CN115209815A - 合成超声图像 - Google Patents

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Abstract

提供了用于对患者的身体部位(如患者的眼睛)进行成像的系统、过程和装置。在一些实施例中，提供了用于调整来自超声探头的读数以考虑通过眼睛不同部分的不同声速的过程。在各种实施例中，提供了用于将身体部位的多个图像组合在一起的过程。在一些实施例中，提供了一种用于确定眼睛的晶状体的直径的过程。

Description

合成超声图像
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年1月7日提交的题为“Ultrasound Images”的美国临时申请序列号62/958,111的权益；2020年1月20日提交的题为“Ultrasound Images”的美国临时申请序列号62/963,445的权益；以及2020年2月4日提交的题为“Ultrasound Images”的美国临时申请序列号62/970,099的权益，以上在此引入作为参考。
技术领域
本公开描述了一种用于在扫描期间针对眼动(eye movement)调整超声图像的方法；用于扫描期间的仪器移动的方法；用于通过眼睛内不同区域的声速变化的方法；或者用于使用侦察图像的换能器路径优化的方法。
背景技术
超声
超声成像已经被用于眼睛结构的准确和可再现的测量，例如角膜和晶状体囊。这种测量为眼科医生提供了有价值的信息，这些信息可用于指导各种用于矫正屈光不正的外科治疗方法(procedure)，例如LASIK和晶状体置换。这还能在进行手术后提供诊断信息，以评估角膜特征(例如LASIK疤痕)和晶状体特征(例如晶状体连接、位置和方向)的几何位置。这允许外科医生能够评估角膜或晶状体的术后变化，并采取措施纠正出现的任何问题。
除了轴上测量，虹膜后部的眼睛组成部分的尺寸和位置不能完全由光学手段确定。可以应用大约5MHz到大约80MHz频率范围内的超声成像来对眼睛的结构(例如角膜、晶状体囊、睫状肌等)进行准确和精确的测量。
在以下授权的美国专利中描述了超声扫描装置，所有这些专利通过引用结合于此：
1.US 7,048,690“Precision Ultrasound Measurement for Intraocular LensPlacement”；
2.US 8,758,252“Innovative Components for an Ultrasonic Arc ScanningApparatus”；
3.US 8,496,588“Procedures for an Ultrasonic Arc Scanning Apparatus”；
4.US 8,317,709“Alignment and Imaging of an Eye with an UltrasonicScanner”；
5.US 9,149,254“Alignment and Imaging of an Eye with an UltrasonicScanner”；
6.US 9,597,059“Tracking Unintended Eye Movements in an UltrasonicScan of the Eye”
在大约38MHz的中心频率下，典型的电弧扫描仪(arc scanner)具有大约20微米的轴向分辨率和大约150微米的横向分辨率。电弧扫描仪图像的再现性通常约为2微米。
本文描述的超声系统能够相对于患者头部上的已知参考点准确地移动超声换能器。如题为“Tracking Unintended Eye Movements in an Ultrasonic Scan of the Eye”的US 9,597,059中所公开的，进一步的改进使得能够在扫描期间跟踪非预期的眼动，该专利通过引用结合于此。
超声成像已经被用于角膜手术治疗方法，例如LASIK，以产生准确和精确的图像和角膜厚度的映射图(map)，包括上皮厚度、鲍曼(Bowman)层厚度和LASIK瓣(flap)的图像。在大约38MHz的中心频率下，典型的电弧扫描仪图像具有大约20微米的轴向分辨率和大约150微米的横向分辨率。电弧扫描仪图像的操作员和仪器再现性通常约为2微米。
新的治疗方法，如植入可调节晶状体，可以在不戴眼镜或隐形眼镜的情况下提供近乎完美的视力。可调节晶状体的植入需要精确测量，例如，天然晶状体的位置和宽度，以便成功地驱动和植入晶状体。超声成像可用于提供所需的天然晶状体的准确图像，特别是在悬韧带将晶状体附着到睫状体上的情况下，睫状体离轴很远且在虹膜后部，因此不能进行光学成像。
超声成像的最新进展已经允许对基本上整个晶状体囊进行成像。这使得诊断设备能够帮助研究晶状体植入设备和策略，并帮助规划、执行和跟踪用于矫正晶状体手术的诊断，包括例如青光眼和白内障治疗以及包括可调节晶状体在内的透明人工晶状体植入的专业治疗方法。
有晶体人工晶状体(PIOL)是一种特殊类型的人工晶状体，其通过手术植入到眼睛中以矫正近视，被称为“有晶体”(意思是“有晶状体”)，因为手术无需触及眼睛的天然晶状体。在白内障手术中，眼睛的天然晶状体被摘除后植入眼睛的人工晶状体被称为人工晶体。当激光选项，如LASIK和PRK不是最佳手术选项时，有晶体人工晶状体被考虑用于高屈光不正的患者。
超声提供了虹膜后的关键测量，这在以前是没有的，并且可以将外植率(explantrate)降低约10倍。
例如在脉络膜上腔中或脉络膜上腔附近植入支架的其他新治疗方法可以提供对青光眼的部分或全部治疗。超声成像可用于在巩膜和虹膜之间的眼角(在脉络膜上腔到巩膜突的区域中)提供所需的准确图像，该图像离轴很远并且基本上无法通过光学成像获得。
眼睛的超声扫描可以包括一个或多个B扫描(每个B扫描由多个A扫描形成)，并且这些扫描可以自动组合以形成前段(anterior segment)的综合图像。因此，有必要快速扫描患者，以减少扫描期间患者眼动的可能性。当换能器支架和扫描头在水浴中来回移动时，快速扫描会导致仪器移动。
超声扇形(ultrasound sector)和超声弧(ultrasound arc)扫描仪都记录反射超声脉冲的到达时间。然后，使用介质的声速将这些到达时间测量值转换为距离测量值。传统上，使用单一的代表性声速值。尽管可以使用从1,531米/秒到1,641米/秒的声速(1,641米/秒是人的自然晶状体中的声速)，但是通常使用在37℃的水中的声速(1,531米/秒)。
在眼睛的不同前段区域，例如角膜、房水、天然晶状体和玻璃体液中，声速是不同的。不同的研究人员已经测量了这些不同区域中的声速，并且这些声速已知是合理的。因此，如果可以识别这些区域的界面，则可以使用这些区域的适当声速来更准确地将到达时间转换为距离。
补偿非预期的患者头部移动或眼动也同样重要，因为前段扫描或晶状体囊扫描的扫描通常是通过叠加两个或三个单独的扫描来进行的(例如弓形扫描，随后是两个线性扫描，也在题为“Tracking Unintended Eye Movements in an Ultrasonic Scan of theEye”的美国专利9,597,059中有所描述)。
患者无意的眼动包括快速扫视，这是双眼在相同方向上的快速、同时的旋转，包括眼窝中眼眶的一系列不连续的单独旋转。
在例如US 8,317,709中描述的精密扫描设备中，换能器的运动速度是有限的，因为它的运动是在水浴中进行的，并且换能器及其支架的过快运动速度会导致整个仪器振动。在实践中，从患者的眼睛浸入水中到水从目镜中排出，一组超声扫描可以在大约1到大约3分钟内完成。
在操作者或自动化软件完成定中心和测距过程之后，实际的扫描过程本身可以在几十秒内完成。通常情况下，在此期间，患者可能会轻微移动其头部，或者可能会在眼窝内移动其眼睛。在某些情况下，检测出来的患者心跳在图像上呈现为轻微模糊。如果患者移动幅度较大，扫描设置总是可以重复。
本发明的电弧扫描仪可以产生几种不同的扫描类型。分别是：
$具有固定曲率半径的弓形扫描仪
$线性扫描
$允许各种曲率半径的、包括反向曲率半径的弓形和线性扫描组合
这些扫描可以组合起来形成合成图像，因为每个图像都是由非常准确的到达时间数据和换能器位置数据形成的。然而，将这些单独的扫描组合成合成扫描必须考虑扫描期间患者的眼动；和扫描过程中的仪器移动。
由于需要眼封(eye seal)来为超声信号在换能器之间的传播提供连续介质，任何扫描设备在换能器相对于眼睛的移动范围上都有限制。通过引入有意的和受控的眼动并扫描现在可以到达的眼睛的新暴露部分，可以扩展扫描设备的范围以覆盖更多的前段。可以使用配准技术来组合不同眼睛位置的扫描，以创建眼睛前段的更完整的合成图像。
美国专利申请号16/422,182、题为“Method for Measuring Behind the Irisafter Locating the Scleral Spur”正在申请中。本申请涉及一种使用用于眼睛前段成像的精密超声扫描设备来定位眼睛中的巩膜突的方法。精密超声扫描设备或仪器的应用之一是对角膜、虹膜、巩膜和睫状肌非常接近的眼睛区域进行成像。通过使用该区域中眼睛结构的知识并采用二元滤波技术，可以确定巩膜突的位置。一旦确定了巩膜突的位置，就可以进行许多测量，这些测量表征眼睛前段的这个区域内的组成部分的正常和异常形状。本申请中公开的许多想法可以用于形成准确的合成图像。
因此，仍然需要一种在扫描期间针对眼动调整超声图像的方法；用于扫描期间仪器移动的方法；以及通过眼睛内不同区域的声速变化的方法。
发明内容
本公开解决了这些和其他需求。本公开的各种实施例和配置总体上涉及例如眼睛前段中的角膜、巩膜、虹膜和晶状体的生物材料的超声成像，具体而言，涉及一种用于在扫描期间针对眼动调整超声图像的方法；用于扫描期间仪器移动的方法；用于通过眼睛内不同区域的声速变化的方法；或者用于使用侦察图像的换能器路径优化的方法。
声音变化速度的调整
方法1
在第一种方法中，通过除以适当的平均声速，将伏特对时间格式的A扫描的阵列转换成伏特对距离格式。识别突出镜面的位置，然后应用镜面之间区域的已知声速来调整镜面的位置。通过将镜面之间的每个区域除以适当的声速，将伏特对时间格式的A扫描的阵列重新转换成伏特对距离格式。
方法2
在第二种方法中，镜面之间的每个区域具有适当声速的解剖模型可以通过计算机算法变形，以使用基于图像或边缘的配准来匹配感兴趣的眼睛的特定B扫描。这又使得计算机算法能够将适当的声速重新应用于A扫描的每个解剖结构区域，如上文针对第一种方法所述。
患者眼动和仪器振动的调整
在扫描期间，患者的眼睛可以移动，或者扫描仪可以在换能器的运动下振动。扫描期间可以减慢换能器的移动以避免仪器振动，但是最好能够尽可能快地移动换能器探头以减少扫描时间。合成B扫描可以包括几个中间B扫描，并且当组合起来以形成合成图像时，可能不会完全对准。通过叠加每个B扫描共有的多个镜面之一，可以更好地对准各个B扫描，从而使各个图像对准。
