CN114269302A - 基于云的系统白内障治疗数据库和算法系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的系统、设备和方法有助于为眼部疾病和损伤的治疗选择适当的干预。本发明构思的系统提供临床和患者特定数据的基于云的处理和存储，其可向使用本地设备的执业医生提供治疗建议和预计结果。系统、设备和方法可以生成特定个体眼部的交互式物理力学模型，该模型是眼部结构的力学性能的测量结果。所述物理力学模型是交互式的，可用于仿真眼部中一个或多个医学干预的效果，以便为个体实施优化的治疗计划。

Description

基于云的系统白内障治疗数据库和算法系统

技术领域

本申请要求2019年5月21日提交的美国临时专利申请序号62/850,876和2019年5月3日提交的美国临时专利申请序号62/842,850的优先权。所述申请和所有其他引用的外部材料全部通过引用并入本发明。如果通过引用合并的引用中的术语的定义或使用与本申请规定的术语的定义不一致或相反，则本申请规定的术语定义被视为具有控制性。

本发明涉及计算机辅助手术领域，尤其是眼科手术领域。

背景技术

本背景技术部分旨在介绍本领域的各个方面，其可与本发明的实施例相关联。因此，本部分中的上述讨论为更好地理解本发明提供了一个框架，并且不应被视为对现有技术的承认。

应当理解，本说明书中标题的使用是为了清楚性，而不是以任何方式限制。因此，标题下描述的过程和披露应结合本说明书的全部内容(包括各种示例)进行阅读。本说明书中标题的使用不应限制本发明的保护范围。

目前，眼部手术干预(如LASIK(laser-assisted in situ keratomileusis)[准分子激光角膜原位磨镶术]、PRK(photorefractive keratectomy)[准分子激光屈光性角膜切削术]、晶状体摘除和人工晶状体放置)的成功主要取决于单个外科医生的技能和经验，以及他们在眼部正常变化和手术并发症变得明显时适应进行中的手术的能力。因此，不理想的结果和对额外“修补”程序的需要的发生率高于预期。

开发了基于计算机的系统，通过促进患者跟踪和执业医生之间的咨询来改善患者结果。例如，Nawana等人的专利号9,700,292的美国专利描述了一个计算机系统，所述系统从最初发病、诊断、治疗、恢复到结果跟踪患者。所述系统主要针对骨科，可基于存储的患者数据和执业医生提供的信息提供诊断和治疗建议。所述建议基于历史数据。因此，预测结果的准确性必然受到存储数据广度的限制。

解决缺乏相关历史临床数据问题的一种方法是提供一个充分仿真自然的现实模型，以准确预测医学干预的影响。Roberts等人的公开号US2003/0208190的美国专利申请描述了在创建角膜瓣之前和之后进行的测量结果评估，以生成眼部的生物力学模型，所述模型随后用于生成消融算法和预测手术结果。然而，所述方法需要在生成预测模型之前对眼部进行一定程度的手术干预。

Youssefi等人的公开号US 2011/0208172的美国专利申请描述了一种在激光消融过程中对多个位置的角膜形状/厚度进行持续测量的系统，并在未达到期望形状时提醒外科医生。然后外科医生可以对消融手术进行调整。然而，这种方法依赖于外科医生的个人经验来预测所述调整的效果。本发明中标识的所有公开通过引用合并，其程度与每个单独的公开或专利申请通过引用合并的具体和单独指示相同。如果合并引用文件中某一术语的定义或使用与本发明中该术语的定义不一致或相反，则本发明中该术语的定义适用，而引用文件中该术语的定义不适用。

Matthaus等人的专利号EP1613253的欧洲专利描述了一种专家系统，所述系统利用输入的患者特定信息，从大量存储的眼科治疗计划中推荐最适合个体患者的治疗计划。然后，外科医生根据个人经验和偏好从这些治疗计划中进行选择。然而，这样一个系统并不能真正预测结果。

Roberts等人的公开号2007/0073905的美国专利申请描述了一个经过培训的专家系统，所述系统利用先前患者眼部的各种特征的术前和术中测量值与其各自的患者特定结果之间的存储相关性，根据其特定患者的类似测量值向眼科外科医生提出建议。然而，此类专家系统的结果高度依赖于可获得的数据集。对于测量值超出存储数据集范围的患者，此类系统可能无法充分预测。

最近，有人试图生成能够模拟某些功能方面的身体部位的数字生物力学模型。例如，Deleu等人的公开号WO 2019/072875的国际专利申请描述了基于骨骼和软组织测量的足部和踝模型的生成。然后使用所述模型仿真静止和动态运动中的足部和踝。从该仿真中获得的数据用于指导骨科医生诊断和确定合适的治疗策略，并用于仿真应用于模型的模拟治疗效果。对于心血管系统的元素(例如，Dahl等人的公开号WO 2018/108276的国际专利申请和Sanders等人的公开号WO 2018/057529的国际专利申请)和脑的血管元素(例如，Avisar的公开号US 2018/0098814的美国专利申请)，也提出了类似的数字生物力学模型。

专利号10,181,007的美国专利描述了使用有限元模型以生成角膜的“生物力学”模型，用于优化LASIK手术。所述方法基于对单个角膜和眼内压的测量值推导出有限元模型，并根据这些测量值为角膜的不同区域分配通透性值。这些通透性值表示眼内压导致的液体流体进出角膜的能力。模拟角膜的改变会修改这些通透性值，从而在眼内压影响下计算修改后的角膜构造。然而，在此类模型中，使用sigmoidal函数来模拟角膜力学性质的变化，无法轻易顾及陡峭的梯度或物理性质之间的突然转变，这是解剖学的一个共同特征。Studer等人(屈光外科杂志Journal of Refractive surgery 31(7):480-486 2015)指出，这种算法方法对某些手术缺乏预测价值。这被认为是由于，至少部分原因，未能解释眼部的某些解剖特征。

因此，仍然需要人眼的生物力学或物理力学模型，用于准确仿真眼科干预手术。

发明内容

本发明主题提供了系统、设备和方法，其中提供了基于云的协作和计算机辅助治疗方法，用于利用飞秒激光介导切口和/或超声乳化术优化眼科手术，例如，在白内障治疗的自然晶状体摘除手术中。此类系统和方法利用基于眼部的力学性能的一个或多个物理力学模型和/或利用患者眼部的结构来模拟医学干预对特定患者的影响。所述模拟允许用户制定优化的治疗计划，并评估后续并发症的可能性。

本发明构思的一个实施例是用于辅助用户在患者眼部上执行眼科手术的系统，所述系统包括可通信地耦合到输入/输出接口(例如网页)并配置为与用户设备通信的用户接口；包括患者数据库、临床数据库和手术数据库的数据库，其中所述数据库可通信地耦合到输入/输出接口；以及可通信地耦合到输入/输出接口和数据库的处理器。所述处理器包括提供眼部或眼部的一部分的物理力学模型的算法，并且所述输入/输出接口、所述数据库和所述处理器中的至少一个是基于云的。

在一些实施例中，所述输入/输出接口包括计划模块和/或治疗模块。所述数据库还可以包括执业医生数据库和/或仪器数据库。所述处理器可以包括机器学习算法，所述算法被配置为将来自临床数据库的数据与来自患者数据库的数据相关联，并通过所述输入/输出接口提供治疗建议。在优选实施例中，所述输入/输出接口、所述数据库和所述处理器基于云。

本发明构思的另一个实施例是通过访问以通信方式耦合到数据库和处理器的输入/输出接口(例如网页)的计划模块，来辅助用户执行眼科手术的方法，其中所述输入/输出接口包括算法辅助，以及其中所述数据库包括患者数据库、临床数据库和手术数据库；通过所述输入/输出接口输入眼科手术的期望结果；使用所述处理器的机器学习算法和来自患者、临床和手术数据库的数据确定推荐手术；以及将所述推荐手术传输到所述输入/输出接口。所述输入/输出接口、数据库和处理器中至少有一个是基于云的。在一些实施例中，生成眼部或其一部分的物理力学模型，并可用于输入期望结果和/或向用户显示推荐手术。所述数据库可以包括执业医生数据库和/或仪器数据库，并且推荐手术可以部分地通过所述执业医生数据库和/或仪器数据库中的数据来确定。

