(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療処置中にアクセスポート内の手術野を撮像するための手術用撮像装置であって、前記手術用撮像装置は、
自身を通って延びる通路を有する細長いボデイを含む手術用アクセスポートと、
前記通路が直径を有し、前記細長いボデイの遠位端は、内部組織が外部位置から前記通路を通って直接見えるように構成され、  
前記手術用アクセスポートを介して内部組織を外部から撮像するための外部光学撮像装置であって、
縦方向のハウジングと、
前記縦方向ハウジング内に設けられた光学撮像アセンブリであって、２５ｃｍよりも大きな作動距離を有する光学撮像アセンブリと、
前記光学撮像アセンブリによって収集された画像を検出するために、縦方向ハウジングと結合された撮像ズームカメラと、
を備える外部光学撮像装置と、を備え、
ここで前記手術用撮像装置において、
前記光学撮像アセンブリおよび前記撮像ズームカメラは、外部光学撮像装置が手術用アクセスポートに対して外部に配置されている場合、撮像用ズームカメラによって収集された画像に関連する最小視野は、手術用アクセスポートの通路の直径に等しく、
プロセッサに応答して作動可能な撮像ズームカメラは、共焦点ハイパースペクトル撮像データと、異なる波長帯域の白色光画像およびビデオ画像のうちの少なくとも１つの収集を多重化するように設定され、
前記複数の異なる波長帯域は、複数の重複しない個々の波長帯域、複数の重複する個々の波長帯域、および重複しない個々の波長帯域と重複する個々の波長帯域の組み合わせ、のうちの少なくとも１つを含み、
複数の異なる波長帯域の中心は４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、および７００ｎｍであり、各々の波長帯域は、１０ｎｍの帯域幅であり、
前記撮像用ズームカメラは、予め選択されたビデオフレームレートを超過するフレームレートを有し、
そして撮像用ズームカメラは、ハイパースペクトル画像データを取得しながら、予め選択されたビデオフレームレートに等しい収集レートで白色光画像フレームを断続的に収集するように構成されている、手術用撮像装置。
【請求項２】
前記縦方向ハウジングによって支持された１つ以上の照明アセンブリをさらに備え、各照明アセンブリに関連づけられた照明軸は、前記光学画像アセンブリの撮像軸からオフセットされる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
各照明アセンブリは、縦方向のハウジングの遠位端から縦方向に凹状に取り付けられる、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
各照明アセンブリは、ライトガイドによって遠隔の光源に結合される、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記ライトガイドは、光ファイバーバンドルを含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
各ライトガイドは、回転可能なコネクタによってそれぞれの照明据え付けメカニズムに回転可能に取り付けられている、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記照明アセンブリは、前記縦方向ハウジングの反対側に備えられた２つの照明アセンブリを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記２つの照明アセンブリの間の間隔は、３０ｍｍ〜３５ｍｍの範囲を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記照明アセンブリは、前記縦方向ハウジングの周囲の環状経路内で照明アセンブリの回転を可能にする回転可能な据え付けメカニズムによって縦方向ハウジングに接続される、請求項２に記載の装置。
【請求項１０】
前記縦方向ハウジングをロボット位置決めアームに接続するための据え付けメカニズムをさらに備える、請求項２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、「ＨＹＰＥＲＳＰＥＣＴＲＡＬ  ＩＭＡＧＩＮＧ  ＤＥＶＩＣＥ」と題し、２０１３年３月１５日に出願された、米国仮出願番号第６１／８００，９１１号の優先権を主張し、その全内容は引用により本明細書に組み込まれる。
本願はまた、「ＥＸＴＥＲＮＡＬ  ＶＩＤＥＯ  ＳＣＯＰＥ  ＦＯＲ  ＰＯＲＴ−ＢＡＳＥＤ  ＳＵＲＧＩＣＡＬ  ＰＲＯＣＥＤＵＲＥＳ」と題し、２０１３年３月１５日に出願された、米国仮出願番号第６１／８００，６９５号の優先権を主張し、その全内容は引用により本明細書に組み込まれる。
本願はまた、「ＩＭＡＧＩＮＧ  ＡＳＳＥＭＢＬＹ  ＦＯＲ  ＡＣＣＥＳＳ  ＰＯＲＴ−ＢＡＳＥＤ  ＭＥＤＩＣＡＬ  ＰＲＯＣＥＤＵＲＥＳ」と題し、２０１３年５月１日に出願された、米国仮出願番号第６１／８１８，２２３号の優先権を主張し、その全内容は引用により本明細書に組み込まれる。
本願はまた、「ＳＹＳＴＥＭＳ，ＤＥＶＩＣＥＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＰＬＡＮＮＩＮＧ，ＩＭＡＧＩＮＧ，ＡＮＤ  ＧＵＩＤＡＮＣＥ  ＯＦ  ＭＩＮＩＭＡＬＬＹ  ＩＮＶＡＳＩＶＥ  ＳＵＲＧＩＣＡＬ  ＰＲＯＣＥＤＵＲＥＳ」と題し、２０１３年３月１５日に出願された、米国仮出願番号第６１／８０１，５３０号の優先権を主張し、その全内容は引用により本明細書に組み込まれる。
本願はまた、「ＳＹＳＴＥＭＳ，ＤＥＶＩＣＥＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＰＬＡＮＮＩＮＧ，ＩＭＡＧＩＮＧ，ＡＮＤ  ＧＵＩＤＡＮＣＥ  ＯＦ  ＭＩＮＩＭＡＬＬＹ  ＩＮＶＡＳＩＶＥ  ＳＵＲＧＩＣＡＬ  ＰＲＯＣＥＤＵＲＥＳ」と題し、２０１３年５月１日に出願された、米国仮出願番号第６１／８１８，２８０号の優先権を主張し、その全内容は引用により本明細書に組み込まれる。
本開示は、光学撮像を使用する低侵襲治療及び画像誘導医療手技における使用のための撮像方法に関し、より詳細には、ハイパースペクトル撮像に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体組織の光吸収及び光散乱の性質は、組織の化学的及び構造的性質の両方並びに相互作用する光の波長に依存する。組織のこれらの吸収及び散乱性質が光に応じてどのように変化するかは、それがしばしば組織中の化学物質又は構造（組織のスペクトル）に一意であるので、特に有用であり得る。例えば、オキシヘモグロビン及びデオキシヘモグロビンの吸収特徴は、血液及び組織の酸素化を測定するために使用され得、異なる細胞サイズによって引き起こされる散乱の変化は、前癌性及び癌性組織を検出するために使用され得る。光に応じた光学的性質におけるこれらの変化を測定する分野は分光学として知られ、様々な波長の光を測定するためのデバイスは分光計として知られる。分光学は、医学における豊富な現在の及び潜在的な用途を見出している。
【０００３】
従来の分光計は、試料の単一点からの光のスペクトルを測定する。しかしながら、複数の空間点からのスペクトルが３Ｄ空間データセット（時にハイパーキューブと呼ばれる）を形成するために組み合わせられ得、ここで、最初の２つの次元は空間であり、３つ目は波長である。即ち、各々の画像ピクセルは、輝度又はＲＢＧ値だけというよりもむしろスペクトル全体を有する。これは、ハイパースペクトル撮像として知られ、空間的に分解された組織の化学的又は微細構造的性質が撮像され得るがゆえに組織のより完全な理解を提供し、組織の区別のための有用な技法であり得る。非特許文献１によると、ハイパースペクトル画像解析（又はハイパースペクトル撮像）が、ルーチンヘマトキシリンエオシン染色標本における良性皮膚組織と悪性皮膚組織（即ち、正常な皮膚と異常な皮膚、良性母斑とメラノーマ）との間のスペクトル差を捜すために適用された。結果は、染色及び薄片の厚さが制御されることを条件に初期データセットにおける全ての皮膚状態が客観的に区別され得ることを明らかにした。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｄｉｃｋｅｒ  ｅｔ  ａｌ，  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｎｏｒｍａｌ  Ｓｋｉｎ  ａｎｄ  Ｍｅｌａｎｏｍａ  ｕｓｉｎｇ  Ｈｉｇｈ  Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｉｍａｇｉｎｇ
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、単色光又は広帯域光によって組織を照明し、組織から反射し返された光を撮像するためのシステム、方法、及びデバイスを提供する。撮像は、白色光撮像又はハイパースペクトル撮像であり得る。システムは、外部ビデオスコープの一部として若しくは外部ビデオスコープ上の補助撮像モジュールとして統合される、スタンドアロンのハイパースペクトル撮像システムである。低侵襲手術に特に適したビデオスコープの様々な要素がまず提示され、続いて、ハイパースペクトル撮像に適したその構成が説明される。
【０００６】
したがって、第１の態様では、術野のハイパースペクトル撮像を行うためのハイパースペクトル撮像装置が提供され、前記ハイパースペクトル撮像装置は、
照明されたエクソスコープであって、
縦方向ハウジングと、
前記縦方向ハウジング内に提供された光学撮像アセンブリと、
前記光学撮像アセンブリによって集められた画像を検出するために前記光学撮像アセンブリにインターフェース接続された撮像カメラと、
前記縦方向ハウジングによって支持された１つ以上の照明源であって、各々の照明源に関連づけられた照明軸が前記光学撮像アセンブリの撮像軸からオフセットされる、１つ以上の照明源と
を備える照明されたエクソスコープと、
遠隔光源と、
前記遠隔光源と光通信するスペクトルフィルタリングデバイスと、
前記スペクトルフィルタリングデバイスの出力と光通信する近位端と１つ以上の遠位端とを有するライトガイドであって、各々の遠位端が照明源と光通信する、ライトガイドと
を備える。
【０００７】
別の態様では、白色光ビデオフィードを提供しながらハイパースペクトル撮像を行う方法が提供され、前記方法は、
上述されたハイパースペクトル装置を提供することであって、前記撮像カメラは、予め選択されたビデオフレームレートを超過するフレームレートを有するものである、ハイパースペクトル装置を提供することと、
ハイパースペクトル画像データを得ながら、
前記予め選択されたビデオフレームレートと等しい収集レートで白色光画像フレームを断続的に収集することと、
前記収集された白色光画像フレームに基づいて白色光ビデオフードをレンダリングすることと
を備える。
【０００８】
別の態様では、医療手技中にアクセスポート内の術野を撮像するためのエクソスコープが提供され、前記エクソスコープは、
縦方向ハウジングと、
前記縦方向ハウジング内に提供された光学撮像アセンブリであって、約２５ｃｍより長い作動距離を備える光学撮像アセンブリと、
前記光学撮像アセンブリによって集められた画像を検出するために前記光学撮像アセンブリにインターフェース接続された撮像ズームカメラと
を備え、
前記光学撮像アセンブリ及び前記撮像ズームカメラは、前記撮像ズームカメラによって集められた画像に関連づけられた最小視野が前記アクセスポートの直径とほぼ等しくなるように構成される。
【０００９】
開示の機能的な態様及び有利な態様の更なる理解が以下の詳細な説明及び図面の参照により実現され得る。
【００１０】
実施形態がここで、図面を参照して単に例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、アクセスポートベースの低侵襲手術をサポートするための例示的なナビゲーションシステムを示す図である。
【図２】図２は、ナビゲーションシステムのシステムコンポーネントを示すブロック図である。
【図３】図３は、ナビゲーションシステムを使用したポートベースの手術手技に含まれる処理ステップを示すフローチャートである。
【図４】図４は、ビデオスコープを使用する例示的な実施形態のポートベースの脳手術を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、カメラカプラと照明オプティックスとを有するビデオスコープの例示的な実施形態である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、外部光源からビデオスコープに光を供給するために使用されるファイバーバンドルの例示的な実施形態である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、ビデオスコープ及び照明アセンブリの例示的な実施形態である。
【図６】図６は、ビデオスコープの例示的な撮像光学サブシステムを示す図である。
【図７】図７は、広視野配列のための照明オプティックス及びフィルタホイールの配列を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、２つの照明源を有するポート及び反射面を有するポートの遠位端で得られた不均一な照明を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、２つの照明源を有するポート及び粗面を有するポートの遠位端で得られたほぼ均一な照明を示す図である。
【図９】図９は、標準的なハイパースペクトル撮像システムを示す例示的な実施形態である。
【図１０】図１０は、ハイパースペクトルデータ及び白色光画像を多重に収集するための方法を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、特定の波長帯域での撮像を示す例示的な実施形態である。
【図１２】図１２は、コンピュータ制御システムの例示的で非限定的な実装を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示の様々な実施形態及び態様が、以下に論じられる詳細に関連して説明される。以下の説明及び図面は、開示を例示するものであり、開示を限定するものとして解釈されるべきでない。多数の具体的な例が、本開示の様々な実施形態の完全な理解を提供するために説明される。しかしながら、ある特定の例においては、本開示の実施形態を簡明に説明するために周知の又は従来からの技術が説明されていない。
【００１３】
本明細書において使用される場合、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ及びｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、排他的ではなく、包含的でオープンエンドであると解釈されるべきである。特に、明細書及び請求項において使用される場合、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ及びｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語並びにその変形は、指定された特徴、ステップ、又はコンポーネントが含まれることを意味する。これらの用語は、他の特徴、ステップ、又はコンポーネントの存在を除外するものと解釈されるべきでない。
【００１４】
本明細書において使用される場合、「例示的な」という用語は、「例、事例、又は実例としての役割を果たす」ことを意味し、本明細書に開示される他の構成より好ましい又は有利であると解釈されるべきでない。
【００１５】
本明細書において使用される場合、「およそ」及び「約」といった用語は、値の範囲の上限及び下限に存在し得るばらつき、例えば、性質、パラメータ、及び寸法におけるばらつきをカバーするように意図される。１つの非限定的な例において、「およそ」及び「約」といった用語は、プラス又はマイナス１０パーセント以下を意味する。
【００１６】
ポートベースの手術は、ポートが、手術ツールを使用して対象の手術領域にアクセスするために導入される、低侵襲手術技法である。腹腔鏡技法といった他の低侵襲技法とは違って、ポートの直径がツールの直径より大きい。それゆえに、対象の組織領域がポートを通じて可視化される。したがって、皮膚面より数センチメートル下の深度の、及び、ポートにおける狭い通路を通じてアクセス可能な、対象領域における暴露組織が、顕微鏡及びビデオスコープといった外部に設置された光学システムを使用して視覚化され得る。
【００１７】
ポートベースの手術手技中の組織を区別する現在の方法は、外部に配置されたビデオスコープを使用した視覚的検証を含む。外科医は手術手技中に組織のタイプを効果的に確認する定量的手段を有しないので、組織の区別は有用であり得る。従来、ハイパースペクトル撮像は、組織における貫入の深度が非常に限られ、経頭蓋に効果的に使用されることができないがゆえに、脳手術における術中の使用を予期されてこなかった。
【００１８】
