虹膜定位方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種對象定位的方法和系統(tǒng)，如眼球的虹膜，因此使對象在醫(yī)療程序 中有一個已知的方位。
【背景技術(shù)】
[0002] 眼科手術(shù)器械行業(yè)在過去二十年中經(jīng)歷了迅猛的增長。在如LASIK和PRK的程序 中使用準分子激光器已成為標準操作規(guī)程，目前白內(nèi)障手術(shù)正在經(jīng)歷一場類似于飛秒激光 器的變革。在任意涉及散光矯正眼科手術(shù)中，有必要解決眼球旋轉(zhuǎn)，當人從站立或坐起到躺 下的轉(zhuǎn)變，以及歪頭或其他病人系統(tǒng)對準參數(shù)發(fā)生任何細小變化時，眼球旋轉(zhuǎn)是眼球在眼 窩中顯著的旋轉(zhuǎn)。一般來說，對直立位置的病人進行治療規(guī)劃的診斷成像，而對平躺的病人 進行手術(shù)，如果不能正確地作出解釋，這對于眼球旋轉(zhuǎn)將可能造成顯著校準誤差。因此，為 了規(guī)劃切口而可靠地使用診斷成像裝置（例如散光軸）的任何信息，必須確定診斷裝置和 手術(shù)裝置之間眼部轉(zhuǎn)動差異，從而可正確地校準裝置的坐標系。
[0003] 從歷史上看，通過當病人站立起來時沿眼球"垂直"軸線或"水平"軸線標記墨痕， 以及在進行外科手術(shù)時，使用這些墨痕作為參考軸，以解決眼球旋轉(zhuǎn)。然而，在LASIK程序 的情況下，VISX(雅培醫(yī)療光學(xué)）是首次改變成使用病人虹膜圖案的一種自動定位方法，這 就要求無墨痕且沒有外科醫(yī)生的任何人工干預(yù)。自動虹膜定位包括當計劃治療時，手術(shù)激 光系統(tǒng)接收診斷裝置所看到的病人眼球的圖片，對病人眼球本身照相，以及在這兩張照片 之間使用虹膜模式校準定位。迄今為止，這些算法僅用在病人眼球未進行藥物誘導(dǎo)瞳孔擴 張的情況下?，F(xiàn)有算法都是基于位置標記的，也就是說，在治療前圖像和治療圖像中均識別 出虹膜中具體的感興趣點，并且通過匹配在兩個圖像之間的這些點以進行定位。
[0004] 然而，為了可用于白內(nèi)障手術(shù)中，有必要對病人眼球進行藥物誘導(dǎo)瞳孔擴張。作為 白內(nèi)障手術(shù)一部分的散光矯正程序，通常包括部分厚度弧形切口、完整厚度透明角膜切口、 環(huán)面人工晶狀體、或三者的組合。使用自動虹膜定位以準確地解決眼球旋轉(zhuǎn)可能大大有益 于所有的這些方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的一個方面關(guān)于一種方法，其中包括在第一時間和第二時間以光照射眼 球，以及基于第一時間照射眼球的光生成眼球的第一圖像。該方法進一步包括基于第二時 間照射眼球的光生成第二圖像。該方法還包括相對于眼球定位激光源，其中，激光源生成定 向到眼球的治療激光束，其中，所述第一時間剛好在定向到眼球的治療激光束之前，并且第 二時間是先于第一時間。該方法還包括基于對眼球的第一圖像和第二圖像定義的相關(guān)函數(shù) 校正激光源相對于眼球的取向。
[0006] 本發(fā)明的第二個方面關(guān)于激光治療系統(tǒng)，其包括向眼球發(fā)射治療激光束的激光源 和與激光源通信的激光控制系統(tǒng)，其中，激光控制系統(tǒng)控制治療激光束的一個或多個參數(shù)。 該系統(tǒng)包括具有照射眼球光源的分析器和一個或多個檢測器，其接收遠離眼球的反射光且 生成眼球圖像。分析器還包括包含計算機可執(zhí)行指令的存儲器以及與激光控制系統(tǒng)通信的 處理器，一個或多個檢測器和存儲器，其中，處理器接收眼球的圖像，并執(zhí)行計算機可執(zhí)行 指令以生成基于對眼球圖像而定義的相關(guān)函數(shù)的信號，該信號能夠校正治療激光束相對于 眼球的取向。此外，激光控制系統(tǒng)接收該信號，激光控制系統(tǒng)使用信號以改變治療激光束相 對于眼球的取向。