合成图像
最佳超声成像的垂直超声束要求意味着不同的解剖结构可以由不同的换能器探头扫掠或轨迹进行最佳成像。为了创建眼睛的解剖结构的完整图像，记录和合并不同的B扫描图像，每个图像由不同的扫掠形成，使得能够显示这些图像的解剖学上正确的组合。根据仪器位置数据的初始配准对于高精度配准的快速收敛至关重要。为了创建眼睛的解剖结构的完整图片，配准和合并来自不同扫掠的图像使得能够显示这些图像的解剖学上正确的组合。可以通过叠加每个B扫描共有的镜面之一来对准单独的B扫描，以使单独的图像对准。
最佳换能器轨迹
例如，侦察图像或侦察视图用于对可能获得更多感兴趣特征的位置进行成像。超声侦察图像可以由上述任何扫描类型生成，但是更常见的是由更简单的扫描类型(例如角膜扫描、前段扫描、中央后囊扫描或后囊的左右段扫描)生成。使用侦察图像来识别感兴趣的解剖结构的位置，然后确定换能器的轨迹，以通过在一次或多次成像扫掠期间将解剖结构保持在换能器的焦距处的同时最大化垂直度来对该解剖结构进行最佳成像。
估计晶状体直径
成像
公开了一种对晶状体赤道直径进行成像的方法，其中眼睛被扩张，然后被旋转，并且规定了许多小的恒定正曲率半径扫描。这些图像被拼接在一起以形成天然晶状体的合成图像，由此可以估计晶状体的赤道直径在几十微米内。
根据先前的数据库进行估计
公开了一种估计晶状体赤道直径的方法，该方法不需要借助于角膜曲率计或磁共振成像，其中使用先前公布的生物测量和角膜曲率计数据来定义晶状体曲率半径和厚度的多重线性回归，由此可以导出晶状体的折射率。MRI生物统计学可用于确定顶点曲率半径、圆锥常数、赤道直径、体积和表面积。
前述本发明的简化概述，以提供对本发明某些方面的理解。该概述既不是本发明及其各种实施例的广泛应用，也不是详尽的概述。该概述既不旨在标识本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围，而是以简化的形式呈现本发明的选择性概念，作为对下面呈现的更详细描述的介绍。可以理解的是，本发明的其他实施例可以单独或组合使用上述或下面详细描述的一个或多个特征。
本文使用了以下定义：
术语“一”或“一个”实体是指一个或多个实体。因此，术语“一”(或“一个”)、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可以互换使用。还应注意，术语“包括”、“包含”和“具有”可以互换使用。
短语“至少一个”、“一个或多个”、“和/或”是开放式表达，在操作中既可以同时实现，也可以单独实现。例如，每个表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”和“A、B和/或C”表示单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起或A、B和C一起。
声反射表面(acoustically reflective surface)或界面(interface)是在界面上具有足够的声阻抗差以产生可测量的反射声信号的表面或界面。镜面通常是非常强的声学反射表面。
前部(anterior)是指位于结构的前部；前是后的反义词。
A扫描(A-scan)是经整流、滤波的反射声信号和时间的函数的表示，该信号由超声换能器从声脉冲接收，该声脉冲最初由超声换能器从相对于眼睛组成部分的已知固定位置发射。
可调节晶状体(accommodative lens)，也称为老花眼晶状体或老花晶状体，是人造人工晶状体(artificial intraocular lens)，其响应于睫状体的收缩而改变其焦距。成功植入后，可调节晶状体可以逆转老花眼，即眼睛无法从远到近改变焦距。
本文使用的准确表示基本没有测量误差。
对准(align)意味着相对于感兴趣的眼睛组成部分的特征(例如瞳孔的中心、角膜的曲率中心或边界、晶状体、视网膜等)，在所有三维空间中准确地和可再现地定位声换能器。
前房(anterior chamber)包括从角膜到虹膜的眼睛区域。
前房深度(“ACD”)是从角膜后表面到晶状体前表面的最小距离。
前段(anterior segment)包括从角膜前部到晶状体后部的眼睛区域。
自动是指在执行过程或操作时，在没有物质人工输入的情况下完成的任何过程或操作。然而，如果在执行过程或操作之前接收到输入，则过程或操作可以是自动的，即使过程或操作的执行使用物质或非物质的人工输入。如果人工输入影响了流程或操作的执行方式，则该输入被认为是物质性的。同意执行流程或操作的人工输入不被视为“物质性的”。
自动对中(auto-center)是指自动地、通常在计算机控制下，使得电弧扫描换能器与感兴趣的眼睛组成部分对中。
B扫描(B-scan)是A扫描数据的经处理的表示，通过使用声速将其从时间转换为距离，或者通过使用对应于A扫描幅度的灰度级来突出沿A扫描时间历史迹线(trace)的特征(后者也称为A扫描向量)，或者可同时使用这两种方式。
眼睛的旋转中心(center of rotation of the eye)，当眼睛在其轨道上旋转时，眼球内有一个点相对于轨道或多或少是固定的。当眼睛的视线垂直于基线和额平面时，正视眼(即具有约20/20视力的正常眼睛)的旋转中心被认为是位于角膜前极后约13.5mm的眼睛视线上。
睫状体(ciliary body)是眼睛内部的圆周组织，包括睫状肌和睫状突。眼睛中有三组睫状肌，即纵向肌、径向肌和环形肌。它们靠近眼睛的前方，在晶状体的上方和下方。它们通过称为津恩小带(zonule of Zinn)的结缔组织附着在晶状体上，并负责塑造晶状体以将光线聚焦在视网膜上。当睫状肌放松时，它会使晶状体变平，通常会改善对更远物体的聚焦。当它收缩时，晶状体变得更加凸出，通常会改善对较近物体的聚焦。
合成图像(composite image)是由合并到公共坐标系上的多个图像组合而成的图像。
合成(composite)是将来自不同来源的图像或图像元素组合成单个图像。如本文所使用的，合成是通过数字图像处理来实现的。
本文使用的术语计算机可读介质是指参与向处理器提供指令以供执行的任何有形存储和/或传输介质。这种介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如NVRAM或磁盘或光盘。易失性介质包括动态存储器，例如主存储器。计算机可读介质的常见形式包括，例如，软盘、软磁盘、硬盘、磁带或任何其他磁介质、磁光介质、CD-ROM、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、任何其他具有孔图案的物理介质、RAM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、像存储器卡一样的固态介质、任何其他存储芯片或盒、下文描述的载波或任何其他计算机可以读取的介质。电子邮件或其他自含式信息档案或档案集的数字文件附件被视为等同于有形存储介质的分发介质。当计算机可读介质被配置为数据库时，应当理解，数据库可以是任何类型的数据库，例如关系型、层次型、面向对象型等。因此，本发明被认为包括有形存储介质或分发介质以及现有技术认可的等同物和后继介质，其中存储了本发明的软件实现。
本文使用的术语确定、计算和核算及其变体可以互换使用，并且包括任何类型的方法、过程、数学运算或技术。
基准(fiducial)指成像设备的视野中的参考、标记或基准。
注视(fixation)意味着让患者将眼睛聚焦在光学目标上，使得眼睛的光轴与光学目标成已知的空间关系。在固定时，光源在弧平面中轴向对准，光源在弧的中心，以便获得最大的信号强度，使得在任何方向上远离弧的中心导致信号强度在远离中心的任何方向上相等地减弱。
成像超声换能器的原始位置(home position)是其在配准过程中的位置。
图像拼接(image stitch)是将具有重叠视野的多个B扫描图像组合起来以产生合成B扫描的过程。
成像超声换能器(imaging ultrasound transducer)是负责产生输出超声脉冲并检测用于产生A扫描和B扫描的反射超声信号的设备。
人工晶状体(intraocular lens)是人造晶状体，植入到眼中以代替天然晶状体。
LASIK是在角膜上进行的用于矫正屈光不正(例如近视、远视和散光)的手术。通常，受激准分子激光器在角膜暴露后通过切割薄瓣从角膜内部选择性地移除组织，从而重塑角膜的外部形状。
本文使用的术语“模块”是指能够执行与该元件相关联的功能的任何已知的或以后将开发的硬件、软件、固件、人工智能、模糊逻辑或硬件和软件的组合。此外，尽管根据示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，可以单独要求本发明的各个方面。
天然晶状体(natural lens)(也称为晶状体(aquula)或水晶体(crystallinelens))是眼睛中透明的双凸面结构，与角膜一起帮助折射光线以聚焦在视网膜上。晶状体通过改变形状来改变眼睛的焦距，从而可以聚焦在不同距离的物体上，因此可以在视网膜上形成感兴趣物体的清晰实像。晶状体的这种调整被称为调节。晶状体位于虹膜后部的眼睛前段。晶状体由小带纤维悬挂在适当的位置，小带纤维在其赤道线附近附着在晶状体上，并将晶状体连接到睫状体。晶状体具有椭圆形的双凸面形状，由于调节和老化过程中的生长，其尺寸和形状会改变。晶状体由三个主要部分组成：即晶状体囊、晶状体上皮和晶状体纤维。晶状体囊形成晶状体的最外层，晶状体纤维形成晶状体内部的大部分。位于晶状体囊和晶状体纤维最外层之间的晶状体上皮细胞通常只存在于晶状体的前侧。
眼科学是指研究眼睛的医学分支。
本文使用的光学是指使用光线的过程。
眼睛的光轴是穿过眼睛折射表面(角膜和晶状体的前表面和后表面)曲率中心的直线。
有晶体(phakic)人工晶状体，或有晶体晶状体(phakic lens)，是由塑料或硅树脂制成的晶状体，被永久地植入眼睛中，以减少人们对眼镜或隐形眼镜的需求。有晶体是指将晶状体植入眼睛而不摘除眼睛的天然晶状体。在有晶体晶状体植入手术中，通常在眼睛的前部开小切口。有晶体晶状体通过切口插入，并放置在虹膜的正前方或正后方。
定位器是指相对于眼睛的选定部分定位扫描头的机械装置。在本公开中，定位器可以沿着x、y或z轴来回移动，并且绕z轴在β方向上旋转。通常定位器在扫描期间不移动，只有扫描头移动。在某些操作中，例如测量区域的厚度，定位器可能在扫描期间移动。
位置跟踪传感器是一组位置传感器，其唯一目的是在成像扫描期间监控眼睛或任何其他解剖结构特征的运动，以便消除该特征的不希望的运动。
后部(posterior)是指位于一个结构的后部；后是前的反义词。
后房(posterior chamber)包括从虹膜后部到晶状体前部的眼睛区域。
