CN113040700B - 一种眼动追踪系统及其追踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种眼动追踪系统，包括依次连接的瞳孔相机成像模块、图像识别分析模块、马达控制模块和OCT系统模块；该系统的追踪方法步骤为：首先对待测物进行成像采集从而获取不少于两幅图像；然后根据图像中的环形映光点，通过拟合计算出每个图像中环形映光点的半径或直径；再根据每个图像中计算出的环形映光点的半径或直径，计算沿眼轴方向的眼动的大小和方向，进而换算为相应的马达补偿的位移大小和移动方向；再根据马达补偿的位移大小和移动方向调节马达进行移动；最终通过OCT系统模块进行成像。本发明可以实时计算出人眼的三维眼动，以此补偿人眼诊断中的眼动，实现高质量系统成像，降低诊断系统的复杂度，提高诊断成功率和效率。
Description
技术领域
本发明属于成像装置技术领域，特别涉及一种眼动追踪系统及其追踪方法。
背景技术
光学相干断层扫描(OCT)技术是一种三维成像技术，它具有灵敏度高、成像速度快、分辨率高等优点，广泛应用于眼科(包括眼前节、眼后节)、心血管科、皮肤科等领域。近二十年来，OCT技术的一项重要进步是扫描速率越来越快，从传统时域OCT到基于频域的OCT(SD-OCT)，再到基于扫频源技术的OCT(SS-OCT)，OCT成像的速度得到长足发展。成像速度快具有独到的临床应用优势：可以在更短的时间内完成二维和/或三维扫描，因而降低了成像时人的眼动对成像质量的敏感度，从而大幅度提高了临床诊疗效率，广受临床医生的青睐。
眼动对于OCT成像的影响主要体现在影响成像的精度和可重复性，临床上降低了诊疗的效率。进一步降低眼动对于OCT成像质量的影响，一方面可以进一步提高OCT的扫频速度，例如视微影像已临床使用的SSOCT VG200轴向扫描速率已达20万次每秒(参考文献：Yang J,Chen Y.Vitreoretinal Traction with Vitreoschisis Using OCT.OphthalmolRetina.2019Nov；3(11):961.doi:10.1016/j.oret.2019.07.003.PMID:31699311)，在该系统里，仍然需要眼动追踪技术；实验室平台已有兆赫兹级别的OCT，例如文献Klein T,Wieser W,Eigenwillig CM,Biedermann BR,Huber R.Megahertz OCT for ultrawide-field retinal imaging with a 1050nm Fourier domain mode-locked laser.OptExpress.2011；19:3044–62.Available:http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/ 21369128doi:10.1364/OE.19.003044PMID:21369128公开的基于傅里叶域锁模激光器的OCT轴向扫描速率已到1.37兆每秒，但是这种系统目前比较复杂，难以应用于临床。另一方面，可以聚焦在持续改进眼动追踪技术。例如文献Kari V.Vienola,Boy Braaf,ChristyK.Sheehy,Qiang Yang,Pavan Tiruveedhula,David W.Arathorn,Johannes F.de Boer,and Austin Roorda,"Real-time eye motion compensation for OCT imaging withtracking SLO,"Biomed.Opt.Express 3,2950-2963(2012)公开的基于扫描激光眼底镜(scanning laser ophthalmoscope,SLO)的眼动追踪OCT技术，能很好的降低眼动造成的影响。但是这种技术仅适用于眼后节OCT，不适用于眼前节OCT，并且对于大视野OCT系统，由于SLO的帧率不够高，仍然对于眼动较敏感。
