CN102429728A - 医学影像投影辅助外科手术系统 - Google Patents
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Abstract
一种医学影像投影辅助的外科手术系统，采用一种无需聚焦(focus free)的微型激光扫描投影装置将医学影像信息投射在人体表面，为外科手术准确定位病变部位提供参考。它主要包括视频处理模块、激光光源模块、激光驱动调制模块、模拟微镜模块和微扫描镜控制模块。视频处理模块输出端分别与激光驱动调制模块和微扫描镜控制模块的输入端连接，激光驱动调制模块的输出端与激光光源模块的输入端连接，微扫描镜控制模块的输出端与模拟微扫描镜的输入端连接，激光光源模块发出的激光投射在微扫描镜的可动反射镜面上，经可动反射镜面反射后，投射在人体表面上。本发明结构简单，实现了无需聚焦的投影画面，即使在如人体表面这样凹凸不平的表面也可清晰显示。
Description
技术领域
本发明涉及一种医学影像投影辅助的外科手术系统，特别是采用一种无需聚焦(focus free)的微型激光扫描投影装置将一种或多种医学影像投射在病人肌体表面，为外科手术准确定位病变部位提供参考。
背景技术
在过去几十年中，医学影像学，如ultrasound，CT，MRI，PET(正电子断层扫描)，SPECT(单光子发射断层扫描)等，的迅速发展以及与计算机，信号处理技术和机器人技术的紧密结合诞生出一门崭新的学科----计算机辅助手术(CAS，Computer Assisted Surgery)技术。采用CAS技术可以准确定位病变部位，并明显提高手术的安全性。目前CAS技术的核心技术挑战在于如何能将实时医学影像学信息应用于外科手术，以避免“影像漂移”。
最近，基于MEMS(Microelectromechanical Systems，微机电系统)微扫描镜和激光光源的微型激光扫描投影设备，具有体积小，亮度高，无须聚焦等优点。这类微型激光扫描投影设备不用聚焦用光学镜头，具有无需聚焦的优点，特别适用于将二维图像清晰投射于凹凸不平的表面，如人体表面。其中，所用到的一个核心部件就是用于二维激光扫描的MEMS微扫描镜，它包括可动的反射镜和使反射镜绕X轴和Y轴高速转动的致动器(Actuator)。其结构通常有两种：(1)单个有万向节(Gimbal)或无万向节(Gimbal-less)的双轴微扫描镜，包括一个快扫描轴(X轴)用于行扫描和一个慢扫描轴(Y轴)用于场扫描，两个轴相互正交；(2)两个单轴微扫描镜，其中一个扫描镜负责行扫描(即X轴扫描)，它是由快速驱动器来实现完成的；另一个正交放置的单轴微扫描镜完成较慢的场扫描(Y轴扫描)。
发明内容
本发明的目的是一种医学影像投影辅助的外科手术系统，特别是采用一种无需聚焦(focus free)的微型激光扫描投影装置将一种或多种医学影像投射在病人肌体表面，为外科手术准确定位病变部位提供参考。
为实现上述目的，本发明采用技术方案是：它包括计算机和微型激光扫描投影设备。其中微型激光扫描投影设备包括视频处理模块、激光光源模块、激光驱动调制模块、模拟微镜模块和微扫描镜控制模块。计算机与微型激光扫描设备中的视频处理模块的输入端相连。视频处理模块输出端分别与激光驱动调制模块和微扫描镜控制模块的输入端连接，激光驱动调制模块的输出端与激光光源模块的输入端连接，微扫描镜控制模块的输出端与模拟微扫描镜的输入端连接，激光光源模块发出的激光投射在MEMS微扫描镜的可动反射镜面上，经可动反射镜面反射后，投射出二维图像；
所述的计算机为目前通用的微型计算机或视频工作站，用于存储/管理/输出医学影像学信息，如ultrasound，CT，MRI，PET(正电子断层扫描)，SPECT(单光子发射断层扫描)等。
所述的微型激光扫描投影设备用于接收计算机输出的二维医学影像学信息，并将二维医学影像学信息投射在病人肌体表面，为外科手术准确定位病变部位提供参考。微型激光扫描投影设备包括视频处理模块、激光光源模块、激光驱动调制模块、模拟微镜模块和微扫描镜控制模块。
所述的视频处理模块用于接收计算机输出的二维医学影像学信息，并把接收到的二维医学影像学信息成激光器驱动调制电路和微扫描镜控制电路能够识别和控制的视频信号，并传送该视频信号给激光驱动调制模块和微扫描镜控制模块。
所述的激光驱动调制模块用于接受来自视频转换模块输出的视频信号，用来控制激光光源模块中的激光器。
