特許 7453403 ヘッドマウント可視化システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-11

(45)【発行日】2024-03-19

(54)【発明の名称】ヘッドマウント可視化システム

(51)【国際特許分類】

   H04N 5/64 20060101AFI20240312BHJP

【ＦＩ】

H04N5/64 511A

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2022552647

(86)(22)【出願日】2021-02-26

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-05-17

(86)【国際出願番号】 EP2021054900

(87)【国際公開番号】W WO2021175727

(87)【国際公開日】2021-09-10

【審査請求日】2022-09-29

(31)【優先権主張番号】102020202624.6

(32)【優先日】2020-03-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(31)【優先権主張番号】102020131029.3

(32)【優先日】2020-11-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】502303382

【氏名又は名称】カール ツアイス メディテック アクチエンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100202326

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 大佑

(72)【発明者】

【氏名】クリストフ ハウガー

(72)【発明者】

【氏名】クリストフ シャエフ

(72)【発明者】

【氏名】ステファン ザウアー

【審査官】三沢 岳志

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／０４９９９７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１３－５４２４６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１７７４０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２５０８１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２８６１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２０３９５２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｎ ５／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

手術用可視化システムであって、
装着システム（１）を有するヘッドマウント可視化システム（２０）と、
画像生成装置であって、前記画像生成装置に供給される画像データに基づいて画像情報を生成するように設計され、
少なくとも１つの光透過型の光学システムを有し、
前記光学システムを透過する光を２つの空間領域で異なるように偏光するように設計される偏光ユニット（１０）を有し、
制御装置を有する
画像生成装置と、
記録された画像情報を立体視的に再現するステレオモニタ（２４）と、
を含み、
前記光学システムは、前記画像生成装置により生成された画像情報をヘッドマウント可視化システム（２０）を装着する人物に供給するように設計され、
前記制御装置は、前記画像生成装置に画像データを供給するように設計され、
前記光学システムの光透過は異なる表面領域内で異なるように切替可能であり、
前記制御装置は、
前記ヘッドマウント可視化システムの位置に対する前記ステレオモニタの位置を画像認識によって特定し、
前記光学システムの前記光透過を、前記ヘッドマウント可視化システム（２０）の前記位置に対する前記ステレオモニタ（２４）の前記位置に応じて、前記光透過が、前記ヘッドマウント可視化システムのユーザが前記ステレオモニタ（２４）を認識する前記表面領域において高い光透過に切り替えられ、その他の表面領域における前記光透過は低減される方法で制御する
ように設計される、手術用可視化システム。

【請求項2】

前記手術用可視化システムは、画像記録装置を備える手術用顕微鏡又は内視鏡をさらに有し、
前記ステレオモニタは、前記画像記録装置で記録された画像情報を立体視的に再現するように設計される、
請求項１に記載の手術用可視化システム。

【請求項3】

前記ヘッドマウント可視化システムはアイトラッカを有し、前記制御装置は、前記画像生成装置に供給された前記画像データを、前記アイトラッカからの出力データに応じて制御するように設計される、請求項１又は２に記載の手術用可視化システム。

【請求項4】

前記ヘッドマウント可視化システムはマイクロフォンを有し、前記制御装置は、前記マイクロフォンで記録された音響情報に応じて手術用顕微鏡を制御するように設計される、請求項２又は３に記載の手術用可視化システム。

【請求項5】

前記ヘッドマウント可視化システムはマイクロフォンを有し、前記制御装置は、前記マイクロフォンで記録された音響情報に応じて前記画像生成装置に供給される前記画像データを制御するように設計される、請求項２又は３に記載の手術用可視化システム。

【請求項6】

前記ヘッドマウント可視化システムは、前記ヘッドマウント可視化システムの空間アラインメントにおける変化を特定するためのジャイロスコープセンサを有し、前記制御装置は、前記ジャイロスコープセンサからの出力データに応じて手術用顕微鏡又は内視鏡を制御するように設計される、請求項１～５の何れか１項に記載の手術用可視化システム。

【請求項7】

前記ヘッドマウント可視化システムは前記ヘッドマウント可視化システムの空間アラインメントの変化を特定するためのジャイロスコープセンサを有し、前記制御装置は、前記ジャイロスコープセンサからの出力データに応じて前記画像生成装置に供給される前記画像データを制御するように設計される、請求項１～６の何れか１項に記載の手術用可視化システム。

【請求項8】

前記光学システムの前記光透過は、異なる表面領域内で異なるように切替可能であり、前記制御装置は、前記画像生成装置により生成される前記画像情報が前記ヘッドマウント可視化システムを装着する人物に供給される表面領域において、前記光学システムの光透過を低減させるように設計される、請求項１～７の何れか１項に記載の手術用可視化システム。

【請求項9】

前記偏光ユニットは、取外し可能且つ保持可能に設計される、請求項１～８の何れか１項に記載の手術用可視化システム。

【請求項10】

前記偏光ユニットと前記光透過型の光学システムは前記装着システム上に保持され、それによってこれらは相互に交換可能である、請求項１～９の何れか１項に記載の手術用可視化システム。

