CN115429531B - 一种多功能眼前节手术导航显微镜系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多功能眼前节手术导航显微镜系统及实现方法，包括两个OCT子模块、一个双目显微镜模块、控制模块、数据采集模块和电脑，两个OCT子模块分别为第一OCT模块和第二OCT模块；控制模块根据电脑输出的指令将第一OCT模块输出的光束和第二OCT模块输出的光束输入到双目显微镜模块中，将数据采集模块采集第一OCT模块和第二OCT模块的数据输入到电脑。本发明能够实现眼前节OCT成像和双路立体显微镜功能，具有操作简单，高效并行的优点，为眼科手术提供一种崭新的手术导航技术装备；克服目前眼科手术显微镜仪器存在功能单一，图像不立体，运行速度较慢，没有深度信息的缺点。

Description

一种多功能眼前节手术导航显微镜系统及实现方法

技术领域

本发明涉及一种OCT技术领域领域，特别是涉及一种多功能眼前节手术导航显微镜装置及实现方法。

背景技术

根据世界卫生组织数据，2020年有10亿人的视力损伤原能被预防或尚待解决，其中白内障6520万、青光眼6900万等，预防治疗率有待提升。在致盲原因中白内障占9％、青光眼占10％，二者均为世界致盲和视力障碍的主要原因。中国眼部疾病患病人数超过10亿，其中白内障累计患者达1.68亿人，青光眼患者累计2100万人。80％；此外，老龄化不断加剧使得白内障、青光眼、老花眼等年龄高度相关的眼病发病率不断提高，带来眼科医疗需求的增加。由于人体的眼睛结构比较复杂，约70％的眼病治疗以手术为主，对器械依赖性较高，用药通常只能延缓。我国眼科专科医院及卫生机构眼科床位数均持续增加，直接推动了眼科显微镜的采购。

光学相干断层成像(optical coherence tomography,OCT)技术是基于低相干光干涉原理，可对人体组织实时、无损、动态高分辨率成像，且可结合光学相干断层成像血管造影算法，无需注射造影剂，就可实现皮下微循环成像。已被证明是检测和研究皮肤、血管即眼睛疾病的重要工具。

显微镜集成术中OCT设备是由手持式术中OCT以及探头式术中OCT发展而来。一般在集成设备是由二向色镜实现耦合的。Haag-Streit公司通过在显微镜的光学变焦模块之前耦合OCT模块，应用于其眼外科手术产品中，并在2015年在美国获得FDA许可。其一个重要优点是对于整合OCT所需的手术显微镜修改极小，可以确保外科医生的工作流程不会受到干扰，主要缺点是OCT横向分辨率和视场依赖于显微镜的光学变焦，这可能导致在某些放大率设置下OCT性能受损。

申请号CN108577802A提出一种通过机械切换透镜，将OCT成像光路模块与眼科手术显微镜结合，拓展手术显微镜系统的应用。但是，其缺点是两个模态不能同时成像，不能用于实时手术导航。

眼科手术中需要快速获取指定手术区域术中信息，传统手术导航缺乏深度方向的定位引导，需要术者极高的手眼协调能力。综上所述，临床医生迫切需要一种新一代包含双目立体影像、扫频OCT成像等多模态三维眼科手术导航显微镜系统，为致盲疾病手术治疗这一重大临床需求提供一种崭新的手术导航技术装备。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种多功能眼前节手术导航显微镜系统，包括两个OCT子模块、一个双目显微镜模块、控制模块、数据采集模块和电脑，两个OCT子模块分别为二维OCT断层成像模块和三维OCT体积成像模块；

控制模块根据电脑输出的指令将二维OCT断层成像模块和三维OCT体积成像模块输出的光束输入到双目显微镜模块中，将数据采集模块采集二维OCT断层成像模块和三维OCT体积成像模块的数据输入到电脑。

在本发明的一种优选实施方式中，二维OCT断层成像模块包括第一扫频光源、第一均分光纤耦合器、第一光纤滤波器、第二光纤滤波器、光纤跳线、第一偏振控制器、第二均分光纤耦合器、光放大器、第一通用光纤耦合器、第二偏振控制器、第一电动延迟线、第三均分光纤耦合器、第一光电平衡探测器、第一放大器；

