)明的實施例包括集成到標準內窺鏡系統(tǒng)中或附連到標準內窺鏡系統(tǒng)的感測鏡。鏡可以與傳統(tǒng)內窺鏡耦合或者通過傳統(tǒng)內窺鏡上的工作通道或器械端口被引入。另外，感測鏡能夠提供多模態(tài)成像，包括但不限于磷光壽命和/或熒光壽命、可見光圖像和溫度測量。本發(fā)明還包括用于在移除或禁用感測器械或鏡之后跟蹤特征并維持所獲取的氧圖譜(或其它性質)的對準的方法。該方法在可見光圖像上維持識別出的位置，使得圖像可被用于指導干預，諸如病變的活檢或去除。該方法還利用配準技術維持病變的位置數(shù)據，以允許在干預期間可見光鏡的運動。
一種實施例包括用于與預先存在的或標準的內窺鏡系統(tǒng)接口的適配器或耦合器，其中耦合器通過現(xiàn)有的光通道為感測系統(tǒng)引入調制光。另外，適配器通過引入的或預先存在的成像通道啟用熱成像，其中通道可以是剛性光導或柔性光纖束。一種實施例包括柔性內窺鏡設備，其中柔性相干光纖束既可被用于紅外熱成像又可被用于照明。替代實施例是預期的，其中柔性相干光纖束既可被用于pli又可被用于熱成像。纖維束可被配置為具有對應于熱成像器的敏感波長(即，高達約15um)的足夠高的紅外輻射傳輸率。實施例包括柔性內窺鏡系統(tǒng)，其中照明光纖束被多路復用，以使其能夠在照明和感測中都被使用。光纖可被用于白光照明或發(fā)光探測物的光激發(fā)。光纖可被用于接收白光圖像、磷光發(fā)射圖像或紅外熱圖像。
本發(fā)明的實施例教導基于相機的磷光壽命成像系統(tǒng)，其中用于激發(fā)磷光探測物的光源還包括諸如寬帶白光發(fā)射器。該系統(tǒng)能夠既提供可見光圖像又提供pli測量，其中來自光源的輸出可以根據需要被調制。還預期基于相機的磷光壽命成像系統(tǒng)，其中用于激發(fā)磷光探測物的光源包括周向地位于相機透鏡周圍的發(fā)射器。周向定位的發(fā)射器(被稱為環(huán)形燈)使得能夠將定向的光導向照相機視野中的感興趣區(qū)域。環(huán)形燈可以包括一個或多個透鏡。環(huán)形燈可以包括用于激發(fā)磷光響應和用于提供可見光的兩個光源。替代實施例是預期的，其中組合的光源在外部定位并指向感興趣區(qū)域，并且在一個另外的實施例中，光源安裝在手術室(or)燈旁邊或結合到手術室(or)燈中。
本發(fā)明教導了在介質中一起使用至少兩種獨特的探測物類型，其中一個充當參考來補償其它的探測物的讀數(shù)，用于提高準確度。在該方法的一種實施例中，不受其它因素顯著影響的溫度依賴性探測物與氧敏感探測物一起被引入，并且溫度依賴性、基本上氧不敏感探測物的響應被用來補償氧敏感探測物的測量。在一種配置中，具有溫度依賴性衰變壽命的熒光或磷光探測物與氧敏感探測物一起被引入，其中兩種探測物具有明顯不同的激發(fā)和/或發(fā)射波長。在另一實施例中，引入具有不同溫度依賴性的兩種氧依賴性探測物類型，并且來自探測物的壽命被用來準確地產生對溫度變化健壯的氧合測量，其中兩種探測物具有明顯不同的激發(fā)和/或發(fā)射波長。還有另一實施例，其中兩種探測物混合并且具有在注射時允許組織中基本相似的分布的配置。探測物可以是具有不同芯材料的相同結構，具有不同的光譜和時間響應特性。兩種探測物的壽命可以以交替模式被讀取，或者一個可以被重復讀取以用于實時感測，而另一個以降低的速率被讀取以用于溫度補償。
本發(fā)明還可以包括具有基于磷光壽命的結合氧感測能力的外科縫合器砧座。還有另一實施例，其中砧座包括在感測中使用的相機。外科縫合器砧座的一種配置基于磷光壽命在兩個或更多個點處包括氧繪制能力。還有另一實施例，其中砧座包括了溫度感測，并且溫度圖譜被用來補償氧測量的圖譜。在本發(fā)明中教導了具有集成的針的感測器械，用于探測物的顯微注入。一種配置還包括與外科縫合器砧座耦合以便在砧座的工作表面(即，釘形表面)處或其附近將介質注入組織的注射器；其中介質含有一種或多種磷光氧感測探測物變體。本發(fā)明還包括具有結合了基于磷光壽命的氧感測能力的獨立器械，其耦合到外科縫合器砧座以評估在砧座的工作表面(即，釘形表面)處或其附近的組織的氧合。該器械包含被配置為旋轉或以其它方式充分成像吻合的一個或多個傳感器。還包括具有用于輸送探測物和/或感測組織氧合的集成注射器的詢問器棒。注射器可以啟用組織內部注射(諸如在結腸壁內部)或外部注射(例如通過結腸壁在外部)。器械還包括用于測量在工作表面處組織的溫度的手段。在本發(fā)明的另一實施例中，基于相機的磷光壽命成像系統(tǒng)包括用于附連外科縫合器的砧座的裝置，其中附連是通過到砧座的快速釋放型耦合器。該系統(tǒng)被配置為在外科手術期間生成吻合的氧合圖譜。該系統(tǒng)還包括熱成像相機，其成像與pli系統(tǒng)基本相同的區(qū)域并利用測量來增強氧合測量的準確性。
本發(fā)明的一種實施例基于小型輔助成像系統(tǒng)，諸如cmos微型相機，其沿著現(xiàn)有結腸鏡的工作通道安裝，以生成結腸壁的氧圖譜。該系統(tǒng)在同步獲取的傳統(tǒng)鏡視頻圖像上利用圖形覆蓋來顯示圖譜和/或突出可疑病變。如果識別出可疑病變，則系統(tǒng)將允許用另一器械交換氧繪制相機，同時保持/跟蹤視頻監(jiān)視器上突出的病變。在一種實施例中，氧繪制將利用氧敏感的、全身注入的分子探測物的磷光壽命成像(pli)來實現(xiàn)。在本發(fā)明的一種實施例中，溫度感測與pli耦合，以生成氧濃度的溫度補償圖譜。本發(fā)明不限于僅與結腸鏡耦合來評估結腸壁組織中的癌性病變；本發(fā)明包括所有鏡和相機類型及配置，包括柔性的和剛性的；所有內部和外部組織的監(jiān)視或可視化；以及組織的參數(shù)的任何類型變化的識別。
本發(fā)明的一種代表性應用在于組織瓣(flap)的創(chuàng)建和監(jiān)視。各種類型的癌癥，即，乳腺、皮膚等，常常在治愈性切除的嘗試期間造成大量組織的去除。外傷性損傷會導致切斷的肢體或組織的撕裂部分。結果產生的組織損失常常由從患者身體的其它部分移位的天然組織替代。自由組織瓣是連同供給血管蒂一起完全從其原始位置被去除的瓣。然后，自由瓣脈管系統(tǒng)重新連接到靠近組織空隙的血管。脈管吻合可能由于來自不適當血塊形成的滲漏、狹窄或阻塞而失敗。本發(fā)明能夠通過組織氧合的圖譜來分辨瓣氧合，既用于組織灌注的術中確認又用于術后監(jiān)視。目前的技術僅限于血流量的定性測量。本發(fā)明給出了組織氧合的實時定量評估。本發(fā)明的實施例將基于相機的磷光壽命檢測器與熱成像相機耦合，其中，配準的溫度圖譜被用來校正校準系數(shù)，該校準系數(shù)被用來將磷光壽命轉換為氧濃度。類似的配置可被用于監(jiān)視內部和外部組織。另一個示例應用在于診斷、評估或監(jiān)視外周脈管疾病(pvd)的治療。
其它潛在的應用包括但不限于監(jiān)視/記錄顱內、腦內、眼內、耳內、鼻內、竇內、咽內、喉內、食管內、氣管內、胸內、支氣管內、心包內、心內、血管內、腹內、胃內、膽囊內、腸內、結腸內、直腸內、囊內、輸尿管內、子宮內、陰道內、陰囊內的移植器官或附肢；大腦內、肺內、肝內、胰腺內、腎內、腎上腺內、內陰、卵巢內、睪丸內、腫瘤內、肌內、骨內和皮內生理/生物力學參數(shù)。
考慮以下詳細描述、附圖和權利要求，本發(fā)明的附加特征、優(yōu)點和實施例將被闡述或顯而易見。而且，應當理解，本發(fā)明的前述發(fā)明內容和以下詳細描述都是示例性的，并且意在提供進一步的解釋而不限制要求保護的本發(fā)明的范圍。
附圖說明
圖1示出了本發(fā)明的一種實施例的部件的表示。
圖2a示出了本發(fā)明的實施例，其中系統(tǒng)生成圖形覆蓋圖，以便在同步獲取的內窺鏡視頻圖像上識別病變位置。
圖2b示出了覆蓋在內窺鏡視頻圖像上的代表性氧圖譜。
圖3示出了其中氧繪制系統(tǒng)與傳統(tǒng)內窺鏡成像系統(tǒng)耦合的實施例。
圖4示出了微型相機內窺鏡成像系統(tǒng)的一種實施例的特寫視圖，該系統(tǒng)適合放在內窺鏡的器械通道工作端口內。
圖5示出了能夠將經調制的激發(fā)光從外部控制單元注入到傳統(tǒng)內窺鏡成像系統(tǒng)的光路中的耦合器。
圖6a示出了其中基于微型相機的輔助成像系統(tǒng)適配在具有專用光通道的鏡的工作端口內的實施例。
圖6b示出了其中基于微型相機的輔助成像系統(tǒng)適配在鏡的工作端口內的實施例，其中光沿著預先存在的光路被注入。
圖6c示出了其中輔助成像系統(tǒng)的光纖光路適配在鏡的工作端口內的實施例，其中光沿著預先存在的光路被注入。
圖7a示出了本發(fā)明的一種實施例的示意圖，其中外部感測相機系統(tǒng)被用于生成測量。
圖7b示出了被配置為用于與內窺鏡耦合的氧繪制系統(tǒng)的一種實施例的示意圖。
