CN116699819A - 3d外科手术显微镜光学系统及3d影像呈现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种3D外科手术显微镜光学系统及3D影像呈现方法，涉及3D影像技术领域，本发明提供的3D外科手术显微镜光学系统，包括：第一影像采集器、第二影像采集器、处理器和裸眼3D屏幕；第一影像采集器和第二影像采集器分别与处理器连接，处理器与裸眼3D屏幕连接。本发明提供的3D外科手术显微镜光学系统及3D影像呈现方法，不需要佩戴偏光眼镜便可使人眼获取3D影像，3D影像清晰度更高，并且具有外形尺寸小、景深尺寸和全像高尺寸大的技术优势。

Description

3D外科手术显微镜光学系统及3D影像呈现方法

技术领域

本发明涉及3D影像技术领域，尤其是涉及一种3D外科手术显微镜光学系统及3D影像呈现方法。

背景技术

医学影像技术中，通过对病灶和相关人体组织立体成像能够使医生更准确地定位病灶和人体组织的位置，进而提高外科手术的精准度。然而，3D成像通常需要医生佩戴偏光眼镜，不仅容易产生视觉疲劳，而且偏光眼镜观看影像较为昏暗，甚至存在重影，难以达到医疗精准度的要求。

此外，为了实现连续变倍，并获得较大景深，3D光学系统需要配置较为复杂的镜片组，甚至需要采用液体透镜进行变焦，由此提高了系统调控难度，还会导致影像分辨率偏低的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D外科手术显微镜光学系统及3D影像呈现方法，以缓解3D影像无法裸眼观看的技术问题。

第一方面，本发明提供的3D外科手术显微镜光学系统，包括：第一影像采集器、第二影像采集器、处理器和裸眼3D屏幕；

所述第一影像采集器和所述第二影像采集器分别与所述处理器连接，所述处理器与所述裸眼3D屏幕连接。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述3D外科手术显微镜光学系统还包括人眼追踪相机，所述人眼追踪相机用于检测人眼位置，且所述人眼追踪相机与所述处理器连接。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述裸眼3D屏幕以纵向中心线为对称轴实现轴对称；

所述人眼追踪相机的光轴垂直于所述裸眼3D屏幕，且所述人眼追踪相机的光轴与所述纵向中心线相交。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述3D外科手术显微镜光学系统还包括角度调节器件，所述第一影像采集器和所述第二影像采集器分别与所述角度调节器件连接；

所述角度调节器件用于调节所述第一影像采集器的光轴与所述第二影像采集器的光轴的夹角角度。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述角度调节器件包括：支撑件、驱动件、第一连杆和第二连杆；

所述第一影像采集器和所述第二影像采集器分别铰接于所述支撑件；

所述第一连杆和所述第二连杆分别与所述驱动件传动连接；

所述第一连杆远离所述驱动件的一端铰接于所述第一影像采集器，所述第二连杆远离所述驱动件的一端铰接于所述第二影像采集器。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述第一影像采集器和所述第二影像采集器相对于所述支撑件的中垂面对称；

所述第一连杆和所述第二连杆相对于所述支撑件的中垂面对称。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述第一影像采集器包括：第一镜头和朝向所述第一镜头的第一感光器；

所述第二影像采集器包括：第二镜头和朝向所述第二镜头的第二感光器；

所述第一感光器和所述第二感光器分别连接所述处理器；

所述第一镜头的光轴向背离所述第一感光器的方向延伸，所述第二镜头的光轴在背离所述第二感光器的方向延伸，且所述第一镜头的光轴与所述第二镜头的光轴相交。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述第一镜头和所述第二镜头对应有直径为130mm的第一物面以及直径为5.2mm的第二物面；

所述第一物面与所述第二物面的间距为200mm～650mm。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述第一镜头和所述第二镜头皆包括变倍镜组和补偿镜组，所述变倍镜组与所述补偿镜组同轴且间隔设置。

第二方面，本发明提供的3D影像呈现方法，包括以下步骤：

获取第一影像采集器采集的第一影像信号，根据所述第一影像信号分析获取左眼3D影像；

获取第二影像采集器采集的第二影像信号，根据所述第二影像信号分析获取右眼3D影像；

使裸眼3D屏幕的左眼投映区显现所述左眼3D影像、所述裸眼3D屏幕的右眼投映区显现所述右眼3D影像，并以预设频率顺次切换所述左眼3D影像和所述右眼3D影像显现。

本发明实施例带来了以下有益效果：采用第一影像采集器和第二影像采集器分别与处理器连接，处理器与裸眼3D屏幕连接，第一影像采集器和第二影像采集器可以模拟获得左眼和右眼的3D影像，通过裸眼3D屏幕可以映射高清的左眼3D影像和右眼3D影像，不需要佩戴偏光眼镜，3D影像清晰度更高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的3D外科手术显微镜光学系统的示意图。

