外科手术器械中的图像捕获单元制造技术

本申请涉及外科手术器械中的图像捕获单元。在微创外科手术系统(200)中，图像捕获单元(325R)包括透镜组件(304R)和传感器组件(320R)。传感器组件(320R)包括棱镜组件(330R)和共面的图像捕获传感器(310R、315R)。共面的图像捕获传感器中的每一个具有共同前端光学结构，例如，透镜组件(304R)。控制器(260)增强了由这些共面的图像捕获传感器采集的图像。增强的图像可以包括(a)具有增强的特征清晰度的可见图像；(b)具有增加的图像表观分辨率的图像；(c)具有增加的动态范围的图像；(d)以基于具有三个或更多个颜色分量的像素颜色分量矢量的方式显示的图像；以及(e)具有延伸的景深的图像。

【技术实现步骤摘要】
外科手术器械中的图像捕获单元本申请是于2012年8月10日提交的名称为“外科手术器械中的图像捕获单元”的中国专利申请201280050585.7(PCT/US2012/050394)的分案申请201710214001.X的分案申请。
本专利技术的多个方面总体上涉及内窥镜成像并且更具体地涉及捕获来自多个图像捕获传感器中的共同前端光学结构的光。
技术介绍
由加利福尼亚州森尼韦尔市的直观外科手术公司(IntuitiveSurgical,Inc.,Sunnyvale,California)商业化的达芬奇外科手术系统(daSurgicalSystem)是为病人提供许多益处的微创遥控外科手术系统，这些益处例如对身体减少的创伤、更快的恢复以及更短的住院期。达芬奇外科手术系统(例如，型号IS3000，达芬奇SiHD)的一个关键部件具有提供可见图像的双通道(即，左和右)视频捕获和显示以便向外科医师提供立体观察的能力。这样的电子立体成像系统可以向外科医师输出高清晰度视频图像，并可以允许诸如图像缩放(zoom)的特征从而提供“放大的”视图，这允许外科医师识别特定组织类型和特性并以增加的精确度操作。通常在微创外科手术系统中，图像捕获系统耦合到立体内窥镜的近端(离开手术部位)。然而，一些立体内窥镜在这种内窥镜的远端(离手术部位最近)中具有内含式图像捕获部件。图1A至图1D是在根据美国专利4,873,572(1988年2月24日提交)的立体内窥镜的远端中的图像捕获传感器配置的示例。在图1A中，内窥镜的远端100A包括具有与该内窥镜的纵轴133A重合的中心线的板状包装113A。两个电荷耦合装置(CCD)114A1和114A2被安装在包装113A的相对的两个表面上。将两个物镜115A1和115A2对称地布置在该内窥镜的纵轴133A的两侧上。将反射镜116A1、116A2对称地布置在相应的物镜115A1、115A2的光轴上。从该内窥镜外部的物体反射的光经过物镜115A1、115A2，并且被反射镜116A1、116A2反射到CCD114A1和114A2的成像表面上。来自CCD114A1和114A2的视频信号被传递到该内窥镜外部的视频处理器上。在图1B中，内窥镜的远端100B包括两个物镜115B1、115B2，这两个物镜与图1A中的物镜115A1和115A2相同地布置。反射镜116B1和116B2被安装成镜面平行于该内窥镜的纵轴133B并且从其移开。从该内窥镜外部的物体反射的光经过物镜115B1、115B2，并且被反射镜116B1、116B2反射到折射棱镜117B1、117B2。来自棱镜117B1、117B2的光路通向CCD114B1、114B2的成像表面。CCD114B1和114B2被安装成使得CCD114B1、114B2的成像表面分别与来自棱镜117B1、117B2的光路的光轴成直角相交。因此，CCD114B1和114B2各自被安装为成像表面相对于该内窥镜的纵轴133B以预定角度倾斜。在图1C中，两个物镜115C1和115C2例如相对于物镜的中心轴的上侧是偏心的。反射棱镜117C1和117C2被布置在相应的物镜115C1和115C2的光轴上。棱镜115C1和115C2的中心被定位在与相应的物镜115C1和115C2相同的高度，但是在水平方向稍微移位。棱镜117C1稍微向物镜115C1的左边移位，而棱镜117C2稍微向物镜115C2的右边移位。由棱镜117C1和117C2中的每一个反射的光被棱镜118C的相应的斜面反射，从而在适配到包装113C的CCD114C的成像表面上形成图像。来自CCD114C的视频信号被传递到该内窥镜外部的视频处理器。在图1D中，内窥镜的远端100D包括两个偏心物镜115D1、115D2，物镜115D1、115D2与图1C中的物镜115C1和115C2相同地布置。与图1C中的棱镜117C1和117C2相比，棱镜117D1和117D2的位置向前和向后移位。来自棱镜117D1和117D2的光分别由反射镜118D1和118D2反射，从而分别在邻近安装在包装113D上的CCD114D1和114D2上形成图像，包装113D平行于该内窥镜的纵轴。一个反射镜118D1是凹面的，并且因此在CCD114D1上形成图像的光路长度稍微短于在CCD114D2上形成图像的光路长度。因此，在这个示例中，左光学通道比右光学通道具有更短的光路长度。来自CCD114D1和114D2的视频信号被传递到该内窥镜外部的视频处理器。图1A至图1D示出了在内窥镜顶端的约束空间中捕获立体图像的几种方式。但是由于小外径的内窥镜远端是期望的，因此在这些图形中的配置还示出了由于许多问题而造成在小外径远端图像捕获系统中捕获高质量立体图像是多么困难。考虑图1A中的配置。为了对这个装置聚焦，人们必须非常精确地移动物镜115A1和115A2两者的微型透镜来获得聚焦。图1B中的配置受制于需要用棱镜使光以奇角弯曲。这很可能导致在左图像传感器和右图像传感器上的侧向颜色失真和性能不均匀。这些图像没有被最佳地间隔开。图1C和图1D中的配置需要将图像平放在光学平面中。CCD或光学部件两者都不能放在圆形内窥镜顶端的中间平面上，因而这些配置需要非常小的光学部件(以及小的瞳孔间距)或非常小的CCD，这限制了成像质量，因为该区域是小的，因而限制了像素的数量和/或像素大小。同样，在图1D的配置中，光路长度具有不同的长度，因此每个通道的光学部件必须是不同的。
技术实现思路
一种具有共面的图像捕获传感器的图像捕获单元克服了在内窥镜的远端中使用的现有技术照相机的缺点并且提供了许多新的能力。在该内窥镜的一个通道中的这些共面的图像捕获传感器中的每一个具有共同的前端光学结构，例如，在该图像捕获单元中的透镜组件对于这些传感器中的每一个是相同的。这些图像捕获传感器的共同光学和共面配置消除了校准透镜伪影的需要。在该内窥镜的独立通道中捕获的不同图像的重新配准是不需要的。在该内窥镜的一个通道中捕获的这些图像在时间上被配准。这些图像也相对于彼此在空间上被配准。通过该图像捕获单元采集场景的多个可见图像或场景的一个可见图像以及在该场景中的一个或多个荧光图像。控制器增强了采集的图像。在一方面，增强的图像被显示在立体显示器上。增强的图像可以包括(a)具有增强的特征清晰度的可见图像，在其中场景中的特定特征被强调给例如微创外科手术系统的操作者；(b)具有增加的图像表观分辨率的图像；(c)具有增加的动态范围的图像；(d)以基于具有三个或更多个颜色分量的像素颜色分量矢量的方式显示的图像；以及(e)具有延伸的景深的图像。在一方面，图像捕获单元包括具有第一传感器表面的第一图像捕获传感器和具有第二传感器表面的第二图像捕获传感器。第一和第二传感器表面是共面的。在另一方面，第一表面处于第一平面并且第二表面处于第二平面。第一和第二平面是平行的并且分开已知的距离。在图像捕获单元中，分束器被定位以接收光。该分束器将接收到的光的第一部分导向到第一传感器表面并且使该接收到的光的第二部分传递本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种设备，其包括：/n包括第一传感器表面的第一图像捕获传感器；/n包括第二传感器表面的第二图像捕获传感器，其中所述第一传感器表面处于第一平面并且所述第二表面处于第二平面，并且/n其中所述第一平面和所述第二平面不相交；/n被定位为接收光的组件，其中所述组件被配置为将接收到的光的第一部分导向到所述第一传感器表面，并且其中所述组件被配置为将该接收到的光的第二部分传递通过所述组件；以及/n反射单元，其被定位为接收该接收到的光的所述第二部分并且被定位为将该接收到的光的所述第二部分导向到所述第二图像捕获传感器。/n

