CN207837634U - 一种共光轴式病变部位显像投影导航装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种共光轴式病变部位显像投影导航装置，采用图像采集部件采集位于病变部位的肉眼非可见或较微弱的生物组织信息，所采集到的图像经过控制器处理增强后，传送到图像投影部件，最终以可见光的形式将图像投影回病变部位。其中，图像采集光路与图像投影光路在末端采用共光轴设计，可以实现对图像采集与图像投影的同时对焦，并且在无需软件配准的情况下，在不同的工作距离上，所投影的图像均可以与病变组织上的荧光信息精准重合，使医生可凭肉眼直接在病变部位进行手术，无需反复在显示器与病变部位间频繁切换视角，使病变部位显示更直观，提高了手术效率。

Description

一种共光轴式病变部位显像投影导航装置

技术领域

本实用新型涉及医疗器械技术领域，更具体地说是一种共光轴式病变部位显像投影导航装置。

背景技术

由于手术设备、器械与技术上的限制，传统医学外科手术很大程度上依赖于医生的临床经验，不仅加重医生的工作强度，也会造成手术精准度和成功率的不同。

随着医学影像技术、图像处理技术等技术的发展与革新，近年来，外科手术正在向着精细、准确、快速的方向发展。手术导航系统正是在此过程中发展出来的新型手术辅助设备，这类设备的基本原理是将PET、CT、MRI、荧光等医学影像进行相应处理(如图像融合、坐标变换等)，从而实现有效地术前观察或者手术过程中的实时引导，相关研究成果被发表在Applied Optics、Review of Scientific Instruments、Radiology等国际知名学术期刊上。这类设备首先应用于神经外科手术(Amami Kato等人发表于Journal ofNeurosurgery)，随后逐渐推广用于其他手术领域，包括骨科(Robert A.Siston等人发表于Journal of Biomechanics)、耳鼻喉科和整形外科等(Annette M.Pham等人发表于Otolaryngology-Head and Neck Surgery)。其中，肿瘤切除手术是手术导航系统应用的一个新兴领域。目前，肿瘤切除是治疗癌症的首选方法，也是最有效的治疗方法，该方法通过将癌症原发病灶(癌症最初发生的部位)及转移病灶(由原发性转移的病灶)一并切除，从而使病人获得治愈机会。在肿瘤切除手术中，医生可采用手术导航装置作为手术辅助装置精确地分辨肿瘤病变部位和良性细胞部位，以实现对肿瘤病变部位的精准切除。手术导航系统在肿瘤切除手术中，对手术定位的精度提高、手术医源性损伤的减少、手术路径的优化及成功率的提高等具有十分重要的意义。

现有的医用导航装置一般是通过摄像头拍摄所需医学影像，经处理后显示在相应屏幕上，提供给医生病变部位的信息。例如，加拿大Novadaq公司的SPY手术导航系统，采用相机、激光光源、显示器、远程操控模块和中心处理单元构建了近红外荧光影像导航系统；美国波士顿Frangioni实验室搭建的FLARE系统，采用两个显示器、多个光源和多个相机组成的可同时获取700nm和800nm波长图像，在手术中为医生提供近红外影像指导。上述方法虽然能够将手术所需的信息呈现在医生面前，但是医生看到的影像与病人实际病变部位分开显示，需要医生在手术过程中不断切换视野，导致医生在切除病灶的过程中，无法精准地操作，给医生手术过程带来极大的不便。

针对上述问题，也有一些人提出将处理后的医学影像投影到相应手术区域的方法，但是部分系统在光学设计上采用图像采集光路与投影光路并排放置的策略，导致在设备工作距离发生变化时，投影图案与真实的生物组织信息分离，降低了导航系统的精准性(Qi Gan等人发表于Plos One)。即便使用软件配准，也需要额外的配准计算量，大大增加了系统的计算时间且易产生误差。另一部分共光轴产品无法实现成像光路和投影光路的同时对焦，或仅能通过分别对焦来实现采集和投影图像的清晰对焦，靠肉眼的识别相应带来了投影误差，且耗费大量的手术时间。

实用新型内容

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种共光轴式病变部位显像投影导航装置，通过成像组件和投影组件共用一组投影部件和分光部件，实现图像采集与投影的共光轴设计，且使图像采集与图像投影能同时对焦，以期达到无需软件配准，在不同的工作距离上，所投影的图像均可以实时投影在病变部位且能够精准重合的效果，使医生无需反复切换视角、病变部位显示更直观，提高了手术精度和效率。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种共光轴式病变部位显像投影导航装置，设有底座，所述底座上设有用于安装显像投影导航装置的基体模块，其结构特点是：所述显像投影导航装置包括：