更に、ポートベースの手術における狭い通路はしばしば、血管が誤って切られた場合に閉塞させられる。これらの事故において、外科医は、現在の手術プロセス（例えば、硬膜の切開、ポートの横後頭溝ナビゲーションのための溝のわずかな牽引、又は腫瘍組織の切除）を中止し、腔のより良好なビューを得るために腔を洗浄することを要求され得る。更に、そのような出血はまた、特定の血管壁が出血を止めるために凝固させられ得るよう外科医が出血の場所を迅速に識別することを制限する。
【００１９】
したがって、本開示のいくつかの態様では、ポートベースの低侵襲手術手技において光学撮像を利用するためのシステム及び方法が提供される。いくつかの実施形態では、そのような手技中に術中の組織の区別及び解析を行うためのハイパースペクトルデバイス及び方法が説明される。
【００２０】
図１は、アクセスポートベースの低侵襲手術をサポートするための例示的なナビゲーションシステムを示す。図１は、ポートベースの低侵襲手術手技の斜視図を示す。図１に示されるように、外科医１０１は、手術室（ＯＲ）環境において患者１０２にポートベースの低侵襲手術を行う。機器タワー、カメラ、ディスプレイ、及び追跡される器具を備えるナビゲーションシステム２００は、外科医１０１をその手技中に支援する。オペレータ１０３もまた、ナビゲーションシステム２００を動作させ、制御し、ナビゲーションシステム２００による支援を提供するために存在する。
【００２１】
図２は、例示的なナビゲーションシステムのシステムコンポーネントを示すブロック図である。図２におけるナビゲーションシステム２００は、ビデオ画像を表示するためのモニタ２１１、機器タワー２０１、光学スコープ２０４を支持する機械アーム２０２を含む。機器タワー２０１は、フレーム（即ち、ラック又はカート）上に据え付けられ、コンピュータ、計画ソフトウェア、ナビゲーションソフトウェア、電源、及び、自動アームと追跡される器具とを管理するためのソフトウェアを含み得る。例示的な実施形態は、デュアルディスプレイ（２１１、２０５）を有するシングルタワー構成として機器タワー２０１を想定しているが、他の構成（即ち、デュアルタワー、シングルディスプレイ、等）もまた存在し得る。更に、機器タワー２０１はまた、常用ＡＣアダプタ電源に加えて、非常用電力を提供するためのＵＰＳ（ユニバーサルパワーサプライ）を有するように構成され得る。
【００２２】
例示的な実施形態の図２はまた、手術手技のリアルタイム記録、異なるソースからの音声、ビデオ、感覚入力、及びマルチモーダル（即ち、ＣＴ、ＭＲ、ＵＳ、等）入力の取り込みを提供する記録モジュール２２０を有する機器タワー２０１を想定している。全ての関連データが、機器タワー２０１で受け取られ、記録モジュール２２０によってメモリに記憶される。手術手技は、最初から自動で記録され得るか、あるいは、オペレータ及び／又はアドミニストレータによって制御され得る。他の実施形態において、手技は（デフォルトで）自動で記録され得るが、手技が完了した後に記録を上書き又は削除するオプションが存在し得る。
【００２３】
患者の脳が頭部保持具２１７によって適所に保持され、アクセスポート２０６及び導入器２１０が頭部に挿入される。導入器２１０は、追跡システム２１３を使用して追跡され、追跡システム２１３は、ナビゲーションシステム２００のための位置情報を提供する。追跡システム２１３は、Ｎｏｒｔｈｅｍ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｍａｇｉｎｇ（ＮＤＩ）によって製造されたカメラと同様の３Ｄ光学追跡ステレオカメラであり得る。機械アーム２０２及びポート２０６の場所データは、これらのツール上に配置されたフィデューシャルマーカー２１２の検出により追跡システム２１３によって決定され得る。二次ディスプレイ２０５は、追跡システム２１３の出力を提供し得る。出力は、マルチビューディスプレイの一部として軸方向ビュー、矢状ビュー、及び冠状ビューで示され得る。
【００２４】
アクセスポートを使用する低侵襲脳手術は、以前は手術不能と考えられていた脳腫瘍の手術を行う、最近想起された方法である。アクセスポートを脳の中に導入するために、非外傷性先端を有する導入器２１０が、アクセスポート内に位置決めされ得、頭部内でアクセス部分を位置決めするために用いられ得る。上述されているように、導入器２１０は、図２に提示されているように、追跡のためのフィデューシャルマーカー２１２を含み得る。フィデューシャルマーカー２１２は、光学追跡システムのケースでは反射球体であり得、又は、電磁追跡システムのケースではピックアップコイルであり得る。フィデューシャルマーカー２１２は、追跡システム２１３によって検出され、それらのそれぞれの位置が追跡ソフトウェアによって推論される。
【００２５】
脳の中に挿入されると、導入器２１０は、アクセスポートの中央開口を通じた組織へのアクセスを可能にするために取り除かれ得る。しかしながら、導入器２１０が取り除かれると、アクセスポートはもはや追跡されることができない。したがって、アクセスポートは、ナビゲーションシステム２００による識別のために構成された追加のポインティングツールによって間接的に追跡され得る。
【００２６】
図２では、アクセスポート２０６を保持するためのガイドクランプ２１８が提供され得る。ガイドクランプ２１８は、オプションで、患者からアクセスポートを取り除く必要なしにアクセスポート２０６と係合及び係合解除され得る。いくつかの実施形態において、アクセスポートは、閉位置にある間クランプ内を上下にスライドし得る。係止メカニズムが、以下において更に説明されるように、ガイドクランプに取り付けられるか又は統合され得、オプションで、片手で動かされ得る。
【００２７】
再び図２を参照すると、小さな関節アーム２１９が、ガイドクランプ２１８を保持するための取り付け点と共に提供され得る。関節アーム２１９は、ガイドクランプ２１８を位置決めするために最大６の自由度を有し得る。関節アーム２１９は、適所に係止された場合にガイドクランプ２１８が患者の頭部に対し動かないことを保証するために、患者頭部保持具２１７又は別の適切な患者支持具に基づいて、ある点に取り付けられ得るか又は取り付け可能であり得る。ガイドクランプ２１８と関節アーム２１９との間のインターフェースは、フレキシブルであり得るか、又はオプションで適所に係止され得る。フレキシビリティが所望されるので、アクセスポートは脳内の様々な位置に移動させられ得るが、それでもなお固定点の周りを回転し得る。
【００２８】
この機能を達成し得るそのようなリンクの例は、細長いバー又はロッドである。アクセスポート２０６が様々な位置に移動させられると、バー又はロッドは、そのような曲げに抵抗し、アクセスポート２０６を移動させて中心位置に戻し得る。更に、オプションのカラーが関節アームとアクセスポートガイドとの間のリンクに取り付けられ得るので、係合させられた場合、リンクは強固になる。現在、そのような手法によるアクセスポートの位置決めを可能にするメカニズムは存在しない。
【００２９】
図３は、ナビゲーションシステムを使用したポートベースの手術手技に含まれる処理ステップを示すフローチャートである。第１のステップは、ポートベースの手術計画をインポートすることを含む（ステップ３０２）。手術計画を作成及び選択するための処理の詳細な説明は、引用によりその全内容が本明細書に組み込まれる、「ＰＬＡＮＮＩＮＧ，  ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮ  ＡＮＤ  ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＭＩＮＮＩＭＡＬＬＹ  ＩＮＶＡＳＩＶＥ  ＴＨＥＲＡＰＹ」と題する国際特許出願番号ＰＣＴ／ＣＡ２０１４／０５０２７２号に概説されており、それは、米国仮特許出願番号第６１／８００，１５５号及び第６１／９２４，９９３号の優先権を主張し、それらは両者とも引用によりそれらの全内容が本明細書に組み込まれる。
【００３０】
上に概説されている例示的な計画は、術前３Ｄ撮像データ（即ち、ＭＲＩ、超音波、等）と、受け取られた入力（即ち、溝侵入点、目標場所、手術結果基準、追加の３Ｄ画像データ情報）をその上にオーバーレイすることと、予定される手術経路のために計算されたスコアに基づいて１つ以上の軌跡経路を表示することとで構成され得る。上述された手術計画は一例であり得、他の手術計画及び／又は方法もまた想定され得る。
【００３１】
計画がナビゲーションシステムにインポートされると（ステップ３０２）、患者が、頭部又は胴体保持メカニズムを使用して定位置に固定される。頭部位置はまた、ナビゲーションソフトウェアを使用して患者計画により確認される（ステップ３０４）。
【００３２】
