CN110220140B - 手术室补充照明系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种手术室补充照明系统及其控制方法，包括子光源、全向云台等，使用时通过多个子光源与手术室无影灯配合或单独使用为手术过程提供照明，通过术野与各子光源之间的初始相对位置关系的识别判断，当子光源和术野之间被障碍物遮挡时，电机可带动子光源在轨道上改变位置，在子光源运动过程中全向云台不断调整子光源的水平摆角和俯仰角度，使子光源的出光面始终朝向术野的相对坐标所在位置，直至子光源摆脱障碍物的阻挡，重新找到术野图像。本发明采用多个子光源编队分布，由上位机统一指挥布局。未点亮的子光源实时朝向术野，可及时亮起，和被遮挡光源无缝衔接，避免因照明问题影响手术。

Description

手术室补充照明系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种手术室辅助设备，特别涉及一种手术室补充照明系统。
背景技术
目前在手术室环境，术野上方设备繁多，设备交叉严重。围绕术野周围，主刀医生、助手，有多个人员。多种设备，很容易遮挡上方的光线，导致术野亮度不够，极其影响主刀操作。影响操作效率，增加手术风险。鉴于这种情况，必须调节无影灯的照射角度及所处位置，但手术过程中无论是设备还是人员站位只要稍有变动，便需要重新调整调整灯光，过程频繁，手动调节难度大，极易影响手术进程及手术效果。
针对上述情况，现有技术中出现了一种手术室用的主辅式无影灯，如2012年7月25日公开、公开号为CN102606946A的中国发明专利申请文件中公开的一种主辅式手术室无影灯，在手术使用中，辅无影灯可+围绕主无影灯运动，从而对主无影灯进行光源补充，减少手术中对主无影灯的移动操作。但是该照明系统存在的问题如下：
1.该辅助照明系统的辅无影灯需手动操作对其角度进行调节，虽然较调节主无影灯的操作轻便，但是由于手术过程中对术野亮度的需求，对辅无影灯的操作依然是及其平凡的，操作效率低下，还是会对手术进程及手术效果产生影响。
2.该辅助照明系统的辅无影灯的调节只是借助于悬臂绕主无影灯做圆周运动，辅无影灯的调节空间有限；且对无影灯光线阻挡的主要因素为手术台两侧的医护人员，其绕至对应手术台两侧位置几乎毫无意义。
3.其辅无影灯需借助滚轮作为支撑在主无影灯的灯罩上，增加了主无影灯的负重和机械应力，导致主无影灯的使用寿命降低。
发明内容
针对背景技术中指出的缺点和不足，本发明的第一目的是提供一种手术室补充照明系统，以解决现有主辅式照明装置自动化程度低、手动作业频繁介入，影响手术环境的问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种手术室补充照明系统，包括
子光源，包括至少两个较无影灯直径小的冷光源；
全向云台，与子光源数量相同，用于承载子光源，驱动子光源进行水平摆角和俯仰角度的调节；
图像识别单元，与子光源固定装配，采集术野图像数据，指导全向云台驱动子光源的发光面朝向术野；
测距仪，与子光源固定装配；
轨道，铺设于天花板，全向云台通过滑块悬挂安装在轨道上，通过电机驱动滑块在轨道上运动。
控制单元，与子光源、全向云台、图像识别单元、测距仪和电机控制板通信连接，用于发送和接收信号；
存储单元，存储有初始术野图像数据，供图像识别单元进行比对。
优选地，所述图像识别单元为CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器与控制单元通信连接；CMOS图像传感器的感光面朝向与子光源的出光面朝向相同，CMOS图像传感器与子光源同步运动。
优选地，在子光源的出光面前方设置有至少两层透光镜，两层透光镜相互平行且间隔设置，每层透光镜的至少一个镜面为曲面，至少一层透光镜通过调节装置驱动其相对另一层透光镜平行运动。
优选地，还包括亮度调节装置，所述亮度调节装置与控制单元电路连接，与子光源电路连接。
优选地，所述图像识别单元为红外热成像仪，所述红外热成像一与控制单元通信连接；红外热成像仪的光机扫描机构与子光源的出光面朝向相同，红外热成像仪与子光源同步运动。
