"SISTEMA DE VISION ESTEREOSCÓPICA DE IMÁGENES EN TIEMPO REAL"
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención está relacionada con la técnica de visuálización de imágenes tridimensionales, y más particularmente está relacionada con un sistema de visión estereoscópica de imágenes en tiempo real.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Tanto en el campo médico como en ciertas aplicaciones industriales, es conveniente visualizar estereoscópicamente imágenes obtenidas por diversos medios. Tal es el caso de la endoscopía, que se μtilíza para inspeccionar y manipular estructuras de interés en sitios que no son accesibles por otros medios, o que su acceso implique la posibilidad < e causar daño a los pacientes en el caso de su plicación médica. -
En el campo médico, el principal interés es el de reducir el trauma a los pacientes, facilitar los cuidados postoperatorios y reducir el tiempo de estancia intrahospitalario con mejores resultados quirúrgicos. A esto se le llama Cirugía de Invasiórí Mínima (GIM) y se ha desarrollado prácticamente en todas las especialidades médico-quirúrgicas.
Actualmente, los distintos sistemas de endoscopía son ampliameηte utilizados en neürocirugía en las llarnadas "cirugías cerebrales asistidas por endoscopía" y en las técnicas de invasión mínima, debido a que aportan una mejor iluminación del campo quirúrgico al ser posible iiürpinar y visualizar sitios del campo quirúrgico en dónde la luz recta de las lámparas del •quirófano o del microscopio quirúrgico no tiene acceso; con el desarrollo actual en el diseño del instrumental para la endoscopía en todas sus variedades, es posible realizar técnicas quirúrgicas completas al contar con instrumentos de corte, coagulación, vaporización de tumores, de lavado, de perfpración, disección por medio de radiofrecuencia, láser e instrumentos para guía, y orientación. . En los procedimientos de CIM, se introducen instrumentos al cuerpo a través de pequeñas incisiones o por canulación percutánea para la realización de procedimientos quirúrgicos, obviando la necesidad de realiz r las largas incisiones necesarias en los procedimientos quirúrgicos abiertos. Como se describe previamente* la viéualización es facilitada por medio del uso de instrumentos especiales llamados endoscopios, laparoscopios, neuroendoscopios, artroscopios y otras variedades relacionadas con la misma, función, los cuáles son convencionalmente instrumentos
tubulares rígidos o flexibles que contienen un sistema de lentes o de fibra óptica, y en su parte proximal, una pieza que permite una visión directa monocular o la instalación -de una cámara de video. La porción distal dej instrumento es introducida a la región deseada y el cirujano puede observar el interior de cavidades corporales, ya sea por visión directa en él monocular del endoscopio, o al §er mostrada en un monitor de video. Usualmente estos instrumentos incluyen una fuente de luz para la iluminación de la cavidad corporal
Conforme avanza la complejidad de los procedimientos que se pueden realizar por técnicas de cirugía de invasión mínima¡ cada vez es de mayor importancia el tener una percepción adecuada y una proporción precisa de la distancia entre los objetos bajo visión directa, como ocurre en las cirugías llamada^ "a cielo abierto" en las cuales, el cirujano realiza el procedimiento bajo visión directa conservando la visión est reoscópica tridimensional. Sin embargo; en los procedimientos de CIM en los cuales se utilizan sistemas de endoscopía convencionales, se pierde esta información visual de la distancia y profundidad por ser algunos- de estos sistemas para visión monocular* o para visi n bidimensional al mostrarse las imágenes én monitores de video, pantallas de cristal líquido o plasma a pesar de la gran calidad de imagen que pueden llegar a mostrar estas dos últimas.
Por este inconveniente se Ha desarrollado recientemente varios sistemas de endoscopía en un intento de mejorar la calidad de la imagen y de proveer esta tan importante información de distancia y profundidad. Los principales sistemas de endoscopía convencional son loa siguientes: Él "lenscope" recto aporta una mejor resolución óptica e iluminación que el resto de los endoscopios; el modelo Hopkins permite amplios ángulos de visión, con una buena calidad de imagen. Su tamaño puede ser de hasta T mm de diámetro, permitiendo aún reconocer las estructuras anatómicas. Él "Fiberscope" tiene la ventaja de que permite dirigir su punta. Tiene la desventaja de que al reducirse su tamaño deforma la imagen. Es- particularmente útil para usarse simultáneamente con el microscopio quirúrgico para inspeccionar los lugares donde la luz recta del microscopio no alcanza a permitir su adecuada visualización.
