技术领域
[0001] 本
发明涉及眼科医疗器械，特别是涉及一种用于角膜交联的智能系统。
背景技术
[0002] 角膜是眼球前端的透明组织，在眼球光学系统中起到重要作用，其屈光能
力占眼球屈光系统能力的一半以上，角膜形状的轻微变化会引起视力的大幅度改变。圆锥角膜是一种以角膜扩张、中央变薄向前突出使角膜呈现圆锥形状的眼部
疾病，大范围的改变了角膜形状，会造成了视力的急剧下降。近视、远视和散光，都是涉及眼球系统屈光能力的眼科疾病，通过改变角膜的屈光能力能对病情进行缓解，起到恢复视力的效果。
[0003] 角膜交联是一种改变角膜结构和力学性能的
治疗手段，它利用涂抹在角膜表面的
光敏剂在紫外光的照射下，与角膜胶原
纤维发生交联反应，从而提高角膜力学强度，进而缓解例如圆锥角膜疾病的进一步恶化和近视、远视和散光下眼球系统屈光能力的下降。同时角膜交联可以消除
微生物，增加角膜的抗酶活性，减轻相关
炎症反应。
[0004] 现有角膜交联仪器的治疗方法还很粗糙，大部分治疗仪器限于光学系统的可控制性和
精度不够，只能对角膜中心
位置进行全范围的照明，稍好一点的装置可以改变照射光斑大小和沿半径的光强分布，而这些远远满足不了角膜疾病患者个性化的治疗需求，每个患者需要的交联情况都是不尽相同的。而且受限于精度和可控性，现有角膜交联仪的适应症很狭窄，仅限于圆锥角膜疾病的治疗和LASIK术后的
辅助治疗。
发明内容
[0005] 本发明的主要目的在于克服现有角膜交联仪器的光学系统不能很好地满足圆锥角膜患者个性化治疗需求，以及可控性差，操作不精准等问题，提供一种用于角膜交联的智能系统，灵活满足个性化治疗需求并显著提高角膜交联手术的治疗效果和效率。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] 一种用于角膜交联的智能系统，包括：
[0008]
图案化数字光学系统，所述图案化数字光学系统包括紫外
光源模
块和
准直模块、光束调
制模块和投影照明模块，所述紫外光源模块用于提供功率可调的稳定紫外光，所述准直模块用于准直紫外光束，所述光束调制模块包括具有微反射镜阵列的数字化光投影芯片，所述数字化光投影芯片将经准直的紫外光束细分为多个可控小光束，依照预设的交联照明图案形成调制光束，所述投影照明模块用于将已调制光束投射到照明区域；
[0009] 视觉自动追踪系统，经配置实时
跟踪用户的眼球运动，对用户的瞳孔位置进行检测，并根据瞳孔位置确定视
线轴和光轴的夹角，即kappa角；
[0010] 控制系统，经配置按照预定的方式控制所述数字化光投影芯片各个微反射镜的偏转与否来达到对各个相应的小光束的使用与否，并控制各个微反射镜的占空比，即每单位时间内偏转时间与未偏转时间的比值，以控制各个小光束每单位时间内的照明
能量，来产生对应于不同的预定区域具有不同的预定强度分布的照射，以实现对角膜交联区域范围和能量分布的精细化和动态控制；所述控制系统还根据所述视觉自动追踪系统在交联过程中实时测得的kappa角，补偿kappa角产生的偏差，实现对角膜光学中心的追踪
定位，并控制所述图案化数字光学系统实时调整所述交联照明图案的中心位置，从而使所述交联照明图案照射到预定的角膜位置上。
[0011] 进一步地：
[0012] 所述视觉追踪系统使用黑白处理摄像头采集黑白人眼区域图像，以实现瞳孔的检测。
[0013] 所述智能系统还包括自动化
机电系统，机电系统包括多关节
机械臂、可旋转的
基座和可三
自由度微动的光机座，所述可旋转基座为所述机械臂提供依托和旋转自由度，所述可三自由度微动的光机座安装在所述机械臂尾端，通过所述机械臂及所述可旋转基座的运动实现空间中不同位置的固定和移动，并通过直线
电机实现空间三个轴上的位置的微调。
[0014] 所述多关节机械臂在关节连接处设置了可以调节阻尼大小的阻尼机构，以便所述多关节机械臂依靠所述阻尼实现手动模式下的不同位置停留。
[0015] 所述图案化数字光学系统还包括设置于所述准直模块和所述光束调制模块之间的匀光模块，所述匀光模块包括微透镜组和反射镜组，通过所述微透镜组与反射镜组对经准直的紫外光束进行均匀化处理再传送至所述光束调制模块进行调制。
[0016] 所述准直模块包括球面反射镜和
准直透镜组，通过所述球面反射镜汇聚紫外光束，再利用所述准直透镜组对紫外光束进行准直。
