具有深度確定裝置的內(nèi)窺鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于確定空腔(40)的部分區(qū)域的深度的內(nèi)窺鏡(1)，所述內(nèi)窺鏡包括用于將圖案投影到空腔(40)的表面(41)上的投影通道(2)和成像通道(3)，所述成像通道設(shè)置用于使被投影的圖案的由空腔(40)的表面(41)反射的圖像成像，其中，投影通道(2)具有至少一個用于產(chǎn)生圖案的衍射光學元件(4)、準直器(6)和聚焦透鏡(8)。按照本發(fā)明，所述聚焦透鏡(8)布置在準直器(6)與衍射光學元件(4)之間。
【專利說明】具有深度確定裝置的內(nèi)窺鏡
[0001]本發(fā)明涉及一種用于確定空腔的部分區(qū)域的深度的內(nèi)窺鏡。
[0002]微創(chuàng)手術(shù)的數(shù)量在這些年持續(xù)上升。在此，能夠確定患者體內(nèi)待檢查的空腔的深度并且同時進行成像方法的內(nèi)窺鏡(3D內(nèi)窺鏡)起到越來越重要的作用。按照現(xiàn)有技術(shù)，為了確定例如患者的腹腔深度，開設(shè)多個入口(Ports)。然而，在微創(chuàng)手術(shù)中試圖使入口的數(shù)量最少化。
[0003]為了實現(xiàn)入口的最少化，試圖這樣對按照現(xiàn)有技術(shù)已知的內(nèi)窺鏡進行補充，從而基本上實現(xiàn)深度的確定。這種3D內(nèi)窺鏡的主要缺點在于，可供構(gòu)造和集成用于確定深度的光學器件的結(jié)構(gòu)空間很小。由此尤其影響了光學器件的分辨率、圖像質(zhì)量、深度清晰度和視野，由此在整體上降低了已知的3D內(nèi)窺鏡的深度確定的光學性能。
[0004]按照現(xiàn)有技術(shù)已知的3D內(nèi)窺鏡通常應(yīng)用用于確定深度的立體鏡的原理。為此，將兩個分別包括成像光學器件的成像通道導(dǎo)引通過3D內(nèi)窺鏡。由借助兩個成像通道從不同視角檢測的空腔圖像，可以由圖像的像點之差實現(xiàn)對空腔的深度確定。立體鏡的根本問題在于對應(yīng)問題。由借助一個成像通道成像的第一圖像的像點和借助另一成像通道成像的第二圖像的像點的改變的位置實現(xiàn)深度確定。在此，第一圖像中的像點和第二圖像中的像點必須能夠識別為相同的像點。如果沒有這種可識別性，則存在對應(yīng)問題。
[0005]對于較小紋理的表面例如血液或者對于有機組織，通常只有很少數(shù)量的像點可供使用，從而加劇了在微創(chuàng)手術(shù)中應(yīng)用立體鏡的對應(yīng)問題。
[0006]為了解決對應(yīng)問題，現(xiàn)有技術(shù)建議了所謂的主動三角測量方法，其中，在主動三角測量中，3D內(nèi)窺鏡的成像通道由投影通道所取代。由此，盡管在很大程度上解決了對應(yīng)問題，但不利地降低了 3D內(nèi)窺鏡的成像光學器件的光學性能。這種降低特別在微創(chuàng)手術(shù)中是不允許的。
[0007]用于確定深度的顏色編碼的三角測量方法也被證明是有問題的，因為有機組織通常由血液包圍，所以所投影的顏色圖案的藍色和綠色部分幾乎被完全吸收。由此在顏色圖案的圖像中形成錯誤位置，其又會導(dǎo)致對應(yīng)問題。
[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，改善內(nèi)窺鏡的光學深度確定。
[0009]該技術(shù)問題按本發(fā)明通過具有獨立權(quán)利要求1所述特征的裝置和具有獨立權(quán)利要求13所述特征的方法解決。在從屬權(quán)利要求中給出本發(fā)明的有利的設(shè)計方案和擴展設(shè)計。
