JPH10505431A - 外科用途をはじめとする、実物に重ねる３次元仮想画像の視覚化のための光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は３次元仮想画像形成手段と、合成仮想画像を実物の上に反射するように決定された傾斜角度で観察者と実物の間に配置された２枚の半透明鏡とから成ることを特徴とする、実物に重ねられた３次元仮想画像を視覚表示するための光学装置に関するものである。

Description

【発明の詳細な説明】 「外科用途をはじめとする、実物に重ねる３次元仮想画像の視覚化のための光学 装置」 本発明は外科用途をはじめとする、実物に重ねる３次元仮想画像の視覚化のた めの光学装置を対象とする。 現状技術において、スキャナー、断層撮影装置、その他一切の同等な装置など の造影手段によって得られた画像から３次元合成画像を構成するための方法が知 られている。これらの画像はその後に外科医器具の誘導に利用されている。 例えば、ドイツ特許ＤＥ３７１７８７１は外科手術の光学的表示の方法と装置 を記載している。 この方法は、外科手術を実施する身体の部分の断層撮影情報がデータ処理シス テムデータ記憶装置内に記憶される方法である、外科器具を用いて実施する手術 を再現する光学的表示に向けられる。手術の場の位置に関するデータは断層撮影 情報から決定される。この先行文書による方法において、外科器具は自由に運動 する３次元支柱の上に固定され、外科器具の位置に関するデータは座標測定装置 によって決定され、データ処理システムに伝達され、システムが外科器具の位置 に関するデータと手術の場の位置に関するデータの間の関係を確定し、それと共 に外科器具はこの関係によって手術の場に方向付けられる。この方法は次の過程 から成る： ・身体の部分の上の基準点として外部から接近自在な３つ以上の測定点が決定 または識別される過程と； ・測定点を含む断層撮影が身体の部分について実施され、データ記憶装置に保 存される過程と； ・測定点の空間内の位置が座標測定装置によって検出される過程と； ・測定データがデータ記憶装置内に保存される過程と； ・データ処理システムが断層撮影に含まれる測定点の画像データと測定点から 座標測定装置によって決定されたデータの間の関係を確定する過程と； ・座標測定装置が自由に運動する３次元外科器具の空間内の位置を常時検出し 、位置データがデータ処理システムに伝達される過程と； ・データ処理システムが外科器具の位置に関するデータを断層撮影画像情報 に重ね、データ処理システムが、その中で断層撮影画像の内容と外科器具のそれ ぞれの位置が重ねられた重ね画像を、視覚表示画面をはじめとする、出力装置の 上に生成する過程。 しかしながら現状技術の方法では通常の手術条件の下で３次元画像を十分利用 することができない。先行技術の視覚表示装置は特殊な、また施術者の通常の動 作にそぐわない、独立した画面またはヘルメット上の視覚化という操作技術を必 要とする。 本発明の目的は、実物の照明条件、施術者の位置と動作、視力調節モードに関 するものをはじめとする、通常の作業条件で使用可能な視覚表示装置を提案する ことによってこれらの欠点を克服することにある。本発明による装置は、手術室 で広く使用されている無影照明などによって強く照明された実物の上に画像を重 ねることを可能にする極めて明るい３次元合成画像を生成することを特に目指し ている。さらに、外科慣行で見られる無菌条件に合致する装置を提案することも 目的とする。 本発明による装置は手術ブロックの用途に特に適しているが、外科用途に限定 されず、ゲーム、教育、または工業分野などの他の一切の用途にも使用できる。 本発明の装置は非常に明るい画像形成手段とそれぞれの観察点−観察者のそれ ぞれの眼−の間に配置された２枚の半透明鏡とから成り、観察される実際の区域 はそれぞれの合成画像を対応する観察点に向けて反射する場所に維持され、方向 付けられる。 装置の使用の快適さは鏡の媒体と画像形成媒体の間の距離が鏡の媒体と観察さ れる実物の間の距離に近くなったときに最適となる。しかしながら、追加のレン ズのセットを含む、特定の使用の変型は、距離を等しくすると言うこの制約を克 服して許容できる使用快適性を達成することが可能である。 かかる装置は、対象の３次元マーク内で評価される誤差が０．５ミリメートル 以下の高い精度での積重ねを実現することを可能にする。 好適には、仮想画像形成手段は立体画像対の媒体に使用される液晶画面などの バックライト電子光学画面によって構成される。反射鏡の反対側に位置する照明 装置は高い照度の光源と、収束光学ブロックと、光束を半反射鏡に収束する２枚 のフレネルレンズから成る。 