專利名稱：線性陣列眼睛跟蹤器的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考本申請(qǐng)是1999年2月12日提出的No.091249,912號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)的部分繼續(xù)并要求該專利的權(quán)利；而No.091249,912號(hào)專利申請(qǐng)是1998年4月21日提交的美國(guó)No.091063,879號(hào)專利申請(qǐng)的后續(xù)申請(qǐng)，現(xiàn)已被授權(quán)，其公開的全部?jī)?nèi)容以參考的方式包含本申請(qǐng)中。
對(duì)患者的組織的活動(dòng)進(jìn)行跟蹤或追隨的能力被認(rèn)為是一種極需要的特點(diǎn)，尤其是對(duì)于在為完成精密的眼組織的精細(xì)手術(shù)而設(shè)計(jì)的激光發(fā)出系統(tǒng)中的應(yīng)用而言。被跟蹤的眼睛的活動(dòng)不僅包括自主性的活動(dòng)(可以通過特殊處理來抑制)，而且還包括非自主性的活動(dòng)，這對(duì)于清醒的患者而言更難以控制。換言之，即使患者在努力保持“穩(wěn)定”地凝視一個(gè)可視的目標(biāo)，仍會(huì)出現(xiàn)眼動(dòng)(eye movement)。這種非自主性的運(yùn)動(dòng)會(huì)降低通常要求精確度的一些眼外科手術(shù)的功效。事實(shí)上，盡管眼睛“完全不動(dòng)”，這種非自主性的動(dòng)作也會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)樵谝种品亲灾餍匝蹌?dòng)方面技術(shù)上是不完全有效的，而且對(duì)病人而言也是相當(dāng)不舒服的。眼睛的自動(dòng)跟蹤可以減輕對(duì)這種不舒適的不動(dòng)的需要，并可提供更有效地適應(yīng)不同類型眼動(dòng)的方法。換言之，通過對(duì)眼睛進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤來增強(qiáng)手術(shù)功能可提高精度與速度，借此，可以實(shí)施已知的激光眼科手術(shù)，也可以使新的手術(shù)得以首次實(shí)施。
各種眼動(dòng)跟蹤技術(shù)已予描述。一類通常的眼跟蹤技術(shù)稱為“光點(diǎn)跟蹤”。光點(diǎn)跟蹤器利用眼睛的與鏡頭相似的各種性能以光學(xué)的方法來定位可辯別的位置(例如，第一、第二、第三和第四普爾欽點(diǎn))?？上?，該光點(diǎn)跟蹤不明確地假定眼睛是作為剛體而運(yùn)動(dòng)的。由于在運(yùn)動(dòng)中眼睛會(huì)產(chǎn)生形變，晶狀體結(jié)構(gòu)的瞬間相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致不真實(shí)的光點(diǎn)位置信息。而且，光點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，并且可能在不同個(gè)體之間出現(xiàn)大的差異。
另一類眼跟蹤技術(shù)通常涉及數(shù)字模式檢測(cè)。這些數(shù)字技術(shù)通常都要求很高的幀頻CCD攝像機(jī)和復(fù)雜的處理算法。由于跟蹤頻率響應(yīng)遠(yuǎn)低于更新頻率，這些技術(shù)相對(duì)較慢。因此，這些已知的數(shù)字方法通常都要求極快的響應(yīng)機(jī)制，以便在容許的總的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)為復(fù)雜的電子處理留出時(shí)間。
一項(xiàng)最近的很有發(fā)展前景的眼動(dòng)跟蹤技術(shù)利用了虹膜和鞏膜在光散射性上的差別。在該項(xiàng)技術(shù)中，光線被投射到虹膜/鞏膜的界面或眼緣(limbus)上，并且通過光測(cè)器來檢測(cè)散射光，以確定邊界的位置。于是就能對(duì)該邊界的相對(duì)位置進(jìn)行監(jiān)視以跟蹤眼睛的位置。