【請求項11】

第一の光透過型光学システムが左眼のために存在し、第二の光透過型光学システムが右眼のために存在する、請求項１～１０の何れか１項に記載の手術用可視化システム。

【請求項12】

前記偏光ユニットは、前記第一の光透過型光学システムの上流の第一の偏光子と前記第二の光透過型光学システムの上流の第二の偏光子を有する、請求項１１に記載の手術用可視化システム。

【請求項13】

前記偏光ユニットは、前記光学システムを透過する光を相互に垂直な方向に偏光するように設計される、請求項１～１２の何れか１項に記載の手術用可視化システム。

【請求項14】

前記偏光ユニットは前記光学システムを透過する光を円形に反対方向に偏光するように設計される、請求項１～１２の何れか１項に記載の手術用可視化システム。

【請求項15】

手術環境を可視化する方法であって、
ステレオモニタ上に手術領域の画像が提示され、
前記ステレオモニタ上に提示された前記画像が、偏光フィルタを備えるヘッドマウント可視化システムを通じて観察され、
光学システムによって、前記ヘッドマウント可視化システムを装着するユーザに画像情報が供給され、
前記ヘッドマウント可視化システムの位置に対する前記ステレオモニタの位置が画像認識によって特定され、
前記光学システムの光透過が、前記ヘッドマウント可視化システムの前記位置に対する前記ステレオモニタの前記位置に応じて、前記ユーザが前記ステレオモニタを認識する表面領域において高い光透過に切り替えられ、その他の表面領域において低減される方法。

【請求項16】

前記ヘッドマウント可視化システムによって追加の拡張情報がさらに提供され、
前記ヘッドマウント可視化システムは制御データを生成し、前記ステレオモニタ上に提示された前記拡張情報及び／又は画像情報、及び／又は電動スタンドの動き、及び／又は手術用顕微鏡の機能は、前記ヘッドマウント可視化システムにより生成される前記制御データに応じて制御される、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

センサ及び／又は前記ヘッドマウント可視化システムのセンサからの出力データと提供される拡張情報との間の関連付けを構成することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記拡張情報はビデオ伝送によって送信される、請求項１６又は１７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ヘッドマウント可視化システム、ヘッドマウント可視化システムを有する手術用可視化システム、及び手術環境での可視化の方法に関する。

【背景技術】

【0002】

顕微鏡下手術では、手術用顕微鏡が使用されて手術部位が拡大され、可視化される。拡大に加えて、立体視の感覚が処置の成功にとってきわめて重要である。アナログ式手術用顕微鏡は長年にわたり、立体光学系及び対眼レンズを通じた観察によってこのような要求事項を満たしてきた。対眼レンズを通じた観察に加えて、現代の外科用顕微鏡の中には、ステレオモニタを利用してデジタル３Ｄ可視化も提供するものがある。

【0003】

ステレオモニタに加えて、ブームシステムやヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）として知られているものが、立体視ビデオ画像データの可視化用として検討されている。ブームシステムは小型のデジタル対眼レンズであり、これは実質的に２つのマイクロディスプレイと２つの対眼レンズからなり、スタンドに取り付けられる。それはと対照的に、ＨＭＤはヘッドマウントシステムであり、二種類が利用可能である：ＶＲ－ＨＭＤは現実の環境を完全にブロックして、マイクロディスプレイによりデジタル３Ｄデータのみを表示する。それに対してＡＲ－ＨＭＤでは、現実の環境を見ることができ、現実世界上の空間的に固定されたオーバレイで提示されるデジタルコンテンツの拡張が可能となる。対応するＡＲ－ＨＭＤは例えばＭａｇｉｃ Ｌｅａｐから入手できる。

【0004】

しかしながら、現時点で、ＨＭＤがいまだに、又はめったに顕微鏡下手術に使用されない理由には２つある。

【0005】

「手術ユースケース」として知られるもの、すなわち手術部位の画像データを術中に外科医に提示することに関する画像品質要件は非常に高く、現在のＨＭＤでは満たされない。これは、ＨＭＤがごく軽量小型である必要があることによるものであり、つまりは画像品質の点での妥協がなされなければならないことを意味する。これはまた、典型的な民生用途では高い画像品質に対する要求事項が不要であることにもよる。

【0006】

今日のＨＭＤにおいて、上述の手術ユースケースではＶＲモードに対応する動作が要求されており、なぜなら、外科医は可能な限り最善の立体視方式で手術部位を認識できなければならないからである。しかしながら、数多くの用途でＨＭＤがＡＲモードで動作するように求められる：例えば、処置の開始時には開頭術の部位を患者の頭蓋骨上に直接オーバレイすることが有益である。ＨＭＤはまた、外科医が現実の環境を見ること、例えば器具の置かれた無菌テーブルを見ることができるようにすべきである。今述べたユースケースから、したがって、ＡＲ及びＶＲモード間で切り替えることのできるＨＭＤが必要であるように見える。現在利用可能なＨＭＤの中に、遠隔的にも適切であるＶＲモードでの画像品質が得られるこのような技術を用いているものは皆無である。これは、ＨＭＤが現時点で顕微鏡下手術においてまったく、又はほとんど使用されない２つ目の理由である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、基本的に顕微鏡下手術での使用に適したヘッドマウント可視化システムを提供しようとするものである。本発明はまた、ヘッドマウント可視化システムを有する手術用可視化システム及び、ヘッドマウント可視化システムを用いて手術環境中で可視化する方法も提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的は、特許請求項１の特徴を有するヘッドマウント可視化システムと、特許請求項１０の特徴を有する手術用可視化システムと、特許請求項２０の特徴を有する可視化方法により達成される。有利な実施形態は、特許請求の従属項の特徴から明らかである。

