CN103167851B - 用于眼外科系统的图像引导对接 - Google Patents

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Abstract

一种用于眼科系统的对接方法可以包括如下步骤：将眼科系统的对接单元与眼对准；由成像系统生成眼内部结构的图像；与生成的图像相关地改进对接单元与眼内部结构的对准；以及将对接单元对接至眼。生成图像的步骤可以包括：由处理器计算与扫描图案相对应的扫描数据；将扫描数据存储在数据缓冲器中；由数据缓冲器将扫描数据传输到输出模块中；由输出模块将基于扫描数据的扫描信号输出到一个或多个扫描仪中；以及根据扫描信号用所述一个或多个扫描仪扫描成像束。

Description

用于眼外科系统的图像引导对接
技术领域
本专利文献涉及用于包括眼外科手术的外科应用的系统和技术，尤其涉及用于将眼外科系统与手术眼高精度对接的系统和方法。
背景技术
多年来已经开发了用于眼外科手术的多种先进的外科激光系统，从而靶向角膜、晶状体、视网膜和其他眼结构的各个部分。这些外科系统中的一些通过在眼外科设备与眼科靶（通常为眼的区域或结构）之间建立良好控制的连接来提高外科程序的精度。在某些情况下，这种连接通过将对接模块或单元降低到眼上而建立。某些系统还采用额外的固定步骤，例如施加抽吸以加强连接。在典型的外科激光系统中，眼外科手术的精度和控制实质上受这些对接和固定步骤的精度的影响，并且由此提高对接程序的精度能够提高整个眼外科程序的精度。
发明内容
本专利文献公开了用于引导眼外科系统以建立与眼科靶（例如人眼）的良好控制的连接的系统和技术的示例和实施例。
例如，一种用于眼科系统的对接方法可以包括如下步骤：将眼科系统的对接单元与眼对准；通过成像系统生成所述眼的内部结构的图像；与生成的图像相关地改进对接单元与眼内部结构的对准；以及将对接单元与眼对接。
对准对接单元的步骤可以包括使用第一成像系统将眼科系统的靶图案相对于眼特征对准。
第一成像系统可以是显微镜或是视频显微镜；眼科系统的靶图案可以包括接触透镜的中心、对接单元的中心、对接圆、或对接十字准线中的至少一种；以及眼特征可以是虹膜、瞳孔、角膜、角膜缘、或晶状体的区域中心；或者与虹膜、瞳孔、角膜、角膜缘或晶状体的区域相关形成的圆形。
生成图像的步骤可以包括利用第二成像系统生成图像，其中所述第二成像系统是光学相干断层成像系统或是被配置为成像眼的内部结构的成像系统。
改进对准的步骤可以包括从所生成的图像中提取有关眼内部结构的位置信息；以及与所提取的位置信息相关地调节眼或对接单元中的至少一个的位置。
改进对准的步骤可以包括从所生成的图像中提取有关眼内部结构的定向信息；以及与所提取的定向信息相关地调节眼或对接单元中的至少一个的定向。
生成图像的步骤可以包括由处理器计算与扫描图案相对应的扫描数据；将扫描数据存储在数据缓冲器中；由数据缓冲器将扫描数据传输到输出模块中；由输出模块将基于扫描数据的扫描信号输出到一个或多个扫描仪中；以及根据扫描信号利用一个或多个扫描仪扫描成像束。
计算扫描数据的步骤可以包括实施扫描图案，扫描图案包括线性图案、圆形图案、椭圆形图案、环圈图案、弧形图案、栅格图案、x-y图案、十字准线图案、星形图案、螺旋形图案、和具有远离中心的点的图案。
计算扫描数据的步骤可以包括由处理器将同步信号包括在扫描数据内。
计算扫描数据的步骤可以包括计算与归位图案相对应的归位数据，所述归位图案连接扫描图案的起始点与在前设定点。
存储扫描数据的步骤可以包括将扫描数据存储在处理器存储器中；以及在专用存储器控制器的部分控制下将所存储的扫描数据从处理器存储器传输到数据缓冲器中。
专用存储器控制器可以包括直接存储器存取引擎；而数据缓存器可以包括先入先出存储器。
传输扫描数据的步骤可以包括由数据缓冲器以快速数据传输模式将扫描数据输出到输出模块中。
传输扫描数据的步骤可以包括在不通过连接专用存储器控制器与处理器的总线、处理器存储器或处理器中的至少一个发送扫描数据的情况下将数据从数据缓冲器中输出。
传输扫描数据的步骤可以包括与处理器执行处理图像、计算与扫描图案相对应的扫描数据、或执行控制功能中的至少一种并行地输出扫描数据。
传输扫描数据的步骤可以包括在不受另一系统代理中断的情况下由输出模块接收扫描数据，从而将扫描数据的抖动保持为低于40毫秒。
输出扫描信号的步骤可以包括由输出模块将扫描数据转换成模拟扫描信号，其中输出模块包括数模转换器。
扫描成像束的步骤可以包括：由扫描控制器和成像同步器接收所输出的扫描信号，其中扫描信号包括同步信号；由扫描控制器根据扫描信号反复地调节一个或多个扫描仪以扫描成像束；以及由成像同步器根据同步信号反复地同步成像相机。
扫描控制器可以包括至少一个检流计控制器；而成像同步器可以包括至少一个光学相干成像相机控制器。
在一些实施例中，图像记录装置的积分时间可以是成像系统的操作速度的限制因素。
输出扫描信号的步骤可以包括以如下范围之一内的速率输出扫描信号：1Hz-1MHz、100Hz-1MHz、或1kHz-100kHz。
输出扫描信号的步骤可以包括调节扫描信号的输出的输出速率。
改进对准的步骤可以包括基于眼内部结构的图像向患者提供口头命令以移动其眼、使患者的头部移动、使患者靠置在其上的手术床移动、使患者的眼移动、经由移动台架或枢转臂使对接单元移动、以及使用夹钳使眼移动。
改进对准的步骤可以包括调节固定束或引导光中的至少一个以改进眼与对接单元的对准；以及指引患者利用其眼跟随固定束或引导光。
改进对准的步骤可以包括在对接单元与眼形成接触之前、在对接单元与眼形成接触之后但在向对接单元施加部分真空之前、或者在施加部分真空之后开始改进对准的步骤。
对接步骤可以包括感测介于对接单元的参考点与眼的外层之间的距离；以及根据所感测的距离降低对接单元。
在一些实施例中，参考点可以是可调的。
对接步骤可以包括将对接单元带至为与眼形成物理接触；以及在对接单元与眼形成物理接触之后通过对接单元的一部分施加抽吸。