图标：001-第一影像采集器；101-第一镜头；102-第一感光器；002-第二影像采集器；201-第二镜头；202-第二感光器；003-处理器；004-裸眼3D屏幕；401-纵向中心线；005-人眼追踪相机；006-角度调节器件；601-支撑件；602-驱动件；603-第一连杆；604-第二连杆；007-第一物面；008-第二物面。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。公式中的物理量，如无单独标注，应理解为国际单位制基本单位的基本量，或者，由基本量通过乘、除、微分或积分等数学运算导出的导出量。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供的3D外科手术显微镜光学系统，包括：第一影像采集器001、第二影像采集器002、处理器003和裸眼3D屏幕004；第一影像采集器001和第二影像采集器002分别与处理器003连接，处理器003与裸眼3D屏幕004连接。

本实施方式中，采用相互独立的第一影像采集器001、第二影像采集器002，通过第一影像采集器001采集影像信号，并通过处理器003分析获取左眼3D影像；通过第二影像采集器002采集影像信号，并通过处理器003分析获取右眼3D影像。裸眼3D屏幕004具有左眼投映区和右眼投映区，通过左眼投映区显现左眼3D影像，通过右眼投映区显现右眼3D影像，采用高于人眼识别的频率切换显现左眼3D影像和右眼3D影像，利用人眼的视觉暂留实现大景深的3D影像输出，不需要佩戴偏光眼镜，可以避免因佩戴偏光眼镜而产生的重影和视觉疲劳，并且相较于佩戴偏光眼镜获取的昏暗3D影像具有更高的清晰度。

需要说明的是，裸眼3D屏幕004优选采用4k的高分辨率显示屏幕，影像显现的清晰度更高，可以更好地降低眼睛观看3D影像的疲劳感。

在本发明实施例中，3D外科手术显微镜光学系统还包括人眼追踪相机005，人眼追踪相机005用于检测人眼位置，且人眼追踪相机005与处理器003连接。

通过人眼追踪相机005可沿水平方向、铅锤方向和纵深方向对人眼进行检测，处理器003通过视觉分析方法高速、准确获得观看者的双眼位置。可以跟随观看者的双眼位置，实时处理3D影像，能够单独为每只眼睛渲染空间影像效果。即使在裸眼3D屏幕004前任意改变观看角度，也可以获得清晰流畅的三维影像。

需要说明的是，裸眼3D屏幕004以纵向中心线401为对称轴实现轴对称；人眼追踪相机005的光轴垂直于裸眼3D屏幕004，且人眼追踪相机005的光轴与纵向中心线401相交。沿自左向右的方向人眼追踪相机005位于裸眼3D屏幕004的中部，根据人眼追踪相机005的检测信息可判断人眼相对于裸眼3D屏幕004中部的位置偏差，由此更容易判断人眼相对于裸眼3D屏幕004的视角，有利于降低影像处理的运算量。

进一步的，3D外科手术显微镜光学系统还包括角度调节器件006，第一影像采集器001和第二影像采集器002分别与角度调节器件006连接；角度调节器件006用于调节第一影像采集器001的光轴与第二影像采集器002的光轴的夹角角度。

具体的，第一影像采集器001和第二影像采集器002可模拟左眼、右眼获取被视物影像，从而为提取左眼3D影像和右眼3D影像分别提供影像信号。通过角度调节器件006可调节第一影像采集器001的光轴与第二影像采集器002的光轴的夹角角度，进而可使第一影像采集器001和第二影像采集器002共同正对被视物，不仅可以在较大的景深范围内获取清晰的图像，而且可以更形象地模拟左右眼观看视角，从而降低图像处理难度和运算量。

进一步的，角度调节器件006包括：支撑件601、驱动件602、第一连杆603和第二连杆604；第一影像采集器001和第二影像采集器002分别铰接于支撑件601；第一连杆603和第二连杆604分别与驱动件602传动连接；第一连杆603远离驱动件602的一端铰接于第一影像采集器001，第二连杆604远离驱动件602的一端铰接于第二影像采集器002。

本实施方式中，驱动件602包括步进电机、丝杠和滑块，步进电机通过联轴器连接丝杠，丝杠配合于滑块，并驱动滑块沿丝杠支撑架往复滑动。第一连杆603和第二连杆604分别铰接于滑块，通过步进电机驱动丝杠旋转，进而带动滑块往复滑动。通过滑块可推拉第一连杆603和第二连杆604，进而调节第一连杆603和第二连杆604的夹角，通过第一连杆603推拉第一影像采集器001，通过第二连杆604推拉第二影像采集器002，进而可以调节第一影像采集器001的光轴与第二影像采集器002的光轴的夹角角度。

