JP2017509925A - ３ｄビデオ顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、医師の目によく見えないか容易に確認できない人体内部を拡大して見ながら手術することができるようにする手術用顕微鏡装置に関するもので、より詳しくは、モニターに患部を ３Ｄ立体映像で表示することにより、よりリアル感のある手術をサポートするとともに、被写体イメージの結像に色消しプリズムを利用することにより、被写体が屈曲なくフラットに表示され、色収差が除去されて鮮明に表示されるようにして、表示される被写体のコンバージェンスアングルと倍率を簡単に調節することができる、３Ｄビデオ顕微鏡装置に関する。本発明に係る３Ｄビデオ顕微鏡装置は、一対のイメージセンサー、入力される被写体イメージが色収差の除去された状態で前記イメージセンサーに結像されるようにする色消しプリズムと、前記色消しプリズムを通過した被写体のイメージを一定の倍率で前記イメージセンサーへ伝達する一対の変倍レンズとを含んでなる。

Description

本発明は、目に見えないか視野が届かない部位を拡大してモニターを介して立体的に見せてくれることにより、手術のための医療分野と多くの産業分野で広く使用できるビデオ顕微鏡装置に係る。より詳しくは、モニターに被写体（例えば、患者の患部、各種機械装置、半導体素子など）を３Ｄ立体映像で表示することにより、よりリアルに被写体を観察することができるとともに、被写体イメージの結像に色消しプリズムを利用することにより、被写体が屈曲なくフラットに表示され、色収差が除去されて鮮明に表示されるようにして、表示される被写体のコンバージェンスアングルと倍率を簡単に調節することができる３Ｄビデオ顕微鏡装置に関する。

周知の如く、顕微鏡は、被写体を拡大して見せてくれる機器である。過去には観察者が目をアイピースに近づけて被写体を見ていたが、近年では、技術の発展により、被写体をモニターに表示して、観測者が行動の制約（例えば、アイピースに目を当てた状態で行動しなければならないとの制約）なしに被写体を拡大して見ることができるようにするビデオ顕微鏡装置が登場している。このようなビデオ顕微鏡装置は、現在、手術のための医療分野や各種産業分野での使用が増加する傾向にある。

本発明に係る３Ｄビデオ顕微鏡装置は、手術に活用する医療分野で主に使用されることが予想されるので、以下では、医療分野を基準に説明する。もちろん、本発明の３Ｄビデオ顕微鏡装置は、他の各種産業分野にも活用することができる。

一般に、医療手術用顕微鏡は、医療機関の外科、眼科、神経外科、耳鼻咽喉科、脊椎外科および産婦人科などで、医師の目によく見えないか容易に確認できない人体の部位を拡大して見ながら手術することができるようにした医療機器の一種である。医師は手術用顕微鏡を介して撮影される患者の患部を観察しながら手術を進め、医師以外の補助者と来場者と患者の保護者などはモニターを介して手術室や外部で患者の患部および手術の進行状況を観察できるようにする。

この際、モニターに表示される映像は、単に２次元映像で表示するようになっており、手術部位を正確に観察および確認するのには難しさがある。そこで、最近では、手術の進行状況を立体的な映像で表示するようにして、患部および患部の裏面まで見ながら手術を行うことができる３次元映像システムが開発されている。

手術用顕微鏡装置に関する従来技術は、韓国公開特許第１０−２０１２−０１３８５２０号の「手術用顕微鏡システム」、韓国登録特許第１０−１０９２１０８号の「手術用顕微鏡」などで開示されているが、これらが示すように、手術用顕微鏡装置は、被写体のイメージが結像され、結像された被写体のイメージがモニターに表示されるように処理するイメージセンサー（例えば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ）と、被写体のイメージがイメージセンサーに結像されるようにする凸面レンズと、凸面レンズとイメージセンサーとの間に配置され、被写体画像の倍率を調節する変倍レンズと、を含んでいる。

このように、従来技術による手術用顕微鏡装置では、被写体イメージの結像のために凸面レンズを使用しているが、凸面レンズの凸形状の構造と通過するイメージ光の屈折する性質により、被写体がモニターに湾曲して出っ張ったり窪んだりした形で表示される。実際とは異なり被写体がモニターに湾曲して表示される映像を長時間見ると、めまいが誘発され、これにより手術者に悪影響を与えて精密な手術を妨害し、医療事故が発生することもある。したがって、長時間モニターを注視しながら手術を行ってもめまいが誘発されないようにする必要性が強く求められているが、従来技術では未だこれを解決していない。