圖7c示出了被配置為具有剛性內窺鏡的、用于小動物試驗的代表性氧繪制系統(tǒng)。
圖8繪出了系統(tǒng)的實施例，其中微型相機設備穿過內窺鏡的工作通道器械端口。
圖9示出了利用頻域方法的感測系統(tǒng)的一種實施例的時序圖。
圖10a繪出了具有集成傳感器的外科縫合器砧座。
圖10b示出了具有集成傳感器的外科縫合器砧座工作表面的特寫視圖。
圖11a繪出了具有采用感測夾形式的集成傳感器的醫(yī)療設備的實施例。
圖11b繪出了具有采用微創(chuàng)外科器械形式的集成傳感器的醫(yī)療設備的實施例。
圖12繪出了與外科縫合器的砧座可分離耦合的獨立感測器械的實施例的橫截面視圖。
圖13a繪出了具有能夠選擇性照射組織的區(qū)域的光源的成像系統(tǒng)的實施例。
圖13b示出了具有允許其延伸和旋轉的延伸臂的光源。
圖14a示出了耦合到外科縫合器砧座的注射器系統(tǒng)。
圖14b示出了注射器的實施例的橫截面視圖。
圖14c示出了耦合到外科縫合器砧座的注射器系統(tǒng)的另一實施例。
圖15示出了在結腸直腸切除術中的注射器和感測砧座的代表性應用。
圖16a示出了被配置為評估熒光和/或磷光壽命的成像系統(tǒng)的代表性實施例。
圖16b示出了被配置為評估吻合部位處的組織的熒光和/或磷光壽命的成像系統(tǒng)的代表性實施例。
具體實施方式
組織參數(shù)可以通過多種方法測量。本發(fā)明使用的一種技術經由用于氧測量的全身或局部注射的磷光氧感測分子探測物通過利用磷光的氧依賴性淬滅來測量組織氧合水平，如在公開測量方法的美國專利no.4,947,850、美國專利no.5,837,865、美國專利no.6,362,175、美國專利no.6,165,741、美國專利no.6,274,086、美國專利no.7,575,890和美國專利申請公開no.2013/0224874中所公開的，其公開內容整體上通過引用被結合于此。磷光氧感測探測物包括封裝在疏水性樹枝狀大分子內部的磷光金屬卟啉核，其形成隔離發(fā)色團與環(huán)境的直接接觸、控制氧擴散并使得能夠控制探測物的動態(tài)范圍和靈敏度的保護殼。金屬卟啉核可以用不同的元素構建。鈀和鉑是可以使用的兩種元素?；阢K的核相對于基于鈀的核的優(yōu)點是其量子效率。當與基于pd的分子相比時，磷光體的量子效率的增加允許光輸出的顯著增加；每個分子返回更多的光允許使用更少的分子來實現(xiàn)返回到設備的相同信號。作為替代，注入相同量的分子使得能夠使用不太敏感(更便宜)的光檢測器。樹枝狀分支的外周peg化確保探測物的高水溶性，同時防止與生物大分子的相互作用。分子探測物的總體尺寸影響探測物被腎臟清除的能力。更快的清除限制試劑對患者的暴露。尺寸可以通過修改樹枝狀大分子的長度、樹枝狀大分子的數(shù)目和peg的尺寸/聚乙二醇化的程度來變化。
在探測物的一種實施例中，核，pd-內消旋-四(3,5-二羧基苯基)四苯并卟啉(pdtbp)，被八個第二代聚芳基甘氨酸(ag2)樹突封裝；每個樹突利用單甲氧基-聚乙二醇胺(peg-nh2)基團(平均mw1000da)被聚乙二醇化，具有平均為21-22個單體-(ch2ch2o)的單位。發(fā)現(xiàn)探測物樹枝狀大分子的分子量在
探測物的校準參數(shù)，kq和τ0，相對于溫度線性變化。隨著溫度從22℃升至38℃，淬滅常數(shù)kq從211mmhg-1s-1增加到338mmhg-1s-1，這對應于7.8mmhg-1s-1/℃的溫度系數(shù)。探測物的吸收光譜在大約448nm和637nm具有最大值，磷光發(fā)射最大值為813nm。在多個波長處的激發(fā)賦予了能夠在不同的穿透深度或層處詢問和區(qū)分組織性質的特定于應用的優(yōu)點。視野內多個po2值的組合將其自身表現(xiàn)為壽命的組合(指數(shù)衰減之和)；多個po2值和對應的濃度可以通過本文描述的手段來確定。
由于測得的磷光壽命對溫度的依賴性，關鍵是評估在測量位置處的溫度并且使用那個信息來應用磷光壽命和氧濃度之間的適當關系。通過測量在測量點處的溫度，可以選擇適當?shù)臏囟纫蕾囆源銣缦禂?shù)kq，以允許提高在那個點處的氧濃度測量的準確度。雖然測量區(qū)域的平均溫度可被用來提高準確度，但是進一步的位置依賴性補償可以通過繪制在多個點處的溫度并且在轉換為氧濃度時將那些點的對應關系與壽命測量相關聯(lián)來獲得。應當指出，氧濃度和氧合可以在本公開內容中互換使用并且二者都涉及組織中存在的氧的量。
本發(fā)明的實施例意在檢測當針對周圍正常組織測量時非癌性、癌前和癌性病變的間質組織氧合的定量差異。進一步描述的具體實施例目的在于識別胃腸道中的病變。本發(fā)明的一種應用針對增強癌前結腸息肉的檢測。通過間質組織氧合的繪制，在視頻結腸鏡檢查期間，本發(fā)明目的在于，當與傳統(tǒng)的白光和“增強”內窺鏡技術相比時，在篩選結腸鏡檢查期間改善腫瘤前和腫瘤病變的檢測。此外，本發(fā)明目的在于基于組織氧合的模式來區(qū)分各種惡性潛在的病變。應當指出，為了本申請的目的，“白光”和“可見光”成像可以互換使用。通過同時繪制在相同的感興趣區(qū)域內的溫度，我們可以通過使用壽命對組織氧合的溫度依賴性的校準來提高感測準確度。應當指出，為了本申請的目的，磷光壽命圖像/成像(pli)是指用于計算生理參數(shù)(諸如氧合)的前體并且可以是諸如以微秒為單位測得的實際校準的壽命，或者可以由相關的原始數(shù)據(包括時鐘周期、相機幀、相位延遲或其它測量參數(shù))來表示。
目前沒有在結腸鏡檢查期間定量評估組織氧合的臨床實用方法或利用此類信息改善息肉檢測的方法。所述方法還可被用于各種其它組織成像，包括但不限于胃腸成像，以指導諸如結腸或直腸吻合的外科手術。術語成像是指在多個位置進行測量。這包括但不限于諸如基于相機的傳感器的2d繪制或者諸如器械上的多個傳感器元件的離散點的陣列。
圖1示出了本發(fā)明的一種實施例的部件的表示，包括氧感測分子探測物101、磷光壽命成像接口103和輔助相機105的內窺鏡系統(tǒng)100。通過利用存在于健康組織和病變之間的氧差異，該系統(tǒng)有助于檢測非癌性、癌前和癌性病變。該系統(tǒng)生成胃腸道的定量氧繪制。病變的例子是在結腸中發(fā)現(xiàn)的結腸息肉。氧敏感磷光氧感測探測物101是全身注入血流或局部注入組織間隙空間的納米傳感器。磷光壽命成像接口103基于磷光探測物101的光學響應(與磷光壽命的氧依賴性淬滅有關)確定組織氧合。磷光壽命由通過傳統(tǒng)鏡(諸如結腸鏡)的工作通道的輔助相機105成像。在一種實施例中，輔助成像系統(tǒng)105是插入傳統(tǒng)結腸鏡的工作通道的近端并通向結腸鏡的遠端的小型微型相機內窺鏡。相機可以集成到柔性套管中并且可以是單次使用或有限壽命的設備。在另一實施例中，輔助成像系統(tǒng)包括被插入工作通道的近端并且通向遠側的光纖成像束。成像束的近端耦合到相機。在另一實施例中，成像束的近端耦合到被耦合到相機的圖像增強器。相機本身可以采用圖像增強光學器件。進入或離開成像束的光可以穿過光學濾波器。該系統(tǒng)還可以包括能夠繪制氧合測量區(qū)域中的溫度的熱成像系統(tǒng)。在一種實施例中，紅外輻射通過相干光纖束到達熱成像相機。光纖束可以與在輔助成像系統(tǒng)中使用的光纖束相同，也用于照明的束，或者替代束。
本發(fā)明包括在身體或其一部分中啟用受控的停留時間的氧依賴性淬滅分子探測物101的配置。探測物的尺寸和形狀的受控變化影響停留時間和清除率。在一種實施例中，探測物在24小時以內從身體排出。分子探測物101可以完全或部分地集成到生物可吸收的珠?；蚱渌矬w中或者與其耦合，以便在注射后在位點維持足夠的探測物延長的時段。將探測物維持在位點或將探測物導向位點的替代方法包括將分子探測物與磁性載體耦合，用于控制其位置或在位點處維持足夠的探測物延長的時段。本發(fā)明還可以結合磷光體和其它標記，用于除氧合之外的各種生理參數(shù)，諸如葡萄糖水平、ph、乳酸鹽或疾病標記。多個生理參數(shù)的測量可以同時發(fā)生。
