DE112019006884T5 - Method for making an automated seamless major corneal incision - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung eines automatisierten nahtlosen Hornhauthauptschnitts, umfassend einen Maschinenbedienarm und ein an dem Maschinenbedienarm installiertes Skalpell. Die dreidimensionalen Koordinaten des Skalpells im Auge und die Position der Iris werden durch das Mikroskopkamerasystem berechnet. Der Schnittweg der Bewegung des Maschinenbedienarms ist so eingestellt, dass der Maschinenbedienarm ein Skalpell entlang des Schnittwegs trägt, um die Hornhauthauptschnittoperation automatisch abzuschließen, wodurch das Verfahren zur Durchführung eines vollautomatischen Hornhautschnitts mit einem Skalpell realisiert wird und die durch ungenaue manuelle Bedienung verursachte Verletzung der Wundvergrößerung sowie andere durch den Laser verursachte Verletzungen der Hornhautschicht vermieden werden.The present invention relates to a method for performing an automated, seamless corneal incision, comprising a machine operating arm and a scalpel installed on the machine operating arm. The three-dimensional coordinates of the scalpel in the eye and the position of the iris are calculated by the microscope camera system. The cutting path of the movement of the machine operating arm is set in such a way that the machine operating arm carries a scalpel along the cutting path in order to automatically complete the corneal main incision operation, whereby the method for performing a fully automatic corneal incision with a scalpel is realized and the injury to the wound enlargement caused by inaccurate manual operation as well other injuries to the corneal layer caused by the laser are avoided.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der automatisierten Chirurgie und insbesondere auf ein Verfahren zur Durchführung eines automatisierten nahtlosen Hornhauthauptschnitts.The present invention relates to the field of automated surgery and, more particularly, to a method for making an automated seamless major corneal incision.
Stand der TechnikState of the art
Der erste Schritt einer Kataraktoperation besteht darin, einen Hornhauthauptschnitt in der Hornhautschicht des Auges des Patienten vorzunehmen. Das bestehende Verfahren wird hauptsächlich von Ärzten manuell mit Hilfe von Instrumenten durchgeführt. Aber verschiedene Ärzte sind bei jeder Operation für verschiedene Patienten unterschiedlich. Die Qualität des Hauptschnittes hängt von der Technik und dem Zustand des Chefarztes ab. Bei der Durchführung eines nahtlosen Hauptschnitts kann es jedoch aufgrund der erforderlichen hohen Präzision bei der manuellen Operation leicht zu Verletzungen des Schnitts kommen.The first step in cataract surgery is to make a major corneal incision in the corneal layer of the patient's eye. The existing procedure is mainly performed by doctors manually with the help of instruments. But different doctors are different in every operation for different patients. The quality of the main cut depends on the technique and the condition of the chief doctor. However, when making a seamless main incision, it is easy to injure the incision due to the high precision required in manual surgery.
Die Offenbarung mit der Veröffentlichungsnummer
Inhalt der vorliegenden ErfindungContent of the present invention
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die obigen technischen Probleme zumindest bis zu einem gewissen Grad zu lösen und ein Verfahren zur Durchführung eines automatisierten nahtlosen Hornhauthauptschnitts bereitzustellen, wodurch zusätzliche Schäden bei der Hornhautschnittschirurgie vermieden werden.The present invention aims to solve the above technical problems, at least to some extent, and to provide a method for performing an automated, seamless corneal incision, thereby avoiding additional damage during corneal incision surgery.
Um die obigen technischen Probleme zu lösen, besteht die technische Lösung der vorliegenden Erfindung darin, dass Verfahren zur Durchführung eines automatisierten nahtlosen Hornhauthauptschnitts, umfassend einen Maschinenbedienarm und ein an dem Maschinenbedienarm installiertes Skalpell, wobei der Maschinenbedienarm eine Klemmvorrichtung zum Klemmen des Skalpells und einen Antriebsarm zum Antreiben der Klemmvorrichtung zum Schwingen umfasst, wobei der Antriebsarm mit einem ersten Linearmotor und einem zweiten Linearmotor versehen ist, wobei die Klemmvorrichtung mit einem dritten Linearmotor versehen ist, wobei es die folgenden Schritte umfasst:
- Schritt 1: Zwei Bilder werden mit einem Mikroskopkamerasystem mit a mm Vertikalverschiebung aufgenommen;
