三維內(nèi)窺鏡及三維成像方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)要求于2013年11月7日遞交的、申請(qǐng)?zhí)枮閁S61901279,名稱為 "Intra-Abdominal Lightfield 3D camera and Method of Making the Same"的申請(qǐng)的優(yōu) 先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種三維成像技術(shù)，特別是一種三維內(nèi)窺鏡及三維成像方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 相對(duì)于傳統(tǒng)的外科手術(shù)，微創(chuàng)手術(shù)（MIS)將醫(yī)療裝置通過(guò)人體的自然開口或小的 皮膚切口插入人體內(nèi)，進(jìn)行診斷和治療、修復(fù)人體內(nèi)大范圍的醫(yī)療病變。微創(chuàng)手術(shù)已在過(guò) 去的二十年里，逐步取代了一般的外科手術(shù)卓越地位，它能減少手術(shù)的并發(fā)癥，加速術(shù)后恢 復(fù)，提高病人的滿意度，減少術(shù)后疼痛等。
[0004] 為了突破微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)瓶頸和進(jìn)一步降低發(fā)病率，單孔腹腔鏡手術(shù)（LESS)技術(shù) 被開發(fā)出來(lái)，它是通過(guò)減小創(chuàng)口尺寸和減少腹部創(chuàng)口數(shù)量來(lái)進(jìn)行的微創(chuàng)手術(shù)。目前已經(jīng)被 用于膽囊切除、闌尾切除術(shù)、腎上腺切除術(shù)、右半結(jié)腸切除術(shù)、可調(diào)節(jié)胃束帶放置、腎部分切 除術(shù)和根治性前列腺切除術(shù)。與傳統(tǒng)的腹腔鏡手術(shù)相比，單孔腹腔鏡手術(shù)只造成一個(gè)腹部 創(chuàng)口，有利于創(chuàng)口美觀，同時(shí)術(shù)后痛苦少、恢復(fù)快、不粘連、極大縮短康復(fù)時(shí)間。
[0005] 自然孔口內(nèi)窺鏡手術(shù)（NOTES)是近期微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域另一個(gè)技術(shù)發(fā)展。它是把內(nèi)窺 鏡插入人體的自然孔口（口，尿道，肛門等），通過(guò)一個(gè)內(nèi)部切口（胃、陰道、膀胱或直腸）進(jìn) 入病變部位，從而完全消除腹部切口/外部疤痕。自然孔口內(nèi)窺鏡手術(shù)是用于人體診斷腹 腔鏡闌尾切除術(shù)、膽囊切除術(shù)和套筒胃大部切除術(shù)。
[0006] 機(jī)器人系統(tǒng)，如達(dá)文西機(jī)器人系統(tǒng)已被用于單孔腹腔鏡手術(shù)，被稱為機(jī)器人單孔 腹腔鏡手術(shù)，以增強(qiáng)手術(shù)的清晰度、運(yùn)動(dòng)縮放和減少震顫。
[0007] 盡管在過(guò)去的幾年中，這三種主流的微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)迅速得到發(fā)展，但由于缺乏更 高性能的圖像裝置阻礙了這些技術(shù)的發(fā)展，也不能使更多的患者獲益。這些技術(shù)的操作需 要一個(gè)單一創(chuàng)口進(jìn)入腹膜腔，這種需求會(huì)引發(fā)一系列廣泛的挑戰(zhàn)，從儀器的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，獲得 足夠的鉗制力，到儀器三角支撐力的減弱。
[0008] 特別是現(xiàn)有LNR的裝置可視化能力證明有一定的問(wèn)題和不足，由于醫(yī)生不再直接 看著病人的解剖，而是通過(guò)一個(gè)二維視頻監(jiān)視器觀看，通過(guò)手術(shù)創(chuàng)口不能直接看到手術(shù)部 位問(wèn)題。這些現(xiàn)有的成像設(shè)備的主要缺點(diǎn)包括：
[0009] (1)視野狹窄：LNR(LESS、NOTES、R-LESS的簡(jiǎn)稱）中給出的腹腔圖像的視野有可 能被同一創(chuàng)口進(jìn)入的醫(yī)療器械所遮擋和掩蓋。圖像可能與其他的工具重疊，這就使醫(yī)生難 以通過(guò)現(xiàn)有的二維圖像獲得內(nèi)部的三維深度感。
[0010] ⑵創(chuàng)口的持續(xù)占用：在手術(shù)檢查中，慣用的腹腔內(nèi)窺鏡一直占領(lǐng)創(chuàng)口的重要位 置，阻礙了其他器械在同一個(gè)創(chuàng)口的同時(shí)性操作
