集成照明及光学表面拓扑检测系统及其使用方法技术方案

提供了用于光学拓扑检测和照明的系统和方法。实施方式提供集成系统及其操作方法，其中，集成系统包括照明系统和光学拓扑检测系统，并且其中，来自照明系统的照明光的至少部分光谱成分在光学拓扑检测系统的光学检测带宽内，并且其中，光学拓扑检测系统和照明系统的操作彼此交错以避免串扰，从而当照明系统不发射照明光时，光学拓扑检测系统对光学拓扑检测光进行检测。系统可以包括光学导航系统及其操作的控制。系统的组件可以安装到刚性框架上以维持校准。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关专利的交叉引用本申请要求2012年10月29日提交的题为“INTEGRATED ILLUMINATION AND OPTICAL SURFACE TOPOLOGY DETECTION SYSTEM AND METHODS OF USE THEREOF”的美国临时申请No.61/719,744的优先权，其全部内容以参考的方式并入本文。
本专利技术涉及光学表面拓扑检测系统。本专利技术也涉及手术照明和外科导航系统。
技术介绍
光学照明在医疗项目特别是外科场所中扮演着重要的角色，但在例如牙科、眼科和胃肠病学等专业中也很重要。用于手术环境的光源尤其需要提供带有微少可见的时间或空间调制的、明亮、均匀、无影的照明。发光二极管(LED)以其高效率、长寿命以及相对低的成本，正成为医疗照明的优选。近来，3D表面拓扑检测已成功用于大范围医疗领域，包括牙科，骨科，外科以及放射治疗。这种技术提供亚毫米精度的数据集，用来定位需要治疗的病人，设计手术/牙移植，以及/或与其他成像调制配准以为从业者提供体表下信息。表面拓扑数据集可以由多种方式生成，但典型系统包括激光测距仪，摄影测量系统，以及结构光成像系统。例如，立体结构光成像可以用来生成表面拓扑图像。该方法包括主动场照明，以便与在计算上更具强度的方法(例如摄影测量)相比容易地识别(由相机系统捕获的图像的)一致性。一些最稳定和精确的结构光技术使用二维图案序列，并通常与正弦波图案并用以进一步增加精确度。为了在存在环境照明时获得稳定重建，这些方法通常对逆二进制图案投射以便修正标记像素。伴随数字光处理(DLP)技术的最新进展，此类图案的投射速度可以非常高(每秒1000次)。此外，相机和计算技术的进步也能够以非常高的速度对这些图案进行同步获取。这些近期的发展使得在医疗手术中对解剖目标实施连续或快照高速表面拓扑成像切实可行。导航系统通常被用在手术治疗中，通过显示病人当前解剖状态与从例如计算机断层扫描(CT)等成像模式得到的术前或术中图像之间的关系，辅助外科医生执行手术。这些关联通过计算或显示单元以视觉方式显示给外科医生，为外科医生提供皮下信息，而在没有导航系统时这些信息通常是缺乏的。大多数导航系统是基于跟踪单元的视场内的基准点的光学三角测量。这些反射基准点可以通过如下的方式发现，即，利用例如近红外线附近的光源照明区域，以及利用具有由基线分隔的立体近红外相机对区域进行观察，产生两个不同区域视野(导航模块)。导航系统也可以依靠主动基准点，采用近红外LED发射光，直接由立体近红外相机对捕获。通过将多个基准点附到已知物体，就可以确定该物体的3D和朝向。
技术实现思路
系统和方法被提供以用于光学拓扑检测和照明。多个实施方式提供集成系统，以及其操作的方法，其中集成系统包括照明系统和光学拓扑检测系统，并且来自照明系统的照明光的至少部分光谱成分位于光学拓扑检测系统的光学检测带宽内，光学拓扑检测系统和照明系统的操作彼此交错，以避免串扰，从而当照明系统不发射照明光时，光学拓扑检测系统对光学拓扑检测光进行检测。系统可以包括光学导航系统并控制其操作。系统的组件可以安装到刚性框架上以保持校准。