CN111511282A - 内窥镜非接触式测量设备 - Google Patents

Abstract

披露了一种用于非接触式测量的设备(10)，该设备包括：光源(18)，光图案投影仪(17)，该光图案投影仪包括光学地联接到该光源的衍射光学元件(173)；成像系统(16)，该成像系统被配置用于对由该光图案投影仪照明的靶部位(8)进行成像；支撑件(15)，该光图案投影仪和该成像系统以固定的相对位置附接到该支撑件；以及处理单元(12)，该处理单元被配置成处理由该成像系统获取的数据。该支撑件具有平行于该光图案投影仪(17)的光轴(175)的纵向轴线(151)，其中该光图案投影仪(17)和该成像系统(16)沿着该纵向轴线(151)布置在间隔开的位置处。该光源能够操作以发射具有不同颜色的多个光束，该多个光束中的每一个光束是光学地配置联接到该衍射光学元件(173)的相干光束。该衍射光学元件被配置成根据不同的衍射角来衍射该多个光束，从而产生单独的图案。该处理单元被配置成基于在从这些单独的图案中的单一图案获取的数据中自动识别到的至少两个位置来确定测量值。

Description

内窥镜非接触式测量设备

技术领域

本发明涉及用于非接触式测量的设备和方法，特别是体内空腔观测设备和方法，比如但不限于内窥镜设备和方法，这些设备和方法允许在体内空腔的表面上执行非接触式尺寸测量。非接触式测量有利地通过三角测量来执行，以获得例如对比如空腔直径等两点之间的距离的测量。

背景技术

在医学领域，尤其是在支架置入之前，气道测量受到越来越多的关注。医师需要测量支气管直径，以便选择合适的支架或以便对气道狭窄进行测量。对于这些测量，医师目前要么使用辐照患者的CT扫描，要么使用活检钳，活检钳用作尺寸参考，但这不如测量工具那么精确。气道的直径可以在相对较大的范围内变化：超过20mm(对于气管)，向下至接近2mm(对于最小的支气管)。

从US 2012/0190923中，已知一种测量表面的形貌的内窥镜。内窥镜包含投影单元和成像单元。投影单元和成像单元相对于内窥镜的轴线相继地布置。在轴线上轴向彼此前后布置的投影单元和成像单元的构型允许显著更小的内窥镜构型。内窥镜包括具有径向对称结构的呈滑动件形式的投影结构。该投影结构由波导照明以获得彩色编码光图案。上述设备的一个缺点是其光图案投影仪具有带有移动零件(滑动件)的相当复杂的结构，这阻止了内窥镜进一步小型化。上述设备的另一缺点是，当需要进行比如尺寸或直径等简单测量时，它需要用户操纵用户界面。这可能是麻烦的，因为该设备的操作者通常将使两只手参与引导和/或定位内窥镜。

发明内容

本发明的目的是提供一种内窥镜非接触式测量设备，该设备能够精确地测量具有大尺寸范围的体内空腔直径，并且该设备在人体气道中特别有用。本发明的目的是提供一种内窥镜非接触式测量设备，该设备可以被小型化，用于在比如直径为2.8mm或更小的通道等内窥镜器械通道、特别是支气管镜器械通道中使用。

本发明的目的是提供一种内窥镜非接触式测量设备，该设备具有更简单的结构且/或更易于使用。特别地，目的是提供这样的设备，该设备允许优选地在没有任何用户干预的情况下实时进行自动测量。

因此，根据本发明，提供了一种如所附权利要求中阐述的一种用于非接触式测量的设备。根据本发明的设备有利地被配置成远程地执行在靶部位的测量，即不需要接触靶部位处的测量点。该设备包括：光源和光图案投影仪，该光图案投影仪包括光学地联接到该光源的衍射光学元件；成像系统，该成像系统被配置用于对由该光图案投影仪照明的靶部位进行成像；支撑件，该光图案投影仪和该成像系统以固定的相对位置附接到该支撑件；以及处理单元，该处理单元被配置成处理由该成像系统获取的数据。

该支撑件具有平行于该光图案投影仪的光轴的纵向轴线，其中该光图案投影仪和该成像系统沿着该纵向轴线布置在间隔开的位置处。光图案投影仪、特别是衍射光学元件和成像系统有利地彼此前后地布置。它们有利地同轴布置。光图案投影仪有利地被配置成投影具有关于光轴(基本上)旋转对称的图案。

根据本发明的各方面，该光源能够操作以顺序地或同时地发射具有不同颜色的多个光束。该多个光束中的每一个光束是相干光束。光学地联接到相干光束中的这些相干光束的每一个光束的衍射光学元件被配置成根据单独或不同的图案衍射该多个光束。这些单独的图案由衍射光学元件由于不同的光波长而根据不同的角度衍射具有不同颜色的该多个光束而产生。

