CN117518442A - 手术显微镜及其标尺信息显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术显微镜及其标尺信息显示方法，所述的手术显微镜包括变倍镜组、可变工作距大物镜以及摄像镜组，还包括：处理器单元：被配置为获取并发送各镜组的综合倍率系数MR，影像控制单元：被配置为接收综合倍率系数MR，根据综合倍率系数MR计算标定倍率系数MR'并发送相应的标尺信息，影像显示单元：被配置为接收标尺信息并进行显示，本发明通过合理的选取各子系统的光学参数，有效的减小系统误差；标尺信息可准确叠加到观察单元中或者拍摄图像中，无需额外调整，操作便捷；结构简单、成本低廉。

Description

手术显微镜及其标尺信息显示方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种手术显微镜及其标尺信息显示方法。

背景技术

手术显微镜通常包括沿观察光路方向设置的包括物镜组、变倍镜组、望远镜组等观察光路系统和照明光路系统。其中：变倍镜组为无焦光学系统，包括有分档变倍和连续变倍两种，分档变倍通过旋转转鼓切换不同的光学镜组进出光路，连续变倍则其通过使移动镜组和变倍镜组在各自运动曲线上的同步运动实现光学变倍。分档变倍每个档位均有准确的倍率系数，一般通过旋钮刻度指示，但切换过程视野会短暂丢失，图像不连续，因此目前连续变倍的手术显微镜更受欢迎。

现有技术中，显微镜镜身上通常在设置有刻度盘，刻度指针通过齿轮、齿条等机械机构与驱动移动镜组和补偿镜组的机构联动，通过指针显示变倍镜组的倍率系数。如参见公开号为CN209765155U的专利公开了一种手术显微镜，其通过角度传感器检测变倍镜片组的变化情况以得出变倍镜组的倍率系数，并通过镜身前部的显示模块显示。

随着全科手术显微镜的需求增加，可变工作距大物镜日趋普及，其由正、负两个透镜组构成，可相对移动，通过调节镜组间距改变大物镜的系统焦距，实现手术显微镜工作距离的大范围调节，方便对不同深度的组织进行观察，提供了极大的操作便利性，广泛应用于眼科以外的各临床科室，但同时也引入了一些新的问题，由于调焦改变工作距离同时也改变了大物镜组的焦距，会造成系统总放大倍率的改变，难以直观确定物体的实际大小，

参见公开号为CN210924093U的专利公开了一种带有标尺功能的手术显微镜，为了解决上述问题，其在观察光路中的实像位置设置有测量部件，设置检测大物镜和小物镜的焦距值、变倍镜组的放大倍率的传感器，测量部件上设置有尺寸标尺，在目镜中可读出观察物大小对应的标尺格值，根据读出的格值和显微镜的放大倍率比例，可以快速得出观察物的实际大小。

然而此方案在实际应用中仍存在诸多问题，首先，传统变倍镜组的倍率系数仅为指示作用，并没有准确度要求，而传感器检测的一般仅为角度值，如果光机参数和结构不合理，角度敏感性过高，由于镜片本身的制造误差，再加上其与机械结构的装调位置误差，综合倍率的准确度难以满足测量要求。其次，现有手术显微镜的拍摄设备均从观察光路中的平行光路部分进行分光，并不和观察系统共用小物镜，因此仅对小物镜的焦距进行检测，目视和拍摄图像的一致性无法保证，对诊断、操作造成不便。此外，例如读取标尺的格值和放大比例后进行计算等操作，需要视线切换，操作繁琐耗时。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种手术显微镜。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种手术显微镜，包括变倍镜组、可变工作距大物镜以及摄像镜组，所述的手术显微镜还包括：