在一些实施例中，推荐手术的可能结果被传输到所述输入/输出接口。如果所述可能结果是可接受的，所述推荐手术可以转移到所述输入/输出接口的治疗模块。如果所述可能结果不可接受，可输入对推荐手术的修改，以生成修订手术和修订结果。该结果可传输至所述输入/输出接口，如果可接受，所述修订手术可传输至所述输入/输出接口。

本发明构思的一个实施例是辅助用户对患者的眼部进行眼科手术的方法，通过对眼部进行物理表征，以确定眼部结构的至少第一密度和至少第一维度，应用确定的密度和维度推导眼部结构的物理力学模型，从用户处接收所选手术的选择，将所选手术应用于物理力学模型以预测将所选手术应用于眼部结构的效果，并向用户(例如外科医生或医疗技师)提供当所选手术应用于眼部结构时的预测效果的表示。所述表示可以是一个或多个表格数据、三维表示、成功或满意结果的概率以及替代手术的建议。在一些实施例中，所述方法包括将所选手术应用于患者的眼部。合适的手术包括飞秒激光手术、YAG激光手术、超声乳化术、玻璃体切割术刀片应用、眼内吸引术、人工晶状体放置和角膜瓣切割。

物理力学模型是根据眼部的力学性能推导出来的。所述力学性能可以是杨氏模量，应力/应变弹性模量，泊松比，密度，硬度，延性以及受压、拉伸、扭转和剪切条件下眼部结构的有限元分析结果中的一个或多个。

应用手术的预测效果的表示可从所选手术力学性能地改变的结构分析中得出。或者，预测效果的表示可从应用所选手术后的计算应变或静态能量的最小化中得出，其中所述计算应变或静态能量是从力学性能得出。在其他实施例中，应用手术的预测效果的表示是从这些的组合中得出。

在本发明构思的一些实施例中，可收集用于生成物理力学模型的附加数据，并用于生成物理力学模型。合适的数据包括角膜声学响应或超声数据、地形图数据、测厚数据、仰角数据、角膜厚度数据、角膜曲率数据、波前数据、眼内压数据、外周基质厚度数据、患者年龄、患者性别、角膜接触镜使用时间、术前干预、术前干预的响应和/或角膜屈服点。

在一些实施例中，可调整所选手术以生成修改手术，以及用于预测将修改手术应用于眼部的效果的物理力学模型。此类调整可包括(a)应用的激光能量的量，(b)消融或切口的穿透深度，以及(c)应用于眼部的消融或切口的模式中的一个或多个。在一些实施例中，一系列候选手术和物理力学模型以确定最佳手术。

在一些实施例中，对眼部结构的预测效果提供了修改的眼部结构，并且可以利用所述修改的眼部结构的计算物理特性来生成表示所述修改的眼部结构的第二物理力学模型。所述第二物理力学模型可用于评估附加所选手术对所述修改的眼部结构的效果。

本发明构思的另一个实施例是一种眼部晶状体进行超声乳化术的方法，通过物理表征眼部以确定晶状体结构的至少第一密度和至少第一维度，并应用所述确定的密度和维度以推导晶状体结构的第一物理力学模型，向用户识别一组超声乳化手术，从用户处接收从所述组内选择的超声乳化手术的选择，使用所述第一物理力学模型预测将所选超声乳化手术应用于眼部的一个或多个效果，并将所选超声乳化手术应用于眼部。所述第一物理力学模型是根据晶状体的力学性能推导出来的。此类实施例可包括提供具有至少第一触觉的人工晶状体的附加步骤，使用所述物理力学模型来识别至少部分通过超声乳化手术形成的腔中的所述第一触觉的优选位置，以及将所述人工晶状体定位到所述腔中，使得所述触觉接近于优选位置。在一些实施例中，在所选超声乳化手术之后重新扫描眼部以确定第二密度和第二维度。然后使用第二密度和第二维度修改所述第一物理力学模型，以生成第二物理力学模型，所述第二物理力学模型反过来用于确定超声乳化手术的并发症(如囊袋破裂)或人工晶状体定位的并发症(如术后晶状体的不正确定位)概率。

本发明构思的另一个实施例是一种对眼部进行飞秒激光治疗的方法，通过物理表征眼部以确定眼部结构的至少第一密度和至少第一维度，应用所述确定的密度和维度以推导眼部结构的第一物理力学模型，向用户识别一组飞秒激光手术，从用户接收从所述组中选择飞秒激光手术的选择，使用第一物理力学模型预测将所选飞秒激光手术应用于眼部的效果，将所选飞秒激光手术应用于眼部，重新表征眼部以确定修改的密度和修改的维度，使用所述修改的密度和修改的维度修改第一物理力学模型以生成第二物理力学模型，使用所述第二物理力学模型确定晶状体分割的量，并利用所述晶状体分割的量提出优选超声乳化手术。

本发明构思的另一个实施例是一个激光系统，所述系统包括飞秒激光器，所述飞秒激光器配置为容易操纵地向眼部传输飞秒激光束，以及具有建模引擎和/或患者数据库的建模系统。所述患者数据库被配置为接收眼部结构的密度表征和眼部结构的维度表征。这样的系统可以包括图形用户界面(GUI)，GUI配置为接收来自用户的输入并显示来自建模系统的输出。此类输入包括所选手术。

在上述系统的一些实施例中，所述建模系统被配置为推导眼部结构的物理力学模型表示，所述眼部结构的物理力学模型表示是基于从患者数据库接收的眼部结构的密度表征、从患者数据库接收到的眼部结构的确定维度表征、或者都可以从GUI[图形用户界面]接收到所选手术的这两个系统；将至少一部分所选手术应用于的物理力学模型表示，从而推导所选手术对眼部结构的预测效果。在一些实施例中，建模系统向GUI提供预测效果的表示。

在此类系统的实施例中，所述系统可包括超声乳化术系统。在上述系统的实施例中，所述系统被配置为执行本发明内容中阐述的一个或多个方法、过程或衍生活动。

本发明主题的各种目的、特征、方面和优点将从以下优选实施例的详细描述以及附图中变得更加明显，其中相似的数字表示相似的组件。

附图说明

图1：图1示意性地描绘了本发明构思的基于云的系统架构的一个实施例。

图2：图2示意性地描绘了本发明构思的系统的示例性模块。

图3：图3是人眼囊袋内晶状体物理力学模型的示例性三维表示。阴影表示结构内的机械应变程度；箭头表示应变的方向。

图4：图4提供了本发明构思的系统中的一般工作流程的流程图。

图5：图5提供了本发明构思的系统中用于生成改变前物理力学模型的工作流程的流程图。

图6：图6提供了本发明构思的系统中用于生成改变后物理力学模型的工作的流程图。

图7：图7提供了人眼的横截面图。

图8：图8提供了角膜和相关结构的横截面图。

图9：图9提供了本发明构思中一部分眼部的层状模型的示意图。

图10：图10提供了本发明构思的示例性集成系统的透视图。

图11：图11提供了系统工作流程和通信的流程图和示意图。

具体实施方式

以下描述包括可能有助于理解本发明的信息。本发明提供的任何信息不承认是现有技术或与当前要求保护的发明相关，也不承认任何具体或隐含引用的出版物是现有技术。

在下面的讨论中，将对服务器、服务、接口、门户、平台或由计算设备构成的其他系统进行大量参考。应当理解，此类术语的使用被视为表示具有至少一个处理器的一个或多个计算设备，所述处理器被配置为执行存储在计算机可读有形、非暂时介质上的软件指令。例如，服务器可以包括一台或多台作为web服务器、数据库服务器或其他类型的计算机服务器运行的计算机，以实现所描述的角色、职责或功能。

