相关申请

本申请是1993年2月11日提交的第08/0 16565号申请的后续申请。 技术领域

本发明涉及在外科手术期间避开或定位人体内器或 者通道的领域，特别是涉及一种使用方法和由一个红外 辐射源和一个检测系统组成的装置，红外辐射源和检测 系统二者之一插入到器官或通道中，而另一个位于该器 官或身体附近，以便指示插入到身体内的器械附近的情 况和该光源或该检测器靠近的那个部分的情况，从而有 助于在外科手术期间定位或避开被上述器械之一插入的 器官或通道。 背景技术

在外科手术期间最重要的是不能划破器官或通道( 例如尿道和输尿管等)。由于血、海绵体、居中的组织 等的存在，使得在进行外科手术的区域附近特别是在与 外科手术区极接近的区域附近对这些器官或通道进行高 精度定位非常困难。

发光导管被用于探测导管、血管、器官等。美国专 利No4248214号提供了一种照明的尿道导管帮 助外科医生探测膀胱和尿道的相会处，以便正确完成M arshall-Marchetti-Kranz操 作。美国专利No4782879是利用用于照明器官 进行体内检查的导管的很多专利的代表。

利用红外探测器在人体内探测产生热的组织例如恶 性肿瘤在几篇专利例如美国专利No4784128中 有描述。美国专利No4821731利用一个发声导 管形成人体内的一个外貌象。

这些参考的文件中都没有公开下述构思：利用一个 产生红外线的导管和红外探测器确定通道、器官等的位 置，以便使外科医生能在对工作区域位置待避开的位置 有清楚了解的情况下在该区域进行操作。 发明目的

本发明的目的是提供一种在外科手术期间用于插入 通道、导管、器官等的红外发射导管和一种红外探测系 统，以便进行精确的定位和警告外科医生别接近危险区 域。

本发明的另一目的是提供一种精确定位器官、通道、 导管等的方法，使外科医生不会侵入到那样定位的身体 部分。

本发明的另一个目的是提供一种用于插入人体通道 等的导管，该导管辐射红外线照射在该通道或器官的延 伸区域上或者具体化为一个点光源。

本发明的另一个目的是提供一种红外探测系统，该 系统快速地提供检测信号或清楚显示一个红外源在人体 的位置的指示。

本发明的另一个目的是提供一种电子切换系统和控 制系统，以便根据红外发射导管相对于固定到烧灼或发 射激光装置上的检测系统附近的位置禁止烧灼或发射激 光。

本发明的另一个目的是提供一种红外光源和一种同 一个红外探测器相连的红外光导，该探测器的放置位置 应能使该探测器提供一个或几个人体组成部分的定位指 示。

本发明的另一目的是提供一种与利用红外光定位体 内组成部分的系统相结合的用于照明邻近这个身体组成 部分的区域的光源，和一个同这个光源相连接以便在监 测器上根据需要显示该器官的显示系统。 发明概述

在描述本发明时采用下述的例子：为了将输尿管精 确定位在必要的位置上，或者由于这些通道有被碰伤危 险的缘故，特别是在进行子宫切除手术时，要进行输尿 管的定位。本发明的红外发射导管和探测系统不受这个 应用的限制，这个应用只是本发明的装置和方法的一个 示例。

红外发射导管由一个易弯曲的、聚合物制的、最好 是圆形的、并且封装在一个基本上易弯曲的红外透明的 外覆盖层内的光导组成。该光导可以由带或不带外皮的 玻璃或聚合物构成。光导的外表面经磨光或用其它方式 使其变为在整个长度的延伸区域上透射红外光，以便使 红外光主要围绕在导管、通道(在本发明中为输尿管) 等周围发射。    

为了增加光导的辐射效率，可以在该红外发射光导 的远端固定一个反射体以便反射开始时未被其散射到一 侧外面的任何光能。

关于磨光的发射光导，在另一个实施例中采用了多 根不同长度的光纤，即由一些很细的光导构成的光纤束， 具体地说是将众多的小直径(25至50μ)的光纤集 合绞合在一起，然后以约1至10mm的余差结束在发 射导管的发射区上。另外，将在光纤束中的每个细光纤 的端部切成一个角度，以便使红外光从该发射导管中射 出。

