CN1691916A

CN1691916A - 球形目标的运动跟踪***

Info

Publication number: CN1691916A
Application number: CN200380100250.2A
Authority: CN
Inventors: 巴里·伊根; 劳埃德·M·考德威尔; 罗伯特·D·卡迪; 唐纳德·C·格罗夫; 格雷格·D·尼文; 灿·恩古延
Original assignee: Bausch and Lomb Inc
Current assignee: Bausch and Lomb Inc
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2023-12-15
Also published as: WO2004060153A1; TW200511079A; JP2006511305A; ES2721518T3; CN100482146C; JP4499574B2; EP1571974A1; EP1571974B1; AU2003299625A1; US6658282B1

Abstract

一种***，采用优选角度方式，根据表面上至少四个扩散的扫描点上的投射，用于配准球形或准球形表面目标的一系列视频图象，和监视所述光点相对于光点基准图象的图象运动。优选目标是人眼的角膜。

Description

球形目标的运动跟踪***

技术领域

本发明涉及一种诊断图象处理，更具体地说，涉及一种用于球形目标表面的定位和运动监视的设备和***，还涉及一种用于检测这种运动和记录所述目标表面的一系列临帧图象帧的方法。

背景技术

任何一种眼科治疗的第一步骤是诊断眼睛的病理和/或刻划其结构特征。在用于病人眼睛的有缺陷视觉校正的折射外科学领域中，重要的是收集有关眼睛的分布状况和厚度测量(pachymetry)的准确信息以及导致视力不好的变形的本性和程度。这些诊断信息的收集通常要求病人与一些类型仪器接合并稳定地观察目标，同时通常通过从几分之一秒～几秒范围内的时间间隔所获得的多重视频图象，获得诊断信息。相对于眼睛的跳阅运动，这是一个相对长的时间期限，是一个在测量顺序期间人们改变他们的凝视所占用的时间。随意或不随意的眼睛运动可能导致具体测量参数被不准确地记录，导致视觉校正不能达到最佳。

发明内容

有鉴于此，本发明人已经发明了一种在诊断程序期间补偿眼睛运动的方式。虽然，将结合监视和补偿病人眼睛运动介绍本发明，可以想象的是，本文所介绍的设备和方法将适用于监视和补偿具有球形或准球形目标表面的任何目标的运动。

本发明的一个实施例涉及一种设备，其对具有球形或准球形表面目标的空间位置进行监视并跟踪其运动。优选的目标是人眼的角膜。该设备包括投射部件，所述投射部件利用至少一个发光元件，将至少四个光点投射在该目标表面上，所述表面上至少两个光点不在一个平面上。此外，一图象俘获部件俘获该目标表面的一系列实时视频帧图象以及在该表面上照亮的光点。一计算部件可操作地与所述图象俘获部件相连。并从图象俘获部件接收图象，将每个照亮光点定位在每帧图象上，确定每帧图象上成像光点之间的关系。所述设备优选具有将四个光点投射在该表面上的四个发光元件；优选包括六个发光元件，用六个相应光点照亮该表面上的部位。根据本发明实施例的设备的优选方面，组/转换部件(banking/switching)与六个发光元件相结合使用，允许六个发光元件种的四个发光元件在角膜表面上在任何指定的瞬间形成光点，当在特殊应用中使用竞争光源时，这一点非常有用，例如，光的扫描缝隙测量角膜厚度测量(pachymetry)。不使用竞争光源的应用，例如光学相干性段层摄影(OCT)和B/C扫描，仅要求四个光点。这种类型的光源不是关键的，可能包括诸如激光二极管、带相关光学调焦的超级发光二极管、或带允许光源被聚焦在目标表面上的光学伴随物的白炽光源。这些光源被设置成平面布置，该平面与所述目标表面的基准轴线垂直，为了便于介绍，优选被监视的眼睛的角膜的光学轴线。在一个图案中，每个光源瞄准人眼角膜，也就是从眼中心至缘分界线的距离的1/3～2/3。该投影图案允许角膜中心免于光散射，这一点可能是非常重要的。如果一个人希望观察角膜中心或穿过眼睛的虹膜。由于角膜的分段的细胞结构，当撞击角膜时，在目标表面上形成光点的每个光束扩散地散射。该散射看上去非常小，在角膜表面上散射光点。光点之间的关系被摄像，在诊断程序的每视频帧期间被俘获。正是这种点关系，允许眼睛运动在空间被跟踪。

