增大景深显微镜以及相关的装置、系统和方法

摘要

一种眼科手术显微镜可以包括被定位在从外科手术区反射的光线的光学路径中的可移动光学元件。该可移动光学元件可以被配置成在沿该光学路径的方向上振荡。该显微镜可以包括致动器，该致动器被耦合到该可移动光学元件上并且被配置成响应于控制信号来移动。该显微镜可以包括计算装置，该计算装置与该致动器通信并且被配置成产生该控制信号以使该可移动光学元件移动。在一些实施例中，该计算装置被配置成产生该控制信号以使该可移动光学元件以大于临界闪光融合率的振荡频率来移动。

权利要求

1.一种眼科手术显微镜，包括：

被定位在从外科手术区反射的光的光学路径中的光学元件，该光学元件可控制成产生垂直于该光学路径的振荡焦平面；

致动器，该致动器被耦合到该光学元件上并且被配置成响应于控制信号使该振荡焦平面移动；

计算装置，该计算装置与该致动器通信并且被配置成产生该控制信号以使该振荡焦平面移动；

位置传感器，该位置传感器被配置为感测该光学元件的z轴位置；

图像传感器，该图像传感器位于光学路径上并且被配置为接收从外科手术区反射的光；

所述计算装置还被配置为通过以下步骤来处理从接收的反射光产生的图像数据：基于感测到的光学元件的z轴位置从图像数据中选择合焦图像数据；以及提供合焦图像数据以用于显示。

2.如权利要求1所述的眼科手术显微镜，其中：该计算装置被配置成产生该控制信号以使该光学元件以大于临界闪光融合率的振荡频率来移动。

3.如权利要求1所述的眼科手术显微镜，其中：该计算装置被配置成产生该控制信号以使该光学元件以大于70Hz的振荡频率来移动。

4.如权利要求1所述的眼科手术显微镜，其中：该光学元件被配置成在沿该光学路径的方向上振荡，从而产生垂直于该光学路径并且能够被观察者感知为体积图像的多个焦平面。

5.如权利要求1所述的眼科手术显微镜，其中：该计算装置被配置成产生该控制信号以使该光学元件移动成使得焦平面在沿该光学路径的方向上的位移在200微米至300微米之间。

6.如权利要求1所述的眼科手术显微镜，其中：该致动器包括以下各项中的至少一项：

音圈、移动磁体致动器、压电致动器。

7.如权利要求1所述的眼科手术显微镜，其中：该光学元件被布置在该光学路径中在物镜与该外科手术区之间。

8.如权利要求1所述的眼科手术显微镜，进一步包括：被定位在从外科手术区反射的光的另一个光学路径中的另一个光学元件，该另一个光学元件被配置成在沿该另一个光学路径的方向上振荡，其中该光学元件和该另一个光学元件被定位在与观察者的每个眼睛对应地相关联的光学路径中。

9.如权利要求8所述的眼科手术显微镜，其中：该光学元件和该另一个光学元件在这些对应的光学路径中被布置在该观察者与物镜之间。

10.如权利要求1所述的眼科手术显微镜，其中：该计算装置与该图像传感器通信，该计算装置被配置成处理图像数据并且将经处理的图像数据提供给与该计算装置通信的显示装置。

11.如权利要求10所述的眼科手术显微镜，其中：该计算装置被配置成通过选择和覆盖合焦图像数据来处理基于在该图像传感器处接收的光而产生的图像数据，这些合焦图像数据与垂直于该光学路径并且通过该光学元件的振荡而产生的多个焦平面相关联。

说明书

增大景深显微镜以及相关的装置、系统和方法

技术领域

[0001] 本文中披露的实施例涉及眼科手术显微镜。更确切地，本文中描述的实施例涉及一种包括可移动光学元件的增大景深显微镜。

背景技术

[0002] 医生在眼科手术过程中可以使用手术显微镜来看到患者眼睛的微小细节。成功的手术可以取决于医生使用显微镜清楚地观察患者眼睛的能力。医生观察患者眼睛的能力的一个量度是显微镜的景深。景深可以描述显微镜对象的可由观察者感知的将沿从对象反射的光学路径的方向同时合焦的范围。例如，景深可以描述患者眼睛的对于医生沿显微镜的纵向轴线或z轴同时合焦的纵向范围。更大的景深在手术过程中为医生提供更佳的空间感受，因为更大部分的患者眼睛同时合焦。