后段(posterior segment)包括从晶状体后部到眼睛后部的眼睛区域，包括视网膜和视神经。
本文使用的“精确”是指明确定义的和可重复的。
精度是指当试图在图像场中的两个可检测特征之间重复相同的测量时，连续测量的值有多接近。在正态分布中，精度由一组重复测量值的标准偏差来表征。精度与重复性的定义非常相似。
穿过眼睛区域的脉冲传输时间是声音脉冲穿过该区域所花费的时间。
本文使用的配准意味着对准。
扫视(saccade)是双眼在同一方向的快速、同时的旋转，包括眼窝中眼眶的一系列不连续的单独旋转。这些快速运动可以是大约20度的旋转，最大速度为200度/秒并且是正常视力的一部分。
扫描头是指包括超声换能器、换能器支架和支架以及使得换能器能够相对于定位器移动的任何导轨的机械装置。导轨可以是线性的、弓形的或任何其他合适的几何形状。导轨可以是僵硬的或是灵活的。通常，在扫描期间只有扫描头可以移动。
侦察图像(scout image)是为了找到感兴趣的解剖结构以有备于显示感兴趣的解剖结构的可用图像而拍摄的图像。可以适当地使用或删除侦察图像。侦察图像或侦察视图是在执行特定研究的主要部分之前获得的初步图像，并且用于例如绘制将获得后续切片图像的位置。许多放射科医生认为CT侦察图像仅仅是相关的轴向图像水平的指南。然而，在许多情况下，这些侦察图像显示了轴向图像上没有显示的关键诊断信息，特别是在颅、胸和腹部研究中。
侦察胶片(scout film)是在最终成像研究之前拍摄的身体区域的初步胶片，例如，在CT之前的胸部侦察胶片。“侦察”用于建立基线并且可在进行血管造影术、CT或MRI之前使用。
扇形扫描仪(Sector scanner)是一种超声扫描仪，像雷达一样扫掠一个扇形。扫掠的区域是饼形的，其中心点通常位于超声换能器的表面附近。
镜面(specular surface)是指反射光波或声波的类似镜子的表面。例如，当波束垂直于镜面时，从换能器发出的超声束将被直接反射回该换能器。
轨道或导轨是另一个装置沿其移动的装置。在超声扫描仪或组合式超声和光学扫描仪中，导轨是一种一个或多个超声换能器和/或光学探头在扫描期间沿其移动的装置。
超声是指高于人耳频率上限的声音。当用于像眼睛这样的物体成像时，声音通过液体介质，其频率比人耳能探测到的频率高许多数量级。对于眼睛中的高分辨率声学成像，频率通常在大约5MHz到大约80MHz的近似范围内。
超声扫描仪(ultrasonic scanner)是一种利用换能器的超声扫描设备，该换能器在沿着1)弓形导轨移动时发送和接收脉冲，该导轨的曲率中心的位置可以移动以扫描不同的曲面；2)线性导轨；以及3)线性和弓形导轨的组合，其可以产生一定范围的曲率中心，其位置可以移动以扫描不同的曲面。
向量是指单个声脉冲及其从各种眼睛组成部分的多次反射。A扫描是这种数据的表示，其幅度通常被整流。
本公开的一个具体实施例是用于调整来自A扫描的数据的过程，包括提供来自A扫描的信号对时间数据(signal-versus-time data)；通过将信号对时间数据除以平均声速，将信号对时间数据转换成距离对时间数据(distance-versus-time data)；在距离对时间数据中识别镜面，其中镜面将第一非镜面区域与第二非镜面区域分开，并且第一声速与第一非镜面区域相关联，并且第二声速与第二非镜面区域相关联，其中第一声速和第二声速是不同的；以及通过将信号对时间数据除以第一非镜面区域中的第一声速和除以第二非镜面区域中的第二声速，将信号对时间数据转换成调整后的距离对时间数据。
在一些实施例中，该过程还包括通过对初始信号对时间数据应用傅立叶变换、移除负频率、然后应用傅立叶逆变换来确定信号对时间数据。在各种实施例中，该过程还包括根据距离对时间数据确定镜面的到达时间值(time-to-arrival value)，并且其中第一非镜面区域在第一时间值和到达时间值之间延伸，第二非镜面区域在到达时间值和第二时间值之间延伸。在一些实施例中，平均声速约为1531m/s，第一声速约为1639m/s，第二声速约为1532m/s，使得第一非镜面区域在眼睛的角膜内，第二非镜面区域在眼睛的房水部分(aqueous portion)内。在各种实施例中，平均声速等于第一声速或第二声速之一。
在一些实施例中，该过程还包括将灰度颜色方案应用于调整后的距离对时间数据，其中来自灰度颜色方案的黑色对应于零信号，并且来自灰度颜色方案的较强强度对应于较大信号；以及绘制来自灰度颜色方案的强度-距离数据(intensity-versus-distancedata)和调整后的距离对时间数据，以产生调整后的B扫描。在各种实施例中，识别镜面包括识别距离对时间数据的局部最大值，或者可选地，匹配B扫描上的解剖模型以帮助识别声音区域的速度。
本公开的另一特定实施例是用于组合身体部位的多个图像的过程，包括提供身体部位的第一灰度图像和身体部位的第二灰度图像；叠加第一和第二图像，并相对于彼此移动第一和第二图像；确定第一和第二图像之间的每个相对位置处的对准参数，直到对准参数在一个相对位置处处于极值；以及在具有极值的一个相对位置处逐像素地组合第一和第二图像，其中如果在两个图像中对准的像素具有预定阈值以上的值，则在组合的图像中一起平均来自两个图像的像素的强度，并且其中如果对准的像素仅在一个图像中具有预定阈值以上的值，则在组合的图像中使用预定阈值以上的像素的强度。
在一些实施例中，确定对准参数是来自每个像素的残差平方和，并且极值是该和的最小值。在各种实施例中，预定阈值是来自灰度配色方案的强度值。在一些实施例中，该过程还包括相对于彼此平移和旋转第一和第二图像，以相对于彼此移动第一和第二图像。
在各种实施例中，该过程还包括仅相对于彼此平移第一和第二图像，以相对于彼此移动第一和第二图像。在一些实施例中，第一图像通过来自以第一扫掠模式移动的超声探头的超声信号产生，第二图像通过来自以不同的第二扫掠模式移动的超声探头的超声信号产生。在各种实施例中，第一图像开始于角膜的前表面，第二图像结束于晶状体的后表面。
本公开的又一特定实施例是一种用于确定眼睛的晶状体的直径的过程，包括提供可操作地连接到弓形轨道和线性轨道的超声探头；在患者的眼睛旋转到一侧之后，用超声探头以第一扫掠模式扫描患者的眼睛；根据由以第一扫掠模式移动的超声探头接收的信号生成B扫描，其中识别患者眼睛的至少一个解剖表面；在患者的眼睛旋转到一侧之后，用超声探头以第二扫掠模式扫描患者眼睛的至少一个解剖表面，其中第二扫掠模式不同于第一扫掠模式；以及根据以第二扫掠模式移动的超声探头接收的信号产生另一次B扫描。
在一些实施例中，第一扫掠模式的曲率半径在大约7mm至11mm之间，第二扫掠模式包括大约4mm的曲率半径。在各种实施例中，第一扫掠模式和第二扫掠模式中的至少一个将来自线性轨道的线性运动和来自弓形轨道的弓形运动组合。在一些实施例中，该过程还包括将与第二扫掠模式相关联的B扫描与至少一个其他B扫描组合，以产生眼睛的晶状体的合成图像。在各种实施例中，该过程还包括根据晶状体的角膜的前部和后部的曲率半径以及根据晶状体的前部和后部的曲率半径来确定眼睛的晶状体的赤道直径。在一些实施例中，该过程还包括通过将信号对时间数据除以第一非镜面区域中的第一声速和除以第二非镜面区域中的不同的第二声速来调整形成与第一扫掠模式相关联的B扫描的A扫描。
应该理解的是，在整个公开内容中给出的每个最大数值限制被认为包括作为替代的每个较低数值限制，就好像这些较低数值限制在本文中被明确地写出一样。在整个公开中给出的每个最小数值限制被认为包括作为替代的每个更高的数值限制，就好像这些更高的数值限制在本文被明确地写出一样。在整个公开内容中给出的每个数值范围被认为包括落入这种更宽数值范围内的每个更窄的数值范围，就好像这种更窄的数值范围在本文都被清楚地写出一样。举例来说，从约2到约4的短语包括从约2到约3、从约3到约4的整数和/或整数范围，以及基于实数(例如，无理数和/或有理数)的每个可能范围，例如从约2.1到约4.9、从约2.1到约3.4等等。
前面是本公开的简化概述，以提供对本公开的一些方面的理解。该概述既不是本公开及其各种实施例的广泛概述，也不是详尽的概述。该概述既不旨在标识本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围，而是以简化的形式呈现本发明的选择性概念，作为对下面呈现的更详细描述的介绍。可以理解的是，本发明的其他实施例可以单独或组合使用上述或下面详细描述的一个或多个特征。
附图说明
本公开可以采取各种组件和组件布置的形式，以及各种步骤和步骤布置的形式。附图仅用于说明优选实施例的目的，而不应被解释为限制本发明。在附图中，在几个视图中，相同的附图标记可以指代相同或类似的组件。
图1是现有技术超声眼睛扫描设备的主要元件的示意图；
图2是电弧扫描仪的示意性剖视图；
图3是弓形扫描的另一示意图；
图4是现有技术电弧扫描设备的剖视图，其中患者处于用于扫描的位置；
图5是在眼睛视轴附近记录的眼睛前段的A扫描的包络；
图6是眼睛的示意图，示出了前段中不同区域的声速；
图7是在眼睛前段传播的超声脉冲的时间-距离绘制图；
图8是图14的时间-距离图的特写；
图9是电弧扫描仪的剖面图；
图10是在眼睛视轴附近记录的角膜的A扫描的包络；
图11a、图11b和图11c示出了A扫描、其包络和其校正后的包络；
图12示出了对晶状体的赤道直径进行成像的方法；
图13示出了形成B扫描的主要步骤；
图14示出了形成B扫描的两个步骤的附加细节；
图15示出了形成B扫描的附加步骤；
图16示出了校正声速的必要性；
图17示出了用于校正声速的第二种方法的步骤；
图18示出了用于校正声速的B扫描的步骤进展；
图19示出了用于校正声速的第二种方法的步骤；
图20示出了用于移除眼动伪影的图像配准；
图21示出了图像合成；
图22是电弧扫描装置的控制功能的示意图；
图23描绘了用于本公开的上述任何实施例的控制和信号处理系统；
图24示出了方法的示例，其中使用侦察图像来确定换能器的最佳轨迹，以生成更优的图像；
图25示出了眼睛前段区域的折射率；
图26示出了人眼的典型尺寸；以及
图27示出了天然晶状体的典型尺寸。
具体实施方式
超声眼睛扫描装置
图1是现有技术超声眼睛扫描设备的主要元件的示意图，例如在美国专利8,317,709题为“Alignment and Imaging of an Eye with an Ultrasonic Scanne”中描述的。该示例的扫描设备101包括一次性目镜107、扫描头组件108和定位机械装置109。扫描头组件108包括弓形导轨102和线性导轨103，弓形导轨102具有在沿着弓形导轨102来回移动的换能器支架上的扫描换能器104，线性导轨103来回移动弓形导轨102(如图3中进一步描述的)。定位机械装置109包括安装在底座106上的x-y-z和β(beta)机械装置105(如图4所示)。底座106僵硬地连接到扫描设备101上。纵轴110通常穿过头部组件108的中心，并且基本上垂直于目镜107的表面。摄像机(未示出)可以位于扫描设备101内，并与纵轴110对准，以通过目镜107提供患者眼睛的图像。扫描设备101通常连接到计算机(未示出)，该计算机包括处理器模块、存储器模块、键盘、鼠标或其他指示设备、打印机和视频监视器。一个或多个固定灯(未示出)可以位于扫描设备内的一个或多个位置。目镜107被设计成一次性的。
