CN1162249A - 眼动感知方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用非侵入方式用来感知眼睛运动，例如快速眼动的方法和系统。一个光学传递装置(105)将一个激光束脉冲(104)转化成多个光斑(21-24)。当斑被聚焦，这样，它们恰好在一个边界(42)上的多个相应位置上，边界的运动和眼睛运动吻合。这个边界可以由两个反射率不同的可见的相邻面确定。能量从位于接收光斑的边界上的每个位置反射。一个光学接收装置(156)探测从每个位置反射的能量。在一个或多个点反射能量的变化可说明眼睛的运动。

Description

眼动感知方法和系统

发明领域

本发明主要涉及到眼科激光手术，更具体地，涉及到用于眼科判别、诊断和手术过程的眼动感知方法和系统。

发明背景

眼科判别、诊断以及/或手术过程涉及到各种设备，例如倍频红外激光器、固体激光器、射频能源以及超声系统，只例举了一些。在每一个这样的系统/过程中，感知和/或控制眼睛的位置和运动是十分关键的。

例如，光折射角膜切除(photorefractive keratectomy，PRK)是一种用于通过调整角膜曲率，实现激光校正眼睛聚焦不足的方法。PRK区别于传统眼科手术中以激光器为基础的器件使用，例如，组织切除和热力联接。PRK通常使用193纳米波长的准分子激光束，在光分解的处理中切除掉一些角膜组织。这方面大多数的临床工作，用光通量约120-195mJ/cm²及大约5-10Hz的脉冲重复率的激光器完成。这个过程被称作“角膜塑造(corneal culpting)。

在角膜塑造之前，上皮或角膜的外层被机械地移开以露出基质前表面的鲍曼氏膜。这时，在鲍曼氏膜上的激光切除可以开始了，在这一过程中优选使用准分子激光束。在根据重塑前面基质的需要，按不同深度切除角膜组织的切除过程中，光束采用不同的遮蔽。之后，上皮很快重新生长，并在重塑区域重新形成表面，以产生光学上正确(或大至接近这样)的角膜。在一些情况下，角膜的表面片被折叠在一边，并将暴露的角膜基质表面切割成理想的表面形状，角膜片然后复位。

光学疗法角膜切除(PTK)是一个包括和PRK所需设备功能相同的设备的过程。除了重塑角膜，PTK过程和PRK的区别在于，PTK使用准分子激光束治疗由疾病引起的表面角膜营养不良，这种情况一般要求角膜移植。

在这两个过程中，由于眼睛位置误差：包括在眼睛和手术激光器之间原始对中误差以及/或由无意(快速)眼动，头部运动或手术设备运动引起的随之而来的运动引起的手术误差，可能降低手术的屈光效果。运动或位置的误差是很重要的，因为治疗激光器的效率依赖于它会集在病的理论视轴上，视轴实际上大约是病人瞳孔的中心。然而，部分由于有后效的眼动及被称作快速眼动的无意眼动，这个视轴是很难确定的。快速眼动是人类视觉固有的高速运动(即持续时间很短，10～20毫秒，并且通常眼球转动最多1°)，并且用来向视网膜提供动态影像。快速眼动尽管振幅很小，但由于心理影响、身体化学、手术灯光条件等因素，病人和病人之间有很大差别。

解决眼位置误差的一个方法是通过使用抓握装置或吸环在手术中物理上固定病人的眼睛以尽量减小它。然而，吸环的侵入会扭曲眼睛的形状，这样会影响手术的精确性。另外，由于吸环通常由外科医生抓握，外科医生低频但是大幅度的手部运动，会成为影响手术精确性的因素。

解决眼位置误差的另一个方法是用非侵入的方法感知眼睛的位置。在现有技术中已知的一种感知技术/系统是第一和第四Purkinje反射跟踪器。第一和第四Purkinje反射指的是基于第一Purkinje像和第四Purkinje像的图象，第一Purkinje是角膜前表面反射成像，第四Purkinje像是眼睛晶状体后的反射像的成像。这种技术/系统可以用来跟踪眼睛的x-y位置。然而，对于特定的角膜塑造手术过程，第一Purkinje表面被切除了，这样，这种技术/系统对于角膜塑造手术是无效的。