处理器单元：被配置为获取并发送各镜组的综合倍率系数MR，

影像控制单元：被配置为接收综合倍率系数MR，根据综合倍率系数MR计算标定倍率系数MR'并发送相应的标尺信息，

影像显示单元：被配置为接收标尺信息并进行显示，

其中：综合倍率系数MR满足：

①：MR'=μMR；

②：1.75D≥f1≥D+55；

③：0.75f1≥f2≥6H；

④：25≥f1/（f2*B）≥0.25；

式①-④中：μ为标定比例系数，f1为可变工作距大物镜的焦距，f2为摄像镜组的焦距，D为可变工作距大物镜焦距为f1时对应的工作距离，H为摄像镜组中感光元件有效区域的对角线长度，B为变倍镜组的变倍系数。

上述技术方案优选地，所述的影像显示单元包括显示器、头戴式显示设备、投影芯片中的一种或多种。

进一步优选地，所述的显示器、头戴式显示设备被配置为用于显示所述的摄像镜组拍摄的数字图像、接收的标尺信息。

进一步优选地，所述的投影芯片被配置为用于将接收的标尺信息投射至显微镜的观察单元。

更进一步优选地，所述的投影芯片满足：

⑤：f3/f2=H'/H，

式⑤中：f3为投影光路的焦距，H'为投影芯片有效显示区域的对角线长度。

更进一步优选地，所述的观察单元包括目镜，即直接标尺信息被直接投射至所述的目镜上进行观察。

上述技术方案优选地，所述的显微镜还包括变倍调焦驱动单元，所述的变倍调焦驱动单元包括带有编码器的直流电机，所述的编码器可用作变倍、调焦的传感器。

上述技术方案优选地，所述的处理器单元为单片机。

本发明的另一个目的是提供一种手术显微镜的标尺信息显示方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种标尺信息显示方法，包括：

S1、自检：采用带有编码器的直流电机对变倍镜组、可变工作距大物镜进行变倍、调焦，编码器记录直流电机的总行程，并使直流电机运动至初始位置；

S2、标定：在物面放置标准刻度尺，使显微镜倍率设置为最大倍率、调焦至清晰状态，选取刻度范围，并向影像控制系统输入相应的实际长度值，处理器单元获取此时的综合倍率系数MR并发送至影像控制单元，影像控制单元根据综合倍率系数MR计算标定系数μ并保存；

S3、运行：通过直流电机进行变倍、调焦，同时编码器记录的变化值发送至处理器单元，处理器单元获取此时的综合倍率系数MR并发送至影像控制单元，影像控制单元根据标定系数μ确定实时的标定倍率系数MR'，并发送相应的标尺信息到影像显示单元，

S4、显示测量：标尺信息在影像显示单元上显示。

上述技术方案优选地，所述的标尺信息为固定数目的像素长度的刻度线。

上述技术方案优选地，所述的编码器记录直流电机的总行程时，直流电机先正向运动至极限位置，编码器清零，直流电机再反向运动至极限位置，编码器获得直流电机的总行程。

上述技术方案优选地，所述的处理器单元根据编码器实时数值，通过预设理论公式或查表法确定f1、f2、B的数值。

上述技术方案优选地，所述的标尺信息被同步进行保存。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、通过合理的选取各子系统（变倍镜组、大物镜以及摄像镜组）的光学参数，有效的减小系统误差；

2、标尺信息可准确叠加到观察单元中被观察或者拍摄图像中，无需额外调整，操作便捷；

3、结构简单、成本低廉。

附图说明

附图1为本实施例中手术显微镜的示意图；

附图2为本实施例中手术显微镜光学示意图；

附图3为本实施例中标尺信息显示方法的示意框图。

以上附图中：

1、变倍镜组；10、变倍电机；2、大物镜；20、调焦电机；3、摄像镜组；30、感光元件；

4、投影芯片5、目镜。

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。

如图1、2所示的一种手术显微镜，包括变倍镜组1、可变工作距大物镜2以及摄像镜组3。摄像镜组3可选择如COMS相机等。

变倍镜组1的变倍、可变工作距大物镜2的调焦通过变倍调焦驱动单元实现。在本实施例中：变倍调焦驱动单元包括带有编码器的直流电机，一个变倍电机10、一个调焦电机20，编码器可用作变倍、调焦的传感器。