【0009】

ヘッドマウント可視化システムの実施形態は：
・装着システムと、
・少なくとも１つの光透過型光学システムと、
・画像生成装置であって、画像生成装置に供給される画像データに基づいて画像情報を生成するように設計された画像生成装置と、
を含み、
・光学システムは、画像生成装置により生成された画像情報を、可視化システムを装着する人物に供給するように設計され、
・光学システムを透過する光を２つの空間領域において異なるように偏光するように設計された偏光ユニットと、
を有する。

【0010】

本発明は、従来のＡＲ－ＨＭＤをステレオモニタと共に使用するという基本的アイディアに基づく。偏光ユニットはしたがって、ユーザが、ＨＭＤの光学システムを通じて見た時に、ＨＭＤでステレオモニタ上に提示される画像を立体視的に正確に認識できるようになされる。この目的のために、偏光ユニットはステレオモニタの偏光子と相互作用するように設計できる。

【0011】

光透過型光学システムは、装着システム上に保持され、又は保持可能とすることができるか、そこに配置されるか、装着システム内に組み込まれることができる。

【0012】

画像生成装置は、装着システム内に組み込まれ、又は装着システム上に保持され、若しくは保持可能とし、又は装着システム上に配置されることができる。

【0013】

さらに、光学システムは、それが装着システム内に保持される状態で、同じく装着システム内に保持されるか、又はその中に組み込まれる画像生成装置により生成された画像情報を可視化システムを装着する人物に供給するように設計できる。

【0014】

偏光ユニットは、装着システム上に保持され、又は保持可能とすることができ、又はその上に配置されるか、装着システム内に組み込まれることができる。

【0015】

１つの実施形態において、偏光ユニットは、それを取り外して装着システム上に保持できるように設計される。この実施形態では、ユーザは、偏光ユニットに起因する光の減衰が前記ユーザにとって障害であれば、偏光ユニットのない可視化システムを使用することができる。

【0016】

別の実施形態において、偏光ユニット及び光透過型光学システムは装着システム上に保持され、それによってこれらは相互に交換可能である。この実施形態において、ユーザは任意選択的に、拡張情報を必要としない場合には偏光ユニットのみを使用し、又は拡張を希望するが、ストステレオモニタ上に提示される画像の立体視を必要としない場合は光学システムのみを使用することができる。第三の変形型では、ユーザはステレオモニタ上に提示される画像の立体視を望み、追加の拡張情報も受け取りたい場合、光学システムと偏光ユニットの両方を使用できる。

【0017】

別の実施形態は、左眼のための第一の光透過型光学システムと右眼のための第二の光透過型光学システムを有する。この実施形態では、偏光ユニットは第一の光学システムの上流の第一の偏光子と第二の光学システムの上流の第二の偏光子を有することができる。

【0018】

１つの実施形態において、偏光ユニットは、光学システムを透過する光を相互に垂直な方向へと２つの異なる表面領域において偏光するように設計される。相互に垂直な偏光方向は例えば、相互に垂直な直線偏光方向又は相互に直交する円偏光方向、すなわち右円と左円とすることができる。

【0019】

他の実施形態によれば、偏光ユニットは直線偏光フィルタ及びλ／４板を含み、λ／４板はユーザの第一の眼の方向に直線偏光フィルタの上流に配置され、すなわち、λ／４板は可視化システムが頭部に装着されたときに、直線偏光フィルタより眼から遠くに配置される。λ／４板の速軸の後続の直線偏光フィルタのアラインメントに対する向きに応じて、偏光ユニットは光を左円偏光で、又は右円偏光で透過させるように設計でき、光は、それが直線偏光フィルタを透過すると、直線偏光を有する。

【0020】

別の実施形態において、光学システムの光透過は制御された方法で切替可能又は可変的である。特に、光学システムの光透過は、異なる表面領域で異なる可変性を有することができる。この実施形態では、光透過は、光学システムの異なる表面領域を異なる光透過に切り替えることによって周囲条件に合わせることができる。例えば、ユーザが拡張情報を認識するフィールド領域内の光透過を低減させて、拡張情報が明るい周囲光の中でも容易に認識できるようにすることが可能である。他方で、光透過を、ユーザが立体表示を認識するフィールド領域では特に高く切り替えることが可能である。

【0021】

切替可能な光透過を有する対応する層は、例えばＬＣＤディスプレイと同様に、又はピクセルごとに制御可能なエレクトロクロミック層として実装できる。

【0022】

光学システムの光透過は、光減衰器を利用して制御された方法で切替可能又は可変的とすることができる。この目的のために、偏光フィルタは偏光ユニット内に配置され、光減衰器は光学システム内に配置される。光減衰器はここで、眼に向かう光の方向において偏光フィルタの下流に配置される。光減衰器を偏光子の下流に配置することにより、自然の視野の部分的領域をブロックしながら、光学システムを透過する偏光の、２つの空間領域内で異なる立体視が行われるのに必要な特性に影響を与えないようにすることができる。

