TWI815763B - 照明和拍攝同軸的手術輔助設備 - Google Patents

Abstract

本發明為了解決現有手術輔助設備之不同軸且笨重等問題，而提供一種照明和拍攝同軸的手術輔助設備，其包含：照明系統，包括光源並界定從光源延伸至待照明和待拍攝之標的物的第一光軸；和成像系統，包括位於第一光軸中的反射鏡並界定從反射鏡處偏離該第一光軸的第二光軸；其中照明系統和成像系統另外共同包括位於反射鏡和標的物之間的共用鏡組。

Description

照明和拍攝同軸的手術輔助設備

本發明是有關於一種手術輔助設備，特別是指一種照明和拍攝同軸的手術輔助設備。

在外科手術時，若需同時進行頭燈攝影記錄，則執行手術的醫師必須同時配戴照明系統、攝影裝置、和目鏡等三個物件在頭部。 上述情況不僅造成醫師的頭部負荷過重，而且三個物件的光學軸線也非同軸。其中的後者進一步產生照明範圍、拍攝範圍、和眼睛透過目鏡的觀察範圍不一致的情況，不利於手術前醫師的調整及手術中醫療過程的記錄，因此亟需該善。

因此，本發明之一目的，在於提供一種照明和拍攝同軸的手術輔助設備，其照明範圍和拍攝範圍同軸。 本發明之另一目的，在於提供一種照明和拍攝同軸的手術輔助設備，選擇設計適當光圈以提供較長景深，進而能避免自動對焦誤判造成影像失焦晃動問題。 本發明之又一目的，在於提供一種照明和拍攝同軸的手術輔助設備，其構造精簡、體積袖珍，重量輕。 於是，本發明提供一種照明和拍攝同軸的手術輔助設備，包含：照明系統，包括光源並界定從該光源延伸至待照明和待拍攝之標的物的第一光軸；和成像系統，包括位於該第一光軸中的反射鏡並界定從該反射鏡處偏離該第一光軸的第二光軸；其中該照明系統和該成像系統另外共同包括位於該反射鏡和該標的物之間的共用鏡組。 較佳地，照明系統界定第一光路徑，該成像系統界定第二光路徑，該第一光路徑和該第二光路徑在該反射鏡和該共用鏡組之間同軸。 較佳地，反射鏡被建構用於反射沿著該第二光路徑行進的成像光束。 較佳地，照明系統另外包括位於該光源和該反射鏡之間的照明鏡組，該第一光路徑和該第一光軸從該光源經過該照明鏡組後朝該共用鏡組延伸，且該反射鏡與該照明鏡組的距離小於該反射鏡與共用鏡組的距離。 較佳地，成像系統另外包括感測器和位於該感測器與該反射鏡之間的成像鏡組，該第二光軸從該反射鏡延伸經過該成像鏡組後朝該感測器延伸。 較佳地，成像鏡組與該反射鏡的距離小於該成像鏡組與該感測器的距離。 較佳地，反射鏡鄰近該照明鏡組與該共用鏡組兩者之組合的瞳面，且/或鄰近該成像鏡組與該共用鏡組兩者之組合的瞳面。 較佳地，第二光路徑從該標的物依序經過該共用鏡組、該反射鏡、該成像鏡組而至該感測器，且該第二光路徑和該第一光路徑在該反射鏡至該標的物之間同軸。 較佳地，反射鏡可為平面鏡或稜鏡形式之光學物件。 較佳地，該手術輔助設備另外包含調整機構，用於改變該照明系統和該成像系統所包括之各元件或組件的位置。 本發明相較於現有技術的優點已如上文各目的所述，熟悉此技術者可在閱讀說明書之後，更瞭解請求項中所界定之本發明的其他好處和其他目的。

