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(duì)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(kāi)術(shù)采用切開(kāi)病人的頭骨或面部骨骼的手術(shù)方式，往往會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞病人的容貌，而且需要較長(zhǎng)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(shí)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(huì)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(gè)子系統(tǒng)(1)用于實(shí)時(shí)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(gè)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(gè)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(duì)器官表面成像，照明通道0-6則用來(lái)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(cè)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(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(gè)人經(jīng)驗(yàn)做出主觀判斷。因而精確的三維可視化場(chǎng)景將會(huì)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(jià)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(guò)鼻腔到達(dá)頭骨底部區(qū)域，一些常規(guī)的立體觀測(cè)技術(shù)如多目立體視覺(jué)往往由于空間限制而不能直接應(yīng)用。 迄今為止，國(guó)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(bào)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(cè)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(wèn)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(jì)算處理模塊，所述計(jì)算處理模塊的信號(hào)輸入端連接成像通道的電信號(hào)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(guò)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(guò)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(jì)算處理模塊用于對(duì)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(jì)算處理模塊對(duì)成像通道獲得的圖像進(jìn)行三維重建的具體過(guò)程為對(duì)于目標(biāo)中清晰區(qū)域，通過(guò)提取柵格角點(diǎn)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(duì)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(guò)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(lái)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(guò)結(jié)構(gòu)光三維重建方法實(shí)現(xiàn)的，沒(méi)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(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖2和圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)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(jì)算處理模塊4，所述計(jì)算處理模塊4的信號(hào)輸入端連接成像通道1的電信號(hào)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(guò)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(jiàn)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(gè)點(diǎn)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(cè)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(lái)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(jiàn)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(guò)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(jì)的關(guān)鍵元件，它需要具備以下特點(diǎn)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(shí)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(shù)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(wú)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(shí)，距離1^2由兩個(gè)因素決定，所述兩個(gè)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(duì)EEN臨床特征的統(tǒng)計(jì)研究進(jìn)行估算，如對(duì)鼻內(nèi)窺鏡成像時(shí)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(duì)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(shí)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(zhǎng)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(duì)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(lái)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(jì)算處理模塊4，用于對(duì)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(jì)算處理模塊4對(duì)成像通道1獲得的圖像進(jìn)行三維重建的具體過(guò)程為對(duì)于目標(biāo)中清晰區(qū)域，通過(guò)提取柵格角點(diǎn)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(duì)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(guò)程可參考下述過(guò)程對(duì)于物體上任意一點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)定義在CXD的中心(<;蛇)，投影鏡頭圖像坐標(biāo)系(up，vp)的原點(diǎn)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(diǎn)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(jì)算處理模塊 G)，所述計(jì)算處理模塊(4)的信號(hào)輸入端連接成像通道(1)的電信號(hào)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(guò)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(guò)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(jì)算處理模塊(4)用于對(duì)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(jì)算處理模塊(4) 對(duì)成像通道(1)獲得的圖像進(jìn)行三維重建的具體過(guò)程為對(duì)于目標(biāo)中清晰區(qū)域，通過(guò)提取柵格角點(diǎn)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(duì)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(guò)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(qiáng)分布Iy，同時(shí)獲得物距等于zl的每幅等焦平面圖像的散焦圖像的光強(qiáng)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(duì)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(jì)，Hs表示深度為S時(shí)對(duì)應(yīng)的線性散焦變換算子；步驟四、對(duì)每個(gè)深度級(jí)別s求解一個(gè)對(duì)應(yīng)的線性算子〃 ，使得||孖最小，從而獲得每個(gè)深度級(jí)別S對(duì)應(yīng)的線性算子Μ .其中Is表示一個(gè)深度為S的散焦圖像對(duì)；步驟五、在內(nèi)窺鏡成像時(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)程為對(duì)每個(gè)深度級(jí)別s求解一個(gè)對(duì)應(yīng)的線性算子，使得最小，其中Is表示一個(gè)深度為S的散焦圖像對(duì)；構(gòu)建一個(gè)大間隔學(xué)習(xí)規(guī)劃問(wèn)題來(lái)學(xué)習(xí)線性算子〃 :如果L對(duì)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(cè)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(wèn)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(jì)算處理模塊，所述計(jì)算處理模塊的信號(hào)輸入端連接成像通道的電信號(hào)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(guò)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(hào)A61B1/05GK102283626SQ20111026146
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)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(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)