手术显微镜还包括处理器单元、影像控制单元以及影像显示单元。其中：

处理器单元用于获取并发送各镜组的综合倍率系数MR，可选自如单片机；影像控制单元用于接收综合倍率系数MR，根据综合倍率系数MR计算标定倍率系数MR'并发送相应的标尺信息；影像显示单元用于接收标尺信息并进行显示，其中：综合倍率系数MR满足：

①：MR'=μMR；

②：1.75D≥f1≥D+55；

③：0.75f1≥f2≥6H；

④：25≥f1/（f2*B）≥0.25；

式①-④中：μ为标定比例系数，f1为可变工作距大物镜的焦距，f2为摄像镜组的焦距，D为可变工作距大物镜焦距为f1时对应的工作距离，H为摄像镜组中感光元件有效区域的对角线长度，B为变倍镜组的变倍系数。综合倍率系数MR可根据实际需要进行选取，本实施例中，考虑到选择普通单片机内存和浮点运算效率，取MR=100*f1/（f2*B）；标定比例系数μ的初始理想值为1，为了进一步提高倍率准确度，消除系统误差，每台设备在使用前均需进行一次标定，以确定实际值和测量值的比值μ。

在实际使用过程中，影像显示单元包括显示器、头戴式显示设备、投影芯片4中的一种或多种。显示器、头戴式显示设备可显示摄像镜组3拍摄的数字图像、接收的标尺信息，通过呈现的标尺信息可以对数字图像显示的物体进行测量。投影芯片4则可将接收的标尺信息投射至显微镜的观察单元，如显微镜的目镜5，投影芯片4可通过光学方法将标尺信息导入目镜5，与真实光学图像叠加，具体实施方式可见如CN216090895U公开的内容，在此不再进行赘述。

对于影像显示单元采用投影芯片时满足：

⑤：f3/f2=H'/H，

式⑤中：f3为投影光路的焦距，H'为投影芯片有效显示区域的对角线长度。

如图3所示：以下具体阐述下本实施例中进行标尺信息显示方法：包括

S1、自检：直流电机（变倍电机10、调焦电机20）先正向运动至极限位置，编码器清零，直流电机再反向运动至极限位置，编码器获得直流电机的总行程，编码器记录直流电机的总行程，并使直流电机运动至初始位置；

S2、标定：在物面放置标准刻度尺，使显微镜倍率设置为最大倍率、调焦至清晰状态，在影像显示单元（显示器）上观察并选取刻度范围选取刻度范围，并向影像控制系统输入相应的实际长度值，处理器单元获取此时的综合倍率系数MR并发送至影像控制单元，影像控制单元根据综合倍率系数MR计算标定系数μ并保存；

对于标尺刻度范围的选取具体设定方式为：先进行定标操作，用一把刻度尺放在视频图像下，对着刻度尺画一条线段，然后标注该线段的实际长度，修改合适的单位及精度，这样能得到每个像素对应的实际长度；随后选择合适的颜色及绘画工具在图像中进行标注测量，此时显示的长度及实际测量长度；完成后可保存图元（需要接U盘或其他存储器）。

S3、运行：对物体进行观察时，通过直流电机（变倍电机10、调焦电机20）进行变倍、调焦，观察值清晰的图像，同时各编码器记录的变化值发送至处理器单元，调焦电机编码器获取调焦电机运动变化值，变倍电机编码器获取变倍电机的变化值，处理器单元根据理论公式或查表法确定f1、f2、B的数值并获取此时的综合倍率系数MR（MR=100*f1/（f2*B））并发送至影像控制单元，影像控制单元根据标定系数μ确定实时的标定倍率系数MR'，并发送相应的标尺信息到影像显示单元，标尺信息的一种具体显示方式可以是固定数目的像素长度（如100个）的刻度线，并在刻线附件显示刻线的实际长度、倍率系数等信息。