圖2a繪出了本發(fā)明的實施例，其中系統(tǒng)生成到同步獲取的內窺鏡視頻圖像201上的、識別受試者組織中的病變(包括息肉或其它異常)或脈管系統(tǒng)(203，209)的位置的圖形覆蓋圖(205，211)。組織201表示結腸組織，但是，內窺鏡系統(tǒng)可被用來成像任何生物組織。圖2b示出了呈現(xiàn)組織氧合(221，233)的圖譜的覆蓋圖的實施例，其可以看起來像偽色半透明覆蓋圖219。在其它實施例中，其它生理屬性可以連同對應的解剖成像一起顯示。該系統(tǒng)能夠穿過一些視覺阻塞(諸如組織折疊)來測量氧合，并且能夠定位通常隱藏在折疊215或其它障礙物后面的病變。在一種實施例中，該系統(tǒng)基于解析出的氧合(221，223)自動識別可疑病變(203，209)并生成突出顯示可疑病變的覆蓋圖(205，211)；覆蓋圖可以是通用標記(例如，諸如圖2a中的十字線或框)、病變的輪廓、概率圖譜和如圖2b中所示的覆蓋的氧圖譜之一。這個識別過程可以在評估測量結果是指示非癌性、癌前或癌性病變還是其它感興趣的特征的存在時結合統(tǒng)計數(shù)據。結腸病變可以包括但不限于炎性、增生性、腺瘤性或管狀絨毛膜息肉。它還可以結合與評估相關聯(lián)的一定程度的確定性。覆蓋的氧圖譜(或其它性質)可以被配準到內窺鏡視頻，以便確保對準。在另一實施例中，通過交互式更新的基于圖像的配準過程，內窺鏡視頻中的特征被跟蹤，以即使在輔助成像系統(tǒng)/相機系統(tǒng)被去除時也維持圖像覆蓋(諸如沿著工作通道插入器械)。在一種實施例中，諸如電磁跟蹤傳感器或慣性測量傳感器的傳感器被用來監(jiān)視成像系統(tǒng)的絕對位置或位置的相對變化。該系統(tǒng)可被配置為基于氧合自動檢測病變或其它生理結構，并且可以以表示活氧圖譜視頻饋送或靜態(tài)圖像中的測量的偽色呈現(xiàn)(即，顏色圖)。該系統(tǒng)可被配置為檢測和定位脈管系統(tǒng)，并且在一種配置中使用這種信息來指導外科干預。這種指導可被用來幫助定位血管，并且可被用來避免對血管的無意損傷。
圖3示出了本發(fā)明的實施例，其中氧繪制系統(tǒng)包括氧繪制系統(tǒng)控制單元301，氧繪制系統(tǒng)控制單元301與包括控制單元303和光源305(它們可以是組合的或單獨的部件)的市售內窺鏡接口單元無縫耦合。光路中的耦合器309可被用來將來自輔助光源311的所需調制光注入到現(xiàn)有的照明光纖束315中，并且經過沖洗(irrigation)或根據需要通過柔性內窺鏡319的其它連接。如果識別出可疑病變，則系統(tǒng)可以允許用另一器械交換氧繪制相機323，同時保留/跟蹤在視頻監(jiān)視器上突出顯示的病變。氧繪制可以利用磷光的氧依賴性淬滅來實現(xiàn)，這是利用全身注入的分子探測物。在一種實施例中，輔助視頻饋送323可被用于pli成像并且可以采取到位于導管的遠側尖端處的微型相機的電連接的形式。在替代實施例中，輔助視頻饋送323可以采取將光指向氧繪制系統(tǒng)控制單元內部的成像系統(tǒng)的相干光纖束的形式。成像系統(tǒng)可以是微型相機(諸如cmos圖像傳感器)、傳統(tǒng)相機(諸如cmos或ccd相機單元)或者可以是如本公開內容中進一步描述的強化的科學成像系統(tǒng)。在一種實施例中，氧繪制系統(tǒng)還包括溫度測量能力。在一種配置中，能夠傳遞紅外光的相干光纖束可被用于熱成像；光纖束可以是獨立的束、照明光纖束的多路復用使用、或者是氧繪制輔助成像系統(tǒng)的光纖束的多路復用使用。在替代配置中，諸如熱電偶的離散點溫度可被用來評估在成像部位處的組織溫度。在還有另一配置中，用于測量核心體溫的外部感測系統(tǒng)可饋入pli系統(tǒng)中。
圖4示出了微型相機內窺鏡401的一種實施例的特寫視圖，其適合放在諸如結腸鏡的內窺鏡405的器械通道工作端口403內。入射光通過光纖409或諸如led的集成的光源發(fā)射，光源從目標組織或對象引出磷光、熒光或其它光再發(fā)射響應。諸如可以包括控制電路系統(tǒng)的微型cmos傳感器的相機413被放成接近去除入射光(長通濾波器)的濾光器415，從而留下再發(fā)射的光。感測方法可以是時域、頻域或替代方法。利用時域方法可以消除對濾光器415的需要或減小濾光器415的所需光密度。廣角透鏡419可被用來獲得寬視野。微型透鏡可以結合到相機傳感器上。相機413和透鏡419可被配置為使得提供組織的成角度的視圖。可以進一步結合微型熱成像相機，用于評估成像部位處的組織溫度。相機可以是獨立的設備，或者是能夠既進行pli又進行溫度繪制的組合成像器。還可以結合在一個或多個點處進行溫度測量的領域中已知的附加方法。一個或多個相機將它們的數(shù)據沿著電纜423傳送出去。輔助成像系統(tǒng)可以包含在柔性外護套427中。
基于遠側成像(例如，位于尖端處的微型相機)或者近側成像(例如，到外部相機的光纖束)的pli系統(tǒng)的一種實施例可以提供超寬視角。通過提供大的視角，有可能可視化后面的對象，諸如息肉、組織折疊、狹窄或吻合。成像系統(tǒng)的遠端可以能夠主動彎曲，以便提供足夠的視野來看到對象的后側。這種實施例可以結合預彎曲形狀記憶合金，以便在延伸時提供預定義的彎曲形狀。在一種實施例中，圓柱形的棱鏡狀設備被用來生成非常大的折射角并因此生成大于180度的視角。在另一配置中，高折射率介質的堆疊層被用來創(chuàng)建超寬視角透鏡。
在本發(fā)明的一種實施例中，介質可以包含熒光或磷光氧感測分子探測物。光源可以是諸如led或激光器的窄帶光源，或者可以是諸如白光源的寬帶光源。窄帶源的峰值發(fā)射波長可被選擇為處于或接近介質中分子探測物的吸收峰。光學濾波器可被用來進一步將入射光限制到分子探測物的吸收波長區(qū)域中或其附近的波長。分子探測物可以再發(fā)射光，然后光可選地穿過濾波器，以隔離發(fā)射光與入射光。光檢測器可以感測接收到的光的強度。在一種配置中，檢測器可以是單點檢測器，諸如pd、apd、sipm或類似的設備。在替代配置中，檢測器可以是多點檢測器或圖像傳感器，諸如相機或單點檢測器的陣列。相機可以是ccd、cmos或其它技術，并且可以直接位于器械的組織接觸表面或者在遠程位置光學耦合，諸如通過光纖束。單點檢測器的陣列可以是pd陣列、sipm陣列、線性ccd或其它技術。光源可以在寬的區(qū)域上被指向或者精確地指向感興趣的點并被掃描。光檢測器可以在區(qū)域上被指向或者被精確地定向和掃描。在一種配置中，處理器命令來自光源的光脈沖并利用時域信號處理技術來分析由檢測器接收到的信號的時間響應。在替代配置中，處理器可以命令來自一個或多個光源的調制光，諸如正弦強度分布，并且可以分析從檢測器測得的信號，以通過頻域信號處理技術確定相位滯后。在一種配置中，介質可以包含磷光分子探測物。當被探測物的一個或多個吸收帶中的光波長激發(fā)時，探測物發(fā)磷光。由于氧具有淬滅磷光的能力，因此磷光壽命可以響應于探測物附近的氧含量。氧合和磷光壽命之間的關系可以遵循stern-volmer關系。時域或頻域技術可被信號處理器用來定量地解析組織的單個位置或多個位置的對應氧含量或濃度。術語“解析”意在廣泛地被解釋為指計算、確定、評估或獲取目標組織中的氧含量或濃度的解答。時域或頻域技術的示例性實現(xiàn)在美國專利no.6,701,168中公開，其整體上通過引用被結合于此。氧含量可被表示為數(shù)字或者顯示為器械或外部顯示單元上的氧合圖譜。氧含量可被用來預測外科手術的成功或失敗的可能性，或指導外科手術。預測或引導技術的示例性實現(xiàn)在美國專利公開no.2009/0054908a1中公開。在一種實施例中，器械是內窺鏡成像系統(tǒng)。在另一實施例中，器械是到外科器械的附件，諸如到外科縫合器砧座的附件。
圖5展示了耦合器501的一種實施例，其可以使調制光沿著光路503(諸如光纖電纜)從外部控制單元505注入到現(xiàn)有內窺鏡系統(tǒng)511的光路509中。光路509通常傳遞來自內窺鏡相機控制器511內或與其相關聯(lián)的標準內窺鏡光源的白光。這使得能夠多路復用傳統(tǒng)內窺鏡519的光纖515，從而允許白光用于傳統(tǒng)視頻成像并且調制波長的特定光用于結合諸如pli的感測。光源對523與內窺鏡光源的光端口509配對。在一種實施例中，機動反射鏡單元527可以在白光輸入源523和來自氧繪制系統(tǒng)503的調制光源之間切換。在替代實施例中，固態(tài)或mem切換或反射鏡(諸如dlp狀設備)可以被使用。內窺鏡耦合529可以耦合到標準內窺鏡519，以便將組合的光輸出傳遞到光路515中。
圖6a和6b示出了系統(tǒng)的實施例，其中微型相機內窺鏡或光纖鏡601可以適配在傳統(tǒng)的市售或定制鏡603的工作端口內。如圖5中所述的光耦合器607可以將光從pli控制單元611注入現(xiàn)有的鏡照明/光纖613中。圖6a示出了用于pli系統(tǒng)的專用光通道和用于鏡接口的快門單元。圖6b示出了其中光沿著現(xiàn)有光路613注入的替代實施例。
