用于对骨区域进行光学分析的矫形销的制作方法

1.本发明涉及一种用于对骨区域进行光学分析的矫形销。还公开了相关的外科工具和套件。本发明在矫形外科的一般领域中得到应用，更具体地在脊柱外科领域中得到应用。在后者中，该矫形销例如可以用于引导椎弓根螺钉的放置。


背景技术：

2.在许多医疗手术中，可植入装置被插入到骨组织中。例如，骨固定装置通常用于相对于其他骨组织或相对于外部环境来定位骨组织。
3.此类医疗手术的示例包括在颈椎、胸椎和腰椎中插入椎弓根螺钉，在各种骨创伤中进行骨折固定，以及在髋关节和膝关节置换术中进行板定位。
4.如mobbs,r.j.、sivabalan,p.和li,j.在题目为“technique,challenges and indications for percutaneous pedicle screw fixation(经皮椎弓根螺钉固定的技术、挑战和适应症)”(journal of clinical neuroscience(临床神经科学杂志)，18(2011)，741-749页)的文献中所述，椎弓根螺钉固定是治疗脊柱退行性疾病、椎间盘疾病、脊柱创伤和脊柱畸形的主要方法。椎弓根螺钉固定提供短而刚性的节段稳定，保留运动节段并稳定脊柱。治疗胸腰椎骨折的融合率和临床结果似乎优于使用其他形式的治疗。根据美国医疗保健研究与质量局(ahrq)的一份报告，2011年美国住院期间进行了大约488,000次脊柱融合术(每10,000人有15.7例住院)，占所有手术室手术的3.1％。
5.尽管它在全球范围内被用于增强脊柱的稳定性，但椎弓根螺钉器械的安全性和有效性一直受到质疑。一个主要问题是椎弓根螺钉放置的准确性。椎弓根螺钉经常盲目性地或在通常较差的荧光透视引导下插入，因此有很大的改进空间。
6.在这方面，文献wo 2017/055144 a1描述了一种用于将可植入装置植入骨组织中的系统、用于这种系统的处理单元、植入可植入装置的方法以及提供用于植入可植入装置的信息的方法。鉴于发现松质骨中的脂肪含量高于致密骨中的脂肪含量，脂质分数(其可以通过光学手段，例如光谱学确定)可用于确定健康骨中的正确的螺钉放置。在一个实施例中，文献wo 2017/055144 a1描述了一种具有中空轴杆的椎弓根螺钉，并且光学探针可以插入到该椎弓根螺钉中。光学探针延伸到螺钉的远侧末端并包括用于在螺钉的远侧末端进行光学测量的光纤。螺钉的末端前方(骨)组织的脂肪含量通过光谱分析确定，并用于确定该(骨)组织是骨的(较)软部分还是骨的(较)硬部分，以帮助放置螺钉。文献wo 2017/055144 a1还公开了在涉及将克氏针(k-wire)初始放置在骨中的操作中，光学感测部分可以集成在基尔希讷氏丝(kirschner wire)，即克氏针中。
7.在目前的解决方案中，螺丝刀和光谱组织感测系统是单独的装置。因此，需要在两者之间形成耦合，而这不是最优的。在大多数实用的椎弓根螺钉放置手术中，首先将克氏针放入椎体中，且在第二步骤将空心的椎弓根螺钉插(背部加载)在克氏针上。通常，使用机械旋转放置工具(例如空心钻)来放置克氏针。由于智能克氏针配备有需要连接控制台(光学光谱单元；osu)的一个或多个光纤，其中控制台发射和接收被反射的光并处理被反射的光，
因此存在的问题是如何连接该osu与克氏针，同时仍然允许克氏针自由旋转。
8.此外，当使用不同的工具时，模块化的方法将是优选的，使得螺钉放置系统的大部分可重复使用，即线缆的一些部分可被重新连接到螺钉放置系统的另一工具上。
9.因此，需要改进的外科工具系统。


技术实现要素：

10.本发明由权利要求限定。
11.本发明提供了一种用于对骨区域进行光学分析的矫形销，该矫形销包括：
12.细长轴杆，其具有用于插入骨中的远端和用于连接到分析单元的近端；
13.光纤装置，其在该细长轴杆内从该细长轴杆的远端延伸到近端，用于在远端被插入骨区域内时将光学辐射从分析单元传输到骨区域，以及将被反射的光学辐射从骨区域传输到分析单元；和
14.机械和光学耦合件，其位于沿着该轴杆的中间位置处，
15.其中，光纤装置包括位于耦合件的一侧的第一部分和位于耦合件的另一侧的第二部分，每一部分用于传输被传输的光学辐射和被反射的光学辐射，以及
16.其中，耦合件允许轴杆的位于耦合件的相反两侧的部分之间的相对旋转以及光纤装置的位于耦合件的相反两侧的部分之间的相对旋转，同时保持光纤装置的第一部分和第二部分之间的光学耦合。