所述的激光光源模块根据激光驱动调制模块的驱动控制信号完成激光投射工作，包括可以高速调制(通常为几十MHz至上百MHz)的红/绿/蓝色激光器各一个和准直/合束光学系统。红色激光器的波长通常为635nm至642nm，可以为红色激光二极管；绿色激光器的波长通常为515nm至532nm，可以为基于二次谐波倍频技术(Second Harmonic Generation，SHG)的绿色激光器或绿色激光二极管；蓝色激光器的波长通常为515nm至532nm，可以为蓝色激光二极管。准直/合束光学系统包括对应红/绿/蓝色激光器的准直透镜各一组，二向色镜滤光片2片或3X1光纤耦合器(Fiber Coupler或Combiner)用于将准直后的红/绿/蓝色激光合成一束激光。
所述的微扫描镜控制模块用于接收来自视频转换模块发来的视频信号，并根据得到视频信号控制微扫描镜模块进行扫描工作。
所述的模拟微镜模块根据微扫描镜控制模块的控制命令实现行扫描和场扫描，它由单片MEMS微扫描镜组成，包括可动的反射镜和使反射镜绕X轴和Y轴高速转动的致动器(Actuator)。其结构通常有两种：(1)单个有万向节(Gimbal)或无万向节(Gimbal-less)的双轴微扫描镜，包括一个快扫描轴(X轴)用于行扫描和一个慢扫描轴(Y轴)用于场扫描，两个轴相互正交；(2)两个单轴微扫描镜，其中一个扫描镜负责行扫描(即X轴扫描)，它是由快速驱动器来实现完成的；另一个正交放置的单轴微扫描镜完成较慢的场扫描(Y轴扫描)。MEMS微扫描镜的扫描方式可以为双向逐行扫描，即在奇数行由左向右扫描，偶数行由右向左扫描；或双向隔行扫描，即在第一行由左向右扫描，第三行由右向左扫描，第五行由左向右扫描，以此类推，当完成奇数场扫描之后开始在第二行由左向右扫描，第四行由右向左扫描，第六行由左向右扫描，以此类推，以完成偶数场扫描。
本发明由于采用了上述技术方案，具有如下优点：
1、实现了无需聚焦的投影画面，即使在如人体表面这样凹凸不平的表面也可清晰显示；
2、结构简单、操作简便，易于实现。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构框图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：如图1-2所示，它包括计算机1、视频处理模块2、激光光源模块3、激光驱动调制模块4、模拟微镜模块6和微扫描镜控制模块5。计算机1的输出端与视频处理模块2的输入端相连，视频处理模块2输出端分别与激光驱动调制模块4和微扫描镜控制模块5的输入端连接，激光驱动调制模块4的输出端与激光光源模块3的输入端连接，微扫描镜控制模块5的输出端与模拟微扫描镜6的输入端连接，激光光源模块3发出的激光投射在模拟微镜模块6的可动反射镜面上，经可动反射镜面反射后，投射出二维图像信息；
所述的计算机1为目前通用的微型计算机或视频工作站，用于存储/管理/输出医学影像学信息，如ultrasound，CT，MRI，PET(正电子断层扫描)，SPECT(单光子发射断层扫描)等。
所述的视频处理模块2用于接收计算机1输出的二维医学影像学信息，并把接收到的二维医学影像学信息成激光器驱动调制模块4和微扫描镜控制模块5能够识别和控制的视频信号，并传送该视频信号给激光驱动调制模块4和微扫描镜控制模块5。
所述的激光驱动调制模块4用于接受来自视频处理模块2输出的视频信号，用来控制激光光源模块3中的激光器。
所述激光光源模块3根据激光驱动调制模块4的驱动控制信号完成激光投射工作，包括可以高速调制(通常为几十MHz至上百MHz)的红/绿/蓝色激光器各一个和准直/合束光学系统。红色激光器的波长通常为635nm至642nm，可以为红色激光二极管；绿色激光器的波长通常为515nm至532nm，可以为基于二次谐波倍频技术(Second Harmonic Generation，SHG)的绿色激光器或绿色激光二极管；蓝色激光器的波长通常为515nm至532nm，可以为蓝色激光二极管。准直/合束光学系统包括对应红/绿/蓝色激光器的准直透镜各一组，二向色镜滤光片2片或3X1光纤耦合器(Fiber Coupler或Combiner)用于将准直后的红/绿/蓝色激光合成一束激光。
所述的微扫描镜控制模块5用于接收来自视频处理模块2发来的视频信号，并根据得到视频信号控制微扫描镜模块6进行扫描工作。