在一些实施例中，一种用于眼科系统的成像控制器可以包括：处理器，计算用于扫描图案的扫描数据；本地存储器控制器，部分地管理将所计算的扫描数据从处理器传输到数据缓冲器中，其中数据缓冲器被配置为存储扫描数据且输出扫描数据；以及耦接至数据缓冲器的数模转换器，将所选取的扫描数据转换为模拟扫描信号且输出扫描信号。
本地存储器控制器可以包括直接存储器存取引擎。
数据缓冲器可以包括以快速数据传输模式输出所存储的扫描数据的先入先出存储器。
成像控制器还可以包括：处理器存储器；以及耦接到处理器、本地存储器控制器和处理器存储器的总线，其中处理器被配置为通过总线将所计算的扫描数据输出到处理器存储器中；而本地存储器控制器则被配置为通过总线将扫描数据从处理器存储器传输到数据缓冲器中。
在一些实施例中，数据缓冲器被配置为在不通过总线、处理器存储器、或处理器中的至少一种发送扫描数据的情况下输出扫描数据。
在一些实施例中，处理器被配置为执行处理图像和计算扫描数据中的至少一种，而数据缓冲器输出扫描数据。
在一些实施例中，输出数模转换器耦接数据缓冲器，使得由数据缓冲器输出的扫描数据在不受另一系统代理中断的情况下被接收，籍此将扫描数据的抖动保持为低于40毫秒。
在一些实施例中，输出数模转换器被配置为将扫描信号输出到x和y扫描控制器中以扫描成像束；以及将同步信号输送到成像相机中以与扫描同步地记录返回成像束。
在一些实施例中，一种控制眼科成像的方法可以包括：由处理器计算扫描控制数据；在存储器控制器的部分控制下将扫描控制数据存储到数据缓冲器内；通过专用通道将扫描控制数据从数据缓冲器传输到信号转换器中；以及由输出模块将扫描信号发送到扫描控制器中，其中扫描信号是由信号转换器从扫描控制数据转换而来的。
存储扫描控制数据的步骤可以包括将所计算的扫描控制数据存储在处理器存储器中；以及将扫描控制数据从处理器存储器移动到数据缓冲器中。
传输扫描控制数据的步骤可以包括在不通过将本地存储器控制器连接到处理器上的总线、处理器存储器或处理器中的至少一种发送扫描数据的情况下将扫描数据从数据缓冲器中传输。
传输扫描控制数据的步骤可以包括与处理器执行处理图像和计算与扫描图案相对应的扫描数据中的至少一种并行地传输扫描数据。
传输扫描控制数据的步骤可以包括在不受另一系统代理中断的情况下传输扫描数据，籍此将扫描数据的抖动保持为低于40毫秒。
本地存储器控制器可以包括直接存储器存取引擎；以及数据缓存器可以为先入先出存储器。
附图说明
图1例示了人眼。
图2例示了眼外科系统。
图3例示了对接方法。
图4A-图4B例示了对准步骤。
图5例示了晶状体相对于对接单元的倾斜和位移。
图6A-图6B说明了倾斜和位移的晶状体及其图像。
图7例示了在晶状体与对接单元之间的对准的改进。
图8A-图8B例示了在对准改进步骤之后对接单元与晶状体的对准以及相对应的图像。
图9例示了通过成像方向引导的对接方法。
图10例示了图像引导对接系统。
图11详细例示了图像对接系统的框图。
图12例示了图像引导对接方法的控制方法的步骤。
具体实施方式
很多眼外科系统包括对接单元、或患者接口，其与手术眼形成接触，并在眼科程序期间有效地将手术眼保持为相对于外科系统的物镜固定。眼科程序的精度能够通过增大对接单元与手术靶的对准的精度而提高。
在其中手术靶（即角膜）是不受阻挡且可见的角膜程序中，患者接口与靶对准能由外科医生以相对直接的方式执行。
然而，白内障手术由于若干原因向患者接口的对准和对接提出了更为艰巨的挑战。这些挑战包括靶向的晶状体位于眼的内部，并且由此其对外科医生不太可见或者说被部分地阻挡。
而且，即使由外科医生给予引导和口头指示，患者常常具有将他们的手术眼与眼外科系统的光学轴线对准的困难，例如通常由于患者被给予肌肉松弛剂或处于大量镇静剂的作用下。
另外，眼内部结构例如晶状体常常由其软质支承肌肉保持为相对于眼的可视结构（例如瞳孔）偏心和倾斜。因此，即使外科医生设法将瞳孔与手术系统的光学轴线对准，但是位于眼内的晶状体仍然可能是位移和倾斜的。
此外，随着对接单元降低至眼，其向眼施加压力，从而可能造成晶状体的额外位移和倾斜。这一问题会因施加抽吸以对接患者接口而被进一步加剧。
在本专利文献中的实现和实施例提供了通过成像技术提高眼外科手术的对接程序的精度的对接程序和系统。
图1例示了人眼1的一些细节。眼1包括：接收并折射入射光的角膜2；虹膜3；提供用于光进入内眼的开口的瞳孔4；以及将光聚焦在视网膜6上的晶状体5。如上所述，晶状体5与瞳孔2常常是不对准的，并且其软质支承睫状肌系统能够在眼1受对接单元施加压力时容许额外的位移和倾斜，从而加剧与对接单元的失准的问题。
在本专利文献中的实现和实施例提供了通过成像技术提高眼外科手术的对接程序的精度的对接程序和系统。
图2例示了眼激光外科系统50。外科系统50可以包括生成外科激光束的外科激光引擎51。外科激光束可以由激光x-y-z扫描仪52而在手术靶区域上进行扫描。外科激光束可以通过分束器53-1耦接至主系统光学路径内，并被再引导到物镜54。物镜54可以是递送尖端、远端部或透镜筒的部件，或者可以包括递送尖端、远端部或透镜筒。
在一些实施例中，激光x-y-z扫描仪52的部件（例如z扫描器块）可以在光学路径中位于分束器53-1之后。z扫描器块可以是独立的单元，或者可以包括多于一个的块，或者可以是物镜54的部件。x、y和z扫描仪各自可以包括多于一个的功能单元。例如，多个反射镜可被用于执行沿x方向或y方向的扫描，或者多个独立的透镜组能够用于优化的z扫描。
对接单元55可以可拆卸地附加至物镜54以形成与眼1的接触，由此提高将外科激光束靶向到眼的手术靶区域内的精度。对接单元可以集成为单件或者可以包括多于单件。多件式对接单元的第一部件可以首先附接至手术眼，而对接单元的第二部件能够首先附接至物镜54或递送尖端。随后，对接单元的第一和第二部件可被锁定到一起。对接单元55可被称为患者接口、施加尖端、对接尖端、透镜筒、或压平装置，并且可以包括能与眼形成接触或可靠近眼布置的接触透镜或压平透镜。
