CN105142499B - 成像器的自动对准 - Google Patents

Abstract

给出了自动对准成像器的实施例。根据一些实施例，成像系统包括调整台；自动对准光学元件，安装在所述调整台上并耦接用于对物体成像，所述自动对准光学器件包括至少一个视频摄像头，至少一个视频摄像头用于提供所述物体的图像；成像扫描光学器件，安装在所述调整台上并耦接用于扫描所述物体；成像器，耦接到所述成像扫描光学器件；以及处理器，耦接到所述调整台和自动对准光学器件，所述处理器执行指令以接收所述物体的图像并调整所述调整台从而将所述光学器件与成像扫描光学器件对准。

Description

成像器的自动对准

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年2月27日提交的美国临时申请No.61/770,289以及2014年2月27日提交的美国非临时申请No.14/191,973的优先权，其中通过全文引用将上述申请合并于此。

技术领域

本发明的实施例涉及成像，具体地，涉及自动或半自动地操作以产生图像的成像器。

背景技术

成像技术不断地在多种评估技术中起到重要作用。例如，光学相干断层成像(OCT)从10多年前由大多数视网膜专家和专业机构采用的眼科成像设备发展为在许多眼科专家和验光师的办公室中使用的日常临床工具。大部分伴有一些眼部状况症状的患者来到所述办公室，其中可通过OCT成像器检测这些症状。近年来，由OCT技术检查出的患者数突飞猛涨。另一方面，在小型诊所环境下的操作员在使用高级眼科成像系统方面往往经验较少且不熟悉。通常，操作员没有经验导致OCT成像的效率较低且检查时间过长，这样限制了对这种仪器的使用。

传统OCT设计需要操作员熟练地使用用于将扫描仪光学器件与患者眼睛对准并在捕获图像之前优化OCT信号强度和位置的操控杆。通常需要多个步骤来对准所述系统和优化OCT信号。这种对准和优化需要操作员在非常短的时间内(特别是在患者由于检查而感到疲劳之前)执行多个对准和优化步骤。这种处理通常需要大量训练，并依赖于操作者获取所需技能的经验。

因此，需要研发易于使用并需要较短检查时间的成像器(诸如，OCT成像器)。

发明内容

根据本发明的多个方面，提供了一种提供自动对准的成像器。根据一些实施例的成像系统包括：调整台；自动对准光学器件，安装在所述调整台上并耦接用于对物体成像，所述自动对准光学器件包括至少一个视频摄像头，用于提供所述物体的图像；成像扫描光学器件，安装在所述调整台上并耦接用于扫描所述物体；成像器，耦接到所述成像扫描光学器件；以及处理器，耦接到所述调整台和自动对准光学器件，所述处理器执行指令以接收所述物体的图像并调整所述调整台从而将所述光学器件与成像扫描光学器件对准。

根据本发明的一些实施例的对准成像系统的方法包括：将来自远端摄像头的物体的远端摄像头图像接收到处理器中，所述远端摄像头通过非远心(telecentric)光学器件耦接到所述物体；处理器通过基于在远端摄像头图像中检测到的特征，相对于所述物体调整安装有远端摄像头和非远心光学器件的台，来将所述物体置于中心；以及所述处理器将所述台向所述物体移近，直到所述物体在远端摄像头图像中已经达到预定尺寸为止。

以下结合附图进一步描述上述和其他实施例。

附图说明

图1A示出了根据本发明的一些实施例的自动对准成像器。

图1B是根据本发明的一些实施例的自动对准光学元件与OCT成像器的示意图。

图1C是图1A和1B所示的成像扫描光学器件的示意图。

图2示出了由图1所示的远端摄像头检测到的眼睛图像。

图3示出了由图1所示的近端摄像头检测到的眼睛图像。

图4A和4B示出了根据本发明的一些实施例的自动对准成像系统的流程图。

附图并非是按比例的，也不表示可以根据组件的相对尺寸进行推断。相同附图标记的组件表示相同或相似的功能。

具体实施方式

在以下描述中，提供了描述本发明的一些实施例的具体细节。然而，本领域技术人员显而易见的是可以实现一些实施例而无需这些具体细节中的一部分或全部。这里所公开的具体实施例仅是示意性的，而并非限制性的。本领域技术人员可以认识到尽管文中没有具体描述、但是在本公开的范围和精神内的其他元件。