在可选的实施方式中，驱动件602还可采用减速电动机或舵机，用以驱动第一连杆603和第二连杆604摆转，进而调节第一影像采集器001的光轴与第二影像采集器002的光轴的夹角角度。

在较优的实施方式中，第一影像采集器001和第二影像采集器002相对于支撑件601的中垂面对称；第一连杆603和第二连杆604相对于支撑件601的中垂面对称。其中，支撑件601的中垂面延伸至被视物的中部，通过驱动件602可驱动第一连杆603和第二连杆604同步摆动，进而调节第一影像采集器001和第二影像采集器002相对于支撑件601的中垂面同步偏转。

进一步的，第一影像采集器001包括：第一镜头101和朝向第一镜头101的第一感光器102；第二影像采集器002包括：第二镜头201和朝向第二镜头201的第二感光器202；第一感光器102和第二感光器202分别连接处理器003；第一镜头101的光轴向背离第一感光器102的方向延伸，第二镜头201的光轴在背离第二感光器202的方向延伸，且第一镜头101的光轴与第二镜头201的光轴相交。

具体的，第一镜头101和第二镜头201组成双目变倍物镜组，还可配置成共口径双目变焦物镜组。第一镜头101和第二镜头201的变倍因子为β1.3～6.6，在包含5×电子放大的前提下，光学放大倍率为2.2×～55×连续位置倍率可调，视场直径可达φ5.2～φ130mm，视野连续清晰，解决了定档变倍过程中视野有隔断跳跃的痛点，变倍比为1:6，且整个变倍过程中像面保持稳定，像质良好，像差校正平衡，并达到复消色差的效果。

本实施方式中，第一镜头101和第二镜头201对应有直径为130mm的第一物面007以及直径为5.2mm的第二物面008；第一物面007与第二物面008的间距为200mm～650mm。

采用本实施方式记载的3D外科手术显微镜光学系统，能够从200mm～650mm的大距离内实现φ5.2mm～φ130mm的物方视野连续变焦，且景深可以达到50mm，并能够以4K画质输出高分辨率3D画面。

进一步的，第一镜头101和第二镜头201皆包括变倍镜组和补偿镜组，变倍镜组与补偿镜组同轴且间隔设置。所有镜片皆参与到像差矫正，得光学成像系统的颜色分明，色彩还原性与像面还原性好，同时可以减少镜片数量，进而提升了系统的透过率，对色彩的还原度优势明显。而且，解决了大小视场覆盖、宽工作距离，在高画幅下难以实现高分辨率和低畸变的难题，易于实现有小型化和轻型化的结构和外形，经试验可在第一影像采集器001和第二影像采集器002总长仅有178mm的情况下使全像高达到7.5mm。在全视场下的畸变为3％，畸变控制在比较小的范围内，满足牙科、心脑血管、神经外科等手术的要求。

如图1所示，本发明实施例提供的3D影像呈现方法，尤其适用于上述实施方式记载的3D外科手术显微镜光学系统，包括以下步骤：

获取第一影像采集器001采集的第一影像信号，根据第一影像信号分析获取左眼3D影像；

获取第二影像采集器002采集的第二影像信号，根据第二影像信号分析获取右眼3D影像；

使裸眼3D屏幕004的左眼投映区显现左眼3D影像、裸眼3D屏幕004的右眼投映区显现右眼3D影像，并以预设频率顺次切换左眼3D影像和右眼3D影像显现。

在本发明实施例中，3D影像呈现方法与上述3D外科手术显微镜光学系统的工作原理相同，3D外科手术显微镜光学系统及3D影像呈现方法具有以下技术优势：

（1）物方的NA值大，能够提高系统的衍射极限，增强系统的分辨率；

（2）能够从200mm～650mm的大距离内实现φ5.2mm～φ130mm的物方视野连续变焦，景深可以达到50mm，且能够以4K画质输出高分辨率3D画面；

（3）左眼接收左眼3D影像，右眼接收右眼3D影像，通过人眼追踪相机实时追踪人眼的空间位置，裸眼3D屏幕能够精准将左右眼的画面投射到相应的眼中，不需要佩戴偏光眼镜就能够向裸眼呈现实时的3D画面；

（4）第一影像采集器001和第二影像采集器002可采用高分辨率CMOS探测器，配合双目共口径变焦物镜组，通过角度调节器件006联动调节第一影像采集器001的光轴与第二影像采集器002的光轴的夹角角度，利于安装调试。所有镜片皆参与像差矫正，光学成像系统的颜色更加分明，色彩还原性与像面还原性更好，同时可以减少镜片数量，光线透过率大幅提升，提高了色彩还原度；