发明概述

因此，本发明的一个目的是提供一种用于感知眼睛位置和运动的方法及系统。

本发明的另一个目的是提供一种非侵入方式的感知眼睛位置和运动的方法和系统。

另外，本发明的另一个目的的是提供一种感知眼睛快速运动的方法和系统。

本发明进一步的目的是提供一种感知眼睛位置和运动的方法和系统作为包括角膜塑造过程的眼科手术的工具。

本发明的另一个目的是提供一种感知眼睛位置和运动的方法和系统，使得在手术中眼睛是安全的。

在说明书和附图之后，本发明其他目的和优点会变得更加明显。

按照本发明，提供了一种方法和系统来感知眼睛的运动。光源产生在近红外900纳米波长范围内的调制光束。光学传送装置将每个激光调制脉冲转化成多个光斑。光斑被聚焦，这样它们刚好处于一个边界上相应的多个位置上，边界的运动和眼睛运动一致。边界可以由两个不同折射率的可见相邻平面确定。边界可以是自然产生的边界(例如，虹膜/瞳孔边界或虹膜/巩膜边界)或是一个人工边界(例如，画的、印在或放在眼睛上的墨水环，或一个固定在眼睛上的反射率增强片)。能量被接收光斑的边界上的每个位置反射。光学接收装置探测从每个位置反射的能量。一个或多个位置反射能量的变化可说明眼睛的运动。

图1A是根据本发明的眼睛的平面图，有四个光斑位于眼睛虹膜/瞳孔边界上；

图1B是眼睛的平面图，四个光斑在眼睛虹膜/巩膜的边界上；

图1C是眼睛的平面图，墨水圈固定在眼睛的虹膜/巩膜边界上，同时四个光斑放置在墨水圈/巩膜边界上；

图1D是眼睛的平面图，双墨水圈固定在眼睛的巩膜上，同时四个光斑位于双墨水圈的内墨水圈和外墨水圈之间的边界上；

图1E是眼睛的平面图，有一个反射增强片固定在上面，并且有四个光斑放在眼睛和该片之间的边界上；

图2是依据本发明的优选实施方案的眼动感知系统的框图；

图3是图2中光纤束装置的截面图；

图4是用于本发明的传送部分聚焦光路的优选实施方案光学装置的框图；

图5是图2中所示典型多路峰值电路的方框图。

发明详述

现在参照附图，特别是图1A-1E，给出了人眼的平面图，并通常用数字10表示。这个平面视图中，眼睛10包括了3个可见相邻平面，称为巩膜或“眼白”11，虹膜12以及瞳孔13。每个巩膜11，虹膜12，以及瞳孔13有各自的反射率。

本发明的方法基于优选使用4个光斑，由圆圈21、22、23、24表示。如图示，光斑21和23位于轴25上，而光斑22和24位于轴26上。轴25和轴26彼此垂直。光斑21、22、23和24被聚焦并放置在如图1A所示的虹膜/瞳孔的边界14上，或如图1B所示的虹膜/巩膜边界15上。另外，人工边界也可以使用。例如，如图1C所示，墨水环16也可以放置在虹膜/巩膜边界15处，产生一个墨水环/巩膜边界17，可以替代或增强边缘15和巩膜11之间的反射率差。一种通常在眼科手术中做标记的墨水是龙胆紫墨水，例如，商品名为“Visitec”的墨水。如图1D所示，双墨水圈18可被放在巩膜11上，包括有第一反射率的内墨水环18a以及具有第二反射率的外墨水环18b。光斑21、22、23和24放置在墨水环18a和18b之间的边界18c上的垂直轴25、26上。另一种方法在图1E中说明，其中圆形反射增强片19固定在眼睛10的某个部分上(例如，巩膜11)并且光斑21、22、23和24放在通过增强片19的中心的相互垂直的轴25、26上。

