CN102264280A - 用于计算机辅助眼外科手术的图像处理装置和方法 - Google Patents

用于计算机辅助眼外科手术的图像处理装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于计算机辅助眼外科手术的图像处理方法，所述方法包括：获取眼参考图像；通过插入对医生进行眼外科手术有所帮助的附加关联信息，来丰富所述参考图像；将所述参考图像与眼实时图像进行配准；以及基于对眼球运动的跟踪，将所述关联信息覆盖在所述眼实时图像上，使所述关联信息显示在眼球的同一位置，而不受眼球运动的影响。

Description

用于计算机辅助眼外科手术的图像处理装置和方法
技术领域
本发明主要涉及一种用于计算机辅助眼外科手术的方法和装置，尤其涉及使用眼配准和跟踪的人工晶状体手术计划。
背景技术
在现有技术中，人工晶状体（IOL）手术是一项由外科医生进行的手术。现有技术中，典型的过程涉及四个步骤，分别为：1）诊断；2）手术前准备；3）手术准备；4）晶状体移除和植入；以及最后的5）手术完成。以下将详细描述整个过程。
第一步骤涉及对将接受治疗的眼睛进行诊断。通常，使用例如Zeiss的IOL Master设备来确定眼睛的几何尺寸（长度、前房深度、晶状体厚度等）。该步骤还可进一步包括对眼睛角膜表面的形态学测量。另外，还可能包括使用折射计来确定眼睛的视觉功效。该诊断数据用于要植入的IOL类型和IOL几何尺寸。
第二步骤是指手术前准备。该步骤是指外科医生为“计划”该手术而进行的准备工作，例如，“在何处开刀”等。该步骤可以包括例如在眼睛上标记竖直和水平的参照轴，一般使用笔来进行标记。另外，该步骤还可涉及使用笔在诊断影像的硬拷贝进行图形标记的步骤。
第三步骤是指手术准备。该步骤涉及例如麻醉、消毒和眼睑窥镜。如果手术涉及复合曲面人工晶状体（toric IOL），则该步骤将涉及使用标记笔或专门的轴标记器（门德斯环，Mendez Ring）来标记散光轴，以实现最终的IOL定位。该第三步骤进一步包括为装置用的切口以及植入晶状体做准备。最后，将粘弹性体注入眼中，以确保顺利植入晶状体。
第四步骤包括实际手术步骤，例如撕囊术、水分离术、晶状体乳化以及晶状体植入。
整个过程的第五步骤为手术完成步骤，该步骤可涉及例如：IOL的对齐、IOL的角度定位（对于复合曲面人工晶状体），以及最后移除粘弹性体的步骤。
图1示意了所述整个过程。应当注意，这些步骤、尤其是手术前准备和手术准备，是由外科医生在无任何计算机工具的辅助下手动进行的，即，对眼球轴的标记涉及用笔在真实的眼睛上进行标记，对外科医生来说，这一步骤是单调乏味的。另外，这些标记可能随着时间而变得模糊或消失，从而影响该手术的效果和精准度。
在实践中，外科医生只能通过外科显微镜查看实时图像，而没有任何能协助其实施手术的指示设备。
因此，为改进整个手术过程，需要为外科医生提供一种能协助其执行前述步骤的工具，该工具尤其能协助其计划以及执行所述手术。 
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种用于计算机辅助眼外科手术的图像处理方法，该方法包括：
获取眼睛的参考图像；
在所述参考图像上增添附加的关联信息，这些关联信息有助于外科医生实施眼科手术；
将所述参考图像与眼睛的实时图像进行配准；以及
基于对眼球运动的跟踪，将所述关联信息覆盖在眼睛的实时图像上，以使关联信息显示在相同位置，而不受眼球运动的影响。
这样，不仅能在手术过程中协助外科医生，还能通过进行图像处理，在手术计划步骤也对医生进行协助。
根据一个实施例，该方法进一步包括：
使用基于参考图像的眼睛的一个或多个特征的坐标系确定算法，确定第一坐标系；
基于所述坐标系，确定关联信息的空间位置；
使用所述坐标系确定算法，确定实时图像的取像过程中的第二坐标系；
通过确定从所述第一坐标系到所述第二坐标系的坐标转换，来确定在何处覆盖所述关联信息。
通过这种方式，可确定关联信息在参考图像新确立的坐标系中的绝对空间位置。该定位可用于在随后的手术过程中将所述关联信息精确放置在实时图像的相同位置。
根据一个实施例，该方法包括：
将所述参考图像与实时图像序列中的初始图像进行配准，来获取初始坐标系；
基于进一步的实时图像与实时图像序列的初始图像的对比来跟踪眼球运动，以获得第二坐标转换，并基于所述第一和所述第二坐标转化的组合，获取从所述参考图像到所述实时图像序列中一副实时图像的最终坐标转换，以基于所述组合的坐标转换，在所述实时图像中显示所述关联信息；或者
将所述参考图像与所述实时图像序列的实时图像进行配准，以获取从所述参考图像到所述实时图像序列的实施图像的坐标转换，以基于所述获取的坐标转换，在所述实时图像中显示所述关联信息。