【0023】

光減衰器は、制御可能な液晶層を有することができる。液晶層は、１つ又は複数の別々に制御可能な液晶ピクセル又は液晶セグメントを含むことができる。このようにして、液晶層の異なる点に、それらの入射光に対する効果において影響を与えることが可能となる。

【0024】

光減衰器は、射出直線偏光フィルタと入射直線偏光フィルタを有し得る。例示的な実施形態において、光減衰器の入射偏光フィルタは偏光ユニットの直線変形フィルタと同じとすることができる。このようにして、光学システムの光学素子は必要に応じて省略できる。このことにより、ヘッドマウント可視化システムをより容易に設計し、おそらくはより費用対効果の高い方法で生成することが可能となる。

【0025】

液晶層は、画像生成装置により生成された画像情報を可視化システムを装着する人物に供給するように構成できる。例えば、液晶ピクセルを異なるように制御して、ヘッドマウント可視化システムのユーザに対し、追加のパラメータを表示することができる。

【0026】

ヘッドマウント可視化システムは、画像生成装置により生成される画像情報を可視化システムを装着する人物に供給するためのミラーを含みて、ミラーはユーザの第一の眼に向かう光の方向に光減衰器の下流に配置され、すなわち可視化システムが人物の頭部に装着された状態で、光減衰器はミラーより眼から遠くに配置される。

【0027】

画像生成装置により生成された画像情報を可視化システムを装着する人物に供給するために導波路を提供することも想定可能であり、導波路はユーザの第一の眼に向かう光の方向において光減衰器の下流に配置され、すなわち、可視化システムが人物の頭部に装着されたときに、光減衰器は導波路より眼から遠くに配置される。その結果、光減衰器は、特に非常に明るい環境で表示された画像情報を認識しやすくすることができる。

【0028】

ヘッドマウント可視化システムは、特に外科的処置中の使用に適当であり得る。特に、ヘッドマウント可視化システムは、それを外科的処置後に容易に殺菌できるような方法で設計できる。さらに、提案されるヘッドマウント可視化システムは、ヘッドマウント可視化システム自体で立体画像を生成する必要性をなくすことによって、より軽量化できる。ヘッドマウント可視化システムはしたがって、既知のヘッドマウント可視化システムよりエネルギ消費量を低くすることができ、それゆえ、同じバッテリ容量で、手術中のより長時間の使用又はより軽量のヘッドマウント可視化システムを提供できる。

【0029】

手術用可視化システムの１つの実施形態は、本特許出願に記載されているヘッドマウント可視化システムと、手術用顕微鏡又は画像記録装置を備える内視鏡と、画像記録装置で記録される画像情報を立体視的に再現するように設計されたステレオモニタと、を含む。

【0030】

手術用可視化システムは、画像データを画像生成装置に供給するように設計される制御装置を有することができる。

【0031】

別の実施形態において、ヘッドマウント可視化システムはアイトラッカを有し、制御装置は、アイトラッカからの出力データに依存して画像生成装置に供給される画像データを制御するように設計される。

【0032】

別の実施形態において、ヘッドマウント可視化システムはマイクロフォンを有し、制御装置は、マイクロフォンで記録された音響情報に依存して手術用顕微鏡を制御するように設計される。

【0033】

別の実施形態において、ヘッドマウント可視化システムはマイクロフォンを有し、制御装置は、マイクロフォンで記録された音響情報に依存して画像生成装置に供給される画像データを制御するように設計される。

【0034】

別の実施形態において、ヘッドマウント可視化システムは、ヘッドマウント可視化システムの空間アラインメントにおける変化を特定するためのジャイロスコープセンサを有し、制御装置は、ジャイロスコープセンサからの出力データに依存して手術用顕微鏡を制御するように設計される。

【0035】

別の実施形態において、ヘッドマウント可視化システムはヘッドマウント可視化システムの空間アラインメントの変化を特定するためのジャイロスコープセンサを有し、制御装置は、ジャイロスコープセンサからの出力データに依存して画像生成装置に供給される画像データを制御するように設計される。

【0036】

別の実施形態において、光学システムの光透過は、異なる表面領域内で異なるように切替可能であり、制御装置は、画像生成装置により生成される画像情報が可視化システムを装着する人物に供給される表面領域において、光学システムの光透過を低減させるように設計される。

【0037】

別の実施形態において、ヘッドマウント可視化システムはカメラを有し、制御システムは、画像認識によって、ヘッドマウント可視化システムの位置に対するステレオモニタの位置を特定するように設計される。この実施形態において、光学システムの光透過は異なる表面領域で異なるように切替可能であり、制御装置は、ヘッドマウント可視化システムの位置に対するステレオモニタの位置に応じて光学システムの光透過を制御するように設計できる。

【0038】

手術環境を可視化する方法は、ステレオモニタ上に手術領域の画像を提示するステップと、
ステレオモニタ上に提示された画像を偏光フィルタを備えるヘッドマウント可視化システムを通じて観察するステップと、
ヘッドマウント可視化システムによって追加の拡張情報を提供するステップと、
を含む。