定位器组件109和扫描头组件108都完全浸没在水(通常是蒸馏水)中，水从基板106到目镜107所附着的腔室顶部充满该腔室。
患者坐在扫描设备101处，其中一只眼睛戴着一次性目镜107。在扫描序列期间，患者通常被引导往下看注视灯之一。患者通过例如图2所示的头枕系统(headrest system)和通过目镜107相对于扫描设备101固定。
例如，使用鼠标和/或键盘和视频监视器的操作者将信息输入计算机，选择扫描类型和扫描序列以及期望的输出分析类型。操作者使用鼠标和/或键盘、位于扫描机器中的摄像机以及视频屏幕，将参考标记(例如在视频屏幕上显示的一组十字准线)集中在同样显示在视频屏幕上的患者眼睛的期望部分上。这是通过设置十字准线之一作为扫描的本初子午线来实现的。使用定位机械装置来执行这些步骤，该定位机械装置可以在x、x、z和β空间中移动扫描头(三个平移运动加上绕z轴的旋转)。z轴平行于纵轴110。一旦完成，操作员指示计算机继续扫描序列。现在，计算机处理器接管该治疗方法，并向扫描头108和扫描换能器104发出指令，并接收位置和成像数据。计算机处理器进行一系列操作，例如：(1)在换能器支架基本上位于弓形导轨中心的情况下，将扫描换能器104粗略聚焦在选定的眼睛部分上；(2)相对于选择的眼睛组成部分准确地定中心弓形导轨；(3)将扫描换能器104准确地聚焦在所选择的眼睛组成部分的所选择的特征上；(4)将扫描头组件108旋转大角度(包括直角)，并在第二子午线上重复步骤(1)至(3)；(5)将扫描头旋转回到本初子午线；(6)沿着每个选择的扫描子午线启动一组A扫描，将该信息存储在存储器模块中；(7)利用处理器，将每个子午线的A扫描转换成一组B扫描，然后处理B扫描以形成与每个子午线相关的图像；(8)对A扫描、B扫描和与扫描的每条或所有子午线相关联的图像执行选择的分析；以及(9)将预选格式的数据输出到输出设备，例如打印机。可以理解的是，当执行扫描时，在上述操作期间，患者的头部必须相对于扫描设备101保持固定，这在现代超声扫描机器中可能需要几十秒。
目镜用于完成超声扫描的连续声学路径，该路径在水中从换能器延伸到患者眼睛的表面。目镜107还将患者眼睛浸入其中的水(通常为盐溶液)与容纳换能器导轨组件的腔室中的水(通常为蒸馏水)分开。患者坐在机器前，通过目镜107在纵轴110的方向向下看。最后，目镜为患者提供了额外的稳定休息，并帮助患者的头部在扫描过程期间保持稳定。
图2是电弧扫描仪的示意性剖视图。扫描头浸在桶内的蒸馏水中(如剖视图所示)。桶连接到包含仪表电子设备和定位器机械装置的壳体上并与之分离。壳体暴露于周围的空气。定位器机械装置的伸缩轴穿过大的灵活密封隔膜进入桶中，并且扫描头连接到该轴的浸入端。扫描头包括线性轨道，其上安装有弓形轨道。超声换能器安装在可沿电弧轨道移动的支架上。在图4中，患者的一只眼睛被推靠在目镜上。
图3是电弧扫描设备的另一示意图。该图示出了弓形轨道、在时间的不同位置示出的超声探头、目镜隔膜、目镜的柔软的灵活密封环和定位用于扫描的患者眼睛之间的关系。弓形轨道和超声探头浸在蒸馏水中(此处显示为扫描仪流体)。患者眼睛的前部浸入盐水中，一旦患者的眼睛密封在目镜的柔软的灵活密封环上，盐水就会充满目镜。
密封的卫生屏障或隔膜将蒸馏水与盐溶液分开。可以理解的是，对于每个患者，目镜和盐水流体是不同的。通常在每个患者的单独扫描期间会更换盐水。
图4是现有技术电弧扫描设备的剖视图，其中患者处于用于扫描的位置。图4以更真实的表示示出了图3的特征。患者的眼睛被推靠在目镜柔软的灵活密封环上，该密封环现在连接在安装环上，该安装环又连接到主扫描仪壳体上，如图5所示。超声探头显示在弓形导轨的顶端，并对准患者的眼睛。当探头沿着弓形导轨移动时，其长轴保持大致垂直于患者眼睛的角膜和前晶状体的表面。术语“约/大约”可以指基础上的+/-10％的变化。超声换能器的尖端非常靠近隔膜，隔膜将仪器桶中的蒸馏水与目镜中的盐溶液分开。换能器通过小磁铁连接到换能器支架上，如果探头以足以危及患者眼睛的力接触隔膜，小磁铁将释放探头。
图5是在眼睛视轴附近记录的眼睛前段的A扫描的包络。通过对A扫描进行傅立叶变换，移除负频率分量，然后进行傅立叶逆变换来获得包络，从而获得包络。可替换地，包络可以通过使用希尔伯特(Hilbert)函数来获得。在任一治疗方法中，包络是捕获A扫描信号的缓慢变化特征的分析信号的幅度，而相位包含高频信息。图5示出了前部和后部角膜和晶状体的镜面的位置，其被取为它们各自峰值的局部最大值。
横坐标以采样数为单位，其中每个采样间隔代表2.5纳秒，其对应于当前使用的250MHz A/D转换器。纵坐标以对应于16位A/D转换器的位为单位。
图6是眼睛的示意图，示出了前段中不同区域的声速。显示了角膜、房水、晶状体、虹膜和巩膜的每个区域的最佳估计值，这些值取自2006年Lippincott Williams&Wilkins出版的、Coleman等人撰写的文章“Ultrasonography of the Eye and Orbit”第二版，该文献通过引用结合于此。当有更准确的数据可用时，这些值可能会更新。例如，可以使用如前参考的题为“Alignment and Imaging of an Eye with an Ultrasonic Scanner”的US 9,149,254中描述的方法来测量每个区域的声速。尸体眼睛可植入已知间距的金属针，并由精密超声扫描仪扫描，以获得眼睛各组成部分的声速估计。
图7是在眼睛前段传播的超声脉冲的时间-距离绘制图。该图说明了为每个区域选择已知声速的效果，而不是为所有区域使用平均声速。虚线表示当已知声速用于每个区域时到达区域界面的时间。实线表示当平均声速用于所有区域时的到达时间。可以看出，对于例如自然晶状体(其到达时间相对大)的区域，会产生显著的误差。
例如，假设声速为1,531米/秒，穿过晶状体的通过时间为2.29微秒。假设自然晶状体的已知声速为1,641米/秒，穿过晶状体的通过时间为2.13微秒。这0.263微秒的差异大约相当于大约0.263毫米或263微米的距离误差。使用平均声速而不是已知声速来测量晶状体深度会导致测量的晶状体深度有大约7.5％的误差。例如，在确定晶状体替换的能力时，这将是一个显著的误差。
作为另一个示例，假设声速为1,531米/秒，穿过角膜的通过时间为0.3266微秒。假设天然晶状体的已知声速为1,639米/秒，穿过角膜的通过时间为0.3051微秒。这0.0215微秒的差异大约相当于大约35微米的距离误差。使用平均声速而不是已知的声速来测量角膜厚度会导致测量的角膜厚度有大约7％的误差。例如，在确定LASK切口的深度时，这将是一个显著的误差。
在实际扫描中，到达时间是已知的。每个A扫描与界面相交的时间是根据每个A扫描的包络确定的在界面处测量的时间。
图8是图7的时间-距离绘制图的特写。虚线表示当已知声速用于每个区域时到达区域界面的时间。实线表示当平均声速用于所有区域时的到达时间。可以看出，对于例如自然晶状体(其到达时间相对较大)的区域，会产生显著的误差。
图9是电弧扫描仪的剖面图。该渲染比图4的渲染显示了更多的细节。包括换能器支架和超声换能器的扫描头显示在其桶壳体内。扫描头被显示为连接到定位器机械装置的一端。定位器机械装置从后壳体延伸，穿过柔性橡胶隔膜进入桶壳体。
如前所述，桶形壳体充满了用于扫描的蒸馏水。后壳体保持在周围空气条件下，并且通常具有一个或多个风扇以使空气在后壳体内循环。
蒸馏水通过桶壳体循环，为扫描头电弧和线性导轨的流体轴承提供水。这些水将热量带入桶壳体，并加热桶壳体中的水。
桶壳体通过铝板(包括上述柔性橡胶隔膜)与后壳体分开。桶壳体中水的热量通过铝板传导，加热后壳体中的空气。随后几个风扇将后壳体中的热空气吹出壳体。也可以通过冷却盘管或其他装置循环利用水来从桶壳体中的水中排出热量。
图10示出了在眼睛视轴附近记录的典型A扫描。图10示出了来自前段内信号反射的接收信号波形。该图显示了典型的A扫描，其取自前面引用的“Ultrasonography of theEye and Orbit”。A扫描是由电弧扫描仪的换能器接收的反射声脉冲的电子记录的幅度-时间历史。未处理的A扫描显示为以伏特为单位的信号幅度对以微秒为单位的时间。典型地，A扫描被显示给超声扫描仪操作者，作为具有以伏特为单位的信号幅度对以微秒为单位的时间的整流迹线。除了被整流之外，A扫描迹线还可以被滤波以移除不想要的热量和电子噪声。
图11a、图11b和图11c示出了A扫描、其包络和其校正后的包络。图11a是A扫描的迹线。图11b是图11a的A扫描迹线的包络。图11c是转换后的包络，其中横坐标现在是位置，已经针对角膜、房水和晶状体中的声速估计进行了校正。
图11a和图11b的横坐标是以样本数为单位，其中每个样本间隔为2.5纳秒，这对应于当前使用的250MHz A/D转换器。纵坐标以对应于16位A/D转换器的位为单位。
在图11a、图11b和图11c的每一个图中，角膜的深度和晶状体的深度由黑色水平线表示。角膜的深度约为150个样本间隔或约375纳秒(或使用1,639米/秒的声速时约为0.615毫米)。房水流体(aqueous fluid)的深度约为875个样本间隔或约2,187.5纳秒(或使用1,532米/秒的声速时约为3.35毫米)。晶状体的深度约为1,500个采样间隔或约3,750纳秒(或使用1,641米/秒的声速时约为6.16毫米)。
图像类型和扫描类型
图像类型是例如角膜图像、前段图像、晶状体囊图像或图像类型的合成的B扫描。
扫描类型是一组特定的换能器运动，例如与弓形导轨曲率半径相同的弓形扫描、线性扫描、可通过弓形和线性扫描机械装置的组合运动获得的选择的曲率半径的弓形扫描。
可能的换能器运动
换能器在x-y-zβ坐标系中移动。
x-y移动用于在眼睛上居中定位。x-y位置由磁编码器条监控，分辨率约为5微米。
z移动用于定位患者眼睛的测距(设置换能器的焦深)。z位置由其自身的磁性编码条监控，分辨率约为5微米。
β角设定了扫描的子午线，并由它自己的磁编码器条监控，角度分辨率约为0.09度。
通过沿着电弧轨道移动换能器支架，可以进一步方向和定位换能器。换能器在其支架上沿弓形导轨的位置由其自身的磁编码器条监控，分辨率约为1微米。
可以通过沿着线性导轨移动电弧轨道来进一步定位电弧轨道，电弧轨道的位置也由其自身的磁编码器条监控，分辨率约为1微米。
这些各种可能的运动可以单独使用或组合使用以形成各种扫描类型，其中每种扫描类型旨在生成期望的图像。