17.换句话说，耦合件允许轴杆的位于耦合件的相反两侧的部分之间的相对旋转，并允许光纤装置的位于耦合件的相反两侧的部分之间的相对旋转，同时保持光纤装置的第一部分和第二部分之间的光学耦合。术语“光纤装置”旨在涵盖任何细长的光波导系统，以及从一个位置到另一个位置的任何光学传输结构。因此，术语光纤应被理解为指的是任何合适的光波导，其中光波导是引导光谱内的电磁波的任何物理结构。常见类型的光纤装置包括但不限于光纤以及由塑料和玻璃制成的透明介质波导。光纤装置和光波导可以有许多几何形状或形状，例如平面、条或梁(如具有圆柱形)。
18.术语“光学”旨在至少涵盖通常300nm至2500nm的波长范围。在一实施例中，它涵盖400nm至1600nm的波长范围。优选的范围为1000nm至1600nm。这有利于骨类型的检测，因为在1200nm左右发生强烈的脂肪吸收，这可有助于区分松质骨(脂肪的)和皮质骨(非脂肪的)。光学可仅指可见光光谱，包括或不包括uv光谱。这种矫形销允许一个光纤部分相对于另一个的旋转。以这种方式，远侧部分例如在通过钻、旋拧或(旋转式)锤击将轴杆插入骨内期间可旋转，而其他光纤部分在旋转上保持固定，例如相对于分析单元。这简化了轴杆和分析单元之间所需的连接。
19.耦合件优选地能够在第一部分和第二部分之间实现可拆卸的耦合。以这种方式，轴杆的远侧部分可以按照常规方式单独地操纵和使用，例如作为克氏针，而不使用光纤功能。
20.例如，矫形销的近端能够被可滑动地接收在外科装置的通道内，例如骨钻头、外科锤或骨固定装置，例如椎弓根螺钉，而无需更改外科装置。例如，在椎弓根螺钉插入手术的第一阶段中，可以通过使用外科锤将矫形销锤入骨区域中而在骨区域中提供导孔。在椎弓根螺钉插入手术的第二阶段中，椎弓根螺钉可以在用作引导件的矫形销的远端上滑动。在
第一阶段中，矫形销被接收在外科锤的通道内，且在其插入期间，骨区域通过耦合到矫形销的光学系统进行光学分析。
21.例如，光纤装置的在近端处的端部被配置成用于与分析单元的非旋转耦合。这不仅简化了连接，而且它允许分析单元更远程，例如在医生的工作区之外。
22.耦合件可在相反两侧之间具有一组离散的角度取向。这能够实现光纤端部之间的准确对齐。
23.光纤装置可包括用于从光学分析单元到远端的光学传输的第一光纤组件和用于从细长轴杆的远端到光学分析单元的光学传输的第二光纤组件。
24.因此，为发射的询问光和反射的检测光提供了不同的路径。
25.在第一组示例中，第一光纤组件和第二光纤组件中的一个沿着细长轴杆的中心轴线延伸，且第一光纤组件和第二光纤组件中的另一个相对于中心轴线偏移地延伸。因此，存在光纤的同心布置结构。
26.第一光纤组件和第二光纤组件中的该另一个可包括位于耦合件的一侧的单个光纤和位于耦合件的另一侧的由多个光纤形成的环圈。因此，不同的旋转位置将使单个光纤与来自环圈的一个光纤对齐。
27.在另一组示例中，光纤装置包括双芯光纤，其包括中心芯和外芯，其中中心芯和外芯中的一个用于从光学分析单元到远端的光学传输，且中心芯和外芯中的另一个用于从细长轴杆的远端到光学分析单元的光学传输。
28.在使用双芯光纤的情况下，这限定了另一种同心的布置结构。对于使用双芯光纤来说，存在多个选项。
29.一个选项是双芯光纤位于耦合件的一侧，且由光纤形成的环圈位于光学耦合件的另一侧。
30.另一选项是双芯光纤位于耦合件的一侧，且单个非中心光纤位于光学耦合件的另一侧。
31.另外的选项是在耦合件的每一侧设有双芯光纤。
32.对于这些同心的布置结构，光纤装置可包括：
33.位于耦合件的一侧的包括一个或多个非中心光纤或双芯光纤的外芯的外部光纤装置；
34.位于耦合件的另一侧的中心光纤；以及
35.透镜，其用于将光从外部光纤装置聚焦到中心光纤。
36.然后，中心光纤用作双向光学信号导体。然后，可设有光纤分路器来分离这两种信号。
37.本发明还提供一种外科工具，包括：
38.如上述限定的矫形销；以及
39.光学分析单元，其用于连接到细长轴杆的近端。
40.例如，光学分析单元包括光源和耦合到光纤装置的光学检测器。
41.在一个示例中，光学分析单元包括具有光学检测器和处理器的光谱仪，其中光源用于生成经由光纤装置照射骨区域的光学辐射，且由骨区域反射或散射的光学辐射经由光纤装置被光学耦合到光学检测器，
42.其中，处理器被配置成：
43.致使光源生成用于光学照射骨区域的光学辐射；
