用于组织接触检测和用于自动曝光和照明控制的系统和方法技术方案

即使照明器(210)的光学输出功率改变并且组织(203)与内窥镜的远端尖端之间的工作距离(204)改变，利用远程操作的外科手术系统(200)的内窥镜(201)捕获并在显示器单元(251)上显示的场景也维持一致的亮度。远程操作的外科手术系统(200)还自动检测内窥镜(201)何时接触组织(203)并且调节照明器(210)的输出光学功率，使得组织损伤不发生。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求以下专利申请的优先权和权益：美国专利申请第61/954,336号(由GeoffRichmond等人提交于2014年3月17日并且公开了“SystemandMethodforTissueContactDetection”)，以及美国专利申请第61/954,381号(由GeoffRichmond等人提交于2014年3月17日并且公开了“SystemandMethodforAuto-ExposureandIlluminationControl”)，上述的每个申请通过引用并入本文。
本专利技术的一些方面涉及内窥镜成像，并且更具体地涉及在远程操作的外科手术系统中的组织接触检测、显示场景亮度控制、摄像机自动曝光控制以及照明控制。
技术介绍
由加利福尼亚州森尼维耳市的直观外科手术公司(IntuitiveSurgical，Inc.，Sunnyvale，California)商业化的da外科手术系统是微创远程操作外科手术系统，该系统提供给患者许多益处，诸如减小对身体的创伤、加快康复以及缩短住院时间。da外科手术系统的一个特征是提供双通道(即左和右)视频捕获和可见图像的显示以向外科医生提供立体观察的能力。这种电子立体成像系统可以向外科医生输出高清晰度视频图像，并且可以允许诸如缩放(zoom)的功能以提供“放大的”视图，所述“放大的”视图允许外科医生识别特定的组织类型和特征以及利用增加的精度进行工作。然而，外科手术部位的照明和在捕获外科手术部位的图像期间使用的摄像机的曝光时间是影响提供给外科医生的图像的质量的一些因素。例如，美国专利US8,512,232B2描述将提供第一照明水平的内窥镜引入到体内并且还将提供第二照明水平的照明设备引入到体内。该第二照明水平大于第一照明水平并且被用于对大目标面积成像。来自内窥镜的较低照明水平被用于对较小目标面积成像。然而，高强度光源的潜在问题已经被认识到，并且在美国专利US6,511,422B1中提供了解决方案。根据此专利，来自高强度光源的输出被控制，使得每当输出不指向组织时，光源输出强度就被自动降低到安全水平。从组织反射的光被监测，并且如果反射的光指示光源没有指向组织，则光强度被调低到安全水平。
技术实现思路
在远程操作的外科手术系统中，如果控制器检测到内窥镜尖端与组织的接触，则控制器将衰减来自内窥镜尖端的输出光学功率。这确保组织不会由于接触而被损伤。在一个方面，控制器通过监测来自组织的反射照度并通过监测来自内窥镜的输出光学功率来检测接触。如果从第一输出光学功率到第二输出光学功率的变化未导致针对第二输出光学功率的反射照度相比于针对第一输出光学功率的反射照度的变化，则控制器确定接触发生。在衰减后控制器以已知形式(pattern)改变来自内窥镜尖端的输出光学功率。控制器检测反射照度是否随着变化的输出光学功率而改变。如果反射照度跟随变化的输出光学功率的已知形式，则控制器结束衰减。远程操作的外科手术系统包括照明器、摄像机以及控制器。照明器提供输出光学功率。摄像机被配置成捕获包括组织的场景。控制器耦接至照明器并耦接至摄像机。控制器被配置成检测内窥镜与组织的接触。控制器被配置成在检测到接触后衰减输出光学功率。控制器包括耦接至摄像机的统计模块。该统计模块接收由摄像机捕获的场景。统计模块生成捕获场景的亮度直方图并且确定捕获场景的总体亮度。控制器中的接触检测模块耦接至统计模块。接触检测模块接收捕获场景的总体亮度并且接收摄像机曝光时间。接触检测模块还耦接至照明器。接触检测模块检测内窥镜的尖端与组织的接触。在一个方面，照明器包括高频脉动(dither)模块。高频脉动模块耦接至接触检测模块。高频脉动模块被配置成在由接触检测模块被启用后以已知形式改变输出光学功率。