CN108348295A - 机动全视野适应性显微镜 - Google Patents

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CN108348295A CN201580084410.1A CN201580084410A CN108348295A CN 108348295 A CN108348295 A CN 108348295A CN 201580084410 A CN201580084410 A CN 201580084410A CN 108348295 A CN108348295 A CN 108348295A
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塔米·基韦·李
迈克尔·弗兰克·冈特·伍德
卡梅伦·安东尼·皮龙
布伦特·安德鲁·贝利
塞格尔·萨克塞纳
肖恩·阿德里安·康罗伊
甘亚尔·阿布哈里
卡伊·迈克尔·欣内
盖尔·西拉
凯利·诺埃尔·戴尔
乔舒亚·李·里士满
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Abstract

本发明提供了一种用于在医疗过程中对目标进行成像的光学成像系统。该成像系统包括光学组件，其包括可移动的变焦光学器件及可移动的聚焦光学器件。该系统包括分别用于定位变焦和聚焦光学器件的变焦致动器和聚焦致动器。该系统包括控制器，其用于响应于接收到的控制输入独立地控制变焦致动器及聚焦致动器。该系统包括用于从光学组件捕获目标图像的摄影机。该系统可能在医疗过程中执行自动对焦。

Description

机动全视野适应性显微镜
技术领域：
本披露一般与光学成像系统有关，包括适用于图像引导医学程序的光学成像系统。
背景技术：
手术显微镜经常使用在手术过程中为手术部位提供详细或放大视图。在某情况下，单独的窄视场和宽视场范围可以使用在相同的手术过程中来收集具有不同变焦范围的图像视图。
通常，为了调整这种手术显微镜的变焦和聚焦，使用者(如外科医生)需要手动调显微镜的光学器件，尤其是在外科手术过程中，这能是困难，耗时且令人泄气。
另外，图像捕获摄影机和光源通常是与手术显微镜分离的设备，所以特定的摄影机和光源可能在不同的医疗中心，甚至在同一个医疗中心内不同的手术程序，与不同的特定手术显微镜一同使用。这可能导致不一致的收集图像，以导致在比较在不同医疗中心之间图像之困难或不可能性。
发明背景
在某些示例中，本披露提供了一种用于在医疗过程中对目标进行成像的光学成像系统。此系统包括：光学组件，其包括可动变焦光学器件和可动聚焦光学器件；变焦致动器，其用于定位变焦光学器件；
聚焦致动器，其用于定位聚焦光学器件；控制器，其响应接收控制输入用于控制变焦致动器和聚焦致动器；以及摄影机，其从光学组件用于捕获目标图像；其中所述变焦光学器件和所述聚焦光学器件分别由所述控制器使用所述变焦致动器和所述聚焦致动器独立移动；以及其中所述光学成像系统是配置为在距所述目标的最小工作距离处操作，而所述工作距离确定在所述光学组件的孔径与所述目标之间。
在某些示例中，本披露提供了一种处理器，其用于控制在此披露的光学成像系统。所述处理器是配置为：提供用户介面以接收控制输入，所述用户介面耦合到处理器，以用于控制变焦致动器和聚焦致动器；发送控制指令到所述光学成像系统所述的控制器，以根据所述控制输入来用于调整缩放和聚焦；以及从摄影机接收图像数据，以输出到耦合到所述处理器的输出装置。
在某些示例中，本披露提供了一种用于医疗过程中的光学成像系统。所述系统包括：在本文披露的光学成像系统；定位系统，以定位光学成像系统的位置；以及导航系统，其用于追踪每个与目标相对的光学成像系统和定位系统。
在某些示例中，本披露提供了一种使用光学成像系统的自动聚焦的方法，其在医疗过程中进行，所述光学成像系统包括机动聚焦光学器件和用于定位所述聚焦光学器件的控制器，所述方法包括：确定成像目标与光学成像系统孔径之间的工作距离；从所述工作距离确定所述聚焦光学器件的期望位置；以及将聚焦光学器件定位在期望位置。
附图说明
将通过示例，现在请参考示出本申请的示例实施例的附图，其中：
图1示出一个进接端口插入人脑的过程，以在医疗程序中在内部脑组织提供进口；
图2A示出一个支持图像引导手术的示例导航系统；
图2B示出一个示例性导航系统的系统组件图；
图3示出一个在图2A及2B上示例导航系统中使用的示例控制和处理系统之框图；
图4A示出一个涉及一种手术过程的示例性方法之流程图，此方法可从在图2A及2B上示例导航系统来实现；
图4B示出一个在如图4A中概述手术过程配准患者示例方法之流程图；
图5示出一个在医疗过程中示例性光学成像系统之使用法；
图6示出一个示例性光学成像系统之框图；
图7和图8示出一个示例性光学成像系统之不同透视图；
图9示出一个使用示例光学成像系统自动对焦示例法之流程图；
图10示出一个使用示例光学成像系统，相对医疗器械自动对焦示例法之流程图；以及
图11示出一个使用示例光学成像系统相对于医疗器械自动对焦之示例方法。
相似的部件可能在不同附图上使用相似的附图标记表示。
具体实施方式
本文所述的系统和方法可用于神经外科领域，包括肿瘤护理、神经退行性疾病、中风、脑外伤和矫形外科手术。本披露的教导可适用于其他条件或医学领域。应该注意的是，虽然本披露描述了神经外科背景下的示例，但是本披露可适用于可以使用术中光学成像的其他外科手术。
各种示例装置或过程将会在以下描述。以下描述的示例实施例不限任何要求保护的实施例，而任何要求保护的实施例可包括与以下描述实施例不同的过程或设备。所述要求保护实施例不限装置或过程，其具有以下所述任何一个设备或过程所有特征，或不限以下所述多个或所有设备或过程之共同特征。以下描述的设备或过程可不构成任何要求保护的实施例的一部分。
此外，为了提供透彻理解，本披露阐述大量具体细节。然而，本领域普通技术人员将会理解，本文描述的实施例可在没有所述具体细节的情况下实践。在其他情况下，本文未有详细描述公知方法、过程、及组件，以免混淆本文描述的实施例。
如本文所用，术语「包括(comprises)」和「包括了(comprising)」应解释为包含性和开放性的，而不是排他性的。具体来说，当在本说明书和权利要求书中使用时，术语「包括」和「包括了」及其类似形式意味着包括指定的特征、步骤、或部件。而所述术语不应解释为排除其他特征、步骤、或部件的存在。
如本文所用，术语「示例性」或「示例」意味着「用作实例、例子或例证」，并且不应解释为优胜於本文所披露的其他构型的优选或有利构型。
如本文所用，术语「大约」和「近似」意味着包括可能存在于值范围的上限和下限中的变化，诸如特性、参数和尺寸的变化。在一个非限制性实例中，术语「大约」和「近似」意味着±10％或更少。
除非另有确定，所有在本文使用的技术和科学术语意图具含有与本领域普通技术人员通常相同的理解定义。除非另有指示，如通过本文所用的语境，以下术语旨在含有以下定义：
如本文所用，术语「进接端口」是指可插入主体中的套管、导管、鞘、端口、管道或其他结构，以在内部组织，器官或其他生物物质提供进口。在某些实施例中，进接端口可如经由其远端处的开口或孔径，与或经沿着其长度的中间位置处的开口或孔径直接暴露内部组织。在其他实施例中，进接端口可经由一个或多个透明或部分透明的曲面向一种或多种形式的能量或辐射，例如但不限于电磁波和声波，以提供间接进口。
如本文所用，术语「术中」是指在至少一部分医疗程序中发生或进行的行动、过程、方法、事件或步骤。如本文确定，术中不限于手术程序，并可以指在其他类型的医疗程序，诸如诊断和治疗程序。