本發明之前述以及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式和較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地明白。 手術輔助設備 如圖1、圖2、和圖3所示，本發明之照明和拍攝同軸的手術輔助設備1的較佳實施例可包含：照明系統2、成像系統3、和用於改變手術輔助設備1中各元件/組件/構件/系統之位置的調整機構4。 該照明系統2可包括用於發出照明光線或光束21的光源22、供來自光源22之照明光束21穿過的照明鏡組23、和供來自照明鏡組23之照明光束21穿過的共用鏡組24。穿過共用鏡組24的照明光束21照射在標的物5之後，被標的物5反射進入成像系統3成為成像光束31。 該成像系統3可包括供來自標的物5之成像光束31穿過的共用鏡組24、將來自共用鏡組24的成像光束31反射的反射鏡32、供來自反射鏡32的成像光束31通過的成像鏡組33、和用於接收來自成像鏡組33之成像光束31的感測器35。成像系統3可另外包括連接至感測器35的螢幕(未示)，用於顯示感測器35所接收到的光學訊號所轉換成的影像。 上述的照明鏡組23、成像鏡組33、和共用鏡組24可分別為單一透鏡或由多個透鏡所組成。當上述的鏡組是由多個透鏡所組成時，其可由多個能聚焦、發散、或限制光束，甚至能改變光束特性之光學元件(例如透鏡、光圈等)所組成的組合體。值得注意的是:共用鏡組24可同時為照明系統2和成像系統3的一部份；換言之，共用鏡組24之光學特性會影響照明系統2和成像系統3的光學特性，因此共用鏡組24所包括之全部光學元件的數量和種類配置必須同時配合照明系統2和成像系統3兩者的需求規格做光學設計。 光源22發出的照明光束21沿著照明系統2的第一光軸25前進並經過照明鏡組23。因為反射鏡32設置在第一光軸25中或其附近，且成像鏡組33靠近反射鏡32，所以穿過照明鏡組23的照明光束21中有一小部份被反射鏡32和成像鏡組33所阻擋或遮蔽(如圖4所示)，但穿過照明鏡組23的大部份照明光束21仍沿著第一光軸25繼續前進並經過共用鏡組24。穿過共用鏡組24的照明光束21沿著第一光軸25照射在標的物5上。因此第一光軸25是從光源22依序經過照明鏡組23和共用鏡組24而至標的物5的一條直線。照明系統2的第一光路徑26也是從光源22依序經過照明鏡組23和共用鏡組24而至標的物5的一條直線。 照射在標的物5上的照明光束21被標的物5反射而成為成像光束31。成像光束31沿著第一光軸25且和照明光束21之行進方向相反的方向前進而經過共用鏡組24。穿過共用鏡組24的成像光束31繼續沿著第一光軸25前進至反射鏡32而被反射鏡32反射。被反射鏡32反射後的成像光束31沿著與第一光軸25不同方向且相交的第二光軸36前進並經過成像鏡組33。穿過成像鏡組33的成像光束31沿著第二光軸36繼續前進並到達感測器35，感測器35將接收到的光學訊號轉換成影像以呈現在螢幕上。因此成像系統3的第二光軸36是從反射鏡32經過成像鏡組33而至感測器35的一條直線。而成像系統3的第二光路徑37包括從標的物5經過共用鏡組24至反射鏡32的第一線段、和從反射鏡32處相對於第一線段轉折一個角度之後再經過成像鏡組33至感測器35第二線段。 第一光軸25和第二光軸36的交點在反射鏡32處，且兩者之間的夾角可例如為30°、60°、90°、---等。第二光路徑37的第一線段和第二線段間的夾角可例如為30°、60°、90°、---等。 反射鏡 反射鏡32可為平面鏡或稜鏡形式之光學物件，但是反射鏡32並不是用於反射照明光束21，而是用於反射成像光束31。 反射鏡32設置在第一光軸25附近，其將照明系統2的第一光路徑26分段成靠近光源22的上游區段和靠近標的物5的下游區段。反射鏡32也將成像系統3的第二光路徑37分段成靠近標的物5的第一線段和靠近感測器35的第二線段。成像系統3之第二光路徑37的第一線段沿著第一光軸25延伸；亦即第二光路徑37的第一線段和第一光路徑26的下游區段同軸，且是以第一光軸25為共同的光軸。因此反射鏡32使照明系統2的照明方向和成像系統3的拍攝方向合一成為同一個方向。成像系統3之第二光路徑37的第二線段自反射鏡32起偏離第一光軸25，而沿著第二光軸36延伸。 因為在反射鏡32和共用鏡組24之間的第一光路徑26和第二光路徑37是同軸而不只是平行，而且在共用鏡組24和標的物5之間的第一光路徑26和第二光路徑37也是同軸而不是平行或交叉，所以當使用者移動頭部拍攝不同標的物時，成像系統3之拍攝位置中心仍然是照明系統2的照射位置中心，因此可使呈現在螢幕上之影像的整體亮度最亮且均勻。即使是在拍攝同一標的物5(例如拍攝同一手術部位)的情況，因為標的物5的表面可能凹凸不平，所以如果照明系統2與成像系統3沒有局部同軸而是平行或交叉，則當照明系統2的照明光束21傾斜地照射凹部時，可能被該凹部旁邊的凸部所阻擋而無法完全地進入凹部的內表面，導致拍攝所得之凹部內表面的影像是陰暗或模糊不清。 另一方面，在拍攝同一標的物5(例如拍攝同一手術部位)的情況，當操作者用雙手進行手術操作時，操作者的頭部難免會不自覺地在小範圍內晃動或往復移動，此時具有大光圈但淺景深之自動對焦功能的習知成像系統會在凹凸不平的標的物(手術部位)附近不斷地改變對焦的位置，亦即在第一時間點對焦到距離較近的凸部，下一個片刻的第二時間點馬上變換對焦到距離較遠的凹部。在拍攝過程中如此不斷改變對焦位置和對焦距離將導致拍攝所得的影像模糊不清的缺失。相反地，本發明因為具有照明系統2與成像系統3局部同軸的特徵，所以照明系統2的照明光束21(亦可稱同軸光)可進入標的物5之凹凸不平區域中的凹部後再進行反射，以利拍攝該凹部的內表面。若再使本發明的成像系統3具有適當的光圈和較長的取像深度(景深)d (圖5、圖6、和圖7)，則當操作者的頭部晃動導致成像系統3對焦到凹凸不平區域中的凹部或凸部時，兩者的位置都在取像深度d的範圍內，更可以獲得清晰的優質影像。 詳言之，圖5顯示操作者的頭部保持通常位置時手術輔助設備1和標的物5之間的通常距離。此時來自共用鏡組24的照明光束21可全部照射在標的物5上且照明範圍涵蓋全部的拍攝範圍，因此呈現在螢幕上之標的物5的影像的整體亮度最亮且均勻。而且因為手術輔助設備1和標的物5處在最佳對焦距離，所以拍攝所得之標的物5表面的影像最清晰。 圖6顯示操作者因為移動身體或頭部導致其頭部和標的物5之間的距離(仍在d內)大於圖5所示的通常距離時，因為照明光束21和成像光束31在此部份區段同軸，所以來自共用鏡組24的照明光束21仍然可全部照射在標的物5上，並維持照射範圍中心與拍攝範圍中心一致，使呈現在螢幕上之標的物5的影像的整體亮度仍然整體最亮且可保持均勻。相反地，如果照明光束21和成像光束31不同軸(亦即平行或相交)，則當操作者的頭部和標的物5之間的距離大於圖5所示的正常距離時，照明光束21在標的物5附近的照射範圍可能無法完全涵蓋拍攝範圍或甚至完全不在標的物5上，也就是照射範圍中心與拍攝範圍中心不在同一點。在此情況下，因為照明光束21不均勻地照射在標的物5上，所以被標的物5反射出來的成像光束31也不均勻，導致呈現在螢幕上之標的物5的影像亮度不均勻，例如標的物5被照得最亮的位置不是呈現在螢幕上之影像的中央區域，且影像上可能會有部分較暗的區域(諸如暗帶、暗圈或暗角等)。

