CN112587303B - 一种基于双模式图像调整激光眼科手术系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于医疗设备和器械领域，公开了基于双模式图像调整激光眼科手术系统，其包括光纤振荡器、三维振镜扫描单元、谱域光学相干层析成像单元、扫频光学相干层析成像单元、光纤耦合器、光学引导单元、图像分析处理单元和控制单元，本发明提供的手术系统将谱域光学相干层析光路和扫频光学相干层析光路通过光纤耦合器构建一对相互协调工作的结构，能够快速的采集高分辨率、从眼角膜至眼底视网膜的清晰图像信息，实时地将激光脉冲精确定位并根据采集的图像信息制定新的手术方案，从而能够提高手术的精确度和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备和器械领域，尤其涉及一种基于双模式图像调整激光眼科手术系统。
背景技术
近年来，飞秒激光技术被引入医学眼科领域，其应用原理是利用其极短的脉冲宽度，较小的光脉冲能量获得极高的峰值功率以及具有极强聚焦能力，可以在生物组织内完成精确的切割。
目前使用光学相干断层成像系统进行眼组织内部结构成像来引导飞秒激光眼科手术，光学相干层析技术具有非接触、无辐射、高探测灵敏度、无损伤的特点，光学相干层析技术已经成为眼科手术中测量人眼结构的标准技术。但是眼科术中存在各种误差：激光控制器可能因各种原因误算了激光脉冲的位置，包括光学像差、激光的制造公差问题、晶状体的屈光属性的错误特性描述、术前诊断误差、眼睛的移动或属性改变、和组件的热力蠕变；眼睛是动态系统，前房与后房中的压力差可以随时间改变；晶状体曲率因手术调节而改变，等等。误差的存在导致手术精确度降低，安全性能降低，病人承受很大精神压力。如何使用光学相干断层成像系统快速的采集高分辨率、从眼角膜至眼底视网膜的清晰图像信息，实时地将飞秒激光脉冲精确定位并根据采集的图像信息制定新的手术方案，缩短手术时间，提高手术的精确度和安全性，对于飞秒激光眼科手术具有非常迫切应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双模式图像调整激光眼科手术系统，其旨在解决现有眼科术中存在各种误差导致手术精确度降低，手术安全性能降低的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供的方案是：
一种基于双模式图像调整激光眼科手术系统，包括通过光纤传输线路连接的光纤振荡器、三维振镜扫描单元、成像单元、光学引导单元、图像分析处理单元和控制单元，所述成像单元包括谱域光学相干层析成像单元和扫频光学相干层析成像单元；
所述光纤振荡器发射的第一脉冲激光束经光纤传输线路进入所述三维振镜扫描单元后进入所述光学引导单元，所述光学引导单元将所述第一脉冲激光束引导至第一眼组织靶区域；
所述三维振镜扫描单元扫描所述第一眼组织靶区域位置和定向信息，并传输给所述图像分析处理单元，所述谱域光学相干层析成像单元发出的成像光束和扫频光学相干层析成像单元发出的成像光束耦合入所述光纤耦合器，并经三维振镜扫描单元和所述光学引导单元引导至所述第一眼组织靶区域，所述谱域光学相干层析成像单元和扫频光学相干层析成像单元采集所述第一眼组织靶区域实时信息，并传输给所述图像分析处理单元；
所述图像分析处理单元根据所述三维振镜扫描单元采集的第一眼组织靶区域位置和定向信息生成目标区域的第一扫描图案，并根据所述谱域光学相干层析成像单元和扫频光学相干层析成像单元采集第一眼组织靶区域实时信息生成第一实时图像信息并显示，所述控制单元根据所述第一扫描图案和所述第一实时图像信息调整所述第一脉冲激光束并形成第一手术区域。
作为一种改进方式，所述光学引导单元还将所述第一脉冲激光束引导至第二眼组织靶区域；
所述三维振镜扫描单元还扫描第二眼组织靶区域位置和定向信息，并传输给所述图像分析处理单元，所述谱域光学相干层析成像单元和扫频光学相干层析成像单元还采集所述第二眼组织靶区域实时信息，并传输给所述图像分析处理单元；
所述图像分析处理单元根据所述三维振镜扫描单元采集的第二眼组织靶区域位置和定向信息生成目标区域的第二扫描图案，并根据所述谱域光学相干层析成像单元和扫频光学相干层析成像单元采集所述第二眼组织靶区域实时信息生成第二实时图像信息并显示，所述控制单元根据所述第二扫描图案和所述第二实时图像信息调整第二脉冲激光束并形成第二手术区域。