- Schritt 2: Jedes Bild wird vorverarbeitet, in ein Bild mit einem Grauwert umgewandelt, und das erste Bild wird einer Eckpunktdetektion unterzogen, um eine Vielzahl von Kandidateneckpunkten zu erhalten, und die Koordinaten der Eckpunkte werden erhalten;
- Schritt 3: Eine Vielzahl von Eckpunkten ist zentriert und Rj ist der Radius, um schwarze und weiße Punkte relativ zu den Eckpunkten zu ermitteln, und der schwarze Punkt befindet sich in dem weißen Pixelbereich des Eckpunkts und der weiße Punkt befindet sich in dem schwarzen Pixelbereich des Eckpunkts, und die Pixelgraustufe des schwarzen Punkts ist < 0,5 und die Pixelgraustufe des weißen Punkts ist > 0,5, dann ist der Eckpunkt der Skalpellpunkt P'i, und die Berechnungsformel für die Position des schwarzen Punkts und des weißen Punkts ist wie folgt:
- Step 1: Two images are recorded with a microscope camera system with a mm vertical displacement;
- Step 2: Each image is preprocessed, converted into an image having a gray value, and the first image is subjected to corner point detection to obtain a plurality of candidate corner points, and the coordinates of the corner points are obtained;
- Step 3: A plurality of corner points are centered and R j is the radius to find black and white points relative to the corner points, and the black point is in the white pixel area of the corner point and the white point is in the black pixel area the vertex and pixel gray level of the black dot is <0.5 and the pixel gray level of the white point is> 0.5, is the cornerstone of the scalpel point P 'i, and the formula for calculating the position of the black point and the white point is as follows:
Dabei sind Xblacki und Yblacki die Koordinatenwerte des schwarzen Punkts, Xwhitei und Ywhitei sind die Koordinatenwerte des weißen Punkts, Xj und Yj sind die jeweiligen Koordinaten aller Pixel im Bereich des Eckpunkts als Mittelpunkt und Rj als Radius, I ist der Grauwert des Punkts, range ist der Maximalwert des ausgewählten Radius und Xi und Yi sind die Koordinatenwerte des Skalpellpunkts P'i;
- Schritt 4: Das P'i des ersten Bildes wird an das zweite Bild angepasst, um einen Pixelabstand zwischen den Anpassungspunkten P''i, P'i und P''i zu erhalten;
- Schritt 5: Die Formel zur Berechnung der Tiefe des Skalpellpunkts lautet wie folgt:
- Step 4: The P ' i of the first image is matched to the second image in order to obtain a pixel spacing between the matching points P'' i , P' i and P ''i;
- Step 5: The formula for calculating the depth of the scalpel point is as follows:
Dabei ist r der Abstand zwischen dem Skalpellpunkt P'und dem Vergrößerungszentrum des Mikroskops, und Δr ist der Pixelabstand zwischen P'i und P''i, der als Parallaxe bezeichnet wird;
- Schritt 6: Die Position und die relative Tiefe des Skalpells werden gemäß der Berechnung erhalten, und die Position der Iris wird ermittelt und die Schnittsposition wird an dem Punkt am Rand der Iris positioniert, der der Pupillenmitte am nächsten liegt;
- Schritt 7: Das standardmäßige nahtlose Hornhauthauptschnitt wird als lose Z-Form definiert, und der Maschinenbedienarm steuert die Bewegung des Skalpells entlang des eingestellten Schnittwegs.
- Step 6: The position and the relative depth of the scalpel are obtained according to the calculation, and the position of the iris is found and the cutting position is positioned at the point on the edge of the iris which is closest to the pupil center;
- Step 7: The standard seamless corneal main cut is defined as a loose Z-shape and the machine operator controls the movement of the scalpel along the set cutting path.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt 4 das Anpassungsverfahren darin besteht, einen P'i-zentrierten Basispunktblockbereich in P'i einzurichten, einen anderen Punkt als P'i als einen benachbarten Punkt zu definieren und die Tiefe jedes benachbarten Punkts relativ zu P'i zu definieren, wobei die dem zweiten Bild entsprechenden Anpassungspunkte durch Anpassen aller Basispunkte des Blockbereichs berechnet werden, wobei der Anpassungspunkt und die entsprechende Parallaxe durch Auswählen der Parallaxe berechnet werden, die den Wert der Kostenfunktion minimiert, wobei die Formel der Kostenfunktion ist,
Dabei ist P'ij die Pixelposition des entsprechenden Basispunkts, P''ij ist die Pixelposition des entsprechenden Anpassungspunkts, Iz ist der Grauwert jedes Pixels in dem ersten Bild, Iz-a ist der Grauwert jedes Pixels in dem zweiten Bild, Iz(P'ij) ist der Grauwert von P'ij und Iz-a(P''ij) ist der Grauwert von P''ij.P ' ij is the pixel position of the corresponding base point, P'' ij is the pixel position of the corresponding adjustment point, I z is the gray value of each pixel in the first image, I za is the gray value of each pixel in the second image, I z (P ' ij ) is the gray value of P' ij and I za (P '' ij ) is the gray value of P '' ij .