S4、显示测量：标尺信息在影像显示单元的显示器、头戴式显示设备的数字影像上显示，或被投射到显微镜的目镜上，可精确测量物体的实际尺寸，同时标尺显示信息可选择被视频刻录系统同步保存。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种手术显微镜，包括变倍镜组、可变工作距大物镜以及摄像镜组，其特征在于：所述的手术显微镜还包括：

处理器单元：被配置为获取并发送各镜组的综合倍率系数MR，

影像控制单元：被配置为接收综合倍率系数MR，根据综合倍率系数MR计算标定倍率系数MR'并发送相应的标尺信息，

影像显示单元：被配置为接收标尺信息并进行显示，

其中：综合倍率系数MR满足：

①：MR'=μMR；

②：1.75D≥f1≥D+55；

③：0.75f1≥f2≥6H；

④：25≥f1/（f2*B）≥0.25；

式①-④中：μ为标定比例系数，f1为可变工作距大物镜的焦距，f2为摄像镜组的焦距，D为可变工作距大物镜焦距为f1时对应的工作距离，H为摄像镜组中感光元件有效区域的对角线长度，B为变倍镜组的变倍系数。

2.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于：所述的影像显示单元包括显示器、头戴式显示设备、投影芯片中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的手术显微镜，其特征在于：所述的显示器、头戴式显示设备被配置为用于显示所述的摄像镜组拍摄的数字图像、接收的标尺信息。

4.根据权利要求2所述的手术显微镜，其特征在于：所述的投影芯片被配置为用于将接收的标尺信息投射至显微镜的观察单元。

5.根据权利要求4所述的手术显微镜，其特征在于：所述的投影芯片满足：

⑤：f3/f2=H'/H，

式⑤中：f3为投影光路的焦距，H'为投影芯片有效显示区域的对角线长度。

6.根据权利要求4所述的手术显微镜，其特征在于：所述的观察单元包括目镜。

7.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于：所述的显微镜还包括变倍调焦驱动单元，所述的变倍调焦驱动单元包括带有编码器的直流电机。

8.根据权利要求1所述的手术显微镜，其特征在于：所述的处理器单元为单片机。

9.一种标尺信息显示方法，其特征在于：其通过权利要求1至8中任意一项权利要求所述的手术显微镜实现，其包括：

S1、自检：采用带有编码器的直流电机对变倍镜组、可变工作距大物镜进行变倍、调焦，编码器记录直流电机的总行程，并使直流电机运动至初始位置；

S2、标定：在物面放置标准刻度尺，使显微镜倍率设置为最大倍率、调焦至清晰状态，选取刻度范围，并向影像控制系统输入相应的实际长度值，处理器单元获取此时的综合倍率系数MR并发送至影像控制单元，影像控制单元根据综合倍率系数MR计算标定系数μ并保存；

S3、运行：通过直流电机进行变倍、调焦，同时编码器记录的变化值发送至处理器单元，处理器单元获取此时的综合倍率系数MR并发送至影像控制单元，影像控制单元根据标定系数μ确定实时的标定倍率系数MR'，并发送相应的标尺信息到影像显示单元，

S4、显示测量：标尺信息在影像显示单元上显示。

10.根据权利要求9所述的标尺信息显示方法，其特征在于：所述的标尺信息为固定数目的像素长度的刻度线。

11.根据权利要求9所述的标尺信息显示方法，其特征在于：所述的编码器记录直流电机的总行程时，直流电机先正向运动至极限位置，编码器清零，直流电机再反向运动至极限位置，编码器获得直流电机的总行程。

12.根据权利要求9所述的标尺信息显示方法，其特征在于：所述的处理器单元根据编码器实时数值，通过预设理论公式或查表法确定f1、f2、B的数值。

13.根据权利要求9所述的标尺信息显示方法，其特征在于：所述的标尺信息被同步进行保存。