可以利用各种不同类型的红外探测器，例如：红外 光探测器、内窥镜、摄影机、声器件，声强和频率随着 与红外发射导管的靠近程度，从而与通道等的靠近程度 的变化而变化的系统。红外光源可以是脉冲式的或者是 调制式的，以便可以通过监视器或类似部件上的闪光的 强度提供靠近程度的显示。

不管采用哪种红外探测器，本发明的一个重要优点 是通过采用红外光，使中间的血组织、海绵体等不会遮 蔽辐射光，从而使令人遗憾的差错发生率如果不能消除 也至少显著地减少。

在一个可取实施例中，一个发射器控制电路控制供 给发射导管的能量。在一个实施例中，一个安全检测器 放置在肠骨嵴的上面。该安全检测器测定红外发射管同 它的控制电路之间的耦合的完整性和/或红外发射光导 的连续性，它实际上可以是在外科手术期间用的那个探 测器，当系统接通时，它正好监测红外发射。如果采用 声频系统，则调整提供给红外发射导管的能量，以便提 供一个外科医生所要求的乐音幅度。如果该安全检测器 没有检测到红外发射，便发出一报警乐音。

如上所述，为了在外科手术期间定位输尿管，将红 外探测器放置在手术部位上，当外科医生穿刺新区时要 移动红外探测器。乐音幅度和/或频率提供一些定位一 根或几根尿管所必需的指示。在这个可取的实施例中， 一个红外发射导管最好是插入两根输尿管中。

与其把红外探测器插到手术部位，还不如把一个耦 合在探测器上的光导插入该位置中。可以采用600μ 或1000μ的光导，并使其经过一个光耦合器耦合到 红外探测器上。

该红外探测光导可以同用于切割的器械实行物理上 的连接。例如，如果采用一个腹腔镜的电灼器械，则可 以利用红外探测器系统防止所述器械在烧灼已经紧密靠 近输尿管时增能，而在该器械增能时使红外探测器不起 作用，因为被该烧灼过程产生的热可能按其它方式使该 器械无效。

把光导插入到待保护的器官内，使光源朝向器官， 可将该红外光源和探测器的光导的位置颠倒过来，一个 可见光源摄象机和监测器可以同该系统结合使用，以便 提供该器官的视频显示。

在此所用的“光导”一词是指一个单根光管或一束 光导纤维或两者的组合。

通过结合附图阅读下述的一个可取实施例的描述， 可以更清楚地了解本发明的上述的和其它的特点、目的 和优点以及本发明人为了完成其发明所仔细思考的最好 手段。 附图概述