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Überprüfungsschritt zwischen Schritt 4 und Schritt 5 vorgesehen ist, und wenn die Position des entsprechenden Anpassungspunkts P''ij in einer Vielzahl von zweiten Bildern relativ zu P''i mit der Position des benachbarten Punkts relativ zu P'i übereinstimmt, ist die Überprüfung erfolgreich (dabei ist P'ij der Feldpunkt, P''ij ist der Anpassungspunkt des Feldpunkts, P'i ist der Mittelpunkt und P'i ist der Anpassungspunkt des Mittelpunkts); Ein Punkt wird Mitte P'i hinzugefügt, die Gesamtzahl der Stimmen beträgt 8 (8 Feldpunkte) und 4 oder mehr Stimmen (einschließlich 4 Stimmen) gelten als erfolgreiche Anpassung; Andernfalls wird ein Basispunktblockbereich um jeden benachbarten Punkt herum eingerichtet, die Berechnungsformel in Schritt 4 wird erneut ausgeführt, der Anpassungspunkt und die entsprechende Parallaxe werden erneut berechnet, und die Abstimmung wird ausgeführt, und die erste Person mit mehr als 4 Stimmen wird als Gewinner angesehen. Mehr als die Hälfte der Anpassungspunkte haben die gleiche relative Position zu den benachbarten Punkten, wodurch die Situation vermieden wird, dass P'i ein Rauschpunkt ist, um die Korrektheit des Skalpellpunkts zu verbessern.It is preferably provided that a checking step is provided between
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der erste erfolgreiche benachbarte Überprüfungspunkt als der neue Punkt P'i definiert ist, und andere benachbarte Punkte und nicht erfolgreiche Überprüfungspunkte werden verworfen, und dann wird der verbleibende Anpassungspunkt P''ik im zweiten Bild als Basispunkt zur Anpassung mit dem ersten Bild verwendet, um den Überprüfungspunkt zu erhalten, und wenn der Überprüfungspunkt mit der Position des Basispunkts übereinstimmt, ist die Anpassung erfolgreich, andernfalls wird der Überprüfungsschritt erneut durchgeführt. Die Korrektheit der Anpassung wird durch Umdrehen der Anpassungsrichtung erneut überprüft, um die Genauigkeit des Skalpellpunkts zu verbessern.Preferably, it is provided that the first successful adjacent check point as the new point P 'i is defined, and other adjacent points and unsuccessful verification points are discarded and then the remaining adjustment point P''ik in the second image as a base point for matching with the first image is used to get the verification point, and if the verification point coincides with the position of the base point, the adjustment is successful, otherwise the verification step is performed again. The correctness of the adjustment is checked again by reversing the adjustment direction in order to improve the accuracy of the scalpel point.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Interpolationsoptimierungsberechnung an der Tiefenberechnungsformel des Skalpellpunkts in Schritt 5 durchgeführt wird. Die Berechnung der Tiefe wird durch Interpolationsoptimierungsberechnung genauer gemacht. Jeder P''ik legt zwei Interpolationspunkte entlang der Epipolarlinie Lik fest, nämlich den linken Interpolationspunkt P''ikl bzw. den rechten Interpolationspunkt P''ikr, wobei die Kostenfunktion zur Anpassung des Blockbereichs verwendet wird, um die Kosten C(P'i, Δrikr), C(P'i, Δrikl) und C(P'i, Δrik) zu berechnen, den Interpolationspunkt oder Ursprung der minimalen Kosten zu entfernen und die verbleibenden zwei Punkte zu entfernen, um die endgültige Tiefenformel wie folgt zu erhalten,
Dabei ist Lik die Epipolarlinie und Zkj ist die Tiefe, die P''ik P'ij entspricht;L ik is the epipolar line and Z kj is the depth, the P ik P 'corresponds to ij;
Die Formel zur Berechnung der endgültigen Tiefe:
Dabei ist no die Anzahl von Zkj.Here, n o is the number of Z kj .
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Berechnungsformeln des Interpolationspunkts sind,
Dabei ist P''ik+Li der Wert, bei dem P''ik die Entfernung von Li Pixeln entlang der Epipolarlinie vorwärts bewegt, und P''ik-Li ist der Wert, bei dem P''ik die Entfernung von Li Pixeln entlang der Epipolarlinie rückwärts bewegt.Where P '' ik + Li is the value at which P '' ik moves the distance of Li pixels forward along the epipolar line, and P '' ik-Li is the value where P '' ik is the distance of Li pixels moved backwards along the epipolar line.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Schnittweg wie folgt definiert ist,
- S1: Das Skalpell tritt in die Hornhautschicht ein;
- S2: Das Skalpell wird um 40-50 Grad angehoben, um eine RCM-Bewegung am ersten entfernten Mittelpunkt durchzuführen;
- S3: Das Skalpell bewegt sich vorwärts gemäß dem Winkel in S2, bis es den zweiten entfernten Mittelpunkt erreicht;
- S4: Nach der Durchführung der RCM-Bewegung wird das Skalpell um 40-50 Grad abgesenkt;
- S5: Das Skalpell bewegt sich vorwärts gemäß dem Winkel in S4 weiter, bis es die Hornhautschicht passiert.
- S1: The scalpel enters the corneal layer;
- S2: The scalpel is raised 40-50 degrees to make an RCM move at the first distant center point;
- S3: The scalpel moves forward according to the angle in S2 until it reaches the second distant center;
- S4: After performing the RCM movement, the scalpel is lowered 40-50 degrees;
- S5: The scalpel continues to move forward according to the angle in S4 until it passes the corneal layer.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Skalpell in Schritt 7 eine RCM-Bewegung durchführt, die Position des RCM-Punkts festgelegt ist, und die Steuerstrategieformel des RCM-Punkts wie folgt ist,
Dabei ist xR die X-Achsen-Koordinatenposition des RCM-Punkts; yR ist die Y-Achsen-Koordinatenposition des RCM-Punkts; L1 ist die lineare Verschiebung des ersten Linearmotors; L2 ist die lineare Verschiebung des zweiten Linearmotors; Ltool ist der Abstand zwischen der Klemmvorrichtung und der Spitze des Skalpells; L3 ist die lineare Verschiebung des dritten Linearmotors; φ ist der Winkel zwischen der Oberfläche des Skalpells und dem Verbindungsende der Klemmvorrichtung; ϑ ist der Winkel zwischen der Oberfläche des Skalpells und der horizontalen Ebene; Lo ist die Länge der Oberfläche des Skalpells; dm ist der vertikale Abstand vom dritten Linearmotor zur horizontalen Achse des ersten Linearmotors oder des zweiten Linearmotors.Where x R is the X-axis coordinate position of the RCM point; y R is the Y-axis coordinate position of the RCM point; L 1 is the linear displacement of the first linear motor; L 2 is the linear displacement of the second linear motor; L tool is the distance between the clamp and the tip of the scalpel; L 3 is the linear displacement of the third linear motor; φ is the angle between the surface of the scalpel and the connecting end of the clamp; ϑ is the angle between the surface of the scalpel and the horizontal plane; L o is the length of the surface of the scalpel; dm is the vertical distance from the third linear motor to the horizontal axis of the first linear motor or the second linear motor.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich das Skalpell um den RCM-Punkt dreht und die Winkeländerungstrajektorie von
Dabei h der lineare Abstand zwischen dem ersten Linearmotor und dem zweiten Linearmotor ist.Where h is the linear distance between the first linear motor and the second linear motor.