第一扫频光源的输出端通过光纤连接至第一均分光纤耦合器的第一端口，第一均分光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第二光纤滤波器，第二光纤滤波器通过光纤连接至第一偏振控制器，第一偏振控制器通过光纤连接至第二均分光纤耦合器的第一端口，第一均分光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第一光纤滤波器，第一光纤滤波器通过光纤连接至光纤跳线模块，光纤跳线模块通过光纤连接至第二均分光纤耦合器的第二端口，第二均分光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第一插值时钟信号模块，第一插值时钟信号模块的输出端通过射频线缆连接至第一相位延迟器，第一相位延迟器输出第一插值时钟信号K1通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第一输入端，第二均分光纤耦合器的第四端口通过光纤连接至光放大器，光放大器输出端通过光纤连接至第一通用光纤耦合器的第一端口；第一通用光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第一样品臂；第一通用光纤耦合器的第四端口通过光纤连接至第一电动延迟线，第一电动延迟线通过光纤连接至第三均分光纤耦合器的第二端口，第一通用光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第二偏振控制器，第二偏振控制器通过光纤连接至第三均分光纤耦合器的第一端口，第三均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至第一光电平衡探测器，第一光电平衡探测器通过射频线缆连接至第一放大器，第一放大器输出第一OCT干涉信号S1通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第二输入端。

或/和三维OCT体积成像模块包括第二扫频光源、光纤分束器、第二插值时钟信号模块、第二相位延迟器、第二通用光纤耦合器、第三偏振控制器、第二电动延迟线、第四均分光纤耦合器、第二光电平衡探测器、第二放大器；

第二扫频光源的输出端通过光纤连接至光纤分束器的输入端；光纤分束器的输出端通过光纤分别连接至第二插值时钟信号模块的光束输入端和第二通用光纤耦合器的第一端口，第二插值时钟信号模块的输出端通过射频线缆连接至第二相位延迟器，第二相位延迟器输出第二插值时钟信号K2通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第三输入端；数据采集模块通过PCIe数据总线连接至电脑，第二通用光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第二样品臂；第二通用光纤耦合器的第四端口通过光纤连接至第二电动延迟线，第二电动延迟线通过光纤连接至第四均分光纤耦合器的第二端口，第二通用光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第三偏振控制器，第三偏振控制器通过光纤连接至第四均分光纤耦合器的第一端口，第四均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至第二光电平衡探测器，第二光电平衡探测器通过射频线缆连接至第二放大器，第二放大器输出第二OCT干涉信号S2通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第四输入端。

在本发明的一种优选实施方式中，第一样品臂和第二样品臂均包括准直器、变焦模组、二维扫描镜和4F透镜组。

在本发明的一种优选实施方式中，第一插值时钟信号模块和第二插值时钟信号模块均包括第五均分光纤耦合器、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、光程差调整器、偏振控制单元、第六均分光纤耦合器、光电探测模块；

输入光束通过光纤连接至第五均分光纤耦合器的第一端口，第五均分光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第一光纤布拉格光栅，第一光纤布拉格光栅通过光纤连接至偏振控制单元，振控制单元通过光纤连接至第六均分光纤耦合器的第一端口，第五均分光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第二光纤布拉格光栅，第二光纤布拉格光栅通过光纤连接至光程差调整器，光程差调整器通过光纤连接至第六均分光纤耦合器的第二端口，第六均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至光电探测模块，光电探测模块输出初始差值信号。

在本发明的一种优选实施方式中，第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅的反射波长不同。

在本发明的一种优选实施方式中，第一光纤布拉格光栅的反射波长的带宽小于0.2nm，反射率高于90％，第一光纤布拉格光栅的反射波长个数需要不少于1个，为多个时等间隔分布，分别为λ₁、λ₃…λ_2n-1；

第二光纤布拉格光栅的反射波长的带宽小于0.2nm，反射率高于90％，第二光纤布拉格光栅的反射波长个数是不少于1个，为多个时等间隔分布，分别为λ₂、λ₄…λ_2n。

在本发明的一种优选实施方式中，控制模块包括处理器单元、倍频器、分频器、延迟器、导通器；

来自第一扫频光源的触发信号T1和第二扫频光源的触发信号T2连接到控制模块的输入端，根据电脑指令，选择性的对触发信号T1、T2进行信号进行频率倍频，频率分频，直接导通，相位延迟处理，然后输出处理后的触发信号T01、T02。

在本发明的一种优选实施方式中，主成像光路包括双目显微镜部件的右目显微镜光路模块、双目显微镜部件的左目显微镜光路模块、第一样品臂、第二样品臂、物镜、微型摄像头、照明光源、第一二项色镜、第二二项色镜；