第一种可选项使用实时序列的初始图像，并在初始图像和参考图像之间进行配准。这引起第一坐标转换。接着，进行对实施图像的跟踪，该跟踪开始于初始图像，以获得第二坐标转换。将两种转换结合起来，得到与参考图像和序列的实施图像之间的差异相对应的转换。
也可以直接进行参考图像与序列的实施图像之间的直接配准，但这种方式经估算较为昂贵。
根据一个实施例，所述关联信息为以下其中之一或更多：
诊断信息，该信息为有助于诊断目的的眼睛特征或参数；
手术计划数据，其指明一个或多个位置，外科医生应当在该处或该方向进行外科手术。
可被覆盖的所述手术计划数据能显著的辅助外科医生进行手术，以在合适的位置进行恰当的手术。类似地，例如波前数据或形态学数据等其他可被覆盖的诊断信息在手术过程中也是极为有用的。
根据一个实施例，在实时眼睛图像中所述关联信息将被覆盖的位置与其被增加到参考图像上的位置是相同的。
如果外科医生希望例如在做切口的精确的位置处显示切口标记，则这是非常有用的。
根据一个实施例，外科医生可开关切换所述关联信息在实时图像中的覆盖。
这使得外科医生能随意简易地覆盖和除去关联信息。
根据一个实施例，所述关联信息为以下其中之一或更多：
一个或多个切口标记，用于标记做标记的位置；
用于置入复合曲面人工晶状体的圆柱轴；
一个或多个用于锚固设备的锚固区，例如：有晶状体眼人工晶体；
瞳孔标记或视觉标记线，例如：用于将有晶状体眼人工晶体放置在正确位置，或用于其它目的；
眼睛的形态学数据或波前数据。
还有使用的情形，其中本发明的操作原理可更好地应用。
根据一个实施例，提供了一种用于对眼睛进行计算机辅助眼外科手术的图像处理的装置，所述装置包括：
用于获取眼参考图像的模块；
通过插入有助于医生实施眼外科手术的附加关联信息，用于丰富所述参考图像的模块；
用于将所述参考图像与所述眼实时图像配准的模块；以及
基于对眼球运动的跟踪，将所述关联信息覆盖在眼实时图像上的模块，这样使得所述关联信息显示在眼球的同一位置，而不受眼球运动的影响。 
通过这种方式，可使用根据本发明的装置。
根据一个实施例，所述装置进一步包括：
使用基于参考图像中的眼睛的一个或多个特征的坐标系确定算法，以确定第一坐标系的模块；
基于所述坐标系，确定关联信息空间位置的模块；
使用所述坐标系确定算法，确定在手术过程中所取得实时图像的第二坐标系的模块；
通过确定从所述第一坐标系到所述第二坐标系的坐标转换，来确定在何处覆盖所述关联信息的模块。
根据一个实施例，所述关联信息为以下其中之一或更多：
诊断信息，该信息为有助于诊断目的的眼睛特征或参数；
手术计划数据，其指明一个或多个位置，外科医生应当在该处或该方向进行外科手术。
根据一个实施例，在实时眼睛图像中所述关联信息将被覆盖的位置与其被增加到参考图像上的位置是相同的。
根据一个实施例，外科医生可开关切换所述关联信息在实时图像中的覆盖。
根据一个实施例，所述关联信息为以下其中之一或更多：
一个或多个切口标记，用于标记做标记的位置；
用于置入复合曲面人工晶状体的圆柱轴线；
一个或多个用于锚固设备的锚固区，例如：有晶状体眼人工晶体；
瞳孔标记或视觉标记线，例如：用于将有晶状体眼人工晶体放置在正确位置，或用于其它目的；
眼睛的形态学数据或波前数据。
根据一个实施例，还提供了一种计算机程序，其包括计算机程序代码，当该计算机程序代码在计算机上运行时，能执行根据本发明的实施例之一的方法。
附图说明
图1示意了传统的IOL手术过程；
图2示意了根据本发明的一个实施例的装置的操作原理；
图3展示了根据本发明的一个实施例的装置；
图4示意了根据本发明的一个实施例的装置中的关联信息覆盖；
图5示意了根据本发明的另一实施例的装置中的关联信息覆盖；
图6示意了根据本发明的另一实施例的装置中的关联信息覆盖；
图7示意了根据本发明的另一实施例的装置中的关联信息覆盖；
图8示意了根据本发明的另一实施例的装置中的关联信息覆盖；
图9示意了根据本发明的另一实施例的装置中的诊断图像、手术计划和关联信息覆盖；
图10示意了根据本发明的一个实施例的手术计划。
具体实施方式
根据一个实施例，提供了一种装置，其通过将病人眼睛的诊断和手术前计划数值与外科显微镜下病人的眼睛直接联系起来，实现了人工晶状体手术过程的改进。
与传统的“手动”过程相比，这具有显著的进步。其一些优点如下：
加速和简化了整个过程：在所述IOL过程中，尤其在合曲面人工晶状体植入过程中，无需使用耗时的墨水标记笔和图章工具；
使所述过程更加精确：避免使用容易出错的标记笔和打印输出技术；
提高了所述过程的安全性：由于手术前所述诊断和IOL手术以及整个手术计划的一致性，可减少手术过程中由于错误而产生的极端值。
