用于外科手術(shù)的視頻捕獲和顯示的數(shù)字系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于外科手術(shù)的視頻捕獲和顯示的數(shù)字系統(tǒng)
[0001]背景
[0002]1.
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，并且更具體地涉及數(shù)字化的外科手術(shù)捕獲和顯示。
[0004]2.對(duì)相關(guān)技術(shù)的討論
[0005]當(dāng)前可利用的用于顯微鏡外科手術(shù)操作的技術(shù)使用傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡。基礎(chǔ)的傳統(tǒng)外科手術(shù)顯微鏡由高質(zhì)量光學(xué)部件、變焦物鏡、供用戶觀看的目鏡和XY電機(jī)構(gòu)成。用戶(或外科醫(yī)生)通過直接光學(xué)通道看到相關(guān)對(duì)象。存在有折疊顯微鏡中的光線的技術(shù)，用于為用戶設(shè)計(jì)更舒適且符合人體工學(xué)的結(jié)構(gòu)。然而，因?yàn)轱@微鏡基于直接光線通道，所以顯微鏡在其定位和移動(dòng)目鏡的能力和靈活性方面受到限制。另外，由于顯微鏡的傳統(tǒng)直接觀看方法，所以在沒有數(shù)字裝置和傳感器的情況下，用戶不能從數(shù)字領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)中受益。
[0006]在對(duì)顯微鏡的延長(zhǎng)使用(特別地，外科手術(shù)操作)期間，用戶必須在長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)將其頭部定位到固定于顯微鏡。用戶長(zhǎng)時(shí)間將其頭部保持在顯微鏡中會(huì)引起頸部疼痛。
[0007]當(dāng)前可利用的內(nèi)窺鏡操作(腹腔鏡檢查、結(jié)腸鏡檢查等)技術(shù)包括將視頻投影到固定在手術(shù)室(OR)中的(一個(gè)或多個(gè))大型監(jiān)視器上。內(nèi)窺鏡耦接至數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。攝像機(jī)視頻被投影到大型顯示器上。全體工作人員特別是主治外科醫(yī)生必須在他們的頭部固定于監(jiān)視器方向時(shí)觀看手術(shù)。工作人員缺乏移動(dòng)他們的頭部、觀看彼此和他們的儀器的能力，這使得外科手術(shù)更加復(fù)雜、有風(fēng)險(xiǎn)并且增加了手術(shù)時(shí)間(在一些情況下，還可能導(dǎo)致工作人員的數(shù)量的增加)。對(duì)于外科醫(yī)生協(xié)助人員而言，因?yàn)樗麄儾荒芸吹酵饪漆t(yī)生的直接動(dòng)作并且不能共享其視角，所以很難進(jìn)行輔助。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的一種實(shí)施方式提供了以下一種系統(tǒng):該系統(tǒng)將來自外科手術(shù)可視化儀器(例如顯微鏡、腹腔鏡)的數(shù)據(jù)、來自現(xiàn)有醫(yī)療成像儀器(例如MRI和CT掃描)的數(shù)據(jù)、患者病史以及在手術(shù)室(OR)中可得到的當(dāng)前生命體征進(jìn)行整合。新系統(tǒng)還使用戶與任意固定儀器分離，從而使得環(huán)境更加符合人體工學(xué)。該系統(tǒng)可以顯示來自O(shè)R中的儀器的參考數(shù)據(jù)以及3D路線圖。所述數(shù)據(jù)可以來自捕獲實(shí)時(shí)3D數(shù)據(jù)的成像儀器。另一方法是接收從不同角度進(jìn)行捕獲的數(shù)據(jù)，并且該系統(tǒng)將生成3D數(shù)據(jù)以用于顯示。
