JP7474859B2 - ヘッドマウント可視化ユニット及び可視化システム - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドマウント可視化ユニット、及びそのようなヘッドマウント可視化ユニットを含む可視化システムに関する。

顕微鏡手術では外科用顕微鏡が用いられ、これにより医師は外科手術部位（ＯＰ部位）とも称する手術部位をより高い拡大率で観察することができる。拡大に加えて、ＯＰ部位を立体的に見せることが外科的手技を成功させるために極めて重要性である。顕微手術では立体視用光学部品を有するアナログ外科用顕微鏡及び接目レンズを介した観察が通常用いられている。

最新の外科用顕微鏡により、代替的又は追加的手段としてＯＰ部位のデジタル３次元撮像が可能な場合がある。得られた３次元画像データは次いで、画面、特に３Ｄモニタ又はヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に表示することができる。動作環境での使用に適したＨＭＤもまた外科用ヘッドマウントディスプレイと称する場合がある。

３Ｄモニタでは、例えば、第１の偏光が施された第１の画像を表示する共に、第２の偏光が施された第２の画像を同時に表示することができ、第１の偏光は第２の偏光に対してほぼ垂直である。第１の目には第１の偏光が施された光だけを、及び第２の目には第２の偏光が施された光だけを透過させるヘッドマウント可視化ユニットを用いる場合、３Ｄモニタの使用者に立体画像の印象を与える。

更に、手術を行う外科医が画面から目を離しても知覚できるように追加的情報を光学的に提供したいとの要望が多い。この目的のため、例えば独国特許発明第１０２０１７１２３８９４Ｂ３号明細書では、ペイン及び当該ペインに画像を生成する装置を含むヘッドマウント可視化ユニット、特に（ＨＭＤ）を提案している。

３次元画像データの表示にＨＭＤを用いる場合、ユーザーの各目に至る二つの光路に異なる画像を重ね合わせることにより立体画像の印象を生じさせることができる。例えば、米国特許出願公開第２０１９／０３３９５２８Ａ１号明細書はＨＭＤを複合現実ディスプレイとも称する拡張現実ＨＭＤ（ＡＲＨＭＤ）の形式で開示している。ＡＲＨＭＤとは、ユーザーが重ね合わされた画像データと自然な環境の両方を見ることができるＨＭＤであると理解されたい。明るい環境における重ね合わされた画像の視認性を向上させるべく、各目への光路に画像を重ね合わせる前にＨＭＤのユーザーの自然な視野の部分領域を選択的に暗くする。

３Ｄモニタは３次元画像データのディスプレイと比較して解像度が高く、且つ待ち時間が短いため、３次元画像データの提示に好適であることが分かっている。しかし同時に、干渉する光源を遮蔽すべく、又は重ね合わされる追加的情報の視認性を向上させるべく、ヘッドマウント可視化ユニットのユーザーの自然な視野の部分領域を暗くしたい要望がある。

上記から、本発明の目的は改良されたヘッドマウント可視化ユニット及び改良された可視化システムを記述することである。

上述の目的は、主請求項及び等位請求項の主題により実現された。当該目的を実現するための有利な改良は従属請求項に記述されている。

少なくとも部分的に光を透過させる光学系を有するヘッドマウント可視化ユニットを提案する。光学系は、ヘッドマウント可視化ユニットのユーザーの第１の目に割り当てられた第１の光チャネル、及びユーザーの第２の目に割り当てられた第２の光チャネルを有している。第１の光チャネルは第１の偏光が施された光放射に対して実質的に透過的且つ第２の偏光が施された光放射に対して実質的に非透過的であり、第１の偏光は第２の偏光にほぼ垂直である。第２の光チャネルは第２の偏光が施された光放射に対して実質的に透過的且つ第１の偏光が施された光放射に対して実質的に非透過的である。偏光子及び光減衰器が少なくとも第１の光チャネルに配置されている。光減衰器はここではユーザーの第１の目に向かう方向で偏光子の下流に配置されている。

異なる偏光に対する透過性により、ヘッドマウント可視化ユニットのユーザーは、対応する偏光された画像を左目又は右目にいずれかにより知覚できるようになるため、立体的な印象が得られる。垂直な偏光は直線偏光、例えば水平及び垂直偏光であっても、又は円形偏光、例えば左円及び右円環偏光であってもよい。光減衰器を偏光子の下流に配置することにより、立体的知覚に必要なチャネル分離に影響することなく自然な視野の一部を遮蔽することが可能になる。