図３に戻ると、次のステップは、患者の位置合わせを開始することである（ステップ３０６）。「位置合わせ」又は「画像位置合わせ」という句は、データの異なるセットを１つの座標系に変換する処理のことを言う。データは、複数の写真、異なるセンサからのデータ、時間、深度、又は視点であり得る。「位置合わせ」の処理は、本願では、異なる撮像モダリティからの画像が共に位置合わせされる医療撮像のために使用される。位置合わせは、これらの異なるモダリティから得られたデータの比較又は統合を可能とするために必要である。
【００３３】
当業者は、多数の利用可能な位置合わせ技法が存在すること、それらの１つ以上が本願で使用され得ることを理解するであろう。非限定的な例は、相関メトリックによって画像における輝度パターンを比較する輝度ベースの方法を含む一方で、特徴ベースの方法は、点、線、及び輪郭といった画像特徴間の対応を見出す。画像位置合わせアルゴリズムはまた、それらが目標画像空間を参照画像空間に関係づけるために使用する変換モデルに従って分類され得る。別の分類が、シングルモダリティ方法とマルチモダリティ方法との間でなされ得る。シングルモダリティ方法は典型的に、同一のスキャナ／センサタイプによって収集された同一のモダリティにおける画像を位置合わせし、例えば、一連のＭＲ画像が共に位置合わせされ得る一方で、マルチモダリティ位置合わせ方法は、例えば、ＭＲＩ及びＰＥＴにおける、異なるスキャナ／センサタイプによって収集された画像が位置合わせするために使用される。本開示では、マルチモダリティ位置合わせ方法が頭部／脳の医療撮像において使用されるが、これは、対象物の画像が異なるスキャナから頻繁に得られるからである。例は、腫瘍局在のための脳のＣＴ／ＭＲＩ画像又はＰＥＴ／ＣＴ画像の位置合わせ、コントラストが向上させられていないＣＴ画像に対するコントラストが向上させられたＣＴ画像の位置合わせ、並びに、超音波及びＣＴの位置合わせを含む。
【００３４】
位置合わせが確認されると（ステップ３０８）、患者がドレープされる（ステップ３１０）。典型的にはドレープは、手術手技中に滅菌野を作成及び維持するために滅菌バリアによって患者及び周辺区域をカバーすることを含む。ドレープの目的は、非滅菌区域と滅菌区域との間の微生物（即ち、細菌）の通過を無くすことである。
【００３５】
ドレープが完了すると（ステップ３１０）、次のステップは、患者の係合点を確認すること（ステップ３１２）、続いて開頭術を準備して計画すること（ステップ３１４）である。
【００３６】
開頭術ステップの準備及び計画が完了すると（ステップ３１２）、次のステップは、開頭術を行うことであり（ステップ３１４）、ここでは、脳にアクセスするために骨弁が頭蓋骨から一時的に取り除かれる（ステップ３１６）。位置合わせデータが、このポイントでナビゲーションシステムにより更新される（ステップ３２２）。
【００３７】
次のステップは、開頭内の係合と動作範囲とを確認することである（ステップ３１８）。このデータが確認されると、手技は、係合点において硬膜を切断して脳溝を特定する、次のステップに進む（ステップ３２０）。位置合わせデータがまた、このポイントでナビゲーションシステムにより更新される（ステップ３２２）。
【００３８】
一実施形態において、カメラの注視を対象の手術区域にフォーカスすることにより、この位置合わせ更新は、（対象の）術野の外の区域に影響を及ぼすいずれの不均一な組織変形をも無視しながら、その領域のための最良のマッチを保証するように、操作され得る。加えて、組織のオーバーレイ表現を関心の組織の実際のビューとマッチングすることにより、特定の組織表現がビデオ画像とマッチングされ得るので、関心の組織の位置合わせを保証するのに役立つ。
【００３９】
例えば、開頭後の脳（即ち、露出した脳）のビデオが、撮像された溝マップとマッチングされ得、露出した血管のビデオ位置が、血管の画像セグメンテーションとマッチングされ得、病変又は腫瘍のビデオ位置が、腫瘍の画像セグメンテーションとマッチングされ得、及び／又は鼻腔内の内視鏡検査からのビデオ画像が、鼻部内位置合わせ（アライメント）のために鼻腔上の骨表面の骨のレンダリングとマッチングされ得る。
【００４０】
他の実施形態では、複数のカメラが使用され、追跡される器具（単数又は複数）のビューによってオーバーレイされ得るので、データの複数のビューとオーバーレイとが同時に提示されることを可能にし、それは、位置合わせにおけるより一層大きな信頼、又は、より多くの次元／ビューにおける補正、の提供に役立ち得る。
【００４１】
その後、カニューレ挿入プロセスが開始される（ステップ３２４）。カニューレ挿入は、典型的には、軌跡計画に沿ってステップ３２０で識別された溝経路に沿って、脳にポートを挿入することを含む。カニューレ挿入は、ポートを係合にアライメントさせ、計画軌跡を設定するステップ（ステップ３３２）と、続いて、完全な軌跡計画が実行されるまで（ステップ３２４）目標深さにカニューレ挿入するステップ（ステップ３３４）とを繰り返すことを含む、反復プロセスである。
【００４２】
図３に戻ると、外科医が続いて、脳の一部及び／又は対象の腫瘍を取り除くために切除を行う（ステップ３２６）。切除（ステップ３２６）は、細かい切除と粗い切除との両方を含む継続的ループである（ステップ３３６）。次のステップは、細かい切除又は粗い切除（ステップ３３６）のいずれでも行われ得るハイパースペクトル撮像（ステップ３３８）を含む。ハイパースペクトル撮像（ステップ３３８）は、組織の区別の形態として使用され、外科医が癌性幹細胞を調べるのを支援し得る。更に、外部ビデオスコープの一部として又は別個のモジュールとしてのいずれかで術中の組織をハイパースペクトル撮像することが可能であることは、組織の吸収を使用して化学撮像を行うこと、散乱性質に基づいて組織を区別すること、及び／又は、減じられた吸収若しくは散乱性質を有する波長での撮像により視覚化を改善すること、を提供し得る。
【００４３】
切除が完了すると（ステップ３２６）、外科医が続いて、脳からポート及び任意の追跡器具を取り除くことにより、カニューレを抜く（ステップ３２８）。最後に、外科医は、硬膜を閉じ、開頭を完了する（ステップ３３０）。
【００４４】
図４は、ビデオスコープを使用した例示的なポートベースの脳手術手技を示す。図４において、典型的には外科医であるオペレータ４０４は、ビデオスコープ４０２をピアダウンポート４０６にアラインメントさせるであろう。ビデオスコープ４０２は、調節可能な機械アーム４１０に取り付けられ得る。ポート４０６は、それに取り付けられた追跡ツール４０８を有し得、ここで、追跡ツール４０８は、ナビゲーションシステムの追跡システムによって追跡される。
【００４５】
ビデオスコープ４０２が一般的に内視鏡であっても又は顕微鏡であっても、これらのデバイスは、手術手技が限られた空間にわたって行われ、低侵襲脳手術によるケースのように長い期間にわたって行われる場合、光学的及び人間工学的な制限がある。
【００４６】
図５Ａは、レンズアセンブリ５１１（後に説明される）と２つの照明供給点５１２とで構成されたビデオスコープの設計を示す。レンズアセンブリ５１１は、近位端における密閉窓５０１を有する接眼レンズ端で終わる。密閉窓５０１は、ＯＲデバイスが蒸気清浄可能でなくてはならないので、水密の維持を助けるために、典型的には水晶で作られる。接眼レンズ端はまた、カメラ（図示せず）のための標準化された据え付け点を提供するカメラカプラ５０５を有する。カメラは、標準精細度（ＳＤ）、高精細度（ＨＤ）、又は超高精細度（ＵＨＤ）カメラであり得る。別の実施形態において、カメラは、光干渉断層撮影（ＯＣＴ）又は偏光センシティブＯＣＴといった他の撮像技術によって置き換えられ得る。レンズアセンブリの遠位端もまた、遠位端における透き通った窓５１３によって密閉される。遠位端はまた、照明オプティックス５１２を支持する。代替の実施形態において、遠位端にはまた、オプションで、偏光センシティブ撮像を可能にするために偏光フィルタが固定される。
【００４７】
照明オプティックスは、コネクタ５１０のペアを使用して回転可能に取り付けられたファイバーバンドル５０７を備える。コネクタ５１０は、可脱スリーブ５０８を使用してレンズ５０９とファイバーバンドル５０７の先端との間の固定距離を維持しながら、ファイバーバンドルがコネクタ内で自由に回転することを可能にする（図５Ｃにおける５７０）。この回転運動は、ビデオスコープが保持システム（図示せず）又は図４に見られる機械アーム４１０上で移動させられる際のファイバーバンドルへのひずみを減じるであろう。回転可能なコネクタ５１０はまた、機械アーム４１０が手術手技中に移動させられる際、容易なケーブル管理に役立つ。照明オプティックスは、可能な限り対物レンズの近くに配置される。オプティックス間の間隔の１つの非限定的な例は、レンズ５０９の中心間で約３０〜３５ｍｍ又は３２〜３４ｍｍであり、ここで、レンズ５０９の直径は、約１５ｍｍである。この構成は、ビデオスコープの遠位端が手術ポートの底部から２５ｃｍと４０ｃｍとの間にある場合に最大輝度で手術ポートの底部を照明するのに最適である。光学補償器５０３は、蒸気清浄中の光学コンポーネントへの応力を制御する熱補償器としての役割を果たすために使用される。保持器５０６は、レンズアセンブリに機械的応力を導入せずにビデオスコープを保持及び操作するために握りやすいアセンブリを提供する。レンズアセンブリは、通常の使用及び清浄中に蒸気及び液体が入ることを回避するために、密閉された鏡胴５１１に入れられる。回転可能な取り付けメカニズム５１０は、カメラが手動で移動させられた場合、又はロボット位置決めシステムに据え付けられた場合、ファイバーバンドルの自由な回転を可能にする。これが今度は、破損しやすいファイバーバンドルへの過度の応力を回避する。