[0009]本發(fā)明的另一實(shí)施方式提供了一種替換傳統(tǒng)光學(xué)外科手術(shù)顯微鏡的、同時(shí)保持顯微鏡的光學(xué)分辨率和視場(chǎng)(FOV)的數(shù)字系統(tǒng)。兩個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)用于從略微不同的角度捕獲操作區(qū)域的、隨后要向每個(gè)眼睛顯示的圖像，從而提供3D成像。用于從不同角度捕獲圖像的另一方法可以利用一個(gè)具有專用光學(xué)組件的攝像機(jī)。攝像機(jī)捕獲與由外科手術(shù)顯微鏡捕獲的最大FOV對(duì)應(yīng)的大F0V。圖像被顯示到雙顯示頭戴式設(shè)備上。用戶注視方向(用戶視野的視線)通過頭部跟蹤器和眼球跟蹤器進(jìn)行測(cè)量。所捕獲的圖像和注視方向被傳送至系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。根據(jù)注視方向，計(jì)算機(jī)從攝像機(jī)圖像獲得相關(guān)的關(guān)注區(qū)域(ROI)，并且將它們饋送到特別設(shè)計(jì)的顯示系統(tǒng)中。應(yīng)當(dāng)理解的是，ROI可以具有任意形狀，并且可以出于應(yīng)用的目的對(duì)ROI進(jìn)行裁剪。
[0010]在另一實(shí)施方式中，可以使用來自鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏和接口的輸入來選擇ROI。除了 3D成像之外，雙顯示系統(tǒng)在用戶的當(dāng)前關(guān)注區(qū)域處提供高分辨率(其與人眼的分辨率相當(dāng))的視頻。顯示器可以被設(shè)計(jì)成在其整個(gè)視場(chǎng)呈現(xiàn)高分辨率，或者可以被設(shè)計(jì)成在外圍FOV保持低分辨率以用于情景認(rèn)知。根據(jù)一種實(shí)施方式，可以通過跟蹤外科醫(yī)生所持有的工具(例如外科手術(shù)刀)的尖端來得到R0I。用這種方式，隨著手術(shù)進(jìn)行ROI被實(shí)時(shí)更新。
[0011]本發(fā)明的又一實(shí)施方式提供了針對(duì)不需要光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用的數(shù)字系統(tǒng)。所述應(yīng)用可以(但不僅僅)涉及以下領(lǐng)域中的成像:骨外科、婦外科、耳鼻喉科、神經(jīng)外科、腫瘤外科、兒科、口腔頒面、整形外科、導(dǎo)管插入術(shù)、腹腔鏡檢查以及結(jié)腸鏡檢查。視頻源由計(jì)算機(jī)與頭部跟蹤器一起捕獲。在該系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)獲得相關(guān)的ROI (如果存在的話)，并且將圖像傳送至顯示器。根據(jù)應(yīng)用和視頻源的特性允許2D或3D的顯示器可以是單目式或雙目式。透視型顯示器允許了用戶的周邊視覺。在本申請(qǐng)中這里所稱的ROI不僅可以包括在圖像內(nèi)ROI的位置，而且還可以包括與視角、要觀看的對(duì)象的類型有關(guān)的元數(shù)據(jù)，以及可以在ROI內(nèi)呈現(xiàn)的進(jìn)一步的數(shù)據(jù)例如消息和警報(bào)。
[0012]與本發(fā)明的一些實(shí)施方式一致，前述系統(tǒng)可以設(shè)置有諸如以下要素:可以支持多個(gè)用戶具有其自身的一套注視方向跟蹤器和顯示器的處理器和視頻源。出于會(huì)診和教示的目的，還可以將視頻轉(zhuǎn)發(fā)至不同位置；可以記錄視頻，用于將來的分析和展示；主要視頻源的圖像可以是空間穩(wěn)定的，從而允許了以方便于用戶的方向定位其它虛擬儀器，給出了病史、當(dāng)前生命體征、過去的測(cè)試結(jié)果和CT掃描等。頭部跟蹤器可以用于控制手術(shù)室中的可操縱儀器。
【附圖說明】
[0013]為了更好地理解本發(fā)明的實(shí)施方式并且示出可以如何實(shí)施所述實(shí)施方式，現(xiàn)在將僅僅通過示例的方式來參考附圖，其中，貫穿附圖相同的附圖標(biāo)記指示對(duì)應(yīng)的要素或部分。
[0014]在附圖中:
[0015]圖1A為圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的一個(gè)方面的示意性框圖；
[0016]圖1B為圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的另一方面的立體圖；
[0017]圖1C為圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的另一方面的示意性框圖；
[0018]圖1D為圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的另一方面的立體圖；