相应地，在一个方面，提供了用于光学拓扑检测和照明的集成系统，包括：照明系统，配置成利用照明光对感兴趣区域进行照明；光学拓扑检测系统，配置成将光学拓扑检测光投射到感兴趣区域并对从感兴趣区域散射或反射的光学拓扑检测光进行检测，以对感兴趣区域的拓扑进行检测；其中，照明光的光谱成分的至少一部分位于所述光学拓扑检测系统的光学检测带宽内；以及一个或多个处理器，配置成：提供一个或多个控制信号以重复地触发所述光学拓扑检测系统和所述照明系统的交错操作；以及根据一个或多个控制信号控制所述光学拓扑检测系统和所述照明系统的操作，从而当所述照明系统不发射照明光时，光学拓扑检测系统对光学拓扑检测光进行检测。另一方面，提供了一种用于使光学拓扑检测系统和照明系统的操作的同步和交错以减少光学串扰的由计算机实施的方法，其中，照明系统提供照明光以照明感兴趣区域，并且光学拓扑检测系统配置成对感兴趣区域投射光学拓扑检测光，并对从感兴趣区域散射或反射的光学拓扑检测光进行检测，从而对感兴趣区域处的拓扑进行检测，该方法包括：提供一个或多个控制信号以重复地触发光学拓扑检测系统和照明系统的交错操作；以及根据一个或多个控制信号控制光学拓扑检测系统和照明系统的操作，从而当照明系统不发射照明光时，光学拓扑检测系统对光学拓扑检测光进行检测；其中，照明光的至少一部分光谱成分位于光学拓扑检测系统的光学检测带宽内。参照下述细节描述和附图，可实现对本申请的功能和优势的进一步理解。附图说明下面对实施方式进行描述，仅以示例的方式，参考下面的附图，其中：图1(a)和1(b)提供了示例复合系统的示意图，该系统包括照明模块和光学拓扑检测模块，其中，a)示出两系统之间连接，b)示出通过控制处理单元连接的模块。图2是示出照明模块的示例性实施例的光学框图。图3是示出光学拓扑检测模块的示例性实施例的框图。图4是示出控制处理单元的示例性实施例的框图。图5(a)-(c)是示出利用a)格雷码(Gray code)，b)移相正弦波以及c)格雷码与移相正弦波的结合的结构光序列的说明。图6(a)-(e)示出了表示用于控制照明和结构光系统的示例性实施的时序图，包括a)主时钟，b)投射器接通时间，c)触发信号，d)主照明接通时间，以及e)主相机曝光接通时间。图7是示出利用结合了格雷码和移相正弦波的结构光的顺序的图示的说明。图8a是示出复合系统的示例性实施例的框图，示出了无影照明模块、光学拓扑检测模块和导航模块，以及系统间的连接。图8b是示出复合系统的另一个示例性实施例的框图，示出了由控制与处理单元控制的无影照明模块、光学拓扑检测模块和导航模块。图9是设置在刚性壳体内的示例复合系统(包括照明，结构光和导航)的说明，其中示出了壳体的基部的平面视图。图10是示例复合系统(照明、结构光和三角测量系统)的剖面图的说明，其中示出的平面是结构光相机的平面。图11是示例复合系统(照明、结构光和三角测量系统)的剖面图的说明，其中示出的平面是三角测量相机的平面。图12(a)-(d)示出了对病人的周期运动进行监本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于光学拓扑检测和照明的集成系统，包括：照明系统，配置成通过照明光对感兴趣区域进行照明；光学拓扑检测系统，配置成将光学拓扑检测光投射到所述感兴趣区域并对从感兴趣区域散射或反射的光学拓扑检测光进行检测，以对所述感兴趣区域处的拓扑进行检测；其中，所述照明光的光谱成分的至少一部分位于所述光学拓扑检测系统的光学检测带宽内；以及一个或多个处理器，配置成：提供一个或多个控制信号以重复地触发所述光学拓扑检测系统和所述照明系统的交错操作；以及根据所述一个或多个控制信号控制所述光学拓扑检测系统和所述照明系统的操作，使得当所述照明系统不发射照明光时，所述光学拓扑检测系统对所述光学拓扑检测光进行检测。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.10.29 US 61/719,7441.用于光学拓扑检测和照明的集成系统，包括：
照明系统，配置成通过照明光对感兴趣区域进行照明；
光学拓扑检测系统，配置成将光学拓扑检测光投射到所述感兴趣
区域并对从感兴趣区域散射或反射的光学拓扑检测光进行检测，以对