44.接收响应于光学照射骨区域由至少一个光学检测器生成的电信号；利用算法处理接收到的电信号，该算法被配置成：
45.基于接收到的电信号，确定指示骨区域内的脂肪含量或水含量的至少第一参数；和
46.基于该至少第一参数识别骨区域的类型；类型为松质骨和皮质骨中的至少一种。
47.外科工具还可包括：
48.椎弓根螺钉，其具有用于接收细长轴杆的中心通道；和
49.空心钻，其具有被配置成接收矫形销的通道；和/或
50.外科螺丝刀，其具有被配置成接收矫形销的通道；和/或
51.外科锤，其具有被配置成接收矫形销的通道。
52.根据另外的实施例，公开了销和/或外科工具在其中销被插入受试者体内的介入方法中的使用。
附图说明
53.为了更好地理解本发明，并更清楚地示出其如何被实施，现在仅以举例的方式参考附图，其中：
54.图1示出了呈包括光学适配器、光谱仪和处理器的分析单元形式的手持式外科工具；
55.图2示出了包括被接收在椎弓根螺钉的通道内的矫形销的套件；
56.图3示出了包括被接收在外科锤的通道内的矫形销的另一套件；
57.图4示出了根据本发明的对矫形销的修改；
58.图5更详细地示出了第一对示例；
59.图6示出了使用一个或多个双芯光纤的另一组示例；
60.图7示出了使用透镜的另一组示例；而且
61.图8示出了一种可由分析单元的处理器执行的方法。
具体实施方式
62.将参考附图对本发明进行描述。
63.应理解的是，详细描述和具体示例在提及设备、系统和方法的示例性实施例时只是为了例示说明的目的，而不是为了限制本发明的范围。本发明的设备、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点将从下面的描述、所附权利要求和附图中得到更好的理解。应理解的是，这些附图只是示意图且没有按比例绘制。还应理解的是，在整个附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。
64.本发明提供了一种用于对骨区域进行光学分析的矫形销。光纤装置在细长轴杆内从远端延伸到近端。在沿着轴杆的中间位置处设有耦合件，且光纤装置包括位于耦合件的一侧的第一部分和位于耦合件的另一侧的第二部分。耦合件允许轴杆的位于耦合件的相反两侧的部分之间的相对旋转，同时保持光纤的第一部分和第二部分之间的光学耦合。
65.为了例示说明本发明的原理，具体参考涉及插入呈椎弓根螺钉形式的骨固定装置的医疗手术来描述矫形销。参考了呈克氏针的特定形式的矫形销，这种类型的矫形销通常用于脊柱外科领域，以通过锤击和随后的引导，通过可滑动地接收在中空的椎弓根螺钉的通道内来提供椎弓根螺钉的插入。
66.然而，应当理解，除了插入骨固定装置之外，本发明还可以应用于其他医疗手术中，包括例如通常的骨可植入装置的插入。术语矫形销一般指用于固定骨元件或引导用于脊柱或矫形外科手术的外科工具的细长装置。因此，本发明还可适用于除克氏针之外的其他类型的矫形销，包括但不限于斯坦曼销(steinmann pin)和套管针。
67.此外，应当理解，矫形销通常用于引导外科装置插入骨中，包括但不限于诸如外科钻头、外科锤、螺丝刀、扩张器和锥子的外科器械，以及除椎弓根螺钉以外的其他骨固定装置，例如一般的接骨螺钉。因此，设想到矫形销一般可用于引导医疗装置插入到通常的骨区域中，并且其应用不限于涉及脊柱的外科介入手术。
68.在描述根据本发明的特征之前，将首先参考图1至图3来解释矫形销的预期用途。
69.如mobbs,r.j.、sivabalan,p.和li,j.在题目为“technique,challenges and indications for percutaneous pedicle screw fixation(经皮椎弓根螺钉固定的技术、挑战和适应症)”(journal of clinical neuroscience(临床神经科学杂志)，18(2011)，741-749页)的文献中所述，经皮插入椎弓根螺钉的一个过程包括以下步骤：
70.(i)在前/后位置放置术中放射影像增强器。脊柱突应位于椎弓根之间的中线，以确保直接的向前/向后投影。
71.(ii)在皮肤上标记椎弓根的侧面的位置。根据皮肤和椎弓根之间组织的深度，皮肤切口应侧向地进行，使得在将jamshidi针插入椎弓根时可以使jamshidi针适当地成角度。
72.(iii)将jamshidi针穿过皮肤切口并“停靠”在椎弓根的侧面。
