[发明专利]眼科手术导航系统

权利要求书

1.一种眼科手术导航系统，其特征在于，该眼科手术导航系统(2)通过与手术显微镜(20)的集成为术中医生提供眼睛位置、旋转信息，辅助医生进行手术；

其中，手术显微镜(20)主要包括目镜系统(21)、分光镜系统(22)和物镜系统(23)；物镜系统(23)将光束聚焦于病患眼睛(24)实现清晰成像；分光镜系统(22)将光束分为两路或多路，其中一路通向目镜，另一路通向手术导航系统摄录像系统(3)，这个通路是集成手术导航系统于手术显微镜中的通路；目镜系统(21)将像平面投射于医生眼睛中，使显微镜图像以及手术导航系统(2)生成的投影图案能够被医生直接观察；眼科手术导航系统(2)具体通过分光镜系统(22)与手术显微镜(20)进行集成，并将手术导航信息投影于目镜系统(21)中，使得术者能够实时观察到手术需要的导航图像(1)；

手术导航系统(2)主要包括摄录像系统(3)、计算机(6)、算法模块(7)、投影模块(8)，显示模块(9)以及照明模块(10)；摄录像系统(3)实时采集由分光镜系统(22)通路获得的术中眼睛视频(4)，实时采集的术中眼睛视频(4)中的视频图像和术前采集的参考图像(5)储存于计算机(6)内，作为人工智能算法模块(7)的输入；算法模块(7)实时计算眼睛的位移、旋转、缩放以及其他非刚性形变的实时位置信息，并将所述实时位置信息传输于投影模块(8)；为了满足实时手术导航的条件，算法模块(7)的计算时间小于50ms，即为了满足视频的实时处理和分析要求，每帧视频图像处理时间小于50ms；投影模块(8)根据算法模块(7)中的算法确定的眼睛实时位置信息，结合不同眼科手术的需求，生成用于辅助医生进行手术的图案，并通过显示模块(9)投影于手术显微镜(20)的目镜系统(21)视野中，或将手术导航图像投影于外接显示器上；照明模块(10)根据手术中病患眼睛(24)的个体特征差异设置不同亮度、不同波长、不同光照条件的照明光，使得实时采集的术中眼睛视频(4)中的视频图像易于被算法模块(7)进行处理；

手术导航系统(2)中，算法模块(7)是核心，其利用前一帧视频图像特征区域实现当前帧视频图像对应特征区域目标的追踪；这里的特征区域是指前一帧视频图像选取的目标追踪区域，追踪目标即为当前帧视频图像中对应该特征区域的目标位置；所述算法模块(7)中的算法首先读取实时采集的术中眼睛视频(4)中的当前帧视频图像(12)，并根据实时采集的术中眼睛视频(4)中的前一帧视频图像中的特征区域，通过追踪模块(30)进行眼睛特征的检测和追踪，得到眼睛实时位置信息(50)；下一步是对眼睛实时位置信息(50)采用追踪结果评估模块进行评估(31)，如果达到预设准确度和精度要求，则进入后续投影模块(8)，使得术者通过手术显微镜(20)实时观察到当前帧视频图像(12)及其手术导航信息；

如果未达到要求或累计追踪帧数超过预设阈值T，则通过与参考图像(5)的配准修正累计误差后得到当前帧视频图像(12)的眼睛实时位置信息(50)，其中，参考图像(5)能够在术前散瞳前采集；如果结果评估进一步失败，则隐藏导航信息(34)，避免对术者产生干扰，同时根据手术中视频的追踪结果在某一时刻通过追踪区域重选取模块(33)自动重新选取眼睛的目标追踪区域，并应用于实时采集的术中眼睛视频(4)中的下一帧视频图像的追踪；

其中，所述追踪模块(30)进行眼睛特征的检测和追踪方法具体为：通过眼球边界分割模块(41)对当前帧视频图像(12)检测眼球边界，即通过虹膜边界或角膜缘的检测确定眼球中心(44)，根据眼球中心(44)在前一帧视频图像(11)和当前帧视频图像(12)中的位置变化，能够确定眼球的平移信息(48)；另外，由前后帧视频图像中虹膜边界的大小计算视野的缩放因子；其次，根据前一帧视频图像(11)获得的若干目标追踪区域(40)对当前帧视频图像(12)对应的候选区域通过目标追踪模块(45)进行追踪，并进一步确定旋转(47)、非刚性形变(49)的眼睛位置信息；如果发生检测失败，需要重新通过追踪区域重选取模块(33)进行目标追踪区域选取，则通过眼球边界分割(41)模块获取的虹膜边界(91)辅助提取巩膜区域(94)或虹膜区域(93)进行目标追踪区域选取；其中，一种目标追踪区域重选取的方法是在巩膜区域(94)进行血管检测(42)，选择血管密度高的区域为目标追踪区域，进一步用于下一帧视频图像的追踪，目标追踪区域由若干矩形区域组成，这些目标追踪区域从巩膜区域(94)选取，或者从虹膜区域(93)选取，或者从角膜缘边界选取，或者同时从以上区域选取，目标追踪区域的选择方式为自动，目标追踪区域的个数大于或等于1；

所述追踪区域重选取模块(33)的一种实现方法是在眼睛巩膜区域选取M＝8个小矩形区域(101)-(108)作为追踪的目标，通过前一帧视频图像(11)和当前帧视频图像(12)对应目标追踪区域的匹配和追踪，实现眼睛旋转和非刚性形变的确定，目标追踪区域的一种选取方法是均匀覆盖巩膜各角度区域，即目标区域的选取方式为沿巩膜角度方向均匀分布；目标追踪区域的另一种选取方法是通过血管检测模块(42)，按照血管密度高低对所有区域进行排序，选取血管密度高的M个区域进行追踪；所述追踪区域重选取模块(33)的另一种实现方法是将直角坐标下的原始眼睛图像以眼球中心点(44)为中心变换到极坐标下，在极坐标下的巩膜区域进行目标区域的选取，相比直角坐标下的原始图像，极坐标的优势在于原始直角坐标下的旋转分量转化为了平移分量，更易于设计追踪算法完成目标的追踪；

所述追踪区域重选取模块(33)的第三种实现方法是在虹膜区域内选取均匀分布或血管密度高的若干区域，血管密度高的区域通过血管检测实现，虹膜目标区域的选取在极坐标系下完成。