例如，通过沿着曲率半径约为10mm的弓形导轨移动换能器来生成角膜扫描，以产生通常包括上皮、鲍曼(Bowman)层、基质和内皮的角膜图像。
作为另一个示例，通过沿着选择的曲率半径大约为10mm和20mm之间的弓形导轨移动换能器来生成前段扫描，这是通过使用沿着弓形导轨的换能器支架移动和沿着线性导轨的弓形导轨移动的组合来实现的，其中两种移动都在相同的方向上。该扫描产生角膜、房水区域和至少晶状体囊前表面的图像。这种扫描通常也显示视轴附近后晶状体的一小段。当合成图像时，后晶状体的这一小段可以用于配准的目的。
作为另一个示例，通过使用沿着弓形导轨的换能器支架运动和沿着线性导轨的弓形导轨移动的组合来移动换能器以优化换能器的方向以保持基本上垂直于后囊表面，从而生成中心后囊扫描，其中两个运动的方向是相反的。该扫描产生中央后晶状体表面的图像。
作为另一个示例，通过以相对于视轴的选择的角度将换能器的位置固定在弓形导轨上并沿着线性导轨移动弓形导轨，来生成后囊扫描的左段和右段。该扫描产生在晶状体表面中央部分的左边和右边的后晶状体表面的一小段图像。
上述扫描可以在计算机控制下快速连续完成，然后合成为单一图像，也是在计算机控制下。
其他更专业的扫描类型也是可能的。例如，可以通过一系列扫描对虹膜角膜角和巩膜突周围的眼睛区域进行成像，其中通过将y定位器移动一小段距离，然后使用x定位器索引大约50微米，然后重复移动y定位器一小段距离来生成每次扫描。
专用扫描类型的另一个示例是以小半径弧移动换能器，然后以一系列偏移半径弧移动换能器。这些类型的扫描可以生成晶状体囊的赤道区域的一系列图像，然后这些图像可以与后晶状体囊不同部分的其他图像合成。
可以理解，通过规定定位器机械装置、扫描头和换能器支架的协调运动，可以产生其他扫描类型。
确定眼睛组成部分表面
当线性导轨处于固定位置时，通常使用以下步骤来定量地确定各个眼睛组成部分表面(角膜和晶状体的前部和后部)在适当的坐标系(例如x-y-z)中相对于弓形的导轨曲率中心的位置：
7.进行扫描并生成A扫描的阵列；
8.计算阵列中每个A扫描的包络；
9.将包络伏特转换为灰度，将包络间隔转换为时间；
10.使用适当的声速，将包络时间转换为距离；
11.确定每个A扫描在选择的坐标系中的位置(例如，当线性导轨处于固定位置时，相对于弓形导轨曲率中心的x-y-z)；
12.产生绘制灰度幅度对x-z位置的B扫描图；
13.对于每个A扫描包络，找到对应于角膜和晶状体的表面的前部和后部的局部最大灰度值的位置；
14.将这些局部最大值绘制为角膜和晶状体的前部和后部的镜面。
可以理解的是，可以以相同的方式确定其他表面。例如，可以确定角膜的上皮厚度、鲍曼层、基质厚度和内皮厚度。如果已经对患者进行了LASIK手术，可以在B扫描上生成LASIK瓣的图像。
对天然晶状体囊的赤道进行成像
图12示出了对晶状体的赤道直径进行成像的方法。在图12中，计算机通过定位换能器探头来控制超声束路径，为发射超声脉冲做准备。扫描头组合了两个自由度：组合的弓形和线性运动允许优化成像轨迹，以对眼睛前段内的特定特征进行成像。
发射的超声脉冲与其遇到的界面越接近垂直，返回的反射信号就越强。当角膜从其前部和后部返回强信号并且还从大部分前晶状体表面返回强信号时，具有近似曲率半径的弓形轨迹。可测量的信号可以从后晶状体表面的极点返回。众所周知，影响返回信号强度的其他因素是总往返信号传播距离的衰减和遇到的组织类型(巩膜组织比角膜组织或房水衰减得更多)。但是从晶状体囊的赤道直径上的囊末端获得可测量的反射信号总是较为困难，因为晶状体囊的这个区域更接近平行于超声束而不是垂直于超声束。
如前所述，当换能器支架沿着弓形导轨移动而扫描头沿着直线导轨移动时，换能器尖端相对于患者眼睛移动的曲率半径可以由换能器运动的指定组合来改变。
当换能器支架沿着弓形导轨移动并且扫描头沿着直线导轨以相同的方向移动时，会产生比弓形导轨的曲率半径更大的曲率半径。当换能器支架沿着弓形导轨移动并且扫描头沿着线性导轨在相反方向移动时，会产生比弓形导轨的曲率半径更小的曲率半径或者相反的曲率半径。具有相反的曲率半径的扫描将返回晶状体后表面的大部分图像，但通常不返回囊的赤道端。
图12示出了对晶状体的赤道直径进行成像的方法，其中：
1.眼睛被扩张(扩张会稍微改变眼睛的尺寸，但是，扩张不仅抵消了这种影响，还防止了在扫描期间进入患者眼睛的光线发生变化时眼睛进行调节)；
2.旋转眼睛(旋转会稍微改变眼睛的尺寸，但是，旋转不仅抵消了这种影响，还减少了信号衰减)；
3.规定了许多小的恒定正曲率半径扫描。
从图12中可以看出，这导致扫描扫掠，其允许发射的脉冲从囊的末端反射，基本上垂直于靠近其外赤道直径的囊表面，并且还使得通过的巩膜组织最少，从而往返行程相当短。
通常，特定的扫描是以恒定的曲率半径进行的，但是曲率半径可以随着扫描的不同而变化。还可以通过弓形换能器支架和线性扫描头运动轨迹的适当组合，在扫描期间规定可变的曲率半径。
图13示出了形成B扫描的主要步骤。这些步骤是：
1.从超声换能器生成输出超声脉冲。输出脉冲从眼睛组成部分的镜面反射，并且反射的脉冲随后被超声换能器接收。超声换能器形成A扫描的模拟电信号(伏特对时间)。
2.为每个发射的超声脉冲记录换能器位置和探头方向。
3.模拟信号被A/D转换器转换成数字信号(伏特对时间)。
4.数字信号的包络(正伏特对时间)由反向快速傅立叶变换(FFT)形成。
5.通过对信号通过的眼睛的每个区域应用声速，包络被转换成伏特对距离信号。
6.然后使用灰度算法将包络的幅度转换成最终的B扫描，该算法将黑色分配给零电压，并且将较亮的阴影分配给较高的电压。
合成B扫描图像的形成
典型地，电弧扫描仪可以产生几种不同类型的扫描。这些包括例如弓形扫描、线性扫描或包括反向曲率半径的各种曲率半径的扫描。每种类型的扫描是在稍微不同的时间进行的，并且在各种扫描之间，当换能器探头和扫描头在仪器内移动时，患者的眼睛会移动且仪器也会移动。此外，可以引入有意的眼动来扩大可以成像的眼睛的范围。
由本文描述的电弧扫描仪记录的A扫描具有大约32,000个样本的幅度范围。A扫描的包络具有大约16,000个样本的幅度范围。A扫描具有从大约2,000到大约4,000个等间距样本的时基范围。在下面的主要步骤中，假设要合成的图像具有相同的空间分辨率(即，μm/像素)。否则，需要对其中一个图像进行重新采样，以匹配另一个图像的空间分辨率；通常，较高的分辨率被下采样以匹配较低的空间分辨率。
用于创建拼接或合成图像的主要步骤是：
1.将角膜图像与前段图像对准
a.基于弓形导轨和线性导轨上的换能器位置预对准图像。换能器位置由弓形导轨和线性导轨上的磁条编码器确定
b.运行优化算法，如梯度下降算法：
i.前部图像是固定的，角膜图形允许被移动
ii.拟合度量是均方值，图像之间所有像素的平均强度差平方。通过减小该值来执行对准。
iii.“平移(translational)”转化型；仅允许移动图像中的平移。
c.组合图像以创建合成图像，例如：
i.设置像素强度阈值。
ii.如果两个图像中的像素值都在阈值以上，则将像素平均在一起以创建组合的图像。
iii.如果像素值仅在一个图像中在阈值以上，则该值将直接用于新图像。
d.最终图像是组合角膜/前部图像。
2.将组合角膜/前部图像与后部晶状体图像对准
a.基于弓形导轨和线性导轨电机位置预对准图像。
b.运行优化算法，如梯度下降算法：
i.前部图像是固定的，后部晶状体图像允许被移动。
ii.拟合度量是均方值，图像之间所有像素的平均强度差平方。通过减小该值来执行对准。
iii.“平移”转化型；仅允许移动图像中的平移。
c.组合图像以创建合成图像，例如：
i.设置像素强度阈值。
ii.如果两个图像中的像素值都在阈值以上，则对组合的图像中的像素进行平均。
iii.如果像素值仅在一个图像中在阈值以上，则该值将直接用于新图像。
d.最终图像是完整的前部图像。
3.对准所有赤道囊图像
a.典型地，捕获3到4个赤道囊图像，其中旋转患者的眼睛
b.基于弓形导轨和线性导轨电机位置预对准前两个图像
c.运行优化算法，如梯度下降算法：
i.第一囊图像是固定的，第二囊图像允许被移动。
ii.拟合度量是均方值，图像之间所有像素的平均强度差平方。通过减小该值来执行对准。
iii.“僵硬(rigid)”转化型；运动图像中的旋转和平移被允许。d.组合图像以创建合成图像，例如：
i.设置像素强度阈值。
ii.如果两个图像中的像素值都在阈值以上，则对组合的图像中的像素进行平均。
iii.如果像素值仅在一个图像中在阈值以上，则该值将直接用于新图像。
e.对所有剩余的囊图像重复步骤b至d，以创建一个组合的下级(inferior)或下部囊图像。
4.或者，组合多个配准图像以创建合成图像也可以在一个步骤中执行，其中：
a.设置每个图像中的像素强度阈值。
b.如果像素在两个或更多个图像中的值都在阈值以上，则对组合的图像中的像素进行平均。
c.如果像素值仅在一个图像中在阈值以上，则该值将直接用于新图像。
5.对准所有其他赤道图像囊图像
a.对其他囊图像重复步骤3。
b.这将创建另一个组合囊图像。
6.将组合赤道囊图像与完整的前部图像对准，以用更外围的囊图像扩展前部图像
a.基于电机位置和眼睛的预期旋转(大约+/-32度)，将组合的赤道囊图像与完整的前部图像的适当一侧预对准。
b.运行优化算法，如梯度下降算法：
i.前部图像是固定的，组合赤道囊图像允许被移动。
ii.拟合度量是均方值，图像之间所有像素的平均强度差平方。通过减小该值来执行对准。
iii.“僵硬”转化型；运动的图像中的旋转和平移被允许。
c.组合图像以创建合成图像，例如：
i.设置像素强度阈值。
ii.如果两个图像中的像素值都在阈值以上，则对组合的图像中的像素进行平均。
iii.如果像素值仅在一个图像中在阈值以上，则该值将直接用于新图像。
图14示出了形成B扫描的两个步骤的附加细节。
1.然后使用灰度算法将包络的幅度转换成最终的B扫描，该算法将黑色分配给零电压，并且将较亮的阴影分配给较高的电压
2.通过对信号已经通过的眼睛的每个区域应用声速，包络被转换成伏特对距离信号
3.优化灰度对比度，以更好地视觉化解剖结构特征
图15示出了形成B扫描的附加步骤。
每个A扫描都有相应的换能器位置和探头方向，分辨率约为1微米。这使得超声脉冲能够在x-y-zβ坐标系中的空间和时间上定位，该坐标系的原点在视轴和角膜的前表面的交点处。该治疗方法允许多个脉冲或扫掠被组合在单个B扫描图像中。
图像处理序列
图16和图17示出了校正声速的步骤。如前所述，超声扫描仪记录反射的超声脉冲的到达时间。然后，使用介质的声速将这些到达时间测量值转换为距离测量值。传统地，使用单一的代表性声速值。随着仪器分辨率和精度的提高，使用单一的声速会导致位置误差，这会影响部分基于超声扫描仪的人工晶状体的功效。当使用单一声速时，使用37℃的水中的声速(1,531米/秒)，尽管可以使用从1,531米/秒到1,641米/秒的声速。