73.(iv)将jamshidi针推进入椎弓根内20mm至25mm，确保针保持在内侧椎弓根壁的外侧。
74.(v)将术中放射影像增强器放置在侧向平面中。jamshidi针现在应该在椎体中，因此“安全”，没有内侧椎弓根破裂的风险。
75.(vi)沿着jamshidi针放置克氏针，并沿着克氏针的轨迹放置一个椎弓根丝锥。
76.(vii)将最后的椎弓根螺钉与沿着克氏针放置的螺钉放置在一起，确保不会将克氏针推进到超过椎体的前面。
77.在上述方法中，外科医生的目标是最终将椎弓根螺钉定位在椎骨的称为“松质骨”的相对较软的芯组织中，而不是在椎骨的称为“皮质骨”的相对较硬的壳部分。如果外科医生无意中刺穿皮质骨，即“破坏”椎弓根，则可能会出现严重的医疗并发症，尤其是在刚进入椎弓根之后以及沿着椎弓根颈部以及在椎体的前面前行时。
78.上述放置椎弓根螺钉的方法在很大程度上依赖于使用术中放射影像以避免这些危险，而且不断地需要调整x射线成像系统的取向。它还存在x射线剂量对患者和医生的额外危害。
79.在本发明中，提供了一种矫形销，其可用于改进通过上述和其他相关医疗手术放置椎弓根螺钉的引导。如上所述，本发明的矫形销可以以克氏针的形式提供，其可以代替上
述步骤中描述的克氏针，以引导随后椎弓根螺钉的放置。如下文更详细描述的；本发明的克氏针通常可以与各种外科工具结合使用，以提供正确定向的导孔，该导孔最终允许随后椎弓根螺钉或其他骨植入物的插入。
80.图1示出了一种呈包括光学适配器120、光谱仪131和处理器136的分析单元形式的手持式外科工具130。分析单元连接到矫形销100，该矫形销包括具有远端102的细长轴杆101。
81.光谱仪131包括至少一个光学光源(未示出)和至少一个光学检测器(未示出)。至少一个光源和至少一个光学检测器与光学适配器120光学耦合，并被布置成使得当矫形销100被接收在光学适配器120的端口内时，且当矫形销100的细长轴杆101的远端102被插入骨区域110内时，由至少一个光源生成的光学辐射经由矫形销的光纤装置照射骨区域110(如下所述)，并且由骨区域110反射或散射的光学辐射经由光纤装置被光学耦合到至少一个光学检测器。
82.矫形销可被设置成包括外科装置的套件的一部分。
83.图2示出了套件的一示例，其包括矫形销100和椎弓根螺钉150，其中椎弓根螺钉包括用于接收矫形销100的细长轴杆101的通道151。
84.图3示出了另一套件140，其包括被接收在外科锤152的通道内的矫形销100。
85.在另一示例中，套件可包括矫形销和具有被配置成接收矫形销的通道的空心钻。在另一示例中，套件可包括矫形销和具有被配置成接收矫形销的通道的外科螺丝刀。还设想到提供与组合了锤击、钻孔和旋拧功能的外科工具一起的矫形销。
86.图4示出了根据本发明的对矫形销的修改。
87.图4示出了用于对骨区域进行光学分析的矫形销100。
88.矫形销包括细长轴杆101，其具有用于插入骨110内的远端102和用于连接到分析单元130的近端104。分析单元具有光源132、光检测器134和处理器136。
89.光纤装置105在细长轴杆内在细长轴杆的远端102和近端104之间延伸，用于在远端被插入骨区域内时在分析单元130与骨区域110之间传输光学辐射。
90.耦合件200被设置在沿着轴杆的中间位置处(即在远端和近端之间)。光纤装置包括位于耦合件的一侧(近侧)的第一部分210和位于耦合件200的另一侧(远侧)的第二部分212。细长轴杆101具有位于耦合件的一侧(近侧)的第一部分220和位于耦合件的另一侧(远侧)的第二部分222。耦合件200允许轴杆101的位于耦合件200的相反两侧的部分220和222之间的相对旋转，同时保持光纤的第一部分210和第二部分212之间的光学耦合。
91.这种矫形销允许一个光纤部分相对于另一个的旋转。以这种方式，远侧部分例如在通过钻、旋拧或(旋转式)锤击将轴杆插入骨内期间可旋转，而其他光纤部分在旋转上保持固定，例如相对于分析单元130。这简化了轴杆的近侧部分220和分析单元130之间所需的连接。
92.耦合件是可拆卸的，使得轴杆的远侧部分222可以按常规方式操纵和使用，例如作为克氏针，而不使用光纤功能。因此，在具有形成的耦合件之前，可将克氏针用作“常规”的克氏针，从而允许空心器械/螺钉从近端在克氏针上滑动(背部加载)。一旦在分析单元和克氏针之间建立连接，就可以进行光谱组织感测。该连接是可逆的，因此可以重复多次连接-断开。