実施の変型において、光学測定装置は半反射鏡の位置に対してそれぞれの観察 点（眼）の位置をいつでも確認し、視覚表示画像の対を再計算することを可能に する。 この分析手段は半透明鏡に対して眼の位置を計算に入れて画面の上に視覚表 示された画像の対を再計算することを可能にする信号を発射する。 本発明は付属の図面を参照して以下の説明を読むことによっていっそうよく理 解できるだろう。 ・図１は、長手方向断面で、装置の概略図を示している。 ・図２は装置の横断面図である。 図１は本発明による光学装置の実施例の概略図である。 本発明による装置は主として、 ・照明ブロック（１）と； ・合成画像の媒体である投影板（２）と； ・半透明鏡の媒体（３）とから成る。 照明ブロック（１）は図２に示されている。ブロックはハロゲンランプと、収 束器（４）と、半反射鏡（３、３ｇ、３ｄ）上の光束を観察者のそれぞれの眼（ ８、９）の方向に収束する役割の、２枚のフレネルレンズ（６、７）で構成され る。例えば、液晶画面である電子タブレット（２）は照明ブロック（１）に貼付 けられている。合成画像の電子媒体（２）は適合したビデオ信号を発信する電算 機に接続されている。それぞれの合成画像（１０、１１）は、対応する鏡（３ｄ 、３ｇ）上のその反射か観察された実物の視野に重ねられる立体画像の対を形成 するために計算される。 ランプ（４）から出た光の軌跡Ｌ１はフレネルレンズ（６、７）を通って向き が方向Ｌ’₁に変る。光線Ｌ’₁は表示された光情報を担って画面（２）を横切り 、 鏡（３ｇまたは３ｄ）に反射し、方向Ｌ”１に沿って観察者の眼（８、９）に到 達する。それぞれの眼に適合した合成画像から来る、非常に明るい、光線Ｌ”１ を知覚することによって３次元の仮想対象の幻影が与えられる。この合成対象物 の寸法品質は合成光線と実光線Ｌ２の間の完全な整合性を保証するモデル化の品 質に直接結びついている。 観察者の眼の位置は異なる２つの視点、すなわち直接の軌跡（Ｐ１）と反射鏡 （１５）に反射した軌跡（Ｐ２）に従って瞳を観察する撮影機（１４）によって 提供される情報から計算される。 実物の位置はこの対象を観察する撮影機（１６）によって提供される情報から 正確に計算される。見かけ輪郭検出、研究対象の上に堅く固定された標識点（１ ７、１８、１９・・・）のサブピクセル検出、など様々な技術が存在し、科学文 献に発表されている。 一方で観察者の眼の位置を知り、他方で実物の位置を知ることによって観察対 象の追跡と完全な重なりを保証するために２つの合成画像（１０、１１）のデッ サンを常時調節することができる。 電算機（２０）は撮影機（１４、１５）の数値情報を受信し、眼（８、９）の 位置を計算し、観察対象（１７、１８、１９）の位置と方向を計算し、最後に先 に記憶した対象のモデル（２１）から視覚表示画面（２）に表示する合成画像（ １０、１１）を計算する。計算の一般的アルゴリズムは撮影機の画像内の幾何的 欠陥とひずみの補正を計算に入れる。 補正アルゴリズムの例は刊行物”ＣＯＭＰＵＴＥＲＩＺＥＤ ＭＥＤＩＣＡＬ ＩＭＡＧＩＮＧ ＡＮＤ ＧＲＡＰＨＩＣＳ，ｖｏ．１７ Ｎｏｓ ４／５ｐｐ ２８９−２９４，１９９３”に記載されている。 対象に剛的に固定された標識点（１７から１９）、または見かけ輪郭または対 比区域などの自然な標識の自動観察によって決定された対象の位置と方向に応じ た合成画像の再計算アルゴリズム。 図２は装置の横断面による図を示している。 ２枚のフレネルレンズ（６、７）は２つの独立した要素、または２つの補完す る部分に分割された円盤形のフレネルレンズによって構成される。 半透明薄板（３ｄ、３ｇ）は水平面（１２）に対して、システム全体の幾何的 特性に応じて調節自在な角度α_dとα_gをそれぞれ形成している。 上記の本発明の説明は例としてなされたものであり、いっさい制限するもので はない。当業者は各種の変形を実施することができるがそれをもって本発明を逸 脱することはできない。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年６月２７日 【補正内容】 請求の範囲 １．実像と重ねられた３次元仮想画像を視覚表示するための光学装置において 、３次元仮想画像形成手段と、３次元仮想画像を形成する２つの合成画像がそれ ぞれ右眼と左眼による実物の視覚と重なるようにそれぞれ角度α_dとα_gに従って 観察者と実物の間に配置された２枚の半透明鏡とから成ることを特徴とする装置 。 ２．