在空间中球面的中心通过四个不在同一个平面上的点可以被获得，如果每个点都被定义成x，y和z，这四个点将确定球面空间。如果利用这些点的位置可以确定球面，提供四个光点，并且与基准相比较，然后球面的相对位置可以被确定。根据本发明，为了这种比较，控制图象被建立。当带有四个入射光束的球面图象被成像设备俘获，所获得的图象被处理，对光点进行定位，对连续图象点之间的比较导致点位置差异，发现每帧中人眼运动的大小和方向。随着每帧图象被俘获且点被确定，在临时系列图象帧中的每个图像的补偿矢量被构筑。如果目标向前运动，在图象之间，系列图象上的点将进一步分开。如果目标向上、向下、向左、向右运动，点将相对于运动对称移动。

当图象俘获***俘获这些图象后，它们被发送到计算设备。计算设备确定每个图象上的每个点，然后比较，每个点的运动在每帧中，允许图象被依比例决定、转动和移动，以便准确地重新组装。补偿矢量被构筑并利用，以便将每帧图象逻辑地移动到统一基准帧内，然后补偿视频图象俘获过程期间光源的任何移动。计算设备重新组合所述图象，同时补偿运动变化，允许图象被彼此重新配准，每个球形表面在其中心同心。这将允许沿三个轴线的运动补偿。

本发明提供在共线跟踪***上的鲜明优点。例如，一旦光散射点在表面图象上被确认，补偿矢量很快产生。符合本发明的方法论是独特的、数字的和容易检验的。由于光点不是共线的，每个图象对于被俘获的眼睛是独特的。本发明不依靠光反射表述运动，因而可以轻易地跟踪反射差的角膜。

通过下文所述，本发明的这些和其它优点和目的将变得更加清楚。然而应该理解的是，详细介绍的说明本发明优选实施例的特殊示例仅用于说明本发明，对于本领域技术人员来说，在本发明的精神和范围内，基于说明书、附图和权利要求书，可以进行各种改变和修改。

附图说明

图1是一个示意性说明符合本发明实施例的6个光投射元件和图象俘获元件的视图；

图2a是一个表示符合本发明实施例的极值光投射路径的侧视图；

图2b是一个符合本发明实施例的四光束投射的前视图；

图3是一个类似于图1b的视图，显示了符合本发明实施例的对称6光束投射；

图4是一个在图2所示装置内发生的组合/转换光控制***的三序列说明图；

图5是一个类似于图3的视图，显示符合本发明实施例的另一种6光点布置；

图6是一个说明符合本发明实施例的光传播到目标表面的视图。

具体实施方式

下文将结合附图详细介绍本发明的实施例，在所述附图中，相同的附图标记表示相同的元件。

图1显示了监视病人眼睛的角膜表面104的空间位置且跟踪所述角膜表面104运动的***100的优选实施例。图1也反映了用于诸如眼睛角膜的球形或准球形目标表面的多重图象的图象配准***100。***和设备100通常包括投射元件102(如图2所示)、图象俘获元件120以及被可操作地连接到图象俘获元件120上的计算元件160。如图2a和b所示，投射元件102包括至少一个光发射元件110以及将至少4个光点112a～d投射到表面(球形或准球形)104上的投射元件。如图2(a)的111所示，至少两个光点112将被共面地投射在表面上，这是沿z方向跟踪表面104的运动和位置的必要条件。表面104上至少三个剩余的光点是跟踪表面x-y运动所必须的。