[0010]按照本發(fā)明的用于確定空腔的部分區(qū)域的深度的內(nèi)窺鏡包括至少一個用于將圖案投影到空腔的表面上的投影通道和至少一個成像通道，所述成像通道設(shè)置用于使被投影的圖案的由空腔的表面反射的圖像光學地成像，其中，投影通道具有至少一個用于產(chǎn)生圖案的衍射光學元件。
[0011]按照本發(fā)明，借助衍射光學元件產(chǎn)生實現(xiàn)空腔的部分區(qū)域的深度確定的圖案。衍射光學元件(簡稱D0E)是設(shè)計用于使光線在空間上結(jié)構(gòu)化的光學元件，其中，借助衍射(Diffrakt1n)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化。光學格柵例如是衍射光學元件。借助衍射光學元件產(chǎn)生圖案，尤其是點狀圖案，在對所述圖案進行分析之后實現(xiàn)對空腔部分區(qū)域的深度確定。
[0012]通過將衍射光學元件布置在內(nèi)窺鏡的投影通道內(nèi)，可以有利地例如借助其它光學部件形成DOE投影儀。在此，DOE投影儀是不包括幻燈機(Dias)但包括衍射光學元件的投影儀。特別有利的是，這種DOE投影儀的所需結(jié)構(gòu)空間相對具有幻燈機的投影儀來說更小。
[0013]優(yōu)選通過DOE投影儀的較小空間需求實現(xiàn)投影通道與成像通道之間盡可能大的間距。這是有利的，因為所述間距相當于三角測量的三角測量基線，其中，增大的三角測量基線尤其改善內(nèi)窺鏡的深度分辨率。
[0014]按照本發(fā)明建議一種用于確定空腔的部分區(qū)域的深度的方法，其中，使用具有投影通道和成像通道的內(nèi)窺鏡，所述投影通道包括衍射光學元件、準直器和布置在準直器與衍射光學元件之間的聚焦透鏡，其中，借助投影通道將圖案投影到空腔的表面上，并且借助成像通道使圖案的由表面反射的圖像成像，其中，借助衍射光學元件產(chǎn)生圖案。
[0015]按照本發(fā)明，將借助衍射光學元件產(chǎn)生的圖案投影到空腔部分區(qū)域的表面上并且借助成像通道使圖案的由表面反射的圖像成像。由此形成與已經(jīng)闡述的按照本發(fā)明的內(nèi)窺鏡同類和同等價值的優(yōu)點。
[0016]按照本發(fā)明，投影通道包括準直器和聚焦透鏡，其中，所述聚焦透鏡布置在準直器與衍射光學元件之間。
[0017]引入投影通道中的光線借助透鏡被準直。按照本發(fā)明，投影通道包括另一透鏡，其將引入投影通道中的光線聚焦到內(nèi)窺鏡的工作距離上。先提到的透鏡構(gòu)成準直器，多個透鏡構(gòu)成準直器光學器件，并且后提到的透鏡構(gòu)成聚焦透鏡。在此，設(shè)有衍射光學元件，其在產(chǎn)生圖案時考慮到光線的聚焦。
[0018]優(yōu)選地，所述衍射光學元件、準直器和聚焦透鏡布置在投影通道的部分區(qū)域內(nèi)，所述部分區(qū)域相對于光軸具有最大5mm的軸向延伸。
[0019]在此，光軸在部分區(qū)域內(nèi)優(yōu)選與投影通道的對稱軸共軸地延伸。在此規(guī)定，所述準直器、聚焦透鏡和衍射光學元件相對于光軸共軸地布置在投影通道中。通過將衍射光學元件、準直器和聚焦透鏡布置在具有最大5_的軸向延伸的部分區(qū)域中，形成了布置在內(nèi)窺鏡的投影通道中的DOE投影儀。所述DOE投影儀優(yōu)選具有較小的結(jié)構(gòu)空間需求，因此DOE投影儀能夠安裝在按照現(xiàn)有技術(shù)已知的內(nèi)窺鏡中。為此，準直器優(yōu)選具有最大Imm的直徑。通過所述準直器的較小直徑，可以有利地增大三角測量基線，由此改善內(nèi)窺鏡的深度分辨率。
[0020]按照本發(fā)明的一種有利的設(shè)計方案，所述成像通道的橫截面大于所述投影通道的橫截面。
[0021]通過垂直于相應(yīng)通道的光軸剖切得到的成像通道或者投影通道的剖面形成的面分別稱為橫截面。
