CN107388201A - 医用头戴式眼动控制手术照明灯 - Google Patents

医用头戴式眼动控制手术照明灯 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种医用头戴式眼动控制手术照明灯，包括图像采集单元、图像处理和功能判定单元、***设备控制单元、头部佩戴单元以及电源供电单元；图像处理和功能判定单元包括图像处理模块和功能判定模块，***设备控制单元包括电机驱动模块和电机模块以及LED照明模块；图像采集单元用于采集人眼部图像；图像处理模块用于对图像采集单元采集到的人眼部图像进行处理，并从人眼部图像中提取瞳孔中心坐标；功能判定模块用于基于瞳孔中心坐标确定当前视线方向，以根据该当前视线方向生成对应的驱动信号以驱动电机驱动模块调节LED照明模块的照明方向，使得LED照明模块的照明方向与该当前视线方向一致。

Description

医用头戴式眼动控制手术照明灯
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种医用头戴式眼动控制手术照明灯。
背景技术
医用头戴式手术照明灯用于医院门诊、口腔科、耳鼻喉科、普外科、眼科、整形外科和血管外科等各种检查和手术的场合，具有携带方便、定向照明效果优良等优点，为精细手术、深部手术提供了极大方便。
目前，国内外现有的医用头戴式手术照明灯，由交流变压器、发光源、反光镜、头带或头盔、电源线等部分组合而成。外观比较笨重，此装置在使用时受导线长度及设备体积、重量的约束、使医生活动和应用的场所受限，不适合大量的配置和广泛的普及。目前，市场上有产自德国里斯ri-focus医用手术头灯，它是世界首创的6VLED照明技术，色温可达6000K，有灵活转动的转轴可以360度调整并定位光源，但是价格昂贵达到1至2万元左右，不能够普及到各大小型医院。而且此种设备采用传统手动调节方式，一方面增加了不必要的手术时间；另一方面由于头灯的调节需要人工操作，会带来一定程度上细菌感染，降低手术的成功率。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明提供了一种医用头戴式眼动控制手术照明灯，以至少解决现有的医用头戴式手术照明灯所存在的由于采用传统调节方式而导致手术时间较长、以及由于头灯的调节需要人工操作而带来一定程度细菌感染、降低手术成功率的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种医用头戴式眼动控制手术照明灯，头戴式眼动控制手术照明灯包括图像采集单元、图像处理和功能判定单元、***设备控制单元、头部佩戴单元以及电源供电单元。其中，图像采集单元、图像处理和功能判定单元和***设备控制单元安装在头部佩戴单元上；电源供电单元采用锂电池供电，锂电池提供给医用头戴式眼动控制手术照明灯的内部所有单元所需的电能；图像处理和功能判定单元包括图像处理模块和功能判定模块，***设备控制单元包括电机驱动模块以及电机模块和LED照明模块；图像采集单元用于采集人眼部图像；图像处理模块用于对图像采集单元采集到的人眼部图像进行处理，并从人眼部图像中提取瞳孔中心坐标；功能判定模块用于基于瞳孔中心坐标确定当前视线方向，以根据该当前视线方向生成对应的驱动信号以驱动电机驱动模块调节LED照明模块的照明方向，使得LED照明模块的照明方向与该当前视线方向一致。
进一步地，图像采集单元采用CMOS摄像头；图像处理模块包括解码子模块、FIFO子模块和读取子模块；CMOS摄像头用于捕获人眼部图像以生成对应的BT656复合数字图像信号，以通过解码子模块对BT656复合数字图像信号进行解码，将解码子模块解码得到的有效数字信号缓存在FIFO子模块中，并通过读取子模块读取。
进一步地，图像处理模块2-1通过如下方式提取瞳孔中心坐标：对人眼部图像进行图像像素遍历以完成二值化处理，得到人眼部图像对应的二值化图像；根据二值化图像中的白点像素，确定瞳孔区域；根据二值化图像中的瞳孔区域及非瞳孔区域，计算瞳孔中心坐标。
进一步地，图像处理模块可以通过如下方式对人眼部图像进行图像像素遍历以完成二值化处理：针对人眼部图像中的每个像素，获得该像素的灰度值，判断该像素的灰度值是否大于预设阈值T，在该像素的灰度值大于预设阈值T的情况下输出黑点，在该像素的灰度值小于或等于预设阈值T的情况下输出白点。
