[发明专利]全方位三维立体视觉的单目内窥镜系统

说明书

技术领域

本发明属于医学成像领域，尤其涉及一种全方位三维立体视觉的单目内窥镜系统。

背景技术

无创、微创外科技术是当代临床医学最主要的发展趋势之一，它推动了医疗工程朝着高度自动化、低损伤性诊断治疗的方向发展。传统的内窥镜诊疗术作为无创、微创外科的一种重要手段，得到了广泛的应用，其典型器材是光导纤维内窥镜、电子内窥镜和超声内窥镜。但是当前内窥镜技术主要是二维成像技术，所成图像缺乏三维空间信息，无法获得深度、尺寸等三维场景信息，使得医生在手术时需凭经验进行判断和操作。然而在临床医学上，很多胃肠道等疾病的病灶处具有独特的表面形貌，三维图像比二维图像更利于发现病灶处，并进行诊断。因此，如内窥镜可实现三维成像，则将利于诊断，并可大大提高手术安全系数，使许多高难度的手术得意顺利实施。

目前医用三维内窥镜技术主要有两种：双目视觉三维内窥镜和结构光三维内窥镜。其中，双目视觉三维内窥镜的前端集成两个微型摄像头，可从两个视点观察同一目标，获取不同视角下的目标图像，然后通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差(即视差)来获取目标的三维信息，实现三维成像，利用该方法的代表性发明专利有三维电子内窥镜摄像装置(专利申请号：201310018826.6)，以及内窥镜和管道内壁三维图像重建方法(专利申请号：201310226328.0)等；结构光三维内窥镜则主要由一个微型摄像头和一个结构光投射器组成，工作时结构光投射器向目标投射结构光，结构光照射到目标上被目标表面形貌信息调制而发生变形，微型摄像头接收携带目标三维轮廓信息的变形光场，通过解调变形光场便可实现目标三维成像，利用该方法的代表性发明专利有振幅型投射光栅三维内窥镜(专利申请号：200810040865.5)，三维内窥镜装置(专利申请号：201310027653.4)等。现有医用三维内窥镜技术存在以下问题：

(1)视野小无法实现全方位成像

现有三维内窥镜大多成像视场小，无法实现全景成像，如图1所示，对于肠道等环形腔道无法实现环向三维成像，只能获得内窥镜探头前方腔道或组织的图像，不能获取内窥镜探头环向的全景图像，存在较大盲区。

(2)直径尺寸瓶颈问题

对于传统的双目视觉三维内窥镜和结构光三维内窥镜，都存在尺寸瓶颈问题。对于双目视觉，为了形成视差图像，要求两个摄像头间满足一定的距离间隔，这大大限制了双目视觉三维内窥镜的直径尺寸的压缩；对于结构光三维内窥镜，则要求结构光投射器和摄像头间也必须满足一定的距离间隔，这限制了内窥镜直径尺寸的进一步压缩。因此，现有的三维内窥镜的直径尺寸遇到了瓶颈，难以进一步压缩内窥镜探头的直径尺寸。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种单目内窥镜系统，以解决传统内窥镜只能实现前向小视场成像的问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种单目内窥镜系统。该单目内窥镜系统包括：透明护罩7，由透明材料制备，呈圆筒状结构；图像传感器芯片1，固定于透明护罩7的后端，其所在平面与透明护罩7的中心轴线垂直；鱼眼透镜2，固定于透明护罩7内，图像传感器芯片1的正前方；以及二次曲面反射镜3，固定于透明护罩7内，鱼眼透镜2的正前方，其凸部朝向鱼眼透镜2。其中，单目内窥镜系统外围的环向视场内的场景信息透过透明护罩7，并由二次曲面反射镜3反射至鱼眼透镜2，图像传感器芯片1采集鱼眼透镜2上的图像，从而实现环向视场内场景信息的收集。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明全方位三维立体视觉的单目内窥镜系统具有以下有益效果：

(1)采用鱼眼透镜和二次曲面反射镜结合的方式可实现环向360°成像，并可提供二维全景图像，从而解决了传统内窥镜只能实现前向小视场成像的问题，尤其可用于环向360°成像需求的肠胃内窥成像；

(2)采用鱼眼透镜、二次曲面反射镜以及前视透镜组可实现不同视场场景信息的采集，并通过图像实现环向360°和不小于180°半球视域视场内场景的圆形全景图像，所以，相比于传统的医学内窥镜，本发明可提供更大视野内场景信息，有效减少盲区；

(3)实现三维成像所用的一个微型图像传感器芯片和一个鱼眼透镜及二次曲面反射镜均布放在内窥镜轴向方向，通过鱼眼透镜和二次曲面反射镜实现视差图像的采集与处理，实现立体视觉三维成像，解决了传统双目视觉内窥镜径向特定间局布放微型摄像头而导致三维内窥镜直径尺寸无法进一步压缩的问题，同时也为结构光三维内窥镜直径尺寸无法压缩而导致无法应用的情况提供了替代技术解决方案。