用于光學(xué)相干斷層成像集成外科顯微鏡的抬頭顯示器的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001 ] 優(yōu)先權(quán)要求
[0002] 本申請(qǐng)要求2012年8月28日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.61/871，037(代理人案號(hào) No. 9526-49PR)的優(yōu)先權(quán)，其公開(kāi)以引用的方式并入到本文中如同其在本文中全面陳述。
[0003] 政府支持的聲明
[0004] 本發(fā)明部分地由國(guó)家健康機(jī)構(gòu)國(guó)家眼科機(jī)構(gòu)在批準(zhǔn)申請(qǐng)ID R44EY018021-03下受 政府支持而被資助。美國(guó)政府享有本發(fā)明構(gòu)思的特定權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明構(gòu)思涉及外科顯微鏡，并且更特別地，涉及使用光學(xué)相干斷層成像(0CT)的 眼科外科顯微鏡。
【背景技術(shù)】
[0006] 外科顯微鏡向外科醫(yī)生提供放大的操作視場(chǎng)。常見(jiàn)地，眼科外科顯微鏡是具有用 于外科醫(yī)生的雙目查看端口的立體變焦顯微鏡，并且經(jīng)常使一個(gè)或兩個(gè)觀測(cè)者查看端口對(duì) 于外科醫(yī)生成九十度(左邊和右邊）。顯微鏡的物鏡與患者眼睛的表面之間的工作距離可以 在從大約100mm到大約200_的范圍。在為外科醫(yī)生的手動(dòng)工作提供適合的訪問(wèn)視場(chǎng)的該工 作距離處，患者眼睛內(nèi)的查看視場(chǎng)可能十分有限。十分常見(jiàn)的是使用中間透鏡(諸如Oculus Optikgerat的雙目間接眼科顯微鏡(ΒΙ0Μ))以修正對(duì)于外科醫(yī)生的放大倍率和查看視場(chǎng)。 這種中間透鏡被安裝到顯微鏡頭的下方臺(tái)架，并且包括機(jī)械部件以調(diào)整焦點(diǎn)并且將透鏡翻 轉(zhuǎn)進(jìn)入以及退出顯微鏡的查看視場(chǎng)。
[0007]其它照射或成像設(shè)備也可以用在外科領(lǐng)域中。理想地，所有照射和成像源將被直 接同軸集成到操作顯微鏡的光路及其之內(nèi)，而不影響用于外科醫(yī)生、觀測(cè)者和麻醉師等的 操作視場(chǎng)。仍然想要利用已經(jīng)集成到良好運(yùn)轉(zhuǎn)的操作顯微鏡的機(jī)械控制和屬性來(lái)為緊密耦 合到手術(shù)視場(chǎng)的成像和其它附件提供容易操控的安裝，而不使操作顯微鏡的視覺(jué)屬性劣 化。
[0008] 特別關(guān)注的情況是將光學(xué)相干斷層成像(0CT)成像合并到手術(shù)可視化實(shí)踐中。0CT 提供眼組織微結(jié)構(gòu)的高分辨率成像，并且示出將信息提供給外科醫(yī)生以改進(jìn)治療結(jié)果，并 且通過(guò)減少風(fēng)險(xiǎn)并減少重做而減少手術(shù)的總經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的巨大前景。
[0009] 現(xiàn)在將討論常規(guī)傅里葉域ocT(roocT)系統(tǒng)以提供與這些系統(tǒng)有關(guān)的一些背景。首 先參照?qǐng)D1A，將討論ro〇CT視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)的框圖。如圖1A所示，該系統(tǒng)包括寬帶源100、通 過(guò)分束器120彼此耦合的參考臂110和樣本臂140。分束器120可以是例如光纖耦合器或體狀 或微型光耦合器。分束器120可以提供從大約50/50到大約90/10的分光比。如圖1A進(jìn)一步所 示，分束器120還通過(guò)可以由光纖提供的檢測(cè)路徑106耦合到波長(zhǎng)或頻率采樣的檢測(cè)模塊 130〇
[0010] 如圖1A進(jìn)一步所示，源100通過(guò)源路徑105耦合到分束器120。源100可以是例如連 續(xù)波寬帶超發(fā)光二極管、脈沖寬帶源或可調(diào)諧源。參考臂110通過(guò)參考臂路徑107耦合到分 束器120。類(lèi)似地，樣本臂140通過(guò)樣本臂路徑108耦合到分束器120。源路徑105、參考臂路徑 107和樣本臂路徑108可以全都由光纖或光纖、自由空間和體狀或微光學(xué)元件的組合來(lái)提 供。