[0022]投影通道的相對于成像通道減小的橫截面有利地足夠用于將DOE投影儀布置在投影通道內(nèi)。由于DOE投影儀的較小結(jié)構(gòu)空間需求，節(jié)約了在內(nèi)窺鏡中可供使用的結(jié)構(gòu)空間，因此可以將更多的結(jié)構(gòu)空間用于成像通道，并且由此用于改善布置在成像通道中的成像光學器件。
[0023]所述投影通道的橫截面優(yōu)選小于等于2mm2。
[0024]由此有利地形成特別小的投影通道，因此可以進一步在內(nèi)窺鏡中省出結(jié)構(gòu)空間。在此，所述成像通道的橫截面優(yōu)選至少為2mm2。所述成像通道的橫截面尤其處于25mm2至64_2的范圍內(nèi)，其中，可以設(shè)置更大的成像通道。
[0025]按照本發(fā)明的一種有利的設(shè)計方案，投影通道與單模光纖光學耦合。
[0026]由此將借助單模光纖(英語:Single-ModeFiber; SMF)導(dǎo)引的光線借助單模光纖引入投影通道內(nèi)。所述單模光纖有利地只導(dǎo)引一種光模式，由此避免了在可能導(dǎo)致投影圖案受干擾的多個光模式之間的干涉。
[0027]優(yōu)選地，所述單模光纖與激光器耦合，其中，激光器的光線通過單模光纖導(dǎo)入投影通道中。在此，激光的波長為了最佳地產(chǎn)生例如藍色光譜范圍內(nèi)的點對比度而可以與手術(shù)中的應(yīng)用適配。特別有利的是，用干涉濾波器通過將激光用作光源減少日光和/或人造光的干擾影響。
[0028]在一種優(yōu)選的擴展設(shè)計中，所述成像通道與用于拍攝被反射的圖案的圖像的攝像機光學親合。
[0029]特別優(yōu)選的是設(shè)計為三芯片攝像機的攝像機。在此，所述攝像機具有用于所拍攝圖像的紅色光譜范圍的芯片、用于綠色光譜范圍的芯片和用于藍色光譜范圍的芯片。由此有利地使被反射且借助成像通道成像的圖案幾乎完全地成像。
[0030]在本發(fā)明的一種優(yōu)選的設(shè)計方案中，所述內(nèi)窺鏡包括至少一個器械通道。
[0031]有利地，通過器械通道可以將微創(chuàng)手術(shù)所需的手術(shù)器械引入空腔中。通過將衍射光學元件布置在投影通道中節(jié)約了結(jié)構(gòu)空間，所述結(jié)構(gòu)空間又可以用于器械通道。
[0032]在本發(fā)明的一種有利的設(shè)計方案中，借助衍射光學元件產(chǎn)生點狀圖案。
[0033]在此，點狀圖案的單個點相應(yīng)于衍射光學元件的衍射等級。換而言之，通過引入投影通道內(nèi)的光線的相長干涉和相消干涉，借助衍射光學元件產(chǎn)生點狀圖案。所述點狀圖案投影在空腔的部分區(qū)域的表面上并且通過對點間距的分析確定部分區(qū)域的深度。因此，通過借助衍射光學元件由衍射產(chǎn)生的點狀圖案，有利地減少了在主動三角測量時的對應(yīng)問題。
[0034]本發(fā)明的其它優(yōu)點、特征和細節(jié)由以下根據(jù)附圖描述的實施例給出。在附圖中:
[0035]圖1示出內(nèi)窺鏡的投影通道的局部，其中，投影通道包括衍射光學元件；
[0036]圖2示出具有投影通道和成像通道的內(nèi)窺鏡的剖視圖；并且
[0037]圖3示出具有投影通道和成像通道的內(nèi)窺鏡的另一剖視圖。
[0038]同類的元件在附圖中配設(shè)有相同的附圖標記。
[0039]圖1示出未顯示的內(nèi)窺鏡I的投影通道2的示意性局部。在此，投影通道2按照本發(fā)明地具有衍射光學元件4。在投影通道2內(nèi)部還布置有準直器6和聚焦透鏡8?？梢栽O(shè)置其它光學部件，例如透鏡、鏡面、物鏡和/或光束轉(zhuǎn)向裝置。還可以設(shè)置多個投影通道。投影通道不一定延伸通過整個內(nèi)窺鏡I。例如可以將內(nèi)窺鏡I的包括至少一個衍射光學元件2的部分區(qū)域視為投影通道。
