用于光學相干斷層成像集成外科顯微鏡的抬頭顯示器的制造方法
【專利說明】
[0001 ] 優(yōu)先權要求
[0002] 本申請要求2012年8月28日提交的美國臨時申請No.61/871，037(代理人案號 No. 9526-49PR)的優(yōu)先權，其公開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)明部分地由國家健康機構國家眼科機構在批準申請ID R44EY018021-03下受 政府支持而被資助。美國政府享有本發(fā)明構思的特定權利。
技術領域
[0005] 本發(fā)明構思涉及外科顯微鏡，并且更特別地，涉及使用光學相干斷層成像(0CT)的 眼科外科顯微鏡。
【背景技術】
[0006] 外科顯微鏡向外科醫(yī)生提供放大的操作視場。常見地，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，并且經常使一個或兩個觀測者查看端口對 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)生的手動工作提供適合的訪問視場的該工 作距離處，患者眼睛內的查看視場可能十分有限。十分常見的是使用中間透鏡(諸如Oculus Optikgerat的雙目間接眼科顯微鏡(ΒΙ0Μ))以修正對于外科醫(yī)生的放大倍率和查看視場。 這種中間透鏡被安裝到顯微鏡頭的下方臺架，并且包括機械部件以調整焦點并且將透鏡翻 轉進入以及退出顯微鏡的查看視場。
[0007]其它照射或成像設備也可以用在外科領域中。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，而不影響用于外科醫(yī)生、觀測者和麻醉師等的 操作視場。仍然想要利用已經集成到良好運轉的操作顯微鏡的機械控制和屬性來為緊密耦 合到手術視場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屬性劣 化。
[0008] 特別關注的情況是將光學相干斷層成像(0CT)成像合并到手術可視化實踐中。0CT 提供眼組織微結構的高分辨率成像，并且示出將信息提供給外科醫(yī)生以改進治療結果，并 且通過減少風險并減少重做而減少手術的總經濟負擔的巨大前景。
[0009] 現在將討論常規(guī)傅里葉域ocT(roocT)系統(tǒng)以提供與這些系統(tǒng)有關的一些背景。首 先參照圖1A，將討論ro〇CT視網膜成像系統(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進一步所 示，分束器120還通過可以由光纖提供的檢測路徑106耦合到波長或頻率采樣的檢測模塊 130〇
[0010] 如圖1A進一步所示，源100通過源路徑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、脈沖寬帶源或可調諧源。參考臂110通過參考臂路徑107耦合到分 束器120。類似地，樣本臂140通過樣本臂路徑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元件的組合來提 供。
[0011] 如圖1A所示，FD0CT視網膜成像系統(tǒng)的參考臂可以包括準直器組件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、參考臂可變路徑長度調整183以 及路徑長度匹配位置150,即到感興趣對象區(qū)域的參考臂路徑長度與樣本臂路徑長度之間 的光路徑長度匹配。如進一步所示，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和視網膜 196。在視網膜196附近示出ro〇CT成像窗口的表示170。視網膜成像系統(tǒng)依賴于物鏡加上被 檢者眼睛的光學體(顯然，角膜195和眼晶狀體193)，以對眼睛的后部結構進行成像。如進一 步圖示，通過聚焦位置196和參考臂路徑長度調整183的協調來選擇對象內的感興趣區(qū)域 170,以使得對象內的路徑長度匹配位置197處于想要的位置處。
[0013]現參照圖1B，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)直接對前部結構進行成像，而不依賴對象的光學體聚焦在前部結構 上。
[0014]如上面討論那樣，眼科外科顯微鏡可以為外科醫(yī)生提供他們正對其動手術的眼睛 的各個區(qū)域的放大視圖。然而，存在可以受益于光學相干斷層成像(0CT)所提供的高分辨率 深度解析成像的很多眼科外科手術。因此，將0CT系統(tǒng)集成到外科顯微鏡可以提供更大的能 力，并且使得能夠進行當前不能利用常規(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，參照圖1C，區(qū)域1(角膜區(qū)域)典型地要求相對高分辨率0CT成像。想要相當大的焦點深 度(D0F)以允許整個角膜結構被成像。這樣的成像在角膜移植程序的支持中是想要的。類似 地，晶狀體（區(qū)域2)的成像受益于囊狀結構的高分辨率成像。要求大的D0F以同時地對整個 晶狀體進行可視化。相比之下，視網膜（區(qū)域3)上的結構位于受約束的深度區(qū)域中，并且趨 于非常細微。因此，視網膜成像典型地要求非常高的分辨率，但不一定大D0F。
