Brevet FR2584599A1 — publié le 19870116

La présente invention a pour objet des endoscopes stéréos- copiques. On utilise dans le domaine industriel, médical ou vétéri- naire des endoscopes qui comportent un conduit optique, rigide ou souple, qui est composé par exemple d'une suite de lentilles coaxia- les ou d'un faisceau de fibres optiques et qui est suffisamment fin pour être introduit dans des cavités de l'organisme par exemple dans l'oesophage ou dans le colon. Les endoscopes connus à ce jour comportent un oculaire qui permet d'observer une cible avec un seul oeil et des moyens pour éclai- rer celle-ci en lumière visible. Un objectif de la présente invention est de procurer des endoscopes stéréoscopiques qui permettent de percevoir une image en relief d'une cible afin de mieux apprécier la hauteur ou la profon- deur d'une cible par exemple l'épaisseur d'une tumeur ou d'un kyste ou la profondeur d'une lésion. Un autre objectif de l'invention est de procurer des en- doscopes stéréoscopiques qui permettent de transformer deux images simultanées d'une même cible vues sous deux-angles différents en signaux vidéo qui peuvent être soit transmis à distance, soit enre- gistrés puis transportés à distance sous forme de cassettes pour restituer les deux images sur deux écrans afin de percevoir une image en relief en regardant les deux écrans par un dispositif binoculaire. Un autre objectif de l'invention est de permettre d'asso- cier un endoscope à des moyens électroniques de traitement des signaux qui permettent d'améliorer la qualité des images et qui permettent d'obtenir des valeurs numériques qui donnent les trois dimensions d'une cible suivant trois axes trirectangulaires. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen d'un endoscope steréoscopique qui comporte deux conduits optiques iden- tiques qui délivrent deux images d'une même cible et des moyens per- mettant à un observateur de regarder respectivement chacune des deux images avec l'un de ses yeux afin de percevoir une image en relief de la cible. Suivant un mode de réalisation préférentiel, un endoscope stéréoscopique selon l'invention comporte deux caméras de télévision qui filment en synchronisme respectivement chacune des deux images de la cible, deux magnétoscopes qui enregistrent respectivement les signaux vidéo fournis par chacune des deux caméras, deux écrans vidéo sur chacun desquels on fait apparaître en synchronisme respectivement les couples d'image filmés simultanément par les deux caméras et en- registrés dans les magnétoscopes et un disposotif binoculaire qui permet à un observateur de regarder respectivement chacun des deux écrans avec l'un de ses yeux afin de percevoir une image en relief de la cible. Avantageusement un endoscope stéréoscopique selon l'inven- tion comporte une unité centrale électronique qui est relié par une unité d'interface à la sortie des deux magnétoscopes et qui est pro- grammé pour numériser des couples d'images sélectionnés par un opé- rateur,pour compter le nombre de pixels séparant deux points du con- tour d'une cible déterminés par un opérateur, pour calculer la pa- rallaxe sous laquelle chacune des deux caméras voit un segment qui re- lie deux points choisis par un opérateur sur la vision en relief comme étant le point le plus proche et le point le plus éloigné d'une cible et pour calculer à partir de ladite parallaxe la profon- deur dudit segment. Un endoscope stéréoscopique selon l'invention comporte,de préférence, une unité périphérique du type imprimante alphagraphique ou traceur qui est associée à ladite unité centrale électronique pour reproduire des copies sur papier des images à partir des valeurs uu- mériques enregistrées dans la mémoire de l'unité centrale et pour imprimer sur ces copies les dimensions mesurées suivant trois axes trirectangulaires de chaque cible. Selon une variante, un endoscope stéréoscopique selon l'in- vention comporte deux lames semi-transparentes qui sont disposées obliquement par rapport aux axes des deux conduits optiques et il comporte, en outre, un émetteur de rayonnement qui envoie sur les- dites lames semi-réfléchissantes un rayonnement ultraviolet ou un faisceau laser, lequel