基于瞳孔相机的眼动追踪技术，以其低成本优势，广泛应用于眼动追踪系统。例如文献Oscar Carrasco-Zevallos,Derek Nankivil,Brenton Keller,Christian Viehland,Brandon J.Lujan,and Joseph A.Izatt,Pupil tracking optical coherencetomography for precise control of pupil entry position,Biomed.Opt.Express 6,3405-3419(2015)；公开了一种基于瞳孔相机的二维眼动追踪，可以有效地对横向即水平和/或纵向即竖直方向的眼动进行追踪，进而对眼后节OCT进行补偿；文献Carrasco-Zevallos OM,Nankivil D,Viehland C,Keller B,Izatt JA.Pupil Tracking for Real-Time Motion Corrected Anterior Segment Optical Coherence Tomography.PLoSOne.2016；11(8):e0162015.Published 2016Aug 30.doi:10.1371/journal.pone.0162015公开的基于pupil camera的二维眼动追踪对水平和/或竖直方向的眼动进行了追踪，进而对眼前节OCT进行了补偿。但是这些方法均是将眼动的大小补偿到OCT扫描振镜的驱动波形上，受限于补偿的范围大小和帧率，不能基于眼动实时调节眼睛和接目镜对齐，并且没有针对眼轴方向的眼动进行实时追踪。
发明内容
发明目的：针对上述缺陷，本发明提供一种眼动追踪系统及其追踪方法，能够有效地降低眼动对眼前节OCT和眼后节OCT成像质量的影响。
技术方案：本发明提出一种眼动追踪系统及其追踪方法，包括依次连接的瞳孔相机成像模块、图像识别分析模块、马达控制模块和OCT系统模块；
所述瞳孔相机成像模块用于实时采集瞳孔图像；
所述图像识别分析模块用于识别瞳孔相机图像中的环形映光点，进而通过拟合计算出环形映光点的半径或直径，通过短时间连续读取至少两幅图像，取第一图像为参考图像，计算出第二图像中环形映光点的半径或直径相对参考图像的偏移量，并计算沿眼轴方向的眼动的大小和方向，进而换算为相应的马达补偿的位移大小和移动方向；
所述马达控制模块用于控制马达按照图像识别分析模块计算得到的马达补偿方向和位移进行移动，从而追踪人眼移动；
所述OCT系统模块用于对眼前节和眼后节分别进行三维成像。
进一步的，所述瞳孔相机成像模块由环形瞳孔照明LED、接目镜、成像透镜和相机构成，所述环形瞳孔照明LED由排列成圆环状的不少于3个等间距排列的LED组成。
一种如上所述的眼动追踪系统的追踪方法，包括如下步骤：
(1)对待测物进行成像采集从而获取不少于两幅图像；
(2)根据图像中的环形映光点，通过拟合计算出每个图像中环形映光点的半径或直径；
(3)根据每个图像中计算出的环形映光点的半径或直径，计算沿眼轴方向的眼动的大小和方向，进而换算为相应的马达补偿的位移大小和移动方向；
(4)根据马达补偿的位移大小和移动方向调节马达进行移动；
(5)最终通过OCT系统模块进行成像。
进一步的，所述步骤(3)换算为相应的马达补偿的位移大小和移动方向的具体步骤如下：当有眼动时，后一个图像中环形映光点的半径或直径相对前一个图像中环形映光点的半径或直径会有变化量ΔR，当变化量ΔR超出阈值时，向马达控制模块发出指令，使马达移动相应的位移量ΔZ。
进一步的，所述步骤(3)中计算变化量ΔR和位移量ΔZ的具体步骤如下：在傍轴近似条件下，环形映光点直径和眼睛到接目镜的距离的关系可以用如下公式描述：
其中mL为光学系统的放大倍数，Rc为人眼角膜半径，Φring为环形LED的直径，w为眼睛与接目镜之间的距离，d为环形瞳孔照明LED的中心到接目镜顶点之间的距离；
由上式求导数可得环形映光点直径随工作距离的变化为：
其中变化量马达移动相应的位移量ΔZ＝-dw。
进一步的，所述步骤(3)中阈值的确定方法如下：所述环形映光点的半径或直径变化大小阈值不小于环形映光点的半径或直径的测试可重复性。
