專利名稱：球形目標的運動跟蹤系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種診斷圖象處理，更具體地說，涉及一種用于球形目標表面的定位和運動監(jiān)視的設(shè)備和系統(tǒng)，還涉及一種用于檢測這種運動和記錄所述目標表面的一系列臨幀圖象幀的方法。
背景技術(shù)：
任何一種眼科治療的第一步驟是診斷眼睛的病理和/或刻劃其結(jié)構(gòu)特征。在用于病人眼睛的有缺陷視覺校正的折射外科學(xué)領(lǐng)域中，重要的是收集有關(guān)眼睛的分布狀況和厚度測量(pachymetry)的準確信息以及導(dǎo)致視力不好的變形的本性和程度。這些診斷信息的收集通常要求病人與一些類型儀器接合并穩(wěn)定地觀察目標，同時通常通過從幾分之一秒～幾秒范圍內(nèi)的時間間隔所獲得的多重視頻圖象，獲得診斷信息。相對于眼睛的跳閱運動，這是一個相對長的時間期限，是一個在測量順序期間人們改變他們的凝視所占用的時間。隨意或不隨意的眼睛運動可能導(dǎo)致具體測量參數(shù)被不準確地記錄，導(dǎo)致視覺校正不能達到最佳。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)明了一種在診斷程序期間補償眼睛運動的方式。雖然，將結(jié)合監(jiān)視和補償病人眼睛運動介紹本發(fā)明，可以想象的是，本文所介紹的設(shè)備和方法將適用于監(jiān)視和補償具有球形或準球形目標表面的任何目標的運動。
本發(fā)明的一個實施例涉及一種設(shè)備，其對具有球形或準球形表面目標的空間位置進行監(jiān)視并跟蹤其運動。優(yōu)選的目標是人眼的角膜。該設(shè)備包括投射部件，所述投射部件利用至少一個發(fā)光元件，將至少四個光點投射在該目標表面上，所述表面上至少兩個光點不在一個平面上。此外，一圖象俘獲部件俘獲該目標表面的一系列實時視頻幀圖象以及在該表面上照亮的光點。一計算部件可操作地與所述圖象俘獲部件相連。并從圖象俘獲部件接收圖象，將每個照亮光點定位在每幀圖象上，確定每幀圖象上成像光點之間的關(guān)系。所述設(shè)備優(yōu)選具有將四個光點投射在該表面上的四個發(fā)光元件；優(yōu)選包括六個發(fā)光元件，用六個相應(yīng)光點照亮該表面上的部位。根據(jù)本發(fā)明實施例的設(shè)備的優(yōu)選方面，組/轉(zhuǎn)換部件(banking/switching)與六個發(fā)光元件相結(jié)合使用，允許六個發(fā)光元件種的四個發(fā)光元件在角膜表面上在任何指定的瞬間形成光點，當在特殊應(yīng)用中使用競爭光源時，這一點非常有用，例如，光的掃描縫隙測量角膜厚度測量(pachymetry)。不使用競爭光源的應(yīng)用，例如光學(xué)相干性段層攝影(OCT)和B/C掃描，僅要求四個光點。這種類型的光源不是關(guān)鍵的，可能包括諸如激光二極管、帶相關(guān)光學(xué)調(diào)焦的超級發(fā)光二極管、或帶允許光源被聚焦在目標表面上的光學(xué)伴隨物的白熾光源。這些光源被設(shè)置成平面布置，該平面與所述目標表面的基準軸線垂直，為了便于介紹，優(yōu)選被監(jiān)視的眼睛的角膜的光學(xué)軸線。在一個圖案中，每個光源瞄準人眼角膜，也就是從眼中心至緣分界線的距離的1/3～2/3。該投影圖案允許角膜中心免于光散射，這一點可能是非常重要的。如果一個人希望觀察角膜中心或穿過眼睛的虹膜。由于角膜的分段的細胞結(jié)構(gòu)，當撞擊角膜時，在目標表面上形成光點的每個光束擴散地散射。該散射看上去非常小，在角膜表面上散射光點。光點之間的關(guān)系被攝像，在診斷程序的每視頻幀期間被俘獲。正是這種點關(guān)系，允許眼睛運動在空間被跟蹤。