通常，在三维空间内给定4个点(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)，通过解下述行列式，带有表面上这些点的球面的方程式被确立：

\begin{matrix} {| x}^{2} + y^{2} + z^{2} xyzl | \\ | {x_{1}}^{2} + {y_{1}}^{2} + {z_{1}}^{2} x_{1} y_{1} z_{1} l | \\ | {x_{2}}^{2} + {y_{2}}^{2} + {z_{2}}^{2} x_{2} y_{2} z_{2} l | \\ | {x_{3}}^{2} + {y_{3}}^{2} + {z_{3}}^{2} x_{3} y_{3} z_{3} l | \\ | {x_{4}}^{2} + {y_{4}}^{2} + {z_{4}}^{2} x_{4} y_{4} z_{4} l | \end{matrix} = 0

如果通过使用頂行的子式(minors)进行展开，确立行列式，然后，球面的等式可以被写成下述形式：

(x^{2} + y^{2} + z^{2}) \begin{matrix} | x_{1} y_{1} z_{1} l | \\ | x_{2} y_{2} z_{2} l | \\ | x_{3} y_{3} z_{3} l | \\ | x_{4} y_{4} z_{4} l | \end{matrix} - x \begin{matrix} | {x_{1}}^{2} + {y_{1}}^{2} + {z_{1}}^{2} y_{1} z_{1} l | \\ | {x_{2}}^{2} + {y_{2}}^{2} + {z_{2}}^{2} y_{2} z_{2} l | \\ | {x_{3}}^{2} + {y_{3}}^{2} + {z_{3}}^{2} y_{3} z_{3} l | \\ | {x_{4}}^{2} + {y_{4}}^{2} + {z_{4}}^{2} y_{4} z_{4} l | \end{matrix}

+ y \begin{matrix} | {x_{1}}^{2} + {y_{1}}^{2} + {z_{1}}^{2} x_{1} z_{1} l \\ | {x_{2}}^{2} + {y_{2}}^{2} + {z_{2}}^{2} x_{2} z_{2} l | \\ | {x_{3}}^{2} + {y_{3}}^{2} + {z_{3}}^{2} x_{3} z_{3} l | \\ | {x_{4}}^{2} + {y_{4}}^{2} + {z_{4}}^{2} x_{4} z_{4} l | \end{matrix} - z \begin{matrix} | {x_{1}}^{2} + {y_{1}}^{2} + {z_{1}}^{2} x_{1} y_{1} z_{1} l | \\ | {x_{2}}^{2} + {y_{2}}^{2} + {z_{2}}^{2} x_{2} y_{2} z_{2} l | \\ | {x_{3}}^{2} + {y_{3}}^{2} + {z_{3}}^{2} x_{3} y_{3} z_{3} l | \\ | {x_{4}}^{2} + {y_{4}}^{2} + {z_{4}}^{2} x_{4} y_{4} z_{4} l | \end{matrix} +

\begin{matrix} | {x_{1}}^{2} + {y_{1}}^{2} + {z_{1}}^{2} x_{1} y_{1} z_{1} l | \\ | {x_{2}}^{2} + {y_{2}}^{2} + {z_{2}}^{2} x_{2} y_{2} z_{2} l | \\ | {x_{3}}^{2} + {y_{3}}^{2} + {z_{3}}^{2} x_{3} y_{3} z_{3} l | \\ | {x_{4}}^{2} + {y_{4}}^{2} + {z_{4}}^{2} x_{4} y_{4} z_{4} l | \end{matrix} = 0