そして、３Ｄ立体映像では、左側イメージと右側イメージとの視差量が合わない場合には、立体映像の注視者が脳の無意識的な命令に従って表示される被写体の視差量を人為的に合わせるようになってめまいと目の疲労感を誘発するため、コンバージェンスアングルの調整が重要である。コンバージェンスアングルを調整する簡単な方法の一つが、被写体と、顕微鏡の内部で被写体がイメージセンサーに結像されるようにするレンズとの距離を調節することである。

ところが、従来技術に係る手術用顕微鏡装置では、被写体がイメージセンサーに結像されるようにするレンズが固定されており、手術中にコンバージェンスアングルを調整することが困難である。

本発明は、かかる従来技術による手術用顕微鏡装置の問題点を解決するためになされた発明であって、
まず、被写体のイメージがイメージセンサーに結像されるようにする結像部材として、凸面レンズではなくプリズムを用いて、
モニターに表示される被写体が屈曲（湾曲）なくフラットに表示され、それにより長期間モニターを凝視しても目の疲労感が少ないため、医療事故のない安全な手術に貢献し、
プリズムとして、屈折率の異なる二つのプリズムを重ねて色収差がない色消しプリズムを用いて、高品質の被写体映像を提供し、
変倍レンズとイメージセンサーとを連結する軸上に固定倍率レンズが選択的に配置されるようにして、
顕微鏡で被写体自体の倍率を任意かつ簡単に調節することができ、
色消しプリズムが前後に移動可能であって簡単にコンバージェンスアングルを調整することができる、３Ｄビデオ顕微鏡装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る３Ｄビデオ顕微鏡装置は、
一対のイメージセンサーと、
入力される被写体のイメージが色収差の除去された状態で前記イメージセンサーに結像されるようにする色消しプリズムと、
前記色消しプリズムを通過した被写体のイメージを一定の倍率で前記イメージセンサーへ伝達する一対の変倍レンズとを含んでなる。
また、前記イメージセンサーと変倍レンズとを連結する仮想軸上に選択的に配置され、前記イメージセンサーに結像される被写体の倍率を調節する固定倍率レンズをさらに含むことを特徴とし、
前記色消しプリズムは、前後進してコンバージェンスアングルの調整が可能であることを特徴とする。

前述のように構成される本発明は、被写体をイメージセンサーに結像させるために凸面レンズではなくプリズムを使用して、モニターに表示される被写体が湾曲して出っ張ったり窪んだりすることなくフラットに表示されるので、長時間モニターを注視しても目のめまいが少ない。そして、プリズムの欠点、すなわち一般に色収差が大きいことは、屈折率の異なる第１プリズムと第２プリズムを重ねて色収差がない色消しプリズムを使用して解決し、顕微鏡を介した患部の観察方向と観察距離が変わる場合に色消しプリズムを前後に移動させて簡単にコンバージェンスアングルを調整することにより、鮮明な品質の良い３Ｄ立体映像を得ることができる手術用３Ｄ顕微鏡装置であって、医療産業の発展に非常に有用な発明である。

本発明に係る手術用３Ｄ顕微鏡装置の要部を示す斜視図である。 本発明に係る手術用３Ｄ顕微鏡装置、およびここで撮影された映像を処理してモニターに出力する映像処理装置を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る手術用３Ｄ顕微鏡装置をより詳細に説明する。図面を参照して、本発明に係る手術用３Ｄ顕微鏡装置をより具体的に説明する前に、本発明は多様な変更を加えることができ、様々な形態を持つことができるもので、その具現例（様態、ａｓｐｅｃｔ）（または実施例）をここに詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の開示形態に限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物または代替物を含むものと理解されなければならない。

各図面において、同一の参照符号、特に十の桁及び一の桁、または十の桁、一の桁及びアルファベットが同じ参照符号は同一または類似の機能を持つ部材を示し、特に言及がない場合、図面の各参照符号が指す部材はこのような基準に準ずる部材と把握すればよい。
また、各図面において、構成要素は、理解の便宜などのために、大きさや厚さを誇張して大きく（または厚く）或いは小さく（または薄く）表現しているか単純化して表現しているが、これによって本発明の保護範囲が制限されるものと解釈されてはならない。

