CN110226973A - 用于观察手术腔内壁的折反射医学成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种折反射医学成像系统(1)，特别是手术显微镜(2)。在手术期间，可能需要获得关于手术腔(6)的更多信息，特别是关于手术腔(6)的内壁(4)处的组织(29)类型的信息。为了解决该问题，根据本发明的折反射医学成像系统(1)包括相机装置(8)和适于插入手术腔(6)中的凸形反射镜(20)。反射镜(20)安装在臂(22)上并且与相机装置(8)间隔开。

Description

用于观察手术腔内壁的折反射医学成像系统
技术领域
本发明涉及一种用于观察手术腔内壁的折反射医学成像系统。
背景技术
在手术期间，外科医生通常难以获得关于手术腔的结构的信息，特别是如果手术腔扩大并形成底切，这在前视图中是无法观察到的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于获得这种信息的系统和方法。
根据本发明，该目的通过以下方式实现：用于观察手术腔内壁的折反射医学成像系统包括相机装置和适于插入手术腔中的凸形反射镜。
本发明还涉及一种用于对手术腔的内壁进行成像的方法，该方法包括以下步骤：将凸形反射镜插入手术腔中并且手动地或自动地将相机装置的视场引导到反射镜上。
最后，本发明还涉及凸形反射镜的用途，其中相机装置指向反射镜，用于对手术腔的内壁进行成像。
使用凸形反射镜允许外科医生获得手术腔内部的概观，因为手术腔的内壁反映在反射镜中。凸形形状允许视场在手术腔的大部分上扩展。臂允许凸形反射镜放置在腔内。相机装置记录手术腔内壁的镜像。
折反射医学成像系统尤其可以是手术显微镜，例如用于脑部手术的显微镜。
通过添加以下特征中的一个或多个可以进一步改进本发明，这些特征可以彼此独立地组合，因为以下特征中的每一个本身都是有利的。以下附加特征适用于根据本发明的方法和系统。
例如，反射镜可以位于手术腔内并且在手术期间位于相机装置的视场内。反射镜可以是单独的部件，其可以例如通过具有可以附接至臂的可释放联接件而放置在手术腔中。作为这种联接件，臂可以设置有抽吸盖，该抽吸盖适于接合表面，例如镜面，用于将其放置在手术腔中或从手术腔中取出。替代地，反射镜可以永久地附接至臂。联接件优选地设置有远程释放装置，使得镜子在已经位于腔内时可以与臂脱离。
反射镜可以布置在相对于相机装置的光轴的固定位置。尤其是，反射镜能够以相机装置的光轴为中心。反射镜相对于光轴的固定位置便于对镜像中的失真进行任何校正，失真是由于镜子的凸形形状引起的。
在另一个有利实施例中，反射镜可以是鱼眼镜。尤其是，反射镜的由相机装置记录的图像中的对角线视角可以是至少120°，优选至少180°。在另一个实施例中，由相机装置记录的反射镜的图像中的视角在水平图像方向和竖直图像方向中的至少一个方向上可以是至少120°，优选地至少180°。
反射镜的直径的通常大小可以在5mm和20mm之间。
镜子的基部可以是圆形或多边形。尤其是，镜子的基部可以对应于相机装置的视场的形状。任何凸形形状，例如半球形、椭圆形、抛物线形或双曲线形都是可行的。基部的形状可以适应手术腔的形状和/或尺寸。可以设置一组具有不同尺寸和/或形状的反射镜。为了快速更换，反射镜可以通过快速释放保持器而安装在臂上。
反射镜可以设置有至少一个标记，该标记以与标记的最接近的周围事物不同的方式反射或发射光。例如，标记可以在至少一些波长的可见光光谱外具有反射率，该反射率高于或低于标记的最接近的周围事物在这些波长中的反射率。标记的反射率可以限制为可见光谱外的至少一些波长，诸如UV、IR和NIR波长中的至少一个。在可见光谱中，标记的反射率可以与其最接近的周围事物的反射率相同。当然，标记的不同反射率也可以包括可见光光谱中的波长。
在一个实施例中，光源可以由反射镜组成，例如，光源可以布置在反射镜内。在这种情况下，与标记的最接近的周围事物相比，反射镜的透射率或透光性在标记处可以不同。光源可以优选地仅仅发射UV、IR和/或NIR光谱中的至少一些波长的光。反射镜可以至少对从反射镜的内部发出并穿过反射镜的光具有透光性。
在另一个附加或替代实施例中，标记可以是荧光的。
相机装置可以包括多光谱相机和/或高光谱相机。在一些波长中，标记的荧光、反射率或透射率与其最接近的周围事物不同并且标记因此是可见的，这些波长可以被映射到多光谱或高光谱相机的单独的光谱带。因此，相机装置的一个光谱范围可以用于将反射镜显露在视场内，而其余光谱带不受影响并且可以用于对手术腔进行成像。
