CN115554020B - 一种眼科手术三维导航系统及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种眼科手术三维导航系统及实现方法，包括二维OCT断层成像模块、三维OCT体积成像模块、立体显微镜成像模块、激光散斑血流成像模块，四个成像模块同时进行成像；二维OCT断层成像模块是用于低扫描速度、高分辨率的实时二维断层成像，三维OCT体积成像模块用于高扫描速度、低分辨率的三维OCT体积成像；二维OCT断层成像模块和三维OCT体积成像模块共用一个扫频光源。本发明可以实现二维三维不同视野不同分辨率的结构成像，用于给眼前结手术提供不同维度的图像，便于手术导航和手术过程记录；另外激光散斑血流成像可以提供血流灌注动力学信息，可以从更高维度的功能成像角度对手术过程可能存在的风险或有益效果进行跟踪监测。

Description

一种眼科手术三维导航系统及实现方法
技术领域
本发明涉及一种OCT技术领域，特别是涉及一种眼科手术三维导航系统及实现方法。
背景技术
由于人体的眼睛结构比较复杂，约70％的眼病治疗以手术为主，对器械依赖性较高，用药通常只能延缓。随着老龄化程度的加剧，我国白内障、青光眼等患者的数量不断增加，而电子产品的普及也带来了青少年眼病患者的增多。另外，我国眼科专科医院及卫生机构眼科床位数均持续增加，直接推动了眼科显微镜的采购。
早在1921年，手术显微镜开始正式进入手术室为医生服务。此后，手术显微镜开始愈发精密，并给医生提供了调节的放大倍数，适当的工作距离，以及通畅手术视野。立体视觉的引入为术者提供了三维视野，进一步增加了手术的安全性。如今，当代外科显微镜富含各种术中成像模块，如荧光成像和光学相干断层扫描(OCT)，并且它们可以适应其他成像模式，包括高光谱影像(HSI)，光声显微镜(PAM)，和激光斑点对比成像(LSCI)。
临床需要可以在术前和术后以及术中使用的非侵入性、安全的灌注监测方法。适当的灌注监测技术能够预测和最小化斜视手术后的风险。激光散斑成像可用于可视化和量化眼直肌分离时发生的灌注减少，它适用于斜视手术，从而能够完整地绘制眼睛前节的血液供应图。
申请号CN108577802A提出一种通过机械切换透镜，将OCT成像光路模块与眼科手术显微镜结合，拓展手术显微镜系统的应用。但是，其缺点是两个模态不能同时成像，不能用于实时手术导航。
眼科手术中需要快速获取指定手术区域术中信息，传统手术导航缺乏深度方向的定位引导，需要术者极高的手眼协调能力。综上所述，临床医生迫切需要一种新一代包含双目立体影像、扫频OCT成像、激光散斑成像等多模态三维眼科手术导航显微镜系统，为致盲疾病手术治疗这一重大临床需求提供一种崭新的手术导航技术装备。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种眼科手术三维导航系统及实现方法。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明能够一种眼科手术三维导航系统，包括二维OCT断层成像模块、三维OCT体积成像模块、立体显微镜成像模块、激光散斑血流成像模块，四个成像模块同时进行成像；
二维OCT断层成像模块是用于低扫描速度、高分辨率的实时二维断层成像，三维OCT体积成像模块用于高扫描速度、低分辨率的三维OCT体积成像；二维OCT断层成像模块和三维OCT体积成像模块共用一个扫频光源。
在本发明的一种优选实施方式中，扫频光源的输出端通过光纤连接至二倍频模块的第一端口，二倍频模块的第三端口通过光纤连接至2N倍频模块的第一端口，二倍频模块的第二端口通过光纤连接至第二滤波器的输入端，第二滤波器的输出端通过光纤连接至第二光放大器的输入端，从第二光放大器输出的光束被用作二维OCT断层成像模块的成像光源；2N倍频模块的第二端口通过光纤连接至第一滤波器的输入端，第一滤波器的输出端通过光纤连接至第一光放大器的输入端，从第一光放大器输出的光束被用作三维OCT体积成像模块的成像光源；
或/和二维OCT断层成像模块包括：第二光放大器输出端通过光纤连接至第二光纤分束器的第一端口，第二光纤分束器的第二端口通过光纤连接至第二通用光纤耦合器的第一端口，第二光纤分束器的第三端口通过光纤连接至第二插值时钟信号模块的输入端，第二插值时钟信号模块通过射频线缆连接至第二相位延迟器，第二相位延迟器输出第二插值时钟信号K2，第二相位延迟器通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第三输入端；第二通用光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第二样品臂；第二通用光纤耦合器的第四端口通过光纤连接至第二电动延迟线，作为第二参考臂，第二电动延迟线通过光纤连接至第二均分光纤耦合器的第二端口，第二通用光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第二偏振控制器，第二偏振控制器通过光纤连接至第二均分光纤耦合器的第一端口，第二均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至第二光电平衡探测器，第二光电平衡探测器通过射频线缆连接至第二带通滤波器，第二带通滤波器输出第二OCT干涉信号S2，第二带通滤波器通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第四输入端；