93.例如，光纤装置的在近端处的端部被配置成用于与分析单元130的非旋转耦合。这简化了连接，但它允许分析单元更远，例如在医生的工作区之外。这样分析单元不需要小型化。
94.图5更详细地示出了第一对示例。
95.光纤装置105具有用于从光学分析单元130到远端102的光学传输的第一光纤组件230和用于从细长轴杆的远端102到光学分析单元130的光学传输的第二光纤组件232。因此，为发射的询问光和反射的检测光提供了不同的路径。
96.在图5的示例中，第一光纤组件230沿着细长轴杆101(部分220和222)的中心轴线延伸，且包括单个光纤。第二光纤组件232相对于中心轴线偏移地延伸。因此，具有光纤的同心布置结构。
97.第二光纤组件232包括位于耦合件的一侧的单个光纤232a和位于耦合件的另一侧的由多个光纤形成的环圈232b。
98.在图5的顶部部分中，单个光纤232a位于近侧，而在图5的底部部分中，单个光纤232a位于远侧。光纤分路器234将来自环圈的多个光纤的信号组合以用于检测器。
99.然后，耦合件可以在相反两侧之间具有一组离散的角度取向。这些角度取向能够实现光纤端部之间的准确对齐，尤其是单个光纤232a的光纤端部和环圈232b的光纤中的一个之间的准确对齐。
100.位于远端处的光纤端部优选地被设置成彼此之间的距离大于光纤的直径。利用这样的光纤布置结构，特别是漫反射光谱可具有良好的结果。
101.图5中的光行进的方向可以是颠倒的(即，中心光纤可被用于被反射的光，而偏移的光纤可被用于被传送的光)。
102.图6示出了使用一个或多个双芯光纤的另一组示例，该双芯光纤包括中心芯240和外芯242。
103.中心芯和外芯中的一个被用于从光学分析单元到远端的光学传输，且中心芯和外芯中的另一个用于从细长轴杆的远端到光学分析单元的光学传输。
104.图6的示例使用中心芯来传送光源的光，且使用外芯来传送被反射的光。反过来是可行的。
105.顶部的图像示出了位于耦合件的每一侧的双芯光纤。
106.中间的图像示出了双芯光纤240、242位于在耦合件的一侧(近侧)，围绕中心光纤230的由光纤形成的环圈232b位于耦合件的另一侧。
107.底部的图像示出了双芯光纤240、242位于耦合件的一侧，且单个非中心光纤232a位于光学耦合件的另一侧，相对于中心光纤230偏移。
108.透镜可被用于将光从外光纤耦合到中心光纤。
109.图7示出了一种光纤装置，其包括位于耦合件的一侧(远侧)的外部光纤装置，该外部光纤装置包括一个非中心光纤232a(顶部的图像)或由非中心光纤形成的环圈232b(底部的图像)，在这两种情况下都在中心光纤230周围。
110.在耦合件的另一侧，只有中心光纤230。
111.透镜250被设置成用于将来自外部光纤装置的光聚焦到中心光纤。
112.然后，中心光纤230用作双向光学信号导体。然后，可设有光纤分路器252来分开返
回到分析单元130的两种信号。
113.这种方法也可应用于双芯光纤。而且，单芯光纤反而可位于远侧，而同心布置结构可位于近侧。
114.图7示出了可由分析单元的处理器132执行的方法。
115.在步骤700中，操作光源以生成用于光学照射骨区域110的光学辐射；
116.在步骤702中，接收响应于光学照射骨区域110由至少一个光检测器生成的电信号；
117.在步骤704中，分析接收到的电信号，以基于接收到的电信号来确定指示骨区域110内的脂肪含量或水含量的至少第一参数；
118.在步骤706中，基于至少第一参数，分析识别骨区域110的类型；类型为松质骨和皮质骨中的至少一种。
119.可选地，该算法可被进一步配置成确定指示骨区域110中的胶原蛋白含量和/或光学散射的至少第二参数以及进一步基于至少第二参数，识别骨区域110的类型。
120.在分析中包含胶原蛋白和/或光学散射可以进一步改进皮质骨和松质骨之间的区分。
121.此外，该算法可被进一步配置成确定骨区域110内的血液含量。
122.外科工具还可包括指示器；其中，指示器被配置成如果骨区域110的类型是松质骨则生成第一输出，且如果骨区域110的类型是皮质骨110b则生成第二输出。指示骨区域110的类型的识别确定性的第三输出也可基于骨区域110内确定的血液含量来提供。
