全視野三維表面測量的制作方法
【專利說明】全視野三維表面測量
[0001]對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2013年3月14日提交的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)N0.13/830，477的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的公開內(nèi)容以引用的方式被整體并入此處。
【背景技術(shù)】
[0002]外部和內(nèi)部人體表面的精確三維圖對(duì)于許多醫(yī)療過程是必需的。例如，對(duì)于面部整形手術(shù)或假體的裝配，外部人體表面可能需要被掃描。對(duì)于各種內(nèi)窺鏡過程或基于導(dǎo)管的過程(諸如，虛擬活檢、支架術(shù)、切除、支氣管鏡檢查、esophogastrodenoscopy、腹腔鏡檢查、結(jié)腸鏡檢查、cyctoscopy、或關(guān)節(jié)鏡檢查)，內(nèi)部人體表面可能需要被映像。此外，一些內(nèi)部過程可能在氣態(tài)介質(zhì)中進(jìn)行，諸如支氣管鏡檢查，并且其他過程可能在液態(tài)介質(zhì)中進(jìn)行，諸如關(guān)節(jié)鏡檢查或心血管可視化。
[0003]當(dāng)前的用于三維掃描外部和內(nèi)部人體表面的技術(shù)具有許多缺點(diǎn)?；诩す獾膾呙?諸如激光線掃描)典型地需要病人保持不動(dòng)，其中甚至微小的移動(dòng)也會(huì)影響所述掃描的精度。典型的激光掃描可能需要病人在許多二維切片被收集時(shí)靜止地坐著10至15秒。所述二維切片稍后被重新編譯成表面的三維表示。所述病人在此時(shí)間段期間的移動(dòng)(包括呼吸、震顫、或肌肉反射)可能不利地影響所述掃描的精度。此外，激光掃描設(shè)備自身可能由于激光的固有運(yùn)動(dòng)而將不期望的振動(dòng)弓I入到所述系統(tǒng)中。
[0004]用于內(nèi)部器官測量的通常使用的技術(shù)遭受相似的感應(yīng)誤差，這些方法包括:計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)、光學(xué)相干斷層掃描(0CT)、磁共振成像(MRI)、以及各種超聲方法(US和IVUS)。
[0005]因此，存在對(duì)可以被快速地執(zhí)行并且可以消除由病人和設(shè)備引入的不準(zhǔn)確性的三維表面測量技術(shù)的需要。
【附圖說明】
[0006]圖1示出了本發(fā)明的實(shí)施例。
[0007]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的邏輯流程圖。
[0008]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的測量包。
[0009]圖4A示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的內(nèi)窺鏡。
[0010]圖4B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的內(nèi)窺鏡。
[0011 ]圖4C示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的內(nèi)窺鏡。
[0012]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的末端。
[0013]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的膠囊。
[0014]圖7A示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的導(dǎo)管插入探針。
[0015]圖7B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的導(dǎo)管插入探針。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明涉及實(shí)時(shí)的、全視野的三維(“3-D”)表面復(fù)制。本發(fā)明的實(shí)施例可以被用于以全視野和3-D的方式執(zhí)行表面(諸如人體的外部表面和內(nèi)部表面)的測量。全視野可以例如指的是設(shè)備的傳感器捕捉和計(jì)算包含正被測量的對(duì)象的整個(gè)場景的3-D信息的能力。實(shí)時(shí)可以例如指的是使用足夠快的傳感器曝光或幀速率來最小化或消除可察覺到的目標(biāo)表面運(yùn)動(dòng)。
[0017]本發(fā)明的實(shí)施例可以包括電磁輻射源，其可以被配置為將電磁輻射投射到表面上。所述電磁輻射源可以被配置為以對(duì)應(yīng)于空間信號(hào)調(diào)制算法的圖案投射所述電磁輻射。所述電磁輻射源也可以被配置為以適合于傳輸通過所述輻射在其中被投射的介質(zhì)的頻率投射所述電磁輻射。圖像傳感器可以被配置為捕捉表示所投射的圖案的圖像數(shù)據(jù)。圖像處理模塊可以被配置為從所述圖像傳感器接收所捕捉的圖像數(shù)據(jù)并且使用所捕捉的圖像數(shù)據(jù)和所述空間信號(hào)調(diào)制算法計(jì)算所述表面的全視野3-D表示。顯示裝置可以被配置為顯示所述表面的所述全視野3-D表示。