De los "Videoscopios y Stereovideoscopios", existen comercialmente estereoendoscopios de hasta 14 mm de diámetro que permiten una verdadera profundidad de campo estereoscópica del entorno quirúrgico por medio de dos óhips fotosensibles en la punta (Medical Dynamics, Inc. Englewood, CO), lo que representa uiria mejoría en cuanto a la seguridad en la realización de las disecciones y movimientos, en comparación con el campo mpnoscópieo que ofrece el lenscope y el fiberoscope, deb do a que este modelo es capaz de ofrecer una sensación de imagen tridimensional; sin
embargo, en el caso particular de la neurocirugía, estos estereoendoscopios tienen actualmente un diámetro inaceptable para ser introducido a la cavidad craneal.
Las, principales limitaciones actuales de la eήdoscopía convencional son: 1) Tien un alto: costo, 2) Al observarse la imagen eri uh monitor lejano al campo quirúrgido, se interfiere con la coordinación "ojos-manos"; 3) Es bidimensional y el cirujano puede ll gar a perder la noción de las distancias entre los objetos visualizados,, lo cual en ocasiones dificulta los procedimientos y esta limitación puede llegar a ser la causa de las complicaciones de los procedimientos endoscópicos. 4) Actualmente se encuentra limitadas como técnica quirúrgica única, para procedimientos que exijan una gran precisión para los movimientos del instrumental quirúrgico (ejemplo: clipáje de aneurismas intracraneales).
Los neuroendoscopiós tridimensionales, en la actualidad tienen como inconvenientes: 1) Algunos modelos tienen un diámetro demasiado amplio como para ser introducidos en cavidades corporales estrechas como las cavidades intracraneales, 2) Otros modelos recientes no ofrecen una imagen real, sino una imagen del tipo "realidad virtual" muy distintas a la anatomía humana, - o bien no la transmiten en tiempo real; > 3) Costo alto; 4) Uso de una tecnología muy sofisticada; 5) Se requiere de un entrenamiento especial; 6) Baja calidad del efecto tridimensional,
Los sistemas de Realidad Virtual (RV) de aplicación médico-quirúrgica aún se encuentran én etapa experimental, como prototipos o proyectos. Pueden ser clasificados como diagnósticos, diagnóstico-terapéuticos, para rehabilitación, tutoriales ó de investigación. Algunos pueden ser diseñados y usados a distancia (telepresencia» cirugía telerobótica), para uso directo o simulado. Otros sisterήas de RV pueden ser conectados en edes, para ser utilizados con guantes de RV o visores de RV, incluyendo la denominada "endoscopía 3D", la cual se realiza mediante un sistema de video que incluye animación 3-D y fotografías, los cuales tienen el inconveniente de no ser compatibles con los sistemas de halos rígidos como los de neurocirugía estereqtáctica, de que aún no se define su utilidad clínica, de que el procedimiento de postprocesamiento induce una variedad de errores significativos con relación al operador del sistema y de que las imágenes que recibe el observador son el producto de un sistema de animación simulada por computadora, siendo, por tanto, imágenes artificiales muy distintas de la apariencia real de la anatomía del paciente a pesar del grado variable de exactitud que puedan tener.
Algunos procedimientos de GIM demandan el trabajo constante del cirujano por varias horas, período durante ej cual éste se ve forzado a mantener la vista fija o adoptar posiciones incómodas durante largos períodos de tiempo, lo cual puede
llegar a influir en los resultados del procedimiento. Existen algunos dispositivos que hacen más confortable para el cirujano la ejecución de éstos procedimientos, como el que la imagen sea mostrada en un monitor de video en lugar de que sea por visión directa monocular en el endoscopio. Recient mente se ha desarrollado un sistema para proyección de" imágenes dé video de colocación cefálica, en el cual el cirujano puede observar tanto las imágenes de endoscopía, como de microscopía quirúrgica y de los estudios de imagen al solicitarlo verbalmente, con comodidad y con la gran ventaja, de que conserva la relación "ojos-manos" logrando un control más preciso de §us movimientos. Sin embargo, estos sistemas muestran las imágenes en forma bidimensional, perdiéndose la proporción de la distancia y profundidad de los objetos en el campo quirúrgico.