外科和对接程序可由各种成像系统辅助。在一些外科系统50中，可以设有第一成像系统（例如眼外科立体显微镜或视频显微镜56）以便为外科医生成像手术靶区域。（光学或视频）显微镜56可以利用观察光或成像光。
成像光可以共用外科系统50的主光学路径的一部分，或者能被直接投射到靶区域。在共用路径的实施例中，可以靠近显微镜56生成观察光，随后将其引导至眼并从眼返回，通过分束器53-1进入外科系统50的主光学路径或光学链路。在不共用路径的实施例中，可以靠近物镜54且在物镜54的外侧生成成像光并将其直接投射到眼的各部分上。在该实施例中，仅仅成像光的返回部分可以通过系统的主光学路径而被引导至显微镜56。
一些实施例可以包括位于外科系统50中的第二成像系统以提供关于眼的内部结构和靶区域的成像数据。协同地使用来自第一和第二成像系统的图像能够普遍地提供对眼科程序的增强的引导，并且特别是改进患者接口的对接的精度。
在一些外科系统50中，第二成像系统可以是光学相干断层成像（OCT）成像系统57。OCT成像系统57尤其可以是基于OCT成像系统的时域、扫频源或光谱仪。OCT成像系统57可以包括OCT成像单元58，OCT成像单元58生成OCT成像束，将OCT成像束朝向眼引导并处理从眼返回的OCT成像束。OCT成像系统57也可以包括OCTx-y扫描仪59，后者在例如可以是垂直于光学轴线的x-y平面中将OCT成像束扫过靶区域。
一般而言，贯穿本文的符号“x-y-z”始终以其广义使用：其可以指代沿彼此形成显著角度的三个方向的扫描。然而，这些角度可能并非必须为直角。而且，扫描可以以网格、栅格、同心、螺旋、或任意其他图案沿着在平坦表面或弯曲表面上的直线或曲线执行。在一些实施例中，OCT成像束可以通过外科手术激光x-y-z扫描仪52进行扫描。在其他情况下，外科激光束和OCT成像束的扫描功能的仅仅一部分（例如x-y扫描功能）通过共用的扫描器块执行。一些OCT系统（例如时域OCT系统）需要光束的z扫描，而另一些（例如基于OCT系统的光谱仪）则由于其实质上同时地捕捉来自所有深度的图像数据而不需要z扫描，。
OCT成像束能够通过分束器53-2耦接到外科系统50的主光学路径内，并且通过物镜54和对接单元55引导到靶区域内。在一些实施例中，z扫描功能中的部分或全部可以通过在共用的光学路径中于分束器54-2之后设置z扫描仪来执行。z扫描仪甚至可以是物镜54的一部分。
图3例示了用于眼科激光外科系统50的对接方法100，其中对接方法100可以包括：
将眼科系统50的对接单元55与眼对准的步骤110；
通过成像系统生成眼的内部结构的图像的成像步骤120；
与生成的图像相关地改进对接单元55与眼的内部结构的对准的对准改进步骤130；以及
将对接单元55与眼对接的对接步骤140。
这些步骤在下面详细描述。
对准步骤110可以包括使用第一成像系统将眼科激光外科系统50的靶图案与眼特征对准。该对准步骤110可以例如与将对接单元55朝向眼降低相关地执行。第一成像系统可以是眼外科显微镜或视频显微镜56。
眼科激光外科系统50的靶图案可以包括接触透镜的中心的标记、对接单元55的中心的标记、或者物镜54、对接单元55或接触透镜的光学轴线的标记中的至少一种。在其他实现中，其能够包括对接圆、对接十字准线、或任意其他对接靶图案、以及上述图案的组合。该靶图案能够在眼外科显微镜56的光学系统中形成，或者可被电子生成并显示在视频显微镜56的显示器或屏幕上。
眼特征可以是角膜2、虹膜3、瞳孔4、角膜缘、巩膜、或晶状体5的区域的中心；或者与角膜2、虹膜3、瞳孔4、角膜缘、巩膜、或晶状体5的区域相关形成的圆形。
图4A-4B示出了对准步骤110的说明性示例。在图4A中，视频显微镜56显示如通过激光外科系统50的物镜54见到的眼1、以及定心于物镜54和对接单元55的共用光学轴线的可变半径靶图案圆111。当外科医生将对接单元55朝向眼降低时，在图案调节步骤112，如由箭头112-1和112-2指示的，他可以将靶图案圆111的可变半径调节为基本等于患者瞳孔4的内圆边缘4A的半径。另外，在图案移动步骤113，外科医生也可以在x-y平面中调节或移动对接单元55（如由箭头113所示）以在半径调节之前、期间或之后将靶图案圆111与瞳孔4的内圆边缘4A对准。
可以将靶图案圆111的半径选取为与瞳孔4的内圆边缘4A的半径有所不同，只要该半径使外科医生能够以期望的精度将靶图案圆111与瞳孔4对准。在其它实施例中，可以使用任意其他的靶图案，包括如上所列的弧形、十字准线、和栅格图案。
图4B例示了在步骤112中调节靶图案圆111的可变半径以及在步骤113中在x-y平面内移动对接单元55可以被重复且迭代地执行，直到靶图案圆111与瞳孔4的内圆边缘4A实质上重合为止。这样做将物镜54和对接单元55的共用光学轴线与瞳孔4的轴线或中心对准。
在该对准步骤110期间，对接单元55可以朝向眼降低，甚至可能在调节对接单元55的z方向位置期间与眼形成物理接触。然而，在任一情况下，对接单元55仍然能够保持相对于眼可移动，从而使外科医生能够执行对准步骤110（可能是迭代地）。即使在对准步骤110结束时，对接单元仍可保持为可移动地连接至眼以允许可能的后续对准步骤。
在一些实施例中，对准步骤110可以不涉及靶图案。在这些情况下，对接单元55的对准可以主要通过外科医生的视觉评估进行引导。
该对准步骤110的各实施例以一定的精度将对接单元55与眼对准。如果对接单元在对准步骤110之后与眼对接，则眼科程序能够以一定的精度执行。对于一些程序，该精度会是足够的，但是其他手术则可获益于更高的精度。
图5例示了这种情况。即使在对接单元200的光学轴线202在对准步骤110中与眼的瞳孔4对准之后，眼的晶状体5仍会保持为相对于光学轴线202位移和倾斜，这是由于晶状体5可能由于上面列出的一个原因而不与瞳孔4对准。在此，对接单元200可以是对接单元55的一个实施例。