圖6c繪出了成像系統(tǒng)的實施例，其中相干光纖成像束621被配置為沿著內窺鏡603的工作通道/端口623通過。內窺鏡603可以是光纖成像柔性內窺鏡或者在遠端625具有集成微型相機的柔性內窺鏡。輔助成像光纖束621與成像系統(tǒng)631耦合。在一種實施例中，成像系統(tǒng)631包括門控圖像強化器和靈敏的高速相機。成像系統(tǒng)631可以與磷光壽命成像系統(tǒng)635耦合。pli系統(tǒng)635控制相機曝光定時、強化器選通和光源639的調制。來自調制源639的激發(fā)光可以利用耦合器607與傳統(tǒng)的商用內窺鏡成像系統(tǒng)645的可見光源643組合，并且經由光纖613被饋送到鏡603中。來自傳統(tǒng)的商用內窺鏡成像系統(tǒng)645的相機控制單元649的視頻饋送可以將內窺鏡視頻圖像發(fā)送到pli系統(tǒng)611。pli系統(tǒng)611的圖像處理單元653可以配準來自磷光壽命成像和白光內窺鏡成像的視頻圖像。來自商用內窺鏡系統(tǒng)645的視頻圖像可以僅是白光視頻，或者可以是白光圖像以及紅外圖像的組合。
連同調制光639一起被饋送到耦合器641中的基于來自光源637的照明的紅外(ir)圖像的使用(圖6a和圖6b中所示，其也可以應用于圖6c中描述的實施例)可以使得共同的特征在由相機單元649和成像器631捕獲的兩個圖像中都是可見的，以輔助配準。pli系統(tǒng)611的視覺輸出可以在內部或外部顯示器657上顯示，并且可以結合圖2a和圖2b中描述的教導。應當指出，為圖6c提供的詳細描述也適用于圖6a、圖6b以及本發(fā)明的其它實施例。
圖7a示出了本發(fā)明的一種實施例的示意圖，其中外部感測相機系統(tǒng)701可被用于生成測量。該系統(tǒng)可以直接耦合到透鏡，例如用于外部成像或開放式外科手術，或者它可以耦合到剛性或柔性內窺鏡705。在一種實施例中，受試者可以用氧依賴性磷光探測物全身注入，然后利用該系統(tǒng)成像，以獲得受試者組織的氧圖譜以及視頻圖像。光源709被用來照射和激發(fā)受試者組織711中的探測物；作為替代，組織本身的熒光或磷光可以在有或沒有分子探測物的情況下利用直接照射來檢測。光源709可以包括用于激發(fā)不同分子探測物、一個或多個分子探測物的不同吸收峰，并且用于改變光穿透深度(圖7a中所示的代表性波長不意在排除其它波長)的多個波長?？梢允褂秒x散波長以及寬帶源。光源可以是led、激光器或其它源。源可以由光控制系統(tǒng)715調制，以啟用時域、頻域或其它感測技術。分光器721可被用來在獲得白光內窺鏡圖像的成像相機723(諸如可見光相機)與感測相機701之間指引光。在一種實施例中，感測相機是高速強化的科學相機701。過濾器763可以允許僅僅從探測物或天然組織重新發(fā)射到感測相機的光通過。分光器721可以是分束器、可調節(jié)反射鏡或者分離光的另一種途徑。在一種配置中，光可以基于波長來分離，以便將再發(fā)射的磷光ir光發(fā)送到感測相機，而可見光可以被指向成像相機。圖7b示出了系統(tǒng)的一種實施例的細節(jié)。圖7c繪出了該系統(tǒng)在臨床前試驗中的一種實施例。該設備可以對人類、對獸醫(yī)應用或者在實驗室場景中臨床使用。
在一種實施例中，處理器可以與感測相機701、成像相機723和光源709接口。在一種實施例中，計算系統(tǒng)731可以連接到感測相機701，并且計算系統(tǒng)731的處理器可以對收集的圖像數(shù)據執(zhí)行計算。計算可被用來確定和繪制熒光或磷光壽命或相關參數(shù)。計算系統(tǒng)731的處理器可以是微處理器和/或圖形處理單元(gpu)。在替代配置中，來自一個或多個相機的數(shù)據被傳遞到現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)中，并且fpga被配置為執(zhí)行一些或全部數(shù)據處理，諸如確定和繪制熒光或磷光壽命，或者相關參數(shù)。本發(fā)明的一種實施例結合耦合到高速成像傳感器的選通圖像增強器。成像傳感器通信耦合到fpga。fpga控制成像(包括曝光時序)和圖像增強器的選通。fpga還可以控制脈動或調制光源。fpga可以控制時序和圖像獲取。fpga還對所獲取的圖像執(zhí)行圖像處理。在一種實施例中，fpga確定用于每個測量周期的磷光壽命或熒光壽命的圖譜。計算的一種方法是對每個像素評估指數(shù)衰變時間常數(shù)。在fpga中執(zhí)行板載計算減少了對高速數(shù)據傳輸?shù)男枰?，并且因此實施例可以在傳統(tǒng)通信信道(諸如usb、以太網、火線、諸如vga或hdmi的標準pc視頻、復合視頻、分量視頻等)上具有類似于典型內窺鏡相機的幀速率的氧或壽命圖譜的輸出。
圖7b示出了被配置為與可以是剛性或柔性的內窺鏡741耦合的氧繪制系統(tǒng)的一種實施例的示意圖。光源743饋送到內窺鏡的照明端口中，并且可以包含白光和調制/脈沖激發(fā)光。適配器(諸如c底座內窺鏡適配器)745可以耦合到包括聚焦光學器件749的透鏡管747。分光器盒(諸如立方體保持器)751可以包含可以采取波長依賴性熱(ir)反射鏡分光器的形式的分光器753。包括可調透鏡管和適配器的聚焦光學器件可以將分光器751的一個輸出耦合到可見光內窺鏡相機757。分光器的另一個輸出可以通過聚焦光學器件761和長通或帶通濾光器763，以到達感測相機765。長通濾波器可以有效地去除入射光，從而允許僅僅再發(fā)射的光通過。濾光器的波長選擇性將依賴于探測物的光學吸收和發(fā)射性質以及所使用的入射光源。感測相機可被用于磷光壽命成像并且可以采取如圖7a所描述的形式。
圖7c示出了被配置具有剛性內窺鏡771的、用于小動物試驗的代表性氧繪制系統(tǒng)。鏡771還可以包含或可以與吹氣通道773耦合。包括遠程可選白光和脈沖/調制光的多波長led光源775耦合到鏡771的照明端口。具有濾波器塊777(如圖7b中所述)的透鏡組件和分光器將鏡771耦合到感測成像系統(tǒng)781和可見光成像系統(tǒng)783。在這種實施例中，感測成像系統(tǒng)781是具有高速選通的ir敏感強化相機。諸如數(shù)據獲取系統(tǒng)(daq)787的控制單元提供照明波形和相機同步控制，并且可以耦合到控制計算機791。光源775的照明可以由調制光驅動器789控制。術語調制光在時域方法的情況下可以指脈動光并且在頻域方法的情況下可以指正弦輸入。計算機791的顯示器可以顯示白光視頻內窺鏡輸出793和計算出的氧和/或磷光壽命圖譜795。對于實驗評估，氣體混合器797啟用受試者的吸入o2濃度的控制。
圖8繪出了系統(tǒng)的實施例，其中微型相機設備803穿過內窺鏡的工作通道器械端口到達其遠側尖端807，以成像受試者組織809。這個實施例可以與耦合到光纖和集成視頻顯微鏡二者兼容。除了相機803可以位于鏡的遠側尖端807之外，這個實施例可以類似于圖7a來操作。所繪出的系統(tǒng)示出了連接到微型相機的磷光壽命成像控制系統(tǒng)和用于將光注入照明端口815的光耦合器811。pli控制系統(tǒng)819可以控制相機控制器821、光源825和圖譜生成功能829。在一種實施例中，它還可以從外部相機單元或另一個源獲取可見光圖像，將組織氧合或其替代品的圖譜配準到視頻圖像，并且通過增強現(xiàn)實圖像覆蓋顯示組織氧合或其它信息。
圖9示出了感測系統(tǒng)的一種實施例的示例性時序圖。該圖繪出了感測的頻域方法，其中激發(fā)光以被識別為903的周期tmod＝1/fmod的頻率被調制901，并且系統(tǒng)在被識別為905的重復周期ts期間獲取定時的圖像。ts對于每次遞增k被定義為：ts(k)＝k*n*tmod+k*dq，其中：k＝樣本數(shù)(從0開始)，n＝采樣之間的周期數(shù)(基于相機幀速率)，tmod＝激發(fā)調制正弦波的周期長度(1/fmod)，dq＝對于每個后續(xù)樣本沿周期的增量(等同于采樣間隔)，并且q＝k*dq＝從當前循環(huán)的周期開始觸發(fā)采樣的偏移。光調制波形(上面的圖)由對于期望的樣本數(shù)*n具有頻率fmod的正弦波901組成。每個周期通過被識別為909的小量q交錯，以便使成像觸發(fā)器913掃過周期性響應的全范圍。相機觸發(fā)波形921(下面的圖)由對于每個樣本k在時間ts(k)處具有上升沿的脈沖串組成。多個累積或積分可以通過使快門或選通門與周期的一部分同步來執(zhí)行。這部分可以被遞增地移位，以獲取整個波形。于是，在波形中誘發(fā)的相位滯后可以與氧合相關。多個頻率可被用來實現(xiàn)更健壯的測量，這有助于去除使其通過過濾器的入射光，或確定氧合圖譜。在替代實施例中，諸如線性啁啾信號的時變頻率被用來激發(fā)探測物，以從大量頻率獲得信息。獲取可以經該周期的多次重復而順序地取得，或者可以利用高速相機單元獲取。相機傳感器像素的掃描或合并可被用來獲得視野的小子集的快速成像。在另一實施例中，類似的方法可被用于時域測量。在這種方法中，在激發(fā)脈沖之后沿著光學響應衰變的多個點以時間變化的相位延遲經一系列重復的激發(fā)被讀出。包括通過多個順序周期的同步、選通成像而用于降低的采樣率或幀速率需求的方法。另一種方法規(guī)定用于給定周期的多個采集或累積可以被加在一起，以增加測得的信號或者對那個周期改善信噪比(snr)。