Como es posible observar, hasta ahora no se ha logrado desarrollar un sistema que permita visualizar imágenes obtenidas mediante los diversos instrumentos que permita obtener una visualización estereoscópica que le permita al cirujano coordinar adecuadamente las manos con lo que sus ojos observan y tener una noción de profundidad adecuada que le permita la realización de cirugías de alta precisión en tiempo real, a pesar de que existen diversos sistemas que permiten obtener imágenes estereoscópicas.
Por ejemplo, la patente-GB 784,919 se refiere a una mejoría realizada en un sistema para visión estereoscópica, el cual utiliza un par de imágenes: una imagen invertida "a modo de espejo" mientras que la otra imagen no se modifica. Para, observar las imágenes simultáneamente el observador mira a través de unos orificios colocados frente a un espejo a 45σ. El colocar a las imágenes estereoscópicas en un plano qu no es horizontal, lo hace un sistema poco práctico porque al ser colocado en un dispositivo de fijación cefálica, no permite al cirujano tener una visión periférica. El mismo inconveniente es evidente en Ja patente GB 2,052,088; 645 296 y la GB 2,131,969, así como en la patente registrada con el número GB 2,221,054-A que utiliza dos ángulps distintos, todos teniendo el común denominador de tener un espejo o superficie reflejante ubicado de manera coincidente a la. bisectriz de dicho ángulo. Por su parte la patente GB 2 312 966 A utiliza un áηgulo de 180° entre las imágenes. Sin embargo el dispositivo ahí descrito requiere las imágenes normal y en "espejó^ generadas previamente, lo que impide su uso en imágenes generadas en tiempo real.
Por consecuencia de lo anterior, se ha buscado suprimir los inconvenientes que presentan los sistemas de visión utilizados en la actualidad, tlesarrollando un Sistema de visión estereoscópica de imágenes eri tiempo real que, además de permitir obtener
imágenes tridimensionales de alta calidad, permita una adecuada percepción de volumen, distancia y profundidad entre los objetos observados, utilice los endoscopios convencionales de la práctica médico-quirúrgica actuales, permita al cirujano realizar movimientos finos y precisos aún en espacips muy reducidos, al modificar solamente la forma en que son mostrados en dispositivos de video convencionales o por medio e pantallas de cristal líquido o plasma; y conserve la coordinación "ojos-manos" al ser mostradas las imágenes del carneo quirúrgico en sus distintas variedades o de los estudios de imagen de los pacientes, por medio de un dispositivo de fijación cefálica qué muestra las imágenes frente a los ojos del cirujano.
OBJETOS DE LA INVENCIÓN
Teniendo en cuenta los defectos de la técnica anterior, es un objeto de 1a presente invención proveer un sistema de visión estereoscópica de imágenes en tiempo real que permita obtener imágenes tridimensionales de alta calidad, y una adecuada percepción de volumen, distancia y profundidad entre los objetos observados.
Es otro objeto de la presente invención, proveer un sistema de visión estereoscópica de imágenes en tiempo real que permita utilizar los endoscopios convencionales en la práctica médico-quirúrgica actuales, sin hacer ninguna modificación a éstos, y que permita al cirujano realizar movimientos finos y precisos aún en espacios muy reducidos, al modificar solamente la forma en que son mostrados en dispositivos de video convencionales o por medio de pantallas de cristal líquido o plasma.
Es un objeta más de la presente invención, proveer un sistema de visión stereoscópica de imágenes en tiempo real, que permita conservar la coordinación "ojos- manos" al ser mostradas las imágenes del campo quirúrgico en sus distintas variedades o de los estudios de imagen del paciente, por medio de un dispositivo de fijación cefálica que muestra las imágenes frente a los ojos del cirujano.