如前所述，传统的IOL手术过程开始时，首先对将治疗的眼睛进行诊断。通常使用IOL Master（一种医疗设备，由例如Zeiss制造）确定眼睛的几何尺寸（长度、前房深度、镜片厚度等）。另外也常常首先确定眼睛的形态学和折光情况。该诊断数据被用作判断将要植入的IOL的类型和IOL的几何尺寸。
以下将阐述本发明的一个实施例，该实施例辅助外科医生实施手术。结合图2，将描述能辅助外科医生的这种设备。首先，获取眼睛的图像200，该图像200可用于诊断，尤其在手术的进一步程序中用作参考图像。使用稍后获取的参考图像，借助于一些图形化操作工具或图像处理工具，医生可向参考图像中插入关联信息210或向参考图像中增加关联信息，例如，在图像中标记一个或更多位置或区域。其结果是，所述参考图像由一些关联信息进行丰富，在医生真正实施手术时这些关联信息是有用或有帮助的。
另外，通过插入一些关联信息，来定义参考图像的坐标系与关联信息所处的坐标之间的关系。换言之，通过在参考图像中标记例如点或区域，该点或区域的坐标相对于参考图像的坐标系（或相对于参考图像中特定的定点的）是固定的。这意味着，通过增加关联信息，确定了位置定义，其定义了关联信息在参考图像中的位置（即，关联信息在参考图像的坐标系中的坐标）。
由于插入或增加了关联信息，所述参考图像包含该附加信息（关联信息），并可具有两部分，第一部分为已获取的实际参考图像，第二部分为附加关联信息（其位置在参考图像内或相对于参考图像）。在图2中，图示的关联信息210可为例如标记笔，其在手术过程中为医生展示了在何处作标记。
根据一个实施例，存贮所述关联信息，并将其与参考图像分开处理，例如，作为单独的文件或数据库。这样便能够分开保持初始参考图像和关联信息，例如，如果（稍后也将详细描述）手术过程中只有关联信息覆盖在实时图像上。另外如果与参考图像（或诊断图像）分开存贮和处理，关联信息包括关于关联信息在参考图像中的位置的信息，这样，手术过程中在稍后的阶段将关联信息“插入”到参考图像或实时图像中便是可能的。后者可能涉及基于配准和跟踪的附加坐标转换，其稍后将做进一步说明。
在定义关联信息之前，所述操作可包括在参考图像中对坐标系统进行定义。这意味着，具有一种坐标系，其定义的方式为，在稍后获取的另一图像中，能用坐标系原点再次确定同一坐标系，所述坐标系原点位于眼睛上与为参考图像所确定的坐标系相同的位置，并具有相同的方向。出于这一目的，可进行坐标轴的确定，其使用眼睛的随时间推移而无变化（或无明显变化）的固定点或特征，例如角膜缘或其他的眼睛特征例如巩膜血管。通过这些特征，在任何情况下，可在稍后时间通过在眼睛的相同位置再次确定（或发现）坐标系的方式来手动或自动定义或确定坐标系的原点。通过将参考图像的坐标系位置与实时图像（或实时图像序列中的初始图像）中同一坐标系的对比，可确定坐标系转换，应用该转换来切换坐标系，使其与另一坐标系重合，这一点稍后将详细说明。
在定义关联信息之后（及其相对于参考图像坐标系的位置），通过将诊断或参考图像220与用照相机拍摄病人的实际的实时图像215进行配准，对所述装置进行进一步操作。
所述配准过程具有的效果是，具有确定的坐标系，该坐标系是“切换”参考图像、以使其匹配实际的病人活动物体图像215（或所选的特定时间的实际活动物体图像）所必需的。使用该配准（以及由此而得的坐标系参数），可进行添加到参考图像中的“关联信息”的坐标转换，以使在下一操作步骤中可将关联信息覆盖在病人眼睛的实际的实时图像上。通过使用现有技术中的眼跟踪机制，该包含关联信息的覆盖后图像可用实时的眼运动来进行“跟踪”，这样，医生便能一直在其眼实时图像上显示覆盖的附加关联信息，该关联信息能辅助其实施（或计划）手术。
因此，首先，参考坐标系的初始转换，坐标转换z1，进行配准，从而在一定时间t，它与所选择的眼睛实时图像吻合，然后t时间以后，每次确定在另一个坐标转换z2，该坐标转换z2补偿t时间后眼睛的运动。两个坐标转换z1和z2允许眼睛的移动补偿，并允许关联信息重叠在实时眼睛图形上的固定位置，而不受眼睛运动的影响。
图3示意了进行图2相关的操作的装置。诊断设备（可由护士操作）包括诊断照相机（或参考图像照相机），该照相机获取诊断图像或参考图像。
所述图像在计算机（例如个人电脑）中存贮和处理，计算机接着进行处理，使用户进行图形化操作或图形化图像处理，以用关联信息来丰富所获取的参考图像，即，向所述参考图像中“添加”关联信息或“定义”所述关联信息。所述关联信息可以是在实施手术时辅助医生的信息。特别地，该步骤可涉及对计划手术来说有用的标记，或可涉及诊断信息。
为添加关联信息，提供了“计划显示器”，其可包括屏幕或触摸屏，医师可通过图形化操作工具在该屏幕或触摸屏上插入（或添加或定义）关联信息，例如，通过在参考图像中选择一个或多一个应当被标记的位置或区域，以获取由关联信息加以丰富的参考图像。外科医生可例如仅选择点或区域，通过这种方式可在眼球上定义将要显示关联信息的位置。