[0017] 所述紫外光源模块包括紫外光源和电源模块，所述紫外光源的发光功率不大于5瓦，发射的紫外线
波长为360至370nm，所述电源模块提供0至5A连续可调的
电流。
[0018] 所述紫外光源模块还包括设置在光源周围的曲面反射镜，用于对紫外光进行反射汇聚。
[0019] 所述投影照明模块经设置能够由所述控制系统控制其投影距离。
[0020] 所述投影照明模块包括透镜组，该透镜组中各透镜的相对位置经设置可微调以实现对照射区域范围的控制。
[0021] 所述投影照明模块的透镜组经设置使得所述控制系统能够对透镜间的相对位置进行调整来微调在固定的投影距离上形成的投影图像的大小。
[0022] 所述光束调制模块经设置以使对于照明图案达到50微米的控制精度。
[0023] 所述角膜交联照明图案包括中心的圆形和在所述圆形的外周上均匀间隔分布的多个扇形块，形成从中心向外发散的星形形状。
[0024] 一种用于角膜交联的智能系统的控制方法，包括：使用所述的智能系统，在角膜交联过程中使用所述视觉自动追踪系统对用户的瞳孔位置进行实时检测，根据所述瞳孔位置确定视线轴和光轴的夹角，即kappa角，补偿kappa角产生的偏差，实现对角膜光学中心追踪定位，并控制所述图案化数字光学系统实时调整交联照明图案的中心位置，从而使所述交联照明图案照射到预定的角膜位置上。
[0025] 进一步地：
[0026] 包括使用黑白处理摄像头采集到黑白人眼区域图像，通过
边缘检测和Hough变换进行特征提取，实现瞳孔和普尔钦斑(眼球角膜上由于入瞳光线在角膜外表面上反射产生的亮光点)的检测，通过标定点检测，计算角膜反射量，得到视轴与光轴的夹角，即kappa角，并通过眼球
可视化特征(瞳孔、虹膜、普尔钦斑等)重构出光轴(眼球中心，角膜
曲率中心，瞳孔中心的连线)，再通过kappa角，由光轴推算出视线轴，以实现对角膜光学中心的追踪定位。
[0027] 所述边缘检测采用Canny
算法对图像进行边缘检测，其中先将所述黑白处理摄像头得到的黑白人眼区域图像进行高斯平滑，接着进行直方图均值化，最后利用Canny函数完成边缘检测。
[0028] 所述Hough变换以在一个参数空间中通过计算累计结果的局部最大值得到一个符合设定形状的集合作为Hough变换结果，求出瞳孔中心的位置。
[0029] 本发明具有如下有益效果：
[0030] 与现有角膜交联设备相比，本发明提供的智能角膜交联系统可以提供更为个性化，更精准，效率更高的治疗。本系统的图案化数字光学系统具有对角膜交联区域范围和能量分布进行控制的能力，通过光束调制模块的处理，可以实现对角膜交联区域范围和能量分布的精细化和动态控制，根据不同患者的角膜的生理状况，做出相应特定的个性化照明图案的设计，以针对这些患者达到最好的治疗效果。同时，本系统的视觉自动追踪系统可以
预防病人在交联过程中由于不适而引起的眼球移动，使得交联的区域根据移动情况及时做出相应的调整，增强交联效果。通过对kappa角进行补偿，视觉自动追踪系统实现了对角膜光学中心的追踪定位，使得照射能量一直都传递到正确的需要的位置上。由于本系统针对于每个病人的病情都可以做出个性化的交联图案设计，不同于现有设备产生圆形光斑，这样特定的照明治疗图案，既缩小了交联区域减小了对角膜的损伤，又能实现很好治疗效果，达到预期的角膜强度。由于这些优点，使本系统可以用于治疗近视、远视、散光等有关眼球光学系统屈光能力的眼科疾病，可以用于延缓圆锥角膜病情发展，可以用于治疗角膜感染溃疡等，在减少角膜照射区域和角膜伤害的同时达到更好的治疗效果，极大地提高了角膜交联手术的治疗效果和效率，并为角膜交联提供了良好的研究平台。
[0031] 优选的方案中，本系统还采用自动化机电系统，使得图案化数字光学系统和视觉追踪系统都能准确快速的操作，并精准定位，相比于只有人手拉动操作，精准度大大提高。
[0032] 优选的方案中，本发明提供特定的星形形状照明治疗图案，既缩小了交联区域减小了对角膜的损伤，又能实现很好治疗效果，达到设定的角膜强度。
附图说明
[0033] 图1为本发明一种
实施例的智能角膜交联系统的结构
框图；
[0034] 图2为本发明一种实施例中的图案化数字光学系统的结构框图；
[0035] 图3为本发明一种实施例中的图案化数字光学系统的光路示意图；
