TWI409049B - 眼科器材定位系統及相關聯方法 - Google Patents

Description

眼科器材定位系統及相關聯方法 發明領域

本發明係有關用以進行角膜波前測量及雷射輔助式角膜手術之系統及方法，且更特別有關此等用以最適化經歷此手術的眼睛的一焦距之系統及方法。

發明背景

此技藝中已知藉由波前引導式折射雷射手術來進行角膜燒蝕。一般而言，一波前感測器係測量一像差地圖及其相對於可身為本徵或外部施加特性的解剖學地標之位置。可將像差資料且有時連同幾何對齊資訊直接地轉移至一通常用以進行燒蝕之治療受激準分子雷射。

眼科器材中，將一測量或燒蝕器材定位成為相距一眼睛的一已知距離且正確地對準以使該器材具有療效係為一項重要任務。部分系統中，眼睛必須被定心且處於清楚對焦以供影像與一操作者之互動。亦務必使一雷射束相對於眼睛來到一預定平面之焦點，譬如在一受激準分子雷射系統中，或使眼睛對於眼睛的一有效後續測量(譬如一波前測量)作定位。

在用以輔助定位一眼科器材之已知技術之列，包括了藉由角膜頂點將諸如紅外光束等複數個光束打破，及將複數個光束投射至角膜上，其可自動地或藉由一操作者作後續分析以評估眼睛定位的精確度。如果眼睛被視為未位於具療效位置中，則可移動器材及/或頭部/眼睛藉以最適地重新定位眼睛或位於經界定的可接受公差內。

目前解決定位問題之已知途徑通常係蒙受誤差且需要一操作者及/或額外硬體的介入。因此，可有利地提供一用以改良眼睛對準的精確度及自動之系統及方法，而不需要人員操作者輸入或額外的硬體。

發明概要

本發明係有關一用以決定一眼睛相對於一眼科器材的一最適位置之系統及方法。一最適位置係可為將眼睛放置成使眼科器材在其設計用途中具有療效之任何位置。最適定位係可包括將眼睛定位成使眼科器材可運作以限制其設計公差，亦包括設計成具有療效範圍之眼科器材中的任意處。譬如，一最適位置係可為一其中使眼睛的一選定特性的一影像位於眼科器材在任何增量性定位拘束內所可達成的一最好焦點之位置。本發明的方法之一實施例係包含接收含有一眼睛的一表面之一影像的資料且其中該眼睛相對於一眼科器材位於一第一位置處之步驟。定位出影像中的一邊緣特性，且利用一預定演算法計量邊緣特性上之一敏銳度計算來產生一敏銳度數值。眼睛表面隨後被調整至一相對於眼科器材之第二位置，且以預定演算法為基礎重覆先前步驟直到敏銳度數值達到最大為止，其係指示出已經達成一最適眼睛位置。在一聚焦參數之案例中，譬如，可在一第一方向中增量地作出一定位調整直到一敏銳度數值經歷一最大數值然後開始減小為止，指示出已經通過最適對焦位置。然後可作出與第一者相對的一第二方向中之一定位調整以回到決定敏銳度數值已達成最大數值之位置。

根據本發明用以決定一眼睛相對於一眼科器材的一最適位置之系統的一實施例係可包含一處理器及一可由處理器執行的軟體套裝件。軟體套裝件係適可進行如上述的計算。亦提供用以將眼睛表面相對於眼科器材調整至一第二位置之裝置。軟體套裝件隨後接收第二位置中眼睛上的新影像資料，且根據一預定演算法來重覆計算性步驟直到敏銳度數值達到最大為止。使敏銳度數值達到最大係指示出已經達成一最適眼睛位置。

本發明的系統及方法之實施例係具有如果眼科器材已經包含用以成像眼睛表面及用以擷取該影像之裝置則不需要額外硬體之優點。一額外元件可包含一用以計算最適定心及聚焦位置、且依據是否出現一自動定位能力而用以指示出一所需要的眼科器材運動或用以驅動眼科器材位置之軟體套裝件。