Das Skalpell berechnet die Bewegungstrajektorie des ersten Linearmotors, des zweiten Linearmotors und des dritten Linearmotors gemäß der Koordinatensteuerstrategie des RCM-Punkts während der Bewegung und Drehung. Gleichzeitig wird beim Bewegen auch die Bewegungstrajektorie des ersten Linearmotors, des zweiten Linearmotors und des dritten Linearmotors gemäß der Formel berechnet, um den Effekt der Steuerung der Bewegung des Skalpells zu erreichen.The scalpel calculates the movement trajectory of the first linear motor, the second linear motor, and the third linear motor according to the coordinate control strategy of the RCM point during the movement and rotation. At the same time, when moving, the movement trajectory of the first linear motor, the second linear motor and the third linear motor is also calculated according to the formula to achieve the effect of controlling the movement of the scalpel.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Steuerverfahren für einen Maschinenbedienarm mit parallelen Reihengelenken darin besteht, dass der erste Linearmotor, der zweite Linearmotor und der dritte Linearmotor die Position von der vorherigen Zielposition zur nächsten Zielposition durch das lineare Interpolationsverfahren definieren und die Schrittgröße zwischen den zwei Zielpositionen einstellen.It is preferably provided that a control method for a machine operating arm with parallel series joints consists in that the first linear motor, the second linear motor and the third linear motor Define the position from the previous target position to the next target position by the linear interpolation method and set the step size between the two target positions.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Position jeder Millisekunde für Zielposition jedes Schritts durch Berechnen des Schnittwegs erhalten wird.It is preferably provided that the position of every millisecond for the target position of each step is obtained by calculating the cutting path.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Mikroskopsystem und der Maschinenbedienarm initialisiert werden, bevor Schritt
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Breite des Schnitts nicht größer als die Breite der Oberfläche des Skalpells ist. Der Maschinenbedienarm steuert die Bewegung des Skalpells nur entlang des Schnittwegs und keine Verschiebung in andere Richtungen erfolgt, wodurch sichergestellt wird, dass die Breite des Schnitts nicht größer als die Breite der Oberfläche des Skalpells ist, um eine Ausdehnung des Schnitts zu vermeiden.It is preferably provided that the width of the cut is not greater than the width of the surface of the scalpel. The machine operator arm controls the movement of the scalpel only along the cutting path and not shifting it in other directions, which ensures that the width of the cut is not greater than the width of the surface of the scalpel in order to prevent the cut from expanding.
Im Vergleich zum Stand der Technik besteht die vorteilhafte Wirkung darin, dass das Verfahren auf einem Maschinenbedienarm und einem Skalpell basiert, wodurch das Verfahren zur Durchführung eines vollautomatischen Hornhautschnitts mit einem Skalpell realisiert wird und die durch ungenaue manuelle Bedienung verursachte Verletzung der Wundvergrößerung sowie andere durch den Laser verursachte Verletzungen der Hornhautschicht vermieden werden.In comparison to the prior art, the advantageous effect is that the method is based on a machine operating arm and a scalpel, whereby the method for performing a fully automatic corneal incision with a scalpel is implemented and the wound enlargement damage caused by inaccurate manual operation and others by the Laser-induced injuries to the corneal layer can be avoided.
FigurenlisteFigure list
-
1 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;1 Figure 3 is a flow diagram of the method of the present invention; -
2 ist ein schematisches Diagramm der Struktur des Maschinenbedienarms;2 Fig. 3 is a schematic diagram of the structure of the machine operating arm; -
3 ist ein schematisches Diagramm des Schnittwegs der vorliegenden Erfindung.3 Figure 3 is a schematic diagram of the cutting path of the present invention.
Bezugszeichen:
- 1.
- Skalpell;
- 2.
- Klemmvorrichtung;
- 3.
- Der erste Linearmotor;
- 4
- Der zweite Linearmotor;
- 5.
- Der dritte Linearmotor;
- 6.
- Hornhautschicht;
- 7.
- Der erste entfernte Mittelpunkt;
- 8.
- Der zweite entfernte Mittelpunkt.
- 1.
- Scalpel;
- 2.
- Clamping device;
- 3.
- The first linear motor;
- 4th
- The second linear motor;
- 5.
- The third linear motor;
- 6th
- Corneal layer;
- 7th
- The first distant center;
- 8th.
- The second distant center.
Ausführliche AusführungsformenDetailed embodiments
Die Zeichnungen dienen nur der beispielhaften Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung zu verstehen. Zur besseren Veranschaulichung der vorliegenden Ausführungsform können bestimmte Teile der Zeichnungen weggelassen, vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, was nicht die Größe des tatsächlichen Produkts darstellt. Für den Fachmann ist es verständlich, dass bestimmte bekannte Strukturen und deren Beschreibungen in den Zeichnungen weggelassen werden können. Die Begriffe, die die Positionsbeziehung in den Zeichnungen beschreiben, werden nur zur beispielhaften Veranschaulichung verwendet und können nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung verstanden werden.The drawings are only used for illustrative purposes and are not to be understood as limiting the present invention. In order to better illustrate the present embodiment, certain parts of the drawings may be omitted, enlarged or reduced that do not represent the size of the actual product. It will be understood by those skilled in the art that certain known structures and their descriptions can be omitted from the drawings. The terms describing the positional relationship in the drawings are used for illustrative purposes only and should not be construed as limiting the present invention.
Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen in den Zeichnungen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entsprechen gleichen oder ähnlichen Teilen. In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass die mit den Begriffen Ober, Unten, Links, Rechts, Lang, Kurz angegebene Azimut- oder Positionsbeziehung auf der in den Zeichnungen dargestellten Azimut- oder Positionsbeziehung beruht. Nur um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung zu erleichtern und die Beschreibung zu vereinfachen, anstatt anzuzeigen oder zu implizieren, dass die genannte Vorrichtung oder Komponente eine bestimmte Ausrichtung haben und in einer bestimmten Ausrichtung konstruiert und betrieben werden muss, werden die Begriffe, die die Positionsbeziehung in den Zeichnungen beschreiben, nur zur beispielhaften Veranschaulichung verwendet und können nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung verstanden werden. Für den gewöhnlichen Fachmann kann die spezifische Bedeutung der obigen Begriffe in der vorliegenden Erfindung von Fall zu Fall verstanden werden.Identical or similar reference symbols in the drawings of embodiments of the present invention correspond to identical or similar parts. In the description of the present invention it is to be understood that the azimuth or positional relationship indicated by the terms upper, lower, left, right, long, short is based on the azimuth or positional relationship illustrated in the drawings. Just to facilitate the description of the present invention and to simplify the description instead of To indicate or imply that said device or component must have a particular orientation and must be designed and operated in a particular orientation, the terms describing the positional relationship in the drawings are used for illustrative purposes only and should not be taken as a limitation on the present Invention to be understood. For those of ordinary skill in the art, the specific meaning of the above terms in the present invention can be understood on a case-by-case basis.
Die technischen Lösungen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden durch spezifische Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen ausführlich beschrieben.The technical solutions of the present invention are described in detail below through specific embodiments in conjunction with the drawings.
Ausführungsform 1
Verfahren zur Durchführung eines automatisierten nahtlosen Hornhauthauptschnitts, umfassend einen Maschinenbedienarm und ein an dem Maschinenbedienarm installiertes Skalpell
- Schritt 1: Zwei Bilder werden mit
einem Mikroskopkamerasystem mit 6 mm Vertikalverschiebung aufgenommen; - Schritt 2: Jedes Bild wird vorverarbeitet, in ein Bild mit einem Grauwert umgewandelt, und das erste Bild wird einer Eckpunktdetektion unterzogen, um eine Vielzahl von Kandidateneckpunkten zu erhalten, und die Koordinaten der Eckpunkte werden erhalten;
- Schritt 3: Eine Vielzahl von Eckpunkten ist zentriert und Rj ist der Radius, um schwarze und weiße Punkte relativ zu den Eckpunkten zu ermitteln, und der schwarze Punkt befindet sich in dem weißen Pixelbereich des Eckpunkts und der weiße Punkt befindet sich in dem schwarzen Pixelbereich des Eckpunkts, und die Pixelgraustufe des schwarzen Punkts ist < 0,5 und die Pixelgraustufe des weißen Punkts ist > 0,5, dann ist der Eckpunkt der Skalpellpunkt P'i, und die Berechnungsformel für die Position des schwarzen Punkts und des weißen Punkts ist wie folgt:
- Step 1: Two images are recorded with a microscope camera system with 6 mm vertical displacement;
- Step 2: Each image is preprocessed, converted into an image having a gray value, and the first image is subjected to corner point detection to obtain a plurality of candidate corner points, and the coordinates of the corner points are obtained;
- Step 3: A plurality of corner points are centered and R j is the radius to find black and white points relative to the corner points, and the black point is in the white pixel area of the corner point and the white point is in the black pixel area the vertex and pixel gray level of the black dot is <0.5 and the pixel gray level of the white point is> 0.5, is the cornerstone of the scalpel point P 'i, and the formula for calculating the position of the black point and the white point is as follows:
Dabei sind Xblacki und Yblacki die Koordinatenwerte des schwarzen Punkts, Xwhitei und Ywhitei sind die Koordinatenwerte des weißen Punkts, Xj und Yj sind die jeweiligen Koordinaten aller Pixel im Bereich des Eckpunkts als Mittelpunkt und Rj als Radius, I ist der Grauwert des Punkts, range ist der Maximalwert des ausgewählten Radius und Xi und Yi sind die Koordinatenwerte des Skalpellpunkts P'i;
- Schritt 4: Das P'i des ersten Bildes wird an das zweite Bild angepasst, um einen Pixelabstand zwischen den Anpassungspunkten P''i, P'i und P''i zu erhalten;
- Schritt 5: Die Formel zur Berechnung der Tiefe des Skalpellpunkts lautet wie folgt:
- Step 4: The P ' i of the first image is matched to the second image in order to obtain a pixel spacing between the matching points P'' i , P' i and P ''i;
- Step 5: The formula for calculating the depth of the scalpel point is as follows:
Dabei ist r der Abstand zwischen dem Skalpellpunkt P' und dem Vergrößerungszentrum des Mikroskops, und Δr ist der Pixelabstand zwischen P'i und P''i, der als Parallaxe bezeichnet wird;
- Schritt 6: Die Position und die relative Tiefe des Skalpells werden gemäß der Berechnung erhalten, und die Position der Iris wird ermittelt und die Schnittsposition wird an dem Punkt am Rand der Iris positioniert, der der Pupillenmitte am nächsten liegt;
- Schritt 7: Das standardmäßige nahtlose Hornhauthauptschnitt wird als lose Z-Form definiert, und der Maschinenbedienarm steuert die Bewegung des Skalpells entlang des eingestellten Schnittwegs und wird wie folgt definiert:
- S1:
Das Skalpell 1 bewegt sich um 5 mm vorwärts und tritt indie Hornhautschicht 6 ein; - S2:
Das Skalpell 1 wird um 45 Grad angehoben, um eine RCM-Bewegung am ersten entfernten Mittelpunkt7 durchzuführen; - S3:
Das Skalpell 1 bewegt sich um 1,5-2 mm vorwärts gemäß dem Winkel in S2, bis es den zweiten entfernten Mittelpunkt8 erreicht; - S4: Nach der Durchführung der RCM-Bewegung
wird das Skalpell 1 um 45 Grad abgesenkt; - S5:
Das Skalpell 1 bewegt sich um 2 mm vorwärts gemäß dem Winkel in S4 weiter, bises die Hornhautschicht 6 passiert.