如本发明所用，除非另有特别说明，否则术语“飞秒激光”、“飞秒激光束”、“飞秒脉冲”和类似术语用于指脉冲持续时间，因此也指激光束的脉冲长度(也可称为脉冲宽度)，指脉冲持续时间小于约10皮秒(小于约10×10^-12秒)到并包括约1飞秒(fs)(1×10^-15秒)的所有激光器和激光束。

如本发明所用，除非另有说明，否则室温为约25℃。同样，标准环境温度为约25℃，标准环境压力约为1个大气压。除非另有明确规定，否则所有试验，试验结果，物理性质，温度相关、压力相关或两者兼相关的值，均在标准环境温度和压力下提供，包括黏度。

通常，除非另有说明，否则本发明中使用的术语“约”和符号“～”意味着包含±10％的方差或范围，即与获得规定值相关的实验或仪器误差，最好是其中的较大者。

如本发明所用，除非另有规定，否则对数值范围(从约“x”到约“y”的范围)以及类似的此类术语和量化的叙述仅作为单独引用该范围内单独数值的简写方法。因此，它们包括该范围内的每个项目、特征、值、量或数量。如本发明所用，除非另有规定，否则一个范围内的每个和所有单个点都被纳入本说明书，并且是本说明书的一部分，如同它们在本发明中被单独叙述一样。

如本发明所用，除非另有明确说明，否则“至少”、“大于”等术语也指“不小于”，即，除非另有明确规定，否则这些术语不包括较低的值。

注意，不要求提供或说明作为本发明实施例主题或与本发明实施例相关联的新颖性和创造性工艺、材料、性能或其他有益特征和特性的理论基础。然而，本说明书中提供了各种理论，以进一步推进该领域的技术。本说明书中提出的理论，除非另有明确说明，否则不得以任何方式限制或缩小所要求保护的发明的保护范围。利用本发明可能不需要或实践这些理论。进一步理解，本发明可能导致新的、迄今未知的理论来解释本发明的方法、物品、材料、设备和系统的实施例的功能特征；这些后来发展的理论不应限制本发明的保护范围。

本说明书中阐述的系统、疗法、工艺、组合、应用和材料的各种实施例可用于各种其他领域以及各种其他活动、用途和实施例。另外，例如，这些实施例可用于：现有系统、疗法、工艺、组合、应用和材料；可与将来可能开发的系统、疗法、工艺、组合、应用和材料一起使用；以及可以部分地基于本说明书的教导修改的系统、疗法、工艺、组合、应用和材料。此外，本说明书中阐述的各种实施例和示例可以全部或部分地以及以不同和各种组合彼此使用。因此，例如，本说明书的各种实施例中提供的构造可以彼此使用。例如，根据本说明书的教导，具有A、A’和B的实施例的组件和具有A”、C和D的实施例的组件可以以各种组合彼此使用，例如，A、C、D和A、A”、C和D等。本发明提供的保护范围不应限于在特定实施例、示例或特定附图中的实施例中阐述的特定实施例、示例、构造或布置。

本发明构思的系统和方法为用户提供基于云的交互式软件，所述软件可辅助眼科手术，包括切口(例如使用飞秒激光器)和自然晶状体的超声乳化术。就本申请而言，飞秒激光器和/或飞秒激光束是指脉冲持续时间为约10皮秒(10×10^-12秒)或更小、约1皮秒(10^-12秒)或更小的激光束，包括1飞秒(fs)(10^-15秒)。这些手术可以包括人工人工晶状体的插入和放置。此类系统和软件的实施可包括使用眼部或一部分眼部的三维物理力学模型。这种物理力学模型(下文将更详细地描述)可以响应于对眼部结构的提议或实际修改(例如切口、晶状体摘除等)，并向用户提供对这种修改的预测或预计响应的表示。

以下讨论提供了本发明主题的许多示例实施例。尽管每个实施例表示发明元素的单个组合，但本发明主题被认为包括所公开元素的所有可能组合。因此，如果一个实施例包括元素A、B和C，并且第二实施例包括元素B和D，则即使未明确公开，本发明主题也被认为包括A、B、C或D的其他剩余组合。

本发明公开的本发明的替代元素或实施例的分组不应解释为限制。每个分组成员可单独或与分组的其他成员或本发明中发现的其他元素一起被提及和主张。出于方便和/或可专利性的原因，可以将分组的一个或多个成员包括在一个分组中或从中删除。当出现任何此类包括或删除时，本说明书被视为包含修改后的分组，从而满足所附权利要求中使用的所有马库什组(Markush group)的书面描述。

图1中显示了本发明构思的系统示例。所述系统(100)可以包括本地接口(110)，执业医生利用所述本地接口来输入和接收信息。这样的本地接口可以经由诸如网站的互联网接口(120)与提供对输入/输出接口(130)的访问的信息网络(例如互联网)通信。这样的输入/输出间期可以提供与系统的数据存储和处理功能的通信。在本发明构思的优选实施例中，输入/输出接口(130)、处理(140)和数据存储(150)是基于云的，尽管这些组件或其部分中的一个或多个可以体现在用户本地的系统组件中。存储组件可以包括由系统的处理功能使用的一个或多个数据库，并且可以由用户通过输入/输出接口直接访问。应当理解，基于云的此类数据库存储允许向所有用户更新和添加其中存储的信息。所述系统的处理组件可以包括一个或多个算法，所述算法接收来自用户的输入，在确定光学治疗设备时提供辅助，生成眼部和/或眼部结构的交互式物理力学模型，等等，如下所述。应该理解的是，使用基于云的处理可以向所有用户分配更新和改进。

如图2所示，本发明构思的互联网接口可以设置成两个或多个模块。在所示的示例性互联网接口(200)中，提供了三个不同的模块。计划模块(210)向执业医生提供用于计划疗程的接口。所述计划模块可以直接或通过算法辅助(215)访问数据库(220)。所述数据库可以包括子数据库，所述子数据库具有对执业医生和/或算法辅助有用的信息。典型的子数据库包括专利信息数据库(225)，其包括患者特定信息；临床数据库(230)，其包括与疾病状态/损伤、治疗模式、结果、眼部和眼部结构的物理参数(例如用于生成物理力学模型)等相关的聚合数据；执业医生数据库，其包括执业医生特定信息，如专业培训/技能、不同治疗模式的经验、治疗偏好等；手术数据库，其可包括与各种医学干预手术、药物效果等相关的信息；和/或仪器数据库，其可包括与不同医学仪器的使用和性能特征、不同治疗设施的仪器可用性等相关的信息。

在使用过程中，执业医生可以利用计划模块探索不同的治疗选项和/或为特定患者计划治疗方案。在一些实施例中，执业医生可以使用计划模块方便直接地访问来自所述数据库的信息(例如，通过行命令、基于图标的导航等)，以基于其个人经验确定治疗方案。在优选实施例中，执业医生可利用算法辅助(215)来确定最佳治疗计划。这种算法辅助可以包括向执业医生提供眼部(或其一部分)的三维交互式物理力学模型，所述模型可用于输入试验治疗和显示可能的结果。作为替代或补充，在一些实施例中，执业医生可以向所述辅助算法提供关于待治疗的状况或损伤的信息，并且辅助算法可以对来自患者数据库和临床数据库的数据应用机器学习方法，以提供一个或多个关于治疗计划的建议，并且具有很高的成功概率。在一些实施例中，所述辅助算法可利用来自执业医生数据库的信息来调整此类建议，以与执业医生的技能或偏好兼容，并且同样可以利用仪器数据库中的信息来调整这些建议，以利用执业医生所在位置的可用器材和设施。

