阅读说明：本技术 用于二维腹腔镜的二维-三维成像转换器 (Two-dimensional-three-dimensional imaging converter for two-dimensional laparoscope ) 是由 周平 杨子 顾承 蔡维嘉 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：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。(The two-dimensional-three-dimensional imaging converter for the two-dimensional laparoscope comprises a connector, a spectroscope and a three-dimensional imaging conversion module, wherein the three-dimensional imaging conversion module comprises an objective lens-II, a micro lens array and an image sensor which are sequentially arranged, two-dimensional imaging of the two-dimensional laparoscope is projected on the image sensor through the spectroscope, the objective lens-II and the micro lens array, the spectroscope outputs the imaging of the two-dimensional laparoscope in two paths, one path of the imaging is directly output to the two-dimensional imaging, and the other path of the imaging enters the three-dimensional. The invention provides a converter which is externally connected with the existing two-dimensional laparoscope and can simultaneously provide a two-dimensional image and a three-dimensional image of a measured object.)

用于二维腹腔镜的二维-三维成像转换器

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***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***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；

d)F数匹配要求：

光场图像的元素图像指微透镜阵列的微透镜在图像传感器上所成的像。

由于微透镜焦距较小，光场图像的元素图像直径可等价于微透镜的直径。

进一步的，微透镜阵列和图像传感器之间还设有中继镜，满足如下约束：

e)中继镜与微透镜阵列之间的距离等于中继镜焦距与微透镜焦距之和；

f)中继镜与图像传感器之间的距离等于中继镜焦距。

进一步的，由于微透镜焦距较小，中继镜与微透镜阵列之间的距离可等价于中继镜焦距。

进一步的，进行F数匹配时，通过光学4F系统调整二维腹腔镜在物镜-Ⅱ上投射光束的直径，可满足F数匹配的要求。

本发明针对现有技术的问题，在现有二维腹腔镜的基础上，提出了基于光场成像技术的三维成像转换器。同时，考虑到目前临床中仍以二维腹腔镜为主，医生也较为习惯使用二维腹腔镜，因此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，称为用于二维腹腔镜的二维-三维成像转换器。使用本发明转换器外接于二维腹腔镜成像硬杆的目镜端，将目镜所输出的光线经分光镜，一方面直接输出以保留被测物体的二维像，一方面将其采用光场成像技术再次成像为含有位置与方向信息的新的像，后续对含有位置与方向信息的新的像进行后处理即可得到被测物体的三维信息。具体应用时，本发明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，医生可以同时得到二维像及三维像，不应用时，将本发明转换器从二维腹腔镜上拆卸，原二维腹腔镜仍可正常使用，实现原功能。

附图说明

图1为本发明用于二维腹腔镜的三维成像转换器的结构示意图之一。

图2为本发明用于二维腹腔镜的三维成像转换器的结构示意图之二。

图3为F数匹配原理示意图。

图4为光学4F系统的原理示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于二维腹腔镜的三维成像转换设备，具体涉及一种可以安装在二维腹腔镜成像硬杆的目镜端，一方面保留二维腹腔镜的原始二维成像功能，一方面同时将腹腔镜的二维像转换为含有三维信息的像的转换器。

本发明兼具二维、三维成像能力，提出一种二维-三维成像转换器，可用于医学检测领域，也可用于工业检测等诸多领域。本发明的二维-三维成像转换器由三维成像转换模块3、连接器10与分光镜11组成。在本发明中，连接器10的作用在于将三维成像转换模块3与二维腹腔镜2的目镜5做物理结构上的连接；分光镜11的作用在于将二维腹腔镜获得的被测物体的成像光束分为两部分，一部分直接从二维-三维成像转换器中输出，实现与二维腹腔镜相同的成像功能，另一部分输出到三维成像转换模块3，实现三维腹腔镜的功能。

如图1所示，本发明提出的三维成像转换模块3可由三部分组成，分别是物镜-Ⅱ6、微透镜阵列7和图像传感器9，物镜-Ⅱ就是物镜，为区别于二维腹腔镜的物镜，写作物镜-Ⅱ。二维-三维成像转换器通过连接器10与二维腹腔镜2连接时，三维成像转换模块3的物镜-Ⅱ6一侧与二维腹腔镜2的目镜5一侧相对接。二维腹腔镜2的物镜4与被测物体1位于同侧。

