一种基于眼球的运动特征对眼球肿瘤区域的实时定位系统

摘要

本发明公开了一种基于眼球的运动特征对眼球肿瘤区域的定位方法，其包括以下步骤：提取眼前段组织信息，对眼前段信息校准及三维重构，获取眼球运动前后的移位参数，构建基于CT图像的三维眼球模型，建立眼前节特征结构与眼内肿瘤部位的坐标关系；本发明利用实时追踪OCT获取的眼前节图像，然后通过图像重建和配准等处理技术，准确定位肿瘤在放射区域内，本发明还公开了一种提取眼球眼前段组织信息的成像装置，其包括OCT光源、分光器、样本臂、参考臂和反馈装置；该实时定位跟踪系统属于体外无创定位，可以达到提高定位准确性、提高眼部肿瘤的放射剂量和局控率，以及减少周围正常的放射剂量和损伤等目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于眼球的运动特征对眼球特定区域进行定位的 方法，尤其是一种采用光学相干断层成像技术对眼球区域进行定位的 方法以及提取眼前段组织信息的成像装置。

背景技术

放射治疗是对眼部肿瘤的重要手段之一，尤其是针对如脉络膜黑 素瘤，视网膜神经胶质瘤，小儿横纹肌肉瘤，眼内淋巴瘤及葡萄膜黑 素瘤等肿瘤。通过精确的外照射放射技术给予肿瘤靶区足够大的放射 剂量，并在肿瘤外周通过陡峭的剂量梯度规避周边的正常组织(视神 经，斑点，睫状体和晶体)受损伤，提高肿瘤靶区的精确放射，从而 有效地保护眼部肿瘤病人的视力和眼球的正常功能。

然而不管采用何种外照射技术，对眼部肿瘤靶区的放射的效能极 大地依赖于病人摆位和实施的准确性。人体眼球因无自主运动，无法 完全固定，然而由于精确放射技术的陡峭剂量梯度特性，眼球很小的 一个无自主运动，都可能导致原来计划的高剂量区落到周围正常组织 上，造成肿瘤区不可接受的低剂量和周围正常组织和器官的过剂量照 射。由此可见，由于眼睛运动的特异性，眼部肿瘤定位及其与放射区 域之间偏差的有效修正对保护眼球正常组织的效果以及对提高眼部肿 瘤靶区的放射效能都至关重要。

虽然对球状的、快速移动的眼睛进行固定就比较困难，但人们也 尝试了多种眼球的固定手段，如眼球吸附设备，后眼球或眼球周边的 麻醉，或自动点光源固定等等方法。不过，上述眼球吸附设备会造成 患者非常大的不舒感，并可能造成前眼部损伤；而局部麻醉也会给病 人带来不适感，并可能诱发眼球在眶内的错位。目前，眼部肿瘤精确 放疗技术，如质子放疗等，最新的定位方式是通过有创伤性的手术放 置不透光芯片，来间接确眼部肿瘤的位置。每次放疗前，通过多角度 拍摄定位片，确定不透光芯片与计划的坐标之间的关系来确定肿瘤和 放射区域的位置关系。然而，这种依赖于手术放置的不透光芯片定位 使得精确放疗变成一种有创的治疗方式，并且，芯片的放置需要有较 高的外科手术技巧，且存在出血或巩膜穿孔的危险。此外，植外的金 属芯片在特定的情况下，还有可能形成剂量阴影区，造成肿瘤剂量不 足，影响肿瘤的局控率。基于此现状，临床上急切需要发展出无创 的、快速精确地定位眼部肿瘤的放射区域的辅助定位系统，以期实现 对眼内肿瘤自适应性的放射治疗，减少眼球的放射损伤。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于眼球的运动特 征对眼球肿瘤区域的定位系统，该定位系统可以根据眼球的运动特 征，获取眼球移动参量，根据肿瘤部位与眼前段各组织的相对坐标位 置关系，快速精确且无创地定位眼部肿瘤的放射区域。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于眼球的 运动特征对眼球肿瘤区域的定位方法，其特征在于，包括以下步骤： 提取眼前段组织信息，对眼前段信息校准及三维重构，获取眼球运动 前后的移位参数，构建三维眼球模型，建立眼前节特征结构与眼内肿 瘤部位的坐标关系，

①眼前段组织信息的提取：通过OCT获取眼前段组织图像，采用基 于动态规划的最短路径优化算法自动提取，该眼前段组织包括角 膜、虹膜、巩膜、瞳孔、晶状体，

②图像校准：基于斯涅尔定律通过三维空间的矢量光线追迹的方法 矫正三维SD-OCT图像的变形，还原全眼各屈光界面真实的物理尺 寸，

③眼前节三维重构：根据第②步获取的矫正后界面信息，依次确定 角膜前表面边界、角膜后表面边界、瞳孔、晶状体前表面边界、晶 状体后表面边界，将提取的上述边界界面根据瞳孔位置进行优化配 准，图像配准后建立基于OCT成像模态的眼前节三维模型，

④获取眼球运动前后移位参数：根据上述步骤③中建立的三维模 型，以初始时刻的图像为基准，采用图像配准算法，获取眼球运动 引起的移位参数，移位参数采用包含平移和旋转的6维坐标系来表 示，