第一二项色镜将右目显微镜光路模块与第一样品臂合在一起，但是两个模块的光轴不同轴；第二二项色镜将左目显微镜光路模块与第二样品臂合在一起，但是两个模块的光轴不同轴；

右目显微镜光路模块和左目显微镜光路模块均包括中继镜、变焦系统、接物镜、分光片、目镜、镜头、相机；相机与观察眼可以同时观察被测物体，相机可以将拍摄到的手术过程进行录像保存。

本发明还公开了一种多功能眼前节手术导航显微镜成像方法，包括以下步骤：

S1，校准双目显微镜：

将一个标准棋盘格照片至于显微镜的不同工作距离处，双目显微镜的两个相机依次进行拍照；将在不同工作距离得到的图像依次进行定标；利用定标参数，进行坐标系转换，将两个相机的图像合成三维图像；

S2，校准相位延迟器参数：

将一个反射镜作为样品至于工作位置处，第一扫频光源发出光束进行成像，分别得到第一插值时钟信号K1和第一OCT干涉信号S1；调整第一相位延迟器，使得利用K1插值得到的S1具有最窄的信号宽度，此时说明插值时钟信号K1与第一OCT干涉信号S1之间的相位差最小，轴向分辨率最佳；与此同时，第二扫频光源发出光束进行成像，分别得到第二插值时钟信号K2和第二OCT干涉信号S2；调整第二相位延迟器，使得利用K2插值得到的S2具有最窄的信号宽度，此时说明插值时钟信号K2与第一OCT干涉信号S2之间的相位差最小，轴向分辨率最佳；

S3，校准OCT子模块：

将一个玻璃片作为样品至于工作位置处，第一扫频光源发出光束对被测样品进行二维断层扫描成像，记此时得到的第一OCT干涉信号S1的频率是f1；第二扫频光源发出光束对被测样品进行三维OCT体积成像，记此时得到的第二OCT干涉信号S2的频率是f2；调节第一电动延迟线与第二电动延迟线，使得f1＝f2，实现两个OCT子模块具有一样的光程差；

S3，曲率校对：

由于OCT子模块的成像光束光轴与双目显微镜模块的光轴不重合，所以得到的OCT图像会有引入一个额外的曲率，干扰医生手术阅图，所以要校对曲率；将一个10mm*10mm*10mm的立方体玻璃体作为样品进行双目显微镜成像和OCT成像；以双目显微镜成像获得图像的曲率数值为依据去校准两个OCT子模块获得图像的曲率数值；

S4，开始成像：

S41，主成像光路的微型摄像头对被测眼进行实时拍照检测，该图像特点是成像视场大，不小于20mm*20mm，并且在真个手术导航阶段中，该微型摄像头的成像范围不变，目的是提供一个全局图像预览；

S42，调整双目显微镜模块的变焦系统，使得被测眼位于最佳工作距离处，双目显微镜模块的的两个相机实时采集到医生感兴趣的被测眼的局部区域，依据步骤S2中的定标结果，将这两个相机得到的平面图像合成三维立体图像；

S43，第一扫频光源发出光束对被测眼进行二维断层扫描成像，依据步骤S2得出的当前工作距离数值为参考，调节第一电动延迟线，使测量得到的被测眼的第一OCT干涉信号S1位于最佳图像预览位置；调节第二偏振控制器，使测量得到的被测眼的S1信号最强；

S44，第二扫频光源发出光束对被测眼进行三维OCT体积成像，依据步骤S2得出的当前工作距离数值为参考，调节第二电动延迟线，使测量得到的被测眼的第二OCT干涉信号S2位于最佳图像预览位置；调节第三偏振控制器，使测量得到的被测眼的S2信号最强；

S45，依据双目显微镜模块输出的三维立体图像，进行手术器械图像分割，并依据先验知识，计算出手术器械在被测眼中的末端空间坐标；

S46，实时监测手术器械在被测眼中的末端空间坐标，如果没有发生变化，则不调整二维扫描镜工作状态；如果发生变化，则调整第一样品臂中的二维扫描镜，使其扫描中心位于手术器械末端；进一步的，如果检测出手术器械末端位置变化很大，超出10mm，则进一步调整第二样品臂中的二维扫描镜，使其扫描中心位于当前手术器械末端。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明能够实现眼前节OCT成像和双路立体显微镜功能，具有操作简单，高效并行的优点，为眼科手术提供一种崭新的手术导航技术装备；克服目前眼科手术显微镜仪器存在功能单一，图像不立体，运行速度较慢，没有深度信息的缺点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的连接示意框图。