 “手术计划器”实际由计算机组成，该计算机执行适当的图形处理，以产生加强的参考图像，所述“手术计划器”获取的是由关联信息进行丰富的参考图像或诊断图像。在另一实施例中，其为包括关联信息的单独数据库或文件，所述关联信息包括在眼球上定义一个或多个关联信息所处的位置。所述关联信息除其位置外，可进一步包括实际的关联信息，其可为简单的一位，表明所选择的相关位置，或可包括更多详细信息，例如其应当显示的颜色或类型（虚线或非虚线等）。
接着，将丰富后的参考图像输入处理单元（其也可以是个人电脑，根据一个实施例，也可以是能形成所述手术计划器的个人电脑），该处理单元将眼参考图像与实时图像（活动物体图像）进行配准，接着还进行现场活动物体图像的跟踪。为实现该目的，提供了一种外科手术显微镜，照相机利用该显微镜获取病眼的图像。基于该图像和进一步的丰富后的图像，由处理单元进行所述配准和跟踪。
在一个实施例中，所述配准可基于非丰富参考图像来进行，假定关联信息存贮在单独的文件中，且其仅在使用“纯”参考图像而进行的配准之后使用。
还提供由一种附加部分，即“覆盖单元”。该覆盖单元也可由个人电脑或进行配准和跟踪的处理单元模块来执行。所述覆盖单元实施将关联信息“覆盖”在病眼的活动物体图像上的操作。为实现该目的，所述覆盖单元参考通过所述配准过程而获取的坐标转换数据，该数据代表位置切换，进行所述位置切换，这样所述参考图像与所述活动物体图像相匹配。接着将该坐标转换应用于关联信息，该关联信息可现实在眼实时活动图像中。这样便形成了覆盖，在该覆盖处，眼实时图像覆盖了附加关联信息，该附加关联信息已在添加关联信息步骤中添加至参考图像。通过应用眼跟踪机制（现有技术原理），所述覆盖可跟随眼球运动，以使关联信息总是覆盖在其在计划阶段被添加的相同位置，而无关眼球的运动。
其结果是，在与计算机（在图3中标为“覆盖显示器”）相连的屏幕上，医师可看到由关联信息丰富的活动物体图像，该关联信息覆盖在所述活动物体图像上，且跟随眼球运动，使其一直显示在活动物体图像上的同一位置，在一个实施例中，该位置实际上是关联信息添加到参考图像上的位置。
以下将详细阐述更多实施例，这些实施例说明了标准人工晶状体工作流程在使用IOL配准和跟踪之后的显著改进。
根据以下将描述的一个实施例，提供了一种用于对IOL手术进行切口计划的工具。
对于每一个IOL手术，医生需在眼球上实施多个切口，以在角膜下引入手术工具，例如，除去现有镜片，引入折叠的IOL，放置所述IOL，引导和除去临时产生的液体。切口安排在巩膜区或角膜上靠近角膜缘边界处。由于角膜的物理特性，以及切口的位置，会导致一些屈光度数的散光。通常通过选择正确的切口位置，使用这一众所周知的效果来抵消现有的散光。不准确的切口位置可引起附加散光或较少抵消的散光，从而降低病人的最终视力效果。切口计划基于数种方法，都主要基于角膜的形态学测量。
使用IOL手术的配准和跟踪，可引入一种中间手术计划步骤，其中医生在手术前接收到诊断数据后，计划最适合病人的切口。可在诊断图像上对这些切口加标签和作标记，使其显示为视觉关联信息。使用IOL手术的配准，诊断图像的眼坐标系在手术中配准到眼坐标系。使用IOL的跟踪，眼坐标系在手术中与诊断眼坐标系恒定匹配。通过这种方式，医生能将在手术计划步骤所添加的视觉关联信息覆盖在当前的手术显微镜图像之上。
在此应当注意，关联信息添加到所述参考图像上，该参考图像可为“纯”眼球图像或为包括附加信息、例如形态学的诊断图像。
图4示意了眼球图像，其中覆盖了切口标记，这些标记为在计划阶段在参考或诊断图像上已标记的区域，这些区域如今在手术中覆盖在眼球的实时活动图像上。
从图4中不仅可见所显示的切口标记，还可见对于上半部分从0 °到180 °的角度标记，以及对于下半部分从0 °到180 °的角度标记。这些角度标记为例如，在手术计划过程中适于角膜缘，并且，选择0 °线来与诊断图像中的坐标系的x轴重合。选择诊断图像中的该坐标系，以使其原点为例如与角膜缘中心重合，且其x轴平行于图像的x方向。
从图4中可见，由于在右手侧的配准和跟踪，与坐标系的x轴（实时图像坐标系的0 °线，在图像中其再次选择为水平的）相比，角度指示的0 °线倾斜。这表明，与定义关联信息时（当添加切口标记时）的位置相比，眼球发生了旋转。因此，角度指示标记（从0 °到180 °）表明与诊断或参考图像相比（在计划阶段切口标记作在该诊断或参考图像上），实时图像倾斜（或旋转）的程度。通过在参考图像和实时图像之间进行配准和/或跟踪，获取将诊断图像转换至实时图像的坐标系，且之后该坐标系应用于关联信息（图4中的切口标记和角度指示），这样，所述关联信息实际显示在在实时图像中的正确位置。换言之，显示在实时图像（图4的右手侧）中的切口标记显示在医生需要作出切口的精确位置上，而不受眼球运动的影响。这是由于，在关联信息覆盖在实时图像上之前，对关联信息应用了坐标转换。