rayonnement est réfléchi partiellement dans lesdits conduits optiques. L'invention a pour résultat de nouveaux endoscopes stéréos- copiques. Les endoscopes selon l'invention équipés d'un appareil binoculaire pour regarder simultanément avec les deux yeux deux ima- ges d'une même cible vue sous deux angles différents, permettent de percevoir une vue en relief de la cible et d'apprécier par exemplela hauteur d'une tumeur ou la profondeur d'un ulcère ou bien,dans des applications industrielles, d'apprécier la profondeur d'une crique ou d'une fissure ou la profondeur de pénétration de la corrosion dans un métal. Les endoscopes selon l'invention équipés de deux caméras de télévision permettent de transmettre des signaux vidéo à dîstance par exemple dans un poste d'observations central o l'on peut faire apparaître en synchronisme les images prises par les deux caméras sur deux écrans vidéo et observer ces deux écrans avec les deux yeux au moyen d'un appareil binoculaire, afin de percevoir une vue en relief. Par exemple, un plongeur portant deux caméras de télévision dans le dos et tenant à la main un endoscope stéréoscopique selon l'invention relié aux deux caméras, peut accéder avec l'extrémité de l'endoscope à des points difficilement accessiblespar exemple à des soudures situées dans les noeuds d'une structure métallique ou à des points situés à l'arrière d'une pièce mécanique o l'on ne peut accéder. Il peut également approcher l'extrémité de l'endoscope très près d'un point qui nécessite une observation minutieuse pour obtenir un effet de loupe et pour éviter la turbidité de l'eau. Les caméras peuvent être également portées par un engin sous-marin, habité ou non. Dans ces applications sous-marines, les caméras sont reliées par câble à une salle d'observation située sur un support de surface (navire ou plateforme), dans lequel se trouve un opéra- teur devant deux écrans vidéo qu'il observe au moyen d'un binoculai- re. L'observateur perçoit en temps réel une image en relief et il transmet des instructions au plongeur. Les endoscopes selon l'invention équipés de deux caméras de télévision et de deux magnétoscopes permettent d'enregistrer les signaux vidéo, puis d'observer les images en temps différé et de ne conserver que celles qui sont utiles. On peut transporter les casset- tes vidéo pour effectuer le traitement des images dans un poste de contr8le éloigné. Par exemple, on peut enregistrer des images en mer, puis transporter les cassettes à terre pour observer et traiter les images dans une station terrestre équipée à cet effet. En associant les deux magnétoscopes à la fois à deux écrans vidéo et à une unité centrale de traitement électronique, par exemple à un microordinateur, un opérateur, qui regarde défiler les images sur les écrans vidéo, peut sélectionner des couples d'images, dé- clencher une transformation analogique à numérique du couple d'images sélectionné avec enregistrement des valeurs numériques puis il peut déplacer un curseur horizontalement et verticalement entre les deux points les plus éloignés du contour d'un défaut pour obtenir une mesure numérique des dimensions maxima de ce défaut suivant deux axes x et y situés dans le plan perpendiculaire aux axes des conduits optiques de l'endoscope. Il peut également, grâce à un programme enregistréobtenir une mesure de la hauteur ou de la profondeur d'un défaut suivant un troisième axe z perpendiculaire au plan des axes x et y. Cette mesure de la dimension z est très importante pour apprécier la gravité des défauts aussi bien dans les applications médicales qu'industrielles et l'obtention de cette mesure est possible grâce à la vision stéréoscopique qui permet à un opérateur de déter- miner les deux points extrêmes d'un défaut dans le sens de l'axe z. Un endoscope selon l'invention équipé d'un émetteur de rayonnements ultraviolets ou laser permet d'associer l'observation en relief d'un défaut à une irradiation de celui-ci sans avoir à déplacer l'endoscope. Un endoscope selon l'invention équipé de deux caméras à, infrarouges permet d'observer des images thermographiques en relief d'une cible interne à un organisme vivant. La description suivante se réfère aux