非侵入式连续平面感测系统和方法

摘要

本发明的实施例提供了用于通过将来自线状光源的光投射到换片盒的壁里来检测手术换片盒中的流体的平面的系统和方法。依赖于换片盒中被反射或被折射(即，由换片盒材料/流体界面或换片盒材料/空气界面(或其它界面)所引起)的光的数量，线状传感器阵列的各个部分将被不同程度地照亮。通过检查线状传感器阵列的照度，可以确定仓中的流体平面。

说明书

技术领域

本发明涉及手术系统和方法。更特别地，本发明涉及一种感测眼科手术系统中使用的手术换片盒(surgical cassette)中的流体平面(fluidlevel)的系统。

背景技术

人眼可能遭受许多使人从视力轻度衰退变成完全失明的疾病。虽然隐形眼镜和眼镜可以弥补一些疾病，但是对其它疾病来说需要的是眼科手术。一般地，眼科手术被分为后段过程，例如玻璃体视网膜手术，和前段过程，例如白内障手术。近年来，已经发展出前段和后段过程的组合。

用于眼科手术的手术器械可能专用于前段过程或后段过程，或两者都支持。在任何情况下，手术器械往往都要求使用相关的耗材，诸如手术换片盒、流体袋、管子、机头尖端及其它耗材。

依赖于过程和手术器械，手术换片盒可以提供各种功能。例如，用于白内障手术(例如，超声乳化过程)的手术换片盒帮助管理进入手术部分的灌注流和离开手术部分的抽吸流。手术换片盒还可以给流体袋、用于向手术器械导引真空/压力的歧管及其它功能以支持。

测量手术换片盒的注入仓(infusion chamber)/灌注仓(irrigationchamber)和抽吸仓(aspiration chamber)的流体平面，以确定用于过程的剩余流体量和流体流动特征。上述的仓流体平面感测方法要求将流体染色或使用标记该流体与空气界面的浮标。然而，向流体添加颜料是不受欢迎的，原因在于它向进入人眼的流体添加了附加的化学物质。使用浮标也是不受欢迎的，原因在于浮标可以粘到仓中，并且对仓的方向敏感。因此，需要一种非侵入式连续平面感测方法和系统，该方法和系统可以减少或除去与现有技术平面感测系统和方法相关的问题。

发明内容

本发明的连续非侵入式平面感测系统和方法的实施例满足这些及其它需要。本发明的实施例提供了一种用于感测手术仓中的流体平面的装置和方法。本发明的一个实施例包括一种手术系统，该手术系统包括手术换片盒和手术控制台，其中，该手术换片盒至少部分地由限定仓的换片盒材料形成且包括第一壁和第二壁，该手术控制台包括接受手术换片盒的换片盒承受器。该手术控制台还可以包括多个垂直放置的光源，以向手术换片盒的第一壁投射光，其中，该多个光源中的每一个都被放置为沿着相应的传输路径投射相应的光线，该传输路径相对于仓表面具有一入射角，这样，如果换片盒材料/第一流体(如，空气)界面横穿(intersect)该相应的传输路径，则至少该相应的光线的大部分都被反射，而如果换片盒材料/第二流体(如，BSS)界面横穿该相应的传输路径，则该相应的光线的大部分不被反射。另外，该手术控制台可以包括一传感器阵列，该传感器阵列具有多个垂直放置部分，以通过手术换片盒的第二壁接收光和产生指示该垂直放置部分中的每一个的光照量的输出。

本发明的另一个实施例包括一种具有线状光阵列和线状传感器阵列的系统。该线状光阵列可以包括沿着第一传输路径将第一光束投射到第一换片盒壁里的第一光源，其中，该第一传输路径相对于仓表面具有一入射角，这样，如果换片盒材料/第一流体界面横穿该第一传输路径，则至少该第一光束的大部分都被反射；和，沿着与该第一光源垂直的轴设置的第二光源，该第二光源沿着第二传输路径将第二光束投射到第一换片盒壁里，其中，该第二输路径相对于仓表面具有一入射角，这样，如果换片盒材料/第二流体界面横穿该第二传输路径，则即使并非该第二光束的全部也至少是该第二光束的大部分都被反射。该线状传感器阵列可以包括第一部分和第二部分，其中，该第一部分被放置为接收该第一光束，该第二部分被放置为接收该第二光束且产生用于指示是否照亮该第一和第二部分中的每一个的输出信号。