ヘッドマウント可視化ユニットは特に、外科的手技中の使用に適している場合がある。この文脈において、ヘッドマウント可視化ユニットは外科用ＨＭＤと称し得る。特に、ヘッドマウント可視化ユニットは、外科的手技の後で容易に消毒可能なように設計することができる。更に、提案するヘッドマウント可視化ユニットは、立体画像をヘッドマウント可視化ユニット自体で生成する必要が無いため、より軽量化することが可能である。ヘッドマウント可視化ユニットは従って、公知のヘッドマウント可視化ユニットよりもエネルギー消費を低減させることができ、同じ電池容量で手術中により長時間使用でき、又はより軽量なヘッドマウント可視化ユニットを提供することができる。

例示的な一実施形態において、偏光子は直線偏光フィルタを有している。例えば、偏光フィルタは垂直偏光された光だけを透過させるべく構成することができる。

別の構成によれば、偏光子はλ／４プレートを含み、当該λ／４プレートはユーザーの第１の目に向かう方向で直線偏光フィルタの上流に配置されている。後続の直線偏光フィルタの配置に関連してλ／４プレートの速軸の向きに応じて、偏光子は左円偏光された又は右円偏光された光を透過させるべく並んでいてよく、直線偏光フィルタの下流の光は直線偏光されている。

光減衰器は制御可能な液晶層を有していてもよい。液晶層は、１個以上の制御可能な液晶画素を含んでいてもよい。このように、液晶層の異なる複数の点の、入射光線に対する効果に影響を及ぼし得るようにすることができる。

光減衰器は、直線出力偏光フィルタ及び直線入力偏光フィルタを有していてもよい。例示的な複数の実施形態において、光減衰器の入力偏光フィルタは偏光子の直線偏光フィルタと同一であってよい。このように、光学系の光学素子を必要に応じて省略することができる。これによりヘッドマウント可視化ユニットを軽量化し、恐らくより高い費用対効果で製造することができるようになる。

液晶層を形成して追加的情報を第１のチャネルに重ね合わせることができる。例えば、液晶画素は、ヘッドマウント可視化ユニットのユーザーに追加的なパラメータを表示すべく異なる仕方で制御することができる。

ヘッドマウント可視化ユニットの複数の構成において、第１のチャネルで追加的情報を表示可能なディスプレイ装置を提供する。

ヘッドマウント可視化ユニットは、ディスプレイ装置に表示された追加的情報を第１のチャネルに重ね合わせるミラーを含んでいてよく、当該ミラーはユーザーの第１の目に向かう方向で光減衰器の下流に配置されている。

ディスプレイ装置に表示された追加的情報を第１のチャネルに重ね合わせるべく導波管を提供することも考えられ、当該導波管はユーザーの第１の目に向かう方向で光減衰器の下流に配置されている。その結果、光減衰器により、特に極めて明るい環境内で追加的情報を知覚し易くすることができる。

上述のようなヘッドマウント可視化ユニット及び画面を有する可視化システムを更に提案するものであり、当該画面はサンプル画像を立体視的に再生すべく第１の偏光が施された第１の画像及び第２の偏光が施された第２の画像を提示すべく構成されている。例えば、異なる偏光でラインごとに光を発する画面を用いることができる。

一構成において、可視化システムは外科用顕微鏡又は内視鏡を有しており、外科用顕微鏡又は内視鏡はサンプル画像を立体視的に記録する画像記録装置を有している。

本発明の複数の態様について図面を参照しながら以下に説明する。

可視化システムを示す。 ヘッドマウント可視化ユニットを示す。 光学系を示す。 光学系を示す。 光学系を示す。 光学系を示す。 光学系を示す。

図１に、ＯＰ部位（図示せず）の３次元画像データを記録できる外科用顕微鏡１００４を含む可視化システム１０００を示す。外科用顕微鏡１００４は制御装置１００５に接続されている。制御装置１００５は、外科用顕微鏡１００４から３次元画像データを受信して、例えば３Ｄモニタ１００３に表示することができる。外科医１００２は、ヘッドマウント可視化ユニット１００１を用いて、３Ｄモニタ１００３に表示された画像を立体視的に知覚することができる。ヘッドマウント可視化ユニットは、制御装置１００５との間で追加的情報を交換すべく構成することができる。必要ならば、当該追加的情報を外科医１００２に追加的に提示することができる。