一旦执业医生对提议的治疗计划感到满意，可以将其转移到互联网接口的治疗模块(250)，例如通过将其存储在患者数据库(225)中用于检索。所述治疗模块可用于在疗程中辅助执业医生，例如在手术过程中提供指导。在一些实施例中，执业医生可以使用治疗模块来实施将要使用基于患者解剖结构的交互式物理力学型执行的医学手术。在优选实施例中，所述治疗模块可访问与计划模块(210)访问的数据库(220)相似、等同或相同的数据库(220)。所述治疗模块可以为执业医生提供对数据库中信息的直接访问，或者可以通过算法辅助(255)提供访问。在优选实施例中，所述算法辅助可向执业医生提供患者眼部(或其一部分)的交互式物理力学模型，其可用于输入治疗计划的步骤并显示这些步骤的预计结果。在一些实施例中，这些可以作为在治疗期间叠加在患者解剖结构上的增强现实来提供。在一些实施例中，可以在手术期间输入与预期结果的偏差，并且系统用于建议纠正措施。

所述互联网接口还可以包括培训模块(260)。此类培训模块可用于教育潜在执业医生，为当前执业医生提供更新或扩展其技能集的培训，和/或可用于执业医生之间的咨询。在优选实施例中，培训模块可访问与计划模块(210)访问的数据库(220)相似、等同或相同的数据库(220)。所述培训模块可以利用代表一种或多种疾病/损伤状态的典型的眼部的存储的理想化物理力学模型，并随后显示不同干预的结果。当用于咨询目的时，一个或多个咨询执业医生可以直接访问患者特定数据和提议的治疗计划，并随后向初级执业医生提供反馈。

本发明构思的系统和方法包括一个或多个数据处理设备、一个或多个数据存储设备以及一个或多个交互式算法。这些可以通过有线网络、无线网络，和/或数据和/或处理云系统实施或访问。这有利地提供了可移植性和一定程度的设备独立性，准许本发明构思的系统和方法以最小的本地计算硬件投资被广泛实施。使用基于云的数据和/或处理还可以同时分配数据和更新的软件，以及本地访问系统范围内的患者数据。反过来，系统的算法可以利用这些患者数据来生成建议的治疗方案和/或优化的物理力学模型。因此，通过基于云的系统访问系统范围内的患者数据可以提高眼状况诊断和治疗的准确性。

本发明构思的系统和方法可以利用和/或结合可以用作本地接口的范围广泛的计算和显示设备。所述设备可包括消费类电子设备，包括智能手机、平板电脑、可穿戴设备(例如智能手表、智能眼镜)、笔记本电脑和台式/塔式电脑。在一些实施例中，设备可包括医用级电子设备，例如双目平视显示器、显微镜平视显示器(例如，用于超声乳化手术)以及被安装和配置用于手术室的监视器/显示器。此类设备可以提供完全由计算机生成的工作图像，或者可以提供增强现实显示，其中计算机生成的图像叠加在正在接受治疗的眼部的获取图像上。

本发明构思的实施例包括一个或多个数据库，可用于存储患者特定数据、与眼科疾病相关的临床数据、与治疗方案和结果相关的临床数据、治疗计划、用户(例如医生)偏好，具有不同光学条件和/或治疗方法的个体执业医生的经验、用于选择治疗计划的算法、用于生成患者眼部(或其一部分)物理力学模型的算法等。所有或部分所述数据库可以在云存储中实施，所述云存储可通过有线或无线互联网连接(例如，通过网站或类似接口)访问，以进行上传和/或下载。

在本发明构思的一些实施例中，算法可用于辅助用户(例如医生)基于用户输入的患者特定特征和期望结果，为特定患者选择和/或优化眼科手术程序。在优选实施例中，所述算法可以是机器学习的产物，并且将患者特定特征和期望结果与存储的临床数据(可包括与眼状况、年龄、性别、种族、是否存在遗传标记、基础疾病、当前药物、先前干预相关的患者数据)相关联，应用的手术和/或技术，以及观察到的客观和/或主观结果。其他输入包括医生偏好、各种治疗模式的医生经验或培训程度，以及各种手术的医生成功率。所有或部分所述算法都可以在云计算平台上实施。使用云计算有利地准许在多种平台上实施，并提供更大、更多样化的数据集，以促进准确的机器学习。

应当理解，除了提供用于治疗优化的辅助算法外，本发明构思的系统和方法还可以为执业医生(例如眼外科医生)提供输入其个人偏好的接口。所述偏好的示例包括使用即时临床环境中可获得的特定飞秒激光器、偏好切口深度和/或长度、人工晶状体的品牌和型号等。例如，可以使用基于网络的检查表输入这些偏好。在优选实施例中，所述辅助算法将这些偏好合并到提议的治疗计划中。

在本发明构思的一些实施例中，治疗计划可包括多种类型的手术干预。例如，白内障的治疗可以包括使用飞秒激光器以切开角膜，和超声乳化术以破坏和去除混浊的自然晶状体。在这样的实施例中，可以指示本发明构思的算法将一个手术干预的优化优先于另一个手术干预。例如，在治疗具有明显散光，其他方面不复杂的白内障的患者的时，可以使用角膜切口的位置和大小来降低术后散光的程度。在这种情况下，可以指示所述算法将干预的飞秒激光器切开部分的优化优先于超声乳化术。或者，如果患者患有特别有问题的白内障，执业医生可以选择优化超声乳化术优先于最初的飞秒激光器切开步骤。这种手术优化的加权可以通过基于个体患者数据的算法来执行。或者，这种加权可以由执业医生确定和输入。

如上所述，本发明构思的系统可以包括数据库，所述数据库记录了个体执业医生在其治疗各种眼科疾病以及使用不同工具和技术方面的经验。这些可用于补充或替换用于治疗优化的算法的临床数据输入和/或物理力学模型模拟结果，从而为优化引入现实世界的动手元素。在一些实施例中，执业医生可以选择性地访问特定执业医生的经验记录，并且在一些实施例中，实时联系一个或多个所选执业医生以进行咨询。在基于云的系统上实施这些特征有利地提供了大量用户和支持有效协作和社区交互的一致界面。

在本发明主题的设备和方法中，患者特定信息用于生成个人的一只眼部的全部或部分的动态和交互式三维模型。在本说明书的上下文中，三维模型旨在包含在计算机显示器上提供的二维描述，所述计算机显示器提供透视、阴影、颜色提示、可旋转或包括指示具有长度、宽度和高度的其他视觉提示。所述三维模型的构造是一个物理力学模型，所述物理力学模型至少部分基于与个体眼部相关的物理参数测量值，并反映其力学特性(刚性、弹性、密度、厚度等)。在一些实施例中，所述物理力学模型基于患者的性质、未改变的眼部。在其他实施例中，物理力学模型基于先前接受过影响患者眼部的物理、力学和/或光学特性的医学干预(例如，LASIK、PRK、晶状体摘除、人工晶状体放置、玻璃体切割术、巩膜扣带等)。在这些实施例中，物理力学模型的输入可以包括经修改的组织和/或人工设备的物理特性。在其他实施例中，动态物理力学模型(即，显示从基线状态到改变状态的转变的模型)可用于显示医学干预对眼部或其一部分的预计效果，所述预计效果可使用从医学干预之前进行的测量得出的眼部物理力学模型以及医学干预预期的测量变化(即分别是改变前和改变后)来生成。

物理力学模型可以是动态的，并对来自用户(如医生)的表示受注视眼部改变的输入作出响应。此类改变的示例包括医学干预，例如对眼部的特定部分进行切口、部分眼部的消融、眼部结构(例如，具有白内障的晶状体)的移除或改变、向眼部添加材料或物质(例如，组织移植物、人工晶状体等)，以及用药(例如改变眼内压的药物)。在接收到此类输入时，修改物理力学模型以生成在用户输入的改变后，表示全部或一部分眼部的构造的改变后物理力学模型。在一些实施例中，推导出了转变物理力学模型，所述模型可以提供在所述改变前和改变后构造之间的所述转变期间发生的移动和/或构造变化的动画或其他动态显示，为了便于理解和解释输入的改变的效果。在一些实施例中，可以提供所述改变前和改变后构造之间的叠加，为了便于理解和解释输入的改变的效果。