根据一方面，该处理单元被配置成基于在从这些单独的图案中的单一图案获取的数据中检测到的至少两个位置来确定测量值。由控制器在所获取的数据中例如通过合适的图像识别算法来自动识别该至少两个位置。换句话说，一次只能使用具有这些不同颜色中的单一颜色的一个图案来执行测量。

以上各方面的优点是，所指明的设备可以用作用于进行自动测量的指向器设备(pointer device)。作为示例，外科医生或操作者将这些单独的图案中的至少一个指向期望进行测量的靶部位，例如指向人气道中的支气管上、内腔中的限制部上等，并且该设备将自动地在用光图案指向的位置处执行对例如支气管的尺寸或限制部的直径的期望测量。测量可以自动执行，有利地因为它仅基于这些单独的图案中的一个。因此，在操作者只需要对设备进行正确地指向(这可以在例如视觉显示器上进行验证)而无需任何进一步的干预的情况下，就可以进行测量。因此，根据本发明的设备允许进行更快的诊断和成像。

对于处理单元和对于操作者来说当所投影的图案具有简单的形状并且允许正确的视觉定位，例如是具有旋转对称性(有利地是单一圆，或者布置在(单一)圆上的多个点或线段)的图案时这将更加容易。测量值可以是(圆)图案的直径或周长，或者是由圆图案包围的面积(表面)。因此，在测量值与图案之间存在一一配准(registration)，这使得操作者易于在测量点上对设备进行正确地定位或指向。

有利的是，处理单元被配置成单独处理这些单独的图案中的每一个。更有利的是，处理单元被配置成针对这些单独的图案中的每一个(或多个图案)确定相对应的测量值。这些测量值中的每一个有利地仅基于从这些单独的图案中的相应一个获取的数据中检测到的至少两个位置。虽然已知不同波长的光将在不同的角度下衍射，但是在本方面，这被用来形成单独的投影图案。这些单独的图案有利地是间隔开的。当投影在同一平面上时，这些单独的图案(每个图案与该多个光束中的一个不同光束相关)有利地具有不同的尺寸。诸位发明人已经表明，考虑到测量设备与靶部位之间的相同距离，在距设备相同的目标距离处并且基于不同颜色(即，不同光波长)的图案进行的测量将具有不同的精度。已经表明，与使用由具有较短波长(例如蓝色)的光束形成的图案时相比，利用由具有较大波长(例如红色)的光束形成的图案的测量具有更好的精度。然而，更大波长的光束将根据更大的角度被衍射，并且因此形成具有更大尺寸的图案。这种更大的图案可能无法覆盖靶部位处的较小特征。因此，根据想要测量的特征的尺寸，根据本方面的设备允许使用不同光束波长的图案，使得对于任何尺寸的测量均获得相同的相对精度。结果，对于测量范围内的任何内腔尺寸或深度，测量精度得到保证。

有利的是，该处理单元可以联接到该光源，用于控制该多个光束中的哪一个光束或者这些单独的图案中的哪一个图案发射。有利的是，图案或光颜色可以例如由处理单元自动选择。方便指出的是，上面指明的这些单独的图案是不同的图案，而不是彩色编码图案。因此，彩色编码图案有利地不用于本发明的各方面。

根据本披露的第二方面，提供了一种执行非接触式测量的方法。该方法包括将多个单独的图案投影到体内空腔中的靶部位上。该多个图案源自具有不同颜色的多个光束。该多个光束中的每一个光束是相干光束。该多个光束被衍射以使得多个图案中的图案分开。该多个图案被成像，并且基于这些单独的图案中的单一图案的至少两个位置，例如通过三角测量来确定测量值。有利的是，可以例如基于这些图案中的每一个的至少两个位置来针对这些单独的图案中的每一个确定测量值。有利的是，该多个单独的图案并不同时投影，并且用户可以例如通过用户界面选择投影该多个单独的图案中的哪一个。有利的是，测量值是通过自动识别靶部位处的测量点来确定的。使用根据本发明的设备有利地执行本方法。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明的各方面，其中相同的附图标记展示了相同的特征，并且在附图中：

