ЦИФРОВОЙ СТЕРЕОМИКРОСКОП
DIGITAL STEREOMICROSCOPE

Предлагаемое изобретение относится к цифровым оптическим приборам, в частности к цифровым стереомикроскопам, может применяться при проведении хирургических операций, а также в производстве микроэлектроники, при поверхностном монтаже компонентов.
Из существующего уровня техники известен цифровой безокулярный микроскоп SONY TW-TL1Z [1], включающий в свой состав корпус, предметный столик, видеомонитор, установленный на корпусе, видеокамеру с объективом, закрепленную на кронштейне с возможностью изменять угол обзора.
Данный микроскоп имеет только механические настройки поля зрения (фокус, диафрагма и зум), что снижает удобство эксплуатации, кроме того, данный микроскоп не имеет второго канала получения изображения. В результате известный микроскоп невозможно использовать для получения стереоскопического изображения.
В настоящее время медицинские учреждения преимущественно применяют бинокулярные микроскопы с возможным подключением камер в основной оптический блок для документирования и вывода информации на мониторы для наглядности персоналу. Представителем микроскопов такого рода является стереомикроскоп Leica М525 F50 [2]. Данный подход не может раскрыть в полной мере цифровой метод вывода информации, чем пользуются зарубежные предприятия. Цифровой вывод позволяет выводить реальное изображение дополненное вспомогательной информацией, а также дает возможность набирать базу данных оцифрованных операций для создания обучающих программ.
Цифровой стереоскопический микроскоп позволяет получать объемное изображение и вести работу в очках виртуальной реальности или, глядя на монитор, что дает значительно меньшую нагрузку на мышцы шеи и глаза врача, чем при работе через окуляры. Отсутствие окуляров в цифровом стереоскопическом микроскопе позволяет располагать его за пределами рабочей зоны, давая врачу больше простора. Так же такое расположение вдали от объекта наблюдения позволяет получить большую глубину резкости, не достижимую в традиционных микроскопах.
Позволяет вести работу как в видимом, так и в ИК диапазоне. Цифровой стереоскопический микроскоп дает неограниченные возможности автоматизации работы - обнаружение, распознавание, измерения и нанесение на видеопоток необходимой информации. Документирование и запись стереоскопичного видеопотока.
В качестве прототипа выбрана хирургическая система стереовидения описанная в патенте [3]. Данная система включает в себя видеомодуль, на одной стороне которого расположен дисплей, а на другой - как минимум одна видеокамера, систему обработки, связанную с видеомодулем, сконфигурированную таким образом, чтобы предоставлять оператору системы стереовидения аугментированную стерео картинку интересующей зоны в реальном времени с возможностью увеличения, гибкий кронштейн, на котором закреплен видеомодуль. Кронштейн позволяет вручную перемещать видеомодуль и устанавливать его над интересующей зоной между оператором и его руками и/или инструментами так, что видеомодуль находится на линии взгляда между оператором и интересующей зоной, причем оператор смотрит двумя глазами в дисплей модуля. Кроме того, на кронштейне для предотвращения подергивания изображения на дисплее при возникновении случайных ударов установлены как минимум один датчик движения и как минимум одно компенсирующее устройство, причем датчик и компенсирующее устройство подключены к системе обработки для того, чтобы она могла скомпенсировать движение кронштейна изменением изображения на дисплее видеомодуля.
Для отображения стереоизображения в инфракрасном (ИК) диапазоне прототип предусматривает установку на видеомодуль отдельных инфракрасных воспринимающих элементов, а для измерения глубины -отдельных камер измерения глубины.
Прототип обладает следующими недостатками. Недостаточная глубина резкости и фокусное расстояние, высокие требования к вычислительным ресурсам, из-за использования программного способа получения стереоизображения, переусложненность конструкции из-за наличия отельных инфракрасных воспринимающих элементов и камер измерения глубины.