图16示出了校正声速的必要性。声速在37℃的水中约为1,524米/秒，在白内障晶状体中约为1,641米/秒。当应用统一的声速来将多个A扫描的时基转换成距离基时，例如高度详细的人工晶状体尺寸测量值将会出现显著的误差。人工晶状体包括ICL(可植入隐形眼镜)和AIOL(可调节人工晶状体)。如图17所示，通过在眼睛的各个区域应用已知的声速值，可以进一步提高B扫描的准确性。
可以使用其他方法来确定适合眼睛区域的声速。例如，题为“Alignment andImaging of an Eye with an Ultrasonic Scanner”的美国专利8,317,709公开了一种用于测量眼睛组成部分如角膜、房水或天然晶状体厚度的方法。图16示出了一种方法，通过该方法，猪尸体的眼睛被植入已知间距的金属针，并被精密超声扫描仪扫描。超声扫描仪传送在浸入目标组成部分中的针之间反射的超声脉冲的准确到达时间，其与已知的针间距一起使用，可以产生准确的声速。
为了形成更准确的B扫描，下面的步骤代表了用于调整一系列A扫描的第一治疗方法，以获得对前段的眼睛的每个区域已知的可能最佳声速。这些区域包括角膜、房水、晶状体和巩膜组织的几个区域(见图6)。
在眼睛的不同前段区域，例如角膜、房水、天然晶状体和玻璃体液中，声速是不同的。不同的研究人员已经测量了这些不同区域中的声速，并且这些声速是合理已知的。因此，如果可以识别这些区域的界面，则可以使用这些区域的适当声速来更准确地将到达时间转换为距离。图17示出了各种眼睛组成部分的可接受的声速。
图17示出了如何使用基于图像或边缘的配准来使所示的解剖模型变形以匹配感兴趣的眼睛的特定B扫描。这种解剖模型可以用作B扫描的掩模(mask)，以识别和映射(map)具有不同声速的每个区域。反过来，这允许计算机算法对A扫描的每个解剖结构区域重新应用适当的声速。
调整眼睛不同区域的声速
方法1
1.选择扫描类型——例如，电弧扫描、线性扫描和各种曲率半径(包括反曲率半径)的扫描之一
2.选择眼睛的平均声速，用于计划大致的扫描时间和用于创建粗略的图像。传统上，使用的是单一的代表性声速值。尽管可以使用从1,531米/秒到1,641米/秒的声速(1,641米/秒是白内障晶状体中的声速)，但是通常使用37℃的水中的声速(1,531米/秒)。
3.针对每个单一扫描类型生成一系列超声脉冲
4.接收反射的超声信号——模拟伏特对时间的A扫描
5.使用A/D转换器对每个A扫描进行数字化——数字化伏特对时间的A扫描
6.对每个A扫描(数字化伏特对时间)执行包络计算。包络通过对A扫描进行傅立叶变换，移除负频率分量，然后进行傅立叶逆变换来获得包络来获得。可替代地，包络可以通过使用希尔伯特(Hilbert)函数来获得。
7.根据A扫描的包络，确定眼睛组成部分界面到达时间。界面包括前部和后部角膜和晶状体。参见图11和图19。界面到达时间是所识别脉冲的局部最大值。
8.根据眼睛组成部分界面到达时间，使用所选择的平均声速来确定大致的界面位置。
9.识别眼睛组成部分区域(角膜、房水、晶状体)，见映射图
10.使用图6的声速映射图的速度，将声速校正应用于每个A扫描(将A扫描转换为伏特对距离)
11.应用灰度算法——将伏特转换为灰度亮度
12.绘制灰度亮度对距离的关系图，以形成声速调整后的B扫描
方法2
下面的步骤代表了用于调整B扫描以考虑到眼睛前段的每个区域的已知声速的第二治疗方法。图17、图18和图19示出了用于校正声速的第二种方法。
主要步骤是：
1.选择扫描类型——例如，电弧扫描、线性扫描或各种曲率半径(包括反曲率半径)的扫描之一
2.选择眼睛的平均声速以创建第一详细图像。传统上，使用的是单一的代表性声速值。尽管可以使用从1,531米/秒到1,641米/秒的声速(1,641米/秒是白内障晶状体中的声速)，但是通常使用37℃的水中的声速(1,531米/秒)。
3.针对每个单一扫描类型生成一系列超声脉冲
4.接收反射的超声信号——模拟伏特对时间的A扫描
5.使用A/D转换器对每个A扫描进行数字化——数字化伏特对时间的A扫描
6.对每个A扫描(数字化伏特对时间)执行包络计算。包络通过对A扫描进行傅立叶变换，移除负频率分量，然后进行傅立叶逆变换来获得包络来获得。可替代地，包络可以通过使用希尔伯特(Hilbert)函数来获得。
7.应用灰度算法——将伏特转换为灰度亮度。该算法可以是从伏特到灰度亮度的线性或非线性转换
8.应用将换能器位置和方向与A扫描相组合的几何变换，以形成B扫描图像
9.参考解剖模型，该解剖模型识别具有不同声速的区域。该模型必须是可变形的，以便能够匹配到任何眼睛上(例如，统计形状模型、可变形掩模)。参见图17和图26。
10.使用例如基于图像或边缘的配准将解剖模型数字地匹配到B扫描图像上
11.使用匹配的解剖模型来识别对应于特定解剖眼睛组成部分的每个原始A扫描中的范围
12.将正确的局部声速应用于每个A扫描中的识别出的解剖结构范围，以校正局部声速变化
13.使用具有通过解剖来校正的局部声速的更新的A扫描来重新应用几何变换，以获得局部声速校正后的新B扫描。
图18示出了校正声速后的A扫描的步骤进展。该图示出了如在图13的描述的步骤4中描述的校正后的A扫描。图18的A扫描是眼睛前段(前角膜到前晶状体)的扫描。顶部的迹线显示了以伏特为单位的幅度对以微秒为单位的时间的关系。中间的迹线显示了使用单一的近似声速将横坐标粗略转换为以微米为单位的距离。纵坐标已从伏特转换为灰度单位。底部的迹线显示了通过对每个区域应用更准确的声速而转换的横坐标。这些区域是角膜(1,639米/秒)、房水(1,532米/秒)和晶状体(1,641米/秒)。
图19示出了用于校正声速的第二种方法的步骤。超声脉冲由换能器生成，其回波或反射的脉冲由换能器接收。A/D转换器将接收到的模拟脉冲转换成数字格式。然后，通过应用FFT并计算已处理信号的包络(伏特对时间)来处理数字化信号。通过应用平均声速(通常是大约38摄氏度的水中的声速)，包络被转换成伏特对距离。然后，在每个校正后的A扫描上使用换能器位置和方向数据，以在x-y-z-β坐标系中形成校正后的A扫描的阵列。然后，将校正后的A扫描的阵列用于基于单一的平均声速形成初步的B扫描。
使用基于图像或边缘的配准，使图17所示的解剖模型变形以匹配初步的B扫描。这种解剖模型可以用作B扫描的掩模，以识别和映射具有不同的声速的每个区域。然后，该匹配模型被用于提供每个区域的最佳可用声速的校正后的最终B扫描。
图20示出了用于移除眼动伪影的图像配准。在扫描期间，患者的眼睛可以移动，或者扫描仪可以在换能器的运动下振动。患者的眼睛可以由于扫视而移动，例如，扫视是双眼在相同方向上的快速、同时旋转，包括眼窝中眼眶的一系列不连续的单独旋转。扫描期间换能器的移动可以减慢以避免仪器振动，但是最好能尽可能快地移动换能器探头以减少扫描时间。如果眼睛移动或扫描仪移动，图像配准可以减少扫掠之间眼睛移动的影响。如前所述，图20的B扫描包括几个中间B扫描，并且当组合起来以形成合成图像时，可能没有完全对准。如图20所示，通过叠加镜面(例如前角膜或前晶状体)之一可以更好地对准各个B扫描，从而使分离的图像更好地对准。
图20所示的图像配准在上面创建拼接或合成图像的主要步骤的步骤1和2中进行了描述。
图21示出了图像合成，其中图像配准用于组合多个优化的图像扫掠。最佳超声成像的垂直度要求意味着可以通过不同的扫描类型或探头扫掠(探头轨迹)对不同的相邻解剖结构进行最佳的成像。为了创建眼睛的解剖结构的完整图片，配准和合并来自不同扫掠的图像使得能够显示这些图像的解剖学上正确的组合。来自仪器位置数据的初始配准对于高精度配准的快速收敛是至关重要的。图21所示的图像配准在上面创建拼接的或合成图像的主要步骤的步骤3至6中进行了描述。
产生B扫描的操作序列
图22、图23和图24示出了形成B扫描的主要步骤。分别是：
14.用换能器生成超声脉冲
15.用换能器接收反射的脉冲，并将其转换为数字形式(A/D转换)
16.确定来自电弧和线性导轨上以及扫描头定位器机械装置上的磁性编码器发出/接收的所有脉冲的换能器位置和方向
17.计算每个数字化反射脉冲的包络
18.应用介质的单一声速将数字化包络从时基转换为距离基
19.将每个数字化包络的幅度转换为灰度值(低灰度值是黑色阴影变为灰色，然后在高灰度值时变为白色)
20.使用换能器位置和方向数据将每个数字化灰度对距离迹线组合成B扫描
上述过程的结果是通过对眼睛中的声速应用单一的适当值而形成的B扫描图像。通过在眼睛的不同区域应用已知的声速值，可以进一步提高B扫描的准确性。这些区域包括角膜、房水、天然晶状体和巩膜组织。
控制和信号处理
图22是电弧扫描装置的控制功能的示意图。电弧扫描装置包括电弧扫描机器2201，该电弧扫描机器2201包括电弧导引定位机械装置2202、电弧导引(或弓形导轨或电弧导轨)2203、超声换能器2204和一次性目镜2205。电弧扫描装置还可以包括更复杂的扫描头，其中弓形导轨安装在线性导轨上。这种布置例如在图7中示出。电弧扫描机器2201连接到计算机2212，计算机2212包括处理器模块2213、存储器模块2214和具有视频屏幕2216的视频监视器2215。计算机2212连接到操作者输入设备，例如鼠标2211和/或键盘(未示出)。计算机2212还连接到输出设备，例如打印机或互联网连接2217。患者坐在机器2201前，他们的眼睛与一次性目镜2205接合，如图2所示。要进行成像的患者的眼睛组成部分由输入2221表示。使用鼠标和/或键盘2211和视频屏幕2216的操作者将信息2222输入计算机2212，选择扫描类型和扫描配置以及输出图像和分析的期望类型。操作者使用鼠标和/或键盘2211、扫描机器2201中的摄像机和视频屏幕2216，然后将显示在视频屏幕2216上的一组十字准线对中在患者眼睛的期望部分上，也显示在视频屏幕2216上，将十字准线之一设置为用于扫描的本初子午线。一旦完成，操作者使用鼠标和/或键盘2211指示计算机2212继续扫描序列。现在，计算机处理器2213接管该治疗方法，并经由路径2224向定位头2202、弓形导轨2203和换能器支架2205发出指令，并经由路径2223接收存储在存储器模块2214中的位置和成像数据。计算机处理器2213继续进行一系列操作，例如：(1)将换能器2204粗略聚焦于选择的眼睛组成部分上；(2)相对于选择的眼睛组成部分准确地对中弓形导轨2204；(3)将换能器2204准确地聚焦于选择的眼睛组成部分的选择的特征上；(4)将电弧导轨旋转相当大的角度，并在第二子午线上重复步骤(1)至(3)；(5)将电弧导轨旋转回本初子午线；(6)沿着每个选择的扫描子午线启动一组A扫描，将该信息存储在存储器模块2214中；(7)利用处理器2213，将每个子午线的A扫描转换成一组B扫描，然后处理B扫描以形成与每个子午线相关联的图像；(8)对A扫描、B扫描和与扫描的每条或所有子午线相关联的图像执行所选择的分析；以及(9)将预选格式的数据输出2227到输出设备，例如打印机2217。该输出也可以存储在存储器模块2214中，用于后期在视频屏幕2216上进行检索，或者用于经由任何数量的众所周知的数据传输装置传输到远程计算机或其他输出设备。