图1表示了根据本文所描述的各方面的设备的各个部件；

图2表示了根据本文所描述的一些方面的设备的远侧部分的光学组件；

图3表示了图2的光学组件的数学模型；

图4表示了根据本文所描述的各方面的设备的示意性设置；

图5表示了示出对于不同波长(蓝色、绿色和红色)的光图案的相对于测量深度的绝对测量误差的图表，像素误差＝0.5像素，焦距＝165像素，基线＝5mm；

图6表示了示出对于不同波长(蓝色、绿色和红色)的光图案，直径相对于测得直径的绝对测量误差的图表，像素误差＝0.5像素，焦距＝165像素，基线＝5mm；

图7表示了根据本文所描述的另一方面的设备的探针；

图8表示了根据本文所描述的又一方面的设备的探针；

图9表示了根据本文所描述的另一方面的设备的探针，外部器械通道附接到该设备用于引导探针穿过该外部器械通道；

图10表示了通过发射具有三种不同波长的光束穿过同一衍射光学元件而获得的、投影在墙上的一组单独的图案。

具体实施方式

参考图1，非接触式测量设备10一般包括通过线缆14连接到处理单元/控制器12的探针11。替代性地，可以将探针11无线地联接到控制器12。在用于在医学成像中使用的本示例中，探针11被构造成通过内窥镜9的器械通道或者通过比如套管针等任何其他引导用内窥镜工具插入患者体内。探针11可以替代性地被直接插入患者体内(例如，它可以形成为内窥镜)，而不需要额外的引导工具。控制器12可以连接到视觉显示器13，并且被配置成在显示器上显示结果。

探针11可以被形成为柔性且长形的设备、在近端111与远端112之间延伸，线缆14连接到该近端，该远端形成首先被插入患者体内的端部并且因此形成最远离操作者的端部。参考图2，在探针11的远端112处，设备10包括支撑件，成像系统16和光图案投影仪17以固定且有利地间隔开的关系附接到该支撑件。支撑件有利地被布置为壳体15，该壳体可以是长形的并且有利地是圆柱形的。支撑件可以由比如PMMA、聚碳酸酯、或玻璃等透明塑料制成。它可以是模制的或者是机加工的。有利的是，探针足够小，足以行进穿过内窥镜的器械通道。器械通道直径的具体示例为2.8mm、2.1mm和2mm。

成像系统16被配置用于捕获由光图案投影仪17投影的光图案的有利的像素化图像。为此，成像系统16可以包括可能与光学透镜联接的比如CCD或CMOS传感器等成像传感器。成像系统通过电力和/或信号传输线缆连接到控制器/处理单元12，并且可能地连接到位于近端的例如控制器12内的电源。替代性地，成像系统16可以包括比如电池等独立的(可随身携带的)电源。成像传感器的合适的示例是

OV6946A，其可以允许该设备用于比如支气管检查等一般性检查。设备10可以包括有利地远程布置的、例如在控制器12中的光源。光源可以替代性地布置在壳体15内。光纤171有利地将光源连接到光图案投影仪17，该光图案投影仪典型地布置在远端112处、在壳体15内并且有利地固定到该壳体。光图案投影仪包括比如由Holoeye Photonics公司(德国)提供的DE-R 220等衍射光学元件(DOE)173。光学系统可以进一步包括用于使由光纤171承载的光束准直得一个或多个透镜172。准直透镜的具体示例是比如来自Thorlabs公司(美国)的2.0mm直径的熔融石英球透镜等球透镜。

在本示例中，成像系统16被布置在光图案投影仪17的光学系统的前方，以便具有大的视场，并且两者有利地在壳体15的纵向轴线151上对齐。通过这样做，成像系统16位于光图案投影仪17的照明场174内。然而，成像系统16沿着纵向轴线151与光图案投影仪17(的光学系统)间隔开，并且因此成像系统16仅部分地阻碍光图案投影仪17的照明场174。替代性地，可以互换成像系统16和光图案投影仪17的位置。换句话说，光图案投影仪17可以放置在成像系统16的前方。

成像系统16的光轴161有利地与光图案投影仪17的光轴175重合，并且光轴161、175中的一个或两个可以与纵向轴线151重合。替代性地，光轴161可以偏离光轴175，例如，光轴161和175可以基本平行并且间隔开。光轴175可以例如对应于DOE 173的光轴。

由于将成像系统16放置在光图案投影仪17的前方，可以对被光图案投影仪17照明并且没有被成像系统16遮挡的靶部位执行测量。成像系统16可以设有适于对照明场174的至少一部分进行成像的合适透镜。由于投影仪17和成像系统16是间隔开的，所以三角测量技术可以应用于靶部位的由光图案照明并由系统16成像的部分上。

图2的部署的一个优点是，光图案投影仪17(特别是光学系统，更特别地是DOE173)与成像系统16之间的距离可以根据需要有利地进行选择，而不增加壳体15的外直径。结果，探针11可以被制造得极其紧凑，以减小系统的体积，但仍提供期望的测量精度。利用这种构型，探针11可以被制造得足够小，从而允许通过内窥镜的器械通道或内腔插入。因此，探针11能够有利地与内窥镜一起行进以到达靶部位。在替代方案中，可以为探针11提供合适的连接器，用于外部附接到内窥镜。在这种情况下，体积同样被减小。

光图案投影仪和成像系统的上述布置(图2)有利地使用所投影的圆形或至少旋转对称的图案，该图案例如包含围绕光轴的独特点，比如圆、正方形、两条平行线……。在这种情况下，径向地发生图案的变形。为此，光学系统和DOE特别有利地具有关于光轴175均具有旋转对称性的光学特性。

