一种视线跟随手术照明灯及视线跟随方法

1.本发明涉及光源照明技术领域，尤其涉及一种视线跟随手术照明灯及视线跟随方法。


背景技术：

2.在医院手术室中，为了使光照均匀，特别是解决遮挡带来的阴影问题，广泛使用无影灯。无影灯解决了阴影问题，但是有时候，为了观察的更清晰，医生需要更集中和更亮的光照。这时，独立的集束式光源，如手电式光源，会被使用。
3.当被照手术部位是固定的时候，有时会使用固定的灯光照射，可以一直照射到手术部位。有时有多个手术部位，或者被手术的病人移动了位置，这时灯光照射的位置也需要更改。
4.有的手术部位，医生希望光照的方向能和视线方向重合，这样光照不会在中间被遮挡，并且可以获得入射到反射成180度的反射光。有些医生会使用头戴式光源，在使用时，通过转动头部来控制光源照射的位置。头戴式光源要求医生在使用时，头部尽量保持静止来避免光源的晃动，在长时间手术时，会给医生带来较大的疲劳感。
5.眼球追踪技术在ar眼镜等应用里已经有所发展，眼睛视线的方向，可以通过一些主动或被动的方式来检测出来。例如，tobii通过主动的红外照明来追踪人眼视线，通过眼球轮廓的分析来判断视线的方向。
6.灯光控制技术，在一些汽车大灯的应用中，也有被提出，例如在转弯时，主动的调整大灯的方向，让大灯照射方向随方向盘而变化，从而更好的照射转弯时的道路。它的输入，考虑的是汽车方向盘的信息，没有考虑人眼的视线。