[0011] (3)器械碰撞：腹腔鏡組對(duì)創(chuàng)口的持續(xù)占用導(dǎo)致手術(shù)器械在內(nèi)部和外部會(huì)產(chǎn)生碰 撞。
[0012] (4)視角受限：LNR中的內(nèi)窺鏡只經(jīng)過(guò)一個(gè)通道，將產(chǎn)生不熟悉的視角，尤其在 NOTES中發(fā)生較多，而且鏡管無(wú)法隨醫(yī)生意愿轉(zhuǎn)換任意角度
[0013] (5)難以保持正確且穩(wěn)定的空間定位：體內(nèi)圖形有時(shí)候定位在四邊，這就使醫(yī)生 在精細(xì)的手術(shù)過(guò)程中很難建立穩(wěn)定的空間坐標(biāo)，難以獲得三維感。這就大大增加了醫(yī)生的 工作負(fù)擔(dān)，降低了 LNR的有效性和準(zhǔn)確性。
[0014] (6)缺乏三維圖像顯示能力和深度感：最重要的是，如今在LNR中使用的內(nèi)窺鏡系 統(tǒng)只能提供二維圖像，缺乏三維深度信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 在下文中給出關(guān)于本發(fā)明的簡(jiǎn)要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理 解。應(yīng)當(dāng)理解，這個(gè)概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān) 鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡(jiǎn)化的形式給出某些概念， 以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。
[0016] 本發(fā)明的一個(gè)主要目的在于提供一種三維內(nèi)窺鏡及三維成像方法，可以消除現(xiàn)有 腹腔內(nèi)窺鏡普遍存在的視野狹窄和旋轉(zhuǎn)視角問(wèn)題，獲得一個(gè)具有恰當(dāng)視角、無(wú)遮蔽的全視 場(chǎng)（FOV)的手術(shù)場(chǎng)景。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種三維內(nèi)窺鏡，包括殼體、成像單元和控制單元；
[0018] 所述成像單元位于所述殼體內(nèi)；
[0019] 所述成像單元包括成像傳感器陣列和照明設(shè)備；
[0020] 所述成像傳感器陣列包括多個(gè)成像傳感器，用于在所述照明設(shè)備提供的光照下采 集目標(biāo)對(duì)象的二維圖像；
[0021] 所述控制單元用于基于每個(gè)所述傳感器采集到的所述目標(biāo)對(duì)象的二維圖像合成 為所述目標(biāo)對(duì)象的三維圖像。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種基于如上所述的三維內(nèi)窺鏡的三維成像方法，包 括：
[0023] 成像傳感器陣列中的多個(gè)成像傳感器在照明設(shè)備提供的光照下采集目標(biāo)對(duì)象的 二維圖像；
[0024] 控制單元基于每個(gè)傳感器采集到的所述目標(biāo)對(duì)象的二維圖像合成為所述目標(biāo)對(duì) 象的三維圖像。
[0025] 采用本發(fā)明的三維內(nèi)窺鏡及三維成像方法，可以一個(gè)具有恰當(dāng)視角、無(wú)遮蔽的全 視場(chǎng)（FOV)的手術(shù)場(chǎng)景。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 參照下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的說(shuō)明，會(huì)更加容易地理解本發(fā)明的以上和其 它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。附圖中的部件只是為了示出本發(fā)明的原理。在附圖中，相同的或類似 的技術(shù)特征或部件將采用相同或類似的附圖標(biāo)記來(lái)表示。
[0027] 圖1為本發(fā)明的三維內(nèi)窺鏡的第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明的三維內(nèi)窺鏡的成像原理示意圖；
[0029] 圖3為本發(fā)明的三維內(nèi)窺鏡的第二實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)圖；
[0030] 圖4為圖3的三維內(nèi)窺鏡的目標(biāo)對(duì)象的表面點(diǎn)P的三維距離計(jì)算原理圖；
[0031] 圖5為圖3中的結(jié)構(gòu)光投影單元的一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)圖；
