用于获得空腔的几何数据的装置和方法 【技术领域】
本发明涉及用于获得空腔如人体耳朵和耳道的内表面的几何数据的方法和装置。
背景技术
前述方法和装置的感兴趣的应用包括产生耳朵和耳道的内表面的数据映射，使得可获得耳朵和耳道的内表面的三维数据或数字模型。这样的三维模型可用于生产外壳，该外壳具有精确的耳道形状并可形成耳内式(ITE)或深耳道式(CIC)助听器的基础。同样，用于其它目的如听力保护或用于头戴式耳机的耳模或外壳可在该数据模型进行生产。外壳可以不同方式基于数据模型进行生产，如通过最近开发的快速原型制作方法、立体平版印刷术(SLA)或通过众所周知的机械加工，例如在计算机数控(CNC)机械加工中心中进行生产。
相比于基于通过将半液态可固化材料引入耳道所取得的耳朵压痕的传统制造工艺，具有耳道数据模型的优点是容易和快速的数据交换及更短的成品外壳交货时间。此外，这样的数据模型可在获得时传送或在获得后立即传送以在生产设施处进行评估。从而可产生助听器的数据模型，其可基于耳道的尺寸和形状实现。助听器的数据模型可传回给终端用户进行可视评估。
国际专利申请WO 02/091920公开了用于获得关于人体耳朵和耳道的内表面的几何数据以能够产生耳朵和耳道内表面的模型的方法和装置。为此，该现有技术文献公开了具有纵轴的探针，其中从探针尖端处的镜按远离探针纵轴并朝向周围的耳道壁、成直角地发射光。该装置包括用于检测从耳道壁反射的光的检测器，及包括用于确定从探针到耳道内表面圆周各点的距离的分析工具。
然而，其遗留了在靠近空腔端壁的区域提供准确测量的问题，例如当空腔为耳道时前述区域为鼓膜。具体地，探针必须插入到非常靠近端壁的位置以能够测量耳道的靠近鼓膜的圆周表面，从而具有接触鼓膜的风险，这对于接受检查的人而言可使其不愉快甚或对其有害。
尽管WO 02/091920还公开了镜可以是半透明镜，使得第一波长范围的光平行于纵轴进行引导以提供探针前面的物体的自然图像，该另外的光可降低圆周表面的测量效率，因为部分光强用于光学控制而非所希望的测量。
此外，使用另外的光束用于可视检查可导致损害实际测量的杂散光。另一方面，当可视检查和测量按分开的后续步骤进行时，整个测量过程的持续时间增加。
【发明内容】
根据一方面，在此公开了用于获得空腔内表面的几何数据的装置。该装置包括探针，具有可按插入方向插入空腔内的端部；辐射引导工具，用于将电磁辐射从端部引导到内表面上的至少一位置以使辐射能从所述位置反射；检测工具，用于检测从至少一位置反射的辐射；及用于从所检测的辐射确定在相对于插入方向至少具有横向分量的方向探针和内表面之间的距离的工具。辐射引导工具适于相对于插入方向成锐角地引导辐射，辐射引导工具适于从径向偏离纵轴的出射位置引导辐射。至少一位置和出射位置位于通过纵轴的平面的两侧，该平面具有沿出射位置的径向位移方向的法线。
例如，辐射引导工具适于将多个辐射束从远端引导到内表面上地相应位置，多个辐射束在插入方向偏离远端的位置相交以在插入方向四周形成锥形。在一实施例中，辐射束形成在插入方向具有偏离远端的顶点的锥形或双锥。
因此，辐射束与探针前面的、纵轴定义的平面交叉，从而在探针前面避免任何盲点并有助于以单一工作模式测量空腔的整个表面。此外，所发射射线的交叉使中心点能表示在检测器上，其可显示在屏幕上，从而当探针靠近表面如鼓膜时提供可视控制。
由于辐射成锐角地引导到空腔，即大于0°且小于90°的角，距离测量在成角度地位于探针前面的空腔壁位置处进行，从而即使在靠近空腔端壁的位置处或空腔缩窄/变窄的位置处也可进行测量。具体地，本发明装置以单一工作模式实现圆周表面相对于插入方向的距离测量及到端壁的距离测量。当测量狭窄空腔如耳道时，由于探针的移动限于沿插入方向的纵向移动，本发明装置特别有利。
另一优点在于测量不会受到用于探针的位置监视的另外的光束的影响。
