用于剛性聯(lián)接的圖像傳感器和內(nèi)窺鏡的機械圖像旋轉(zhuǎn)的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]科技的進步帶動了醫(yī)用成像能力的發(fā)展。由于構(gòu)成內(nèi)窺鏡的部件的進步，內(nèi)窺鏡式外科手術(shù)成為享受這些最有利進步的領(lǐng)域之一。
[0002]在例如關(guān)節(jié)鏡手術(shù)和腹腔鏡手術(shù)中使用的傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡被設(shè)計為使得圖像傳感器被放置在裝置近側(cè)端部的手持件單元內(nèi)。在這樣的構(gòu)型中，內(nèi)窺鏡單元必須通過一組復雜的精確聯(lián)接的光學部件，以最小的損失和失真將入射光沿著傳感器的長度傳入傳感器。由于部件價格昂貴且采用勞動密集型制造工藝，所以內(nèi)窺鏡單元的成本主要取決于光學器件。此外，此類范圍為精密機械，并且相對微小的沖擊就可輕易損壞其部件或干擾其相對校準程度。為了維持圖像質(zhì)量，需要頻繁而昂貴的維修周期。
[0003]此問題的解決方案之一是將圖像傳感器置于內(nèi)窺鏡內(nèi)的遠側(cè)端部處，從而可能獲得類似于在手機相機中普遍實現(xiàn)的光學簡單性、穩(wěn)健性和經(jīng)濟性。然而，此方法的可接受的解決方案非常重要，因其引入了自有的一套工程挑戰(zhàn)，而不僅僅是傳感器必須設(shè)置在非常有限的面積內(nèi)這一事實。
[0004]對傳感器面積的強制約束自然而然地推動了向著更少和/或更小像素的方向發(fā)展。降低像素數(shù)將直接影響空間分辨率。像素面積減小將降低可用信號容量和靈敏度。信號容量降低又將減小動態(tài)范圍，即相機從大范圍亮度場景中同時捕獲所有有用信息的能力。存在多種方法，不僅可延伸像素本身的動態(tài)范圍，還可延伸成像系統(tǒng)的動態(tài)范圍。然而這些方法均存在某些類型的缺陷(例如分辨率或幀率方面的缺陷)，并且這些缺陷會引入不可取的人工痕跡，在極端情況下會成為難題。靈敏度降低的結(jié)果是需要更大的光功率才能將場景中的較暗區(qū)域調(diào)整至可接受的信號水平。減小光圈數(shù)也可彌補靈敏度損失，但會造成空間變形和焦深減小。
[0005]將圖像傳感器置于內(nèi)窺鏡式裝置的遠側(cè)端部引入了新的挑戰(zhàn)，而當將圖像傳感器遠離內(nèi)窺鏡式裝置的遠側(cè)端部設(shè)置時并不存在這些挑戰(zhàn)。例如，在手術(shù)期間，用戶或操作人員通常會旋轉(zhuǎn)或改變內(nèi)窺鏡式裝置的角度，因此，圖像傳感器將改變方向，顯示在屏幕上的圖像水平線也將改變。需要將容納圖像傳感器的裝置和系統(tǒng)設(shè)置于內(nèi)窺鏡式裝置的遠側(cè)端部，同時不改變方向并為使用者或操作人員保持恒定的圖像水平線。正如將要看到的那樣，本公開提供的裝置和系統(tǒng)可高效完美地滿足上述要求。
【附圖說明】
[0006]本公開的非限制性具體實施和不完全具體實施參照以下附圖進行描述，其中不同視圖中的類似附圖標號是指類似部件，除非另外指明。參照以下【具體實施方式】和附圖，可更好地理解本公開的優(yōu)點，其中:
[0007]圖1為內(nèi)窺鏡式系統(tǒng)的側(cè)面剖視圖，示出了位于內(nèi)窺鏡的尖端處的剛性聯(lián)接圖像傳感器，并進一步示出了根據(jù)一個具體實施的固定式內(nèi)腔和可旋轉(zhuǎn)外腔；
[0008]圖2為圖1的內(nèi)窺鏡式系統(tǒng)的側(cè)面剖視圖，以分解圖形式示出了內(nèi)腔和外腔及其各自的光學部件；
[0009]圖3為根據(jù)一個具體實施的圖1中所示的內(nèi)窺鏡尖端的放大的詳細視圖；
[0010]圖4為根據(jù)一個具體實施的內(nèi)窺鏡尖端的放大的詳細視圖；
[0011]圖5示出內(nèi)窺鏡式裝置的一個具體實施，示出了外腔沿內(nèi)窺鏡的遠側(cè)透鏡和棱鏡旋轉(zhuǎn)同時保持圖像傳感器的位置以形成廣角視野的能力；
[0012]圖6示出內(nèi)窺鏡式裝置的一個具體實施，其中外腔相對于圖5中的視圖進行180度旋轉(zhuǎn)，與圖5相比以及根據(jù)一個具體實施示出有限的視野；
[0013]圖7A和圖7B分別示出了單片傳感器的具體實施的透視圖和側(cè)視圖，此單片傳感器具有根據(jù)本公開教導內(nèi)容和原理的用于生成三維圖像的多個像素陣列；