投影图案优选地为圆形，或者有利地具有关于光轴175的旋转对称性。所投影的图案可以由点形成，例如布置成圆，或者甚至是直线、圆的分段、弧、或允许由计算机进行分析的任何其他合适的图案。有利的是，光图案不是视觉上侵入性的光图案，并且有利地不妨碍例如通过内窥镜监视器对体内空腔的观察。光图案有利地具有简单的形状，例如线、圆、或多个点或标记。比如上文的光图案等光图案有利地允许用户将图案定位在期望进行测量的光点上。特别地，本文所描述的设备被配置用于测量比如长度(例如，周长)或直径等距离。为此，光图案应当被定位在靶部位上的要确定其之间的距离的至少两个点上。因此，光图案有利地使得它容易允许同时被定位在靶部位处的两个或可能更多个点上。也可以使用偏离圆形几何形状的图案，例如在给定角度上具有旋转对称性的图案，比如正方形和其他多边形。

在光图案被成像系统16成像时，其图像被控制器12获取，该控制器包括用于有利地实时地自动识别光图案并确定距离的处理装置。一般而言，光图案的几何形状越简单，处理就越容易。

联接到光图案投影仪的光源有利地是单色窄带光源，典型地是激光二极管。光源有利地可操作以发射相干光。这种光源的一个合适的示例是来自美国Thorlabs公司的LP450-SF15。光源可以布置在控制器12中。然后，光纤171用于将由光源发射的光束传送到壳体15中的光图案投影仪17。光纤的合适的示例是来自美国Thorlabs公司的S405-XP。替代性地，光源可以设置在壳体15中。

有利的是，该图案帮助用户限定(多个)测量点和/或使得能够自动识别(多个)测量点，比如其之间的直径或距离是期望的两个点。因此，期望的是光源在可见范围内，以便使得正在引导探针11和/或内窥镜9的医师容易看见光图案。自动识别有利地使得能够进行自动测量，而无需在比如图形用户界面等用户界面上进行任何用户操纵。再次参考图1，可以在视觉显示器13上示出测量值，而用户不必用指向设备选择点。方便指出的是，光图案专用于进行比如靶部位上的两个点之间的测量等距离测量以便确定例如内腔尺寸、直径、宽度等或进行面积测量，并且并不主要旨在用于表面形貌。表面形貌有利地并不实施在根据本发明的设备中。光图案有利地允许进行实时距离测量。测得距离的可视化有利地帮助用户同时进行解剖结构的成像，例如由内窥镜相机执行的成像，并且进行正确的诊断，而没有由于不良的3D重建而导致误差的风险。另一优点是，简单地通过改变DOE，同一布置可以用来投影不同的图案形状。

参考图4，在一个方面，光源可操作来发射多个相干光束。相干光束具有不同的颜色，例如，它们形成一组原色，比如但不限于蓝色、绿色和红色(RGB系统，然而也可以使用其他系统)。为此，光源18可以包括各自发射不同颜色(光波长)的多个相干光源181、182、183，例如不同的LED。该多个光源中的每一个有利地联接到同一DOE 173。每个相干光源181至183可以包括合适的光学器件，比如用于在光束被馈送到光纤185之前对光束进行准直的准直透镜184，该光纤可以将光束传送到远端的DOE 173。由于DOE 173处的衍射角取决于波长，所以使用相干光束的一个优点是相干光束中的每一个将被同一DOE 173以不同的投影(衍射)角衍射。作为示例，DE-220衍射光学元件(柏林Holoeye公司)将以19°的角度投影450nm的光束，以23°投影532nm的光束，并且以28°投影650nm的光束。在距光图案投影仪100mm的距离处，由DE-220DOE形成并利用450nm光束获得的对称图案将具有70mm的尺寸(直径)，利用532nm光束获得的图案将具有85mm的尺寸，并且650nm光束的图案将具有110mm的尺寸。

图10示出了一组单独的同心图案200的一个示例，其可以在圆作为图案的情况下获得。最内侧的图案201是通过具有最小投影角的颜色(例如，在上述示例中为450nm)的光束获得的图案。最外侧的图案203通过具有最大投影角的颜色(例如，在上面示例中为650nm)的光束获得，并且中间图案202例如利用上面的示例中的532nm的光获得。可以看出的是，较小的图案有利地完全包含在较大的图案中。毋庸置疑，其他类型的图案也是可能的。因此，相干光束将在靶部位处形成间隔开的光图案。这些光图案可以具有相同的形状，但是将具有不同的尺寸，例如在圆的情况下，由于不同的投影(衍射)角，每个颜色的光束将在靶部位处投影为具有不同直径的圆。这些圆有利地是同心的。同心图案生成具有其不需要额外空间的优点。波长越小，图案就越小。使用不同颜色的几种同心图案的优点在于，可以容易地选择最适合正在研究的内腔尺寸的图案以便进行测量。在靶部位处，用户可以在不同的相干光束之间选择最适合要测量的空腔特征的光束。

