三维内窥镜及三维成像方法
【专利说明】
[0001] 本申请要求于2013年11月7日递交的、申请号为US61901279,名称为 "Intra-Abdominal Lightfield 3D camera and Method of Making the Same"的申请的优 先权。
技术领域
[0002] 本发明涉及一种三维成像技术，特别是一种三维内窥镜及三维成像方法。
【背景技术】
[0003] 相对于传统的外科手术，微创手术（MIS)将医疗装置通过人体的自然开口或小的 皮肤切口插入人体内，进行诊断和治疗、修复人体内大范围的医疗病变。微创手术已在过 去的二十年里，逐步取代了一般的外科手术卓越地位，它能减少手术的并发症，加速术后恢 复，提高病人的满意度，减少术后疼痛等。
[0004] 为了突破微创手术技术瓶颈和进一步降低发病率，单孔腹腔镜手术（LESS)技术 被开发出来，它是通过减小创口尺寸和减少腹部创口数量来进行的微创手术。目前已经被 用于胆囊切除、阑尾切除术、肾上腺切除术、右半结肠切除术、可调节胃束带放置、肾部分切 除术和根治性前列腺切除术。与传统的腹腔镜手术相比，单孔腹腔镜手术只造成一个腹部 创口，有利于创口美观，同时术后痛苦少、恢复快、不粘连、极大缩短康复时间。
[0005] 自然孔口内窥镜手术（NOTES)是近期微创手术领域另一个技术发展。它是把内窥 镜插入人体的自然孔口（口，尿道，肛门等），通过一个内部切口（胃、阴道、膀胱或直肠）进 入病变部位，从而完全消除腹部切口/外部疤痕。自然孔口内窥镜手术是用于人体诊断腹 腔镜阑尾切除术、胆囊切除术和套筒胃大部切除术。
[0006] 机器人系统，如达文西机器人系统已被用于单孔腹腔镜手术，被称为机器人单孔 腹腔镜手术，以增强手术的清晰度、运动缩放和减少震颤。
[0007] 尽管在过去的几年中，这三种主流的微创手术技术迅速得到发展，但由于缺乏更 高性能的图像装置阻碍了这些技术的发展，也不能使更多的患者获益。这些技术的操作需 要一个单一创口进入腹膜腔，这种需求会引发一系列广泛的挑战，从仪器的碰撞风险，获得 足够的钳制力，到仪器三角支撑力的减弱。
[0008] 特别是现有LNR的装置可视化能力证明有一定的问题和不足，由于医生不再直接 看着病人的解剖，而是通过一个二维视频监视器观看，通过手术创口不能直接看到手术部 位问题。这些现有的成像设备的主要缺点包括：
[0009] (1)视野狭窄：LNR(LESS、NOTES、R-LESS的简称）中给出的腹腔图像的视野有可 能被同一创口进入的医疗器械所遮挡和掩盖。图像可能与其他的工具重叠，这就使医生难 以通过现有的二维图像获得内部的三维深度感。
[0010] ⑵创口的持续占用：在手术检查中，惯用的腹腔内窥镜一直占领创口的重要位 置，阻碍了其他器械在同一个创口的同时性操作
[0011] (3)器械碰撞：腹腔镜组对创口的持续占用导致手术器械在内部和外部会产生碰 撞。
[0012] (4)视角受限：LNR中的内窥镜只经过一个通道，将产生不熟悉的视角，尤其在 NOTES中发生较多，而且镜管无法随医生意愿转换任意角度
[0013] (5)难以保持正确且稳定的空间定位：体内图形有时候定位在四边，这就使医生 在精细的手术过程中很难建立稳定的空间坐标，难以获得三维感。这就大大增加了医生的 工作负担，降低了 LNR的有效性和准确性。
[0014] (6)缺乏三维图像显示能力和深度感：最重要的是，如今在LNR中使用的内窥镜系 统只能提供二维图像，缺乏三维深度信息。
【发明内容】
[0015] 在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理 解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关 键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念， 以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0016] 本发明的一个主要目的在于提供一种三维内窥镜及三维成像方法，可以消除现有 腹腔内窥镜普遍存在的视野狭窄和旋转视角问题，获得一个具有恰当视角、无遮蔽的全视 场（FOV)的手术场景。
[0017] 根据本发明的第一方面，一种三维内窥镜，包括壳体、成像单元和控制单元；
[0018] 所述成像单元位于所述壳体内；
[0019] 所述成像单元包括成像传感器阵列和照明设备；
[0020] 所述成像传感器阵列包括多个成像传感器，用于在所述照明设备提供的光照下采 集目标对象的二维图像；
[0021] 所述控制单元用于基于每个所述传感器采集到的所述目标对象的二维图像合成 为所述目标对象的三维图像。