或/和三维OCT体积成像模块包括：第一光放大器输出端通过光纤连接至第一光纤分束器的第一端口，第一光纤分束器的第二端口通过光纤连接至第一通用光纤耦合器的第一端口，第一光纤分束器的第三端口通过光纤连接至第一插值时钟信号模块的输入端，第一插值时钟信号模块通过射频线缆连接至第一相位延迟器，第一相位延迟器输出第一插值时钟信号K1，第一相位延迟器通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第一输入端；第一通用光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第一样品臂；第一通用光纤耦合器的第四端口通过光纤连接至第一电动延迟线，作为第一参考臂，第一电动延迟线通过光纤连接至第一均分光纤耦合器的第二端口，第一通用光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第一偏振控制器，第一偏振控制器通过光纤连接至第一均分光纤耦合器的第一端口，第一均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至第一光电平衡探测器，第一光电平衡探测器通过射频线缆连接至第一带通滤波器，第一带通滤波器输出第一OCT干涉信号S1，第一带通滤波器通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第二输入端。
在本发明的一种优选实施方式中，第一样品臂和第二样品臂均包括准直器、变焦模组、二维扫描镜和4F透镜组。
在本发明的一种优选实施方式中，二倍频模块包括第三均分光纤耦合器、第四均分光纤耦合器、色散补偿光纤、光纤跳线、第一恒温控制器、第二恒温控制器；
光束从第三均分光纤耦合器的第一端口进入二倍频模块，第三均分光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至偏振调节单元，偏振调节单元通过光纤连接至第四均分光纤耦合器的第一端口，第三均分光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至光纤跳线，光纤跳线通过光纤连接至色散补偿光纤，色散补偿光纤通过光纤连接至第四均分光纤耦合器的第二端口，第四均分光纤耦合器的第三端口和第四端口输出一样的经过二倍频后的光束；
第一恒温控制器用于保持光纤跳线部件的工作温度，以保证该部件具有稳定的折射率和偏振态；第二恒温控制器用于保持色散补偿光纤部件的工作温度，以保证该部件具有稳定的折射率和偏振态。
在本发明的一种优选实施方式中，第一插值时钟信号模块和第二插值时钟信号模块均包括：第五均分光纤耦合器、光纤布拉格光栅、光程差调整器、可调衰减器、偏振控制单元、第六均分光纤耦合器、光电探测模块；
输入光束通过光纤连接至第五均分光纤耦合器的第一端口，第五均分光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅通过光纤连接至偏振控制单元，振控制单元通过光纤连接至第六均分光纤耦合器的第一端口，第五均分光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至可调衰减器，可调衰减器通过光纤连接至光程差调整器，光程差调整器通过光纤连接至第六均分光纤耦合器的第二端口，第六均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至光电探测模块，光电探测模块输出初始差值信号。
在本发明的一种优选实施方式中，光电探测模块优选选用光电平衡探测器；光纤布拉格光栅具有多个不同的反射波长。
在本发明的一种优选实施方式中，光纤布拉格光栅的每个反射波长的带宽小于0.5nm，反射率高于80％；光纤布拉格光栅的反射波长个数需要不少于两个，不少于两个的反射波长等间隔分布，分别为λ1、λ3…λn；光程差调整器单元用于调整光程差，使得插值时钟信号模块的干涉系统产生特定频率的干涉信号；偏振控制单元用于调整插值时钟信号模块的干涉系统，使得特定光程差下的干涉信号强度比较均匀；可调衰减器用于调整插值时钟信号模块的干涉系统的一路光的功率，使得干涉信号在λ1、λ3…λn位置处的信号强度发生突然增大，甚至饱和。
在本发明的一种优选实施方式中，准确提取波长λ1、λ3…λn对应的采样点位置的方法包括以下步骤：
S1，初始插值时钟信号；
S2，提取初始插值时钟信号的相位，得到Φ1；
S3，对初始插值时钟信号的相位进行解包裹，得到Φ2；
S4，对信号Φ2进行求导运算，得到dif；
S5，对dif进行低通滤波处理，得到高信噪比信号dif2；
S6，对信号dif2进行峰值检测，得到插值时钟信号在特定反射波长λ1、λ3…λn处对应的采样点位置p1、p3…pn；
S7，依据位置p1、p3…pn，进行分段提取插值系数，进而提高插值时钟信号准确性。
在本发明的一种优选实施方式中，控制模块根据电脑指令，将来自扫频光源的触发信号T1和光电探测器的触发信号T2选择性地进行频率倍频或频率分频或直接导通或相位延迟，然后输出处理后的触发信号T01、T02给数据采集模块的外触发端口；
或/和主成像光路包括立体显微镜的成像模块、第一样品臂、第二样品臂、物镜、高速摄像头、照明光源、第一二项色镜、第二二项色镜；
第一二项色镜将立体显微镜的成像模块与第一样品臂合在一起，但是两个模块的光轴不同轴；第二二项色镜将立体显微镜的成像模块与第二样品臂合在一起，但是两个模块的光轴不同轴；
或/和立体显微镜的成像模块由两组一样的光路结构组成，分别实现左目成像和右目成像，每一路都包括中继镜、变焦系统、接物镜、分光片、目镜、镜头、相机；相机与观察眼可以同时观察被测物体，相机可以将拍摄到的手术过程进行录像保存；