因此，利用本文所描述的各方面的设备进行的测量有利地仅依赖于多个单独的图案中的一个，即，测量依赖于仅利用一种颜色波长获得的图案。基于从多个图案中的单一图案获取的数据，可以确定靶部位处的至少两个、可能更多个位置。控制器被有利地配置成仅基于这些位置来确定比如直径等测量值。对于这些单独的图案中的每一个，即对于该多个光束中的每一个，可以重复以上内容。因此，由本设备进行的每次测量有利地与一种光束颜色一一配准。结果，获得了可以与靶部位处的同一特征相关并且可以具有不同精度的测量值，因为这些测量值是通过不同的图案获得的。

在一个替代方案中，具有不同颜色的光束被相继地施加到探针11。在另一替代方案中，合束器(beam combiner)186联接到多个相干光源181至183，用于将相干光束组合到单一波导中，例如光纤171中。这允许同时投影与不同颜色光束相对应的光图案。

返回参考图1，可以提供联接到控制器12的用户界面121。用户界面被有利地配置成允许操作者选择投影不同颜色光束中的哪一个。作为示例，用户界面121为此可以包括控制旋钮122。图案的具体选择可以取决于要测量的结构的实际尺寸和/或取决于期望的精度。

参考图3，示出了比如气道通道等体内通道的壁8(例如支气管的壁)的测量的示例。光图案投影仪17具有投影角α(对于给定的波长)，成像系统16具有由其焦距fx定义的视场(FOV)(以像素为单位)，并且图案在靶部位81处的墙壁8上以角度β进行检测。成像系统与光图案投影仪之间的距离是d，并且测量深度(成像系统与测量点81之间的沿着光轴161的距离)是z。通道的半径是r，并且r0是成像系统16的位置处的光图案FOV的半径。容易示出的是：

深度(z)由下式给出：

在上文中，p_x是被检测点的像素位置。上式是针对给定平面给出的，并且对纵向轴线周围的每个平面均是有效的。

下面示出了对于给定投影角α的测量精度取决于通道的尺寸(半径r)。深度误差δz由下式给出：

图5示出了呈深度z的函数的形式的误差δz的曲线图。它表示了对于三种不同光波长且使用DOE DE-R 220(柏林Holoeye公司)的设备相对于深度的测量精度。

对于直径测量，深度不太重要。可以示出的是，半径(r)方面的误差δr由下式给出：

半径的误差δr在图6中绘制为相对于内腔直径的直径误差。图5和图6两者示出了亚mm精度是可实现的。为了提高精度，可以使用更大波长的光。然而，这导致了在较小内腔中可能不可见的较大图案，因为成像区域(相机FOV)与靶部位处所投影的图案之间可能没有重叠。在较小的内腔中(或对于测量较小特征)，使用小的图案进行测量是有利的。如图6所示：对于给定直径，绝对误差随着波长的增加而减小。对于给定的波长，绝对误差随直径成指数增加。从曲线图中可以推断出，对于较大的直径，较大的波长将给出更精确的测量。较小的波长有利地用于较小的直径，特别是因为较大的波长将以较大的角度进行衍射，并且所得到的图案可能太大并落在靶结构的边界的范围之外。在确定支气管的尺寸的特定示例中，以红色光(较大波长)形成的图案可能太大，并且因此可能从支气管中的相机视场隐藏。在这种情况下，操作者或者系统本身可以切换到不同颜色的图案，例如蓝光(较小波长)的图案，从而产生可以由相机可见的更小的图案。在支气管尺寸很大的情况下，红光图案和蓝光图案两者将是可见的。然而，基于红光图案进行的测量将具有更高的精度。因此，在这种情况下，设备可以被设定为使用红光图案。

如果空间要求允许的话，替代性地，也可以将光图案投影仪17和成像系统16定位在并置且间隔开的位置，而不是将它们对齐在同一轴线上。在这种情况下，投影线性图案可能是有利的，例如直线或者沿着直线对齐的多个点或标记。DOE 173将以不同的投影角度衍射比如红光、绿光和蓝光等不同的波长，并且平行图案线之间的间距在不同的光波长之间将不同。这种布置例如对于测量声襞可能是有用的。