本明細書で使用する用語は、特定の具現例（態様、様態、ａｓｐｅｃｔまたは実施例）を説明するために使用されたもので、本発明を限定しようとするものではない。単数の表現は文脈上特に明記しない限り、複数の表現を含む。本出願において、「含む」または「からなる」などの用語は、明細書上に記載した特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組み合わせが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組み合わせなどの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解されなければならない。

特に他に定義しない限り、技術用語や科学用語を含めて、ここで使われるすべての用語は本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同じ意味を持っている。一般的に使われる辞典に定義されている用語は、関連技術の文脈上で持つ意味と一致する意味を持つものと解釈されなければならず、本明細書で明らかに定義しない限り、理想的な意味または過度に形式的な意味に解釈されない。

図示の如く、本発明に係る手術用３Ｄ顕微鏡装置は、イメージセンサー１０、色消しプリズム２０、変倍レンズ３０、および固定倍率レンズ４０を含んでなる。

前記イメージセンサー１０は、入力される被写体のイメージ（光の形で入力された）を処理して映像データを生成し、生成された映像データを本体に伝送する。本体は、イメージセンサー１０が伝送する映像データをモニターに出力して表示させる。前記イメージセンサー１０としてはＣＣＤ素子、ＣＭＯＳ素子などがある。本発明は、３Ｄ立体映像を提供する顕微鏡であって、前記イメージセンサー１０は、一対が備えられ、それぞれ被写体（患部）を左側から見た左眼イメージと右側から見た右眼イメージの入力を受けて処理する。

前記色消しプリズム２０は、入力される被写体のイメージを前記イメージセンサー１０に伝達して結像されるようにする。前述したように、従来技術では、被写体のイメージがイメージセンサー１０に結像されるようにする結像部材として一般的に凸面レンズを使用するが、凸面レンズは、凸形状の構造による特性のため、モニターに表示される被写体のイメージが実際とは異なり屈曲して出っ張った（または窪んだ）形で表示されるので、長時間見ると、めまいを誘発する。しかし、プリズムは、被写体のイメージが屈曲なくフラットに実際と同様の形でイメージセンサー１０に結像されてモニターに表示されるようにすることにより、前述のようにめまいを誘発する問題がない。

但し、プリズムは凸面レンズより色収差が大きい欠点を持つ。つまり、プリズムは、入力される被写体のイメージを含む光の色（波長）による屈折率の差が一般に凸面レンズより大きいため、モニターに表示される被写体の周辺が虹色に滲んで見える現象が発生する。

このように色収差が発生する問題を解決するために、本発明は、プリズムとして、屈折率の異なる第１プリズム２１と第２プリズム２２とが重なっている色消しプリズム２０を使用して、色収差を除去した。前記色消しプリズム２０は、第１プリズム２１の後面と第２プリズム２２の前面が平面構造で構成されて互いに密着し、第１プリズム２１の前面は被写体の左側イメージと右側イメージの入力をそれぞれ受けることができるように中央が出っ張った角張った構造を有し、前記第２プリズム２２の後面は第１プリズム２１の前面両側に入力された被写体の左側イメージと右側イメージをそれぞれ一対のイメージセンサー１０へ伝達するように中央が窪んだ角張った構造を有する。

前記色消しプリズム２０は、手術に適した焦点距離ｆを有し、この焦点距離ｆが実現されながら色収差を除去するように、第１プリズム２１と第２プリズム２２の屈折率に応じた材質と角度θ１、θ２が決定される。この際、色消しプリズム２０の体積（特に、前後方向の長さ）が最小化されるよう顕微鏡の小型化と内部装着の容易性を向上させるとともに、第１プリズム２１および第２プリズム２２の加工が容易で外部からの衝撃によって容易には損傷されないようにする角度θ１、θ２を有するようにすることが好ましい。