图1是导管和带有控制器的光导管的纵剖视图；

图2示出了一个具有不同长度的多根光导纤维的导 管；

图3示出了一个局部剖视的插入输尿管中的导管；

图4示出了带有检测装置的插入在两个输尿管中的 导管；

图5是用于将光能供给光导的控制电路结构图；

图6是一种形式的红外探测器电路图；

图7是本发明的系统的方框图；

图8示出了带有红外光导的光反射器的应用；

图9示出了光导在系统的检测装置中的应用；

图10示出了至一个电灼器械的一个光导同用于控 制探测器和器械间关系的电路的物理连接；

图11示出了图9中的探测器电路的方框图；

图12示出了一个导管和一个排尿通道的一个例子 的横剖视图；

图13示出一种布置，在该布置中探针和光导的位 置相对图3是颠倒的；

图14示出了用在图13的装置中的光导；

图15是带有示在图13中的探针的电子系统方框 图；

图16是带有本发明光导的电子系统的方框图；

图17示出了同用于在监测器屏上显示输尿管的电 视系统结合的图13中的系统。 发明的详细说明

“光导”一词是指如图1和2所示的发光结构。

现在具体参看图1，本发明的一个发射导管2由一 个位于该发射导管内的红外发射光导4和一个由一个可 变电源8(D&B Power，InC.，Mode 1 F240-100)驱动的红外能光源6组成。能 量经过一个光耦合器3(Motorola MFO E-1102)进入光导，该光导由聚合材料或玻璃材 料(最好是ESKA SH-4001或SK-40纤 维)制造，可以带外皮，也可以不带外皮，该光导可使 红外光以很少的衰减通过。光导4的在区10上的表面 被抛光，以便使红外光可沿周围所有方向发射，经过导 管壁12进入该环绕区，区10的长度根据该导管将用 于何处而定。在所描述的应用中，输尿管的长度约30 cm，该导管的全长一般为65cm、直径为2.33 mm，该光导约2m长。

参看图8，为了提高光导4的发射效率，一个红外 反射器5使不是从区10散射的红外光反射，使其反射 回到区10，以便提供一个附加的红外辐射，从而提高 了系统的效率。

参看图2，发射光导可以由很多不同长度的并且集 中成束23的光纤21制成。每根光纤的端部25被切 成一个角度，以便使光沿与导管长度成一定角度的方向 从导管投射出来，借此以红外光照射周围的区域。所切 的角度不必均匀，以便使红外能量散布开和保证基本上 完全覆盖周围区。待使用到一个探测器电路上的光纤的 一端连接在Hewlett Packard制造的H FBR450/HFBR4511电缆连接器上。

参看图3，导管2经过尿道14和膀胱16插入到 输尿管18中，以便使红外光经过输尿管壁射到周围区 上。红外探测器20用来检测来自红外发射光导4的红 外能量的存在。传输到光纤的能量不能超过20mv。

参看图4，图4示出了图3的系统的一个改型，在 图4中，两个导管2和2’各设置于一个输尿管中，并 且用同一红外光源6经过一个光分散束器22供给红外 光。除了采用两根导管和一个光分散器外，基本系统是 相同的。可是，在图3中还示出了配有一个检查镜25 的小型TV摄象机24，以便把被照明的输尿管的象显 示在视频监测器26上。该图象的强度是检查镜靠近红 外光源程度的函数。下面的讨论将是显而易见的，一个 由于红外光的调制产生的嘟嘟声也可以被监测器和红外 探测系统28播放出。    

安全检测器可以放置在靠近红外发射导管位置附近 的人体表面上，在输尿管的情况下是放在肠骨嵴的上面。 安全检测器测定红外发射导管同其控制电路之间的耦合 的完整性和/或红外发射光导的连续性。如果安全光导 没有检测到红外发射，则发出报警声。如果安全检测电 路没有检测到红外发射则发出报警声，该安全检测电路 可以是与图3中的检测器电路相同的电路。

参看图5，图中示出了本发明采用的红外发射器的 方框图。该发射器可以从电子器件供应商店购置并且利 用一个555集成定时器。一个6V电池30供给由参 考数字32代表的时钟电路555的电源，该定时器驱 动一个同一个光导耦合的红外源或辐射器34。

定时器32以大约800Hz的频率调制发射信号， 这个频率可以通过一个连接在元件32的脚2和7之间 并同一个618KΩ电阻串联的电位器或可变电阻器3 6(2KΩ)来改变。调制信号的应用可以降低系统对 环境或外部的红外能量的响应，并提供一个专用于安全 检测器的信号。

在图6中示出红外探测器38和电路40。该红外 探测器也可以从电子器件供应商店购买，其名称为Mo torola MFOD73红外接收器。探测器38 驱动一个单晶体管(2N3904)放大器41，该放 大器将一个信号提供给567(IC)乐音译码器42 的第3脚，每当检测器38检测到在其通带宽范围内的 频率(在本例中为800Hz)，该译码器驱动其输出 端高电平，使一个LED发光或使蜂鸣器44发声。通 过适当的放大，便可以使567IC42从其脚8输出 驱动一个发声器。