激发光源，设置在所述底座或基体模块上，用于照射病变部位以使图像采集部件进行图像采集；

成像组件，内置于所述基体模块，依据成像光路依次由对焦部件、分光部件、成像中继组件及图像采集部件构成，用于对病变部位非可见或肉眼不易看见的生物信息成像，供控制器进行处理；

投影组件，内置于所述基体模块，依据投影光路依次由图像投影部件、投影中继组件、所述分光部件及所述对焦部件构成，用于将控制器处理后的图像投影回病变部位；本实用新型中，由于投影组件与成像组件共用一组对焦部件和分光部件，使图像采集与投影实现共光轴设计，且能同时对焦。

控制器，内置或外附于所述基体模块，通过数据线与所述图像采集部件、图像投影部件及对焦部件相连接，用于控制对焦部件的自动对焦及图像采集部件与图像投影部件之间的数据传输和处理；

电源，内置或外附于所述基体模块，用于供电。

本实用新型的共光轴式病变部位显像投影导航装置，其结构特点也在于：所述成像组件中设有滤光片，所述滤光片设置在所述分光部件或成像中继组件或图像采集部件中。

本实用新型的共光轴式病变部位显像投影导航装置，其结构特点也在于：所述分光部件为片状分光镜或棱镜分光镜。

本实用新型的共光轴式病变部位显像投影导航装置，其结构特点也在于：所述对焦部件包括手动对焦和自动对焦结构，可由控制器控制自动对焦，也可选择手动对焦，对焦部件内部设多组镜片。

本实用新型的共光轴式病变部位显像投影导航装置，其结构特点也在于：所述激发光源包括激光光源、发光二极管光源及卤素灯光源，发出的光源可为发散光、平行光或汇聚光，激发光源上设有工程散射体、毛玻璃、反光镜或透镜，用于控制光束。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型中通过成像组件和投影组件共用一组投影部件和分光部件，实现图像采集与投影的共光轴设计，及图像采集光路和图像投影光路的同时对焦，使得本实用新型的显像投影导航装置在无需软件配准的情况下，在不同的工作距离上，所投影的图像均可以实时投影在病变部位且能够精准重合，使医生可凭肉眼直接在病变部位进行手术，且病变部位显示更直观，解决了现有技术中医生需反复在显示器与病变部位间频繁切换视角的问题，延伸了外科医生有限的视觉范围，突破了传统外科手术的界限，更新了外科手术和外科手术器械的概念，对于提高手术定位精度、减少手术损伤、优化手术路径及提高手术成功率等具有十分重要的意义；

2、分光部件可依据需求灵活设置，当设置为图像采集过程中对焦部件的出射光反射或透射通过分光部件时，相应的，图像投影过程中的投影中继组件的出射光则为透射或反射通过分光部件，使得本实用新型的显像投影导航装置在具体应用时更为灵活多变，实用性更强；

3、本实用新型除可应用于肿瘤切除手术，也适用于神经外科手术、血管手术、整形外科、骨科和耳鼻喉科等其他多种手术环境，并且相较于现有技术的其他设备，其制造简单、成本相对较低，更易于推广使用。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图中，1图像采集部件；2图像投影部件；3成像中继组件；4投影中继组件；5分光部件；6对焦部件；7控制器；8激发光源；9基体模块；10底座；11二向色分光片；12滤光片；13对焦部件上半部；14成像位置；15对焦部件下半部；16病变部位。

具体实施方式

参见图1，本实施例的共光轴式病变部位显像投影导航装置，设有底座10，底座10上设有用于安装显像投影导航装置的基体模块9。

其中，基体模块9为支撑式支架或佩戴式支架，且活动设置在底座10上，可相对于底座10进行移动和转动，便于手术过程中依据具体需求灵活使用。基体模块9可在病变部位16 上方任意放置，本实施例推荐的工作距离为25～45cm。

具体的，显像投影导航装置包括：

激发光源8，设置在底座10或基体模块9上，也可手持使用，用于照射病变部位16以使图像采集部件1进行图像采集；

成像组件，内置于基体模块9，依据成像光路依次由对焦部件6、分光部件5、成像中继组件3及图像采集部件1构成，用于对病变部位16非可见或肉眼不易看见的生物信息成像，供控制器7进行处理；