本发明的另一个实施例包括一种确定手术换片盒中的流体平面的方法，该方法包括：沿着平行的、垂直设置的传输路径将多个光束发射到手术换片盒的壁里；检测线状传感器阵列的各个垂直设置的部分的照度的量，其中该线状传感器阵列被放置为接收该多个光束；和基于该线状传感器阵列的各个垂直设置的部分的照度，确定流体平面。

本发明的另一个实施例包括一种具有手术换片盒的系统，该手术换片盒至少部分地由限定仓的换片盒材料形成且包括第一壁和第二壁。该系统还可以包括一手术控制台，该手术控制台包括容纳该手术换片盒、光源和传感器的换片盒承受器。该光源可以沿着传输路径将光线投射到该手术换片盒的第一壁里。这样放置该光源，使得如果换片盒材料/第一流体界面横穿该传输路径，则至少该光线的大部分都被反射，而如果换片盒材料/第二流体界面横穿该传输路径，则该光线的大部分不被反射。

这样放置该传感器，使得通过该手术换片盒的该第二壁来接收光，并产生指示该传感器的照度的输出。

本发明的另一个实施例包括一种确定手术换片盒中存在流体的方法，包括步骤：以入射角向手术换片盒的壁发射光束以使光束的大部分在换片盒材料/第一流体界面处被反射并且使光束的大部分在换片盒材料/第二流体界面处不被反射；以及使用传感器的输出来确定换片盒仓中的特定平面处存在还是不存在液体。依赖于该换片盒的结构，光可能例如，在换片盒材料/液体界面处而不是在换片盒材料/空气界面处被反射。

本发明的实施例的一个优点是光源和线状传感器阵列不与手术流体直接接触。此外，在仓的内部没有浮标部件，也不需要对流体染色。

本发明的实施例的另一个优点是高分辨率的连续平面感测。

本发明的实施例的另一个优点是高灵敏度的流速确定。

本发明的实施例提供的另一个优点是基于限定在″开(ON)″状态下的传感器阵列的像素和限定在″关(OFF)″状态下的那些像素之间的变换来确定平面。这样的实施例对线状传感器阵列的敏感度不敏感。

附图说明

通过参照下列描述和附图，可以获得对本发明和其优点的更完全的理解，附图中相似的附图标号表示相似的特征，其中：

图1是手术控制台的一个实施例的图示；

图2是手术换片盒的一个实施例的图示；

图3是换片盒承受器的一个实施例的图示；

图4是具有线状光源和传感器阵列的仓的俯视图的一个实施例的图示；

图5是具有线状光源和传感器阵列的仓的俯视图的另一个实施例的图示；

图6是具有线状光源和传感器阵列的仓的俯视图的再一个实施例的图示；

图7是示出用于平面感测的方法的一个实施例的流程图；和

图8是使用本发明的流体平面传感器的手术换片盒和控制台的图示。

具体实施方式

这些图中示出了本发明的优选实施例，其中，使用相似的标号来表示各个附图的相似和相应的部分。

本发明的实施例提供用于通过将来自线状光源的光投射到换片盒壁里来检测手术换片盒中的流体平面的系统和方法。依赖于换片盒中被反射或被折射的光的数量(例如，由换片盒材料/液体界面或换片盒材料/空气界面所引起的)，线状传感器阵列的各个部分将被不同程度地照亮。通过检查线状传感器阵列的照度，可以确定仓中流体的平面。

