CN109478346A - 使用虚拟现实头戴式显示器增强的眼科手术体验 - Google Patents

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Abstract

一种眼科手术系统，包括：与手术显微镜光耦合的相机；由外科医生佩戴的虚拟现实(VR)头戴设备；以及被配置用于与所述手术显微镜、所述VR头戴设备、以及眼科手术设备通信的VR数据处理单元，其中，所述VR数据处理单元被配置用于：将从所述相机接收的视频的实时视频屏幕投射到所述VR头戴设备；将患者信息屏幕投射到所述VR头戴设备中，以在眼科手术过程中将所述患者信息直接提供给所述外科医生；将手术设备信息屏幕投射到所述VR头戴设备中；将手术设备输入控制器屏幕投射到所述VR头戴设备中，以便使所述外科医生直接控制所述手术设备；以及基于指示由所述VR头戴设备检测到的外科医生的头部运动的输入来控制哪些屏幕在所述VR头戴设备中可见。

Description

使用虚拟现实头戴式显示器增强的眼科手术体验
技术领域
本公开总体上涉及眼科手术，更具体地涉及使用虚拟现实头戴式显示器增强的眼科手术体验。
背景技术
目前的外科手术室典型地在手术过程中涉及到三名主要人员：外科医生、擦洗护士以及巡回护士。外科医生和擦洗护士是防腐无菌的，而巡回护士不是。通常使用实际手术设备，所述手术设备必须邻近患者放置并且不受外科医生控制。例如，在眼科手术中，手术设备可以包括具有后段和前段手术过程能力的玻璃体视网膜系统。手术设备可以包括眼科显微镜、提供高速切割的玻璃体切除术探针、照明器、具有GUI(图形用户界面)的触摸面板屏幕、以及从监测器上的系统屏幕控制的嵌入式激光器。
目前，外科医生通常仅向下看显微镜来看到患者眼睛里面，并且外科医生使用脚踏开关或通过外科医生口头指导护士、然后护士使用触摸面板上的GUI手动地与手术设备交互来控制手术设备。在手术开始之前必须检查所有患者信息(例如，说明、图像等)，因为在抗菌环境中外科医生无法获得患者信息。来自其他系统或其他产品的其他类型的手术数据必须被外科医生阅读，或者外科医生必须将他们的眼睛从显微镜上移开以查看数据。因此，外科医生所使用的数据源是分开的且独立的，并且每当医生必须从显微镜抬起他或她的头部时，手术流程就会中断。
因此，希望提供一种改进的手术系统，所述手术系统特别是在眼科手术过程中增强外科医生的手术体验。
发明内容
示例性实施例提供了用于增强外科医生的眼科手术体验的方法和系统。所述眼科手术系统包括：与手术显微镜光耦合的相机；由外科医生佩戴的虚拟现实(VR)头戴设备；被配置用于与所述手术显微镜、所述VR头戴设备、以及用于对患者进行眼科手术的眼科手术设备通信的VR数据处理单元，其中，所述VR数据处理单元被配置用于：将从所述相机接收的视频的实时视频屏幕投射到所述VR头戴设备；将患者信息屏幕投射到所述VR头戴设备中，以在眼科手术过程中将所述患者信息直接提供给所述外科医生；将手术设备信息屏幕投射到所述VR头戴设备中；将手术设备输入控制器屏幕投射到所述VR头戴设备中，以便使所述外科医生直接控制所述手术设备；以及基于指示由所述VR头戴设备检测到的外科医生的头部运动的输入来控制哪些屏幕在所述VR头戴设备中可见。
根据本文中公开的方法和系统，示例性实施例提供了手术体验，其中在观察VR头戴设备时进行手术，所述头戴设备投射多个虚拟现实手术器械使用屏幕，所述虚拟现实手术器械使用屏幕在手术过程中为外科医生提供患者信息并且使外科医生能够直接访问和控制手术设备，所有这些都无需护士介入或手术流程中断。
附图说明
为了更彻底地理解本公开及其优点，现在参考结合附图进行的以下说明，在这些附图中相似的附图标记指示相似的特征，并且在附图中：
图1是展示了可以实施本发明的一个实施例的示例性眼科手术系统的框图；
图2是展示了使用VR头戴设备为外科医生提供改进的手术体验的过程的一个实施例的流程图；并且
图3是示出了VR头戴设备中显示的可能屏幕的实例的简图。
具体实施方式