子式(minors)M_1j

1.1 (x₂+y₂+₂)M₁₁-x M₁₂+y M₁₃-z M₁₄+M₁₅＝0

半径为r且球心为(x₀，y₀，z₀)的球面方程是

1.2 (x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²＝r²

可以将1.2方程重写成

1.3 x²-2xx₀+x₀ ²+y²-2xx₀+y₀ ²+z²-2zz₀+z₀ ²-r²＝0

重新布置方程1.3获得

1.4 x²+y²+z²-2xx₀-2xx₀-2zz₀+x₀ ²+y₀ ²+z₀ ²-r²＝0

重新布置方程1.1获得

1.5 (x₂+y₂+z₂)-xM₁₂/M₁₁+yM₁₃/M₁₁-zM₁₄/M₁₁+M₁₅/M₁₁＝0

利用方程1.4和1.5允许人们求取球面的球心和半径，也就是

x₀＝0.5M₁₂/M₁₁

y₀＝0.5M₁₃/M₁₁

z₀＝0.5M₁₄/M₁₁

r＝(x₀ ²+y₀ ²+z₀ ²)-(M₁₅/M₁₁)

应该理解的是，上述方程不适合M₁₁等于0，这对应于非二次项(x²，y²，z²)，此时，我们不能处理球面，点是共面的或三个点在一条直线上。

参考图2b可以理解本发明的通用设备，4个光发射元件110a～d被共平面设置在壳体113内。发光元件110最好是针式激光器(pin laser)，其发射被投射到目标表面104上的薄、平行光束。如图所示，目标表面104代表具有中心174、虹膜分界线170和缘分界线176的角膜表面。如图2b和图6所示，发光元件110和在角膜表面上相应光点112之间的距离占用极值路径400；也就是在壳体113右下光位置上的发光元件110a沿在目标表面的左上部分形成光点的112a的路径投射光束。同样左上发光元件110d投射射束路径，在目标表面的右下部分形成光点112d。如图6所示，由于撞击所述表面的光束的锐角，这些光源和照射点之间之间最大距离的极值路径在眼睛上产生光点，所述光点是抛物线形状。射束路径的优选角度定向产生从角膜(或其它成像表面)的基质细胞的扩散的反射点(stromalcell)，而不是镜面反射，由于其特性，对目标表面的任何x、y或z运动高度敏感。优选形成在角膜表面上的每个光点相对于例如有限的瞳孔区域很小，如图2b所示，并位于从眼睛的角膜中心位置174至缘分界线176距离的1/2～2/3的位置。

在操作中，角膜表面由扩散地反射的抛物线形光点和诊断时间间隔表示，诸如摄像机的图象俘获设备临时俘获角膜表面的连续图象以及该表面上的光点。一帧图象可以用本领域公知方法进行图象处理，从而建立正在检查的目标的球形基准帧。随着每帧图象被俘获，在帧临时顺序上的每个图象的光点确认、补偿矢量被构筑。由于在检查期间眼睛有意和无意运动，角膜表面上的光点相对位置将移动，新位置将在每个后续图象帧上被获得。正是这种点关系，允许眼睛运动在空间上被跟踪。每个图象上被构造的补偿矢量可以被使用，以便逻辑地将每帧图象移动到基准的统一的中央帧内，从而在视频图象俘获过程期间，补偿任何目标源的运动。每帧图象内的点位置、每帧图象内的不同图像点之间关系的确定由计算元件160和相关的软件实现。一旦每帧图象的球面中心位置x、y。z和半径r被确定，每帧图象可以参考控制图象和彼此相对配准的图象，导致更准确的诊断测量。

在本发明优选方面，参考图1，投射元件102包括6个针式激光器110a～f，它们向角膜表面104投射6束对应光束，在该角膜表面上形成6个对应的扩散光点112a～f。图3显示了该设备的极值路径结构，类似于图2a所示的4光束***，除了位于壳体113的中心上方的发光元件110b向角膜表面的中心下方区域112b投射光束，位于壳体113的中心下方的发光元件110e向角膜表面的中心上方区域112e投射光束之外。如图4所示，光点112a～f被设置成三个大致垂直对，也就是光点112a、d；112b、e；112c、f。