附加地或替代地，多光谱和/或高光谱相机可以用于使用至少一个荧光团的荧光获得手术腔的图像。为了触发手术腔内荧光团的荧光，反射镜可以包括光源，该光源的光谱包括在至少一个荧光团中触发荧光的波长。
标记可以用于自动检测反射镜的位置和方向。标记还可以用于将相机装置聚焦到反射镜。
在另一个实施例中，相机装置可以设置有控制器，该控制器适于自动调整相机装置的视场、焦距和距离设定中的至少一种。尤其是，控制器可以适于基于反射镜的标记的图像自动调整相机装置的视场、焦距和距离设定中的至少一种，其中，由相机装置获取图像。尤其是，控制器可以适于用反射镜的至少一部分自动填充视场。这些措施各个都促进折反射医学成像系统的自动操作，因为控制器可以自动检测反射镜的存在并且执行相机装置的必要调整以获得手术腔内部的图像的最佳分辨率。因此，当反射镜插入手术腔时，可以自动获得关于手术腔的信息。控制器可以是硬件装置，例如ASIC；控制器也可以用软件实现；或者控制器可以使用硬件和软件的组合来实现。
反射镜可以是手持的。在这种情况下，臂可以包括手柄。因此，可以用手操纵反射镜。
在另一个实施例中，臂至少间接地附接至相机装置，例如通过附接至折反射医学成像系统的框架。臂可以是可伸缩的，从而其长度可以调整为手术腔的深度。尤其是，臂可以包括用于手动操作的手柄，并且可以另外安装到框架上。
臂可以是高度柔性的管，例如用于内窥镜，并且适于根据需要进行刚化。
反射镜可以在手术期间附接到组织而不连接到臂。为此目的，镜子的基部可以设置有附接部分，该附接部分可以包括用于与组织建立化学和机械结合中的至少一种的布置，诸如胶水和/或钉子。这种镜子可以是轻质的，例如通过形成中空或填充泡沫且具有箔作为镜面。
可以包括驱动系统以使反射镜相对于相机装置移动。这种相对的可移动性对于具有复杂几何形状的手术腔可以是有利的，并且可能需要镜子和相机装置之间的小的相对运动来查看手术腔的某些位置。
驱动系统可以用于改变相机装置和反射镜之间的距离，例如通过收缩和伸展伸缩臂。附加地或替代地，驱动系统可以适于使反射镜在垂直于相机装置的光轴的方向上相对于相机装置移动。
驱动系统优选地适于联接到控制器。例如，反射镜的驱动系统可以提供定位数据，该定位数据表示反射镜相对于相机装置的位置。控制器可以适于计算相机装置的设定，例如来自定位数据的焦距和/或距离。
臂可以与相机装置的光轴同轴延伸。臂可以从反射镜的中心点延伸。在这样的构造中，臂放置在反射镜的一个位置处，其在操作中会反射相机装置并且因此不会产生关于手术腔的任何信息。
如果使用立体相机，则臂可以定位成与两个立体相机的两个光轴的平分线重合。
在有利的实施例中，臂在垂直于和平行于光轴的方向中的至少一个方向上是柔性的，以避免损伤手术腔中的组织。可以通过至少部分地用柔性材料制造臂或者在沿着臂的至少一个位置处提供至少一个柔性接头中的至少一种来获得柔性。
可以设置传感器，其对臂的弯曲有反应并且适于输出表示臂的弯曲量的弯曲信号。可以使用这种传感器，以便在达到弯曲信号中表示的预定弯曲度时自动停止任何使反射镜相对于手术腔移动的驱动系统。这是防止对手术腔中的组织造成损伤的另一措施。
在另一个实施例中，驱动系统可以适于优选自动地使反射镜相对于相机装置移动，使得至少一个标记位于视场内的预定位置。
可以调整相机装置的焦距，使得由反射镜的仅仅一部分填充相机装置的视场。这允许分别关注手术腔或反射镜的特定部分。在这样的构造中，可以是特别有益的是，驱动系统被构造为使反射镜相对于相机装置移动并且因此将视场移动到手术腔的不同部分。因此，折反射医学成像系统可以适于扫描反射镜的表面和手术腔的镜像。
折反射医学成像系统可以包括图像处理器，该图像处理器可以用硬件、软件或者硬件和软件的组合来实现。图像处理器优选地适于将由相机装置记录的反射镜的不同部分的图像组合或拼接成输出图像，优选地是单个输出图像。从相机装置来看，通过组合不止一个图像来表示反射镜上的镜像可以提高分辨率。
在另一个实施例中，折反射医学成像系统可以包括与反射镜间隔开的照明装置。尤其是，照明装置可以在手术期间位于手术腔外部。照明装置可以指向反射镜，因此可以用于照射手术腔。可以在可见光范围内和/或UV、IR和NIR范围中的至少一个范围内进行照明。照明装置还可以用于触发至少一个荧光团的荧光。照明装置的照明可以例如通过与相机装置的光轴同轴地引导照明装置的光来进行。