[0007] 本發(fā)明的上述一個或多個方面對于當藥物誘導(dǎo)瞳孔擴張用于醫(yī)療程序中允許虹 膜定位具有優(yōu)勢，如應(yīng)用于白內(nèi)障手術(shù)中，作為白內(nèi)障手術(shù)一部分的散光矯正程序通常包 括部分厚度弧形切口、完整厚度透明角膜切口、環(huán)面人工晶狀體、或三者的結(jié)合。
[0008] 本發(fā)明的上述一個或多個方面在準確地解決眼球旋轉(zhuǎn)方面具有優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0009] 圖1示意性地示出了本發(fā)明的激光治療系統(tǒng)的實施例；
[0010] 圖2示出了本發(fā)明使用圖1的激光治療系統(tǒng)的對象定位方法實施例的流程圖；
[0011] 圖3示出了一種可能的圖像，其用于在執(zhí)行圖2所示的每一過程中檢測虹膜邊界 和眼瞼干擾過程的實施例；
[0012] 圖4示出了一種可能的治療圖像，其用于在執(zhí)行圖2所示的每一個過程中虹膜邊 界的檢測過程的實施例；
[0013] 圖5示意性示出了在執(zhí)行圖2所示的每一過程中檢測虹膜邊界和眼瞼干擾過程的 實施例中，一個近似為圓弧的可能方法；
[0014] 圖6(a)-(f)示出了在圖2所示的每一過程中減小眼瞼干擾過程的實施例；
[0015] 圖7 (a) - (b)示出了可能的圖像，其示出了在圖2所示的每一過程中減小眼瞼干擾 過程的結(jié)果；
[0016] 圖8(a)_(b)示出了可能的圖像，其示出了在圖2所示的每一過程中展開虹膜圖像 和執(zhí)行D0G過濾的結(jié)果；
[0017] 圖9顯示了在圖2所示的每一過程中可能相關(guān)性度量與眼球旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線 圖；
[0018] 圖10 (a) - (b)示出了可能的圖像，其示出了在圖2所示的每一過程中定位結(jié)果；和
[0019] 圖11 (a)-(b)示出了在圖2所示的每一過程中可能相關(guān)性度量與眼球旋轉(zhuǎn)角的關(guān) 系曲線圖。
【具體實施方式】
[0020] 如在圖1中示意性地示出的，激光治療系統(tǒng)100包括激光源102、激光光學(xué)裝置 103、和與其它通信的激光控制系統(tǒng)104。激光源102通過激光光學(xué)裝置103產(chǎn)生定向到病 人眼球108的治療激光束106。激光束106用于在眼球108上進行各種醫(yī)療程序，例如囊切 開術(shù)、晶狀體開裂、和角膜切口。控制系統(tǒng)104通過與其通信的激光光學(xué)裝置103和激光源 102控制激光束的多個參數(shù)，例如方向、脈沖寬度和脈沖頻率。合適的激光源102,激光光學(xué) 裝置103和激光控制系統(tǒng)104的實例公開在美國專利Nos. 8262646和8465478中，其每一 項的全部內(nèi)容在此引入以作為參考。
[0021] 分析器110與激光源102和激光控制系統(tǒng)104通信。分析器110包括照射眼球 108的光源112。一個或多個檢測器或照相機114接收遠離眼球108的反射光并且生成了眼 球108的圖像。由于眼球108的圖像是在病人眼球108經(jīng)歷激光束106治療前拍攝的，所 以眼球108圖像是治療前圖像。眼球108的第二圖像是治療圖像并且實際上是在治療激光 束106治療眼球108的時間拍攝的。治療前圖像和治療圖像存儲在記錄介質(zhì)中，例如存儲 器116,并且在處理器118中處理，處理器118與控制器104、存儲器116和光源112通信。 可用分析器110的例子是總部設(shè)在日本的拓普康（Topcon)制造的拓普康CA-200F角膜分 析器。