图7示出了图5和图6的系统的方框图。发射器控 制电路8驱动把红外光供给发射光导4或若干光导的红 外光源34。这个或这些光导向用参考数字46代表的 人体内部发射红外光，然后被探测器38探测。探测器 38可以位于体内，如果采用检查镜25——摄象机2 4的结构，则摄象机24可以放置在体外。该红外探测 器也可以放置在一个器械、内窥镜等的上面。

在图4中一个检查镜25插入到手术区，以便将红 外光传送到摄象机24，从而在监测器上显示信息。同 样，也可以采用红外光导将红外能量从手术区内部射向 身体外部的红外探测器，参看图9，可以借助一个用于 把红外能量耦合到一个红外光检测器54上的光耦合器 52将一个红外光导50安装在其远离输尿管的那一端 上。

光导50通常可以传输在红外波段内的光，光导5 0的直径为1000μm并打算插入到人体内将红外能 量传向体外的检测器54。

在一个带有腹腔镜检电灼器的例子中可以采用图9 的光导，参看图10，一个电灼器56经过一个探测器 控制电路63由一个源58供给能量，控制电路63经 过光导59接收来自探测器68的一个信号而控制电灼 器的激励。

参看图11，图中示出了控制电路63的细节，一 个红外探测器68经过一个红外光探测电路70同一个 电压比较器66和一个扬声器晶体管开关64相连。电 压比较器66将来自电路70的电压同一个参考电压比 较后在引线60上产生一个指示电路64的电压电平与 基准电压电平的比较值的信号。引线60同晶体管开关 61和一个与门72相连，以便向它们提供一个输入信 号。与门72的输出经过反相器75供给扬声器开关6 4。扬声器开关64的输出信号供给扬声器-扬声器电 路74。

在手术期间，当红外光检测器电路70的输出电压 等于或超过在比较器66上的可变参考电压时，供给电 灼晶体管开关61的电流变为0，于是使电灼电源58 和电灼器56之间开路，从而使电灼器56断电，另外， 只要红外检测器电路的电压低于比较器上的可变参考电 压，在电灼电源和电灼器之间的电路始终是接通的。

参看与门72，当供给该与门的两个输入电压电平 是高电平时，指示使用电灼器56，从红外光电检测器 电路供给比较器的那个电压低于阀值电压，与门的输出 变为高电平，而反相器75的输出为低电平，驱动扬声 器晶体管开关64断开，因此扬声器的电瞬时断开，一 旦烧灼完成，供给扬声器和扬声器电路的电源便复位， 可以利用检测器来检测导管的初始校正操作。

应该指出的是，烧灼过程可能在烧灼器危险地靠近 输尿管之前就产生足够多的热来关掉烧灼器。这个问题 可以通过简单地断开烧灼器来解决，在这种情况下，扬 声器电路是工作的，在烧灼器太靠近输尿管到不安全的 程度时将发出声音。

参看图12，图12示出一个具有排尿通道的导管 76，该导管包括一个发射光导78和一个排尿通道8 0，在排尿通道80中的尿将使通过该通道的红外光能 减少，可是一旦导管已经进入输尿管中，尿流就处在偶 然液滴的状态下，从而使红外光能的衰减降低，即使尿 在分散的情况下也是如此。

参看图13，图中示出一种红外光发射体和红外检 测器的位置已经颠到的布置。

光发射探针86接收来自下述的光源88的脉冲红 外能量。操纵探针86的端部90直到光检测器92发 出一个指示输尿管94位置的可听见的乐音为止。更具 体地说一光纤的光导96位于定位在输尿管94中的一 个导管98中。该光导配备有检测段100，检测段1 00位于光导96的完全环绕光导周围的纵向延伸区( 20cm)上。

该光导将红外能量引向一个检测器99，如上所述， 该检测器99在它接收一定数值的能量时便发出一个可 听见的乐音，该乐音指出探针端90相对于器官(在此 为输尿管)的位置。