在图5中，即使在瞳孔4和眼的光学轴线12已经在对准步骤110中与对接单元200的光学轴线202对准之后，晶状体5的中心14仍然与瞳孔4和对接单元200的共用光学轴线12/202偏离Δ，并且晶状体5的对称轴线16仍然与共用光学轴线12/202形成角度α。
在此，对接单元200的本体或壳体204（有时被称为患者接口、透镜筒、或施加尖端）可以包括接触透镜、压平透镜或压平板206以及裙筒或柔性密封件208，其与眼外表面（典型地与角膜、角膜缘或巩膜）形成接触。对接单元200可以附着到物镜、递送尖端、或远端部210或54的实施例（其可以包括若干透镜，最终的透镜是远端透镜212）上。
图6A-图6B例示了成像步骤120的一些细节。
图6A例示了在对准步骤110中可以使用视频显微镜56将对接单元55或200与瞳孔4适当地对准和定心，正如由靶图案圆111与瞳孔4的内圆边缘4A重叠且其中心118（由圆表示）位于瞳孔4的中心而确证的。然而，晶状体5（由于其外周缘隐藏于视频显微镜56的视图而以虚线示出）可以相对于瞳孔4偏心。这也通过晶状体的中心14（由x表示）偏离于靶图案111的中心118（由圆表示）而指示。此外，晶状体5的轴线16可以相对于对接单元200和瞳孔4的共用轴线202/12倾斜。
因此，即使在对准步骤110之后，靶图案圆111仍可能未与晶状体5良好对准，并且由此利用靶图案圆111定心的白内障程序的精度可能不是最优的。该非最优精度能够通过执行成像步骤120而改进。
图6A和图6B例示了在典型情况下，成像步骤120可以包括经过靶图案圆111的中心118（其与瞳孔4的中心重合）的线性扫描121。该线性扫描121生成y-z图像122，该图像包括角膜片段的图像2c以及分别是晶状体前囊片段和后囊片段的图像5a和5p。晶状体片段的图像5a和5p看上去在y-z图像122中相对于光学轴线202倾斜和偏心，即使角膜片段图像2c看上去是定心的，这是由于晶状体5会相当于角膜和瞳孔倾斜和偏心。因此，提供晶状体片段的图像5a和5p可以帮助外科医生改进对接单元200与倾斜且偏心的晶状体5的对准。
在其他实施例中，成像步骤120可以涉及利用沿着线性图案、弧形、十字准线图案、星形图案、圆形图案、椭圆形图案、环圈图案、螺旋形图案、同心多圆图案、移位的多圆图案、线图案的行扫描、以及利用沿着x-y、光栅或网格扫描图案、和具有远离中心的点的图案的二维扫描生成图像。
成像步骤120可以涉及利用如在上文和下文中详细描述的光学相干断层（OCT）成像系统57的实施例生成图像。成像步骤120也可以利用能够成像眼内部结构的另一成像系统执行。
图7例示了对接单元200与晶状体5的对准能够通过基于成像步骤120的对准改进步骤130进行改进。
在一个方面，对准改进步骤130可以包括从所生成的图像122中获取关于晶状体5的位置信息，并且与所提取的位置信息相关地调节眼1或对接单元200中的至少一个的位置。在一些实施例中，能够靶向其他眼内部结构，例如晶状体核、或者视网膜结构。
在一个实施例中，外科医生能够分析通过成像步骤120生成的y-z图像122，并且确定晶状体中心14与对接单元200的光学轴线202的偏离Δ。基于该确定，外科医生能够使眼或对接单元、或这两者移位以克服该Δ偏离，正如由箭头130a指示的。该调节改进步骤130可以减小甚至消除晶状体中心14与光学轴线之间的偏离Δ。典型地，该移位130a能够使对接单元200的光学轴线202与晶状体5的光学轴线12偏离。
移位130a可以迭代地执行，这是由于在第一次尝试时外科医生可能还未精确地确定偏离Δ。为了解决这个问题，在一些实施例中，对准改进步骤130可以后接重复成像步骤120'以确定偏离Δ'如何通过移位130a而改变。该重复成像步骤120'可以后接基于由重复成像步骤120'所生成的更新图像122'的重复对准改进步骤130'等等。在高效的实现中，偏离Δ逐步减小。在其他实现中，即使Δ在一个步骤期间增大，但是后续步骤最终将其减小。
移位130a能够如下执行：通过向患者给予口头命令以移动他/她的眼，或者通过物理地移动患者的头部或患者靠置在其上的手术床，或者通过手动地移动患者的眼，或者通过移动固定光源的固定光或通过移动在引导光显示器上的引导光（在任一情况下指引患者以其眼跟随光），或者通过经由台架或枢转臂在x-y平面中移动对接单元200。在使用两件式对接单元的实现中，附接至眼的器件（例如夹钳）可被用来移动或转动眼。固定光或引导光能够被引导到手术眼内或非手术眼内。这些调节可由外科医生手动地执行，或者可以通过操作一个或多个电致动器或通过计算机执行。在某些情况下，可以联合执行多于一个的上述类型的移位。
图7还例示了在其他实现中，对准改进步骤130可以包括从所生成的图像122中获取关于晶状体5或该眼另一靶向内部结构的定向信息，并且与所获取的定向信息相关地调节眼1或对接单元200中的至少一个的定向。
在一个实现中，外科医生能够分析通过成像步骤120生成的y-z图像122，并且确定在晶状体5的光学轴线16与对接单元200的光学轴线202之间的角度α。基于该确定，外科医生能够使眼或对接单元转动、或者移位对接单元、或者调节在激光外科系统50中的激光束的光学路径以克服这一α失准。使眼转动的选项由箭头130b指示。该对准改进步骤130能够减小甚至消除在晶状体5的光学轴线16与对接单元200的光学轴线202之间的角度α。该对准改进典型地通过引入在眼的光学轴线12与对接单元200的光学轴线202之间的角度（如由虚线表示的）而实现。
转动130b可以迭代地执行，这是由于在第一次尝试时外科医生可能无法精确确定角度α。为了解决这个问题，在一些实施例中，对准改进步骤130可以后接重复成像步骤120'以确定在进行重复的图像122'的转动130b之后的角度α'，在后接基于重复成像步骤120所生成的图像122'的重复的对准改进步骤130'等等。在高效的实现中，角度α逐步减小。在其他实现中，即使α在一个步骤期间增大，但是后续步骤最终将其减小。