优选地，还包括位移传感器，所述位移传感器安装于所述滑块上，与控制单元通信连接；所述轨道为直线电机的导轨，所述全向云台与直线电机的滑块固定连接。
优选地，所述子光源的数量为4-12个，每个子光源对应一条轨道，轨道分别铺设于对应手术台头部和尾部的天花板上，两个位置的轨道均成扇形分布，扇形分布的多条轨道延长线的交汇点位于手术台上方空间。
优选地，对应手术台头部的天花板上呈扇形铺设有3条或5条轨道，位于中间的轨道与手术台头部和尾部连线平行；对应手术台尾部的天花板上呈扇形铺设有3条或5条轨道，位于中间的轨道与手术台头部和尾部连线平行。
本发明的第二目的在于提供一种上述手术室补充照明系统的控制方法。
第二目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种手术室补充照明系统的控制方法，包括如下步骤：
S1，通过上位机向控制单元传送初始术野图像数据，并存储于存储单元内；
S2，各全向云台分别调整子光源的朝向，同时与子光源同步运动的图像识别单元随着子光源的移动寻找术野图像，并实时与存储单元内的初始术野图像数据进行重合度进行配对，配对成功后，全向云台停止动作，固定子光源的朝向，测距仪获取子光源与术野之间的间距；
S3，以子光源位置为初始坐标，结合测距仪获取的子光源与术野之间的间距以及全向云台此时的水平摆角和俯仰角度，获得术野的相对坐标；
S4，当一个或多个子光源被遮挡，导致图像识别单元无法找到术野图像时，电机带动子光源在轨道上改变位置；在子光源运动过程中全向云台不断调整子光源的水平摆角和俯仰角度，使子光源的出光面始终朝向术野的相对坐标所在位置，直至图像识别单元重新找到术野图像，电机停止驱动滑块，全向云台停止动作，固定子光源的朝向。
优选地，当子光源被遮挡后，重复进行步骤S4；当完成一次手术过程中的子光源调整后，获取各子光源的调整频次及在轨道上的运动轨迹，根据神经网络算法输出各子光源根据当前术野位置时的最佳初始位置，使手术过程中的调整频次降低。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
本发明采用多个子光源编队分布，由上位机统一指挥布局。未点亮的子光源实时朝向术野，可及时亮起，和被遮挡光源无缝衔接，避免因照明问题影响手术。自动记录运动轨迹，通过深度学习逐渐积累经验，作为后续子光源初始位置设定的基础。通过手动或自动方式控制子光源开关及照度。可作为传统无影灯的照明补充，亦可单独使用。自动识别术野，自动调节光斑大小和亮度。应用场合包含但不限于手术室。
附图说明
图1是本发明手术室补充照明系统应用于手术室时的示意图；
图2是本发明手术室补充照明系统的结构示意图；
图3是本发明手术室补充照明系统的仰视图；
图4是本发明手术室补充照明系统的侧视图；
图5是本发明手术室补充照明系统的子光源通过全向云台设置在轨道上的结构示意图；
图6是本发明手术室补充照明系统的子光源上设置的两层透光镜的配合关系示意图；
图7是本发明手术室补充照明系统的亮度调节装置的电路原理图。
图中，1、无影灯；2、术野；3、手术台；4、子光源；5、全向云台；6、轨道；7、天花板；8、滑块；9、透光镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。本实施例中所提到的如图像识别单元及测距仪均与子光源一体式装配，图中未单独示出。
如图1和图2所示，一种手术室补充照明系统，包括
子光源4，包括至少两个较无影灯1直径小的冷光源；
全向云台5，与子光源4数量相同，用于承载子光源4，驱动子光源4进行水平摆角和俯仰角度的调节；
图像识别单元，与子光源4固定装配，采集术野2图像数据，指导全向云台5驱动子光源4的发光面朝向术野2；
测距仪，与子光源4固定装配；
轨道6，铺设于天花板7，全向云台5通过滑块8悬挂安装在轨道6上，通过电机驱动滑块8在轨道6上运动。
控制单元，与子光源4、全向云台5、图像识别单元、测距仪和电机控制板通信连接，用于发送和接收信号；
存储单元，存储有初始术野2图像数据，供图像识别单元进行比对。