在空間中球面的中心通過四個不在同一個平面上的點可以被獲得，如果每個點都被定義成x，y和z，這四個點將確定球面空間。如果利用這些點的位置可以確定球面，提供四個光點，并且與基準相比較，然后球面的相對位置可以被確定。根據(jù)本發(fā)明，為了這種比較，控制圖象被建立。當帶有四個入射光束的球面圖象被成像設(shè)備俘獲，所獲得的圖象被處理，對光點進行定位，對連續(xù)圖象點之間的比較導(dǎo)致點位置差異，發(fā)現(xiàn)每幀中人眼運動的大小和方向。隨著每幀圖象被俘獲且點被確定，在臨時系列圖象幀中的每個圖像的補償矢量被構(gòu)筑。如果目標向前運動，在圖象之間，系列圖象上的點將進一步分開。如果目標向上、向下、向左、向右運動，點將相對于運動對稱移動。
當圖象俘獲系統(tǒng)俘獲這些圖象后，它們被發(fā)送到計算設(shè)備。計算設(shè)備確定每個圖象上的每個點，然后比較，每個點的運動在每幀中，允許圖象被依比例決定、轉(zhuǎn)動和移動，以便準確地重新組裝。補償矢量被構(gòu)筑并利用，以便將每幀圖象邏輯地移動到統(tǒng)一基準幀內(nèi)，然后補償視頻圖象俘獲過程期間光源的任何移動。計算設(shè)備重新組合所述圖象，同時補償運動變化，允許圖象被彼此重新配準，每個球形表面在其中心同心。這將允許沿三個軸線的運動補償。
本發(fā)明提供在共線跟蹤系統(tǒng)上的鮮明優(yōu)點。例如，一旦光散射點在表面圖象上被確認，補償矢量很快產(chǎn)生。符合本發(fā)明的方法論是獨特的、數(shù)字的和容易檢驗的。由于光點不是共線的，每個圖象對于被俘獲的眼睛是獨特的。本發(fā)明不依靠光反射表述運動，因而可以輕易地跟蹤反射差的角膜。
通過下文所述，本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點和目的將變得更加清楚。然而應(yīng)該理解的是，詳細介紹的說明本發(fā)明優(yōu)選實施例的特殊示例僅用于說明本發(fā)明，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，基于說明書、附圖和權(quán)利要求書，可以進行各種改變和修改。


圖1是一個示意性說明符合本發(fā)明實施例的6個光投射元件和圖象俘獲元件的視圖；圖2a是一個表示符合本發(fā)明實施例的極值光投射路徑的側(cè)視圖；圖2b是一個符合本發(fā)明實施例的四光束投射的前視圖；圖3是一個類似于圖1b的視圖，顯示了符合本發(fā)明實施例的對稱6光束投射；圖4是一個在圖2所示裝置內(nèi)發(fā)生的組合/轉(zhuǎn)換光控制系統(tǒng)的三序列說明圖；圖5是一個類似于圖3的視圖，顯示符合本發(fā)明實施例的另一種6光點布置；圖6是一個說明符合本發(fā)明實施例的光傳播到目標表面的視圖。
具體實施例方式
下文將結(jié)合附圖詳細介紹本發(fā)明的實施例，在所述附圖中，相同的附圖標記表示相同的元件。
圖1顯示了監(jiān)視病人眼睛的角膜表面104的空間位置且跟蹤所述角膜表面104運動的系統(tǒng)100的優(yōu)選實施例。圖1也反映了用于諸如眼睛角膜的球形或準球形目標表面的多重圖象的圖象配準系統(tǒng)100。系統(tǒng)和設(shè)備100通常包括投射元件102(如圖2所示)、圖象俘獲元件120以及被可操作地連接到圖象俘獲元件120上的計算元件160。如圖2a和b所示，投射元件102包括至少一個光發(fā)射元件110以及將至少4個光點112a～d投射到表面(球形或準球形)104上的投射元件。如圖2(a)的111所示，至少兩個光點112將被共面地投射在表面上，這是沿z方向跟蹤表面104的運動和位置的必要條件。表面104上至少三個剩余的光點是跟蹤表面x-y運動所必須的。