转动步骤130b能够如下执行：通过向患者给予口头命令以转动他/她的眼，或者通过手动地转动患者的头部，或者通过物理地转动患者的眼，或者通过移动固定光源的固定光或在显示器上显示的引导光（在任一情况下指引患者以使其眼跟随光），或者通过经由移动台架或枢转臂而在x-y平面中移动或转动对接单元200。固定光或引导光可被引导到手术眼内或非手术眼内。在使用两件式对接单元的实现中，附接至眼的器件（例如夹钳）可被用来移动或转动眼。这些调节可由外科医生手动地执行，或者可以通过操作一个或多个电致动器或通过计算机执行。在某些情况下，可以联合执行多于一个的上述类型的移位。
图8A-B例示了成像步骤120和对准改进步骤130的结果。
图8A例示了在成功的对准改进步骤130之后，经移位的靶图案圆111'可能已经变为与晶状体5而非瞳孔4同心。相应地，经移位的线性扫描线121'（经过靶图案圈111'的经移位的中心118'）现在能够穿过晶状体5的中心14而非瞳孔4的中心。
一些实现可以显示与瞳孔4同心的第一靶图案圈111以及通过对准改进步骤130移位以与晶状体5同心的第二靶图案111'两者。
图8B例示了在高效的对准改进步骤130之后，重复的成像步骤120'可以记录截面y-z图像122'，图像122'示出了晶状体的中心14现在设置在对接单元200的光学轴线202上。另外，在眼与对接单元200的相对转动和移位之后的前囊片段和后囊片段的图像5a'和5p'接近对称，从而表明晶状体的光学轴线16与对接单元200的光学轴线202大致对准。
以这种改进的精度实现对接单元55/200与难以见到的、位移且倾斜的晶状体5的对准（而非与可见的瞳孔4的对准）是图像引导对接方法100的益处之一。
图9例示了相关的图像引导对接方法300的实现可以包括如下步骤：
生成眼的一部分的视频显微镜图像的视频成像步骤310；
基于视频显微镜图像使对接尖端定心的定心步骤320；
生成眼的一部分的OCT图像的OCT成像步骤330；
基于OCT图像确定对接尖端与角膜的距离的定距步骤340；
使用所确定的距离将对接尖端朝向眼角膜移动的移动步骤350；
基于OCT图像确定眼晶状体的位置或定向的确定步骤360；
通过向患者指示口头命令或者调节引导光或移动台架而将对接尖端与眼晶状体对准的对准步骤370；以及
施加抽吸以使对接尖端对接的对接步骤380。
方法300的步骤310-380中的若干步骤可与方法100的对应步骤110-140相类似地进行。另外，定距步骤340可以包括确定眼角膜2与对接尖端之间的距离，其中对接尖端可以是对接单元55或200，或者任意其他患者接口。在该步骤340，与对接尖端的距离可以基于参考点。该参考点可以位于外科激光系统50的光学系统内，例如在物镜54中。该参考点可以是可移动的，并且可以基于各种考虑因素进行调节或偏离。
图10例示了OCT成像系统457以更详细地说明成像步骤的细节。OCT成像系统457可以包括OCT成像单元458和OCT x-y扫描仪459。
OCT成像系统的工作原理是众所周知且被良好记录的。OCT系统457可以是(a)时域、(b)扫频源、或(c)基于OCT的光谱仪。(a)和(b)型OCT成像系统使用窄频带OCT光源410并且沿z方向扫描光束的焦点，由此系统以时间为顺序提供与不同z深度相对应的成像信息。(a)型时域OCT系统移动参考反射镜，而(b)型扫频源OCT系统扫过激光束的波长。
基于OCT系统的(c)型光谱仪利用宽频带OCT成像光源410并且实质上同时地或并行地捕获来自一定z深度范围内图像，这些图像与OCT成像光源的宽频带内的不同波长相对应。由于这种并行成像方面，因此基于光谱仪的OCT系统能够显著快于顺序OCT系统。(b)和(c)型OCT系统有时被称为频域OCT系统。
所有类型的OCT成像单元458都能够包括OCT光源410、OCT参考反射镜413和分束器417。在顺序OCT系统中，对于(a)型时域OCT而言，OCT光源410可以是窄频带激光器，并且参考反射镜413可移动用于z-扫描。对于(b)型扫频源OCT而言，由于光源410的波长是变化的，因此参考反射镜不必是可移动的。对于(c)型并行OCT系统而言，OCT光源410可以发出宽频带成像光。
OCT成像束可由OCT光束x-y扫描仪459引导，经由物镜454和对接单元455引导到眼。OCT x-y扫描仪459能够沿x和y方向在眼内扫描OCT成像束。在顺序OCT系统中，通过移动参考反射镜413或者通过扫过OCT光源410的波长以z扫描光束。在并行OCT系统中，由于不同的波长实质上同时地携带与不同的z深度相对应的成像信息，因此不执行z扫描。
在所有这些系统中，从眼返回的OCT成像束能够在分束器417处与从OCT参考反射镜413返回的参考光束合成一体。这种合并的光束以复杂的干涉图案携带成像信息并由OCT相机420记录。
对于顺序OCT系统，该OCT相机420可以是简单的，例如包括光检测器。对于并行OCT系统，OCT成像单元458可以包括例如棱镜或光栅（未明确示出）的光谱仪，该光谱仪将宽频带成像光分解为其不同波长的分量，并且偏转这些不同波长的分量以区分空间角度。在一些并行OCT系统中，OCT相机420可以包括线性阵列的CCD检测器以捕捉这些具有不同波长的发散光线，这些光线各自承载特定于其自身波长的干涉信息。在其他情况下，可以使用二维CCD阵列。经分解的发散光线的振幅可被记录在OCT相机420的CCD阵列的各独立像素中。一些高分辨率的OCT相机420能够具有数百或甚至数千的像素。
成像过程可由成像同步模块470控制，该成像同步模块470可以从后文说明的输出单元获得其同步信号。来自OCT相机420的图像数据可被转发到由成像同步模块470同步的OCT分析仪480。在并行OCT系统中，OCT分析仪480可以包括处理器以执行快速傅立叶变换（FFT）。FFT将不同波长分量的干涉信息转换成与不同z深度相对应的图像信息。在FFT之后，变换后的OCT图像数据代表与一定z深度范围相对应的图像信息。这一经变换的OCT图像数据可被转发至处理器430，该处理器430能够生成OCT图像并且将所生成的OCT图像朝向显示器490输出。