图1是眼科手术控制台100的一个实施例的图示。手术控制台100可以包括具有触摸屏115的旋转监视器110。可以以各种方向来放置旋转监视器110，以便任何人看触摸屏115。旋转监视器110可以从一侧回转到另一侧，也可以旋转和倾斜。触摸屏115提供允许用户与控制台100交互的图形用户界面(″GUI″)。

手术控制台100也包括把各种工具和耗材与手术控制台100连接在一起的连接面板120。连接面板120可以包括，例如，凝血连接器、用于各种机头的连接器和换片盒承受器125。手术控制台100还可以包括各种用户友好的特征，比如脚踏板控制(例如，在面板130后包括的)，以及其他特征。

在操作中，换片盒(未显示)可以被放置在换片盒承受器125中。手术控制台100中的夹具适当地夹住换片盒，以使换片盒在使用期间的移动最小。该夹具可以夹住换片盒的顶部和底部、换片盒的侧面或者以其他方式夹住换片盒。

图2是手术换片盒150的一个实施例的图示。换片盒150可以提供封闭系统流体设备，其可以在手术过程之后被丢弃。换片盒150可以包括换片盒体155以及从换片盒体155伸出的夹具接口部分(例如，一般在夹持区域160和165所示)。换片盒150可以由ABS塑料或其它的适当材料形成。在所示的实施例中，换片盒150由三个主要部分组成：内部或手术控制台接口部分170、中间部分175和盖板179，其中，当换片盒150被插入手术控制台100中时，该内部或手术控制台接口部分170面向手术控制台。换片盒150的各个部分可以经由压配合、联锁拉环(interlocking tab)、化学接合、热接合、机械固定件或本领域中所知的其它附接机制而耦合在一起。在其它实施例中，换片盒150可以由单个块或多个块形成。

手术控制台接口部分170可以在使用期间面向控制台，并且可以提供用于流体流动通道的接口(例如，由弹性泵膜提供的用于蠕动泵的流动通道177)、阀(例如，注入/抽吸阀)及其它特征，以管理流体流动。换片盒150还可以加入流体袋(未显示)以在过程中收集流体。

根据本发明的各个实施例，手术换片盒150包括用以保持用于抽吸和注入的流体的仓。例如，仓盒(chamber cartridge)180可以包括两个注入仓181/182。第三仓185可以位于换片盒150内部与换片盒150的仓盒180相对的一侧(例如在由190指示的换片盒150的一侧)。根据一个实施例，可以以非侵入的方式确定仓中的流体平面。如下所述，可以使用垂直的光源将光线投射到仓壁里。依赖于光在该仓处的反射或折射，垂直的传感器阵列将检测或不检测在沿着该阵列的垂直轴的各个点处的光。根据该传感器阵列的被照亮部分和未被照亮部分间的变换，可以检测仓中的流体平面。

图3是没有换片盒的换片盒承受器125的一个实施例的图示。换片盒承受器125可以具有各种气动输入和输出端口，以与该手术换片盒接口。换片盒承受器125还可以包括开口，其允许蠕动泵滚轮191在操作期间接触手术换片盒。在给Sorensen的美国专利申请No.6,293,926中描述了蠕动泵和赠送的换片盒(complimentarycassette)的一个实施例，通过引用将其全文并入本文。

