带广角成像的内窥镜装置以及手术机器人系统的制作方法

1.本公开涉及医疗器械领域，尤其涉及一种带广角成像的内窥镜装置以及手术机器人系统。


背景技术：

2.目前，使用手术机器人系统进行手术时，医生需通过内窥镜工具获取病人体内病灶区域的图像。受限于内窥镜工具中所使用的光学元件，内窥镜工具有一个最大的可视范围，具有固定的视场角。只有位于视场角范围内的物体，才能被内窥镜工具的成像组件接收。通常内窥镜工具的视场角越大，医生可看到的手术视野就越宽阔。
3.但过大的视场角也会带来一些问题，首先是成像画面的畸变，过大视场角会导致成像画面的边角部分产生畸变。越靠近画面边缘，物体的变形拉伸效果会越强。而修正这些畸变不可避免会带来画质的损失。此外，画面边角部位由于成像时进光量少，也会出现暗角现象，画面越靠近边缘，成像的亮度越低。这样，过大的视野成像并没有给医生带来更多的可用信息，反而会降低成像的质量。因此，常见的内窥镜工具的对角线视场角通常都在90度以下，力求提供更精细的画质，而不是更大的视野。
4.实际在机器人辅助微创手术过程中，往往会有多支手术工具器械以及辅助手动器械在病灶附近进行操作，为了避免器械之间互相干涉，一些暂时不使用的手术器械就需要被放置到远处，很可能会离开内窥镜工具的视野范围。而当后续需要再使用这些器械时，医生需先控制内窥镜工具去寻找这些器械的具体位置，然后再将器械移动到使其末端位于内窥镜工具的视野范围内，以避免损伤组织。在另外一些情况下，比如缝合针或血管夹等小工具不慎掉落病人体内，此时也需要调整内窥镜工具的视野，才能寻找这些掉落的物件。上述情景中，受限于内窥镜视野有限，医生均需花费额外的时间去控制内窥镜工具运动，以实现相应的意图。这样，会延长手术时间，增加手术风险。


技术实现要素：

5.基于以上问题，本公开的目的在于提供一种带广角成像的内窥镜装置，包括：
6.内窥镜主体，所述内窥镜主体具有前端部分和后端部分；
7.至少一个成像组件，设置在所述内窥镜主体的前端部分内；
8.至少一个照明单元元件，所述照明单元的输出端设置在所述内窥镜主体的前端部分内；
9.广角组件，设置在所述内窥镜主体的前端部分内；
10.其中，所述广角组件的视场角大于所述至少一个成像组件的视场角
11.在一些实施例中，所述内窥镜主体的前端部分包括内窥镜座，所述内窥镜座具有容纳腔，用于容纳所述广角组件、所述至少一个成像组件和所述至少一个照明单元的输出端。
12.在一些实施例中，所述内窥镜座包括彼此间隔开的至少一个成像镜头通道、广角
镜头通道、至少一个照明通道，所述至少一个成像镜头通道用于容纳所述至少一个成像组件的镜头，并且所述广角镜头通道用于容纳所述广角组件的镜头。
13.在一些实施例中，所述至少一个成像镜头通道包括沿内窥镜主体轴线对称设置的第一成像镜头通道和第二成像镜头通道；
14.所述广角镜头通道设置在所述第一成像镜头通道和所述第二成像镜头通道的中间。
15.在一些实施例中，所述至少一个照明通道呈月牙形，设置在所述至少一个成像镜头通道的外侧。
16.在一些实施例中，所述照明单元包括：
17.光源，设置在所述内窥镜主体的前端部分；或者
18.光源和与所述光源耦合的一根或多根光纤，所述光源设置在所述内窥镜主体的后端部分或所述内窥镜主体外，所述光纤从所述光源处延伸到所述内窥镜主体的前端部分。
19.本公开还提供了一种手术机器人系统，包括：
20.如上述任意实施例中的所述带广角成像的内窥镜装置。
21.在一些实施例中，手术机器人系统还包括：
22.控制器，所述控制器与所述内窥镜装置通信连接，所述控制器用于在正常成像模式和广角成像模式之间切换，所述正常成像模式基于所述至少一个成像组件而成像，所述广角成像模式基于所述广角组件而成像。
23.在一些实施例中，手术机器人系统还包括：
24.第一显示器，用于显示所述正常成像模式下的图像和/或所述广角成像模式下的广角图像；以及
25.第二显示器，用于显示所述正常成像模式下的图像。
26.在一些实施例中，所述第一显示器为平面显示屏，所述第二显示器为3d显示器。
27.在一些实施例中，所述第一显示器包括：
28.第一显示界面，用于显示所述正常成像模式下的图像或显示所述广角成像模式下的广角图像；或者
29.所述第一显示器包括：
30.第一显示界面，用于显示所述正常成像模式下的图像；以及
31.第二显示界面，用于显示所述广角成像模式下的广角图像。
32.在一些实施例中，手术机器人系统还包括：