图2是本发明插值时钟模块的连接示意框图。

图3是本发明控制模块的连接示意框图。

图4是本发明第一样品臂/第二样品臂的连接示意框图。

图5是本发明主成像光路示意图。

图6是本发明实时断层成像工作流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的多功能眼前节手术导航显微镜系统包括：如图1～5所示，两个oct子模块，分别是用于高分辨率的实时二维断层成像和低分辨率的三维OCT体积成像，以及一个双目显微镜模块。用于高分辨率的实时二维断层成像子模块包括：第一扫频光源、第一均分光纤耦合器、第一光纤滤波器、第二光纤滤波器、光纤跳线、第一偏振控制器、第二均分光纤耦合器、光放大器、第一通用光纤耦合器、第二偏振控制器、第一电动延迟线、第三均分光纤耦合器、第一光电平衡探测器、第一放大器；低分辨率的三维OCT体积扫描子模块包括：第二扫频光源、光纤分束器、第二插值时钟信号模块、第二相位延迟器、第二通用光纤耦合器、第三偏振控制器、第二电动延迟线、第四均分光纤耦合器、第二光电平衡探测器、第二放大器；控制模块、数据采集模块、电脑。

其中，第一扫频光源的输出端通过光纤连接至第一均分光纤耦合器的第一端口，第一均分光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第二光纤滤波器，第二光纤滤波器通过光纤连接至第一偏振控制器，第一偏振控制器通过光纤连接至第二均分光纤耦合器的第一端口，第一均分光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第一光纤滤波器，第一光纤滤波器通过光纤连接至光纤跳线模块，光纤跳线模块通过光纤连接至第二均分光纤耦合器的第二端口，第二均分光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第一插值时钟信号模块，第一插值时钟信号模块的输出端通过射频线缆连接至第一相位延迟器，第一相位延迟器输出第一插值时钟信号K1通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第一输入端，第二均分光纤耦合器的第四端口通过光纤连接至光放大器，光放大器输出端通过光纤连接至第一通用光纤耦合器的第一端口；第一通用光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第一样品臂。第一通用光纤耦合器的第四端口通过光纤连接至第一电动延迟线，第一电动延迟线通过光纤连接至第三均分光纤耦合器的第二端口，第一通用光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第二偏振控制器，第二偏振控制器通过光纤连接至第三均分光纤耦合器的第一端口，第三均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至第一光电平衡探测器，第一光电平衡探测器通过射频线缆连接至第一放大器，第一放大器输出第一OCT干涉信号S1通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第二输入端。

其中，第二扫频光源的输出端通过光纤连接至光纤分束器的输入端；光纤分束器的输出端通过光纤分别连接至第二插值时钟信号模块的光束输入端和第二通用光纤耦合器的第一端口，第二插值时钟信号模块的输出端通过射频线缆连接至第二相位延迟器，第二相位延迟器输出第二插值时钟信号K2通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第三输入端；数据采集模块通过PCIe数据总线连接至电脑，第二通用光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第二样品臂。第二通用光纤耦合器的第四端口通过光纤连接至第二电动延迟线，第二电动延迟线通过光纤连接至第四均分光纤耦合器的第二端口，第二通用光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第三偏振控制器，第三偏振控制器通过光纤连接至第四均分光纤耦合器的第一端口，第四均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至第二光电平衡探测器，第二光电平衡探测器通过射频线缆连接至第二放大器，第二放大器输出第二OCT干涉信号S2通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第四输入端。

样品臂包括准直器、变焦模组，二维扫描镜，4F透镜组。

插值时钟信号模块包括：第五均分光纤耦合器、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、光程差调整器、偏振控制单元、第六均分光纤耦合器、光电探测模块；输入光束通过光纤连接至第五均分光纤耦合器的第一端口，第五均分光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第一光纤布拉格光栅，第一光纤布拉格光栅通过光纤连接至偏振控制单元，振控制单元通过光纤连接至第六均分光纤耦合器的第一端口，第五均分光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第二光纤布拉格光栅，第二光纤布拉格光栅通过光纤连接至光程差调整器，光程差调整器通过光纤连接至第六均分光纤耦合器的第二端口，第六均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至光电探测模块，光电探测模块输出初始差值信号。

特别的，第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅的反射波长不同；第一光纤布拉格光栅的反射波长的带宽小于0.2nm，反射率高于90％，第一光纤布拉格光栅的反射波长个数需要不少于1个，优选5个，等间隔分布，分别为λ₁、λ₃…λ_2n-1；第二光纤布拉格光栅的反射波长的带宽小于0.2nm，反射率高于90％，第二光纤布拉格光栅的反射波长个数是不少于1个，优选5个，等间隔分布，分别为λ₂、λ₄…λ_2n。