示例性实施例涉及提供一种增强手术体验的眼科手术系统。介绍了以下说明来使本领域的普通技术人员能够制作和使用本发明，并且在专利申请及其要求的背景下提供以下说明。对本文所描述的示例性实施例以及一般原理和特征的各种不同的修改将是显而易见的。在具体实施方式中提供的具体方法和系统方面描述了这些示例性实施例。然而，这些方法和系统将在其他实施方式中有效地操作。例如“示例性实施例”、“一个实施例”和“另一个实施例”等短语可以指相同或不同的实施例。将关于具有某些部件的系统和/或装置来描述这些实施例。然而，这些系统和/或装置可以包括比所示的部件更多或更少的部件，并且可在不脱离本发明的范围的情况下，对这些部件的安排和类型做出变化。也将在具有某些步骤的具体方法的背景下描述这些示例性实施例。然而，对于具有不同和/或附加步骤以及按与示例性实施例不一致的不同次序的步骤的其他方法，方法和系统仍有效操作。因此，本发明不旨在受限于所示出的实施例，而是被赋予与本文所描述的原理和特征一致的最广泛范围。
示例性实施例使用虚拟现实(VR)头戴设备为外科医生提供增强的眼科手术体验，以改善外科医生在进行手术时对手术、机器和信息的控制。VR头戴设备用于使佩戴者(即外科医生)能够直接控制手术设备。几种类型的VR屏幕可以同时用在VR头戴设备中以进行显示。最低限度地，将高清或超高清3D手术显微镜视频图像屏幕投射到VR头戴设备中。外科医生还可以访问用于呈现到VR头戴设备中的与患者和机器信息相关的VR屏幕。可以在VR头戴设备中查看附加的虚拟手术器械使用屏幕，以使外科医生能够控制实际手术设备。可以通过外科医生的头部运动或通过脚踏开关命令来对不同VR屏幕进行导航。
图1是展示了可以实施本发明的一个实施例的示例性眼科手术系统的框图。眼科手术系统10可以包括手术设备12、与手术设备耦合的显微镜14，与显微镜14光耦合的相机(诸如3D相机16)、由外科医生佩戴的虚拟现实(VR)头戴设备18、以及与手术设备12、显微镜14、3D相机和VR头戴设备18通信地(通过有线或无线通信)耦合的VR数据处理单元20。在一个实施例中，显微镜14可以包括3D手术显微镜。
在一个实施例中，手术设备12可以包括常规显微手术系统。例如，手术设备12可以包括眼科显微手术系统，所述眼科显微手术系统旨在用于前段手术(例如，白内障手术)和后段手术(例如，玻璃体视网膜手术)中的一个或两个。例如，在手术设备12旨在用于后段手术的实施例中，手术设备12可以包括：玻璃体切除术探针，所述玻璃体切除术探针提供高速切割并且能够独立于真空和切割而改变用于流动控制的工作循环；氙气照明器，所述氙气照明器提供照明以便看得见组织；以及嵌入式激光器。
根据示例性实施例的一个方面，手术设备12设置有安装到显微镜14上的相机16。手术设备12还可以设置有VR数据处理单元20和VR头戴设备18，其中，VR数据处理单元20可以被配置用于将一个或多个虚拟现实手术器械使用屏幕(VR屏幕)投射到VR头戴设备18中。例如，VR数据处理单元20至少显示来自相机16的视频图像的实时视频屏幕，使得外科医生通过观察VR头戴设备18而不是通过显微镜14来进行手术。在眼科手术过程中，在VR头戴设备18中可使用的其他虚拟手术器械使用屏幕使外科医生能够直接控制手术设备并且查看远程存储的患者信息。可以使用外科医生进行的头部运动来探查这些VR屏幕，头部运动由VR头戴设备18或手术设备输入控制器22检测。
VR数据处理单元20可以通过诸如以太网等网络连接与手术设备12耦合，并且手术设备12和VR数据处理单元20通过网络连接交换设备控制状态数据。手术设备输入控制器22还将外科医生(和/或护士)的输入传递至VR数据处理单元20。在进一步实施例中，VR数据处理单元20可以通过有线或无线网络30与远程患者数据26耦合并且可选地与一个或多个第三方数据源28耦合。患者数据26可以存储在存储患者信息和图像(例如，病史、医生说明、X射线等)的患者数据库中。
在操作中，相机16将患者眼睛的3D视频传输至VR数据处理单元20，所述处理单元将3D视频传送至VR头戴设备18以显示给外科医生。VR数据处理单元20还可以在诸如3D监测器24等监测器上显示来自3D相机16的3D视频，使得手术室中的其他人也可以查看患者眼睛的3D视频。