[0011] 如圖1A所示，F(xiàn)D0CT視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)的參考臂可以包括準(zhǔn)直器組件180、可以包括 中性密度濾光器或可變孔徑的可變衰減器181、鏡組件182、參考臂可變路徑長(zhǎng)度調(diào)整183以 及路徑長(zhǎng)度匹配位置150,即到感興趣對(duì)象區(qū)域的參考臂路徑長(zhǎng)度與樣本臂路徑長(zhǎng)度之間 的光路徑長(zhǎng)度匹配。如進(jìn)一步所示，樣本臂140可以包括雙軸掃描儀組件190和具有可變焦 點(diǎn)191的物鏡。
[0012] 圖1A所圖示的樣本是眼睛，其包括角膜195、虹膜/瞳孔194、眼晶狀體193和視網(wǎng)膜 196。在視網(wǎng)膜196附近示出ro〇CT成像窗口的表示170。視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)依賴(lài)于物鏡加上被 檢者眼睛的光學(xué)體(顯然，角膜195和眼晶狀體193)，以對(duì)眼睛的后部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。如進(jìn)一 步圖示，通過(guò)聚焦位置196和參考臂路徑長(zhǎng)度調(diào)整183的協(xié)調(diào)來(lái)選擇對(duì)象內(nèi)的感興趣區(qū)域 170,以使得對(duì)象內(nèi)的路徑長(zhǎng)度匹配位置197處于想要的位置處。
[0013]現(xiàn)參照?qǐng)D1B，將討論示出FD0CT角膜(前部)成像系統(tǒng)的框圖。如圖中所示，圖1B的 系統(tǒng)與圖1A的系統(tǒng)非常相似。然而，物鏡可變焦點(diǎn)不需要被包括，并且在圖1B中未被包括。 圖1B的前部成像系統(tǒng)直接對(duì)前部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，而不依賴(lài)對(duì)象的光學(xué)體聚焦在前部結(jié)構(gòu) 上。
[0014]如上面討論那樣，眼科外科顯微鏡可以為外科醫(yī)生提供他們正對(duì)其動(dòng)手術(shù)的眼睛 的各個(gè)區(qū)域的放大視圖。然而，存在可以受益于光學(xué)相干斷層成像(0CT)所提供的高分辨率 深度解析成像的很多眼科外科手術(shù)。因此，將0CT系統(tǒng)集成到外科顯微鏡可以提供更大的能 力，并且使得能夠進(jìn)行當(dāng)前不能利用常規(guī)的立體成像執(zhí)行的程序。
[0015] 如圖1C所示，在眼睛中存在各種感興趣的區(qū)域，其可能要求不同的0CT成像特征。 例如，參照?qǐng)D1C，區(qū)域1(角膜區(qū)域)典型地要求相對(duì)高分辨率0CT成像。想要相當(dāng)大的焦點(diǎn)深 度(D0F)以允許整個(gè)角膜結(jié)構(gòu)被成像。這樣的成像在角膜移植程序的支持中是想要的。類(lèi)似 地，晶狀體（區(qū)域2)的成像受益于囊狀結(jié)構(gòu)的高分辨率成像。要求大的D0F以同時(shí)地對(duì)整個(gè) 晶狀體進(jìn)行可視化。相比之下，視網(wǎng)膜（區(qū)域3)上的結(jié)構(gòu)位于受約束的深度區(qū)域中，并且趨 于非常細(xì)微。因此，視網(wǎng)膜成像典型地要求非常高的分辨率，但不一定大D0F。
[0016] 將關(guān)于圖1D和圖1E討論合并有0CT的現(xiàn)有外科顯微鏡。首先參照?qǐng)D1D，同樣的附圖 標(biāo)記返回參考圖1A和圖1B。然而，如圖1D所示，立體變焦顯微鏡160已經(jīng)合并到樣本臂路徑 108中。如圖所示，外科顯微鏡160包括用于外科醫(yī)生查看樣本199的兩個(gè)目鏡(雙目查看端 口）162。圖1D的外科顯微鏡160包括分束器161(其中，分束器可以是二向色濾光器）以及置 于二向色濾光器161之下的物鏡163。如進(jìn)一步所圖示，樣本臂路徑108耦合到形成離開(kāi)光纖 的光束的準(zhǔn)直器165以及將光束引導(dǎo)到集成在目鏡路徑162與主物鏡163之間的顯微鏡的無(wú) 限空間中的二向色濾光器161的一對(duì)振鏡190。光束反射離開(kāi)二向色濾光器161并且通過(guò)物 鏡163以對(duì)樣本199進(jìn)行成像，樣本199可以是被檢者的眼睛或任何其它可訪問(wèn)的區(qū)域。圖1D 所圖示的顯微鏡160是靜態(tài)外科顯微鏡，即對(duì)于焦距的動(dòng)態(tài)調(diào)整是不可能的；僅通過(guò)調(diào)換光 學(xué)元件(安裝新的主物鏡163)或改變顯微鏡160與對(duì)象199之間的工作距離而能夠進(jìn)行聚焦 改變。