dessins annexées qui représentent, sans aucun caractère limitatif des exemples de réalisa- tion de l'invention. La figure 1 est une représentation schématique d'un pre- mier mode de réalisation d'un endoscope stéréoscopique selon l'in- vention. La figure 2 est une représentation schématique d'une va- riante de réalisation d'un endoscope stéréoscopique selon l'inven- tion. La figure I représente un endoscope stéréoscopique qui comporte deux conduits optiques identiques ld, lg, rigides ou squ- ples, chaque conduit optique étant composé, de façon connue, soit d'une série de lentilles coaxiales, soit de fibres optiques, soit de barreaux rigides. La figure 1 représente un endoscope en cours d'utilisa- tion pour observer une cible 2 qui peut être par exemple un tissu parasitaire, par exemple une tumeur, un kyste, un polype etc... dans le cas d'une application médicale ou vétérinaire ou qui peut être par exemple une crique ou une fissure dans le cas d'une applica- tion industrielle. Dans de nombreux cas, il est intéressant de pouvoir évaluer non seulement le contour de la cible, mais également son épaisseur ou sa profondeur. Par exemple, dans le cas de défauts métalliques tels que des fissures ou des cavités dues à la corrosion, la profon- deur est un élément d'appréciation essentiel de la gravité d'un défaut. Dans les applications médicales, la hauteur ou l'épaisseur d'une tumeur permet d'apprécier l'importance de celle-ci. L'objectif de l'invention est de procurer des endoscopes qui permettent de percevoir une image en relief d'une cible afin d'apprécier les dimensions de celle-ci dans trois directions tri- rectangulaires. La figure I représente un endoscope qui comporte deux caméras 5d, 5g, qui sont placées respectivement à la sortie des deux conduits optiques 5g, 5d. Les deux caméras 5d, 5g peuvent être des caméras vidéo normales quiconvertissent la lumière visible en un signal vidéo. Selon une variante, les caméras 5d, 5g sont des caméras à infrarouges et, dans ce cas, les conduits optiques Id, Ig sont composés de matériaux transparents aux infrarouges,par exemple de lentilles et de barreaux en fluorure de lithium, de calcium ou de magnésium qui sont transparents aux radiations comprises entre 0,1 p et 14 p. Selon cette variante, les caméras infrarouges convertissent les radiations infrarouges émises par la cible en signaux vidéo. Les deux caméras 5d et 5g sont synchronisées. La figure I représente un exemple de réalisation d'un en- doscope qui comporte un troisième conduit optique 3 qui transmet à la cible les radiations émises par un émetteur 4. L'émetteur 4 peut être une source de lumière visible des- tinée à éclairer la cible et, dans ce cas, le conduit optique 3 peut être un conduit en fibres optiques qui est transparent aux radiations visibles. L'émetteur 4 peut également comporter un émetteur de rayonnement ultraviolet et, dans ce cas, le conduit optique 3 est composé de matériaux transparents aux ultraviolets. L'émetteur 4 peut également comporter un émetteur laser. Dans ce cas, on peut d'abord repérer une cible en lumière visible, mesurer ses dimensions puis, sans déplacer l'endoscope, la traiter par faisceau laser. Chaque caméra est associée à un magnétoscope, respectivement 6d, 6g qui enregistre les signaux vidéo délivrés par la caméra. Le dispositif comporte, en outre, deux écrans vidéo 7d, 7g, sur chacun desquels on peut afficher, soit en temps réel, soit en temps différé,les images enregistrées respectivement dans le ma- gnétoscope 6d ou 6g. Lors de l'affichage, les deux magnétoscopes sont synchronisés, de sorte que les couplesd'imagesapparaissant simultanément sur les deux écrans 7d, 7g correspondent respective- ment à deux images filmées par les deux caméras 5d, 5g entre les mêmes impulsions de synchronisation de trame. L'appareil comporte, en outre, un dispositif binoculaire comportant deux oculaires 8d, 8g distants d'un écartement égal à celui des deux yeux 9d, 9g d'un opérateur qui peut ainsi regarder les deux écrans en superposant les couples d'images simultanéespour percevoir une image en relief pendant la prise de vues et également pendant le traitement informatique des images. La figure I représente