[0040]準直器6、聚焦透鏡8和衍射光學元件4相對于投影通道2的光軸100共軸地布置。在此，所述元件4、6、8布置在投影通道2的部分區(qū)域14中，所述部分區(qū)域14相對于光軸100具有接近3mm的軸向延伸。通過借助衍射光學元件4在內(nèi)窺鏡I的投影通道2內(nèi)形成DOE投影儀，節(jié)約了結(jié)構(gòu)空間，所述結(jié)構(gòu)空間可以用于其它部件，例如用于未顯示的器械通道。
[0041]投影通道2借助單模光纖10與激光器12或者發(fā)光二極管光學耦合。激光器12的光線在單模光纖10中導(dǎo)引并且引入投影通道2，借助準直器6進行準直并且借助聚焦透鏡8進行聚焦。在聚焦透鏡8之后，激光器12的光線導(dǎo)引至衍射光學元件4，因此通過光線在衍射光學元件4上的衍射將點狀圖案投影在空腔40的部分區(qū)域的表面41上。點狀圖案的單個點在此相當于衍射等級102(衍射光線的強度分布的主瓣最大值和旁瓣最大值)。
[0042]衍射光學元件4設(shè)計為，使得點狀圖案的單個點的距離11變化，其中，借助距離11的變化解決或者減少對應(yīng)問題。換而言之，通過例如由點狀圖案在平坦表面上的投影產(chǎn)生(校準)的原始點狀圖案的比較實現(xiàn)被反射圖案的點的配屬。因此，一個點與其相鄰點的變化的距離產(chǎn)生編碼，所述編碼用于解決或者改善對應(yīng)問題。
[0043]在圖2中示出內(nèi)窺鏡I的示意性剖視圖，其中，剖面垂直于投影通道2的光軸100延伸。圖2還示出成像通道3，其中，可以設(shè)置多個成像通道。優(yōu)選的是具有兩個成像通道3和一個投影通道2的內(nèi)窺鏡I。
[0044]通過DOE投影儀在內(nèi)窺鏡I的投影通道2中的布置或者設(shè)計，投影通道2的橫截面16可以明顯小于成像通道3的橫截面18。因此，通過成像通道3的增大的橫截面18顯著改善布置在成像通道3內(nèi)的未顯示的成像光學器件的光學性能。
[0045]投影通道2盡可能布置在內(nèi)窺鏡I的外邊緣區(qū)域。此外，成像通道3布置在內(nèi)窺鏡I的與投影通道2對置的另一外邊緣區(qū)域。由此有利地增大了成像通道3的光瞳20與投影通道2之間的三角測量基線42，由此改善了內(nèi)窺鏡I的深度分辨率。在此，三角測量基線處于5mm至1mm的范圍內(nèi)。
[0046]在圖3中示出內(nèi)窺鏡I的另一示意性剖視圖，其中，剖面垂直于投影通道2和/或成像通道3的光軸100延伸。在圖3中示意性示出的內(nèi)窺鏡I在此具有至少1mm的直徑。在圖3中，成像通道3的橫截面18設(shè)計得盡可能大，使得成像通道3幾乎完全占據(jù)內(nèi)窺鏡I的整個結(jié)構(gòu)空間。這是可行的，因為投影通道2由于使用DOE投影儀或者衍射光學元件4只需要相對較小的橫截面16，這是與具有幻燈機的投影儀相比而言的。由此在整體上進一步改善了內(nèi)窺鏡I的光學性能和光學深度確定過程。
[0047]投影通道2和/或成像通道3可以包括其它光學部件，例如透鏡、鏡面、格柵、分束器和/或棱鏡和/或整體光學設(shè)備，例如物鏡。成像通道3尤其可以借助物鏡構(gòu)成。在此可以將攝像機、例如三芯片攝像機布置在物鏡上和/或集成在物鏡中。在此，通過光線、尤其是借助單模光纖10進行圖像傳導(dǎo)。
[0048]盡管通過優(yōu)選實施例部分地詳細說明和描述了本發(fā)明，但本發(fā)明并不受到所公開例子的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以推導(dǎo)出其它組合，只要不背離本發(fā)明的保護范圍即可。
【主權(quán)項】