投影组件，内置于基体模块9，依据投影光路依次由图像投影部件2、投影中继组件4、分光部件5及对焦部件6构成，用于将控制器7处理后的图像投影回病变部位16；由于投影组件与成像组件共用一组对焦部件6和分光部件5，使图像采集与投影共光轴，且能同时对焦；

控制器7，内置或外附于基体模块9，通过数据线与图像采集部件1、图像投影部件2及对焦部件6相连接，用于控制对焦部件6的自动对焦及图像采集部件1与图像投影部件2之间的数据传输和处理；

电源，内置或外附于基体模块9，用于供电。

作为一个优选的方案，成像组件中设有滤光片12，滤光片12可设置在分光部件5或成像中继组件3或图像采集部件1中，用于滤除环境杂光、投影图像光和荧光采集模式时的激发光，使投影图像不被采集。

此外，图像采集部件1的成像器件可以采用电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)，具有人眼可见光和人眼不可见光波长范围内的图像采集能力。

本实施例中，图像采集部件1为近红外相机，图像投影部件2为数字投影仪(DLP)，成像中继组件3和投影中继组件4分别为一组透镜。

分光部件5为片状分光镜或棱镜分光镜，可按一定比例分光，具有透射及反射功能。优选的，分光部件5包含有二向色分光片11和滤光片12。

对焦部件6包括手动对焦和自动对焦结构，可由控制器7控制自动对焦，也可选择手动对焦。如图1所示，病变部位16在对焦部件6内成像位置14处第一次成像，成像位置14上方为对焦部件上半部13，下方为对焦部件下半部14，对焦部件6的上半部分及下半部分分别设有镜片。

激发光源8包括激光光源、发光二极管光源及卤素灯光源，发出的光源可为发散光、平行光或汇聚光，激发光源8上设有工程散射体、毛玻璃、反光镜或透镜，用于控制光束。

本实施例中，依据采集的是否为荧光信号，分为两种共光轴式病变部位显像投影导航方法。

当采集的为荧光信号时，本实施例的共光轴式病变部位显像投影导航方法按如下步骤进行：

1)图像采集，将显像投影导航装置固定在手术区域旁，以注射有荧光造影剂的病变部位 16作为被拍摄物，打开激发光源8，通过对焦部件6第一次成像后，依次经过分光部件5、成像中继组件3，在图像采集部件1上第二次成像；

2)图像对焦，手动调整或通过控制器7调整对焦部件6，使步骤1)中的第二次成像清晰，若图像已清晰或已符合使用者要求，则跳过此步骤，无需再次对焦；

3)图像处理，通过控制器7对图像采集部件1采集到的图像进行增强、剪裁、平移；

4)图像投影，控制器7将处理后的图像传输至图像投影部件2，经投影中继组件4、分光部件5及对焦部件6投影在病变部位16。

上述共光轴式病变部位显像投影导航方法在应用到肿瘤切除手术中进行手术导航时，过程分为以下6步：

1、将本导航装置固定在手术区域旁，调整好位置，使手术区域可以完全被图像采集部件 1采集到；点击自动对焦，使病变部位16能够在图像采集部件1中清晰成像；

2、将荧光造影剂(如ICG)注入病人病灶区域；

3、若干分钟后，待荧光造影剂扩散完毕，打开激发光源8，使近红外波段的激发光均匀照射到病灶区域；医生肉眼并不会看到此激发光，不会由于激发光亮度而影响手术；

4、进行荧光图像采集和投影，投影光为可见光，可以为医生指示荧光位置；

5、在投影出的病变部位荧光分布图像的指导下，医生在手术区域直接定位肿瘤组织，并进行切除；

6、切除后使用本导航装置检查是否将所有荧光标记区域切除干净。

当医生进行手术时，或者病人进行移动时，投出的荧光图像会跟踪病灶区域，同时移动；医生根据所投出的荧光图像，可以判定组织病变部位16的位置和大小，进行相应的切除或其他操作；当调整导航装置与病变部位16间距离时，投影出的荧光团仍能实时的与病变区域的真实荧光分布重合。当切除或其他操作结束后，医生可以通过所投影的荧光图像是否存在或存在大小，判定病变组织是否被完全清理，保证手术的彻底和成功。