Es todavía un objeto más de la presente invención, proveer uri sistema de visión estereoscópica de imágenes en tiempo real, que sea aplicable a los sistemas de cirugía estereotáctica con y sin marco y a todo sistema de procesamiento de imágen s impresas o imágenes de video, que puedan ser tanto estáticas como en movimiento, pudiendo ser mostradas en cualquier tipo de pantalla o superficie impresa, tanto curva como plana.
Es todavía otro objeto más de la presente invención, proveer un sistema dé visión estereoscópica de imágenes en tiempo real, que permita lograr un efecto de visión estereoscópica inviniendo las imágenes de izquierda a derecha.
Es un objeto adicionar de la presente invención, proveer un sistema de visión estereoscópica de imágenes en tiempo real, b,ue permita obtener el efecto de visión tridimensional si se utiliza una superficie reflejante opaca, preferentemente un espejo, o si se usa una superficie reflejante no opaca, preferentemente un vidrio transparente o discretamente opacificado, que también permita Observar la imagen contralateral, siendo posible observar las dos imágenes simultáneamente cori' los dos ojos al dirigir Ja mirada conjugada en sentido lateral y no solq observando una imagen con cada ojo.
BREVE DESCRIPCIÓN PE LAS FIGURAS
Los aspectos novedosos que se consideran característicos de la presente invención, se establecerán con particularidad en las reivindicaciones anexas. Sin embargo, la operación, conjuntamente con otros objetos y ventajas de la misma, se comprenderá mejor en la siguiente descripción detallada de una modalidad específica, cuando se lea en relación con los dibujos anexos, én los cuales:
La figura 1 muestra un diagrama de bloques de un sistema de visión estereoscópica de imágenes en tiempo real, en donde se muestra la secuencia de operación para una primera modalidad preferida de la presente invención. La figura 2 muestra un diagrama de bloques de un sistema de visión estereoscópica de imágenes en tiempo real, en donde se muestra la secuencia de operación para una segunda modalidad preferida de la presente invención.
La figura 3 es una vista en corte longitudinal de una modalidad preferida de un medio de duplicación e inversión de imágenes de construido de conformidad con los principios de la presente invención.
La figura 4 es una vista en perspectiva de los elementos fundamentales de los medios de visualizaciórt tridimensional.
La figura 5 es un diagrama esquemático de los ángulos de incidencia visual de un Observador que se coloca frente a los medios de visualizacióή tridimensional de la figu a 4.
La figura 6 es una vista en perspectiva del sistema de los medios de visualización tridimensional de la figura 4 montado sobre un medio de sujeción cefálico.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
Se ha encontrado que mediante ia combinación de diversos dispositivos es posible obtener un sistema de visión estereoscópica de imágenes en tiempo real que
muestre una imagen real obtenida a partir de medios de captación de imágenes en el momento que éstas se generan, como pueden ser cámaras de video, endoscopios en sus distintas variedades, microscopio quirúrgico, cámaras fotográficas o cualquier otro sistema de obtención de imágenes de
o impresas, en tiempo real con un efecto de visión tridimensional sencillo y muy eficiente que permite al observador el realizar movimientos finos y precisos, con una adecuada percepción de volumen, distancia y profundidad.
Haciendo referencia en forma particular a los dibujos anexos, y má? específicamente a la figura 1 de los mismos, en ésta se muestra un diagrama de bloques de una modalidad preferida del sistema de visión estereoscópica de imágenes en tiempo real de la presente invención, representando desde la obtención de las imágenes hasta llegar éstas a los ojos del observador.
Como se puede observar en la figura 1, el sistema de visión estereoscópica de imágenes en tiempo real comprende medios de captación de imágenes 1 para lograr captar por lo menos una imagen original 2 ya sea con o sin movimiento; medios de duplicación é inversión de imágenes 3, los cuales generan dos imágenes a partir de la imagen original 2, una imagen duplicada 4 y una imagen invertida a manera de "espejo" 5, simultáneamente; medios de conversión de imágenes en señales digitales y/o analógicas 6 y 7, que reciben la imagen duplicada 4 y la imagen invertida 5 y las convierten en una señal de imagen duplicada 8 y una señal de imagen invertida 9, respectivamente; y, medios de visualización tridimensional 10, que reciben las señales de imagen duplicada 8 e invertida 9 para lograr la visualización tridimensional de la imagen original 2 mediante la combinación de las imágenes duplicada 4 e invertida 5.