不应将描述本发明的多个方面和实施例的描述和附图理解为限制性的——由权利要求来限定所保护的发明。可以进行多种改变，而不脱离这种描述和权利要求的精神与范围。在一些实例中，为了不混淆本发明，未示出或详细描述公知的结构和技术。

下文所述的实施例用于描述和进一步示出本发明的一些方面，而不应将其理解为限制本发明的范围。作为具体示例，下方待检查的物体是眼睛。应仅将其理解为便于描述的方式，而不是限制本发明的应用。因此，当使用术语“眼睛”时，可以取而代之地寻求更一般的透明且散射的物体或组织。此外，已经关于OCT系统描述了具体实施例。然而，应理解的是，还可以使用其他成像系统且对OCT系统的讨论仅是为了方便。尽管文中详细示出并描述了包含本教义的多种实施例，然而本领域普通技术人员可以容易地设想出包括这种主旨发明教义的其他多种实施例。

根据本发明实施例的多个方面，对成像器的手动操作被针对患者眼睛的自动对准扫描仪光学器件代替，可以执行自动优化成像器信号强度和位置以及自动捕获并存储图像。因此，公开了一种可以在非侵入式光学成像和测量设备(诸如，OCT成像器)中使用的自动患者眼睛对准系统和方法。尽管贯穿以下描述，描述了OCT成像器，然而本发明不限于OCT成像器，并可以结合其他非侵入式光学成像系统使用。

图1A示出了根据本发明的一些实施例的自动对准成像器系统150。如图1A所示，在分束器101中合并来自成像扫描光学器件102和自动对准光学器件120的光线，并通过透镜系统100将其导向患者的眼睛122。如图1A所示，扫描光学器件102、对准光学器件120、分束器101和透镜系统100安装在XYZ平移台134上，其中通过XYZ驱动电机124来驱动XYZ平移台134。通过处理器128来驱动XYZ驱动电机124，从而控制XYZ台134的定位。处理器128可以是任何处理器系统，并通常包括一个或更多个微处理器以及相关的易失性和非易失性存储器和数据存储驱动。处理器128还可以与用户界面130和数据存储设备132耦接，其中用户界面130提供视频输出和操作员输出，数据存储设备132可以包括用于存储图像和其他数据的可移除介质。

如图1A所示，处理器128从对准光学器件120中的远端摄像头和近端摄像头接收眼睛图像，并处理该图像以便相对眼睛122定位XYZ台134。此外，处理器128从成像器126接收数据以便优化来自成像器126的图像。一旦完成对准，成像器126可以获取图像，处理器128可以将该图像显示在用户界面130上并将该图像存储到数据存储设备132。在一些实施例中，一旦完成对准，处理器128可以脱离对准光学器件120，以便不干扰成像器128的成像处理和扫描光学器件102。

图1B示出了对准光学器件128和成像器126的示例。如图1B所示，成像器126是OCT成像器，但是如上所述，可以使用其他成像器。如图1B进一步所示，分束器101合并由OCT扫描光学器件102提供的光线和由自动对准光学器件120提供的光线，并通过光学器件100将所述组合导向眼睛122。

在图1B所示的示例中，成像器126是OCT干涉仪，包括光源201、耦合器202、光谱仪和检测器206以及安装在电机化的台204上的参考镜205。如图1B所示，安装在检测臂208中的偏振控制器203可以包括一个或更多个偏振轮，其中由单独电机驱动所述一个或更多个偏振轮。

如图1B所示，对准光学器件120包括在分束器108处分隔的两个成像路径。以远端摄像头110结束的远端路径在远端位置98对眼睛120进行成像。近端路径以近端摄像头111结束，其中如果眼睛122位于近端位置99，则近端摄像头111对眼睛122进行成像。在一些实施例中，可以在透镜100和近端位置99之间的扫描头中设置LED，并将LED布置为在眼睛122上提供光线图案(light pattern)，其中所述光线图案被反射回到摄像头110和111。将眼睛122与扫描仪光学器件对准的第一步在于相对眼睛122定位远端摄像头110。然后，处理器128可以打开远端摄像头110，并从远端摄像头1110接收远端摄像头图像。远端摄像头110的初始视场应是足够大的，以便允许摄像头110容易观察到眼睛122。用于在远端摄像头110中进行成像的光学设计可以是数值孔径较小的非远心光学系统。