手術に適した色消しプリズム２０の焦点距離ｆは５０ｍｍ〜５００ｍｍであり、より好ましくは２００ｍｍ〜４００ｍｍである。このような焦点距離ｆの範囲で体積の最小化、加工の容易性、外部からの衝撃に対する耐久性、および色収差除去の効率を考慮するとき、前記第１プリズムの角度θ１は５度〜４０度の間、より好ましくは７度〜１５度であり、前記第２プリズムの角度θ２は３度〜１０度の間、より好ましくは４度〜８度である。

前記色消しプリズム２０は、前後進が可能であって、３Ｄ立体映像のコンバージェンスアングルの調整が可能である。３Ｄ立体映像では、被写体の観察方向と観察距離が変わると、左側イメージと右側イメージとの間に視差量が発生し、視差量が発生すると、モニターに表示される被写体の輪郭がぼやけ、観測者は焦点が結んでいない物体の観測による激しい観測疲れを感じる。したがって、手術中に顕微鏡を介した患部の観察方向または観察距離が変わって左側イメージと右側イメージとの間に視差量が発生した場合、簡単な操作を介して視差量を最小化させる必要がある。つまり、簡単にコンバージェンスアングルを調整する必要がある。

本発明は、前後進手段（図示せず）を介して色消しプリズム２０を前後進させて手術中にコンバージェンスアングルを簡単に調整する。

前記変倍レンズ３０は、一対が前記色消しプリズム２０の後方両側に配置され、色消しプリズム２０を通過した被写体のイメージを一定の倍率で拡大して前記イメージセンサー１０へ伝達する。前記変倍レンズ３０は、配列を異にする様々な種類が備えられ、使用者（手術者）の操作に応じて、その都度に希望する倍率の一対の変倍レンズ３０が色消しプリズム２０の後方両側に配置される。

前記固定倍率レンズ４０は、一対からなり、それぞれ一対の前記変倍レンズ３０と前記イメージセンサー１０とを連結する仮想軸上に選択的に配置され、前記イメージセンサー１０に結像される被写体の倍率を調節する。つまり、固定倍率レンズ４０が、前記変倍レンズ３０と前記イメージセンサー１０とを連結する仮想軸上に配置される場合には、前記変倍レンズ３０から伝達される被写体のイメージを一定の倍率（例えば、０．５倍、２倍）で拡大して前記イメージセンサー１０へ伝達し、前記変倍レンズ３０と前記イメージセンサー１０とを連結する仮想軸から外れて配置される場合には、前記変倍レンズ３０を通過した被写体のイメージはそのままイメージセンサー１０へ伝達され、変倍レンズによる倍率で被写体がイメージセンサー１０に結像され、モニターに表示される。

前記固定倍率レンズ４０は、回転手段（図示せず）を介して回転して、前記変倍レンズ３０と前記イメージセンサー１０とを連結する仮想軸上に配置されるか、或いは仮想軸から外れる。図示の如く一対の固定倍率レンズ４０を備える場合、固定倍率レンズ４０は、９０度回転して仮想軸に配置され、逆に９０度回転して仮想軸から外れることになる。

このとき、固定倍率レンズ４０を２対以上備える場合、倍率をより多様に調節することができる。つまり、倍率を異にする固定倍率レンズ４０を２対備えると、６０度の間隔で固定倍率レンズ４０、別の固定倍率レンズ４０、非固定倍率レンズ４０（無固定倍率レンズ）が配置されるため、回転手段を用いて６０度ずつ回転させるたびに被写体の倍率が調節できる。

以下では、図２を参照して、本発明に係る３Ｄビデオ顕微鏡装置、およびここで撮影された映像を処理してモニターに出力する映像処理装置について簡略に説明する。

色消しプリズム２０は、観察対象（撮影対象）である被写体８９のイメージの入力を両側に受け、両側に入力された画像の光経路を色収差が除去されるように波長別に変換して、それぞれ後方に配置された一対の変倍レンズ３０に入力されるようにする。前記色消しプリズム２０は、前後進が可能であって、両側に入力される被写体のイメージ（すなわち、左眼イメージと右眼イメージ）のコンバージェンスアングルを機構的に調整することができる。

前記変倍レンズ３０は、色消しプリズム２０から伝達される被写体のイメージを一定の倍率で拡大させ、前記固定倍率レンズ４０は、前記変倍レンズ３０から伝達される被写体のイメージをもう一度固定倍率で拡大（または縮小）させる。前記固定倍率レンズ４０の後方に配置される焦点レンズ９２は、鏡筒９３の内部で光経路に沿って前進または後進して被写体イメージの焦点を調節する。