可惜，與其說該眼緣是一個(gè)明顯的邊界，倒不如說更是角膜與鞏膜之間的一個(gè)過渡區(qū)。因此，邊緣檢測(cè)技術(shù)達(dá)不到所要求的精度，并且也不能跟蹤眼睛的大幅度運(yùn)動(dòng)。已知的眼緣跟蹤技術(shù)的另一個(gè)缺陷是實(shí)現(xiàn)跟蹤所要求的信號(hào)處理相當(dāng)復(fù)雜。換言之，當(dāng)眼睛運(yùn)動(dòng)致使該眼緣不再位于標(biāo)定位置時(shí)，利用已知的跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行有效調(diào)整要求對(duì)光測(cè)器信號(hào)進(jìn)行相當(dāng)復(fù)雜的變換以適當(dāng)?shù)乜刂普{(diào)位系統(tǒng)。這些復(fù)雜的信號(hào)變換增大了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且也使系統(tǒng)變慢。與本發(fā)明有關(guān)的研究表明，跟蹤系統(tǒng)響應(yīng)慢以及低于要求的精度在一定程度上是跟蹤系統(tǒng)非線性的結(jié)果。然而，利用具有沿虹膜/鞏膜界面的邊緣精確放置的經(jīng)準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)的光測(cè)器的已知的“精確定點(diǎn)的”眼緣跟蹤器，尤其是鑒于在不同的患者之間眼睛在幾何學(xué)上的差異，提供與保持這種校正再加上附加的系統(tǒng)部件與組合，就可能獲得足夠的跟蹤響應(yīng)。
鑒于以上所述，希望能夠提供經(jīng)過改進(jìn)的對(duì)眼睛進(jìn)行檢測(cè)與跟蹤的設(shè)備、系統(tǒng)與方法。特別希望這些改進(jìn)的技術(shù)改善跟蹤響應(yīng)時(shí)間與靈敏度，又不明顯地增加跟蹤設(shè)備的成本與復(fù)雜性。特別希望為適用于激光眼科手術(shù)的系統(tǒng)提供這些改進(jìn)的性能以準(zhǔn)確地檢測(cè)到并跟蹤患者眼睛的各種運(yùn)動(dòng)。
很簡(jiǎn)便，線性光沿器能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)與測(cè)量出一個(gè)大致上為圓形的特征部分如虹膜或瞳孔的一維定位誤差。本發(fā)明的跟蹤系統(tǒng)常常通過對(duì)沿著與反差邊界交叉且相互交叉的兩個(gè)軸向部分(axial segment)的光線進(jìn)行測(cè)量的方式來利用該一維的誤差測(cè)量。這種配置能夠提供準(zhǔn)確的相對(duì)位置的信息，盡管缺乏明顯的反差邊界，比如說當(dāng)利用經(jīng)常在眼緣發(fā)現(xiàn)的漸變的反差邊界時(shí)的情形。
第一方面，本發(fā)明提供了一種激光眼科手術(shù)系統(tǒng)，用于眼睛在X與Y方向上側(cè)向運(yùn)動(dòng)的過程中實(shí)現(xiàn)眼睛在光學(xué)性能上所要的變化。眼睛有一個(gè)第一特征部分和一個(gè)第二特征部分，其間具有一個(gè)反差邊界。該系統(tǒng)包括具有一個(gè)延伸的檢測(cè)器區(qū)域的第一線性光測(cè)器。第一線性光測(cè)器的檢測(cè)器區(qū)域用于沿著越過反差邊界的第一軸線從眼睛的第一和第二特征部分接收光線。第二線性光測(cè)器有一個(gè)延伸的檢測(cè)器區(qū)域，用于沿著越過反差邊界的第二軸線從眼睛的第一和第二特征部分接收光線。第二軸線與第一軸線成一個(gè)角度。一個(gè)處理器與第一和第二線性光測(cè)器連接。該處理器響應(yīng)沿第一與第二軸線接收的光線，對(duì)眼睛在X與Y方向上的側(cè)向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。激光器把一個(gè)激光光束射向眼睛以實(shí)現(xiàn)所要的眼睛在光學(xué)特性上的變化。響應(yīng)計(jì)算出的眼睛的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，該光束在側(cè)向上移動(dòng)。
第一與第二線性檢測(cè)器將經(jīng)常檢測(cè)來自眼睛的延伸區(qū)域的光線，這兩個(gè)區(qū)域?qū)嶋H上處于相互垂直的方向，雖然成斜角的對(duì)準(zhǔn)也可以使用。可選擇地，每個(gè)線性檢測(cè)器都可以生成一個(gè)信號(hào)，用以表示在延伸的檢測(cè)器區(qū)域內(nèi)接收的全部光線。另一方面，每個(gè)線性檢測(cè)器均可包括由光敏傳感器組成的線性陣列，以便每個(gè)線性檢測(cè)器生成一個(gè)信號(hào)，用以表示沿著光敏傳感器的反差邊界的對(duì)準(zhǔn)。例如，在對(duì)圓形特征部分如虹膜或瞳孔的位置進(jìn)行測(cè)量時(shí)，這些傳感器可以通過確定沿著該陣列的低光測(cè)量區(qū)的軸向位置來指明該圓形特征部分的軸向位置。另一方面，該陣列可以作為兩個(gè)獨(dú)立的傳感器組，通過把從該陣列的一側(cè)的傳感器接收的全部光線與從該陣列的另一側(cè)的傳感器接收的全部光線進(jìn)行比較的方式，來對(duì)該陣列進(jìn)行分析。
