CN219533505U - 一种手术显微镜用超景深3d成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种手术显微镜用超景深3D成像系统，包括壳体、显微相机、控制机构及后台主机，壳体上开设有连接口，显微相机和控制机构设置在壳体内，显微相机可在靠近或远离连接口的方向上移动，控制机构包括运动控制模块、外触发模块及数据转换模块，三者分别与显微相机连接，运动控制模块和外触发模块分别用于控制显微相机移动和采集图像，数据转换模块用于接收显微相机采集的图像数据，后台主机与控制机构连接，用于向运动控制模块和外触发模块发出指令、接收数据转换模块的图像数据及进行3D成像。本实用新型的成像系统可实现样品的非接触3D测量，解决了传统手术显微镜只能平面观察细微表观质量的问题，能准确表述样品表面微观的3D实际数据。

Description

一种手术显微镜用超景深3D成像系统

技术领域

本实用新型属于医疗器械技术领域，具体涉及一种手术显微镜用超景深3D成像系统。

背景技术

手术显微镜是现代微创医学极为重要的实现工具，已经在医疗过程中得到了广泛的推广和应用。但是，常见的显微镜存在景深太小、只能平面观察、图像清晰度不足、局部反光无法正确观测等问题，手术显微镜属于显微镜的一种，同样面临着这些问题。常见的显微镜因其固有的特点致使景深会受到一定程度的限制，有限的景深会给医务人员观察显微样本时带来诸多不便之处，具体包括：对于高低起伏的样品，显微镜在同一个观察视野内的聚焦情况不是统一的聚焦，显微镜在观察样品时呈现出的显微图像无法拥有统一的清晰度，可能会有模糊的情况，观察人员在一个完整视野范围内不能很全面的观察和测量样本所携带的全部信息量。

以常见的牙科显微镜为例，其不便之处主要表现在：(1)在物镜倍数大于1.5倍的情况下，无法同时看清牙齿的顶端和底部，导致医生在实际观察中频繁调节显微镜工作高度，极大增加了手术中的工作量；(2)对于牙齿以及牙齿上的细小部位，例如牙齿上的孔洞，只能做平面显微观察，无法三维立体观察牙齿的全方位形态；(3)无法对牙齿或牙齿上的缺陷部位进行精细三维测量，因此无法定量的检测样本；(4)活体样品有轻微运动，通过显微镜放大后，在实时视频中，位移增大，显微图像合成模糊，不利于后期分析与测量。

因此，目前急需开发一种能够应用于各种手术显微镜，且可实现全面三维观察微观目标的手术显微镜用超景深3D成像系统，以满足日益复杂的手术显微现场要求。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种手术显微镜用超景深3D成像系统。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种手术显微镜用超景深3D成像系统，包括：

壳体：所述的壳体上开设有连接口，所述的连接口用于连接显微镜的标准图像传输接口；

显微相机：所述的显微相机设置在所述的壳体内，且所述的显微相机可在靠近或远离所述的连接口的方向上移动；

控制机构：所述的控制机构设置在所述的壳体内，所述的控制机构包括运动控制模块、外触发模块以及数据转换模块，所述的运动控制模块、外触发模块以及数据转换模块分别与所述的显微相机连接，所述的运动控制模块用于控制所述的显微相机移动，所述的外触发模块用于控制所述的显微相机采集图像，所述的数据转换模块用于接收所述的显微相机采集的图像数据；

后台主机：所述的后台主机分别与所述的运动控制模块、外触发模块以及数据转换模块连接，所述的后台主机用于向所述的运动控制模块发出指令使其控制所述的显微相机移动、向所述的外触发模块发出指令使其控制所述的显微相机采集图像、接收所述的数据转换模块所获得的图像数据、根据所述的显微相机的位移及图像数据进行3D成像。

优选地，所述的成像系统还包括运动机构，所述的运动机构设置在所述的壳体内，所述的运动机构与所述的控制机构连接，所述的显微相机设置在所述的运动机构上，所述的运动机构用于驱动所述的显微相机移动。

进一步优选地，所述的运动机构包括导轨、滑块以及驱动件，所述的导轨设置在所述的壳体内，所述的滑块可移动地连接在所述的导轨上，所述的显微相机连接在所述的滑块上，所述的驱动件与所述的滑块连接，用于驱动所述的滑块移动。