某些在本披露的实施例涉及经由进接端口进行的微创医疗程序，而因此手术、诊断成像、治疗或其他医疗程序(如微创医疗程序)可基于通过进接端口进入内部组织进行。
在端口手术的例子中，外科医生或机器人手术系统可以执行涉及切除肿瘤的外科手术，大幅减少其中剩余的残留肿瘤，亦同时大幅减少完整脑白质色和脑灰质的创伤。在此程序中，创伤可从例如与进接端口的接触、对脑物质的压力、与手术装置的意外碰撞、或意外切除健康组织而发生。创伤减少关键在确保执行手术的外科医生能尽可能准确地查看手术部位关节，而不在医疗过程中花费过多的时间和浓度重新定位工具、示波器与或摄像机。
图1示出一个进接端口插入人脑的过程，以在医疗程序中在内部脑组织提供进口。在图1中，进接端口12被插入到人脑10中，提供在内部脑组织的进口。进接端口12可包括诸如导管、手术探针或诸如NICO BrainPath(TM)的圆柱形端口之类的器械。进接端口12可以包括诸如导管，手术探针或诸如类似NICO BrainPath TM的圆柱形端口仪器。然后，手术工具和仪器可从进接端口12内腔插入，以便执行手术、诊断或治疗程序，如必要时切除肿瘤。在所述端口手术示例，直线或线性进接端口12通常是沿大脑沟通路径引导。然后将手术器械沿着进接端口12向下插入。
同样，本披露也适用于导管、DBS针、活组织检查程序、用于在身体其他部位进行的其他医疗程序中活检组织与或导管、以及不使用进接端口的医疗程序。通常，本披露各种示例可适用于任何可使用光学成像系统的医疗程序。
图2A示出了一个示例性导航系统环境200，其可用于支持导航的图像引导手术。如图2所示，外科医生201在手术室(OR)环境中对患者202进行手术。医疗导航系统205可以包括设备塔，追踪系统，显示器和追踪器械，以在其手术中协助所述外科医生201。操作员203也可以当场操作，控制和为医疗导航系统205提供帮助。
图2B示出一个更详细地示出示例医疗导航系统205的图解。此披露光学成像系统可在所述医疗导航系统205环境中使用。此医疗导航系统205可以包括一个或多个显示器206、211，其用于显示视频图像，设备塔207和如机械臂的定位系统208，其所可以支持一个光学成像系统500(其可包括光学示波器)。这一个或多个显示器206、211可包括用于接收触摸输入的触敏显示器。此设备塔207可以安装在一个框架上(例如机架或推车)并可包括电源和计算机或控制器，其可运行规划软件、导航软件、与或其他软件来管理此定位系统208，或由所述导航系统205追踪的一个或多个仪器。在某些示例中，设备塔207可是此双重显示器206、211一起操作的单重塔配置，但也可以存在其他配置(如双重塔，单重显示器等)。此外，除了常规的交流电(AC)适配器电源外，此设备塔207还可以配置不间断电源(UPS)以提供紧急电力。
患者的解剖结构一部分可由一个把柄固定。例如，如图所示，患者的头部和大脑可以通过头部支架217固定就位。此进接端口12和相关联的导引器210可插入到头部之中，以提供到头部中手术部位的通路。此成像系统500可用于以足够放大率查看此进接端口12，以允许增强沿着此进接端口12的可视性。此成像系统500的输出可以被一个或多个计算机或控制器接收，以成可在视觉显示器上(如所述一个或多个显示器206、211)描绘的视图。
在某些示例中，乩导航系统205可以包括追踪指针222。所述追踪指针222(其可包括可由追踪摄影机213追踪的标记212)可用于鉴定患者上的部点(例如基准点)。操作者(通常是护士或所述外科医生201)可用所述追踪指针222来鉴定所述患者202上的部点位置，以便在此导航系统205中内存所述患者202上选定部点的位置。应该注意是，闭环控制导向机器人系统可用作人的互动代理。任何组合输入源点可用来提供对乩机器人系统的指导，如图像分析、使用放置在各种关注物体上的标记、或任何其他合适的机器人系统指导技术来追踪手术室中的物体。
基准标记212可以连接到导引器210以由追踪摄影机213进行追踪，其可从所进导航系统205提供导引器210的位置信息。在某些示例中，此基准标记212可以可选地或附加地附接到所匹进接端口12。在某些示例中，所述追踪摄影机213可以是类似于由NorthernDigital Imaging(NDI)制造的3D红外光学追踪立体摄影机。在某些示例中，追踪摄影机213可以由电磁系统(没有示出)代替，如可用位于要追踪的工具上一个或多个接收器线圈久场发射器。所述被追踪工具位置可以使用每个接收器线圈中的感应信号及其相位，从已知的电磁场分布和已知的接收器线圈相对于彼此位置来确定。这项技术的操作和实例是在T.Peters和K.Cleary所著的【Image-Guided Interventions Technology andApplication】，ISBN：978-0-387-72856-7中第二章中进一步解释，其在此引入作为参考。所述定位系统208与或所述进接端口12的位置数据可通过由所述追踪摄影机213检测的基准标记212来确定，其放置在所述定位系统208、所述存取端口12、所述导引器210、所述追踪指针222、与或其他追踪器械中的任何一种之上，或以固定相对放置(如刚性连接)。这基准标记212可以是有源或无源标记。从此导航系统205计算的数据可从显示器206、211输出。在某些示例中，由所述显示器206、211提供的输出可包括患者解剖结构的轴向，矢状和冠状视图，以作为多视图输出的一部分。
所述有源或无源基准标记212可放置在所述被追踪工具之上(如所述进接端口12或所述成像系统500)，以使用所述追踪摄影机213和所述导航系统205来决定此工具的位置和方向。此标记212可由所述追踪系统的立体摄影机捕获，以提供可识别点来用于此追踪工具。被追踪工具可以通过一组标记212来确定，其可确定在追踪系统的刚体。这可进一步在虚拟空间中用来确定被追踪工具的3D位置和方向。所述被追踪工具中的3D位置和方向可以在六个自由度(如x，y，z坐标和俯仰，偏航，滚转转向)，或五个自由度(如x，y，z和两个自由旋转度等)来追踪，但优选来说可以从至少三个自由度追踪(如追踪至少在工具的尖端的位置的x，y，z坐标)。在导航系统普通用途下，至少有三个标记212提供在被追踪工具上，以在虚拟空间中确定所述工具，但通常使用四或多个标记212会较为有利。
所述捕获标记212的摄像机图像可如通过闭路电视(CCTV)摄像机记录和追踪。此标记212可选来允许或辅助分段捕获的图像。在此情况可以使用如来自摄影机方向的红外(IR)反射标记和IR光源。
举例，这种装置可以是例如来自Northern Digital Inc.的系统之追踪装置。在某些示例中，所述被追踪工具的空间位置和定向与哉所述定位系统208真正或期望的位置和定向可以通过摄影机光学检测来决定。此光学检测可以使用光学摄影机实现，使得所述标记212在光学上可见。
在某些示例中，此标记212(如反射球)可以与合适的追踪系统组合使用，以确定手术室内所述被追踪工具空间定位的位置。在不同配置中关于多组标记212可提供在不同的工具与或目标之上。基于此不同组标记212相对彼此的特定配置和方向，所述不同工具与或目标及其相虚拟体积可能被区分，使得每个类似所述的工具与或目标能够在所述导航系统205中具有不同的独特鉴定。此独特鉴定符可以向所述系统提供信息，如与系统内的工具的尺寸和形状有关的信息。此鉴定符还可以提供附加信息，如所述工具中心点或所述工具中心轴等信息。所述虚拟工具也可以从存储在或提供给此导航系统205的工具之数据库中确定。所述标记212可以相对于手术室中参照点物体如所述患者202来追踪。