自动曝光模块耦接至统计模块。自动曝光模块被配置成检测捕获场景中的亮度变化。远程操作的外科手术系统包括控制系统。控制系统包括摄像机控制单元和照明控制器。照明控制器被配置成控制来自远程操作的外科手术系统的照明器的输出光学功率。摄像机控制单元被配置成从远程操作的外科手术系统的摄像机接收视频流。摄像机控制单元耦接至照明控制器。摄像机控制单元还被配置成命令照明控制器使输出光学功率从第一输出光学功率改变到第二输出光学功率，并且所述摄像机控制单元被配置成命令摄像机使摄像机曝光时间从第一曝光时间改变到第二曝光时间，使得随后以第二曝光时间从来自第二输出光学功率的反射光捕获帧。在一个方面，光源耦接至照明控制器。内窥镜耦接至光源。摄像机耦接至内窥镜并且耦接至摄像机控制单元。在一个方面，摄像机控制单元包括统计模块。统计模块耦接至摄像机以接收视频流。统计模块被配置成创建视频流中的帧的亮度直方图。摄像机控制单元还包括耦接至统计模块的自动曝光模块。自动曝光模块被配置成维持显示场景的目标亮度，该显示场景是来自捕获的帧的场景。此外，自动曝光模块被配置成将捕获的帧的场景中的饱和像素限制到小于每个场景中的预定数量像素。此外，自动曝光模块被配置成维持来自照明器的最小输出光学功率。在另一个方面，摄像机控制单元包括第一控制回路和第二控制回路。第一控制回路被配置成自动调节视频流水线增益和摄像机曝光时间中的一个或两个，使得显示场景具有目标亮度。第二控制回路被配置成自动调节输出光学功率并且为随后捕获的帧调节摄像机曝光时间。第二控制回路被配置成基于摄像机曝光时间的值调节输出光学功率和摄像机曝光时间。如果摄像机曝光时间大于第一曝光阈值，则第二控制回路增大输出光学功率并且减小摄像机曝光时间。如果摄像机曝光时间小于第二曝光阈值，则第二控制回路减小输出光学功率并且增大摄像机曝光时间。如果摄像机曝光时间在第一曝光阈值与第二曝光阈值之间，则第二控制回路保持输出光学功率和摄像机曝光时间不变。在一个方面，第一控制回路和第二控制回路被包括在自动曝光模块中。统计模块耦接至摄像机以接收视频流并且耦接至自动曝光模块。统计模块被配置成创建视频流中的帧的亮度直方图。在一个方面，摄像机控制单元包括控制回路，该控制回路被配置成自动调节显示场景的目标亮度以减少随后捕获的帧中的饱和像素的数量。控制回路被配置成对目标亮度施加范围受限的减小。在另一个方面，摄像机控制单元包括自动曝光模块。自动曝光模块被耦接至统计模块以接收视频流中的帧的亮度直方图。此外，自动曝光模块被配置成利用该直方图中的信息来确定平均亮度。自动曝光模块还被配置成基于平均亮度与目标亮度的关系调节视频流水线增益和摄像机曝光时间中的一个或两个。当捕获场景中的饱和像素数量大于饱和像素阈值时，自动曝光模块还减小目标亮度。此外，自动曝光模块被配置成命令照明控制器使第一照明器输出改变到第二照明器输出并且命令摄像机调节摄像机曝光以补偿照明器输出的变化。一种操作远程操作的外科手术系统的方法包括利用捕获场景的平均亮度和显示场景的目标亮度来调节视频流水线增益和摄像机曝光时间中的一个或两个。该方法还利用摄像机曝光时间来配置照明器的输出光学功率和摄像机的曝光时间。该方法通过减小目标亮度来减少第二捕获帧中的饱和像素的数量。附图说明图1A和图1B是包括控制器的远程操作的外科手术系统的方框图，该控制器用于控制场景中的数个饱和像素中的一些或全部、用于控制视频流水线(pipeline)增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种远程操作的外科手术系统，其包括：具有输出光学功率的照明器；摄像机；以及控制器，其耦接至所述照明器并耦接至所述摄像机，所述控制器进一步包括摄像机控制单元和照明控制器，所述摄像机控制单元耦接至所述照明控制器并耦接至所述摄像机；所述照明控制器被配置成响应于来自所述摄像机控制单元的命令控制来自所述照明器的所述输出光学功率；并且所述摄像机控制单元被配置成接收来自所述摄像机的视频流，其中所述摄像机控制单元被配置成命令所述照明控制器使所述输出光学功率从第一输出光学功率改变到第二输出光学功率，并且所述摄像机控制单元被配置成命令所述摄像机使所述摄像机曝光时间从第一曝光时间改变到第二曝光时间，使得帧随后由所述摄像机以所述第二曝光时间并且从反射光捕获，所述反射光是在被反射之前来自具有所述第二输出光学功率的所述照明器的光。