图23描绘了用于上述的本公开任何实施例的控制和信号处理系统。系统2300包括经由双工信道2318和2320与计算机2304进行信号通信的传感器阵列2308和受控设备2312。
传感器阵列2308包括线性或角度位置传感器，其尤其跟踪各种可移动组成部分的相对和/或绝对位置以及各种固定和可移动组成部分的对准，例如但不限于一个或多个位置跟踪传感器、定位臂603和703以及探头支架组件604、固定灯621、622、光学摄像机623、弓形导轨组件704、超声换能器探头605、705和805，探头支架708、线性导轨720、OCT探头731、831、OCT参考臂732、832、OCT记录装置735、探头支架804、光学延迟线836、准直器838和839、固定镜、宽带光源841、分光计842、移动定位臂的电机、移动弓形导轨组件的电机以及移动探头支架的电机。传感器阵列可以包括任何合适类型的位置传感器，包括感应非接触位置传感器、弦电位计、线性可变差动变压器、电位计、电容传感器、涡流传感器、霍尔(Hall)效应传感器、接近传感器(光学)、光栅传感器、光学编码器(旋转或线性)和光电二极管阵列。在US 8,758,252中讨论了候选的传感器类型。
受控设备2312是具有由计算机2304控制的操作或特征的任何设备。受控设备包括各种可移动或可激活的组成部分，例如但不限于一个或多个位置跟踪传感器、定位臂603和703、换能器支架组件604、固定灯621、622、光学摄像机623、弓形导轨组件704、超声换能器探头605、705和805、探头支架708、线性导轨720、OCT探头731、831、OCT参考臂732、832、OCT记录装置735、探头支架804、光学延迟线836、准直器838和839、固定镜、宽带光源841、分光计842、移动定位臂的电机、移动弓形导轨组件的电机以及移动探头支架的电机。
计算机2304可以包括软件控制的设备，该软件控制的设备在存储器2324中包括可由处理器2328执行的多个模块。可执行模块包括：控制器2332，用于接收和处理来自传感器阵列2308的定位信号，并生成和发送适当的命令到被监控的受控设备2312；成像模块2336，用于接收和处理A扫描和B扫描图像，以产生选择的眼睛组成部分或特征的二维、三维或四维图像；以及测量模块2340，用于如上所述确定选择的眼睛组成部分和/或特征的尺寸和/或体积。US 8,496,588中进一步讨论了成像模块2336使用的成像算法。
在一个实施例中，控制器2332基于从传感器阵列2308接收控制测量输入来确定对换能器和/或OCT样本臂探头和OCT参考臂的位置的调整。在另一个实施例中，控制器2332向探头支架、定位臂、弓形导轨组件和/或线性导轨的驱动机械装置提供控制输入。在又一个实施例中，控制器2332提供控制输入，包括控制功率、频率、信噪比、脉率、增益计划、饱和阈值以及光学和/或超声换能器的灵敏度。在又一实施例中，控制器2332利用控制算法，包括开/关控制、比例控制、微分控制、积分控制、状态估计、自适应控制和随机信号处理中的至少一种。控制器2332还可以监控和确定在一个或多个元件中是否识别出任何故障或诊断标志，例如光学和/或超声换能器和/或支架。
在又一实施例中，所公开的系统和方法可以部分地以软件实现，该软件可以存储在包括计算机可读介质的存储介质上，在控制器和存储器、专用计算机、微处理器等的协作下在编程的通用计算机上执行。在这些情况下，本公开的系统和方法可以实现为嵌入在个人计算机上的程序，例如applet、
Figure BDA0003827394470000331
或CGI脚本，实现为驻留在服务器或计算机工作站上的资源，实现为嵌入在专用测量系统、系统组件等中的例程。该系统也可以通过将该系统和/或方法物理地结合到软件和/或硬件系统中来实现。
在一个实施例中，一个或多个计算机用于控制组合的UHFU和OCT成像系统、扫描头组件、OCT样本臂探头、OCT参考臂和/或超声换能器和/或一个或多个位置传感器等。在一个实施例中，用户通过本领域技术人员已知的任何手段与计算机交互，包括键盘和/或显示器，包括触摸屏显示器。本文使用的术语“计算机可读介质”是指参与向处理器提供指令以供执行的任何有形存储和/或传输介质。这种介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如NVRAM或磁盘或光盘。易失性介质包括动态存储器，例如主存储器。计算机可读介质的常见形式包括，例如，软盘、软碟、硬盘、磁带或任何其他磁介质、磁光介质、CD-ROM、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、任何其他具有孔图案的物理介质、RAM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、像存储器卡一样的固态介质、任何其他存储芯片或盒、下文描述的载波或任何其他计算机可以读取的介质。电子邮件或其他自含式信息档案或档案集的数字文件附件被视为等同于有形存储介质的分发介质。当计算机可读介质被配置为数据库时，应当理解，数据库可以是任何类型的数据库，例如关系型、层次型、面向对象型等。因此，本公开被认为包括有形存储介质或分发介质以及现有技术认可的等同物和后继介质，其中存储了本公开的软件实现。
超声侦察图像的使用
如本文所使用的，侦察图像是为了观察眼睛中感兴趣的解剖结构而拍摄的图像，以为更详细地或从不同的、更有用的角度显示感兴趣的解剖结构的更有用的图像做准备。可以适当地使用或删除侦察图像。侦察图像或侦察视图是在执行特定研究的重要元素之前获得的初步图像，并且用于对例如可以获得更多感兴趣特征的位置进行成像。许多超声技术人员或医生认为侦察图像仅仅是提高后续图像质量(对比度和亮度)的指导。然而，在许多情况下，侦察图像可以显示在侦察图像之后拍摄的更详细图像上没有显示的关键诊断信息。
超声侦察图像可以由上述任何扫描类型产生，但是更常见的是由更简单的扫描类型生成，例如角膜扫描、前段扫描、中央后囊扫描或后囊的左右段扫描。
图24示出了一种方法的示例，其中使用侦察图像来准备生成更优的图像。在这个示例中，通过规划探头轨迹，寻找到的图像是晶状体的右赤道直径的图像，该探头轨迹的目标是基本垂直的超声束路径和超声束到现在已知表面的最佳焦距。
如图所示，从图24的左上角开始，进行曲率半径约为7mm至11mm的简单前段扫描，患者将他或她的眼睛转向他们的左侧，以生成眼睛右侧的B扫描图像，显示角膜、虹膜、虹膜角膜角和巩膜突周围的眼睛区域。从该图像中，可以识别出晶状体右侧赤道直径附近的解剖表面。则规划更优的换能器探头路径，例如大约4mm的紧密曲率半径或从大约10mm的曲率半径开始并逐渐达到大约4mm的曲率半径的可变曲率半径。然后，这个新的探头轨迹生成眼睛右侧的优化B扫描，如图24的右下角所示，这是所找到的图像。
一种增强晶状体囊直径测量的方法
以下部分摘自“Methods to Estimate the Size and Shape of theUnaccommodated Crystalline Lens in Vivo”，该方法描述了能够估计人眼晶状体的尺寸和形状而不需要借助于角膜屈光检查或磁共振成像(MRI)的方法。先前发表的66名受试者(年龄范围为18至63岁)的66只正视眼的生物统计学和角膜屈光检查数据用于定义晶状体曲率半径和厚度的多元线性回归，由此可以推导出晶状体的折射率。MRI生物统计学也可用于30名受试者的子集，从中可以确定顶点曲率半径、圆锥常数、赤道直径、体积和表面积的回归。将所有回归结果与角膜屈光检查和MRI数据进行比较；同时将曲率半径回归与Bennett和Royston等人提出的方法进行了比较。
一种改进例如晶状体赤道直径的估计的方法是准确地测量晶状体的前和后曲率半径，特别是通过测量虹膜后部的点，然后使用由MRI图像建立的关系之一，外推通过成像获得的表面。
为了在人眼内进行准确的光线追踪，了解晶状体的体内尺寸和形状是很重要的。尽管晶状体的等效光焦度可以容易地计算出，获得其尺寸的可靠估计更困难，因为除了晶状体厚度之外，晶状体生物统计学需要专用设施，这些设施只能作为实验设备使用。
这项工作使用了先前发表的生物统计学和角膜屈光检查数据24(66个正视眼的66只眼睛(32个男性，34个女性；62名高加索人，4名非高加索人))，平均年龄为42.4岁，年龄范围为19至69岁。
在测试之前，受试者的眼睛既没有被扩大，其睫状肌也没有被麻痹。这可能会导致年轻受试者进行一定程度的调节，导致近视度数略微增加，晶状体厚度增加，前房深度降低。
以屈光度为单位的晶状体光焦度的Bennett-Royston方程为：
PL＝-1000n(SCV+K)/(1000n-(ACD+c1 T)(SCV+K))+1000n/(-c2 T+V)(1)
其中：
n＝房水和玻璃体液的折射率＝1.336
Scv＝由ICL引起的球面折射(屈光度)
K＝角膜屈光力(屈光度)
ACD＝前房深度(mm)
T＝晶状体厚度(mm)
c1＝0.571
c2＝-0.378
V＝玻璃体深度(mm)＝L-ACD-T
L＝轴向长度(mm)
可以看出，要使用这个公式，必须知道轴向长度L。
角膜屈光力K可以通过“On Calculation of Power from Curvature of theCornea”来计算，如下所示：
F＝(1/r1)(n1-n0)+(1/r2)(n2-n1)-d(1/r1)(n1-n2)(1/r2)(n2-n1) (2)
其中：
r1＝前角膜曲率半径(m)
r2＝后角膜曲率半径(m)
n0＝空气的折射率＝1.000
n1＝角膜的折射率＝1.376
n2＝房水的折射率＝1.336
d＝减少的角膜厚度＝D/n
n＝折射率
D＝角膜厚度(m)
图25示出了折射率为n0、n1和n2的眼睛前段区域。
一旦我们从等式1中得到PL，可以通过下式估计晶状体前和后曲率半径：
r1a(S)＝1000(nL-n)/(Q PL) (3)
r1p(S)＝1000C2(nL-n)/(c1 Q PL) (4)
其中：
nL＝1.431
Q＝0.405
这些曲率半径可以与洞察(Insight)100测量的曲率半径进行比较。
相反，如果测量r1a(S)和r1p(S)，则可以求解等式(2)得到PL和n。
作为Bennett-Royston方法的替代方法，可以使用晶状体厚度T和估计的晶状体焦度PL的多元线性回归来估计r1a[S]和r1p[S]，如下所示：
r1a(S)＝26.02-2.7T-0.2 PL (5)
r1p(S)＝-16.75+1.696T+0.126PL (6)
可以看出，通过用洞察100测量r1a(S)和r1p(S)和T，可以估计出PL。