在軟體或一操作者需要與影像互動之案例中，影像中的特性較佳盡可能地敏銳，位於眼科器材的極限內。本發明的實施例可藉由使影像中特性的清晰度達到最大來最適化聚焦。

圖式簡單說明

參照圖式從下文描述將更加瞭解在組織及操作方法方面構成本發明特徵之特性、連同其進一步目的及優點。可明白地瞭解圖示只供示範而該描述並無意作為本發明的極限之定義。將從下文描述及圖式更完整地得知本發明所獲得之這些及其他目的及所提供的優點。

可連同圖式參照下文描述獲得本發明的更完整瞭解及優點，其中類似的編號代表類似的元件，且其中：第1圖為本發明之眼睛定位系統的一實施例之示意圖；第2A及2B圖提供對於一快速傅立葉轉換敏銳度演算法的案例之本發明的方法之一示範性實施例的流程圖；第3圖為一眼睛的一聚焦中影像；第4A－4J圖為介於最敏銳至最模糊(第4A－4E圖)之間的眼睛影像，及對應的快速傅立葉轉換繪圖(第4F－4J圖)；第5圖為中及較高頻譜內容中之變異vs.影像模糊位準的繪圖；第6A－6C圖為眼睛影像，包括眼睫毛及眼瞼，顯示第5圖中所使用的最小模糊(第6A圖)及最大模糊(第6C圖)之間的差異。

較佳實施例之詳細說明

現在將參照第1至6圖提供本發明的較佳實施例之描述。一示範性實施例眼睛定位系統10係示意地描繪於第1圖中，一示範性方法100描繪於第2A及2B圖中。

用以決定一眼睛相對於一眼科器材11的一最適(具療效)位置之方法的一實施例100係包含將資料接收至一處理器12中之步驟(方塊102)。該資料係包含已經譬如由與處理器12導通的一視訊攝影機、數位攝影機、靜態攝影機或訊框捉取器14所收集之一眼睛13的一表面之一影像。收集影像時眼睛係位於一相對於眼科器材11之第一位置(方塊101)。眼科器材11譬如可為且不限於為一毫微微秒雷射角膜切割器、一諸如受激準分子雷射等治療雷射、一像差檢查儀、或精確地定位一眼睛所可能需要之熟習該技術者所知的任何其他器材。

一可留駐在一記憶體17(此處顯示為處理器12的一部分)中之軟體套裝件15係包括一用以定位出影像中的一邊緣特性之碼段(方塊103)。記憶體17可為一可操作性耦合至處理器12之分離的記憶體，或可為處理器12之一整體部分。邊緣特性可包括但無意限於虹膜的一特性或一鞏膜血管。可假設眼睛的一經良好聚焦影像具有相對較敏銳的邊緣，因此當影像處於聚焦中時選定的眼睛特性被最清楚地界定。當影像略為失焦時，影像被軟化，而這些特性的邊緣較不清楚。並且，當影像具有經清楚界定的邊緣時，則影像中具有較高的高頻資訊量。

處理器12(控制電路)可為單一處理器材或複數個處理器材。此一處理器材可為一微處理器、微控制器、數位信號處理器、微電腦、中央處理單元、場可程式化閘極陣列、可程式化邏輯器材、狀態機、邏輯電路、類比電路、數位電路、及/或以操作指令為基礎來操縱信號(類比及/或數位)之任何器材。耦合至處理器12或控制電路之記憶體17係可為單一記憶器材或複數個記憶器材。此一記憶器材可為一唯讀記憶體、隨機存取記憶體、依電性記憶體、非依電性記憶體、靜態記憶體、動態記憶體、快閃記憶體、快取記憶體、及/或儲存數位資訊之任何器材。請注意當微處理器或控制電路經由一狀態機、類比電路、數位電路及/或邏輯電路來實行其一或多項功能時，儲存有操作指令之記憶體係可嵌置於包含狀態機、類比電路、數位電路及/或邏輯電路之電路內或外部。記憶體係儲存而微處理器或控制電路係執行對應於連同第2A及2B圖所顯示及描述的至少部分步驟及/或功能之操作指令(譬如，軟體套裝件15)。

軟體套裝件15亦可包含一碼段，其可操作以造成處理器12利用一預定敏銳度函數演算法進行邊緣特性上的一敏銳度計算以產生一敏銳度數值。在方塊104選擇敏銳度函數演算法。演算法可包括但無意限於影像灰階變異數及振幅之一估計、影像的相鄰區域之間的一強烈度(intensity)差異之一計算、一以直方圖為基礎的途徑、一諸如拉普拉斯(Laplacian)等邊緣偵測罩幕、及一傅立葉轉換函數。可譬如以影像屬性、演算法適用的頻率、及/或精確度需求為基礎來選擇敏銳度函數演算法。