通常，在三維空間內(nèi)給定4個點(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)、(x4，y4，z4)，通過解下述行列式，帶有表面上這些點的球面的方程式被確立|x2+y2+z2xyzl||x12+y12+z12x1y1z1l||x22+y22+z22x2y2z2l||x32+y32+z32x3y3z3l||x42+y42+z42x4y4z4l|=0]]>如果通過使用頂行的子式(minors)進行展開，確立行列式，然后，球面的等式可以被寫成下述形式(x2+y2+z2)|x1y1z1l||x2y2z2l||x3y3z3l||x4y4z4l|-x|x12+y12+z12y1z1l||x22+y22+z22y2z2l||x32+y32+z32y3z3l||x42+y42+z42y4z4l|]]>+y|x12+y12+z12x1z1l|x22+y22+z22x2z2l||x32+y32+z32x3z3l||x42+y42+z42x4z4l|-z|x12+y12+z12x1y1z1l||x22+y22+z22x2y2z2l||x32+y32+z32x3y3z3l||x42+y42+z42x4y4z4l|+]]>
|x12+y12+z12x1y1z1l||x22+y22+z22x2y2z2l||x32+y32+z32x3y3z3l||x42+y42+z42x4y4z4l|=0]]>子式(minors)M1j1.1 (x2+y2+2)M11-x M12+y M13-z M14+M15＝0半徑為r且球心為(x0，y0，z0)的球面方程是1.2 (x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝r2可以將1.2方程重寫成1.3 x2-2xx0+x02+y2-2xx0+y02+z2-2zz0+z02-r2＝0重新布置方程1.3獲得1.4 x2+y2+z2-2xx0-2xx0-2zz0+x02+y02+z02-r2＝0重新布置方程1.1獲得1.5 (x2+y2+z2)-xM12/M11+yM13/M11-zM14/M11+M15/M11＝0利用方程1.4和1.5允許人們求取球面的球心和半徑，也就是x0＝0.5M12/M11y0＝0.5M13/M11z0＝0.5M14/M11r＝(x02+y02+z02)-(M15/M11)應(yīng)該理解的是，上述方程不適合M11等于0，這對應(yīng)于非二次項(x2，y2，z2)，此時，我們不能處理球面，點是共面的或三個點在一條直線上。
參考圖2b可以理解本發(fā)明的通用設(shè)備，4個光發(fā)射元件110a～d被共平面設(shè)置在殼體113內(nèi)。發(fā)光元件110最好是針式激光器(pin laser)，其發(fā)射被投射到目標表面104上的薄、平行光束。如圖所示，目標表面104代表具有中心174、虹膜分界線170和緣分界線176的角膜表面。如圖2b和圖6所示，發(fā)光元件110和在角膜表面上相應(yīng)光點112之間的距離占用極值路徑400；也就是在殼體113右下光位置上的發(fā)光元件110a沿在目標表面的左上部分形成光點的112a的路徑投射光束。同樣左上發(fā)光元件110d投射射束路徑，在目標表面的右下部分形成光點112d。如圖6所示，由于撞擊所述表面的光束的銳角，這些光源和照射點之間之間最大距離的極值路徑在眼睛上產(chǎn)生光點，所述光點是拋物線形狀。射束路徑的優(yōu)選角度定向產(chǎn)生從角膜(或其它成像表面)的基質(zhì)細胞的擴散的反射點(stromalcell)，而不是鏡面反射，由于其特性，對目標表面的任何x、y或z運動高度敏感。優(yōu)選形成在角膜表面上的每個光點相對于例如有限的瞳孔區(qū)域很小，如圖2b所示，并位于從眼睛的角膜中心位置174至緣分界線176距離的1/2～2/3的位置。