在图3的实施例中，手术换片盒是由具有下轨道192和上轨道(未显示)的夹具适当地固定。每个轨道可以具有外部夹紧拨爪(clampingfinger)(例如，夹紧拨爪194)和内部夹紧拨爪，其中外部夹紧拨爪在相应夹持区域内接触换片盒，内部夹紧拨爪在插入期间将换片盒定位而在释放期间向远离换片盒承受器的方向推挤换片盒。按压释放按钮196以开始从夹具处释放换片盒。换片盒承受器125可以包括投射光线到换片盒仓的壁里的线状光源和检测通过仓折射的光(或从仓壁反射的光)的传感器阵列。每个线状光源可以包括垂直设置(即，沿着垂直间隔的传输路径投射光)且被放置为投射光到换片盒的壁里的多个光源。例如，线状光源200可以投射光到仓181/182里。线状光源200可以包含被排列为投射光到仓181里的第一组光源和被设置为与第一组光源成90度角(或其它的角度)而投射光到仓182里的第二组光源。同样地，线状光源202可以投射光到仓185的壁里。各自的线状传感器阵列可以接收通过仓折射的光或在仓仓表面处反射的光。在这个例子中，传感器阵列206(图4中所示)可以接收从光源200投射在仓181处的光，位于壁208里的传感器阵列可以接收从光源200投射在仓182处的光，而壁210里的传感器阵列可以接收来自光源202的光。每个传感器阵列可以包括用以接收通过换片盒仓的壁的光线的垂直设置的部分。该垂直设置的部分可以是，例如，像素、分开的传感器或其它用于感测照度的机制。

作为举例来提供图3的结构。换片盒承受器125的形状要素(formfactor)，即换片盒承受器125的输入/输出端口和其他特征的放置和数量可以依赖于手术控制台100、依赖于正被执行的手术过程或者依赖于其它因素。

图4是具有光源200和传感器206的仓181的一个实施例的俯视图的图示。根据一个实施例，面向光源200和传感器206的仓181的壁216/218是透明的或不透明的。根据本发明的一个实施例，光源200可以是在各个垂直点产生光的线状光源(即，连续光源)，例如线状LED光源，而传感器206可以是在各个垂直位置检测光源200所发射的光的线状传感器阵列(即，连续传感器阵列)，例如线状光电二极管。线状传感器阵列206的一个例子是Texas Advanced OptoelectronicSystems of Piano，Texas的TAOS TSL2O8R线状传感器阵列，其具有每英寸200点(200 DPI)的分辨率。线状光源200和线状传感器阵列206被连接至电路(未显示)。根据一个实施例，线状光源还可以包括光以将光投射到另一个仓(例如，图2的仓182)。优选地，由光源200所产生的光提供具有基本水平的传输路径的均匀平行光束。

在运行中，线状光源200作为发射器而发射光，而线状传感器206充当接收器。可以选择光至仓壁216的入射角α，以便当光线穿过该仓中的空气时可以照亮传感器206，而在穿过该仓中的BSS流体时提供低于光的阈值数量的光线。举例说来，图4示出光线220穿过仓181中的空气的行为和光线220’穿过仓181中的BSS流体的行为。在第一个情况下，光束220穿透壁216，穿过仓181的顶端中的空气，穿过仓壁218并照亮部分线状传感器阵列206。另一方面，当光束220’进入BSS流体时(例如，在ABS/BSS界面处)，它在表面230处折射。当折射的光束220’到达邻近的壁218时，又在表面232处反射，从而避开了传感器阵列206的像素。在适当的α的情况下，在表面232处的反射可以变成全反射，原因在于换片盒材料(例如，ABS塑料、丙烯酸塑料或其它塑料)的折射率大于空气的折射率。在这种情况下，光线被完全反射，从而阻止了光束到达线状传感器阵列206的、与仓中的BSS流体对齐的部分。因此，与BSS流体对齐的像素将是暗的。因此，当光的传输路径被ABS/空气界面横穿时，大部分光线不被反射，但当传输路径被ABS/BSS界面横穿时，大部分光束(如果不是全部的话)被反射。

电子电路可以将线状传感器阵列206的不同部分(例如，像素或其它传感元件)的输出与阈值进行比较，以确定线状传感器阵列206的部分是″开″(与空气相关)还是″关″(与液体相关)。线状传感器阵列206的″开″部分和″关″部分之间的变换标明了流体平面。然而，应当指出，可以使用其它的边缘检测机制，比如线性插值。