En la figura 2 se muestra un diagrama de bloques de una segunda modalidad del sistema de visión estereoscópica de imágenes en tiempo real de, la presenté invención, en donde se muestra una secuencia de operación opcional representando desde la obtención de las imágenes hasta llegar éstas a los ojos el observador. En la modalidad qué se describe, el sistema está formado por medios dé captación de imágenes 1 para lograr captar por lo menos una imagen original 2 ya sea con o sin movimiento; medios de conversión de imágenes en señales digitales y/o analógicas 6 que convierten la imagen original 2 en una señal de imagen original digital y/o analógica 11; medios de duplicación e inversión de imágenes 3 que reciben la señal de imagen original 11 para duplicarla mediante un elemento de duplicación de señales digitales y convierten por lo menos una de las señales duplicadas en una señal correspondiente a una imagen invertida a manera d& espejo de la imagen original 2 mediante un elemento de inversión de señales de imagen, de manera que se obtienen
una señal de imagen duplicada 8 y una señal de imagen invertida 9; y, medios de visualización tridimensional 10, que reciben las señales de imagen duplicada 8 e invertida 9 para lograr la visualización tridimensional de la imagen original 2 mediante la combinación de una imagen duplicada obtenida a partir de la señal 8 y una Imagen, invertida obtenida a partir de la señal 9.
En una modalidad preferida, los medios de captación de imágenes §e sélecciςnan entré actos o eventos que ocurren en vivo, cámaras de video, microscopios quirúrgicos, cámaras fotográficas, endoscopios, en sus distintas variedades, preferentemente neuroendoscopios, endoscopios, toracoscopios, laparoscopios, pelviscopios, artroscopios, endoscopios tridimensionales (É-3D), o cualquier otro sistema de obtención de imágenes de video y/o impresas.
Por lo que se refiere a los medios de duplicación e inversión de imágenes del sistema de la presente invención, en la figura 3 se muestra una vista en corte longitudinal de una modalidad preferida e un medio de duplicación e inversión de imágenes 3 preferido que comprende una superficie refléjente translúcida 12, preferiblemente plana, sobre la cual incide directamente la imagen original 2, la cual, por el efecto translúcido de la superficie 12, pasa a través de la misma en la dirección del eje central longitudinal de un primer conducto hermético de imágenes 13, preferiblemente, de sección circular, con lo que se genera la imagen duplicada 4, al mismo tiempo que por el efecto reflejante de la superficie 12, la imagen original se refleja sobre dicha superficie, reflejo que se dirige hacia el eje Central longitudinal de un segundo condupto hermético de imágenes 14, preferiblemente de sección circular, con lo que se genera la imagen invertida 5 que corresponde a una imagen irivertida a manera de espejo de la imagen original 2. En una modalidad específica en que \a imagen original 2 es mμy pequeña, como puede ser la imagen qué se genera de instrumentos como el endoscopio, el primer y segundo conductos herméticos de imágenes 13 y 14 incluyen por lo menos sendos primeros lentes de enfoque y magnificación de imagen 15 alineados al eje central longitudinal de cada conducto. Preferiblemente, el primero y segundo conductos herméticos de imágenes 13 y 14 incluyen además sendos segundos lentes de enfoque y magnificación de imagen 16 alineados con los lentes 15.
En otra modalidad específica de los medios de duplicación e inversión dé imágenes 3 que se describen, cada conducto hermético incluye en su xtremo opuesto, a la imagen un elemento de adaptación 17, que permite el acoplamiento de los medios de conversión e imágenes en señales digitales y/o analógicas 6 y 7.