更进一步优选地，所述的驱动件采用五相步进电机或者超声电机，以保证提供大扭矩和移动的平稳性。

更进一步优选地，所述的滑块上设置有光栅尺，所述的光栅尺与所述的控制机构连接，所述的光栅尺用于获取所述的显微相机的位移数据并发送给所述的控制机构。所述的光栅尺可防止移动过程中出现丢步的现象，并能准确记录移动的距离，确保最终3D建模与测量的准确性。

优选地，所述的显微相机、外触发模块支持的触发采集频率大于等于25帧。

优选地，所述的壳体上具有传输接头，所述的控制机构与所述的传输接头连接，所述的传输接头与所述的后台主机连接。

优选地，所述的显微相机具有图像芯片，所述的图像芯片采用彩色CCD芯片或者彩色CMOS芯片。彩色CCD芯片和彩色CMOS芯片的色彩还原度高、细节丰富，进行3D建模时可获得真彩色的样品表面纹理结构。

优选地，所述的后台主机采用工控机或者电脑；所述的后台主机具有3D成像模块，所述的3D成像模块用于分析所述的显微相机采集的图像数据的清晰度，并根据图像数据中清晰的部分和位移数据进行3D成像与建模。

进一步优选地，所述的后台主机上设置操作手柄和/或脚踏控制部件，所述的操作手柄、脚踏控制部件用于控制所述的后台主机移动和位置调整。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

本实用新型的手术用超景深显微3D成像系统可实现样品的非接触3D测量，解决了传统手术显微镜只能平面观察细微表观质量而无法3D微观成像的问题，能准确表述样品表面微观的3D实际数据，有利于实现定量分析，便于检测人员观察细微缺陷，同时能够捕捉低速运动的样品图像，且结构简单、操作方便、轻巧便携，适合于各类手术显微镜，实用性好。

附图说明

附图1为本实施例的成像系统的立体示意图；

附图2为本实施例的成像系统的主视示意图。

以上附图中：

1、壳体；11、连接口；12、传输接头；2、显微相机；3、控制机构；31、运动控制模块；32、外触发模块；33、数据转换模块；4、运动机构；41、导轨；42、滑块；43、驱动件。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。

一种手术显微镜用超景深3D成像系统，如图1和图2所示，包括壳体1、显微相机2、控制机构3、运动机构4以及后台主机(图中未示出)，壳体1可连接在显微镜上，控制机构3和运动机构4均设置在壳体1内，显微相机2设置在运动机构4上，运动机构4可带动显微相机2移动，运动机构4和显微相机2均与控制机构3连接，控制机构3与后台主机连接，控制机构3可控制运动机构4和显微相机2工作，后台主机可进行3D建模。

以下具体对各个部件及其连接关系做详细介绍：

如图1所示，壳体1呈方形，为了满足小型化要求，壳体1的整体尺寸可控制在100×80×60mm内，便于安装和使用；壳体1上开设有连接口11，连接口11贯穿壳体1的侧部，连接口11用于连接显微镜的标准图像传输接口，例如壳体1的连接口11与显微镜的标准图像传输接口可通过螺纹连接，当然，也不仅限于该连接方式。与壳体1连接的显微镜可采用低倍显微镜或者高倍显微镜，高倍显微镜包括生物显微镜、金相显微镜等。

如图1所示，运动机构4固定设置在壳体1内，显微相机2连接在运动机构4上，且显微相机2的中心对准壳体1的连接口11，运动机构4可带动显微相机2在靠近或远离连接口11的方向上移动。具体而言：

显微相机2的中心轴线与显微镜的标准图像传输接口的中心轴线重合，即显微相机2的中心位于显微镜的标准图像传输光路的光轴上，用于采集该光路输出的显微图像；显微相机2具有图像芯片，图像芯片采用彩色CCD芯片或者彩色CMOS芯片，彩色CCD芯片和彩色CMOS芯片的色彩还原度高、细节丰富，进行3D建模时可获得真彩色的样品表面纹理结构，在本实施例中，图像芯片采用Sony IMX485芯片；显微相机2具有触发式采集图像功能，通过不同频率的触发信号显微相机2能实现常规速度采集或者高速度采集，常规速度采集为小于等于25帧/秒，用于采集静止样品的图像，高速度采集为大于25帧/秒，用于采集低速运动样品的图像，优选显微相机2支持的触发采集频率大于等于25帧。