123.已发现，识别骨区域的类型的确定性与血液含量反向相关。这是因为如果将矫形销插入骨区域然后稍微回撤，则在矫形销的远端和骨区域之间产生的空隙倾向于被血液填充。由于远端和骨区域之间没有接触，光信号可能不可靠。因此，如果在光信号中检测到血液，则它可能指示不可靠的信号。
124.在r.nachab
é
、b.h.w.hendriks、m.v.d.voort,a.e,和h.j.c.m.sterenborg,的文献“estimation of biological chromophores using diffuse optical spectroscopy:benefit of extending the uv-vis wavelength range to include1000to 1600nm(使用漫射光谱学估计生物发色团：将uv-vis波长范围扩展以包括1000至1600nm的益处)”(optics express，vol.18，2010，879-888页)以及r.nachabe、b.h.w.hendriks、a.e.desjardins、m.van der voort、m.b.van der mark和h.j.c.m.sterenborg的文献“estimation of lipid and water concentrations in scattering media with diffuse optical spectroscopy from 900to 1600nm(用900到1600nm的漫反射光谱学估计散射介质中的脂质和水浓度)”(journal of biomedical optics，vol.15，2010年5月，037015-10页)中描述了一种基于从骨区域漫反射的光学辐射对骨区域110进行光学分析以确定由光纤105传送的上述光学参数的技术。从这些漫反射光谱学(即drs)的测量结果，可以推断出组织的转变，其中更具体地说，可以获得指示组织的脂肪含量的参数。
125.尽管漫反射光谱学在上面被描述为用于提取组织特性，但也可以设想到其他光学方法，包括通过采用多个光纤的扩散光学层析成像、差分路径长度光谱学、荧光和拉曼光谱学。此外，光学数据的获取可以通过与组织接触的探头或通过非接触式探头来完成。
126.为了确定某个组织是否在光纤前面，可以将drs信号与查找表进行比较。另一种方
法是将测量的参数转换为生理参数，并为每种组织类型定义这些参数的范围。结合参考duck，fa，“physical properties of tissue:acomprehensive reference book(组织的物理特性：综合参考书)”(1990年，学术出版社，乔万诺维奇出版社(harcourt brace jovanovich publishers))其中基于分类和回归树“cart”分析的方法被描述为用于基于这些生理参数进行组织分类。
127.提取生理参数的示例是通过使用定制的matlab 7.9.0(mathworks，natick，ma)算法拟合所获取的光谱。在该算法中，实施了被广泛接受的分析模型，即由t.j.farrel、m.s.patterson和b.c.wilson引入的模型，“adiffusion theory model of spatially resolved,steady-state diffuse reflectance for the non-invasive determination of tissue optical properties(用于非侵入性确定组织光学特性的空间分辨、稳态漫反射的扩散理论模型)”(med.phys.19(1992)，879-888页)。farrel等人的模型的输入参数是吸收系数μa(λ)、降低的散射系数μ
s’(λ)和探头末端处发射光纤和收集光纤之间的中心距离。有关扩散理论模型的完整描述，请参考farrel等人的文献。
128.下面将对该模型进行简要解释。这些公式主要基于上述的nachab
é
等人的工作(r.nachab
é
