專(zhuān)利名稱(chēng)：兩攝象機(jī)偏軸線眼跟蹤器的制作方法
發(fā)明的背景本發(fā)明總的涉及眼睛的測(cè)量，更具體地涉及提供在激光眼外科手術(shù)中測(cè)量眼的位置的方法、系統(tǒng)和裝置。
激光基的系統(tǒng)現(xiàn)在用在對(duì)角膜組織進(jìn)行的眼外科手術(shù)中以糾正視力缺陷。這些系統(tǒng)使用激光以達(dá)到要求的角膜形狀的改變，激光使用稱(chēng)為部分切除的光分解技術(shù)除去薄層的角膜組織。激光眼外科技術(shù)在一些程序中很有用，如光折射角膜切除術(shù)、光治療角膜切除術(shù)、原地激光角膜手術(shù)(Laser in situ Keratomileusis)等。
跟蹤或跟隨病人眼睛的運(yùn)動(dòng)的能力被認(rèn)為是激光外科手術(shù)系統(tǒng)要求的特點(diǎn)。眼的運(yùn)動(dòng)包括主動(dòng)運(yùn)動(dòng)及非主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。換言之，即使當(dāng)病人被穩(wěn)定地夾持固定在一個(gè)可見(jiàn)的目標(biāo)上，仍然有眼的運(yùn)動(dòng)。已經(jīng)提出了在激光眼外科手術(shù)中跟蹤眼的運(yùn)動(dòng)來(lái)避免企圖使眼睛不動(dòng)的不舒適的結(jié)構(gòu)?！案櫋笨梢蕴岣咭阎募す庋弁饪剖中g(shù)程序的水平和可便于進(jìn)行新的程序，如進(jìn)行對(duì)不規(guī)則的散光的治療。
已經(jīng)提出了許多結(jié)構(gòu)和技術(shù)來(lái)進(jìn)行跟蹤眼的運(yùn)動(dòng)及把激光束掃描經(jīng)過(guò)角膜組織。在1999年8月2日提交的共同未決的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)系列號(hào)No.09/365428中說(shuō)明了一種實(shí)例的線性陣列的眼跟蹤系統(tǒng)和方法，該文件結(jié)合作為本申請(qǐng)的參考。在US 5 865 832、5 632 742和4 848 340中說(shuō)明了特別用于激光眼外科手術(shù)的跟蹤一個(gè)眼睛的運(yùn)動(dòng)的其它一些系統(tǒng)。這些文件也結(jié)合作為本申請(qǐng)的參考。
在歐州專(zhuān)利申請(qǐng)628298中說(shuō)明了一種舉例的選擇地部分切除和刻切角膜組織的“偏轉(zhuǎn)成象”的掃描系統(tǒng)，該文件也結(jié)合作為本申請(qǐng)的參考。該偏轉(zhuǎn)的成象系統(tǒng)允許比較大的光束精確地對(duì)準(zhǔn)角膜組織的表面以便減輕近視、遠(yuǎn)視、散光和這些眼的缺陷的結(jié)合，特別是當(dāng)掃描或偏轉(zhuǎn)成象系統(tǒng)與一個(gè)或多個(gè)可變的孔結(jié)合使激光束有一定的形狀。如在共同未決的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)系列No.09/274499(在1999年3月23日提交，名稱(chēng)為“多光束的刻切系統(tǒng)和方法”)，該對(duì)比文件也結(jié)合作為本發(fā)明參考。激光束可按要求分成多個(gè)光束來(lái)減小鄰近切除邊緣的不連續(xù)性。在美國(guó)專(zhuān)利No,5 556 395；5 683 379；5 391 165和5 637 109中公開(kāi)了其它的掃描系統(tǒng)，這些專(zhuān)利結(jié)合作為本發(fā)明的對(duì)比文件。
雖然已知的掃描系統(tǒng)已經(jīng)證明對(duì)刻切角膜以改善視力是有效及安全的，與本發(fā)明相關(guān)的工作已表明在已知的激光眼外科手術(shù)系統(tǒng)中結(jié)合眼跟蹤能力有重要的挑戰(zhàn)。例如，已知的激光眼外科系統(tǒng)常包括與激光傳送系統(tǒng)同軸并有共同的光學(xué)元件的光學(xué)成象通道。雖然已預(yù)先研究使用成象為基的跟蹤系統(tǒng)，該共有的光學(xué)通道可限制可得到的成象對(duì)比度，和跟蹤安排的有效性。
如上所述，要求提供改進(jìn)的激光眼外科手術(shù)系統(tǒng)，裝置和方法。也要求提供改進(jìn)的眼跟蹤技術(shù)，特別用于激光眼外科手術(shù)，該跟蹤器理想地提供眼沿著光軸線的位置有關(guān)的橫向跟蹤和信息。如果這些改進(jìn)提供改進(jìn)的跟蹤有效性和允許理想地不必要改變激光傳輸系統(tǒng)而把眼跟蹤能力結(jié)合到已知的眼外科手術(shù)系統(tǒng)。則是特別有利的。
發(fā)明的概述本發(fā)明提供了改進(jìn)的激光眼外科手術(shù)和/或眼跟蹤系統(tǒng)、方法和裝置。本發(fā)明使用兩個(gè)圖象捕獲裝置，兩個(gè)圖象捕獲裝置設(shè)成與眼的光軸線和/或任一激光傳輸系統(tǒng)的光軸線偏開(kāi)。這使得在使用紅外成象跟蹤眼的瞳孔時(shí)，提高了如具有電荷耦合器件(CCD)的攝象機(jī)的圖象捕獲裝置的成象對(duì)比度。該兩個(gè)偏軸的攝象機(jī)可以獨(dú)立地使用來(lái)跟蹤瞳孔沿著眼的正交的軸向軸線的運(yùn)動(dòng)(常稱(chēng)為X-Y跟蹤)，和也可指示眼沿著光軸線或Z軸線的位置。
按照本發(fā)明的第一方面，提供了一種刻切眼的角膜組織以使病人的視力達(dá)到要求的改變的裝置，所選的裝置包括一個(gè)有選擇地把能量流向角膜組織傳輸?shù)哪芰總鬏斚到y(tǒng)。第一和第二圖象捕獲裝置方向?qū)χ?。一個(gè)處理器把圖象捕獲裝置和能量傳輸系統(tǒng)連接起來(lái)。能量傳輸系統(tǒng)響應(yīng)第一圖象捕獲裝置傳感的眼的運(yùn)動(dòng)使沿著第一軸線的能量流橫向偏轉(zhuǎn)。能量傳輸系統(tǒng)也響應(yīng)第二圖象捕獲裝置傳感的眼的運(yùn)動(dòng)使沿著第二軸線的能量流橫向偏轉(zhuǎn)。
能量流常常限定一個(gè)處理軸線，眼一般分別在第一和第二圖象捕獲裝置的第一和第二視場(chǎng)內(nèi)。這些視場(chǎng)優(yōu)選地是與處理軸線有角度偏移，典型地是相互繞處理軸線沿圓周偏開(kāi)，常常偏開(kāi)約90°。
其中第一圖象捕獲裝置用來(lái)測(cè)量眼沿著眼的X軸線的運(yùn)動(dòng)，第一圖象裝置優(yōu)選地設(shè)成沿著X-Z平面和與Y-Z平面有角度偏轉(zhuǎn)。類(lèi)似地，第二圖象捕獲裝置用來(lái)測(cè)量眼沿著眼的Y軸線的運(yùn)動(dòng)，第二圖象裝置優(yōu)選地設(shè)成沿著Y-Z平面和與X-Z平面有角度偏轉(zhuǎn)。第一和第二圖象捕獲裝置典型地在10°-70°的范圍內(nèi)，偏轉(zhuǎn)角為約15°-65°，優(yōu)選地為約20°-50°，更優(yōu)選地為約25°-45°。在一個(gè)舉例實(shí)施例中偏轉(zhuǎn)角為約27°。
在另一方面，本發(fā)明提供了一種傳感眼的運(yùn)動(dòng)的裝置，所述的眼有一個(gè)光軸線和第一和第二橫向光軸線，所述的裝置包括一個(gè)第一跟蹤器，所述的第一跟蹤器包括第一圖象捕獲裝置和第一處理器模件。所述的第一圖象捕獲裝置沿著一個(gè)第一成象軸線指向眼。所述的第一成象軸線與所述的光軸線有一個(gè)角度偏開(kāi)，所述的第一處理器模件產(chǎn)生一個(gè)第一信號(hào)指示眼相對(duì)第一成象軸線的橫向運(yùn)動(dòng)。一個(gè)第二跟蹤器包括第二圖象捕獲裝置和第二處理器模件。第二圖象捕獲裝置沿著一個(gè)第二成象軸線指向眼。第二成象軸線與光軸線有一個(gè)角度偏開(kāi)。第二處理器模件產(chǎn)生一個(gè)第二信號(hào)指示眼相對(duì)第二成象軸線的橫向運(yùn)動(dòng)。