控制模块包括处理器单元、倍频器、分频器、延迟器、导通器；来自第一扫频光源的触发信号T1和第二扫频光源的触发信号T2连接到控制模块的输入端，根据电脑指令，选择性的对触发信号T1、T2进行信号进行频率倍频，频率分频，直接导通，相位延迟处理，然后输出处理后的触发信号T01、T02。

主成像光路包括：双目显微镜部件的右目显微镜光路模块、双目显微镜部件的左目显微镜光路模块、第一样品臂、第二样品臂、物镜、微型摄像头、照明光源、第一二项色镜、第二二项色镜；

第一二项色镜将右目显微镜光路模块与第一样品臂合在一起，但是两个模块的光轴不同轴；第二二项色镜将左目显微镜光路模块与第二样品臂合在一起，但是两个模块的光轴不同轴；OCT成像模块的光轴如黑色实线条所示，左目与右目显微镜光路模块的光轴如黑色虚线条所示；

进一步的，右目显微镜光路模块与左目显微镜光路模块的具体结构一样，包括中继镜、变焦系统、接物镜、分光片、目镜、镜头、相机；相机与观察眼可以同时观察被测物体，相机可以将拍摄到的手术过程进行录像保存。

实施例一

第一扫频光源的扫描范围是1250nm-1350nm，中心波长是1300nm，扫描速度F是300kHz，占空比是50％，对应的轴向分辨率是7.5μm。光纤跳线模块是长度L为340.60m的单模光纤，计算依据是

L指光纤跳线模块的光纤长度，F指第一扫频光源的扫描频率，n指光纤折射率，c指光束。实施例1中，

它可以提供1.67μs的延迟，从而将300kHz的扫描速度变为600kHz，此时占空比为100％。利用这个方法提高扫描速度不会增加干涉信号频率，不给数据采集模块增加负担。

第一扫频光源发出一束宽带光至二倍频单元，二倍频单元将输入的300kHz扫频光源信号翻倍为600kHz传入光放大器。恒温控制器用于保持光纤跳线模块的工作温度，以保证稳定的折射率和偏振态；光放大器有光功率放大功能；

第一扫频光源的OCT模块的采样率是3GS/s，数据深度是14bit，带宽是2GHz，等价数据量是6GB/s，对于扫描速度是600kHz，占空比是100％，则最大可采集到的成像深度约15mm，对应于可以采集到人眼整个眼前节结构图。二维扫描镜一个周期对应的采样点是1pixel*2000pixel，则一秒可实现300次断层周期扫描，可实现帧率是30fps的高清断层图像(平均十次)。目前商用PCIe x8最大传输速度是～6.8GB/s，因此由第一扫频光源的OCT模块的配置参数采集到的OCT信号可以被实时物损耗的传输到电脑端，进行GPU实时图像重建，进而实现高分辨率的实时二维断层成像。

控制模块将来自第一扫频光源的300kHz触发信号T1倍频为600kHz，用作第一样品臂光路的二维扫描镜的时钟源；控制模块将来自第二扫频光源的1.6MHz触发信号直接导通输出，用作第二样品臂光路的二维扫描镜的时钟源；

第二扫频光源的扫描范围是1280-1320nm，中心波长是1300nm，扫描速度是1.6MHz，占空比是100％。由第二扫频光源组成的OCT子模块用于低分辨率的三维OCT体积成像。因为对于扫频OCT系统，扫频光源的扫描范围越大，扫频频率越高，对应的干涉信号频率越高，需要的采样率就越高，进而给传输速度带来挑战。所以在目前数据采集模块和电脑之间数据传输速度限制的条件下(≤6.8GB/s)，想对整个眼前节的结构(≥15mm)实现三维体积OCT实时成像(≥20fps)，只能牺牲轴向分辨率，所以三维体积OCT的轴向分辨率需要按比例衰减，约是20μm。例如，对于扫频速度是1.6MHz，占空比是100％扫频光源，二维扫描镜一个周期对应的采样点是200pixel*300pixel，则一秒可实现26个体积周期扫描。

本发明的另一个目的在于提出一种多功能眼前节手术导航显微镜成像方法。

本发明的多功能眼前节手术导航显微镜成像方法，如图6所示，包括以下步骤：

第一步，校准双目显微镜

将一个标准棋盘格照片至于显微镜的不同工作距离处，双目显微镜的两个相机依次进行拍照；将在不同工作距离得到的图像依次进行定标；利用定标参数，进行坐标系转换，将两个相机的图像合成三维图像。