- S1:
- Step 6: The position and the relative depth of the scalpel are obtained according to the calculation, and the position of the iris is found and the cutting position is positioned at the point on the edge of the iris which is closest to the pupil center;
- Step 7: The standard seamless corneal main cut is defined as a loose Z-shape and the machine operator controls the movement of the scalpel along the set cutting path and is defined as follows:
- S1: The
scalpel 1 moves forward 5 mm and enters the corneal layer6th a; - S2: The
scalpel 1 is raised 45 degrees to make an RCM move at the first distant center point7th perform; - S3: The
scalpel 1 moves forward 1.5-2 mm according to the angle in S2 until it is the second distant center point8th achieved; - S4: After performing the RCM movement, the scalpel becomes
1 lowered by 45 degrees; - S5: The
scalpel 1 moves forward 2 mm according to the angle in S4 until it reaches the corneal layer6th happened.
- S1: The
Funktionsweise der vorliegenden Ausführungsform: Der Skalpellpunkt ist die Position des Skalpells. Die dreidimensionalen Koordinaten des Skalpells werden durch Berechnen der Position des Skalpells und der Tiefe relativ zum Mikroskopsystem erhalten. Gleichzeitig wird das Skalpell auch durch die erhaltenen Positionsinformationen wie Hornhaut und Iris in die Ausgangsposition gebracht. Der Maschinenbedienarm steuert die Bewegung des Skalpells entlang des eingestellten Schnittwegs, um den Schnitt automatisch abzuschließen.How the present embodiment works: The scalpel point is the position of the scalpel. The three-dimensional coordinates of the scalpel are obtained by calculating the position of the scalpel and the depth relative to the microscope system. At the same time, the received position information such as the cornea and iris brings the scalpel into its starting position. The machine operating arm controls the movement of the scalpel along the set cutting path in order to automatically complete the cut.
Das Verfahren basiert auf einem Maschinenbedienarm und einem Skalpell, wodurch das Verfahren zur Durchführung eines vollautomatischen Hornhautschnitts mit einem Skalpell realisiert wird und die durch ungenaue manuelle Bedienung verursachte Verletzung der Wundvergrößerung sowie andere durch den Laser verursachte Verletzungen der Hornhautschicht vermieden werden.The method is based on a machine operating arm and a scalpel, whereby the method for performing a fully automatic corneal incision with a scalpel is implemented and the injury to the wound enlargement caused by inaccurate manual operation and other injuries to the corneal layer caused by the laser are avoided.
Ausführungsform 2
In der vorliegenden Ausführungsform werden ein spezifisches Anpassungsverfahren, ein Überprüfungsverfahren des Anpassungsergebnisses und ein Tiefenberechnungsoptimierungsverfahren basierend auf der Ausführungsform 1 bereitgestellt, insbesondere:
- Das Anpassungsverfahren darin besteht, einen P'i-zentrierten Basispunktblockbereich in P'i einzurichten, einen anderen Punkt als P'i als einen benachbarten Punkt zu definieren und die Tiefe jedes benachbarten Punkts relativ zu P'i zu definieren, wobei die dem zweiten Bild entsprechenden Anpassungspunkte durch Anpassen aller Basispunkte des Blockbereichs berechnet werden, wobei der Anpassungspunkt und die entsprechende Parallaxe durch Auswählen der Parallaxe berechnet werden, die den Wert der Kostenfunktion minimiert, wobei die Formel der Kostenfunktion ist,
- The fitting method is to establish a P ' i -centered base point block area in P' i , define a point other than P ' i as an adjacent point, and define the depth of each adjacent point relative to P' i , being that of the second image corresponding fitting points are calculated by fitting all the base points of the block area, the fitting point and the corresponding parallax being calculated by selecting the parallax that minimizes the value of the cost function, where the formula of the cost function is
Dabei ist P'ij die Pixelposition des entsprechenden Basispunkts, P''ij ist die Pixelposition des entsprechenden Anpassungspunkts, Iz ist der Grauwert jedes Pixels in dem ersten Bild, Iz-a ist der Grauwert jedes Pixels in dem zweiten Bild, Iz(P'ij) ist der Grauwert von P'ij und Iz-a(P''ij) ist der Grauwert von P''ij, und Δr ist der Pixelabstand zwischen P'i und P''i, der als Parallaxe bezeichnet wird.P ' ij is the pixel position of the corresponding base point, P'' ij is the pixel position of the corresponding adjustment point, I z is the gray value of each pixel in the first image, I za is the gray value of each pixel in the second image, I z (P ' ij ) is the gray value of P' ij and I za (P '' ij ) is the gray value of P '' ij , and Δr is the pixel distance between P ' i and P'' i , which is called parallax.