該系統(tǒng)常會(huì)包括與第一和第二線性光測(cè)器相關(guān)聯(lián)的成像鏡片。這些成像鏡片能夠獨(dú)立地把來自眼睛的光成像在第一和第二線性光測(cè)器上。例如，這就允許交叉的軸向部分在兩個(gè)光測(cè)器上成像，而這兩個(gè)軸向部分最好在眼睛的瞳孔內(nèi)交叉。這些鏡片偏離眼睛的光軸，最好偏開光軸90°以便隔離眼睛在X和Y方向上的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。通常，跟蹤系統(tǒng)的組成與響應(yīng)時(shí)間可以通過把第一與第二線性檢測(cè)器獨(dú)立地和第一與第二光束掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接起來，用每個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保持線性探器與眼睛之間沿著相關(guān)線性檢測(cè)器的檢測(cè)軸線的對(duì)準(zhǔn)的方式來加以改進(jìn)。
另一方面，本發(fā)明提供了一種激光眼科手術(shù)方法，其中包括對(duì)眼睛的第一與第二特征部分進(jìn)行照射。用多個(gè)線性光測(cè)器對(duì)被照亮的眼睛進(jìn)行測(cè)光，而每個(gè)線性檢測(cè)器被對(duì)準(zhǔn)以便從相鄰的第一特征部分、第二特征部分以及從它們之間的反差邊界接收光線。根據(jù)所測(cè)量的光線來確定眼睛的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。一束激光被射向眼睛的角膜組織以實(shí)現(xiàn)所要的眼睛的在光學(xué)性能上的變化。響應(yīng)所確定的眼睛在側(cè)向上的運(yùn)動(dòng)光束作側(cè)向移動(dòng)。
在例舉的實(shí)施例中，來自被照射的眼睛的光線由成像鏡片獨(dú)立成像，以便眼睛的第一與第二軸向部分分別在第一與第二線性光測(cè)器上成像。理論上，第一與第二軸向部分在眼睛的瞳孔內(nèi)交叉，反差邊界包括瞳孔/虹膜邊界和/或眼緣。


圖1A示意性的給出了在圖1的系統(tǒng)中使用的光敏二極管的結(jié)構(gòu)。
圖2是一個(gè)激光手術(shù)系統(tǒng)的側(cè)視圖，包括圖1中兩個(gè)獨(dú)立的軸中的一個(gè)的跟蹤系統(tǒng)。
圖3A和3B示出了利用一對(duì)同軸的線性塊狀光測(cè)器來檢測(cè)一維的側(cè)向眼動(dòng)的方法。
圖4示意性給出了另一個(gè)眼動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，包括兩個(gè)線性光敏二極管陣列，由此提供絕對(duì)的眼緣位置檢測(cè)，以及線性陣列輸出的和的相對(duì)變換。
圖5示意性的給出了用線性光測(cè)器測(cè)量速度的方法。
圖6和7示意性地給出了另一個(gè)線性光測(cè)器配置，其中成像鏡片獨(dú)立地把眼睛成像于數(shù)字線性光測(cè)器上，以便檢測(cè)來自在眼睛的瞳孔內(nèi)交叉的正交軸向部分的光線。
本發(fā)明能夠有選擇地使用線性塊狀光測(cè)器(bulk photodetector)。這些光測(cè)器能夠提供信號(hào)，指明沿著延伸的光線檢測(cè)區(qū)域的總的照度(illumination)。為利用鞏膜與虹膜間的明顯反差，不必精確地測(cè)定與跟蹤這些大、高反差的組織間的邊界的位置，光線檢測(cè)區(qū)域會(huì)延伸經(jīng)過(和越過)眼緣。
本發(fā)明的設(shè)備、系統(tǒng)與方法可在各種不同的場(chǎng)合得到應(yīng)用。例如，本發(fā)明的眼睛位置檢測(cè)技術(shù)可用于臨床或者飛快掃視與自主性眼動(dòng)的學(xué)術(shù)研究。這些技術(shù)與設(shè)備將在推廣激光眼科手術(shù)中得到其最直接的應(yīng)用。更具體地講，本發(fā)明的跟蹤系統(tǒng)可用于保持用于治療的激光光束與眼睛之間的對(duì)準(zhǔn)(alignment)以提高角膜速形激光眼科手術(shù)的精確性。另外，成對(duì)的線性光測(cè)器可在無(wú)跟蹤的情況下使用，只要眼睛的轉(zhuǎn)動(dòng)超過容許的對(duì)范圍就中斷這種激光切除手術(shù)過程。無(wú)論如何，本發(fā)明的檢測(cè)/跟蹤系統(tǒng)的成對(duì)的線性塊狀光測(cè)器可在相當(dāng)大的眼動(dòng)幅度范圍內(nèi)提供提高的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。
現(xiàn)在參見圖1，跟蹤系統(tǒng)10通過一組線性塊狀光測(cè)器12對(duì)眼睛E的側(cè)向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤。檢測(cè)器12是同軸成對(duì)配置的，檢測(cè)器的信號(hào)則處理器14進(jìn)行比較，該處理器利用檢測(cè)器信號(hào)對(duì)調(diào)位裝置16進(jìn)行控制。然后，調(diào)位系統(tǒng)16根據(jù)來自處理器的信號(hào)對(duì)眼睛E與檢測(cè)器12之間的對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行修正。