可以通过外科医生的头部移动和/或通过脚踏开关命令来对不同VR屏幕进行导航。相机16可以在外科医生利用来自可以位于VR头戴设备中的加速度计的反馈向前或向后移动他或她的头部时，在程序控制下放大和缩小。VR头戴设备18还可以包含MEMS(微机电系统)陀螺仪传感器输出，所述传感器输出由连接至VR头戴设备18的VR数据处理单元20读取，以检测外科医生左右和上下头部运动。VR数据处理单元20可以使用这些运动来控制在给定时刻在VR头戴设备18中显示哪个VR屏幕。在另一个实施例中，可以通过减小VR屏幕的尺寸来一次显示多于一个VR屏幕。
手术设备12可以由手术设备输入控制器22控制。在一个实施例中，手术设备输入控制器22可以包括具有GUI(图形用户界面)的铰接式触控面板屏幕和可选的脚踏开关。在一个实施例中，手术设备输入控制器22可以将外科医生输入发送至VR数据处理单元20。外科医生输入可以是滑动屏幕、推动按钮/开关、导航或缩放。这些外科医生输入可以通过动作或手势解释、外科医生眼睛追踪、脚踏开关、轨迹球和/或脑电图模式识别从VR头戴设备18表现出来。
在某些实施例中，VR数据处理单元20包括一个或多个处理器和存储器。一个或多个处理器可以被配置用于执行存储在存储器中的指令以引起和控制图2中阐述的并且上述的过程。如本文中使用的，处理器可以包括一个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、或任何其他合适的计算装置或资源，并且存储器可以采取易失性存储器或非易失性存储器的形式，包括但不限于磁性介质、光学介质、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可移动介质、或者任何其他适当的存储部件。存储器可以存储用于程序和算法的指令，所述指令在由处理器执行时实现本文中描述的关于任何这样的处理器、存储器或包括处理功能的部件的功能。
图2是展示了使用VR头戴设备18为外科医生提供增强的或改进的眼科手术体验的过程的一个实施例的流程图。使用VR头戴设备18的目的是改善在进行手术时外科医生对手术设备12的访问和信息控制。除非另外指出，否则下面描述的过程优选地由VR数据处理单元20执行，并且处理步骤可以并行、按顺序和/或以不同的顺序执行。
响应于VR数据处理单元20从手术显微镜14上的3D相机16接收实时视频并且将视频存储在一个或多个存储器中以重新显示，VR数据处理单元20将从3D相机接收的视频的实时视频屏幕投射到VR头戴设备18中(框200)。在一个实施例中，实时视频屏幕可以以高清晰度或超高清晰度(例如，4k或更高)显示3D视频。
响应于VR数据处理单元20通过网络30接收患者数据26，VR数据处理单元20将患者信息屏幕投射到VR头戴设备18中，以在眼科手术过程中将患者信息直接提供给外科医生(框202)。在一个实施例中，患者信息可以作为患者数据26存储在远程患者数据库中，并且可以包括患者的病史、医生的说明、X射线图像和摄影图像等的任何组合。
响应于VR数据处理单元20从手术设备12接收手术设备当前上下文信息并且将所述信息存储在一个或多个存储器中以重新显示，VR数据处理单元20将示出了当前上下文的手术设备信息屏幕投射到VR头戴设备18中(框204)。在一个实施例中，当前上下文信息可以包括装置操作参数等。
响应于VR数据处理单元20接收手术设备GUI信息并且将所述信息存储在一个或多个存储器中以重新显示，VR数据处理单元20将手术设备输入控制器屏幕投射到VR头戴设备18中，使外科医生直接控制手术设备12(框206)。通过显示手术设备输入控制器屏幕，VR数据处理单元20使外科医生能够使用以下中的至少一个来直接控制手术设备12：手势解释、外科医生眼睛追踪、脚踏开关、轨迹球以及脑电图模式识别。
VR数据处理单元20被进一步配置为基于指示由VR头戴设备检测到的外科医生的头部运动的输入来控制哪些屏幕在VR头戴设备中可见(框208)。在一个实施例中，VR头戴设备18的传感器输出被发送至VR数据处理单元20，所述传感器输出指示外科医生头部的当前旋转角度和/或倾斜角度。VR数据处理单元20中多于一个软件部件接收传感器输出并且检测外科医生左右和上下头部运动。在一个实施例中，可以为每个VR屏幕分配旋转角度和/或倾斜角度范围，这些旋转角度和/或倾斜角度被存储在存储器中的表格或类似物中。于是可以在屏幕所分配的旋转角度和/或倾斜角度与VR头戴设备18的传感器输出所指示的当前旋转角度和/或倾斜角度之间检测到匹配时显示每个VR屏幕。
