[发明专利]3D 表面的激光增强重建

说明书

本发明大体涉及在微创内窥镜手术期间对象的三维（“3D”）表面的重建。本发明具体涉及生成、检测和使用对象表面上的激光光斑图案的可再现并且准确的特征，以用于操作中内窥镜的相机校准和对象表面的3D重建。

微创内窥镜手术是一种手术程序，其中，通过自然开口或皮肤上的小切口（即，端口），在患者体内引入刚性或柔性内窥镜。通过类似的端口在患者体内引入额外的手术工具，并且所述内窥镜用于为外科医生提供与手术部位有关的手术工具的视觉反馈。微创内窥镜手术的范例包括但不限于，内窥镜心脏手术（例如，心脏搭桥或二尖瓣置换）、腹部的腹腔镜检查、关节的关节内窥镜检查和肺部的支气管镜检查。

内窥镜检查中的激光计量是提供可能的内窥镜图像中对象尺寸测量的一类方法。其通常用于工业内窥镜，但是它也用于医学中。在激光测量中，准直激光束置于与内窥镜相机的光轴平行。激光束将激光点投影到所考虑的对象上或对象的附近。由于激光的光束准直，对象上或对象附近的点的尺寸独立于到对象的距离而保持不变。因而，该点的尺寸用作图像的尺寸标定器。

现有技术中已知的一种方法将激光发生设备置于内窥镜的远端以针对激光计量生成校准激光点。基本上，该激光计量方法向对象（例如组织）投影一个（1）准直激光点并且通过激光点的直径获取对象的尺度。

作为对比，现有技术中已知的另一方法使用具有与内窥镜相机的光轴平行的四组激光束的内窥镜向对象（例如，组织）投影四个（4）准直激光点，以得到图像中对象的尺寸。针对这种方法，使用棋盘式校准网格获得扭曲参数来执行径向扭曲补偿。然后，使用透镜几何位置通过各点之间的几何位置关系计算激光点的3D位置。最后，在内窥镜图象上显示校准标尺。

如本文中前面针对微创内窥镜手术的叙述，内窥镜提供手术位置的仅有的视觉反馈。然而，内窥镜图像通常是二维的（“2D”），这给获得视图中对象的深度信息以及相对位置和尺寸带来困难。通过一系列2D图象重建3D表面的已知算法依赖于寻找两个或多个帧中点之间的对应关系。这种算法得到的3D重建的质量严重依赖于匹配特征的准确性。特别地，为了从2D+t系列重建3D表面，使用随机采样一致性（“RANSAC”）优化，必须找到八个（8）或者更多个特征匹配。然而，在外科手术中，内窥镜视图中的对象通常是平滑并且没有特征的（例如，心脏内窥镜中的心脏组织或关节内窥镜中的骨表面），这使得特征检测和匹配成为困难的任务。

前面提及的激光计量方法通过使用平行于内窥镜的光轴定位的单一准直激光点或多个激光束来解决尺度问题（即，对象尺寸）。然而，这些方法并未解决3D重建的质量问题。这些方法的另一不足是，它们需要激光束平行于内窥镜的光轴。因而，激光源和内窥镜光纤必须集成到内窥镜本身中，其增加了内窥镜的直径，这增加了手术程序的创伤。

本发明使用激光器用于在3D对象（例如感兴趣器官或组织）的表面上投影激光光斑图案（例如，圆点矩阵），以便于对象表面的准确重建和相机的操作中校准，这克服了从2D内窥镜视图获得对象的表面的深度信息以及相对位置和尺寸的困难。

本发明的一种形式是采用激光器、内窥镜和图像重建设备的系统。在操作中，激光器在3D对象（例如，感兴趣器官或组织）的表面上投影激光光斑图案（例如，圆点矩阵）。内窥镜在当其相对于3D对象被平移和/或被旋转时生成一系列内窥镜图像，其中每幅内窥镜图像图示了当被激光器投影到所述3D对象的表面上时的激光光斑图案内激光光斑阵列的不同视图。图像重建设备根据如所述内窥镜图像中图示的激光光斑阵列的不同视图的对应关系，重建3D对象的表面。

为了本发明的目的，术语“激光光斑图案”在本文中被广泛地定义为针对内窥镜应用的任何几何形状的、任何颜色的和任何实际尺寸的两个或更多个激光光斑的任何空间排列，并且术语“激光光斑阵列”在本文中被广泛地定义为具有相关联的激光光斑图案或它的任意子集的激光光斑的空间排列。在激光光斑图案和激光光斑阵列内，每个斑点的几何形状、颜色和维度可以是相同的或者在一些或所有激光光斑中是有变化的。额外地，激光光斑阵列可以操作前或操作中在激光光斑图案内被定义。