在此所述的装置的实施例使用电磁辐射如光来确定从探针尖端到空腔内壁的距离。基于所确定的探针位置，该信息可用于产生空腔形状的信息。在一些实施例中，例如当空腔壁为人的皮肤时，如在人耳道情形下，使用波长范围约在400-700nm的光是有利的，尽管其它波长范围的电磁辐射也可能为适当的辐射，如可见光、红外光、紫外光、或电磁光谱的其它部分。根据空腔壁的材料，适当的范围可能为不同的波长范围。在400-600nm之间的波长范围特别适于测量耳道，这是由于皮肤的光学性质，例如光穿透在该范围较低。
在使用本发明装置期间，在测量期间不必接触空腔内侧，这至少因两个原因而有利。首先，空腔的内表面可能非常敏感，如在耳道情形下，使得其接触令患者不愉快。其次，当接触时空腔可能变形，这可干扰测得的距离值从而败坏所获得的数据模型。
锐角可选择为大于0°且小于90°。较大的角，如光束和插入方向之间测量的，例如大于20°的角，如大于30°，如大于40°，通常提供更高的距离测量分辨率。另一方面，较小的角，例如小于80°的角，如小于70°，如小于，60°避免探针前面可进行测量的区域限制。这些较小的角防止所发射的辐射受到探针尖端的突出部分的阻碍，例如防止受到发光透镜的突出件的阻碍。特定角的选择还随探针大小和所测量的空腔的预期典型尺寸而定。
当辐射引导工具适于将多个辐射束从远端引导到内表面上的相应位置时，可同时测量到内表面上的多个点的距离，因而减少了完整映射表面所需要的时间。
插入方向可由探针形状和/或辐射引导工具在可插入端部的位置确定。在一些实施例中，插入方向实质上平行于辐射引导工具和/或辐射接收工具的光轴。在一些实施例中，探针具有沿插入方向突出端部的纵轴。当探针具有细长形状如杆时，其特别适于插入狭窄空腔如耳道或其它管状或耳道状空腔。
在此所述的装置和方法的优点在于即使在狭窄通道具有比探针直径小的直径时其也能获得前述狭窄通道的表面的几何数据。
辐射检测工具可包括光敏元件如CCD元件的阵列，从而实现反射光的位置灵敏检测。
在一实施例中，本发明装置包括辐射接收元件如透镜或透镜系统，用于接收反射的辐射并将其引导到辐射检测工具上。具体地，当辐射接收元件响应于入射角将所接收的辐射引导到辐射检测元件的不同位置时，所接收的辐射的入射角可容易地从辐射检测工具所检测的辐射的相应位置坐标进行确定。
当远端包括透镜时，其中透镜具有用于将辐射引导到至少一位置的外围部分和用于接收反射的辐射的中心部分，提供特别紧凑的探针，该探针具有以有效方式组合辐射的发射和接收的端部。
当中心部分包括辐射接收表面及外围部分包括环形辐射发射表面时，环形辐射发射表面相对于辐射接收部分倾斜，提供大的辐射发射表面以发射锥形辐射，从而使能在沿内表面圆周的不同位置处同时进行测量。
当外围部分还包括用于将纵向辐射束导向辐射发射表面的环形辐射反射表面时，提供特别紧凑的透镜，其将从辐射源如从发射纵向光的一个或多个光波导接收的辐射导向透镜，如导向外围部分的环形后表面。
在一实施例中，关于探针相对于参考系统的位置的数据使用发射与探针远端相关联的磁场的变换工具及相对于患者头部固定并检测发射器产生的磁场的第二变换工具获得。使用该方法获得的位置数据非常精确。此外，可能使对测量噪声没有感觉。同样，磁场的发射器可做得很小，使得其可容易地内置到探针尖端内。
在一实施例中，探针具有柔软部分并能够弯曲。这具有探针能够呈现空腔如耳道的形状的优点。例如，这使能将探针插入耳道的完全长度及缩回探针，同时探针连续呈现耳道的形状。上了年纪的人的耳道可能具有突然弯曲，通过使用在此所述的装置，探针可小心机动地通过这样的弯曲同时记录数据，而不会使耳道组织出现可能破坏测量的压痕。
当本发明装置还包括至少一用于将辐射从细长探针的近端传到远端的辐射波导时，辐射源可位于空腔的外面，从而使探针的可插入部分较小。当本发明装置包括多个这样的辐射波导时，每一辐射波导用于将辐射传到远端上的相应出射位置，实现空腔不同部分的同时照明。