图3是示出了VR头戴设备中显示的可能屏幕的实例的简图。所述简图示出了外科医生在戴着VR头戴设备18时查看由VR数据处理单元20生成的显示。当外科医生移动他的头部时，VR数据处理单元20显示不同的虚拟现实屏幕视图。在此实施例中，VR数据处理单元20使若干个虚拟现实屏幕可用在VR头戴设备18的显示器上。在此具体实例中，VR数据处理单元20可以使四个虚拟现实屏幕可同时用在VR头戴设备18中。
在VR头戴设备18内的视野的中心部分中，VR数据处理单元20可以显示来自3D相机的实时视频屏幕300。在左侧，VR数据处理单元20可以显示来自手术设备输入控制器22的示出了手术设备当前上下文的手术设备信息屏幕302。在右侧，VR数据处理单元20可以显示患者信息屏幕304，所述患者信息屏幕可以包括在手术过程中供外科医生参考的术前数据和图像以及医生说明。在底部，VR数据处理单元20可以显示手术设备输入控制器屏幕306，所述手术设备输入控制器屏幕使外科医生能够直接控制手术设备12。其他屏幕可以由VR数据处理单元20生成和显示，诸如通过手术室相机的手术室视频图像、或与手术室有关的任何其他相关数据或功能，例如，麻醉信息。
根据示例性实施例的一个特征，投射到VR头戴设备18中的多个VR屏幕在手术过程中为外科医生提供虚拟无限信息，并且使外科医生能够直接访问和控制手术设备12而无需护士介入。这些VR屏幕的虚拟性质允许感知与外科医生的接近度，这对于未增强的正常人类感知在物理上是不可能的。VR屏幕在VR头戴设备18中的使用消除了由手术设备的尺寸和针对信息共享的抗菌限制所施加的物理限制。
已经公开了一种用于使用VR头戴设备来为外科医生提供增强的手术体验的方法和系统。已经根据所示的实施例描述了本发明，并且可以对实施例做出变化，并且任何变化都在本发明的精神和范围内。例如，示例性实施例可以使用硬件、软件、包含程序指令的计算机可读介质、或其组合来实施。根据本发明编写的软件存储在某种形式的计算机可读介质(诸如存储器、硬盘或CD/DVD-ROM)中，由处理器执行。因此，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以进行许多修改。

Claims (15)

1.一种眼科手术系统，包括：
与手术显微镜光耦合的3D相机；
由外科医生佩戴的虚拟现实VR头戴设备；以及
被配置用于与所述3D相机、所述VR头戴设备以及用于对患者进行眼科手术的手术设备通信的VR数据处理单元，其中，所述VR数据处理单元被配置用于：
将从所述3D相机接收的视频的实时视频屏幕投射到所述VR头戴设备中；
将患者信息屏幕投射到所述VR头戴设备中，以在眼科手术过程中将所述患者信息直接提供给所述外科医生；
将示出了所述手术设备的当前上下文的手术设备信息屏幕投射到所述VR头戴设备中；
将手术设备输入控制器屏幕投射到所述VR头戴设备中，使所述外科医生直接控制所述手术设备；以及
基于指示由所述VR头戴设备检测到的所述外科医生的头部运动的输入来控制所述实时视频屏幕、所述患者信息屏幕、所述手术设备信息屏幕以及所述手术设备输入控制器屏幕中的哪些屏幕在所述VR头戴设备中可见。
2.如权利要求1所述的系统，其中，通过以下中的至少一个从所述VR头戴设备为所述外科医生提供对所述手术设备的控制：
手势解释；
外科医生眼睛追踪；
脚踏开关；
轨迹球；以及
脑电图模式识别。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述VR数据处理单元被进一步配置用于：
接收来自位于所述VR头戴设备中的加速度计的反馈，所述反馈指示所述外科医生的头部的向前或向后运动；以及
基于所接收的反馈调整所述3D相机的变焦。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述VR数据处理单元通过以下方式来控制所述实时视频屏幕、所述患者信息屏幕、所述手术设备信息屏幕以及所述手术设备输入控制器屏幕中的哪些屏幕在所述VR头戴设备中可见：
接收所述VR头戴设备的传感器输出；以及