類似地，圖7顯示操作者因為移動身體或頭部導致其頭部和標的物5之間的距離(仍在d內)小於圖5所示的通常距離時，因為照明光束21和成像光束31在此部份區段同軸，所以呈現在螢幕上之標的物5的影像仍然整體最亮且可保持均勻。相反地，如果照明光束21和成像光束31不同軸(亦即平行或相交)，則當操作者的頭部和標的物5之間的距離小於圖5所示的正常距離時，照明光束21在標的物5附近的照射範圍可能無法完全涵蓋拍攝範圍或甚至完全不在標的物5上，也就是照射範圍中心與拍攝範圍中心不在同一點。在此情況下，因為照明光束21不均勻地照射在標的物5上，所以被標的物5反射出來的成像光束31也不均勻，導致呈現在螢幕上之標的物5的影像亮度不均勻，例如標的物5被照得最亮的位置不是呈現在螢幕上之影像的 中央區域，且影像上可能會有部分較暗的區域(諸如暗帶、暗圈或暗角等)。

照明系統

光源22可例如為LED、LD、光纖管出光口等可發光的元件或組件。

可將照明鏡組23與共用鏡組24兩者之組合系統的瞳面設計在照明鏡組23中，且瞳面位於照明鏡組23之面向光源22側的相反側。上述瞳面是指組合在一起之光學系統中真正限制光線的孔徑，可為透鏡本身、鏡筒本身、或中間有通孔之遮光片等光學元件。