図２に、可視化ユニット１００１の更なる詳細を一例として示す。特に、可視化ユニット１００１は、部分的に光を透過させる光学系２０００を有していてもよい。ヘッドマウント可視化ユニットのユーザー１００２の第１の目に第１のチャネルを割り当て、ユーザー１００２の他方の目に第２のチャネルを割り当てることができる。

図２に、例示的に、追加的情報を各チャネルに重ね合わせることができる二つの変型例を示す。例えば、部分的に透過するミラー２０２２を介してディスプレイ装置２０２１からの画像を一つのチャネルに重ね合わせることが考えられる。しかし、ディスプレイ装置２０１１、ミラー２０１２、及び導波管２０１３を用いて、追加的情報を光チャネルに重ね合わせることも可能であり得る。

図３に、ヘッドマウント可視化ユニットの素子をより詳細に示す。ヘッドマウント可視化ユニットは、ユーザー１００２の第１の目に割り当てられた第１の光チャネル３１００、及びユーザー１００２の第２の目に割り当てられた第２の光チャネル３２００を有している。画面１００３は、第１の偏光及び第２の偏光が施された画像を提示することができる。第１の偏光は、例えば、図３の上向きの矢印で示すような垂直偏光、図３の円で示すような水平偏光であってよい。ヘッドマウント可視化ユニットは、第１の光チャネル３１００内に偏光子３１１０を、及び偏光子３１１０とユーザー１００２の目の間に光減衰器３１２０を有している。偏光子３１１０は、垂直に偏光する光だけを通過させる直線偏光フィルタ３１１１を含んでいる。光減衰器３１２０は、入力偏光フィルタ３１２１及び出力偏光フィルタ３１２３を有している。個別に制御可能な複数の液晶画素（図示せず）を有する液晶層３１２２が、入力偏光フィルタ３１２１と出力偏光フィルタ３１２３の間に配置されている。液晶層３１２２は垂直偏光を回転させ、その結果液晶層の下流に垂直及び水平偏光の線形結合が生じる。この場合、液晶層３１２２を適切に制御することにより回転の程度を変えることができる。出力偏光フィルタ３１２３は、垂直偏光された光だけを確実に透過させる。従って、液晶層３１２２は入力偏光フィルタ３１２１及び出力偏光フィルタ３１２３との組み合わせにより光を減衰させる。

同様に、第２の光チャネル３２００は、直線偏光フィルタ３２１１を有する偏光子３２１０と、入力偏光フィルタ３２２１、液晶層３２２２、及び出力偏光フィルタ３２２３を有する光減衰器３２２０とを含んでいる。第１のチャネル３１００とは対照的に、第２のチャネル３２００は水平偏光された光だけを透過させる。従って、画面１００３に表示された画像をヘッドマウント可視化ユニットのユーザーが立体視的に知覚できるようにするチャネル分離が生じる。

図４に、第１のチャネル４１００及び第２のチャネル４２００を有する部分的に光を透過させる光学系を更に示す。第１のチャネルは偏光子４１１０と、その後段に配置された光減衰器４１２０を有している。偏光子４１１０の直線偏光フィルタ４１１１は従って光減衰器４１２０の入力偏光フィルタと同一である。光減衰器４１２０は更に、液晶層４１２２及び出力偏光フィルタ４１２３を有している。

チャネル４１００もまた、垂直偏光された光に対して実質的に透過的である。光学系は更に、偏光子４２１０及び光減衰器４２２０を有する第２のチャネル４２００を有している。偏光子４２１０の直線偏光フィルタ４２１１もまた、光減衰器４２２０の入力偏光フィルタと同一である。光減衰器４２２０はまた、液晶層４２２２及び出力偏光フィルタ４２２３を有している。第１のチャネル４１００とは対照的に、第２のチャネル４２００は水平偏光された光だけに対して実質的に透過的である。

図４の光学系により、図３の光学系と比較して、第１及び第２のチャネル両方の直線偏光フィルタを省略することが可能になる。

図５に、左円偏光及び右円偏光された画像を生成する３Ｄモニタに適した更なる光学系を示す。円偏光を使用することにより、ヘッドマウント可視化ユニットのユーザーは、たとえ頭部を傾けても、各ケースで左右のチャネルに割り当てられた画像を依然として明瞭に分離できる利点が得られる。