本發(fā)明包括用于基于頻域方法確定氧合的算法。所述方法可以包括單個調制光激發(fā)頻率、兩個頻率以減少殘余激發(fā)光的影響，或者多個頻率以解析多重氧合水平的存在和數(shù)量(即，氧合的光譜圖譜)。實施例包括其中頻率被調節(jié)以維持在近似固定的相位的方法。本發(fā)明可以包括用于確定用于獲取的最佳頻率的優(yōu)化過程。在實施例中，氧合計算可以基于時域方法和最大熵方法。替代實施例可以利用兩種光子激發(fā)技術。
本發(fā)明包括用于時域氧合測量的方法，其中溫度測量信息可以被結合到從測得的磷光壽命到氧合的轉換中。還包括用于頻域氧合測量的方法，其中溫度測量信息可以被結合到從測得的磷光響應的相位到氧合的轉換中。
圖10a繪出了具有集成傳感器的外科器械。在一種實施例中，外科縫合器砧座1001或耦合到砧座的附屬設備結合有傳感器。砧座的工作表面1021(形成縫合器壓接的表面)上的傳感器1005可以包括用于對器械的工作表面上的組織執(zhí)行磷光壽命成像的光發(fā)射器和接收器。感測砧座1001的一種實施例包括位于砧座面的切口1007中的傳感器元件1005。感測砧座包含耦合到由板載電池1011供電的無線收發(fā)器1009的控制電子器件。感測部件封裝在帽1013內部。
圖10b示出了砧座工作表面1021的特寫視圖。在一種配置中，led光源1025和光電二極管1027在釘形之間的切口1007中交錯。壓力傳感器1031也在切口1007中，以評估組織相互作用力。器械的一種實施例還包括一個或多個溫度傳感器1033，諸如熱電偶或電阻溫度檢測器(rtd)。在一種配置中，溫度傳感器可以在釘形1029之間交錯、在砧座面1021周圍周向分布和/或位于釘形式之間的切口1007中。在替代配置中，相機可以集成到感測砧座中，以便通過光纖或其它光導成像組織。這種實施例可以在功能上類似于先前描述的微型相機內窺鏡。在另一替代實施例中，傳感器可以掃過設備，以在多個點取得測量。
圖11a繪出了具有采用感測夾形式的集成傳感器的醫(yī)療設備的實施例。在實施例中，夾子1101可被配置為封住并跨腸組織感測。組織可以放在上表面1103和壓縮表面1105之間?？坫^1107可以在組織周圍將傳感器保持密閉，而組織壓縮囊或球囊1105可以通過空氣或流體連接1109將組織壓縮到指定的壓力。一個或多個傳感器1111沿著表面1103的組織接觸部分定位。在一種配置中，氧合傳感器的線性陣列可以生成組織內的氧合的線性2d圖譜或3d陣列。傳感器1111可以包括用于pli測量的光發(fā)射器和接收器。傳感器還可以包括一個或多個溫度傳感器，這些溫度傳感器可以與每個測量點相關聯(lián)，以啟用氧合測量的溫度補償。傳感器與控制電子器件(包括led或激光驅動器和光電探測器放大器)和微控制器或其它處理器1113接口，并且可以由板載電池1115供電。系統(tǒng)可以利用無線收發(fā)器1117無線地通信。感測系統(tǒng)可以用密封劑和/或帽1119封住。圖11b繪出了具有采取被配置為內窺鏡棒1141的微創(chuàng)外科器械形式的集成傳感器的醫(yī)療設備的實施例。感測頭1143可以包括與控制電子器件1149接口的傳感器陣列1145。器械上的傳感器陣列可以包括以下一個或多個：氧合傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器。
本發(fā)明包括各種感測外科器械和成像系統(tǒng)配置。一個或多個感測外科器械可以結合成像系統(tǒng)來使用。在系統(tǒng)的一種使用中，內窺鏡pli系統(tǒng)(諸如圖3中所描述的)在結腸內部使用，棒狀設備(諸如在圖11b中的)可以在外表面上使用，并且感測砧座(諸如在圖10a中所描述的)可被用來評估在吻合部位處的組織氧合。傳感器可以與基站無線通信。這種基站還可以包括pli成像系統(tǒng)。
圖12繪出了具有集成傳感器的醫(yī)療設備1201的實施例的橫截面視圖。這種實施例可以包含在自包含器械中的一個或多個傳感器元件，該自包含器械可拆卸地與外科縫合器的砧座1203耦合。器械1201的主體1205充當具有組織接觸表面1209的握把或手柄，組織接觸表面1209將組織1211壓靠在砧座1203的表面1213上。在一種配置中，組織1211是諸如結腸組織的腸組織的近端上要執(zhí)行吻合的部位。砧座1203的頭部可以插入腸組織1215中(例如，結腸直腸吻合的近端)并且荷包繩型閉合件1217可以抵靠砧座柄1221束緊組織1211。砧座柄1221可以插入到柄耦合器腔1223中，以對準砧座和設備1201。作為替代，柄耦合器1223(配對構件)是類似于插入到砧座柄1221中的圓形外科縫合器的遠端處的銷(尖釘)。在一種實施例中，組織接觸表面1209可以充當傳感器窗口并且可以是基本上光學透明的，以允許通過傳感器窗口的光學感測。組織接觸表面1209可以包括一個或多個壓力傳感器元件1229，以允許處理器1231確定組織壓縮壓力。組織壓縮壓力可被用來門控設備的氧合測量。
在一種實施例中，外殼體1205內的內部結構1235可以旋轉一個或多個傳感器元件1239，以圍繞吻合周向產生全面的讀數(shù)。在一種實施例中，旋轉傳感器元件1239可以包括至少一個光源和一個光電探測器。傳感器可被用于血氧定量、熒光成像、磷光壽命成像或光學感測的其它方法。在另一實施例中，光源可以是被配置為在氧感測磷光探測物中激發(fā)磷光響應的led，并且光電探測器可以是被配置為檢測探測物的磷光響應的光電二極管。旋轉傳感器元件1239還可以包括一個或多個溫度傳感器，諸如熱電偶或電阻溫度檢測器(rtd)。溫度傳感器也可以固定到主體1205并且不旋轉。信號處理器1231可以控制一個或多個光源并且接收和分析來自一個或多個光電探測器的信號。信號處理器1231可被用來確定磷光壽命。為了獲得圍繞吻合組織1211的一組讀數(shù)(即，氧圖譜)，內部結構1235可以繞軸1245旋轉。在一種實施例中，旋轉可以通過馬達或其它旋轉致動器1241，并且在另一實施例中，內部結構可以被手動旋轉。角度傳感器1243可被用來確定內部結構1235相對于外殼體1205的旋轉角度。在替代配置中，可以使用步進馬達，并且可以從運動控制信號推斷相對旋轉角度。在一種實施例中，內部結構1235是可重復使用的耐用器械，并且外殼體1205是一次性并且是單次使用的。信號處理器1231可以利用光學傳感器元件來以既定的旋轉角度生成測量，或記錄在讀取時的角度。信號處理器1231可以重建對應于在獲取讀數(shù)時的傳感器元件位置的測量的圖譜。在一種實施例中，組織氧合的360度圖譜可以通過旋轉感測元件1239并以離散間隔獲取讀數(shù)來為腸吻合的表面產生。在一種實施例中，無線收發(fā)器1247向基站發(fā)送數(shù)據并且可以從基站接收命令。一個或多個指示器1251可被用來顯示器械的和/或被測量的組織的狀態(tài)。感測器械1201可以由內部電池1255供電。
在一種實施例中，如果組織的區(qū)域被確定為有缺陷/異常并且需要注意(例如，差的氧合)，則旋轉感測結構可以旋轉，以指示有缺陷的位置。在另一實施例中，器械可以對準，然后照射組織的具有受損氧合的區(qū)域，以通知用戶。這里描述的實施例一般是指具有至少一個與另一外科器械(諸如圓形縫合器砧座1203或殼體)耦合并取得在組織表面121上的一個或多個傳感器讀數(shù)的傳感器元件1239的器械。在更具體的配置中，傳感器元件可被配置為用于pli并且可以旋轉，以確定在吻合1211的建議部位處圓形縫合器砧座1213的表面上的腸組織的氧圖譜。讀數(shù)可以在多個旋轉角度取得，并且可以在多個徑向距離取得。徑向放置可以是以下一個或多個：在釘形內，在砧座形(沿著建議的縫線)和釘形外部。