各种类型的标记可以使用。所有标记212可以是一同种类型，或可包括两种或更多种不同类型的组合。可以使用的标记类型可包括反射标记、射频(RF)标记、电磁(EM)标记、脉冲或非脉冲发光二极管(LED)标记、玻璃标记、反射粘合剂或反射性独特结构或式、及诸如此类。RF和EM标记可能在附着的特定工具上具有特定的特征。反射粘合剂，结构和模式，玻璃标记和LED标记可以使用光学检测器检测，而RF和EM标记可以使用天线检测。不同类型的标记可以适应不同的操作条件选择。例如，使用EM和RF标记可以实现对工具的追踪而不需要从追踪摄像机到标记212的视线，并且使用光学追踪系统可以避免来自电子发射和检测系统的附加噪声。
在某些示例中，所述标记212可以包括印刷或3D设计用于检测，如宽视场摄影机(在图未示出)与或所述成像系统500，其可以被辅助摄影机。印刷标记也可以用作校准模式，例如用于向光学检测器提供距离信息(如3D距离信息)。印刷的识别标记可以包括设计，例如具有不同环间距的同心圆，或者不同类型的条形码以及其他设计。在某些示例中，除了或者代替使用标记212，已知的物体轮廓(如所述进接端口206侧面)可以被光学成像装置和所述追踪系统捕获并识别。
引导夹具218(或一般引导件)可用来固定所述进接端口12。此引导夹218可以允许进接端口206保持在固定的位置和方位，同时没有阻碍外科医生手。铰接臂219可以被提供以保持导向夹具218。铰接臂219可具有多达六个自由度以定位导向夹具218。一旦达到期望的位置，铰接臂219可以是可锁定的以固定其位置和方向。铰接臂219可以基于患者头部保持器217或另一个合适的点(例如，在另一个患者支撑件上，例如在手术床上)附接或可附接至点，以确保当锁定在适当位置时，夹具218不会相对于患者的头部移动。
在外科手术室中，此导航系统的设置可能相对复杂；这可能有许多与外科手术相关的设备，以及所述导航系统205的部件。此外，安装时间通常会随着附加的设备而加长。为了帮助解决这个问题，此导航系统205可以包括两个额外的宽视场摄影机，以启用视频叠加信息。然后，此视频叠加信息可被增入到显示的图像中，诸如显示在所述一个或多个显示器206、211上的图像。此覆盖信息可以示出所述物理空间，其中在所述3D追踪系统(其通常是所述导航系统一部分)上的精确度会为更高，也可以示出所述定位系统208与所述成像系统500的可用运动范围，与或可以有助引导定位患者的头部与或全身。
此导航系统205可向神经外科医生提供工具，其可帮助提供给此外科医生更多相关的信息，并可帮助提高端口神经外科手术的性能和准确性。虽然此导航系统205已在本披露中在端口神经外科的术语描述，如用于去除脑肿瘤和或用于治疗颅内出血(ICH)，但是此导航系统205还可适用于以下一或多项程序：脑活检，功能性/深部脑刺激，导管/分流器放置(在大脑或其他位置)，开颅手术，与或鼻内/颅骨/耳鼻喉科(ENT)手术等。相同的导航系统205可以使用来执行以上任何一个或全部程序，适当地进行或不进行修改。
例如，虽然本披露可在神经外科背景中讨论所述导航系统205，但是相同的导航系统205可以使用来执行诊断程序，诸如脑活检。脑活组织检查可能包括将一枝细针插入患者的脑中，以去除抽取脑组织。举例，此脑组织可由病理学家评估确定是否有癌变。脑活检程序可在有或没有立体定向框架的情况之下进行。这两种程序都可以使用图像引导来执行。无框活检可特别把使用此导航系统205进行。
在某些示例中，所述追踪摄影机213可是成为任何合适追踪系统的一部分。在某些示例中，此追踪摄影机213(以及任何使用追踪摄影机213的相关追踪系统)可以用任何合适的追踪系统来替换，其可以或不可以使用基于摄影机的追踪技术。例如，一个不使用所述追踪摄影机213的追踪系统，如射频追踪系统，可与导航系统205一起使用。
图3示出可以在图2B中示出的医疗导航系统205中使用的控制和处理系统300(如作为设备塔207的一部分)的框图。如图3所示，在一个示例中，此控制和处理系统300可包括一个或多个处理器302、存储器304、系统总线306、一个或多个输入/输出介面308、通信介面310和存储设备312。所述控制和处理系统300可连接着其他外部设备，如追踪系统321、数据存储器342、和外部用户输入及输出设备344，其例如可包括一个或多个显示器、键盘、鼠标、连接到医疗设备的传感器、脚踏板、麦克风、和扬声器。数据存储装置342可以是任何合适的数据存储装置，诸如本地或远程计算装置(如计算机、硬盘驱动器、数字媒体设备、或服务器)，其上存储有数据库。在图3所示的示例中，数据存储设备342包括用于鉴定一个或多个医疗仪器360的识别数据350，和将定制的配置参数与一个或多个医疗仪器360相关联的配置数据352。数据存储装置342还可以包括术前图像数据354与医疗过程规划数据356。虽然数据存储设备342在图3上是示出为单个设备，但周知在其他实施例中，此数据存储设备342可以被提供为多个存储设备。
所述医疗器械360可由此控制和处理单元300识别。此医疗器械360可以连接到所述控制和处理单元300并从此控制，或者，此医疗器械360可以在所述控制和处理单元300之外独立操作或以其他方式使用。所述追踪系统321可用于追踪一个或多个医疗器械360，并将一个或多个追踪的医疗器械在配准到一个术中参考系的空间。例如，此医疗器械360可以包括追踪标记，如可以从所述追踪摄影机213识别的追踪球。在一个示例中，此追踪摄影机213可以是红外(IR)追踪摄影机。在另一个示例中，一个放置在医疗器械360上的护套可以连接到控制和处理单元300并从此控制。
此控制和处理单元300还可以与多个可配置设备连接，并可以基于从配置数据352中获取的配置参数在手术中重新配置一个或多个所述设备。如图3所示，此设备320的示例包括一个或多个外部成像设备322，一个或多个照明设备324，定位系统208，追踪摄影机213，一个或多个投影设备328以及一个或多个显示器206、211。
本披露的示例性方面可以经(一个或多个)所述处理器302或存储器304实现。例如，在此描述的功能可以部分通过此处理器302中的硬件逻辑来实现，并且部分使用存储在存储器304中的指令作为一个或多个处理模块或引擎370。示例处理模块包括但不限于用户介面引擎372、追踪模块374、电机控制器376、图像处理引擎378、图像配准引擎380、程序规划引擎382、导航引擎384、和情境分析模块386。虽然示例处理模块在图3中单独示出，但是在某些示例中，处理模块370可以存储在存储器304中，并且处理模块370可以统称为处理模块370。在某些示例中，两个或更多个模块370可以一起使用来执行一种功能。虽然此模块370在此描绘为单独模块，但其可体现为一组统一的计算机可读指令(如在存储器304中存储)，而不是不同的指令集合。
应该理解的是，该系统不旨在被限制于图3中所示的组件。此控制和处理系统300中的一个或多个组件可以从外部组件或设备提供。在一个示例中，所述导航模块384可以由外部导航系统提供，其与所述控制和处理系统300集成。
一些实施例可以使用所述处理器302来实现，而无需要使用存储在存储器304中的附加指令。一些实施例可以使用存储在存储器304中的指令来实现，以供一个或多个通用微处理器执行。因此，本披露不限于硬件与或软件的特定配置。
在某些示例中，此导航系统205，其可以包括所述控制和处理单元300，可向外科医生提供可帮助改善医疗过程与或术后结果的工具。除了去除脑肿瘤和颅内出血(ICH)之外，此导航系统205还可以应用于脑活检、功能/深部脑刺激，、导管/分流放置程序、开颅、基于鼻内/颅骨的/耳鼻喉、脊柱手术、以及身体其他部位如乳房活检、肝活检等。虽然本披露已经提供了几个示例，但是此示例可以应用于任何合适的医疗程序。