技术实现要素：

7.为克服上述问题，本发明提供一种视线跟随手术照明灯及视线跟随方法。
8.本发明的第一个方面提供一种视线跟随手术照明灯，包括紧贴医生前额设置的前额框架，前额框架的内侧设有与前侧弧度相适配的弧形面，前额框架的两端连接有头部固定带，前额框架通过头部固定带固定在医生前额；
9.所述前额框架的底部两侧分别设有左眼视线检测摄像头和右眼视线检测摄像头，且左眼视线检测摄像头的一侧设有左眼红外光源，右眼视线检测摄像头的一侧设有右眼红外光源；左眼视线检测摄像头、左眼红外光源对准医生左眼中心，右眼视线检测摄像头、右眼红外光源对准医生右眼中心；
10.所述前额框架的外侧设有照明光源、光照方向调节模块和控制器，所述控制器分别与左眼视线检测摄像头、右眼视线检测摄像头、左眼红外光源、右眼红外光源点连接，左眼红外光源、右眼红外光源分别照明左眼球、右眼球，引起左眼瞳孔及其角膜、右眼瞳孔及其角膜反射；左眼视线检测摄像头、右眼视线检测摄像头分别将采集到的带有反射效果的左眼、右眼照片传送至控制器，控制器根据带有反射效果的左眼、右眼照片识别红外光源在
瞳孔和角膜上的反射得到视线方向；
11.照明光源的输出端与光照方向调节模块连接，光照方向调节模块的输入端与控制器的输出端电连接；控制器根据视线方向发送调节信号至光照方向调节模块，光照方向调节模块根据调节信号调整照明光源光照方向的角度。
12.进一步，所述照明光源包括光发生器，光照方向调节模块包括dmd驱动板；沿光发生器的光照方向设置有聚光镜、投射镜和dmd驱动板，光发生器发出的光源依次经过聚光镜、投射镜投射于dmd驱动板上，经dmd驱动板处理后投影在医生视线所在的位置。
13.进一步，所述光照方向调节模块包括球形电机，球形电机的转子轴的轴端设有安装台，安装台上装有照明光源。
14.本发明的第二个方面提供一种视线跟随手术照明灯的视线跟随发明，其特征在于：所述视线跟随发明分为两种情况，第一种情况，只检测左眼或右眼的视线，让照明光源发出的光源与左眼或右眼的视线平行，光源覆盖左眼或右眼的注视点；第二种情况，检测双眼的视线，计算双眼视线的交点，光源覆盖双眼视线的交点。
15.本发明的有益效果是：
16.1.实现了一种具有主动视线跟随功能的照明灯，将视线检测和灯光方向控制的系统，集成在一个设备上，用于手术过程中，帮助医生在手术过程中，实现更好的照明，减轻了医生的负担，帮助医生在手术过程中互相协助配合，更好的完成手术。
17.2.本发明实现了灯光方向控制功能，灯光的方向是由视线追踪的结果来决定的，由一个控制器来协调两者的动作。
18.3.本发明实现了眼睛视线的跟踪功能，根据需要，可采用一个眼睛的视线跟踪，也可以采用两个眼睛的视线跟踪。
19.4.照明灯和视线检测摄像头固定在同一个前额框架上，因此，不需要imu对框架的空间位置进行检测。只需要保证照明灯和视线与框架的坐标成固定关系即可，大大简化了实现的成本。(如果需要检测框架位置，牵涉到大量的其它运算。)
附图说明
20.图1是本发明的结构示意图。
21.图2是本发明的原理图。
22.图3是本发明第一种视线跟随情况的示意图。
23.图4是本发明第二种视线跟随情况的示意图。
具体实施方式
24.下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定
的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.参照附图，本发明的第一个实施例提供一种视线跟随手术照明灯，包括紧贴医生前额设置的前额框架1，前额框架1的内侧设有与前侧弧度相适配的弧形面，前额框架1的两端连接有头部固定带2，前额框架1通过头部固定带2固定在医生前额；
28.所述前额框架1的底部两侧分别设有左眼视线检测摄像头31和右眼视线检测摄像头32，且左眼视线检测摄像头31的一侧设有左眼红外光源41，右眼视线检测摄像头32的一侧设有右眼红外光源42；左眼视线检测摄像头31、左眼红外光源41对准医生左眼l中心，右眼r视线检测摄像头32、右眼红外光源42对准医生右眼中心；
29.所述前额框架1的外侧设有照明光源、光照方向调节模块和控制器，所述控制器分别与左眼视线检测摄像头、右眼视线检测摄像头、左眼红外光源、右眼红外光源点连接；左眼红外光源、右眼红外光源分别照明左眼球、右眼球，在眼底形成局部的光斑，起左眼瞳孔及其角膜、右眼瞳孔及其角膜反射；红外光源为940nm的不可见光，它的功率调整在人眼安全范围内；
30.左眼视线检测摄像头、右眼视线检测摄像头采样眼球外观轮廓和眼底光斑的成像；左眼视线检测摄像头、右眼视线检测摄像头分别将采集到的带有反射效果的左眼、右眼照片传送至控制器，控制器根据带有反射效果的左眼、右眼照片识别红外光源在瞳孔和角膜上的反射得到视线方向；
31.照明光源用来产生可见的照明光5，并对光源进行汇聚，从而能集中照射到注视点上。光照方向调节器，用来调整光照方向的角度。照明光源的输出端与光照方向调节模块连接，光照方向调节模块的输入端与控制器的输出端电连接；控制器根据视线方向发送调节信号至光照方向调节模块，光照方向调节模块根据调节信号调整照明光源光照方向的角度。
32.本发明的一些实施中，所述照明光源包括光发生器，光照方向调节模块包括dmd驱动板；沿光发生器的光照方向设置有聚光镜、投射镜和dmd驱动板，光发生器发出的光源依次经过聚光镜、投射镜投射于dmd驱动板上，经dmd驱动板处理后投影在医生视线所在的位置。即采用了dlp微透镜阵列来控制光源投射的方向，主要是考虑到微透镜阵列具有快速响应的能力。也可以采用其它的扫描形式的二维振镜实现对光线方向的控制。
33.本发明的另一些实施例中，所述光照方向调节模块包括球形电机，球形电机的转子轴的轴端设有安装台，安装台上装有照明光源。即采用球形电机控制照明光源，实现对光线方向的控制。
34.本发明的一些实施例中，控制器采用dsp控制器，控制器用来协调视线追踪的结果和光照方向调节器的运动，使两者协调，实现光照方向与视线方向的联动。
35.本发明的第二个实施例提供一种视线跟随手术照明灯的视线跟随发明，其特征在
于：所述视线跟随发明分为两种情况，第一种情况，只检测左眼或右眼的视线，让照明光源发出的光源与左眼或右眼的视线平行，光源覆盖左眼或右眼的注视点；第二种情况，检测双眼的视线，计算双眼视线的交点，光源覆盖双眼视线的交点。
36.本发明中视线检测的原理为：在眼睛附近放置一个940nm的近红外光源，近红外光指向眼睛(瞳孔)的中心，在瞳孔和角膜(眼睛的最外部光学元件)中均引起可检测到的反射。这些反射-角膜和瞳孔之间的矢量-由红外摄像机跟踪。这是角膜反射的光学跟踪，称为上丘中心角膜反射/pccr。凝视方向测量的准确性取决于瞳孔的清晰分界(和检测)以及角膜反射的检测，因此需要红外光源。红外光允许瞳孔和虹膜之间的精确区分——当光直接进入瞳孔时，它只是“虹膜会反射”。此外，由于红外光对于人类是不可见的，因此在跟踪眼睛时不会引起任何干扰。利用瞳孔和角膜反射位置的相对差异，推定注视方向。
37.本发明为头戴式光源，可以主动的跟踪医生的视线，将光源照射到视线的位置，医生不需要通过转动头部来改变光源的照射方向，或固定姿势去控制光照位置，可以减轻医生的疲劳。光源始终跟随视线照射到观察位置，其他的辅助医生，也可以通过灯光的位置，了解医生在手术过程中的关注位置，从而更好的配合医生进行手术。
38.需要说明的是：视线跟踪是利用红外照明和采集的眼球红外图像，通过分析瞳孔中心和角膜反射位置的相对差异可推定注视方向。
39.视线追踪的实现方法是利用瞳孔和角膜反射位置的相对差异，推定注视方向。近红外光指向眼睛(瞳孔)的中心，在瞳孔和角膜(眼睛的最外部光学元件)中均引起可检测到的反射。这些反射-角膜和瞳孔之间的矢量-由红外摄像机跟踪。这是角膜反射的光学跟踪，称为上丘中心角膜反射/pccr。凝视方向测量的准确性取决于瞳孔的清晰分界(和检测)以及角膜反射的检测，因此需要红外光源。红外光允许瞳孔和虹膜之间的精确区分——当光直接进入瞳孔时，它只是“虹膜会反射”。此外，由于红外光对于人类是不可见的，因此在跟踪眼睛时不会引起任何干扰。
40.本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。