通过这种方式，所述关联信息（显示在图4右手侧的切口标记）显示在正确位置，而不受眼球运动的影响，因而，所述关联信息（在此为切口标记）能辅助医生实时进行手术。
根据以下将要描述的另一实施例，提供了一种用于辅助医生进行复合曲面IOL的角度放置的装置。
在专用手术中使用具有附加的柱面光学补偿的人工晶状体，因此称为“复合曲面人工晶状体”（toric IOLs）。在手术中，医生需确保该复合曲面人工晶状体的柱面匹配角膜的柱面。在传统的手术过程中，使用基于墨水标记和图章的多重手动步骤，来再次确定从诊断到手术的0°线。在该手动过程中有数项易于出错的假定：（1）病眼在各种不同设备面前都不会改变转动；（2）墨水标记从诊断到手术过程中是稳定的；（3）在手术中可精确使用图章来标记圆柱轴。这三种假定在实际中都是错误的。基于这些假定，每一手动步骤都可轻易引入2°到5°的错误。而偏离10°的复合曲面人工晶状体便将丧失补偿角膜柱面的能力，因此，这些错误是极其严重的。这可能是迄今为止复合曲面人工晶状体的使用在所有IOL手术中仅占2%以下的主要原因，尽管其理论效果应当优于标准球面IOL。
通过使用IOL手术的配准和跟踪，中间手术计划步骤可用来确定最佳圆柱轴，该圆柱轴与病眼的复合曲面人工晶状体堆砌。可通过选择诊断或参考图像中相应的一个或多个位置，对所述圆柱轴在诊断图像上标记为视觉关联信息。对于附加关联信息，在一个实施例中提供了图形化用户界面，其使医生能够选择或输入关联信息，例如，通过鼠标或键盘，或触摸屏。
使用IOL手术的配准，诊断图像的眼坐标系与手术中的眼坐标系配准。使用IOL手术的跟踪，眼坐标系在手术中恒定匹配诊断的眼坐标系。换言之，确定了坐标转换，应用该坐标转换来切换参考图像坐标系，使其与实时图像中相应的坐标系重合。通过这种方式，医生能够将手术计划步骤中添加的视觉关联信息覆盖在当前的手术显微镜图像上。该实施例废弃了所有手动的、基于墨水的用于转换坐标系的步骤，从而使复合曲面人工晶状体的使用变得更容易。
图5示意了眼球图像，其中显示了诊断图像的所覆盖的0°线（点线所示）。还示意了实际的活动图像的0°线（整个x轴），以及复合曲面人工晶状体的定位（短划线所示）。通过与参考坐标系的对比（实时图像的x轴与点线——即诊断图像的0°线的对比），医生可分辨出实时图像相比诊断图像倾斜的程度。从短划线可看出复合曲面透镜应当对齐的方向，这是因为，与前述实施例类似，由于从参考图像和实时图像之间的配准和/或跟踪得到的坐标转换的应用，所述短划线显示在补偿实时图像与参考图像之间的运动。
两条线（诊断的0°线和实时图像中的0°线）在该实施例中相互不匹配，这是因为从参考图像到手术中的实时图像，眼球发生了某些运动。这一点是通过参考图像的0°线（点线所示）与实时图像的x轴（实线所示，以及实时图像中坐标系的x轴）之间的倾斜而反映出来的。如果在实时图像中，眼球根本不发生转动，并与拍摄参考图像时的眼球位置完全相同，对齐方式也完全相同，则点线（参考图像的0°线）与实时图像的x轴将重合。然而，由于眼球的运动，在参考图像中初试定义的坐标系（基于眼球的一个或多个特征或标记）发生了改变，并很可能还产生了旋转，因而，诊断0°线和实时图像的0°线一般不再重合，如图5所示。
图5示意了可在参考图像和实时图像中自动确定的0°轴线，例如，通过使用角膜缘和其他眼睛特征。角膜缘与一个圆重合，中心可以用作为坐标系的原点。其他特征（例如，血管可以作为参考，以确定x轴和y轴的方向，其中这些轴的实际方向不是很重要，只要坐标系的确定算法是明确确定坐标系的位置，从而在参考图像和实时图像中的坐标系位于眼睛的相同位置。一旦坐标系已经确定，坐标系的x轴可以突出显示为0°轴线（如图5所示，作为点线），此外，可以显示覆盖对齐轴线（如图5所示的短划线），复合曲面人工晶状体（toric IOL）应该与该对齐轴线对齐。在手术规划阶段，当外科医生将关联数据加入到参考图像时，外科医生通过利用图形用户界面（例如，通过鼠标）确定所述对齐轴线。基于通过登记和/或参考图像（0°轴线和对齐轴线已经定义之处）和实时图像之间的追踪，坐标转换，0°轴线（点线）和对齐轴线（短划线）显示在实时图像中。通过在实时图像中重新确定参考图像的坐标系位置，可以得到坐标转换，以使两个坐标系重合，该坐标转换应用于关联数据（0°轴线（点线）和对齐轴线（短划线）），从而可以显示在实时图像的相同位置，在此他们已经被定义为参考图像。因此，外科医生可以使用如图5所示的用于对齐复合曲面晶状体的对齐轴线。
根据进一步的实施例，本发明提供用于协助外科医生对有晶状体眼人工晶状体（phakic IOL）的横向和有角度放置的装置。