除了显示全部或部分受注视眼部的形状、方向和/或构造的变化外，所述物理力学模型还可以提供视觉提示，以提供增强的物理力学模型，用于展示或突出全部或部分所述模型的特定结果或值。例如，彩色编码可用于强调表面形貌(例如，消融后的角膜)和/或机械应变的特征，所述特征在非增强的物理力学模型中可能不容易观察到。图3提供了人眼囊袋内晶状体的物理力学模型的示例性三维表示。阴影表示结构内的机械应变程度；箭头表示应变的方向。类似地，指示通过眼部结构的一个或多个波长的光的折射的光线追迹，可用于指示最佳聚焦发生的位置，以便评估人工晶状体植入的效果。在一些实施例中，这些增强可以组合，例如用于评估激光消融对矫正接受人工晶状体的眼部中的角膜缺陷的效果。

执业医生可使用本发明构思的物理力学模型来评估患者眼部上不同干预和/或手术的结果，以制定最适合其个体状况的治疗计划。因此，其提供了一种工具，利用执业医生的培训和经验，结合反映特定眼部输入的干预结果的虚拟模型，准许执业医生使用由其支配的具有最大程度的熟悉度和舒适度的技术和工具制定有效的治疗计划。这种交互式物理力学模型也可用于制定利用熟悉的治疗模式(如消融、晶状体放置和药物)组合的治疗计划，否则将不予考虑。

在一些实施例中，初始物理力学模型可用于确定作为多步骤手术中的最佳手术步骤(例如，使用飞秒激光器切开角膜，作为晶状体摘除的初始步骤)。随后可使用反映眼部或一部分眼部力学性能变化的第二物理力学模型(例如，作为初始手术的结果)来确定后续步骤的最佳手术(例如，超声乳化术、人工晶状体放置等)。在一些实施例中，所述第二物理力学模型基于预计力学特性，所述预计力学特性由第一个手术对所述初始物理力学模型的计算效果推导。在其他实施例中，通过在初始手术之后进行测量确定的眼部或眼部结构的力学性能，用于推导此类的第二物理力学模型。

图4显示了本发明构思的系统的一般工作流程的示例。如图所示，所述系统可以包括数据库，所述数据库反过来可以存储对患者眼部、患者病史等进行的测量中获得的患者特定数据，如下所述。所述数据库还可以包括从人口研究中获得的统计数据，其中可以包括特定干预和/或手术的记录结果以及特定亚群体的特征。来自患者特定数据库(在某些实施例中是统计数据库)的信息被提供给建模引擎。所述建模引擎利用所述数据，基于患者特定数据生成眼部或其一部分的患者特定的数字物理力学模型。例如，所述建模引擎可以将基本力学原理应用于眼部的一部分的测量值和已知属性，以推断诸如曲率、表面形貌、完整性丧失概率等属性。或者，所述建模引擎可以应用患者特定数据以及眼部结构的计算和/或已知属性，计算眼部或其部分的应变能，然后迭代地应用不同构造和/或维度(在允许范围内)以生成低应变能构造。在一些实施例中，所述方法可以组合。在一些实施例中，可以将计算的数字模型与从统计数据获得的信息进行比较，和/或使用从统计数据获得的信息进行修改。

所述建模引擎提供的所述数字模型可以作为代表性数据提供给图形引擎，所述图形引擎用于向显示器提供人类可感知的输出。在优选实施例中，这是以适于三维显示或三维模型的功能二维表示的输出的形式。还考虑了其他显示格式，包括表格输出、书面或口头建议、期望结果的概率的图形或彩色键控指示等。

如图5所示，在一些实施例中，可以使用从测量、历史等获得的患者特定数据到建模引擎，生成特定患者眼部或其部分的数字模型中的初始预改变。这进而向图形引擎提供干预之前描述患者眼部的代表性数据，所述图形引擎可向显示器提供输入，显示器反过来可在医学干预之前提供患者眼部或其一部分的人类可观察的表示。这可以作为动态物理力学模型的基线或起点，所述动态物理力学模型提供了提议的医学手术效果的“前后”视图。类似地，图6示出了类似过程的工作流程，其中所述图形可以向显示器提供输入，显示器反过来可以在医学干预之后提供患者眼部(或其一部分)的人类可观察的表示。这可以作为提议的医学手术的终点，或者作为复杂/多步骤医学手术的中点结果。

如图8所示，在一些实施例中，可以通过输入一个或多个提议的干预来生成特定患者眼部或其一部分的改变后数字模型，所述干预改变患者特定数据的值。在一些实施例中，此类对改变前特定数据的干预的影响由建模引擎确定，所述建模引擎反过来利用这些修订值来推导改变后数字模型。在其他实施例中，改变前特定数据的值的修订在单独操作中执行，所述单独操作在数据库中生成改变后患者特定数据集。然后，所述建模引擎可以访问所述改变后患者特定数据集，所述改变后患者特定数据集可用于生成改变后数字模型。与改变前数字模型的生成一样，来自统计数据集的数据可用于确定最佳模型生成方法和/或基于分组历史修改改变后数字模型。一旦确定了改变后数字模型，则提供给图形引擎一组改变后代表性数据，图形引擎反过来提供了人类可观察的输出(例如，通过显示器)，表示提议的干预的改变后结果。

在一些实施例中，可将从数字模型获得的改变后特定数据输入数据库。这种改变后特定数据可以用作计算后续提议的干预效果的起始点，进而生成第二改变后物理力学模型。这种顺序方法可用于为包括许多不同步骤的复杂手术推导最佳治疗计划。例如，初始改变后模型可用于确定角膜切口的最佳大小和位置，后续改变后模型可用于确定白内障治疗中的最佳人工晶状体选择和位置。

物理力学模型的生成可以包括将患者特定数据，包括待治疗的个人眼部的各种物理特征，输入特定的患者特定数据库。这些数据可以包括角膜声学响应和/或超声数据、地形图数据、测厚数据、仰角数据、角膜厚度数据、角膜曲率数据、波前数据、眼内压数据、外周基质厚度数据、患者年龄、患者性别、角膜接触镜使用时间、术前干预和/或对术前干预的反应。这些数据可以通过角膜地形图、光学相干层析术、波前分析、超声和/或患者访谈获得。

以这种方式收集的数据可用于确定或推断各种力学性能，这些力学性能可用于推导眼部或眼部结构的物理力学模型。此类力学性能包括杨氏模量，应力/应变弹性模量，泊松比，密度，硬度，延性，和/或受压、拉伸、扭转和剪切条件下眼部结构的有限元分析结果。应该理解的是，这些可以通过温度进行修改，温度可以在手术期间发生一定程度的变化。

可以获取并输入任何相关眼部结构的此类患者特定数据。相关眼结构包括晶状体、囊袋、巩膜小带、角膜、虹膜、上皮、睫状体和肌肉、有房水的前房、有玻璃状液的后房、悬韧带、瞳孔、施莱姆管、小梁网、结膜、角膜缘和/或视网膜。

本发明构思的实施例还可以包括统计数据库，所述统计数据库包括从接受过眼科治疗的患者群体中获得的数据。此类统计数据库可包括与特定群体部分(例如，年龄范围、性别、种族、是否存在特定遗传标记)、眼科疾病、所应用的干预/治疗、结果相关的数据。此类统计数据库还可以包括与特定群体部分特征、所应用的干预和/或治疗、结果之间的相关性相关的信息。在一些实施例中，可以访问此类数据和/或相关性，以帮助推导改变后物理力学模型的特征。使用此类统计数据库可以通过对患者特定数据库中未提供的值提供统计上可靠的估计来提高所述改变后物理力学模型的准确性。例如，可以使用患者特定因素(例如，年龄、性别和既往治疗)来定义所述统计数据库中的群体部分，所述统计数据库可以对患者特定数据库中不存在的患者特定值提供统计上可靠的估计。

可以使用一个或多个力学模型进行计算与针对眼部一个或多个部分的干预相关的形状变化，所述力学模型基于眼部结构的力学特性提供曲率等的估计。所述力学特性可以从数据库中存储的单个数据中获得，并在通过医学干预改变这些特性后重新计算。所述力学特性的示例包括杨氏模量(E)，所述杨氏模量(E)提供了结构弹性的度量，以及泊松比，所述泊松比是拉伸力方向上横向收缩应变与纵向拉伸应变的比。这些可以通过适当的测量进行估计。例如，(1-v2)P·-(1)E＝2aK(a/h,v)w，其中：

