用于观察物体的方法、非暂时性计算机可读存储介质和医学观察设备与流程

本发明涉及一种使用诸如显微镜的医学观察设备观察物体的方法。本发明还涉及一种非暂时性计算机可读存储介质和一种用于观察物体的医学观察设备，诸如显微镜。

背景技术：

已知现有技术的方法是利用具有机械臂的手术显微镜。机械臂移动并转动光学组件所在的光学器件载体。以这样的方式进行移动：光学组件沿着以在观察下的物体为中心的虚拟球体的表面移动。因此，可以从不同角度观察物体。这种方法称为点锁(point-lock)。在移动期间，显微镜，特别是具有光学组件的光学器件载体被转动，使得成像轴总是经过同一点。

然而，这种机械臂具有若干缺点，例如成本高，庞大且组装繁重，因为机械臂需要适于移动整个光学器件载体，并且难以用这种点锁功能来改装现有的显微镜。此外，如果机械臂由于失灵或故障而停止，则在机械臂再次完全可操作之前，显微镜不能用于继续手术。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种成本更低，更易于使用且更可靠的方法和医学观察设备。

开头提到的方法解决了上述问题，因为光学组件指向位于视场中的物体，并且因为在基本上垂直于光学组件的视轴手动移动光学组件时，物体自动地保持在视场中。

开头提到的非暂时性计算机可读存储介质通过包括用于执行根据本发明的方法的程序来解决上述问题。

开头提到的医学观察设备解决了上述问题，因为它包括提供光学视轴和视场的光学组件，以及用于支撑光学组件的壳体，其中光学组件适于基本上垂直于光学视轴从一个位置移动到另一个位置，并且其中透镜调节组件构造成根据代表手动移动的光学组件的位置的位置数据自动地指向物体。

本发明的方法和医学观察设备具有以下优点：对于外科医生来说它们更容易且更直观。此外，它们更可靠并且降低了手术中断的风险。另外，它们需要更少的空间并且可以改装到已有的医学观察设备。

本发明的方法和设备涉及光学组件的手动或无驱动的运动和/或可移动性。手动移动医学观察设备，特别是其光学组件时的情况与使用机械臂时遇到的情况完全不同。在后者中，系统始终从机械臂的已知轨迹了解到机械臂的当前位置和随后位置。相反，本发明旨在提供一种不能使用这种预定轨迹的医学观察设备和方法。在光学组件的手动移动期间，长期地重新调整光学组件的角度取向。

本发明的方法和本发明的医学观察设备可以通过下面将描述的具体实施例来改进。各个实施例的技术特征可以彼此任意组合，或者如果由省略的技术特征获得的技术效果与本发明无关，则可以省略该技术特征。

例如，光学组件，特别是光学组件的视轴，可以连续地指导、指向或调整到视场中的一个特定的、优选预定的位置。特别地，该位置可以是物体的中心。优选地，该位置始终保持在焦点上并且位于视场内的相同位置。

在本发明方法的一个实施例中，该方法包括以下步骤：从位置传感器接收位置数据，并且可以基于来自位置传感器的位置数据重新调整光学组件。

位置传感器检测到这种重新定位，并且特别地重新调整光学组件的角度取向和标称焦距中的至少一个。重新调整可以优选地基于所确定的位置数据。

本发明的医学观察设备的对应实施例可以包括位置传感器，用于产生表示光学组件的位置和/或角度取向的位置数据。

位置传感器或简称传感器可以具有用于提供位置数据的位置数据接口。

这种位置传感器可以包括陀螺仪、加速度计、倾斜传感器、水平传感器、增量定位编码器、绝对位置编码器和线性距离传感器中的至少一个。一个或多个位置传感器可以适于提供位置数据，该位置数据明确地确定光学组件的位置和/或角度取向。

光学组件可以安装至壳体。壳体可以由医学观察设备的框架可移动地支撑。特别地，壳体可以被引导仅用于平移运动，例如，不可倾斜。这种限制有利于在光学组件的手动移动期间的手动操作，并且显示更准确和手动可重复的定位。

根据位置数据进行光学组件的角度重新调整，其中，如果检测到工作距离(光学组件与所研究的物体之间的距离)增加或减少，则本发明的方法和本发明的医学观察设备可以适于改变光学组件的有效焦距，以适应改变的工作距离。