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.17 US 61/954,336;2014.03.17 US 61/954,3811.一种远程操作的外科手术系统，其包括：具有输出光学功率的照明器；摄像机；以及控制器，其耦接至所述照明器并耦接至所述摄像机，所述控制器进一步包括摄像机控制单元和照明控制器，所述摄像机控制单元耦接至所述照明控制器并耦接至所述摄像机；所述照明控制器被配置成响应于来自所述摄像机控制单元的命令控制来自所述照明器的所述输出光学功率；并且所述摄像机控制单元被配置成接收来自所述摄像机的视频流，其中所述摄像机控制单元被配置成命令所述照明控制器使所述输出光学功率从第一输出光学功率改变到第二输出光学功率，并且所述摄像机控制单元被配置成命令所述摄像机使所述摄像机曝光时间从第一曝光时间改变到第二曝光时间，使得帧随后由所述摄像机以所述第二曝光时间并且从反射光捕获，所述反射光是在被反射之前来自具有所述第二输出光学功率的所述照明器的光。2.根据权利要求1所述的远程操作的外科手术系统，所述摄像机控制单元进一步包括：统计模块，其耦接至所述摄像机以接收所述视频流，所述统计模块被配置成创建所述视频流中的帧的亮度直方图。3.根据权利要求2所述的远程操作的外科手术系统，所述摄像机控制单元进一步包括：耦接至统计模块的自动曝光模块，所述自动曝光模块被配置成维持显示场景的目标亮度，所述显示场景是由所述摄像机捕获的帧中的场景，所述自动曝光模块被配置成将捕获的帧的场景中的饱和像素限制到小于每个所述场景中的预定数量的像素；并且所述自动曝光模块被配置成维持来自所述照明器的最小输出光学功率。4.根据权利要求1所述的远程操作的外科手术系统，所述摄像机控制单元进一步包括：第一控制回路，其被配置成自动调节视频流水线增益和摄像机曝光时间中的一个或两个；和第二控制回路，其被配置成自动配置所述输出光学功率并且为随后捕获的帧调节所述摄像机曝光时间。5.根据权利要求4所述的远程操作的外科手术系统，所述第一控制回路被配置成调节视频流水线增益，使得所述显示场景具有所述目标亮度。6.根据权利要求4所述的远程操作的外科手术系统，所述第二控制回路被配置成基于所述摄像机曝光时间的值调节所述输出光学功率和所述摄像机曝光时间。7.根据权利要求6所述的远程操作的外科手术系统，其中如果所述摄像机曝光时间大于第一曝光阈值，则所述第二控制回路增大所述输出光学功率并且减小所述摄像机曝光时间。8.根据权利要求6所述的远程操作的外科手术系统，其中如果所述摄像机曝光时间小于第二曝光阈值，则所述第二控制回路减小所述输出光学功率并且增大所述摄像机曝光时间。9.根据权利要求6所述的远程操作的外科手术系统，其中如果所述摄像机曝光时间在第一曝光阈值和第二曝光阈值之间，则所述第二控制回路保持所述输出光学功率和所述摄像机曝光时间不变。10.根据权利要求4所述的远程操作的外科手术系统，所述摄像机控制单元进一步包括：第三控制回路，其被配置成自动调节显示场景的目标亮度，以减少在随后捕获的帧中的饱和像素的数量。11.根据权利要求10所述的远程操作的外科手术系统，所述第三控制回路被配置成对所述目标亮度施加范围受限的减小。12.根据权利要求1所述的远程操作的外科手术系统，所述摄像机控制单元进一步包括：控制回路，其被配置成自动调节显示场景的目标亮度，以减少在随后捕获的帧中的饱和像素的数量。13.根据权利要求12所述的远程操作的外科手术系统，所述控制回路被配置成对所述目标亮度施加范围受限的减小。14.根据权利要求4所述的远程操作的外科手术，所述摄像机控制单元进一步包括：自动曝光模块，所述自动曝光模块包括所述第一控制回路和所述第二控制回路。15.根据权利要求2所述的远程操作的外科手术系统，所述摄像机控制单元进一步包括：自动曝光模块，其耦接至所述统计模块以接收所述视...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·里士满，J·迪卡洛，B·D·霍夫曼，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：美国;US