·E是杨氏模量

·P是压痕力

·v是泊松比

·w是压痕深度

·a是压头的半径

·h是组织的厚度

·K是标度因子，取决于纵横比a/h泊松比

可以基于压痕的无限小变形假设获得解。眼部组件的改变可以改变影响所述组件力学特性(例如杨氏模量)的参数。例如，通过激光消融修改一部分角膜的厚度，直接影响该区域内的组织厚度。所述建模引擎可用于估计由提议的医学干预改变的眼部结构参数在此类力学特性上的影响，并在眼部内施加力(如眼内压)以预计对此类结构构造的影响，以生成改变后眼部的物理力学模型。类似地，可以在改变后物理力学模型中计算和利用特定眼部结构的构造中的此类变化对相邻或以其他方式耦合的眼部结构的影响。个体眼部或其部分的改变前和改变后物理力学模型可以组合以基于力学估计生成眼部的动态物理力学模型。

或者，可以使用能量最小化方法，其中，将所述患者特定数据库中的值提供给建模引擎，所述引擎生成眼部或眼部一部分内存在的力，与眼部或眼部一部分特征之间关系的数学模型，根据上述力学关系推导。所述数学模型提供了一组用于生成三维物理力学模型的坐标，所述三维物理力学模型可以表示所述数学模型的低能量或最小能量解。在一些实施例中，所述数学模型作为整体应用于眼部或眼部的特定部分。在其他实施例中，将一系列数学模型应用于眼部的段或眼部的特定部分，以生成数学模型集，其中所述集的每个成员提供其各自段内存在的力与所述段的特性之间的相关性。在此类实施例中，可推导表征所述段之间的交互的附加集成模型。

所述建模引擎还可以根据存储的物理参数(例如密度、厚度、弹性、刚性等)和眼部中存在的作用力和/或固有力之间建立的力学关系，输出一组或多组用于推导表示物理力学模型的坐标的代表性数据。所述力学关系可用于生成表示一组坐标的代表性数据，所述坐标为物理力学模型提供最低静态能量解，所述解通过计算结构内的应变和应力确定。

例如，众所周知的力学关系可用于推导基线应变或静态能量，所述基线应变或静态能量是由于将存储的物理参数(可以是个人测量结果)应用于存储的基线或通用物理力学模型而产生的，所述通用物理力学模型包括通用眼部或眼部期望部分的一组基线空间坐标。然后，所述建模引擎应用静态能量减少算法来修改已修改的基线物理力学模型的空间坐标，以减少或最小化基线静态能量。例如，此类算法可以以迭代方式计算眼部或眼部结构的已知特征所限制的各种可能维度的应变或静态能量，然后对结果进行排序。当所述静态能量最小时(即，进一步修改会导致计算的静态能量或应变增加)，实现最终物理力学模型。

在本发明构思的另一个实施例中，眼部或其一部分(例如角膜)可以建模为柔性层状结构。此类层状模型可以包括两个或多个相互连接的层，使得其中一个层的表面与相邻层的相应表面接触并连续粘附。在这样做的过程中，与严格的力学和/或能量方法相比，层状物理力学模型可以更完整地代表自然发生的解剖环境中的实际眼部和/或眼部结构。在此类层状模型中，相邻层可以具有不同的厚度、构成和力学性能，并且可以被选择和排序以至少部分地复制眼部及其不同组织层的解剖结构。例如，此类层状物理力学模型可以提供相对薄而柔性的上皮层，所述上皮层粘附在非柔性的鲍曼层上，而鲍曼层又粘附在角膜的物理力学模型中密度不同的相对厚而柔性的基质上，并考虑到这些层中任何或所有层的修改。

图9中显示了所述层状模型的示例，其描绘了一部分角膜的示例性层状模型。所述层状模型(900)包括三层(910、920、930)，其被建模为具有与上皮层(910)相对应的单个力学/物理特性。鲍曼层(920)和基质(930)。所述层状物理力学模型(900)通过将整体结构视为柔性层板来生成，其中层(910)连续粘附于层(920)，层(920)连续粘附于层(930)。

可获得角膜各部分的基本力学性能(参见Masterson和Ahearne,Experimentaleye Research[实验性眼部研究],177:122-129(2018)；Last等人,Journal of StructuralBiology[结构生物学杂志],167(1):19-24(2009))，并可根据患者特定数据(如测量值、年龄、病史等)进一步优化。基于眼部或其一部分的结果层状模型的物理力学模型，其对应力(例如眼内压)的响应、其对一个或多个层的全部或一部分厚度(例如通过消融)或刚度(例如通过交联)中改变的响应等，可通过任何合适的方法以数字形式生成。例如，使用先前记录的数据培训的人工神经网络可用于生成层状结构的预测物理力学模型。多连续体理论已被应用于预测柔性层板复合材料的行为，并且可以以类似的方式应用于生成层状物理力学模型。诸如ANSYS Workbench^TM之类的工具已用于提供合成层状复合材料的三维CAD模型，并可用于生成层状物理力学模型。

在本发明构思的一些实施例中，可以通过第一方法生成眼部的一部分的模型，并且生成的部分并入通过第二方法建模的较大结构中。例如，如果发现能量最小化的方法可为角膜的一部分提供足够的结果，则可以使用能量最小化的方法生成表示所述一部分的第一模型。一旦生成，所述第一模型就可以作为层，并入到更复杂的角膜层状模型中，所述角膜层状模型包括具有不同力学性能的更多层。这种组合方法可以有利地减少计算负担。

在一些实施例中，所述建模引擎可以提供在单一操作中推导的结果。在其他实施例中，可以迭代地应用一系列试验解，直到识别出低静态能量、合适的力学估计或合适的层状模型解。当为眼部或其一部分推导出单一数学模型时，可以使用一组代表性数据。例如，如果期望仅对个人眼部的晶状体进行建模，则单一数学模型足以描述施加到晶状体部分的力与所述晶状体的物理特性之间的关系，所述物理特性反过来定义了表示为代表性数据的晶状体形状。

或者，如果期望更广泛或更复杂结构的物理力学模型，则可以使用针对结构或期望结构的段或部分的数学模型集来推导代表指定眼部或眼部部分的每个指定段或部分的坐标。因此，已知的力学关系可以应用于与段相关的患者特定数据，所述段应用于通用眼部或眼部部分的相应基线物理力学模型，以推导所述段的基线静态能量值。通过将每个段的静态能量最小化物理力学模型的空间坐标应用于定义单个段之间的空间关系的集成模型，为整个眼部或其部分集成静态能量。然后，可以以迭代方式调整单个段的空间坐标，以生成具有最小静态能量的集成物理力学模型。在一些实施例中，期望在最小化集成物理力学模型的静态能量之前，仅部分地最小化每个段的静态能量。

在本发明构思的一些实施例中，可以组合力学估计模型、能量最小化和/或层状模型的结果，以提供眼部的混合物理力学模型。在这种组合方法中，加权可应用于力学估计、能量最小化和/或层状模型的结果，以调整每个结果对最终物理力学模型的相对贡献。在一些实施例中，可将改变前和改变后力学估计物理力学模型和能量最小化物理力学模型的结果与来自统计数据库的数据进行比较，所述统计数据库从具有与特定患者的特征相似的特征的患者以及与所提议的医学干预相对应的手术获得。如果所述比较表明，与单个模型相比，所述力学估计方法、所述能量最小化方法、层状模型或组合方法中的一种与统计数据库中的数据更加一致，而提供最佳匹配的物理力学建模方法可优先用于特定患者的仿真和治疗计划。