如圖4所示，當在上述照明系統2之照明鏡組23和共用鏡組24之間設置了成像系統3的反射鏡32和成像鏡組33時，如果將反射鏡32和成像鏡組33設置在照明鏡組23與共用鏡組24兩者之組合系統的瞳面附近，且位於瞳面之面向光源22側的相反側(亦即反射鏡32和成像鏡組33兩者與照明鏡組23的距離較近，而與共用鏡組24的距離較遠)，則雖然反射鏡32和成像鏡組33會遮蔽了一小部份的照明光束21，但此局部遮蔽只會均勻地減弱呈現在標的物5上之照明範圍的整體亮度，並不會改變照明範圍的形狀，也不會在照明範圍內出現暗黑區塊。

再者，上述瞳面的尺寸越大，則反射鏡32和成像鏡組33所遮蔽來自照明鏡組23之照明光束21的比率越小，因此可以使照明範圍的整體亮度越亮。

同樣地，可將成像鏡組33與共用鏡組24兩者之組合系統的瞳面設計在成像鏡組33中，且瞳面位於成像鏡組33之面向感測器35的相反側。如果將反射鏡32設置在成像鏡組33與共用鏡組24兩者之組合系統的瞳面附近，且位於瞳面之面向感測器35側的相反側，則可以選用具有較小面積的反射鏡32，進而可以減少反射鏡32遮蔽照明系統2之照明光束21的量，因此可以提升照明範圍的亮度。較佳是使反射鏡32貼合在成像鏡組33中的瞳面。 因為照明系統2之第一光路徑26的下游區段和成像系統3之第二光路徑37的第一線段同軸，所以照明系統2的照明處即為成像系統3的拍攝處。但是較佳是使照明系統2的照明範圍大於且完全涵蓋成像系統3的拍攝範圍，以使呈現在螢幕上的整個影像的亮度均勻。反之，如果照明系統2的照明範圍沒有完全涵蓋成像系統3的拍攝範圍，則未被照明範圍涵蓋的拍攝範圍在螢幕上會形成暗角或暗圈。 共用鏡組 共用鏡組24可同時為照明系統2和成像系統3的一部份，換言之，共用鏡組24取代了照明系統2和/或成像系統3的一部份，亦可說兩個光學系統的總透鏡數量、重量、和體積因共用鏡組24精簡整合兩系統而減少，使手術輔助設備1小型化和更袖珍。此外，若共用鏡組24的位置在光學設計上儘可能靠近反射鏡32，則有助於使手術輔助設備1更進一步小型化。 另一方面，因為共用鏡組24同時為照明系統2和成像系統3的一部份，因此共用鏡組24所包括之光學元件數量、種類配置、等效焦距等，須配合照明系統2和成像系統3兩者做整體光學系統規格設計與性能評估。例如照明系統2的設計只需考慮照明範圍的大小和投光亮度的均勻度，因此共用鏡組24要滿足照明系統2在設計上的要求相對寬鬆。但是共用鏡組24也是成像系統3的一部份，因此共用鏡組24在設計上除了必須滿足感測器35所對應之拍攝範圍之外，光學設計上還須降低會影響影像品質的像差，才能得到高品質的影像，因此共用鏡組24要滿足成像系統3在設計上的要求相對高，故本發明之手術輔助設備必須以成像系統3要求的影像品質為優先考量來同步設計照明系統2，故光學設計上難度較高。上述的等效焦距是指由複數個相同或不同焦距的透鏡所組成的鏡組可簡化為一個具有等效焦距之等效透鏡。 共用鏡組24設置在手術輔助設備1最外圍，且位於第一光路徑26的最末端或第二光路徑37的最前端，因此共用鏡組24在外觀結構上可作為窗鏡，其一方面不阻擋照明系統23的投光和成像系統3的收光，另一方面卻可以阻擋外部異物進入手術輔助設備1內，具有保護手術輔助設備1之內部元件或組件的功效。 感測器35可例如為CMOS或CCD等任何可用於成像的感測元件，亦可為無線傳輸式的感測元件。 調整機構4可由用於改變元件、組件、鏡組、或系統之位置或角度的任何構件組成。調整機構4可選擇設置在上述手術輔助設備1的全部或部份構件上，用於調整光源22、照明鏡組23、共用鏡組24、反射鏡32、成像鏡組33、和感測器35等元件的位置。例如可以調整照明系統2之光源22和照明鏡組23之間的距離，以改變在標的物5上之照明範圍的大小。也可以微調成像系統3之感測器35和成像鏡組33之間的像距進行標的物微對焦，以使呈現在螢幕上之標的物5的影像清晰。 歸納上述，本發明因為照明系統2和成像系統3共同使用一共用鏡組24，且照明系統2和成像系統3的光路徑於反射鏡32至標的物5之間實現同軸，故確實能達到本發明之目的。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本案申請專利範圍及說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1:(照明和拍攝同軸的)手術輔助設備