根据权利要求3所述的一种眼动追踪系统的追踪方法，其特征在于，所述步骤(5)中通过OCT系统模块进行成像的具体步骤如下：眼前节OCT成像时，从系统内部将OCT前后节切换模块移入OCT光路中即可对眼前节进行成像；当进行眼后节OCT成像时，从系统内部将OCT前后节切换模块移出OCT光路即可对眼后节进行成像。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明所述的眼动追踪系统可以对三维眼动都进行实时追踪与补偿，克服了二维眼动追踪系统不能对眼轴方向眼动进行追踪的缺点，同时增大了水平和竖直方向眼动追踪的大小范围，更好地应用于临床诊断系统。基于瞳孔相机的眼动追踪系统，其光路设计可以与其它成像模块解耦，同时应用于眼前节和眼后节OCT系统，克服了基于SLO只能应用于眼后节OCT系统的缺点。此外，基于瞳孔相机的眼动追踪系统，较SLO成像技术，其帧率更高、成本更低，因此具有更广泛应用的潜力。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为具体实施例中环形照明LED经过眼睛角膜反射后，经过透镜成像的光路原理图；
图3为具体实施例中环形照明LED经过眼睛角膜反射后，所成的360度环形LED图像；
图4为具体实施例中所使用的眼后节OCT成像和眼前节OCT成像的光学系统图；
图5为具体实施例中所使用的瞳孔相机成像光学系统图；
图6为具体实施例中没有眼动追踪时，OCT眼后节的成像图像：
图7为具体实施例中有眼动追踪时，OCT眼后节的成像图像；
图8为具体实施例中没有眼动追踪时，OCT眼前节的成像图像；
图9为具体实施例中有眼动追踪时，OCT眼前节的成像图像。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明所述的一种眼动追踪系统，包括瞳孔相机成像模块、图像识别分析模块、马达控制模块、OCT系统成像模块；
所述瞳孔相机成像模块用于实时采集瞳孔图像，实施例帧率达到60帧每秒，更高帧率受限于相机的曝光时间和水平和竖直方向像素数目设置；
所述图像识别分析模块用于识别瞳孔相机图像中的环形映光点，进而通过拟合计算出环形映光点的半径或直径，图像分析模块还能通过短时间连续读取至少两幅图像，取第一图像为参考图像，计算出第二图像中环形映光点的半径或直径相对参考图像的偏移量，以此计算沿眼轴方向的眼动的大小和方向，进而换算为相应的马达补偿的位移大小和移动方向；
所述马达控制模块用于控制马达按照图像识别分析模块计算得到的马达补偿方向和位移进行移动，以此追踪人眼移动；
所述OCT成像系统用于对眼前节和/或眼后节进行三维成像。其中图4为眼后节OCT和眼前节OCT的光路系统图。本发明通过图4中OCT前后节切换模块，可以分别进行OCT成像，而不影响其他光路。当进行眼前节OCT成像时，从系统内部将OCT前后节切换模块移入OCT光路中即可对眼前节进行成像。反之，当进行眼后节OCT成像时，从系统内部将OCT前后节切换模块移出OCT光路即可对眼后节进行成像。操作便利，同时可以提高眼前节OCT的视场分辨率。此外，前后节切换不影响瞳孔相机成像模块光路和系统中其它成像模块的光路。
其中瞳孔相机成像模块的光学系统如图5所示，接目镜为双非球透镜，瞳孔相机成像模块和OCT成像模块共用接目镜及二向色镜1。瞳孔相机成像中，瞳孔照明LED发出的散射光入射到人眼角膜上，增强了瞳孔的亮度和对比度，使得角膜上的漫反射光经接目镜，二向色镜1、二向色镜2和系统中其它透镜，最终入射到瞳孔相机成像模块，最后被瞳孔相机收集，经软件获取后显示在电脑屏幕上。瞳孔照明LED在人眼角膜的反射下也被瞳孔相机成像模块获取，显示在瞳孔相机图像上为映光点，图像见图3所示。当角膜处于接目镜的准确的工作距离位置时，瞳孔照明LED成像清晰，对比度高；当远离准确的工作距离时，成像变模糊。
本实施例中，环形照明灯由12个等间距排列的LED组成。基于图2的光学原理图，在傍轴近似条件下，环形映光点直径和眼睛到接目镜的距离的关系可以用如下公式描述：
其中，mL为光学系统的放大倍数，在本实施例图2中，取决于接目镜和成像透镜。Rc为人眼角膜半径，Φring为环形LED的直径，w为眼睛到接目镜的距离，d为环形照明灯中心到接目镜的顶点的距离。
本实施例中，w远大于d和Rc，因此上述公式可以进一步简化为：
由上式可得环形映光点直径随工作距离的变化为：
注意等式右边的负号，表明本实施例中，当工作距离变大时，环形照明灯所成的像(即映光点)的直径变小；反之，当工作距离变小时，环形照明灯所成的像(即映光点)的直径变大。其中变化量马达移动相应的位移量ΔZ＝-dw。