如图2所示，本发明提出的用于二维腹腔镜2的三维成像转换模块3也可由四部分组成，分别是物镜-Ⅱ6、微透镜阵列7、中继镜8和图像传感器9。三维成像转换器与二维腹腔镜2连接时，三维成像转换模块3的物镜-Ⅱ6一侧与二维腹腔镜2的目镜5一侧相对接。二维腹腔镜2的物镜4与被测物体1位于同侧。

本发明的三维成像转换模块3相当于光场相机，无论采用三部分还是四部分组成的三维成像转换模块3，均可以通过对其所成的像的后处理实现对被测物体1的三维成像。三维成像转换模块3各个部分的参数、各部分之间的距离参数以及物镜-Ⅱ6与目镜5之间的距离参数对三维成像性能有影响。为获得三维成像转换模块3的高成像性能，三维成像转换模块3需满足以下要求：

a)物镜-Ⅱ6与目镜5之间的距离参数等于物镜-Ⅱ6的焦距。

b)物镜-Ⅱ6与微透镜阵列7之间的距离参数等于物镜-Ⅱ6的焦距。

c)对于由三部分组成的三维成像转换模块3，其中微透镜阵列7与图像传感器9之间的距离等于微透镜的焦距。

d)对于由四部分组成的三维成像转换模块3，其中继镜8与微透镜阵列7之间的距离等于中继镜焦距与微透镜焦距之和。由于微透镜焦距较小，该距离也可等于中继镜焦距。

e)对于由四部分组成的三维成像转换模块3，其中继镜8与图像传感器9之间的距离等于中继镜焦距。

f)F数匹配要求：如附图3所示，三维成像转换模块3与二维腹腔镜2的组成部分之间的参数要求满足以下关系：

如图3所示，物镜-Ⅱ6的焦距为f_cl，微透镜的焦距为f_MLA，光场图像的元素图像定义为微透镜在图像传感器9上所成的像，元素图像的直径为d’。二维腹腔镜2在物镜-Ⅱ6上投射光束的直径为D_e。计算中，由于元素图像的直径d’与微透镜的直径d基本相等，因此可用微透镜的直径d代替元素图像的直径d’。

在上述参数中，物镜-Ⅱ6的焦距通常固定且不可随意调整，微透镜焦距、光场图像的元素图像直径与微透镜阵列的加工情况有关，按照F数匹配需求进行加工会带来较高的成本。分析得到二维腹腔镜2在物镜-Ⅱ6上投射光束的直径在不做调整时，其等于二维腹腔镜2的目镜3的直径，因此当F数匹配不能达到上述要求时，可以通过采用光学中常用的4F系统的方式调整二维腹腔镜2在物镜-Ⅱ6上投射光束的直径，4F系统原理如图4所示。

上述要求的精确满足可以得到对被测物体1的最优性能的三维成像。不满足上述条件的微小误差会对成像性能产生影响，但是仍然可以通过光场相机对应的后处理算法实现对被测物体1的三维成像。

下面结合附图具体说明本发明的实施内容。以用于二维腹腔镜，带有中继镜的二维-三维成像转换器为例进行说明。

本实施例所展示的用于二维腹腔镜的二维-三维成像转换器在保证发明内容中的各个距离参数的情况进行加工，并在三维转换模块3的物镜-Ⅱ6的一侧设计制造与二维腹腔镜2的目镜3一侧相连接的连接器10，将连接器10、分光镜11与三维成像转换模块3按照图1所示顺序进行组装，即可得到用于二维腹腔镜的二维-三维转换器。本实施例所使用的二维腹腔镜为沈大公司生产的二维腹腔镜硬杆，包括物镜4和目镜5，所使用的分光镜11为平面分光镜。本实施例所使用的物镜-Ⅱ6为焦距50mm的凸透镜，直径为30mm。微透镜阵列为110×165的微透镜排列而成，每个微透镜的直径为0.136mm，每个微透镜的焦距为0.93mm。中继镜选择放大比例为1:1的中继镜，焦距为15mm。