图1B示出了在眼睛122和远端摄像头110之间的数值孔径较小的非远心光学系统的示例。位置98处的眼睛处于远距离位置。眼睛122可以通过透镜系统100进行成像、经分束器101反射、通过透镜组103、通过分束器108并通过透镜组104到达远端摄像头110的传感器。由于受孔径112控制的较小数值孔径，光学器件向远端摄像头110提供较长焦深，以便观看眼睛122。即使眼睛122和从透镜系统100开始的扫描仪光学器件之间的距离在较大范围距离上改变，该眼睛图像仍靠近焦点。然而，由于这是非远心系统，如图1B所示，光扇图(rayfan)113并非彼此平行，随着眼睛122和透镜系统100或扫描光学器件102之间的距离改变，视场改变。

图2A、2B和2C示出了眼睛122与远端摄像头110相距三个距离的图像。图2A是眼睛122在远距离处的来自远端摄像头110的图像。图2B是当眼睛122处于近距离处时来自远端摄像头110的图像。图2C是当眼睛122处于所需工作距离处时来自远端摄像头110的图像。所有三个图像均是焦点对准的，使得运行在处理器128上的图像算法可以容易地检测眼睛上的特征(例如，眼睛122的瞳孔250或虹膜254)的尺寸。此外，对照明LED的反射(该示例中，六个亮点252)在图像中是可视的。根据这些特征的尺寸和位置，可以获得距离信息。此外，由于眼睛122的图像是焦点对准的，可以通过在处理器128上运行的图像处理算法来确定眼睛瞳孔152的中心。利用所述距离和中心信息，处理器128可以引导XYZ台134将扫描仪光学器件(例如，透镜系统100)向眼睛122移近。在一些实施例中，处理器128移动XYZ台134，直到在由远端摄像头110捕获的图像中的眼睛122的尺寸为具体预定尺寸为止，或在一些情况下，直到该图像过大，并且眼睛上的特征在远端摄像头110的视场之外为止。此时，处理器128可以移动XYZ台134以便使用由远端摄像头110检测到的图像来实现粗略对准。

在一些实施例中，一旦使用远端摄像头110完成了粗略对准，关闭远端摄像头110并激活近端摄像头111以便继续对扫描仪光学器件位置进行精细调节。在一些实施例中，近端摄像头111的光学器件是数值孔径较大的远心光学系统。此时，眼睛122位于位置99，靠近所需工作距离位置。通过透镜100对眼睛122进行成像、经由分束器101反射、通过透镜组103、通过分束器108反射、并穿过透镜组105，以形成中间图像109。然后，中间图像109被透镜组106和透镜组107中继到近端摄像头111的传感器。由于受孔径108的控制的较大数值孔径，在近端摄像头111处的焦深非常短。换言之，眼睛122在近端摄像头111处的图像只有在限睛122与从透镜系统100开始的扫描仪光学器件相距所需工作距离时，才是焦点对准的。此外，由于图像所经过的以到达近端摄像头111的光学器件基本是远心的，因此放大倍数是恒定的，并且当眼睛122不处于所需位置时眼睛图像尺寸基本不改变。这种独特特征允许在处理器128上运行的成像算法使用图像的焦点，确定眼睛122与扫描仪光学器件的距离。因此，处理器128可以使用对XYZ台134的定位以便聚焦来自近端摄像头111的图像。

图3A和3B示出了来自近端摄像头111的眼睛122的图像以及眼睛122与近端眼睛摄像头111的距离对眼睛图像的影响。图3A示出了不处于所需工作距离但处于与图2B所示距离相同距离的眼睛122。图3B示出了处于所需工作距离处的患者眼睛。近端摄像头111由于数值孔径较大而对到眼睛122的距离非常敏感，所以可以将其用于以高精度来精细调谐患者的工作距离。

因此，根据一些实施例，通过使用来自远端摄像头的图像，可以相对眼睛122将扫描仪光学器件从图2A所示的远端距离移动到图2C所示的近端距离。然后，关闭远端摄像头110，并激活近端摄像头111以便获取图3A所示的图像。然后，将扫描光学器件移动到所需工作距离，并对其进行精细调谐以便得到图3B所示的聚焦图像。这些步骤自动地将患者眼睛与可供图像扫描(诸如，OCT扫描)的位置进行对准。