Überprüfungsschritt: Wenn die Position des entsprechenden Anpassungspunkts P''ij in einer Vielzahl von zweiten Bildern relativ zu P''i mit der Position des benachbarten Punkts relativ zu P'i übereinstimmt, ist die Überprüfung erfolgreich (dabei ist P'ij der Feldpunkt, P''ij ist der Anpassungspunkt des Feldpunkts, P'i ist der Mittelpunkt und P'i ist der Anpassungspunkt des Mittelpunkts); Ein Punkt wird Mitte P'i hinzugefügt, die Gesamtzahl der Stimmen beträgt 8 (8 Feldpunkte) und 4 oder mehr Stimmen (einschließlich 4 Stimmen) gelten als erfolgreiche Anpassung; Andernfalls wird ein Basispunktblockbereich um jeden benachbarten Punkt herum eingerichtet, die Berechnungsformel in Schritt 4 wird erneut ausgeführt, der Anpassungspunkt und die entsprechende Parallaxe werden erneut berechnet. Mehr als die Hälfte der Anpassungspunkte haben die gleiche relative Position zu den benachbarten Punkten, wodurch die Situation vermieden wird, dass P'i ein Rauschpunkt ist, um die Korrektheit des Skalpellpunkts zu verbessern.Verification step: If the position of the corresponding adjustment point P '' ij in a large number of second images relative to P '' i coincides with the position of the neighboring point relative to P'i, the verification is successful (where P ' ij is the field point, P '' ij is the match point of the field point, P ' i is the midpoint and P'i is the match point of the midpoint); A point is center P 'i is added, the total number of votes is 8 (8 field points), and 4 or more voices (including 4 parts) are considered to be successful adaptation; Otherwise, a base point block area is established around each neighboring point, the calculation formula in
Der Anpassungspunkt und die entsprechende Parallaxe werden erneut berechnet und überprüft, d.h. die Abstimmung wird ausgeführt, und die erste Person mit mehr als 4 Stimmen wird als Gewinner angesehen, der erste erfolgreiche benachbarte Überprüfungspunkt als der neue Punkt P'i definiert ist, und andere benachbarte Punkte und nicht erfolgreiche Überprüfungspunkte werden verworfen, und dann wird der verbleibende Anpassungspunkt P''ik im zweiten Bild als Basispunkt zur Anpassung mit dem ersten Bild verwendet, um den Überprüfungspunkt zu erhalten, und wenn der Überprüfungspunkt mit der Position des Basispunkts übereinstimmt, ist die Anpassung erfolgreich, andernfalls wird der Überprüfungsschritt erneut durchgeführt. Die Korrektheit der Anpassung wird durch Umdrehen der Anpassungsrichtung erneut überprüft, um die Genauigkeit des Skalpellpunkts zu verbessern.The matching point and the corresponding parallax are recalculated and checked, that the vote is carried out, and the first person with more than 4 votes will be deemed the winner, the first successful neighboring observation point is i defined as the new point P ', and other neighboring Points and unsuccessful checkpoints are discarded and then the remaining match point P '' ik in the second image is used as the base point to match with the first image to get the check point, and if the check point coincides with the position of the base point it is the Adjustment successful, otherwise the verification step is carried out again. The correctness of the adjustment is checked again by reversing the adjustment direction in order to improve the accuracy of the scalpel point.
Die Tiefenberechnungsoptimierung ist speziell die Interpolationsoptimierung der Tiefenberechnungsformel. Das spezifische Verfahren besteht darin, dass eine Interpolationsoptimierungsberechnung an der Tiefenberechnungsformel des Skalpellpunkts durchgeführt wird und jeder P''ik zwei Interpolationspunkte entlang der Epipolarlinie Lik festlegt, nämlich den linken Interpolationspunkt P''ikl bzw. den rechten Interpolationspunkt P''ikr, wobei die Kostenfunktion zur Anpassung des Blockbereichs verwendet wird, um die Kosten C(P'i, Δrikr), C(P'i, Δrikl) und C(P'i, Δrik) zu berechnen, den Interpolationspunkt oder Ursprung der minimalen Kosten zu entfernen und die verbleibenden zwei Punkte zu entfernen, um die endgültige Tiefenformel wie folgt zu erhalten,
Dabei ist Lik die Epipolarlinie und Zkj ist die Tiefe, die P''ik P'ij entspricht; P''ik+Li ist der Wert, bei dem P''ik die Entfernung von Li Pixeln entlang der Epipolarlinie vorwärts bewegt, und P''ik-Li ist der Wert, bei dem P''ik die Entfernung von Li Pixeln entlang der Epipolarlinie rückwärts bewegt.L ik is the epipolar line and Z kj is the depth, the P ik P 'corresponds to ij; P '' ik + Li is the value at which P '' ik advances the distance of Li pixels along the epipolar line, and P '' ik-Li is the value at which P '' ik moves the distance of Li pixels along the epipolar line moves backwards.