[0017] 現(xiàn)在參照?qǐng)D1E，將討論合并有0CT的外科顯微鏡的另一設(shè)計(jì)。在Izatt等人的美國(guó) 專(zhuān)利8,366,271中討論了圖1E所圖示的外科顯微鏡，其公開(kāi)以引用的方式并入到本文中如 同其在本文中全面地陳述。如圖1E所圖示，除了在一對(duì)振鏡190與外科顯微鏡163的二向色 濾光器161之間提供望遠(yuǎn)透鏡組件集合167以外，圖1E的外科顯微鏡系統(tǒng)與圖1D的系統(tǒng)相 似。因此，在圖1E的系統(tǒng)中，光束行進(jìn)通過(guò)振鏡190進(jìn)入望遠(yuǎn)透鏡集合167,然后通過(guò)二向色 濾光器161經(jīng)過(guò)物鏡163對(duì)樣本199進(jìn)行成像。望遠(yuǎn)透鏡集合167的存在提供光束成形，以使 得系統(tǒng)的數(shù)值孔徑最大化，潛在地改進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像的橫向分辨率，然而，圖1E所圖示的 系統(tǒng)在修正或控制掃描光束的特征上提供有限的靈活性。外科顯微鏡被定制為提供對(duì)象的 清楚光學(xué)查看，具有均勻的照射和準(zhǔn)確的色溫。立體顯微鏡提供一定視差以向外科醫(yī)生提 供空間和形貌感。有時(shí)使用染色來(lái)突出形貌。在外科顯微鏡內(nèi)提供高清晰度視頻以改進(jìn)視 覺(jué)清晰性?，F(xiàn)在添加了來(lái)自?shī)蕵?lè)業(yè)的形貌三維視頻技術(shù)，諸如偏振-分集立體鏡檢查，來(lái)增 加層次感。
[0018] 這種外科立體顯微鏡局限為表面可視化。光學(xué)相干斷層成像(0CT)是目前在光學(xué) 半透明表面下成像的完善的技術(shù)。高分辨率0CT提供觀察表面下結(jié)構(gòu)的能力，作為立體、高 清晰度和三維外科顯微鏡的表面查看的補(bǔ)充。光學(xué)相干斷層成像是視網(wǎng)膜診斷中的標(biāo)準(zhǔn)護(hù) 理，并且在角膜成像和度量中找到一些使用。0CT只是剛開(kāi)始應(yīng)用于手術(shù)中成像。一種手持 眼科0CT系統(tǒng)（由Bioptigen股份有限公司提供），通過(guò)歐盟關(guān)于醫(yī)療設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)并且被Π)Α 批準(zhǔn)用于對(duì)麻醉的患者成像。這種裝置適用于手持和安裝配置以在眼外科手術(shù)(包括視網(wǎng) 膜外科手術(shù)和角膜移植外科手術(shù)）中進(jìn)行結(jié)構(gòu)成像，并且是外科醫(yī)生顯微鏡可視化的輔助 工具。
[0019] 在視網(wǎng)膜和角膜外科手術(shù)中利用0CT成像的早期結(jié)果表明這種外科手術(shù)程序?qū)τ?利用傳統(tǒng)顯微鏡成像光學(xué)器件看不到的組織具有直接并且立刻的影響。因此希望同時(shí)利用 傳統(tǒng)表面顯微鏡程序和光學(xué)相干斷層成像的深度分辨能力，使用抬頭顯示器來(lái)使外科手術(shù) 程序可視化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0020] 本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例提供外科顯微鏡系統(tǒng)，其包括:光學(xué)相干斷層成像(0CT) 系統(tǒng);物鏡；目鏡，其用于直接查看在物鏡遠(yuǎn)端的對(duì)象;抬頭顯示模塊，其被配置成引導(dǎo)光學(xué) 圖像通過(guò)目鏡以便其對(duì)至少一個(gè)目鏡的使用者是可見(jiàn)的；以及，耦合元件，其連接到外科顯 微鏡，耦合0CT系統(tǒng)、抬頭顯示模塊和物鏡。耦合元件具有第一面和第二面，第一面朝向外科 顯微鏡的目鏡定位并且第二面朝向?qū)ο蠖ㄎ?。耦合元件被配置?在耦合元件的第一面接 收抬頭光學(xué)顯示信號(hào)并且在抬頭顯示模塊的波段中反射信號(hào)；以及，在耦合元件的第二面 接收信號(hào)并且在0CT系統(tǒng)的波段中反射信號(hào)。
[0021] 在另外的實(shí)施例中，耦合元件可進(jìn)一步被配置成:在耦合元件的第一面將抬頭顯 示信號(hào)耦合到顯微鏡內(nèi)并且將抬頭顯示器向外科顯微鏡的目鏡中的至少一個(gè)投射以便使 用者通過(guò)目鏡中的至少一個(gè)查看；以及，在耦合元件的第二面將0CT成像光束耦合到顯微鏡 內(nèi)并且將0CT光束導(dǎo)向至對(duì)象。