1.一種用于確定空腔(40)的部分區(qū)域的深度的內(nèi)窺鏡(I)，包括至少一個用于將圖案投影到空腔(40)的表面(41)上的投影通道(2)和至少一個成像通道(3)，所述成像通道設(shè)置用于使被投影的圖案的由空腔(40)的表面(41)反射的圖像成像，其中，投影通道(2)具有至少一個用于產(chǎn)生圖案的衍射光學元件(4)、準直器(6)和聚焦透鏡(8)，其特征在于，所述聚焦透鏡(8)布置在準直器(6)與衍射光學元件(4)之間。2.按權(quán)利要求1所述的內(nèi)窺鏡(I)，其特征在于，所述衍射光學元件(4)、準直器(6)和聚焦透鏡(8)布置在投影通道(2)的部分區(qū)域(14)內(nèi)，其中，所述部分區(qū)域(14)相對于光軸(100)具有最大5_的軸向延伸。3.按權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)窺鏡(I)，其特征在于，所述準直器(6)、聚焦透鏡(8)和衍射光學元件(4)相對于光軸(100)共軸地布置在投影通道(2)中。4.按前述權(quán)利要求之一所述的內(nèi)窺鏡(I)，其特征在于，所述成像通道(3)的橫截面(18)大于所述投影通道(2)的橫截面(16)。5.按前述權(quán)利要求之一所述的內(nèi)窺鏡(I)，其特征在于，所述投影通道(2)的橫截面(16)小于等于2mm2。6.按前述權(quán)利要求之一所述的內(nèi)窺鏡(I)，其特征在于，所述成像通道(3)的橫截面(16)大于等于2mm2。7.按前述權(quán)利要求之一所述的內(nèi)窺鏡(I)，其特征在于，所述內(nèi)窺鏡具有與單模光纖(10)光學耦合的投影通道(2)。8.按權(quán)利要求7所述的內(nèi)窺鏡(I)，其特征在于，所述單模光纖(10)與激光器(12)光學鋰A柄口 O9.按前述權(quán)利要求之一所述的內(nèi)窺鏡(I)，其特征在于，所述成像通道(3)與用于拍攝被反射的圖案的圖像的攝像機光學耦合。10.按權(quán)利要求9所述的內(nèi)窺鏡(I)，其特征在于，所述攝像機是三芯片攝像機。11.按前述權(quán)利要求之一所述的內(nèi)窺鏡(I)，其特征在于，所述內(nèi)窺鏡具有器械通道。12.—種用于確定空腔(40)的部分區(qū)域的深度的方法，其中，使用具有投影通道(2)和成像通道(3)的內(nèi)窺鏡(I)，所述投影通道(2)包括衍射光學元件(4)、準直器(6)和布置在準直器(6)與衍射光學元件(4)之間的聚焦透鏡(8)，其中，借助投影通道(2)將圖案投影到空腔(40)的表面(41)上，并且借助成像通道(3)使圖案的由表面(41)反射的圖像成像，其中，借助衍射光學元件(4)產(chǎn)生圖案。13.按權(quán)利要求12所述的方法，其中，借助衍射光學元件(4)產(chǎn)生點狀圖案。14.按權(quán)利要求13所述的方法，其中，借助點狀圖案的點的間距(11)確定空腔(40)的部分區(qū)域的深度。
【文檔編號】A61B1/00GK106061358SQ201580011127
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年2月26日 公開號201580011127.6, CN 106061358 A, CN 106061358A, CN 201580011127, CN-A-106061358, CN106061358 A, CN106061358A, CN201580011127, CN201580011127.6, PCT/2015/54040, PCT/EP/15/054040, PCT/EP/15/54040, PCT/EP/2015/054040, PCT/EP/2015/54040, PCT/EP15/054040, PCT/EP15/54040, PCT/EP15054040, PCT/EP1554040, PCT/EP2015/054040, PCT/EP2015/54040, PCT/EP2015054040, PCT/EP201554040
【發(fā)明人】A.?？? P.倫奇勒
【申請人】西門子公司