（5）解决了大小视场覆盖、宽工作距离，高画幅下难以实现高分辨率和低畸变的难题，同时具有小型化和轻型化的外形结构，第一影像采集器001和第二影像采集器002可以在总长仅有178mm的情况下使全像高达到7.5mm；

（6）第一影像采集器001和第二影像采集器002的景深可以达到50mm，具有不用重复对焦的优势，稳定性极好；

（7）经测试，在全视场下的畸变约为3％，畸变较小，可以满足牙科、心脑血管、神经外科等手术的影像要求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种3D外科手术显微镜光学系统，其特征在于，包括：第一影像采集器（001）、第二影像采集器（002）、处理器（003）和裸眼3D屏幕（004）；

所述第一影像采集器（001）和所述第二影像采集器（002）分别与所述处理器（003）连接，所述处理器（003）与所述裸眼3D屏幕（004）连接。

2.根据权利要求1所述的3D外科手术显微镜光学系统，其特征在于，所述3D外科手术显微镜光学系统还包括人眼追踪相机（005），所述人眼追踪相机（005）用于检测人眼位置，且所述人眼追踪相机（005）与所述处理器（003）连接。

3.根据权利要求2所述的3D外科手术显微镜光学系统，其特征在于，所述裸眼3D屏幕（004）以纵向中心线（401）为对称轴实现轴对称；

所述人眼追踪相机（005）的光轴垂直于所述裸眼3D屏幕（004），且所述人眼追踪相机（005）的光轴与所述纵向中心线（401）相交。

4.根据权利要求1所述的3D外科手术显微镜光学系统，其特征在于，所述3D外科手术显微镜光学系统还包括角度调节器件（006），所述第一影像采集器（001）和所述第二影像采集器（002）分别与所述角度调节器件（006）连接；

所述角度调节器件（006）用于调节所述第一影像采集器（001）的光轴与所述第二影像采集器（002）的光轴的夹角角度。

5.根据权利要求4所述的3D外科手术显微镜光学系统，其特征在于，所述角度调节器件（006）包括：支撑件（601）、驱动件（602）、第一连杆（603）和第二连杆（604）；

所述第一影像采集器（001）和所述第二影像采集器（002）分别铰接于所述支撑件（601）；

所述第一连杆（603）和所述第二连杆（604）分别与所述驱动件（602）传动连接；

所述第一连杆（603）远离所述驱动件（602）的一端铰接于所述第一影像采集器（001），所述第二连杆（604）远离所述驱动件（602）的一端铰接于所述第二影像采集器（002）。

6.根据权利要求5所述的3D外科手术显微镜光学系统，其特征在于，所述第一影像采集器（001）和所述第二影像采集器（002）相对于所述支撑件（601）的中垂面对称；

所述第一连杆（603）和所述第二连杆（604）相对于所述支撑件（601）的中垂面对称。

7.根据权利要求1所述的3D外科手术显微镜光学系统，其特征在于，所述第一影像采集器（001）包括：第一镜头（101）和朝向所述第一镜头（101）的第一感光器（102）；

所述第二影像采集器（002）包括：第二镜头（201）和朝向所述第二镜头（201）的第二感光器（202）；

所述第一感光器（102）和所述第二感光器（202）分别连接所述处理器（003）；

所述第一镜头（101）的光轴向背离所述第一感光器（102）的方向延伸，所述第二镜头（201）的光轴在背离所述第二感光器（202）的方向延伸，且所述第一镜头（101）的光轴与所述第二镜头（201）的光轴相交。

8.根据权利要求7所述的3D外科手术显微镜光学系统，其特征在于，所述第一镜头（101）和所述第二镜头（201）对应有直径为130mm的第一物面（007）以及直径为5.2mm的第二物面（008）；

所述第一物面（007）与所述第二物面（008）的间距为200mm～650mm。

9.根据权利要求7所述的3D外科手术显微镜光学系统，其特征在于，所述第一镜头（101）和所述第二镜头（201）皆包括变倍镜组和补偿镜组，所述变倍镜组与所述补偿镜组同轴且间隔设置。

10.一种3D影像呈现方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取第一影像采集器（001）采集的第一影像信号，根据所述第一影像信号分析获取左眼3D影像；

获取第二影像采集器（002）采集的第二影像信号，根据所述第二影像信号分析获取右眼3D影像；

使裸眼3D屏幕（004）的左眼投映区显现所述左眼3D影像、所述裸眼3D屏幕（004）的右眼投映区显现所述右眼3D影像，并以预设频率顺次切换所述左眼3D影像和所述右眼3D影像显现。