或/和照明光源是由多种子光源组成。
本发明还公开了一种眼科手术三维导航系统成像方法，包括以下步骤：
第一步，校准立体显微镜
将一个标准棋盘格照片至于不同工作距离处，立体显微镜的两个相机依次进行拍照；将在不同工作距离得到的图像依次进行定标；利用定标参数，进行坐标系转换，将两个相机的图像合成三维图像；
第二步，校准OCT模块
将一个反射镜作为样品至于工作位置处，扫频光源发出光束对被测样品进行OCT扫描成像，记二维OCT断层成像模块得到的是第二OCT干涉信号S2，其干涉频率是f2，以及第二插值时钟信号K2；同时，三维OCT体积成像模块得到的是第一OCT干涉信号S1，其干涉频率是f1，以及第一插值时钟信号K1；调节第一电动延迟线与第二电动延迟线，使得f1＝f2，实现两个OCT子模块具有一样的零点位置；调节第一插值时钟信号模块与第二插值时钟信号模块，使得K1和K2两个信号频率一致，且近似等于此刻采样率的30％，以提供两个插值时钟信号频率一样，且都是有效的插值时钟信号；
第三步，校准相位延迟器参数
在第二步调整好后，保持其它参数不变，调整第一相位延迟器，使得利用K1插值得到的干涉信号S1具有最窄的信号宽度，此时说明插值时钟信号K1与第一OCT干涉信号S1之间的相位匹配最好，轴向分辨率最佳；与此同时调整第二相位延迟器，使得利用K2插值得到的干涉信号S2具有最窄的信号宽度，此时说明插值时钟信号K2与第一OCT干涉信号S2相位匹配最好，轴向分辨率最佳；
第四步，像差校对
由于两个OCT模块的成像光束光轴与立体显微镜模块的光轴不重合，所以得到的OCT图像会有引入图像像差，主要是畸变，干扰医生手术阅图，所以要校对像差；将一个反射镜作为样品分别至于不同工作距离处进行立体显微镜成像和OCT成像；选取的工作距离次数不少于3次，每次选取的工作距离间隔需要大于5mm；得到图像后，以立体显微镜获得的图像为依据去校准两个OCT模块获得图像的像差，比如是将OCT的倾斜或者弯曲的图像校正为平的；
第五步，开始成像
1)主成像光路的高速像头对被测眼进行实时拍照检测，该图像特点是成像视场大，帧率高，并且在整个手术导航阶段中，该高速摄像头的成像范围不变，目的是提供一个全局图像预览；另外，激光散斑血流成像模块倍打开使用时，该高速摄像头的图像将被导入空间-时间衬比算法，计算出血流信息；
2)调整立体显微镜模块的变焦系统，使得被测眼位于最佳工作距离处，立体显微镜模块的两个相机实时采集到医生感兴趣的被测眼的局部区域，依据第一步中的定标结果，将这两个相机得到的平面图像合成三维立体图像；
3)扫频光源发出光束对被测眼进行三维OCT体积成像，调节第一电动延迟线，使测量得到的被测眼的第一OCT干涉信号S1位于最佳图像预览位置；调节第一偏振控制器，使测量得到的被测眼的S1信号最强；
4)扫频光源发出光束对被测眼进行二维OCT断层扫描成像，调节第一电动延迟线，使测量得到的被测眼的第二OCT干涉信号S2位于最佳图像预览位置；调节第二偏振控制器，使测量得到的被测眼的S2信号最强；
5)依据立体显微镜模块输出的医生操作手和手术器械的三维立体图像，进行手术器械图像分割，并依据先验知识，计算出手术器械在被测眼中的末端空间坐标；
6)实时监测手术器械在被测眼中的末端空间坐标，如果没有发生变化，则不调整二维扫描镜工作状态；如果发生变化，则调整二维OCT断层成像模块的二维扫描镜，使其扫描中心位于手术器械末端；如果检测出手术器械末端位置变化很大，超出10mm，则进一步调整三维OCT体积成像模块的二维扫描镜，使其扫描中心位于当前手术器械末端。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明可以实现二维三维不同视野不同分辨率的结构成像，用于给眼前结手术提供不同维度的图像，便于手术导航和手术过程记录；另外激光散斑血流成像可以提供血流灌注动力学信息，可以从更高维度的功能成像角度对手术过程可能存在的风险或有益效果进行跟踪监测。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明连接示意框图。
图2是本发明倍频模块的连接示意框图。
图3是本发明插值时钟模块的连接示意框图。
图4是本发明插值时钟信号提取步骤示意框图。
图5是本发明的主成像光路示意框图。
图6是本发明实施例一中2N倍频模块的输出光束与时间的曲线示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的眼科手术三维导航系统，如图1～6所示，包括二维OCT断层成像模块、三维OCT体积成像模块、立体显微镜成像模块、激光散斑血流成像模块，四个成像模块同时进行成像；具体器件包括扫频光源、二倍频模块、2N倍频模块、窄带滤波器、光电探测器、第一滤波器、第二滤波器、第一光放大器、第二光放大器、第一光纤分束器、第二光纤分束器、第一通用光纤耦合器、第一偏振控制器、第一电动延迟线、第一均分光纤耦合器、第一光电平衡探测器、第一带通滤波器、第一插值时钟信号模块、第一相位延迟器、第二通用光纤耦合器、第二偏振控制器、第二电动延迟线、第二均分光纤耦合器、第二光电平衡探测器、第二带通滤波器、第二插值时钟信号模块、第二相位延迟器、控制模块、数据采集模块、电脑；
二维OCT断层成像模块是用于低扫描速度、高分辨率的实时二维断层成像，三维OCT体积成像模块用于高扫描速度、低分辨率的三维OCT体积成像；二维OCT断层成像模块和三维OCT体积成像模块共用一个扫频光源；