如图1和图2所示，运动机构4包括导轨41、滑块42以及驱动件43，导轨41固定设置在壳体1内，滑块42可移动地设置在导轨41上，显微相机2连接在滑块42上，驱动件43设置在壳体1内并贴靠在导轨41上，驱动件43与滑块42连接，用于驱动滑块42相对导轨41移动，滑块42移动时带动显微相机2移动，使得显微相机2可在靠近或远离连接口11的方向上移动。驱动件43具体可采用五相步进电机或者超声电机，以保证提供大扭矩和移动的平稳性。

此外，运动机构4还包括光栅尺(图中未示出)，光栅尺设置在滑块42上，光栅尺与控制机构3电连接或者通信连接，光栅尺用于获取显微相机2的位移数据并发送给控制机构3。光栅尺可防止移动过程中出现丢步的现象，并能准确记录移动的距离，确保最终3D建模与测量的准确性。

如图1和图2所示，控制机构3固定设置在壳体1内，控制机构3与显微相机2、运动机构4电连接或者通信连接，控制机构3用于控制显微相机2移动和采集图像。具体而言：

控制机构3包括运动控制模块31、外触发模块32以及数据转换模块33，运动控制模块31与运动机构4的驱动件43电连接或者通信连接，运动控制模块31用于控制驱动件43的工作状态，即控制显微相机2的移动；外触发模块32与显微相机2电连接或者通信连接，外触发模块32用于控制显微相机2采集图像，外触发模块32支持的触发采集频率大于等于25帧；数据转换模块33与显微相机2电连接或者通信连接，数据转换模块33用于接收显微相机2采集的图像数据；数据转换模块33还与运动机构4的光栅尺电连接或者通信连接，用于接收光栅尺记录的显微相机2的位移数据。在本实施例中：运动控制模块31、外触发模块32以及数据转换模块33与显微相机2、运动机构4之间均采用导线连接，导线采用柔性、可靠性高的导线，以保证日常高频率往复运动的可靠性。

后台主机与控制机构3连接，后台主机用于控制控制机构3工作，具体地：后台主机与运动控制模块31电连接或者通信连接，后台主机可向运动控制模块31发出控制指令，运动控制模块31再控制运动机构4工作；后台主机与外触发模块32电连接或者通信连接，后台主机可向外触发模块32发出控制指令，外触发模块32再触发显微相机2采集图像；后台主机与数据转换模块33电连接或者通信连接，数据转换模块33将显微相机2采集的图像数据和光栅尺记录的显微相机2的位移数据发送给后台主机。在本实施例中：运动控制模块31、外触发模块32以及数据转换模块33与后台主机之间也采用导线连接，导线采用柔性、可靠性高的导线，以保证日常高频率往复运动的可靠性；壳体1上具有传输接头12，控制机构3与传输接头12连接，即运动控制模块31、外触发模块32以及数据转换模块33分别与传输接头12通过导线连接，传输接头12与后台主机通过导线连接。

后台主机可根据接收到的图像数据和位移数据进行3D成像，后台主机可采用工控机或者电脑。后台主机具有3D成像模块，3D成像模块用于分析显微相机2采集的图像数据的清晰度，并根据图像数据中清晰的部分和位移数据进行3D成像与建模，具体地：3D成像模块可通过清晰度比较算法，去除每层图像中的景深外模糊部分，保留每层图像中景深内清晰部分，最终通过保留下来的具有高度数据的清晰部分，将其融合实现3D成像与建模，3D成像模块所使用的算法存在较多的公开案例，属于现有技术，在此不再赘述。

此外，在一些实施例中，可在后台主机上设置操作手柄和/或脚踏控制部件，实现后台主机的移动和位置调整，有利于操作人员在工作过程中方便快捷地移动和调整设备，减轻劳动强度，提高手术效率。

此外，作为一种优选的技术方案，成像系统的整体重量可控制在低于0.5千克，以防止其安装在手术显微镜上时不稳固，使得成像系统使用不稳定，防止掉落。

以下具体介绍本实施例的成像系统的工作过程：

S1：将成像系统通过壳体1的连接口连接至手术显微镜的标准图像传输接口；

S2：通过后台主机向控制机构3发出上升移动指令，运动控制模块31执行移动指令，即运动控制模块31控制运动机构4工作，带动显微相机2朝向远离连接口11的方向移动，确定样品的最高点位置；随后，通过后台主机向控制机构3发出下降移动指令，运动控制模块31执行移动指令，即运动控制模块31控制运动机构4工作，带动显微相机2朝向靠近连接口11的方向移动，确定样品的最低点位置；