該設備可以在體腔內部或體腔外部使用。該設備可以結合注射器單元或者可以與獨立的注射器單元結合工作。器械可以具有外部標記或指示器，以便于系統(tǒng)與外部解剖結構(諸如腸的系膜小腸游離部一側)的對準。外部標記或指示器可以機械地、以電的方式或以磁的方式配準到內部系統(tǒng)電子器件，以允許具有外部對準的解剖結構的系統(tǒng)的位置感知。器械可以具有集成的配對構件1223，以啟用到砧座或殼體的穩(wěn)定的正耦合(連接)。在一種實施例中，配對構件可以采用砧座與其配對的縫合器上的釘?shù)男问?，其中釘與砧座柄配對。正連接可被配置為允許器械操作期間的穩(wěn)定性，而一旦器械操作完成，則容易釋放砧座。容易釋放功能性防止在從器械分離砧座期間的組織損傷。配對構件可以固定或可移動地耦合到器械。在一種實施例中，配對構件可以沿器械的中心軸放置，以便可拆卸地耦合到砧座柄。配對構件具有接納允許沿著軸行進的同軸桿的中心孔。配對構件可以通過恒力彈簧或電動滑動件(諸如線性平臺或螺線管)機械地耦合到器械，以允許組織相互作用力(諸如施加在砧座和器械的組織接觸表面之間的組織上的接觸壓力)的精確控制。器械可以具有集成的相互作用力傳感器，其允許處理器通過電動滑塊的致動來將相互作用力調節(jié)到設定的范圍。類似地，處理器可以響應于被轉換的相互作用力的大小而向最終用戶指示條件。
在本發(fā)明的一種配置中，設備可被配置為感測多層組織中的氧合，或者區(qū)分在不同組織深度的氧合。通過在介質中使用具有多個吸收波長的磷光氧感測探測物，由于組織中的穿透深度是依賴波長的，因此設備可以基于從該設備發(fā)射的激發(fā)波長來輻射并激發(fā)注入組織中的探測物的子集。通過在吸收峰值處或其附近以多個發(fā)射波長順序地激發(fā)組織并且確定對應的淬滅壽命響應，可以在兩個或更多個深度或層處區(qū)分氧合。感測更深的值將是多個層的總和，在更深層處的氧合可以通過考慮在較淺層處感測到的氧來確定。在替代方法中，異質發(fā)光系統(tǒng)中各種氧合水平的磷光衰變(即，組織樣本中的混合氧合)可以通過去卷積方法來確定，以產生氧合光譜。在感測醫(yī)療設備的一種實施例中，生成過多的正弦調制的激發(fā)光輸出(同時地、單獨地，或者被組合成諸如啁啾的時變頻率信號)，并且利用頻域技術來確定從注入的磷光介質接收到的信號的相位滯后的光譜。通過確定每個相位滯后的相對作用，可以生成組織氧合的定量光譜。在另一實施例中，時域技術可被用來確定介質對光脈沖的時間響應。衰變的多指數(shù)擬合可被用來生成組織氧合的定量光譜。
圖12中描述的系統(tǒng)教導了用于進行組織的周向測量的獨立感測器械；所描述的器械可以旋轉，以利用最小數(shù)量的感測元件允許最大數(shù)量的測量點。但是，應當理解，多個固定的感測元件，諸如圖10a中所描述的，也可以在用于器械1201的類似配置中使用。而且，本文所述的方法可以應用于感測器械的多種配置并且不應當被解釋為僅限于圖12中所示的配置。
圖13a繪出了具有能夠選擇性地照射組織區(qū)域的光源的成像系統(tǒng)的實施例。成像系統(tǒng)1301可以是內窺鏡并且在一種實施例中可以是柔性內窺鏡，諸如在吻合結的遠端處經肛門插入結腸組織1303的結腸鏡。成像系統(tǒng)可被用來成像和評估吻合1305的存活力(諸如通過在一側或兩側上繪制氧合)。成像系統(tǒng)1301被配置為使得其可被用來成像從吻合表面1307和吻合的近側1309以及吻合表面1311和吻合的遠端側1313中注入的磷光或熒光探測物再發(fā)射的光。成像系統(tǒng)1301包括光源1321，該光源被用來提供照明1323，以激發(fā)駐留在吻合1305的遠側1311和/或近側1307組織中的光再發(fā)射探測物。然后，被激發(fā)的探測物再發(fā)射被成像器1325成像的磷光或熒光響應。成像器1325可以采用嵌在成像系統(tǒng)1301的遠端中并耦合到控制電子器件和/或信號處理器1327的相機的形式。在替代實施例中，成像器1325是相干光纖束的尖端，其將光傳輸?shù)竭h程相機。由成像器1325接收的光通過透鏡1329聚焦，透鏡1329也可以結合濾光。
圖13b繪出了具有延伸的逆行或逆向光源的成像系統(tǒng)1301。光源1341具有允許其延伸和旋轉的延伸臂1341。臂1341可以包括預彎曲的鎳鈦諾線，從而通過延伸和縮回線而啟用既定的曲率。在一種實施例中，光源被配置為提供管腔內的組織位置的向前(如圖13a中所示)和逆行(如圖13b中所示)照射。在另一配置中，光源被配置為照射腸吻合1305的近側1307和遠側1311表面。
確定和區(qū)分在多個組織層處的組織氧合的方法包括：1)將磷光氧敏感探測物(或其它光再發(fā)射探測物)局部或全身注入到組織中，2)將在剛性或柔性軸1347的尖端的成像系統(tǒng)1301插入組織1323的內腔中，3)利用在組織中具有淺穿透深度的磷光探測物的吸收波長的光1323(諸如不會顯著穿透遠側組織1311的藍色至紫外線范圍)照射遠側表面1311上的吻合(如圖13a中所示)，4)利用成像器1325(諸如ccd、cmos或者到相機系統(tǒng)的光纖束)來獲取信號，并使用板載或外部信號處理器1327來生成遠側表面1311的氧圖譜，5)沿著彎曲臂1341延伸光源1321(或附加/替代的光源)，6)利用再次在組織中具有淺穿透深度的磷光探測物的吸收波長的光1343(藍色至紫外線范圍)照射近側表面1307上的吻合(如圖13b中所示)，以及7)利用成像器(諸如ccd、cmos或者到相機系統(tǒng)的光纖束)來獲取信號并使用板載或外部信號處理器來生成近側表面的氧圖譜。所述方法使得能夠在大約為腸壁厚度的淺深度處測量組織氧合，因此通過從近側照射，僅(或者基本上僅)近側中的探測物被激發(fā)。當從遠側照射時，僅(或者基本上僅)遠側的探測物被激發(fā)。磷光響應在紅色至ir范圍內并且將穿過任一側或兩側上的組織到達成像器。在替代實施例中，光源1321包含用于至少兩個波長的發(fā)射器。一個波長處于具有差組織穿透性的探測物的吸收峰并被用來僅成像遠側，而另一波長處于具有高組織穿透深度的探測物的吸收峰并被用來照射兩個層。通過測量遠側組織的氧合和兩個層的組合，信號處理器區(qū)分遠側和近側層氧合作用。
圖13a和圖13b中描述的本發(fā)明可被配置為具有通過相干光纖束耦合的內部成像器或外部成像器1325。在任一情況下，用來生成氧圖譜的圖像處理器1327可以位于外部；對于內部相機，信號處理可以是板載、外部或其組合。光源1321可以是位于器械尖端的電子發(fā)射器，或者它可以位于外部并且通過光纖束或其它手段光學耦合到器械尖端。光源可被配置為照射吻合的任一側，以便區(qū)分來自近側和遠側的氧合。一個或多個溫度傳感器1351可以集成到成像系統(tǒng)器械1301中，或者可以通過耦合到外部熱成像器的光纖來評估溫度。溫度信息可被用來對受試者組織氧合補償/校準溫度依賴性磷光壽命。
圖13b示出了選擇性照射組織區(qū)域的逆行光源。逆行光源的配置能夠照射腸吻合的遠側或近側，以便每次僅激發(fā)一側中的氧感測分子探測物。還有另一配置，其中光源包括能夠發(fā)送紅外光的相干光纖束，并且光纖束可被用來既提供組織的照射又將光從組織發(fā)送到熱成像系統(tǒng)，用于溫度繪制。前向/逆行成像系統(tǒng)可被配置為從所述的腸吻合的遠側和近側生成pli測量。該系統(tǒng)的實施例能夠進行多模態(tài)感測，并且在一種實施例中結合熱成像能力。在一種實施例中，器械采取具有大視野的成像系統(tǒng)的形式，該系統(tǒng)被配置為用于利用面向前或基本上面向前的相機在吻合的遠側生成氧圖譜。該系統(tǒng)可被配置為具有棱鏡或堆疊的高折射率元件，以生成大視野。本發(fā)明教導了利用可注射探測物和選擇性照射各層的光源來區(qū)分各層中的生理特性的方法。在另一方法中，前向/逆行光源選擇性地照射組織的前或后表面。
圖14a示出了耦合到外科縫合器砧座1403的注射器系統(tǒng)1401。這種注射器1401被用來將介質1405注入到包含砧座的腸組織中。手持式設備與填充有介質1405的灌注器1407耦合。灌注器可以填充有單次注射或多個劑量的介質1405。灌注器也可以是能夠提供多個計量劑量的注射器，其具有傳統(tǒng)的簡單柱塞1409，或者是手動或電動計量注射器。內部流體通道1413使得介質1405從灌注器1407通過內部魯爾(luer)鎖或滑動尖端配件1415到達針1417。組織駐留在手持式設備主體組織接觸表面1421和砧座1403的工作表面之間。砧座的柄1423通過砧座柄耦合器1425與器械1401連接并對準。在一種配置中，對準包括鎖定砧座柄1423的旋轉，使得針注射點1417與砧座1403的感測版本的傳感器位置對準，如圖10a和圖10b中所描述的。小針1413突出到組織中。如圖14b中所示，針1417具有一個或多個側向孔1431和實心尖端，以便將介質引導到組織中。設備主體1435的組織接觸表面可以具有輪廓表面，以便在不同位置抵靠砧工作表面1437對組織施加不同的壓縮，以進一步引導介質。在一種實施例中，表面是傾斜的，以便從具有向外指向的孔的針向外徑向地引導介質。在徑向放置方面，針可被用來在釘形式1439內部、在釘形式或在釘形式外部注射介質。在一種實施例中，介質可以包含磷光氧感測探測物并且氧合是從感測砧座(諸如在圖10a和圖10b中描述的)、獨立設備(諸如在圖12中描述的)和/或成像系統(tǒng)(諸如圖13a和圖13b中所描述的)檢測的。圖14c示出了注射器單元1443的替代實施例，其與圓形外科縫合器1403配對，以便將介質周向地注射到砧座的工作表面周圍的組織中。手柄1445附連到注射器1443的主體。灌注器147通過魯爾鎖或滑動尖端連接器1449連接到流體通道1447。標準流體配件1449的使用啟用預先準備的、預先填充的灌注器1407。