第二步，校准相位延迟器参数

将一个反射镜作为样品至于工作位置处，第一扫频光源发出光束进行成像，分别得到第一插值时钟信号K1和第一OCT干涉信号S1；调整第一相位延迟器，使得利用K1插值得到的S1具有最窄的信号宽度，此时说明插值时钟信号K1与第一OCT干涉信号S1之间的相位差最小，轴向分辨率最佳。与此同时，第二扫频光源发出光束进行成像，分别得到第二插值时钟信号K2和第二OCT干涉信号S2；调整第二相位延迟器，使得利用K2插值得到的S2具有最窄的信号宽度，此时说明插值时钟信号K2与第一OCT干涉信号S2之间的相位差最小，轴向分辨率最佳。

第三步，校准OCT子模块

将一个玻璃片作为样品至于工作位置处，第一扫频光源发出光束对被测样品进行二维断层扫描成像，记此时得到的第一OCT干涉信号S1的频率是f1；第二扫频光源发出光束对被测样品进行三维OCT体积成像，记此时得到的第二OCT干涉信号S2的频率是f2；调节第一电动延迟线与第二电动延迟线，使得f1＝f2，实现两个OCT子模块具有一样的光程差；

第四步，曲率校对

由于OCT子模块的成像光束光轴与双目显微镜模块的光轴不重合，所以得到的OCT图像会有引入一个额外的曲率，干扰医生手术阅图，所以要校对曲率；将一个10mm*10mm*10mm的立方体玻璃体作为样品进行双目显微镜成像和OCT成像；以双目显微镜成像获得图像的曲率数值为依据去校准两个OCT子模块获得图像的曲率数值；

第五步，开始成像

主成像光路的微型摄像头对被测眼进行实时拍照检测，该图像特点是成像视场大，不小于20mm*20mm，并且在真个手术导航阶段中，该微型摄像头的成像范围不变，目的是提供一个全局图像预览；

调整双目显微镜模块的变焦系统，使得被测眼位于最佳工作距离处，双目显微镜模块的的两个相机实时采集到医生感兴趣的被测眼的局部区域，依据第二步中的定标结果，将这两个相机得到的平面图像合成三维立体图像；

第一扫频光源发出光束对被测眼进行二维断层扫描成像，依据第二步得出的当前工作距离数值为参考，调节第一电动延迟线，使测量得到的被测眼的第一OCT干涉信号S1位于最佳图像预览位置；调节第二偏振控制器，使测量得到的被测眼的S1信号最强；

第二扫频光源发出光束对被测眼进行三维OCT体积成像，依据第二步得出的当前工作距离数值为参考，调节第二电动延迟线，使测量得到的被测眼的第二OCT干涉信号S2位于最佳图像预览位置；调节第三偏振控制器，使测量得到的被测眼的S2信号最强；

依据双目显微镜模块输出的三维立体图像，进行手术器械图像分割，并依据先验知识，计算出手术器械在被测眼中的末端空间坐标；

实时监测手术器械在被测眼中的末端空间坐标，如果没有发生变化，则不调整二维扫描镜工作状态；如果发生变化，则调整第一样品臂中的二维扫描镜，使其扫描中心位于手术器械末端；进一步的，如果检测出手术器械末端位置变化很大，超出10mm，则进一步调整第二样品臂中的二维扫描镜，使其扫描中心位于当前手术器械末端；

目前市面上的扫频光源的占空比普遍是～50％；本发明使用二倍频单元将占空比是～50％第一扫频光源的扫频速度实现翻倍，占空比变为～100％。优点是扫描速度翻倍，而且不会增加干涉信号的干涉频率，不会给眼前结手术导航显微镜系统的数据传输部分带来负担。相比于直接选用高频率扫频光源，使用二倍频单元方案更加符合实际需求。

二倍频单元部件中引入一个恒温控制器，用于保持光纤跳线模块的工作温度，以保证该部件具有稳定的折射率和偏振态；因为光纤是一种对温度敏感性原件，温度波动会导致其折射率和偏振态波动，进而干扰探测到的干涉信号的稳定性。

本发明提出的双目显微镜和OCT组成的闭环自适应系统，充分考虑到临床医生的需要，将两个模态巧妙的结合在一起，互相公用信息，提供更完整眼前节信息。

控制模块可以将来自扫频光源的触发信号选择性的实现频率倍频，频率分频，直接导通，相位延迟处理，满足不同OCT工作模式的需要。

插值时钟模块相比传统马赫增得干涉仪多了光纤布拉格光栅，具有多个反射峰的光纤布拉格光栅可以提供更好的波长定标功能，可以实现分段插值，提高插值的准确性，进而提高OCT图像轴向分辨率。