当本发明装置包括用于在远端接收反射的辐射的接收件及用于将所接收的辐射传到检测工具的辐射波导时，检测工具可位于空腔的外面，以减小探针的可插入部分的尺寸。
当用于检测的工具包括用于检测反射的辐射相对于插入方向和/或辐射接收工具的光轴的入射角的工具时，及当用于确定的工具适于从入射角确定距离时，例如通过三角测量提供有效且准确的距离测量，其至少确定横向/径向相对于插入方向的距离分量。因此，空腔的圆周表面相对于插入方向的几何数据可准确且有效地确定。
本发明的实施例可以不同的方式实施，包括上面及下面描述的装置、方法及更多的产品工具，每一实施例均引起结合第一提及的装置所述的一个或多个好处和优点，及每一实施例具有对应于结合第一提及的装置所述的和/或从属权利要求中公开的实施例的一种或多种实施方式。
具体地，根据一方面，在此公开了用于获得空腔内表面的几何数据的方法，其有助于产生空腔内表面的精确模型。
【附图说明】
图1为用于获得空腔内表面的几何数据的装置的例子的示意图。
图2为用于获得空腔内表面的几何数据的装置的另一例子的示意图。
图3为用于获得空腔内表面的几何数据的装置的探针远端的截面图。
图4为用于获得空腔内表面的几何数据的装置的透镜系统的例子的截面图。
图5为表现人耳并图示在此所述的装置的使用的侧视图。
图6为用于获得空腔内表面的几何数据的装置的另一例子的示意图。
在所有附图中，同样的附图标记指同样或相应的元件、特征或部件。
【具体实施方式】
图1a示出了用于获得空腔内表面的几何数据的装置的例子的示意图。该装置，总体上标为100，包括远端103、光源101和用于将光从光源101引导到光学系统116的后表面104的光波导102，远端103包括用于发射和接收光的光学系统116。光学系统116可包括一个或多个透镜和/或一个或多个反射表面105，用于将来自光波导102的光作为一个或多个光束106引导到空腔的内表面107a、107b。
光束106以相对于光学系统116的光轴113成锐角115地发射，光轴还确定远端103插入空腔内的插入方向。光束106从径向偏离光轴的相应出射位置117射出。此外，出射位置117和光束与空腔壁107a、b相交的位置位于光轴113的两侧。因而，光束106与光轴交叉。此外，光束106在探针前面的点118处相交；在图1的例子中，光束彼此在光轴上相交。
在图1的例子中，示出了两个光波导102。然而，应意识到，通常可使用不同数量的光波导，如3、4、5、6、甚或更大数量的光波导。在一些实施例中，均匀照明全部圆周通过提供相当大量如60和80之间的光纤实现。光纤被分为束如4-6束，及每一束由相应的光源照明。
例如，光波导可安排成使得所发射的光束106按图1中所示彼此相交，以形成双锥，其中相交点118形成锥顶点。在图1的例子中，光束106彼此在光轴上相交。
所发射的光束106从空腔的内表面107a、b反射，及至少一部分反射光将按远端103的方向反射回去，如图1中的反射光束108a、b所示。因而，远端103的光学系统116还用作光接收系统并接收来自空腔壁107a、b的反射光108a、b。光学系统116将所接收的光108a、b导向光敏元件110，如光敏元件如CCD、CMOS的阵列，或导向另一位置灵敏光检测器，在下面称为CCD。
通常，黑和白CCD比色敏CCD元件更灵敏，当信噪比变得关键时首选黑和白CCD。如果使用单色光源，使用色敏CCD元件的优点受到限制，因而首选黑和白CCD。如果使用白光源，则用色敏CCD元件检测颜色信息令人感兴趣，因为其相较黑和白CCD可更好地识别耳道及象耳垢或鼓膜类的结构的表面。然而，两种检测器类型均能间接检测外来物体如耳垢，因为相较于裸露的耳道皮肤，耳垢将导致光反射降低。