[0036] 图4A至图4C为本发明一种实施例中的图案化数字光学系统产生的三种角膜交联照明图案的示例。
[0037] 图5为本发明一种实施例中的自动化机电系统的阻尼机械臂结构图。
[0038] 图6为本发明一种实施例中的自动化机电系统的基座结构图。
[0039] 图7为本发明一种实施例的控制方法中的视觉自动追踪过程图。
具体实施方式
[0040] 以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0041] 参阅图1至图3，在一种实施例中，一种用于角膜交联的智能系统，包括图案化数字光学系统、视觉自动追踪系统和控制系统。
[0042] 如图2和图3所示，所述图案化数字光学系统包括紫外光源模块和准直模块1、光束调制模块3和投影照明模块4，所述紫外光源模块用于提供功率可调的稳定紫外光，所述准直模块用于准直紫外光束，所述光束调制模块3包括具有微反射镜阵列的数字化光投影芯片，所述数字化光投影芯片将经准直的紫外光束细分为多个可控小光束，依照预设的交联照明图案形成调制光束，所述投影照明模块4用于将已调制光束投射到照明区域。
[0043] 所述视觉自动追踪系统经配置实时跟踪用户的眼球运动，对用户的瞳孔位置进行检测，并根据瞳孔位置确定视线轴和光轴的夹角，即kappa角。
[0044] 所述控制系统经配置按照预定的方式控制所述数字化光投影芯片各个微反射镜的偏转与否来达到对各个相应的小光束的使用与否，并控制各个微反射镜的占空比，即每单位时间内偏转时间与未偏转时间的比值，以控制各个小光束每单位时间内的照明能量，来产生对应于不同的预定区域具有不同的预定强度分布的照射，以实现对角膜交联区域范围和能量分布的精细化和动态控制；所述控制系统还根据所述视觉自动追踪系统在交联过程中实时测得的kappa角，补偿kappa角产生的偏差，实现对角膜光学中心的追踪定位，并控制所述图案化数字光学系统实时调整所述交联照明图案的中心位置，从而使所述交联照明图案照射到预定的角膜位置上。
[0045] 在优选的实施例中，所述视觉追踪系统使用黑白处理摄像头采集黑白人眼区域图像，以实现瞳孔的检测，减少噪声影响。
[0046] 在优选的实施例中，所述智能系统还包括自动化机电系统，机电系统包括多关节机械臂、可旋转的基座和可三自由度微动的光机座，所述可旋转基座为所述机械臂提供依托和旋转自由度，所述可三自由度微动的光机座安装在所述机械臂尾端，通过所述机械臂及所述可旋转基座的运动实现空间中不同位置的固定和移动，并通过直线电机实现空间三个轴上的位置的微调。
[0047] 在更优选的实施例中，所述多关节机械臂在关节连接处设置了可以调节阻尼大小的阻尼机构，以便所述多关节机械臂依靠所述阻尼实现手动模式下的不同位置停留。在人工使用过程中，机械臂可以停在任意一个位置上，并在电机控制过程中运动更加稳定精确。
[0048] 图5示出一种阻尼机械臂结构，其中51为步进电机，52为光基安装盒，53为双
连杆臂，54为阻尼气
弹簧，55为小阻尼
转轴。
[0049] 在一个具体实施例中，所述可旋转的基座可包括承重轴筒、
配重底座、可旋转的空
心轴，并设置有触控式显示屏，所述机械臂和显示屏连接在可旋转的空心轴上，可旋转的空心轴安装在所述承重轴筒上，增强所述机械臂空间移
动能力，所述承重轴筒安装在所述配重底座上。
[0050] 图6示出一种基座结构，其中61为操作屏，62为大阻尼空心转轴，63为空心固定轴，64为处理器，65为大负荷万向轮。
[0051] 在一个具体实施例中，所述可三自由度微动的光机座通过
榫卯结构固定所述搭载的光学系统，并通过所述的三轴直线电机组实现空间内三轴方向上的高精度的微调移动，所述微调移动精度可以达到10μm。
[0052] 在优选的实施例中，所述图案化数字光学系统还包括设置于所述准直模块和所述光束调制模块3之间的匀光模块2，所述匀光模块2包括微透镜组和反射镜组，通过所述微透镜组与反射镜组对经准直的紫外光束进行均匀化处理再传送至所述光束调制模块3进行调制。
[0053] 在优选的实施例中，所述准直模块包括球面反射镜和准直透镜组，通过所述球面反射镜汇聚紫外光束，再利用所述准直透镜组对紫外光束进行准直。
[0054] 在优选的实施例中，所述紫外光源模块包括紫外光源和电源模块，所述紫外光源的发光功率不大于5瓦，发射的紫外线波长为360至370nm，所述电源模块提供0至5A连续可调的电流。