图像识别单元为CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器与控制单元通信连接；CMOS图像传感器的感光面朝向与子光源4的出光面朝向相同，CMOS图像传感器与子光源4同步运动。CMOS图像传感器采集术野2图像信息，传输至控制单元上集成的ISP图像处理器对图像信息进行处理，包括图像的亮度、色彩、饱和度等。经ISP图像处理器对CMOS图像传感器采集的图像信息数据化后，将相关数据传送给控制器的控制单元，通过与存储单元内的初始术野2图像数据比对，确定术野2位置，然后通过采集到的术野2图像数据确定当前的术野2位置亮度情况。
在子光源4的出光面前方设置有至少两层透光镜9，两层透光镜9相互平行且间隔设置，每层透光镜9的至少一个镜面为曲面，至少一层透光镜9通过调节装置驱动其相对另一层透光镜9平行运动。
为了对子光源4的亮度进行调节，还包括亮度调节装置，所述亮度调节装置与控制单元电路连接，与子光源4电路连接。
图像识别单元还可以为红外热成像仪+CCD相机组合的形式，所述红外热成像一与控制单元通信连接；红外热成像仪的光机扫描机构与子光源4的出光面朝向相同，红外热成像仪与子光源4同步运动。红外热成像仪在应用时和CMOS图像传感器使用情况一致，通过红外热成像仪采集热图像，然后与存储单元中的初始术野2热图像配对，配对成功则表示找到术野2位置；当热图像发生变化时，则表示子光源4与术野2之间存在障碍物遮挡，则需要通过对子光源4的角度及位置进行调整，重新查找术野2位置。当需要对亮度进行检测时，通过CCD相机对术野2位置的环境亮度进行检定，从而为后续调节做出基础数据。
为了检测子光源4的移动位移，还包括位移传感器，所述位移传感器安装于所述滑块8上，与控制单元通信连接；如图5所示，所述轨道6为直线电机的导轨，所述全向云台5与直线电机的滑块8固定连接。
如图3和图4所示，鉴于实际需要，子光源4的数量一般为4-12个，每个子光源4对应一条轨道6，轨道6分别铺设于对应手术台3头部和尾部的天花板7上，两个位置的轨道6均成扇形分布，扇形分布的多条轨道6延长线的交汇点位于手术台3上方空间。
对应手术台3头部的天花板7上呈扇形铺设有3条或5条轨道6，位于中间的轨道6与手术台3头部和尾部连线平行；对应手术台3尾部的天花板7上呈扇形铺设有3条或5条轨道6，位于中间的轨道6与手术台3头部和尾部连线平行。
一种手术室补充照明系统的控制方法，包括如下步骤：
S1，通过上位机向控制单元传送初始术野2图像数据，并存储于存储单元内；
S2，各全向云台5分别调整子光源4的朝向，同时与子光源4同步运动的图像识别单元随着子光源4的移动寻找术野2图像，并实时与存储单元内的初始术野2图像数据进行重合度进行配对，配对成功后，全向云台5停止动作，固定子光源4的朝向，测距仪获取子光源4与术野2之间的间距；
S3，以子光源4位置为初始坐标，结合测距仪获取的子光源4与术野2之间的间距以及全向云台5此时的水平摆角和俯仰角度，获得术野2的相对坐标；
S4，当一个或多个子光源4被遮挡，导致图像识别单元无法找到术野2图像时，电机带动子光源4在轨道6上改变位置；在子光源4运动过程中全向云台5不断调整子光源4的水平摆角和俯仰角度，使子光源4的出光面始终朝向术野2的相对坐标所在位置，直至图像识别单元重新找到术野2图像，电机停止驱动滑块8，全向云台5停止动作，固定子光源4的朝向。
当子光源4被遮挡后，重复进行步骤S4；当完成一次手术过程中的子光源4调整后，获取各子光源4的调整频次及在轨道6上的运动轨迹，根据神经网络算法输出各子光源4根据当前术野2位置时的最佳初始位置，使手术过程中的调整频次最低。在子光源4移动过程中，其可以处于关闭状态，也可以处于开启状态，在本实施例中，当子光源4因遮挡需要移动位置时，移动过程中，子光源4处于关闭状态。此外，子光源4的开启个数通过控制单元统一调度，无需同时处于开启状态，以术野2环境亮度是否满足需求为判断基准，决定开启的个数及照度。
以上，仅大概介绍了本补充照明系统的基础功能，现对其具体的功能做详细的描述。
除上述的子光源4位置调整外，还包括对子光源4亮度、光斑大小等的调整。一般情况下，术野2范围内的亮度为40000-60000lux，
亮度调节：
子光源4亮度调整通过亮度调节装置完成，亮度调节装置的电路原理图如图7所示。