相位延迟器部件可以调整插值时钟信号与样品的OCT信号之间相位差，用于弥补由于光程差不同导致的初始相位误差，可以提高插值的准确性，进而提高OCT图像轴向分辨率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种多功能眼前节手术导航显微镜系统，其特征在于，包括两个OCT子模块、一个双目显微镜模块、控制模块、数据采集模块和电脑，两个OCT子模块分别为二维OCT断层成像模块和三维OCT体积成像模块；

控制模块根据电脑输出的指令将二维OCT断层成像模块和三维OCT体积成像模块输出的光束输入到双目显微镜模块中，将数据采集模块采集二维OCT断层成像模块和三维OCT体积成像模块的数据输入到电脑；

二维OCT断层成像模块包括第一扫频光源、第一均分光纤耦合器、第一光纤滤波器、第二光纤滤波器、光纤跳线、第一偏振控制器、第二均分光纤耦合器、光放大器、第一通用光纤耦合器、第二偏振控制器、第一电动延迟线、第三均分光纤耦合器、第一光电平衡探测器、第一放大器；

第一扫频光源的输出端通过光纤连接至第一均分光纤耦合器的第一端口，第一均分光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第二光纤滤波器，第二光纤滤波器通过光纤连接至第一偏振控制器，第一偏振控制器通过光纤连接至第二均分光纤耦合器的第一端口，第一均分光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第一光纤滤波器，第一光纤滤波器通过光纤连接至光纤跳线模块，光纤跳线模块通过光纤连接至第二均分光纤耦合器的第二端口，第二均分光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第一插值时钟信号模块，第一插值时钟信号模块的输出端通过射频线缆连接至第一相位延迟器，第一相位延迟器输出第一插值时钟信号K1通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第一输入端，第二均分光纤耦合器的第四端口通过光纤连接至光放大器，光放大器输出端通过光纤连接至第一通用光纤耦合器的第一端口；第一通用光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第一样品臂；第一通用光纤耦合器的第四端口通过光纤连接至第一电动延迟线，第一电动延迟线通过光纤连接至第三均分光纤耦合器的第二端口，第一通用光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第二偏振控制器，第二偏振控制器通过光纤连接至第三均分光纤耦合器的第一端口，第三均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至第一光电平衡探测器，第一光电平衡探测器通过射频线缆连接至第一放大器，第一放大器输出第一OCT干涉信号S1通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第二输入端；

三维OCT体积成像模块包括第二扫频光源、光纤分束器、第二插值时钟信号模块、第二相位延迟器、第二通用光纤耦合器、第三偏振控制器、第二电动延迟线、第四均分光纤耦合器、第二光电平衡探测器、第二放大器；

第二扫频光源的输出端通过光纤连接至光纤分束器的输入端；光纤分束器的输出端通过光纤分别连接至第二插值时钟信号模块的光束输入端和第二通用光纤耦合器的第一端口，第二插值时钟信号模块的输出端通过射频线缆连接至第二相位延迟器，第二相位延迟器输出第二插值时钟信号K2通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第三输入端；数据采集模块通过PCIe数据总线连接至电脑，第二通用光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第二样品臂；第二通用光纤耦合器的第四端口通过光纤连接至第二电动延迟线，第二电动延迟线通过光纤连接至第四均分光纤耦合器的第二端口，第二通用光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第三偏振控制器，第三偏振控制器通过光纤连接至第四均分光纤耦合器的第一端口，第四均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至第二光电平衡探测器，第二光电平衡探测器通过射频线缆连接至第二放大器，第二放大器输出第二OCT干涉信号S2通过射频线缆连接至数据采集模块的信号第四输入端。

2.根据权利要求1所述的多功能眼前节手术导航显微镜系统，其特征在于，第一样品臂和第二样品臂均包括准直器、变焦模组、二维扫描镜和4F透镜组。

3.根据权利要求1所述的多功能眼前节手术导航显微镜系统，其特征在于，第一插值时钟信号模块和第二插值时钟信号模块均包括第五均分光纤耦合器、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、光程差调整器、偏振控制单元、第六均分光纤耦合器、光电探测模块；