[0016] 將關于圖1D和圖1E討論合并有0CT的現有外科顯微鏡。首先參照圖1D，同樣的附圖 標記返回參考圖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。如進一步所圖示，樣本臂路徑108耦合到形成離開光纖 的光束的準直器165以及將光束引導到集成在目鏡路徑162與主物鏡163之間的顯微鏡的無 限空間中的二向色濾光器161的一對振鏡190。光束反射離開二向色濾光器161并且通過物 鏡163以對樣本199進行成像，樣本199可以是被檢者的眼睛或任何其它可訪問的區(qū)域。圖1D 所圖示的顯微鏡160是靜態(tài)外科顯微鏡，即對于焦距的動態(tài)調整是不可能的；僅通過調換光 學元件(安裝新的主物鏡163)或改變顯微鏡160與對象199之間的工作距離而能夠進行聚焦 改變。
[0017] 現在參照圖1E，將討論合并有0CT的外科顯微鏡的另一設計。在Izatt等人的美國 專利8,366,271中討論了圖1E所圖示的外科顯微鏡，其公開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，除了在一對振鏡190與外科顯微鏡163的二向色 濾光器161之間提供望遠透鏡組件集合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，光束行進通過振鏡190進入望遠透鏡集合167,然后通過二向色 濾光器161經過物鏡163對樣本199進行成像。望遠透鏡集合167的存在提供光束成形，以使 得系統(tǒng)的數值孔徑最大化，潛在地改進系統(tǒng)產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象的 清楚光學查看，具有均勻的照射和準確的色溫。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。有時使用染色來突出形貌。在外科顯微鏡內提供高清晰度視頻以改進視 覺清晰性。現在添加了來自娛樂業(yè)的形貌三維視頻技術，諸如偏振-分集立體鏡檢查，來增 加層次感。
[0018] 這種外科立體顯微鏡局限為表面可視化。光學相干斷層成像(0CT)是目前在光學 半透明表面下成像的完善的技術。高分辨率0CT提供觀察表面下結構的能力，作為立體、高 清晰度和三維外科顯微鏡的表面查看的補充。光學相干斷層成像是視網膜診斷中的標準護 理，并且在角膜成像和度量中找到一些使用。0CT只是剛開始應用于手術中成像。一種手持 眼科0CT系統(tǒng)（由Bioptigen股份有限公司提供），通過歐盟關于醫(yī)療設備的標準并且被Π)Α 批準用于對麻醉的患者成像。這種裝置適用于手持和安裝配置以在眼外科手術(包括視網 膜外科手術和角膜移植外科手術）中進行結構成像，并且是外科醫(yī)生顯微鏡可視化的輔助 工具。
[0019] 在視網膜和角膜外科手術中利用0CT成像的早期結果表明這種外科手術程序對于 利用傳統(tǒng)顯微鏡成像光學器件看不到的組織具有直接并且立刻的影響。因此希望同時利用 傳統(tǒng)表面顯微鏡程序和光學相干斷層成像的深度分辨能力，使用抬頭顯示器來使外科手術 程序可視化。
【發(fā)明內容】
[0020] 本發(fā)明構思的一些實施例提供外科顯微鏡系統(tǒng)，其包括:光學相干斷層成像(0CT) 系統(tǒng);物鏡；目鏡，其用于直接查看在物鏡遠端的對象;抬頭顯示模塊，其被配置成引導光學 圖像通過目鏡以便其對至少一個目鏡的使用者是可見的；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對象定位。耦合元件被配置成:在耦合元件的第一面接 收抬頭光學顯示信號并且在抬頭顯示模塊的波段中反射信號；以及，在耦合元件的第二面 接收信號并且在0CT系統(tǒng)的波段中反射信號。
[0021] 在另外的實施例中，耦合元件可進一步被配置成:在耦合元件的第一面將抬頭顯 示信號耦合到顯微鏡內并且將抬頭顯示器向外科顯微鏡的目鏡中的至少一個投射以便使 用者通過目鏡中的至少一個查看；以及，在耦合元件的第二面將0CT成像光束耦合到顯微鏡 內并且將0CT光束導向至對象。
[0022] 在另外的實施例中，耦合元件可以是二向色分束器。
[0023]在一些實施例中，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]在另外的實施例中，耦合元件的第一面可以在小于500nm波長范圍的紫色或藍色 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的波長范圍中是透射性的。
[0025] 在另外的實施例中，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帶寬小于或 等于約50nm的反射缺口。