在进一步的实施例中，由相机装置记录的反射镜的照明装置的反射可以用作标记，该标记用于相对于相机装置定位反射镜，如上所述。
如果使用诸如半球形镜子的凸形反射镜，则由相机装置记录的图像将失真。这会使外科医生难以对图像进行视觉检查。因此，有利的是，折反射医学成像系统包括适于校正反射镜的失真的校正模块。校正模块可以包括校正光学器件，其布置在反射镜和相机装置之间。这种光学校正装置具有可以使用相机的全分辨率的优点。
校正模块也可以由硬件和/或软件实现，并且可以是成像系统的图像处理器的一部分。
优选地，相对于由凸形反射镜造成的光学失真，来自图像处理器的输出图像被校正。
在下文中，参考附图示例性地描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记用于关于功能和/或设计彼此对应的元件。根据对可能的附加特征及其各自的技术效果的上述描述，如果与特征相关联的技术效果对于特定应用没有益处，则可以在实施例中省略该特征，反之亦然：如果对于特定应用，该特征的技术效果是有利的，则上述附加特征可以添加到实施例中。
附图说明
在图中，
图1示出了根据本发明的折反射医学成像系统的示意图，以及
图2示出了根据本发明的用于折反射医学成像系统的反射镜的示意图。
具体实施方式
首先，参考图1解释折反射医学成像系统1(诸如手术显微镜2)的设计和功能。折反射医学成像系统1用于观察手术腔6的内壁4，诸如脑部手术中的手术腔，但也适用于任何其他类型的手术腔。
折反射医学成像系统1包括相机装置8，相机装置8可以与透镜12，特别是显微镜透镜一起位于光学器件载体10中。折反射医学成像系统1还可以包括照明装置14，该照明装置也可以包括在光学器件载体10中。可以设置分束器16，以便从照明装置14添加与相机装置8的光轴18同轴并指向手术腔6的光。通过分束器16将从手术腔6朝向相机装置8引导的光与来自照明装置14的光分离。
相机装置8可以包括多光谱相机或高光谱相机。相机装置8可以包括不止一个单个相机，例如用于立体成像。相机装置8可以对UV、IR和NIR光谱中的至少一个敏感。附加地或替代地，相机装置8可以包括立体相机，从而可以获取手术腔6的内部的三维图像。
照明装置14可以提供在可见光谱、UV光谱、IR光谱和NIR光谱中的至少一个中的照明光。
为了观察手术腔6的内壁4，设置凸形反射镜20。反射镜20适于插入手术腔6中。为了插入，设置了臂22。
凸形反射镜20布置在相机装置8的视场24中，优选地使得视场24至少几乎完全由反射镜20填充。
反射镜20优选是鱼眼镜，其具有至少120°、优选180°的对角线视角。甚至更优选地，由相机装置8记录的图像的水平方向和竖直方向中的至少一个方向上的视角至少为120°，优选为180°。如果凸形反射镜20位于与相机装置8相对的手术腔6中的内壁4处或附近，则允许对手术腔6的大部分或全部进行查看。凸形反射镜20的形状可以例如是(半)球形、抛物线形、双曲线形或椭圆体。凸形反射镜20可以具有旋转对称性并且可以与相机装置8的光轴18对准，其基部26背向相机装置8且垂直于光轴18。
通过具有手柄28，臂22可以构造成由外科医生或助手手动操作。为了避免损伤手术腔6中的任何组织29，臂22在其纵向方向和与该纵向方向垂直的方向中的至少一个方向上是柔性的，优选在这两个方向上是柔性的。臂22的硬度优选不高于手术腔6内的组织29的硬度。可以设置可远程释放的联接件，用于将反射镜可释放地附接至臂。
在另一个实施例中，反射镜单独地放置在手术腔中。基部26可以设置有用于将其附接至组织29的附接部分27。当反射镜20在没有臂22的情况下与手术腔6保持在一起时，这尤其有用。附接部分27可以包括用于与组织29建立化学连接和机械连接中的至少一种的手段，例如胶水和/或钉子或钩子。
然而，优选地，反射镜20适于和/或可以适于可释放地附接至驱动系统30。驱动系统30适于相对于相机装置8移动反射镜20，优选地在所有三个空间维度中，如箭头32所示。驱动系统30可以相对于折反射医学成像系统1的支撑框架34固定，该支撑框架仅示意性地示出。支撑框架34优选地相对于手术腔6是静止的。光学器件载体10相对于支撑框架34是可移动的，例如通过附接到支撑光学器件载体10的可枢转的悬臂式吊杆。