在每种情况下，工作原理是相同的。四个光斑、21、22、23和24能量相等，并且基本平均地放在感兴趣的圆形边界上。这种布置可以感知以下面方式的两轴运动。在相应的边界上，每个光斑21、22、23和24在其位置上引起特定量的反射。由于相应边界的运动和眼睛运动一致，光斑21、22、23和24的反射的量随着眼睛运动发生变化。将四个光斑均匀地放置在圆形几何边界上，通过相邻光斑反射量的变化，水平或垂直方向眼睛的运动被探测。例如，眼睛的水平运动可以通过比较光斑21、24的反射量的和与光斑22、23的反射量的和监视。类似地眼睛的垂直运动可以通过比较光斑21和22的反射量的和与光斑23、24的反射量的和监视。

对于图1A-1E中所示的所有情况，以上描述的方法是完全相同的，以下的说明将集中在使用虹膜/瞳孔边界14的图1A的实施方案上。使用虹膜/瞳孔边界14是优选的，因为它是自然发生的，并且它代表了最大的反射特性对比。其主要的原因在于瞳孔13沿入射路径直接反射光线而虹膜12反射的光线是发散的。注意到巩膜11和墨水圈16也发散地反射光线，同时巩膜11比虹膜12或墨水圈16的反射更发散。因此，巩膜11和虹膜12结合使用(即虹膜/巩膜边界15)并且墨水圈16可以用来代替或增强虹膜/巩膜边界15。

基于本发明是用于眼科手术过程中的事实，光斑21、22、23和24的波长和能量必须加以考虑。光斑最好在可见光谱范围之外，这样不会干扰或阻碍医生对进行手术的眼睛的观察。另外，光斑必须是“对眼安全的”以符合美国国家标准协会(ANSI)安全标准。有许多光波长满足以上的要求，例如，光斑21、22、23和24在近红外900纳米波长范围内。在这个范围内的光线符合所述的标准，并且是可以用方便可用的、经济上可以负担的光源提供。一种这样的光源是工作在4KHz频率下、高脉冲重复率、905纳米GaAs激光器，它在50纳秒脉冲期内产生10纳焦耳能量，这按ANSI定义是对眼睛安全的脉冲。

光斑21、22、23、24的大小根据感兴趣的边界而不同。例如，用在虹膜/瞳孔边界14上的光斑大小为1毫米，而用于虹膜/巩膜边界15上的光斑大小为2毫米。然而，应理解光斑的大小不是固定的，并可以实际根据病人和照明背景的不同而变化。

用于实现本发明的方法的一个优选实施方案系统，通常用数字100表示，将借助于图2中的框图进行说明。系统100可以被分为传送部分和接收部分。实际上，如上所述，传送部分将光斑21、22、23和24投射到眼睛10上，而接收部分监视光斑21、22、23和24引起的反射。

传送部分包括一个905纳米脉冲激光二极管102，将光通过光纤104传送到光纤组件105上，它将从激光器102送来的每个脉冲分束并延迟形成优选的四个等能量脉冲。组件105包括一到四光学分束器106将四个能量相等的脉冲送入光纤108、110、112、114。这些光学分束器是可以买到的(例如Cansta出品的HLS2×4型和E-Tek Dynamics出品的MMSC-0404-0850-A-H-1型)。为了用单个处理器处理光纤108、110、112和114传输的每个脉冲引起的反射，每个脉冲用相应的光纤延迟线(或光学调制器)109、111、113和115进行专门的调制。例如，延迟线109引起的延迟为0，即DELAY＝0X，其中X是延迟增量，延迟线111引起的延迟为X，即DELAY＝1X，等。

脉冲重复频率和延迟增量X是可选择的，这样，系统100的数据率比所感兴趣的运动的速度快。涉及到快速眼动，系统100的数据率至少要几百赫兹。例如，通过1)选择小但是足够的X的值，使处理器160可以操作数据(例如，160纳秒)，以及2)选择激光器102脉冲间的时间为250微秒(即激光器102的脉冲率为4KHz)，可以实现4KHz的系统数据率。