在进一步实施例中，该方法可以包括以下步骤：识别从相机接收的图像数据中的物体的至少一个图案，并且基于图像数据的时间序列中的该至少一个图案随时间的变化来检索位置数据，其中应用位置数据以重新调整光学组件以保持物体对焦。

在这样的配置中，可以优选地从显微镜检测到的图像中检索位置数据。为此，本发明的医学观察设备的位置传感器可以包括图案识别模块，用于识别输入图像数据中的至少一个结构。

因此，输入图像数据，特别是输入图像数据的预定点或者物体的某些结构被利用、更具体地被跟踪，以用于检索位置数据。在此，可以应用已知的三角测量方法。该方法允许对透镜调节组件的实时反馈。

在本发明方法的不同实施例中，可以在观察之前或期间将标记应用于所研究的物体。标记可以包括待由图案识别模块识别的图案，其中该图案可以优选地作为预定图案存储在设备中以用于比较。

本发明的方法可以考虑到，三维即非平面物体产生不同的二维投影，即在用于不同角度的图像数据中的外观。

本发明的医学观察设备可以提供足够高的帧速率，使得可以跟随图案的二维形状的改变。也就是说，图案的移动需要相关联，即在两个后续帧之间可检索或者分别从两个后续帧可检索。如果图案在两个后续帧之间移动得太远，则本发明方法可能无法确定光学组件的重新调整的方向和时刻。

本发明的方法可以包括识别物体的至少一个图案的步骤，可以进一步改进本发明的方法，使得识别至少一个图案包括物体的立体成像。

因此，医学观察设备的相应的实施例可以包括具有立体成像模块的图案识别模块。立体成像模块可以包括多个相机，这进一步提高了本发明方法和本发明医学观察设备的性能。

本发明的方法可以进一步改进，使得它还包括以下步骤：从分配表读出分配数据；将位置数据与校正数据相关联，并且基于相关联的校正数据重新调整光学组件。

本发明的医学观察设备的实施例可以包括存储模块，用于存储将位置数据与校正数据相关联的分配数据，其中基于校正数据调整光学组件的位置。

校正数据可以存储在分配表或查找表中。

校正数据可以被理解为表示必要的重新调整的数据，即光学组件的角度重新调整或距离重新调整，以便分别保持物体对焦，从而保持光学组件指向物体。

因此，这种重新调整可以确保光学组件的光学视轴倾斜，使得它永久地投射穿过所研究的物体的预定点。

为了有利地从分配表中读出和处理校正数据，本发明的医学观察设备的进一步实施例的特征在于，调整组件包括控制器，该控制器具有用于接收光学组件的位置数据的输入接口，还具有输出接口，该输出接口用于向可移动的重新调整组件提供校正数据，用于重新调整光学组件以便保持物体对焦。

控制器可以有效地组合不同的功能以执行本发明的方法，以便例如从分配表读取校正数据并且将位置数据与从分配表读出的相应的校正数据组相关联以及控制和操作透镜调节组件。

在本发明方法的又进一步实施例中，该方法还包括根据位置数据计算校正数据并且根据所计算的校正数据重新调整光学组件。

本发明医学观察设备的相应的实施例包括用于基于位置数据计算校正数据的计算模块，其中基于校正数据调整光学组件的位置。

因此，校正数据不是预先确定的，而是每次将位置数据提供给控制器，特别是计算模块时，重新计算校正数据。

因此，在该实施例中，不需要内插从分配表读取的校正数据；与此相反，每次提供位置数据时都计算校正数据的精确值。

附图说明

在下文中，将使用在附图中示出的示例性实施例来描述本发明。

将要示出的实施例仅代表本发明的示例性实施例。给出的技术特征可以任意组合，其中也可以省略不同的技术特征，只要由省略的技术特征获得的技术效果与本发明无关。相同的技术特征或具有相同技术效果的技术特征将用相同的附图标记表示。将省略对已经描述的技术特征的重复描述。所描述的实施例应当被理解为不限制由权利要求限定的保护范围。