折反射医学成像系统1可以设置有控制器36，用于控制驱动系统30，例如以响应于折反射医学成像系统1的操纵器37，该操纵器37由外科医生操作。这使得反射镜20能够在手术腔6内移动，从而允许查看具有复杂内部形状的手术腔(例如底切)。
在操作中，相机装置8将输出图像数据38，例如作为帧42的时间序列40，每个帧42由多个像素44组成。
由于凸形反射镜20的形状，从反射镜20收集的、由帧42或在帧42中表示的图像将会失真。这种失真会妨碍外科医生或助手对帧42的视觉分析。
为了校正或至少减少由反射镜20引起的失真，可以设置校正模块46。校正模块46可以包括校正光学器件48，校正光学器件48优选地布置在手术腔6和相机装置8之间。优选地，校正光学器件48可以快速安装和拆卸，例如可以移动到相机装置8的视场24中。例如，可以设置支撑件50，用于将校正光学器件48枢转在相机装置8(特别是透镜12)前面并枢转返回。
折反射医学成像系统1还可以包括图像处理器52，图像处理器52还可以包括校正模块46或其一部分，在这种情况下，校正模块46可以实现为软件或电子硬件。图像处理器52的校正模块46适于校正图像数据38中的由凸形反射镜20造成的失真。例如，图像处理器52可以适于从反射镜20的立体图像计算无失真的三维图像。由图像处理器52执行的图像失真校正可以与校正光学器件48一起使用以获得最佳结果。
折反射医学成像系统1可以进一步包括至少一个显示器54，其可以集成到光学器件载体10中。显示器54联接至图像处理器52并且适于显示从图像数据38导出的输出图像数据56。例如，输出图像数据56可以包括基于至少一个失真校正过的帧42的输出帧58。显示器54可以仅示出输出帧58的一部分60。该部分60可以根据折反射医学成像系统1的操纵器62的操作而移入输出帧58。
部分60在输出帧58内的移动也可以通过在折反射医学成像系统1中包括虚拟现实系统来实现，诸如作为显示器54的运动敏感护目镜。
图2示出了凸形反射镜20和臂22的示例性实施例。凸形反射镜20仅出于说明目的而示出为具有半球形镜面70。可以使用允许查看手术腔内部的任何其他形状。反射镜20的基部26显示为圆形，但也可以是任何形状，例如，多边形，诸如矩形，如虚线72所示。矩形基部72可以适于按其比例对应于由相机装置8记录的帧42的边长比。矩形基部72允许视场24被反射镜20完全填满。
反射镜20可以设置有至少一个标记74，其具有与其最接近的周围事物不同的荧光性、反射率和/或透射率。例如，标记74可以在光谱的不可见部分(诸如UV、IR或NIR)中或者在可见光光谱的一个或多个波长中具有增加或减小的反射率。附加地或替代地，标记74可以是荧光的。标记74可以用于手动或使用驱动系统30调整反射镜20相对于相机装置8的光轴18的位置。多个标记74可以围绕光轴18布置。标记74也可以是或包括光源，例如LED。
在另一个实施例中，反射镜20可以是至少部分地透明或半透明，以允许光从反射镜20的内部传递到外部。尤其是，标记74处的透光性可以与标记74的最接近的周围事物的透光性不同。因此，穿过标记74的光允许所述标记74被自动识别和鉴别。
光源76可以布置在反射镜20内。光源76可以发射在可见光光谱、UV光谱、IR光谱和NIR光谱中的至少一个中的照明光。如果将至少一个荧光团78(图1)注射到与手术腔6接壤的组织29中，则来自光源76的光可以用于触发手术腔6的内壁4中的荧光。折反射医学成像系统1可以设置有带阻滤波器(未示出)，用于阻挡来自光源76的光。
光源76可以例如包括至少一个(或更多个)LED 82。反射镜20可以包括用于驱动光源76的电源84以及例如通信模块86，通信模块86用于有线或无线地连接到例如折反射医学成像系统1的控制器36。光源76也可以通过延伸穿过臂22的电源线供电。
臂22可以是可伸缩的，如图2中示例性示出的。臂22的伸展或收缩可以由驱动系统30驱动。
臂22可以在其端部设置联接件87，用于可释放地与反射镜20接合，例如通过在其端部设置抽吸盖，用于利用真空接合镜面70。联接件87可以用于放置和取回反射镜20。
代替或附加于由柔性材料形成臂22，可以在反射镜20和手柄28(如果存在的话)或驱动系统30之间设置一个或多个接头88。接头88优选地适于给臂22提供柔性。同样，臂的柔性应当高于组织29的可压缩性以防止组织损伤。接头88优选是柔性的，因此如果偏转则可以施加恢复力。