圖15示出了本發(fā)明的配置，其中系統(tǒng)被配置為評估結腸直腸吻合的氧合。結腸1501在外科手術期間被分開，并且感測外科縫合器砧座1503(隱藏在結腸內部，看不到)，諸如圖10a和圖10b中所描述的，被插入到橫切的結腸1501的近端1505中。注射器1511(諸如在圖14a、圖14b和圖14c中所描述的)通過針1521將氧敏感磷光探測物1513注射到在近端1505處或其附近的結腸組織1523中的吻合部位。感測砧座1503測量在吻合表面1523的部位的一個或多個點處的氧合。在一種實施例中，感測砧座1503利用在釘形式之間交錯的、被配置用于磷光壽命感測的十二組傳感器來測量氧合。在另一實施例中，溫度傳感器也集成到感測砧座1503中，用于氧合測量的溫度補償。如圖15中所示，橫切的結腸1501的遠端1505保持自由，但是，本發(fā)明的替代配置可以適于注射和感測結腸1501的近端1505和遠端1507。圖10示出了用于低位前切除(lar)的代表性過程，但是本發(fā)明包括對所有結腸直腸和結腸肛管切除以及其它胃腸手術和身體中的其它位置的應用。
在一種實施例中，壓力傳感器結合到感測砧座1503中，以檢測吻合1523中的組織的壓縮壓力，并且還可被用來標準化組織壓縮壓力。在一種使用方法中，感測砧座1503被激活，以便在手術中的各個點生成吻合的氧合圖譜。在代表性實例中，感測砧座可以在創(chuàng)建吻合之前、在近側組織1523和遠側組織1507的近似期間以及在擊發(fā)縫合器、連接組織并創(chuàng)建吻合之后詢問近側吻合組織1523。這個信息可被用來指導外科手術，以便影響校正動作。作為替代，結果可被用來分類患者的吻合術失敗的風險并協(xié)助手術小組決定臨時或永久造口術。
圖16a示出了被配置為評估熒光和/或磷光壽命的成像系統(tǒng)的代表性實施例。在一種實施例中，系統(tǒng)被配置為通過注射到組織中的氧敏感探測物的磷光壽命成像來檢測組織氧合。在一種配置中，pli系統(tǒng)包括耦合到高速選通圖像強化器1603的高靈敏度、低噪聲、高速科學相機1601；但是在其它實施例中，可以使用較低成本的傳統(tǒng)的基于相機的或其它成像系統(tǒng)。強化器1603和相機1601經由耦合1607耦合到接口單元1605，其中耦合1607控制強化器選通和相機曝光的定時，以及將來自相機的圖像流送到處理器，進行分析。在一種實施例中，計算機被用于相機接口和圖像處理，并且計算機控制的數(shù)據獲取設備通過充當動態(tài)延遲發(fā)生器(ddg)來提供定時控制。增強器1603和相機1601可以是分離的部件，或者可以集成到增強的相機中。另外，如圖7a、圖7b和圖7c中所描述的，控制接口單元1605的一些或全部功能可以組合到相機中。在一種實施例中，組合的增強相機包括用于預處理圖像的fpga或處理器，從而減少了到外部接口單元1605的連接1607的帶寬要求。
相機系統(tǒng)包括透鏡1611，以聚焦在組織當中探測物1615駐留(通過局部或系統(tǒng)注射)在其中的感興趣區(qū)域上。在頭頂式系統(tǒng)中，透鏡1611將在開放式外科手術中聚焦在外部組織或可見組織上。透鏡從由激發(fā)光1633激發(fā)的探測物1615接收再發(fā)射的光1637。再發(fā)射的光選擇性地通過濾光器1639到達透鏡1611。在這種配置中，系統(tǒng)可以附連到安裝臂1619，諸如天花板安裝或地板安裝的吊桿臂。該系統(tǒng)還可以附連到類似于外科手術顯微鏡的平衡安裝臂，并且另外頭部可以具有致動，以便通過機器人手段啟用對其位置和對準的控制。在替代配置中，所示出的成像系統(tǒng)是手持式單元，其被配置為容易地允許類似于標準傻瓜相機的使用的組織氧合的快照。
成像系統(tǒng)結合照明器光源1631，以激發(fā)組織1613中的探測物1615。照射器1631光被調制，并且可以是用于時域測量的脈動光或用于頻域測量的正弦激發(fā)。在一種配置中，照明器1631包含過多的光發(fā)射器，其形成圍繞相機透鏡1611的光軸的圓周環(huán)。照明光1633聚焦到與相機透鏡相同的目標區(qū)域中。在一種實施例中，照明器包含多個波長的光發(fā)射器，以便在多個波長處提供對探測物1615的激發(fā)或選擇性地激發(fā)多個不同的探測物類型。另外，照明器1631可以包括被切換或多路復用的激發(fā)光和可見光，以使得能夠清楚地可視化與氧合成像交錯的解剖結構。在另一配置中，照明器可以是瞄準目標組織而不必沿照相機的光軸對準的獨立光源。
在一種實施例中，成像系統(tǒng)還包括評估包含探測物的組織的溫度的手段。對受試者組織溫度的評估允許探測物的溫度依賴性磷光衰變的溫度補償。溫度測量的使用使得絕對氧濃度測量有對組織溫度不變的增強的準確性和健壯性。其它生理和環(huán)境因素也可以類似地被測量，以補償壽命對氧濃度計算。在一種實施例中，通過接觸(例如，熱電偶、rtd)或非接觸(例如，光學)手段在一個或多個離散點處感測溫度。在一種配置中，熱成像器1641與成像系統(tǒng)耦合，以創(chuàng)建與執(zhí)行壽命感測的相機基本相同的區(qū)域的溫度圖譜。熱成像相機1641可以經由機械耦合器1643剛性地耦合到相機系統(tǒng)1601。配準可以被執(zhí)行，以確定壽命圖像與溫度圖譜中的點之間的對應關系。這種對應可以利用基于圖像的配準技術實時地執(zhí)行，或者可以對于給定配置先驗執(zhí)行。本發(fā)明的一種實施例結合與紅外熱成像相機耦合的基于相機的pli系統(tǒng)，以檢測磷光壽命和溫度。給定像素或區(qū)域的溫度和壽命都被用在對應氧合的確定中。在一種方法中，溫度被明確地計算并且在計算磷光壽命到氧合的轉換中直接與磷光淬滅過程的先驗已知的溫度系數(shù)一起使用。熱成像器1641可以結合偏振或其它濾光器來最小化/減少紅外反射。
pli系統(tǒng)可以包括固定到相機系統(tǒng)1601和/或光源1631的激光器或其它對準設備，以幫助將對準指向期望的視野1615。對準設備可以是點源、十字線和表示區(qū)域的形狀之一。pli系統(tǒng)還可以包括代替或耦合到臂1619的機電致動頭。致動頭可以是機器人設備。在一種實施例中，該致動頭被配置為用于由于運動/未對準而對目標或感興趣區(qū)域進行動態(tài)跟蹤。
圖16a中所描述的成像系統(tǒng)可被用于各種應用。在一種應用中，它被用于在結腸直腸癌切除術期間對諸如結腸直腸組織的胃腸組織進行成像。它還可被用于在器官移植或血管手術期間評估組織中的氧合和/或灌注。該系統(tǒng)的一個用途是通過測量皮膚瓣的氧合來評估皮膚瓣的存活力。在一種使用方法中，這種系統(tǒng)評估外周解剖結構的氧合，并利用氧合來篩選外周血管疾病和/或引導外周血管疾病的干預。該方法的系統(tǒng)可以是吊桿安裝的成像器、手持式成像器械或替代配置。系統(tǒng)可以以指定的重復率經指定的時間進程生成單獨的圖像或多個圖像。可以給出絕對組織氧合和/或氧合中的時間依賴性變化。
圖16b示出了圖16a中描述的成像系統(tǒng)的另一代表性實施例，其被配置為評估在吻合部位(具體而言是如前面所描述的結腸組織吻合)的組織的熒光和/或磷光壽命。該系統(tǒng)可以附加地被用來對其它器官的其它胃腸吻合進行成像，諸如但不限于食道、胃和小腸。在一種配置中，成像系統(tǒng)評估注入的氧敏感探測物的磷光壽命。探測物1651被注入到結腸直腸組織1653(通常為如圖15中所述的近端)，其具有被插入其中的外科縫合器砧座1655，以準備外科吻合。砧座1655可以是傳統(tǒng)的非感測砧座，或者如圖10a和圖10b中所描述的感測砧座。利用諸如圖14a、圖15b和圖14c中所描述的注射器或者其它手段，探測物1651被注射到組織1653中。與工作表面(即，砧座的釘形式表面)接觸的組織包含探測物并且被指向成像系統(tǒng)1601的光軸。成像系統(tǒng)還包括與相機1601、強化器1603和透鏡1611的光軸同軸的對準引導件1659。對準引導件可以經由快速連接配件1661可重復地附連到透鏡1611和從其去除?？梢允强焖龠B接型連接的耦合器1655將對準引導件1659與外科縫合器砧座1655的柄1667接合。這個系統(tǒng)確保吻合1671的近端利用pli系統(tǒng)完全成像。在一種實施例中，pli系統(tǒng)還包括熱成像器1641，以確定由pli成像的相同組織的溫度，如圖16b中所述的。該溫度可被用來在壽命到氧濃度的轉換中補償溫度依賴性磷光壽命。溫度測量可以經由目標區(qū)域的成像系統(tǒng)、利用有助于評估溫度的可注射探測物、溫度的接觸測量或其它手段來執(zhí)行。