扫频光源的输出端通过光纤连接至二倍频模块的第一端口，二倍频模块的第三端口通过光纤连接至2N倍频模块的第一端口，二倍频模块的第二端口通过光纤连接至第二滤波器的输入端，第二滤波器的输出端通过光纤连接至第二光放大器的输入端，从第二光放大器输出的光束被用作二维OCT断层成像模块的成像光源；2N倍频模块的第二端口通过光纤连接至第一滤波器的输入端，第一滤波器的输出端通过光纤连接至第一光放大器的输入端，从第一光放大器输出的光束被用作三维OCT体积成像模块的成像光源；
对于二维OCT断层成像模块：第二光放大器输出端通过光纤连接至第二光纤分束器的第一端口，第二光纤分束器的第二端口通过光纤连接至第二通用光纤耦合器的第一端口，第二光纤分束器的第三端口通过光纤连接至第二插值时钟信号模块的输入端，第二插值时钟信号模块通过射频线缆连接至第二相位延迟器，第二相位延迟器输出第二插值时钟信号K2，第二相位延迟器通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第三输入端；第二通用光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第二样品臂；第二通用光纤耦合器的第四端口通过光纤连接至第二电动延迟线，作为第二参考臂，第二电动延迟线通过光纤连接至第二均分光纤耦合器的第二端口，第二通用光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第二偏振控制器，第二偏振控制器通过光纤连接至第二均分光纤耦合器的第一端口，第二均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至第二光电平衡探测器，第二光电平衡探测器通过射频线缆连接至第二带通滤波器，第二带通滤波器输出第二OCT干涉信号S2，第二带通滤波器通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第四输入端；
对于三维OCT体积成像：第一光放大器输出端通过光纤连接至第一光纤分束器的第一端口，第一光纤分束器的第二端口通过光纤连接至第一通用光纤耦合器的第一端口，第一光纤分束器的第三端口通过光纤连接至第一插值时钟信号模块的输入端，第一插值时钟信号模块通过射频线缆连接至第一相位延迟器，第一相位延迟器输出第一插值时钟信号K1，第一相位延迟器通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第一输入端；第一通用光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第一样品臂；第一通用光纤耦合器的第四端口通过光纤连接至第一电动延迟线，作为第一参考臂，第一电动延迟线通过光纤连接至第一均分光纤耦合器的第二端口，第一通用光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第一偏振控制器，第一偏振控制器通过光纤连接至第一均分光纤耦合器的第一端口，第一均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至第一光电平衡探测器，第一光电平衡探测器通过射频线缆连接至第一带通滤波器，第一带通滤波器输出第一OCT干涉信号S1，第一带通滤波器通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第二输入端；
样品臂包括准直器、变焦模组，二维扫描镜，4F透镜组；第一样品臂和第二样品臂机构一样；
二倍频模块包括：第三均分光纤耦合器、第四均分光纤耦合器、色散补偿光纤、光纤跳线、第一恒温控制器、第二恒温控制器；光束从第三均分光纤耦合器的第一端口进入二倍频模块，第三均分光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至偏振调节单元，偏振调节单元通过光纤连接至第四均分光纤耦合器的第一端口，第三均分光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至光纤跳线，光纤跳线通过光纤连接至色散补偿光纤，色散补偿光纤通过光纤连接至第四均分光纤耦合器的第二端口，第四均分光纤耦合器的第三端口和第四端口输出一样的经过二倍频后的光束；
第一恒温控制器用于保持光纤跳线部件的工作温度，以保证该部件具有稳定的折射率和偏振态；第二恒温控制器用于保持色散补偿光纤部件的工作温度，以保证该部件具有稳定的折射率和偏振态；
色散补偿光纤部件的目的是补偿光纤跳线部件带来的额外色散，保持二倍频模块输出光束在不同扫频周期具有相同的色散参数，为了图像重建时不需要在不同A-line采用不同的色散系数，降低图像重建难度，加快图像重建速度；
2N倍频模块由N个二倍频模块组成，每个子二倍频模块结构一样，但光纤跳线、色散补偿光纤的参数不一样；
第一插值时钟信号模块和第二插值时钟信号模块均包括：第五均分光纤耦合器、光纤布拉格光栅、光程差调整器、可调衰减器、偏振控制单元、第六均分光纤耦合器、光电探测模块；输入光束通过光纤连接至第五均分光纤耦合器的第一端口，第五均分光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅通过光纤连接至偏振控制单元，振控制单元通过光纤连接至第六均分光纤耦合器的第一端口，第五均分光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至可调衰减器，可调衰减器通过光纤连接至光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅通过光纤连接至光程差调整器，光程差调整器通过光纤连接至第六均分光纤耦合器的第二端口，第六均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至光电探测模块，光电探测模块输出初始差值信号。