一個(gè)第三處理器模件可與第一和第二處理器相連。第三處理器模件從第一和第二信號(hào)計(jì)算眼相對(duì)第一和第二橫向光軸線的橫向位移，這允許計(jì)算沿著光軸線的運(yùn)動(dòng)。
在另一方面，本發(fā)明提供了傳感眼的運(yùn)動(dòng)方法。眼有一個(gè)光軸線和第一和第二橫向軸線。所述的方法包括用第一圖象捕獲裝置傳感眼沿著第一橫向軸線的運(yùn)動(dòng)。第一圖象捕獲裝置設(shè)成沿第一圖象通道，而與光軸線偏開(kāi)。用第二圖象捕獲裝置傳感眼沿著第二橫向軸線的運(yùn)動(dòng)，第二圖象捕獲裝置設(shè)成沿成第二圖象通道，而與光軸線偏開(kāi)，第二成象通道相對(duì)于第一成象通道相對(duì)光軸線作周向的位移。
優(yōu)選地，一激光能圖案指向眼使得眼的光學(xué)特點(diǎn)有要求的改變。激光能可響應(yīng)來(lái)自第一第二圖象捕獲裝置傳感的眼的運(yùn)動(dòng)作橫向位移，以使眼運(yùn)動(dòng)時(shí)，能增加在激光能圖案和眼之間的對(duì)準(zhǔn)。眼沿著光軸線的位置和/或運(yùn)動(dòng)可使用來(lái)自第一和第二圖象捕獲裝置的信息計(jì)算。在一些實(shí)施例中，眼運(yùn)動(dòng)傳感系統(tǒng)和/或激光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)不會(huì)足夠迅速地運(yùn)動(dòng)以跟隨眼的最遠(yuǎn)的主動(dòng)或跳躍的運(yùn)動(dòng)，但將有效地跟蹤眼的運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的速度在視覺(jué)固定時(shí)，與眼的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。另外的實(shí)施例可提供足夠跟蹤大多數(shù)和/或全部眼運(yùn)動(dòng)(包括眼的跳躍運(yùn)動(dòng))的性能，這些高性能系統(tǒng)常包括具有高取樣率的圖象捕獲裝置。
附圖的詳細(xì)說(shuō)明

圖1是裝有本發(fā)明的正交的外科手術(shù)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化的方框圖。
圖2是圖1的系統(tǒng)的激光傳輸光軸線和跟蹤成象軸線的簡(jiǎn)化的透視圖。
圖3是在圖2的激光傳輸系統(tǒng)中用的實(shí)例的掃描機(jī)構(gòu)的操作。
圖3A、3B、4示出圖3的掃描機(jī)構(gòu)的操作。
圖5示意地示出傳感眼沿著眼的第一軸線或X軸線的運(yùn)動(dòng)的攝象機(jī)的位置，和圖示出攝象機(jī)的座標(biāo)系統(tǒng)，和在測(cè)量眼的橫向運(yùn)動(dòng)的攝象機(jī)傳感的轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)中的變量。
圖6和6A示出與圖1的系統(tǒng)用的攝象機(jī)的校準(zhǔn)工具。
圖7圖示出圖2系統(tǒng)用的瞳孔亮度門(mén)檻的最佳化。
圖8圖示出圖1系統(tǒng)的圖象捕獲裝置捕獲的圖象，和示出用該圖象以提供相對(duì)的位置信息的方法。
圖9圖示出沿著第一(或(X)軸線和第二(或Y)軸線的眼的運(yùn)動(dòng)。
圖10和11示出如在試驗(yàn)部分說(shuō)明的，沿第一(或X)方向或沿第二(或Y)方向的跟蹤性能。
圖12是如在試驗(yàn)部分說(shuō)明的，眼運(yùn)動(dòng)模擬器的透視圖。
圖13A和13B示出使用圖12的眼運(yùn)動(dòng)模擬器測(cè)量的試驗(yàn)的切除圖形與切除圖形和實(shí)際的切除圖形之間的差別。
具體實(shí)施例的說(shuō)明本發(fā)明提供了改進(jìn)的傳感眼睛的運(yùn)動(dòng)的方法，特別用于激光眼外科手術(shù)。本發(fā)明的系統(tǒng)通常包括兩個(gè)偏軸的圖象捕獲裝置，各圖象捕獲裝置傳感眼沿著一個(gè)相關(guān)的眼的橫向移動(dòng)軸線的運(yùn)動(dòng)。圖象傳感裝置(下面有時(shí)也稱(chēng)攝象機(jī))典型地設(shè)成與眼睛的光軸線偏移，光軸線通常(但不是必須)與激光系統(tǒng)的處理軸線同軸線。由該兩個(gè)偏軸的攝象機(jī)系統(tǒng)常參照水平和垂直運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)明。在這里使用的，水平運(yùn)動(dòng)指相對(duì)病人從右到左及從左到右的運(yùn)動(dòng)，而垂直運(yùn)動(dòng)是沿著相對(duì)病人往下及往外的方向。應(yīng)注意與第一和第二圖象捕獲裝置配合的第一和第二運(yùn)動(dòng)軸線不必須是正交的，甚至當(dāng)這些運(yùn)動(dòng)軸線是正交(如它們限定正交的X和Y的橫向)時(shí)，它們也不必須與水平及垂直軸線對(duì)齊。
參見(jiàn)圖1，角膜外科手術(shù)系統(tǒng)10具有水平及垂直的跟蹤器11h、11v。各跟蹤器11包括一個(gè)攝象機(jī)13和一個(gè)相配的跟蹤處理器15。為在下面說(shuō)明中有區(qū)別，這些元件稱(chēng)作水平攝象機(jī)13h、垂直攝象機(jī)13V等等。
角膜外科手術(shù)系統(tǒng)10典型地也包括一個(gè)激光器20，該激光器產(chǎn)生一個(gè)激光束26，通過(guò)傳輸系統(tǒng)的鏡片時(shí)，該激光束26選擇性地指向眼睛E。按照計(jì)算機(jī)14的指示，激光傳輸系統(tǒng)的鏡片28把激光掃描在眼睛E的角膜組織上。通過(guò)改變第一和第二級(jí)樞轉(zhuǎn)系統(tǒng)22、24的角度位置，計(jì)算機(jī)通常把激光束26掃描在眼睛E上。在一個(gè)變化的實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)可通過(guò)使用電流測(cè)定電動(dòng)機(jī)樞轉(zhuǎn)一個(gè)或多個(gè)鏡子，或用任一種替換的掃描機(jī)構(gòu)來(lái)掃描激光束。任選地，計(jì)算機(jī)14可以使用一個(gè)或多個(gè)可變化的孔引導(dǎo)激光束26的圖形。
在圖1中還示出系統(tǒng)10包括一個(gè)與計(jì)算機(jī)14連接的個(gè)人計(jì)算機(jī)工作站12。外科手術(shù)系統(tǒng)10可包括多個(gè)傳感器(總的標(biāo)為16)，傳感器產(chǎn)生來(lái)自活動(dòng)的機(jī)械的和光學(xué)的元件的饋回信號(hào)，如歐州專(zhuān)利申請(qǐng)No.628298所述，該文件結(jié)合作為本發(fā)明的參考文件。個(gè)人計(jì)算機(jī)工作站12和計(jì)算機(jī)14可以結(jié)合在一個(gè)單一的處理結(jié)構(gòu)中，或它們的處理功能可以在寬的變化的安排來(lái)分配。類(lèi)似地，跟蹤處理模塊15可包括來(lái)自計(jì)算機(jī)14的一個(gè)或多個(gè)分開(kāi)的處理結(jié)構(gòu)，或作為單一的處理器或以寬的變化的分配的處理安排結(jié)合在計(jì)算機(jī)14中。計(jì)算機(jī)14可包括以一個(gè)機(jī)器可讀編碼方式具體體現(xiàn)在本發(fā)明方法中的有形介質(zhì)21。合適的介質(zhì)包括軟盤(pán)、光盤(pán)、活動(dòng)硬盤(pán)之類(lèi)。在另一些實(shí)施例中，編碼可以如因特網(wǎng)的通訊模態(tài)下載下來(lái)，可儲(chǔ)存為硬件、固件、軟件之類(lèi)。