【0039】

可視化方法の１つの実施形態において、ヘッドマウント可視化システムは制御データを生成し、ステレオモニタ上に提示された拡張情報及び／又は画像情報、及び／又は電動スタンドの動き、及び／又は手術用顕微鏡の機能は、可視化システムにより生成される制御データに依存して制御される。

【0040】

方法の１つの実施形態において、ヘッドマウント可視化システムのセンサ間の割り当て、又はセンサの出力信号及びヘッドマウント可視化システムを介して提供されることになる拡張情報は、ユーザにより構成可能とすることができる。

【0041】

可視化システムと、可視化システムを有する手術ワークステーションについて、下記のような図面に関して以下により詳しく説明する：

【図面の簡単な説明】

【0042】

【図1】ヘッドマウント可視化システムのある実施形態の概略図を示す。

【図2】可視化システム内の光学システムのための光減衰器を備える偏光ユニットのある実施形態の概略図を示す。

【図3】可視化システム内の光学システムのための光減衰器を備える偏光ユニットの第二の実施形態の概略図を示す。

【図4】可視化システム内の光学システムのための光減衰器を備える偏光ユニットの第三の実施形態の概略図を示す。

【図5】可視化システム内の光学システムのための光減衰器を備える偏光ユニットの第四の実施形態の概略図を示す。

【図6】可視化システム内の光学システムのための光減衰器を備える偏光ユニットの第六の実施形態の概略図を示す。

【図7】可視化システムを備える手術ワークステーションの概略図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0043】

図１の可視化システムは実質的に、拡張現実グラス（ＡＲグラス）として知られるもの、又は拡張現実ヘッドマウントディスプレイ（ＡＲ－ＨＭＤ）として知られるものに基づいている。システムは装着システム１を有し、これは図１では左右の耳掛け部１ａ、１ｂを備える眼鏡フレームとして示されている。光学システム６、７を備えるモジュール１１が装着システム１に保持される。光学システム６、７は、可視スペクトル範囲内の光を少なくとも部分的に透過させる。

【0044】

画像生成装置２は、例えばマイクロディスプレイの形態であり、装着システム１に組み込まれるか、その上に配置される。画像生成装置２は、無線インタフェース１５、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈインタフェース又はＷＬＡＮインタフェースを介して、制御コンピュータ１６により制御され、それにより提示されることになる画像データが供給され得る。画像生成装置２により再現される画像情報は、レンズ３及び偏向ミラー４を介して光学システム６、７の側面の方向に向けられる。光学システム６、７は内部回折構造と、導波素子（図示せず）として知られるものであり、これは画像生成装置２により生成され、光学システム６、７の中へと結合される画像情報を、可視化システムを装着する頭部の眼Ｒの方向（視線方向軸５）の方向へと偏向させ、光学システム６、７から外に結合する。

【0045】

光学システム６、７は切替可能コーティング６ａ、７ａを有し、それを用いて光学システム６、７の光透過を切り替えることができる。コーティングはここで、光学システムの光透過が、光学システムの視線方向軸５を横切る異なる表面領域において異なるように設定可能となるように設計される。例えばこれは、ユーザが光学システムを通過する周囲光上のオーバレイとして画像生成装置により生成される画像情報を見る表面領域では光学システム６、７の透過を減じることができる。その結果、画像生成装置により生成される画像情報は、明るい環境でもよく認識できる。

【0046】

さらに、可視化システムは、別のモジュール１０、２つの偏光フィルタ８、９を備える偏光ユニットを有する。偏光フィルタ８の一方が透過させる周囲光の偏光方向は、他方の偏光フィルタを通過する周囲光の偏光方向に垂直に偏光される。これは、図１の２つの矢印１８、１９により示されている。偏光フィルタの偏光方向１８、１９は、ステレオミラー（図１では図示せず）の偏光方向に合わせて調整され、それによって、可視化システムを装着するユーザの左眼Ｌの正面に配置された第一の偏光フィルタ８は、ステレオモニタの左眼Ｌ用とされる光のみを、又は実質的にそれのみを透過させ、またそれによって、可視化システムを装着するユーザの右眼Ｒの正面に配された第二の偏光フィルタ９は、ステレオモニタの右眼Ｒ用とされる光のみを、又は実質的にそれのみを透過させる。

【0047】

光学システム６、７を備えるモジュール１１と偏光フィルタを備えるモジュール１０は、交互に又は組合せて装着システム１に選択的に追加でき、その結果、ユーザは偏光フィルタモジュール１０とのみ動作するか、光学システム６、７を有するモジュール１１とのみ動作するか、又は同時に、一方が他方の背後に直列に配置される両方のモジュール１０、１１と共に動作するかを選択できる。

【0048】

装着システム１は、複数の別のセンサ、特に前方カメラ１２、装着システム上に保持されるか、装着システム１に組み込まれるマイクロフォン１３、アイトラッカ１７、及びジャイロスコープセンサ１４をさらに有する。装着システム１の空間内の回転及びチルト運動はジャイロスコープセンサ１４により特定され、そのような回転及びチルト運動を特徴付ける出力データを生成できる。アイトラッカ１７により、可視化システムを装着するユーザの眼の動きを捕捉することができ、この眼の動きを特徴付ける出力データを生成できる。カメラ１２、マイクロフォン１３、アイトラッカ１７、及びジャイロスコープセンサ１４により生成される出力データは、無線インタフェース１５を介して制御コンピュータに送信できる。