当采集的不是荧光信号时，本实施例的共光轴式病变部位显像投影导航方法按如下步骤进行：

1)图像采集，将显像投影导航装置固定在手术区域旁，以病变部位16作为被拍摄物，通过对焦部件6对焦第一次成像后，依次经过分光部件5、成像中继组件3，在图像采集部件 1上第二次成像；

2)图像对焦，手动调整或通过控制器7调整对焦部件6，使步骤1)中的第二次成像清晰，若图像已清晰或已符合使用者要求，则跳过此步骤，无需再次对焦；

3)图像处理，通过控制器7对图像采集部件1采集到的图像进行增强、剪裁、平移；

4)图像投影，控制器7将处理后的图像传输至图像投影部件2，经投影中继组件4、分光部件5及对焦部件6投影在病变部位16。

上述两种共光轴式病变部位显像投影导航方法中，图像采集时均是经过对焦部件下半部 14分在对焦部件6内部成像位置14第一次成像，第一次所成的像依次经过对焦部件上半部 13分、二向色分光片11、滤光片12及成像中继组件3，在图像采集部件1的成像器件上第二次成像；图像投影时均是经投影中继组件4、二向色分光片11、滤光片12和对焦部件上半部13成像于对焦部件6内部成像位置14处，再经过对焦部件下半部14投影在病变部位16，此时无需再次对焦即可获得清晰的病变部位16信息的投影。

优选的，上述两种共光轴式病变部位显像投影导航方法中，依据分光部件5的不同设置均可分为以下两种情形：

当分光部件5设置为投影光所在波长范围可以透射时，步骤1)中的对焦部件6的出射光反射通过分光部件5时，步骤4)中的投影中继组件4的出射光透射通过分光部件5；

或，当分光部件5设置为成像光所在波长范围可以透射时，步骤1)中的对焦部件6的出射光透射通过分光部件5时，步骤4)中的投影中继组件4的出射光反射通过分光部件5。

本实施例的共光轴式病变部位显像投影导航装置与方法，应用到肿瘤切除手术中病变部位16的切除，成像区域和投影区域均为病变部位16，通过共光轴的光路设计，实现成像光路和投影光路的同时对焦，以及在不同工作距离上投影图像与病变部位16始终保持精准匹配。这样，实现了肉眼非可见的病变部位16信息实时在病变部位16显示，帮助医生直观高效的完成手术，无需反复在显示屏与手术区域之间切换视角。

Claims (5)

1.一种共光轴式病变部位显像投影导航装置，设有底座(10)，所述底座(10)上设有用于安装显像投影导航装置的基体模块(9)，其特征是：所述显像投影导航装置包括：

激发光源(8)，设置在所述底座(10)或基体模块(9)上，用于照射病变部位以使图像采集部件(1)进行图像采集；

成像组件，内置于所述基体模块(9)，依据成像光路依次由对焦部件(6)、分光部件(5)、成像中继组件(3)及图像采集部件(1)构成，用于对病变部位非可见或肉眼不易看见的生物信息成像，供控制器(7)进行处理；

投影组件，内置于所述基体模块(9)，依据投影光路依次由图像投影部件(2)、投影中继组件(4)、所述分光部件(5)及所述对焦部件(6)构成，用于将控制器(7)处理后的图像投影回病变部位；

控制器(7)，内置或外附于所述基体模块(9)，通过数据线与所述图像采集部件(1)、图像投影部件(2)及对焦部件(6)相连接，用于控制对焦部件(6)的自动对焦及图像采集部件(1)与图像投影部件(2)之间的数据传输和处理；

电源，内置或外附于所述基体模块(9)，用于供电。

2.根据权利要求1所述的共光轴式病变部位显像投影导航装置，其特征是：所述成像组件中设有滤光片，所述滤光片设置在所述分光部件(5)或成像中继组件(3)或图像采集部件(1)中。

3.根据权利要求1所述的共光轴式病变部位显像投影导航装置，其特征是：所述分光部件(5)为片状分光镜或棱镜分光镜。

4.根据权利要求1所述的共光轴式病变部位显像投影导航装置，其特征是：所述对焦部件(6)包括手动对焦和自动对焦结构，对焦部件(6)内部设有多组镜片。

5.根据权利要求1所述的共光轴式病变部位显像投影导航装置，其特征是：所述激发光源(8)包括激光光源、发光二极管光源及卤素灯光源，其上设有工程散射体、毛玻璃、反光镜或透镜，用于控制光束。