在一種使用方法中，圖16b中的系統(tǒng)在切除后并在與遠端接合之前生成吻合的近端的氧圖譜，并且該信息被用來指導手術。該指導可以結合校正動作，諸如附加的剖割(dissection)，以減少張力和改善血液供應。然后，可以是與對準導向件被去除的圖16b中所描述系統(tǒng)相同的系統(tǒng)的圖16a中的系統(tǒng)可被用于在外部對遠端和/或近端成像。該系統(tǒng)還可以與感測砧座，諸如圖10a和圖10b中所描述的，結合使用。
本發(fā)明包括，但不限于，基于磷光壽命的組織氧合的感測和繪制。這種感測技術可以與其它技術結合使用。與本發(fā)明相關聯(lián)的感測技術可以感測機械或生物性質。感測器械可以包括一個或多個感測模態(tài)。感測模態(tài)可以包括用于生成指示主體組織的性質的信號的機械、光學、化學、電或其它手段。在一種實施例中，感測元件通過使用包含輸送到組織中的磷光探測物或磷光體的介質來測量氧合。其它實施例通過基于血氧定量法的技術測量氧合。另外的實施例通過引入組織中的熒光或磷光介質的時間響應測量灌注或流速。
因而，一種實施例包括感測外科器械和關聯(lián)的探測物、注射器、處理和可視化；器械能夠在多個離散點處執(zhí)行磷光壽命感測，并且利用磷光壽命測量來生成溫度補償?shù)难鯃D譜。
另一實施例包括成像系統(tǒng)和相關聯(lián)的探測物、注射器、處理和可視化；成像系統(tǒng)能夠執(zhí)行點陣列的磷光壽命成像，并且利用磷光壽命測量來生成溫度補償?shù)难鯃D譜；其中，氧圖譜被配準到內窺鏡視頻圖像并被用來基于氧合測量識別可疑區(qū)域。
在實施例中，感測部件被結合到或耦合到外科器械。器械可以包括傳統(tǒng)的開放、腹腔鏡、內窺鏡、支氣管鏡、耳鏡、眼鏡、喉鏡、膀胱鏡、陰道鏡、血管內、腔內、機器人或其它微創(chuàng)工具，諸如特制的組織詢問器或器械化標準器械，諸如抓鉗、針驅動器、縫合器、施夾器、導管、剪刀、燒灼器或牽開器。器械還可以包括詢問器或可以是或可以不是微創(chuàng)的其它設備。在替代實施例中，感測部件被結合到用于內窺鏡檢查的主要或輔助成像系統(tǒng)中。
這種成像系統(tǒng)可被用于診斷過程，或用于監(jiān)視或指導外科手術。該技術可以結合到剛性或柔性內窺鏡裝備中或與其關聯(lián)。該技術可以進一步基于通過透鏡或光纖的光透射而與內窺鏡裝備耦合，或者它可以在遠端與具有微型相機的數(shù)字成像系統(tǒng)集成。在另一實施例中，本發(fā)明中公開的成像系統(tǒng)可以是獨立的基于相機的系統(tǒng)。這種基于相機的系統(tǒng)可被用于組織(諸如皮瓣)的外部監(jiān)視、用于通過開放式外科手術或微創(chuàng)內窺鏡手術的內部成像、用于視網膜氧合的精確繪制、結合機器人外科使用、或其它手段。如前面所指出的，本發(fā)明包括具有對激發(fā)的磷光響應的氧依賴性淬滅的磷光體的磷光壽命成像。本發(fā)明還包括感測其它生理參數(shù)、利用其它熒光或磷光探測物進行感測、測量來自組織的固有熒光或磷光響應，或者對顯像劑或者其它生物標記或標簽(諸如量子點)成像。光學感測元件包括但不限于包括發(fā)光二極管(led)和激光二極管的光發(fā)射器，以及包括光電二極管(包括雪崩光電二極管、光電倍增管、硅光電倍增管和類似的增強靈敏度檢測器)、光電二極管陣列、ccd陣列(包括諸如電子倍增emccd的增強靈敏度檢測器)、cmos傳感器、相機、全息成像系統(tǒng)、圖像增強器(其可以與其它檢測器耦合或集成到其中)和光譜儀的光接收器。
光學感測元件被配置為利用血氧定量法、磷光技術或光譜技術以及利用熒光或磷光基技術的組織灌注、組織流動力學、組織氧含量、組織化學組成、組織免疫活性、組織病原體濃度或組織含水量當中至少一個測量組織氧合、氧輸送、氧利用、組織表征和組織一般健康當中至少一個?；跓晒夂土坠獾募夹g包括但不限于以下：監(jiān)視和分析響應于熒光介質的注入或激活的熒光響應的強度和時間進程，通過利用諸如釕的敏感材料利用強度和時間分辨方法二者測量熒光的氧依賴性淬滅或磷光輻射來確定氧量，基于可注射的氧敏感磷光探測物的淬滅時間響應確定氧濃度，以及通過定量熒光或磷光方法確定目標組織性質，包括量子點或結合光再發(fā)射性質的其它生物標記的使用。在一種配置中，設備利用熒光素或icgreen或其它顯像劑來感測灌注。在一種其它配置中，設備感測天然組織磷光的氧淬滅。
本發(fā)明包括用于將磷光壽命成像系統(tǒng)的信號獲取選通到生理參數(shù)的方法。組織氧合或其它組織特性的測量可以以選通方式來測量，以標準化測量并允許比較。選通圖像獲取的一個代表性例子利用脈沖和/或呼吸和/或蠕動運動被觸發(fā)。選通獲取還可以基于蠕動、呼吸運動、心臟運動、心輸出量或脈動流量、eeg讀數(shù)、emg讀數(shù)、運動傳感器或其它輸入的測量。另一種方法捕獲利用呼吸、心輸出(即，脈搏)、蠕動或其它內部或外部運動當中至少一個選通的pli測量。另一種方法規(guī)定在生理周期中的兩個或更多個時間點動態(tài)比較pli測量。一種方法從由pli系統(tǒng)獲取的圖像確定門控周期，并且另一方法規(guī)定基于脈管系統(tǒng)獲取的圖像確定心動周期門。
在本發(fā)明的一種配置中，器械被配置為感測多層組織中的氧合，或者區(qū)分在不同組織深度的氧合。利用具有多個吸收波長的磷光氧感測探測物，器械可以基于從設備發(fā)射的激發(fā)波長輻射和激發(fā)注入組織中的探測物的子集，因為組織中的穿透深度是依賴波長的。通過利用處于吸收峰或其附近的多個發(fā)射波長順序地激發(fā)組織，并確定對應的淬滅響應，在兩個或更多個深度或層區(qū)分氧合。感測更深的值將是多個層的總和，在更深層的氧合可以通過考慮在較淺層處感測到的氧來確定。在替代方法中，異質發(fā)光系統(tǒng)中各種氧合水平的磷光衰變(即，組織樣本中的混合氧合)可以通過去卷積方法來確定，以產生氧合光譜。
本發(fā)明包括醫(yī)學成像系統(tǒng)、探測物和用于評估可注射探測物或天然自發(fā)熒光的磷光壽命或熒光壽命的方法。在一種配置中，至少一個傳感器被配置為利用可注射探測物的磷光的氧依賴性淬滅技術在多個點獲得生物組織氧合。在另一實施例中，本發(fā)明測量身體內或身體上的標記或其它探測物的壽命。在另一實施例中，評估從天然生物組織產生的磷光或熒光的壽命。本發(fā)明包括用于在一個或多個點從內窺鏡或其它器械的尖端執(zhí)行探測物或顯像劑的顯微注射的系統(tǒng)和方法；以及用于在外科縫合器砧座的工作表面處周向地執(zhí)行探測物或顯像劑到組織中的顯微注射的設備。
上述實施例展示了氧敏感探測物如何可以與用于組織的氧繪制的成像系統(tǒng)一起使用。這些實施例用于說明目的。所描述的感測配置和方法可以適于為其它外科器械提供所描述的功能。另外，所討論的技術不應被解釋為限于僅和磷光氧感測探測物一起使用。
本發(fā)明可以通過采用常規(guī)材料、方法和裝備來實踐。因而，此類材料、裝備和方法的細節(jié)在本文中沒有詳細闡述。在前面的描述中，闡述了眾多具體細節(jié)，諸如具體的材料、結構、化學品、過程等，以便提供對本發(fā)明的透徹理解。但是，應當認識到，可以在不訴諸于具體闡述的細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明。在其它情況下，沒有詳細描述眾所周知的處理結構，以免不必要地模糊本發(fā)明。
在本公開內容中僅示出和描述了本發(fā)明的示例性實施例以及其多功能性的幾個例子。應當理解，本發(fā)明能夠在各種其它組合和環(huán)境中使用，并且能夠在如本文所表達的本發(fā)明構思的范圍內進行改變或修改。
雖然前面的描述針對本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是應當指出，其它變化和修改對于本領域技術人員將是明顯的，并且可以在不背離本發(fā)明的精神或范圍的情況下做出。而且，即使上面沒有明確說明，結合本發(fā)明的一個實施例描述的特征也可以結合其它實施例使用。
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