此外，CCD检测到的信号可经目镜等在显示器上显示为所接收的图像，因而使在此所述的探针能以类似于内窥镜的方式使用。这样的图像对进行耳部细看的人有价值，例如用于所测量空腔的可视检查和/或对探针多近地接近端壁如鼓膜进行可视控制。当光学系统设计为具有适当景深的成像透镜系统时，内窥镜似的特征是可能的，景深可通过透镜系统的孔进行改善。孔还减少杂散光从而增大信噪比。
光源101可以是任何适当的光源，如一个或多个白炽灯、发光二极管(LED)或二极管激光器。光源的选择随所测量物体的性质、所需要的功率及噪声考虑而变。将光源耦合在光波导内使二极管激光器由于高耦合功率而成为最显而易见的选择，但可能出现模态噪声或斑纹及只有单色源可用。LED或白炽灯需要更高的输出功率进行耦合，但不存在模态噪声，及可选择短和宽带源如白光。
在图1中，空腔表面107a、b作为例子示出，107a距离探针尖端第一距离，及更靠近探针尖端的107b距离探针尖端第二距离。从表面107a反射的光将作为相对于光轴成入射角114a的光108a进入光学系统116，同时从表面107b反射的光将作为相对于光轴成入射角114b的光108b进入光学系统116。因此，光学系统116将进入的光108a和108b引导到光敏元件上的相应位置109a和109b，从而使能从光敏元件110上检测到的光位置确定在所反射光106的方向距离点107a和107b的距离。图1b示出了分别对于两个不同的距离109a和109b，检测器110的光敏区域上的恒距位置。
装置100还包括信号分析电路111，其产生输出信号112如模拟信号或数字数据信号。在一些实施例中，输出信号是检测到的光跨检测器的光敏区域110的强度分布的指示。作为备选或另外地，信号分析电路可执行另外的信号处理步骤，如包括基于从所检测位置109a和109b确定的入射角计算实际距离。距离可借助于传统三角测量进行计算，从而得到从探针到光束106与空腔壁107a、b相交位置的距离，即在具有径向分量的方向距光轴113的距离。作为备选，距离计算和/或另外的信号处理可由单独的信号/数据处理单元执行，如装置100所连接的计算机如PC上的信号/数据处理单元。
图2示出了用于获得空腔内表面的几何数据的装置的另一例子的示意图，该装置总体上标为200。装置200与结合100所述的装置类似，因此在此将不再详细描述。然而，在图1中所示的装置的光敏元件110邻近远端103布置使得在探针的远端处捕获反射光的同时，装置200的光敏元件110远离远端103进行布置。为此，远端103处的光学系统116将反射光波导入光波导220的远端，光波导220在下面将称为图像波导如图像光纤，因而，图像波导220将所接收的光如经另外的透镜或透镜系统221引导到光敏元件110。
在图1的装置100提供更简单构造的同时，装置200不需要光敏元件，如足够小而安装在将进入空腔的探针尖端处的CCD。例如，光波导102和图像波导220可布置在使远端103与包括光源101、检测器110和信号处理单元111(可选)的近端单元连接的软管中。
图3示出了用于获得空腔内表面的几何数据的装置的探针远端的截面图。探针，总体上标为300，具有远侧发光端部103和杆部336，杆部将远侧部分连接到近端部分(未明确示出)。杆部336包括软管337、一组光波导102和图像波导220。图像波导220居中放在管337中，光波导102布置在管337和图像波导220之间。在探针尖端附近，图像波导220和光波导102连接到由外管339包围的套管330。光波导102在图3中被示为仅在探针的远端处，但它们可连同图像波导220一起分别朝向光源101和检测器110延伸。与管337一致形成的柔软保护帽339a提供在探针外部周围，与管339邻接。