接下来，将描述解决了一些现有OCT扫描光束控制器的操作困难（接下来描述的）的OCT扫描光束控制器系统。
在一些OCT成像系统中，处理器430可以是多任务的且以交错、并行或重叠的方式执行多于一个的功能。为了执行这些功能，处理器可以通过从例如扫描束的任务变换到另一任务并返回而执行“中断”。这种中断尽管较短但仍会导致问题，这是由于当扫描由中断停止或冻结期间，激光束可被保持为指向同一位置。这种扫描冻结会破坏x-y扫描的定时、将误差和噪声引入成像位置的坐标。在输出的扫描数据中的这种定时误差可能导致可达50、100或更多微秒的延迟：有时被称为抖动的现象。另外，长时间暴露于激光束会导致对敏感眼组织的伤害。
另外，由于处理器典型地通过系统总线与输入/输出代理通信，因此这种输出模式仅能提供了较慢的数据传输速率，这是由于若干代理可能同时访问总线，全都要求其周期时间的一部分。另外，为了管理这些竞争需求，系统总线周期的一部分典型地由控制信号占据。并且如果OCT成像系统被设计为通过处理器以单任务模式例如专用链路将扫描数据输送到输出单元中来避免这种扫描冻结，则处理器在该输出步骤期间不能执行其他功能例如计算下一扫描图案。所有这些设计和限制大大减慢此类系统的性能。
目前描述的OCT扫描光束控制器的实施例可以通过采用高效设计来克服这些困难。OCT扫描光束控制器可以包括处理器430和模拟输入-输出板435。处理器430能够计算用于扫描图案的扫描数据。该扫描数据可以包括例如其中OCT成像束将在扫描过程中被引导到靶区域内的一系列x-y坐标。对于顺序z-扫描OCT系统，扫描数据可以包括x-y-z坐标。如上所述，OCT扫描图案可以是各种各样的图案，包括直线、弧形、环圈、圆形、螺旋形、光栅和网格图案。
处理器430可以计算扫描数据，以及执行其与存储介质相连的其他描述的功能，其中该存储介质存储计算机代码或指令集以有利于处理器的这些功能。
模拟输入-输出电路板435可以包括本地的或专用的存储器控制器440，也被称为直接存储器存取引擎440、或DMA引擎440。DMA引擎/存储器控制器440能够直接或间接地管理所计算的扫描数据从处理器430朝向数据缓冲器450的传输。耦接到本地存储器控制器440的数据缓冲器450能够存储扫描数据并将扫描数据朝向输出数模转换器460或输出DAC460输出。输出DAC460可以耦接至数据缓冲器450，并且能够(i)将所选取的输出扫描数据转换为模拟扫描信号；以及(ii)将扫描信号朝向OCT光束x-y（或x-y-z）扫描仪459输出。
图11例示了OCT扫描光束控制器的实施例。处理器430'可被耦接至总线432，例如PCI总线432。OCT扫描光束控制器还可以包括处理器存储器433。处理器430'可以将所计算的扫描数据输出到处理器存储器433。专用DMA引擎440'能够将扫描数据从处理器存储器433传输到数据缓冲器450'，后者例如可以是先入先出（FIFO）存储器。FIFO缓冲存储器450'可以存储扫描数据且在被提示时将所存储的扫描数据输出到输出DAC460'。在一些实现中，处理器可以通过专用存储器总线或本地总线而非PCT总线432将扫描数据输出到模拟输入-输出板435中。在其他实现中，甚至可以在处理器与DMA引擎440'之间设有直接连接。
与其他系统的上述问题相关地，本OCT扫描光束控制器的实施例由于如下原因而提供了快速扫描操作：(i)FIFO存储器450'能够以不间断的方式输出所存储的扫描数据；(ii)输出模式可以是快速数据传输模式，例如脉冲串模式；以及(iii)输出能够在不通过共用总线432、处理器存储器433或处理器430'发送扫描数据的情况下执行。
出于所有这些原因，扫描数据的输出将不会被竞争任务中断或者以由共用总线432为特征的缓慢数据传输而减慢。
另外，由于FIFO存储器450'驱动扫描数据的输出，因此处理器430'与数据输出并行地自由执行其他功能，例如处理图像，或者计算与扫描图案相对应的新扫描数据，或者执行控制功能。
此外，扫描数据通过数据缓冲器450'向输出DAC460'的输出没有通过处理器430或另一系统代理的中断而减慢，这是由于来自数据缓冲器450'的输出通过位于模拟输入-输出板435上的专用通道而非共用总线432行进。这种实现能够显著地减小抖动，例如将抖动保持为低于50、40、或者甚至20微秒
在一些实现中，输出DAC460'可以将所接收的数字扫描数据转换成模拟扫描信号并将该扫描信号输出到x和y检流计控制器56a和56b，或者控制x和y检流计反射镜或再定向元件的一些其他类型的扫描控制器中，以根据以扫描数据编码的扫描图案来扫描OCT成像束。一些实现可以具有控制能够绕两根轴线旋转的反射镜的一体式x-y检流计控制器。
输出DAC460'还可以将同步信号输出到耦接至OCT成像相机420的成像同步块470'，以与OCT成像束的扫描同步地记录返回的OCT成像束。同步信号能够基于同步数据而由处理器430'嵌入到扫描数据内。
此外，成像步骤120可以包括计算与归位图案相对应的归位数据，其中该归位图案将第一成像步骤的结束点连接到后续的第二成像步骤的起始点。该步骤在其中通过简单的停止扫描数据的输出以结束第一成像步骤从而将扫描x和y检流计56a-b留在非标准位置中且成像束指向非标准靶点的实现中会是有用的。该非标准点典型地与后续的第二成像步骤的起始点不同，从而需要通过计算和输出归位数据而使x和y检流计56a-b“归位”，由此成像束可以从良好限定的起始点开始后续的第二成像步骤。
作为示例，第一成像步骤可以包括沿着第一半径的第一圆扫描成像束的x和y坐标。如果第二成像步骤包括沿着第二半径的第二圆的扫描，则第一扫描步骤可以后接归位数据的计算，其中该归位数据限定从具有第一半径的第一圆扫描的结束点到具有第二半径的第二圆扫描的起始点的路径。