在本发明构思的一些实施例中，可通过统计数据库中的数据进一步修改眼部或眼部部分的静态能量最小物理力学模型、力学估计模型和/或层状模型。在生成物理力学模型之前未完全表征患者眼部的情况下，和/或在记录了现象但未完全理解潜在机制的情况下，所述修改可以提供更准确的结果。例如，如果统计数据库包括数据，所述数据表明角膜环的特定构造的使用与在患者所属的特定患者群体中的角膜表面比预期更平整相关，则可以调整用于生成角膜表面的三维物理力学模型的空间坐标以反映这一点。

如上所述，所述建模引擎的输出可以是表示三维物理力学模型构造的一组空间坐标。所述空间坐标被提供给图形引擎，所述图形引擎反过来生成三维表示。显示从基线状况提议的医学干预的预计结果的动态物理力学模型，可以显示为基于适当的空间坐标集的动态或动画三维表示。所述三维表示可以显示为表面或表面集、去除部分以露出内部结构的三维表面、部分半透明或透明结构和/或横截面。类似地，在为整个眼部或眼部的期望部分推导解时，所述建模引擎可用于生成整个部分的三维表示。例如，当生成整个眼部的物理力学模型时，用户可能希望仅显示表示晶状体或角膜表面的物理力学模型的一部分。然而，所述显示部分的特征从对与整个眼部或其部分相关的数据执行计算获得。

所述图形引擎可以为任何合适的显示提供输出。如上所述，在本发明的上下文中，三维显示可以包括使用常规二维计算机显示指示三维性质的图像显示透视、阴影、颜色提示、旋转能力等。或者，所述图形引擎可以为全息、双目显示、虚拟现实集或其他三维显示技术提供输出。在本发明构思的一些实施例中，所述图形引擎的输出可以与患者眼部的图像组合到增强现实系统中。在一些实施例中，所述图形引擎可以向三维打印机提供输出，以便产生治疗的预计结果的物理表示。所述物理表示可以包括颜色、密度和/或柔韧性的差异，以便表示如此表示的眼部组织或其部分的特征。所述三维表示对于准备眼科手术和/或为接受治疗的患者和执业医生提供教育辅助具有特别的价值。

在一些实施例中，图形引擎不用于向用户提供图形反馈。在这些实施例中，反馈可以以表示结果的表格或潜在积极和/或消极结果的书面总结的形式提供。在一些实施例中，所述总结可包括针对替代手术的建议。在其它实施例中，可以以非代表性的视觉形式向用户提供反馈，例如提供指示积极或消极结果的彩色编码图标或显示。

如上所述，本发明构思的物理力学模型可用于交互式系统中，所述系统准许执业医生确定个人的疾病或异常眼部中各种医学干预的结果。为此，包括上述物理力学建模系统的仿真系统可包括输入与计划干预相关数据的机制。所述数据可以从治疗数据库中获得，所述治疗数据库包括与特定干预相关的数据，例如激光消融模式、PRK切口模式、已知的超声乳化术过程、特定的人工晶状体模型等。用户可以选择此类信息，并将其应用于眼部的改变前物理力学模型，以生成改变后物理力学模型。所述改变前和改变后物理力学模型可组合生成动态物理力学模型，所述动态物理力学模型显示了对眼部执行一个或一系列提议的医学手术的效果。所述动态物理力学模型可用于仿真，以设计或计划针对个体患者的治疗方法，相对于仅依赖个体医生的培训和经验，具有较高的成功预期。

在一些实施例中，与计划干预相关的数据可由用户以动态方式输入，所述动态方式通过用户选择适当的干预工具并通过适当的接口应用于所述改变前物理力学模型。例如在一些实施例中，用户可以使用鼠标或类似的点击设备，在计算机屏幕上显示的患者眼部的改变前物理力学模型的角膜上，绘制用于LASIK消融或PRK切口的模式，然后在生成改变后物理力学模型之前输入特定的消融参数或切口深度。或者，佩戴VR设备的用户可以使用传感器手套或类似设备在虚拟环境中虚拟选择和操作虚拟工具，所述虚拟环境包括改变前眼部的物理力学模型。在一些实施例中，所述传感器手套可包括触觉反馈或其他触感反馈设备，以便更接近地仿真物理现实。在此类实施例中，当应用提议的干预时，可以推导和显示一系列改变后物理力学模型，以便提供眼部干预效果的至少近似实时仿真。这有利地允许在仿真手术内进行矫正，反过来又可以引导开发更高效和有效的干预手术。

生成眼部物理力学模型的方法以及医学手术对特定患者眼部的效果可以作为治疗系统的一部分实施。所述治疗系统可以包括用于存储和检索上述的数据库信息的存储器、用户接口和显示器。在下面的讨论中，将对服务器、服务、接口、门户、平台或由计算设备构成的其他系统进行大量的参考。应当理解，所述计算设备被认为具有至少一个处理器，所述处理器被配置为执行存储在计算机可读有形、非暂时性介质上的软件指令。例如，所述系统可以在服务器上实施，所述服务器可以包括一台或多台计算机，所述计算机以履行所描述的角色、职责或功能的方式作为web服务器、数据库服务器或其他类型的计算机服务器运行。或者，所述系统可以作为独立设备实现。在一些实施例中，所述治疗系统可与用于眼部治疗的设备通信或耦合到所述设备(例如，LASIK系统)，并且可用于在手术期间提供指导。

实施例

在生成一部分眼部的物理力学模型及其使用的实施例中，执业医生希望打开特定患者晶状体周围的囊袋，而不会造成足以妨碍人工晶状体后续定位的损伤。图7中提供了眼部的横截面的表示。如图所示，包围晶状体的囊袋被眼部的各种结构包围并连接，所述眼部的各种结构可以影响眼部的形状和位置。

与眼部各部分相关的物理力学数据可以从个体患者眼部的测量中获得，如眼内压、密度、波前扫描等，或者可以使用所述测量对个体化统计数据进行修改。例如，可以使用查找表来表示这些数据，而查找表又可以存储在患者特定数据库中。该信息可用于生成患者改变前眼部或眼部结构的物理力学模型。类似地，由于医学干预而对这些值进行的变化可以在类似的表中提供，并随后用于生成改变后眼部或眼部结构的物理力学模型。所述模型可以组合以形成患者眼部或眼部结构的动态物理力学模型。

针对个体患者晶状体的物理力学特性的典型查找表示例如下：

针对个体患者囊袋的物理力学特性的典型查找表示例如下：

针对个体患者小带的物理力学特征的典型查找表示例如下：

如上所述，已知力学原理应用于此类患者特定值，以便使用已知力学原理生成预测三维物理力学模型。例如，应力和/或应变的杨氏模量可以根据记录的患者特定值推断各种眼部结构。合适的眼结构包括晶状体、囊袋、巩膜小带、角膜、虹膜、上皮、睫状体和相关肌肉、有房水的前房、有玻璃状液的后房、悬韧带、瞳孔、施莱姆管、小梁网、结膜、角膜缘和视网膜。

本发明构思的方法和设备的应用广泛。示例包括使用物理力学模型优化LASIK的结果，以便在切割角膜瓣之前确定角膜消融的模式和深度。当角膜的固有属性发生改变时尤其如此，例如通过交联(增加刚度)和/或之前的LASIK或PRK手术。眼部物理力学模型也可应用于飞秒激光器进行的手术，所述手术使用刀片进行传统切口，所述飞秒激光器产生比刀片窄得多的切口，并使得切口结构具有不同的力学性能。个体角膜的物理力学模型可用于评估

(Conductive

)手术中不同射频强度、持续时间和靶向的结果，所述手术可以修改角膜刚度，改善老视单视矫正的结果。个体角膜和晶状体的物理力学模型可用于优化超声乳化术的波形、时间、强度和切口位置。类似地，个体眼部的物理力学模型可用于优化人工晶状体的选择和放置，以获得最佳的视觉效果，特别是在患者之前进行过角膜的LASIK或PRK修改和/或患者有改变眼球构造的极端近视或远视的情况下。