【0049】

図１に示される実施形態は、２つの光学システム６、７を有し、そのうちの１つ目は可視化システムを装着するユーザの左眼に割り当てられ、２つ目は右眼に割り当てられる。代替的な実施形態では、それに対して、１つの光学システムのみが存在し得て、これは可視化システムを装着するユーザの両眼の視野をカバーする。

【0050】

図１に示される実施形態は、１つの画像生成装置２のみを有し、画像生成装置２により再現される画像情報は片眼Ｒに対してのみ提示される。代替的な実施形態において、画像生成装置２で再現される画像情報はまた、両眼に対して同時に提示することもできる。この場合、画像生成装置により生成される光の一部は１つの光学システム６に結合でき、画像生成装置２により生成される光の別の一部はもう一方の光学システム７へと結合できる。この場合、両方の光学システムは、光学システムへと結合された光をこの光学システムに関連付けられる眼へと向けるために、組み込まれた回折構造及び導波素子を有していなければならない。

【0051】

別の代替的実施形態では２つの画像生成装置も提供でき、その一方はそれが生成した光を２つの光学システムのうちの１つ目へと結合し、他方はそれが生成した光を他方の、第二の光学システムへと結合する。

【0052】

図２は、ヘッドマウント可視化システムの要素をより詳しく示している。ヘッドマウント可視化システムは、ユーザ１００２の第一の眼に割り当てられる第一の光学チャネル３１００と、ユーザ１００２の第二の眼に割り当てられる第二の光学チャネル３２００を有する。スクリーン１００３は、第一の偏光及び第二の偏光を有する画像を同時に提示できる。第一の偏光は、例えば図２において上向きの矢印で示される垂直偏光と、図２において円で示される水平偏光とすることができる。ヘッドマウント可視化システムは、第一の光学チャネル３１００内の第一の偏光子３１１０と第一の偏光子３１１０とユーザ１００２の眼との間の第一の光減衰器３１２０を有する。第一の偏光子３１１０は、第一の直線偏光フィルタ３１１１を含み、それによって垂直偏光された光のみが通過する。第一の光減衰器３１２０は、第一の入射偏光フィルタ３１２１と第一の射出偏光フィルタ３１２３を有する。第一の液晶層３１２２は、複数の個別制御可能な液晶ピクセル又は液晶セグメント（図示せず）を有し、第一の入射偏光フィルタ３１２１と第一の射出偏光フィルタ３１２３との間に配置される。第一の液晶層３１２２は、垂直偏光を回転させ、その結果、液晶層を通過する光は第一の液晶層の下流で垂直及び水平偏光の直線合成を有する。この場合、回転度数は、第一の液晶層３１２２のピクセル又はセグメントを適切に制御することによって変えることができる。第一の射出偏光フィルタ３１２３によって、垂直偏光された光のみが透過させられる。したがって、第一の液晶層３１２２と第一の入射偏光フィルタ３１２１及び第一の射出偏光フィルタ３１２３との組合せが光を減衰させる。

【0053】

同様に、第二の光学チャネル３２００は、第二の直線偏光フィルタ３２１１を備える第二の偏光子３２１０と、第二の入射偏光フィルタ３２２１、第二の液晶層３２２２、及び第二の射出偏光フィルタ３２２３を備える第二の光減衰器３２２０を含む。第一のチャネル３１００と異なり、第二のチャネル３２００は、水平偏光された光のみを透過させる。それゆえ、チャネルの分離が起こり、それによってヘッドマウント可視化システムのユーザはスクリーン１００３により表示される画像を立体視できる。

【0054】

図３は、第一のチャネル４１００と第二のチャネル４２００を備える、別の、部分的に光透過型の光学システムを示す。第一のチャネルは第一の偏光子４１１０と、その後に配置される光減衰器４１２０を有する。第一の偏光子４１１０の直線偏光フィルタ４１１１はしたがって、第一の光減衰器４１２０の入射偏光フィルタと同じであり、すなわち、第一の偏光子４１１０の直線偏光フィルタ４１１１は同時に、第一の光減衰器４１２０の入射偏光フィルタを形成する。第一の光減衰器４１２０は、第一の液晶層４１２２と第一の射出偏光フィルタ４１２３をさらに有する。

【0055】

第一のチャネル４１００は今度は、垂直偏光の光を実質的に透過させる。光学システムは、第二の偏光子４２１０と第二の光減衰器４２２０を備える第二のチャネル４２００をさらに有する。第二の偏光子４２１０の直線偏光フィルタ４２１１は今度は、第二の光減衰器４２２０の入射偏向フィルタと同じであり、すなわち、第二の偏光子４２１０の直線偏光フィルタ４２１１は同時に第二のチャネルの第二の光減衰器４２２０の入射偏光フィルタも形成する。第二の光減衰器４２２０はそれに加えて、第二の液晶層４２２２及び第二の射出偏光フィルタ４２２３を有する。第一のチャネル４１００と異なり、第二のチャネル４２００は実質的に水平偏光の光のみを透過させる。