Schließlich lautet die Formel zur Berechnung der Tiefe:
Dabei ist no die Anzahl von Zkj.Here, n o is the number of Z kj .
Die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Erfindung bestehen darin, dass durch Einrichten der Anpassung und Überprüfung des Blockbereichs die Position des Skalpells genauer gefunden werden kann und die Berechnung der Tiefe durch Interpolationsoptimierung genauer wird.The advantageous effects of the present invention are that by setting up the adjustment and checking the block area, the position of the scalpel can be found more precisely and the calculation of the depth becomes more precise through interpolation optimization.
Ausführungsform 3Embodiment 3
In der vorliegenden Ausführungsform werden eine Bewegungstrajektoriensteuerungsalgorithmusformel und ein Verfahren für einen Maschinenoperationsarm mit parallelen Reihengelenken basierend auf der Ausführungsform 1 oder Ausführungsform 2 bereitgestellt, insbesondere:
Das Skalpell 1 führt eine RCM-Bewegung durch, die Position des RCM-Punkts festgelegt ist, und die Steuerstrategieformel des RCM-Punkts wie folgt ist,
- The scalpel
1 performs an RCM move, the position of the RCM point is fixed, and the control strategy formula of the RCM point is as follows,
Dabei ist xR die X-Achsen-Koordinatenposition des RCM-Punkts; yR ist die Y-Achsen-Koordinatenposition des RCM-Punkts; L1 ist die lineare Verschiebung des ersten Linearmotors; L2 ist die lineare Verschiebung des zweiten Linearmotors; Ltool ist der Abstand zwischen der Klemmvorrichtung und der Spitze des Skalpells; L3 ist die lineare Verschiebung des dritten Linearmotors; φ ist der Winkel zwischen der Oberfläche des Skalpells und dem Verbindungsende der Klemmvorrichtung; ϑ ist der Winkel zwischen der Oberfläche des Skalpells und der horizontalen Ebene; Lo ist die Länge der Oberfläche des Skalpells; dm ist der vertikale Abstand vom dritten Linearmotor zur horizontalen Achse des ersten Linearmotors oder des zweiten Linearmotors.Where x R is the X-axis coordinate position of the RCM point; y R is the Y-axis coordinate position of the RCM point; L 1 is the linear displacement of the first linear motor; L 2 is the linear displacement of the second linear motor; L tool is the distance between the clamp and the tip of the scalpel; L 3 is the linear displacement of the third linear motor; φ is the angle between the surface of the scalpel and the connecting end of the clamp; ϑ is the angle between the surface of the scalpel and the horizontal plane; L o is the length of the surface of the scalpel; dm is the vertical distance from the third linear motor to the horizontal axis of the first linear motor or the second linear motor.
Wenn sich das Skalpell
Dabei h der lineare Abstand zwischen dem ersten Linearmotor und dem zweiten Linearmotor ist.Where h is the linear distance between the first linear motor and the second linear motor.
Das Skalpell
Zusätzlich definieren der erste Linearmotor
Insbesondere wird die Position jeder Millisekunde für Zielposition jedes Schritts durch Berechnen des Schnittwegs erhalten.In particular, the position of every millisecond for the target position of each step is obtained by calculating the cutting path.
Zusätzlich wird das Mikroskopsystem und der Maschinenbedienarm initialisiert werden, bevor Schritt
Zusätzlich ist die Breite des Schnitts nicht größer als die Breite der Oberfläche des Skalpells
Die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Ausführungsform bestehen darin, dass die Schrittgröße jedes Schritts des Maschinenbedienarms eingestellt wird, bis der Schnittweg erhalten wird und die entsprechende Bewegungstrajektorie des Maschinenbedienarms entlang des Schnittwegs und die entsprechende Bewegungstrajektorie des Linearmotors berechnet werden, so dass der Maschinenbedienarm das Skalpell antreibt, um sich entlang des eingestellten Schnittwegs zu bewegen.The advantageous effects of the present embodiment are that the step size of each step of the machine operator is adjusted until the cutting path is obtained and the corresponding movement trajectory of the machine operator along the cutting path and the corresponding movement trajectory of the linear motor are calculated so that the machine operator drives the scalpel, to move along the set cutting path.
Offensichtlich ist die obige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nur verwendet, um die Beispiele der vorliegenden Erfindung klar zu veranschaulichen, anstatt die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einzuschränken. Für den gewöhnlichen Fachmann können andere verschiedene Formen von Änderungen oder Modifikationen auf der Grundlage der obigen Beschreibung vorgenommen werden. Es können hier nicht alle Ausführungsformen im Detail aufgeführt werden. Alle Änderungen, gleichwertige Ersetzungen und Verbesserungen, die im Rahmen des Geistes und der Grundsätze der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, fallen in den Schutzbereich der Ansprüche der vorliegenden Erfindung.Obviously, the above embodiment of the present invention is used only to clearly illustrate the examples of the present invention, rather than to limit the embodiments of the present invention. Other various forms of changes or modifications may be made on the basis of the above description to those of ordinary skill in the art. Not all embodiments can be listed here in detail. All changes, equivalent substitutions, and improvements made within the spirit and principles of the present invention fall within the scope of the claims of the present invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- CN 102639088 B [0003]CN 102639088 B [0003]
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CN102639088A (en) | 2009-07-24 | 2012-08-15 | 能斯雅有限公司 | Laser system and method for performing and sealing corneal incisions in the eye |
Also Published As
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