使用更小的MRI受试者子集，为rla和rlp以及圆锥常数kla和klp开发了以下关系。
r1a(A)＝18.49-2.7T-0.62PL (7)
r1p(A)＝-11.98+0.27PL (8)
kla＝3.99-2.61T+0.58PL (9)
klp＝0.52+0.58T-0.1PL (10)
等式中使用了圆锥常数kla和klp：
y＝x2/(r+√(r2-kx2)) (11)
k>0扁椭圆形
k＝0球形
0>k>-1长椭圆形
k＝-1抛物线
K<-1双曲线；以及晶状体和镜面
图26显示了人眼的典型尺寸，以单位为毫米：
rca＝7.7
rcp＝6.8
Dc＝0.5
nc＝1.376
ACD＝3.3
naqueous＝1.336
rla＝11.0
rlp＝6.0
T＝3.5
nl＝1.431
Laxial＝23.3
晶状体前部Kla＝8.85344扁椭圆形
晶状体后部Klp＝0.13648扁椭圆形
图27示出了天然晶状体的典型尺寸。
一旦知道了ACD、T和PL，就可以做出晶状体赤道直径的估计：
Dc＝8.34+0.39ACD+0.32T-0.08PL (12)
此外，可以估计晶状体体积和表面直径。
Vol＝-271.71+48.67T+10.27L (13)
Surf＝-106.26+17.72T+8.76L (14)
使用洞察100测量晶状体曲率半径r1a[S]和r1p[S]
晶状体的前表面和后表面的特征在于沿着每个表面的最大幅度灰度点。这些点中的任何3个点，优选地在光轴附近，将限定曲率半径。根据洞察100数据，可以使用几组3个点来找到晶状体前表面和后表面的平均曲率半径。可替换地，表面上的所有点可以用于寻找对圆的最小二乘拟合，获得该圆的曲率半径。
类似地，使用洞察100数据，可以使用几组3个点来寻找角膜的前表面和后表面的平均曲率半径。
晶状体制造器(Lens Maker)的方程式是：
1/f＝(n-1)(1/R1-1/R2+(n-1)t/(n R1 R2)) (15)
这个公式也是厚晶状体的公式。
1/f＝晶状体的光焦度
n＝晶状体材料的折射率
R1＝最靠近光源的晶状体表面的曲率半径。正曲率半径表示曲率的表面中心在光线传播方向的更远处。
R2＝离光源最远的晶状体表面的曲率半径。负曲率半径意味着到达表面的光线已经通过了曲率中心。
如果R1>0且R2<0，则晶状体是凸晶状体，如天然晶状体。如果R1>0，R2>0，则晶状体是凹晶状体，如角膜。
年龄相关变量
近似晶状体厚度(视轴上)和年龄(Age)的函数：
T＝4.845+0.019Age-0.444ACD (16)
其他变量，部分与年龄有关：
参数 年龄相关的眼部松弛
前角膜半径(mm) 7.8
后角膜半径(mm) 6.5
角膜厚度(mm) 0.55
折射率，空气 1
折射率，角膜 1.376
折射率，房水 1.336
折射率，玻璃体 1.336
等效折射率，晶状体 1.441-0.00039Age
前房深度(mm) 3.87-0.01Age
前晶状体半径(mm) 12.9-0.057Age
后晶状体半径(mm) -6.2+0.012Age
晶状体厚度(mm) 2.93+0.024Age
rca＝7.7(mm)
rcp＝6.8(mm)
Dc＝0.5(mm)
nc＝1.376
ACD＝3.3(mm)
naqueous＝1.336
rla＝11.0(mm)
rlp＝6.0(mm)
T＝3.5(mm)
nl＝1.431
Laxial＝23.3(mm)
使用这些关系的方式如下：
Figure BDA0003827394470000391
根据前段的B扫描，测量前角膜和后角膜的曲率半径
Figure BDA0003827394470000392
根据前段的B扫描，测量晶状体前部和后部的曲率半径
Figure BDA0003827394470000393
使用根据上面的等式(6)计算得到的圆锥常数，构造椭圆
Figure BDA0003827394470000394
将椭圆数字地匹配到晶状体的B扫描或合成B扫描上
Figure BDA0003827394470000395
确定椭圆的赤道直径
Figure BDA0003827394470000396
使用由此确定的椭圆直径来估计或限制晶状体的真实直径
可以使用本发明的许多变化和修改。可以理解，可以提供本发明的一些特征而不提供其他特征。
在各种实施例中，本公开包括基本上如本文所描绘和描述的组件、方法、过程、系统和/或装置，包括各种实施例、子组合及其子集。在理解本公开之后，本领域技术人员将理解如何制作和使用本公开。在各种实施例中，本公开包括在缺少本文或其各种实施例中未描绘和/或描述的项目的情况下提供设备和过程，包括缺少可能已经在先前的设备或过程中使用过的这些项目，例如用于提高性能、实现简易性和/或降低实施成本。
出于说明和描述的目的，已经呈现了本公开的前述讨论。前述内容并不旨在将本公开限制于本文公开的一种或多种形式。例如，在前面的具体实施方式中，为了简化本公开，本公开的各种特征在一个或多个实施例中被组合在一起。这种公开的方法不应被解释为反映了要求保护的公开内容需要比每个权利要求中明确记载的更多的特征的意图。相反，如以上权利要求所反映的，创造性方面少于单个前述公开实施例的所有特征。因此，以下权利要求由此被结合到该具体实施方式中，每个权利要求独立地作为本公开的独立优选实施例。
此外，尽管本公开的描述已经包括了一个或多个实施例的描述以及某些变化和修改，但是其他变化和修改也在本公开的范围内，例如，在理解本公开之后，可能在本领域技术人员的技能和知识范围内的变化和修改。旨在获得在允许的程度上包括替代实施例的权利，包括那些要求保护的替代的、可互换的和/或等同的结构、功能、范围或步骤，无论这种替代的、可互换的和/或等同的结构、功能、范围或步骤是否在此公开，并且不旨在公开致力于任何可申请专利的主题。

Claims (20)

1.一种用于调整来自A扫描的数据的过程，包括：
提供来自A扫描的信号对时间数据；
通过将所述信号对时间数据除以平均声速，将所述信号对时间数据转换成距离对时间数据；
在所述距离对时间数据中识别镜面，其中所述镜面将第一非镜面区域与第二非镜面区域分开，并且第一声速与所述第一非镜面区域相关联，第二声速与所述第二非镜面区域相关联，其中所述第一声速和所述第二声速是不同的；以及
通过将所述信号对时间数据除以所述第一非镜面区域中的第一声速和除以所述第二非镜面区域中的第二声速，将所述信号对时间数据转换成调整后的距离对时间数据。
2.根据权利要求1所述的过程，还包括：
通过对初始信号对时间数据应用傅立叶变换、移除负频率、然后应用傅立叶逆变换来确定所述信号对时间数据。
3.根据权利要求1所述的过程，还包括：
根据所述距离对时间数据确定所述镜面的到达时间值，并且其中所述第一非镜面区域在第一时间值和所述到达时间值之间延伸，并且所述第二非镜面区域在所述到达时间值和第二时间值之间延伸。
4.根据权利要求1所述的过程，其中所述平均声速约为1531m/s，所述第一声速约为1639m/s，所述第二声速约为1532m/s，使得所述第一非镜面区域在眼睛的角膜内，并且所述第二非镜面区域在眼睛的房水部分内。
5.根据权利要求1所述的过程，其中所述平均声速等于所述第一声速或所述第二声速之一。
6.根据权利要求1所述的过程，还包括：
将灰度颜色方案应用于调整后的距离对时间数据，其中来自所述灰度颜色方案的黑色对应于零信号并且来自所述灰度颜色方案的较强强度对应于较大信号；以及
绘制来自所述灰度颜色方案的强度-距离数据和调整后的距离对时间数据，以产生调整后的B扫描。
7.根据权利要求1所述的过程，其中识别所述镜面包括识别所述距离对时间数据的局部最大值。
8.一种用于组合身体部位的多个图像的过程，包括：
提供身体部位的第一灰度图像和所述身体部位的第二灰度图像；
覆盖所述第一图像和所述第二图像，并相对于彼此移动所述第一图像和所述第二图像；
确定所述第一图像和所述第二图像之间的每个相对位置处的对准参数，直到所述对准参数在一个相对位置处处于极值；以及
在具有所述极值的一个相对位置处逐像素地组合所述第一图像和所述第二图像，其中如果在两个图像中对准的像素具有预定阈值以上的值，则在组合的图像中一起平均来自两个图像的像素的强度，并且其中如果对准的像素仅在一个图像中具有预定阈值以上的值，则在组合的图像中使用所述预定阈值以上的像素的强度。
9.根据权利要求8所述的过程，其中确定所述对准参数是来自每个像素的残差平方和，并且所述极值是所述和的最小值。
10.根据权利要求8所述的过程，其中所述预定阈值是来自灰度颜色方案的强度值。
11.根据权利要求8所述的过程，还包括：
相对于彼此平移和旋转所述第一图像和所述第二图像，以相对于彼此移动所述第一图像和所述第二图像。
12.根据权利要求8所述的过程，还包括：
仅相对于彼此平移所述第一图像和所述第二图像，以相对于彼此移动所述第一图像和所述第二图像。
13.根据权利要求8所述的过程，其中所述第一图像通过来自以第一扫掠模式移动的超声探头的超声信号产生，并且所述第二图像通过来自以不同的第二扫掠模式移动的超声探头的超声信号产生。
14.根据权利要求8所述的过程，其中所述第一图像开始于角膜的前表面并且所述第二图像结束于晶状体的后表面。
15.一种用于确定眼睛的晶状体的直径的方法，包括：
提供可操作地连接到弓形轨道和线性轨道的超声探头；
在所述患者的眼睛旋转到一侧之后，用所述超声探头以第一扫掠模式扫描所述患者的眼睛；
根据由以所述第一扫掠模式移动的所述超声探头接收的信号生成B扫描，其中所述患者眼睛的至少一个解剖表面被识别；
在所述患者的眼睛旋转到一侧之后，用所述超声探头以第二扫掠模式扫描所述患者眼睛的至少一个解剖表面，其中所述第二扫掠模式不同于所述第一扫掠模式；以及
根据由以所述第二扫掠模式移动的超声探头接收的信号生成另一次B扫描。
16.根据权利要求15所述的过程，其中所述第一扫掠模式的曲率半径在大约7mm至11mm之间，并且所述第二扫掠模式包括大约4mm的曲率半径。
17.根据权利要求15所述的过程，其中所述第一扫掠模式和所述第二扫掠模式中的至少一个将来自所述线性轨道的线性运动和来自所述弓形轨道的弓形运动组合。
18.根据权利要求15所述的过程，还包括：
将与所述第二扫掠模式相关联的B扫描与至少一个其他B扫描组合，以产生眼睛的晶状体的合成图像。
19.根据权利要求18所述的过程，还包括：
根据所述晶状体的角膜的前部和后部的曲率半径以及根据所述晶状体的前部和后部的曲率半径确定眼睛的晶状体的赤道直径。
20.根据权利要求15所述的过程，还包括：
通过将信号对时间数据除以第一非镜面区域中的第一声速并除以第二非镜面区域中的不同的第二声速，来调整形成与所述第一扫掠模式相关联的B扫描的A扫描。
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