作为一种改进方式，所述谱域光学相干层析成像单元的宽带光源中心波长为840nm，所述扫频光学相干层析成像单元的扫频光源中心波长为1310nm。
作为一种改进方式，所述成像单元的成像范围为4mm-8mm，成像时间为0.01-0.1秒，帧率为 50-100 帧/秒，成像深度为7-10mm，成像分辨率为5-7.5μm。
作为一种改进方式，所述引导单元包括通过光纤传输线路连接的二向分光镜、准直透镜和聚焦透镜，所述二向分光镜、所述准直透镜和所述聚焦透镜沿光路依次设置。
作为一种改进方式，所述图像分析处理单元用于确定所述第一脉冲激光束之前得到的参考图像与在所述第一脉冲激光束生成所述第一手术区域之后得到的图像之间的差，并显示确定的差的指示。
作为一种改进方式，所述图像分析处理单元用于显示手术区域、定向和形状中的至少一个偏差并显示，且所述图像分析处理单元还用于显示手术区域是否进入风险区域中。
作为一种改进方式，所述光纤振荡器为飞秒光纤振荡器。
作为一种改进方式，所述基于双模式图像调整激光眼科手术系统还包括与所述光纤振荡器连接的激光能量检测单元，所述激光能量检测单元用于检测所述光纤振荡器发射出的脉冲激光束的能量。
本发明提供的基于双模式图像调整激光眼科手术系统将谱域光学相干层析光路和扫频光学相干层析光路通过光纤耦合器构建一对相互协调工作的结构，两者配合的光学相干断层成像系统能够快速的采集高分辨率、从眼角膜至眼底视网膜的清晰图像信息，实时地将激光脉冲精确定位并根据采集的图像信息制定新的手术方案，从而能够提高手术的精确度和安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于双模式图像调整激光眼科手术系统的结构示意图。
附图标号说明：
1、飞秒光纤振荡器；2、三维振镜扫描单元；3、谱域光学相干层析成像单元；4、扫频光学相干层析成像单元；5、光纤耦合器；6、光学引导单元；61、二向分光镜；62、准直透镜；63、聚焦透镜；7、图像分析处理单元；8、控制单元；9、激光能量检测单元；10、人眼；11、光纤传输线路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1，本发明实施例提供的一种基于双模式图像调整激光眼科手术系统，其将谱域光学相干层析光路和扫频光学相干层析光路通过光纤耦合器5构建一对相互协调工作的结构，两者配合的光学相干断层成像系统能够快速的采集高分辨率、从眼角膜至眼底视网膜的清晰图像信息，实时地将飞秒激光脉冲精确定位并根据采集的图像信息制定新的手术方案，从而能够提高手术的精确度和安全性。
基于双模式图像调整激光眼科手术系统包括通过光纤传输线路11连接的飞秒光纤振荡器1、三维振镜扫描单元2、成像单元、光纤耦合器5、光学引导单元6、图像分析处理单元7和控制单元8，成像单元包括谱域光学相干层析成像单元3和扫频光学相干层析成像单元4，其中，
飞秒光纤振荡器1发射的第一飞秒脉冲激光束经光纤传输线路11进入三维振镜扫描单元2后进入光学引导单元6，光学引导单元6将第一飞秒脉冲激光束引导至第一眼组织靶区域（图1中标号10为人眼）。
三维振镜扫描单元2扫描第一眼组织靶区域位置和定向信息，并传输给图像分析处理单元7，谱域光学相干层析成像单元3发出的成像光束和扫频光学相干层析成像单元4发出的成像光束耦合入光纤耦合器5，并经三维振镜扫描单元2和光学引导单元6引导至第一眼组织靶区域，谱域光学相干层析成像单元3和扫频光学相干层析成像单元4采集第一眼组织靶区域实时信息，并传输给图像分析处理单元7。
图像分析处理单元7根据三维振镜扫描单元2采集的第一眼组织靶区域位置和定向信息生成目标区域的第一扫描图案，并根据谱域光学相干层析成像单元3和扫频光学相干层析成像单元4采集第一眼组织靶区域实时信息生成第一实时图像信息并显示，控制单元8根据所述第一扫描图案和第一实时图像信息调整第一飞秒脉冲激光束并形成第一手术区域。
可以理解的是，谱域光学相干层析成像单元3和扫频光学相干层析成像单元4生成的图像引导飞秒脉冲激光束进行手术，控制单元8可以沿着扫描图案的位置、定向信息继续扫描所述的飞秒脉冲激光束。如果存在偏差，控制单元8可以生成修改的指令并控制激光三维扫描振镜以修改的指令扫描所述的飞秒脉冲激光束而形成新的手术区域。