为了获取OCT图像，需要调整参考臂207到干涉仪的参考镜205的光路长度，直到它匹配样本臂208到眼睛122的光路长度。可以通过电机化参考镜安装部件204来实现该操作，在一些实例中可以由处理器128来驱动所述参考镜安装部件204。此时，激活成像器126和扫描光学器件102，处理器128驱动电机化的镜安装部件204，直到在检测器206中接收到OCT图像。

在获得OCT图像之后，下一步骤是优化OCT信号强度。通过调整扫描光学器件102来部分实现该操作。图1C示出了扫描光学器件102的实施例。如图1C所示，扫描光学器件102包括扫描镜150和152以及可调整的光纤准直透镜154。扫描镜150和152在眼睛122上扫描定义图案的光束。通过调整光纤准直透镜154以便将OCT光束聚焦在眼睛122上，处理器128可以最大化OCT信号。可以通过检查整体OCT信号强度并调整光纤准直透镜154来最大化OCT信号强度，来确定令OCT信号最大化的准直透镜154的位置。

在使用准直透镜154优化焦点之后，还可以通过优化OCT光束的偏振，来进一步最大化OCT信号。可以通过旋转偏振控制器203直到使信号强度最大化，来实现该目的。图1B在样本臂208中示出了偏振控制器203，然而，偏振控制器还可以在参考臂207中。最终，可能由于眼睛122中的扫描束光路长度在眼睛122两侧是不同的，而导致OCT图像向一侧倾斜。可以通过横向移动瞳孔平面上的扫描束位置，直到OCT图像水平，来进行调整。处理器128可以调整转向镜150和152的位置，以便调整所得图像的倾斜。

图4A和4B示出了根据本发明的一些实施例的可以由处理器128执行以便实现自动对准的算法400。如图4A所示，在可以开始算法400之前，通常在成像系统150的操作员的指导下执行过程450。过程450以步骤452开始，在步骤452中，相对成像系统150对患者进行定位，具体地，相对成像系统150粗略地对眼睛122进行定位。在步骤454，操作员进行检查以便确保眼睛122对于远端摄像头110是可视的。如果不是，则在步骤456指导患者看固视灯并在步骤452进行重新定位。如果眼睛122对于远端摄像头110是可视的，则可以执行算法400。在执行算法400之后，在执行实现算法400的指令的处理器128的指导下，自动地进行进一步调整。

在步骤402，开始自动对准算法400。在一些实施例中，可以在相对系统150对患者进行定位之后，由系统150的操作员来启动算法400。

在步骤404，使用来自远端摄像头110的眼睛122的图像，处理器128通过移动XYZ台134来例如将瞳孔250与系统150的光轴进行对准，来将眼睛122置于中心。一旦将眼睛122置于中心，算法400移动到步骤406。在步骤406，处理器128移动XYZ台134，使得透镜系统100靠近眼睛122。逐渐地完成这种运动，使得在首次渐进步骤之后，算法400进行到步骤408，以便检查眼睛122是否被适当地布置为靠近透镜系统100。在步骤408，如果眼睛122的特征增加到预定尺寸，则算法400进行到步骤410，否则，算法400返回到步骤406，其中处理器128再次将XYZ台134向眼睛122移近。

在步骤410，关闭远端摄像头110，并激活近端摄像头111。在该步骤，使用来自近端摄像头111的图像开始精细对准。在步骤412，处理器128相对眼睛122移动XYZ台134。在步骤414，处理器128确定从近端摄像头111接收到的图像是否是可用的最佳焦点。如果不是，则算法400返回到步骤412以便相对眼睛122沿增大焦点的方向移动XYZ台134。

如果实现了对来自近端摄像头111的图像进行聚焦，则算法134进行到步骤416。在步骤416，通过处理器128分析来自近场摄像头111的图像，以便定位眼睛122的特征，并将该特征用于移动XYZ台134，使得眼睛122置于中心。

在步骤416之后，成像器系统150与眼睛122光学对准。可以关闭近场111，如步骤418所示，成像器系统150准备开始成像。在文中提供的示例中，如上所述，成像器是OCT成像器，因此，成像器系统150是OCT系统。然而，可以使用其他成像系统。