光的适当的入射角α是由第一流体(例如，空气或其它的流体)和第二流体(例如，BSS流体或其它的流体)以及换片盒材料(例如，ABS塑料或其它的材料)的折射率决定的。优选地，选择α以便光束可以穿过第一流体到达传感器阵列206，但同时当它穿越第二流体时被全部反射。在光束不是被全反射的其它实施例中，可以设定预定的阈值以补偿那些未穿过第二流体到达传感器阵列206的光的数量。还可以调节该预定的阈值，以补偿周围的光源、来自其它源的光渗透及可能导致传感器阵列206的部分在″关″状态下输出信号的其它因素。

图5是具有光源312和传感器314的仓310的另一个实施例的图示。根据一个实施例，面向光源312和传感器314的仓310的壁316/318是透明的或不透明的。根据本发明的一个实施例，光源312可以是沿着垂直轴产生光的线状光源(即，连续光源)，例如线状LED光源，而传感器314可以是检测光源312沿着垂直轴所发射的光的线状传感器阵列(即，连续传感器阵列)，例如线状光电二极管。线状光源312和线状传感器阵列314被连接至电路(未显示)。

线状光源312被安装在仓的一侧，其照亮垂直于壁316的仓310。线状传感器阵列314被垂直地安装在仓的相邻侧壁318上。仓310在壁316和318的交叉点具有棱柱状的角(prism shaped corner)320。可以选择入射角α，以便当光束在另一侧具有第一流体的点处射中表面322(ABS的折射率为大约1.5，而空气的折射率为大约1.0)时，来自光源312的光束被表面322全反射，从而射中线状传感器阵列314。但是，当光束在另一侧具有第二流体(ABS的折射率为大约1.5，而BSS的折射率为大约1.3)的点处射中表面322时，大部分光束在表面322折射，从而错过线状传感器阵列314。换言之，当光的传输路径被换片盒材料/第一流体界面横穿时，大部分或全部光被表面322反射，但是，如果传输路径是由换片盒材料/第二流体界面横穿的，则小部分光束被反射。

举例来说，图5示出主要在仓310的表面322处的空气/塑料界面处反射的光线330的行为，并示出主要在表面322处被折射进仓310的光线330’的行为。在第一个情况中，光束330穿透壁316、穿过角320中的塑料，并在表面322的塑料/空气界面处反射。另一方面，虽然一些光束330’也可能被反射，但大部分的光束330’是在换片盒材料/BSS流体界面处的表面322处被折射的。在这个例子中，强反射的光(例如，光束330)照亮指示在那个平面处存在空气的线状传感器阵列314。

图6示出反射光束平面感测的另一个实施例。图6是具有光源352和传感器354的仓350的另一个实施例的图示。根据一个实施例，面向光源352和传感器354的换片盒的壁356/358是透明的或不透明的。根据本发明的一个实施例，光源352可以是沿着垂直轴产生光的线状光源(即，连续光源)，例如线状LED光源，而传感器354可以是检测光源352沿着垂直轴所发射的光的线状传感器阵列(即，连续传感器阵列)，例如线状光电二极管。线状光源352和线状传感器阵列354被连接至电路(未显示)。

线状光源352被安装到壁356上。线状传感器阵列354被垂直安装于壁358。可以选择入射角α，以便当光束在另一侧具有第一流体的点处射中表面362时，来自光源352的光束从表面362全反射，从而射中线状传感器阵列354，但是，当光束在另一侧具有第二流体的点处射中表面362时，光束在表面362处折射，从而错过线状传感器阵列354，这是因为ABS的折射率为大约1.5，BSS的折射率为大约1.3，而空气的折射率为大约1.0。

反过头来看看具有包含空气和BSS流体的仓350的ABS换片盒的例子，由于仓的顶端将包含空气，所以表面362的上部将成为ABS/空气界面，而表面362的下部将成为ABS/BSS界面。因此，在表面362处，存在两种不同的光界面。来自线状光源352的光束以入射角α到达表面362。部分光束可能在表面362处被反射并被线状传感器阵列354接收，而同时部分光束可能被折射进仓350。