響應(yīng)于跟蹤處理模塊15和傳感器16提供的信號(hào)，和按照要在眼上實(shí)施的以減輕光學(xué)缺陷的刻切手術(shù)，計(jì)算機(jī)14把命令信號(hào)傳到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器18和激光器20。響應(yīng)于這些命令信號(hào)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生信號(hào)改變第一級(jí)樞轉(zhuǎn)系統(tǒng)和第二級(jí)驅(qū)轉(zhuǎn)系統(tǒng)24的角度方向，并操作激光傳輸系統(tǒng)的其它元件，如改變可變直徑光闌的尺寸以糾正近視，控制在一對(duì)平行的葉片之間的距離以改變激光束的寬度，轉(zhuǎn)動(dòng)平行的葉片和矩形光束的角度方向以糾正像散性等。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制以對(duì)光束重定位(典型地通過(guò)第一和第二級(jí)樞轉(zhuǎn)系統(tǒng)22、24的運(yùn)動(dòng))，計(jì)算機(jī)14在刻切手術(shù)程序中可補(bǔ)償眼的橫向運(yùn)動(dòng)，可使要導(dǎo)到眼上的激光能的治療圖案保持在眼的主動(dòng)及被動(dòng)中與眼對(duì)齊。
在寬的范圍中，水平及垂直攝象機(jī)13獲取與光束26的處理軸線偏移的成象通道來(lái)的眼的圖象。典型地包括紅外傳感電荷耦合器件(CCD)的攝象機(jī)產(chǎn)生圖象信號(hào)，這些信號(hào)被傳送到跟蹤處理模塊15。跟蹤處理模塊計(jì)算眼的特點(diǎn)的位置，并且把指示位置的信號(hào)轉(zhuǎn)送到計(jì)算機(jī)14。這些信號(hào)可包括眼的特點(diǎn)相對(duì)于激光系統(tǒng)的絕對(duì)位置，這些特點(diǎn)的相對(duì)位置，這些特點(diǎn)的尺寸等。在一些實(shí)施例中，位置信息可包括特點(diǎn)的速度、特點(diǎn)的加速度等。如果要求足夠的跟蹤系統(tǒng)的性能以跟蹤眼的更迅速的主動(dòng)的跳躍運(yùn)動(dòng)，攝象機(jī)13可包括高的取樣頻率的圖象捕獲裝置，通常取樣頻率為約250赫芝或更高。
圖2示出典型的激光傳輸系統(tǒng)的鏡片28，不帶它們相配的支承結(jié)構(gòu)。鏡子30a、30b(這些鏡子總的標(biāo)為鏡子30)把激光束26導(dǎo)到通過(guò)空間的和瞬時(shí)的積分器32和一可變化的孔34，再進(jìn)入一個(gè)掃描機(jī)構(gòu)36。掃描機(jī)構(gòu)36(包括第一級(jí)和第二級(jí))有選擇地在X-Y平面中把激光束26橫向偏轉(zhuǎn)穿過(guò)眼E的角膜表面。雖然示出了具有比較大的光束橫面積的激光系統(tǒng)，跟蹤系統(tǒng)也對(duì)寬的變化的激光眼外科手術(shù)系統(tǒng)(包括有小的正掃描激光器)提供優(yōu)點(diǎn)。
多種透鏡可設(shè)置用來(lái)成象，使用顯微鏡M來(lái)觀察過(guò)程等。跟蹤系統(tǒng)11監(jiān)視眼E的運(yùn)動(dòng)，使計(jì)算機(jī)14可以補(bǔ)償眼睛的運(yùn)動(dòng)和精確地處理區(qū)域的預(yù)定的位置。一個(gè)特別有利的眼跟蹤器攝象機(jī)/處理機(jī)可從麻省的Burlington市的Iscan，Inc公司購(gòu)得。理想地，跟蹤系統(tǒng)11適合于集成在VISX STARTM和VISX STAR S2TM激光眼外科手術(shù)系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)可從加里福尼亞州的Irvine市的CHIRON VISION公司(BAUSCH&LOMB的分部)；日本的Gamagor；市的NIDEK Co.，LTD公司；弗洛里達(dá)州的Orlando市的LASER SIGHT，INC公司；弗洛里達(dá)州的Orlando市的AUTONOMOUS TECHNOLOGIES CORPORATION公司購(gòu)得。
激光器20可包括(但不限于)激元激光器，如可產(chǎn)生波長(zhǎng)約193nm的激光能的氬-氟化物激元激光器，其它的激光系統(tǒng)包括固態(tài)激光器、如頻率倍增固態(tài)激光器、閃光燈和二極管泵送的固態(tài)激光器等。舉例的固態(tài)激光器包括可產(chǎn)生約188-240nm的波長(zhǎng)的UV固態(tài)激光器，如由USNo.5,144,630，US No.5,742,626和“應(yīng)用物理”61年，p529-532的文章“由混合在硼酸鋰中的頻率產(chǎn)生的短波長(zhǎng)(188-244nm)的可調(diào)的UV輻射”所公開(kāi)。也可以用多種其它的激光器。激光能一般包括形成一系列分散的激光脈沖的光束。這些脈沖可分成多個(gè)光束。
圖2也示出水平和垂直攝象機(jī)13h、13v的位置和方向。如所示，水平攝象機(jī)13h主要測(cè)量眼睛E沿著眼的X軸線的運(yùn)動(dòng)，和該攝象機(jī)沿著Y-Z平面設(shè)置，和與X-Z平面偏移。垂直攝影象機(jī)13v主要測(cè)量眼睛E沿著眼的Y軸線的運(yùn)動(dòng)，和該攝象機(jī)沿著X-Z平面設(shè)置，和與Y-Z平面偏移。水平和垂直攝象機(jī)13h、13v沿著中心在攝象機(jī)的視場(chǎng)內(nèi)的光學(xué)圖象通道17指向朝著眼睛E，這些光學(xué)通道總的由相配的攝象機(jī)結(jié)構(gòu)的透鏡限定。
水平、垂直攝象機(jī)與跟蹤處理器模塊一起常包括商業(yè)可購(gòu)得的跟蹤系統(tǒng)，如從麻省，Burlington市的ISCAN，INC公司購(gòu)得，或其它可比較的系統(tǒng)。合適的跟蹤系統(tǒng)一般包括一個(gè)位置傳感器和一個(gè)響應(yīng)傳感器的信號(hào)產(chǎn)生位置信號(hào)的處理器。優(yōu)選的跟蹤系統(tǒng)典型地包括兩尺寸的光學(xué)位置傳感器。通常帶有把眼成象到傳感器上的鏡片。舉例的系統(tǒng)包括紅外CCD攝象機(jī)和個(gè)人計(jì)算機(jī)界面(PCI)卡，和可與在計(jì)算機(jī)14上運(yùn)行的操作系統(tǒng)相容的軟件驅(qū)動(dòng)器，例如MICROSOFT公司的Windows NTTM。攝象機(jī)13可包括裝12伏電源的1.25″×0.3″厚的印刷電路板。帶有大和/或小尺寸的其它的攝象機(jī)結(jié)構(gòu)可以裝有其它的電源，可以傳感可見(jiàn)光或其它波長(zhǎng)范圍的光線。如上所述，攝象機(jī)把圖象信號(hào)供到典型地為跟蹤卡形式的相配的跟蹤處理器15。
在使用中，眼用紅外光源(示意地標(biāo)為19)照射。紅外光源19優(yōu)選地包括一個(gè)或多個(gè)紅外光-發(fā)射二極管(LED)。在一個(gè)實(shí)施例中，光照由兩排各有三個(gè)紅外LED提供，各LED消耗約80ma的電流。兩排紅外光-發(fā)射二極管可選擇地激活，當(dāng)右眼與激光系統(tǒng)的處理軸線對(duì)齊時(shí)激活一排LED，另一排僅在左眼與處理軸線對(duì)齊時(shí)被激活。LED典型地在攝象機(jī)的90°(經(jīng)度)范圍內(nèi)，優(yōu)選地有比攝象機(jī)13更大的方位角(與垂線的緯度角)。