这类实现能够避免将成像束移动回到标准点（例如中心、原点、或其他非偏置点），由此节约了额外的时间并进一步加速扫描操作。
归位数据的计算在其中x和y检流计56a和56b在第一扫描步骤结束时返回到中性位置的实现中也可以是有用的，这是由于其有利于与该中性位置相关地计算第二成像步骤的起始位置。
在一些实现中，输出DAC460/460'的输出速度可以如此之快而使得成像系统457的操作速度可由OCT相机420的积分时间限制。
在一些实现中，输出DAC460/460'能够以如下范围之一内的速率输出扫描信号：1Hz-1MHz、100Hz-1MHz、或1kHz-100kHz。
在一些实现中，用于扫描信号的输出速率可以是根据成像任务和图案的要求可调节的。
一旦完成成像步骤120，对准改进步骤130就可以包括基于眼内部结构（例如晶状体5）的图像向患者提供口头命令。
对准改进步骤130还可以包括提供固定光光束，要求患者看着固定光，并且基于由成像步骤120提供的图像调节该固定光。固定光可以通过激光外科系统50的主光学路径或者通过独立的固定光系统提供到手术眼内。在一些情况下，可将固定光提供至非手术眼。
对准改进步骤130能够(i)在对接单元55/200与眼形成接触之前；(ii)在对接单元55/200与眼形成接触之后但是在施加真空之前；或(iii)在与对接单元55/200相关地施加部分真空（其仍然容许一定程度的对准修改）之后开始。
部分真空或抽吸能够例如通过抽吸环或抽吸裙筒（其可以是对接单元55/200的一部分）进行施加。抽吸可以在眼被带至与该眼的物理接触之后施加。
对接方法100能够执行作为外科过程或诊断过程的一部分。在其他实现中，对接方法100可以是并非作为外科或诊断程序的一部分的成像程序的一部分，例如识别过程。
步骤110-140可以涉及存储在成像系统57中的程序代码或指令集。代码可被存储在例如专用的存储器或作为另一功能模块的一部分的存储器内。对准步骤110可以涉及将代码存储在与视频显微镜56相关的存储器中。成像步骤120可以涉及将由处理器430所生成的扫描图案或扫描数据存储在专用或集成的存储器中，或者将扫描数据存储在数据缓冲器450中。对准改进步骤130可以包括使用存储单元存储生成的图像以基于生成的图像而帮助改进对接单元55与眼1的晶状体的对准。对接步骤140还可以使用所存储的程序来引导和控制对接单元200与眼对接。
图12例示了一种快速成像方法500的实现可以包括：
由处理器430/430'计算扫描控制数据的步骤510；
由存储器430将扫描控制数据存储到处理器存储器433内的步骤520；
通过限定操作参数（例如扫描输出速率）将专用存储器控制器440/440'设置用于扫描操作的步骤530；
至少部分地在专用存储器控制器440/440'的控制下将扫描控制数据从处理器存储器433传输到数据缓冲器450/450'的步骤540；
由专用存储器控制器/DMA引擎440/440'通知处理器430/430'扫描控制数据的传输已经完成的步骤550；
由处理器430/430'指示专用存储器控制器440/440'开始扫描控制数据的快速输出的步骤560；
至少部分地在专用存储器控制器440/440'的控制下将扫描控制数据从数据缓冲器450/450'传输到输出DAC460/460'，输出DAC460/460'将数字扫描控制数据转换为模拟扫描控制信号，并且输出DAC460/460'将模拟扫描控制信号输出到x和y扫描仪56a和56b以及同步块470中的步骤570；
由专用存储器控制器440/440'通知处理器430/430'输出过程完成的步骤580。
在步骤570，从数据缓冲器450/450'传输扫描控制数据能够以快速传输模式执行，例如脉冲串模式、或页模式、或任意类似的快速传输模式。
在步骤570，从数据缓冲器450/450'传输扫描控制数据可以在不通过将本地存储器控制440、处理器430和处理器存储器433相连的总线发送扫描控制数据的情况下执行。
在步骤570，传输步骤还可以包括与处理器430处理图像或计算与扫描图案相对应的扫描数据并行地传输扫描控制数据。
在步骤570，传输步骤还可以包括在不受另一系统代理中断的情况下传输扫描数据，籍此将扫描数据的抖动保持为低于50、40、或20微秒。
在上述方法500的实现600中，上述步骤可被组织为如下步骤：
由处理器计算扫描数据的步骤610可以包括步骤510；
至少部分地通过本地存储器控制器将扫描控制数据存储到数据缓冲器内的步骤620可以包括步骤520、530、540、和550；
将扫描控制数据以快速传输模式从数据缓冲器传输到转换器输出模块的步骤630可以包括步骤560以及步骤570的元素；
将扫描信号输出到扫描控制器（所述扫描信号由转换器输出模块从扫描控制数据转换）的步骤640可以包括步骤570的元素。
尽管本文献包括很多细节，但是这些不应当理解为限制本发明的范围或限制要求权益的范围，而是作为对本发明的具体实现的特定特征的描述。在本文献中在单独实现的背景中描述的某些特征也能够以组合的方式在单个实现中实施。反过来，在单个实现的背景中描述的各种特征也能够在多个实现中单独地或以任意合适的子组合的方式实施。此外，尽管特征可以在以上描述为以特定的组合作用并且甚至初始地如此要求权益，但是来自所要求权益的组合的或多个特征能够在某些情况下组合地实施，并且所要求权益的组合可以涉及子组合或子组合的变化。而且，所述实现的变化和增强、以及其他实现能够基于所描述的进行。

Claims (25)

1.一种眼科系统，包括：
对接单元，被配置为将眼科系统与眼对准；
成像系统，被配置为生成眼内部结构的图像；
成像控制器，包括
计算用于扫描图案的扫描数据的处理器；
部分地管理所计算的扫描数据从处理器向数据缓冲器的传输的本地存储器控制器，其中
数据缓冲器被配置为存储扫描数据且输出扫描数据；以及