用以選擇一演算法之判別標準的一範例中，以傅立葉轉換為基礎的途徑係產生大量詳細資料，且可發展出很精細的函數且作微調以最適地位址化一經界定的問題。然而，大影像的傅立葉轉換係需要一顯著數量的計算，而在特定應用中花費相對較大量時間進行處理將產生問題。

反之，諸如下者之像素強烈度差異函數：Σ|I (x ,y )－I (x ,y －1)|＋Σ|I (x ,y )－I (x ＋1,y )|係具有相對最小的計算議題，但缺乏以傅立葉為基礎的途徑之彈性。因此，可能依據特定實行細節及需求而偏好不同函數。此等不同函數將為熟習該技術者所瞭解且預見位於本發明的範圍內。

雖然無意作為限制，現在將討論一以傅立葉為基礎的途徑。藉由計算影像上的一或多個相關區域之一傅立葉轉換且通常為快速傅立葉轉換，可決定較高空間性頻率中所出現之資訊量。藉由設定器材至眼睛的距離藉以使高空間性頻率內容達到最大，可使影像聚焦最適化，故亦使眼睛至器材距離最適化(譬如，眼科器材將對於器材極限具有療效)。

第3圖顯示一波前感測器上所擷取之一眼睛的一典型影像。此眼睛經良好聚焦，且鞏膜及虹膜特性清楚可見。自該影像、且以各種不同失焦角度自相同眼睛的影像選擇一相關區域(方塊105)。較佳選擇一不含眼瞼或眼睫毛的區域。如果需要則可使用多重區域，諸如汞膜上的不同區域(譬如，鞏膜的左方、右方、上方、及下方)、來自虹膜的區域、或其組合等。軟體套裝件15亦可包含一用以選擇可自動地消除影像中人工因素(諸如光源中的影像)的相關區域之演算法。

在各影像上進行一二維快速傅立葉轉換(FFT)(方塊107)。FFT中的主導特性係為死中心(DC)數值及那些接近DC之數值。其在本案例中並不重要，但可用來正規化資料。第4A－4E圖為從最敏銳(第4A圖)到最模糊(第4E圖)之各影像的偽色繪圖，而第4F－4J圖中提供對應的FET。此示範性計算中，所使用的FET尺寸為256×512，但這無意成為限制。這些繪圖中，消除接近DC的資料藉以容易看見中及高頻內容(方塊108)。這些繪圖中，最高頻組件位於中心，故有興趣的資料係遠離中心。可看出隨著影像變得較模糊，繪圖係遠離角落而變平，亦即在中及較高頻率具有較少資訊。

一替代性實施例中，可在FET之前將一諸如漢明窗(Hamming window)等諧調窗函數(harmonic windowing functions)施加至相關區域(方塊106)。除了自此一操作所達成之諧調人工因素的有利降低外，可降低本發明對於由於未經補償的眼睛運動所導致之區域的輕微去中心(decentration)或移位之敏感度。因為接近該(等)區域周邊之資料被窗函數最大地衰減，故可達成此利益。

一示範性實施例中，可計算包含資料中從一較低頻率至最大頻率之FET上的積分之衡量(方塊109)。較低頻數值係變動藉以增加或減小計算積分所使用之資料量。這些衡量係被正規化藉以具有峰值1.0，如第5圖的繪圖所示。可看出當只使用最高頻率組件時()，衡量對於甚至少量模糊亦極度敏感。這些資料有利於精密地決定物體何時處於最佳聚焦。然而，此衡量無法用來在不同但中等模糊位準的影像之間作區分，因為數值在少量模糊之後將實質變成固定(第5圖中的線為平坦)所致。包括略為較低頻率之積分係顯示在較高模糊位準對於各影像之差異，故可用來在較模糊影像之間作區分，但對於具有很小模糊之案例則較不適合。因此，最適衡量係負責此型變異且可合併來自不同頻率之資訊使其可用來在大及小模糊位準之間作區分(方塊110)。熟習該技術者將瞭解此直線積分的範例只是多種可能途徑之一。