33.切换装置，所述切换装置用于供操作者在正常成像模式和广角成像模式之间切换。
34.在一些实施例中，所述切换装置至少包括触控按钮、机械按钮、踏板、语音控制装置中的至少一个。
35.本公开的一些实施例具有下列有益效果中的一项或多项：1.通过广角组件可以提供视野更大的图像，以便于操作者快速实现相应的操作，可以避免操作者额外花费时间去调整内窥镜装置的位置，以缩短手术时间；2.在内窥镜座的间隙处设置月牙形照明通道，可以充分利用内窥镜座的空间，以实现内窥镜装置的小型化，还能增加照明视野；3.通过将图像摄取路径和照明路径分开，可以减少外界杂质的干扰，以减少图像噪声；4.手术机器人系
统可以在正常成像模式和广角成像模式之间切换，以便于操作者快速实现相应的操作。
附图说明
36.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对本公开实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。下面描述中的附图仅仅示出本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本公开实施例的内容和这些附图获得其他的实施例。
37.图1示出根据本公开一些实施例的内窥镜装置的部分结构示意图；
38.图2示出根据本公开一些实施例的内窥镜装置的工作场景示意图；
39.图3示出根据本公开一些实施例的成像组件的分布示意图；
40.图4示出根据本公开另一些实施例的内窥镜主体的前端部的主视图；
41.图5示出根据本公开一些实施例的广角成像镜头的结构示意图；
42.图6示出根据本公开一些实施例的内窥镜座的通道分布示意图；
43.图7示出根据本公开一些实施例的内窥镜座的部分剖面结构示意图；
44.图8示出根据本公开一些实施例的手术机器人系统的结构示意图；
45.图9示出根据本公开一些实施例的第一显示器的显示结构示意图。
46.附图标记列表：
47.100、内窥镜装置；
48.10、内窥镜主体；11、内窥镜座；111、成像镜头通道；112、广角镜头通道；113、照明通道；114、固定座；115、安装通孔；116、广角镜头安装通孔；
49.20、成像组件；21、成像镜头；22、成像传感器；20a-b、第一、第二成像组件；
50.21a-c、第一-至第三成像镜头；22a-b、第一、第二成像传感器；
51.30、照明单元；31、光源；32、光纤；
52.40、广角组件；41、广角成像镜头；41a-41f、光学镜片；42、广角成像传感器；
53.1000、手术机器人系统；101、控制器；102、切换装置；103、第一显示器；104、第二显示器；1031、第一显示界面；1032、第二显示界面；
54.105、信号板；106、视觉处理器；
55.200、手术器械；300缝合针；400、目标区域。
具体实施方式
56.为使本公开解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本公开实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开示例性实施例，而不是全部的实施例。
57.在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
58.在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”、“耦合”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。在本公开中，定义靠近操作者(例如医生)的一端为近端、近部或后端、后部，靠近手术患者的一端为远端、远部或前端、前部。本领域技术人员可以理解，本公开的实施例可以用于医疗器械或手术机器人，也可以用于其他非医疗装置。
59.图1示出根据本公开一些实施例的带广角成像的内窥镜装置100的部分结构示意图。内窥镜装置100可以包括内窥镜主体10、至少一个成像组件20、至少一个照明单元30和广角组件40。在一些实施例中，内窥镜主体10可以呈管状，具有前端部分和后端部分，内窥镜主体10的前端部分起支撑固定作用。至少一个成像组件20、至少一个照明单元30的输出端和广角组件40可以固定设置在内窥镜主体10的前端部分内。