图4A示出使用导航系统执行的端口外科手术示例方法400的流程图，如关于图如图2A和2B的所述医学导航系统205。所述端口手术规划在图402的第一框内输入。
当所述规划在图402的第一框内输入后，所述患者会通过身体保持机构而被固定就位。其头部位置也通过导航系统中的患者规划来确认(框404)，其在一个示例中可以由形成设备塔207一部分的计算机或控制器来实现。
然后，启动患者的配准(框406)。述语「配准」或「图像配准」是指将不同的数据集合转换成同一个坐标系的过程。数据可能包含多张照片、及来自不同时间、深度、或视点的传感器数据。此「配准」的过程是在本用途中用于医学成像，其中来自不同成像模态的图像被共同配准。使用配准的原因是为了能够比较或整合从此不同模式中获取的数据。
相关领域技术人员认识到在本示例存有一种或多种可应用的配准技术。非限制性示例包括强度方法，其通过相关度量来比较图像中的强度模式，而基于特征的方法找到图像特征(例点、线、与轮廓)之间的对应关系。图像配准方法也可以根据它们用于将目标图像空间与参考图像空间相关联的转换模型来分类。另一种分类可以在单模式和多模态方法之间进行。单模态方法通常通过相同的扫描器或传感器类型在相同的模式下配准图像，如可共同配准一系列磁共振(MR)图像，而使用多模态配准方法来配准图像由不同的扫描仪或传感器类型获取，如磁共振成像(MRI)和正电子发射断层扫描(PET)。在本披露中，多模态配准方法可以用于头部与或脑的医学成像，因为经常从不同扫描仪收集主体的图像。例子包括用于肿瘤定位的脑部计算机断层扫描(CT)/MRI图像或PET/CT图像的配准、对非造影增强CT图像的增强CT图像的配准、以及超声和CT的配准。
在图4B所示的流程图更详细说明如图4A中概述的配准框406中涉及的示例方法。如果基准触摸点(440)被设想使用时，该方法则涉及首先对图像上的基准点进行识别(框442)然后用所述追踪的仪器触摸触摸点(框444)。之后，此导航系统会计算对参考标记的配准(框446)。
或者，通过曲面扫描过程(框450)，配准也可以完成。在框450也示出一种替代方法，但此方法通常可不能在使用基准指针时使用。首先，面部会经过3D扫描仪而被扫描(框452)。然后，面曲面是从MR/CT数据中提取(框454)。最后，曲面是与决定配准数据点相匹配(框456)。
当所述基准触点(440)或所述曲面扫描(450)过程完成之后，从此取出的数据会在框408计算，以用于确认配准，如图4A所示。
返回图4A，当配准确认时(框408)，患者会被覆盖(框410)。通常，覆盖包括用无菌屏障披着患者及周围地方，以在手术过程中产生并保持无菌环境。覆盖的目的是消除微生物(如细菌)在非无菌空间至无菌空间之间的通路。在此时，传统导航系统要求将非无菌患者参考替换为具有相同几何位置和方向的无菌患者参考。
在覆盖完成后(框410)，患者接合点会被确认(框412)，然后准备和规划开颅术(框414)。
在开颅手术的准备及规划完成之后(框414)，颅骨会被切开，并骨瓣会时从颅骨移除以进入大脑(框416)。配准数据会在此时通过所述导航系统更新化(框422)。
接下，此在开颅术中的接合和运动范围会被确认(框418)。然后，该过程继续到切割在接合点的硬脑膜并识别脑沟(框420)。
此后，插管过程将会开始(框424)。插管包括沿着轨迹规划将端口插入大脑，通常是沿在420识别的脑沟路径。插管通常是一个迭代过程，其包括重复对准端口接合和设置规划轨迹(框432)，然后插入特定深度(框434)直至轨迹规划完成为止(框424)。
当插管完成后，外科医生执行切除(框426)以移除脑部分及目标肿瘤。然后，外科医生从大脑移除端口和追踪器械来取出插管框428)。最后，外科医生封合硬脑膜并完成开颅术(框430)。图4A的一些方面特定于端口手术，如框428、420、及434的部分，但在非端口手术中，所述图框的适当部分可跳跃或适当修改。
如图4A和4B结合概述，当所述医疗导航系统205用于执行外科手术时，此医学导航系统205可获取并维持在三维(3D)空间中的使用中的工具以及患者的参考位置。换句话说，在导航神经外科手术时可存在固定的追踪参考框架(如相对患者颅骨)。在导航神经外科手术的配准阶段期间(如图4A及4B中步骤406所示)，一个从术前MRI或CT图像参考至手术的物理空间的映射变换会被计算，特别是患者的头部。这一点可以通过所述导航系统205追踪的基准标记位置来实现，所述基准标记相对于固定于患者头部的静态患者参考框架。患者参考框架通常刚性地附接到头部固定装置，诸如Mayfield夹钳。通常在建立无菌空间之前执行配准(如图4A中步骤410所示)。
以下进一步描述在图5示出的示例成像系统500，其应用于一种医疗过程中。虽然图5示出在导航系统环境200背景下使用的成像系统500(如使用上所述的导航系统)，但是所迹成像系统500也可以在导航系统环境之外使用(如没有任何导航支持)。
操作者，通常是外科医生201，可以使用所述成像系统500来观察手术部位(如向下看进接端口)。此成像系统500可以附接到所述定位系统208(如可控和可调整的机器人手臂)。此定位系统208，此成像系统500与或接入端口的位置和方向可以使用所述追踪系统来追踪，如在导航系统205中描述。此成像系统500(更具体地说，此成像系统500的孔径)和观看目标(如手术部位的曲面)之间的距离d可以被称为工作距离。此成像系统500可以设计为在预定的工作距离范围之内使用(例如，在约15cm至约75cm的范围内)。应该注意的是，如果此成像系统500安装在所述定位系统208上，则真实可用的工作距离范围可以取决于此成像系统500的工作距离以及此定位系统208的工作空间和运动。
图6示出一个示例成像系统500的组件框图。此成像系统500可包括光学组件505(也称为光学组列)。此光学组件505可以包括光学器件(如透镜、光纤等)，其用于聚焦和变焦在观察目标。此光学组件505可以包括变焦光学器件510(其可以包括一个或多个变焦镜头)和聚焦光学器件515(其可以包括一个或多个聚焦透镜)。每一个所述的变焦光学器件510及聚焦光学器件515可在光学组件内独立地移动，以分别调节变焦和聚焦。当所述变焦光学器件510或聚焦光学器件515包括多于一个透镜时，每个透镜可独立移动。所述光学组件505可包括可调节的孔径(在图未示出)。
所述成像系统500可包括变焦致动器520及聚焦致动器525，其可分别用于移定所述变焦光学器件510及所述聚焦光学器件515。所述变焦致动器520与所述聚焦致动器525可是电发动机其他类型的致动器，如包括气动致动器、液压致动器、形状改变物质(如压电物质或其他智能物质)、或发动机及其他可类似器件。虽然在本披露中使用术语「机动化」，但应该理解的是，该术语的使用并不必须将本披露限制于发动机之使用，而是旨在一般所有合适的致动器，包括发动机。虽然所述变焦致动器520和所述聚焦致动器525被示出在光学组件505的外部，但在某些示例中，此变焦致动器520和此聚焦致动器525可以成为所述光学组件505一部分，或与光学组件505一同集成。此变焦致动器520和此聚焦致动器525可独立操作，以分别控制移定所述变焦光学器件510和所述聚焦光学器件515。此变焦光学器件510或此聚焦光学器件515的透镜可分别安装在线性平台上(如限制物体在单个轴上移动的运动系统，其可包括线性引导件和致动器，或诸如传送带机构的传送系统)，其分别由所述变焦致动器520或所述聚焦致动器525移动，以控制移定所述变焦光学器件510或所述聚焦光学器件515。在某些示例中，此变焦光学器件510可以安装在一个线性平台上，其经皮带传动由变所述焦致动器520驱动，而所述焦光学器件515齿轮连接于所述聚焦致动器525上。变焦致动器520和聚焦致动器525的独立操作可以使变焦和聚焦能够被独立调节。因此，当图像对焦时，变焦可以调整柬产生聚焦图像，而不需进一步调整聚焦光学器件515。