四个等能量脉冲通过形成光纤束123的光纤116、118、120和122离开组件105，光纤束123中光纤116、118、120，122的中心的连线形成一个方形(虚线)，每个光纤的中心占一个角，如图3中的截面图所示。为了清楚起见，许多光纤束123的公知的结构特性(例如，光纤的包层，垫层，隔离器等)被省略了。

从组件105来的光线通过一个光学偏振器124，除去光线中垂直的部分，输出箭头126表明的水平偏振光线。水平偏振光束126进入聚焦光路130，在这里光束126的间隙根据感兴趣的边界进行调整。另外，可提供变焦能力以调整由光斑21、22、23和24组成图形的大小。这种能力使系统100可以适应不同的病人，边界等。

许多光学排列可以作为聚焦光路130，图4中的例子说明了一种这样的装置。在图4中，光纤束123放在显微镜物镜1302的工作距离上。显微镜物镜1302的数值孔径应选为和光纤116，118，120和122的数值孔径相等。显微镜物镜1302放大并准直入射的光线。变焦透镜1304为进一步的调整提供附加的放大因子。准直透镜1306的焦距等于它到变焦透镜1304的像的距离，这样它的输出被准直了。成象透镜1308的焦距是到眼睛的距离，这样，成象透镜1308使光线在眼睛的角膜表面聚焦成四个清晰的光斑。

再次参照图2，偏振光束分束器140接收从聚焦光路130来的水平偏振光束126。在现有技术中，偏振分束器是公知的。例如，分束器140是Newport-klinger制造的10FC16PB.5型。分束器140设计成只传送水平偏振光，并且反射垂直偏振光。因此，分束器140只传送箭头142标明的水平偏振光束126。这样，只有水平偏振光进入眼睛10形成光斑21、22、23和24。眼睛10反射后，光线能量被解偏(即，它包括水平和垂直偏振成分)，如交叉的箭头150所示。反射光线中的垂直部分如箭头152所示传输/反射。这样，分束器140可从反射光能量中分离传输光线能量，以进行精确测量。

光斑21、22、23和24反射光线的垂直偏振部分，通过聚焦透镜154成像在红外探测器156上。探测器156将它的信号送入多路复用峰值探测电路158，它实际上是一个峰值采样和保持电路，在现有技术中有许多种。电路158设计为根据激光器102的脉冲重复频率和延迟X对探测器156采样(并保持峰值)。例如，如果激光器102的脉冲重复频率为4KHz，电路158每250毫秒收集光斑21、22、23和24的反射。

例如，红外探测器156是EG&G出品的C30916E型雪崩光电二极管。一个典型的时分多路复用峰值电路158在图5中的框图中进行了更详细的说明。探测器156的探测输出信号输入到四个峰值保持电路1581、1582、1583和1584。对于给定的传输激光脉冲，探测器输出通过相应光延迟线109、111、113、115的延迟，包括四个时间上分开的脉冲。这四个时间分开的脉冲被馈送到峰值保持电路1581、1582、1583和1584。和激光器启动命令同步，输入使能信号也被馈送到峰值和保持电路。每个峰值保持电路的使能信号经过延迟电路1585、1586、1587和1588延迟，该延迟与延迟线109、111、113和115的延迟对应，使四个脉冲的每一个都输入到峰值保持电路。例如，延迟电路1585产生相应于延迟线109的零时间延迟，延迟电路1586产生相应于延迟线111的时间延迟X，等等。这样，相应于一组四个光斑的反射能量被收集，同时探测信号均被四个峰值保持电路1581、1582、1583和1583得到。这时，输出多路复用器1589读出每个峰值保持电路保持的值，并顺序地输入到处理器160。

送到处理器160上的与每组四个光斑反射能量对应的值(即激光器102的每个脉冲)可以用于确定眼睛运动的水平和垂直分量，例如，用R21、R22、R23、R24分别代表一组光斑21、22、23和24反射光的被探测量。水平运动的量可以直接从归一化关系(1)确定， $\frac{(R21+R24)-(R22+R23)}{R21+R22+R23+R24}----\left(1\right)$ 而垂直运动的量可以直接由归一化关系(2)确定。 $\frac{(R21+R22)-(R32+R24)}{R21+R22+R23+R24}----\left(2\right)$