基于所接收的传感器输出，确定外科医生左右和上下头部运动。
5.如权利要求1所述的系统，其中：
为每个所述实时视频屏幕、所述患者信息屏幕、所述手术设备信息屏幕以及所述手术设备输入控制器屏幕分配相应的旋转角度和/或倾斜角度的范围；以及
所述VR数据处理通过以下方式来控制所述实时视频屏幕、所述患者信息屏幕、所述手术设备信息屏幕以及所述手术设备输入控制器屏幕中的哪些屏幕在所述VR头戴设备中可见：
接收所述VR头戴设备的传感器输出，所述传感器输出指示所测量的所述外科医生的头部的旋转角度和/或倾斜角度；以及
显示具有的相应旋转角度和/或倾斜角度的范围覆盖所测得的所述外科医生的头部的旋转角度和/或倾斜角度的屏幕中的每一个。
6.如权利要求1所述的系统，其中，在所述患者信息屏幕上显示的患者信息包括患者的病史、医生的说明和图像的任何组合。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述手术设备的当前上下文包括装置操作参数。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述VR数据处理单元被进一步配置用于在位于手术室中的监测器上显示从所述3D相机接收的视频。
9.一种用于为外科医生提供增强的眼科手术体验的方法，所述方法包括：
响应于VR数据处理单元从可选地与手术显微镜耦合的3D相机接收实时视频，通过所述VR数据处理单元将从所述3D相机接收的视频的实时视频屏幕投射到VR头戴设备中；
响应于所述VR数据处理单元通过网络接收患者数据，通过所述VR数据处理单元在眼科手术过程中将患者信息屏幕投射到所述VR头戴设备中；
响应于所述VR数据处理单元从用于对所述患者进行眼科手术的手术设备接收手术设备当前上下文信息，通过所述VR数据处理单元将示出了所述手术设备的当前上下文的手术设备信息屏幕投射到所述VR头戴设备中；
响应于所述VR数据处理单元接收手术设备信息，通过所述VR数据处理单元将手术设备输入控制器屏幕投射到所述VR头戴设备中，使所述外科医生直接控制所述手术设备；以及
基于指示由所述VR头戴设备检测到的所述外科医生的头部运动的输入，通过所述VR数据处理单元来控制所述实时视频屏幕、所述患者信息屏幕、所述手术设备信息屏幕以及所述手术设备输入控制器屏幕中的哪些屏幕在所述VR头戴设备中可见。
10.如权利要求9所述的方法，其中，通过以下中的至少一个从所述VR头戴设备为所述外科医生提供对所述手术设备的控制：
手势解释；
外科医生眼睛追踪；
脚踏开关；
轨迹球；以及
脑电图模式识别。
11.如权利要求9所述的方法，进一步包括：响应于所述VR数据处理单元接收来自位于所述VR头戴设备中的加速度计的反馈，基于所接收的反馈调整所述3D相机的变焦，所述反馈指示所述外科医生的头部的向前或向后运动。
12.如权利要求9所述的方法，其中，所述VR数据处理单元通过以下方式来控制所述实时视频屏幕、所述患者信息屏幕、所述手术设备信息屏幕以及所述手术设备输入控制器屏幕中的哪些屏幕在所述VR头戴设备中可见：
接收所述VR头戴设备的传感器输出；以及
基于所接收的传感器输出，确定外科医生左右和上下头部运动。
13.如权利要求9所述的方法，其中：
为每个所述实时视频屏幕、所述患者信息屏幕，所述手术设备信息屏幕以及所述手术设备输入控制器屏幕分配相应的旋转角度和/或倾斜角度的范围；以及
所述VR数据处理通过以下方式来控制所述实时视频屏幕、所述患者信息屏幕、所述手术设备信息屏幕以及所述手术设备输入控制器屏幕中的哪些屏幕在所述VR头戴设备中可见：
接收所述VR头戴设备的传感器输出，所述传感器输出指示所测量的所述外科医生的头部的旋转角度和/或倾斜角度；以及
显示具有的相应旋转角度和/或倾斜角度的范围覆盖所测得的所述外科医生的头部的旋转角度和/或倾斜角度的屏幕中的每一个屏幕。
14.如权利要求9所述的方法，其中，在所述患者信息屏幕上显示的患者信息包括患者的病史、医生的说明和图像的任何组合。
15.如权利要求9所述的方法，其中，所述手术设备的当前上下文包括装置操作参数。
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