特别的，光电探测模块优选选用光电平衡探测器；光纤布拉格光栅具有多个不同的反射波长；光纤布拉格光栅的每个反射波长的带宽小于0.5nm，反射率高于80％；光纤布拉格光栅的反射波长个数需要不少于2个，优选是10个，不少于2个的反射波长等间隔分布，分别为λ1、λ3…λn；光程差调整器单元用于调整光程差，使得插值时钟信号模块的干涉系统产生特定频率的干涉信号；偏振控制单元用于调整插值时钟信号模块的干涉系统，使得特定光程差下的干涉信号强度比较均匀；可调衰减器用于调整插值时钟信号模块的干涉系统的一路光的功率，使得干涉信号在λ1、λ3…λn位置处的信号强度发生突然增大，甚至饱和；
准确提取波长λ1、λ3…λn对应的采样点位置方法：
S1，初始插值时钟信号；
S2，提取初始插值时钟信号的相位，得到Φ1；
S3，对初始插值时钟信号的相位进行解包裹，得到Φ2；
S4，对信号Φ2进行求导运算，得到dif；
S5，对dif进行低通滤波处理，得到高信噪比信号dif2；
S6，对信号dif2进行峰值检测，得到插值时钟信号在特定反射波长λ1、λ3…λn处对应的采样点位置p1、p3…pn；
S7，依据位置p1、p3…pn，进行分段提取插值系数，进而提高插值时钟信号准确性。
控制模块根据电脑指令，将来自扫频光源的触发信号T1和光电探测器的触发信号T2选择性地进行频率倍频或频率分频或直接导通或相位延迟，然后输出处理后的触发信号T01、T02给数据采集模块的外触发端口；
主成像光路包括：立体显微镜的成像模块、第一样品臂、第二样品臂、物镜、高速摄像头、照明光源、第一二项色镜、第二二项色镜；第一二项色镜将立体显微镜的成像模块与第一样品臂合在一起，但是两个模块的光轴不同轴；第二二项色镜将立体显微镜的成像模块与第二样品臂合在一起，但是两个模块的光轴不同轴；进一步的，立体显微镜的成像模块由两组一样的光路结构组成，分别实现左目成像和右目成像，每一路都包括中继镜、变焦系统、接物镜、分光片、目镜、镜头、相机；相机与观察眼可以同时观察被测物体，相机可以将拍摄到的手术过程进行录像保存。
所属的照明光源是由多种子光源组成，以实现照明光源科切换选择的目的，子光源包括但不限于卤素灯的白光、近红外LED光源、532nm的激光二极管、785nm的激光二极管、785nm的激光二极管；不同子光源可以同时工作或者独立工作；含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白对500-600nm波长有强烈的吸收，所以测量激光散斑血流成像优选选用近红外波长，如940nm、850nm；
激光散斑血流成像模块进行工作时，需要将照明光源设置为输出785nm/850nm的激光，利用这个光源的强相干性，进行散斑成像，利用空间-时间衬比算法，计算出感兴趣的眼前节中的血流随着时间的变化，比如巩膜；监测手术过中不同时刻血流速度的变化可以间接评估出手术的可靠性和有用性；主成像光路里面的高速摄像头主要是用于拍摄激光散斑视频的，因为拍摄激光散斑视频需要帧率大于60fps的相机，普通相机在高像素成像时帧率往往低于30fps；高速摄像头的镜头前有一个高通滤波片，优选是830nm以上的波长高通，用于选择性透过激光散斑的照射光波长；
本发明的另一个目的在于提出一种眼科手术三维导航装置成像方法。
本发明的眼科手术三维导航装置成像方法，包括以下步骤：
第一步，校准立体显微镜
将一个标准棋盘格照片至于不同工作距离处，立体显微镜的两个相机依次进行拍照；将在不同工作距离得到的图像依次进行定标；利用定标参数，进行坐标系转换，将两个相机的图像合成三维图像。
第二步，校准OCT模块
将一个反射镜作为样品至于工作位置处，扫频光源发出光束对被测样品进行OCT扫描成像，记二维OCT断层成像模块得到的是第二OCT干涉信号S2，其干涉频率是f2，以及第二插值时钟信号K2；同时，三维OCT体积成像模块得到的是第一OCT干涉信号S1，其干涉频率是f1，以及第一插值时钟信号K1；调节第一电动延迟线与第二电动延迟线，使得f1＝f2，实现两个OCT子模块具有一样的零点位置；调节第一插值时钟信号模块与第二插值时钟信号模块，使得K1和K2两个信号频率一致，且近似等于此刻采样率的30％，以提供两个插值时钟信号频率一样，且都是有效的插值时钟信号；
第三步，校准相位延迟器参数
在步骤(2)调整好后，保持其它参数不变，调整第一相位延迟器，使得利用K1插值得到的干涉信号S1具有最窄的信号宽度，此时说明插值时钟信号K1与第一OCT干涉信号S1之间的相位匹配最好，轴向分辨率最佳。与此同时调整第二相位延迟器，使得利用K2插值得到的干涉信号S2具有最窄的信号宽度，此时说明插值时钟信号K2与第一OCT干涉信号S2相位匹配最好，轴向分辨率最佳。
第四步，像差校对
由于两个OCT模块的成像光束光轴与立体显微镜模块的光轴不重合，所以得到的OCT图像会有引入图像像差，主要是畸变，干扰医生手术阅图，所以要校对像差；将一个反射镜作为样品分别至于不同工作距离处进行立体显微镜成像和OCT成像；选取的工作距离次数不少于3次，每次选取的工作距离间隔需要大于5mm；得到图像后，以立体显微镜获得的图像为依据去校准两个OCT模块获得图像的像差，比如是将OCT的倾斜或者弯曲的图像校正为平的；
第五步，开始成像