注意归一化(即，被R21+R22+R23+R24除)减少了信号强度变化的影响。

一旦经过处理，表明眼睛运动(或缺少运动)的反射量差可以用于很多方面。例如，过量的眼睛运动量可以用来触发报警器170。另外，反射量差可以作为跟踪伺服系统172的反馈控制，用于切除激光器的定位。更进一步，反射量差可以显示在显示器174上用于监视或教学的目的。

本发明的优点是很多的，眼动可以用非侵入的方法和装置感知。本发明在不同的眼科手术过程中有很多用途，且对眼睛没有破坏性的影响或干扰医生的视线。另外，感知快速眼动所需的数据率可以很容易并且很经济地得到。

虽然，本发明用一个具体的实施方案说明，有很多变化和调整在所述指导下对本领域技术人员而言，是显而易见的。可以理解的是，在随后的权利要求范围内，本发明可以用不同于具体描述的方法实施。

新的、期望受美国专利保护的权利要求是：

Claims (40)

1.一种感知眼动的方法，包括步骤：

将多个光斑聚焦在一个边界上相应的多个位置上，边界的运动和所述眼睛的运动一致。所述边界由反射率不同的两个视觉上相邻的平面确定，其中能量从每一个所述多个位置反射；和

监视从每个所述多个位置反射的能量，其中在一个或多个所述位置上所述反射能量的变化可以说明眼睛的运动。

2.根据权利要求1的方法，其中所述边界环绕着眼睛的视轴。

3.根据权利要求1的一种方法，其中所述边界是自然产生的。

4.根据权利要求1的一种方法，其中所述边界是虹膜/瞳孔边界。

5.根据权利要求1的一种方法，其中所述边界是虹膜/巩膜边界。

6.依据权利要求2的一种方法，其中所述两个视觉上相邻的平面中至少有一个是人造的，并且还包括将所述两个视觉上相邻的平面中所述至少一个平面放置在环绕所述眼睛视轴的位置上的步骤。

7.根据权利要求6的一种方法，其中所述放置步骤包括将所述两个视觉上相邻的平面中所述至少一个平面固定在所述眼睛上的步骤。

8.根据权利要求6的一种方法，其中所述两个视觉上相邻的平面中所述至少一个平面是圆形的，并且所述放置步骤包括将所述两个视觉上相邻平面的所述至少一个平面的中心基本上放在所述眼睛视轴上的步骤。

9.根据权利要求1的一种方法，其中所述两个视觉上相邻平面之一是反射增强片，还包括将所述反射增强片固定在所述眼睛上的步骤。

10.根据权利要求1的方法，其中每个所述多个光斑都选择对眼安全的波长。

11.根据权利要求1的一种方法，其中，每个所述多个光斑都选择在可见光谱外的波长。

12.根据权利要求1的一种方法，其中每个所述多个光斑都选择大约900纳米的波长。

13.根据权利要求12的一种方法，其中所述波长是905纳米。

14.根据权利要求1的一种方法，其中所述多个光斑包括四个光斑。

15.根据权利要求14的一种方法，其中所述边界是圆形的，并且所述四个光斑大致均匀地放在圆形边界上。

16.根据权利要求15的一种方法，其中所述监视步骤包括合并从所述四个光斑相邻的对的所述反射能量，以探测在两个相互垂直的轴上的眼睛的运动的步骤，其中所述两个相互垂直的轴均穿过所述圆形边界的中心。

17.用于感知眼睛运动的一种系统，包括：

传送光路，用于将多个光斑聚焦在边界上的相应多个位置上，边界的运动和所述眼睛运动一致，所述边界由反射率不同的两个视觉上相邻的表面确定，其中能量从每个所述位置反射；和