【００４８】
図５Ｃは、ビデオスコープの鏡胴５０２の周囲を放射状に回転すること５６０を照明アセンブリ５６５に可能にさせる機能を実現するための非限定的な例を示す。照明アセンブリ５６５は、ビデオスコープの両側の２つのファイバーバンドル５０７、据え付けメカニズム５０８、及びレンズ５０９（図５Ａに示す）を備える。これは、照明の放射状の向きを調節し、照明アセンブリを、それが手術空間の外科医のビューを最小限に遮るように、向かせることを、外科医に可能にさせる。照明アセンブリは、取り外し可能なクランプ５５５及び関連づけられた係止具５５０を使用して４１０のような外部位置決めメカニズムにビデオスコープを固定することにより、ビデオスコープを回転させずに、自由に回転させられ得る。取り外し可能なクランプの遠位端５５５及び関連づけられた係止具５５０は、ねじメカニズム又は任意の他の機械的な締結メカニズムを使用して共に対合させられ得る。取り外しクランプの近位端（図示せず）は、外部位置決めメカニズム４１０に固定され得る。この設計においてコネクタ内のファイバーバンドルの回転５７０と共に可能にさせられる回転５６０は、可視手術空間の最小限の遮断を有するビデオスコープの位置決め及び向きを可能にし、動いている間のファイバーバンドルでのひずみを最小化する、ということに更に注意すべきである。最後に、照明アセンブリ５６５は、リングライト又は単一の照明点といった代替の構成と置き換えられ得る。リングライトは、対物レンズの円周の周囲の光ファイバーバンドルからのファイバーストランド（図示せず）の環状配列によって実現され得る。単一の照明点は、設計からの２つのスプリットファイバーバンドル５０７の１つの取り外しによって実現され得る。
【００４９】
照明アセンブリは好ましくは、ビデオスコープから離れたところに設けられた光源から入力された光を受け取る。これは、外部スコープの総重量を減じ、手動の位置決めシステム（図示せず）又は機械アーム４１０によるビデオスコープの容易な操作を可能にする。光源からの光は、ファイバーバンドルの使用によりビデオスコープに供給される。図５Ａにおける照明オプティックス５１２によって表された２つの供給点の存在は、２つにスプリットされたファイバーバンドルの使用を必要とする。ファイバーバンドルのこの設計はまた、Ｙケーブルとして知られている。このＹケーブル設計の例示的な実施形態が、図５Ｂに示される。図５Ｂにおいて、回転可能な接続５０８は、Ｙケーブルの２つの遠位端にて締結器５１０上に提供され、バンドルの破損を回避するためにファイバーバンドルを自由に回転させるためのメカニズムを提供する。ひずみ緩和器５２７は、２つの遠位端とＹ接合部５３１との間のバンドルの曲げ半径５２９の最小限度を維持するのに役立つ。Ｙ接合部５３１は、ファイバーバンドル５０７での曲げひずみの低減に役立つ。ひずみ緩和器５３３も同様に、Ｙケーブルの近位端におけるコネクタ５３５付近の曲げひずみの低減を助ける。断面５２５及び５３７は、Ｙケーブルの２つの端にてファイバーバンドルを照明する。ケーブルの長さは、２つの端から等距離のところに配置されたＹ接合部５３１との少なくとも４０ｃｍであり得る。この寸法は、ファイバーバンドルの過度の長さに起因する光の損失を最小化すると同時に、機械アーム４１０から十分に離れたところでのカート又は器具類タワー２０１上の光源の配置を提供する。
【００５０】
図６は、対物レンズ６００（フロントレンズ）の直径を制限するビデオスコープの光学設計を示す。この設計は、対物レンズのすぐ隣の照明オプティックスの据え付けを可能にするので、照明ビームは、組織から反射された光の戻り経路とほとんど共線であり得る。照明ビーム及び反射されたビームは、最大照明がアクセスポート４０６の底部に供給されるように、可能な限り共線でなくてはならない。最後に、光学設計は、ビデオスコープ４０２全体を外科医の視野に最小限に侵入させ、外科医による手術空間への容易なアクセスを容易化するために、レンズアセンブリの長さが最小化されるよう、制約される。この制約は、設計プロセス中にレンズアセンブリの利用可能な最大物理長を利用することによりズームを最大化する、従来の光学的設計技法では困難である。本開示の光学的設計は、対物レンズ６００、リレーレンズ６０２、及び接眼レンズ６０４からなる従来の内視鏡システムからの改造である。光学アセンブリのズームパラメータは、（最大ズームに対応する）最小視野が約１３ｍｍと等しくなるように選ばれる。この直径は、手術ポートの直径である。１３ｍｍの視野は、２５ｃｍの最小作動距離で達成されることを必要とし、ここで、最小作動距離は、ビデオスコープ（図４における４０２）の遠位端と手術ポート（図４における４０６）の底部との間の距離として定義される。図５Ａにおいて説明されているように、カプラ５０５は、接眼レンズ端（図６において「Ｅ」と示されている）にカメラを取り付けるために使用される。対物レンズの光学設計は、１つのダブレットと１つのシングレットとで構成され、リレーレンズは、１つのダブレットと１つのシングレットとで構成され、接眼レンズは、２つのシングレットと１つのダブレットとで構成される。いずれの製造誤差も、対物レンズとリレーレンズとの間に配置された１つの光学補償器５０３を使用して補償される。光学サブアセンブリの長さは、より高倍率のレンズ及びより低倍率のレンズのグループの使用により最小化される。
【００５１】
手術手技のタイプは、広視野（ＷＦＯＶ）又は狭視野（ＮＦＯＶ）のビデオスコープのいずれかを決定する。例えば、首の手術は、広い面積がビデオスコープによって取り込まれるＷＦＯＶビデオスコープから恩恵を受け得る一方で、ポートベースの脳手術は、ＮＦＯＶビデオスコープから恩恵を受け得る。１つのデバイスを使用してこれらの設計要件の両方に対処しようと試みる代わりに、２つの別個の設計が、それらがいくつかのサブコンポーネント及び製造プロセスを共有するように開発され得る。それゆえに、いくつかの設計要素及び組み立て手順を共有しながら２つの異なる設計を製造することが経済的である。ＷＦＯＶ及びＮＦＯＶ設計は両者とも、図５Ａに見られる、同様の光学照明システム５１２を共有する。ＷＦＯＶ設計は、カメラカプラ５０５にカメラを取り付けることにより実現され得る。カメラのズーム調節が、このケースにおいて視野を決定するために使用される。
【００５２】
図７は、非同軸照明源を有するアセンブリを示す。照明システム７１０は、図５Ａに示されたのと同様の設計であり、ファイバーバンドル７０４（その遠位部分のみが図には示されている）からなる。空気で満たされた不透明なチューブ（光学チューブとしても知られる）７０２が、照明メカニズムをカプラ５０５に取り付けられたカメラから離して位置決めするために使用される。任意の必要とされる拡大が、ＷＦＯＶアプリケーションのためにカメラレンズ（図示されていないが、典型的にはカメラカプラに取り付けられる）によって提供され得る、ということに注意すべきである。光学チューブの遠位端の平面７０６と照明オプティックスの平面７０８との間の少なくとも１ｍｍである有限空間は、照明光を、カメラ入力に直接到達しないように隔離するのに役立つ。ＷＦＯＶオプティックスの寸法は、照明が反射光の経路とほぼ同軸にはならないようなものであろう、ということに更に注意すべきである。これは、ＷＦＯＶは、（約１３ｍｍである）ポートのそれより広い手術空間を観察するために使用されるので、この構成における限定ではない。それゆえに、一般的な照明で十分である。カメラの近くへの照明源の配置は、頭上の手術ライトの使用と比較すると手術区域の照明を改善し、手術空間の外の区域からのまぶしさを回避する。追加のコンポーネント７１２及び７１４の役割は、ハイパースペクトル撮像の文脈で以下に説明される。
【００５３】
