虹膜定位方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种对象定位的方法和系统，如眼球的虹膜，因此使对象在医疗程序 中有一个已知的方位。
【背景技术】
[0002] 眼科手术器械行业在过去二十年中经历了迅猛的增长。在如LASIK和PRK的程序 中使用准分子激光器已成为标准操作规程，目前白内障手术正在经历一场类似于飞秒激光 器的变革。在任意涉及散光矫正眼科手术中，有必要解决眼球旋转，当人从站立或坐起到躺 下的转变，以及歪头或其他病人系统对准参数发生任何细小变化时，眼球旋转是眼球在眼 窝中显著的旋转。一般来说，对直立位置的病人进行治疗规划的诊断成像，而对平躺的病人 进行手术，如果不能正确地作出解释，这对于眼球旋转将可能造成显著校准误差。因此，为 了规划切口而可靠地使用诊断成像装置（例如散光轴）的任何信息，必须确定诊断装置和 手术装置之间眼部转动差异，从而可正确地校准装置的坐标系。
[0003] 从历史上看，通过当病人站立起来时沿眼球"垂直"轴线或"水平"轴线标记墨痕， 以及在进行外科手术时，使用这些墨痕作为参考轴，以解决眼球旋转。然而，在LASIK程序 的情况下，VISX(雅培医疗光学）是首次改变成使用病人虹膜图案的一种自动定位方法，这 就要求无墨痕且没有外科医生的任何人工干预。自动虹膜定位包括当计划治疗时，手术激 光系统接收诊断装置所看到的病人眼球的图片，对病人眼球本身照相，以及在这两张照片 之间使用虹膜模式校准定位。迄今为止，这些算法仅用在病人眼球未进行药物诱导瞳孔扩 张的情况下。现有算法都是基于位置标记的，也就是说，在治疗前图像和治疗图像中均识别 出虹膜中具体的感兴趣点，并且通过匹配在两个图像之间的这些点以进行定位。
[0004] 然而，为了可用于白内障手术中，有必要对病人眼球进行药物诱导瞳孔扩张。作为 白内障手术一部分的散光矫正程序，通常包括部分厚度弧形切口、完整厚度透明角膜切口、 环面人工晶状体、或三者的组合。使用自动虹膜定位以准确地解决眼球旋转可能大大有益 于所有的这些方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的一个方面关于一种方法，其中包括在第一时间和第二时间以光照射眼 球，以及基于第一时间照射眼球的光生成眼球的第一图像。该方法进一步包括基于第二时 间照射眼球的光生成第二图像。该方法还包括相对于眼球定位激光源，其中，激光源生成定 向到眼球的治疗激光束，其中，所述第一时间刚好在定向到眼球的治疗激光束之前，并且第 二时间是先于第一时间。该方法还包括基于对眼球的第一图像和第二图像定义的相关函数 校正激光源相对于眼球的取向。
[0006] 本发明的第二个方面关于激光治疗系统，其包括向眼球发射治疗激光束的激光源 和与激光源通信的激光控制系统，其中，激光控制系统控制治疗激光束的一个或多个参数。 该系统包括具有照射眼球光源的分析器和一个或多个检测器，其接收远离眼球的反射光且 生成眼球图像。分析器还包括包含计算机可执行指令的存储器以及与激光控制系统通信的 处理器，一个或多个检测器和存储器，其中，处理器接收眼球的图像，并执行计算机可执行 指令以生成基于对眼球图像而定义的相关函数的信号，该信号能够校正治疗激光束相对于 眼球的取向。此外，激光控制系统接收该信号，激光控制系统使用信号以改变治疗激光束相 对于眼球的取向。
[0007] 本发明的上述一个或多个方面对于当药物诱导瞳孔扩张用于医疗程序中允许虹 膜定位具有优势，如应用于白内障手术中，作为白内障手术一部分的散光矫正程序通常包 括部分厚度弧形切口、完整厚度透明角膜切口、环面人工晶状体、或三者的结合。
[0008] 本发明的上述一个或多个方面在准确地解决眼球旋转方面具有优势。
【附图说明】
[0009] 图1示意性地示出了本发明的激光治疗系统的实施例；
[0010] 图2示出了本发明使用图1的激光治疗系统的对象定位方法实施例的流程图；
[0011] 图3示出了一种可能的图像，其用于在执行图2所示的每一过程中检测虹膜边界 和眼睑干扰过程的实施例；
[0012] 图4示出了一种可能的治疗图像，其用于在执行图2所示的每一个过程中虹膜边 界的检测过程的实施例；
[0013] 图5示意性示出了在执行图2所示的每一过程中检测虹膜边界和眼睑干扰过程的 实施例中，一个近似为圆弧的可能方法；
[0014] 图6(a)-(f)示出了在图2所示的每一过程中减小眼睑干扰过程的实施例；
[0015] 图7 (a) - (b)示出了可能的图像，其示出了在图2所示的每一过程中减小眼睑干扰 过程的结果；
[0016] 图8(a)_(b)示出了可能的图像，其示出了在图2所示的每一过程中展开虹膜图像 和执行D0G过滤的结果；