本实施例中，mL为2，Φring为52mm，w为30mm，考虑正常健康人眼RC为7.8mm。当眼动造成人眼远离接目镜1mm时(dw＝1)，测量到的环形映光点直径变化量为对应的马达的补偿位移为ΔZ＝-1mm，负号表示马达移动方向为减小工作距离的方向。当眼动造成人眼靠近接目镜1mm时(dw＝-1)，测量到的环形映光点直径变化量为/>对应的马达的补偿位移为ΔZ＝1mm，正号表示马达移动方向为增大工作距离的方向。
本实施例中，环形映光点直径的可重复性测试结果见表1。分别通过对模型眼和人眼连续选取30-50张图像，分别计算得到环形映光点直径测量值，从而得到环形映光点直径的可重复性。这里可重复性定义为多次测量值的一个标准差。表1的测量结果显示，模型眼和人眼的可重复性分别可达1.98um和2.16um，精度足以跟踪沿眼轴方向的微小眼动。
根据表1的可重复性测试，本实施例中环形映光点的半径或直径变化大小阈值可以设为2.5um，对于沿眼轴方向大于2.5um的眼动，本发明提出的方案可以进行实时眼动追踪和补偿。
| 样品 | 图像数目 | 直径(mm) | 可重复性(um) | 可重复性(百分比) |
| 模型眼 | 30 | 5.46 | 1.98 | 0.04％ |
| 人眼 | 50 | 4.68 | 2.16 | 0.05％ |
表1：环形映光点直径的可重复性
Claims (6)
1.一种眼动追踪系统，其特征在于，包括依次连接的瞳孔相机成像模块、图像识别分析模块、马达控制模块和OCT系统模块；
所述瞳孔相机成像模块用于实时采集瞳孔图像；
所述图像识别分析模块用于识别瞳孔图像中的环形映光点，进而通过拟合计算出环形映光点的半径或直径，通过短时间连续读取至少两幅图像，取第一图像为参考图像，计算出第二图像中环形映光点的半径或直径相对参考图像的偏移量，并计算沿眼轴方向的眼动的大小和方向，进而换算为相应的马达补偿的位移大小和移动方向；
所述马达控制模块用于控制马达按照图像识别分析模块计算得到的马达补偿方向和位移进行移动，从而追踪人眼移动；
所述OCT系统模块用于对眼前节和眼后节分别进行三维成像；
所述眼动追踪系统的追踪方法，包括如下步骤：
(1)对待测物进行成像采集从而获取不少于两幅图像；
(2)根据图像中的环形映光点，通过拟合计算出每个图像中环形映光点的半径或直径；
(3)根据每个图像中计算出的环形映光点的半径或直径，计算沿眼轴方向的眼动的大小和方向，进而换算为相应的马达补偿的位移大小和移动方向；
(4)根据马达补偿的位移大小和移动方向调节马达进行移动；
(5)最终通过OCT系统模块进行成像。
2.根据权利要求1所述的一种眼动追踪系统，其特征在于，所述瞳孔相机成像模块由环形瞳孔照明LED、接目镜、成像透镜和相机构成，所述环形瞳孔照明LED由排列成圆环状的不少于3个等间距排列的LED组成。
3.根据权利要求1所述的一种眼动追踪系统，其特征在于，所述系统中追踪方法的步骤(3)换算为相应的马达补偿的位移大小和移动方向的具体步骤如下：当有眼动时，后一个图像中环形映光点的半径或直径相对前一个图像中环形映光点的半径或直径会有变化量ΔR，当变化量ΔR超出阈值时，向马达控制模块发出指令，使马达移动相应的位移量ΔZ。
4.根据权利要求3所述的一种眼动追踪系统，其特征在于，所述系统中追踪方法的步骤(3)中计算变化量ΔR和位移量ΔZ的具体步骤如下：在傍轴近似条件下，环形映光点直径和眼睛到接目镜的距离的关系用如下公式描述：
其中mL为光学系统的放大倍数，Rc为人眼角膜半径，Φring为环形LED的直径，w为眼睛与接目镜之间的距离，d为环形瞳孔照明LED的中心到接目镜顶点之间的距离；
由上式求导数可得环形映光点直径随工作距离的变化为：
其中变化量马达移动相应的位移量ΔZ＝-dw。
5.根据权利要求3所述的一种眼动追踪系统，其特征在于，所述系统中追踪方法的步骤(3)中阈值的确定方法如下：所述环形映光点的半径或直径变化大小阈值不小于环形映光点的半径或直径的测试可重复性。
6.根据权利要求1所述的一种眼动追踪系统，其特征在于，所述系统中追踪方法的步骤(5)中通过OCT系统模块进行成像的具体步骤如下：眼前节OCT成像时，从系统内部将OCT前后节切换模块移入OCT光路中即可对眼前节进行成像；当进行眼后节OCT成像时，从系统内部将OCT前后节切换模块移出OCT光路即可对眼后节进行成像。
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