举例说来，图6示出主要在仓340的表面362处的空气/塑料界面处反射的光线360的行为，以及主要被折射进表面362处的仓350的光线360’。在第一个情况中，光束360穿透壁356，穿过塑料，并在表面362的塑料/空气界面处反射。另一方面，光束360’在表面362处被折射。

图7是示出用于确定仓中流体平面的方法的一个实施例的流程图。多个光源(例如，LED或其它光源)沿着传输路径将光投射到仓壁里(步骤412)。如果光线的传输路径被换片盒材料/第一流体界面横穿，则多数(如果不是全部的话)光线可以被反射，但是如果传输路径被换片盒材料/第二流体界面横穿，则多数光线不被反射。使用图4的例子，如果光线是被ABS/USS界面(例如，在表面230处)横穿，则多数(如果不是全部的话)光线在表面232处被反射。另一方面，使用图5和6的例子，如果光线是被ABS/空气界面横穿的，则多数(如果不是全部的话)光线被反射。

线状传感器阵列接收由光源投射的光的某些部分(步骤414)，并输出信号，指明在该传感器阵列的各个部分处(例如，在该阵列的各个像素处)接收的光的数量(步骤416)。在步骤418中，边缘检测方案被应用于该线状传感器阵列的输出，以确定该线状传感器阵列的哪些部分被充分照亮从而指明在仓中的相应平面处存在/不存在流体。根据一个实施例，将该线状传感器的不同部分的输出与阈值相比较，以确定该线状传感器的那个部分是处于第一状态(例如，与空气相关)还是处于第二状态(例如，与流体相关)。该线状传感器阵列的第一状态部分和第二状态部分之间的变换标明了流体平面。然而，应当指出，可以使用其它的边缘检测机制，比如线性插值。

如果需要或期望的话，可以重复图7的步骤，从而连续地更新平面信息(例如，在每个处理周期、指令循环周期或其它的时间周期)。平面信息的变化可以指示来自仓的流体流动。更准确地，流速与A*dL/dt成正比，其中，A是仓的横截面面积，而dL/dt是平面随时间的变化。因为仅需使用仓的一个角，所以该仓的仓横截面面积A可以被最小化。因此，改善了对流速确定的敏感度。减少的横截面还可以减少由于撞击换片盒所引起的仓中流体的晃动效应(sloshingeffect)。

图8是根据本发明一个实施例的、使用流体平面传感器的手术换片盒和控制台的俯视图的图示。换片盒500安装在控制台502里。仓504是该换片盒500的一部分。线状光源506和线状传感器阵列508是该控制台的一部分。光源506以适当的入射角将光束521投射到换片盒500的壁里。放置线状传感器阵列508以接收来自光源的光束。光源和线状传感器阵列两者都连接于控制器510上。

控制器510可以是本领域已知的任何适当的控制器，包括DSP、ASIC、RISK或基于CPU的控制器。控制器510可以包括模数(A/D)转换器512，用以将来自线状传感器阵列508的模拟信号转换成数字信号。另外，控制器510可以包括将数字控制信号转换成模拟信号以控制光源506中的光的强度的数模(D/A)转换器614。处理器516，比如DSP、ASIC、RISK、微控制器或CPU或其它适当的处理器，可以访问一组指令520和计算机可读存储器518。该计算机可读存储器可以是RAM、ROM、磁存储器、光存储器或其它适当的存储器，并且可以处于基板上或可由处理器516访问。处理器516可以执行处理数字输入的指令520，以如上所述确定仓中流体平面。控制器510可以选择性地与提供附加功能的控制台502的其它部件通信。为确定仓中流体平面，本发明的其它实施例可以使用任何适当的控制器。

虽然已经参照特定实施例描述了本发明，但应理解实施例是说明性的，而且，本发明的范围并不限于这些实施例。对如上所述的实施例进行许多变化、修改、补充和改善是可能的。可以预期的是，这些变化、修改、补充和改善在如权利要求中所详述的本发明的范围内。