檢測(cè)器12中的每一個(gè)檢測(cè)器均有一個(gè)延伸的測(cè)光區(qū)，檢測(cè)器通常沿徑向線方向。在附圖1的簡(jiǎn)圖中，當(dāng)檢測(cè)器12與眼睛E重疊時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解，檢測(cè)器將根據(jù)眼睛的圖像經(jīng)常對(duì)眼睛E的位置進(jìn)行檢測(cè)。因此，在實(shí)際上常利用眼睛的圖像對(duì)檢測(cè)器12的相對(duì)于眼睛E的結(jié)構(gòu)與特征部分的相對(duì)位置進(jìn)行描述。例如，眼睛E包括鞏膜S和虹膜I，眼緣L定義兩者之間的分界。光敏二極管12被設(shè)置為“穿越”眼緣L從虹膜I延伸至鞏膜S，以便每個(gè)塊狀檢測(cè)器對(duì)來自大體上為白色，比較明亮的鞏膜的光線，和來自很暗的虹膜的光線進(jìn)行測(cè)量。但是，應(yīng)當(dāng)理解，檢測(cè)器裝置與眼睛可能有一段距離，這樣，檢測(cè)器實(shí)際上延伸穿越的是眼睛的一個(gè)映像。眼睛的映像將經(jīng)常通過眼睛與檢測(cè)器之間的光路(optical train)生成。另一方面，光敏二極管可以安裝在靠近眼睛的鏡架上并且其方向?yàn)橹苯哟┰届柲?虹膜的界面。
線性檢測(cè)器12一般包括延長(zhǎng)的硅光敏二極管。硅光敏二極管的時(shí)間常數(shù)一般為幾十微微秒。因此，采樣速率將會(huì)常常受到暴光時(shí)間的限制。更具體地講，采樣速率與暴光時(shí)間成反比，因此，暴光時(shí)間越短，采樣速率越高。
對(duì)硅光敏二極管的光譜響應(yīng)以近紅外線為中心(一般為靠近750μm左右)。這些檢測(cè)器一般對(duì)一個(gè)相當(dāng)寬的光譜內(nèi)的光均是敏感的，在450μm至950μm范圍內(nèi)至少具有約百分之五十的敏感度。使用硅光敏二極管檢測(cè)器時(shí)，優(yōu)選的照射源在該范圍內(nèi)在理想狀態(tài)下將包括明顯的輸出。另一方面，檢測(cè)器12在350至1100μm的整個(gè)范圍內(nèi)均可對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，或者是利用低敏感度的使用其他二極管結(jié)構(gòu)的檢測(cè)器，或者是利用類似結(jié)構(gòu)的檢測(cè)器。
圖1A給出了一個(gè)硅光敏二極管示例性結(jié)構(gòu)。線性檢測(cè)器12包括排檢測(cè)器元件13。檢測(cè)器元件13的側(cè)向?qū)挾却笥谄漭S向長(zhǎng)度(相對(duì)于檢測(cè)器的軸而言)。這就在保持軸向分辯率的同時(shí)在總體上擴(kuò)大了檢測(cè)區(qū)域。因此，該結(jié)構(gòu)以沿未使用的橫向檢測(cè)方向上的分辯率為代價(jià)，提供了改善的軸向信號(hào)噪聲性能。
處理器14在通常情況下將把由一對(duì)置的檢測(cè)器12生成的信號(hào)進(jìn)行比較。這些檢測(cè)器對(duì)于測(cè)量眼睛E的一維側(cè)向運(yùn)動(dòng)而言是足夠長(zhǎng)的，而且比其寬度長(zhǎng)得多。處理器14a通過將由第一檢測(cè)器12a生成的信號(hào)與由第二檢測(cè)器12b生成的信號(hào)進(jìn)行比較的方式對(duì)眼睛E的虹膜I的沿Y軸的位置進(jìn)行測(cè)量。眼睛E向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，鄰近第一檢測(cè)器12a的鞏膜S的量將會(huì)減少，而鄰近第二檢測(cè)器12b的鞏膜的量將會(huì)增大。反之，較暗的虹膜將越來越多地暴露給第一檢測(cè)器12a，并且暴露給第二檢測(cè)器12b的部分會(huì)越來越小。結(jié)果，由第一檢測(cè)器12a生成的總的亮度信號(hào)將減小，而由第二檢測(cè)器12b生成的信號(hào)會(huì)增大。通過比較這些信號(hào)，處理器14a能夠檢測(cè)出眼睛E已經(jīng)在Y正向運(yùn)動(dòng)，并且還能夠根據(jù)信號(hào)的量差以及該差的變化率分別測(cè)量出這一運(yùn)動(dòng)的總量及速度。
處理器14可以有選擇地包括相對(duì)簡(jiǎn)單的模擬電路，或者是，也可以包括與一個(gè)數(shù)字處理器連接的一個(gè)或多個(gè)模一數(shù)轉(zhuǎn)換器。優(yōu)選是使用模擬電路以提高系統(tǒng)的響應(yīng)，尤其是為了與模擬輸入信號(hào)一起使用而對(duì)調(diào)位裝置16進(jìn)行修改的時(shí)候。