有晶状体眼人工晶状体放置在病人的虹膜的前面，并锚定在专用固定元件或与虹膜支撑脚。现有的人眼晶状体在眼中与新嵌入的有晶状体眼人工晶状体一起工作，允许近视力和远视力的调节。因为存在有多焦、复合曲面或多焦-复合曲面的有晶状体眼人工晶状体，该有晶状体眼人工晶状体的横向和环面放置特别具有吸引力。
在理论上，明视瞳孔（小）和暗视瞳孔（大）的位置以及视线在手术时放置有晶状体眼人工晶状体的中心可能是有帮助的。这样，可以达到利用有晶状体眼人工晶状体（特别是，多焦的有晶状体眼人工晶状体）眼睛光学的精确补偿。但是，在实践中，有晶状体眼人工晶状体的放置没有这样的信息。按照惯例，手术后有视力或者心理缺陷，这通过再次手术桥正。
尽管如此，通过有晶状体眼人工晶状体的跟踪和登记，中间手术计划步骤可以用来确定病人眼睛的有晶状体眼人工晶状体的确切位置，考虑有晶状体眼人工晶状体的平移和转动，考虑角膜缘位置、明视瞳孔、暗视瞳孔和视线。知道有晶状体眼人工晶状体的最终位置，同样也可以计划支撑脚的锚定区域。
所有上述信息可以在诊断图像上标记作为可视关联信息。明视瞳孔和暗视瞳孔可以通过诊断图像测量。利用人工晶状体手术配准，诊断图像的眼坐标系在手术中配准为眼睛坐标系，然后关联信息例如明视和暗视瞳孔可以利用配准所确定的坐标转换覆盖在实时图像上。利用人工晶状体手术的跟踪，手术过程中的眼睛坐标系始终与诊断眼睛坐标系匹配。这样，医生可以将手术计划步骤所添加的视觉关联信息覆盖在当前手术显微镜图像上。
图6中，作为关联信息，在诊断/计划阶段确定为例如明视和暗视瞳孔的平均的瞳孔，被显示为覆盖在实时图像中。有晶状体眼人工晶状体手术过程中，该信息对外科医生有帮助。根据医生的个人诊断，标准的瞳孔可以从明视和暗视瞳孔得到，并在手术计划步骤中与诊断图像关联，且可以覆盖在实时图像上。这如图6的虚线圈所示，用于已经利用参考图像定义的锚定人工晶状体的锚定区，显示在如图6所示的实时图像中。
图7中，作为关联信息，视线（在计划或诊断阶段过程中，视线可以已经确定）覆盖在实时图像上。
相同计划、配准和跟踪技术可以应用于相关的手术区域，在该区域，移植体的定位和旋转对临床结果影响重大。例如角膜镶嵌或角膜覆盖。
根据进一步的实施例，本发明提供一种通过覆盖诊断数据例如角膜形态测量数据或波前数据来协助外科医生的装置。
在本实施例中，假定诊断和手术之间的配准是基于6D配准，手术过程中的跟踪是基于6D跟踪。专利文献DE 10 2006002 001 A1公开了可以执行这种6维配准和跟踪的设备。通过这种系统，手术过程中可以看见更多的复杂数据，这将在下文更为清楚。
按照惯例，形态测量数据通常从诊断装置的单个图片或单个立体图来确定。其中一个假设是病人注视在诊断装置的中心，这在实践中不是始终会这样。然而，从诊断到手术利用6D配准，病人的注视不再有关联。利用6D配准，眼睛之前在六自由度的位置可以确定，角膜的形态测量数据在手术过程中可以可视化，在显微镜下根据眼睛的6D位置，角膜在线重新计算形态测量。
在本实施例中，眼睛的六维位置是确定的，然后作为额外关联信息，获取角膜形态测量或波前数据。该数据已经在诊断步骤中在其与6维眼睛图像的6维空间关系中获取并存储，在配准后，通过跟踪可以在手术过程中在眼睛的实时图像上覆盖。这可以通过基于从配准和跟踪获得的坐标转换，重新计算6维诊断信息（波前或形态测量数据）的位置。然后，通过在手术过程中，将其覆盖在眼睛的实时图像上，显示该诊断数据（波前或形态测量数据）。
这对外科医生非常有利，帮助其进行手术。图8示范性地展示了此数据例如形态测量或波前数据的覆盖。
与试图在手术过程中做实时波前测量的其他设备（例如专利文献US 2005/0241653 A1所描述）相比，该方法具有明显的优点。该方法的主要优点在于，在物理操作眼睛的手术过程中，没有测量角膜，但是在对放松的眼睛的诊断过程中进行测量。这样，手术过程中可视化信息不受眼睛的手术条件约束，且覆盖的信息是“真实”的诊断信息，没有手术过程中物理操作眼睛所照成的扭曲。
下面将结合图9描述进一步的实施例，包括三个不同的处理阶段，即诊断、手术计划和手术。
在诊断时，医生使用诊断装置（例如，形态测量仪或IOL Master），确定人工晶体手术所需要的参数。该装置必须可以获取足够像素分辨率和可见照明（例如，白色或绿色）的眼睛图像，以允许人工晶体手术的配准和跟踪。该“诊断图像”将被用作为参考图像，而该参考如想定义诊断数据的原坐标系和所有接下来的处理步骤。图9中，上部分展示了这种诊断图像或参考图像。诊断步骤可以进一步包括形态测量数据或波前数据的获取，这如之前的解释。
手术计划步骤是诊断和手术之间的一个中间步骤，该步骤中，医生计划其在手术中的动作。在诊断图像上，测量角膜缘和角膜缘外面的眼睛特征，以定义原坐标系。通过手术计划软件将视觉元素增加、覆盖、处理和丰富在诊断图像上，可视不同类型的关联信息（例如，切口、圆柱轴线、视线等）可以与原坐标系关联，在一个实施例中，手术计划软件为图形用户界面，允许用户定义诊断图像中的位置或区域。软件可以包括帮助功能，支持帮助医生寻找正确的切口、圆柱轴线、或其他相关参数，这主要是通过一些运算法则实现，这些运算法则利用现有文献数据计算用于手术计划的相关位置。