所述变焦致动器520及所述聚焦致动器525的操作可通所述过成像系统500的控制器530来控制。此控制器530可以接收控制输入(如来自外部系统，诸如外部处理器或输入设备)。此控制输入可指示期望的变焦与或聚焦，并此控制器530可回应地使所述变焦致动器520与或所述聚焦致动器525来相应移动所述变焦光学器件510或所述聚焦光学器件515，以实现期望的变焦与或焦点。在某些示例中，此变焦光学器件510或此聚焦光学器件515可在不使用所述变焦致动器520或所述聚焦致动器525的情况之下移动或致动。例如，此聚焦光学器件515可以使用电可调透镜或其他可变形物质控制，其从接由控制器530控制。
通过提供所述控制器530，所述变焦致动器520和所述聚焦致动器525，所有为所述成像系统500一部分，此成像系统500可使操作者(如外科医生)能在医学程序中控制变焦与或聚焦，而需不手动调整变焦与聚焦光学器件510、515。例如，所述操作员可以指示助理将控制输入输入到外部输入设备(如进入由工作站提供的用户界面中)，使用脚踏板或其他类以方式，而向所述控制器530提供口头控制输入(如，经由语音识别输入系统)。在某些示例中，所述控制器530可以执行预设指令，以在医疗过程之中不需要进一步控制输入而将变焦与对焦保持在预设值(如执行自动对焦)。
与此控制器530通信的外部处理器(如工作站或导航系统处理器)可用于向此控制器530提供控制输入。例如，外部处理器可以提供图形用户界面，而操作员或助理可以通过该图形用户界面输入指令，以控制此成像系统500的变焦与或聚焦。所述控制器530可以与外部输入系统(如语音识别输入系统或脚踏板)代替地或附加地通信。
此光学组件505还可以包括一个或多个辅助光学器件540(如可调节孔径)，其可以是静态或动态。当此辅助光学器件540是动态时，此辅助光学器件540可以使用可由所述控制器530控制的辅助促动器来移动(在图未示出)。
此成像系统500还可包括一个摄影机535(如高清晰度(HD)摄影机)，其获取来自光学组件图像数据。此摄影机的操作可以由所述控制器530控制。此摄影机535还可将数据输出到外部系统(如外部工作站或外部输出设备)以查看捕获的图像数据。在某些示例中，此摄影机535可以将数据输出到所述控制器530，其依次将数据传输到外部系统来观看。当图像数据供给外部系统进行观看时，此捕获图像可在更大的显示器上观看，并可将其他与所述医疗过程相关的信息一起来显示(如手术部位的宽视场视图、导航标记、3D图像等)。向此摄影机535提供所述成像系统500可有助改善不同医疗中心之间图像质量的一致性。
从所述摄影机535捕获的图像数据可以连同手术部位的广视野视图一起显示在显示器上，例如在多视图用户介面中。从所述摄影机535捕获的部分手术部位可以在手术部位的广视野视野中可视地指示。
此成像系统500可以包括用于收集观看目标3D信息的三维(3D)扫描仪545或3D摄影机。此来自3D扫描仪545的3D信息也可以由所述摄影机535捕获，或可由此3D扫描仪545直接捕获。此3D扫描仪545的操作可以由所述控制器530控制，并且此3D扫描仪545可以将数据传输到此控制器530。在某些示例中，此3D扫描仪545可直接将数据传输到外部系统(如外部工作站)。此来自所述3D扫描仪545的3D信息可用于生成观看目标3D图像(如待切除目标肿瘤的3D图像)。此3D信息可用于在一个由外部系统提供的增强现实(AR)显示。例如，此AR显示器(如通过AR眼镜提供)可以使用来自所述导航系统的信息来将3D信息与光学图像配准，将目标样本的3D图像覆盖在实时光学图像(如由所述摄影机535捕获的光学图像)。
所述控制器530可耦合到存储器550。此存储器550可是所述成像系统500的内部或外部。由此控制器530接收的数据(如来所述自摄影机535的图像数据，与戎来自所述3D扫描仪的3D数据)可以存储在此存储器550中。此存储器550还可包含指令，以使所述控制器能够操作所述变焦致动器520和所述聚焦致动器525。例如，所述存储器550可存储指令，以使所述控制器能够执行自动聚焦，如以下进一步讨论。
此成像系统500可经由有线或无线通信与外部系统(如导航系统或工作站)通信。在某些示例中，此成像系统500可以包括无线收发器(在图未示出)，以启用无线通信。
在某些示例中，此成像系统500可以包括电源(如电池)或连接到电源的连接器(如AC适配器)。在某些示例中，此成像系统500可经由到外部系统(如外部工作站或处理器)的连接来接收电力。
在某些示例中，此成像系统500可以包括光源(在图未示出)。在某些示例中，此光源可以本身不发光，而可以是直接来自另一个光生组件的光。例如，此光源可以光纤光缆的输出点，其连接到另一光生组件部件，其可以是所迹成像系统500的一部分或所迹成像系统500的外部。此光源可以安装在光学组件的孔径附近，以将光引导至观察目标。为所述成像系统500提供光源可以有助改善不同医疗中心之间图像质量的一致性。在某些示例中，所述光源的输出或功率可由所述成像系统500控制(如通过所述控制器530)，或可由所述成像系统500外部的系统控制(例通过外部工作站或处理器，诸如所述导航系统的处理器)。
在某些示例中，所述光学组件505、所述变焦致动器520、、聚焦致动器525、及所述摄影机535可全部容纳同一单个在所述成像系统的外壳之内(在图未示出)。在某些示例中，所述控制器530、所述存储器550、所述3D扫描仪545、无线收发器、电源与或光源也可以容纳在此壳体内。
在某些示例中，所述成像系统500还可提供类似传统系统的机构来手动调节变焦与或聚焦光学器件510、515。这种手动调整可除了电动调整变焦和聚焦之外启用。在某些示例中，此手动调整可从用户介面上「手动模式」的用户选择来响应启用。
所述成像系统500可安装在可移动支撑结构上，如导航系统的所述定位系统(如机器人手臂)、手动操作的支撑臂、天花板安装的支撑件、可移动框架、或其他类似支持结构。此成像系统500可以可移除地安装在可移动支撑结构上。在某些示例中，此成像系统500可以包括支撑连接器(如机械耦合)，以使此成像系统500能快速及方便地从所述支撑结构安装或拆卸。此成像系统500上的支撑连接器可以被配置为适合于与支撑结构上的典型互补连接器(如为典型的末端执行器设计的)连接。在某些示例中，此成像系统500可与其他末端执行器一起安装到支撑结构，或可经由另一个末端执行器安装到支撑结构。
此成像系统500可当安装时在于一个相对支撑结构已知的固定位置和方向(如通过在安装之后校准此成像系统500的位置和方向)。此成像系统500的位置和方向也可以此方式通过确定支撑结构的位置和方向决定(如使用所述导航系统，或追踪从支撑结构已知起点的移动)。在某些示例中，此成像系统500可以包括一个手动释放按钮，其在被致动时使此成像系统500能被手动定位(如不需要由支撑结构进行软件控制)。
在某些旨在所述成像系统500用于所述导航系统环境中的示例中，所述成像系统500可包括一可追踪标记阵列，其可被安装在此成像系统500上的框架上，以启用所述导航系统追踪成像系统500的位置和方向。还或此外，所述导航系统可追踪所述成像系统500安装的所述可移动支撑结构(如所述导航系统的所述定位系统)，并且所述成像系统500的位置和定向可以使用已知的相对此成像系统500及此可移动支撑结构的位置和方向。
所述可追踪标记可包括非活性反射追踪球，活性红外(IR)标记，活性发光二极管(LED)，图形模式或其组合。以实现位置和方向的追踪，置至少三个可追踪标记可设置在框架上。在某些示例中，可以有四个非活性反射追踪球耦合到框架上。虽然某些具体示例提出所述可追踪标记的类型和数量，但适当时可以使用任何合适的可追踪标记和配置。