図５による光学系は、第１のチャネル５１００及び第２のチャネル５２００を有している。偏光子５１１０及び光減衰器５１２０は第１のチャネル５１００に配置されている。偏光子は直線偏光フィルタ５１１１及びλ／４プレート５１１２を含んでいる。直線偏光フィルタ５１１１はλ／４プレート５１１２とヘッドマウント可視化ユニットのユーザー１００２の目の間に配置されている。偏光子５１１０は右円偏光された光だけを透過させるが、これは垂直偏光された光が偏光子５１１０の下流にあることを意味する。入力偏光子５１２１、液晶層５１２２及び出力偏光フィルタ５１２３の支援により、光減衰器５１２０の前に到着する光を減衰させる。

同様に、第２のチャネル５２００は偏光子５２１０及び光減衰器５２２０を有している。偏光子５２１０はλ／４プレート５２１２を含み、λ／４プレート５２１２とヘッドマウント可視化ユニットのユーザー１００２の目の間に配置された直線偏光フィルタ５２１１を有している。偏光子５２１０は、左円光だけを偏光子５２１０を通過させて、水平偏光された光として偏光子５２１０の下流に存在させる効果を有している。水平偏光された光は次いで、入力偏光フィルタ５２２１、液晶層５２２２、及び出力偏光フィルタ５２２３により減衰される。

図６に、円偏光と合わせて用いることができるヘッドマウント可視化ユニットの更なる例を示す。ヘッドマウント可視化ユニットの光学系はこの場合も第１のチャネル６１００及び第２のチャネル６２００を有している。

第１のチャネル６１００の偏光子６１１０及び第２のチャネル６２００の偏光子６２１０は、同一のλ／４プレート６１１２／６２１２を共有している。更に、光減衰器６１２０の入力偏光フィルタは偏光子６１１０の直線偏光フィルタ６１１１と同一であり、光減衰器６２２０の入力偏光フィルタ６２１１は偏光子６２１０の直線偏光フィルタ６２１１と同一である。λ／４プレート６１１２／６２１２の速軸に対する光減衰器６１２０及び６２２０の並びが異なるため、右円光だけが第１のチャネル６１００を通過でき、左円光だけが第２のチャネル６２００を通過できる。

図７に、ヘッドマウント可視化ユニットの更なる詳細を示す。

光減衰器４１２０の入力偏光フィルタが図４の偏光子４１１０の直線偏光フィルタ４１１１と同一であるのと同様に、図７に従う例示的な実施形態において、光減衰器７１２０の入力偏光フィルタ７１１１は偏光子７１１０の直線偏光フィルタと同一であり、光減衰器７２２０の入力偏光フィルタは偏光子７２１０の直線偏光フィルタ７２１１と同一である。第１のチャネル７１００の光減衰器７１２０は、第２のチャネルの光減衰器７２２０と同一である。直線偏光フィルタ７１１１／７２１１に対するλ／４プレート７１１２及び７２１２の並びが異なるため、右円偏光されてλ／４プレート７１１２に入射した第１のチャネル７１００内の光は第１のチャネル７１００を通過でき、左円偏光されてλ／４プレート７２１２に入射した光は第２のチャネル７２００を通過できる。従って、図７による光学系もまたチャネル分離を可能にし、その結果ヘッドマウント可視化ユニットのユーザーは画面に表示された３次元画像データを立体視的に知覚することができる。

Claims (17)