在紅外光源19提供的紅外照明下，眼E的瞳孔對(duì)攝象機(jī)13顯示此較暗，由于紅外能量不直接為該明亮的結(jié)構(gòu)反射。包圍瞳孔的區(qū)域(包括虹膜和鞏膜)在紅外照射下，對(duì)攝象機(jī)13有亮得多的陰影，因而產(chǎn)生用于跟蹤的瞳孔的高對(duì)比度的圖象。
由于在程序中眼E的環(huán)境的照明會(huì)改變，被跟蹤的瞳孔的尺寸也會(huì)改變。為了與瞳孔的尺寸改變適應(yīng)，動(dòng)態(tài)地定門(mén)檻值是舉例的商業(yè)上可購(gòu)得的跟蹤攝象機(jī)的很有利的特點(diǎn)。通過(guò)在調(diào)節(jié)門(mén)檻值時(shí)，確定瞳孔的尺寸可達(dá)到動(dòng)態(tài)地定門(mén)檻值。
如上所述，掃描機(jī)構(gòu)36優(yōu)選地響應(yīng)由攝象機(jī)13傳感的眼E的運(yùn)動(dòng)橫向偏轉(zhuǎn)光束26。在圖3中更清楚地示出掃描機(jī)構(gòu)。掃描系統(tǒng)36一般通過(guò)繞第一軸線42和繞第二軸線44樞轉(zhuǎn)成象透鏡40來(lái)橫向偏轉(zhuǎn)光束26。更具體地，掃描機(jī)構(gòu)36包括一個(gè)成托架46形式的固定支承結(jié)構(gòu)。第一臺(tái)架48繞第一軸線42相對(duì)托架46作樞轉(zhuǎn)，而第二臺(tái)架50相對(duì)第一臺(tái)架48繞第二軸線44作樞轉(zhuǎn)。
光束26從非偏轉(zhuǎn)的光線軸線26a偏開(kāi)可以參照?qǐng)D3A和3B理解。通過(guò)繞沿著光束26延伸在光束26外面的樞轉(zhuǎn)軸線樞轉(zhuǎn)第一和第二臺(tái)架，圖象透鏡40從開(kāi)始的光束軸線26a移動(dòng)可變化的距離D。圖象透鏡40離開(kāi)開(kāi)始的光束軸線作位移使來(lái)自開(kāi)始的光束軸線26a的可變孔34的圖象52位移到偏轉(zhuǎn)的孔的圖象52’?？椎膱D象52的運(yùn)動(dòng)量和方向與透鏡的偏移的量和方向有關(guān)(但不一定成正比)。因此，為了重定位孔的圖象52穿過(guò)角膜表面，可偏轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)的移動(dòng)的透鏡40優(yōu)選地允許透鏡在開(kāi)始的軸線26的上方及下方移動(dòng)(見(jiàn)圖3)，也是在進(jìn)出圖面的方向移動(dòng)，因此允許掃描X-Y平面中的切割的激光能穿過(guò)角膜組織。另一種激光傳輸系統(tǒng)可掃描有穩(wěn)定的圖形的光束，或光束的圖形及強(qiáng)度可由可變化的放大系統(tǒng)改變。因此本發(fā)明包括不帶可變化孔的系統(tǒng)。
掃描機(jī)構(gòu)36的X-Y的方向的掃描能力可進(jìn)一步參照?qǐng)D3和4來(lái)理解。第一臺(tái)架48通過(guò)樞轉(zhuǎn)接頭54可樞轉(zhuǎn)地裝到托架46上。樞轉(zhuǎn)接頭54限定第一樞轉(zhuǎn)軸線42，由于電動(dòng)機(jī)56和第一臺(tái)架的驅(qū)動(dòng)表面58的驅(qū)動(dòng)連接，第一臺(tái)架繞第一樞轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。一個(gè)編碼器60也與驅(qū)動(dòng)表面58接合，以便與第一臺(tái)架的角度方向有關(guān)地把回饋信號(hào)傳到計(jì)算機(jī)14。第二臺(tái)架50由限定第二樞轉(zhuǎn)軸線44的另一個(gè)樞轉(zhuǎn)接頭54安裝到第一臺(tái)架48上。圖象透鏡40裝到第二臺(tái)架上，使得當(dāng)?shù)谝慌_(tái)架繞樞轉(zhuǎn)軸線42沿第一弧形路徑60a作樞轉(zhuǎn)時(shí)，圖象透鏡隨第一臺(tái)架運(yùn)動(dòng)。
為了相對(duì)第二軸線對(duì)圖象透鏡的角度重定位，電動(dòng)機(jī)56裝到第一臺(tái)架48上，和可驅(qū)動(dòng)地與第二臺(tái)架50的驅(qū)動(dòng)表面58接合。也裝在第一臺(tái)架48上的編碼器60再把回饋信號(hào)傳到計(jì)算機(jī)14。
第一臺(tái)架48相對(duì)托架46的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)允許圖象透鏡40在開(kāi)始的光束軸線26a的任一側(cè)沿著第一弧形路徑60a繞樞轉(zhuǎn)軸線42作位移。為了把激光束26的X-Y掃描提供到眼的角膜表面的處理區(qū)內(nèi)的任選的位置，裝到第一臺(tái)架的電動(dòng)機(jī)56繞樞轉(zhuǎn)軸線44樞轉(zhuǎn)第二臺(tái)架50因而沿著與第一弧形路徑相交的第二弧形路徑60b移動(dòng)偏轉(zhuǎn)透鏡40。在一個(gè)實(shí)施例中，樞轉(zhuǎn)軸線42，44繞開(kāi)始的光束軸線26a偏轉(zhuǎn)約90°，使第一和第二弧形路徑60a、60b也相交約90°的角度。
精確地把激光能定位在鄰近角膜表面的X-Y平面上應(yīng)該通過(guò)透鏡相對(duì)第一和第二軸線42、44的角度位置來(lái)適應(yīng)圖象的弧形運(yùn)動(dòng)。換言之，樞軸近似在X和Y方向的運(yùn)動(dòng)，而系統(tǒng)10通過(guò)互補(bǔ)的臺(tái)架的附加運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償光束偏轉(zhuǎn)的最終的非線性，可參照?qǐng)D4而清楚。許多算法可用來(lái)補(bǔ)償本發(fā)明的雙重樞軸的圖象透鏡支承的弧形光束偏轉(zhuǎn)。計(jì)算機(jī)14可簡(jiǎn)單地基于掃描機(jī)構(gòu)36和透鏡40的光學(xué)性能作出激光束的弧形運(yùn)動(dòng)的模型?；蛘?，可以作出對(duì)離散的X和Y目標(biāo)座標(biāo)的第一和第二臺(tái)架的要求的角度位置的查找表，采用標(biāo)準(zhǔn)的插入程序用在離散的表的輸入之間。
圖1所示的系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)14部分基于由水平和垂直攝象機(jī)13h、13v傳感的瞳孔的位置計(jì)算第一和第二臺(tái)架要求的角度位置。優(yōu)選地，計(jì)算機(jī)14將使用參考圖5可明白的計(jì)算確定瞳孔相對(duì)眼的光軸線和/或激光傳輸系統(tǒng)的位置。這些計(jì)算示出是為水平攝象機(jī)13h的，其在這里示意地用攝象機(jī)的圖象透鏡示出。應(yīng)說(shuō)明的垂直攝象機(jī)可用同樣的計(jì)算，除了垂直攝象機(jī)13v相對(duì)Z軸(也就是眼E的光軸線和/或激光束26的處理軸線)位于離水平攝象機(jī)偏轉(zhuǎn)90°的位置。由于水平攝象機(jī)13h有380個(gè)水平象素和350個(gè)垂直象素，攝象機(jī)XH的水平軸線XM與X軸對(duì)齊。為了減小沿要求的測(cè)量軸線的扭曲，同時(shí)提供更高的對(duì)比度，水平攝象機(jī)13h沿著X-Z平面設(shè)置，和與Y-Z平面偏轉(zhuǎn)ξ角。ξ角為約10°-70°，常在約15°-65°，優(yōu)選地在約20°-50°，理想地在約25°-45°，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，ξ為27°。
