[发明专利]眼科手术导航系统

说明书

本发明提供了一种眼科手术导航系统，该眼科手术导航系统通过与手术显微镜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，该系统基于人工智能图像处理算法实时获取手术视频，基于若干目标区域或特征提取对当前帧图像进行追踪，根据参考图像修正累计误差，最终确定眼睛缩放、位移、旋转、非刚性形变等信息，并将眼睛位置信息投影于手术显微镜中，实现对手术的实时、持续、自动、精准导航，避免了人工标记，实现个性化眼科手术，提升手术质量，改善患者术后视力恢复情况。

技术领域

本发明涉及人工智能图像处理领域，具体涉及眼科手术导航系统。

背景技术

眼科手术是治疗眼科疾病的常用方法。例如，白内障手术通过切口、撕囊、超声乳化等步骤去除病眼内的白内障并完成人工晶体的置换。屈光白内障手术通过置换散光型人工晶体在去除白内障的同时矫正角膜散光，提高术后裸眼视力。散光型人工晶体具有方向性，特别是多焦点人工晶体，需要在手术中确保晶体的居中以及散光轴与术前计算方向一致。然而，病人眼睛生物参数(包括散光)的测量一般在手术前完成，在病人由坐立到侧卧过程中，以及手术过程中眼睛会发生显著的运动，使术者难以准确对齐人工晶体的中心和旋转角度。据统计，患者在坐位、卧位眼球平均旋转角度为4度以上。有30％以上的病人在白内障手术后存在1度以上的未校正屈光度，而每1度旋转角度的差异会导致3.3％的散光矫正误差。此外，切口、撕囊等位置由于眼睛在手术中的运动也难以准确定位。

以白内障手术为例，传统上，医生通过手动标记的方法在术前确定病眼的切口、撕囊位置、晶体植入轴等信息。然而，手工标记受主观因素影响较大，费力费时，对眼睛有创伤，易造成病人眼睛不适，且散瞳后容易被手术中的冲洗液洗掉，从而丢失标记信息。手术导航系统通过图像处理算法，通过视频中眼睛若干特征的提取，将手术所需的位置信息投影于手术显微镜的视野当中为术者提供实时导航信息，避免了手动标记，从而可以显著提高白内障手术的质量和效率，使医生和患者受益。对于其他眼科手术，包括但不限于准分子激光原地角膜消除术(LASIK)、全飞秒激光近视眼手术、全飞秒白内障手术、角膜移植手术、角膜缘松弛切口手术(limbal relaxing incision)等，但凡需要在术中获取眼睛某个特征的位置信息，均需要应用上述技术。

发明专利WO2006/044056A2公布了一种数字眼科手术工作台，主要包括一个摄像头，一个显示器以及一个处理器，用于将眼睛特征模板融合于摄像头拍摄的眼睛图像上。该发明通过设计光照方法避免眼睛图像中出现的强反射以及过饱和现象，通过图像后处理调节亮度、对比度、分辨率、放大倍数等方式优化图像显示、通过选取不同波长光照射眼睛避免术者暴露在激光照射下，并提供了测量、显示术中测量距离的方法。尽管该发明提到了通过将眼睛中心、旋转等信息以模板方式融合于图像中辅助手术，但却未包含如何实时获得并追踪眼球中心、旋转位置等信息的方法。

发明专利US2004/0102799A1、US2011/0157553A1公布了一个手术显微镜系统，包括光学设计、眼睛追踪器以及模式生成器，用于指导眼科手术。其中，眼睛追踪器通过阈值、滤波等简单的图像处理方法提取并追踪眼睛特征。然而，这些简单的图像处理方法需要设置若干阈值等经验参数，而这些参数一旦固定后难以适应手术过程中所有复杂情况下眼睛的特征追踪，如冲洗液冲刷、光照不均匀、手术器械干扰等，也难以适用于具有不同颜色、不同特征的病眼，因此在实际使用过程中存在追踪目标丢失、不准确或者抖动明显等缺陷。

发明专利US2009/0048608A1公布了一种用于辅助屈光性人工晶体植入的方法。该发明主要利用巩膜血管以及眼球表面地形图，计算并提供屈光性人工晶体的设计参数以及手术切口等信息。这些信息可通过透明接触镜或集成于镜头拆卸控制台等方式指导术者进行手术。然而，该方法并未包含具体图像处理算法用于术中眼球的特征提取，也无法完成动态眼球运动过程中位置的实时追踪。

发明专利US2010/0208199A1公布了一种对齐人工晶体的方法。该发明通过人工或自动检测散瞳前的瞳孔中心，并显示辐射状直线用于指导散瞳后人工晶体的放置。然而，该发明并未公布瞳孔中心检测的细节，也未包含术中自动计算眼球旋转角度的方法。