在附图中，

图1示出了本发明的医学观察设备及其工作原理的示意图；和

图2示出了本发明的医学观察设备的简化示意图。

具体实施方式

图1示出了本发明的医学观察设备1的工作原理，该医学观察设备被实施为显微镜3。

该图示出了可手动移动的壳体5，其支撑光学组件7，该光学组件可以由透镜系统或物镜9组成或者包括透镜系统或物镜9，该透镜系统或物镜9包括用于光束检测的装置，例如镜子或棱镜。

图1还示出了壳体5且由此光学组件7的两个可能的运动11。

光学组件7(容纳在壳体5内)被示出为处于第一位置13a、第二位置13b和第三位置13c。

如果第一位置13a代表初始位置15，则运动11中的每一个都基本上垂直于视轴17取向，其中根据光学组件7的位置13a-13c，对应的视轴17也处于第一位置13a、第二位置13b或第三位置13c。

可以看出，壳体5相对于医学观察设备1的框架(未示出)可移动。特别地，壳体5可以被引导，例如通过平行四边形装置(未示出)，以仅平移地移动。优选地，壳体本身不可倾斜，仅光学组件7相对于壳体5可倾斜并且优选地相对于壳体5垂直于视轴17不可移动。

三个视轴17在中心点19处彼此交叉，其中该中心点19限定虚拟球体21。所述虚拟球体21的半径23对应于光学组件7在第一位置13a时的工作距离25。

在第二位置13b和第三位置13c，分别设定第二工作距离25b和第三工作距离25c。两个工作距离25b和25c都大于工作距离25。将在图2中描述如何由本发明的医学观察设备1处理改变的工作距离25。

为了实现针对每个位置13a-13c视轴17都指向中心点19，光学组件7是倾斜的。

在光学组件7的第一位置13a，第一倾斜角27a对应于0度，其中在第二位置13b和第三位置13c分别测量出第二倾斜角27b和第三倾斜角27c。

光学组件7的倾斜由透镜调节组件29执行，这将在图2中描述。

光学组件7限定了视场31，其在图1中示意性地示出。在每个位置13a-13c，分别限定第一视场31a、第二视场31b和第三视场31c。每个视场31延伸到绘图平面中，但以沿着相应的视轴17看时的视图示出。

可以看出，如果从不同角度观察位于视场31中的物体33，则视场31围绕中心点19旋转。光学组件7在位置13a至13c中的每一个位置处自动倾斜，以保持基本相同的视场31，特别是指向视场31中始终相同的位置。优选地，该位置位于视场31的中心处。为了实现倾斜，可以提供驱动系统(未示出)。驱动系统可以包括针对每个旋转轴线的单独的驱动器，例如电动机，光学组件7可以围绕旋转轴线倾斜。

这由示例性地绘制的第一参考点35a、第二参考点35b和第三参考点35c更详细地描述。

示意性地示出了针对三个不同位置13a-13c获得的图像37，其中在第一位置13a时仅示出了第一参考点35a和第三参考点35c，在第二位置13b时的图像37示出了第一参考点35a和第二参考点35b，而在第三位置13c时，图像37不显示第二参考点35b。

应当注意，参考点35a-35c不对应用于图案识别的结构的点。它们仅用于解释不同的视角。

在图2中，更详细地示出了本发明的医学观察设备1的简化示意图。

壳体5包括前面提到的透镜调节组件29，其由多个部件组成。这些部件包括(在所示实施例中)控制器39、位置传感器41、两个立体相机43、旋转台45以及图像传感器47。

光学系统49包括一个或多个透镜51(图2中仅示出一个)、可调透镜53、分束器55、图像传感器47以及光学观察手段57。

绘制了从物体33通过透镜51，再通过可调透镜53和光束路径校正组件61的光学路径59。光束路径校正组件61确保如果光学组件7通过旋转台45旋转，穿过分束器55的光学路径59不会改变。在图的上部，考虑到图2的尺寸，光学路径59被不连续地绘制。