首先導(dǎo)入用在圖5所述的下面的計(jì)算中的一些變量，水平攝象機(jī)13h使眼E的一個(gè)視區(qū)或視場(chǎng)(FOV)成象，該視區(qū)或視場(chǎng)是矩形的，寬度為FOVy和高度為FOVx。在該視場(chǎng)成象的眼的表面區(qū)一般在相對(duì)攝象機(jī)為ξ角。視場(chǎng)中心和離開(kāi)攝象機(jī)一段距離r，視場(chǎng)的頂邊離處理中心的距離為a，視場(chǎng)側(cè)邊離開(kāi)處理中心70的距離為b。視場(chǎng)FOV的角部離開(kāi)攝象機(jī)的距離為di，i為1，2，…。由于視場(chǎng)一般相對(duì)Y-Z平面對(duì)稱(chēng)，兩個(gè)關(guān)心的距離為a1和a2，如所示。
式中X是瞳孔沿著眼的座標(biāo)系統(tǒng)的X軸線的座標(biāo)，和y是瞳孔沿著眼的座標(biāo)系統(tǒng)Y軸線的座標(biāo)，我們首先對(duì)于水平攝象機(jī)中的Y分量和在垂直攝象機(jī)中的X分量，確定正確的換算因子Scalex。該換算因子用來(lái)計(jì)算y值。對(duì)于水平攝象機(jī)，使用公式y(tǒng)＝(1-Scalexx)yH式中X等于由垂直攝象機(jī)提供的x分量。y等于由水平攝象機(jī)確定的y分量。為了確定換算因子，首先從下式計(jì)算視場(chǎng)(FOV)d1d2di=b2+a2+r2-2arcos(θi)]]>式中θ1等于π/2+ξ，而θ2等于π/2-ξ。隨后換算因子(mm或象素)可從下式通過(guò)在給定的FOV由線d1d2對(duì)著的角度的比例計(jì)算出Scalex[pixels]=(1-sin-1(FOVy/2d1)sin-1(FOVy/2d2))/Nx]]>Scalex[mm]=(1-sin-1(FOVy/2d1)sin-1(FOVy/2d2))/FOVx]]>式中Nx是沿X方向FOVx的視場(chǎng)橫跨的象素的數(shù)目。yH的單位可為毫米或象素，取決于所用的座標(biāo)系統(tǒng)，和特對(duì)有相同單位y提供一個(gè)值。這些計(jì)算式是計(jì)算換算因子的方法的一個(gè)實(shí)例。在另一些實(shí)施例中，換算因子可以測(cè)量出而不是計(jì)算出。
如上所述，x的計(jì)算用類(lèi)似的分析，其中換算因子(mm)是Scalex[mm]=1-sin-1(FOVy/2d1)sin-1(FOVy/2d2)/FOVx]]>其中x使用換算因子從下式計(jì)算出x＝(1+Scaleyy)xv由于水平和垂直攝象機(jī)提供了在5處理軸線Z軸夾一個(gè)角度下的兩尺寸信息，眼E沿著處理軸線Z的位置也可以計(jì)算出。更具體地，在水平攝象機(jī)的座標(biāo)系統(tǒng)中由水平攝象機(jī)測(cè)出的瞳孔的位置XH有一個(gè)Z分量，如下xH=x+ztan(ξ)類(lèi)似地，由垂直攝象機(jī)13v提供的測(cè)量有一個(gè)Z分量，如下yv=y-ztan(ξ)(由于實(shí)例的垂直攝象機(jī)13v從一個(gè)下方的位置作眼睛的像)。解Z，其中x從垂直攝象機(jī)已知和y從水平攝象機(jī)已知，可發(fā)現(xiàn)z=xH+xtan(ξ)]]>z=yv+ytan(ξ)]]>如圖7中示意地示出，跟蹤眼優(yōu)選地是相對(duì)的。換言之，當(dāng)系統(tǒng)工作者開(kāi)始跟蹤，跟蹤系統(tǒng)記錄瞳孔的位置P作為有參考中心位置O的開(kāi)始位置P。隨后眼的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于該參考的中心位置O掃描。因此，跟蹤器的絕對(duì)對(duì)準(zhǔn)是不重要的。但是，跟蹤可明顯地受益于跟蹤器元件的精確對(duì)準(zhǔn)，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)不同軸性會(huì)更困難和/或不可能使用軟件之類(lèi)補(bǔ)償。
眼E相對(duì)于初始參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)矢量可按照上面給出的公式作為矢量 計(jì)算出，如E·=xi^+yj^+zk^]]>參見(jiàn)圖6和6A，一個(gè)校準(zhǔn)夾具80可移去地支承在對(duì)眼E的處理位置，來(lái)對(duì)準(zhǔn)水平和垂直攝象機(jī)13h、13v，以便使攝象機(jī)提供的x，y值調(diào)零，以便沿?cái)z象機(jī)的光軸線合適地定攝象機(jī)的方向。在校準(zhǔn)中，一個(gè)夾具82把夾具80的圖案固定在要求的位置。為提供調(diào)節(jié)性，攝象機(jī)安裝成有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線。繞這些軸線的調(diào)節(jié)優(yōu)選地由細(xì)的螺絲調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)提供，該機(jī)構(gòu)設(shè)有鎖緊裝置，以便當(dāng)校準(zhǔn)夾具80出現(xiàn)在要求的位置和方向上把攝象機(jī)的位置固定。攝象機(jī)13繞攝象機(jī)的支座的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的運(yùn)動(dòng)范圍典型地為總的為約5°或更高。
實(shí)例的水平和垂直攝象機(jī)13h、13v的結(jié)構(gòu)和安排也清楚地示出于圖6A中。攝象機(jī)側(cè)左方偏轉(zhuǎn)和相對(duì)于病人的光學(xué)軸線的下方位置約27°。實(shí)例的眼跟蹤系統(tǒng)包括與兩個(gè)小的紅外攝象機(jī)配合的兩個(gè)精致的眼跟蹤器卡。多個(gè)或一排紅外光發(fā)射二極管提供斜的光照，實(shí)例的光發(fā)射二極管提供約880nm波長(zhǎng)的光。該安排允許視頻基的系統(tǒng)探測(cè)瞳孔的暗變，由于瞳孔作為光穴而周?chē)暮缒び邢鄬?duì)的光明暗區(qū)。攝象機(jī)包括裝有12v電源的1.25″×1.25″×3.0″的印刷電路板。對(duì)比度門(mén)檻可以主動(dòng)地設(shè)定，動(dòng)態(tài)定門(mén)檻值常是在處理前開(kāi)始。實(shí)例的眼跟蹤系統(tǒng)使用60hz的系統(tǒng)，可在每16.7ns沿著相應(yīng)的軸線產(chǎn)生一個(gè)試樣或眼位置信號(hào)。
實(shí)例的對(duì)準(zhǔn)夾具82和夾具80在處理平面下定位對(duì)準(zhǔn)圖案，對(duì)準(zhǔn)圖案理想地在處理平面下大于1.0mm，實(shí)例的對(duì)準(zhǔn)圖案是在處理平面下約3.5mm。偏轉(zhuǎn)將補(bǔ)償角膜平面和病人的虹膜之間的平均距離。夾具80一般包括具有一個(gè)圖案的平板，理想的圖案包括設(shè)在一個(gè)正方形(理想地為邊長(zhǎng)14mm的正方形)的四個(gè)角的孔，和在正方形中心的十字。這樣便于確定光學(xué)中心和攝象機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。這些孔對(duì)校準(zhǔn)攝象機(jī)的分辨率和計(jì)算每象素的微米為單位的換算因子是有用的。實(shí)例的圖案示于圖6和圖6A。通過(guò)在眼跟蹤器的顯示器上產(chǎn)生一個(gè)十字絲和轉(zhuǎn)動(dòng)各攝象機(jī)以把十字絲與圖案對(duì)準(zhǔn)可便于攝象機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)準(zhǔn)?？捎妹肯笏丶s56.7μm的換算因子。