[0014]圖8A和圖8B分別示出了在多個基板上構(gòu)建的圖像傳感器的具體實施的透視圖和側(cè)視圖，其中形成像素陣列的多個像素列位于第一基板上，并且多個電路列位于第二基板上，并示出了一個像素列至其相關(guān)聯(lián)或?qū)碾娐妨兄g的電氣連接和通信；并且
[0015]圖9A和圖9B分別示出了圖像傳感器的具體實施的透視圖和側(cè)視圖，該圖像傳感器具有多個用于生成三維圖像的像素陣列，其中多個像素陣列與圖像傳感器構(gòu)建在多個基板上。
【具體實施方式】
[0016]本公開涉及用于剛性聯(lián)接圖像傳感器可進行圖像旋轉(zhuǎn)的內(nèi)窺鏡式裝置和系統(tǒng)。本公開允許遠側(cè)棱鏡旋轉(zhuǎn)，從而改變用戶或操作人員的視角，同時傳感器保持固定位置不變。這樣，在使用傳統(tǒng)剛性內(nèi)窺鏡系統(tǒng)方面具有豐富經(jīng)驗的用戶或操作人員可采用與預期相同的方式使用本裝置。用戶或操作人員可旋轉(zhuǎn)外腔，從而改變視角，同時傳感器仍然保持在固定位置，屏幕上可視的圖像也保持在恒定水平線上。棱鏡旋轉(zhuǎn)時傳感器可以不旋轉(zhuǎn)，這樣用戶將不會失去方向。
[0017]本公開的下述【具體實施方式】將參考作為本文一部分的附圖，其中以圖示方式示出了可實踐本公開的特定具體實施。應當理解，可以在不脫離本公開范圍的前提下利用其他具體實施以及改變結(jié)構(gòu)。
[0018]應當注意，如本說明書和所附權(quán)利要求中使用的單數(shù)形式“一種”、“一個”和“該”包括多個指代物，除非上下文中明確指出相反情況。
[0019]如本文所用，術(shù)語“包含”、“包括”、“含有”、“其特征在于”以及語法結(jié)構(gòu)上等效的詞為包含的術(shù)語或開放式術(shù)語，不排除其他未敘述的要素或方法步驟。
[0020]另外，在適當?shù)那闆r下，可在一個或多個硬件、軟件、固件、數(shù)字部件或模擬部件中執(zhí)行本文所描述的功能。例如，可對一個或多個專用集成電路(ASIC)進行編程，以執(zhí)行本文所述的一個或多個系統(tǒng)和程序。下文整個【具體實施方式】和權(quán)利要求中使用的某些術(shù)語是指特定的系統(tǒng)部件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應當理解，部件可以通過不同的名稱來指代。本文檔不旨在區(qū)分名稱不同的部件，但要區(qū)分功能不同的部件。
[0021]現(xiàn)在參見附圖，應當理解，圖1不出了根據(jù)本公開的內(nèi)窺鏡式系統(tǒng)100的不例。內(nèi)窺鏡式系統(tǒng)100可以包括控制單元110、手持件120和內(nèi)窺鏡式裝置130。應當理解，在一個具體實施中，控制單元110可以遠離圖像傳感器140 (本文將進行更充分的討論)定位或定位于手持件120內(nèi)。在一個具體實施中，控制單元110可以遠離圖像傳感器140定位，并且可以在不脫離本公開范圍的情況下容納在基座單元處。
[0022]在一個具體實施中，手持件120可以包括主體122，該主體可以相對于內(nèi)窺鏡式裝置130的內(nèi)腔131固定并附接到其上。手持件120還可以包括彈簧加載機構(gòu)。彈簧加載機構(gòu)可包括鄰近主體122定位的彈簧帽124。彈簧帽124可固定并附接到內(nèi)窺鏡130的內(nèi)腔131。彈簧帽124中至少存在一個彈簧126，并且該彈簧可以作為彈簧加載機構(gòu)的一部分。該彈簧加載機構(gòu)可以用作在遠側(cè)透鏡支架148與近側(cè)透鏡支架144之間保持連續(xù)接觸，下文將相對于圖3對此進行更充分的討論。系統(tǒng)100還可以包括附接到彈簧套152的旋轉(zhuǎn)桿150。彈簧套152可以附接到外腔133，使得旋轉(zhuǎn)桿150和彈簧套152均可以相對于內(nèi)腔131旋轉(zhuǎn)。隨著旋轉(zhuǎn)桿150移動，可以操作彈簧126以推動彈簧帽124和彈簧套152，從而在遠側(cè)透鏡支架148與近側(cè)透鏡支架144之間實現(xiàn)連續(xù)接觸。應當理解，可以操作彈簧126以維持軸向壓力并確保透鏡元件146之間保持恒定距離，從而允許在不發(fā)生軸向移動或失去焦點的情況下進行旋轉(zhuǎn)。
[0023]應當理解，外腔133可以與手持件120機械連接。在一個具體實施中，外腔133在與手持件120的