[0017] 图9显示了在图2所示的每一过程中可能相关性度量与眼球旋转角的关系曲线 图；
[0018] 图10 (a) - (b)示出了可能的图像，其示出了在图2所示的每一过程中定位结果；和
[0019] 图11 (a)-(b)示出了在图2所示的每一过程中可能相关性度量与眼球旋转角的关 系曲线图。
【具体实施方式】
[0020] 如在图1中示意性地示出的，激光治疗系统100包括激光源102、激光光学装置 103、和与其它通信的激光控制系统104。激光源102通过激光光学装置103产生定向到病 人眼球108的治疗激光束106。激光束106用于在眼球108上进行各种医疗程序，例如囊切 开术、晶状体开裂、和角膜切口。控制系统104通过与其通信的激光光学装置103和激光源 102控制激光束的多个参数，例如方向、脉冲宽度和脉冲频率。合适的激光源102,激光光学 装置103和激光控制系统104的实例公开在美国专利Nos. 8262646和8465478中，其每一 项的全部内容在此引入以作为参考。
[0021] 分析器110与激光源102和激光控制系统104通信。分析器110包括照射眼球 108的光源112。一个或多个检测器或照相机114接收远离眼球108的反射光并且生成了眼 球108的图像。由于眼球108的图像是在病人眼球108经历激光束106治疗前拍摄的，所 以眼球108图像是治疗前图像。眼球108的第二图像是治疗图像并且实际上是在治疗激光 束106治疗眼球108的时间拍摄的。治疗前图像和治疗图像存储在记录介质中，例如存储 器116,并且在处理器118中处理，处理器118与控制器104、存储器116和光源112通信。 可用分析器110的例子是总部设在日本的拓普康（Topcon)制造的拓普康CA-200F角膜分 析器。
[0022] 处理器118执行存储在存储器116中的指令，因此，以与现有算法使用非常不同的 方法执行一种算法。这里建议的算法是全局（global)相关算法，其中，定位是基于为定义 治疗前图像与治疗图像的相关函数，而无需在虹膜中挑选特定的点。在手术中，分析器110 在药物引导扩张前对眼球108成像。接着，使用激光源102和激光控制系统104以使眼球 108接受激光治疗程序，如白内障手术。过程或算法200的基本步骤/过程在图2中示意性 地示出如下：
[0023] 202-在两个图像中检测瞳孔-虹膜和虹膜-巩膜边界、以及任何眼睑干扰；
[0024] 204-在两个图像中过滤和展开虹膜；
[0025] 206-将展开图像从像素表示转换到特征表示，其中每个像素产生一个特征向量；
[0026] 208-测量眼球旋转的每个可能角度的特征映射之间的全局相关强度；
[0027] 210-选取产生最强相关性的角；和
[0028] 212-相应地旋转坐标系。
[0029] 在手术中，以上所列的过程202-212相关的算法存储在存储器116中以作为计算 机可执行指令，其中，处理器118执行指令以便处理治疗前图像和治疗图像，从而生成能校 正治疗激光束取向的信号。发送此信号到控制激光源102,激光光学装置103的控制器104， 以便产生取向正确的激光束106。
[0030] 边界检测-过程202
[0031] 最简单寻找的边界是瞳孔-虹膜边界，因为这条边界非常强且瞳孔本身是均匀暗 的。边界的椭圆拟合是首次发现的，通过以直方图法近似为中心、在以标准精准（Canny)算 法提取的边缘上从该中心执行径向边缘滤波器、以RANSAC算法提取多达4圈、匹配圈结合 成椭圆拟合。附加的算法用于更进一步微调结果，这基本上是简化实施主动轮廓线或蛇线。 该算法采用图像和先前发现的椭圆拟合瞳孔边界作为输入，以及在几个9值的边界处附 近"探索"图像以寻找图像中最大化每个9的强度梯度的径向分量的位置。这将构建一个 点列表，其在极坐标系中逐点地描述边界（先前发现的椭圆中心仍为原点）。然后在这个点 列表上执行简单的高斯平滑以增强连续性。之后平滑的点列表作为瞳孔边界。
[0032]为了在图3的诊断图像中找到虹膜-巩膜边界，例如，使用圆形样条算法，其穿过 适当限制的三维参数空间（圆中心和半径）分别地治疗不同的角度区域、寻求以最大化梯 度和圆样条的向外法线之间的点积。基本的算法结构可制定成以下情况：对于中心和半径 的每个选择，形成一个圆和从梯度的径向分量上为这个圈分配一个分值到每个角度区域； 对于该圆为其获得的分值高于该角度区域先前高分值的每一角度区域，存储新的高分值和 达到新的高分值的圆。这产生了一组圆样条，之后过滤圆样条以除去与其它圆样条不匹配 的圆样条。八个样条用于图3中的图像，从而使得八个独立的角度区域每个成45度。
[0033]为了在治疗图像中找到虹膜-巩膜边界，假设在