白内障超声乳化术中手术切口的实时定位

作     者：齐兴明 

作者单位：北京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘有军

授予年度：2018年

学科分类：1002[医学-临床医学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 100212[医学-眼科学] 0802[工学-机械工程] 10[医学] 

主      题：白内障超声乳化术 角膜缘 最陡峭子午线 最小包围圆 图像匹配 

摘      要：白内障超声乳化术是治疗白内障的主流手术方式。随着显微手术的发展,散光已成为影响术后视觉质量重要因素。超声乳化术需要尽量减少散光对术后视力的影响,以提高手术质量。研究表明不同的切口位置会引起不同程度的术后散光,当白内障手术中的切口位置为角膜缘的最陡峭子午线方向时,可以有效减少术后角膜散光,提高患者术后视力水平。在白内障手术前,通过角膜地形图或角膜曲率计确定角膜曲率最大子午线,并拍一张标准眼部图像来规划手术切口的位置。然而,在显微镜下做角膜切口时,医生需要结合术前标准图像的信息确定切口位置,而术中眼部图像与术前标准的眼部图像相比,存在一定的缩放变换和旋转变换,导致已规划的切口位置改变,该位置的准确性主要依赖于医生的临床经验。目前临床缺乏一种方法可以准确地、实时地提供切口位置信息用于引导医生做角膜切口。本课题采用图像处理技术快速计算出术中的切口位置并显示,辅助医生快速定位切口进行角膜切口。由于角膜缘位于虹膜和巩膜的交界处,本文采用定位虹膜外边界的方法来确定角膜缘;通过实时检测术中眼部图像中眼球的旋转角度,结合标准图像中最陡子午线方向来确定术中图像中最陡子午线方向;由于本课题出发点是解决临床应用的问题,开发了白内障手术切口软件,该软件集成角膜缘定位和最陡子午线方向跟踪两部分算法,用于计算出术中的切口位置并显示。论文的研究内容如下:(1)角膜缘的实时定位。本文采用了基于轮廓的最小包围圆实时定位虹膜外边界的方法实时定位角膜缘。在该方法中,将眼部图像从RGB颜色空间转换为HSV颜色空间,选择V通道图像用于后续处理,并采用中值滤波清除眼部图像中的噪声;在分析了眼部图像灰度特性的基础上,采用阈值分割方法处理V通道图像以获得二值图像;提取二值图像的轮廓,结合虹膜的大小信息清除非虹膜轮廓的轮廓;通过计算虹膜轮廓的最小包围圆来定位虹膜外边界,实现角膜缘的定位。(2)最陡子午线的实时定位。本文根据实时测量眼球旋转的角度结合术前最陡峭子午线方向来实时定位术中眼部图像中的最陡峭子午线方向。在该方法中,首先,选取术眼部图像中临近虹膜的巩膜区域作为识别区域;通过对识别区域进行特征提取与匹配,以获得稳定的特征点对;通过计算特征点相对于瞳孔中心的旋转角度,获得图像中眼球的旋转角度;结合术前最陡峭子午方向,计算出术中眼部图像中的最陡峭子午线方向。(3)白内障手术切口定位软件的开发。基于.Net Framework利用EmguCV开发了白内障手术切口定位软件系统,该软件集成实时定位角膜缘和最陡峭子午线方向两项功能,并且将白内障手术中切口信息的数字化显示,辅助医生快速定位切口进行角膜切口。在本研究中,采用计算轮廓的最小包围圆来定位虹膜的外边缘,以实现角膜缘的定位,在视频图像测试中,该算法精确定位角膜缘的平均时间30ms左右,满足了实时性。通过测量眼球旋转的角度结合术前最陡峭子午线方向,获得手术中最陡峭子午线的方向,该方法能准确地计算出术中最陡峭子午线的方向,处理一副图像的平均时间为65ms左右,满足实时性要求。图像处理软件操作界面友好,用户可以方便地获得手术切口位置。本课题采用图像处理技术实时定位白内障手术中切口的位置,实现了手术切口信息的数字化显示,辅助医生快速定位切口进行角膜切口,具有潜在的临床应用价值。