所述成像系统500外部的处理器可执行确定此成像系统500相对于观看目标的位置和方向。关于此成像系统500的位置和方向的信息可以与机器人定位系统一起使用，以医疗程序中保持此成像系统500与观察目标的对准(如在端口手术中向下查看进接端口)。
例如，所述导航系统可以共同地或独立地追踪所述定位系统500其位置和定向。所述导航系统可使用该信息以及追踪进接端口来决定所述定位系统的期望关节位置，以便将此成像系统500操纵到适当的位置和方向，以维持与观察目标(如对齐所述成像系统500的纵轴在所述进接端口)。这对齐可在整个医疗过程中自动保持，而不需要明确的控制输入。在某些示例中，操作员能动手移动所述定位系统和所述成像系统500(如在致动手动释放按钮后)。在这种手动移动中，所述导航系统可继续追踪所述定位系统与所述成像系统500的位置和方向。在手动移动完成之后，所述导航系统可以(如响应于用户输入，诸如使用脚踏板，其指示手动移动完成)重新定位并重新定位所述定位系统和所述成像系统500，以恢复与接入的对准所述进接端口。
所述控制器530可以使用关于所述成像系统500的位置和方向信息来执行自动聚焦。例如，所述控制器530可决定所述成像系统500和观看目标之间的工作距离，并由此确定所述聚焦光学器件515的期望定位(如使用适当等式来计算所述聚焦光学器件515的适当定位，以实现聚焦图像)并使用所述聚焦致动器525移动所述聚焦光学器件515，以使图像聚焦。例如，观看目标的位置可以由所述导航系统决定。
所述工作距离可由所述控制器530利用关于所述成像系统500与或所述定位系统相对观看目标位置和定向的信息(如从所述导航系统、从所述定位系统、或其他外部系统接收的信息)来确定。在某些示例中，所述工作距离可以由此控制器530来决定，使用安装在成像系统500的远端附近的红外光(在图未示出)。
在某些示例中，此控制器530可以在没有关于所述成像系统500位置和方向的信息的情况下执行自动聚焦。例如，此控制器530可以控制所述聚焦致动器525，以所述将聚焦光学器件515移动到一定范围的聚焦位置，并控制所述摄影机535以捕获每个聚焦位置处的图像数据。所述控制器530然后可以对捕获的图像执行图像处理，以确定具有最锐利的焦点位置图像，并且将该焦点位置决定为所述聚焦光学器件515的期望位置。所述控制器530然后可以控制所述聚焦致动器525，以将所述聚焦光学器件515移动到此期望位置。任何其他自动对焦例程(如适用于手持式摄影机的自动对焦例程)可由此控制器530在适当情况下实施。
在某些示例中，此观察目标可动态地由外科医生确定(如使用由工作站提供的用户介面，通过触摸触敏显示器上的期望目标，通过使用眼睛或头部追踪来检测外科医生的凝视被聚焦的点，与或通过语音命令)，并且所述成像系统500可执行自动对焦，以动态地将图像聚焦在确定的观看目标上。这可以使外科医生能够将图像聚焦在视野内的不同点上，而不改变视野并且不必手动调整成像系统500的焦点。
在某些示例中，所述成像系统500可以在医学程序中被配置为相对于使用的器械执行自动聚焦。图11显示了一个例子。例如，诸如追踪指针222或类似医疗仪器的位置和方向可以在决定，并且所述控制器530可以执行自动聚焦，以将所捕获的图像聚焦在相对于医疗仪器确定之点上。在图11所示的例子中，此追踪指针222可以在其远端处具有确定的聚焦点。当追踪指针222移动时，所述光学成像系统500与这确定的聚焦点(在追踪指针222远端处)之间的工作距离会改变(如从左图像中的D1到右图像中的D2)。自动对焦可以与类似上述执行，然而代替在手术空间中观看目标上的自动对焦，此成像系统500可以集中于相对于所述医疗器械确定的焦点。如以下讨论，此医疗器械可以用在手术空间中，以引导所述成像系统500在手术空间中不同点上自动聚焦。这可使外科医生能改变视野内的焦点(如聚焦在除视野中心以外的点)，而不改变视野并不需要手动调整此成像系统500的焦点。当视野包括不同深度物体的情况之下，所述外科医生可使用所述医疗仪器(如指示器)向所述成像系统500指示自动聚焦所需的所述物体与或深度。
例如，所述控制器530可以接收关于医疗器械的位置和方向的信息。该位置和方向信息可从外部来源(如从追踪医疗器械或从医疗器械直接追踪的外部系统)接收，或可以从所述成像系统500的另一部件(如红外传感器或所述成像系统500的机器视觉组件)。所述控制器530可以决定关于所述医疗器械的位置和方向的焦点。这焦点可以对于给定的医疗器械(如指针远端、导管远端、进接端口远端、软组织切除器远端、远端吸力目标、激光目标、或手术刀远侧尖端)预先确定，并且可在不同的医疗器械不相同。所述控制器530可以使用该信息以及关于所述成像系统500已知位置和定向的信息(如以上述决定)，以便确定所述聚焦光学器件515的期望位置，以相对于所述医疗器械确定焦点实现一个聚焦的图像。
在所述成像系统500与所述导航系统205一起使用的示例中(参见图2B)，所述医疗器械(如所述追踪指针222或所述追踪端口210)的位置和方向可以追踪，并且可以通过所述导航系统205确定。所述成像系统500的所述控制器530可自动将所述成像系统500自动对焦至相对于所追踪的医疗器械的预定点(如所述追踪指针222末端上或所述进接端口210远端上的自动聚焦)。自动聚焦可相对其他医学仪器及其他在医学程序中可使用的工具来执行。
在某些示例中，仅当对于医疗仪器的焦点确定在所述成像系统500的视野内时，所述成像系统500可以被配置为相对于所述医疗仪器执行自动聚焦。这可避免当所述医疗器械在所述成像系统500的视野附近但在其视野外移动时无意的焦点改变。在某示例中，其中在所述成像系统500安装在可移动支撑系统(如机器人手臂)，当所述医疗器械焦点位于所述成像系统500当前视野之外时，所述可移动支撑系统可向所述成像系统500响应输入(如响应经由用户介面或语音输入的用户命令或通过激活脚踏板)定位和定向，将所述医疗仪器的焦点带入所述成像系统500的视野之内。
在执行相对于医疗仪器的自动对焦之前，所述成像系统500可以被配置为实现一个小的时间滞后，以避免在所述医疗器械的焦点进出视野时错误地改变焦点。例如，所述成像系统500可以被配置为仅在焦点已经基本静止预定时间长度(如0.5s至1s)之后才在焦点上自动聚焦。
在某些示例中，所述成像系统500还可以被配置为执行以焦点作为变焦中心的变焦。例如，当焦点在自动聚焦之后置于视野中或在视野中的某一点上，用户可以提供输入命令(如经由用户介面，语音输入，或脚踏板激活)以指示所述成像系统500放大焦点。所述控制器530然后可以相应地放置所述变焦光学器件520以放大焦点。在适当情况下，所述定位系统(如果所述成像系统500安装在定位系统上)可根据需要而自动向所述成像系统500重新定位，以将放大视图在焦点定心。
在某些示例中，所述成像系统500可在不同的自动对焦模式之间自动改变。例如，如果当前视野不包括任何从医疗仪器确定的焦点，所述控制器530则可基于预设标准(如为了获取最清晰的图像或聚焦在视野的中心)执行自动聚焦。当由医疗仪器确定的对焦点被带入视野中时，所述控制器530可自动将模式切换为焦点上的自动对焦。在某些示例中，响应于用户输入(例如响应于经由用户介面的用户命令，语音输入，或脚踏板的激活)，所述成像系统500可在不同自动聚焦模式之间改变。
在自动对焦的各种示例中，所述成像系统500都可以被配置为在调整变焦时保持焦点，不论是否相对于医疗仪器。