調(diào)位裝置16一般將會(huì)根據(jù)來自處理器14的定位信號(hào)來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)器12與眼睛E之間的對(duì)準(zhǔn)。如圖1所示，為隔離沿著X與Y軸方向的一維反饋回路，與處理器14a連接的調(diào)位裝置16a最好只實(shí)現(xiàn)沿著Y軸的對(duì)準(zhǔn)?？梢允褂酶鞣N不同的裝置來提供這種一維的位置調(diào)整。例如，調(diào)位裝置16a可以沿著軸線移動(dòng)支撐檢測(cè)器12的鏡架。此外，調(diào)位裝置16可以旋轉(zhuǎn)一面鏡子以實(shí)現(xiàn)眼睛E的映像和檢測(cè)器12間的對(duì)準(zhǔn)。這里，處理器14向調(diào)位裝置16提供一個(gè)模擬信號(hào)，該調(diào)位裝置常會(huì)包括一個(gè)電機(jī)致動(dòng)裝置如音圈馬達(dá)(cec)或諸如此類的裝置。當(dāng)處理器14向調(diào)位裝置提供數(shù)字信號(hào)時(shí)，數(shù)字電機(jī)致動(dòng)裝置，如步進(jìn)機(jī)電，則可以替代使用。
圖2示出了用于局部光切除角膜組織以實(shí)現(xiàn)角膜整形的系統(tǒng)20。激光切除系統(tǒng)20包含圖1的跟蹤系統(tǒng)10的部件。激光切除系統(tǒng)20不定期包括生成激光光束24的激光器。通過調(diào)位裝置16，以眼睛E為基準(zhǔn)，激光光束24和檢測(cè)器12對(duì)準(zhǔn)。在該實(shí)施例中，調(diào)位裝置16利用旋轉(zhuǎn)鏡面26來改變眼睛E的映像在線性檢測(cè)器12上的位置。換言之，通過如圖所示的旋轉(zhuǎn)鏡面26，疊加在檢測(cè)器12上的眼緣映像L′以該檢測(cè)器為基準(zhǔn)被對(duì)準(zhǔn)。調(diào)位系統(tǒng)16可包含一條光路(未示出)以使眼睛成像，并引導(dǎo)激光光束24。
如上所述，通過用檢測(cè)器12進(jìn)行測(cè)量使用的適當(dāng)?shù)墓饽苷丈溲劬可以提高成像與檢測(cè)。這種照射可由斜向照明器(oblique illuminator)28提供。圖2中所示的跟蹤系統(tǒng)的部分裝置通常保持激光光束24與眼睛E之間沿X軸對(duì)準(zhǔn)。與獨(dú)立的處理器14和大體上獨(dú)立的調(diào)位裝置16連接的第二對(duì)檢測(cè)器12可用于當(dāng)移進(jìn)和移出附圖的平面對(duì)眼睛進(jìn)行跟蹤。根據(jù)本發(fā)明的經(jīng)過改進(jìn)的使用調(diào)位鏡的跟蹤系統(tǒng)可以包含在激光眼科手術(shù)系統(tǒng)中，它在加利福尼亞州的Santa Clara的股份有限公司VISX有售，其商標(biāo)為STARTM或STARS2TM。
參照附圖3A與3B，就能夠理解線性檢測(cè)器12的相對(duì)信號(hào)的變化。每個(gè)檢測(cè)器12定義一個(gè)延長(zhǎng)的光線檢測(cè)區(qū)域30，其內(nèi)部端點(diǎn)為32而外部端點(diǎn)為34。內(nèi)部端點(diǎn)32一般是與虹膜I對(duì)準(zhǔn)，而外部端點(diǎn)34延伸穿過四周環(huán)繞的鞏膜。結(jié)果，檢測(cè)器12延伸穿過眼緣L并檢測(cè)到部分來自相對(duì)較暗的虹膜I的光線，和部分來自亮得多的鞏膜的光線。
檢測(cè)器12檢測(cè)虹膜I的相對(duì)位置通常是成對(duì)運(yùn)行的。第一檢測(cè)器12a與第二檢測(cè)器12b沿X軸同軸對(duì)齊。定性地分析，當(dāng)虹膜I相對(duì)于檢測(cè)器12向右運(yùn)動(dòng)時(shí)(如圖3A中所示，或如圖3B中從B點(diǎn)向C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí))，較亮的鞏膜暴露于第一檢測(cè)器12a的部分變大，因而增大了其輸出信號(hào)。相反，第二檢測(cè)器12b的被較暗的虹膜遮蔽的部分變大，因而使其信號(hào)減小。然而，在虹膜I相對(duì)于X軸作垂直方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)(比如說，如圖3B中所示，從A點(diǎn)向B點(diǎn)運(yùn)動(dòng))，第一檢測(cè)器12a和第二檢測(cè)器12b的信號(hào)強(qiáng)度將減小差不多相同的量值。因此，通過比較來自第一檢測(cè)器12a與來自第二檢測(cè)器12b的信號(hào)的方式，可以使用一對(duì)檢測(cè)器來表明虹膜I沿X軸的運(yùn)動(dòng)，而與沿Y軸的任何運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。