【0056】

図３の光学システムにより、図２の光学システムと比較して、第一及び第二の両方のチャネルにおいて直線偏光フィルタをなくすことができる。

【0057】

図４は、左円偏光及び右円偏光で画像を生成する３Ｄモニタに適した別の光学システムを示す。円偏光の使用はヘッドマウント可視化システムのユーザにとって、左右のチャネルの各々に割り当てられる画像のクリーンな分離が、頭を傾けた場合でも可能なままであるという利点が提供される。

【0058】

図４による光学システムは、第一のチャネル５１００と第二のチャネル５２００を有する。第一の偏光子５１１０及び第一の光減衰器５１２０は、第一のチャネル５１００内に配置される。第一の偏光子は、第一の直線偏光フィルタ５１１１と第一のλ／４板５１１２を含む。第一の直線偏光フィルタ５１１１は、第一のλ／４板５１１２とヘッドマウント可視化システムのユーザ１００２の眼との間に配置される。第一の偏光子５１１０は右円偏光の光しか透過させず、これは、偏光子５１１０の下流に垂直偏光が存在することを意味する。第一の入射偏光子５１２１、第一の液晶層５１２２、及び第一の射出偏光フィルタ５１２３の使用により、第一の光減衰器５１２０を通過する光は減衰する。

【0059】

同様に、第二のチャネル５２００は第二の偏光子５２１０と第二の光減衰器５２２０を有する。第二の偏光子５２１０は、第二のλ／４板５２１２を含み、第二のλ４板５２１２とヘッドマウント可視化システムのユーザ１００２の眼との間に配置された第二の直線偏光フィルタ５２１１を有する。第二の偏光子５２１０は、左円光だけが第二の偏光子５２１０を通過できるという効果を有し、第二の偏光子５２１０の下流に水平偏光が存在する。すると、水平偏光は第二の入射偏光フィルタ５２２１、第二の液晶層５２２２、及び第二の射出偏光フィルタ５２２３により減衰される。

【0060】

図５は、円偏光に使用できる、ヘッドマウント可視化システムの別の例を示す。ヘッドマウント可視化システムの光学システムはここでも、第一のチャネル６１００と第二のチャネル６２００を有する。

【0061】

第一のチャネル６１００の第一の偏光子６１１０と第二のチャネル６２００の第二の偏光子６２１０は、共通の１つのλ／４板６１１２／６１２２を共有する。さらに、第一の光減衰器６１２０の入射偏光フィルタは第一の偏光子６１１０の直線偏光フィルタ６１１１と同じであり、第二の光減衰器６２２０の入射偏光フィルタ６２１１は第二の偏光子６２１０の直線偏光フィルタ６２１１と同じである。２つの光減衰器６１２０及び６２２０のλ／４板６１１２／６２１２の速軸に対する異なるアライメントによって、右円光だけが第一のチャネル６１００を通過でき、左円光だけが第二のチャネル６２００を通過できる。

【0062】

図６は、ヘッドマウント可視化システムのさらに詳細部を示す。図３と同様に、光減衰器７１２０の入射偏光フィルタは偏光子７１１０の直線偏光フィルタ７１１１と同じである。図６による例示的実施形態は、２つのチャネルに共通の光減衰器７１２０の１つの入射偏光フィルタ７１１１を有し、これは同時に、両方のチャネルに共通の偏光子７１１０の１つの直線偏光フィルタも形成する。第一のチャネル７１００の光減衰器７１２０はそれゆえ、第二のチャネルの光減衰器７２２０と同じであり、すなわち、本実施形態による可視化システムには両方のチャネルに共通の１つの光減衰器しかない。第一のチャネルの第一のλ／４板７１１２と第二のチャネルの第二のλ／４板７２１２の直線入射偏光フィルタ７１１１／７２１１に対する異なるアラインメントにより、第一のチャネル７１００の、右円偏光で第一のλ／４板７１１２に入射する光は、右チャネル７１００を通過でき、左円偏光で第二のλ／４板７２１２に入射する光は、第二のチャネル７２００を通過できる。したがって、図６による光学システムではチャネルを分離でき、その結果、ヘッドマウント可視化システムのユーザはスクリーンにより表示される３次元画像データを立体視できる。

【0063】

手術用可視化システムが図７に示されている。これは、上述のヘッドマウント可視化システム２０を有する。さらに、これは手術用顕微鏡２２又は内視鏡（図示せず）のためのスタンド２１を有する。スタンドは、関節式接続部２１ａ、２１ｂのためのモータドライブを有する。簡素化するために、図７では２つの関節式接続部しか示されていないが、このようなスタンドは一般に、関連するドライブモータを備える少なくとも６つの関節式接続部を有し、その結果、スタンド２１に保持される手術用顕微鏡２２又は内視鏡はその６自由度において自由に動くことができ、何れの地点にも、また何れの向きにも移動できる。

【0064】

手術用顕微鏡２２又は内視鏡は、画像記録装置２３を有し、これは例えばステレオカメラ又は２つの個々のカメラの形態であり、それによって術野の立体画像情報を記録できる。画像記録ユニット２３で記録された立体画像情報は、制御コンピュータ１６により読み取られ、それによってステレオモニタ２４に送られる。したがって、術野の立体画像はステレオモニタ２４上に提示される。ステレオモニタ２４はこの場合、２つの立体部分画像を生成する。２つの部分画像の光は異なる偏光を有し、その結果、右の部分画像の偏光は左の部分画像の偏光に垂直であり、又は直交する。２つの立体部分画像を直線偏光で分離することの代替案として、円偏光も使用できる。