优选地，图像分析处理单元7用于确定第一飞秒脉冲激光束之前得到的参考图像与在所述第一飞秒脉冲激光束生成所述第一手术区域之后得到的图像之间的差，并显示确定的差的指示。
进一步地，图像分析处理单元7用于显示手术区域、定向和形状中的至少一个偏差并显示，且所述图像分析处理单元7还用于显示手术区域是否进入风险区域中。
谱域光学相干层析成像单元3和扫频光学相干层析成像单元4成像各有特点，扫频光学相干层析成像单元4具有扫描速度快、扫描深度大的特点，能够实现对人眼结构进行全眼实时动态成像，但是分辨率不高。谱域光学相干层析成像单元3具有高分辨率、高精度的特点，能够获得高分辨率、高精度、高清晰度的全眼三维图像信息，但是成像深度不够。因此，可以构建双模式扫描成像系统，从而实现获取高分辨率、从眼角膜至眼底视网膜的清晰图像信息，实时地将飞秒激光脉冲精确定位并根据采集的图像信息制定新的手术方案的目的。扫频光学相干层析成像单元4和谱域光学相干层析成像单元3并非单独进行工作，两者之间构建一对相互协调工作的结构，即两者相互配合工作而实现高分辨率、高精度三维成像。光学相干断层成像系统快速的采集高分辨率、从眼角膜至眼底视网膜的清晰图像信息，实时地将飞秒激光脉冲精确定位并根据采集的图像信息制定新的手术方案，从而确保术前高精度检测，术中全眼的实时三维成像和实时动态调整飞秒脉冲激光光束聚焦眼组织的位置。
本发明实施例的基于双模式图像调整激光眼科手术系统成像速度快，成像时间短，意味着可以生成可以提供关于眼科手术进程的及时且因此有用的反馈给医生的图像使得医生可以响应于反馈修改手术过程，可以在进行人眼结构成像过程中可实时观察。在进行飞秒激光辅助眼科手术中，医生可以实时观察患者手术进程，同时两种光学相干层析测量系统协调工作对人眼结构实时成像，能同时完成人眼结构三维模型成像和手术实施过程观察。而且，本发明实施例的光路是通过光纤连接的，不是通过镜片来连接的，因此光路更加简单、更加柔性。
需要说明的是，因为要实现全眼的三维实时成像，所以从眼表的角膜区域至眼中段的晶状体再至眼底的视网膜都需要扫描成像，根据实时三维图像信息以及三维激光振镜扫描系统采集的实时位置和定向信息，飞秒光纤振荡器1实时发出飞秒脉冲激光束形成手术区域，如果病人同时患有多种眼科疾病，就会形成多个手术区域。
也就是说，三维振镜扫描单元2还扫描第二眼组织靶区域位置和定向信息，并传输给图像分析处理单元7，谱域光学相干层析成像单元3和扫频光学相干层析成像单元4还采集第二眼组织靶区域实时信息，并传输给图像分析处理单元7；
图像分析处理单元7根据三维振镜扫描单元2采集的第二眼组织靶区域位置和定向信息生成目标区域的第二扫描图案，并根据谱域光学相干层析成像单元3和扫频光学相干层析成像单元4采集第二眼组织靶区域实时信息生成第二实时图像信息并显示，所述控制单元8根据所述第二扫描图案和所述第二实时图像信息调整第二飞秒脉冲激光束并形成第二手术区域。
优选地，谱域光学相干层析成像单元3的宽带光源中心波长为840nm， 谱域光学相干层析成像单元扫频光学相干层析成像单元4的扫频光源中心波长为1310nm。
成像单元的成像范围为4mm-8mm，成像时间为0.01-0.1 秒，帧率为 50-100 帧/秒，成像深度为7-10mm，成像分辨率为5-7.5μm。
可以理解的是，谱域光学相干层析成像单元3和扫频光学相干层析成像单元4组成的成像系统从全部z深度同时平行收集(x,y)点处的图像数据，从不同深度收集图像数据的平行或同时属性，通过使用复杂图像辨识和处理电路整合相邻深度图像生成具有较大范围的单个图像。
可以理解的是，实况视频图像通常使用的刷新速率是约24帧/秒。因此，50-100帧/秒的刷新速率或帧率提供图像的成像系统可以提供高分辨率的实况图像给医生。而帧率或刷新速率远小于20到25帧/秒的系统可能不被视为实况视频成像，而是被视为不稳定、跳跃图像，可能甚至使医生从眼科手术分散注意力。
因此，通过两种相干光学成像系统的协调工作，扫频光学相干层析成像单元4可以达到成像深度7-10mm，可以完成从角膜至晶状体至眼底视网膜的整个全眼的图像信息的采集并成像，而谱域光学相干层析成像单元3可以达到成像分辨率5-7.5μm，可以提供清晰度搞的全眼的图像信息，解决现有技术中无法兼顾深度、高分辨率的人眼结构成像的问题，可实现术前高精度检测，术中全眼实时成像，提高手术的精确性和安全性。