60.图2示出根据本公开一些实施例的内窥镜装置100的工作场景示意图。如图1和图2所示，照明单元30用于对目标区域400(例如，目标组织或病灶区域)进行照明，以便于成像组件20拍摄目标区域400的图像。应当理解，至少一个成像组件20用于在正常操作模式(例如，手术操作模式)下成像，以提供目标区域400的高清质量的图像。广角组件40的视场角大于至少一个成像组件20的视场角，可以用于在特殊操作模式(例如多个手术器械200之间切换或者寻找掉落物时等情况)下成像。这样，可以提供视野更大的图像，以便于操作者(例如医生)快速实现相应的操作，可以避免操作者额外花费时间去调整内窥镜装置100的位置，以缩短手术时间。
61.应当理解，成像组件20可以包括成像镜头21(参见图7)和成像传感器22(参见图3、图8)。成像镜头21设置在成像传感器22的前端，从而便于成像传感器22通过成像镜头21拍摄目标区域400图像。在一些实施例中，成像镜头21可以包括由多个透镜组成的光学透镜组。其中，光学透镜组包括一个或多个凸透镜和凹透镜，多个凸透镜和凹透镜通过分布设置从而形成光学成像系统。在一些实施例中，成像传感器22可以包括但不限于ccd、coms成像传感器。成像组件20可以将接收到的目标区域400反射的光线，通过成像传感器22进行光电转换，以形成电子信号，并用于在显示器上显示。应当理解，成像镜头21和成像传感器22数量可以相等并且位置相对设置，以便成像传感器22通过各自的成像镜头21拍摄目标区域400图像。
62.在一些实施例中，成像传感器22可以包括一个或多个。应当理解，一个成像传感器22工作时，内窥镜装置100最终所显示的图像为二维图像。多个成像传感器22工作时，成像传感器22就如同人的双目，可以形成立体视觉，从不同的方位摄取图像，通过将多个成像传感器22摄取的图像经过立体视觉处理，最终通过立体显示器显示在屏幕上，可以形成清晰的立体视觉图像。应当理解，多个成像传感器22工作时，也可以在平面显示器上显示平面图像。
63.图3示出根据本公开一些实施例的多个成像组件的分布示意图。在一些实施例中，如图3所示，至少一个成像组件20可以包括成像组件20a和成像组件20b。成像组件20a可以包括成像镜头21a和成像传感器22a，成像组件20b可以包括成像镜头21b和成像传感器22b。成像镜头21a位于成像传感器22a的前端，以便于成像传感器22a通过成像镜头21a摄取视野。成像镜头21b位于成像传感器22b的前端，以便于成像传感器22b通过成像镜头21b摄取
视野。在一些实施例中，成像镜头21b和21a的前端侧位于同一水平面内。在一些实施例中，成像传感器22a和22b可以平行设置在内窥镜座11的容纳腔内，彼此沿内窥镜主体10的轴线对称设置，且成像传感器22a和22b的感光面与内窥镜主体10的轴线垂直，成像镜头21a和21b的轴向分别垂直于成像传感器22a和22b的感光面。
64.图4示出根据本公开一些实施例的内窥镜主体10的前端部的主视图。在一些实施例中，至少一个成像组件20还可以包括第三成像组件。如图4所示，第三成像组件可以包括第三成像镜头21c和第三成像传感器(图中未示)。例如，成像镜头21a、21b和21c可以位于内窥镜主体10前端部分的中间位置。三个成像镜头21a、21b和21c的具体设置方式，可以包括但不限于沿径向同一直线间隔排列，或呈三角形排列(如图4所示)。本领域技术人员应当理解，成像组件20的数量还可以为四个或更多个，多个成像镜头21可以呈矩阵或者其他方式排布设置，成像镜头21的具体数量和排布设置方式根据实际需求改变而均不脱离本公开的范围。在一些实施例中，多个成像组件20、多个成像传感器22以及对应的成像镜头21可以包括冗余器件，用于在其它成像传感器或成像镜头发生故障时启动操作。
65.在一些实施例中，广角组件40可以包括广角成像镜头41和广角成像传感器42。广角成像镜头41位于广角成像传感器42的前端，以便于广角成像传感器42通过广角成像镜头41摄取视野。在一些实施例中，广角成像镜头41可以包括广角镜头座以及安装在广角镜头座中的多个球面或非球面光学镜片。图5示出根据本公开一些实施例的广角成像镜头41的部分结构示意图。如图5所示，广角成像镜头41可以包括光学镜片41a、41b、41c、41d、41e、41f，光学镜片41a-41f通过组合排布，可将较大范围的入射光投射到较小面积的广角成像传感器42上，从而实现广角成像。本领域技术人员可以理解，图5示出的光学镜片41a、41b、41c、41d、41e、41f及其排布仅仅是示例性的，可以根据具体实施例删减、更改或替换光学镜片41a、41b、41c、41d、41e、41f中的一个或多个，或者采用不同的排布方式。