输入光束通过光纤连接至第五均分光纤耦合器的第一端口，第五均分光纤耦合器的第二端口通过光纤连接至第一光纤布拉格光栅，第一光纤布拉格光栅通过光纤连接至偏振控制单元，偏振控制单元通过光纤连接至第六均分光纤耦合器的第一端口，第五均分光纤耦合器的第三端口通过光纤连接至第二光纤布拉格光栅，第二光纤布拉格光栅通过光纤连接至光程差调整器，光程差调整器通过光纤连接至第六均分光纤耦合器的第二端口，第六均分光纤耦合器的第三、第四端口通过光纤连接至光电探测模块，光电探测模块输出初始差值信号。

4.根据权利要求1所述的多功能眼前节手术导航显微镜系统，其特征在于，第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅的反射波长不同。

5.根据权利要求4所述的多功能眼前节手术导航显微镜系统，其特征在于，第一光纤布拉格光栅的反射波长的带宽小于0.2nm，反射率高于90％，第一光纤布拉格光栅的反射波长个数需要不少于1个，为多个时等间隔分布，分别为λ₁、λ₃…λ_2n-1；

第二光纤布拉格光栅的反射波长的带宽小于0.2nm，反射率高于90％，第二光纤布拉格光栅的反射波长个数是不少于1个，为多个时等间隔分布，分别为λ₂、λ₄…λ_2n。

6.根据权利要求1所述的多功能眼前节手术导航显微镜系统，其特征在于，控制模块包括处理器单元、倍频器、分频器、延迟器、导通器；

来自第一扫频光源的触发信号T1和第二扫频光源的触发信号T2连接到控制模块的输入端，根据电脑指令，选择性的对触发信号T1、T2进行信号进行频率倍频，频率分频，直接导通，相位延迟处理，然后输出处理后的触发信号T01、T02。

7.根据权利要求1所述的多功能眼前节手术导航显微镜系统，其特征在于，主成像光路包括双目显微镜部件的右目显微镜光路模块、双目显微镜部件的左目显微镜光路模块、第一样品臂、第二样品臂、物镜、微型摄像头、照明光源、第一二项色镜、第二二项色镜；

第一二项色镜将右目显微镜光路模块与第一样品臂合在一起，但是两个模块的光轴不同轴；第二二项色镜将左目显微镜光路模块与第二样品臂合在一起，但是两个模块的光轴不同轴；

右目显微镜光路模块和左目显微镜光路模块均包括中继镜、变焦系统、接物镜、分光片、目镜、镜头、相机；相机与观察眼可以同时观察被测物体，相机可以将拍摄到的手术过程进行录像保存。

8.根据权利要求1～7之一所述的多功能眼前节手术导航显微镜系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，校准双目显微镜：

将一个标准棋盘格照片置于显微镜的不同工作距离处，双目显微镜的两个相机依次进行拍照；将在不同工作距离得到的图像依次进行定标；利用定标参数，进行坐标系转换，将两个相机的图像合成三维图像；

S2，校准相位延迟器参数：

将一个反射镜作为样品置于工作位置处，第一扫频光源发出光束进行成像，分别得到第一插值时钟信号K1和第一OCT干涉信号S1；调整第一相位延迟器，使得利用第一插值时钟信号K1插值得到的第一OCT干涉信号S1具有最窄的信号宽度，此时说明第一插值时钟信号K1与第一OCT干涉信号S1之间的相位差最小，轴向分辨率最佳；与此同时，第二扫频光源发出光束进行成像，分别得到第二插值时钟信号K2和第二OCT干涉信号S2；调整第二相位延迟器，使得利用第二插值时钟信号K2插值得到的第二OCT干涉信号S2具有最窄的信号宽度，此时说明第二插值时钟信号K2与第二OCT干涉信号S2之间的相位差最小，轴向分辨率最佳；

S3，校准OCT子模块：

将一个玻璃片作为样品置于工作位置处，第一扫频光源发出光束对被测样品进行二维断层扫描成像，记此时得到的第一OCT干涉信号S1的频率是f1；第二扫频光源发出光束对被测样品进行三维OCT体积成像，记此时得到的第二OCT干涉信号S2的频率是f2；调节第一电动延迟线与第二电动延迟线，使得f1＝f2，实现两个OCT子模块具有一样的光程差；

S4，曲率校对：

由于OCT子模块的成像光束光轴与双目显微镜模块的光轴不重合，所以得到的OCT图像会有引入一个额外的曲率，干扰医生手术阅图，所以要校对曲率；将一个10mm*10mm*10mm的立方体玻璃体作为样品进行双目显微镜成像和OCT成像；以双目显微镜成像获得图像的曲率数值为依据去校准两个OCT子模块获得图像的曲率数值；

S5，开始成像。

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