兩個(gè)攝象機(jī)提供的圖象用它們相配的PCI卡處理以確定瞳孔在水平和垂直方向的矩心。當(dāng)跟蹤器軟件觸發(fā)一個(gè)“斷開(kāi)”，瞳孔矩心的數(shù)據(jù)對(duì)激光處理系統(tǒng)處理器和/或多處理器是可得到的。從攝象機(jī)來(lái)的數(shù)據(jù)流可能含有雙重的數(shù)據(jù)，因?yàn)楫?dāng)無(wú)論那一個(gè)攝象機(jī)觸發(fā)新的圖象斷開(kāi)，從各攝象機(jī)可產(chǎn)生出水平和垂直的數(shù)據(jù)。AC++程序可用來(lái)除去雙重的數(shù)據(jù)，和保持與來(lái)自兩個(gè)攝象機(jī)的數(shù)據(jù)的對(duì)準(zhǔn)任選地，該雙重?cái)?shù)據(jù)可用來(lái)驗(yàn)證兩個(gè)跟蹤器在預(yù)定的精度范圍內(nèi)操作，和/或確定瞳孔的垂直位置，如上述。如果跟蹤器顯示在精度范圍外，或者如果病人的眼睛水平和/或垂直移動(dòng)操作要求全的跟蹤/處理區(qū)。處理會(huì)中斷。通過(guò)數(shù)據(jù)請(qǐng)求/中斷，系統(tǒng)的編程總是可得到定時(shí)信息和最現(xiàn)在的瞳孔的位置。
可參照?qǐng)D7了解產(chǎn)生跟蹤門(mén)檻的實(shí)例方法和系統(tǒng)。一般，測(cè)出門(mén)檻水平或值和柵控區(qū)以便于跟蹤瞳孔。柵控區(qū)一般包括在圖象內(nèi)的有限的重要區(qū)(ROI)，實(shí)例的柵控區(qū)包括在圖象中的一個(gè)矩形。在柵控區(qū)內(nèi)的象素對(duì)于瞳孔內(nèi)的內(nèi)含物是候選者。而在柵控區(qū)外的象素則從在瞳孔內(nèi)的潛在的內(nèi)含物中排除掉。優(yōu)選地，把柵控區(qū)選擇得盡可能大，而排除特點(diǎn)的不希望的邊緣材料，如拉氏片(Lasic flap)眼瞼、片保持器、窺器等。使用這種柵控區(qū)幫助消除靠近視場(chǎng)邊緣的不需要的贗象，但當(dāng)瞳孔與柵控區(qū)邊界交叉時(shí)也會(huì)造成扭曲。優(yōu)選地，各跟蹤系統(tǒng)在接受瞳孔位置為有效前要加上許多試驗(yàn)，包括在瞳孔的矩心和柵控區(qū)邊界之間最小的分開(kāi)，等等，如果這些試驗(yàn)中任一次沒(méi)有完成，會(huì)識(shí)別出一個(gè)跟蹤錯(cuò)誤狀態(tài)，和會(huì)產(chǎn)生一個(gè)跟蹤錯(cuò)誤信號(hào)。
每項(xiàng)系統(tǒng)操作者用激光眼外科手術(shù)系統(tǒng)2開(kāi)始一個(gè)處理，可用動(dòng)態(tài)定門(mén)檻值或自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)瞳孔門(mén)檻水平。在舉例的實(shí)施例中，這可以在不同的照明門(mén)檻設(shè)定下通過(guò)得到一些分開(kāi)的圖象來(lái)完成。對(duì)于這些不同的圖象可計(jì)算出瞳孔的尺寸，和瞳孔尺寸可作為門(mén)檻設(shè)定的函數(shù)來(lái)分析，如圖7所示，門(mén)檻/瞳孔尺寸曲線具有一個(gè)特征形狀，其中曲線梯度一般低于在點(diǎn)A和B之間的一個(gè)預(yù)定值或指定值。梯度一般沿著曲線增加超過(guò)這兩個(gè)點(diǎn)，因此理想的門(mén)檻值在曲線的相對(duì)的平的部分上在兩點(diǎn)A和B之間。實(shí)例的門(mén)檻水平設(shè)定由下式確定理想位置＝A+(B-A)·門(mén)檻比式中門(mén)檻比是一個(gè)指定值，典型地在0-1之間。
參見(jiàn)圖2和8，典型的激光外科手術(shù)程序在系統(tǒng)操作者對(duì)病人定位而沒(méi)有跟蹤器的情況下進(jìn)行。系統(tǒng)操作者相對(duì)病人的眼定位傳輸激光的鏡片。水平及垂直攝象機(jī)13相對(duì)傳輸激光的鏡片安裝使得它們與眼對(duì)準(zhǔn)。一個(gè)顯微鏡M聚焦在眼E上，通過(guò)系統(tǒng)操作者對(duì)系統(tǒng)輸入一個(gè)命令，典型地是壓一個(gè)鍵盤(pán)的鍵而使跟蹤系統(tǒng)工作。
系統(tǒng)操作者把眼E與顯微鏡M的十字線對(duì)準(zhǔn)，以建立跟蹤器的參考位置。一當(dāng)眼對(duì)準(zhǔn)后，系統(tǒng)操作者提供另一個(gè)輸入命令，例如通過(guò)壓下一個(gè)腳踏開(kāi)關(guān)。在第二次輸入命令O的時(shí)間，瞳孔的位置是跟蹤器的原始點(diǎn)。
隨后跟蹤器給系統(tǒng)以離開(kāi)跟蹤器原始點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)座標(biāo)矢量。在許多實(shí)施例中，會(huì)對(duì)操作者顯示一個(gè)指示，任選地由一個(gè)顯微鏡M視物中的光示出跟蹤正操作。眼跟蹤器保持著直到系統(tǒng)操作者輸入另一個(gè)命令，如再按一個(gè)鍵盤(pán)的鍵，使鍵觸發(fā)跟蹤器工作或停止。
如果在處理中(例如，當(dāng)系統(tǒng)操作者打算通過(guò)繼續(xù)壓腳踩的踏板，保持一個(gè)處理)跟蹤丟失了，那么對(duì)系統(tǒng)操作者提供一個(gè)丟失跟蹤的指示，如在顯微鏡中提供一個(gè)閃光指示或其它的系統(tǒng)顯示。任選地，如果跟蹤丟失，激光刻切會(huì)自動(dòng)停止。如果在完成前中斷程序(在許多激光眼外科手術(shù)系統(tǒng)中，通過(guò)部分松開(kāi)腳踏板)，跟蹤器可保持儲(chǔ)存的參考位置，直到和/或除非通過(guò)完全放開(kāi)腳踏板等完全中斷程序。實(shí)驗(yàn)眼的運(yùn)動(dòng)及跟蹤數(shù)據(jù)記錄在臨床的調(diào)整中，以確定圖1、2和6A所示的眼跟蹤系統(tǒng)是否可以跟蹤眼的運(yùn)動(dòng)。四個(gè)眼科學(xué)家被招來(lái)參加研究。設(shè)置一個(gè)記錄系統(tǒng)使醫(yī)生可對(duì)45個(gè)有傷的眼進(jìn)行外科手術(shù)程序，同時(shí)用上述的兩攝象機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生位置信息，但并沒(méi)有響應(yīng)該位置信號(hào)重新對(duì)準(zhǔn)切除術(shù)的激光圖形的方向。使用VISX STAR S2TM激光系統(tǒng)，水平及垂直偏轉(zhuǎn)攝象機(jī)跟蹤系統(tǒng)安裝在其上。
為了在臨床調(diào)整中評(píng)價(jià)跟蹤的精度，一個(gè)驗(yàn)證的跟蹤系統(tǒng)與從兩攝象機(jī)偏軸線跟蹤器得到的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。驗(yàn)證跟蹤系統(tǒng)不是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，其起到在激光眼處理中的數(shù)據(jù)錄相機(jī)的作用。驗(yàn)證跟蹤器記錄每5ms的眼的圖象，眼的位置在實(shí)驗(yàn)室中追憶確定，和與使用兩攝象機(jī)偏軸跟蹤器記錄中得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)比較。
兩攝象機(jī)眼跟蹤系統(tǒng)和驗(yàn)證跟蹤器38與一計(jì)算機(jī)相連，該計(jì)算機(jī)與進(jìn)行這些跟蹤試驗(yàn)的激元激光系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)無(wú)關(guān)，兩攝象機(jī)眼跟蹤器和驗(yàn)證跟蹤器的同步由硬件激發(fā)器達(dá)到0.1ms范圍內(nèi)。壓下起動(dòng)/得到按鈕幾乎立即起動(dòng)跟蹤器，雖然同步攝象機(jī)產(chǎn)生有0-16.7ms(高至一個(gè)片格)的潛伏期的跟蹤數(shù)據(jù)，而200Hz的驗(yàn)證跟蹤器在0.1ms內(nèi)開(kāi)始搜索，和5ms后產(chǎn)生一個(gè)圖象。而攝象機(jī)偏軸跟蹤器的攝象機(jī)與LED與電源外連以對(duì)LED提供5V及對(duì)攝象機(jī)提供12V的電壓。攝象機(jī)輸出接地到激元激光系統(tǒng)，和直接與跟蹤器卡連接。眼跟蹤器卡產(chǎn)生一個(gè)視頻輸出，該輸出含有攝象機(jī)的視頻，有一個(gè)重疊區(qū)示出瞳孔的中心。
眼跟蹤視頻輸出與一個(gè)分配的放大器相連，并且連到一對(duì)分析視頻探測(cè)卡，和連到一對(duì)視頻盒式錄象機(jī)。以數(shù)字及模擬格式把視頻記錄下來(lái)。
驗(yàn)證攝象機(jī)38的照明是可見(jiàn)光。大多數(shù)照明由激元激光系統(tǒng)的斜光提供。由于不同的醫(yī)生在不同的照明水平下操作，圖象光亮度及對(duì)比度不是恒定的，醫(yī)生可在手術(shù)中自由地使用照明量。
對(duì)29個(gè)病人獲取了兩攝象機(jī)跟蹤器及驗(yàn)證跟蹤器的跟蹤數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)中對(duì)45個(gè)眼作了記錄，其中19個(gè)是左眼，26個(gè)是右眼。在激光程序中的平均的校正值是球形為-4.84D，圓柱體為-0.63D。
現(xiàn)參見(jiàn)圖9，記錄了沿X或水平軸線(深色線)和在垂直方向或Y方向(淺色線)的運(yùn)動(dòng)。圖9示出在Lasik程序中驗(yàn)證攝象機(jī)記錄的典型的病人的眼的運(yùn)動(dòng)的圖。該圖示出了眼的運(yùn)動(dòng)范圍典型地小于±100μm，并有偶然的跳躍運(yùn)動(dòng)。
圖10有一個(gè)相對(duì)更大的時(shí)間比例尺，和示出在驗(yàn)證跟蹤器及從兩軸跟蹤器得到的數(shù)據(jù)的時(shí)間的潛伏期。如圖11A和11B可見(jiàn)，在總的為約25秒鐘內(nèi)對(duì)兩軸跟蹤器和驗(yàn)證跟蹤器作了比較。這些圖示出兩個(gè)跟蹤裝置相互關(guān)聯(lián)很好，只見(jiàn)到幾微米級(jí)的小差別。
參見(jiàn)圖12，設(shè)計(jì)和建造了一個(gè)眼運(yùn)動(dòng)模擬器來(lái)測(cè)量具有集成的兩攝象機(jī)跟蹤系統(tǒng)為VISX STAR S2TM跟蹤眼的運(yùn)動(dòng)的能力。模擬器100通過(guò)繞正交的軸線的樞轉(zhuǎn)模擬轉(zhuǎn)動(dòng)的眼，以允許在試驗(yàn)的樣品的運(yùn)動(dòng)中切除試驗(yàn)塑料。這允許在模擬的眼運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行部分切除術(shù)。支架102由一對(duì)計(jì)算機(jī)控制的電流計(jì)驅(qū)動(dòng)，該電流計(jì)校正到產(chǎn)生在5ms高到0.213μm的運(yùn)動(dòng)。這一速度相當(dāng)200Hz的驗(yàn)證跟蹤器的畫(huà)面速度。
設(shè)計(jì)的眼運(yùn)動(dòng)模擬器100的單一運(yùn)動(dòng)的精度為有約25μm的機(jī)械精度，裝置的實(shí)際精度接近約10μm。叉和支架由鈦制成，設(shè)計(jì)用來(lái)避免過(guò)分的質(zhì)量。按電流計(jì)與支架相連的杠桿臂由鋁制成，一當(dāng)裝好，對(duì)電流計(jì)進(jìn)行調(diào)整，電流計(jì)可在Cambridge技術(shù)公司得到，其由可調(diào)整的控制器控制。調(diào)整一般包括把打算的質(zhì)量與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量匹配起來(lái)。
電流計(jì)進(jìn)行調(diào)整用來(lái)支承直徑為1.5″的塑料盤(pán)。該材料是由從VISXIncorporated(美國(guó)加州的圣特克拉拉市)購(gòu)得的校準(zhǔn)塑料沖壓出。
用來(lái)驅(qū)動(dòng)電流計(jì)的數(shù)據(jù)在上述的臨床眼運(yùn)動(dòng)研究中作記錄。這些數(shù)據(jù)從運(yùn)動(dòng)臺(tái)式中產(chǎn)生和用來(lái)驅(qū)動(dòng)電流計(jì)。
在眼運(yùn)動(dòng)模擬器100被驅(qū)動(dòng)以便與實(shí)際測(cè)得的眼運(yùn)動(dòng)相等的運(yùn)動(dòng)來(lái)使試驗(yàn)切除塑料運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，一個(gè)激光傳輸系統(tǒng)對(duì)塑進(jìn)行一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的球形處理。在試驗(yàn)切除時(shí)，使用STAR S2TM激元激光系統(tǒng)，開(kāi)始沒(méi)有加上跟蹤。在眼睛運(yùn)動(dòng)中完成了模擬切除后，把一塊新的試驗(yàn)切除的塑料裝到眼運(yùn)動(dòng)模擬器100上，當(dāng)眼運(yùn)動(dòng)模擬器被夾在一個(gè)固定位置，第二塊試驗(yàn)材料被切除。
再把第三塊塑料的切除試驗(yàn)試樣裝在眼運(yùn)動(dòng)模擬器100上，當(dāng)眼運(yùn)動(dòng)模擬器100按照記錄的臨床眼運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)使試驗(yàn)試樣運(yùn)動(dòng)。對(duì)于第三個(gè)切除試驗(yàn)，該兩攝象機(jī)跟蹤器把信息提供到激光傳輸系統(tǒng)以便對(duì)眼運(yùn)動(dòng)引起的錯(cuò)誤糾正激光傳輸?shù)膱D案。跟蹤輔助的和不輔助的切除圖形的分析通過(guò)掃描被切除的塑料和測(cè)量運(yùn)動(dòng)中切除和打算的理想的切除圖形之間的不同來(lái)進(jìn)行分析。
圖13A的圖示出對(duì)一個(gè)典型的切除的沿著垂直和水平軸線的切除的圖形。粗黑線示出理論的切除圖形。離理論切除圖形最遠(yuǎn)的淺線114示出了沒(méi)有運(yùn)動(dòng)跟蹤進(jìn)行的試驗(yàn)的切除的圖形。如可從圖13B所見(jiàn)，即使沒(méi)有跟蹤，在理論和實(shí)際的切除圖形之間的不同相當(dāng)小。
與理論切除圖形最接近的圖13A中的淺的線112是使用兩攝象機(jī)跟蹤系統(tǒng)在眼模擬器的跟蹤運(yùn)動(dòng)下進(jìn)行的塑料切除的測(cè)量圖形。圖13B所示的差值圖的標(biāo)準(zhǔn)偏差在-2.5mm-2.5mm(5mm直徑)的范圍內(nèi)提供對(duì)有跟蹤112的情形，標(biāo)準(zhǔn)偏差值0.53μm，和對(duì)沒(méi)有跟蹤114標(biāo)準(zhǔn)偏差值為0.92μm。
表II提供了在加上跟蹤及沒(méi)有跟蹤下測(cè)量圖形和理論圖形之間的差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為95％的置信度的試驗(yàn)。對(duì)于臨床切除圖形的平均球形當(dāng)量是-4.8D，相應(yīng)的切除深度為約38.4μm。因此無(wú)跟蹤系統(tǒng)的誤差為1.2μm或3.1％，而加上跟蹤的系統(tǒng)的誤差是0.6μm或1.5％。因此很清楚跟蹤系統(tǒng)是有效的。