所述感兴趣区域处的拓扑进行检测；
其中，所述照明光的光谱成分的至少一部分位于所述光学拓扑检
测系统的光学检测带宽内；以及
一个或多个处理器，配置成：
提供一个或多个控制信号以重复地触发所述光学拓扑检测系统和
所述照明系统的交错操作；以及
根据所述一个或多个控制信号控制所述光学拓扑检测系统和所述
照明系统的操作，使得当所述照明系统不发射照明光时，所述光学拓
扑检测系统对所述光学拓扑检测光进行检测。
2.根据权利要求1所述的集成系统，其中，所述光学拓扑检测系
统为结构光投射装置，其中，所述结构光投射装置被配置为投射用于
拓扑检测的一系列有序图案，并且在连续的照明循环之间的各时间间
隔内，对来自所述一系列有序图案中的一个图案进行投射。
3.根据权利要求1所述的集成系统，其中，所述光学拓扑检测系
统为结构光投射装置，其中，所述结构光投射装置被配置为投射用于
拓扑检测的一系列有序图案，并且在连续的照明循环之间的各时间间
隔内，对来自所述一系列有序图案中的两个或更多个图案进行投射。
4.根据权利要求1所述的集成系统，其中，所述光学拓扑检测系
统为结构光投射装置，其中，所述结构光投射装置被配置为投射用于
拓扑检测的一系列有序图案，并且在连续的照明循环之间的时间内，
对两个或更多个图案进行投射。
5.根据权利要求1所述的集成系统，其中，所述光学拓扑检测系
统为结构光投射装置，其中，所述结构光投射装置被配置为投射用于
拓扑检测的一系列有序图案，并且在连续的照明循环之间的时间内，
对全部图案进行投射。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的集成系统，其中，所述光
学拓扑检测系统和所述照明系统发射可见光谱内的光，并且其中，所
述一个或多个处理器被配置成对所述照明系统和所述光学拓扑检测系
统进行控制，使得所述照明光和所述光学拓扑检测光以使观察者感觉
所述照明光在时间上连续的、足够高的频率交错。
7.根据权利要求6所述的集成系统，其中，所述足够高的频率大
于约60Hz。
8.根据权利要求6所述的集成系统，其中，相对所述照明光的持
续时间对所述光学拓扑检测光的持续时间进行控制，以减少由所述观
察者感觉到的视觉干扰。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的集成系统，其中，所述光
学拓扑检测系统为结构光装置，并且光图案的序列被选择为减少由所
述观察者感觉到的视觉干扰。
10.根据权利要求9所述的集成系统，其中，相对所述照明光的
强度对投射光图案的强度进行控制，以减少由所述观察者感觉到的视
觉干扰。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的集成系统，其中，所述
光学拓扑检测系统为结构光装置，并且所述光学拓扑检测光被投射为
一系列格雷码图。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的集成系统，其中，所述
光学拓扑检测系统为结构光装置，并且所述光学拓扑检测光被投射为
一系列相位图。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的集成系统，其中，所述
光学拓扑检测系统为结构光装置，并且所述光学拓扑检测光被投射为
包含格雷码图和相位图的一系列图像。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的集成系统，还包括：
刚性壳体，适于刚性地支承所述照明系统和所述光学拓扑检测系
统。
15.根据权利要求14所述的集成系统，其中，所述刚性壳体包括
具有基部的刚性体，所述基部具有中心区域和外围区域，并且所述照
明系统包括一个或多个光源，所述一个或多个光源支承在所述基部并
配置成发射所述照明光。
16.根据权利要求15所述的集成系统，其中，所述光源中的一个
或多个围绕所述基部的所述外围区域分布。