下文首选6个发光元件进行介绍。角膜表面后和前位置以及分布状况在折射外科领域内表示有价值的诊断测量。可以使用某种诊断设备获得该信息，并包括OCT设备和提供某种扫描算法的超声波设备。根据这些设备的操作原理，仅用四个光点就可照亮角膜表面，以便在诊断测量期间监视眼睛的位置和运动。使用这些类型仪器存在下述可以被本领域技术人员理解的缺点，这些对本发明来说没有密切关系的，无需进一步讨论。另一种测量方法在该设备内被使用，在下文被称作竞争光源，以便获得它们的测量数据。例如Orbscan地形测绘***(Bausch&LombIncorporated，Rochester，纽约)利用由往复扫描眼睛且从眼睛上不同表面被反射的激光所产生的光狭缝。这一点在图4中被示意性显示，图4显示了三个顺序图象150’、150”和150，以最左图象为初始图象，角膜表面104由组(bank)A、B和C上的六个光点112表示。如图所示，组A由一对垂直对齐的光点112a、112d构成。组B由一对光点112b、112e构成，组C由一对光点112c、112f构成。在图150’中，激光狭缝300从眼睛右侧开始被投射到角膜表面上。该激光狭缝被反射到前角膜表面(后线300)，也被反射到后角膜表面被显示为曲线302。随着激光狭缝从右向左扫描角膜表面，可以发现，激光狭缝300将与组C的垂直对齐光点112c、112f对齐。稍后，如帧150”所示，激光狭缝300将模糊或与包含光点112b、112e的组B竞争，如帧150所示，随着激光狭缝300完成扫描，组/转换控制(未示)被结合到该设备中，从而，当被竞争光源变得模糊时，任何组或光点对可以被切断。采用这种方式，在整个视频图象俘获期间，总有至少四个光点照亮角膜表面。

图5显示了该实施例另一个优选方面，既没有两个光点也没有任何光点对(组)是垂直对齐的。当激光狭缝300从右到左移动时，首先光点112a变得模糊，组A可以不被激活，从而来自组B和C的四个光点继续照亮角膜表面。同样，下一个将变得模糊的光点是112f，当它被竞争激光狭缝300变得模糊时，组C(112f，112c)可以被关闭，留下组A和B照亮眼睛。

在另一个方面内，从发光元件到其在角膜表面上相应光点的每个传播路径可以具有彼此不同的传播朝向，采用不规则方式照亮角膜表面。

以上已对本发明作了十分详细的描述，所以阅读和理解了本说明书后，对本领域技术人员来说，本发明的各种改变和修改将变得明显。所以一切如此改动和修正也包括在此发明中，因此它们在权利要求书的保护范围内。

Claims

1、一种监视具有球形或准球形表面的目标的空间位置并跟踪其运动的设备，包括：

包括至少一个发光元件的投射部件，其中该投射部件将至少四个光点投射在该表面上，该表面上至少两个光点不在一个平面上；

图象俘获部件，俘获该表面上至少四个光点的临时的多帧图象，其中至少一帧图象是控制图象；以及

可操作地与图象俘获部件相连的计算部件，该计算部件(i)从图象俘获部件接收图象，(ii)将每个光点定位在每帧图象上，(iii)在每帧图象上确定成像光点之间的关系。

2、如权利要求1所述设备，其特征在于：该表面上每个成像光点相对于x轴线、y轴线和z轴线被确定。

3、如权利要求1所述设备，其特征在于：所述投射部件包括至少四个发光元件，该投射部件将四个光点投射在该表面上。

4、如权利要求1所述设备，其特征在于：所述投射部件包括至少六个发光元件，该投射部件将至少四个可识别光点投射在该表面上。

5、如权利要求1所述设备，其特征在于：至少一个发光元件是白炽光源。

6、如权利要求1所述设备，其特征在于：至少一个发光元件是激光

7、如权利要求3所述设备，其特征在于：所述发光元件是激光。

8、如权利要求4所述设备，其特征在于：所述发光元件是激光。

9、如权利要求1所述设备，其特征在于：至少四个光点从一个与所述表面基准轴线垂直的平面被投射。

10、如权利要求1所述设备，其特征在于：至少四个光点被投射到角膜表面上，并从一个与角膜表面的光轴线垂直的平面被投射。

11、如权利要求10所述设备，其特征在于：被投射到角膜表面上的至少四个光点具有一表面面积，其相对于角膜表面的虹膜区域很小，每个光点在一具有一光源的光束内被投射到角膜表面上，所述光源提供从该光源到角膜表面的最大距离。