现在参看图14，该光导包括一个具有一个远端1 04的光纤束102(见图2)，远端104具有一个 粗糙的(磨蚀或刻痕过的)表面(约20cm长)，使 红外光可以透射入该光纤束中，并沿光纤经过一个光连 接器106射到一个透明的塑料杆108，最后到达检 测电路中的光入口接收器110(Motorola MLED73)，该检测电路可以包括在图16的电路 中。在本发明的可取的实施例中，光导102是Mit suibishi光纤ESKA SK40，而连接器 是106AMP’S Optimatic Opti ca1 Connector 228087-1 。

图15中示出了光源88的方框图。参看图15， 一个被交流驱动的稳压器112通过通/断开关114 向一个脉冲发生器116提供一个+12V的稳定电压。 脉冲发生器产生三角波或锯齿波并驱动一对光出口11 8和120。光120是作为把约5mv的红外光能提 供给探针86而例举出的。光出口120把发出器11 6的脉冲电能转换成加到探针上的脉冲红外光能。探针 86是与光导96相同的光导，但是探针86没有粗糙 区，因此只从探针86的端部发射光。这样就提供了完 全的电隔离。一个条形电源显示器122被一个常规设 计的显示驱动器124驱动。该显示器是一个发光的窄 条；该显示器具有9段以便指示发射能量的电平。

现在参看图16，来自探测器光导96的光输入一 个把光能转换为电能的光入口接收器110。再次提供 一个完全的电隔离。接收器126的输出经过前置放大 器130，滤波器132和直流后置放大器134传至 电压控制的振荡器128。前置放大器131将隔离的 低噪声调节电压提供给前置放大器130。振荡器12 8的输出频率是一个三角波，并且是放大器134的直 流电压输出电平的函数，从而提供照射到光导96上的 光的振幅的指示。

振荡器128的输出电压顺序通过正弦波变换器1 38，音量滤波网络140和音频放大器馈给扬声器1 36。而扬声器输出的声音是探针86靠近输尿管程度 的函数。下面具体地解释上述的每个元件的确切功能： 前置放大器130在接收的脉冲光和从那些光源接收的 背景光之间进行鉴别，并使背景光衰减而使脉冲光信号 放大。滤波器132包括一个峰值平均检测器，该检测 器将前置放大过的信号分解成峰值分量和平均分量，而 作为一个高通滤波器的直流后置放大器134加重在峰 值(高频)和平均值(低频)信号分量之间的差。压控 振荡器128将峰值和平均值分量之间的差变换成锯齿 波电压，该锯齿波电压被正弦波变换器138变成正弦 波。音量滤波网络可以控制音量还可以降低低音。

还需要指出的是，这个差信号由压控振荡器提供给 一检测器显示装置，该显示装置驱动一个条形指示器( 例如在图13中所示出的)

现在参看图17，图中示出与一个照明装置相结合 的图13的系统，该照明装置由一个把光能提供给一个 光导体152的腹腔镜光源150构成。该光导体利用 来自光源150的没有红外分量的光照明一个外科手术 场。来自手术区的光也透射过光导体152到一个腹腔 摄象机154，该摄象机具有一个从一个三滤光片摄象 机中的一片或几片取下的红外阻挡滤光片。摄象机15 4经导线156把一个信号传送给监测器158，该监 测器在本实施例的情况下显示输尿管。

显然，其它的一些红外源被环绕在人体内，但是利 用一个供给光导的脉冲红外光源排除了来自这些源的信 号。

将探针86和光导152穿入体内是通过通用的套 管进行的。探针86是用传统的技术固定到为进行外科 手术而插入到人体内的器械上的。

在有些情况下，例如在肿瘤脑外科中，需要一个点 光源。在这时，探针只从其端部发射红外光，并充当肿 瘤位置指示器的角色。

一旦给出上述的说明书，很多其它的优点，改型和 改进对于本专业的普通技术人员将是显而易见的。因此 其它的改型，优点和改进将被认为是本发明的一部分， 本发明的保护范围由权利要求书限定。