ビデオスコープの別の実施形態において、ビデオスコープの遠位端のすぐ隣に配置される照明源は、ルミナンス発光ダイオード又はスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）（図示せず）といった光源を用い得る。光源は反射光路（レンズ及びカメラアセンブリに入射する光路）と同軸ではないので、光源は、関心の焦平面に照準を定められるか又はステアリングされなくてはならない。そのようなステアリングは、図５Ａに示された可動ファイバーバンドルマウント５１０を使用して達成され得る。
【００５４】
ポートベースの撮像におけるそのような外部に設置された照明源の適用は、いくつかの困難を導入する。まず、ポートの壁は、部分反射又は全反射のいずれかである。これは、より高い輝度の入射光を有する、撮像面における局在化された領域を導入する。そのような領域は一般的に、ホットスポットとして知られる。そのような高輝度領域は、これらが、センサを飽和させ、それゆえにカメラメカニズムにおけるセンサのダイナミックレンジを制限する傾向があるので、回避することが所望される。センサの飽和は復元できない情報損失という結果を生じるので、輝度を正規化する後処理の使用は最適ではない。高輝度領域の存在は、光を拡散させるポート壁上の表面テクスチャの使用により減じられ得る。ポート壁上の滑らかな表面テクスチャ及び粗い表面テクスチャの使用の影響が、それぞれ、図８Ａ及び図８Ｂに示される。テクスチャを出された壁からの結果として生じる反射は、ランバート反射と呼ばれる。図８Ａ及び図８Ｂに提示された評定は、レイトレーシングツールを使用して行われたものであり、組織の表面（ポートの遠位端）において結果として生じる光の輝度が、熱マップ又は擬似色を使用して視覚化されており、ここで、高輝度は白に対応し、低輝度は黒に対応する。
【００５５】
ポートの底部で均一に照明するための別のアプローチは、レイトレーシングのような一般に知られる最適なモデリング方法を使用して光線をモデル化し、手術ポートの底部でのホットスポットを最小化する光源の最適な向きを確立することである。光源の向きは、図５Ａに示されたようなビームステアリングメカニズムを使用して修正変更され得る。あるいは、ロボット位置決めシステムがこのステアリングを達成するために使用され得る。
【００５６】
ポートベースの撮像はまた、血液、ＣＳＦ、又は他の流体の存在に起因する脳組織の全部ではないが一部の領域の高反射性によって制限される。後者のケースでは、初期画像は、高輝度の反射光を有する領域を識別するために収集され得、この情報は、入射光を均一に分散させようとする試みにおいて光源の方向を位置決めし直すために使用され得る。上述されているように、白色光を使用した撮像は、手術室ではいくつかの困難を有する。これらの困難のいくつかは、観察される光のスペクトルレンジを制限すること、又は、手術室において人体組織を視覚化するために選択された波長帯域を適切に組み合わせることにより、克服され得る。
【００５７】
図９は、ハイパースペクトル撮像ケイパビリティに対応するように適合させられているビデオスコープを示す。この実施形態では、手術の文脈、例えば、（血餅を検出するために）血液がよく吸収される照明空間領域が選択されたか、又は（過度の光散乱を回避するために）透過的な照明空間領域が選択されたか、に基づいて適合させられる、同調可能な光源が使用され得る。
【００５８】
図９は、１つのそのようなシステムを示す。同調可能な光源は主に、広帯域光源１１００、スペクトル分離メカニズム１１４０、スペクトルフィルタリングメカニズム１１５０、及びフィルタリングされた周波数帯域を組み合わせるためのメカニズム１１７０で構成される。組み合わせるメカニズムは、レンズと、ファイバーバンドル５０７を通じて伝送される１つのビームに反射波長帯域の全てを混合する、ファイバーバンドルとからなる。光源１１００からの光は、狭ビームを発生させるためにスリット１１１０を通過させられる。この光は続いて、光学素子１１２０及び１１３０を使用してコリメートされる。コリメートされたビームは続いて、プリズム（図示せず）、反射格子、又は透過格子を使用して、そのスペクトル成分にスプリットされる。
【００５９】
図９は、反射格子１１４０の使用を示す。空間的に分離させられたビームの一部を選択的に反射することにより、空間的に分離させられたビームがフィルタリングされる。これは、Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｉｎｃ）のような空間光変調器、ＳＬＭ１１５０を使用して達成される。ＳＬＭは、鏡としての役割を果たすために電子的に活動化され得るか、又は不透明な表面としての役割を果たすために非活動化され得る、マイクロミラーのアレイで構成される。それゆえに、活動化されたマイクロミラーのパターンに基づいて、スペクトルの特定の部分が反射される一方で、他の領域は抑制される。今スペクトルの選択的な部分で構成されているビームが、焦点調節オプティックス１１６０及びコンバイナ１１７０を使用して組み合わせられる。
【００６０】
再び組み合わせられたビームは、空間光変調器、ＳＬＭ１１５０によって選択的に反射された波長のみで構成されている。この光は、外部スコープに取り付けられた照明器コネクタ及びレンズメカニズム５１０にライトパイプ５０７を介して光を伝送することにより、撮像システム又は外部スコープの照明源として使用され得る。図９に示されたビデオスコープは、例示を単純にするために２つの照明器コネクタ５１０の１つのみへのライトパイプ５０７の接続を示している、ということに注意すべきである。ライトパイプをビデオスコープに接続する詳細は、図５Ａにおいて更に説明される。
【００６１】
組織１１９８からの反射光が、レンズアセンブリ５０２で構成された外部スコープによって取り込まれる。図５Ａで詳述されているようにレンズアセンブリが構成され、この光は、一般的には電荷結合素子ＣＣＤである高分解能検出器１１２５を使用して取り込まれる。ＳＬＭによって反射される波長の特定の帯域は、コンピュータ１１８５の指揮下にあるＳＬＭコントローラ１１８０によって制御される。同一のコンピュータが、検出器１１２５からの画像を収集するために使用される。それゆえに、コンピュータは、材料１１９８の照明を光の単数又は複数の特定の波長帯域に同期させ、対応する反射光を収集し得る。照明の波長と収集される画像とのこの関連づけは、各々の画像が２Ｄ又は１Ｄ画像であり、３つ目の次元が照明の波長帯域（単数又は複数）に対応するインデックスである、ハイパースペクトル画像を構成するために使用され得る。ＳＬＭ内に設けられた個々のマイクロミラーは４ｋＨｚほどの高さのレートで動作させられ得るので、視野の後続フレームは異なる波長帯域で得られうる。
【００６２】
更に、収集されるフレームのいくつかは、組織の白色光照明のために用いられ得る。これは、白色光フレームがハイパースペクトル画像フレームを集めながら断続的に得られる場合に人間の観察者によって知覚される滑らかなビデオ再生を提供するのに十分な高さのフレームレートで収集カメラを動作させることにより可能である。例えば、いくつかの非限定的な例において、フレームレートは、ハイパースペクトルデータを得ながらのそのようなフレームレートでの白色光ビデオ収集をサポートするために、毎秒２０フレームより高く、毎秒２４フレームより高く、又は毎秒３０フレームより高く選択され得る。例えば、２０ｆｐｓより高いカメラフレームレートでは、白色光画像は、１／２０秒毎に収集され得、任意の追加のフレームは、特定の波長帯域を使用した収集のために割り振られ得る。白色光ビデオフィードが続いて、集められた白色光画像に基づき、別個に生成され、表示され得る。これは外科医に、異なる波長帯域の任意の追加の画像を多重に収集しながら手術区域の白色光画像を連続して見ることを可能にさせる。白色光画像ストリーム（又はビデオ）は、１つのディスプレイ又はディスプレイのサブセクションで見られ得、他の波長帯域を使用して収集された他の画像は、第２のディスプレイ又は同一のディスプレイの第２のサブセクションで見られ得る。
【００６３】
個々の波長帯域は、重複しない個々の波長帯域、又は、重複し得る帯域の組み合わせで構成され得る。あるいは、収集されたフレームの少なくとも１つは、光源の全波長帯域を使用した対象材料１１９８の照明１１９７に対応し得る。全波長帯域はまた、コンバイナ１１７０から発出された出力光における全ての輝度が全スペクトルにわたって一貫していることを保証するために正規化され得る。これは、ホワイトバランシングとして知られる。要するに、同一の光学メカニズムが、収集された画像シーケンスにおいて互いの間に散在するハイパースペクトル画像と白色光画像とを収集するために使用され得る。この実施形態は、あるビームがハイパースペクトル撮像システムによって取り込まれる一方で他のビームは白色光カメラによって取り込まれるよう、収集されたビームを別個の経路にスプリットする必要を無くす。これは、システムのスペクトル整形部が、光源からの出力光を運ぶためのライトパイプを使用して撮像システムから分離させられ得るので、光学システムの設計の複雑性を減じ、システムをよりコンパクトにするのを助ける。撮像されている試料１１９８は、生体外組織試料、又は、頭蓋骨に挿入されたポートベースの神経外科的アクセスによって暴露され得る脳組織の一部であり得る、ということに注意すべきである。