探针还包括具有位于套管330处的环形透镜331的光学系统以捕获从光波导102发射的光并将该光波导向空腔壁，如作为准直或聚焦光束106，与探针的纵轴成锐角，探针的纵轴还确定光轴113和插入方向。
从空腔壁反射的光将通过光学系统的中心接收透镜332进入管339。来自透镜332的光经孔333和另一成像透镜334导向图像波导220的表面。孔333增加景深并防止杂散光到达传感器。在图像波导220的表面上接收的光通过图像波导220传送并将出现在图像波导的另一端。在此，图像由CCD阵列(未示出)捕获。来自CCD的信号被传给信号处理单元进行进一步的处理以计算从探针到耳道壁的距离。这通过本领域众所周知的三角测量方法实现。
总的来说，尽管导向空腔壁的光106可以是未聚焦或非准直光，但使用聚焦或准直光提供更好的对比度因而使得探针和空腔壁之间的距离的检测更精确。
探针300还包括用于产生磁场的一个或多个线圈335，磁场由布置在空腔外面的传感器拾取以确定探针相对于外部传感器的位置。因而，当传感器按与空腔呈固定空间关系进行布置时，信号/数据处理单元可从相对于探针的光距测量和从探针相对于外部传感器的位置的位置测量计算空腔内表面上的位置的空间坐标。
在上述实施例中，光波导和图像波导已示为分开的光波导。应意识到，作为备选，单一光波导可用于将光引导到探针尖端及用于将反射光传回CCD元件。这样的组合波导可能需要另外的分束器，及还可能具有信噪比降低的缺点。
因此，上面已公开了装置的探针，其适于获得空腔如耳道的内表面的几何数据。
图4示出了用于获得空腔内表面的几何数据的装置的透镜系统的例子的截面图。透镜系统116包括前透镜400和后透镜334。
前透镜400包括环形外围透镜部分331，用于通过环形出射表面444将光引导到包围探针的空腔壁。透镜在后侧具有环形表面104，用于接收来自如上所述的光波导的光。光在环形外表面105处向出射表面444反射。为此，外表面105涂覆反射涂层，如虚线447所示。出射表面444倾斜使得所发射的光相对于光轴113成锐角地发射。例如，在图4的例子中，光从表面444以相对于光轴113大约成53°的角发射。然而，也可选择其它锐角，具体地，选择足够小的角以避免所发射的光被透镜另一侧上的倾斜出射表面444阻碍。
前透镜400还包括中心透镜部分332，用于通过前表面442从包围探针的空腔壁接收反射光。中心透镜部分332将所接收的光波导向后透镜334的中心部分441。
前透镜400的暴露表面，即外表面105和前表面442，可选地涂覆保护性涂层(未示出)。前透镜400可通过将其环形后表面胶粘到探针套管如图3中所示的套管330进行安装。用于安装的环形后表面在图4中由虚线445表示。
透镜可由任何适当的材料如玻璃或塑料制造。适当的塑料材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、类似Topas的环烯烃共聚物(COC)、类似Zeonex的环烯烃聚合物COP等。反射涂层可以是任何适当的反射材料，如铝。保护性涂层可以是任何适当的保护性材料，如石英(SiO2)。如果部分透镜结构件具有低曲率半径，作为透镜材料的塑料的选择优选起因于不太严格的生产工艺要求。例如，透镜可通过注模工艺进行生产。
后透镜334包括中心透镜部分441，用于接收来自前透镜的中心透镜部分332的光并用于将所接收的光聚焦在光波导如图3中所示的图像波导220的端面上。后透镜可通过将其经环形安装表面448胶粘到相应的套管上进行安装。
图5为表现人耳并图示在此所述的装置的使用的侧视图。在使用时，探针300轻轻地插入耳朵550内，磁传感器551靠近患者头部置放。在将探针放在耳中完成时，可监视探针前面的物体，如上所述。可获得真实图像，和/或测量距鼓膜的距离，如在此所述。这样捕获的图像显示在监视器上，使得操作员可知道探针何时接近鼓膜。一旦到达鼓膜附近的区域，可开始测量。当记录距耳道壁的距离和探针位置的相应值后，缩回探针。持续记录直到探针到达外耳的外部区域为止。