优选地，引导单元包括通过光纤传输线路11连接的二向分光镜61、准直透镜62和聚焦透镜63，二向分光镜61、准直透镜62和聚焦透镜63沿光路依次设置。
可以理解的是，成像束和飞秒脉冲激光束可以通过相同的光学引导单元6扫描或者引导。
优选地，基于双模式图像调整激光眼科手术系统还包括与飞秒光纤振荡器1连接的激光能量检测单元9，激光能量检测单元9用于检测飞秒光纤振荡器1发射出的飞秒脉冲激光束的能量。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于双模式图像调整激光眼科手术系统，其特征在于，包括通过光纤传输线路连接的光纤振荡器、三维振镜扫描单元、成像单元、光纤耦合器、光学引导单元、图像分析处理单元和控制单元，所述成像单元包括谱域光学相干层析成像单元和扫频光学相干层析成像单元；
所述光纤振荡器发射的第一脉冲激光束经光纤传输线路进入所述三维振镜扫描单元后进入所述光学引导单元，所述光学引导单元将所述第一脉冲激光束引导至第一眼组织靶区域；
所述三维振镜扫描单元扫描所述第一眼组织靶区域位置和定向信息，并传输给所述图像分析处理单元，所述谱域光学相干层析成像单元发出的成像光束和扫频光学相干层析成像单元发出的成像光束耦合入所述光纤耦合器，并经三维振镜扫描单元和所述光学引导单元引导至所述第一眼组织靶区域，所述谱域光学相干层析成像单元和扫频光学相干层析成像单元采集所述第一眼组织靶区域实时信息，并传输给所述图像分析处理单元；
所述图像分析处理单元根据所述三维振镜扫描单元采集的第一眼组织靶区域位置和定向信息生成目标区域的第一扫描图案，并根据所述谱域光学相干层析成像单元和扫频光学相干层析成像单元采集第一眼组织靶区域实时信息生成第一实时图像信息并显示，所述控制单元根据所述第一扫描图案和所述第一实时图像信息调整所述第一脉冲激光束并形成第一手术区域。
2.如权利要求1所述的基于双模式图像调整激光眼科手术系统，其特征在于，所述光学引导单元还将所述第一脉冲激光束引导至第二眼组织靶区域；
所述三维振镜扫描单元还扫描所述第二眼组织靶区域位置和定向信息，并传输给所述图像分析处理单元，所述谱域光学相干层析成像单元和扫频光学相干层析成像单元还采集所述第二眼组织靶区域实时信息，并传输给所述图像分析处理单元；
所述图像分析处理单元根据所述三维振镜扫描单元采集的第二眼组织靶区域位置和定向信息生成目标区域的第二扫描图案，并根据所述谱域光学相干层析成像单元和扫频光学相干层析成像单元采集第二眼组织靶区域实时信息生成第二实时图像信息并显示，所述控制单元根据所述第二扫描图案和所述第二实时图像信息调整第二脉冲激光束并形成第二手术区域。
3.如权利要求1所述的基于双模式图像调整激光眼科手术系统，其特征在于，所述谱域光学相干层析成像单元的宽带光源中心波长为840nm，所述扫频光学相干层析成像单元的扫频光源中心波长为1310nm。
4.如权利要求1所述的基于双模式图像调整激光眼科手术系统，其特征在于，所述成像单元的成像范围为4mm-8mm，成像时间为0.01-0.1 秒，帧率为 50-100 帧/秒，成像深度为7-10mm，成像分辨率为5-7.5μm。
5.如权利要求1所述的基于双模式图像调整激光眼科手术系统，其特征在于，所述引导单元包括通过光纤传输线路连接的二向分光镜、准直透镜和聚焦透镜，所述二向分光镜、所述准直透镜和所述聚焦透镜沿光路依次设置。
6.如权利要求1所述的基于双模式图像调整激光眼科手术系统，其特征在于，所述图像分析处理单元用于确定所述第一脉冲激光束之前得到的参考图像与在所述第一脉冲激光束生成所述第一手术区域之后得到的图像之间的差，并显示确定的差的指示。
7.如权利要求6所述的基于双模式图像调整激光眼科手术系统，其特征在于，所述图像分析处理单元用于显示手术区域、定向和形状中的至少一个偏差并显示，且所述图像分析处理单元还用于显示手术区域是否进入风险区域中。
8.如权利要求1所述的基于双模式图像调整激光眼科手术系统，其特征在于，所述光纤振荡器为飞秒光纤振荡器。
9.如权利要求8所述的基于双模式图像调整激光眼科手术系统，其特征在于，所述基于双模式图像调整激光眼科手术系统还包括与所述光纤振荡器连接的激光能量检测单元，所述激光能量检测单元用于检测所述光纤振荡器发射出的脉冲激光束的能量。
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