耦接至数据缓冲器的输出数模转换器，将所选取的扫描数据转换成模拟扫描信号且输出扫描信号；
所述眼科系统被配置为
与生成的图像相关地改进对接单元与眼的内部结构的对准；以及
将对接单元与眼对接。
2.如权利要求1所述的眼科系统，包括：
被配置为将眼科系统的靶图案相对于眼特征对准的第一成像系统。
3.如权利要求2的眼科系统，其中：
第一成像系统是眼外科显微镜或视频显微镜；
眼科系统的靶图案包括接触透镜的中心、对接单元的中心、对接圆、或对接十字准线中的至少一种；以及
眼特征是如下的至少一种：
虹膜、瞳孔、角膜、角膜缘、或晶状体区域的中心；或者
与虹膜、瞳孔、角膜、角膜缘、或晶状体区域相关形成的圆形。
4.如权利要求1所述的眼科系统，包括：
被配置为生成图像的第二成像系统，其中
所述第二成像系统是光学相干断层成像系统或是被配置为成像眼内部结构的成像系统。
5.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
所述眼科系统被配置为
从所生成的图像提取有关眼内部结构的位置信息；以及
与所提取的位置信息相关地调节眼或对接单元中的至少一个的位置。
6.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
所述眼科系统被配置为
从所生成的图像提取有关眼内部结构的定向信息；以及
与所提取的定向信息相关地调节眼或对接单元中的至少一个的定向。
7.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
处理器被配置为实施扫描图案，所述扫描图案包括线性图案、圆形图案、椭圆形图案、环圈图案、弧形图案、栅格图案、x-y图案、十字准线图案、星形图案、螺旋形图案、和具有远离中心的点的图案中的至少一种。
8.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
处理器被配置为由处理器将同步信号包括到扫描数据内。
9.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
处理器被配置为计算与归位图案相对应的归位数据，所述归位图案连接扫描图案的起始点与在前的设定点。
10.如权利要求1所述的眼科系统，包括：
被配置为存储扫描数据的处理器存储器；以及
被配置为将所存储的扫描数据从处理器存储器传输到数据缓冲器中的专用存储器控制器。
11.如权利要求10所述的眼科系统，其中：
专用存储器控制器包括直接存储器存取引擎；以及
数据缓冲器包括先入先出存储器。
12.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
数据缓冲器被配置为以快速数据传输模式将扫描数据输出到输出模块中。
13.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
数据缓冲器被配置为在不通过如下的至少之一发送扫描数据的情况下将所述扫描数据从数据缓冲器中输出：
连接专用存储器控制器与处理器的总线；
处理器存储器；或者
处理器。
14.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
数据缓冲器被配置为与处理器执行如下的至少之一并行地输出扫描数据：
处理图像；
计算与扫描图案相对应的扫描数据；或者
执行控制功能。
15.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
数据缓冲器被配置为在没有另一系统代理中断的情况下由输出模块接收扫描数据，
藉此将扫描数据的抖动保持为低于40毫秒。
16.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
输出数模转换器被配置为将扫描数据转换成模拟扫描信号。
17.如权利要求1所述的眼科系统，包括：
扫描控制器和成像同步器，被配置为
由所述扫描控制器和所述成像同步器接收所输出的扫描信号，其中扫描信号包括同步信号；
由扫描控制器根据扫描信号反复调节一个或多个扫描仪以扫描成像束；以及
由成像同步器根据同步信号反复同步成像相机。
18.如权利要求17所述的眼科系统，其中：
扫描控制器包括至少一个检流计控制器；以及
成像同步器包括至少一个眼科相干成像相机控制器。
19.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
图像记录装置的积分时间是成像系统操作速度的限制因素。
20.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
扫描信号具有如下范围之一内的速率：
1Hz-1MHz、100Hz-1MHz、或1kHz-100kHz。
21.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
所述输出数模转换器被配置为调节扫描信号的输出的输出速率。
22.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
对接单元是经由移动台架或枢转臂而可移动的。
23.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
所述眼科系统被配置为
在如下时间开始改进对准的步骤
在对接单元与眼形成接触之前，
在对接单元与眼形成接触之后但在向对接单元施加部分真空之前，或者
在施加部分真空之后。
24.如权利要求1所述的眼科系统，其中：
所述眼科系统被配置为
感测在对接单元的参考点与眼的外层之间的距离；以及
根据所感测的距离降低对接单元。
25.如权利要求24所述的眼科系统，其中：
参考点为可调的。
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