电路中，晶闸管VS1和二极管VD1-VD4组成全波相控电路，用氖管N作为VS1的出发管。220V交流电通过负载（子光源4）加到VD1-VD4桥式整流电路中，整流后的单向脉冲性直流电压加到晶闸管VS1阳极和阴极之间，VS1导通与截止受控制极上的电压控制。整流后的电压还加到各电阻和电容上。
直流电压通过R1和RP1对电容Cl进行充电，Cl上充到的电压通过氖管N加到晶闸管VS1的控制极上，当Cl上电压上升到一定程度时，氖管N启辉，将电压加到晶闸管VS1控制极上，使晶闸管VS1导通，子光源4点亮。电容Cl上平均电压大小决定了晶闸管VS1交流电一个周期内平均导通时间长短，从而决定了灯的亮度。
通过电动电位器RP2的阻值改变，调节电容Cl的充电电压，进而影响晶闸管VS1平均导通时长，使子光源4的亮度得到调整。
具体的，图像识别单元实时采集术野2图像数据，一来确定子光源4与术野2之间光路是否存在障碍物遮挡，二来采集术野2图像的平均亮度。当子光源4与术野2之间不存在遮挡，但当前术野2环境亮度低于40000lux或高于60000lux时，需要对子光源4的亮度进行调节，控制单元通过图像识别单元获取术野2图像的平均亮度，然后根据所述图像平均亮度与环境亮度的比例关系，确定环境亮度。具体的环境亮度确定方法可查看授权公告号为CN101126661B的中国发明专利中公开的方法，在此不做赘述。
控制单元接收到图像识别单元的图像平均亮度，进而得到环境亮度。当术野2处环境亮度低于40000lux时，控制单元向电动电位器RP2发出控制信号，使电动电位器RP2的阻值升高，从而使子光源4的亮度升高，当调整至环境亮度超过40000lux后，电动电位器RP2停止动作。同理，当术野2处环境亮度高于60000lux时，通过电动电位器RP2的阻值降低来达到调暗子光源4亮度的目的。
电动电位器RP2的转轴上还套有旋转帽，通过扭转旋转帽的方式可以达到手动操作的目的。手动操作时无需精准操作，只需按照视觉感官判断当前亮度是否大致合适，具体的是否处于40000-60000lux之间可通过控制单元获取的环境亮度进行调节。
光斑大小调节：
两层透光镜9的调节装置可以采用直线导轨，在一层透光镜9边缘固定滑轨，另一层透光镜9固定在滑块8上，滑块8螺纹套装在一丝杠上，通过电机（为了实现精密运动控制，电机采用微型步进电机）带动丝杠转动，滑块8在丝杠转动时在滑轨内沿丝杠轴向进行运动从而使一层透光镜9可以相对于另一层透光镜9运动。
透光镜9上的曲面可以是棱面、双曲面、三角曲面或者正弦曲面中的至少一种，只要曲面包括一定的起伏即可，具体可以选自棱面、双曲面或者三角曲面的一种，还可以选自其中两种。改变前罩和后罩的相对位置，就可以使光线通过前后透光罩的光线的方向发生变化，实现改变光斑的大小。具体的如图6所示，两层透光镜9的相对面为正弦曲面，在两层透光镜9的边缘均对齐时，一层透光镜9上的正弦曲面的波峰正对另一层透光镜9上正弦曲面的波谷，此时，在两层透光镜9之间形成等间距的空气间隔，入射光线从一侧入射经过一层透光镜9、空气间隔和另一层透光镜9，两层透光镜9的折射率与空气间隔不同，光线经过空气间隔前后镜面时会发生折射，但是由于空气间隔处处相等，光线通过两层透光镜9和空气间隔的光程相等，因此在前后镜面折射的角度也相同，最终光线出射的方向不发生改变，子光源4发出的光线垂直于两层透光镜9射出；当两层透光镜9发生相对运动时，子光源4发出的曲线发生变化，由于光线的光程发生改变，那么光斑则会放大或缩小，从而匹配术野2区域。同时，根据神经网络算法学习记录两层透镜在处于不同相对位置时光斑大小变化的规律，在下次进行相同手术时，可根据经验值自动调节光斑大小自动匹配术野2区域。另，根据正弦曲线的特性，滑块8的最大位移设置为透光镜9上正弦曲线的一个周期的长度即可。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种手术室补充照明系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，通过上位机向控制单元传送初始术野(2)图像数据，并存储于存储单元内；