进一步地，图像处理模块可以通过如下方式计算瞳孔中心坐标：获得二值化图像中的白点像素数量；获得二值化图像中所有白点像素的横坐标之和；获得二值化图像中所有白点像素的纵坐标之和；根据二值化图像中所有白点像素的横坐标之和与该行中的白点像素数量之比，获得通孔中心横坐标；根据二值化图像中所有白点像素的纵坐标之和与该行中的白点像素数量之比，获得通孔中心纵坐标。
本发明的医用头戴式眼动控制手术照明灯，是一种基于眼动跟踪技术的医用头戴式手术照明灯，该***通过跟踪视线实时调节灯的方向。采用发带或绷带作为固定设备，将电源和头带设备结合在一起，实现无线化。不仅体积小、重量较轻、佩戴轻松舒适、不会给医务人员的头脑造成压迫，而且成本上大幅度降低。与传统手动调节式相比，眼动调节式具有非接触的优点，在一定程度上缩短了手术时间；而且由于不需要人工操作，不会带来细菌感染，适合大多数医疗机构使用，可弥补国内医用手术头灯照明方法的不足，有着一定的市场价值和广阔的应用前景。
本发明医用头戴式眼动控制手术照明灯，采用数字图像处理技术并通过CMOS摄像头采集眼部图像。在FPGA中完成图像处理、视线跟踪、电机驱动和LED的亮灭控制等功能。该头戴式眼动控制手术照明灯实现了一种基于视线追踪技术的对灯方向调节的目的，打破了传统的手动调节方式的不足，具有非接触、跟踪准确等优点。大大缩短了手术时间，使得医生在手术过程中降低了手术风险，提高了成功率。
通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
图1是示意性地示出本发明的医用头戴式眼动控制手术照明灯的一个示例的结构图；
图2是图1所示的医用头戴式眼动控制手术照明灯的处理示例的流程图；
图3是示出图像采集单元硬件结构的框图；
图4是示出图像处理模块硬件结构的框图；
图5是示出瞳孔提取工作的流程图；
图6是示出瞳孔中心定位工作的流程图；
图7是示出LED灯方向调节工作的流程图。
本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与***及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明的实施例提供了一种医用头戴式眼动控制手术照明灯，头戴式眼动控制手术照明灯包括图像采集单元、图像处理和功能判定单元、***设备控制单元、头部佩戴单元以及电源供电单元；其中，图像采集单元、图像处理和功能判定单元和***设备控制单元安装在头部佩戴单元上；电源供电单元采用锂电池供电，锂电池提供给医用头戴式眼动控制手术照明灯的内部所有单元所需的电能；图像处理和功能判定单元包括图像处理模块和功能判定模块，***设备控制单元包括电机驱动模块以及电机模块和LED照明模块；图像采集单元用于采集人眼部图像；图像处理模块用于对图像采集单元采集到的人眼部图像进行处理，并从人眼部图像中提取瞳孔中心坐标；功能判定模块用于基于瞳孔中心坐标确定当前视线方向，以根据该当前视线方向生成对应的驱动信号以驱动电机驱动模块调节LED照明模块的照明方向，使得LED照明模块的照明方向与该当前视线方向一致。
图1给出了本发明的医用头戴式眼动控制手术照明灯的一个示例的结构图。
如图1所示，医用头戴式眼动控制手术照明灯，其特征在于，头戴式眼动控制手术照明灯包括图像采集单元1、图像处理和功能判定单元2、***设备控制单元3、头部佩戴单元以及电源供电单元。其中，图像采集单元1、图像处理和功能判定单元2和***设备控制单元3安装在头部佩戴单元；电源供电单元采用锂电池供电，锂电池提供给医用头戴式眼动控制手术照明灯的内部所有单元所需的电能；图像处理和功能判定单元2包括图像处理模块2-1和功能判定模块2-2；***设备控制单元3包括电机驱动模块和电机模块3-1和LED照明模块3-2。
图像采集单元1用于采集人眼部图像。
图像处理模块2-1用于对图像采集单元1采集到的人眼部图像进行处理，并从人眼部图像中提取瞳孔中心坐标。
功能判定模块2-2用于基于瞳孔中心坐标确定当前视线方向，以根据该当前视线方向生成对应的驱动信号以驱动电机驱动模块3-1调节LED照明模块3-2的照明方向，使得LED照明模块3-2的照明方向与该当前视线方向一致。
根据一个实现方式，图像采集单元1可以采用CMOS摄像头；图像处理模块2-1包括解码子模块2-1-1、FIFO子模块2-1-2和读取子模块2-1-3；CMOS摄像头用于捕获人眼部图像以生成对应的BT656复合数字图像信号，以通过解码子模块2-1-1对BT656复合数字图像信号进行解码，将解码子模块2-1-1解码得到的有效数字信号缓存在FIFO子模块2-1-2中，并通过读取子模块2-1-3读取。