[0022] 在另外的實(shí)施例中，耦合元件可以是二向色分束器。
[0023]在一些實(shí)施例中，耦合元件的第一面可以在抬頭顯示器的波段中是反射性的并且 在顯微鏡的觀察波段中是透射性的；并且耦合元件的第二面可以在0CT系統(tǒng)的波段中是反 射性的并且在顯微鏡的觀察波段中是透射性的。
[0024]在另外的實(shí)施例中，耦合元件的第一面可以在小于500nm波長(zhǎng)范圍的紫色或藍(lán)色 光譜中是反射性的并且在從至少大約500nm至大約650nm的波長(zhǎng)范圍中是透射性的；并且耦 合元件的第二面可以在大于650nm波長(zhǎng)范圍的紅外線光譜中是反射性的并且在從至少大約 500nm至大約650nm的波長(zhǎng)范圍中是透射性的。
[0025] 在另外的實(shí)施例中，第一面可以在從大約450nm至大約750nm的范圍中是透射性 的;并且第二面可以在從大約450nm至大約750nm的范圍中是透射性的。
[0026]在一些實(shí)施例中，耦合元件的第一面可以包括在顯微鏡的觀察波段內(nèi)帶寬小于或 等于約50nm的反射缺口。
[0027] 在本發(fā)明構(gòu)思的另外的實(shí)施例中，缺口的中心可以在大約51 Onm與520nm之間。在 某些實(shí)施例中，缺口的中心可以在大約514nm處。
[0028]在另外的實(shí)施例中，抬頭顯示器可以包括與顯微鏡的使用者通過(guò)顯微鏡目鏡觀察 的對(duì)象的觀察圖像在橫向?qū)?zhǔn)的0CT圖像。
[0029] 在某些實(shí)施例中，在顯微鏡的放大倍率變化下，抬頭顯示器中呈現(xiàn)的0CT圖像可以 具有與使用者通過(guò)目鏡觀察的對(duì)象的觀察圖像匹配的查看視場(chǎng)(F0V)。
[0030] 在另外的實(shí)施例中，在顯微鏡的放大倍率變化下，抬頭顯示器中呈現(xiàn)的0CT圖像呈 現(xiàn)恒定的查看視場(chǎng)(F0V)。
[0031] 本發(fā)明構(gòu)思的另外的實(shí)施例提供相關(guān)的耦合元件。
【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1A是示出示例0CT視網(wǎng)膜(后部)成像系統(tǒng)的框圖。
[0033]圖1B是示出示例光學(xué)相干斷層成像(0CT)角膜(前部)成像系統(tǒng)的框圖。
[0034]圖1C是示出眼睛中的各個(gè)感興趣區(qū)域的示圖。
[0035]圖1D是示出示例外科顯微鏡的框圖。
[0036]圖1E是示出包括望遠(yuǎn)透鏡集合的示例外科顯微鏡的框圖。
[0037]圖2A是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的外科顯微鏡的框圖。
[0038]圖2B是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的外科顯微鏡的框圖。
[0039]圖3是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例所使用的圖2B所圖示的修改的視網(wǎng)膜透鏡的 更詳細(xì)框圖。
[0040]圖4A是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的0CT中心通道外科顯微鏡的框圖。
[0041]圖4B是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的0CT中心通道外科顯微鏡的框圖。
[0042]圖4C是圖4A到圖4B所圖示的0CT中心通道外科顯微鏡的0CT部分的詳細(xì)框圖。
[0043]圖5A至圖5C分別是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的0CT系統(tǒng)接口的側(cè)視圖、前視 圖和斜視圖。
[0044] 圖6A至圖6C是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的與外科顯微鏡集成的0CT系統(tǒng)的各 個(gè)視圖。
[0045] 圖7A是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的0CT集成外科顯微鏡的框圖的框圖。
[0046] 圖7B是示出包括根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的包括集成的外科顯微鏡的0CT系 統(tǒng)的框圖的框圖。
