專利名稱：包含結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)用內(nèi)窺鏡。
背景技術(shù)：
內(nèi)窺鏡成像技術(shù)是一種典型的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，在醫(yī)學(xué)診斷和手術(shù)導(dǎo)航等方面都發(fā)揮著重要作用。隨著人們對診斷和手術(shù)導(dǎo)航精度的日益重視，三維成像技術(shù)在醫(yī)用內(nèi)窺鏡中的應(yīng)用也日益增多。以腦瘤手術(shù)為例，傳統(tǒng)的腦瘤治療方法中，如顱骨切開術(shù)采用切開病人的頭骨或面部骨骼的手術(shù)方式，往往會嚴(yán)重?fù)p壞病人的容貌，而且需要較長的術(shù)后恢復(fù)期。最近，擴(kuò)張鼻內(nèi)腔腦外科手術(shù)(EEN，Expanded Endonasal Neurosurgery)在腦瘤臨床治療中得到了極大關(guān)注。這種手術(shù)方案將微型內(nèi)窺鏡和外科手術(shù)設(shè)備導(dǎo)入鼻腔，查找出腦瘤的精確位置并加以切除。EEN手術(shù)的順利實施需要內(nèi)鏡影像導(dǎo)航系統(tǒng)的有效指引，導(dǎo)航系統(tǒng)的性能會直接影響到腦瘤的定位準(zhǔn)確性和外科手術(shù)的靈敏性。內(nèi)窺鏡影像導(dǎo)航系統(tǒng)一般主要包括兩個子系統(tǒng)(1)用于實時獲取手術(shù)部位圖像的內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)；(2)用于將手術(shù)設(shè)備的位置映射到手術(shù)前的CT或MRI數(shù)據(jù)上的導(dǎo)航系統(tǒng)。圖1為一個典型的剛體內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，內(nèi)窺鏡在內(nèi)部工作鏡管部分有兩個通道成像通道0-4和照明通道0-6，其中成像通道0-4用于對器官表面成像，照明通道0-6則用來輸出光束。成像通道0-4的光學(xué)元件(從末端算起)包括用于觀測較大視野角度的發(fā)散鏡頭0-5、用于調(diào)焦的物鏡0-3、用于轉(zhuǎn)換圖像的棒狀傳導(dǎo)部件0-2和放大目鏡0-7 ；照明通道僅包括照明光纖 0-1，用于連接到光源處。與成像通道0-4相比，照明通道0-6的結(jié)構(gòu)要簡單得多。目前應(yīng)用于EEN手術(shù)的內(nèi)窺鏡影像導(dǎo)航系統(tǒng)仍然具有很大的不健全性，由于不能從獲取的圖像或視頻中復(fù)原三維場景而導(dǎo)致導(dǎo)航出現(xiàn)一定的偏差(最大偏差可達(dá)2cm左右)。如果缺少手術(shù)部位的必要三維場景信息，醫(yī)生往往需要嘗試接觸組織表面以感受深度距離，或依靠個人經(jīng)驗做出主觀判斷。因而精確的三維可視化場景將會顯著提高外科醫(yī)生手術(shù)操作的靈敏性和腦瘤定位的準(zhǔn)確性，具有重大的技術(shù)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用價值。最近幾年內(nèi)，內(nèi)窺鏡圖像的三維建模技術(shù)已經(jīng)得到了一定程度的發(fā)展并取得了初步的研究成果。然而，由于EEN手術(shù)中使用的內(nèi)窺鏡必須非常小以便能穿過鼻腔到達(dá)頭骨底部區(qū)域，一些常規(guī)的立體觀測技術(shù)如多目立體視覺往往由于空間限制而不能直接應(yīng)用。 迄今為止，國內(nèi)外尚未出現(xiàn)可行的EEN三維結(jié)構(gòu)建模技術(shù)方面的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決在擴(kuò)張鼻內(nèi)腔腦外科手術(shù)中，由于常規(guī)立體觀測技術(shù)受空間限制而不能直接應(yīng)用于醫(yī)用內(nèi)窺鏡的問題，提供了一種包含結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡。包含結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡，它包括工作鏡管，所述工作鏡管包括成像通道和照明通道，所述照明通道內(nèi)置照明光纖，它還包括計算處理模塊，所述計算處理模塊的信號輸入端連接成像通道的電信號輸出端；它還包括結(jié)構(gòu)光通道，所述結(jié)構(gòu)光通道置于照明通道內(nèi)，照明光纖的末端輸出的光束由結(jié)構(gòu)光通道接收，該光束經(jīng)過結(jié)構(gòu)光通道后產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光，且所述結(jié)構(gòu)光由結(jié)構(gòu)光通道輸出至照明通道外；所述結(jié)構(gòu)光通道由聚焦鏡頭組、微型柵格屏和投影鏡頭組組成，照明光纖的末端輸出的光束依次經(jīng)過聚焦鏡頭組、微型柵格屏和投影鏡頭組后，生成結(jié)構(gòu)光輸出；所述計算處理模塊用于對成像通道獲得的圖像進(jìn)行三維重建，獲得所述圖像的三維圖像；計算處理模塊對成像通道獲得的圖像進(jìn)行三維重建的具體過程為對于目標(biāo)中清晰區(qū)域，通過提取柵格角點的方法，并利用基于柵格形變的結(jié)構(gòu)光三維重建方法重建所述清晰區(qū)域的表面三維形狀；對于目標(biāo)中模糊區(qū)域，采用基于幾何方法的散焦三維重建方法重建所述模糊區(qū)域的表面三維形狀。本發(fā)明的包含結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡，通過在醫(yī)用內(nèi)窺鏡的照明通道中增設(shè)結(jié)構(gòu)光通道、并綜合使用基于柵格形變的結(jié)構(gòu)光三維重建方法以及基于幾何方法的散焦三維重建方法來獲取醫(yī)學(xué)組織和器官表面的三維形狀信息，且能夠應(yīng)用于擴(kuò)張鼻內(nèi)腔腦外科手術(shù)中；本發(fā)明的三維圖像是通過結(jié)構(gòu)光三維重建方法實現(xiàn)的，沒有占用額外空間。


圖1為典型剛體內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的醫(yī)用內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明的醫(yī)用內(nèi)窺鏡中的結(jié)構(gòu)光通道的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的醫(yī)用內(nèi)窺鏡的剖面示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結(jié)合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式的包含結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡，它包括工作鏡管，所述工作鏡管包括成像通道1和照明通道2，所述照明通道2內(nèi)置照明光纖3，它還包括計算處理模塊4，所述計算處理模塊4的信號輸入端連接成像通道1的電信號輸出端；它還包括結(jié)構(gòu)光通道5，所述結(jié)構(gòu)光通道5置于照明通道2內(nèi)，照明光纖3的末端輸出的光束由結(jié)構(gòu)光通道5接收，該光束經(jīng)過結(jié)構(gòu)光通道5后產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光，且所述結(jié)構(gòu)光由結(jié)構(gòu)光通道5輸出至照明通道2外。以上結(jié)構(gòu)可參見圖2。照明光纖2的直徑約為10微米(mm)，使用細(xì)光纖束的原因在于其可以近似為一個點光源。如圖2所示的內(nèi)窺鏡，包括成像通道1和照明通道2。成像通道1包括用于觀測較大視野角度的發(fā)散鏡頭、用于調(diào)焦的物鏡、用于轉(zhuǎn)換圖像的棒狀傳導(dǎo)部件和放大目鏡；照明通道2內(nèi)置照明光纖3，照明光纖3連接到光源處。照明通道2內(nèi)設(shè)置結(jié)構(gòu)光通道5，用來生成結(jié)構(gòu)光。其中Target為目標(biāo)。以擴(kuò)張鼻內(nèi)腦外科手術(shù)為例，由于需要將內(nèi)窺鏡從鼻腔插入，因此內(nèi)窺鏡尺寸必須盡量小巧。如圖4所示，剛體內(nèi)窺鏡的直徑大約4毫米，成像通道1直徑大約2. 8毫米， 結(jié)構(gòu)光通道5直徑大約1毫米。參見圖3，所述結(jié)構(gòu)光通道5可由聚焦鏡頭組51、微型柵格屏52和投影鏡頭組53 組成，照明光纖3的末端輸出的光束依次經(jīng)過聚焦鏡頭組51、微型柵格屏52和投影鏡頭組 53后，生成結(jié)構(gòu)光輸出。