Por lo que se refiere a los medios de visualizaeión tridimensional 10, la figura 4 presenta una vista en perspectiva de los elementos fundamentales de dichos medios, los cuales comprender) preferiblemente una superficie reflejante 20 con una orilla ubicada exactamente entre unos primero y segundo elementos de proyección de imagen 18 y 19, respectivamente, teniendo la orilla opuesta libre, dichos elementos de proyección de imagen permitiendo la visualización en el primer elemento de proyección de imagen 18 de una imagen duplicada 4 obtenida a partir de la señal de- imagen duplicada 8 y la visualización en el segμndo elemento de proyección de imagen 19 de una imagen invertida 5 obtenida a partir de la señal de imagen invertida 9. En una modalidad preferida, la superficie reflejante se coloca de manera coincidente con la bisectriz del ángulo que forman los elementos de proyección de imagen 18 y 19, el cual preferiblemente es de 180°, dicha superficie reflejante seleccionándose entre superficies reflejantes opacas y superficies reflejantes translúcidas, más preferiblemente seleccionándose entre espejos, vidrios, láminas poliméricas y vidrios o láminas poliméricas opacificadas.
Ahora bien, para entender el funcionamiento de los medios de visualización tridimensional de la presente invención, en la figura 5 se presenta un diagrama esquemático de los ángulos de incidencia visual de un observador que se coloca frente a los medios de visualización tridimensional 10 de la figura 4, en donde se puede constatar que el observador puede ver con un ojo 21 la imagen duplicada 4, mientras que con el ojo contrario 22 observa al mismo tiempo el reflejo de la imagen invertida 5 en la superficie reflejante 20, dicho reflejo correspondiendo a la imagen original 2 pero con un ángulo de incidencia visual distinto a la imagen duplicada 4. En la modalidad en que la superficie reflejante es una superficie reflejante translúcida, el observador puede ver con el ojo 22 también la imagen duplicada 4, lo cual sorprendentemente incrementa la sensación tridimensional.
Finalmente, la figura 6 muestra una vista en perspectiva del sistema de los medios de visualización tridimensional 10 de la figura 4 montado sobre un medio de sujeción cefálico 23, que le presenta al observador las imágenes 4 y 5 cercanas a Ips ojos, y en donde sé observa la superficie reflejante 20, la imagen invertida 5, y la imagen duplicada 4, mostradas en los elementos de proyección de imágenes 18 y 19 montados sobre un soporte 24 el cual además de soportar a dichos elementos de proyección, es sujetado por el elemento de sujeción cefálico 23 que además permitir que el usuario mueva libremente su cabeza sin perder la sensación tridimensional, permite conservar la relación "ojos-manos" y observar las imágenes cómodamente por largos período^ de tiempo.
En una modalidad preferida la superficie reflejante carece de ángulos agudos en los extremos Cercanos al observador y contiene una protección alrededor de sus bordes para dar una mayor seguridad, durabilidad y protección al mismo.
En otra modalidad preferida la superficie reflejante se fabrica de un material resistente al impacto, seleccionada entre una superficie curva, biselada, o ambas, y preferentemente lisa aunque se puede utilizar una superficie reflejante rugosa para lograr el mismo efecto.
De conformidad con lo anteriormente descrito, se podrá observar que el sistema de visión estereoscópica de imágenes en tiempo real, ha sido ideado para la visualizaeión tridimensional sencilla y efectiva de imágenes el cual puede ser utilizado para observar cualquier tipo de imágenes con fines distintos a los médicos e industriales y será evidente para cualquier experto en la materia que las modalidades para el sistema de visión estereoscópica de imágenes en tiempo real descrito anteriormente e ilustrado en los dibujos que se acompañan, son únicamente ilustrativas más no limitativas da la presente invención, ya que son posibles numerosos cambios de consideración en sus detalles sin apartarse del alcance de la invención.
Aún cuando se ha ilustrado y descrito una modalidad específica de la invención, debe hacerse hincapié en que son posibles numerosas modificaciones a la misma, como pueden ser superficies reflejantes de diversos tipos de materiales, diferentes ángulos para los elementos de proyección de imágenes, p bien, diferentes adaptaciones para los medios de visualización tridimensional. Por lo tanto, la presente invención no deberá considerarse cómo restringida excepto por lo que exija la técnica anterior y por el alcance de las reivindicaciones anexas.