定量地分析，來自第二檢測(cè)器12b(以及對(duì)于每一個(gè)檢測(cè)器而言)的信號(hào)為S=∫0lI(x)dx]]>其中l(wèi)是第二檢測(cè)器12b的長(zhǎng)度，而I(x)是沿著長(zhǎng)度l的位置x處的光強(qiáng)。作為例子，圖3C示出了一光強(qiáng)分布曲線，包括一個(gè)階梯函數(shù)，該函數(shù)具有兩個(gè)不同的常數(shù)值一個(gè)是虹膜I中的任意的低光強(qiáng)如I＝100，一個(gè)是沿著鞏膜的任意的高光強(qiáng)如I＝200。如果假定在一開始第二檢測(cè)器12b的半個(gè)長(zhǎng)度與虹膜對(duì)準(zhǔn)而半個(gè)長(zhǎng)度與鞏膜對(duì)準(zhǔn)(lo＝l/2)，則信號(hào)S由下式給出s=∫01/2I,dx+∫vl2I2dx=12(I1+I2)]]>如上所述，當(dāng)虹膜I向第二檢測(cè)器12b運(yùn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)S將減小。更具體地講，當(dāng)虹膜I向右運(yùn)動(dòng)Δl的距離使得眼緣l/2運(yùn)動(dòng)到l′時(shí)，第二檢測(cè)器12b的信號(hào)將減小，其減量為ΔS=S-∫orI1dx+∫rlI2dx]]>=∫lorI1dx-∫lorI2dx]]>其中l(wèi)′是理論上的眼緣沿著第二檢測(cè)器12b的新位置(l′＝loΔl)，而I1和I2分別是沿著虹膜和鞏膜的光強(qiáng)。利用本階梯函數(shù)例子的常數(shù)I1和I2，如圖3D所示，得到一個(gè)光強(qiáng)分布函數(shù)I(x)，信號(hào)ΔS的一個(gè)總的變化量如下ΔS＝(I1-I2)Δl其中(I1-I2)為虹膜與鞏膜間的反差(在本例中為200-100＝100)。
考慮塊狀光測(cè)器給出信號(hào)S的積分的另一個(gè)方法是將其看作是沿著一條狹縫(slit)的一個(gè)動(dòng)態(tài)平均值。其有利之處在于，跟蹤系統(tǒng)對(duì)越過漸變的反差過渡區(qū)的狹縫的平均光量進(jìn)行比較，如圖3C與3D中的虛線所示，該過渡區(qū)實(shí)際上出現(xiàn)在眼緣L上。與沿著這一過渡區(qū)的不規(guī)則的變化相比，當(dāng)虹膜I相對(duì)于檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過對(duì)置的狹縫的平均照度將平緩地變化。當(dāng)在對(duì)準(zhǔn)上的變化較小以及反差變化較小時(shí)，位移與信號(hào)的變化成正比。
通過對(duì)沿X軸的位置的變化率的監(jiān)控可以對(duì)速度進(jìn)行相當(dāng)準(zhǔn)確的測(cè)量。該速度測(cè)量的精度是反差與來自檢測(cè)器12的噪聲的比的函數(shù)。更具體地講，速度可以作為邊沿信號(hào)35的變化率來計(jì)算，雖然該邊沿不必很明顯。一個(gè)瞬間積分可從在一個(gè)時(shí)間間隔之前以及該時(shí)間間隔之后進(jìn)行的信號(hào)采樣獲得。信號(hào)的差除以時(shí)間間隔將表明速度。
良好的信號(hào)/噪聲(S/N)性能可提供一個(gè)更準(zhǔn)確的時(shí)刻，進(jìn)而給出更好的速度測(cè)量。S/N性能越好，噪聲脈沖被誤認(rèn)為是眼睛運(yùn)動(dòng)的可能性就越小。換言之，如果噪聲太多速度測(cè)量就會(huì)很難，因?yàn)檫呇氐奈恢米兊秒y以確定，而且該時(shí)刻會(huì)有較大的標(biāo)準(zhǔn)誤差。數(shù)據(jù)的平均值有助于改進(jìn)S/N性能以更準(zhǔn)確地計(jì)算出一個(gè)固定的或緩慢移動(dòng)的邊沿，但是連續(xù)信號(hào)的平均值會(huì)降低最大可測(cè)量的速度。
現(xiàn)在參見圖4，另一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)30使用的是一對(duì)線性陣列光敏二極管32a、32b。這樣的線性陣列可給出額外的空間信息。具體地說，線性陣列的數(shù)字特性會(huì)提供絕對(duì)的邊沿位置，而不僅僅是虹膜位置的相對(duì)測(cè)量。這一絕對(duì)位置檢測(cè)系統(tǒng)的精度取決于該線性陣列的像素的大小，也取決于典型的光學(xué)限制，如視野，放大倍數(shù)等。
線性陣列32提供的空間信息基本上與單視線相同。有利的是，單線像素陣列可避免標(biāo)準(zhǔn)視頻輸入的限制，包括低CCD刷新率等。這可以提供明顯高于典型的30或60Hz的視頻刷新率，這采樣速率而且最好的可等于或高于約120Hz的視頻刷新率。
目前可購(gòu)買到的線性陣列光敏二極管常包括256、512或者1024像素的陣列。對(duì)于25mm的視野而言，分辯率為1024的線性陣列的光敏二極管為24μm。每個(gè)陣列元件的尺寸沿著陣列的軸向約為2.5μm寬、25μm長(zhǎng)，這樣就可提供相當(dāng)好的軸像分辯率。較寬的尺寸通常有助于提高陣列的靈敏度。