在图5的例子中，在每一传感器位置A、B和C处置放两个或两个以上传感器551，这些传感器设计成记录每一位置的磁场矢量。通过该结构可随时确定探针尖端的确切位置和方向。在图5所示情形下，探针300位于人耳550的耳道内，如图中示意性所示。三个传感器位置按固定构造进行安排，在使用时其相对于患者头部保持不动。在图5所示的实施例中，固定构造包括三脚架，藉此每一传感器位置位于三脚架的每一分支552的外端。在使用时，探针尖端处的线圈使用锁定程序以固定频率进行驱动，从而使来自周围其它磁场的任何噪声均能从传感器信号消除。
如图1b和2b中所示，CCD记录的图像类似于具有大致圆形形状的封闭线，中心在图像的中间。然而，根据探针在耳中的位置，圆可以更完整或不太完整。此外，前述形状也可为椭圆形。
封闭线上的点距CCD中心的距离可通过确定沿径向线的强度轮廓自动进行检测，CCD中心即光轴与图像区域相交的点。从图像中心采样一组轮廓，角度范围从0°到360°。对于每一轮廓，定位具有最大图像强度的点，例如通过使立方体样条或其它功能形状拟合到所述轮廓并分析确定样条的顶点，因而使能以子像素准确度定位半径。
耳道中的外来物体如头发或耳垢可破坏所获得的数据因而破坏耳道的数据模型。这可通过分析反射的辐射以认出这些物体进行避免，例如借助于在检测工具处接收的光的谱成分。因而，这些物体可保留在数据模型之外，从而提高模型的准确度。此外，使用光使可能获得非常精确的数据。
图6示出了用于获得空腔内表面的几何数据的装置的另一例子的示意图。
该装置包括光源101、透镜632、和用于将来自光源的光106以相对于光轴113成锐角115地导向空腔的表面107a、b的反射镜或其它反射件605。反射件605从距光轴113径向距离处的出射位置117引导光束106，使得光束106在到达空腔壁107a、b之前与光轴113交叉或至少与通过光轴的平面交叉。透镜632构造成将从表面107a、b反射的光108a、b引导到检测器110上的相应位置109a、b。在图6的例子中，空腔壁107a、b被示为位于距光轴两个径向距离处，其中径向距离的差表示为Δx。从这些距离的空腔壁反射的光各自以角114a和114b入射在透镜632上。透镜将对应的反射光108a和108b成像在距光轴113不同距离处的相应位置109a、b上。图像点109a和109b之间的距离表示为Δp。因此，距离Δp为距离Δx的度量，因为来自物体的反射光的图像平面110中的坐标由入射在检测器如CCD芯片前面的透镜632上的角114a、b给出。
尽管已详细描述和展示了一些优选实施例，但本发明不限于这些优选实施例，而是可在所附权利要求确定的主题范围内以其它方式进行体现。
例如，在此所述的装置和方法已主要结合获得耳道的数据模型进行描述。然而，应意识到，在此所述的装置和方法也可连同其它空腔应用，如人或动物体的其它体腔，如牙腔、鼻腔、尿道等。此外，本发明方法可用于基于通过在此所述的装置和方法获得的距离测量获得其它类型的几何数据。例如，本发明方法和装置可用于确定沿细长空腔的大小/直径的测量，例如用于检测狭窄或其它不规则空腔、用于质量控制、用于医学或其它目的。
在此所述的方法的实施例可借助于包括几个不同元件的硬件实施，和/或至少部分借助于适当编程的微处理器实施。在列举几个工具的装置权利要求中，这些工具中的几个可由硬件的同一元件、部件或零件体现。某些测量在相互不同的从属权利要求中引用或在不同的实施例中描述的起码事实并不表明这些测量的组合不能有利地使用。
应当强调的是，在本说明书中使用的术语“包括/包含”表明存在所述的特征、整数、步骤或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、部件和/或其组合。