請求項１に記載の重ねられた３次元仮想画像を視覚表示するための光学装 置において、仮想画像形成手段が半反射鏡の反対側に位置する光学ブロック（１ ）によって後方から照明された液晶画面などの電子光学画面（２）によって構成 され、光学ブロックが高い照度の光源とその集光器（４）と観察者のそれぞれの 眼（８、９）の視軸と配列された１対のフレネルレンズ（６、７）とから成り、 半反射鏡（３ｄ、３ｇ）による反射の後、光源とフレネルレンズが観察点（８、 ９）の近傍で光束を集中させるように配置されていることを特徴とする装置。 ３．３次元仮想画像形成手段と、観察点と観察される区域の間に配置され、視 線と、仮想画像を観察点に向けて反射するように決定された角度を形成する半透 明鏡とから成るタイプの請求項１または２に記載の実物に重ねられた３次元仮想 画像を視覚表示するための光学装置において、３次元仮想画像形成手段と観察者 の眼の間の光経路の長さＬ₁＋Ｌ’₁＋Ｌ”１が実物と観察者の眼の間の光の経路 の長さＬ₂に等しいことを特徴とする装置。 ４．請求項３に記載の重ねられた３次元仮想画像を視覚表示するための光学装 置において、仮想画像形成手段が半反射鏡（３_d、３_g）の反対側に位置する光学 ブロックによって照明された、１対の立体合成画像（１０、１１）を形成する液 晶画面などの電子光学画面（２）によって構成され、光源（４）と１対のレンズ （６、７）から成り、レンズの一方の合焦面が光源に対応し、他の合焦面が観察 面に置かれていることを特徴とする装置。 ５．請求項１または請求項４に記載の重ねられた３次元仮想画像を視覚表示す るための光学装置において、さらに観察者の眼の位置の分析手段（１４）を有す ることを特徴とする装置。 ６．前記請求項のいずれか一つに記載の重ねられた３次元仮想画像を視覚表示 するための光学装置において、さらに実物の位置と方向の分析手段（１６）を有 することを特徴とする装置。 ７．請求項６に記載の重ねられた３次元仮想画像を視覚表示するための光学装 置において、実物の位置と方向を分析する手段が基準点（１７から１９）または 基準輪郭の画像を傍受する撮影機（１６）によって構成されることを特徴とする 装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ユドゥ，ミシェル フランス共和国，エフ−63130 ロワイア, ブルバール ドゥ モンシャラメ，10

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．実像と重ねられた３次元仮想画像を視覚表示するための光学装置において 、３次元仮想画像形成手段と合成仮想画像を実物の上に反射するように決定され た傾斜角度に従って観察者と実物の間に配置された２枚の半透明鏡とから成るこ とを特徴とする装置。 ２．請求項１に記載の重ねられた３次元仮想画像を視覚表示するための光学装 置において、仮想画像形成手段が半反射鏡の反対側に位置する光学ブロック（１ ）によって後方から照明された液晶画面などの電子光学画面（２）によって構成 され、光学ブロックが高い照度の光源とその集光器（４）と観察者のそれぞれの 眼（８、９）の視軸と配列された１対のフレネルレンズ（６、７）とから成り、 半反射鏡（３ｄ、３ｇ）による反射の後、光源とフレネルレンズが観察点（８、 ９）の近傍で光束を集中させるように配置されていることを特徴とする装置。 ３．３次元仮想画像形成手段と、観察点と観察される区域の間に配置され、視 線と、仮想画像を観察点に向けて反射するように決定された角度を形成する半透 明鏡とから成るタイプの請求項１または２に記載の実物に重ねられた３次元仮想 画像を視覚表示するための光学装置において、３次元仮想画像形成手段と観察者 の眼の間の光経路の長さＬ₁＋Ｌ’₁＋Ｌ”１が実物と観察者の眼の間の光の経路 の長さＬ₂に等しいことを特徴とする装置。 ４．請求項３に記載の重ねられた３次元仮想画像を視覚表示するための光学装 置において、仮想画像形成手段が半反射鏡（３_d、３_g）の反対側に位置する光学 ブロックによって照明された、１対の立体合成画像（１０、１１）を形成する液 晶画面などの電子光学画面（２）によって構成され、光源（４）と１対のレンズ （６、７）から成り、レンズの一方の合焦面が光源に対応し、他の合焦面が観察 面に置かれていることを特徴とする装置。 ５．請求項１または請求項４に記載の重ねられた３次元仮想画像を視覚表示す るための光学装置において、さらに観察者の眼の位置の分析手段（１４）を有す ることを特徴とする装置。 ６．前記請求項のいずれか一つに記載の重ねられた３次元仮想画像を視覚表示 するための光学装置において、さらに実物の位置と方向の分析手段（１６）を有 することを特徴とする装置。 ７．請求項６に記載の重ねられた３次元仮想画像を視覚表示するための光学装 置において、実物の位置と方向を分析する手段が基準点（１７から１９）または 基準輪郭の画像を傍受する撮影機（１６）によって構成されることを特徴とする 装置。