在本发明构思的另一个实施例中，建模引擎与飞秒激光系统通信，用于在晶状体和/或角膜上执行手术(包括与白内障摘除/放置相关的手术)和屈光手术(例如角膜缘松弛切口和角膜中的微切口)。本发明中使用的术语飞秒激光器和飞秒激光束，是指脉冲持续时间小于约10皮秒(小于约10x10^-12秒)到并包括约1飞秒(fs)(约1x10^-15秒)的所有激光器和激光束。

图10显示了本发明构思的集成系统的示例。如图所示，所述集成系统1000包括飞秒激光器1001(其在一些实施例中可包括集成超声乳化术系统)、第一GUI 1004、第二GUI1003和建模引擎1002。所述第一GUI 1004和/或所述第二GUI 1003可以接收和显示信息和数据。所述信息和数据的示例包括控制信息、关于系统操作的信息、用户选择、用户输入、患者数据、建模信息、模型信息、预测效果、表示、数据、表以及由所述建模引擎1002推导或生成的表示、图像、信息和数据。

图11显示了本发明构思的建模引擎和激光系统之间的通信和工作流程示例的说明。如图所示，飞秒激光系统1100(在一些实施例中包括集成超声乳化术系统)和建模系统1101，具有建模引擎和一个或多个患者数据库(可包括术前和术后信息，和/或统计数据库)，每个患者数据库都与所述建模引擎通信。如箭头1103和1104所示，建模系统1101与飞秒激光器进行通信，并且在一些实施例中控制通信。工作流程图1102示出了系统1100和系统1101之间和内部的通信和工作流程的示例。

建模系统1101的至少部分或全部组件可与激光系统1100集成(例如，包含在公共外壳内)。在一些实施例中，建模系统1101的至少部分或全部组件可位于通过无线、网络或有线通信系统与激光系统1100通信的独立单元中。在本发明构思的一些实施例中，建模系统1101的至少部分或全部组件可以位于云中。还考虑了这些的构造各种构造和其组合。

图1、图2的工作流程图和示例的物理力学模型及其组合和变化可用于图10、图11所示的实施例，以及本发明系统的其他实施例。实施例中，包括与建模引擎集成和通信的所述激光系统可包括部分或完全与激光系统集成的超声乳化术系统。

本领域技术人员应当清楚，在不脱离本发明的发明构思的情况下，除了已经描述的修改之外，还可以进行更多的修改。因此，本发明的主题不受限制，除非符合所附权利要求书的精神。此外，在解释说明书和权利要求时，应以与上下文一致的尽可能广泛的方式解释所有术语。尤其是，术语“包括”应解释为以非排他性方式指代元素、组件或步骤，表示所引用的元素、组件或步骤可以存在、利用或与未明确引用的其他元素、组件或步骤组合。其中，说明书权利要求涉及从A、B、C……N组成的组中选择的至少一种，文本应解释为只需要组中的一个元素，而不是A+N或B+N等。

Claims (26)

1.一种用于辅助用户在患者眼部上执行眼科手术的系统，包括：

用户接口，所述用户接口可通信地耦合到输入/输出接口，并且被配置为与用户设备通信；

数据库，所述数据库包括患者数据库、临床数据库和手术数据库，其中所述数据库可通信地耦合到所述输入/输出接口，以及

处理器，所述处理器可通信地耦合到所述输入/输出接口和所述数据库，其中所述处理器包括提供眼部或一部分眼部的物理力学模型的算法，

其中，所述输入/输出接口、数据库和处理器中的至少一个是基于云的。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述输入/输出接口包括计划模块。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述输入/输出接口包括治疗模块。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述数据库包括执业医生数据库。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中所述数据库包括仪器数据库。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述处理器包括机器学习算法，所述机器学习算法被配置为将来自临床数据库的数据与来自患者数据库的数据相关联，并通过所述输入/输出接口提供治疗建议。

7.一种辅助用户在患者眼部上执行眼科手术的方法，包括：

访问输入/输出接口的计划模块，所述输入/输出接口可通信地耦合到数据库和处理器，其中所述输入/输出接口包括算法辅助，并且其中所述数据库包括患者数据库、临床数据库和手术数据库；

通过所述输入/输出接口输入眼科手术的期望结果；

使用所述处理器的机器学习算法，和来自患者、临床和手术数据库的数据，确定推荐手术；以及

将所述推荐手术传输到所述输入/输出接口，

其中，所述输入/输出接口、数据库和处理器中的至少一个是基于云的。

8.根据权利要求7所述的方法，其包括生成眼部或其一部分的物理力学模型。

9.根据权利要求8所述的方法，其中通过用户与所述物理力学模型的交互输入所述期望结果。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述推荐手术通过所述物理力学模型传达给用户。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中所述数据库包括执业医生数据库，并且其中所述推荐手术部分地由所述执业医生数据库中的数据确定。

12.根据权利要求7至11中任一项所述的方法，其中所述数据库包括仪器数据库，并且其中所述推荐手术部分由所述仪器数据库中的数据确定。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的方法，包括将所述推荐手术的可能结果传输到所述输入/输出接口。

14.根据权利要求13所述的方法，包括根据所述可能结果输入对所述推荐手术的修改，以生成修订手术和修订结果，并在所述可能结果不可接受时将所述修订结果发送到所述输入/输出接口。

15.一种辅助用户在患者眼部上执行眼科手术的方法，包括：

对眼部进行物理表征，以确定眼部结构的至少第一密度和至少第一维度；

应用所述确定的密度和维度，推导代表眼部结构或其解剖结构的物理力学模型；

从用户处接收所选眼科手术；

将所选眼科手术应用于所述物理力学模型以预测将所选眼科手术应用于所述眼部结构的效果；以及

当应用于所述眼部结构时，向用户提供所选眼科手术的预测效果的表示，

其中，所述物理力学模型推导自解剖环境下眼部或其一部分的力学性能。

16.根据权利要求15所述的方法，包括将所选手术应用于眼部。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述预测效果的表示通过所选手术推导自所述力学性能的改变的结构分析。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中所述预测效果的表示推导自应用所选手术后的计算应变或静态能量的最小化，其中所述计算应变或静态能量推导自所述力学性能。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中所述预测效果的表示推导自应用所选手术后对眼部或其部分作为柔性层状结构的分析。

20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，包括获取用于生成所述物理力学模型的附加眼科数据，其中所述数据选自由角膜声学响应或超声数据、地形图数据、测厚数据、仰角数据、角膜厚度数据、角膜曲率数据、波前数据、眼内压数据、外周基质厚度数据、患者年龄、患者性别、角膜接触镜使用时间、术前干预、术前干预响应和角膜屈服点组成的组。

21.根据权利要求15至20中任一项所述的方法，还包括：

修改所选眼科手术以生成修改的眼科手术；以及

使用所述物理力学模型预测第二预测效果，所述第二预测效果是通过将修改的眼科手术应用于眼部而产生的。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，对眼部结构的所述第二预测效果提供了修改的眼部结构，并且其中利用修改的眼部结构的计算物理特性来生成代表所述修改的眼部结构的第二物理力学模型。

23.一种激光系统，包括：

飞秒激光器，用于将飞秒激光束传送到眼部；

建模系统，包括建模引擎和患者数据库；所述患者数据库被配置为接收眼部结构的确定密度表征和眼部结构的确定维度表征；以及

图形用户界面(GUI)，配置为接收来自用户的输入并显示来自所述建模系统的输出；所述输入包括所选手术，

其中，所述建模系统配置为：

根据所述患者数据库接收到的眼部结构的确定密度表征、所述患者数据库接收到的眼部结构的确定维度表征或两者，推导所述眼部结构的物理力学模型表示；

从GUI接收所选手术；

将所选手术应用于所述物理力学模型表示，从而推导所选手术对眼部结构的预测效果；以及

向GUI提供所述预测效果的表示。

24.根据权利要求23所述的系统，其包括超声乳化术系统。

25.根据权利要求23或24所述的系统，其中所选手术为角膜缘松弛切口。

26.根据权利要求23或24所述的系统，其中所选手术为角膜中的微切口。

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