Кроме того в прототипе присутствуют эргономические просчеты. Так как видеомодуль расположен в пространстве, где оператор производит манипуляции руками и инструментами, то из-за риска задеть видеомодуль создаются ограничения свободу движения рук. Также, оператор видит на дисплее видеомодуля увеличенное изображение узкой области, в результате и из его поля зрения пропадают руки, предметный столик. Большое неудобство возникает тогда, когда оператору необходимо сменить инструмент, ему придется заново искать новый инструмент в ограниченном поле зрения или каждый раз производить изменение масштаба изображения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат достигается за счет того, что в прототип содержащий корпус, систему обработки, левый и правый каналы, закрепленные на корпусе и включающие в свой состав модуль подсветки, последовательно установленные объектив и видеокамеру дополнительно введены установленные в оба канала инфракрасные фильтры, между объективами и видеокамерами, и поляризационные фильтры, установленные перед объективами, модуль подсветки установленный между объективом и поляризационным фильтром. Кроме того в заявляемое устройство вновь введены система сведения каналов, сервоприводы левого и правого каналов, система управления каналами, причем первый и второй выходы системы сведения каналов подключены к входам сервоприводов левого и правого каналов соответственно, при этом сервопривод левого канала прикреплен к левому каналу, а сервопривод правого канала прикреплен к правому каналу, вход системы сведения каналов соединен со вторым выходом системы обработки, где ее первый и второй входы-выходы подключены к входам выходам видеокамер левого и правого каналов соответственно, к входу системы обработки подключен канал управления, а к ее первому выходу -канал вывода, кроме того, третий выход системы обработки подключен к входу системы управления каналами, где ее первый, шестой, пятый выходы подключены соответственно к входам ИК фильтра, объектива и модуля подсветки, находящихся в левом канале, а второй, третий, и четвертый выходы системы управления каналами к входам ИК фильтра, объектива и модуля подсветки, находящихся в правом канале, также вход-выход системы управления каналами подключен к входу-выходу системы сведения каналов.
На фигуре представлена структурная схема предлагаемого цифрового стереомикроскопа со следующими обозначениями:
1 - левый канал;
2 - правый канал;
3 - система сведения каналов;
4 - система обработки;
5 - система управления каналами;
6 - сервопривод левого канала;
7 - сервопривод правого канала; 8, 9 - видеокамеры;
10, 11 - ИК фильтры;
12, 13 - объективы;
14, 15 - модули подсветки;
16, 17 - поляризационные фильтры.
Цифровой стереомикроскоп, содержащий корпус, левый канал 1 и правый канал 2, систему сведения каналов 3, систему обработки 4, систему управления каналами 5, сервопривод левого канала 6 и сервопривод правого канала 7, видеокамеры 8 и 9, объективы 12 и 13, модули подсветки 14 и 15, поляризационные фильтры 16 и 17. Каналы 1 и 2 закрепляются на корпусе на определенном расстоянии друг от друга, с возможностью наклона оптических осей к центру для обеспечения сведения каналов в стереопару при различных расстояниях до объекта наблюдения. Каналы 1 и 2 включают в свой состав последовательно установленные видеокамеры 8 и 9, ИК фильтры 10 и 11, объективы 12 и 13 модули подсветки 14 и 15, поляризационные фильтры 16 и 17. Видеокамеры 8 и 9 имеют широкий диапазон принимаемого излучения, захватывающий видимый и ближний РЖ, а модули подсветки 14 и 15 работают в двух диапазонах: видимом и ближнем ИК диапазоне. Сервопривод 6 присоединен к левому каналу 1, а сервопривод 7 - к правому каналу 2. Система сведения каналов 3 подключена первым выходом к входу сервопривода левого канала 6, а вторым выходом к входу сервопривода правого канала 7. Первый вход-выход системы обработки 4 подключен к входу-выходу видеокамеры 8, а второй вход-выход - к видеокамере 9. К входу системы обработки 4 подключен канал управления, а к ее первому выходу - канал вывода. Второй выход системы управления 4 подключен к входу системы сведения каналов 3, а третий выход - к входу системы управления каналами 5. Первый, шестой, и пятый выходы системы управления 5 подключены соответственно к входам ИК фильтра 10, объектива 12 и модуля подсветки 14, находящихся в левом канале 1. Второй, третий, и четвертый выходы системы обработки 5 подключены соответственно к входам ИК фильтра 11, объектива 13 и модуля подсветки 15, находящихся в правом канале 2. Вход-выход системы управления 5 подключен к входу выходу системы сведения каналов 3.