微型柵格屏52是設(shè)計的關(guān)鍵元件，它需要具備以下特點固體、非常規(guī)則而且分辨率很高(以柵格單位的尺寸為標(biāo)準(zhǔn))；在本實施方式中，所述微型柵格屏52的材料可采用碳聚合材料，具體可選用碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料或碳納米管/聚氨酯復(fù)合材料。令bl表示微型柵格屏52到聚焦鏡頭組51的等效光心的距離，令Μ表示微型柵格屏52到投影鏡頭組53等效光心的距離，則可令1 3>bl Id2> 1 5。所述結(jié)構(gòu)光通道5輸出的光束即為結(jié)構(gòu)光，由于內(nèi)窺鏡尺寸和結(jié)構(gòu)限制，無法產(chǎn)生復(fù)雜的結(jié)構(gòu)光編碼模式，而只能產(chǎn)生單一的柵格模式。當(dāng)投影鏡頭組53可以用薄鏡頭模塊近似時，距離1^2由兩個因素決定，所述兩個因素分別為投影鏡頭組53的等效光心到目標(biāo)之間的距離Z2以及投影鏡頭組53的放大倍數(shù) R，即有= Z/R，其中距離Z2可以根據(jù)對EEN臨床特征的統(tǒng)計研究進(jìn)行估算，如對鼻內(nèi)窺鏡成像時Z2為10 20mm，放大倍數(shù)R由所采用的光源決定。所述聚焦鏡頭組51可由第一平凸透鏡511和第二平凸透鏡512組成，且第一平凸透鏡511的凸起表面和第二平凸透鏡512的凸起表面相對放置，第一平凸透鏡511的平表面作為聚焦鏡頭組51的光輸入端，第二平凸透鏡512的平表面作為聚焦鏡頭組51的光輸出端。所述第一平凸透鏡511和第二平凸透鏡512均可采用消色差雙和透鏡。本實施方式中，內(nèi)窺鏡內(nèi)部使用氙氣或金屬鹵化物生成的冷光作為光源，考慮到光源的寬光譜，可采用消色差雙合透鏡作為聚焦鏡頭，可使關(guān)于光波長的鏡頭折射率變化引起的色差失常最小。令dl表示第一平凸透鏡511的焦距，令d2表示第二平凸透鏡512的焦距，則第一平凸透鏡511的光心和第二平凸透鏡512的光心之間的距離可為dl+d2。所述投影鏡頭組53可由第三平凸透鏡531和第四平凸透鏡532組成，且第三平凸透鏡531的凸起表面和第四平凸透鏡532的凸起表面相對放置，第三平凸透鏡531的平表面作為聚焦鏡頭組51的光輸入端，第四平凸透鏡532的平表面作為聚焦鏡頭組51的光輸出端。令d3表示第三平凸透鏡531的焦距，令d4表示第四平凸透鏡532的焦距，則第三平凸透鏡531的光心和第四平凸透鏡532的光心之間的距離可為d3+d4。照明光纖3的末端和微型柵格屏52之間的距離D可根據(jù)柵格分辨率標(biāo)準(zhǔn)來確定， 所述距離D需滿足下述約束條件
Γ π H、 L—>-，
D D + Z其中H表示結(jié)構(gòu)光通道5的半徑，L表示光纖照明區(qū)域的半徑，Z表示微型柵格屏 52和目標(biāo)之間的距離。在滿足上述約束條件的情況下，選擇較大的D值，能夠保證獲得較高的柵格分辨率。所述計算處理模塊4，用于對成像通道1獲得的圖像進(jìn)行三維重建，獲得所述圖像的三維圖像。計算處理模塊4對成像通道1獲得的圖像進(jìn)行三維重建的具體過程為對于目標(biāo)中清晰區(qū)域，通過提取柵格角點的方法，并利用基于柵格形變的結(jié)構(gòu)光
6三維重建方法重建所述清晰區(qū)域的表面三維形狀；對于目標(biāo)中模糊區(qū)域，采用基于幾何方法的散焦三維重建方法重建所述模糊區(qū)域的表面三維形狀。所述基于柵格形變的三維重建方法的具體過程可參考下述過程對于物體上任意一點P，它在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)是(Xw，Yw, Zw)，在照相機(jī)參考坐
標(biāo)系的坐標(biāo)是，在投影鏡頭參考坐標(biāo)系的坐標(biāo)是I^Z:)；照相機(jī)參考坐標(biāo)系的原點定義在成像通道(1)內(nèi)照相機(jī)的CCD透鏡鏡頭的光心， 投影鏡頭參考坐標(biāo)系的原點定義在結(jié)構(gòu)光通道(5)內(nèi)投影鏡頭組(53)的光心，照相機(jī)圖像
坐標(biāo)系(u。，v。)的原點定義在CXD的中心(<;蛇)，投影鏡頭圖像坐標(biāo)系(up，vp)的原點定義在投影鏡頭組(5 的中心(JiK) ； fc是CXD透鏡的焦距，fp是投影鏡頭組(5 的焦距；空間點P的世界坐標(biāo)(Xw，Yw, Zw)與照相機(jī)參考坐標(biāo)(Α^，Γ^Ζ；)存在如下轉(zhuǎn)換關(guān)系

權(quán)利要求
1.包含結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡，它包括工作鏡管，所述工作鏡管包括成像通道(1)和照明通道0)，所述照明通道O)內(nèi)置照明光纖(3)，它還包括計算處理模塊 G)，所述計算處理模塊(4)的信號輸入端連接成像通道(1)的電信號輸出端；它還包括結(jié)構(gòu)光通道(5)，所述結(jié)構(gòu)光通道(5)置于照明通道O)內(nèi)，照明光纖(3)的末端輸出的光束由結(jié)構(gòu)光通道(5)接收，該光束經(jīng)過結(jié)構(gòu)光通道(5)后產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光，且所述結(jié)構(gòu)光由結(jié)構(gòu)光通道(5)輸出至照明通道(2)外；所述結(jié)構(gòu)光通道(5)由聚焦鏡頭組(51)、微型柵格屏(52) 