un mode de réalisation préféren- tien d'un endoscope stéréoscopique comportant deux caméras de télé- vision et des circuits électroniques de traitement des images vidéo. Toutefois il est précisé que dans une version plus simple, un endoscope stéréoscopique selon l'invention peut ne pas comporter de caméras et comporter un binoculaire 8d, 8g placé directement à la sortie dés deux conduits optiques Id, Ig pour permettre à- un opérateur de percevoir directement une vue en relief et d'apprécier le relief d'une cible 2. Grâce à la présence de deux caméras vidéo, de deux magné- toscopes et de deux écrans vidéo, le mode de réalisation selon la figure I permet d'enregistrer les signaux vidéo et, de ce fait, il permet de reproduire les images en temps différé pour mieux les étudier. On peut alors supprimer toutes les images inutiles et conserver uniquement celles sur lesquelles la cible apparaît le mieux pour leur faire subir un traitement électronique qui sera décrit ci-après. La présence de deux caméras vidéo permet également de transmettre les signaux vidéo à distance. Par exemple, un endoscope Selon l'invention peut être utilisé pour inspecter des ouvrages sous-marins afin de vérifier le bon état de ceux ci. Dans ce cas, l'endoscope est couplé à deux caméras sous-marines et les signaux vidéo sortant des caméras sont transmis par un ombilical à un support de surface qui porte les équi- pements électroniques nécessaires à l'enregistrement des images, à leur visualisation en relief et au traitement des signaux. La présence de deux magnétoscopes permet d'enregistrer les signaux vidéo sur cassettes vidéo et de transporter ces casset- tes pour les reproduires sur d'autres magnétoscopes faisant partie d'une unité centrale de traitement électronique. Les signaux vidéo enregistrés dans les deux magnétoscopes subissent plusieurs traitements qui sont expliqués ci-après. Le traitement commence par la sélection d'un ou plusieurs couples de deux images prises simultanément par les deux caméras et sur lesquelles la cible apparaît le plus nettement. Ce choix est fait par un opérateur qui examine les images sur les écrans 7d et 7g des moniteurs vidéo et qui peut arrêterele défilement des deux magnétos- copes sur un couple d'images. Les magnétoscopes ont de bonnes quali- tés de stabilité de la vitesse de défilement, de manière à pouvoir assurer une bonne synchronisation entre eux. Ils disposent également d'un arrêt sur image très précis. Avantageusement, les magnétoscopes comportent un générateur d'horlo- ge qui permet de les synchroniser et d'inscrire en clair sur la bande video la date et l'heure des enregistrements. Les couples d'images sélectionnés sont transformés en valeurs numériques par une unité centrale électronique, par exemple par un micro-ordinateur, qui est programmé pour échantillonner les signaux vidéo, par exemple à raison de 512 pixels par ligne et par colonne et pour calculer pour chaque pixel une valeur numérique exprimant le niveau de gris. Compte tenu de la sensibilité de l'oeil humain aux niveaux de gris, on peut se borner à coder chaque pixel sur six bits, ce qui correspond à 64 niveaux de gris. Les valeurs nu- mériques des pixels sont enregistrées dans la mémoire du micro- ordinateur. Après avoir numérisé un couple d'images, on peut effectuer sur les valeurs numériques des traitements si ces images ne présen- tent pas des qualités suffisantes de contraste permettant de défi- nir le contour de la cible. Ces traitements d'images sont mis en oeuvre par un opérateur de façon adaptée à chaque cas. Ils peuvent comporter par exemple les fonctions suivantes: - Histogramme de niveaux de gris. - Traitement par filtres gradients ou par filtres sélectifs. - Amélioration des contrastes. - Extraction de contours. La mise en oeuvre de ces traitements est faite de manière interactive par un opérateur au moyen d'un ensemble écran-clavier, l'opérateur jugeant de la validité du traitement sur l'écran du moni- teur video sur lequel apparaissent les couples d'images traités. Les traitements d'image vidéo destinés à améliorer la qua- lité, notamment le contraste, sont des traitements connus et il n'est pas nécessaire de les décrire plus