[0003] 用于增大景深的一些常规方法包括在显微镜中实施更大的物镜。然而，大的物镜可能是昂贵的并且给显微镜增加不希望的体积。还可以实施光阑孔径，这允许显微镜具有较小的孔径来增加景深。然而，较小的孔径减少了穿过显微镜光学器件的光子通量或光量。因此用于增大景深的常规方法已经不能令人满意。

[0004] 临界闪光融合(CFF)率是心理物理学中的量，描述了超过其则闪光或在连续图像集合中的单独图像就不再独立地由观察者感知到的频率。高于CFF率，则观察者的大脑就将这些单独的图像整合或融合成单一图像。CFF率已经在显示技术中用于线序立体、场序立体、线序色彩、场序色彩等。例如，在场序色彩系统中，将完全的红色帧、完全的绿色帧和完全的蓝色帧高于CFF率地依次提供给观察者。观察者的大脑将这些单一色帧融合成使得观察者感知到与这些单独的帧相反的彩色图像。常规的显微镜并不利用CFF率。

发明内容

[0005] 所提出的解决方案用独特的技术方案来填补未被满足的医疗需求，从而提供一种具有移动光学元件的眼科手术显微镜，该移动光学元件以大于临界闪光融合率的频率振荡使得观察者接收外科手术区的体积图像。作为移动光学元件的结果的增大的景深可以改善医生对外科手术区的观察。

[0006] 按照一些实施例，一种眼科手术显微镜可以包括：被定位在从外科手术区反射的光线的光学路径中的可移动光学元件，该可移动光学元件被配置成在沿该光学路径的方向上振荡；致动器，该致动器被耦合到该可移动光学元件上并且被配置成响应于控制信号来移动；以及计算装置，该计算装置与该致动器通信并且被配置成产生该控制信号以使该可移动光学元件移动。

[0007] 按照一些实施例，一种操作眼科手术显微镜的方法可以包括：将定位在从外科手术区反射的光线的光学路径中的可移动光学元件控制成在沿该光学路径的方向上振荡；在图像传感器处接收从该外科手术区反射的光线；基于在该图像传感器处接收的光线来产生图像数据，这些图像数据代表垂直于该光学路径并且通过该可移动光学元件的振荡而产生的多个焦平面；处理这些图像数据；并且将经处理的图像数据提供给显示装置。

[0008] 按照一些实施例，一种眼科手术显微镜可以包括：被定位在从外科手术区反射的光线的光学路径中的光学元件，该光学元件可控制成产生垂直于该光学路径的振荡焦平面；致动器，该致动器被耦合到该光学元件上并且被配置成响应于控制信号使该振荡焦平面移动；以及计算装置，该计算装置与该致动器通信并且被配置成产生该控制信号以使该振荡焦平面移动。

[0009] 本发明的另外的方面、特征和优点将从以下详细描述变得明显。

附图说明

[0010] 图1是展示了眼科手术显微镜的简图。

[0011] 图2是展示了眼科手术显微镜的简图。

[0012] 图3是展示了包括图像传感器/相机的眼科手术显微镜的简图。

[0013] 图4是展示了数字显微镜的简图。

[0014] 图5是展示了操作眼科手术显微镜的方法的流程图。

[0015] 在附图中，具有相同标号的元件具有相同或类似的功能。

具体实施方式

[0016] 在以下描述中，阐明具体细节以便描述特定的实施例。然而，本领域的技术人员将清楚的是可以在不具有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践所披露的实施例。所呈现的具体实施例意在为说明性的，而非限制性的。本领域的技术人员可认识到，虽然在本文中未明确描述，但其他材料也在本披露的范围和精神内。

[0017] 本披露描述了一种具有可移动光学元件的眼科手术显微镜。可移动光学元件可以沿从外科手术区反射的光线的光学路径的方向以大于CFF率的频率振荡。可移动光学元件的振荡可以为显微镜提供增大的景深。使用显微镜光学器件对外科手术区的观察者可以感知到体积图像。在一些实施例中，可以在显微镜中实施图像传感器/相机。可以通过选择和覆盖图像数据的合焦部分来对由图像传感器/相机产生的图像数据进行处理以增强图像。经增强的图像可以被提供给显示装置。

[0018] 本披露的装置、系统和方法提供许多优点，包括：(1)通过为医生提供更佳的空间感受来改善外科手术的效果；(2)通过提供增大的景深来改善显微镜光学器件；以及(3)避免与实施提供增大景深的常规技术相关联的成本；并且(4)通过使对于所有医生的外科手术区视界最大化来增加手术显微镜的可用性。

[0019] 图1和图2展示了眼科手术显微镜100。观察者102可以使用显微镜100观察外科手术区，例如动手术的眼睛(procedure eye)104。观察者102可以是医疗专业人员，例如进行诊断、手术和/或其他医疗程序的医生或外科医师。动手术的眼睛104可以是患者的正在经受医疗程序的眼睛。

[0020] 显微镜100的光学系统可以包括一个或多个透镜、镜子、过滤器、光栅和/或其他光学部件。这些光学部件可以被定位在从外科手术区反射的光线的光学路径中。例如，目镜106可以包括光学部件108，并且显微镜100的本体可以包括多个光学部件110和物镜112。这些光学部件108和110以及物镜112是示例性的，并且在不同的实施例中，显微镜100可以包括更多个或更少个透镜和/或其他光学部件来聚焦光线和/或放大图像。

[0021] 可以利用显微镜100的一个或多个部件来为观察者102提供显微镜光学器件的粗调焦和/或细调焦。粗调焦例如可以是电机/齿轮驱动的并且由外科医师例如使用7脚踏板来有意志地进行控制。粗调焦控制一般可以提供相对较慢且较大幅度的调焦改变。细调焦例如可以是由伺服电机和/或其他适当的致动器来自动驱动的。细调焦控制一般可以提供相对较快且较小幅度的调焦改变。

[0022] 手术显微镜100可以包括光学元件114。光学元件114可以是显微镜100的细调焦控制的部件。光学元件114可以是光学透镜、镜子等。例如，光学元件114可以是具有低放大倍率的光学透镜。光学元件114可以被定位在从外科手术区反射的光线的光学路径中。在一些实施例中，光学元件114被布置在显微镜100内。在不同实施例中，光学元件114可以不同地定位在显微镜100的光学系统中。例如，光学元件114可以被定位在光学部件108与光学部件110之间、在光学部件110与物镜112之间、在物镜112与外科手术区之间、在观察者102与物镜112之间等。显微镜100可以包括一个或多个可移动光学元件114，这取决于例如可移动光学元件114被定位在显微镜100的光学路径和/或光学系统中的位置。例如，如在图1中所示出的，一个光学元件114被定位在物镜112与外科手术区之间。例如，如在图2中所示出的，显微镜100包括两个可移动光学元件114。这些可移动光学元件114可以被定位在对应地与观察者102的每个眼睛相关联的分开的光学路径中(例如，在立体显微镜中)。

[0023] 在一些实施例中，光学元件114被布置在显微镜100之外，例如，作为单独部件。光学元件114可以是被配置成与动手术的眼睛104相接触地运行的部件的一部分(像接触透镜)、或与动手术的眼睛104间隔开(像非接触透镜)。例如，光学元件114可以作为被定位在显微镜100的物镜112下方(例如，在物镜112与动手术的眼睛104之间)的透镜-患者界面的一个部件而包括在内。例如，光学元件114可以例如与其他光学部件一起整合成一个共同的部件或光学块，例如手持装置、透镜架、适配器、或其他部件。光学元件114、透镜-患者界面和/或光学块可以有或没有与显微镜100的限定的光学/光学机械关系地运行。在一些实施例中，光学元件114、透镜-患者界面和/或光学块可以直接或间接地耦合到显微镜100上，使得光学元件114、透镜-患者界面和/或光学块具有与显微镜的限定的光学/光学机械关系。例如，在光学元件114、透镜-患者界面和/或光学块与显微镜100之间的直接或间接耦合可以包括悬置系统、机械框架、突出臂、圆锥结构、磁性构件、弹性构件和塑料构件。

[0024] 光学元件114可以是可移动光学元件。可移动光学元件114可以被配置成在沿从外科手术区反射的光线的光学路径的方向上振荡。例如，光学元件114可以沿显微镜100的纵向轴线或z轴的方向振荡。光学元件114在振荡过程中的位移例如可以在约50微米至约500微米之间、在约100微米至约400微米之间、在约200微米至约300微米之间、和在约100微米至约200微米之间等等，包括例如约200微米、约250微米、约300微米等值，尽管可预期更大或更小的位移。以图1至图4中的虚线示出了光学元件114在振荡过程中的位置。(为了更好地理解，对光学元件114的位移进行了夸大。)光学元件114可以以大于临界闪光融合(CFF)率的振荡频率来移动。大于70Hz的振荡频率可以被理解成超过CFF率。在多种不同的实施例中，光学元件114可以以约50Hz至约100Hz之间、约60Hz至约90Hz之间、约60Hz至约80Hz之间、高于约60Hz、高于约70Hz等的振荡频率来移动，尽管可预期更高或更低的频率。在一些实施例中，光学元件114可以响应于在用户界面120处接收的用户输入以用户指定的振荡频率来移动，在以下更详细描述。

[0025] 显微镜100的光学系统可以具有焦平面122。焦平面122垂直于从外科手术区反射的光线的光学路径。光学元件114的振荡可以在改变的距离处产生多个焦平面122。因此可以将焦平面122描述为在振荡。焦平面122在沿光学路径的方向上的位移例如可以在约50微米至约500微米之间、在约100微米至约400微米之间、在约200微米至约300微米之间、和在约100微米至约200微米之间等等，包括例如约200微米、约250微米、约300微米等值，尽管可预期更大或更小的位移。以图1至图4的虚线示出了通过光学元件114的振荡产生的焦平面122。(为了更好地理解，对焦平面122之间的距离进行了夸大。)在这些不同的焦平面122中，外科手术区的不同部分可以是合焦的或未聚焦的。显微镜100为观察者102呈现了外科手术区在焦平面122中作为沿例如显微镜100的z轴的方向上的图像的集合或堆叠的视图。当光学元件114以高于CFF率的振荡频率振荡时，观察者102的大脑可以将焦平面122的视图加以整合。因此，观察者102可以将外科手术区感知为体积图像(而不是感知为多个单独的图像)。

[0026] 显微镜100可以包括致动器116。致动器116可以被耦合到一个或多个可移动光学元件114上，使得致动器116引起可移动光学元件114的运动。在一些实施例中，致动器116可以移动并且引起可移动光学元件114的相应运动。在一些实施例中，一个致动器116可以耦合每个可移动光学元件114。在一些实施例中，一个致动器116可以耦合多于一个的可移动光学元件114。致动器116可以是音圈、例如移动磁体致动器的无整流致动器、压电致动器、或其他适当的致动器。例如，致动器116可以是环形移动磁体，例如钕铁硼环形磁体。例如，致动器116可以是移动磁体直线电机。致动器116可以被配置成响应于从计算装置118接收的控制信号使可移动光学元件移动。

[0027] 在一些实施例中，光学元件114不移动。类似地，在一些实施例中，致动器116不移动。例如，光学元件114可以是液体透镜，并且致动器116可以是电压源。由计算装置118产生并且被提供给致动器116的控制信号可以是电压命令。液体透镜可以利用电湿润原理。被施加到液体透镜上的电压可以改变其焦距，并因此改变焦平面122的位置。通过改变施加到液体透镜上的电压，焦平面122可以振荡而光学元件114和/或致动器116不会相应运动。如在本文中所描述的，可以在不同的距离处产生多个焦平面122。因此，光学元件114可以可控制来产生垂直于从外科手术区反射的光线的光学路径的振荡焦平面122。致动器116可以被耦合到光学元件114上并且被配置成响应于控制信号使振荡焦平面122移动。计算装置118可以与致动器116通信并且被配置成产生控制信号来使振荡焦平面122移动。在显微镜110中还可以实施液体透镜以用于光学图像稳定。

[0028] 计算装置118可以与致动器116通信并且被配置成产生控制信号来使可移动光学元件114移动。例如，计算装置118可以产生控制信号来致使致动器116使光学元件114以高于CFF率的振荡频率而移动。计算装置118可以包括用于产生控制信号、从用户界面120接收用户输入、接收和处理来自图像传感器/相机124的图像数据、将经处理的图像数据提供给显示装置126以及本文中所描述的或者完成本文中所描述的步骤所必需的其他步骤的任何适当的处理器、存储器或处理电路。在一些实施例中，计算装置118是显微镜100的一部分。在一些实施例中，计算装置118是单独部件，该单独部件不是显微镜100自身的一部分而是与致动器116和显微镜100通信。

[0029] 计算装置118可以与用户界面104通信。在一些实施例中，用户界面104可以是计算装置118的面向用户的部件，使得用户界面104是显微镜100的一部分。在一些实施例中，用户界面104是单独部件，该单独部件不是显微镜100自身的一部分而是与计算装置118和显微镜100通信。用户界面104可以包括输入装置或系统，除其他输入装置之外以非限制性方式包括键盘、鼠标、操纵杆、拨盘和按钮。用户界面104可以是被配置成将图像(例如外科手术区在手术过程中的图像)或其他数据(例如显微镜设置、显示器设置等)呈现给使用者的显示器(例如包括触摸屏显示器)。观察者102可以经由用户界面104为光学元件114提供用户指定的振荡频率。例如，观察者102可以提供用户指定的振荡频率以精细调整光学元件114的运动，使得观察者102在观察外科手术区时感知到体积图像。

[0030] 图3展示了包括图像传感器/相机124的眼科手术显微镜100。图4展示了数字显微镜100。图3和图4的显微镜100可以例如通过包括可移动光学元件114、致动器116和计算装置118而是与图1和图2的显微镜100相类似的。此外，图3的显微镜100可以例如通过包括用于使观察者102通过显微镜100观察外科手术区的显微镜光学器件而是与图1和图2的显微镜100相类似的。图4省略了用于使观察者102直接通过显微镜100观察外科手术区的显微镜光学器件。图3和图4的显微镜100包括用于显示由图像传感器/相机124捕获的外科手术区的图像的显示装置126。

[0031] 图像传感器/相机124可以被定位在从外科手术区反射的光线的光学路径中。例如，光学元件114可以被布置在外科手术区与图像传感器/相机124之间的光学路径中。显微镜100可以包括一个或多个光束分离器128以将光线的至少一部分引导至图像传感器/相机124。图像传感器/相机124可以包括电荷耦合装置(CCD)传感器、互补金属氧化物半导体(CMoS)传感器、或其他适当的图像传感器。图像传感器/相机124可以被配置成接收从外科手术区反射的光线。图像传感器/相机124可以包括从接收的光线产生电数据和/或图像数据的电路。图像传感器/相机124可以与计算装置118通信。图像传感器/相机124可以将图像数据提供给计算装置118。在一些实施例中，当从图像传感器/相机124接收电数据时，计算装置118产生图像数据。计算装置118可以处理图像数据并且将经处理的图像数据提供给显示装置126。

[0032] 显示装置126可以与计算装置118通信。显示装置126可以显示由图像传感器/相机124捕获的外科手术区的图像，包括从计算装置118接收的经处理的图像数据。在一些实施例中，显示装置126是显微镜100的一部分。例如，显示装置126可以是被布置在显微镜100上或被耦合到该显微镜上的监视器，从而允许由观察者102和/或其他观察者进行观察。在一些实施例中，显示装置126可以是单独部件，该单独部件不是显微镜100自身的一部分而是与计算装置118和显微镜100通信。在多个不同的实施例中，显示装置126可以是液晶显示器(LCD)、发光二极管液晶显示器(LED-LCD)、数字微镜装置(DMD)、平视显示器、近眼显示器、和/或其他适当的显示装置。例如，显示装置126可以包括透射元件(例如背光LED-LCD)或前照明反射元件。

[0033] 图5提供了操作眼科手术显微镜的方法200的流程图。可以进一步参照图3和图4来理解方法100。方法200可以包括，在步骤210，将被定位在从外科手术区反射的光线的光学路径中的可移动光学元件控制成在沿光学路径的方向上振荡。例如，光学元件114可以被控制成在例如沿显微镜100的纵向轴线或z轴的方向上振荡。在一些实施例中，光学元件114可以以大于CCF率的频率来振荡。在一些实施例中，光学元件114可以在沿光学路径的方向上以例如约200微米至约300微米之间的位移来震荡。在一些实施例中，计算装置118可以将控制信号提供给与光学元件114相耦合的致动器116(例如，音圈、移动磁体致动器、和压电致动器等)以使可移动光学元件114移动。

[0034] 方法200可以包括，在步骤220，在图像传感器处接收从外科手术区反射的光线。例如，可以在图像传感器/相机124处接收光线。方法200可以包括，在步骤230，基于在图像传感器处接收的光线产生图像数据。图像数据可以代表了垂直于光学路径并且由可移动光学元件114的振荡而产生的多个焦平面122。图像数据可以由图像传感器/相机124和/或计算装置118产生。

[0035] 方法200可以包括，在步骤240，处理图像数据。处理图像数据可以包括任意一个或多个信号处理步骤以准备用于经由显示装置126显示的数据。例如，处理图像数据可以包括降低噪音、过滤、锐化、对比度操纵等。

[0036] 在一些实施例中，处理图像数据可以包括通过对与该多个焦平面相关联的合焦图像数据进行选择来增强图像。例如，可以实施与z轴位置感测相关联的图像处理来抑制未聚焦图像平面。如上所述，在通过光学元件114的振荡产生的这些焦平面122各自中的图像的部分可以包括合焦部分和未聚焦部分。在步骤240，可以选定和覆盖合焦部分来产生经处理、经增强的图像数据。在一些实施例中，合焦图像数据是通过首先在振荡过程中将图像数据与光学元件114的位置(例如，位移)相关联来选择的。例如，可以使用激光干涉仪、霍尔效应传感器或任何其他适当的原理/编码方案来感测/追踪例如可移动光学元件114的z轴位置。可以基于可移动光学元件114的位置来确定焦平面122的位置。此外，可以基于焦平面122的位置来确定图像数据的合焦部分和未聚焦部分。因此可以基于可移动光学元件114的位置来选择图像数据的这些合焦部分。在一些实施例中，可以使用一个或多个电子部件来选择具有高频内容的图像数据。高频内容可能是与合焦图像相关联的，而未聚焦图像或模糊图像可能与低频内容相关联。例如可以使用高通滤波器和/或其他电子部件来过滤高频内容。可以实施用于选择图像数据的合焦部分的其他适当的技术。在多种不同的实施例中，处理图像数据可以包括对与该多个图像平面122相关联的具体图像数据(例如，除了选择合焦图像数据之外)的其他选择。

[0037] 方法200可以包括，在步骤250，将经处理的图像数据提供给显示装置。例如，可以将经处理的图像提供给显示装置126。

[0038] 本文中所讨论的显微镜100可以是单目显微镜或双目显微镜。应理解的是，显微镜100可以针对一个或多个观察者102的每个眼睛包括一个目镜(例如，两个目镜、各自针对一个外科医师和一个助手)。本披露的教导可以实施成使得通过一个或多个目镜感知到体积图像。显微镜100可以是复式显微镜、立体显微镜、或数字显微镜。本披露的教导可以实施在显微镜100的一个或多个光学路径中。例如，可以在复式显微镜或数字显微镜中在观察者
102与外科手术区之间的单个光学路径中实施一个光学元件114。例如，可以在立体显微镜中在观察者102与外科手术区之间的两个光学路径中的每一者中都实施一个光学元件114。
在一些实施例中，光学元件114可以对于观察者202的每个眼睛而言都振荡。在一些实施例中，在提供给观察者102的眼睛之前将这些单独的体积图像集合进行组合。在一些实施例中，体积图像集合是针对多个观察者102中的每一者(例如，针对每个观察者的一个眼睛、针对每个观察者的两个眼睛、单独对于每个观察者的每个眼睛等)单独地产生的。

[0039] 如本文中所描述的实施例提供的装置、系统和方法可以提供具有以大于临界闪光融合率的频率来振荡的可移动光学元件的增大景深的显微镜。以上提供的实例仅为示例性的，并非旨在进行限制。本领域的技术人员可以容易地想到符合所披露的实施例的其他系统，所述其他系统旨在处于本披露的范围内。因此，本申请仅受所附权利要求书限制。