三維內(nèi)窺鏡及三維成像方法
【專利說明】
[0001] 本申請要求于2013年11月7日遞交的、申請?zhí)枮閁S61901279,名稱為 "Intra-Abdominal Lightfield 3D camera and Method of Making the Same"的申請的優(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)療裝置通過人體的自然開口或小的 皮膚切口插入人體內(nèi)，進行診斷和治療、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 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，它是通過減小創(chuàng)口尺寸和減少腹部創(chuàng)口數(shù)量來進行的微創(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)只造成一個腹部 創(chuàng)口，有利于創(chuàng)口美觀，同時術(shù)后痛苦少、恢復(fù)快、不粘連、極大縮短康復(fù)時間。
[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），通過一個內(nèi)部切口（胃、陰道、膀胱或直腸）進 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] 機器人系統(tǒng)，如達文西機器人系統(tǒng)已被用于單孔腹腔鏡手術(shù)，被稱為機器人單孔 腹腔鏡手術(shù)，以增強手術(shù)的清晰度、運動縮放和減少震顫。
[0007] 盡管在過去的幾年中，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 要一個單一創(chuàng)口進入腹膜腔，這種需求會引發(fā)一系列廣泛的挑戰(zhàn)，從儀器的碰撞風(fēng)險，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題和不足，由于醫(yī)生不再直接 看著病人的解剖，而是通過一個二維視頻監(jiān)視器觀看，通過手術(shù)創(chuàng)口不能直接看到手術(shù)部 位問題。這些現(xiàn)有的成像設(shè)備的主要缺點包括：
[0009] (1)視野狹窄：LNR(LESS、NOTES、R-LESS的簡稱）中給出的腹腔圖像的視野有可 能被同一創(chuàng)口進入的醫(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創(chuàng)口的同時性操作
[0011] (3)器械碰撞：腹腔鏡組對創(chuàng)口的持續(xù)占用導(dǎo)致手術(shù)器械在內(nèi)部和外部會產(chǎn)生碰 撞。
[0012] (4)視角受限：LNR中的內(nèi)窺鏡只經(jīng)過一個通道，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)圖形有時候定位在四邊，這就使醫(yī)生 在精細的手術(shù)過程中很難建立穩(wěn)定的空間坐標，難以獲得三維感。這就大大增加了醫(yī)生的 工作負擔，降低了 LNR的有效性和準確性。
[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)當理解，這個概述并不是關(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。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念， 以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。
[0016] 本發(fā)明的一個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)視角問題，獲得一個具有恰當視角、無遮蔽的全視 場（FOV)的手術(shù)場景。
[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 集目標對象的二維圖像；
[0021] 所述控制單元用于基于每個所述傳感器采集到的所述目標對象的二維圖像合成 為所述目標對象的三維圖像。
[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成像傳感器在照明設(shè)備提供的光照下采集目標對象的 二維圖像；
[0024] 控制單元基于每個傳感器采集到的所述目標對象的二維圖像合成為所述目標對 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，可以一個具有恰當視角、無遮蔽的全 視場（FOV)的手術(shù)場景。
【附圖說明】
[0026] 參照下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例的說明，會更加容易地理解本發(fā)明的以上和其 它目的、特點和優(yōu)點。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記來表示。
[0027] 圖1為本發(fā)明的三維內(nèi)窺鏡的第一實施方式的結(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)窺鏡的目標對象的表面點P的三維距離計算原理圖；
[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)窺鏡的第三實施方式的三維內(nèi)窺鏡的目標對象的表面點P 的三維距離計算原理圖；
[0034] 圖8為本發(fā)明的三維內(nèi)窺鏡的第五實施方式的結(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施方式的流程圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面參照附圖來說明本發(fā)明的實施例。在本發(fā)明的一個附圖或一種實施方式中描 述的元素和特征可以與一個或更多個其它附圖或?qū)嵤┓绞街惺境龅脑睾吞卣飨嘟Y(jié)合。應(yīng) 當注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本發(fā)明無關(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] 第一實施方式
[0039] 參見圖1所示，為本發(fā)明的三維內(nèi)窺鏡的第一實施方式的結(jié)構(gòu)圖。
[0040] 在本實施方式中，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成像傳感器102,用于在照明設(shè)備提供的光照下采集目標對 象108的二維圖像。
[0042] 控制單元105用于基于每個成像傳感器102采集到的目標對象108的二維圖像合 成為目標對象的三維圖像。
[0043] 在使用時，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] 目標對象108完整的三維信息（即，一切可以看到的光線信息）可以通過光場描 述。在計算光場理論中，光場通?？捎梢幌盗胁煌暯堑亩S圖像來表達。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對象108產(chǎn)生的部分光 場。在圖2中，光場是由光場三維內(nèi)窺鏡獲取的多個二維圖像堆疊表示。光場提供全分辨 率的二維和三維圖像，便于三維表面重建、三維測量和自由視點可視化的三維顯示等等。通 過處理捕獲的光線，可以完成三維表面重建、渲染并生成三維圖像。
[0046] 作為一種實施方式，成像傳感器102可以包括電荷耦合器件（CXD)或互補金屬氧 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) 鏡頭來獲取適當?shù)念I(lǐng)域視角（FOV)(例如120度視場）。
[0047] 在本實施方式中，所有成像傳感器102的幾何位置可以是任意的，但應(yīng)當是已知 的或是可通過校準技術(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。不管圖像或非圖像信號都可以從這些傳感器獲得。
[0049] 作為一種實施方式，照明設(shè)備101可以采用LED，也可以使用其它可以提供適當照 明的方式（如光纖