17.根据权利要求15所述的集成系统，其中，所述光源为发光二
极管。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的集成系统，其中，所
述光学拓扑检测系统为结构光投射装置，并且所述结构光投射装置包
括：
结构光投射器，用于将结构光图案投射到所述感兴趣区域上；以
及
一个或多个相机，用于对投射到所述感兴趣区域上的结构光图案

\t进行成像。
19.根据权利要求18所述的集成系统，其中，所述结构光投射器
被支承在所述基部并配置成投射所述结构光图案，并且所述结构光投
射器设置在所述基部的所述中心区域附近。
20.根据权利要求18所述的集成系统，其中，所述一个或多个相
机被支承在所述基部并配置成对所述结构光图案进行成像。
21.根据权利要求20所述的集成系统，其中，所述一个或多个相
机分布在所述基部的所述中心区域和所述外围区域之间。
22.根据权利要求14所述的集成系统，还包括由所述刚性壳体支
承的光学导航系统。
23.根据权利要求22所述的集成系统，其中，由所述光学导航系
统发射的光的光谱成分中的至少一部分位于所述光学拓扑检测系统的
光学检测带宽内，所述一个或多个处理器还被配置成：
提供一个或多个控制信号以重复触发所述光学导航系统与所述光
学拓扑检测系统和所述照明系统的交错操作；以及
根据所述一个或多个控制信号控制所述光学导航系统的操作，使
得当所述光学导航系统不发射照明光时，所述光学拓扑检测系统对所
述光学拓扑检测光进行检测。
24.根据权利要求14至23中任一项所述的集成系统，其中，所
述一个或多个处理器被设置在所述刚性壳体内。
25.根据权利要求14至24中任一项所述的集成系统，其中，所
述刚性壳体被支承在关节臂上以改变所述刚性壳体的位置和/或角度。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的集成系统，其中，所述
一个或多个处理器还被配置成：
获取与由所述光学拓扑检测系统成像的病人的周期性运动有关的
信号；并且
基于周期性信号控制所述光学拓扑检测光的获取，使得在所述病
人的运动循环的一部分期间进行所述光学拓扑检测光的获取，同时在
所述运动循环期间维持所述照明系统的操作。
27.根据权利要求26所述的集成系统，其中，所述一个或多个处
理器还被配置成：
基于所述周期性信号生成触发信号；以及
基于所述触发信号控制所述光学拓扑检测光的获取。
28.根据权利要求27所述的集成系统，其中，所述光学拓扑检测
系统为结构光投射系统，并且所述光学拓扑检测光包括结构光图案序
列，所述结构光投射系统被控制为在所述病人的各运动循环期间相对
于所述触发信号以预选的延迟获取所述结构光图案序列。
29.根据权利要求28所述的集成系统，其中，所述预选的延迟被
选择为使得当病人近似休息时获取图案序列。
30.根据权利要求27所述的集成系统，其中，所述光学拓扑检测
系统为结构光投射系统，并且所述光学拓扑检测光包括结构光图案序
列，所述结构光投射系统被控制为当信号改变的速率降至预选阈值以
下时，在接收到所述触发信号之后在各运动循环期间获取结构光图案
序列。
31.根据权利要求26所述的集成系统，其中，所述光学拓扑检测
系统为结构光投射系统，并且所述光学拓扑检测光包括结构光图案序
列，所述结构光投射系统被控制为当信号位于预选范围内时在各运动

\t循环期间获取结构光图案序列。
32.根据权利要求26所述的集成系统，其中，所述光学拓扑检测
系被控制为当所述信号位于预选范围内时在各运动循环期间获取光学
拓扑检测光。
33.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓东，艾德里安·莱纳斯·迪奈施·马里艾姆普莱，比欧·安东尼·斯坦迪什，梁嘉杰，
申请(专利权)人：七D外科有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA