用于获取数据以及对准和跟踪眼睛的系统和方法

专利名称：用于获取数据以及对准和跟踪眼睛的系统和方法
技术领域：
本发明大体涉及眼睛的诊断和治疗领域，尤其涉及用于获取患者眼睛的数据的系 统和方法，和用于在诊断和治疗期间对准和跟踪眼睛的系统和方法。
背景技术：
W001/78584 A2公开了眼睛配准和正视对准控制系统以及相应的方法。用于矫正 眼睛手术的定向系统包括照相机和软件，所述照相机用于使用预定的眼睛特征执行映射患 者眼睛的第一图像，所述软件用于处理所述第一图像映射以确定所述特征的边缘位置。患 者在不同的位置时执行第二图像映射。处理所述第二图像映射以定位所述特征。作为选 择，使用笔在眼睛上画两个对准标记。患者在另一位置时成像所述眼睛，并且显示所述图 像。软件将图形标度叠加到所述眼睛图像上，所述图形标度可移动，从而与所述两个对准标 记对准。在两种情况下，当患者在第二位置时软件也计算方向变化，该方向变化将被应用于 将在眼睛上执行的手术过程的矫正规定。 在US2002/0097378 Al中描述了用于瞳孔测量的装置和方法以及屈光矫正装置。 所述瞳孔测量装置包括用于获得眼球图像的摄像机。它进一步包括用于计算眼球的瞳孔的 位置和扭转的处理单元和用于输出计算出的位置和扭转角的指示单元。结果可以被用于在 屈光性激光手术过程中自动调整。更具体而言，中心位置运算设备确定瞳孔的中心位置，该 中心位置与瞳孔的参考位置比较。而且，扭转角运算设备接收经历滤波和极坐标/正交坐 标转换的图像数据。在该单元中，被接收的图像数据与之前存储的眼睛的图像数据相关。通 过关于旋转轴使被存储的数据旋转通过预定的旋转角，使用互相关函数为多个旋转角中的 每一个计算出相关角。相关值最大时计算出的旋转角的数值被作为扭转角。
W002/064031 A2涉及用于眼睛的诊断和治疗的多维眼睛跟踪和位置测量系统。更 具体而言，从成像设备获得的图像被处理以通过确定眼睛上自然的或人工的标志的位置来 测量眼睛的水平、垂直和扭转位置，除了其它的之外，所述标志例如包括瞳孔，虹膜结构，虹 膜/异色边缘(limbus border)，血管，应用的标记物/标记，照明的反射，角膜的LASIK瓣 边缘，以及角膜上的激光应用标记。通过周期性地矫正由瞳孔扩张或其它因素引起的瞳孔 中心偏移而获得与瞳孔大小无关的跟踪。该矫正依靠诸如异色边缘这样的参考点的平行跟 踪而实现，人们知道在手术期间所述参考点相对于角膜是固定的。依靠眼睛上的至少两个 不同的标志的配准来执行扭转眼睛跟踪。在初始化步骤中，为了确定用于配准的合适标志 而获取和分析参考图像，这样的参考点作为图像模板与它们相对于瞳孔中心的位置一起被 存储。在跟踪步骤中，依靠互相关技术在引入的图像中搜索每个参考点的模板。参考图像 和当前图像之间的扭转由参考模板和对应模板的旋转矩阵的最佳最小二乘逼近计算。

发明内容
本发明的目的是提供用于获取眼睛的数据的系统和方法以及用于参考眼科单元 对准和跟踪眼睛的系统，所述眼科单元用于执行眼睛的诊断或治疗，所述眼科单元不需要 角膜的标记，更精确和快速，并且提供额外的安全特征。
权利要求的特征实现了该目标。 根据本发明的第一方面，提供了用于获取患者的眼睛数据的系统以及相应的方 法，所述系统包括用于获取眼睛的诊断数据的诊断单元和用于获取眼睛的虹膜编码的虹膜 识别单元。 根据本发明的另一方面，提供了用于参考眼科单元对准和/或跟踪患者的眼睛的
系统以及相应的方法，所述眼科单元用于执行眼睛的诊断和/或治疗，其中所述系统包括
用于提供先前获取的眼睛的虹膜编码的装置，用于获取被研究的眼睛的虹膜编码的虹膜识
别单元，和用于比较先前获取的虹膜编码和当前的虹膜编码以提供比较结果的比较器，其
中当所述比较结果大于识别确定水平时所述眼科单元执行眼睛的诊断和/或治疗。 尤其适用于根据本发明的第一和第二方面的系统与方法的虹膜识别单元包括用
于获取眼睛的图像的图像采集单元，用于在眼睛图像的多个位置确定虹膜信息的图像处理
单元，和基于在眼睛图像的多个位置确定虹膜信息而生成虹膜编码的生成单元。 基本上，本发明能够执行人眼的虹膜识别，所述虹膜识别以两种方式被用于眼睛
的诊断或治疗，尤其用于屈光性激光治疗。具体而言在屈光性激光治疗中，本发明首先提供
了虹膜的"指纹"，该指纹被用来跟踪患者眼睛中的旋转和瞳孔中心位移以用于对准激光切
除图案(pattern)。本发明具体地适合于补偿在诊断测量和激光治疗之间发生的眼睛旋转，
所述诊断测量使用诸如Zywave像差仪这样的诊断单元，在诊断时患者端坐，当患者平躺时
执行激光治疗。本发明进一步补偿瞳孔被扩张时Zywave像差仪的诊断测量和瞳孔未被扩
张时的激光治疗之间的瞳孔中心位移。两个定位参数被认为对定制治疗的临床结果具有显
著影响。当虹膜识别特征被加入到任何诊断数据时，本发明进一步提供了增加的安全特征，
从而尤其例如被用于治疗患者的左眼对右眼的错误诊断的可能性被消除。 而且，本发明通过使用眼睛跟踪照相机提供了眼睛的精确的、快速的和可靠的对
准和/或跟踪，所述眼睛跟踪照相机以从120Hz至240Hz或360Hz的采样速率工作，从而明
显地提高了整个补偿系统的总体反应时间。 根据本发明的一个优选实施例，眼睛的对准/跟踪在所有可能的维度中被执行， 尤其是沿着X和Y轴，旋转方向，或者关于Z轴，即在高度方向。 本发明的技术，尤其是虹膜识别特征，可以被用于完整的眼科领域，以将每个个体 患者特定的虹膜信息存储在"患者诊断芯片卡"上。无论何时用眼科器械检查或治疗患者， 通过用系统中根据本发明的虹膜识别单元分析虹膜结构，所述虹膜编码可以被用来识别个 体并且上载或存储所有的患者相关信息。 本发明提供了胜过现有技术的以下优点。不需要角膜的标记。因为计算的虹膜分 析而可获得旋转的更精确的识别。本发明允许更快的手术程序。本发明因虹膜识别而增加 了额外的安全性。


将通过参考优选实施例和附图进一步具体地描述本发明，其中
图1是本发明的第一优选实施例的示意图，禾口
图2是本发明的第二优选实施例的示意图。
具体实施例方式
用于获取患者眼睛的数据的系统的一个优选实施例在图1中被显示。如示意图中 所示，该系统基本上包括作为图像采集单元12的照相机，该图像采集单元用于获取眼睛10 的图像。这些图像在图像处理单元14中被处理，所述图像处理单元用于在眼睛的图像的多 个位置确定虹膜的结构。生成单元16从图像处理单元14接收被处理的数据并且生成虹膜 编码，该虹膜编码被提供给输入/输出设备20。该系统进一步包括诊断单元18，该诊断单 元从图像采集单元12接收图像。作为诊断单元，Zywave像差仪(波前高阶像差仪)可以 被用于眼睛的诊断测量。在该优选实施例中，所述输入/输出设备被提供用于读和写患者 的芯片卡22。 在后面，参考一个特定实施例描述了该系统的功能。为了执行诊断测量而使用 Zywave像差仪。开始，为端坐在照相机12前面的患者拍摄例如五幅未扩张眼睛的图像。为 了诊断测量，五幅图像中的三幅可以被用来计算平均波阵面。为了虹膜识别，可以根据后面 标准中的一个或两个选择这五幅图片中的一个。当拍摄图像时眼睛不移动和/或选择眼睛 睁开到最大尺寸的图像。使用摄像机是可能的，该摄像机优选地作为图像采集单元工作在 红外区，其获取连续的图像或用于每个图像的两个半部图片。通过比较所述连续图像或者 每个图像的两个半部图片，可以确定眼睛是否存在任何移动。而且，可以根据存在于图像中 的虹膜的面积的比较而选择所述图像。为了识别异色边缘和为了识别虹膜的全部或至少大 部分，待诊断的眼睛优选尽可能地宽。根据一个优选的实施例，虹膜的至少50%应当存在于 图像中。 根据本实施例，图像处理单元在多个位置确定虹膜的结构，优选地在虹膜的大约 1， 000-大约10， 000个位置，更优选地在虹膜的大约2， 000-6， 000个位置，在一个优选实施 例中在虹膜的大约4， 000个位置。在每一个这些位置，至少两个像素，优选地至少两组像素 被比较。具体而言，在该实施例中像素的灰度值可以处于0-127之间。每个像素的灰度值或 者像素组的各自平均灰度值被比较。如果例如两个相邻的像素或者两个相邻的像素组关于 它们的灰度值进行比较，那么在特定位置左侧像素的灰度值可能大于右侧像素的灰度值。 该比较的结果可以作为二进制值"O"给出。另一方面，如果参考一个特定位置，右侧像素的 灰度值比左侧像素的灰度值暗，那么比较结果将为"1 "。在优选实施例中，在虹膜的一个选 择位置进行后面的比较。在任何位置，位于围绕选择位置的内环中的像素，位于围绕所述内 环的中环中的像素，和位于围绕所述中环的外环中的像素被研究以用于该比较。而且，基于 笛卡尔坐标系的X轴之上和之下的像素以及Y轴左侧和右侧的像素可以被比较，在所述笛 卡尔坐标系中点0-0对应于所述选择位置。具体而言，内环中像素的平均灰度值首先可以 与中环中像素的平均灰度值比较以获得第一二进制数值。然后内环中像素的平均灰度值可 以与外环中像素的平均灰度值比较以获得第二二进制数值。然后，内环中像素的平均灰度 值可以与内环和外环中像素的平均灰度值比较以获得第三二进制数值。而且，位于内环和中环中的像素的平均灰度值可以与位于外环中的像素的平均灰度值比较以获得第四二进 制数值。而且，X轴之上的像素的平均灰度值与X轴之下的像素的平均灰度值比较。类似 地，Y轴右侧的像素的平均灰度值与Y轴左侧的像素的平均灰度值比较。因此，在每个选择 位置总共确定了六个二进制数值。每个单独位置的这六个二进制数值可以具有下面的格式 "110011"， " 111001 "， " 100011"和类似的格式。 在本发明的一个优选实施例中，虹膜上的所述位置以一种图案的形式被布置。对 于理想的情况，眼睛的瞳孔是圆形的并且位于虹膜的中心。而且，虹膜/异色边缘是圆形的 并且其中心与瞳孔的中心相同。因此，对于理想的情况，从虹膜/瞳孔边缘的任何点开始至 虹膜/异色边缘的相应点的径向线的长度总是相同的。对于这样的理想情况，图案的一个 例子可以具有布置在多个以角度间隔的径向线上的多个位置，其中在虹膜/瞳孔边缘和虹 膜/异色边缘之间的每个径向线上选择间隔位置。因而，那些位置可以被布置在虹膜区域 内的多个圆环上。径向线之间的角距离优选地相等。圆环之间的距离优选地相等，使得径 向线上的位置距离相等。 用于眼睛的理想情况的这样的参考图案将形成用于真实眼睛的任何分析的基础， 在真实眼睛中虹膜/瞳孔边缘可以是非圆形的，虹膜/异色边缘可以是非圆形的，并且虹膜/ 瞳孔边缘的中心可以偏离虹膜/异色边缘的中心。对于这样的真实眼睛，参考图案将以一种 方式被定标，使得可以不考虑瞳孔的大小，尤其不考虑眼睛是否被扩张而比较在多个位置 的虹膜的结构。优选地，基于虹膜/瞳孔边缘的某个点与虹膜/异色边缘的相应点之间的 距离信息执行所述图案的定标(scaling)。 特别地，对于具有小瞳孔以及大面积虹膜的未扩张的眼睛，用于研究的这样的区 域可以具有环结构。另一方面，对于扩张的眼睛，瞳孔变大并且虹膜的面积相应地变小。异 色边缘的环总是相同的。在该分析中，不得不考虑瞳孔的中心对于未扩张的眼睛和扩张的 眼睛可以是不同的。因而，围绕所述图案的某个位置的研究区域的多个位置和形状对于扩 张的和未扩张的眼睛是不同的，即圆环可能对应于椭圆环。 优选地，必须为每个选择位置单独地进行所述定标。根据该原则，对于扩张的眼睛 连接瞳孔的外边缘上的点和异色边缘上的相应点的线的长度与对于未扩张的眼睛的所述 长度之间的关系被当作定标因数。根据一个例子，从虹膜/瞳孔边缘的中心和虹膜/异色 边缘的中心引出的两个箭头平行，并且与虹膜/瞳孔边缘和虹膜/异色边缘相交的点被所 述线连接。 根据本发明的一个优选实施例，在980个位置的结构被分析以用于确定虹膜的结 构的一致性。进一步的980个位置被用于确定灰度值的变化有多大。为了另一频率的变化 而重复两种分析，所述频率的变化与灰度值的差异有关。因而总共分析了 3，920个位置。
图像处理单元14通过分析布置在所述图案中的所述位置提供图像数据。所述图 像数据被提供给生成单元16。生成单元16参考从被研究的眼睛获得的位置数据提供虹膜 编码。上述系统中的数字虹膜编码将具有3，920个字码，每个字码具有六个二进制位，例如 "110011 "， " 111001 "， " 100011"和类似的表示。该数字虹膜编码对于任何人的任何眼睛是 唯一的，并且可以用于个体的识别。数字虹膜编码可以以至少一个矩阵的形式被布置。该 矩阵可以与用于选择虹膜的多个位置的图案相关。 在图1的系统中，Zywave像差仪18的诊断数据和数字虹膜编码被提供给输入/输出设备20。在一个优选的实施例中，这些数据与参考位置数据一起被存储在用于患者的芯 片卡上。所述数据可以用在以后患者的各个眼睛的诊断或治疗中。 图2显示了本发明的第二优选实施例的示意图，该实施例包括激光器32，控制装 置34和扫描装置36。它进一步包括图像采集单元12，图像处理单元14，图像生成单元16， 和输入/输出设备2。另外，提供了第二图像采集单元。两个图像采集单元12和13被布置 成这样一个角度，使得可能沿Z轴方向跟踪，这将在下面进行论述。 图2中所示的实施例仅仅是一个例子，然而本发明可以与任何类型的眼科单元一 起使用以用于执行眼睛的诊断和/或治疗。 在眼睛的诊断或治疗开始时，以与参考图1中所示的实施例所描述的方式相同的 方式生成数字虹膜编码。该数字虹膜编码被提供给作为所述控制装置34的一部分的比较 器，该比较器比较数字虹膜编码和存储在存储装置中的先前获取的虹膜编码。在所示的实 施例中先前获取的虹膜编码依靠输入/输出设备22从芯片卡24载入。基于相关处理，当 前的虹膜编码和先前获取的虹膜编码被比较。基于该比较结果判断被研究的眼睛是否等同 于先前被诊断的眼睛。如果识别被确认，根据本发明的系统将执行眼睛的进一步诊断和/ 或治疗，否则相应的信息将被输出和/或将不会执行任何诊断和/或治疗。
当比较当前的数字虹膜编码和先前获取的虹膜编码时，两种编码必须针对多个相 对旋转位置进行比较。在一个优选的实施例中，当前的虹膜编码和在诊断位置获得的虹膜 编码都被修改单元重新计算，使得在优选的+/_14°的旋转范围内的每一个可能旋转位置 获得一个数字虹膜编码。假设在每度计算三个位置，那么基于28。的范围的计算总共可以 有84个旋转位置。换句话说，代表在诊断位置获得的数字虹膜编码的单一矩阵可以与基于 当前的数字虹膜编码计算的84个矩阵中的每一个进行比较。实际上，与一个个体的眼睛的 拍摄图像的84个旋转位置对应的84个不同的矩阵可以被看作是与在诊断位置获得的矩阵 相比较的84个不同的人的眼睛。确定单元确定所述当前的虹膜编码和在相对旋转的预定 范围上正在被修改的所述先前获取的虹膜编码之间的最高相关性。 根据本发明，在先前获取的矩阵中和在当前的矩阵中，即对应于治疗位置的数字 虹膜编码的矩阵和先前存储在系统中的任何矩阵，至少62 %的所有二进制数值彼此对应， 在此处获得错误匹配可能性。
旋转对准 基于虹膜识别单元的特征执行诊断数据和/或相应治疗数据的旋转对准。当比较 从被研究的眼睛获取的当前数字虹膜编码和先前获取的虹膜编码时，对多个不同的旋转位 置执行相关处理。显示当前数字虹膜编码和被旋转的数字虹膜编码之间的最佳匹配的结果 被用来确定在治疗位置的眼睛相对于在诊断位置的眼睛的旋转偏移。用于旋转偏移的该值 被用于眼科单元的旋转对准。换句话说，诊断数据和/或各自的治疗数据参考眼睛的当前 位置。 在治疗位置，个体通常躺在治疗激光器下方的床上。在该情况下眼睛关于个体所 坐的位置旋转地移动。因此，从Zywave像差仪的波阵面信息导出的任何切除图案需要对应 于所述旋转位移被对准。另外，X-Y位移通常取决于在治疗位置的瞳孔的大小而存在。因 此，切除图案的位置的平移矫正和旋转矫正被执行。因而，从芯片卡24获得的数据包括数 字虹膜编码，X-Y位移和眼睛的旋转位置信息。它进一步包括Zywave像差仪的波阵面信息。在用于执行屈光手术的激光系统中，相应的治疗图案被计算。该治疗图案必须被应用到角 膜，即受激准分子激光器32的激光束在带有扫描装置36的控制装置34的控制下被引导到 眼睛的正确位置。为了在治疗期间适应患者的眼睛的任何移动，X-Y跟踪器38被使用。该 X-Y跟踪器从第二照相机13接收图像。在一个优选的实施例中，第二照相机13比第一照相 机12更快，而第一照相机12具有更高的分辨率。 依靠X-Y眼睛跟踪，在屈光手术期间应用的切除图案在某个范围内追随着眼睛的 移动。如果眼睛移动超出该范围，那么激光治疗将自动被中断。 被布置成一个角度的两个图像采集单元12和13的存在提供了在Z轴方向(即在
高度方向)跟踪眼睛的附加特征。两个图像采集单元以这样的方式被布置，使得从第一图
像采集单元12获取的图像和从第二图像采集单元13获取的图像将仅仅在待治疗的眼睛的
某个高度位置匹配。该特征允许在治疗期间沿着Z轴观察眼睛的所述高度位置。另外外科
医生可以在开始治疗前使用用来调整患者的传统装置。这 样的传统系统可以包括两个激光
束，即红光激光束和绿光激光束，这两个激光束在该系统的Z轴上的某一点相交。该实施例
所提供的优点在于，通过连续地检验从第一和第二图像采集单元获取的两个图像之间的匹
配， 一旦患者移动头部从而眼睛不再处于正确的高度位置，就自动中断治疗。 可以在这里所描述的任何单独特征中理解本发明。本发明的优选实施例是基于单
独特征的组合或者这里所描述的单独特征组的组合。本发明的范围并不局限于这里所述描
述的优选实施例。
权利要求
用于参考眼科单元对准和跟踪患者眼睛的方法，所述方法包括提供先前获取的患者眼睛的虹膜编码，使用第一图像采集单元获取眼睛的图像；以及使用比较装置，通过比较在待研究的眼睛的多个位置的相邻处或者中的至少两个单独像素的灰度值来获取虹膜编码，作为当前虹膜编码，以及使用比较器比较当前虹膜编码和先前获取的虹膜编码，并提供比较结果；及根据所述比较结果是否大于识别确定水平，确定该当前虹膜编码和该先前获取的虹膜编码是否用于同一眼睛。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括使用所述比较器执行所述当前虹膜编码和所述先前获取的虹膜编码之间的相关性，其 中，所述当前虹膜编码与第一旋转位置相关，以及所述先前获取的虹膜编码与第二旋转位 置相关；使用修改单元，修改所述当前虹膜编码和/或所述先前获取的虹膜编码，使得第一旋 转位置和第二旋转位置之间的相对位置被改变；以及使用确定单元，确定在相对旋转的预定范围上被修改的所述当前虹膜编码和所述先前 获取的虹膜编码之间的最高相关性。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，通过对应于当前虹膜编码和先前获取的虹膜编 码之间的最高相关性的旋转位移，将待研究的眼睛与眼科单元对准。