和投影鏡頭組(5 組成，照明光纖(3)的末端輸出的光束依次經(jīng)過聚焦鏡頭組(51)、微型柵格屏(52)和投影鏡頭組(53)后，生成結(jié)構(gòu)光輸出；所述計算處理模塊(4)用于對成像通道(1)獲得的圖像進(jìn)行三維重建，獲得所述圖像的三維圖像；其特征在于計算處理模塊(4) 對成像通道(1)獲得的圖像進(jìn)行三維重建的具體過程為對于目標(biāo)中清晰區(qū)域，通過提取柵格角點的方法，并利用基于柵格形變的結(jié)構(gòu)光三維重建方法重建所述清晰區(qū)域的表面三維形狀；對于目標(biāo)中模糊區(qū)域，采用基于幾何方法的散焦三維重建方法重建所述模糊區(qū)域的表面三維形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的包含結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡，其特征在于所述基于幾何方法的散焦三維重建方法的過程如下步驟一、隨機(jī)產(chǎn)生T幅等焦平面圖像獲取每幅等焦平面圖像在物距等于zO處的散焦圖像的光強分布Iy，同時獲得物距等于zl的每幅等焦平面圖像的散焦圖像的光強分布 I2, j ；其中，j = 1，2，· · ·，T，IOmm 彡 zO 彡 20mm, IOmm 彡 zl 彡 20mm ；步驟二、基于{(Ii,」，I2,j) |j = 1，2，...，Τ}構(gòu)建訓(xùn)練樣本集，引入圖像對Ij = (I1, j，I2, P ；步驟三、按照均差最小原則，有其中J表示復(fù)原的等焦平面圖像，云表示圖像的深度信息估計，Hs表示深度為S時對應(yīng)的線性散焦變換算子；步驟四、對每個深度級別s求解一個對應(yīng)的線性算子〃 ，使得||孖最小，從而獲得每個深度級別S對應(yīng)的線性算子Μ .其中Is表示一個深度為S的散焦圖像對；步驟五、在內(nèi)窺鏡成像時，調(diào)整相機(jī)獲得兩幅圖像I = (I1, 12)，利用步驟四得到的 Η±，根據(jù)公式i = argmillIIii^IffII2，獲得圖像的深度信息，進(jìn)而實現(xiàn)對圖像的三維重建。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的包含結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡，其特征在于步驟四所述內(nèi)容的具體過程為對每個深度級別s求解一個對應(yīng)的線性算子，使得最小，其中Is表示一個深度為S的散焦圖像對；構(gòu)建一個大間隔學(xué)習(xí)規(guī)劃問題來學(xué)習(xí)線性算子〃 :如果L對應(yīng)的深度信息為S，則yu= 1，否則Yia = O;其中，μ =0.5，為折中參數(shù)； 利用Stiefel流形上的梯度下降法，求解獲得線性算子。
全文摘要
包含結(jié)構(gòu)光三維成像系統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡，它涉及一種醫(yī)用內(nèi)窺鏡，它解決了在擴(kuò)張鼻內(nèi)腔腦外科手術(shù)中，由于常規(guī)立體觀測技術(shù)受空間限制而不能直接應(yīng)用于醫(yī)用內(nèi)窺鏡的問題。本發(fā)明的醫(yī)用內(nèi)窺鏡，它包括工作鏡管，所述工作鏡管包括成像通道和照明通道，所述照明通道內(nèi)置照明光纖，它還包括計算處理模塊，所述計算處理模塊的信號輸入端連接成像通道的電信號輸出端；它還包括結(jié)構(gòu)光通道，所述結(jié)構(gòu)光通道置于照明通道內(nèi)，照明光纖的末端輸出的光束由結(jié)構(gòu)光通道接收，該光束經(jīng)過結(jié)構(gòu)光通道后產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光，且所述結(jié)構(gòu)光由結(jié)構(gòu)光通道輸出至照明通道外。本發(fā)明克服了已有技術(shù)的不足，可用于擴(kuò)張鼻內(nèi)腔腦外科手術(shù)中。
文檔編號A61B1/05GK102283626SQ20111026146
公開日2011年12月21日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者吳秋峰, 左旺孟, 王寬全, 紀(jì)筱鵬, 陳彥軍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)