所述的模拟微镜模块6根据微扫描镜控制模块5的控制命令实现行扫描和场扫描，它由单片MEMS微扫描镜组成，包括可动的反射镜和使反射镜绕X轴和Y轴高速转动的致动器(Actuator)。其结构通常有两种：(1)单个有万向节(Gimbal)或无万向节(Gimbal-less)的双轴微扫描镜，包括一个快扫描轴(X轴)用于行扫描和一个慢扫描轴(Y轴)用于场扫描，两个轴相互正交；(2)两个单轴微扫描镜，其中一个扫描镜负责行扫描(即X轴扫描)，它是由快速驱动器来实现完成的；另一个正交放置的单轴微扫描镜完成较慢的场扫描(Y轴扫描)。MEMS微扫描镜的扫描方式可以为双向逐行扫描，即在奇数行由左向右扫描，偶数行由右向左扫描；或双向隔行扫描，即在第一行由左向右扫描，第三行由右向左扫描，第五行由左向右扫描，以此类推，当完成奇数场扫描之后开始在第二行由左向右扫描，第四行由右向左扫描，第六行由左向右扫描，以此类推，以完成偶数场扫描。
本发明的工作原理是这样的：用户在计算机1内存储用于手术的医学影像学图像信息，如ultrasound，CT，MRI，PET(正电子断层扫描)，SPECT(单光子发射断层扫描)图像等。在微型激光扫描投影装置内，计算机1的输出端与视频处理模块2的输入端相连。视频处理模块2输出端分别与激光驱动调制模块4和微扫描镜控制模块5的输入端连接。视频处理模块2用于接收计算机1输出的二维医学影像学信息，并把接收到的二维医学影像学信息成激光器驱动调制模块4和微扫描镜控制模块5能够识别和控制的视频信号。激光驱动调制模块4的输出端与激光光源模块3的输入端连接，微扫描镜控制模块5的输出端与模拟微扫描镜6的输入端连接，激光光源模块3根据激光驱动调制模块4的驱动控制信号完成激光投射工作，包括可以高速调制(通常为几十MHz至上百MHz)的红/绿/蓝色激光器各一个和准直/合束光学系统。激光光源模块3发出的的高速调制过的并经过准直/合束的红绿蓝三色激光投射在模拟微镜模块6的可动反射镜面上，经可动反射镜面反射后，在人体表面投射出二维图像信息以辅助定位手术部位。
此处举例说明微型激光扫描投影装置独特的“无需聚焦”的工作原理：模拟微镜模块的水平扫描角为40度，竖直扫描角为30度，分辨率为800X600时，所需的激光束发散角度为40/800＝0.05度(水平)，30/600＝0.05度(竖直)。当屏幕距投影设备0.5米时，屏幕上每个光斑的大小为0.5*tan(0.05/2)*2＝0.45毫米，投影尺寸为0.5*tan(40/2)*2＝360毫米(水平)，0.5*tan(30/2)*2＝270毫米(竖直)。此时水平分辨率为360/0.45＝800，竖直分辨率为270/0.45＝600。当屏幕距投影设备的距离为其他尺寸时，基本也满足此关系。这是由高斯光束在均匀介质中的传播特性决定的，高斯光束的发散角基本是个固定值。这样，微型激光扫描投影装置可以在任何形状的表面上投射出清晰的图像。
本发明所述的单片MEMS微扫描镜设置有一个水平轴和一个竖直轴，微扫描镜控制模块5控制MEMS微扫描镜上的可动反射镜面绕水平轴和竖直轴进行偏转，当可动反射镜面绕水平轴偏转时，实现行扫描，当可动反射镜面绕竖直轴偏转时，实现场扫描。
本发明所述的可动反射镜面的机械偏转角度为(0-45)度。
本发明所述的模拟微镜模块6的中心线与激光光源模块3的中心线之间的夹角大于0度且小于90度。
本发明所述的模拟微镜模块6的中心线与激光光源模块3的中心线之间的夹角为35度-55度。
本发明所述的模拟微镜模块的中心线与激光光源模块的中心线之间的夹角为40度-50度。
本发明所述的模拟微镜模块6的中心线与激光光源模块3的中心线之间的夹角为45度。模拟微镜模块6的中心线与激光光源模块3的中心线成45°夹角。激光光源模块3发出的激光投射在模拟微镜模块6的可动反射镜上，被反射90°后投射在屏幕上。
本发明所述的微扫描镜控制模块5内的驱动波为锯齿波，三角波或方波。
Claims (10)
1.一种医学影像投影辅助外科手术系统，其特征在于：它包括计算机和微型激光扫描投影装置。
2.如权利要求1所述的微型激光扫描投影设备，其特征在于：用于接收计算机输出的二维医学影像学信息，并将二维医学影像学信息投射在病人肌体表面。它包括视频处理模块、激光光源模块、激光驱动调制模块、模拟微镜模块和微扫描镜控制模块。
3.如权利要求2所述的视频处理模块，其特征在于：用于接收计算机输出的二维医学影像学信息，并把接收到的二维医学影像学信息成激光器驱动调制电路和微扫描镜控制电路能够识别和控制的视频信号，并传送该视频信号给激光驱动调制模块和微扫描镜控制模块。
4.如权利要求2所述的激光驱动调制模块，其特征在于：用于接受来自视频转换模块输出的视频信号，用来控制激光光源模块中的激光器。