有利的是，如上所述可對(duì)線性陣列32的每個(gè)元件的輸出求和以便提供與從塊狀檢測(cè)器得到的相同的信息。因此，只要第一陣列32a和第二陣列32b在徑向上分開的位置與眼緣L交叉，就能對(duì)來自這兩個(gè)線性陣列的信號(hào)的和進(jìn)行比較，以便確定虹膜I的沿著陣列間的X軸相對(duì)的位置。換言之，除了由該陣列提供的準(zhǔn)確的邊沿位置信息之外，可把性線光敏二級(jí)管陣列對(duì)用作塊狀光測(cè)器，來測(cè)量虹膜I對(duì)于把陣列分開的中線M的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，在某些應(yīng)用中可以使用多對(duì)陣列。
已參照沿著檢測(cè)器對(duì)之間的一個(gè)單軸的運(yùn)動(dòng)對(duì)本發(fā)明的檢測(cè)與跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了一般的描述。正如參照?qǐng)D1所述，這些系統(tǒng)將常常包括第二對(duì)檢測(cè)器，用于檢測(cè)和/或跟蹤與第一對(duì)檢測(cè)器的垂直的方向上的運(yùn)動(dòng)。通過保持這兩個(gè)檢測(cè)軸之間的正交關(guān)系可改進(jìn)過種跟蹤，同時(shí)，通過以形成一個(gè)斜角的方式來設(shè)備檢測(cè)器對(duì)可避開眼瞼或其他的障礙物。在圖6和7中示意性地給出了另外一種眼動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。在該實(shí)施例中，通過第一與第二成像鏡片44a與44b，眼睛E被分別成像于第一與第二數(shù)字線性光測(cè)器陣列42a與42b上。這里作為單一的透鏡示意性示出的成像鏡片可以有選擇地與眼睛的光軸偏置。成像鏡片可以有選擇地與眼睛的光軸偏置，成像鏡片的光路最好相互偏置一角度46，相對(duì)于眼睛的光軸而言約為90°。如上所述，這就允許每個(gè)線性光測(cè)器獨(dú)立地檢測(cè)X或Y方向上的運(yùn)動(dòng)。
如圖7所示，線性光測(cè)器42a、42b的檢測(cè)器區(qū)從眼睛E的較暗瞳孔、從有色虹膜以及從較亮的鞏膜接收光線。通常，檢測(cè)器從眼睛的定義一個(gè)反差邊界的兩個(gè)特征部分接收光線，線性檢測(cè)器最好沿著穿過第一特征部分而延伸至環(huán)繞的第二特征部分的一個(gè)軸向部分，在該軸向部分的兩端測(cè)量光線。這里第一特征部分包括眼睛的一個(gè)大體上為圓形的結(jié)構(gòu)，如瞳孔和/或虹膜，可以通過把來自檢測(cè)器陣列的各個(gè)的傳感器的信號(hào)分離，例如分成兩組的方式，對(duì)眼睛沿著軸向部分的軸線的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，如上所述對(duì)來自陣列一側(cè)的信號(hào)與來自陣列另一側(cè)的信號(hào)進(jìn)行比較，以確定眼睛的運(yùn)動(dòng)。此外，可對(duì)來自沿著陣列的傳感器的信號(hào)進(jìn)行分析，以確定沿著軸向部分的較暗的瞳孔和/或虹膜的中心。
雖然為了便于清晰理解，借助于圖示對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述，但是，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，各種變化、修改，以及適應(yīng)性改動(dòng)將是顯而易見的事性。例如，可以通過有選擇地比較來自三個(gè)線性光敏二極管的信號(hào)來跟蹤眼睛在水平方向上與垂直方向上的運(yùn)動(dòng)，其中，一個(gè)處理器把每個(gè)光敏二極管作為兩對(duì)成對(duì)部件的一個(gè)元件來處理。因此，本發(fā)明的范圍僅由后附的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種激光眼科手術(shù)系統(tǒng)，用于當(dāng)眼睛處于沿X和Y方向上的側(cè)向運(yùn)動(dòng)期間實(shí)現(xiàn)所要的眼睛在光學(xué)特性上的變化，眼睛具有第一特征部分與第二特征部分，它們之間具有一個(gè)反差邊界，該系統(tǒng)包括第一線性光測(cè)器，具有一個(gè)延長(zhǎng)的檢測(cè)器區(qū)域，第一線性光測(cè)器的該檢測(cè)器區(qū)域沿著延伸穿越反差邊界的第一軸，接收來自眼睛的第一與第二特征部分的光線；第二線性光測(cè)器，具有一個(gè)延長(zhǎng)的檢測(cè)器區(qū)域，第二線性光測(cè)器的該檢測(cè)器區(qū)域沿著延伸穿越反差邊界的第二軸，接收來自眼睛的第一與第二特征部分的光