[0022] 處理器118執(zhí)行存儲在存儲器116中的指令，因此，以與現(xiàn)有算法使用非常不同的 方法執(zhí)行一種算法。這里建議的算法是全局（global)相關(guān)算法，其中，定位是基于為定義 治療前圖像與治療圖像的相關(guān)函數(shù)，而無需在虹膜中挑選特定的點。在手術(shù)中，分析器110 在藥物引導(dǎo)擴張前對眼球108成像。接著，使用激光源102和激光控制系統(tǒng)104以使眼球 108接受激光治療程序，如白內(nèi)障手術(shù)。過程或算法200的基本步驟/過程在圖2中示意性 地示出如下：
[0023] 202-在兩個圖像中檢測瞳孔-虹膜和虹膜-鞏膜邊界、以及任何眼瞼干擾；
[0024] 204-在兩個圖像中過濾和展開虹膜；
[0025] 206-將展開圖像從像素表示轉(zhuǎn)換到特征表示，其中每個像素產(chǎn)生一個特征向量；
[0026] 208-測量眼球旋轉(zhuǎn)的每個可能角度的特征映射之間的全局相關(guān)強度；
[0027] 210-選取產(chǎn)生最強相關(guān)性的角；和
[0028] 212-相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)坐標系。
[0029] 在手術(shù)中，以上所列的過程202-212相關(guān)的算法存儲在存儲器116中以作為計算 機可執(zhí)行指令，其中，處理器118執(zhí)行指令以便處理治療前圖像和治療圖像，從而生成能校 正治療激光束取向的信號。發(fā)送此信號到控制激光源102,激光光學(xué)裝置103的控制器104， 以便產(chǎn)生取向正確的激光束106。
[0030] 邊界檢測-過程202
[0031] 最簡單尋找的邊界是瞳孔-虹膜邊界，因為這條邊界非常強且瞳孔本身是均勻暗 的。邊界的橢圓擬合是首次發(fā)現(xiàn)的，通過以直方圖法近似為中心、在以標準精準（Canny)算 法提取的邊緣上從該中心執(zhí)行徑向邊緣濾波器、以RANSAC算法提取多達4圈、匹配圈結(jié)合 成橢圓擬合。附加的算法用于更進一步微調(diào)結(jié)果，這基本上是簡化實施主動輪廓線或蛇線。 該算法采用圖像和先前發(fā)現(xiàn)的橢圓擬合瞳孔邊界作為輸入，以及在幾個9值的邊界處附 近"探索"圖像以尋找圖像中最大化每個9的強度梯度的徑向分量的位置。這將構(gòu)建一個 點列表，其在極坐標系中逐點地描述邊界（先前發(fā)現(xiàn)的橢圓中心仍為原點）。然后在這個點 列表上執(zhí)行簡單的高斯平滑以增強連續(xù)性。之后平滑的點列表作為瞳孔邊界。
[0032]為了在圖3的診斷圖像中找到虹膜-鞏膜邊界，例如，使用圓形樣條算法，其穿過 適當限制的三維參數(shù)空間（圓中心和半徑）分別地治療不同的角度區(qū)域、尋求以最大化梯 度和圓樣條的向外法線之間的點積。基本的算法結(jié)構(gòu)可制定成以下情況：對于中心和半徑 的每個選擇，形成一個圓和從梯度的徑向分量上為這個圈分配一個分值到每個角度區(qū)域； 對于該圓為其獲得的分值高于該角度區(qū)域先前高分值的每一角度區(qū)域，存儲新的高分值和 達到新的高分值的圓。這產(chǎn)生了一組圓樣條，之后過濾圓樣條以除去與其它圓樣條不匹配 的圓樣條。八個樣條用于圖3中的圖像，從而使得八個獨立的角度區(qū)域每個成45度。
[0033]為了在治療圖像中找到虹膜-鞏膜邊界，假設(shè)在