5.如权利要求2所述的激光光源模块，其特征在于：根据激光驱动调制模块的驱动控制信号完成激光投射工作，包括可以高速调制(通常为几十MHz至上百MHz)的红/绿/蓝色激光器各一个和准直/合束光学系统。红色激光器的波长通常为635nm至642nm，可以为红色激光二极管；绿色激光器的波长通常为515nm至532nm，可以为基于二次谐波倍频技术(SecondHarmonic Generation，SHG)的绿色激光器或绿色激光二极管；蓝色激光器的波长通常为515nm至532nm，可以为蓝色激光二极管。准直/合束光学系统包括对应红/绿/蓝色激光器的准直透镜各一组，二向色镜滤光片2片或3X1光纤耦合器(Fiber Coupler或Combiner)用于将准直后的红/绿/蓝色激光合成一束激光。
6.如权利要求2所述的微扫描镜控制模块，其特征在于：用于接收来自视频转换模块发来的视频信号，并根据得到视频信号控制微扫描镜模块进行扫描工作。
7.如权利要求2所述的模拟微镜模块，其特征在于：根据微扫描镜控制模块的控制命令实现行扫描和场扫描，它由单片MEMS微扫描镜组成，包括可动的反射镜和使反射镜绕X轴和Y轴高速转动的致动器(Actuator)。其结构通常有两种：(1)单个有万向节(Gimbal)或无万向节(Gimbal-less)的双轴微扫描镜，包括一个快扫描轴(X轴)用于行扫描和一个慢扫描轴(Y轴)用于场扫描，两个轴相互正交；(2)两个单轴微扫描镜，其中一个扫描镜负责行扫描(即X轴扫描)，它是由快速驱动器来实现完成的；另一个正交放置的单轴微扫描镜完成较慢的场扫描(Y轴扫描)。MEMS微扫描镜的扫描方式可以为双向逐行扫描，即在奇数行由左向右扫描，偶数行由右向左扫描；或双向隔行扫描，即在第一行由左向右扫描，第三行由右向左扫描，第五行由左向右扫描，以此类推，当完成奇数场扫描之后开始在第二行由左向右扫描，第四行由右向左扫描，第六行由左向右扫描，以此类推，以完成偶数场扫描。
8.如权利要求7所述的模拟微镜模块，其特征在于：所述的单片MEMS微扫描镜设置有一个水平轴和一个竖直轴，微扫描镜控制电路控制MEMS微扫描镜上的可动反射镜面绕水平轴和竖直轴进行偏转，当可动反射镜面绕水平轴偏转时，实现行扫描，当可动反射镜面绕竖直轴偏转时，实现场扫描。
9.如权利要求7所述的模拟微镜模块，其特征在于：所述的可动反镜面的机械偏转角度为(0-45)度。
10.如权利要求6所述的微扫描镜控制模块，其特征在于：驱动波形为锯齿波，三角波或方波。
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Effective date of registration: 20130322 Address after: 300221 Tianjin City, Hexi District Rui Zhu Yuan Garden 8-1-501 Applicant after: NYMPH (TIANJIN) TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 300384 Mei Huayuan Industrial District of Tianjin City, No. 9, No. 9 Court Road, building 4 unit 705 Applicant before: TIANJIN HENGJI SHENGDA TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20201209 Address after: 137 Dadao Road, Dieshiqiao, Sanxing Town, Haimen City, Nantong City, Jiangsu Province, 226000 Patentee after: Haimen Mao Mao Art Design Co.,Ltd. Address before: 8-1-501, Zhuyuan, Ruijiang garden, Hexi District, Tianjin Patentee before: NYMPH (TIANJIN) TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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Addressee: Xu Yingshun Document name: Notice of conformity |
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Addressee: Yanan Document name: Notice of conformity |
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