、b.h.w.hendriks、m.v.d.voort、a.e和h.j.c.m.sterenborg的“estimation of biological chromophores using diffuse optical spectroscopy:benefit of extending the uv-vis wavelength range to include 1000to 1600nm(使用漫射光谱学估计生物发色团：将uv-vis波长范围扩展以包括1000至1600nm的益处)”(optics express，vol.18，2010，879-888页))，此外在上下文中还参考了r.nachabe、b.h.w.hendriks、a.e.desjardins、m.van der voort、m.b.van der mark和h.j.c.m.sterenborg的“estimation of lipid and water concentrations in scattering media with diffuse optical spectroscopy from 900to 1600nm(用900到1600nm的漫反射光谱学估计散射介质中的脂质和水浓度)”(journal of biomedical optics，vol.15，2010年5月，037015-10页)。
129.双幂律函数可用于描述降低的散射系数的波长依赖性，其中波长λ以nm表示，并归一化为λ0＝800nm的波长值。参数α对应在该特定波长处的降低的散射幅值。
[0130][0131]
在这个公式中，降低的散射系数被表示为米氏散射和瑞利散射的总和，其中ρ
mr
是米氏散射与总的降低的散射的分数。米氏散射的降低的散射斜率被表示为b并且与粒度有关。
[0132]
对于均匀分布的吸收体，总的光吸收系数μa(λ)可以被计算为吸收体的消光系数和体积分数的乘积(参见图17，其示出了血液血红蛋白(220线)、含氧血红蛋白(221线)、水(222线)和脂肪(223线)的吸收光谱的对数图，其中横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示μa(λ)，单位为cm-1
)：
[0133][0134]
代替将吸收系数μa(λ)建模为通过四种关注的发色团的相应浓度加权的吸收系数的和，决定将组织吸收系数表示为
[0135][0136]
其中对应于血液的吸收，而对应于被探测的体积中的水和脂质的吸收。水和脂质的体积分数为v
wl
＝[lipid] [h2o]，而v
blood
表示全血中血红蛋白浓度的血液体积分数为150mg/ml。
[0137]
因子c是依赖于波长的校正因子，它解释了色素包装的影响并改变了吸收光谱的形状。这种效应可以通过以下事实来解释：组织中的血液被限制在总体积的很小一部分，即血管中。因此，血管中心附近的红细胞吸收的光比外围的红细胞少。实际上，当在组织内均匀地分布时，较少的红细胞会产生与分布在离散血管中的实际红细胞数量相同的吸收。校正因子可以被描述为：
[0138][0139]
其中r表示以cm表示的平均血管半径。与血液相关的吸收系数由下式给出：
[0140][0141]
其中和分别代表氧合血红蛋白hbo2和脱氧血红蛋白hb的基本消光系数光谱。血红蛋白总量中的氧合血红蛋白分数被记为α
bl
＝[hbo2]/([hbo2] [hb])，并且通常被称为血氧饱和度。由于被测量的组织中存在水和脂质而导致的吸收被定义为：
[0142][0143]
在这种情况下，与脂质和水一起的总浓度相关的脂质浓度可以被写为α
wf
＝[lipid]/([lipid] [h2o])，其中[lipid]和[h2o]分别对应于脂质(密度为0.86g/ml)和水的浓度。
[0144]
这种在吸收系数的表达式中关联水和脂质参数的方式被在公式6中定义，而不是分别估计对应于用于拟合的基本函数的协方差最小化的水和脂质的体积分数，从而导致更稳定的拟合(参见r.nachab
é
等人的上述论文以进一步解释和验证该理论)。
[0145]
其他光吸收体也可以纳入该算法，例如：番茄红素、维生素a、β-胡萝卜素或胆汁。
[0146]
另一种区分光谱差异的方法是利用主成分分析。该方法允许对光谱差异进行分类，从而允许区分组织。也可以从光谱中提取特征。
[0147]
除了漫反射之外，还可以测量荧光光谱。例如还可以测量诸如胶原蛋白、弹性蛋白、还原形式的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(即nadh)和黄素腺嘌呤二核苷酸(即fad)之类的参数(参见图18，其示出了胶原蛋白、弹性蛋白、nadh和fad的固有荧光曲线，其中横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示荧光强度，任意单位。nadh/fad比值，被称为光学氧化还原参数，是有意义的，因为它是组织代谢状态的指标(参见m.m