接收光路，用于探测从每个所述多个位置反射的能量。其中在一个或多个所述位置所述反射能量的变化可以说明眼睛的运动。

18.根据权利要求17的系统，其中所述传送光路包括一个光源，用于产生对眼睛安全的光能量，所述光能量用来产生所述多个光斑。

19.根据权利要求17的系统，其中所述传送光路包括一个光源，用于产生在可见光谱之外的光能量，所述光能量用以产生所述多个光斑。

20.根据权利要求17的系统，其中所述传送光路包括一个大约900纳米波长的光源，用于产生光能量，所述光能量用来产生所述多个光斑。

21.根据权利要求20的系统，其中所述光源是905纳米波长的光源。

22.根据权利要求17的系统，其中所述边界的圆形的，并且所述多个光斑包括四个光斑，所述传送光路包括将所述四个光斑大致均匀地放在圆形边界上的装置。

23.根据权利要求22的系统，还包括一个处理器，用于处理从所述四个光斑的相邻光斑对反射的能量，以探测在两个垂直的轴上的眼睛运动，其中每个所述垂直的轴均通过所述圆形边界中心。

24.一种用于感知眼睛运动的系统，包括：

一个光源，用于产生脉冲光束；

一个光学传送装置，将每个所述脉冲光束的脉冲转化成多个光斑，并且用于将所述多个光斑聚焦在位于一个边界上的相应的多个位置上，边界的运动和眼睛的运动一致，所述边界由两个反射率不同的视觉上相邻的平面确定，其中能量由每一个所述多个位置反射；和

一个光学接收装置，用于探测从每一个所述多个位置上反射的能量，其中，在一个或多个所述位置上的所述反射能量的变化表明了眼睛的运动。

25.根据权利要求24的系统，其中每个所述多个光斑的波长大约是900纳米。

26.根据权利要求25的系统，其中所述波长是905纳米。

27.根据权利要求24的系统，其中所述光学传送装置包括：

一个光学分束器，用于将每个所述脉冲转化成多个等能量脉冲；

延迟装置，用于在每个所述多个等能量脉冲中引入时间延迟；和

聚焦光路，用于将通过所述延迟装置的每个所述多个等能量脉冲聚焦，形成相应的所述多个光斑之一。

28.根据权利要求27的系统，其中所述延迟装置包括光纤延迟线。

29.根据权利要求24的系统，其中所述光学传送装置包括变焦光路，用于调整由所述在相应多个位置上的多个光斑形成的图形大小。

30.根据权利要求27的系统，还包括用于对通过所述延迟装置的每个所述多个等能量脉冲偏振，使之成为水平偏振成分的装置，所述聚焦光路包括一个偏振光束分束器，只传送通过所述延迟装置的每个所述多个等能量脉冲的水平偏振部分，以形成所述多个光斑。

31.根据权利要求30的系统，其中每个所述多个位置的所述反射能量是垂直和水平偏振的，所述光学接收装置包括：

所述偏振光束分束器，用于传送和水平偏振的所述反射能量分开的垂直偏振的所述反射能量。

能量探测光路，用于测量垂直偏振的所述反射能量。

32.根据权利要求31的系统，其中每个所述多个光斑有大约900纳米的波长，并且其中所述能量探测光路包括红外探测器。

33.根据权利要求32的系统，其中所述波长为905纳米。

34.根据权利要求24的系统，其中所述光源包括一个光源，并且其中所述光学传送装置包括一个一到四光学分束器，这样所述多个光斑包括四个光斑。

35.根据权利要求34的系统，其中每个所述四个光斑的波长大约为900纳米。

36.根据权利要求35的系统，其中所述波长为905纳米。

37.根据权利要求34的系统，其中所述边界是圆形的，并且所述光学传送装置包括使所述四个光斑大致均匀分布在所述圆形边界上的装置。

38.根据权利要求37的系统，其中每个所述四个光斑的波长大约为900纳米。

39.根据权利要求38的系统，其中所述波长为905纳米。

40.根据权利要求37的系统，还包括一个处理器，用于处理从所述四个光斑的相邻对反射的能量，以探测在两个垂直轴的每一个轴上的眼睛运动，两个相互垂直的轴均通过所述圆形边界的中心。

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