2:照明系統

3:成像系統

4:調整機構

5:標的物

21:照明光束

22:光源

23照明鏡組

24:共用鏡組

25:第一光軸

26:第一光路徑

31:成像光束

32:反射鏡

33:成像鏡組

35:感測器

36:第二光軸

37:第二光路徑

d:取像深度

[圖1]是本發明之照明和拍攝同軸的手術輔助設備之配置示意圖； [圖2]類似於圖1，並顯示第一光軸和第一光路徑； [圖3]類似於圖1，並顯示第二光軸和第二光路徑； [圖4]是顯示圖1之照明系統的示意圖，並省略調整機構； [圖5]是圖1之手術輔助設備與標的物之間的距離處於通常位置的狀態； [圖6]是圖1之手術輔助設備與標的物之間的距離大於圖5所示距離的狀態； [圖7]是圖1之手術輔助設備與標的物之間的距離小於圖5所示距離的狀態。

1:(照明和拍攝同軸的)手術輔助設備

2:照明系統

3:成像系統

4:調整機構

5:標的物

21:照明光束

22:光源

23:照明鏡組

24:共用鏡組

25:第一光軸

26:第一光路徑

31:成像光束

32:反射鏡

33:成像鏡組

35:感測器

Claims (10)

1. 一種照明和拍攝同軸的手術輔助設備，包含：照明系統，包括光源並界定從該光源延伸至待照明和待拍攝之標的物的第一光軸；和成像系統，包括位於該第一光軸中的反射鏡並界定從該反射鏡處偏離該第一光軸的第二光軸，其中該照明系統和該成像系統另外共同包括位於該反射鏡和該標的物之間的共用鏡組。
2. 如請求項1所述之照明和拍攝同軸的手術輔助設備，其中該照明系統界定第一光路徑，該成像系統界定第二光路徑，該第一光路徑和該第二光路徑在該反射鏡和該共用鏡組之間同軸。
3. 如請求項2所述之照明和拍攝同軸的手術輔助設備，其中該反射鏡被建構用於反射沿著該第二光路徑行進的成像光束。
4. 如請求項3所述之照明和拍攝同軸的手術輔助設備，其中該照明系統另外包括位於該光源和該反射鏡之間的照明鏡組，該第一光路徑和該第一光軸從該光源經過該照明鏡組後朝該共用鏡組延伸，且該反射鏡與該照明鏡組的距離小於該反射鏡與共用鏡組的距離。
5. 如請求項4所述之照明和拍攝同軸的手術輔助設備，其中該成像系統另外包括感測器和位於該感測器與該反射鏡之間的成像鏡組，該第二光軸從該反射鏡延 伸經過該成像鏡組後朝該感測器延伸。
6. 如請求項5所述之照明和拍攝同軸的手術輔助設備，其中該成像鏡組與該反射鏡的距離小於該成像鏡組與該感測器的距離。
7. 如請求項5所述之照明和拍攝同軸的手術輔助設備，其中該反射鏡鄰近該照明鏡組與該共用鏡組兩者之組合的瞳面，或鄰近該成像鏡組與該共用鏡組兩者之組合的瞳面。
8. 如請求項6所述之照明和拍攝同軸的手術輔助設備，其中該第二光路徑從該標的物依序經過該共用鏡組、該反射鏡、該成像鏡組而至該感測器，且該第二光路徑和該第一光路徑在該反射鏡至該標的物之間同軸。
9. 如請求項1所述之照明和拍攝同軸的手術輔助設備，其中該反射鏡可為平面鏡或稜鏡形式之光學物件。
10. 如請求項1至9中任一項所述之照明和拍攝同軸的手術輔助設備，另外包含調整機構，用於改變該照明系統和該成像系統所包括之各元件或組件的位置。

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