第6A－6C圖顯示處於灰階之有些完整影像以顯示初始(第6A圖)及最小模糊(第6B圖)影像之間呈現多小差異。這顯示出當只觀看較高頻資訊時之本發明的極端敏感度。第6C圖亦顯示範例中之最大模糊案例。

此處所出現的範例係指示出後FET資料如何具有利於最適器材至眼睛定位所需要之資訊。

使用中，眼睛表面影像係可被取得複數次(譬如，如果未達成所需要的位置)(方塊111)，其中眼睛表面13相對於眼科器材11被調整至一第二位置(方塊112)，且重覆先前步驟直到敏銳度數值達到最大為止，其指示出已經達成一最適眼睛位置。

一旦決定出此位置，眼睛13係定位在經決定位置(方塊113)。可藉由熟習該技術者所瞭解且預定位於本發明範圍內之手段諸如利用一定位器材16等，以人工方式或在軟體15及處理器12控制下自動地進行眼睛的定位。譬如且無限制，患者可被人工式定位，而眼科器材可被人工式定位，及/或眼科器材或用以支撐患者的桌/椅(譬如，定位器材16)可被機械及電性控制系統自動地定位，或這些方法的任何組合。一旦眼睛位於所需要的位置中，可利用眼科器材11在眼睛13上進行一所需要的程序(方塊114)。

該程序期間，亦可能需要決定利用上述程序維持一最適眼睛位置(方塊115)，在該例中可視需要對於眼睛位置作出一額外調整(方塊116)。

可預見可將定位誤差譬如以長度單元顯示予一操作者。該資訊亦可用來抑制或暫停一程序直到進行一校準步驟為止。此外，可利用該資訊在程序開始前以最適位置周圍的一已知少量來改變器材至眼睛的距離，藉以使頻譜(後FET)資料與距離誤差相關。

上文描述中，已經為了簡短、清楚及瞭解之故而使用特定用語，但並未暗指超過先前技藝要求之不需要的限制，因為這些文字在此處係具描述用途且預定作廣義詮釋。並且，此處所顯示及描述的裝備之實施例係為範例，本發明的範圍不限於構造的確切細節。

10．．．示範性實施例眼睛定位系統

11．．．眼科器材

12．．．處理器

13．．．眼睛

14．．．視訊攝影機、數位攝影機、靜態攝影機或訊框捉取器

15．．．軟體套裝件

16．．．定位器材

17．．．記憶體

100~116．．．各步驟

第1圖為本發明之眼睛定位系統的一實施例之示意圖；第2A及2B圖提供對於一快速傅立葉轉換敏銳度演算法的案例之本發明的方法之一示範性實施例的流程圖；第3圖為一眼睛的一聚焦中影像；第4A－4J圖為介於最敏銳至最模糊(第4A－4E圖)之間的眼睛影像，及對應的快速傅立葉轉換繪圖(第4F－4J圖)；第5圖為中及較高頻譜內容中之變異vs.影像模糊位準的繪圖；第6A－6C圖為眼睛影像，包括眼睫毛及眼瞼，顯示第5圖中所使用的最小模糊(第6A圖)及最大模糊(第6C圖)之間的差異。

101~112．．．各步驟

Claims (20)