应当注意，旋转台45仅表示倾斜视轴17的一种可能性。也可以设想构造成使视轴17倾斜的不同手段。

光学组件7围绕旋转中心63旋转，其中在医学观察设备1的不同实施例中，透镜51和可调透镜53相对于旋转中心63的布置可以是不同的。

位置传感器41经由位置数据接口42提供位置数据65，该数据65由矩形电信号表示并且被提供给控制器39的位置数据输入端口67。

立体相机43传送由三角形电信号表示的立体图像数据69，其经由立体图像数据输入端口71提供给控制器39。

图像传感器47生成由具有两个尖峰的电信号表示的图像数据73，其中图像数据73可以经由图像数据输入端口75输入到控制器39。

位置数据输入端口67、立体图像数据输入端口71和图像数据输入端口75代表控制器39的输入接口77。

控制器39还具有输出接口79，其被实施为校正数据输出端口81，通过该校正数据输出端口可以将校正数据83(由三角形和矩形电信号的序列表示)提供给旋转台45，该旋转台可以被称为可移动的重新调整组件45a。

控制器39还包括图案识别模块84、立体成像模块85、存储有分配表89(示意性地示出)的存储模块87以及计算模块91。

位置识别模块64可以被配置为识别立体图像数据69中的至少一个图案，例如血管，并且跟踪在各个位置13a-c处获得的图像中的图案。

位置传感器41可以包括图案识别模块84，即，在该实施例中，通过位置传感器41的位置数据65的生成至少部分地基于图案识别。

校正数据83的生成可以基于由位置传感器41提供的位置数据65，其中(a)控制器39从存储模块87的分配表89中读取分配数据90并且将位置数据65与必要的校正数据83相关联，或者(b)控制器39将位置数据65提供给计算模块91，计算模块91随后计算校正数据83。

由立体相机43提供的立体图像数据69也可以应用于(通过分配表89)关联或(通过计算模块91)计算提供给可移动的重新调整组件45a的校正数据83。

此外，还可以从由图像传感器47提供的图像数据73中检索校正数据83，其中控制器39的图案识别模块84适于识别在物体33处或在物体33中的结构94的优先的三维图案93，并且从图案93计算位置数据65。例如，在初始位置13a时已经手动或自动地识别的图案93将具有与在其他位置13b、13c时不同的几何形状。图案93的变形量和形状允许计算由于位置变化引起的视轴的倾斜。来自光学组件的位置信息，例如距离设定和/或焦距，允许确定光学组件相对于所识别的图案的位置。这允许调整光学组件，而不需要传感器直接从壳体元件(诸如壳体)获取位置数据。

为了倾斜光学组件，可以应用简单的控制回路，其驱动光学组件的倾斜以抵消后续图像数据中的至少一个所识别的图案的任何相对运动。因此，相同的图案93简单地保持在视场内的恒定位置。替代地或附加地，可以通过对至少一个所识别的图案进行三角测量来计算倾斜。

光束路径校正组件61适于校正光学路径59，使得即使在光学组件7旋转之后(参见图1)，光学路径59也正确地聚焦在图像传感器47上并进入光学观察手段57。

工作距离25的改变可以使物体33移出光学组件7的焦点，其中这种未对准可以由可调透镜53补偿，可调透镜53构造成改变光学组件7的有效焦距(未示出)。

医学观察设备1可以由计算机97控制，该计算机读取非暂时性计算机可读存储介质95，其包括用于执行本发明方法的程序。

参考标记

1医学观察设备

2显微镜

5壳体

7光学组件

9物镜

11运动

13a第一位置

13b第二位置

13c第三位置

15初始位置

17视轴

19中心点

21虚拟球体

23半径

25工作距离

25b第二工作距离

25c第三工作距离

27a第一倾斜角

27b第二倾斜角

27c第三倾斜角

29透镜调节组件

31视场

31a第一视场

31b第二视场

31c第三视场

33物体

35a第一参考点

35b第二参考点

35c第三参考点

39控制器

41位置传感器

42位置数据接口

43立体相机

45旋转台

45a可移动的重新调整组件

49光学系统

51透镜

53可调透镜

55分束器

57光学观察手段

59光学路径

61光束路径校正组件

63旋转中心

65位置数据

67位置数据输入端口

69立体图像数据

71立体图像数据输入端口

73图像数据

75图像数据输入端口

77输入接口

79输出接口

81校正数据输出端口

83校正数据

84图案识别模块

85立体成像模块

87存储模块

89分配表

90分配数据

91计算模块

93图案

94结构

95非暂时性计算机可读存储介质

97计算机