在操作中，角膜表面由擴散地反射的拋物線形光點和診斷時間間隔表示，諸如攝像機的圖象俘獲設(shè)備臨時俘獲角膜表面的連續(xù)圖象以及該表面上的光點。一幀圖象可以用本領(lǐng)域公知方法進行圖象處理，從而建立正在檢查的目標的球形基準幀。隨著每幀圖象被俘獲，在幀臨時順序上的每個圖象的光點確認、補償矢量被構(gòu)筑。由于在檢查期間眼睛有意和無意運動，角膜表面上的光點相對位置將移動，新位置將在每個后續(xù)圖象幀上被獲得。正是這種點關(guān)系，允許眼睛運動在空間上被跟蹤。每個圖象上被構(gòu)造的補償矢量可以被使用，以便邏輯地將每幀圖象移動到基準的統(tǒng)一的中央幀內(nèi)，從而在視頻圖象俘獲過程期間，補償任何目標源的運動。每幀圖象內(nèi)的點位置、每幀圖象內(nèi)的不同圖像點之間關(guān)系的確定由計算元件160和相關(guān)的軟件實現(xiàn)。一旦每幀圖象的球面中心位置x、y。z和半徑r被確定，每幀圖象可以參考控制圖象和彼此相對配準的圖象，導(dǎo)致更準確的診斷測量。
在本發(fā)明優(yōu)選方面，參考圖1，投射元件102包括6個針式激光器110a～f，它們向角膜表面104投射6束對應(yīng)光束，在該角膜表面上形成6個對應(yīng)的擴散光點112a～f。圖3顯示了該設(shè)備的極值路徑結(jié)構(gòu)，類似于圖2a所示的4光束系統(tǒng)，除了位于殼體113的中心上方的發(fā)光元件110b向角膜表面的中心下方區(qū)域112b投射光束，位于殼體113的中心下方的發(fā)光元件110e向角膜表面的中心上方區(qū)域112e投射光束之外。如圖4所示，光點112a～f被設(shè)置成三個大致垂直對，也就是光點112a、d；112b、e；112c、f。
下文首選6個發(fā)光元件進行介紹。角膜表面后和前位置以及分布狀況在折射外科領(lǐng)域內(nèi)表示有價值的診斷測量?？梢允褂媚撤N診斷設(shè)備獲得該信息，并包括OCT設(shè)備和提供某種掃描算法的超聲波設(shè)備。根據(jù)這些設(shè)備的操作原理，僅用四個光點就可照亮角膜表面，以便在診斷測量期間監(jiān)視眼睛的位置和運動。使用這些類型儀器存在下述可以被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的缺點，這些對本發(fā)明來說沒有密切關(guān)系的，無需進一步討論。另一種測量方法在該設(shè)備內(nèi)被使用，在下文被稱作競爭光源，以便獲得它們的測量數(shù)據(jù)。例如Orbscan地形測繪系統(tǒng)(Bausch&LombIncorporated，Rochester，紐約)利用由往復(fù)掃描眼睛且從眼睛上不同表面被反射的激光所產(chǎn)生的光狹縫。這一點在圖4中被示意性顯示，圖4顯示了三個順序圖象150’、150”和150，以最左圖象為初始圖象，角膜表面104由組(bank)A、B和C上的六個光點112表示。如圖所示，組A由一對垂直對齊的光點112a、112d構(gòu)成。組B由一對光點112b、112e構(gòu)成，組C由一對光點112c、112f構(gòu)成。在圖150’中，激光狹縫300從眼睛右側(cè)開始被投射到角膜表面上。該激光狹縫被反射到前角膜表面(后線300)，也被反射到后角膜表面被顯示為曲線302。隨著激光狹縫從右向左掃描角膜表面，可以發(fā)現(xiàn)，激光狹縫300將與組C的垂直對齊光點112c、112f對齊。稍后，如幀150”所示，激光狹縫300將模糊或與包含光點112b、112e的組B競爭，如幀150所示，隨著激光狹縫300完成掃描，組/轉(zhuǎn)換控制(未示)被結(jié)合到該設(shè)備中，從而，當被競爭光源變得模糊時，任何組或光點對可以被切斷。采用這種方式，在整個視頻圖象俘獲期間，總有至少四個光點照亮角膜表面。
圖5顯示了該實施例另一個優(yōu)選方面，既沒有兩個光點也沒有任何光點對(組)是垂直對齊的。當激光狹縫300從右到左移動時，首先光點112a變得模糊，組A可以不被激活，從而來自組B和C的四個光點繼續(xù)照亮角膜表面。同樣，下一個將變得模糊的光點是112f，當它被競爭激光狹縫300變得模糊時，組C(112f，112c)可以被關(guān)閉，留下組A和B照亮眼睛。