可以设置弯曲传感器90，其优选地连接到控制器36。弯曲传感器90适于输出弯曲信号，该弯曲信号表示接头88中或作为整体的臂22中的弯曲量。如果由弯曲信号表示的弯曲超过预定量，则控制器36可以适于停止或复原驱动系统30的任何运动。附加地或替代地，如果臂22的弯曲量太高，则可以由弯曲信号触发警报信号。例如，臂22可以设置有蜂鸣器和/或LED(未示出)，用于根据弯曲信号输出警报信号。
如果要将镜子20附接至组织29，则镜子应该是轻质的。在这样的构造中，反射镜22可以是中空的或者填充有诸如泡沫的轻质材料。镜面70可以由箔形成。
参考标记
1 折反射医学成像系统
2 手术显微镜
4 手术腔的内壁
6 手术腔
8 相机装置
10 光学器件载体
12 透镜，特别是显微镜透镜
14 照明装置
16 分束器
18 光轴
20 凸形反射镜
22 臂
24 相机装置的视场
26 凸形反射镜的基部
27 附接部分
28 手柄
29 手术腔的组织
30 驱动系统
32 箭头
34 折反射医学成像系统或显微镜的支撑框架
36 控制器
37 操纵器
38 图像数据
40 时间序列
42 帧
44 像素
46 校正模块
48 校正光学器件
50 用于校正光学器件的支撑件
52 图像处理器
54 显示器
56 输出图像数据
58 输出帧
60 输出帧的被显示部分
62 操纵器
70 镜面
72 虚线
74 标记
76 光源
78 荧光团
82 LED
84 电源
86 通信模块
87 联接件
88 接头
90 弯曲传感器

Claims (15)

1.一种用于观察手术腔(6)的内壁(4)的折反射医学成像系统(1)，特别是手术显微镜(2)，包括相机装置(8)和适于插入手术腔(6)中的凸形反射镜(20)。
2.根据权利要求1所述的折反射医学成像系统(1)，其中反射镜(20)是鱼眼镜。
3.根据权利要求1或2所述的折反射医学成像系统(1)，其中反射镜(20)设置有标记(74)，标记(74)在反射率、荧光性和透光性中的至少一个方面与其最接近的周围事物不同。
4.根据权利要求3所述的折反射医学成像系统(1)，其中标记(74)反射和/或发射可见光光谱外的光。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的折反射医学成像系统(1)，其中反射镜(20)包括光源(76)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的折反射医学成像系统(1)，其中设置了控制器(36)，控制器(36)适于将相机装置(8)的视场(24)自动调整到反射镜(20)。
7.根据权利要求4和6所述的折反射医学成像系统(1)，其中控制器(26)适于基于标记(74)将相机装置(8)的视场(24)自动调整到反射镜(20)。
8.根据权利要求6或7所述的折反射医学成像系统(1)，其中控制器(26)适于用反射镜(20)自动填充相机装置(8)的视场(24)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的折反射医学成像系统(1)，其中反射镜(20)安装至臂(22)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的折反射医学成像系统(1)，其中设置了驱动系统(30)，驱动系统(30)适于相对于相机装置(8)移动反射镜(20)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的折反射医学成像系统(1)，其中设置了校正模块(46)，校正模块(46)适于校正反射镜(20)的失真。
12.根据权利要求11所述的折反射医学成像系统(1)，其中校正模块(46)包括布置在相机装置(8)和反射镜(20)之间的校正光学器件(48)。
13.根据权利要求11或12所述的折反射医学成像系统(1)，其中设置了图像处理器(52)，校正模块(46)是图像处理器(52)的一部分。
14.一种对手术腔(6)的内壁(4)进行成像的方法，包括以下步骤：将凸形反射镜(20)插入到手术腔(6)中，并且将反射镜(20)布置在相机装置(8)的视场(24)中。
15.凸形反射镜(20)的用途，其中相机装置(8)指向反射镜(20)，用于对手术腔(6)的内壁(4)进行成像。
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