已知的是，成像传感器(CCD或CMOS)典型地是具有光敏元件平面矩阵的单一芯片。入射到每个元件的光的能量被转换成从传感器输出的信号电荷。然而，此电荷仅代表入射到特定光敏元件上的光的强度。它不会产生彩色图像。为了产生彩色图像，一般地，数字成像系统采用滤光方案来以一束原色(典型地为比如红、绿和蓝(RGB)等三种)来观察进入的光。基本上存在组织数字成像系统来产生彩色图像的两种可能的方式。在第一种可能性中，光敏元件中的每一个具有宽带光谱灵敏度。协作滤光盘以重复的时间顺序使光束穿过一系列彩色滤光器，例如红色、绿色和蓝色滤光器。滤光器介入与图像扫描同步，同时滤光器典型地在整个场扫描期间介入。以这种方式操作的设备被称为产生“场序”彩色信号。滤光盘可以布置在光投影仪侧，例如在光被发射到靶部位之前，或者布置在成像系统侧，例如在光入射到光敏元件上之前。在替代性可能性中，各个选择性透射滤光器的马赛克与各个光敏元件一一配准地叠置。相邻的光敏元件已经叠置选择性透射不同原色的滤光器。因此，由这些相邻光敏元件获取的信号电荷表示不同的原色。然后，通过使用在像素位置周围的邻域中的元件处检测到的颜色的强度来内插图像的每个像素的颜色，来以数字的方式重建图像。这种内插算法被称为去马赛克算法。这种马赛克滤光器的一种已知类型是拜耳滤光器，并在1976年7月20日授予拜耳的US 3971065中进行了更详细地描述。

不管数字成像系统中采用的滤光方案如何，成像传感器有利地分别获取与由靶部位反射的光的不同光谱区域相关的信号电荷，比如但不一定在不同的通道中，例如红色通道、绿色通道和蓝色通道。不同的通道被联接到处理单元12以便进行获取，该处理单元可以用去马赛克算法来实施以产生期望的彩色图像。

在本发明的一个方面中，以不同的信号单独地获取由光图案投影仪17投影的相干光束，例如通过成像系统16的不同通道。作为示例，相干光源181至183被配置成发射与成像传感器的不同通道的波长区域相对应的波长区域的光，例如，比如红色、绿色和蓝色等原色。处理单元12有利地被实施为彼此单独地处理与由光图案投影仪17发射的每个相干光束相对应的颜色信号。通过这样做，用于检测不同光图案的图像分割被大大简化。因此，光图案重建更加稳健，从而产生更加可靠的测量。

方便指出的是，即使采用多于三个通道，也可以应用其他合适的彩色(光谱)方案。另外，适用的滤光方案不限于可见光。作为示例，光图案投影仪17可以被配置成发射红外光谱区域中的光，特别是近红外光谱带中的光。有利的是，由靶部位8反射的光图案中的每一个被获取为单独的(彩色)信号，而没有来自由其他光束发射的光的干扰或没有来自其的显著干扰。

在这方面，不要求相干光束的光谱区域仅被成像传感器的一个通道捕获。作为示例，黄色图案(588nm)被RGB成像传感器的绿色和红色通道同时捕获，并且不存在于蓝色通道上。

控制器12被有利地配置成处理由成像系统16获取的数据。如已经指示的那样，成像系统16的传感器可以包括不同的颜色通道，并且来自每个这样的颜色通道的数据可以由控制器12单独地获取。控制器12可以被配置成单独地处理每个颜色通道的数据。多个颜色通道可以各自获取与不同颜色相关的光图案。这些光图案可以是不同的，即每个图案由光图案投影仪17/光源18的不同光波长形成。替代性地或另外，一些(但不是全部)颜色通道可以获取与同一光图案相关的数据，例如，在光图案以由成像系统传感器的两个(或可能更多个)颜色通道捕获的光波长投影的情况下。控制器12可以利用用于检测光图案的合适算法来实施。作为示例，可以使用背景减法方法(例如其可从OpenCV库中获得)来容易地检测图案。在使用RGB颜色通道和具有黄光波长的光图案的情况下，红色和绿色通道可以合并、并且从蓝色通道中减去。

控制器12可以被配置成针对所获取的光图案中的至少一个并且有利地针对所获取的光图案中的每一个或者替代性地针对其获取的颜色通道中的每一个来确定靶部位处的两个点之间的(距离)测量值。这些不同的测量值有利地与靶部位处的同一特征相关。基于已经确定的距离或测量值，控制器12可以被配置成确定具有最低测量误差的距离。如上所指示的那样，因为对于给定距离的测量误差取决于光图案的波长，所以控制器可以容易地验证所使用的波长中的哪一个将引起最高精度。这可以例如通过将查找表存储在控制器12中所包含的可读存储器中来实现。对于每个波长，查找表可以包括与给定距离测量值相关的测量误差。在这种情况下，控制器12可以被配置成针对给定距离比较查找表的条目。

控制器12可以被配置成确定沿着所成像的图案的点的三维坐标。在比如圆等具有圆的点的坐标的旋转对称图案的情况下，控制器可以被配置成计算一个或多个直径，比如以下中的一个或多个：平均直径、最小或最大直径。对于被成像的每个图案，尤其是每个光波长，可以重复这种测量。比如直径等测量值可以在显示器13上可视化。