[0032] 圖6為本發(fā)明的三維內(nèi)窺鏡的第三實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)圖；
[0033] 圖7為本發(fā)明的三維內(nèi)窺鏡的第三實(shí)施方式的三維內(nèi)窺鏡的目標(biāo)對(duì)象的表面點(diǎn)P 的三維距離計(jì)算原理圖；
[0034] 圖8為本發(fā)明的三維內(nèi)窺鏡的第五實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)圖；
[0035] 圖9為本發(fā)明的三維內(nèi)窺鏡的第六實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)圖；
[0036] 圖10為本發(fā)明的三維成像方法的一種實(shí)施方式的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面參照附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。在本發(fā)明的一個(gè)附圖或一種實(shí)施方式中描 述的元素和特征可以與一個(gè)或更多個(gè)其它附圖或?qū)嵤┓绞街惺境龅脑睾吞卣飨嘟Y(jié)合。應(yīng) 當(dāng)注意，為了清楚的目的，附圖和說(shuō)明中省略了與本發(fā)明無(wú)關(guān)的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知 的部件和處理的表示和描述。
[0038] 第一實(shí)施方式
[0039] 參見(jiàn)圖1所示，為本發(fā)明的三維內(nèi)窺鏡的第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)圖。
[0040] 在本實(shí)施方式中，三維內(nèi)窺鏡包括成像單元100和控制單元105。
[0041] 成像單元100包括殼體103,以及位于殼體103內(nèi)的成像傳感器陣列和照明設(shè)備 101。成像傳感器陣列包括多個(gè)成像傳感器102,用于在照明設(shè)備提供的光照下采集目標(biāo)對(duì) 象108的二維圖像。
[0042] 控制單元105用于基于每個(gè)成像傳感器102采集到的目標(biāo)對(duì)象108的二維圖像合 成為目標(biāo)對(duì)象的三維圖像。
[0043] 在使用時(shí)，成像單元100可以置于患者的體內(nèi)（例如腹腔內(nèi)），而控制單元105可 以置于患者體外。
[0044] 參見(jiàn)圖2所示，為本發(fā)明的三維內(nèi)窺鏡的成像原理示意圖。
[0045] 目標(biāo)對(duì)象108完整的三維信息（即，一切可以看到的光線信息）可以通過(guò)光場(chǎng)描 述。在計(jì)算光場(chǎng)理論中，光場(chǎng)通?？捎梢幌盗胁煌暯堑亩S圖像來(lái)表達(dá)。被圖像傳感器 陣列102拍攝的圖像包含了一組豐富的光線，這些光線即是由目標(biāo)對(duì)象108產(chǎn)生的部分光 場(chǎng)。在圖2中，光場(chǎng)是由光場(chǎng)三維內(nèi)窺鏡獲取的多個(gè)二維圖像堆疊表示。光場(chǎng)提供全分辨 率的二維和三維圖像，便于三維表面重建、三維測(cè)量和自由視點(diǎn)可視化的三維顯示等等。通 過(guò)處理捕獲的光線，可以完成三維表面重建、渲染并生成三維圖像。
[0046] 作為一種實(shí)施方式，成像傳感器102可以包括電荷耦合器件（CXD)或互補(bǔ)金屬氧 化物半導(dǎo)體傳感器（CMOS)。模擬的和數(shù)字版本的CCD/CMOS傳感器模塊都可以被使用。例 如，可以選用OmniVision公司的CMOS芯片，該芯片有672x492像素的圖像分辨率，圖像面 積4. 032毫米x2. 952毫米，像素尺寸6x6 μ m。成像傳感器102可以使用高品質(zhì)的微型光學(xué) 鏡頭來(lái)獲取適當(dāng)?shù)念I(lǐng)域視角（FOV)(例如120度視場(chǎng)）。
[0047] 在本實(shí)施方式中，所有成像傳感器102的幾何位置可以是任意的，但應(yīng)當(dāng)是已知 的或是可通過(guò)校準(zhǔn)技術(shù)獲得的。例如，傳感器陣列中的各成像傳感器102可以呈線性排列。
[0048] 在傳感器陣列中的成像傳感器102可以是完全相同的，也可以具有不同的光學(xué)、 機(jī)械和/或電子特性。例如，這些傳感器可以具有不同的焦距、視野、光譜范圍、像素分辨率 或任何其他性能指標(biāo)。不管圖像或非圖像信號(hào)都可以從這些傳感器獲得。
[0049] 作為一種實(shí)施方式，照明設(shè)備101可以采用LED，也可以使用其它可以提供適當(dāng)照 明的方式（如光纖