S3：随后根据样品的最高点位置和最低点位置在后台主机中设定相应的步长，后台主机根据设定步长向控制机构3发出控制指令，使显微相机2按照设定步长移动并采集图像，具体地，运动控制模块31控制运动机构4的滑块42移动设定距离后停止，带动显微相机2也移动了设定距离，在停止设定时间后运动控制模块31继续控制运动机构4带动显微相机2移动，以此类推，直至显微相机2从样品最低点位置移动至最高点位置，该过程中光栅尺将显微相机2的位移数据发送给数据转换模块33，数据转换模块33将其发送给后台主机；同时，在每次显微相机2停止的设定时间内，外触发模块32发出触发指令，使显微相机2进行图像采集工作，显微相机2将图像数据发送给数据转换模块33，数据转换模块33将其发送给后台主机；

S4：后台主机的3D成像模块通过清晰度比较算法，去除每层图像中的景深外模糊部分，保留每层图像中景深内清晰部分，最终通过保留下来的具有高度数据的清晰部分，将其融合实现3D成像与建模。

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

Claims (10)

1.一种手术显微镜用超景深3D成像系统，其特征在于：包括：

壳体：所述的壳体上开设有连接口，所述的连接口用于连接显微镜的标准图像传输接口；显微相机：所述的显微相机设置在所述的壳体内，且所述的显微相机可在靠近或远离所述的连接口的方向上移动；

控制机构：所述的控制机构设置在所述的壳体内，所述的控制机构包括运动控制模块、外触发模块以及数据转换模块，所述的运动控制模块、外触发模块以及数据转换模块分别与所述的显微相机连接，所述的运动控制模块用于控制所述的显微相机移动，所述的外触发模块用于控制所述的显微相机采集图像，所述的数据转换模块用于接收所述的显微相机采集的图像数据；

后台主机：所述的后台主机分别与所述的运动控制模块、外触发模块以及数据转换模块连接，所述的后台主机用于向所述的运动控制模块发出指令使其控制所述的显微相机移动、向所述的外触发模块发出指令使其控制所述的显微相机采集图像、接收所述的数据转换模块所获得的图像数据、根据所述的显微相机的位移及图像数据进行3D成像。

2.根据权利要求1所述的手术显微镜用超景深3D成像系统，其特征在于：所述的成像系统还包括运动机构，所述的运动机构设置在所述的壳体内，所述的运动机构与所述的控制机构连接，所述的显微相机设置在所述的运动机构上，所述的运动机构用于驱动所述的显微相机移动。

3.根据权利要求2所述的手术显微镜用超景深3D成像系统，其特征在于：所述的运动机构包括导轨、滑块以及驱动件，所述的导轨设置在所述的壳体内，所述的滑块可移动地连接在所述的导轨上，所述的显微相机连接在所述的滑块上，所述的驱动件与所述的滑块连接，用于驱动所述的滑块移动。

4.根据权利要求3所述的手术显微镜用超景深3D成像系统，其特征在于：所述的驱动件采用五相步进电机或者超声电机。

5.根据权利要求3所述的手术显微镜用超景深3D成像系统，其特征在于：所述的滑块上设置有光栅尺，所述的光栅尺与所述的控制机构连接，所述的光栅尺用于获取所述的显微相机的位移数据并发送给所述的控制机构。

6.根据权利要求1所述的手术显微镜用超景深3D成像系统，其特征在于：所述的显微相机、外触发模块支持的触发采集频率大于等于25帧。

7.根据权利要求1所述的手术显微镜用超景深3D成像系统，其特征在于：所述的壳体上具有传输接头，所述的控制机构与所述的传输接头连接，所述的传输接头与所述的后台主机连接。

8.根据权利要求1所述的手术显微镜用超景深3D成像系统，其特征在于：所述的显微相机具有图像芯片，所述的图像芯片采用彩色CCD芯片或者彩色CMOS芯片。

9.根据权利要求1所述的手术显微镜用超景深3D成像系统，其特征在于：所述的后台主机采用工控机或者电脑；所述的后台主机具有3D成像模块，所述的3D成像模块用于分析所述的显微相机采集的图像数据的清晰度，并根据图像数据中清晰的部分和位移数据进行3D成像与建模。

10.根据权利要求1所述的手术显微镜用超景深3D成像系统，其特征在于：所述的后台主机上设置操作手柄和/或脚踏控制部件，所述的操作手柄、脚踏控制部件用于控制所述的后台主机移动和位置调整。