[0022] 根据本发明的第二方面，一种基于如上所述的三维内窥镜的三维成像方法，包 括：
[0023] 成像传感器阵列中的多个成像传感器在照明设备提供的光照下采集目标对象的 二维图像；
[0024] 控制单元基于每个传感器采集到的所述目标对象的二维图像合成为所述目标对 象的三维图像。
[0025] 采用本发明的三维内窥镜及三维成像方法，可以一个具有恰当视角、无遮蔽的全 视场（FOV)的手术场景。
【附图说明】
[0026] 参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其 它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似 的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。
[0027] 图1为本发明的三维内窥镜的第一实施方式的结构图；
[0028] 图2为本发明的三维内窥镜的成像原理示意图；
[0029] 图3为本发明的三维内窥镜的第二实施方式的结构图；
[0030] 图4为图3的三维内窥镜的目标对象的表面点P的三维距离计算原理图；
[0031] 图5为图3中的结构光投影单元的一种实施方式的结构图；
[0032] 图6为本发明的三维内窥镜的第三实施方式的结构图；
[0033] 图7为本发明的三维内窥镜的第三实施方式的三维内窥镜的目标对象的表面点P 的三维距离计算原理图；
[0034] 图8为本发明的三维内窥镜的第五实施方式的结构图；
[0035] 图9为本发明的三维内窥镜的第六实施方式的结构图；
[0036] 图10为本发明的三维成像方法的一种实施方式的流程图。
【具体实施方式】
[0037] 下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描 述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应 当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知 的部件和处理的表示和描述。
[0038] 第一实施方式
[0039] 参见图1所示，为本发明的三维内窥镜的第一实施方式的结构图。
[0040] 在本实施方式中，三维内窥镜包括成像单元100和控制单元105。
[0041] 成像单元100包括壳体103,以及位于壳体103内的成像传感器阵列和照明设备 101。成像传感器阵列包括多个成像传感器102,用于在照明设备提供的光照下采集目标对 象108的二维图像。
[0042] 控制单元105用于基于每个成像传感器102采集到的目标对象108的二维图像合 成为目标对象的三维图像。
[0043] 在使用时，成像单元100可以置于患者的体内（例如腹腔内），而控制单元105可 以置于患者体外。
[0044] 参见图2所示，为本发明的三维内窥镜的成像原理示意图。
[0045] 目标对象108完整的三维信息（即，一切可以看到的光线信息）可以通过光场描 述。在计算光场理论中，光场通常可由一系列不同视角的二维图像来表达。被图像传感器 阵列102拍摄的图像包含了一组丰富的光线，这些光线即是由目标对象108产生的部分光 场。在图2中，光场是由光场三维内窥镜获取的多个二维图像堆叠表示。光场提供全分辨 率的二维和三维图像，便于三维表面重建、三维测量和自由视点可视化的三维显示等等。通 过处理捕获的光线，可以完成三维表面重建、渲染并生成三维图像。
[0046] 作为一种实施方式，成像传感器102可以包括电荷耦合器件（CXD)或互补金属氧 化物半导体传感器（CMOS)。模拟的和数字版本的CCD/CMOS传感器模块都可以被使用。例 如，可以选用OmniVision公司的CMOS芯片，该芯片有672x492像素的图像分辨率，图像面 积4. 032毫米x2. 952毫米，像素尺寸6x6 μ m。成像传感器102可以使用高品质的微型光学 镜头来获取适当的领域视角（FOV)(例如120度视场）。
[0047] 在本实施方式中，所有成像传感器102的几何位置可以是任意的，但应当是已知 的或是可通过校准技术获得的。例如，传感器阵列中的各成像传感器102可以呈线性排列。
[0048] 在传感器阵列中的成像传感器102可以是完全相同的，也可以具有不同的光学、 机械和/或电子特性。例如，这些传感器可以具有不同的焦距、视野、光谱范围、像素分辨率 或任何其他性能指标。不管图像或非图像信号都可以从这些传感器获得。
[0049] 作为一种实施方式，照明设备101可以采用LED，也可以使用其它可以提供适当照 明的方式（如光纤