線，第二軸相對(duì)于第一軸形成一個(gè)角度；一個(gè)處理器，與第一和第二線性光測(cè)器連接，響應(yīng)沿著第一與第二軸接收到的光線，該處理器對(duì)眼睛在X與Y方向上的側(cè)向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算；與該處理連接的激光器，該激光器向眼睛投射激光光束以實(shí)現(xiàn)所要的眼睛在光學(xué)特性上的變化，該光束響應(yīng)計(jì)算出的眼睛的側(cè)向運(yùn)動(dòng)而向側(cè)向移動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中第一與第二線性檢測(cè)器的延長(zhǎng)的檢測(cè)器區(qū)域大體上是垂直的。
3.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中每個(gè)線性檢測(cè)器生成一個(gè)信號(hào)，表示延長(zhǎng)的檢測(cè)器區(qū)域內(nèi)的總光量。
4.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中每個(gè)線性檢測(cè)器包括一個(gè)線性陣列，該陣列在延長(zhǎng)的檢測(cè)器區(qū)域內(nèi)有多個(gè)光敏傳感器，每個(gè)線性檢測(cè)器生成一個(gè)信號(hào)，表示在沿著該線性陣列的光敏傳感器的方向上反差邊界的對(duì)準(zhǔn)。
5.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括第一成像鏡片與第二成像鏡征，這些成像鏡片位于由眼睛發(fā)出的光線的光路中，第一成像鏡片把沿著第一軸線而來的光線成像在第一線性光測(cè)器上，第二成像鏡片把沿著第二軸線而來的光線成像在第二線性光測(cè)器上。
6.如權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中，鏡片把眼睛的第一與第二軸向部分分別成像在第一與第二線性光測(cè)器上，而且其中的第一與第二軸向部分是交叉的。
7.如權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中的軸向部分在眼睛的瞳孔內(nèi)交叉，反差邊界包括由眼睛的眼緣和眼睛的虹膜與瞳孔間的邊界組成的一個(gè)組中的至少一項(xiàng)。
8.如權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括通過處理器分別與第一和第二線性檢測(cè)器連接的第一和第二光束掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保持線性檢測(cè)器與眼睛之間沿著一個(gè)相關(guān)聯(lián)的線性檢測(cè)器軸線的對(duì)準(zhǔn)。
9.一種激光眼科手術(shù)方法，包括對(duì)眼睛的第一特征部分與第二特征部分進(jìn)行照射；用多個(gè)線性光測(cè)器對(duì)來自被照射的眼睛的光線進(jìn)行測(cè)量，而每個(gè)線性檢測(cè)器要被對(duì)準(zhǔn)，以接收從第一特征部分、從第二特征部分以及從穿過它們之間的反差邊界而來的光線；根據(jù)所測(cè)得的光確定眼睛的側(cè)向運(yùn)動(dòng)；向眼睛的角膜組織照射一束激光光束，以實(shí)現(xiàn)所要的眼睛的在光學(xué)特性上的變化；響應(yīng)眼睛的側(cè)向運(yùn)動(dòng)在側(cè)向上移動(dòng)光束。
10.如權(quán)利要求9的激光眼科手述方法，還包括把來自被照射的眼睛的光成像使得眼睛的第一與第二軸向部分被分別成像于第一與第二線性光測(cè)器上，其中，第一與第二軸線在眼睛的瞳孔內(nèi)交叉。
全文摘要
對(duì)眼睛的位置進(jìn)行檢測(cè)與跟蹤的經(jīng)過改進(jìn)的設(shè)備、系統(tǒng)與方法。利用鞏膜與虹膜間的反差來獲得眼睛的位置。在許多實(shí)施例中,線性光測(cè)器可延伸越過瞳孔,也可選擇越過虹膜而延伸至鞏膜。一對(duì)這樣的線性光測(cè)器(42a與42b)能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)與測(cè)量一維的定位誤差并向一維的定位設(shè)備提供反饋,從而形成能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的位置跟蹤的一個(gè)單一的、高度線性的系統(tǒng)。
文檔編號(hào)A61F9/007GK1367662SQ00811216
公開日2002年9月4日 申請(qǐng)日期2000年8月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月2日
發(fā)明者金曼·伊 申請(qǐng)人:維思克斯公司