表II
雖然上面詳細(xì)地說(shuō)明了作為舉例和方便理解的舉例的實(shí)施例，但是對(duì)本專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員言，可作為許多變化、改變及改型。因此本發(fā)明范圍僅僅由所附的權(quán)利要求書(shū)限定。
權(quán)利要求
1.一種刻切眼的角膜組織以使病人的視力達(dá)到要求的改變的裝置，所述的裝置包括一個(gè)有選擇地把能量流向角膜組織傳輸?shù)哪芰總鬏斚到y(tǒng)；方向?qū)χ鄣牡谝缓偷诙D象捕獲裝置；和一個(gè)處理器，所述的處理器把圖象捕獲裝置和能量傳輸系統(tǒng)連接起來(lái)，使得能量傳輸系統(tǒng)響應(yīng)第一圖象捕獲裝置傳感的眼的運(yùn)動(dòng)使沿著第一軸線的能量流橫向偏轉(zhuǎn)，和響應(yīng)第二圖象捕獲裝置傳感的眼的運(yùn)動(dòng)使沿著第二軸線的能量流橫向偏轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述的能量流限定了一個(gè)處理軸線，而眼分別位于所述的第一和第二圖象捕獲裝置的第一和第二視場(chǎng)中，視場(chǎng)與處理軸線有角度偏移。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其特征在于所述的第二視場(chǎng)與第一視場(chǎng)相對(duì)處理軸線周向偏開(kāi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其特征在于所述的第二視場(chǎng)與第一視場(chǎng)相對(duì)處理軸線周向偏開(kāi)90度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其特征在于所述的眼限定一個(gè)X-Y-Z座標(biāo)系統(tǒng)，其中Z軸在眼的光軸線上，而X-Z平面沿著第一軸線，和X-Y平面沿著第二軸線，所述的第一圖象捕獲裝置設(shè)在沿著Y-Z平面和不在X-Z平面上，而第二圖象捕獲裝置設(shè)在沿著X-Y平面和不在Y-Z平面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其特征在于響應(yīng)由第一和第二圖象捕獲裝置傳感的在第一和第二視場(chǎng)中眼的特點(diǎn)的橫向位置，處理器發(fā)出一信號(hào)指示在能量傳輸系統(tǒng)和眼的特點(diǎn)之間的距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于還包括一個(gè)產(chǎn)生能量流的激光器，所述的能量流包括適宜用來(lái)切除角膜組織的一個(gè)激光束。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其特征在于所述的能量傳輸系統(tǒng)包括沿著激光束的光學(xué)通道的偏轉(zhuǎn)成象透鏡，所述的偏轉(zhuǎn)成象透鏡響應(yīng)來(lái)自所述的第一和第二圖象捕獲裝置的信號(hào)相對(duì)激光束橫向移動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于還包括一個(gè)指向眼的紅外光源，所述的圖象捕獲裝置包括對(duì)由眼的虹膜和鞏膜反射的紅外光敏感的CCD，和所述的處理器包括分別與第一和第二圖象捕獲裝置相配的第一和第二跟蹤器模件，所述的第一和第二跟蹤器模件從反射的紅外光確定眼的瞳孔的矩心的位置。
10.一種傳感眼的運(yùn)動(dòng)的裝置，所述的眼有一個(gè)光軸線和第一和第二橫向光軸線，所述的裝置包括一個(gè)第一跟蹤器，所述的第一跟蹤器包括第一圖象捕獲裝置和第一處理器模件，所述的第一圖象捕獲裝置沿著一個(gè)第一成象軸線指向眼，所述的第一成象軸線與所述的光軸線有一個(gè)角度偏開(kāi)，所述的第一處理器模件產(chǎn)生一個(gè)第一信號(hào)指示眼相對(duì)第一成象軸線的橫向運(yùn)動(dòng)，一個(gè)第二跟蹤器，所述的第二跟蹤器包括第二圖象捕獲裝置和第二處理器模件，所述的第二圖象捕獲裝置沿著一個(gè)第二成象軸線指向眼，所述的第二成象軸線與所述的光軸線有一個(gè)角度偏開(kāi)，所述的第二處理器模件產(chǎn)生一個(gè)第二信號(hào)指示眼相對(duì)第二成象軸線的橫向運(yùn)動(dòng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其特征在于還包括一個(gè)與所述的第一和第二處理器相連的第三處理器模件，所述的第三處理器模件從第一和第二信號(hào)計(jì)算眼相對(duì)第一和第二橫向光軸線的橫向位移。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其特征在于還包括一個(gè)激光器，發(fā)出一個(gè)沿著光軸線朝著眼的激光束以便切除眼的角膜組織，使眼的光學(xué)特點(diǎn)作預(yù)定的改變。
13.一種傳感眼的運(yùn)動(dòng)的方法，所述的眼有一個(gè)光軸線和第一和第二橫向軸線，所述的方法包括用第一圖象捕獲裝置傳感眼沿著第一橫向軸線的運(yùn)動(dòng)，所述的第一圖象捕獲裝置設(shè)成沿第一圖象通道，而與光軸線偏開(kāi)，和用第二圖象捕獲裝置傳感眼沿著第二橫向軸線的運(yùn)動(dòng)，所述的第二圖象捕獲裝置設(shè)成沿著第二圖象通道，而與光軸線偏開(kāi)，所述的第二成象通道相對(duì)于所述的第一成象通道繞著所述的光軸線作周向的位移。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其特征在于還包括把一激光能圖形指向眼使得眼的光學(xué)特點(diǎn)有要求的改變，和響應(yīng)來(lái)自第一和第二圖象捕獲裝置傳感的眼的運(yùn)動(dòng)使激光能橫向位移，以使眼運(yùn)動(dòng)時(shí)，能增加在激光能圖形和眼之間的對(duì)準(zhǔn)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于激光能響應(yīng)眼或頭的第二主動(dòng)運(yùn)動(dòng)作橫向運(yùn)動(dòng)，和沒(méi)有跟蹤眼的迅速的跳躍運(yùn)動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其特征在于還包括使用來(lái)自至少一個(gè)圖象捕獲裝置的信號(hào)，來(lái)響應(yīng)眼沿著光軸線的位置信息。
全文摘要
提出了改進(jìn)的激光眼外科手術(shù)和/或眼跟蹤系統(tǒng)和裝置,使用兩個(gè)圖象捕獲裝置,與眼和/或任一激光傳輸系統(tǒng)(28)的光軸線偏開(kāi)。這使得在使用紅外成象跟蹤眼的瞳孔時(shí),提高了如具有電荷耦合器件(CCD)的攝象機(jī)的圖象捕獲裝置的成象對(duì)比度。該兩個(gè)偏軸的攝象機(jī)可以獨(dú)立地使用以跟蹤瞳孔沿著眼的正交的橫向軸線的運(yùn)動(dòng)(常稱(chēng)為X－Y跟蹤),和也可指示眼沿著光軸線(或Z軸線)的位置。
文檔編號(hào)A61F9/007GK1390106SQ00815602
公開(kāi)日2003年1月8日 申請(qǐng)日期2000年10月5日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月7日
發(fā)明者金曼·伊, 查理斯·R·芒內(nèi)爾萊恩 申請(qǐng)人:維思克斯公司