【００６４】
ハイパースペクトルデータと白色光画像（又はビデオ）とを多重に収集するために使用されるソフトウェアシステムが、図１０に示される。まず、所定の波長のレンジ（波長帯域）がテーブルに記憶される（ステップ１２００）。続いて、照明のための特定の周波帯がテーブルから選択される（ステップ１２２０）。このテーブルにおける各々のエントリが、別のテーブルを使用して活動化される必要のある特定のマイクロミラー（ステップ１２１０）をルックアップするために使用される（ステップ１２３０）。それゆえに、特定の波長帯域に関連づけられたマイクロミラーのみが活動化される（ステップ１２４０）。マイクロミラーの活動化はそれを、不透明な表面の代わりにマイクロ反射器にする。それゆえに、試料（図９における１１９８）は、特定の波長帯域で構成された光（図９における１１９７）によって照明される。テーブル（ステップ１２００）はまた、空間光変調器（ＳＬＭ）全体を活動化するエントリを含み得る。このケースでは、ＳＬＭが、光源の全帯域幅のための鏡としての役割を果たし、収集される画像は、白色光照明に対応するであろう。
【００６５】
図１０に戻ると、照明された試料からの反射光が、同一のコンピュータによって収集され（ステップ１２５０）、特定の波長帯域に関連づけられる（ステップ１２６０）。収集された画像を白色光画像（ビデオ）の一部又はハイパースペクトル画像データセットの一部として適切に分類するために、収集された各々の画像のために使用された照明のタイプ（白色光対特定の波長帯域）が質問される（１２７０）。収集された画像が狭い波長帯域に対応する場合には、それは、ハイパースペクトル画像セットの一部として記憶される（ステップ１２８０）。画像が白色光照明に対応する場合、それは白色光画像として記憶されるか、又は、そのような画像のストリームがビデオストリームを表現するために取り込まれ得る。この収集は、波長帯域の全てが試料材料を照明するために順次使用されるまで繰り返される（ステップ１２１５）。それゆえに、結果として生じる画像セットは、全てが同一のハードウェアを使用して収集された、ハイパースペクトル画像セット（ステップ１２８０）と白色光画像セット（ステップ１２９０）との両方で構成されるであろう。
【００６６】
理想的には、ビデオストリームは、外科医にちらつきのないビデオを提供するために毎秒少なくとも３０フレームである必要がある。毎秒合計４０フレームが収集される場合、追加の１０フレームは、別個の又は重複する１０個の波長帯域に対応する画像を記憶するために使用され得る。それゆえに、収集システムの合計フレームレートが毎秒ｎフレームである場合、ｎ−３０フレームが、ハイパースペクトル画像データセットにおけるｎ−３０個の波長帯域に向けて割り振られ得る。
【００６７】
図９に示された同調可能な光源１１１０の代替例は、単色であり得るか、紫外線（ＵＶ）、可視、及び／又は近赤外線（ＮＩＲ）波長にわたり得るか、連続波であり得るか、又はパルスにされ得、自由空間若しくはファイバー結合メカニズムを使用して組織を照明するために使用される。
【００６８】
別の実施形態において、特定の波長帯域は、離散波長フィルタ（オンフィルタホイール若しくは空間オンチップフィルタ）、液晶フィルタ、分光器／分光計／スペクトル格子、空間変動格子、ファイバー結合分光計といったスペクトル要素を使用して広帯域光源からの反射光をフィルタリングすることにより収集され得る。
【００６９】
図７はまた、電動式であり得る離散フィルタ７１２（回転可能なフィルタホイール７１４に取り付けられている）の実現を示す。このフィルタメカニズムは、ビデオスコープの遠位端に取り付けられる。ビデオスコープへの入力における離散フィルタの別の代替例は、狭い波長レンジしか通さない、液晶ベースの同調可能な波長フィルタ（図示せず）である。このフィルタは、多数の異なる波長に同調させられることができ、フィルタが同調させられた各々の波長のための画像が収集されるので、離散フィルタと同様の手法で動作する。更なる別の実施形態では、別個の入力光がその構成波長を入力する、回折格子ベースのシステムが、図９に示されたカメラ１１２５の代わりに使用され得る。撮像分光計システムは、撮像されている範囲にわたるシステムの入口スリットをスキャニングすることに依拠する。かくして、収集時間はスキャニング時間によって制限される。分光計の入口スリットは、自由空間、又は、光路に結合されたファイバー、のいずれかであり得る。アレイツーラインのファイバーマッピングが利用される場合、全ての空間情報及びスペクトル情報を同時に収集することが可能である。分光計はあるいは、特殊化された回折格子が単一の収集で全てのピクセルからのスペクトルを集めることを可能にする、空間変動格子を装備され得る。格子は、変動する回折方向を各々が有するいくつかの空間格子に分割される。これらの格子領域の各々からの回折光を取り込む画像が収集され、この画像が続いて、ハイパースペクトルデータセットを形成するために再構成される。
【００７０】
カメラ１１２５の非限定的な例は、高精細度（ＨＤ）又は超高精細度（ＵＨＤ）までの分解能を有する単色ビデオカメラ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＩｎＧａＡｓ、又はＨｇＣｄＴｅデバイスを含む。
【００７１】
共焦点ハイパースペクトル撮像システムの別の態様は、組織表面全体がラスタパターンでスキャンされる必要がないことである。代わりに、妥当なマッチが予め定義されたデータクラスに対し見出されるまでランダムスポットが蓄積され得る。これは、ハイパースペクトル撮像に関連づけられたデータ収集時間を著しく減じることができる。
【００７２】
いくつかの実施形態において、ハイパースペクトル撮像システムは、単色光又は広帯域光によって組織を照明し、組織から反射された光を集め、異なる波長又は波長レンジで各々が記録された一連の画像が集められるような仕方で、検出される光の波長を制御する。ハイパースペクトルデータセットとして知られるこの一連の画像は、組織の生化学又は微細構造メトリックを抽出するために処理され、２Ｄ（空間）へと減じられる。この減じられた２Ｄ画像は、空間的に位置合わせされ得、外部ビデオスコープ画像だけでなく任意の他の術前及び術中画像にもオーバーレイされ得る。例えば、画像データを相関させる方法は、「ＩＮＴＲＡＭＯＤＡＬ  ＳＹＮＣＨＲＯＮＩＺＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＳＵＲＧＩＣＡＬ  ＤＡＴＡ」と題し、２０１４年３月１４日に出願された、国際特許出願番号ＰＣＴ／ＣＡ２０１４／０５０２６９号に開示されており、その全内容は、引用により本明細書に組み込まれる。空間的位置合わせは、カメラ又はカメラに対し強固に堅く取り付けられた構造に直接取り付けられる、ナビゲーションマーカーを使用することにより実現される。これは、撮像システムの場所及び向きの両方を提供する。これは更に、撮像システムの自動化された誘導に関連する開示において説明される。
【００７３】
図１０におけるハイパースペクトルデータセット１２８０は続いて、組織固有の情報を抽出し、データの次元を減じるために処理される。組織固有の情報は、組織のタイプの識別から、収集された画像の領域に関連づけられた病理の推論にまでわたり得る。可能な処理方法の例は、以下を含む。
【００７４】
一実施形態において、対象の化学物質（単数又は複数）のスペクトルピーク又は特徴が既知である場合、スペクトルは、化学物質の存在の示唆及び濃度又は質の何らかの示唆を与えるピーク又は特徴を検出するために、ピーク又は特徴検出アルゴリズムのいずれかによって処理される。これは、特定の化学物質が既知である場合にのみ有用である。
【００７５】
一実施形態において、特定の組織のスペクトル又は組織の状態は、「ＩＮＴＲＡＭＯＤＡＬ  ＳＹＮＣＨＲＯＮＩＺＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＳＵＲＧＩＣＡＬ  ＤＡＴＡ」と題し、２０１４年３月１４日に出願された、国際特許出願番号ＰＣＴ／ＣＡ２０１４／０５０２６９号に開示されているように、収集され、データベースに記憶され得る。続いて手術中に収集されたスペクトルが、データベースに記憶されたスペクトルと類似性について比較され得、十分に類似する場合、どの組織又は組織タイプからスペクトルが収集されたかの示唆が与えられる。