在某些示例中，所述成像系统500可生成深度图。这可通过捕获相同视野的图像来执行，但以模拟3D深度效果，此成像系统500会聚焦在不同深度的点处。例如，此成像系统500可在预定深度范围内(如通过大约1cm的深度)自动执行自动聚焦，并在整个深度范围内以不同深度(如以1mm的增量)捕获聚焦图像。在不同深度捕获的图像可被发送到外部系统(如图像查看工作站)，其可聚合所述图像成一组深度图像以形成相同视野的深度图。此深度图可以在不同深度提供视野的聚焦视图，并且可包括轮廓，颜色编码和其他不同深度的指示。所述外部系统可提供允许用户在深度图中导航的用户介面。
在某些示例中，所述光学成像系统500可被配置为具有相对较大的景深。所述3D扫描仪545可以用于创建被观看区域的深度图，并且此深度图可以被配准到由所述摄影机535捕获的图像。图像处理可以执行(如使用所述控制器530或外部处理器)，以生成伪3D图像，例如，根据3D扫描仪545的深度信息，通过视觉向所述捕获图像不同的部分进行编码(如使用颜色、人造模糊、或其他视觉符号)。
图7和图8是所述成像系统500的示例实施例的透视图。在此示例中，所述成像系统500是示出为安装到所述导航系统上的所述定位系统208(如机器人手臂)。此成像系统500示出是来具有包围所述变焦和聚焦光学器件，所述变焦和聚焦致动器，所述摄影机，所述控制器和所述3D扫描仪的外壳555。此外壳设有框架560，在其上可以安装可追踪标记，以使所述导航系统能进行追踪。通过电缆565(示出截止)，所述成像系统500与所述导航系统通信。所述成像系统500的远端设置有光源570。此示例示出了四种广谱LED，但是任何合适类型，更多或更少的光源也可以使用。虽然所述尽管光源570是示出为设置在所述成像系统500的所述孔径553周围，但是在其他示例中，此光源570可以位于所述成像系统500上其他位置。所述成像系统500的远端还可以包括用于集成所述3D扫描仪的所述摄影机开口575。一个安装所述成像系统500到所述定位系统208的支撑连接器580也在此示出，以及用于安装可追踪标记的所述框架560。
图9示出在医疗过程中自动对焦示例方法的流程图。如本文披露，此示例性方法900可以使用示例性光学成像系统来执行。
所述成像系统的位置和方向是在905被确定。例如，这可通过所述追踪成像系统，通过执行校准，或通过追踪安装成像系统的定位系统来完成。
所述成像系统与成像目标之间的工作距离是在910被确定。例如，所述成像目标的位置可以由所述导航系统决定，并且该信息可以与所述成像系统的位置和方向信息一起用于决定工作距离。
为了获得聚焦图像，所述聚焦光学器件的期望位置是在915被确定。
所述聚焦致动器(如由所述成像系统的控制器)是在920处控制，以将所述聚焦光学器件定位在期望的位置上。
然后，聚焦图像可以如使用在所述光学成像系统的摄影机来获取。
图10示出在医疗过程中相对医疗器械自动对焦示例方法的流程图。此示例性方法1000可以使用如本文披露的示例性的光学成像系统来执行。此示例性方法1000可以类似于在900的示例性方法。
所述成像系统的位置和方向是在1005被确定。例如，这可通过所述追踪成像系统，通过执行校准，或通过追踪安装成像系统的定位系统来完成。
所述医疗器械的位置和方位是在1010被确定。这可以通过追踪所述医疗仪器(如使用所述导航系统)，通过感测所述医疗仪器(如使用所述成像系统的红外或机器视觉组件)，或通过任何其他合适的方法来完成。
相对于医疗器械决定的所述焦点是在1015被确定。确定所述焦点可查找在不同医疗器械预定的焦点(例如存储在数据库中)，以及计算所使用的特定医疗器械的焦点。
成像系统与焦点的所述工作距离是在1020被确定。
为了获得聚焦图像，所述聚焦光学器件的期望位置是在1025被确定。
在1030，控制聚焦致动器(例如，通过成像系统的控制器)以将聚焦光学器件定位在期望的位置。
然后，聚焦图像可以如使用在所述光学成像系统的摄影机来获取。
上述示例方法900、1000可完全由所述成像系统的所述控制器执行，或可以局部由所述控制器执行，并且局部由外部系统执行。例如，以下一项或多项：确定所述成像系统的位置/定向，确定所述成像目标或医疗仪器的位置/定向，确定工作距离，或确定所述聚焦光学器件期望位置中的一个或多个外部系统。所述成像系统的所述控制器可以简单从所述外部系统接收命令，以将所述聚焦光学器件定位在期望的位置处，或者所述成像系统的所述控制器可在接收到计算的工作距离之后决定来自所述外部系统所述聚焦光学器件的期望位置。
虽然本披露的一些实施例或方面可以在全功能计算机和计算机系统中实现，但其他实施例或方面
可能够以各种形式作为计算产品分配，并且能够被应用于真正实现所述分配，不论便用特定类型的机器或计算机可读媒体。
此披露有至少一些方面可至少局部在软件上体现。即是，有一些在此披露的技术和方法可在在计算机系统或其他数据处理系统中执行，其响应于所述处理器(如微处理器)执行存储器中(如ROM、易失性RAM、非易失性存储器、高速缓存或远程存储设备)包含的指令序列。
计算机可读存储媒体可用于存储软件和数据，其当从数据处理系统执行时，此系统会执行本披露的各种方法或技术。所述可执行软件和数据可存储在各种不同的媒体，包括如ROM，易失性RAM，非易失性存储器与或高速缓存。所述软件与或数据部分可以存储在上述任何一个存储设备之中。
例如，计算机可读存储媒体可包括但不限于可记录型和不可记录型媒体，如易失性和非易失性存储器设备、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存设备、软盘与其它可移动磁盘、磁盘存储媒体、光学存储媒体(如光盘(CD)及数字多功能盘(DVD)等)等。所述指令可用于电力、光学、声音、或其他形式传播的信号，如载波、红外信号、数字信号等，来体现在数字和模拟通信链路中上。此存储媒体可是互联网云，或计算机可读存储媒体，如盘体。
此外，至少一些在本文中描述的方法可以能被分配在一个计算机程序产品之中，所述产品包括一个计算机可读媒体，其承载由一个或多个处理器执行的计算机可用指令，以执行所述描述方法的各方面。所述媒体可以各种方式提供，例如，但不限于，一个或多个磁盘、光盘、磁带、芯片、USB密钥、外部硬盘驱动器、有线传输、卫星传输、互联网传输或下载、磁和电子存储媒体、数字和模拟信号、及类似方式。所述计算机可用指令也可在各种形式存在，包括编译及非编译代码。
至少一些在本文中描述的单元可通过软件或软件和硬件组合来实现。所述系统单元可以从高级过程式语言，如面向对象编程法，或脚本语言而编写。所述程序代码可相应用C、C++、J++、或任何其他合适的编程语言来编写，并且可包括模块或类，其对于对向对象编程领域之技术人员而言是有所熟悉的。至少一些通过软件实现的所述系统单元可以需要时使用汇编语言、机器语言、或固件来编写。在以上任一种情况下，所述程序代码可以存储在存储媒体上或计算机可读媒体上，其可从通用或专用可编程计算设备读取，所述设备具有处理器、操作系统、以及相关的硬件及软件，其必要用来实现至少一个在本文描述的实施例功能。当由所计述算设备读取时，所计程序代码将此计算设备配置在一个重新、特定、及预定义的方式进行操作，以便执行至少一个在本文中描述的方法。
虽然在本文所描述的教导是为说明目的结合各种不同的实施例，但此并不意图将所述教导局限于所述实施例中。反而，在本文所描述及图示的教导亦涵盖各种替代、修改、以及等同物，其一般范围在不背离所述实施例的情况之下在所附权利要求书之中确定。除了程序本身必需或固有的程度之外，本披露的步骤、方法阶段、或过程的是没有意图或暗示的特定次序来描述的。在许多情况下，运过程步骤的次序可以改变，而不改变所述方法目的、效果、或输入。

Claims (35)

