一种裂隙灯眼前节三维重建方法、系统、设备及终端

本发明属于眼前节系统三维重建，尤其涉及一种裂隙灯眼前节三维重建方法、系统、设备及终端。

背景技术：

1、我国的近视发生率处于较高水平，利用飞秒激光来进行近视治疗变得十分流行，在利用飞秒激光治疗近视手术过程中，医生对眼前节几何结构特征的掌握就显得尤为重要，利用计算机系统对眼前节(眼前节包括角膜，虹膜睫状体等组织结构)的三维结构进行建模将有助于医生充分了解相关信息，极大的提高手术成功率。目前已经有大量针对眼前节三维重建的研究工作，比如基于光学相干断层扫描(oct)的重建方法，基于裂隙灯显微镜的三维重建方法，然而这些方法存在一些问题。光学相干断层扫描的重建方法基于光的干涉原理，需要相应的光学设备，其造价昂贵，结构精密，成本高昂，难以大范围推广使用。基于裂隙灯的重建方法则仅需要低廉的设备，体积较小，使用方便。然而现存的基于裂隙灯的重建方法过程复杂，重建方案难以实现，且并未考虑角膜、晶状体对光源折射引起的成像视差，从而影响重建准确性。

2、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的基于光学相干断层扫描的重建方法或其他方案设备价格昂贵，不利于普及。现存的基于裂隙灯显微镜的重建方法理论不完善，并未考虑折射引起的偏差等。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种裂隙灯眼前节三维重建方法、系统及设备。

2、本发明是这样实现的，一种裂隙灯眼前节三维重建方法，包括：

3、s1，设备标定：计算多个局部单应性矩阵进行相机标定；

4、s2，扫描眼前节系统的一系列图像；

5、s3，进行边缘提取，得到扫描图像上裂隙灯投射条纹边缘像素点集；

6、s4，进行图像区域分割，进一步区分出角膜内外表面、虹膜表面、晶状体等部位；

7、s5，利用相机标定参数将各个扫描图像上的像素点集合变换至世界坐标；

8、s6，根据折射定律调整角膜，虹膜，晶状体等部位对应的三维点集，同时进行点云网格化，得到眼前节系统的三维模型。

9、进一步，s1具体包括：将一块标定板固定在裂隙灯光源位置，让标定板与裂隙灯投射出的灯光平面重合，之后，相机进行拍摄得到图像，检测并得到图像上标定板的角点像素坐标，将整个图像划分为多个局部区域，将角点划分到各自的图像局部区域中，在裂隙灯投影光学平面上建立坐标系，计算每个标定板角点的坐标位置，结合图像上对应角点的像素坐标，对每个图像区域计算一个单应性变换矩阵。通过多个局部变换来克服相机镜头畸变的影响。

10、s2具体包括：开启裂隙灯光源，使之投影出约0.5毫米厚的光学截面到眼球，使扫描设备在运动轨道上向一个方向运动，使相机按照一定距离间隔拍摄一张眼球图像，并记录该图像对应的设备位置，扫描结束后得到一个图像序列。

11、s3具体包括：对于每一个扫描图像，首先对图像进行二值化，之后利用边缘检测算法，得到图像上裂隙灯投影平面形成的亮斑条纹边缘，再通过图像处理的方法，去除孤立像素点，连接图像边缘，使之形成完整的眼前节系统边缘像素点集。

12、s4具体包括：使用计算机视觉或者深度学习的相关方法，如unet网络进行图像分割，将上一步骤中得到的边缘图像进行分割，区分出像素点集中分别属于眼角膜前后表内、虹膜、晶状体的部分，为每个点集赋予标记以确定该点代表的眼前节系统的具体部位。

13、s5具体包括：根据每一张扫描图像，由s4中获取到的像素点集，根据每个像素点具体的像素坐标，确定由s1中划分的局部图像区域，利用该区域的单应性变换矩阵，将图像变换至裂隙灯光学平面上的坐标，并结合s2中记录的扫描该图像时设备在运动轨道上的位置，形成三维坐标。

14、s6是进行眼前节系统三维重建的关键步骤，系统的成像过程是：光线由裂隙灯光源发出，经眼睛各个部位的反射、折射，最终进入相机镜头形成图像。眼组织对光线的折射效应会导致重建结果产生偏差。为了矫正这种偏差，本发明提出了一种分层重建的方法，具体方法是：首先，根据s4中区域分割的标记，提取出s5中点云眼角膜外表面的部分，利用点云网格化算法重建眼角膜外表面的网格，再计算眼角膜外表面网格的法线并进行平滑处理，提供给下一步使用。眼角膜外表面对应图像上像素点是由裂隙灯光源发出，经过眼角膜外表面反射到相机形成的，不存在光线的折射，重建结果是准确的。之后考虑眼角膜内表面，由于到达角膜内表面的光线经过了角膜外表面的折射，直接重建会产生偏差，在重建眼角膜内表面时，根据已经得到的眼角膜外表面网格以及法线，并且已知角膜折射率约为1.376，根据折射定律，重新调整眼角膜内表面的点云位置，矫正偏差，然后对矫正位置后的点云进行重建，得到眼角膜内表面的网格。之后，利用同样的方法依次处理并重建更深的眼组织表面。