Предлагаемое изобретение работает следующим образом. Цифровой стереомикроскоп закрепляют над операционной зоной на достаточной высоте от стола для того, чтобы не мешать оператору. Система сведения каналов 3 с помощью сервоприводов 6 и 7 производит наклон каналов 1 и 2 друг к другу на необходимый угол, для получения стереоизображения.
Модули подсветки 14 и 15 излучают свет в сторону объекта наблюдения, который проходя через поляризационные фильтры 16 и 17, поляризуется и попадает на объект наблюдения. Свет, отраженный от объекта наблюдения попадает на поляризационные фильтры 16 и 17, которые пропускают только свет с поляризацией своего канала, а засветку из другого канала поглощают, устраняя блики.
Прошедший свет попадает в объективы 12 и 13, которые формируют сфокусированное изображение, которое проходя через ИК фильтры 10 и 11, попадает на матрицу видеокамер 8 и 9. При работе в видимом диапазоне модули подсветки 14 и 15 излучают свет в видимом диапазоне, ИК фильтры 10 и 11 включаются и пропускают только видимый свет. При работе в ближнем ИК диапазоне модули подсветки 14 и 15 излучают свет в ближнем ИК диапазоне, ИК фильтры 10 и 11 отключаются и на матрицы видеокамер 8 и 9 попадает сфокусированное ИК изображение.
Видеокамеры 8 и 9 оцифровывают изображения в левом 1 и правом канале 2 и передают их через двухстороннюю связь на первый и второй входы-выходы системы обработки 4 соответственно.
Система обработки 4 формирует стереоскопический видеопоток и передает его через канал вывода на устройства вывода, в качестве которых могут выступать, например, монитор, видеошлем, система регистрации и онлайн трансляции. Также система обработки 4 производит анализ получаемых изображений и при необходимости посредством системы управления каналами 5 управляет интенсивностью и цветностью излучаемого света модулей подсветки 14 и 15, управляет диафрагмой, фокусом и увеличением объективов 12 и 13, управляет включением и отключением ИК фильтров 10 и 11. Посредством системы сведения каналов 3 система обработки 4 управляет сервоприводами 6 и 7 для получения качественного стереоскопического видеопотока. Система обработки 4 имеет обратную связь с видеокамерами 8 и 9 для управления режимами работы, синхронизации камер и реализации цифрового увеличения.
Система обработки 4 выдает команды управления на систему управления каналами 5, систему сведения каналов 3 и видеокамеры 8 и 9 и может работать в следующих режимах.
1) Автоматический режим: Система обработки 5 постоянно анализирует изображения от видеокамер 8 и 9 и при необходимости выдает команды управления для улучшения качества изображений.
2) Автоматизированный режим: Система обработки 5 через канал управления получает команды от оператора вида:
- произвести автоматическое сведение каналов;
- произвести автоматическую фокусировку;
- произвести автоматическую регулировку яркости.
И производит автоматическое управление одной из систем.
3) Ручной режим: управление всеми системами через канал управления.
Таким образом, за счет ведения в прототип системы управления объективами, системы сведения каналов, сервоприводов левого и правого каналов, видеокамер, воспринимающих как видимое излучение, так и ближний ИК диапазон, ИК фильтров, модулей подсветки работающих в видимом и ближнем ИК диапазоне с соответствующими связями увеличивается глубина резкости и фокусное расстояние, снижаются требования к вычислительным ресурсам. Исключается потребность в отдельных инфракрасных воспринимающих элементах и камерах измерения глубины. Кроме того, появляется возможность разместить стереомикроскоп на достаточной высоте от стола, что положительно сказывается на удобстве эксплуатации. В конечном итоге улучшаются технико-эксплуатационные характеристики.
Источники информации:
1. Цифровой безокулярный микроскоп SONY TW-TL1Z http://www.ateron.com.tr/documents/TW-TLlZ_10Z 15Z Eng.pdf
2. Стереомикроскоп Leica М525 F 50
https.V/www.leica-microsvstems.com/fileadmin/downloads/Leica%20M525%20F50/Brochures /Leica M525 F50 brochure en.pdf
3. Патент США №US 9,766,441 «Surgical stereo vision systems and methods for microsurgery)) (Хирургические системы стереовидения и способы проведения микрохирургических операций)