在图9所示的实施例中，左下方示范性展示了标准瞳孔（虚线圆）的嵌入（或定义）和圆柱轴线的定义（虚线，例如用于对齐复合曲面晶状体）。
医生可以确定计划步骤，不受病人在场的约束，没有时间压力，例如由于墨水笔褪色。由于固定的坐标系，可以连续地计划多个病人的日程，其中固定的坐标系可以在之后的日程中重新计算和重新使用，之后在手术过程中使用。
病人的手术计划软件（计划内容）的输出数据可以利用网络或记忆棒装置传输到手术环境。根据另一实施例，计划步骤在同一台计算机上进行，通过手术配准和跟踪，无需这样的传输。
.在手术环境中，配准和跟踪处理单元获取和处理来自显微相机（手术图像）的在线眼睛图像。手术椅附近的显示器（显示屏）或者显微镜中的显示器随后在线显示手术图像（实时）。在一个实施例中，与执行跟踪和覆盖处理的处理单元之间的互动可以通过触摸屏显示器或者脚踏板进行，例如开或者关覆盖信息。当前病人的计划内容（相关信息）被加载到与显微相机连接的处理单元，通过配准和跟踪，可以在手术过程中覆盖在实时图像上。
在病人眼睛的准备之后，在手术起初，医生激活诊断图像到手术图像的配准，以确定从诊断图像到手术图像的绝对坐标转换（诊断转换）。选择的手术图像（诊断图像的配准是成功的）将存储作为手术参考图像。
在手术过程中，每次医生想看计划内容（关联信息）事，医生可以激活覆盖功能。这通过在手术条件下跟踪眼睛来完成，其中对于每个跟踪周期P，增加从当前手术图像到P的第一手术图像的坐标转换和诊断转换（从诊断图像到手术图像的转换）。这样，关联信息始终在眼睛实时图像的相同位置，无论眼睛如何移动。
在图9的实施例中，覆盖显示在右下方。从0°线到实时图像的0°线的位移，我们可以看到，在这个实施例中，眼睛没有完全与诊断或参考阶段的眼睛的方位匹配。诊断图像和实时图像之间存在一些旋转位移，这可以通过角度指示的0°线相对于图像的x轴线倾斜体现。
图10展示了实际手术计划步骤的细节。起初（图10的左手边），在参考图像中确定坐标系，例如原点与角膜缘中心匹配，x轴线与图像本身的x方向平行。然后，在与角膜缘匹配的圆中预先计划角度指示，分成上下两部分，分别是0 ° 到180 °。基于该诊断参考图像，如图10的右手侧所示，添加相关数据例如轴线（短划线）和标准瞳孔（点线）。其他关联信息例如切口标记可以类似地添加。
对于关联信息，例如切口标记或对齐轴线，整个操作可以只通过2维图像来进行。此外，如果使用这些信息如形状数据或波前数据，优选实用6维配准和跟踪处理，如上面已经描述过的。
上述实施例相比现有技术有明显的优点，其中一些优点如下所述。总结本发明的突出优点如下：
·      加速和简化人工晶体（IOL）手术过程：不用费时间在墨水标记笔和图章工具，特别是复合曲面人工晶状体；
·      处理精确：避免了容易出错的标记和打印技术；
·      安全处理：较少的由于自动诊断和手术之间的联系所导致的异常值；
·      放松眼睛的诊断数据用于手术计划和手术（而不是手术过程中扭曲的眼睛的数据）。
通过添加照数码图像的相机和允许获取诊断或参考图像的处理单元，整个装置相对比较容易一体化于现有的手术显微镜中，关联信息的添加，使用关联信息基于配准和追踪覆盖在实时图像上。
本领域技术人员应当理解，上述实施例可以通过硬件、软件或硬件与软件的结合实现。本发明的实施例的模块和功能可以整体地或一部分地在微处理器或计算机实现，这些微处理器或计算机可以编程以实现本发明实施例相关联的方法。
根据本发明的实施例，提供一种计算机程序，该程序存储在数据载体或其他方式的物理措施，例如记录介质或传输链路，从而当由计算机进行时，允许计算机根据本发明的实施方式进行运作。

Claims (15)

1.一种用于计算机辅助眼外科手术的图像处理方法，所述方法包括：
获取眼参考图像；
通过插入对医生进行眼外科手术有所帮助的附加关联信息，来丰富所述参考图像；
将所述参考图像与眼实时图像进行配准；以及
基于对眼球运动的跟踪，将所述关联信息覆盖在所述眼实时图像上，使所述关联信息显示在眼球的同一位置，而不受眼球运动的影响。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
基于所述参考图像的眼球的一个或多个特征，使用坐标系确定算法，来确定第一坐标系；
基于所述坐标系，确定所述关联信息的空间位置；
使用所述坐标系确定算法，确定手术过程中拍摄的实时图像中的第二坐标系；