[0047] 圖7C是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的適合于與外科顯微鏡集成的OCT系統(tǒng) 的框圖。
[0048] 圖8是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)施例的用于外科成像的0CT光路的示圖。
[0049]圖9A是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的集成到外科顯微鏡的路徑中的0CT系 統(tǒng)的布局的不意圖。
[0050] 圖9B是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的準(zhǔn)直器和輸入光束變焦（IBZ)系統(tǒng)的 示圖。
[0051] 圖9C是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的利用IBZ改變數(shù)值孔徑(NA)并且切換 焦點(diǎn)區(qū)域的示圖。
[0052]圖10是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的遠(yuǎn)心中繼系統(tǒng)的框圖。
[0053]圖11是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的中繼光束擴(kuò)展器(RBE)系統(tǒng)的示圖。 [0054]圖12是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的用于0CT外科顯微鏡的高性能物鏡的 示圖。
[0055] 圖13是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的遠(yuǎn)心光學(xué)性能的一系列圖形和圖表。
[0056] 圖14是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的遠(yuǎn)心光學(xué)性能的一系列圖形和圖表。 [0057]圖15是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的當(dāng)以150mm物鏡來(lái)偏移焦點(diǎn)時(shí)的光學(xué) 性能的一系列圖形。
[0058]圖16是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的當(dāng)以160mm物鏡來(lái)偏移焦點(diǎn)時(shí)的光學(xué) 性能的一系列圖形。
[0059] 圖17是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的當(dāng)以175_物鏡來(lái)偏移焦點(diǎn)時(shí)的光學(xué) 性能的一系列圖形。
[0060] 圖18A和圖18B分別是示出用于外科視網(wǎng)膜成像的常規(guī)配置和根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的 實(shí)施例的配置的框圖。
[0061] 圖19A是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的用于具有寬F0V的0CT集成外科顯微鏡術(shù) 的外科視網(wǎng)膜透鏡組件的示圖。
[0062] 圖19B是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的圖19A的外科視網(wǎng)膜透鏡的光學(xué)性 能的一系列圖形和不圖。
[0063]圖20A是示出用于根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的用于具有寬F0V的0CT集成外科 顯微鏡術(shù)的外科透鏡組件的透鏡系統(tǒng)的示圖。
[0064]圖20B是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的圖20B的外科透鏡組件的光學(xué)性能 的概述的示圖。
[0065]圖21A是示出用于根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的用于具有窄F0V的0CT集成外科 顯微鏡術(shù)的外科透鏡組件的透鏡系統(tǒng)的示圖。
[0066]圖21B是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一些實(shí)施例的圖21A的外科透鏡組件的光學(xué)性能 的概述的示圖。
[0067]圖22A是示出