1)主成像光路的高速像头对被测眼进行实时拍照检测，该图像特点是成像视场大，帧率高，并且在整个手术导航阶段中，该高速摄像头的成像范围不变，目的是提供一个全局图像预览；另外，激光散斑血流成像模块倍打开使用时，该高速摄像头的图像将被导入空间-时间衬比算法，计算出血流信息；
2)调整立体显微镜模块的变焦系统，使得被测眼位于最佳工作距离处，立体显微镜模块的两个相机实时采集到医生感兴趣的被测眼的局部区域，依据步骤(1)中的定标结果，将这两个相机得到的平面图像合成三维立体图像；
3)扫频光源发出光束对被测眼进行三维OCT体积成像，调节第一电动延迟线，使测量得到的被测眼的第一OCT干涉信号S1位于最佳图像预览位置；调节第一偏振控制器，使测量得到的被测眼的S1信号最强；
4)扫频光源发出光束对被测眼进行二维OCT断层扫描成像，调节第一电动延迟线，使测量得到的被测眼的第二OCT干涉信号S2位于最佳图像预览位置；调节第二偏振控制器，使测量得到的被测眼的S2信号最强；
5)依据立体显微镜模块输出的医生操作手和手术器械的三维立体图像，进行手术器械图像分割，并依据先验知识，计算出手术器械在被测眼中的末端空间坐标；
6)实时监测手术器械在被测眼中的末端空间坐标，如果没有发生变化，则不调整二维扫描镜工作状态；如果发生变化，则调整二维OCT断层成像模块的二维扫描镜，使其扫描中心位于手术器械末端；进一步的，如果检测出手术器械末端位置变化很大，超出10mm，则进一步调整三维OCT体积成像模块的二维扫描镜，使其扫描中心位于当前手术器械末端。
本发明的眼科手术三维导航装置包括：二维OCT断层成像模块，三维OCT体积成像模块、立体显微镜成像模块、激光散斑血流成像模块，四个成像模块同时进行成像，可以实现二维三维不同视野不同分辨率的结构成像，用于给眼前结手术提供不同维度的图像，便于手术导航和手术过程记录；另外激光散斑血流成像可以提供血流灌注动力学信息，可以从更高维度的功能成像角度对手术过程可能存在的风险或有益效果进行跟踪监测。
目前市面上的扫频光源的占空比普遍是～50％；本发明使用二倍频模块和2N倍频模块，将一台占空比是～50％扫频光源的扫频速度实现不同次数的翻倍，分别去实现实时二维OCT断层成像，实时三维OCT体积成像模块；相比于占空比是～50％扫频光源，占空比变为～100％光源的优点是扫描速度翻倍，而且不会增加OCT干涉信号的干涉频率，不会给眼科手术导航显微镜系统的数据传输部分带来负担。
二倍频模块中引入恒温控制器，用于保持光纤跳线模块的工作温度，以保证该部件具有稳定的折射率和偏振态；因为光纤是一种对温度敏感性原件，温度波动会导致其折射率和偏振态波动，进而干扰探测到的干涉信号的稳定性。色散补偿光纤部件的目的是补偿光纤跳线部件带来的额外色散，保持二倍频模块输出光束在不同扫频周期具有相同的色散参数，为了图像重建时不需要在不同A-line采用不同的色散系数，降低图像重建难度，加快图像重建速度；
针对具有多个反射峰的光纤布拉格光栅的插值时钟模块，为了提供更好的波长定标功能，提出准确提取反射峰λ1、λ3…λn对应的采样点位置方法。进而可以实现分段插值，提高插值的准确性，进而提高OCT图像轴向分辨率。
实施例一
扫频光源的扫描范围是1260nm-1360nm，中心波长是1310nm，扫描速度F是200kHz，占空比是50％，对应的轴向分辨率是8μm。在二倍频模块中，光纤跳线部件和色散补偿光纤部件两者累计光纤长度L为510.90m，计算依据是
Figure GDA0004145578560000161
L指累计的光纤长度，F指扫频光源的扫描频率，n指平均光纤折射率，c指光束。实施例一中，
Figure GDA0004145578560000171
它可以提供2.5μs的延迟，从而将200kHz的扫描速度变为400kHz，此时占空比为100％。利用这个方法提高扫描速度不会增加干涉信号频率，不给数据采集模块增加负担。
扫频光源发出一束宽带光至二倍频单元，二倍频单元将输入的200kHz扫频光源信号翻倍为400kHz，一路直接传入光放大器，作为二维OCT断层成像模块的成像光源；另一路输入2N倍频模块，如图6所示，进过2N倍频模块变为1600kHz，接着经过光放大器放大光功率，最后作为三维OCT体积成像模块的成像光源；
二维OCT断层成像模块的数据采集模块的采样率是2GS/s，数据深度是14bit，带宽是1.5GHz，等价数据量是4GB/s，对应扫描速度是400kHz，占空比是100％，则最大可采集到的成像深度约15mm，相当于可以采集到人眼整个眼前节结构图，包括角膜、前房和整个晶状体，满足临床医生需求。二维扫描镜一个周期对应三幅OCT断层图像，对应采样点是3pixel*2000pixel，轴向分辨率优于8μm，横向分辨率优于20μm，则一秒可实现66次OCT断层成像的周期扫描，可实现帧率是66fps的高分辨率断层图像。目前商用数据采集模块和电脑主板的数据通信最大传输速度是～6.8GB/s，大于4GB/s，因此由二维OCT断层成像模块的配置参数采集到的OCT信号可以被实时的传输到电脑端，进行后期图像重建，进而实现高分辨率的实时二维OCT断层成像。
控制模块将来自扫频光源的200kHz触发信号T1倍频为400kHz，用作第二样品臂光路的二维扫描镜的时钟源；控制模块将触发信号T2直接导通输出，用作第二样品臂光路的一维扫描镜的时钟源；