根据一个实现方式，图像处理模块2-1通过如下方式提取瞳孔中心坐标：对人眼部图像进行图像像素遍历以完成二值化处理，得到人眼部图像对应的二值化图像；根据二值化图像中的白点像素，确定瞳孔区域；根据二值化图像中的瞳孔区域及非瞳孔区域，计算瞳孔中心坐标。
此外，根据一个实现方式，图像处理模块2-1可以通过如下过程来对人眼部图像进行图像像素遍历以完成二值化处理：针对人眼部图像中的每个像素，获得该像素的灰度值，判断该像素的灰度值是否大于预设阈值T，在该像素的灰度值大于预设阈值T的情况下输出黑点，在该像素的灰度值小于或等于预设阈值T的情况下输出白点。预设阈值T可根据经验值设定，或者可以通过试验的方法确定，这里不再赘述。
其中，图像处理模块2-1可按照如下过程计算瞳孔中心坐标：获得二值化图像中的白点像素数量；获得二值化图像中所有白点像素的横坐标之和；获得二值化图像中所有白点像素的纵坐标之和；根据二值化图像中所有白点像素的横坐标之和与该行中的白点像素数量之比，获得通孔中心横坐标；根据二值化图像中所有白点像素的纵坐标之和与该行中的白点像素数量之比，获得通孔中心纵坐标。
优选实施例
本发明的医用头戴式眼动控制手术照明灯的硬件组成主要包括：图像采集单元、图像处理和功能判定单元、***设备控制单元。其中图像采集单元负责采集人眼部图像；图像处理和功能判定单元包括图像处理模块和功能判定模块用来将图像采集单元输出的数字图像信号进行处理，并提取瞳孔中心坐标，并根据功能判定模块确定视线方向；***设备控制单元包括LED照明模块和电机驱动模块以及电机模块，通过FPGA在总线上发出相应的指令，实现LED的亮灭的控制和电机的驱动，进而实现对灯方向的调节。
本实施例以FPGA为主控芯片，并结合数字图像处理技术，设计和实现本发明的医用头戴式眼动控制手术照明灯。也就是说，FPGA用于实现图像处理和功能判定模块单元和***设备控制模块单元中的部分或全部功能。
本实施例采用眼动追踪的非接触控制方式，实时调节灯的方向，在一定程度上缩短了手术时间。而且由于不需要人工手动调节，不会带来细菌的感染，适合大多数医疗机构的使用。
其处理流程如图2所示。
医用头戴式眼动控制手术照明灯采用Cyclone IV的FPGA芯片作为***核心处理器，完成图像的采集、图像处理和功能判定以及***设备的控制；根据判定的结果确定视线的方向，进而控制电机的转动；最终，实现基于眼动控制手术照明灯***。其中，***设备控制模块单元通过接口和总线与FPGA相连。下图是基于眼动控制头戴式手术照明灯的工作流程图。
1.图像采集单元：
本控制器的图像采集单元硬件框图如图3所示：
该模块硬件部分由CMOS OV7725摄像头、FPGA控制电路中的FPGA芯片组成。CMOS摄像头捕捉到人眼的图像后，输出BT656复合数字图像信号，并把此信号输入FPGA内部进行处理。首先经过解码子模块对BT656数字信号进行解码；然后把解码出的有效数字信号在FIFO子模块里缓存；最后，通过读取子模块(即READ读取模块)在FPGA总线上进行图像处理。
2.图像处理与功能判定单元
本智能控制器的图像处理与功能判定单元包括图像处理模块和功能判定模块，其中，硬件框图如图4所示：
图像处理模块与功能判定模块共用FPGA芯片与SDRAM芯片。SDRAM芯片用于存储图像处理与功能判定所需的指令与算法。
图像处理模块用来将图像采集单元输出的眼部数字图像信号输入到FPGA中，经过有效数字的解码再进行眼部算法的运算。先后进行瞳孔提取、瞳孔中心点定位。功能判定模块是根据瞳孔的位置实时判定用户视线的方向，并通过在FPGA总线上发出相应的指令达到电机驱动的目的。通过图像采集单元采集到的眼部图像进行处理，根据处理结果确定瞳孔的位置进而判定视线的方向并执行相应的指令。通过确认的控制信号在FPGA总线上完成了相应指令的发送，最终实现电机的驱动。
瞳孔提取：
为了分离瞳孔与其周围的背景，本图像处理模块在灰度图像的基础上使用阈值技术对眼部图像二值化操作。首先在数据总线上读取SDRAM的图像数据，然后利用阈值技术对眼部图像进行二值化处理，使显示模块只显示瞳孔的黑白图像。设定瞳孔部分显示为白色，背景为黑色的二值化图像。
瞳孔提取工作流程如图5所示。
瞳孔中心点定位：
为了确定视线的方向，在通过眼部图像的二值化提取出瞳孔区域后，需要计算出瞳孔中心点的坐标，然后把得出的中心点坐标发送到上位机上进行测试，进而可以实时追踪视线的方向。本图像处理模块在对眼部图像二值化后，采用重心法进行瞳孔中心坐标的提取。其原理和方法为：在二维图像中，目标区域的中心公式为：