1.一种用于在医疗过程中对目标进行成像的光学成像系统，其包括：
光学组件，其包括可动变焦光学器件和可动聚焦光学器件；
变焦致动器，其用于定位变焦光学器件；
聚焦致动器，其用于定位聚焦光学器件；
控制器，其响应接收控制输入用于控制变焦致动器和聚焦致动器；以及
摄影机，其从光学组件用于捕获目标图像；
其中所述变焦光学器件和所述聚焦光学器件分别
由所述控制器使用所述变焦致动器和所述聚焦致动器独立移动；以及
其中所述光学成像系统是配置为在距所述目标的最小工作距离处操作，而所述工作距离确定在所述光学组件的孔径与所述目标之间。
2.根据权利要求1所述的光学成像系统，其是配置为可安装到可移动支撑结构之上。
3.根据权利要求2所述的光学成像系统，其还包括支撑连接器，以能把所述光学成像系统移除地安装到所述可移动支撑结构之上。
4.根据权利要求2或3所述的光学成像系统，其中所述可移动支撑结构是以下之一：机器人手臂，手动操作支撑臂或可移动的支撑框架。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的光学成像系统，还包括手动释放按钮，以在致动时能手动定位所述光学成像系统。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学成像系统，其中光学组件，变焦致动器，聚焦致动器及摄影机是容纳在一单个壳体之内。
7.根据权利要求6所述的光学成像系统，其中所述控制器是容纳在所述壳体之内。
8.根据权利要求书1至7中任一项所述的光学成像系统，其中所述控制器响应于从处理器提供的用户介面接收的控制输入，所述处理器与所述控制器有联络。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的光学成像系统，其中所述控制器响应于从输入系统接收的控制输入，所述输入系统与所述控制器有联络。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学成像系统，还包括：
三维(3D)摄影机，其用于捕获在目标上的3D信息。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光学成像系统，还包括至少一个线性平台机构，其用于移动变焦光学器件或聚焦光学器件中至少一个。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光学成像系统，还包括至电源的电源或电源连接器。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的光学成像系统，还包括光源。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的光学成像系统，还包括：
可追踪标记阵列，其通过导航系统用于追踪光学成像系统的位置和取向。
15.根据权利要求1至14中任一项的光学成像系统，其中工作距离是在于约15cm至约75cm中的范围之内。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的光学成像系统，其中所述控制器是配置尖控制所述聚焦致动器以执行自动聚焦。
17.根据权利要求16所述的光学成像系统，其中所述控制器是配置来从确定所述工作距离，从基于所述工作距离确定所述聚焦光学器件的期望位置，及从控制所述聚焦致动器以将所述聚焦光学器件定位在所述期望位置来执行自动聚焦。
18.根据权利要求17所述的光学成像系统，其中确定所述工作距离包括从导航系统接收关于所述光学组件相对于所述目标位置的信息。
19.根据权利要求17所述的光学成像系统，其中确定所述工作距离包括从定位系统接收关于所述定位系统相对于所述目标位置的信息，并且使用所述光学组件相对于所述定位系统的已知位置计算工作距离。
20.根据权利要求17所述的光学成像系统，其中所述工作距离是从所述光学组件的孔径与目标之间距离确定，所述目标是确定为焦点，其从相对于有已知位置和取向的医疗器械来确定。
21.根据权利要求21所述的光学成像系统，其中确定所述工作距离包括从导航系统接收关于所述医疗器械的位置和定向的信息。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的光学成像系统，还包括耦合到所述控制器的存储器，其中由从所述摄影机捕获的图像数据会存储在所述存储器之中。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的光学成像系统，还包括无线收发器，其中来自所述光学成像系统的数据是无线池传输。
24.一种用于控制权利要求书1至23中任一项所述的光学成像系统的处理器，其中所述处理器是配置为：
提供用户介面以接收控制输入，所述用户介面耦合到处理器，以用于控制变焦致动器和聚焦致动器；
发送控制指令到所述光学成像系统所述的控制器，以根据所述控制输入来用于调整缩放和聚焦；以及
从摄影机接收图像数据，以输出到耦合到所述处理器的输出装置。
25.根据权利要求24所述的处理器，其中所述光学成像系统包括用于捕获所述目标3D信息的三维(3D)摄影机，其中所述处理器进一步配置成：
使用3D信息来创建目标3D图像；
创建增强现实图像，其输出到输出设备，其中目标3D图像是覆盖在目标的实时图像之上。
26.一种用于医疗过程中的光学成像系统，其包括：
在权利要求1至23中任一项所述光学成像系统；
定位系统，以定位光学成像系统的位置；以及
导航系统，其用于追踪每个与目标相对的光学成像系统和定位系统。
27.根据权利要求26所述的系统，还包括医疗器械，其由所述导航系统追踪，而其中所述光学成像系统是配置为执行自动聚焦，其聚焦点是相对于所述医疗器械来确定。
28.一种使用光学成像系统的自动聚焦的方法，其在医疗过程中进行，所述光学成像系统包括机动聚焦光学器件和用于定位所述聚焦光学器件的控制器，所述方法包括：
确定成像目标与光学成像系统孔径之间的工作距离；
从所述工作距离确定所述聚焦光学器件的期望位置；以及
将聚焦光学器件定位在期望位置。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括：
接收关于所述光学成像系统位置和方向的信息；以及
利用所述接收信息来决定相对于成像目标的工作距离。
30.根据权利要求29所述的方法，其中关于所述光学成像系统位置和定向的所述信息是从外部导航系统接收的。
31.根据权利要求28所述的方法，其中所述光学成像系统是安装在定位系统上，所述方法还包括：
接收关于所述定位系统位置和方向的信息；
利用所述光学成像系统与所述定位系统相对的已知位置和取向，确定所述光学成像系统的位置和取向；以及
利用所述从所述光学成像系统确定的位置和取向，确定所述工作距离。
32.根据权利要求30所述的方法，其中所述关于所述定位系统的位置和定向的信息是从外部导航系统接收的。
33.根据权利要求28至32中任一项所述的方法，其中所述成像目标是相对于医疗器械的确定焦点，所述方法还包括：
接收关于所述医疗器械位置和方向的信息；
从所述医疗器械位置和方向确定所述焦点的位置；以及
利用所述焦点决定的位置来确定所述工作距离。
34.根据权利要求33所述的方法，其中关于所述医疗器械位置和定向的所述信息是从外部导航系统接收的。
35.根据权利要求33或34所述的方法，还包括：
确定没有任何医疗器械，其焦点是在当前所述光学成像系统的内视野之内；以及
对另一成像目标执行自动聚焦，所述目标与所述焦点不同。
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