由2N倍频模块输出的1600kHz扫频光源，作为三维OCT体积成像模块的成像光源，其特点是牺牲轴向分辨率，降低扫描范围，以提高扫描速度，进而实现低分辨率的OCT体积成像；因为，对于扫频OCT系统，扫频光源的扫描范围越大，扫描速度越高，对应的干涉信号频率越高，需要的采样率就越高，进而给传输速度带来挑战。所以在目前数据采集模块和电脑之间数据传输速度限制的条件下(≤6.8GB/s)，想对整个眼前节的结构(≥15mm)实现三维体积OCT实时成像(≥25fps)，只能牺牲降低扫描范围，降低轴向分辨率，所以三维体积OCT的轴向分辨率需要按比例衰减，约是8μm*1600/200＝64μm。例如，对于扫频速度是1.6MHz，占空比是100％扫频光源，还需要减少采样点去减小数值横向分辨率去提高体积成像速度；二维扫描镜一个体积成像周期对应的采样点是300pixel*200pixel，则一秒可实现26个体积周期扫描，实现一个低分辨率的大成像范围的三维OCT体积成像，对整个眼科手术过程进行三维的重现和监测；
如图6所示，是一个2N倍频具体案例，(a)是扫频光源输出波长随时间变化曲线，扫描频率是f1，f1＝200kHz，扫频光源的占空比是50％，扫描范围是λ11～λ12；(b)是该扫频光源光束经过第一个二倍频模块输出的波长随时间变化曲线，占空比是100％，扫描频率是f2，f2＝400kHz，有效倍频后的扫描范围是λ11～λ12，有效倍频后的扫描范围是λ11～(λ11+λ12)/2；(c)是该扫频光源光束经过连续二个二倍频模块输出的波长随时间变化曲线，占空比是100％，扫描频率是f3，f3＝800kHz，有效倍频后的扫描范围是λ11～(λ11+λ12)/4；(d)是该扫频光源光束经过连续三个二倍频模块输出的波长随时间变化曲线，占空比是100％，扫描频率是f4，f4＝1600kHz，有效倍频后的扫描范围是λ11～(λ11+λ12)/4；(e)是该扫频光源光束经过连续三个二倍频模块后再经过一个滤波器滤波后输出的波长随时间变化曲线，占空比是100％，扫描频率是f4，f4＝1600kHz，扫描范围是λ11～(λ11+λ12)/4；
窄带滤波器的功能是将2N倍频模块输出的光束选择性通过，并将其由光电探测器转为电信号变为触发信号T2；特别的，2N倍频模块对应光束的扫频周期与触发信号T2的周期一致；
光放大器功能是放大光功率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种眼科手术三维导航系统，其特征在于，包括二维OCT断层成像模块、三维OCT体积成像模块、立体显微镜成像模块、激光散斑血流成像模块，四个成像模块同时进行成像；
二维OCT断层成像模块是用于低扫描速度、高分辨率的实时二维断层成像，三维OCT体积成像模块用于高扫描速度、低分辨率的三维OCT体积成像；二维OCT断层成像模块和三维OCT体积成像模块共用一个扫频光源；
扫频光源的输出端通过光纤连接至二倍频模块的第一端口，二倍频模块的第三端口通过光纤连接至2N倍频模块的第一端口，二倍频模块的第二端口通过光纤连接至第二滤波器的输入端，第二滤波器的输出端通过光纤连接至第二光放大器的输入端，从第二光放大器输出的光束被用作二维OCT断层成像模块的成像光源；2N倍频模块的第二端口通过光纤连接至第一滤波器的输入端，第一滤波器的输出端通过光纤连接至第一光放大器的输入端，从第一光放大器输出的光束被用作三维OCT体积成像模块的成像光源；
二维OCT断层成像模块包括：第二光放大器输出端通过光纤连接至第二光纤分束器的第一端口，第二光纤分束器的第二端口通过光纤连接至第二通用光纤耦合器的第一端口，第二光纤分束器的第三端口通过光纤连接至第二插值时钟信号模块的输入端，第二插值时钟信号模块通过射频线缆连接至第二相位延迟器，第二相位延迟器输出第二插值时钟信号K2，第二相位延迟器通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第三输入端；第二通用光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第二样品臂；第二通用光纤耦合器的第四端口通过光纤连接至第二电动延迟线，作为第二参考臂，第二电动延迟线通过光纤连接至第二均分光纤耦合器的第二端口，第二通用光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第二偏振控制器，第二偏振控制器通过光纤连接至第二均分光纤耦合器的第一端口，第二均分光纤耦合器的第三端口、第四端口通过光纤连接至第二光电平衡探测器，第二光电平衡探测器通过射频线缆连接至第二带通滤波器，第二带通滤波器输出第二OCT干涉信号S2，第二带通滤波器通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第四输入端；
三维OCT体积成像模块包括：第一光放大器输出端通过光纤连接至第一光纤分束器的第一端口，第一光纤分束器的第二端口通过光纤连接至第一通用光纤耦合器的第一端口，第一光纤分束器的第三端口通过光纤连接至第一插值时钟信号模块的输入端，第一插值时钟信号模块通过射频线缆连接至第一相位延迟器，第一相位延迟器输出第一插值时钟信号K1，第一相位延迟器通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第一输入端；第一通用光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第一样品臂；第一通用光纤耦合器的第四端口通过光纤连接至第一电动延迟线，作为第一参考臂，第一电动延迟线通过光纤连接至第一均分光纤耦合器的第二端口，第一通用光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第一偏振控制器，第一偏振控制器通过光纤连接至第一均分光纤耦合器的第一端口，第一均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至第一光电平衡探测器，第一光电平衡探测器通过射频线缆连接至第一带通滤波器，第一带通滤波器输出第一OCT干涉信号S1，第一带通滤波器通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第二输入端。