其中，f(x,y)为二值化图像，其值只可能取0或者1。在设计时，可以用一个20位计数器NUM_counter对f(x,y)中值为“1”的像素个数进行计数，用两个30位的寄存器(SUM_X，SUM_Y)存储像素值为1的像素的坐标累加值，用两计数器X_counter和Y_counter表示当前像素的坐标。当读取的值f(xi,yj)为1时，进行如下运算：
NUM_counter＝NUM_counter+1
SUM_X＝SUM_X+X_counter
SUM_Y＝SUM_Y+Y_counter
当整幅图像扫描完后，即可得到当前瞳孔的中心
瞳孔中心定位工作流程图如图6所示。
3.***设备控制单元
***设备控制单元包括LED照明模块和电机驱动模块以及电机模块。Cyclone IV芯片作为***的核心处理器，为外设提供接口。通过FPGA在总线上对***控制模块发出相应指令，实现对其控制，完成LED的点亮和电机的驱动。通过电机的转动，最终完成对灯方向的调节。具体的工作流程图如图7所示。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.医用头戴式眼动控制手术照明灯，其特征在于，所述医用头戴式眼动控制手术照明灯包括图像采集单元(1)、图像处理和功能判定单元(2)、***设备控制单元(3)、头部佩戴单元以及电源供电单元；
其中，所述图像采集单元(1)、所述图像处理和功能判定单元(2)和所述***设备控制单元(3)安装在所述头部佩戴单元上；
所述电源供电单元采用锂电池供电，锂电池提供给医用头戴式眼动控制手术照明灯的内部所有单元所需的电能；
所述图像处理和功能判定单元(2)包括图像处模块理模块(2-1)和功能判定(2-2)，所述***设备控制单元(3)包括电机驱动模块以及电机模块(3-1)和LED照明模块(3-2)；
所述图像采集单元(1)用于采集人眼部图像；
所述图像处理模块(2-1)用于对所述图像采集单元(1)采集到的人眼部图像进行处理，并从所述人眼部图像中提取瞳孔中心坐标；
所述功能判定模块(2-2)用于基于所述瞳孔中心坐标确定当前视线方向，以根据该当前视线方向生成对应的驱动信号以驱动所述电机驱动模块(3-1)调节所述LED照明模块(3-2)的照明方向，使得所述LED照明模块(3-2)的照明方向与该当前视线方向一致。
2.根据权利要求1所述的医用头戴式眼动控制手术照明灯，其特征在于，所述图像采集单元(1)采用CMOS摄像头；所述图像处理模块(2-1)包括解码子模块(2-1-1)、FIFO子模块(2-1-2)和读取子模块(2-1-3)；
所述CMOS摄像头用于捕获人眼部图像以生成对应的BT656复合数字图像信号，以通过所述解码子模块(2-1-1)对所述BT656复合数字图像信号进行解码，将所述解码子模块(2-1-1)解码得到的有效数字信号缓存在所述FIFO子模块(2-1-2)中，并通过所述读取子模块(2-1-3)读取。
3.根据权利要求1所述的医用头戴式眼动控制手术照明灯，其特征在于，所述图像处理模块(2-1)通过如下方式提取所述瞳孔中心坐标：
对所述人眼部图像进行图像像素遍历以完成二值化处理，得到所述人眼部图像对应的二值化图像；
根据所述二值化图像中的白点像素，确定瞳孔区域；
根据所述二值化图像中的瞳孔区域及非瞳孔区域，计算瞳孔中心坐标。
4.根据权利要求3所述的医用头戴式眼动控制手术照明灯，其特征在于，所述图像处理模块(2-1)可以通过如下方式对所述人眼部图像进行图像像素遍历以完成二值化处理：针对所述人眼部图像中的每个像素，
获得该像素的灰度值，
判断该像素的灰度值是否大于预设阈值T，
在该像素的灰度值大于所述预设阈值T的情况下输出黑点，
在该像素的灰度值小于或等于所述预设阈值T的情况下输出白点。
5.根据权利要求3或4所述的医用头戴式眼动控制手术照明灯，其特征在于，所述图像处理模块(2-1)可以通过如下方式来计算瞳孔中心坐标：
获得所述二值化图像中的白点像素数量；
获得所述二值化图像中所有白点像素的横坐标之和；
获得所述二值化图像中所有白点像素的纵坐标之和；
根据所述二值化图像中所有白点像素的横坐标之和与该行中的白点像素数量之比，获得通孔中心横坐标；
根据所述二值化图像中所有白点像素的纵坐标之和与该行中的白点像素数量之比，获得通孔中心纵坐标。
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