【００７６】
収集されたスペクトルに基づいて新たなサンプルの状態を予測するために、既知の状態（即ち、スペクトルおよび対応する化学物質レベル、組織のタイプ、組織の状態、等）を有する資料から集められたスペクトルを解析する統計的技法として分類される多変量/計量化学的方法を用いることができる。より一般的に使用され用いられる技法のいくつかは、主成分回帰（ＰＣＲ）、部分最小二乗法（ＰＬＳ）、及びニューラルネットワーク（ＮＮ）を含む。
【００７７】
上述された解析方法は、コンピュータシステムに実装され得るので、解析の結果は、外科医による適切な使用のためにほぼリアルタイムで得られることができる。これは、病理医による同様の解析の必要性を著しく減じることができ、そのような組織解析の結果を得ることに関連づけられた待ち時間を減じる。新たに収集されたデータと知識ベース（又はデータベース若しくはトレーニングセット）におけるそれぞれのデータとの間の相関メトリックが、組織のタイプを定量化する手段を外科医に提供する。そのようなメトリックは、ソフトウェアアルゴリズムによって提供される自動推論に関連づけられた信頼の表現であり得る。
【００７８】
最後に、狭帯域のスペクトルを選択的に見る能力又は狭帯域のスペクトルを除く能力は、血液からの明るい反射を除くことを外科医に可能にさせ得る。それゆえに、外科医は、たとえ通路が過度の出血によって閉塞させられていたとしても、通路の内部を見ること及び腫瘍の手術切除に進むことが可能であり得る。これは、狭い通路を絶えず洗浄する必要を減じるので、手術手技の中断を減じるであろう。
【００７９】
本明細書において提供される実施形態は、３Ｄ次元データセットを処理し、関心の情報を抽出し、外部ビデオスコープによって収集された手術画像と共に視覚化され得るか又はそれにオーバーレイされ得る２Ｄ画像にデータを減じるための、ソフトウェアを用い得る、ということに注意する。これらのソフトウェアの方法は、収集されたスペクトルから関心のメトリックを抽出するための、単純なスペクトルピーク検出から、より高度化された多変量、計量化学、及びデータマイニング技法に至る、あらゆるものを含み得る。各々のピクセルに関連づけられたスペクトルが、そのような方法に従って処理され得る。
【００８０】
ハイパースペクトル撮像は、光学的技法であり、制限された貫入（２〜３ｍｍ）であり、その使用は、表面組織又は通路手術によって露出した組織に限られる。組織中の化学物質の一意のスペクトルは、化学的内容物を撮像し、これから手術中の意思決定を補助するのに有用な定性的又は定量的情報を外科医に提供するために、ハイパースペクトル撮像を使用する可能性を提供する。化学撮像は、異なる化学組成物及び関連づけられた異なる吸収に基づいて異なる組織を区別し（例えば、白質対灰白質）、組織の状態（例えば、正常対悪性）を決定し、組織の状態及び／又は健康（例えば、酸素化の状態）を決定するために、使用され得る。スペクトル散乱性質の差は、吸収の変化と同様に、組織のタイプ（例えば、脂肪対神経繊維）及び状態（例えば、前癌性状態及び癌性状態による核及び細胞全体のサイズの変化）による細胞構造の変化に基づいて組織の性質を決定するために使用され得る。最後に、収集されたハイパースペクトルデータセットは様々な波長で収集されたデータを含むので、選択された波長又は波長レンジのみの画像が組織の視覚化を改善する（吸収又は散乱の最小値又は最大値）。例えば、ヘモグロビンの吸収が最小である波長の画像は、血液による吸収が著しく減じられるので、照明のための追加の光が提供されるであろう。
【００８１】
特定の波長帯域での撮像のこの利点が図１１に示される。図１１は、脳領域（脳梁）の標準色画像（Ａ）、また、中心が４００ｎｍ（Ｂ）、５００ｎｍ（Ｃ）、６００ｎｍ（Ｄ）、及び７００ｎｍ（Ｅ）であり、各々が１０ｎｍの帯域幅である、４つの異なる波長帯域を使用して取り込まれた脳領域（脳梁）の画像を示す。その４００ｎｍのフィルタバンドがそれ以外の他の波長帯域では不可視である組織構造をはっきりと示していることが明らかである。
【００８２】
図１２は、図９のコンピュータシステム１１８５の重要なコンポーネントを示す。図１２は、コンピュータ制御システム４２５の例示的で非限定的な実装を提供し、それは、１つ以上のプロセッサ４３０（例えば、ＣＰＵ／マイクロプロセッサ）、バス４２０、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び／又は読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）を含み得るメモリ４３５、１つ以上の内部記憶デバイス４４０（例えば、ハードディスクドライブ、コンパクトディスクドライブ、若しくは内部フラッシュメモリ）、電源４４５、１つ以上の通信インターフェース４５０、並びに様々な入力／出力デバイス及び／又はインターフェース４６０、例えば、様々な入力を提供し、シミュレーションを実行するための臨床医のためのユーザインターフェース、等を含む。
【００８３】
各々のコンポーネントのうちの１つのみのが図１２に示されているが、任意の数の各々のコンポーネントがコンピュータ制御システム４２５に含まれ得る。例えば、コンピュータは典型的に、複数の異なるデータ記憶媒体を含む。更に、バス４２０はコンポーネントの全ての間の単一接続として描かれているが、バス４２０がコンポーネントの２つ以上をリンクさせる１つ以上の回路、デバイス、又は通信チャネルを表し得ることが理解されるであろう。例えば、パーソナルコンピュータにおいて、バス４２０はしばしば、マザーボードを含むか、又はマザーボードである。
【００８４】
一実施形態において、コンピュータ制御システム４２５は、汎用コンピュータ、若しくは空間における動作のために構成された任意の他のハードウェアの均等物であり得るか、又はそれらを含み得る。コンピュータ制御システム４２５はまた、１つ以上の通信チャネル又はインターフェースによってプロセッサ４３０に結合される１つ以上の物理デバイスとして実現され得る。例えば、コンピュータ制御システム４２５は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を使用して実現され得る。あるいは、コンピュータ制御システム４２５は、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせとして実現され得、ソフトウェアは、メモリから又はネットワーク接続によってプロセッサにロードされる。
【００８５】
別の例示的な実施形態では、垂直スリット又は焦点が、顕微鏡（図示せず）で一般的に使用される共焦点光学設計を使用したビデオスコープにより撮像され得る。スポット又はスリットは続いて、非常に感度の高いハイパースペクトル撮像システムを生成するために光電子増倍管上で撮像され得る。焦点は、スキャニングメカニズムを使用して試料の表面にわたって掃引され得る。一般的に使用されるスキャニングメカニズムは、ガルバノメータミラーシステムである。
【００８６】
上述された特定の実施形態は例として示されており、これらの実施形態は、様々な変更及び代替の形態が可能であり得る、ということが理解されるべきである。請求項は、開示された特定の形態に限定されるように意図されず、むしろ、本開示の精神及び範囲内に含まれる全ての変更、均等物、及び代替例をカバーするように意図される、ということが更に理解されるべきである。
【００８７】
本明細書において説明された出願人の教示は、例示目的のために様々な実施形態に関連するが、出願人の教示がそのような実施形態に限定されないことが意図される。対照的に、本明細書において説明され示された出願人の教示は、実施形態から逸脱せずに様々な代替例、変更、及び均等物を含み、その一般的な範囲は、添付の請求項において規定される。 
【図１】
0006527086.tif 000002
【図２】
0006527086.tif 000003
【図３】
0006527086.tif 000004
【図４】
0006527086.tif 000005
【図５Ａ】
0006527086.tif 000006
【図５Ｂ】
0006527086.tif 000007
【図５Ｃ】
0006527086.tif 000008
【図６】
0006527086.tif 000009
【図７】
0006527086.tif 000010
【図８Ａ】
0006527086.tif 000011
【図８Ｂ】
0006527086.tif 000012
【図９】
0006527086.tif 000013
【図１０】
0006527086.tif 000014
【図１１】
0006527086.tif 000015
【図１２】
0006527086.tif 000016