在另一個方面內(nèi)，從發(fā)光元件到其在角膜表面上相應(yīng)光點的每個傳播路徑可以具有彼此不同的傳播朝向，采用不規(guī)則方式照亮角膜表面。
以上已對本發(fā)明作了十分詳細的描述，所以閱讀和理解了本說明書后，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，本發(fā)明的各種改變和修改將變得明顯。所以一切如此改動和修正也包括在此發(fā)明中，因此它們在權(quán)利要求書的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種監(jiān)視具有球形或準球形表面的目標的空間位置并跟蹤其運動的設(shè)備，包括包括至少一個發(fā)光元件的投射部件，其中該投射部件將至少四個光點投射在該表面上，該表面上至少兩個光點不在一個平面上；圖象俘獲部件，俘獲該表面上至少四個光點的臨時的多幀圖象，其中至少一幀圖象是控制圖象；以及可操作地與圖象俘獲部件相連的計算部件，該計算部件(i)從圖象俘獲部件接收圖象，(ii)將每個光點定位在每幀圖象上，(iii)在每幀圖象上確定成像光點之間的關(guān)系。
2.如權(quán)利要求1所述設(shè)備，其特征在于該表面上每個成像光點相對于x軸線、y軸線和z軸線被確定。
3.如權(quán)利要求1所述設(shè)備，其特征在于所述投射部件包括至少四個發(fā)光元件，該投射部件將四個光點投射在該表面上。
4.如權(quán)利要求1所述設(shè)備，其特征在于所述投射部件包括至少六個發(fā)光元件，該投射部件將至少四個可識別光點投射在該表面上。
5.如權(quán)利要求1所述設(shè)備，其特征在于至少一個發(fā)光元件是白熾光源。
6.如權(quán)利要求1所述設(shè)備，其特征在于至少一個發(fā)光元件是激光
7.如權(quán)利要求3所述設(shè)備，其特征在于所述發(fā)光元件是激光。
8.如權(quán)利要求4所述設(shè)備，其特征在于所述發(fā)光元件是激光。
9.如權(quán)利要求1所述設(shè)備，其特征在于至少四個光點從一個與所述表面基準軸線垂直的平面被投射。
10.如權(quán)利要求1所述設(shè)備，其特征在于至少四個光點被投射到角膜表面上，并從一個與角膜表面的光軸線垂直的平面被投射。
11.如權(quán)利要求10所述設(shè)備，其特征在于被投射到角膜表面上的至少四個光點具有一表面面積，其相對于角膜表面的虹膜區(qū)域很小，每個光點在一具有一光源的光束內(nèi)被投射到角膜表面上，所述光源提供從該光源到角膜表面的最大距離。
12.如權(quán)利要求11所述設(shè)備，其特征在于角膜表面上的每個光點位于從角膜表面中心到角膜緣分界線的距離的1/2～2/3的位置。
13.如權(quán)利要求1所述設(shè)備，其特征在于角膜表面上的每個光點具有拋物線形狀。
14.如權(quán)利要求1所述設(shè)備，其特征在于所述圖象俘獲設(shè)備是攝像機。
15.如權(quán)利要求3所述設(shè)備，其特征在于還包括組/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，用于控制所述至少四個發(fā)光元件的任何選擇的一對發(fā)光元件。
16.如權(quán)利要求4所述設(shè)備，其特征在于還包括組/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，用于控制所述至少六個發(fā)光元件的任何選擇的一對發(fā)光元件
17.如權(quán)利要求1所述設(shè)備，其特征在于所述計算部件采用下述方式配準每個圖象，也就是每幀圖象內(nèi)的每個球面圍繞一基準中心對中同心。