66.在一些实施例中，如图4所示，照明单元30的数量可以两个。应当理解，照明单元30的数量还可以为一个、三个或者更多个。设置多个照明单元30可以进一步增大内窥镜装置100的照明强度。例如，多个照明单元30的输出端沿内窥镜主体10前端部分的周向边缘设置，或者在多个成像镜头21之间的间隙处设置。如图4所示，一个或多个照明单元30(例如2个)的输出端可以成月牙形，设置在多个成像镜头(例如成像镜头21a、21b和21c)的周向边缘。照明单元30的数量和排布设置方式可根据实际需求改变而均不脱离本实用新型的范围。
67.在一些实施例中，如图1所示，内窥镜主体10的前端部分可以包括内窥镜座11。内窥镜座11可以呈管状，并具有容纳腔，用于容纳广角组件40、至少一个成像组件20和至少一个照明单元30的输出端。图6示出根据本公开一些实施例的内窥镜座11的通道分布示意图。在一些实施例中，如图6所示，内窥镜座11可以包括彼此间隔开的至少一个成像镜头通道111、广角镜头通道112、至少一个照明通道113。至少一个成像镜头通道111可以用于容纳至少一个成像组件的成像镜头21，并且广角镜头通道112用于容纳广角组件40的广角成像镜头41。通过将图像摄取路径和照明路径分开，可以减少外界杂质的干扰，以减少图像噪声。
68.在一些实施例中，如图6所示，至少一个成像镜头通道可以包括沿内窥镜主体10轴线对称设置的两个成像镜头通道111。例如，两个成像镜头通道111的截面呈圆形，对称设置在内窥镜座11的中间部分，沿内窥镜座11的轴向延伸。成像镜头21a和21b可以分别设置在
两个成像镜头通道111内。在一些实施例中，如图6所示，广角镜头通道112可以设置在两个成像镜头通道111的中间。应当理解，广角镜头通道112可以设置在内窥镜座11任意间隙处。
69.图7示出根据本公开一些实施例的内窥镜座11的部分剖面结构示意图。在一些实施例中，如图7所示，内窥镜座11内部设有固定座114，固定座114上设有并排的安装通孔115。成像镜头21a和21b分别紧固设置在相应的安装通孔115内。成像镜头21a和21b的后端通过安装通孔115与成像传感器22a和22b对准。成像镜头21a和21b的前端分别伸入内窥镜座11前端的成像镜头通道111内。在一些实施例中，固定座114上还设有广角镜头安装通孔116，广角成像镜头41紧固设置在相应的广角镜头安装通孔116内，广角成像镜头41的前端伸入内窥镜座11前端的广角镜头通道112内。
70.在一些实施例中，至少一个照明通道113呈月牙形，设置在至少一个成像镜头通道111的外侧。例如，如图6所示，至少一个照明通道113可以包括两个月牙形通道，分别设置在成像镜头通道111的两侧。照明单元30的输出端的前端呈月牙形，分别设置在照明通道内。这样，可以充分利用内窥镜座11的空间，以实现内窥镜装置100的小型化，还能增加照明视野。
71.在一些实施例中，如图7所示，照明单元30可以包括光源(例如光源31，如图8所示)和与光源耦合的光纤32。光源31可以设置在内窥镜主体10的后端部分内或者内窥镜主体10之外。光纤32可以设置在内窥镜主体10内，并从光源31处延伸到内窥镜主体10的前端部分。在一些实施例中，光纤32可以包括一根或多根光纤。光纤32的前端的输出端可以构成照明单元30的输出端。光源31发出的照明光通过光纤32传送至内窥镜主体10的前端部分，从光纤32的输出端输出，以实现照明。在一些实施例中，光纤32的输出端前端截面可以呈月牙形。应理解，光源31可以设置在内窥镜主体10的后端部分内或者内窥镜主体10后端侧的内窥镜主机部分中或外部。还应当理解，在一些实施例中，照明单元30还可以包括直接设置在内窥镜主体10的前端部分(例如内窥镜座11内)的照明设备，例如led光源。
72.在一些实施例中，内窥镜主体10可以包括位于前端部分和后端部分之间的中间部分。中间部分的至少一部分可以包括可弯曲变形的可形变管，便于调整内窥镜主体10前端部分的位姿，从而观察目标区域400以及获取目标区域400的图像信息。
73.图8示出根据本公开一些实施例的手术机器人系统1000的结构示意图。在一些实施例中，如图8所示，本公开还提供了一种手术机器人系统1000，可以包括本公开的任意实施例中的内窥镜装置100。