en détail. On applique aux valeurs numériques enregistrées du signal vidéo correspondant à un couple d'images sélectionné des traitements numériques qui permettent de mesurer les dimensions d'une cible sui- vant trois directions trirectangulatres x, y et z, la dimension,z étant parallèle à l'axe optique de l'endoscope. La mesure des dimensions suivant les axes x et y est réalisé par comptage de pixels sur une seule des deux images d'un couple. L'opérateur est muni d'un moyen de commande manuel permet- tant de déplacer un spot ou un curseur sur l'écran vidéo. Il déplace ledit spot horizontalement suivant la plus grande largeur du contour de la cible puis verticalement suivant la plus grande hauteur de ce contour et il déclenche un comptage de pixels d'une extrémité à l'autre du contour. Un endoscope stéréoscopique selon l'invention permet>de plus, de calculer la profondeur de la cible, c'est-à-dire la dimen- sion z qui sépare le point de la cible le plus rapproché de l'en- doscope du point le plus éloigné en appliquant à un couple d'images les équations utilisées en photogrammétrie pour calculer le relief. L'opérateur commence par repérer visuellement grâce à la perception en relief d'un couple d'images les deux points extrêmes c'est-à-dire les deux points d'un défaut qu'il estime être le plus proche et le plus éloigné. Il mesure sur chacune des deux images la valeur de la parallaxe du segment reliant ces deux points suivant l'axe des x. Il obtient deux valeurs numériques différentes de cette parallaxe par suite de la vision stéréoscopique. Le micro-ordinateur est programmé pour appliquer à ces deux valeurs mesurées de la paral- laxe une équation connue en photogrammétrie, qui permet de calculer la profondeur Z séparant deux points en tenant compte des carac- téristiques géométriques de la prise de vue qui sont intégrées dans le logiciel. Une fois les calculs effectués, le micro-ordinateur garde ceux-ci en mémoire, ce qui permet de les faire apparaître sur un: monrteur vidéo et/ou sur une copie sur papier de l'image d'une cible. Cette copie sur papier est réalisée à l'aide d'une unité périphérique commandée par le micro-ordinateur,par exemple à l'aide d'un traceur ou d'une imprimante alphagraphique qui reproduit l'image à partir des valeurs numériques du signal vidéo'enregistrées. Chaque copie sur papier porte des inscriptions alphanumériques permettant de repérer l'image et les trois mesures x, y et z du défaut appa- raissant sur cette image. La figure 1 représente schématiquement, sous forme de bloc diagramme les composants essentiels de l'unité centrale élec- tronique de traitement des signaux vidéo à savoir une unité centrale de calcul et de mémoire 10 qui est soit un ensemble multiprocesseur programmé pour assurer à la fois des traitements des images en vue d'améliorer leur qualité, la numérisation des images et les divers traitements des valeurs numériques, soit un micro-ordinateur qui est programmé pour gérer le déroulement des différentes phases de trai- tement des signaux vidéo. Le repère 11 représente un écran video de contrôle. Le repère 12 représente une unité périphérique par exemple une impri- mante capable de reproduire sur papier une copie de l'image apparais- sant sur l'écran 11. Le repère 13 représente un clavier de commande des opérations. Le repère 14 représente une unité d'interface entre les magnétoscopes, les deux écrans vidéo 7d, 7g et l'unité cen- trale 10. La figure 2 représente une variante de réalisation d'un endoscope stéréoscopique selon l'invention. Les parties homologues sont représentées par les mêmes repères. L'endoscope selon la figure 2 comporte deux lames semi- réfléchissantes15d, 15g qui sont intercalées entre la lentille de sortie des deux conduits optiques Id, lg et les caméras 5d, 5g et qui sont inclinées à 45 par rapport aux axes optiques des deux conduits. L'endoscope comporte en outre, un émetteur de rayonnement 16 qui émet un rayonnement ultraviolet (U.V.) ou laser. Les conduits optiques Id et Ig sont composés de matériaux transparents aux longueurs d'onde comprises entre 0,lI et 14p. Le rayonnement U.V. ou le faisceau laser émis par l'émetteur 16 est réfléchi partiellement par