⑤构建三维眼球模型：根据CT图像数据和CT图像中的肿瘤位置构 建三维眼球模型，

⑥建立坐标系：将获取的基于OCT成像模态的眼前节三维模型与基 于CT图像的三维眼球模型进行配比，配准后建立眼前节特征结构 与眼内肿瘤部位的坐标关系。

本发明的另一个目的，提供了一种基于眼球的运动特征提取眼球 眼前段组织信息的成像装置，其特征在于：包括OCT光源、分光器、 反馈装置，所述光源采用1.06μm的近红外扫频光源，该扫频光源通 过隔离器隔离后与光纤分光器连接，光纤分光器具有两个输出端，该 两个输出端分别连接有参考臂组件和样本臂组件，光纤分光器具有与 参考臂组件反馈连接的反馈端，参考臂组件包括与光纤分光器第一输 出端连接的准直镜，准直镜连接有透镜和反射镜，样本臂组件包括与 光纤分光器第二输出端连接的环形器，该环形器具有输出端和反馈 端，该环形器的输出端连接有准直镜、扫描振镜、聚焦透镜和反光 镜，所述反馈装置包括光纤耦合器，光纤分光器的反馈端以及环形器 的反馈端均与光纤耦合器的输入端连接，光纤耦合器的输出端连接有 平衡探测器。

采用上述方案，本发明利用实时追踪OCT获取的眼前节图像，然 后通过图像重建和配准等处理技术，准确定位肿瘤在放射区域内，该 实时定位跟踪系统属于体外无创定位，可以达到提高定位准确性、提 高眼部肿瘤的放射剂量和局控率，以及减少周围正常的放射剂量和损 伤等目的。

下面结合附图对本发明作进一步描述。

附图说明

附图1为本发明具体实施例眼前段组织的成像装置的系统框架 图。

具体实施方式

本发明的具体实施例如图1所示是基于眼球的运动特征提取眼球 眼前段组织信息的成像装置，包括OCT光源、分光器、反馈装置，光 源采用1.06μm的近红外扫频光源，该扫频光源通过隔离器隔离后与 50：50光纤分光器连接，光纤分光器具有两个输出端，该两个输出端 分别连接有参考臂组件和样本臂组件，光纤分光器具有与参考臂组件 反馈连接的反馈端，参考臂组件包括与光纤分光器第一输出端连接的 准直镜，准直镜连接有透镜和反射镜，样本臂组件包括与光纤分光器 第二输出端连接的环形器，该环形器具有输出端和反馈端，该环形器 的输出端连接有准直镜、扫描振镜、聚焦透镜和反光镜，反馈装置包 括光纤耦合器，光纤分光器的反馈端以及环形器的反馈端均与光纤耦 合器的输入端连接，光纤耦合器的输出端连接有平衡探测器。上述扫 频光源OCT采用1.06μm的近红外扫频光源，光源经50：50光纤分光 后，进入参考臂和样本臂。进入参考臂的光线经反馈回到光纤分光器 并进入光纤耦合器，进入样本臂的光线，经倾斜放置的反光镜反射后 使得成像光线进入放疗眼。从参考臂和样本臂返回的光线耦合干涉， 经平衡探测器探测后输出，获取人眼图像。

基于眼球的运动特征对眼球肿瘤区域的实时定位方法，其包括以 下步骤：提取眼前段组织信息，对眼前段信息校准及三维重构，获取 眼球运动前后的移位参数，构建三维眼球模型，建立眼前节特征结构 与眼内肿瘤部位的坐标关系，

①眼前段组织信息的提取：通过OCT获取眼前段组织图像，采用基 于动态规划的最短路径优化算法自动提取，该眼前段组织包括角 膜、虹膜、巩膜、瞳孔、晶状体，

②信息图像校准：基于斯涅尔定律通过三维空间的矢量光线追迹的 方法矫正三维SD-OCT图像的变形，还原全眼各屈光界面真实的物 理尺寸，

③眼前节三维重构：根据第②步获取的矫正后界面信息，依次确定 角膜前表面边界、角膜后表面边界、瞳孔、晶状体前表面边界、晶 状体后表面边界，将提取的上述边界界面根据瞳孔位置进行优化配 准，图像配准后建立基于OCT成像模态的眼前节三维模型，

④获取眼球运动前后移位参数：根据上述步骤③中建立的三维模 型，以初始时刻的图像为基准，采用图像配准算法，获取眼球运动 引起的移位参数，移位参数采用包含平移和旋转的6维坐标系来表 示，

⑤构建三维眼球模型：根据CT图像数据和CT图像中的肿瘤位置构 建三维眼球模型，

⑥建立坐标系：将获取的基于OCT成像模态的眼前节三维模型与基 于CT图像的三维眼球模型进行配比，配准后建立眼前节特征结构 与眼内肿瘤部位的坐标关系。

上述方法还包括⑦眼球运动的移位参数的精准性的验证：拟采用一 离体模型眼，并将其固定在六维调节台上，这个六维调节台可模拟 眼球的旋转和平移。采用上述自行研制的频域OCT采集离体模型眼 旋转和平移前后的眼前节图像，通过上述方法获取眼球移位参数， 并与实际参数进行比较，以此验证所提算法的精准性。

本发明利用实时追踪OCT获取的眼前节图像，然后通过图像重建 和配准等处理技术，准确定位肿瘤在放射区域内，该实时定位跟踪系 统属于体外无创定位，可以达到提高定位准确性、提高眼部肿瘤的放 射剂量和局控率，以及减少周围正常的放射剂量和损伤等目的。