[0055] 在优选的实施例中，所述紫外光源模块还包括设置在光源周围的曲面反射镜，用于对紫外光进行反射汇聚。
[0056] 在优选的实施例中，所述投影照明模块4经设置能够由所述控制系统控制其投影距离。
[0057] 在优选的实施例中，所述投影照明模块4包括透镜组，该透镜组中各透镜的相对位置经设置可微调以实现对照射区域范围的控制。
[0058] 在优选的实施例中，所述投影照明模块4的透镜组经设置使得所述控制系统能够对透镜间的相对位置进行调整来微调在固定的投影距离上形成的投影图像的大小。
[0059] 在优选的实施例中，所述光束调制模块3经设置以使对于照明图案达到50微米的控制精度。
[0060] 参阅图4A至图4C，在优选的实施例中，所述角膜交联照明图案包括中心的圆形和在所述圆形的外周上均匀间隔分布的多个扇形块，形成从中心向外发散的星形形状。
[0061] 参阅图1和图7，在另一种实施例中，一种用于角膜交联的智能系统的控制方法，包括：使用所述的智能系统，在角膜交联过程中使用所述视觉自动追踪系统对用户的瞳孔位置进行实时检测，根据所述瞳孔位置确定视线轴和光轴的夹角，即kappa角，补偿kappa角产生的偏差，实现对角膜光学中心追踪定位，并控制所述图案化数字光学系统实时调整交联照明图案的中心位置，从而使所述交联照明图案照射到预定的角膜位置上。
[0062] 在优选的实施例中，所述方法包括使用黑白处理摄像头采集到黑白人眼区域图像，通过边缘检测和Hough变换进行特征提取，实现瞳孔和普尔钦斑(眼球角膜上由于入瞳光线在角膜外表面上反射产生的亮光点)的检测，通过标定点检测，计算角膜反射量，得到视轴与光轴的夹角，即kappa角，并通过眼球可视化特征(瞳孔、虹膜、普尔钦斑等)重构出光轴(眼球中心，角膜曲率中心，瞳孔中心的连线)，再通过kappa角，由光轴推算出视线轴，以实现对角膜光学中心的追踪定位
[0063] 在更优选的实施例中，所述边缘检测采用Canny算法对图像进行边缘检测，其中先将所述黑白处理摄像头得到的黑白人眼区域图像进行高斯平滑，接着进行直方图均值化，最后利用Canny函数完成边缘检测。
[0064] 在更优选的实施例中，所述Hough变换以在一个参数空间中通过计算累计结果的局部最大值得到一个符合设定形状的集合作为Hough变换结果，求出瞳孔中心的位置。
[0065] 在一种实例中，术者首先接受术前检查，确定角膜情况，制定与病情相适应的交联方案，将所定好的参数输入所述至集成控制系统中，得到所述个性化交联图案，图1中所述集成控制系统接收到所述视觉自动追踪系统的图像反馈信息，将运动指令传送至所述自动化机电系统，使所述图案化数字光学系统运动到需要的位置，再发指令给所述图案化数字光学系统，开始进行个性化照射交联。
[0066] 交联过程中，如图3所示，智能角膜交联的图案化数字光学系统包括：沿光路设置的紫外光源模块和准直模块1、匀光模块2、光束调制模块3、以及投影照明模块4。紫外光源模块的发光
二极管发出波长为365nm左右的近紫外光，通过光源周围的曲面反射镜进行反射汇聚，然后经由准直透镜组2对光线进行准直，之后光线照射到光束调制模块3中的数字投影芯片上，最后调制过的光束通过投影照明模块4照射到角膜的
指定区域。光束调制模块3可以改变微反射镜阵列中的各个反射镜的方向，来决定哪些位置光束需要保留；可以调整各个反射镜的每单位时间内偏转时间与未偏转时间的比值，即占空比，即可以达到控制各个微小光束每单位时间内的照明能量，即照明功率。此外，在投影照明模块4中，可以对透镜间的相对位置进行调整来微调固定投影距离上投影图案的大小。
[0067] 交联过程中，如图7所示，所述视觉自动追踪系统首先建立起
图像处理类，然后检测人眼，得到人眼区域，再进行
图像分割，接着做边缘检测和Hough变换，组后重构视线轴以得到kappa角，经过补偿之后追踪到角膜光学中心。在交联过程中，若病人的眼球因不适发生转动，通过图5、图6所示的结构组成的所述自动化机电系统的快速响应和图案化数字光学系统的能量调整，交联能量依旧实现我们需要的能量分布。
[0068] 以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