前記イメージセンサー１０は、前記焦点レンズ９２を通過した被写体のイメージが入力されて結像され、入力された被写体のイメージを含む光データを画像データに変換させる。前記イメージセンサー１０の映像データはコンバータ９５へ伝送され、コンバータ９５は入力された映像データを前処理しやすいように適切な映像のフォーマット変換などを行う。

前記コンバータ９５でフォーマットなどが変換された映像データは、前処理部９６へ伝送され、メモリおよびプロセッシングが可能となるように空間および時間軸で変形される前処理が行われる。前記前処理部９６で前処理された映像データは、ＩＳＰ部９７へ伝送されて映像の色や明るさなどが調整される。

前記ＩＳＰ部９７で色や明るさなどが調整された映像データは、コンバージェンスアングル調整部９８へ伝送され、左眼用映像データと右眼用映像データの中心および距離感を調節することにより、コンバージェンスアングルが調整される。前記コンバージェンスアングル調整部９８でコンバージェンスアングルが調整された左右眼用映像データは、トランスミッタ１０１、１０２を介してマルチプレキシング（ＭＵＸＩＮＧ）機能を有するモニター１０４に出力され、モニター１０４が合成して立体映像で表示でき、合成部９９に伝送されて合成された後、モニター１０５、１０６へ出力されて立体映像で表示できる。

このとき、前記コンバージェンスアングル調整部９８でコンバージェンスアングルが調整された左右眼用映像データは、ＨＭＤ機器（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔ Ｄｉｓｐｌａｙ、例えば、モニターを備えた３Ｄメガネまたはヘッドセット）の左右側モニターへ伝送され、ＨＭＤ機器の装着者の左眼と右眼にそれぞれ左眼映像と右眼映像が表示されるようにして着用者の左右眼が直接立体映像を感じるようにすることもできる。

図２において、未説明の図面符号「１０７」は電源管理、光源制御、コマンド信号処理などを介して３Ｄビデオ顕微鏡装置と映像処理装置を全体的に制御するコントローラであり、「１０８」はユーザーインターフェースであり、「１０９」は外部入力装置であってハンドスイッチとフットスイッチなどである。

以上で本発明を説明するにあたり、添付図面を参照して、特定の形状と構造を有する３Ｄビデオ顕微鏡装置について説明したが、本発明は当業者によって様々な変形及び変更が可能であり、それらの変形や変更も本発明の保護範囲に属するものと解釈されるべきである。

１０ イメージセンサー
２０ 色消しプリズム
３０ 変倍レンズ
４０ 固定倍率レンズ

Claims (4)

1. 一対のイメージセンサーと、
   入力される被写体のイメージが色収差の除去された状態で前記イメージセンサーに結像されるようにする色消しプリズムと、
   前記色消しプリズムを通過した被写体のイメージを一定の倍率で前記イメージセンサーへ伝達する一対の変倍レンズと、を含んでなる３Ｄビデオ顕微鏡装置。
2. 前記イメージセンサーと前記変倍レンズとを連結する仮想軸上に選択的に配置され、前記イメージセンサーに結像される被写体の倍率を調節する固定倍率レンズをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の３Ｄビデオ顕微鏡装置。
3. 前記色消しプリズムは、前後進してコンバージェンスアングルの調整が可能であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の３Ｄビデオ顕微鏡装置。
4. 前記色消しプリズムは、
   前面は被写体の左側イメージと右側イメージの入力をそれぞれ受けることができるように中央が出っ張った角張った構造を有する第１プリズムと、
   前記第１プリズムの後面に前面が密着するように重ねられて結合され、後面は前記第１プリズムの前面両側に入力された被写体の左側イメージと右側イメージをそれぞれ一対のイメージセンサーへ伝達するように中央が窪んだ角張った構造を有する第２プリズムとを含み、
   前記色消しプリズムの焦点距離（ｆ）は、２００ｍｍ〜４００ｍｍであり、
   前記第１プリズムの角度（θ１）は、７度〜１５度であり、
   前記第２プリズムの角度（θ２）は、４度〜８度であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の３Ｄビデオ顕微鏡装置。

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