4. 根据权利要求1到3中任意一个所述的方法，还包括使用处理单元，确定待研究的眼 睛的瞳孔中心的坐标，其中，所述瞳孔中心的当前坐标被用于参考眼科单元来对准和跟踪 眼睛。
5. 根据权利要求1到3中任意一个所述的方法，其中所述第一图像采集单元具有高分 辨率，用于将眼睛的图像提供给虹膜识别单元，还包括使用第二图像采集单元，提供图象用 来参考眼科单元跟踪眼睛。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一和所述第二图像采集单元被布置成彼 此成一个角度，使得获取的眼睛的各个图像在待研究的眼睛的预定高度位置处相匹配。
7. 用于根据权利要求1到6中任意一个的方法的虹膜识别方法，包括 使用图像采集单元，获取眼睛的图像；使用图像处理单元，确定在眼睛图像的多个位置处的虹膜信息；以及 通过比较在所述多个位置的相邻处或者中的至少两个单独像素的灰度值，根据在所述眼睛图像的所述多个位置处的所述虹膜信息，使用还包括有比较装置的生成单元，生成虹膜编码。
8. 根据权利要求7所述的方法，还包括确定虹膜/瞳孔边缘和/或虹膜/异色边缘， 其中，所述图像处理单元根据虹膜/瞳孔边缘相对于虹膜/异色边缘的相对位置来确定所述多个位置。
9. 根据权利要求8所述的方法，还包括根据虹膜/瞳孔边缘的中心点相对于虹膜/异 色边缘的中心点的偏移，和/或从虹膜/瞳孔边缘的特定点开始到虹膜/异色边缘的相应 点结束的径向线的长度，计算所述虹膜/瞳孔边缘相对于所述虹膜/异色边缘的所述相对 位置。
10. 根据权利要求7到9中任意一个所述的方法，还包括使用该比较装置，比较在所述 多个位置的每个相应位置处的相邻处或其中的至少两个单独像素的灰度值。
11. 根据权利要求IO所述的方法，其中，所述比较装置比较位于下列区域至少之一中 的像素的灰度值围绕特定位置的内环、围绕所述内环的中环、围绕所述中环的外环、通过 所述特定位置的水平轴的上方和下方的区域以及垂直轴的左侧和右侧的区域。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述比较装置将所述区域之一内的像素的平 均灰度值与相邻区域内的像素的平均灰度值进行比较，并且根据各个平均灰度值的差异大 于还是小于阀值，为每次比较提供二进制结果。
13. 根据权利要求10所述的方法，还包括在所述生成单元接收作为一组二进制数值的 比较结果，以及通过按照与用于图像处理单元中的相对位置相对应的预定顺序来设置所述 二进制数值组，提供所述虹膜编码。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，接收的该组二进制数值对于每个特定位置为 六个二进制数值。
15. 根据权利要求13所述的虹膜识别单元，其中，所述虹膜编码包括至少一个矩阵形 式的所述二进制数值组。
全文摘要
提供一种用于参考眼科单元对准和/或跟踪患者的眼睛的系统以及相应的方法，所述眼科单元用于执行眼睛的诊断和/或治疗。所述系统包括用于提供先前获取的眼睛的虹膜编码的装置，用于获取被研究的眼睛的虹膜编码的虹膜识别单元，和用于比较先前获取的虹膜编码和当前的虹膜编码以提供比较结果的比较器。当所述比较结果大于识别确定水平时所述眼科单元执行眼睛的诊断和/或治疗。
文档编号A61B3/14GK101692979SQ20091021150
公开日2010年4月14日 申请日期2004年3月31日 优先权日2003年4月11日
发明者卡伦·比约恩 申请人:博士伦公司;