[0018]本發(fā)明的實(shí)施例可以進(jìn)一步被集成至探針、診斷或治療導(dǎo)管、內(nèi)窺鏡或膠囊中以允許人體的內(nèi)部表面上的全視野3-D表面復(fù)制。這樣的設(shè)備可以在內(nèi)部或外部被引導(dǎo)、轉(zhuǎn)向或推進(jìn)以便被前進(jìn)至腔或心血管系統(tǒng)或者被導(dǎo)航通過腔或心血管系統(tǒng)。
[0019]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的實(shí)時(shí)全視野3-D表面復(fù)制系統(tǒng)100。系統(tǒng)100可以包括測量包102、目標(biāo)表面104、控制器系統(tǒng)106、以及顯示系統(tǒng)108。系統(tǒng)100可以實(shí)現(xiàn)在1995年2月27日提交的美國專利N0.5，581，352(其全部內(nèi)容由此以引用的方式被并入)中描述的空間信號(hào)調(diào)制(SSM)技術(shù)，以復(fù)制人體的外部和內(nèi)部表面的即時(shí)的、可量化的3-D 圖。
[0020]測量包102可以包括照相機(jī)裝置110和輻射源112。所述輻射源112可以通過在輻射發(fā)射裝置和透鏡(未示出)之間以期望的圖案放置滑塊或格柵(未示出)而被制造。所述照相機(jī)裝置110可以是能夠捕捉從所述目標(biāo)表面104反射的圖像數(shù)據(jù)的裝置(例如，電荷耦合裝置(CXD)照相機(jī))。
[0021]控制器系統(tǒng)106 (或圖像處理模塊)可以包括能夠接收由所述照相機(jī)裝置110捕捉的圖像數(shù)據(jù)并且處理所述數(shù)據(jù)以計(jì)算所述目標(biāo)表面104的全視野3-D表示的處理器或狀態(tài)機(jī)。這樣的機(jī)器可以例如包括任何合適的處理平臺(tái)、計(jì)算平臺(tái)、計(jì)算裝置、處理裝置、計(jì)算系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、處理器等等，并且可以使用硬件和/或軟件的任何合適的組合而被實(shí)現(xiàn)。
[0022]顯示系統(tǒng)108可以包括顯示裝置(液晶顯示裝置、發(fā)光二極管顯示裝置，等等)，用以從所述控制器系統(tǒng)106接收目標(biāo)表面104的所述全視野3-D表示并且顯示所述表面104的數(shù)字表示以被用戶分析。
[0023]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖1的復(fù)制系統(tǒng)100的操作的邏輯流200。在操作期間，輻射源112可以根據(jù)空間信號(hào)調(diào)制算法將電磁輻射的圖案投射到目標(biāo)表面104上(步驟202)。該圖案可以采用例如電磁輻射的平行帶的外觀。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所投射的空間輻射信號(hào)的載波頻率可以取決于所述信號(hào)正在傳播通過的介質(zhì)。例如，人的血液在某些紅外頻率下相對(duì)于在可見的藍(lán)色范圍內(nèi)的更短波長下要更透明大約2，500倍。如果使用的輻射的波長大于對(duì)象，則使用電磁輻射來“觀看”所述對(duì)象也是不可能的。因此，所述發(fā)射器載波頻率可以基于鄰近目標(biāo)表面的介質(zhì)(空氣、血液、粘液、尿液等等)的一個(gè)或多個(gè)特性(顆粒大小、顏色、顆粒的量，等等)而被挑選。
[0024]所述空間信號(hào)可以從所述目標(biāo)表面104反射回至所述照相機(jī)裝置110。所述照相機(jī)裝置110可以捕捉通過與所述表面104交互而被改變/調(diào)制的反射的空間信號(hào)(步驟204)。變形的投射的所捕捉的反射圖像包含空間編碼的3-D表面信息。表示所反射的(和變形的)空間信號(hào)的數(shù)據(jù)可以被傳輸至所述控制器系統(tǒng)106用于處理(步驟206)。
[0025]控制器系統(tǒng)106可以包括圖像處理模塊并且可以使用已有的關(guān)于各種信號(hào)參數(shù)的信息來隔離包含所述3-D形狀信息的所反射的空間信號(hào)的內(nèi)容。所述形狀信息可以被用于數(shù)學(xué)地重建目標(biāo)表面104的所述3-D形狀(步驟208)?？刂破飨到y(tǒng)106可以向所述顯示系統(tǒng)108傳送對(duì)應(yīng)于所計(jì)算的所述表面104的表示的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以顯示表示所述表面104的3-D視圖的數(shù)字圖像。
[0026]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的測量包300。測量包300可以包括輻射源302、照相機(jī)/透鏡裝置304、儀表端口 306和沖洗模塊308。輻射源302和照相機(jī)/透鏡裝置304 (其分別與圖1中的輻射源112和照相機(jī)裝置110相似)被用于實(shí)現(xiàn)上面所描述的SSM技術(shù)。
[0027]儀表端口 306可以是允許插入寬組合的外科手術(shù)裝置的中空管，所述外科手術(shù)裝置可以在手術(shù)期間被互換以符合醫(yī)生的當(dāng)前需要。所述沖洗模塊308可以包括通道，該通道引入壓力下的惰性流體(例如，鹽水)以在手術(shù)期間清除掉所述照相機(jī)/透鏡304的外部的碎片。儀表端口 306和沖洗模塊308是測量包300的可選的特征。
[0028]測量包300可以在系統(tǒng)(相似于圖1的系統(tǒng)100)中被實(shí)現(xiàn)，其用以將具有特定頻率的輻射圖案投射到表面上，捕捉所述輻射圖案的變形的反射，并且處理所述變形