通过确定从所述第一坐标系到所述第二坐标系的坐标转换，来确定所述关联信息要覆盖的位置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括：
将所述参考图像与实时图像序列中的初始图像进行配准，来获取初始坐标系；
基于进一步的实时图像与实时图像序列的初始图像的对比来跟踪眼球运动，以获得第二坐标转换，并基于所述第一和所述第二坐标转化的组合，获取从所述参考图像到所述实时图像序列中一副实时图像的最终坐标转换，以基于所述组合的坐标转换，在所述实时图像中显示所述关联信息；或者
将所述参考图像与所述实时图像序列的实时图像进行配准，以获取从所述参考图像到所述实时图像序列的实施图像的坐标转换，以基于所述获取的坐标转换，在所述实时图像中显示所述关联信息。
4.根据权利要求1到3任意一项所述的方法，其中，所述关联信息为以下中一个或更多：
诊断信息，其为对诊断有用的眼特征或参数；
手术计划数据，其指明一个或多个位置，外科医生应当在该处或该方向进行特定的手术操作；
植入体放置数据，其指明一个或多个位置，植入体例如人工晶状体应当在该处或该定位或该方向放置在眼上或眼内。
5.根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于：所述关联信息在所述实时眼图像上覆盖的位置与该关联信息添加在所述参考图像上的位置相同。
6.根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于：可由外科医生开关切换所述关联信息在所述实时图像上的覆盖。
7.根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于：所述关联信息为以下其中之一或多个：
一个或多个切口标记，用于标记作标记的位置；
用于置入复合曲面人工晶状体的圆柱轴；
一个或多个用于锚固设备的锚固区；
瞳孔标记或视觉标记线；
眼睛的形态学数据或波前数据；
角膜覆盖体或角膜镶嵌体的位置。
8.一种用于计算机辅助眼外科手术的图像处理装置，所述装置包括：
用于获取眼参考图像的模块；
通过插入有助于医生实施眼外科手术的附加关联信息，用于丰富所述参考图像的模块；
用于将所述参考图像与所述眼实时图像配准的模块；以及
基于对眼球运动的跟踪，将所述关联信息覆盖在眼实时图像上的模块，这样使得所述关联信息显示在眼球的同一位置，而不受眼球运动的影响。
9.根据权利要求8所述的装置，进一步包括：
使用基于参考图像的眼球的一个或多个特征的坐标系确定算法，以确定第一坐标系的模块；
基于所述坐标系，确定所述关联信息的空间位置的模块；
使用所述坐标系确定算法，确定手术过程中拍摄的实时图像的第二坐标系的模块；
通过确定从所述第一坐标系到所述第二坐标系的坐标转换，来确定所述关联信息的覆盖位置的模块。
10.根据权利要求8或9所述的装置，进一步包括：
将所述参考图像与实时图像序列中的初始图像进行配准，来获取初始坐标系的模块；
基于进一步的实时图像与实时图像序列的初始图像的对比来跟踪眼球运动，以获得第二坐标转换，并基于所述第一和所述第二坐标转化的组合，获取从所述参考图像到所述实时图像序列中一副实时图像的最终坐标转换，以基于所述组合的坐标转换，在所述实时图像中显示所述关联信息的模块；或者
将所述参考图像与所述实时图像序列的实时图像进行配准，以获取从所述参考图像到所述实时图像序列的实施图像的坐标转换，以基于所述获取的坐标转换，在所述实时图像中显示所述关联信息的模块。
11.根据权利要求8到10任意一项所述的装置，其特征在于：所述关联信息为以下其中之一或多个：
诊断信息，其为对诊断有用的眼特征或参数；
手术计划数据，其指明一个或多个位置，外科医生应当在该处或该方向进行特定的手术操作；
植入体放置数据，其指明一个或多个位置，植入体例如人工晶状体应当在该处或该定位或该方向放置在眼上或眼内。
12.根据权利要求8到11任意一项所述的装置，其特征在于：所述关联信息在所述实时眼图像上覆盖的位置与该关联信息添加在所述参考图像上的位置相同。
13.根据权利要求8到12任意一项所述的装置，其特征在于：可由外科医生开关切换所述关联信息在所述实时图像上的覆盖。
14.根据权利要求8到13任意一项所述的装置，其特征在于：所述关联信息为以下其中之一或多个：
一个或多个切口标记，用于标记作标记的位置；
用于置入复合曲面人工晶状体的圆柱轴；
一个或多个用于锚固设备的锚固区；
瞳孔标记或视觉标记线，用于将有晶状体眼复合曲面人工晶状体置入恰当位置；
眼睛的形态学数据或波前数据；
角膜覆盖体或角膜镶嵌体的位置。
15.一种计算机程序，其包括计算机程序代码，当该计算机程序代码在计算机上运行时，能执行根据权利要求1到7任意一项所述的方法。
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