[发明专利]动态控制沉浸或抬头显示操作的宽视场3D立体视觉平台

说明书

技术领域

本发明一般地涉及3D立体视觉护目镜(goggles)或其它平台，其能够用于强化与内窥镜手术、机器人辅助手术、开放手术和外科显微镜一起使用的视觉系统；用作对具有诸如黄斑变性之类的系统性疾病的患者的视觉辅助用具；以及用于期望3D立体视觉显示的商业和娱乐应用。

背景技术

如今，外科医生在治疗其病人时具有多种类型的视觉强化工具可供选择。目前所使用的主要的视觉工具为：与机器人辅助系统一起使用的远程3D视觉、与开放手术一起使用的眼环(eye loop)、内窥相机、以及与外科显微镜一起使用的2D或3D相机。所有这些视觉工具都已经被构建为主要通过放大来提高外科医生的视力。

在一个示例中，机器人辅助手术使用四臂机器人系统来夹持内窥镜工具。外科医生通过坐在远程控制台处进行外科手术，他在远程控制台处控制夹持内窥镜工具和相机的机器人臂。机器人辅助系统使用3D内窥镜相机，其中相机图像被显示在两个高分辨率、高清晰度的平面屏幕显示器上。外科医生通过两个广角镜头查看两个显示器。外科医生能够以深度知觉(depth perception)和合理的分辨率但是相当窄的视场看到操作。此外，为了使得立体图像完全显示，外科医生必须使他的头呆在特定位置并且保持不动。

在开放手术中，通常使用称作眼环的放大镜。放大倍率良好并且分辨率也很好，但是视场较窄而且头部移动和放大倍率之间呈比例关系。

在内窥镜手术中，内窥镜允许外科医生通过切一小口并且用一只手插入用于进行手术的多个细长工具，然后用另一只手插入在末端带有微型相机的细长工具并且握住它来给患者做手术。外科医生通过在平板显示器上观看手术来协调这些工具的运动。内窥镜检查要求外科医生一般在2D的平面屏幕监视器处进行查看并且通常不再最佳位置处。例如，监视器被放置在一侧，这样一来外科医生在做手术时头要转到该侧。这与在进行常规开放手术时向下看向自己的手相比是不自然的。

已经开发了专业的立体显微镜允许使用具有深度知觉的高度放大图像来执行外科手术的过程，但是就像机器人辅助立体显示一样，外科医生必须使他的头固定地注视显微镜的目镜。

尽管已经开发了这些工具来延伸外科医生的肉眼，但所有这些系统中仍然存在一些常见的问题。所有四种视觉工具在通常用于表征和比较外科手术视觉系统的视觉参数的若干视觉参数中的一个(有时是两个)上具有出色的评级：比如，敏锐度、放大倍率、视场、深度知觉、聚焦(手动或自动)、对比度、成本、工效学。例如，与显微镜一起使用的立体3D视觉系统放大物体并且提供良好的深度和敏锐度，但是视场非常窄、初始系统是昂贵的、并且工效学较差。工效学参数与你的身体位置自然或不自然的程度相关，并且一般是舒适度的量度。能够扩展一个或多个视觉参数同时把余下的参数维持在与肉眼相当的程度的、用于新设备的架构已经被证明是难以实现的。医疗视觉系统需要新的架构来优化所有视觉参数。

虽然下面的描述关注本发明在医疗外科手术中的应用，但将其用作对于视网膜退化或具有其它视觉缺陷的人的视觉辅助同样是有效的。例如，护目镜或本文所述的本发明的其它实施例能够由具有黄斑变性的患者使用。本发明还能够用于下面所讨论的商业和娱乐用途。

发明内容

本发明是新型3D立体视觉护目镜或其它平台。护目镜的优选实施例的特征包括：针对每只眼睛具有120度视场和在左眼和右眼之间具有60度双眼重叠的全水平显示器；在护目镜的每侧的内侧上的部分反光椭球部，该反光椭球部将图像直接放置在每只眼睛的视网膜的后方；以及基于实时眼睛跟踪和对眼睛注视的控制为佩戴者创建高分辨率3D图像的聚散度聚焦。本发明的实施例还包括另外的部件和方法，比如，视觉系统自动对齐到佩戴者的眼睛、沉浸式或穿透式操作的动态控制、三轴头部定位传感器和以编程方式调整显示以适应佩戴者的护眼处方(包括但不限于：放大倍率和散光)的能力。本发明还能够随视觉系统一起用于商业和娱乐应用。使用来自若干工程领域的技术校正几何像差和畸变，这些工程领域包括：光学、控制理论、电子学、机械工程和软件工程。

附图说明

为了能够更好地理解本发明，下面的章节提供(仅作为示例)后面将描述和提及的本发明的不同实施例。

图1是视觉平台的一个实施例内的针对每只眼睛的图像路径的框图。

图2是整个视觉系统平台的一个实施例的主要硬件组件的框图。

图3是作为显示控制器的处理器的框图。

图4是护目镜的一个实施例的俯视图。

图5图示了本文所述的护目镜的大致对齐情况以及椭球部分如何被选择并用于护目镜设计。