【0065】

ヘッドマウント可視化システム２０を装着するユーザは、ステレオモニタ２４上に再現される立体画像を正しい向きで立体視でき、これは、ヘッドマウント可視化システム２０の２つの偏光フィルタ８、９の偏光方向が、ステレオモニタ２４の偏光方向に合わせて調整されるからである。それと同時に、ユーザはまた、術野又は環境中のその他の物体、例えば器具が置かれた殺菌テーブル等を、ヘッドマウント可視化システム２０の光学システム及び偏光フィルタを通して直接見ることもできる。

【0066】

本来はユーザにとって視覚的にアクセスできない追加の仮想情報が、ヘッドマウント可視化システム内の画像生成装置を介してユーザにオーバレイとして提示できる。このような追加情報は、手術室内のユーザの視野内にない、その他の機器から送られた情報、又は手術前に取得されていた情報、例えばメモリ２６内に保存されたコンピュータトモグラフィの画像情報や磁気共鳴画像とすることができる。しかしながら、追加情報はまた、手術中に他の人物、例えば他の場所からビデオ伝送により遠隔的に参加し、手術用顕微鏡で記録されたビデオ画像がビデオ伝送を介して提供されるその他の専門家又は病理専門医により提供される情報とすることもできる。この専門家又は病理専門医は、そのビデオモニタ上に拡張情報を入力でき、それがするとビデオバック送信を介して制御コンピュータ１６に送信される。対応する情報は、制御コンピュータから無線インタフェース１５を介してヘッドマウント可視化システム２０へと送られる。

【0067】

ヘッドマウント可視化システムのセンサは、スタンド２１のドライブ２１ａ、２１ｂの、又は手術用顕微鏡２２のその他の機能や画像生成装置により提供されるタイプの情報を、規定された方法によりハンズフリーで制御するために使用される。

【0068】

例えば、手術用顕微鏡の特定の設定の音声制御が可能である。ヘッドマウント可視化システムのマイクロフォンは常にユーザの口から同じ距離にあるため、マイクロフォンで記録される音響信号はユーザの姿勢や向きに依存しない。したがって、非常に安定で確実な音声制御を確保できる。代替的に、画像生成装置により提供された情報を音声制御によって選択することもできる。この目的のために、マイクロフォンで記録された音響信号は、インタフェース１５を介して制御コンピュータ１６に送信され、これによって、制御コンピュータ１６上で実行される音声認識プログラムを用いて分析される。音声分析の結果に従って、関連する情報が制御コンピュータ１６により選択されて、インタフェース１５を介して画像生成装置に送信されるか、又はスタンド２１のモータドライブ若しくは手術用顕微鏡２２のモータドライブがそれにしたがって作動される。

【0069】

音声制御の代替として、又はそれに加えて、スタンド２１の移動、手術用顕微鏡２２若しくは内視鏡のモータ機能、又はその他の機能をヘッドマウント可視化システム２０の他のセンサ、特にジャイロスコープセンサ及び／又はアイトラッカを介して制御できる。この目的のために、アイトラッカ及びジャイロスコープセンサからの出力信号はインタフェース１５を介して制御コンピュータ１６に送信され、これによってコンピュータプログラムを用いて評価される。評価結果に応じて、スタンド又は手術用顕微鏡の、その出力信号に割り当てられた機能がコンピュータ１６によって制御されるか、評価に対応する追加の情報が選択され、インタフェース１５を介して画像生成装置へと送信される。

【0070】

一方でそれぞれのセンサ信号及び音声制御と、他方でそれによって制御されるスタンド、手術用顕微鏡による機能及び／又は画像生成装置に提供されるデータとの間の割当ては、ユーザによってほぼ自由に構成可能とすることができ、ユーザによって希望に応じて事前に割り当てることができる。この割当てに関する、対応するユーザプファイルを複数のユーザのために保存し、手術の開始時にメモリから読み出すこともできる。代替として、又はそれに加えて、対応するユーザプロファイルはまた、異なる種類の外科的処置のために創出し、保存し、対応する処置の開始時に読み出すこともできる。

【0071】

前述のように、ヘッドマウント可視化システムは前方カメラ１２を有する。このカメラ１２により、永久的な環境のビデオストリーム又は環境の個別の画像が特定の時間間隔で記録されて、インタフェース１５を介して制御コンピュータに送信される。画像分析プログラムが制御コンピュータ上で実行され、このプログラムはステレオモニタ２４のヘッドマウント可視化システムに対するそれぞれの位置がビデオストリーム又は一連の個別の画像の中で特定されるような方法で設計される。この画像分析に基づき、制御コンピュータは切替可能コーティング６ａ、７ａのための制御データを生成し、これは切替可能コーティングを、光学システムのうちユーザがステレオモニタを認識する表面領域では最大の光透過に切り替え、他方で例えばユーザが画像生成システムにより提供される画像を認識するその他の表面領域では光透過が低減される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】