les deux lames semi-réfléchissantes 15d et 15g et il est transmis jusqu'à la cible 2 par les deux conduits optiques. L'adjonction à un endoscope stéréosccpique selon la figure I de deux lames semi-réfléchissantes15d, 15g et d'un émetteur 16 de rayonnement ultraviolet permet d'éclairer une cible en lumière ultraviolette pour mieux observer certains défauts qui sont rendus fluorescents. Elle permet égalementd'envoyer sur une cible dont on a déjà observé l'image en relief en lumière visible un faisceau laser afin de brûler ou de cautériser la cible tout en continuant à observer l'image en relief de la cible pendant le traitement. Un endoscope stéréoscopique selon l'invention peut être utilisé dans le domaine médical ou vétérinaire pour observer des images en relief de cibles situées à l'intérieur de l'organisme et pour produire des copies sur papier de ces images portant des indica- tions alphanumériques permettant de repérer la position des cibles et leurs dimensions. Un endoscope selon l'invention équipé de caméras infrarouges permet d'obtenir des thermographies de cibles intérieures à l'orga- nisme. I!i R E V E NDI C A T I 0 N S I. Endoscope stéréoscopique, caractérisé en ce qu'il com- porte deux conduits optiques identiques (ld, lg) qui délivrent deux images d'une même cible (2) et des moyens (8d, 8g) permettant à un observateur de regarder respectivement chacune des deux images avec l'un de ses yeux (9d. 9g) afin de percevoir une image en relief de la cible (2). 2. Endoscope stéréoscopique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, deux caméras de télévision (5g, 5d) qui filment en synchronisme respectivement chacune des deux images de la cible, deux magnétoscopes (6d, 6g) qui enregistrent respectivement les signaux vidéo fournis par chacune des deux camé- ras, deux écrans vidéo sur chacun desquels on fait apparaître en syn- chronisme respectivement les couples d'imagesfilmés simultanément par les deux caméras et enregistrés dans les magnétoscopes et un dispositif binoculaire (8d, 8g) qui permet à un observateur de regar- der respectivement chacun des deux écrans avec l'un de ses yeux afin de percevoir une image en relief de la cible (2). 3. Endoscope selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une unité centrale électronique (10) qui est reliée par une unité d'interface (14) à là sortie des deux magnétoscopes (6d, 6g) et qui est programméepour numériser des couples d'images sélectionnés par un opérateur,pour compter le nombre de pixels séparant deux points du contour d'une cible déterminés par un opérateur, pour calculer la parallaxe sous laquelle chacune des deux caméras voit un segment qui relie deux points choisis par un opérateur sur la vision en relief comme étant le point le plus proche et le point le plus éloigné d'une cible et pour calculer à partir de ladite parallaxe la profondeur (z) dudit segment. 4. Endoscope stéréoscopique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une unité périphérique (12) du type imprimante alphagraphique ou traceur qui est associée à ladite unité centrale électronique pour reproduire des copies sur papier des images à partir des valeurs numériques enregistrées dans la mémoire de l'unité centrale et pour imprimer sur ces copies les dimensions mesurées suivant trois axes trirectangulaires (x, y z) 'de chaque cible. 5. Endoscope selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que lesdits conduits optiques (Id, lg) sont composés de matériaux transparents aux longueurs d'onde compri- ses entre O,!p et 14p. 6. Endoscope selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte deux caméras infrarouges (5d, 5g), de sorte qu'il permet d'observer des images thermographiques en relief d'une cible interne à l'organisme. 7. Endoscope selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte deux lames semi-réfléchissantes15d, 15g) qui sont * disposées obliquement par rapport aux axes des deux conduits opti- ques (Id, tg) et il comporte, en outre, un émetteur de rayonnement (16) qui envoie sur lesdites lames semi-réfléchissantes un rayonnement ultraviolet ou un faisceau laser, lequel rayonnement est réfléchi partiellement dans lesdits conduits optiques.