这些图案有利地具有可见范围内的光波长。一个优点是操作者立即接收到关于图案是否被定位在要测量的期望靶结构上的反馈。操作者不是用显示器13上的指示器定位测量点，而是通过定位探针11来将图案直接定位在靶结构上。

可以相继地投影不同波长的光图案。控制器可以被配置成从例如对应于最长或最短的光波长的第一光图案开始，并且顺序地改变光波长，直到获得具有期望精度的测量。作为示例，当靶结构较小时，投影较长波长(例如红色)的光图案可以产生不干扰靶结构的图案(因为它太大)。在这种情况下，控制器可以被配置成改变所投影的光波长，这改变了所投影的光图案的尺寸(和颜色)。这可以自动实施(例如当无法检测到测量值时控制器使波长转变)、或者手动实施(例如利用允许操作者改变所投影的波长的按钮)。在这些情况下，可以一次投影对应于一个光波长的光图案。

作为示例，支气管的直径测量优选地使用圆形图案进行。该图案被定位成适合内腔，并且该图案的图像被记录并被馈送到控制器。图案可以以3D的方式自动重建，并且可以根据已知技术确定直径。如果探针在支气管内腔中未居中，图案的3D重建将相对于光轴倾斜。这种倾斜可以被控制器检测到，该控制器可以被配置成向用户/操作者发出警告信号或者被配置成自动校正测量值。另一可能性是组合不同的图案中的几种。在这种情况下，不同图案的3D重建提供了内腔的附加信息，并且可以提供获得可靠直径测量值所需的所有数据。在非圆形解剖形状的情况下，可以通过图案(重建)获得几个测量值，这些值全部可以被显示在视觉显示器上，比如表面、最大直径、最小直径或可以获得的任何几何形状数据。

当要测量的结构的轮廓不规则(例如由于畸形)时，比如最小外接圆和最大包围圆等几何形状量可以由控制器12基于自动识别/重建的图案来确定。

因此，控制器12有利地配备有合适的软件和/或硬件，允许自动识别图案和/或图案上的测量点。另外，控制器12有利地配备有合适的软件，允许根据自动识别的图案和/或测量点自动确定测量值。该测量值有利地是表示直径、周长、距离、或面积的值。该图案有利地具有圆形形状，例如整个圆，或者位于圆上的线段或点。这种形状有利地允许操作者容易地将图案定位在期望进行测量的位置上，并且还允许容易的自动识别和/或测量值计算。

有利的是，控制器被配置成用同一图案或利用不同颜色的单独图案来执行顺序测量。以同一图案以例如规则的时间间隔进行顺序测量可以有助于体内内腔的剖析或有助于求平均值。由于不同颜色的图案具有不同的尺寸，以同一靶尺寸用这些图案进行顺序测量可以有助于求平均值，或者有助于例如在缩窄部处测量具有靶尺寸的不同结构，最大的图案可以测量未受阻碍的孔口的尺寸，而最小的图案可以测量障碍物或受阻碍的孔口的尺寸。

有利地，光图案投影仪17可以包括附加光学元件，特别是光折射器，以便利用折射来调整光图案的方向。参考图7，光折射器176可以被布置在DOE 173的下游。光束首先使用DOE 173进行衍射，并且光束朝另一有利的方向折射。相组合的两者给出了投影角。使用光折射使得能够具有最终更小的投影角，并且因此能够测量更小的元件。在图7中，形状被优化，以便生成远心图案177(尺寸沿深度恒定)，以便测量更小的元件。

除了上述中的任何一个之外，并且参考图8，探针可以包括在壳体15的外表面上的刻度指示152。指示152可以沿着壳体15的纵向轴线151布置，并且使得内窥镜医师能够确定探针已经插入多深。这可以使得能够分析例如狭窄部多长。在用户在患者体内移动探针时，可以使用另一内窥镜(例如，如果设备穿过器械通道)或者直接在患者体外进行测量。

指示152可以是用于自动测量壳体15的行进距离的电子编码器(例如，光学编码器)。编码器读数可以被制成与基于光图案的测量值(直径、面积、周长)配准。这可能有助于例如确定内腔中的缩窄部在其上延伸的距离。为此，电子编码器可以具有联接到控制器12的输出端，用于读取与执行(多个)测量相配准的行进距离。

有利地，光图案投影仪17被配置成生成光图案，例如一条或多条线，每条线由于使用具有不同颜色的相干光束和光的一个或多个基准光元素而可能呈不同的颜色。可以针对不同的颜色中的每一个生成一个或多个基准元素。

基准光元素被配置成在靶部位的表面上形成基准标记。基准标记有利地被成形为使得可由操作者例如在联接到控制器12的视觉显示器13上加以辨别。操纵观测仪器9的操作者因此可以仅通过适当地操纵观测仪器9来将基准标记定位在靶部位8上的所关注位置上。