S2，各全向云台(5)分别调整子光源(4)的朝向，同时与子光源(4)同步运动的图像识别单元随着子光源(4)的移动寻找术野(2)图像，并实时与存储单元内的初始术野(2)图像数据进行重合度进行配对，配对成功后，全向云台(5)停止动作，固定子光源(4)的朝向；
S3，测距仪获取子光源(4)与术野(2)之间的间距；
S4，以子光源(4)位置为初始坐标，结合测距仪获取的子光源(4)与术野(2)之间的间距以及全向云台(5)此时的水平摆角和俯仰角度，获得术野(2)的相对坐标；
S5，当一个或多个子光源(4)被遮挡，导致图像识别单元无法找到术野(2)图像时，电机带动子光源(4)在轨道(6)上改变位置——在子光源(4)运动过程中全向云台(5)不断调整子光源(4)的水平摆角和俯仰角度，使子光源(4)的出光面始终朝向术野(2)的相对坐标所在位置，直至图像识别单元重新找到术野(2)图像，电机停止驱动滑块(8)，全向云台(5)停止动作，再次固定子光源(4)的朝向；
所述手术室补充照明系统，包括：
子光源(4)，包括至少两个较无影灯(1)直径小的冷光源；
全向云台(5)，与子光源(4)数量相同，用于承载子光源(4)，驱动子光源(4)进行水平摆角和俯仰角度的调节；
图像识别单元，与子光源(4)固定装配，采集术野(2)图像数据，指导全向云台(5)驱动子光源(4)的发光面朝向术野(2)；
测距仪，与子光源(4)固定装配；
轨道(6)，铺设于天花板(7)，全向云台(5)通过滑块(8)悬挂安装在轨道(6)上，通过电机驱动滑块(8)在轨道(6)上运动；
控制单元，与子光源(4)、全向云台(5)、图像识别单元、测距仪和电机控制板通信连接，用于发送和接收信号；
存储单元，存储有初始术野(2)图像数据，供图像识别单元进行比对；
还包括位移传感器，所述位移传感器安装于所述滑块(8)上，与控制单元通信连接；所述轨道(6)为直线电机的导轨，所述全向云台(5)与直线电机的滑块(8)固定连接；
每个子光源(4)对应一条轨道(6)，轨道(6)分别铺设于对应手术台(3)头部和尾部的天花板(7)上，两个位置的轨道(6)均成扇形分布，扇形分布的多条轨道(6)延长线的交汇点位于手术台(3)上方空间。
2.根据权利要求1所述的一种手术室补充照明系统的控制方法，其特征在于，所述图像识别单元为CMOS图像传感器，所述CMOS图像传感器与控制单元通信连接；CMOS图像传感器的感光面朝向与子光源(4)的出光面朝向相同，CMOS图像传感器与子光源(4)同步运动。
3.根据权利要求1所述的一种手术室补充照明系统的控制方法，其特征在于，在子光源(4)的出光面前方设置有至少两层透光镜(9)，两层透光镜(9)相互平行且间隔设置，每层透光镜(9)的至少一个镜面为曲面，至少一层透光镜(9)通过调节装置驱动其相对另一层透光镜(9)平行运动。
4.根据权利要求1所述的一种手术室补充照明系统的控制方法，其特征在于，还包括亮度调节装置，所述亮度调节装置与控制单元电路连接，与子光源(4)电路连接。
5.根据权利要求1所述的一种手术室补充照明系统的控制方法，其特征在于，所述图像识别单元为红外热成像仪，所述红外热成像仪与控制单元通信连接；红外热成像仪的光机扫描机构与子光源(4)的出光面朝向相同，红外热成像仪与子光源(4)同步运动。
6.根据权利要求1所述的一种手术室补充照明系统的控制方法，其特征在于，所述子光源(4)的数量为4-12个。
7.根据权利要求6所述的一种手术室补充照明系统的控制方法，其特征在于，对应手术台(3)头部的天花板(7)上呈扇形铺设有3条或5条轨道(6)，位于中间的轨道(6)与手术台(3)头部和尾部连线平行；对应手术台(3)尾部的天花板(7)上呈扇形铺设有3条或5条轨道(6)，位于中间的轨道(6)与手术台(3)头部和尾部连线平行。
8.根据权利要求1所述的一种手术室补充照明系统的控制方法，其特征在于，当子光源(4)被遮挡后，重复进行步骤S4；当完成一次手术过程中的子光源(4)调整后，获取各子光源(4)的调整频次及在轨道(6)上的运动轨迹，根据神经网络算法输出各子光源(4)根据当前术野(2)位置时的最佳初始位置，使手术过程中的调整频次降低。
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