[0019]圖2A為圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的又一方面的示意性框圖；
[0020]圖2B為圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的又一方面的立體圖；
[0021]圖2C為根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的又一方面的光學(xué)圖；
[0022]圖2D示出了圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的又一方面的曲線圖；
[0023]圖2E示出了圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的又一方面的立體圖；
[0024]圖2F示出了圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的又一方面的圖像；以及
[0025]圖2G示出了圖示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的又一方面的圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0026]現(xiàn)在詳細(xì)且具體地參考附圖，要強(qiáng)調(diào)的是:所示細(xì)節(jié)僅通過示例的方式，并且僅出于對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行說明性討論的目的，以及是為了提供被認(rèn)為是最有用的、并且較容易理解對(duì)本發(fā)明的原理和構(gòu)思方面的描述而呈現(xiàn)。在這一點(diǎn)上，為了基本理解本發(fā)明，在不必要的情況下不嘗試更詳細(xì)地示出本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，結(jié)合附圖進(jìn)行的描述使得對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言可以變得明顯的是:如何在實(shí)踐中實(shí)施本發(fā)明的若干形式。
[0027]在詳細(xì)地說明本發(fā)明的至少一種實(shí)施方式之前，要理解的是，本發(fā)明在其應(yīng)用方面不限于下面描述中所闡述的或附圖中所示的部件的構(gòu)造和布置的細(xì)節(jié)。本發(fā)明適用于其它實(shí)施方式或者以各種方式來實(shí)踐或執(zhí)行。此外，要理解的是，本文所采用的措辭和術(shù)語是出于描述的目的而不應(yīng)被認(rèn)為是進(jìn)行限制。
[0028]本發(fā)明在其實(shí)施方式方面包括如下若干主要構(gòu)造塊:具有大FOV的一個(gè)或多個(gè)高分辨率攝像機(jī)；能夠向用戶投影所期望的分辨率和FOV的頭戴式顯示器；頭部跟蹤器和眼球跟蹤器。本發(fā)明的實(shí)施方式提供與人眼的角分辨率相當(dāng)或者比人眼的角分辨率好的角分辨率，并且能夠具有與外科手術(shù)顯微鏡類似的對(duì)象放大率(放大率高達(dá)約30至40倍)。
[0029]另外，還可以使用如下一些其它要素:照射場(chǎng)景和對(duì)象的光源；處理器；以及接口設(shè)備。所述系統(tǒng)與用戶、手術(shù)室器械和必要的基礎(chǔ)設(shè)施(例如通信設(shè)施)對(duì)接。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，本文提供了用于數(shù)字顯微鏡的兩個(gè)系統(tǒng)。本文還描述了主要用于內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的第三系統(tǒng)。所述系統(tǒng)的許多要素對(duì)于所述兩種系統(tǒng)是共用的，并且下面對(duì)其進(jìn)行描述，隨后詳細(xì)描述所述系統(tǒng)之間的差異。
[0031]所提出的系統(tǒng)可以使用以下共用要素中的部分或全部。一個(gè)這樣的要素為視頻攝像機(jī)。所提出的系統(tǒng)使用攝像機(jī)來捕獲操作區(qū)域的實(shí)時(shí)圖像。圖像被顯示至頭戴式顯示器(HMD)或監(jiān)視器。所述一個(gè)或多個(gè)攝像機(jī)可以替代顯微鏡一一所述攝像機(jī)具有能夠?qū)υ跀?shù)十厘米的距離處的對(duì)象進(jìn)行聚焦的透鏡。