12、如权利要求11所述设备，其特征在于：角膜表面上的每个光点位于从角膜表面中心到角膜缘分界线的距离的1/2～2/3的位置。

13、如权利要求1所述设备，其特征在于：角膜表面上的每个光点具有抛物线形状。

14、如权利要求1所述设备，其特征在于：所述图象俘获设备是摄像机。

15、如权利要求3所述设备，其特征在于：还包括组/转换***，用于控制所述至少四个发光元件的任何选择的一对发光元件。

16、如权利要求4所述设备，其特征在于：还包括组/转换***，用于控制所述至少六个发光元件的任何选择的一对发光元件

17、如权利要求1所述设备，其特征在于：所述计算部件采用下述方式配准每个图象，也就是每帧图象内的每个球面围绕一基准中心对中同心。

18、如权利要求1所述设备，其特征在于：所述设备自身是一个角膜分布状况设备的部件。

19、一种用于配准运动的球形或准球形目标表面的多重图象的图象配准***，包括：

在固定、相对位置上的至少四个激光点设备，用至少四个相应光点照亮球形或准球形目标表面至少四个不同部位，其中至少一个部位相对于至少其它三个部位不在同一个平面内；

图象检测器，用于俘获球形或准球形目标表面的临时的多帧图象以及至少四个被照亮的位置；

包括软件且可操作地与图象检测器相连的计算部件，基于所俘获的图象帧，确定球形或准球形目标表面的中心位置(x₀，y₀，z₀)和半径r，根据在所俘获的图象上检测到的至少四个部位的每个位置的改变，相对于所述多帧图象中的其它帧图象配准所述多帧图象中的每帧图象。

20、如权利要求19所述***，其特征在于：还包括在固定相对位置保持至少四个激光点设备的壳体。

21、如权利要求19所述***，其特征在于：每个激光点设备和其相应的照亮位置之间的距离是最大距离。

22、如权利要求19所述***，其特征在于：包括在固定相对位置的六个激光点设备，用六个相应光点照亮球形或准球形目标表面的六个不同部位，其中至少一个部位相对于至少其它五个部位不在同一个平面内。

23、如权利要求22所述***，其特征在于：所述激光点设备和相关的6个光点被组成三组对。

24、如权利要求23所述***，其特征在于：还包括组/转换***，用于控制所述激光点设备的任何所选择的一对。

25、如权利要求24所述***，其特征在于：在俘获每帧图象期间，任何两对所选择的激光点设备照亮所述表面。

26、如权利要求19所述***，其特征在于：每个光点是从目标表面的漫反射。

27、如权利要求19所述***，其特征在于：4个不同部位中没有一个部位处于水平或垂直方向上。

28、如权利要求22所述***，其特征在于：6个不同部位中没有一个部位处于水平或垂直方向上。

29、如权利要求19所述***，其特征在于：每个激光点设备沿相对于该目标表面的基准轴线具有一角度朝向的路径投射其各自的光点，该路径不同于任何其它路径朝向。

30、如权利要求19所述***，其特征在于：所述运动的球形或准球形目标表面是病人眼睛的角膜。

31、如权利要求19所述***，其特征在于：该***自身是眼诊断***的组成部分。

32、如权利要求31所述***，其特征在于：该眼诊断***是角膜分布状态测量***。

33、如权利要求32所述***，其特征在于：所述角膜分布状态测量***是狭缝扫描***。