1. 一種用以決定一眼睛相對於一眼科器材的一最適位置之方法，其包含以下步驟：(a)接收包含一眼睛的一表面之一影像之資料，而其中該眼睛位於一相對於眼科器材之第一位置；(b)定位出該影像中的一邊緣特性，該邊緣特性選自包括下列各特性的一群組：一鞏膜血管及一虹膜特性；(c)利用一預定演算法進行該邊緣特性上之一敏銳度計算以產生一敏銳度數值；及(d)根據於該邊緣特性上之該敏銳度計算，將該眼睛表面調整至一相對於該眼科器材之第二位置；及(e)重覆步驟(a)-(d)直到該敏銳度數值達到最大為止，其係指示出已經達成一最適眼睛位置。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該預定演算法係選自包括下列各方法的一群組：影像灰階變異數及振幅的一估計、該影像的相鄰區域之間的一強度差異之一計算、一以直方圖為基礎的途徑、一邊緣偵測罩幕、及一傅立葉轉換函數。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該預定演算法係包含一快速傅立葉轉換。
4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該敏銳度計算係包含篩濾該影像資料以優先留置中及高頻影像資料，及決定經留置該中及高頻內容的一數量之步驟，且其中最適眼睛位置之一決定係包含選擇一其中使該經留置中及 高頻內容的經決定之該數量為最大值之眼睛位置。
5. 如申請專利範圍第3項之方法，進一步包含在使用該快速傅立葉轉換之前將一諧調窗函數(harmonic windowing function)施加至含有該邊緣特性之該影像的一區域之步驟。
6. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該敏銳度數值最大化步驟係包含在複數個頻率數值使用自該快速傅立葉轉換獲得之資訊以能夠作出該影像中的不同聚焦位準之一區分。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含於眼睛還未處於經決定之該最適眼睛位置時，在該敏銳度數值的最大化之後將該眼睛定位在該最適眼睛位置處之步驟。
8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中藉由該眼睛位置的一人工調整及一自動調整之一者來進行該定位步驟。
9. 如申請專利範圍第7項之方法，進一步包含以該眼科器材在該眼睛上進行一所需要的程序之步驟。
10. 如申請專利範圍第7項之方法，進一步包含在該所需要的程序進行步驟期間重覆步驟(a)-(e)及該眼睛定位步驟以確保維持最適眼睛位置。
11. 一種用以決定一眼睛相對於一眼科器材的一最適位置之系統，包含：一處理器，其適於：(a)經由該處理器來接收包含一眼睛的一表面之一影像之資料，而其中該眼睛位於一相對於一眼 科器材之第一位置；(b)定位出該影像中的一邊緣特性，該邊緣特性選自包括下列各特性的一群組：一鞏膜血管及一虹膜特性；及(c)利用一預定演算法進行該邊緣特性上之一敏銳度計算以產生一敏銳度數值；及根據於該邊緣特性上之該敏銳度計算，用以將該眼睛表面調整至一相對於該眼科器材的第二位置之裝置；其中該處理器進一步適於：(d)在眼睛表面調整至該第二位置之後重覆步驟(a)-(c)，直到該敏銳度數值達到最大為止，其中在各個接續循環步驟中，於(a)步驟中之該第一位置係來自於前一個循環步驟中之(d)步驟中之該第二位置，而於(d)步驟中之該第二位置是一個新的位置以指示出已經達成一最適眼睛位置。
12. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該預定演算法係選自包括下列各方法的一群組：影像灰階變異數及振幅的一估計、該影像的相鄰區域之間的一強度差異之一計算、一以直方圖為基礎的途徑、一邊緣偵測罩幕、及一傅立葉轉換函數。
13. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該預定演算法係包含一快速傅立葉轉換。
14. 如申請專利範圍第13項之系統，其中藉由篩濾該影像資料以優先留置中及高頻影像資料及決定經留置該中及 高頻內容的一數量來進行該敏銳度計算，且其中最適眼睛位置之一決定係包含選擇一其中使經留置之該中及高頻內容的經決定的該數量為最大值之眼睛位置。
15. 如申請專利範圍第13項之系統，其中該處理器係進一步適於在使用該快速傅立葉轉換之前，將一諧調窗函數(harmonic windowing function)施加至含有該邊緣特性之該影像的一區域。
16. 如申請專利範圍第13項之系統，其中藉由在複數個頻率數值使用自該快速傅立葉轉換獲得之資訊以能夠作出該影像中的不同聚焦位準之一區分來達成該敏銳度數值最大化。
17. 如申請專利範圍第11項之系統，進一步包含於眼睛還未處於經決定之該最適眼睛位置時，用以在該敏銳度數值的最大化之後將該眼睛定位在該最適眼睛位置處之裝置。
18. 如申請專利範圍第17項之系統，其中該眼睛定位裝置係包含用以實行一人工調整之裝置及與該處理器通訊用以實行該眼睛位置的一自動調整之裝置之其中之一者。
19. 如申請專利範圍第17項之系統，其中該處理器係進一步適於導引該眼科器材以在該眼睛上進行一所需要的程序。
20. 如申請專利範圍第17項之系統，其中該處理器係進一步適於在該所需要程序的進行期間重覆步驟(a)-(d)以確保維持最適眼睛位置。