[0027] 在本發(fā)明構思的另外的實施例中，缺口的中心可以在大約51 Onm與520nm之間。在 某些實施例中，缺口的中心可以在大約514nm處。
[0028]在另外的實施例中，抬頭顯示器可以包括與顯微鏡的使用者通過顯微鏡目鏡觀察 的對象的觀察圖像在橫向對準的0CT圖像。
[0029] 在某些實施例中，在顯微鏡的放大倍率變化下，抬頭顯示器中呈現的0CT圖像可以 具有與使用者通過目鏡觀察的對象的觀察圖像匹配的查看視場(F0V)。
[0030] 在另外的實施例中，在顯微鏡的放大倍率變化下，抬頭顯示器中呈現的0CT圖像呈 現恒定的查看視場(F0V)。
[0031] 本發(fā)明構思的另外的實施例提供相關的耦合元件。
【附圖說明】
[0032]圖1A是示出示例0CT視網膜(后部)成像系統(tǒng)的框圖。
[0033]圖1B是示出示例光學相干斷層成像(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是示出包括望遠透鏡集合的示例外科顯微鏡的框圖。
[0037]圖2A是根據本發(fā)明構思的一些實施例的外科顯微鏡的框圖。
[0038]圖2B是根據本發(fā)明構思的一些實施例的外科顯微鏡的框圖。
[0039]圖3是根據本發(fā)明構思的一些實施例所使用的圖2B所圖示的修改的視網膜透鏡的 更詳細框圖。
[0040]圖4A是根據本發(fā)明構思的一些實施例的0CT中心通道外科顯微鏡的框圖。
[0041]圖4B是根據本發(fā)明構思的一些實施例的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部分的詳細框圖。
[0043]圖5A至圖5C分別是根據本發(fā)明構思的一些實施例的0CT系統(tǒng)接口的側視圖、前視 圖和斜視圖。
[0044] 圖6A至圖6C是根據本發(fā)明構思的一些實施例的與外科顯微鏡集成的0CT系統(tǒng)的各 個視圖。
[0045] 圖7A是示出根據本發(fā)明構思的一些實施例的0CT集成外科顯微鏡的框圖的框圖。
[0046] 圖7B是示出包括根據本發(fā)明構思的一些實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是示出根據本發(fā)明構思的一些實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是示出根據本發(fā)明構思的實施例的用于外科成像的0CT光路的示圖。
[0049]圖9A是示出根據本發(fā)明構思的一些實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是示出根據本發(fā)明構思的一些實施例的準直器和輸入光束變焦（IBZ)系統(tǒng)的 示圖。
[0051] 圖9C是示出根據本發(fā)明構思的一些實施例的利用IBZ改變數值孔徑(NA)并且切換 焦點區(qū)域的示圖。
[0052]圖10是示出根據本發(fā)明構思的一些實施例的遠心中繼系統(tǒng)的框圖。
[0053]圖11是示出根據本發(fā)明構思的一些實施例的中繼光束擴展器(RBE)系統(tǒng)的示圖。 [0054]圖12是示出根據本發(fā)明構思的一些實施例的用于0CT外科顯微鏡的高性能物鏡的 示圖。
[0055] 圖13是示出根據本發(fā)明構思的一些實施例的遠心光學性能的一系列圖形和圖表。
[0056] 圖14是示出根據本發(fā)明構思的一些實施例的遠心光學性能的一系列圖形和圖表。 [0057]圖15是示出根據本發(fā)明構思的一些實施例的當以150mm物鏡來偏移焦點時的光學 性能的一系列圖形。
[0058]圖16是示出根據本發(fā)明構思的一些實施例的當以160mm物鏡來偏移焦點時的光學 性能的一系列圖形。
[0059] 圖17是示出根據本發(fā)明構思的一些實施例的當以175_物鏡來偏移焦點時的光學 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膜成像的常規(guī)配置和根據本發(fā)明構思的 實施例的配置的框圖。
[0061] 圖19A是根據本發(fā)明構思的一些實施例的用于具有寬F0V的0CT集成外科顯微鏡術 的外科視網膜透鏡組件的示圖。
[0062] 圖19B是示出根據本發(fā)明構思的一些實施例的圖19A的外科視網膜透鏡的光學性 能的一系列圖形和不圖。
[0063]圖20A是示出用于根據本發(fā)明構思的一些實施例的用于具有寬F0V的0CT集成外科 顯微鏡術的外科透鏡組件的透鏡系統(tǒng)的示圖。
[0064]圖20B是示出根據本發(fā)明構思的一些實施例的圖20B的外科透鏡組件的光學性能 的概述的示圖。
[0065]圖21A是示出用于根據本發(fā)明構思的一些實施例的用于具有窄F0V的0CT集成外科 顯微鏡術的外科透鏡組件的透鏡系統(tǒng)的示圖。
[0066]圖21B是示出根據本發(fā)明構思的一些實施例的圖21A的外科透鏡組件的光學性能 的概述的示圖。
[0067]圖22A是示出