2.根据权利要求1所述的眼科手术三维导航系统，其特征在于，第一样品臂和第二样品臂均包括准直器、变焦模组、二维扫描镜和4F透镜组。
3.根据权利要求1所述的眼科手术三维导航系统，其特征在于，二倍频模块包括第三均分光纤耦合器、第四均分光纤耦合器、色散补偿光纤、光纤跳线、第一恒温控制器、第二恒温控制器；
扫频光源的输出端输出的光束从第三均分光纤耦合器的第一端口进入二倍频模块，第三均分光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至偏振调节单元，偏振调节单元通过光纤连接至第四均分光纤耦合器的第一端口，第三均分光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至光纤跳线，光纤跳线通过光纤连接至色散补偿光纤，色散补偿光纤通过光纤连接至第四均分光纤耦合器的第二端口，第四均分光纤耦合器的第三端口和第四端口输出一样的经过二倍频后的光束；
第一恒温控制器用于保持光纤跳线部件的工作温度，以保证光纤跳线部件具有稳定的折射率和偏振态；第二恒温控制器用于保持色散补偿光纤部件的工作温度，以保证色散补偿光纤部件具有稳定的折射率和偏振态。
4.根据权利要求1所述的眼科手术三维导航系统，其特征在于，第一插值时钟信号模块和第二插值时钟信号模块均包括：第五均分光纤耦合器、光纤布拉格光栅、光程差调整器、可调衰减器、偏振控制单元、第六均分光纤耦合器、光电探测模块；
第一光纤分束器的第三端口和第二光纤分束器的第三端口输出的光束通过光纤连接至第五均分光纤耦合器的第一端口，第五均分光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅通过光纤连接至偏振控制单元，偏振控制单元通过光纤连接至第六均分光纤耦合器的第一端口，第五均分光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至可调衰减器，可调衰减器通过光纤连接至光程差调整器，光程差调整器通过光纤连接至第六均分光纤耦合器的第二端口，第六均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至光电探测模块，光电探测模块输出初始差值信号。
5.根据权利要求4所述的眼科手术三维导航系统，其特征在于，光电探测模块选用光电平衡探测器；光纤布拉格光栅具有多个不同的反射波长。
6.根据权利要求5所述的眼科手术三维导航系统，其特征在于，光纤布拉格光栅的每个反射波长的带宽小于0.5nm，反射率高于80％；光纤布拉格光栅的反射波长个数需要不少于两个，不少于两个的反射波长等间隔分布，分别为λ1、λ3…λn；光程差调整器单元用于调整光程差，使得第一插值时钟信号模块和第二插值时钟信号模块的干涉系统产生特定频率的干涉信号；偏振控制单元用于调整第一插值时钟信号模块和第二插值时钟信号模块的干涉系统，使得特定光程差下的干涉信号强度比较均匀；可调衰减器用于调整第一插值时钟信号模块和第二插值时钟信号模块的干涉系统中的可调衰减器所在一路光的功率，使得干涉信号在λ1、λ3…λn位置处的信号强度发生突然增大，甚至饱和。
7.根据权利要求6所述的眼科手术三维导航系统，其特征在于，准确提取波长λ1、λ3…λn对应的采样点位置的方法包括以下步骤：
S1，初始插值时钟信号；
S2，提取初始插值时钟信号的相位，得到Φ1；
S3，对初始插值时钟信号的相位进行解包裹，得到Φ2；
S4，对信号Φ2进行求导运算，得到dif；
S5，对dif进行低通滤波处理，得到高信噪比信号dif2；
S6，对信号dif2进行峰值检测，得到插值时钟信号在特定反射波长λ1、λ3…λn处对应的采样点位置p1、p3…pn；
S7，依据位置p1、p3…pn，进行分段提取插值系数，进而提高插值时钟信号准确性。
8.根据权利要求1所述的眼科手术三维导航系统，其特征在于，控制模块根据电脑指令，将来自扫频光源的触发信号T1和光电探测器的触发信号T2进行频率倍频或频率分频或直接导通或相位延迟，然后输出处理后的触发信号T01、T02给数据采集模块的外触发端口。
9.根据权利要求1所述的眼科手术三维导航系统，其特征在于，主成像光路包括立体显微镜的成像模块、第一样品臂、第二样品臂、物镜、高速摄像头、照明光源、第一二项色镜、第二二项色镜；
第一二项色镜将立体显微镜的成像模块与第一样品臂合在一起，但是立体显微镜的成像模块与第一样品臂的光轴不同轴；第二二项色镜将立体显微镜的成像模块与第二样品臂合在一起，但是立体显微镜的成像模块与第二样品臂的光轴不同轴。
10.根据权利要求9所述的眼科手术三维导航系统，其特征在于，立体显微镜的成像模块由两组一样的光路结构组成，分别实现左目成像和右目成像，立体显微镜的成像模块的每一组光路结构包括中继镜、变焦系统、接物镜、分光片、目镜、镜头、相机；相机与观察眼可以同时观察被测物体，相机可以将拍摄到的手术过程进行录像保存。
11.根据权利要求9所述的眼科手术三维导航系统，其特征在于，照明光源是由多种子光源组成。
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