[发明专利]集成照明及光学表面拓扑检测系统及其使用方法

说明书

提供了用于光学拓扑检测和照明的系统和方法。实施方式提供集成系统及其操作方法，其中，集成系统包括照明系统和光学拓扑检测系统，并且其中，来自照明系统的照明光的至少部分光谱成分在光学拓扑检测系统的光学检测带宽内，并且其中，光学拓扑检测系统和照明系统的操作彼此交错以避免串扰，从而当照明系统不发射照明光时，光学拓扑检测系统对光学拓扑检测光进行检测。系统可以包括光学导航系统及其操作的控制。系统的组件可以安装到刚性框架上以维持校准。

相关专利的交叉引用

本申请要求2012年10月29日提交的题为“INTEGRATED ILLUMINATION ANDOPTICAL SURFACE TOPOLOGY DETECTION SYSTEM AND METHODS OF USE THEREOF”的美国临时申请No.61/719,744的优先权，其全部内容以参考的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及光学表面拓扑检测系统。本发明也涉及手术照明和外科导航系统。

背景技术

光学照明在医疗项目特别是外科场所中扮演着重要的角色，但在例如牙科、眼科和胃肠病学等专业中也很重要。用于手术环境的光源尤其需要提供带有微少可见的时间或空间调制的、明亮、均匀、无影的照明。发光二极管(LED)以其高效率、长寿命以及相对低的成本，正成为医疗照明的优选。

近来，3D表面拓扑检测已成功用于大范围医疗领域，包括牙科，骨科，外科以及放射治疗。这种技术提供亚毫米精度的数据集，用来定位需要治疗的病人，设计手术/牙移植，以及/或与其他成像调制配准以为从业者提供体表下信息。

表面拓扑数据集可以由多种方式生成，但典型系统包括激光测距仪，摄影测量系统，以及结构光成像系统。例如，立体结构光成像可以用来生成表面拓扑图像。该方法包括主动场照明，以便与在计算上更具强度的方法(例如摄影测量)相比容易地识别(由相机系统捕获的图像的)一致性。一些最稳定和精确的结构光技术使用二维图案序列，并通常与正弦波图案并用以进一步增加精确度。为了在存在环境照明时获得稳定重建，这些方法通常对逆二进制图案投射以便修正标记像素。

伴随数字光处理(DLP)技术的最新进展，此类图案的投射速度可以非常高(每秒1000次)。此外，相机和计算技术的进步也能够以非常高的速度对这些图案进行同步获取。这些近期的发展使得在医疗手术中对解剖目标实施连续或快照高速表面拓扑成像切实可行。

导航系统通常被用在手术治疗中，通过显示病人当前解剖状态与从例如计算机断层扫描(CT)等成像模式得到的术前或术中图像之间的关系，辅助外科医生执行手术。这些关联通过计算或显示单元以视觉方式显示给外科医生，为外科医生提供皮下信息，而在没有导航系统时这些信息通常是缺乏的。

大多数导航系统是基于跟踪单元的视场内的基准点的光学三角测量。这些反射基准点可以通过如下的方式发现，即，利用例如近红外线附近的光源照明区域，以及利用具有由基线分隔的立体近红外相机对区域进行观察，产生两个不同区域视野(导航模块)。导航系统也可以依靠主动基准点，采用近红外LED发射光，直接由立体近红外相机对捕获。通过将多个基准点附到已知物体，就可以确定该物体的3D和朝向。

发明内容

系统和方法被提供以用于光学拓扑检测和照明。多个实施方式提供集成系统，以及其操作的方法，其中集成系统包括照明系统和光学拓扑检测系统，并且来自照明系统的照明光的至少部分光谱成分位于光学拓扑检测系统的光学检测带宽内，光学拓扑检测系统和照明系统的操作彼此交错，以避免串扰，从而当照明系统不发射照明光时，光学拓扑检测系统对光学拓扑检测光进行检测。系统可以包括光学导航系统并控制其操作。系统的组件可以安装到刚性框架上以保持校准。

相应地，在一个方面，提供了用于光学拓扑检测和照明的集成系统，包括：

照明系统，配置成利用照明光对感兴趣区域进行照明；