1. 外科手術環境において手術部位（ＯＰ部位）を観察するための可視化システム（１０００）であって、
   ヘッドマウント可視化ユニット（１００１）を有し、
   少なくとも部分的に光を透過させる光学系（２０００）を有し、
   前記光学系（２０００）が、前記ヘッドマウント可視化ユニット（１００１）のユーザー（１００２）の第１の目に割り当てられた第１の光チャネル（３１００）、及び前記ユーザー（１００２）の第２の目に割り当てられた第２の光チャネル（３２００）を有し、
   前記第１の光チャネル（３１００）が第１の偏光が施された光放射に対して実質的に透過的且つ第２の偏光が施された光放射に対して実質的に非透過的であり、前記第１の偏光が前記第２の偏光にほぼ垂直であり、
   前記第２の光チャネル（３２００）が前記第２の偏光が施された光放射に対して実質的に透過的且つ前記第１の偏光が施された光放射に対して実質的に非透過的であり、
   偏光子（３１１０、３２１０）及び光減衰器（３１２０、３２２０）が前記第１の光チャネル（３１００）と前記第２の光チャネル（３２００）に配置され、前記第１の光チャネル（３１００）において当該偏光子（３１１０）は、前記第１の偏光が施された光放射に対して実質的に透過的且つ前記第２の偏光が施された光放射に対して実質的に非透過的であり、前記第２の光チャネル（３２００）において当該偏光子（３２１０）は、前記第２の偏光が施された光放射に対して実質的に透過的且つ前記第１の偏光が施された光放射に対して実質的に非透過的であり、
   前記光減衰器（３１２０）が前記ユーザー（１００２）の第１の目に向かう方向で前記偏光子（３１１０）の下流に配置され、
   画面（１００３）を有し、前記画面（１００３）が、サンプル画像を立体視的に再生するために前記第１の偏光が施された前記ＯＰ部位の第１の画像及び前記第２の偏光が施された前記ＯＰ部位の第２の画像を提示すべく構成される、可視化システム（１０００）。
2. 前記偏光子（３１１０）が直線偏光フィルタ（３１１１）を含む、請求項１に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。
3. 前記偏光子（５１１０）がλ／４プレート（５１１２）を含み、
   前記λ／４プレート（５１１２）が、前記ユーザーの第１の目に向かう方向で前記直線偏光フィルタ（５１１１）の上流に配置される、請求項２に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。
4. 前記光減衰器（３１２０）が制御可能な液晶層（３１２２）を含む、請求項１に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。
5. 前記光減衰器（３１２０）が制御可能な液晶層（３１２２）を含む、請求項２又は３に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。
6. 前記液晶層（３１２２）が個別に制御可能な１個以上の液晶画素を含む、請求項４に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。
7. 前記液晶層（３１２２）が個別に制御可能な１個以上の液晶画素を含む、請求項５に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。
8. 前記光減衰器（３１２０）が直線出力偏光フィルタ（３１２３）及び直線入力偏光フィルタ（３１２１）を有する、請求項４又は６に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。
9. 前記光減衰器（３１２０）が直線出力偏光フィルタ（３１２３）及び直線入力偏光フィルタ（３１２１）を有する、請求項５又は７に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。
10. 前記光減衰器（４１２０）の前記直線入力偏光フィルタ（４１１１）が偏光子（４１１０）の前記直線偏光フィルタ（４１１１）と同一である、請求項９に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。
11. 前記液晶層（３１２２）が追加的情報を前記第１の光チャネル（３１００）に重ね合わせるべく形成される、請求項６又は７に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。
12. 前記ヘッドマウント可視化ユニット（１００１）が前記第１の光チャネル（３１００）の追加的情報を表示するためのディスプレイ装置（２０２１）を有する、請求項１～１１のいずれか１項に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。
13. 前記ディスプレイ装置（２０２１）に表示された前記追加的情報を前記第１の光チャネル（３１００）に重ね合わせるべくミラー（２０２２）が設けられ、
    前記ミラー（２０２２）が前記ユーザー（１００２）の第１の目に向かう方向で前記光減衰器（３１２０）の下流に配置される、請求項１２に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。
14. ディスプレイ装置（２０１１）に表示された追加的情報を前記第１の光チャネル（３１００）に重ね合わせるべく導波管（２０１３）が設けられ、
    前記導波管（２０１３）が前記ユーザーの第１の目に向かう方向で前記光減衰器（３１２０）の下流に配置される、請求項１２又は１３に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。
15. 前記第１の偏光及び前記第２の偏光が円偏光である、請求項１～１４のいずれか１項に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。
16. 前記画面（１００３）が、異なる偏光でラインごとに光を発すべく構成される、請求項１～１４のいずれか１項に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。
17. 外科用顕微鏡（１００４）又は内視鏡を有し、
    前記外科用顕微鏡（１００４）又は内視鏡が、サンプル画像を立体視的に記録するための画像記録装置を有する、請求項１～１４のいずれか１項に記載の外科手術環境においてＯＰ部位を観察するための可視化システム（１０００）。

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