【技术特征摘要】
20110812 US 13/209,041;20110812 US 13/209,084;20111.一种设备，其包括：
包括第一传感器表面的第一图像捕获传感器；
包括第二传感器表面的第二图像捕获传感器，其中所述第一传感器表面处于第一平面并且所述第二表面处于第二平面，并且
其中所述第一平面和所述第二平面不相交；
被定位为接收光的组件，其中所述组件被配置为将接收到的光的第一部分导向到所述第一传感器表面，并且其中所述组件被配置为将该接收到的光的第二部分传递通过所述组件；以及
反射单元，其被定位为接收该接收到的光的所述第二部分并且被定位为将该接收到的光的所述第二部分导向到所述第二图像捕获传感器。


2.如权利要求1所述的设备，其中所述组件进一步包括棱镜组件，所述棱镜组件包括分束器，其中所述分束器包括被配置为反射该接收到的光的所述第一部分并且传递该接收到的光的所述第二部分的第一表面。


3.如权利要求2所述的设备，所述棱镜组件进一步包括该接收到的光进入所述棱镜组件所通过的第一表面，并且所述设备进一步包括从所述第一表面到所述第一传感器表面的第一光路长度，所述第一光路长度在长度上不同于从所述第一表面到所述第二传感器表面的第二光路长度，其中这两个光路长度的长度差被配置为提供在所述第一图像捕获传感器和所述第二图像捕获传感器采集的图像之间的焦距差。


4.如权利要求1所述的设备，其中所述组件进一步包括：
被定位为接收该光的棱镜组件，其中所述棱镜组件包括：
该接收到的光进入所述棱镜组件所通过的远端面，其中从所述远端面到所述第一传感器表面的第一光路长度大致等于从所述远端面到所述第二传感器表面的第二光路长度；
分束器，其被配置为基于该接收到的光的偏振状态反射该接收到的光的所述第一部分并且被配置为基于该接收到的光的所述偏振状态传输该接收到的光的所述第二部分；以及
被配置为将该接收到的光的所述第一部分导向到所述第一图像捕获传感器上的表面。


5.如权利要求4所述的设备，进一步包括耦合到所述第一和第二图像捕获传感器的控制器，其中所述控制器将所述第一图像捕获传感器捕获的第一图像和所述第二图像捕获传感器捕获的第二图像进行结合，从而基于在该接收到的光中的偏振差产生一图像，该图像增加特征在该图像中的显著性。


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【专利技术属性】
技术研发人员：I·M·麦克度威尔，J·D·斯特恩，
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