74.在一些实施例中，如图8所示，手术机器人系统1000还可以包括控制器101。控制器101与内窥镜装置100通信连接，控制器101用于在正常成像模式和广角成像模式之间切换。其中，正常成像模式基于至少一个成像组件20而成像，广角成像模式基于广角组件40而成像。例如，在正常手术操纵模式下，可以选择正常成像模式。在多个手术器械(例如手术器械200)之间切换或者在目标区域400寻找掉落物(例如缝合针300)等特殊情况下，可以选择广角成像模式。
75.在一些实施例中，如图8所示，手术机器人系统1000还可以包括切换装置102，切换装置102用于供操作者在正常成像模式和广角成像模式之间切换。应当理解，切换装置102可以包括但不限于机械按钮、踏板、触控按键、语音控制装置等中的至少一个。例如，操作者可以通过按压按钮、踩踏踏板、触控屏选择或者语音发送命令等方式，以实现在正常成像模
式和广角成像模式之间切换。
76.在一些实施例中，如图8所示，手术机器人系统1000还可以包括第一显示器103和第二显示器104。第一显示器103可以用于显示正常成像模式下的图像。应当理解，第一显示器103也可以显示广角成像模式下的广角图像。第二显示器104可以用于显示正常成像模式下的图像。在一些实施例中，第一显示器103可以为平面显示屏，例如液晶屏幕、等离子屏幕、投影屏幕等。第二显示器104可以为3d显示器，例如头戴式立体显示器、眼镜式立体显示器等。
77.图9示出根据本公开一些实施例的第一显示器103的显示结构示意图。在一些实施例中，如图9所示，第一显示器103可以包括第一显示界面1031。例如，在正常手术操作模式下，第一显示界面1031可以用于显示正常成像模式下的图像，以提供目标区域400视野的图像，便于操作者观察。在广角成像模式下，第一显示界面1031可以显示广角成像模式下的广角图像，以提供更大的目标区域400视野的图像，以便于操作者快速实现相应的操作。正常成像模式下的图像和广角成像模式下的广角图像可以通过切换，以在第一显示界面1031上显示其中的一种图像。
78.在一些实施例中，如图9所示，第一显示器103可以包括第一显示界面1031和第二显示界面1032。第一显示界面1031可以用于显示正常成像模式下的图像，第二显示界面1032可以用于显示广角成像模式下的广角图像。应当理解，在正常成像模式切换为广角成像模式时，第二显示界面1032可以重叠设置在第一显示界面1031上。第一显示界面1031和第二显示界面1032可以基于画中画的显示方式，同时显示正常成像模式下的图像和显示广角成像模式下的广角图像。例如，第二显示界面1032可以小于第一显示界面1031，设置在第一显示界面1031的任意角落，或者设置在第一显示界面1031的任意位置。这样，第一显示器103上可以同时显示正常成像模式下的图像和广角成像模式下的广角图像。应当理解，在正常成像模式下，第一显示器103可以只显示第一显示界面1031。
79.在一些实施例中，如图8所示，手术机器人系统1000还可以包括信号板105和视觉处理器106。成像传感器22、信号板105、视觉处理器106和显示器(例如第一显示器103和第二显示器104)通信连接。实际工作时，成像传感器22通过成像镜头21摄取目标区域400的图像，然后将摄取的图像信息传至信号板105。信号板105接收成像传感器22的图像信息后，对图像信息进行采集处理，然后将采集后的信息传至视觉处理器106。视觉处理器106接收信号板105传送的采集信息后，对采集的图像信息进行处理，然后将处理后的图像信息传送至显示器(例如第一显示器103和第二显示器104)。显示器接收到视觉处理器106传送的处理信息后，在显示界面(例如显示界面1031或1032)上显示成图像。
80.注意，上述仅为本公开的示例性实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本公开不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本公开的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本公开进行了较为详细的说明，但是本公开不仅仅限于以上实施例，在不脱离本公开构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本公开的范围由所附的权利要求范围决定。