ü
ller和bhw hendriks的“recovering intrinsic fluorescence by monte carlo modeling(通过蒙特卡罗建模恢复固有荧光)”(j.biomed.optics，18期(2013)，027009-1至027009-13页)以及其中的参考文献)，其也可被用于区分组织。
[0148]
应注意的是，本文公开的任何方法步骤，特别是关于处理器132描述的那些方法步骤，可以以指令的形式记录，当指令在处理器上执行时致使处理器执行此类方法步骤。
[0149]
指令可以存储在计算机程序产品上。计算机程序产品可以由专用硬件以及能够执
行与适当软件相关联的软件的硬件来提供。当由处理器提供时，功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器或多个单独的处理器(其中一些可以是共享的)来提供。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为专门指能够执行软件的硬件，且可以隐含包括但不限于数字信号处理器“dsp”硬件、用于存储软件只读存储器“rom”、随机存取存储器“ram”、非易失性存储器等。此外，本发明的实施例可以采取计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可从提供程序代码(用于由计算机或任何指令执行系统使用或与其结合使用)的计算机可用或计算机可读存储介质访问。出于本描述的目的，计算机可用或计算机可读存储介质可以是可包括、存储、通信、传播或传输程序(用于由指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用)的任何装置。介质可以是电子、磁、光、电磁、红外线或半导体系统、或装置或设备，或传播介质。计算机可读介质的示例包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机软盘、随机存取存储器“ram”、只读存储器“rom”、硬盘和光学盘。目前光学盘的示例包括光盘—只读存储器“cd-rom”、光盘—读/写“cd-r/w”、blu-ray
tm
和dvd。
[0150]
上面参考图5到图7所描述的详细示例都具有光纤的同心布置结构，且在两个方向上有不同的路径。
[0151]
相反，可以使用单芯光纤进行双向光学传输。如在上面的示例中，可使用光学分路器从双向光纤中提取信号进行分析。在这种情况下，图4的光纤装置105可以是单个光纤。
[0152]
光源、检测器和处理器(形成光学光谱单元)都可被集成为手持式外科器械的一部分，即被实现为可拆卸的旋钮，以用于附接到细长轴杆的近侧部分的近端和光纤装置。
[0153]
另一选项是将光学光谱单元与放置工具(如钻头)集成。集成的光学光谱单元可被固定到放置工具的固定部分上(否则将需要光学光谱单元的极度小型化)，且因此可固定在上述的耦合件的一侧。然后，将旋转钻头连接到位于上述的耦合件的另一侧的旋转光纤克氏针。然后将克氏针在耦合件处与放置工具连接和断开。
[0154]
例如，光纤装置的远侧部分和细长轴杆的远侧部分具有低于100cm的长度，例如在10cm至50cm的范围内。光纤装置的近侧部分和细长轴杆的近侧部分可以非常短，例如，如果分析单元是手持式工具的一部分，并且耦合件位于手持式工具的接口处。如果分析单元在手术区外，近侧部分可以更长，例如超过2m，例如在3m至4m的范围内。
[0155]
通过研究附图、本公开和所附的权利要求，本领域技术人员在实施所要求保护的发明时可以理解并实现对所公开实施例的变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。
[0156]
仅在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施这一事实并不表明这些措施的组合不能被用来发挥优势。
[0157]
如果在权利要求或描述中使用了术语“适于”，应注意的是，术语“适于”旨在等同于术语“被配置成”。
[0158]
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。