18.如權(quán)利要求1所述設(shè)備，其特征在于所述設(shè)備自身是一個角膜分布狀況設(shè)備的部件。
19.一種用于配準運動的球形或準球形目標表面的多重圖象的圖象配準系統(tǒng)，包括在固定、相對位置上的至少四個激光點設(shè)備，用至少四個相應(yīng)光點照亮球形或準球形目標表面至少四個不同部位，其中至少一個部位相對于至少其它三個部位不在同一個平面內(nèi)；圖象檢測器，用于俘獲球形或準球形目標表面的臨時的多幀圖象以及至少四個被照亮的位置；包括軟件且可操作地與圖象檢測器相連的計算部件，基于所俘獲的圖象幀，確定球形或準球形目標表面的中心位置(x0，y0，z0)和半徑r，根據(jù)在所俘獲的圖象上檢測到的至少四個部位的每個位置的改變，相對于所述多幀圖象中的其它幀圖象配準所述多幀圖象中的每幀圖象。
20.如權(quán)利要求19所述系統(tǒng)，其特征在于還包括在固定相對位置保持至少四個激光點設(shè)備的殼體。
21.如權(quán)利要求19所述系統(tǒng)，其特征在于每個激光點設(shè)備和其相應(yīng)的照亮位置之間的距離是最大距離。
22.如權(quán)利要求19所述系統(tǒng)，其特征在于包括在固定相對位置的六個激光點設(shè)備，用六個相應(yīng)光點照亮球形或準球形目標表面的六個不同部位，其中至少一個部位相對于至少其它五個部位不在同一個平面內(nèi)。
23.如權(quán)利要求22所述系統(tǒng)，其特征在于所述激光點設(shè)備和相關(guān)的6個光點被組成三組對。
24.如權(quán)利要求23所述系統(tǒng)，其特征在于還包括組/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，用于控制所述激光點設(shè)備的任何所選擇的一對。
25.如權(quán)利要求24所述系統(tǒng)，其特征在于在俘獲每幀圖象期間，任何兩對所選擇的激光點設(shè)備照亮所述表面。
26.如權(quán)利要求19所述系統(tǒng)，其特征在于每個光點是從目標表面的漫反射。
27.如權(quán)利要求19所述系統(tǒng)，其特征在于4個不同部位中沒有一個部位處于水平或垂直方向上。
28.如權(quán)利要求22所述系統(tǒng)，其特征在于6個不同部位中沒有一個部位處于水平或垂直方向上。
29.如權(quán)利要求19所述系統(tǒng)，其特征在于每個激光點設(shè)備沿相對于該目標表面的基準軸線具有一角度朝向的路徑投射其各自的光點，該路徑不同于任何其它路徑朝向。
30.如權(quán)利要求19所述系統(tǒng)，其特征在于所述運動的球形或準球形目標表面是病人眼睛的角膜。
31.如權(quán)利要求19所述系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)自身是眼診斷系統(tǒng)的組成部分。
32.如權(quán)利要求31所述系統(tǒng)，其特征在于該眼診斷系統(tǒng)是角膜分布狀態(tài)測量系統(tǒng)。
33.如權(quán)利要求32所述系統(tǒng)，其特征在于所述角膜分布狀態(tài)測量系統(tǒng)是狹縫掃描系統(tǒng)。
全文摘要
一種系統(tǒng)，采用優(yōu)選角度方式，根據(jù)表面上至少四個擴散的掃描點上的投射，用于配準球形或準球形表面目標的一系列視頻圖象，和監(jiān)視所述光點相對于光點基準圖象的圖象運動。優(yōu)選目標是人眼的角膜。
文檔編號A61B3/113GK1691916SQ200380100250
公開日2005年11月2日 申請日期2003年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月19日
發(fā)明者巴里·伊根, 勞埃德·M·考德威爾, 羅伯特·D·卡迪, 唐納德·C·格羅夫, 格雷格·D·尼文, 燦·恩古延 申請人:博士倫公司