在某些情况下，可能有用的是测量整个3D表面，而不是仅确定例如两个解剖点之间的距离测量值。在这种情况下，多个光源有利地被相继地接通。这使得例如能够沿着内腔进行扫描。另外，这些光源中的一些也可以被一起接通。在这种情况下，有利地使用多于三个的光源。

设备10可以进一步包括照明光源。照明光源可以是白光光源或者至少是宽带光源，该宽带光源可以不是相干的。照明光源可以光学地联接到DOE 173，使得从照明光源发射的光穿过DOE。另一可能性是使用不与DOE光学地联接的相干光源，使得其光并不使用DOE进行衍射从而提供均匀的照明。优选地，照明光源以与用于生成(多个)图案的光源18的光波长不同的波长带进行发射。照明光源和图案可以由相机的不同通道捕获。作为示例，如果光源18投影红色图案，则照明光源可以是蓝色和绿色。照明光源可以被配置成以多个可选波长进行发射。

可以在探针11上放置保护护套，以便隔离患者和比如壳体15等任何可重复使用的零件。这允许探针容易地重复使用，而没有污染危险。另外，护套可以允许保持探针的光学特性，例如防止擦伤以及与消毒相关的损伤。

参考图9，在常规内窥镜系统没有或具有太小的器械通道的情况下，外部器械通道91可以被放置在内窥镜上，探针11可以移动通过该外部器械通道。此外部器械通道可以通过护套或塑料或者硅树脂环92附接到内窥镜。

Claims (19)

1.一种用于非接触式测量的设备(10)，包括：

光源(18)，光图案投影仪(17)，该光图案投影仪包括光学地联接到该光源的衍射光学元件(173)；

成像系统(16)，该成像系统被配置用于对由该光图案投影仪照明的靶部位(8)进行成像；

支撑件(15)，该光图案投影仪和该成像系统以固定的相对位置附接到该支撑件；以及

处理单元(12)，该处理单元被配置成处理由该成像系统获取的数据，

其中该支撑件具有平行于该光图案投影仪(17)的光轴(175)的纵向轴线(151)，其中该光图案投影仪(17)和该成像系统(16)沿着该纵向轴线(151)布置在间隔开的位置处，

其特征在于：

该光源能够操作以发射具有不同颜色的多个光束，该多个光束中的每一个光束是相干光束并且光学地配置联接到该衍射光学元件(173)，使得该衍射光学元件被配置成根据不同的衍射角来衍射该多个光束，从而产生单独的图案(201，202，203)，并且

该处理单元被配置成基于在从这些单独的图案中的单一图案获取的数据中自动识别到的至少两个位置来确定测量值。

2.如权利要求1所述的设备，其中，该测量值是以下中的一个或多个：距离和面积。

3.如权利要求2所述的设备，其中，该距离是以下中的一个：直径和周长。

4.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，该控制器被配置成控制该光源和/或该光图案投影仪，使得在一个时刻投影这些单独的图案中的单一图案。

5.如前述权利要求中任一项所述的设备，包括用户界面(122)，该用户界面允许选择这些单独的图案中的单一图案以便进行投影。

6.如前述权利要求中任一项所述的设备，包括光纤(171)，该光纤光学地联接在该光源和该衍射光学元件之间，其中该光纤(171)是单一光纤，并且其中该光源被配置成通过该单一光纤发送该多个光束。

7.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，该光源包括合束器(186)，该合束器被配置成将该多个光束组合到该光纤(171)上。

8.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，该多个光束包括蓝光束、绿光束和红光束。

9.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，该处理单元(12)被配置成基于这些位置自动确定该测量值。

10.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，该处理单元(12)被配置成针对同一靶部位和针对这些单独的图案的每一个确定两个或更多个点的位置。

11.如前述权利要求中任一项所述的设备，进一步包括视觉显示器(13)，其中该处理单元(12)被配置成在该视觉显示器上指示该测量值。

12.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，该衍射光学元件(173)和该成像系统(16)被定位成具有平行的光轴，其中当在光发射的方向上考虑时，该成像系统被定位在该衍射光学元件的前方。

13.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，该光图案投影仪(17)被配置成形成同心图案。

14.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，该光图案投影仪(17)被配置成投影具有关于该光轴(175)的旋转对称性的这些单独的图案(201，202，203)。

15.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，这些单独的图案中的每一个包括布置成圆的多个点。

16.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，这些单独的图案中的每一个由圆组成。

17.如前述权利要求中任一项所述的设备，包括基本上圆柱形的探针(11)，该探针的尺寸使得该探针能够沿着内窥镜(9)的通道行进，其中该衍射光学元件(173)和该成像系统(16)布置在该探针中。

18.如前述权利要求中任一项所述的设备，包括编码器，该编码器可操作地联接到该处理单元(12)，其中该编码器被配置成测量该支撑件(15)的行进距离。

19.如权利要求18所述的设备，其中，该处理单元(12)被配置成与该行进距离的测量值配准地确定该测量值。

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