[发明专利]用于二维腹腔镜的二维-三维成像转换器

说明书

用于二维腹腔镜的二维‑三维成像转换器，包括连接器、分光镜和三维成像转换模块，三维成像转换模块包括依次设置的物镜‑Ⅱ、微透镜阵列和图像传感器，二维腹腔镜的二维成像经分光镜、物镜‑Ⅱ和微透镜阵列投射在图像传感器，其中分光镜将二维腹腔镜的成像分两路输出，一路直接输出二维成像，一路进入三维成像转换模块进行三维转换。本发明提出了一种外接于现有二维腹腔镜，可同时提供被测物体二维像与三维像的转换器，具体应用时，转换器可接装在二维腹腔镜上，可通过后处理算法获得被测物的三维信息，不应用时，将本发明转换器从二维腹腔镜上拆卸，原二维腹腔镜仍可实现原功能。

技术领域

本发明属于光学成像技术领域和计算机视觉技术领域，涉及成像检测，为一种用于二维腹腔镜的二维-三维成像转换器。

技术背景

相较于传统手术方案，腹腔镜微创手术在减少手术期外围并发症，加快术后恢复，增强患者安全性等方面具有明显先进性。腹腔镜是一种带有微型摄像头的医疗器械，作为腹腔镜微创手术的辅助器械，其性能十分重要。

目前，腹腔镜手术中常用的为二维腹腔镜，三维腹腔镜尚未普及。在腹腔镜手术中，医生需要做出很多精细手术操作，需要对深度有非常准确的判断，二维腹腔镜深度信息的缺乏降低了外科医生确认解剖结构位置和尺寸的能力，限制了手术中操作的敏感度，进而影响诊断和手术的效果。目前的三维成像技术主要分为三类：双目立体视觉成像，结构光成像和光场成像。市场上现有的三维腹腔镜均为基于双目立体视觉原理的产品。在双目立体成像技术中，通过两台参数和空间位置已知的成像设备对物体进行拍摄，对应于现有技术的三维腹腔镜中的双光路，得到各个空间点在两台成像设备中的投影位置，结合成像设备参数和空间位置即可得到物点相对于成像设备的三维信息。受限于狭小的应用空间，基于双目立体视觉的三维腹腔镜属于短基线三维成像系统，成像算法属于被动式成像，因此其三维测量精度难以提高，这也是目前市场上现有三维腹腔镜没有测量功能的主要原因。结构光成像技术的主要原理为通过投影仪在待测物体表面投射出具有一定结构的光平面，在拍摄到的图像中提取出这些结构光的特征，并计算得到物体表面轮廓相对于成像设备的三维信息。由于结构光成像技术要求投射多幅图像，因此目前在实时性方面无法达到腹腔镜系统的要求，因此市场上未见采用该技术的三维腹腔镜。光场成像使用微透镜阵列，将传统相机汇聚到成像平面的光线重新发散开得到光场图像，能够同时记录光线的位置信息和方向信息，对光场图像进行处理可以得到物体的三维信息，光场成像是近年逐步成熟中的技术，尚未见有基于光场成像技术的三维腹腔镜产品。

虽然二维腹腔镜的应用改善了诊断、手术条件，但由于二维腹腔镜成像缺少深度信息，不利于医生在诊断、手术过程中进行更加准确的判断，因此三维腹腔镜是目前研发的热点项目。相较于现有的基于双目立体视觉的三维腹腔镜，光场成像技术具有能够实现测量功能的优势，是未来三维腹腔镜的一个发展途径。此外，医疗机构现有设备多为二维腹腔镜系统，设备更换为三维腹腔镜成本高昂，因此在现有二维腹腔镜基础上升级为三维腹腔镜是医院更易于接受的途径。

发明内容

本发明要解决的问题是：二维腹腔镜成像缺少深度信息不能满足使用需求，而现有的三维腹腔镜在精度、实时性上存在欠缺，需要研究新的三维腹腔镜满足使用需求。同时，还考虑到原有设备的使用问题以及设备更换成本的问题，在原有设备基础上进行改进升级。

本发明的技术方案为：用于二维腹腔镜的二维-三维成像转换器，包括连接器、分光镜和三维成像转换模块，连接器用于将二维-三维成像转换器对接在二维腹腔镜的目镜端，三维成像转换模块包括依次设置的物镜-Ⅱ、微透镜阵列和图像传感器，二维腹腔镜的二维成像经分光镜、物镜-Ⅱ和微透镜阵列投射在图像传感器，其中分光镜将二维腹腔镜的成像分两路输出，一路直接输出二维成像，一路进入三维成像转换模块，各部件满足如下约束：

a)物镜-Ⅱ与目镜之间的距离参数等于物镜-Ⅱ的焦距；

b)物镜-Ⅱ与微透镜阵列之间的距离参数等于物镜-Ⅱ的焦距；

c)微透镜阵列与图像传感器之间的距离等于微透镜的焦距；