15、本发明的另一目的在于提供一种应用所述裂隙灯眼前节三维重建方法的裂隙灯眼前节三维重建系统，包括：

16、设备标定模块：用于计算多个局部单应性矩阵进行相机标定；

17、图像扫描模块，用于扫描待测物体的一系列图像；

18、边缘提取模块，用于进行边缘提取，得到扫描图像上裂隙灯投射条纹上的像素点集；

19、图像分割模块，用于区分出眼前节系统的各个部位的像素点集；

20、坐标变换模块，用于利用标定出的设备参数，以及获取得到的像素点集序列，再配合对于的设备位置，形成三维坐标；

21、三维重建模块，用于将点集数据进行分层重建，得到眼前节系统三维模型；

22、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的裂隙灯眼前节三维重建方法的步骤。

23、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的裂隙灯眼前节三维重建方法的步骤。

24、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的裂隙灯眼前节三维重建系统。

25、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

26、第一，本发明使用了眼科检查常用的裂隙灯显微镜以及单个相机实现眼前节三维重建，相较于光学相干断层扫描等其他方法，本发明使用的设备简单造价较低，利于设备普及使用。相较于其他的基于裂隙灯眼前节三维重建方法，本发明提出的设备标定以及三维坐标计算方案实现更简洁，且考虑相机镜头畸变的影响，具有快速、高效、准确的特点。另外，本发明考虑到了由于眼睛角膜内外表面，晶状体等对于光线的折射效应，使相机成像出现视差。本发明提出分层重建的方法，根据光线传输路径依次重建各个眼组织表面，并利用已经重建好的表面模型以及相应眼组织的折射率，调整下一个表面的点云三维坐标位置，矫正光线折射带来的影响，使重建结果更准确。

27、本发明采用结构简单、使用裂隙灯显微镜以及单个相机进行三维重建。同时处理了眼组织对光线的折射效应。本发明提出的重建设备造价更低，重建结果更准确，能够广泛应用于眼科检查以及飞秒激光近视眼手术当中。

28、第二，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

29、成本节约和设备普及性：由于本发明采用了简单且低成本的设备，预计可以降低眼科检查和眼部手术设备的投资成本，使更多的医疗机构和眼科专业人员能够购买和使用该系统。这将带来更广泛的市场渗透和设备普及性，从而增加销售量和市场份额。

30、准确性和效率提升：本发明提出的技术方案考虑了眼组织的折射效应，并通过分层重建方法来校正光线折射引起的视差。预期可以提供更准确、高效的眼前节三维重建结果，为眼科医生和眼科专业人员提供更精确的眼部解剖结构信息，帮助他们做出更准确的诊断和治疗决策。

31、应用拓展和增值服务：本发明的技术方案可以广泛应用于眼科检查和眼部手术，包括飞秒激光近视眼手术等。预计可以为眼科医疗行业提供增值服务，例如眼部疾病诊断、手术规划、手术效果评估等领域。这将为医疗机构和眼科专业人员带来更多的商业机会和收益来源。

32、竞争优势和差异化：与传统的光学相干断层扫描等眼前节三维重建方法相比，本发明的技术方案具备设备简单、成本低、准确性高等优势。这将使其在市场上具有竞争优势和差异化，吸引更多用户选择和采用该系统，从而增加产品销售和市场份额。

33、基于以上因素，本发明的技术方案转化后预计能够带来较高的商业价值和收益，包括销售收入增长、市场份额提升、增值服务收入等。具体的商业价值和收益预估需要结合市场调研和商业计划进一步分析和评估

34、第三，本发明带来的显著的技术进步：

35、1.通过在多个局部图像区域内计算单应性矩阵进行相机标定，这种技术可以准确地将图像坐标转换为实际的物理坐标，使得图像处理和三维重建更为精确，提高了医疗影像的诊断精度。

36、2.采用标定板角点的坐标位置，结合图像上对应角点的像素坐标，对每个图像区域计算一个单应性变换矩阵，这种技术进步使得图像坐标到物理坐标的转换更为精准，从而提高了三维重建的精度。

37、3.使用裂隙灯投影出约0.5毫米厚的光学截面到眼球，能够在运动轨道上向一个方向运动，使相机按照一定距离间隔拍摄一张眼球图像，并记录该图像对应的设备位置，这一技术进步使得扫描过程更为精细，为后续的三维重建提供了丰富的源数据。

38、4.通过边缘提取，得到扫描图像上裂隙灯投射条纹边缘像素点集，这一技术进步可以提取出眼前节系统的主要特征，为后续的三维重建提供基础，提高了三维重建的准确性。

39、5.利用计算机视觉或者深度学习的相关方法，如unet网络进行图像分割，区分出像素点集中分别属于眼角膜前后表内、虹膜、晶状体的部分，这个技术进步使得眼前节系统的各个部分能够被准确识别和标记，提高了三维重建的准确性和细致度。

40、6.利用相机标定参数将各个扫描图像上的像素点集合变换至世界坐标，这一技术进步提供了从二维图像坐标到三维世界坐标的转换，为后续的三维重建打下了坚实的基础，提高了三维重建的准确性。

41、7.根据折射定律调整角膜，虹膜，和晶状体的坐标，这一技术进步考虑到了光在眼球内部的折射现象，使得重建出的三维模型更接近真实情况，提高了三维模型的准确性和可靠性。

42、8.利用点云数据进行眼前节系统的三维重建，这一技术进步可以将前面步骤获取和处理的数据集成，最终得到眼前节系统的完整三维模型，以便于医生进行更准确的诊断和手术规划，提高了医疗服务的质量和效率。