在步骤420，启动OCT成像器126，并激活扫描光学器件102。如图1A和1B所示，处理器128接收来自光谱仪和检测器206的OCT数据。在监控来自光谱仪和检测器206的信号的同时，处理器128可以通过调整电机化的安装部件204，直到实现OCT图像，来调整参考镜205的位置。如图4B所示，在步骤422，调整参考镜205的位置，并在步骤424，处理器128确定是否实现了OCT图像并且是否正确定位。一旦实现了OCT图像，算法400进行到步骤426。

在步骤426，处理器128调整准直器和透镜，以便最大化OCT信号。一旦完成了调整，算法400进行到步骤428，在步骤428中调整偏振器203以便最大化OCT信号。一旦调整了偏振器，算法400进行到步骤430和432。在步骤430，调整OCT光束；在步骤432，处理器128进行检查以便确保所产生的OCT图像是水平的。

一旦完成对OCT成像器126的调整，算法400准备捕获OCT图像，如步骤434中所示。因此，在步骤436，捕获并存储OCT图像。

如图4A和4B所示，一旦操作员定位出在成像系统150前方的患者，成像系统150自动将其自身与眼睛122对准，调整成像器126，并捕获图像，而无需来自操作员的其他输入。对患者进行定位可以如同令患者就坐在成像系统150前方(其中，其头部对着安装部件，其眼部对着目镜)一样简单。

以上详细描述用于示出本发明的具体实施例，而并非用于限制。在不脱离本发明的范围的情况下，有可能进行多种变型和修改。在以下权利要求中阐述了本发明。

Claims (11)

1.一种成像系统，包括：

调整台；

自动对准光学器件，安装在所述调整台上并耦接用于对物体成像，所述自动对准光学器件包括远端摄像头和近端摄像头；

成像扫描光学器件，安装在所述调整台上并耦接用于扫描所述物体；

成像器，耦接到所述成像扫描光学器件；以及

处理器，耦接到所述调整台和所述自动对准光学器件，所述处理器执行指令以：

从所述远端摄像头接收远端摄像头图像；

基于所述远端摄像头图像移动所述调整台以实现粗略对准；

从所述近端摄像头接收近端摄像头图像；

基于所述近端摄像头图像移动所述调整台以实现精细对准；以及

将所述自动对准光学器件与所述成像扫描光学器件对准。

2.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述自动对准光学器件包括所述远端摄像头和所述物体之间的非远心光路并包括所述近端摄像头和所述物体之间的远心光路。

3.根据权利要求2所述的成像系统，其中，所述粗略对准包括：

基于所述远端摄像头图像将所述物体置于中心；以及

基于所述远端摄像头图像对物距进行定位。

4.根据权利要求1所述的成像系统，其中，所述处理器还执行指令以：

相对于所述物体调整所述成像器；以及

从所述成像器捕获图像。

5.根据权利要求4所述的成像系统，其中，所述成像器是OCT成像器，并且用于调整所述成像器的指令包括：调整参考镜在参考臂中的位置以获得OCT图像。

6.根据权利要求5所述的成像系统，其中，用于调整所述成像器的指令还包括：调整偏振以使OCT信号最大化。

7.根据权利要求5所述的成像系统，其中，用于调整所述成像器的指令还包括：调整所述OCT图像相对于所述物体的倾斜。

8.根据权利要求3所述的成像系统，其中，调整所述调整台以将物体置于中心包括：确定所述物体的特征并调整所述调整台以对所述特征进行定位。

9.根据权利要求8所述的成像系统，其中，所述特征是眼睛的瞳孔。

10.一种对准成像系统的方法，包括：

处理器从远端摄像头接收物体的远端摄像头图像，所述远端摄像头通过第一组光学器件耦接到所述物体；

所述处理器通过基于在所述远端摄像头图像中检测到的特征，相对于所述物体调整在其上安装有所述远端摄像头和所述第一组光学器件的台，来将所述物体置于中心；

基于所述远端摄像头图像来调整所述台以对物距进行定位；

所述处理器从近端摄像头接收物体的近端摄像头图像，所述近端摄像头通过第二组光学器件耦接到所述物体；

调整所述台以对所述近端摄像头图像进行聚焦；以及

基于所述近端摄像头图像来调整所述台以将所述物体置于中心。

11.根据权利要求10所述的对准成像系统的方法，其中所述第一组光学器件是非远心光学器件，第二组光学器件是远心光学器件。