基于SS-OCT的手术导航显微镜技术研究

Ophthalmic surgery requires sophisticated image as auxiliary. However, due to the field of view is limited to X-Y plane, conventional binocular surgical microscope cannot provide information of lesion area through Z direction. Therefore, in order to improve the success rate, reduce surgical trauma, and decrease post-operative complications, the applicant proposed to carry out the research of “SS-OCT Navigating Surgical Microscopy”. The surgical microscope incorporates a 1000nm swept-source OCT with ultra-long image depth (20mm), which meets the imaging.wavelength need of both anterior segment and posterior segment. A high-speed 3D tomography from anterior segment to retina can be obtained, which boots a full-eye surgical navigation. A head-mounted virtual display technology is also implemented to the surgical microscope. The 3D OCT image is directly fused with the operator’s own visual image. Besides, the use of voice and touch technology can achieve a variety of boot image display operation. This study will combine in vitro and in vivo animal’s eye surgical experiments to access the relevance between different surgeries and the desired surgical navigation information. The research will form the methodology of minimally invasive ophthalmic surgery, improve ophthalmic microsurgery techniques, and fill in the blank of this field.

眼科手术需要精细的影像辅助，而传统双目手术显微镜的成像视场局限在X-Y平面，无法提供Z方向的手术病灶区域图像信息。因此，为了进一步提高手术成功率、减小手术创伤、降低手术后并发症，申请人提出开展“基于SS-OCT的手术导航显微镜技术研究”。该新型的手术显微镜结合了1000nm波段超长成像深度（20mm）扫频光源光学相干层析成像装置（SS-OCT），能同时满足眼前段和眼后段的成像波长需求，获取从角膜和视网膜的高速全眼3D断层图像，从而实现从眼前段到眼后段的多种眼科手术引导。利用头戴式虚拟显示技术，将SS-OCT的3D图像与人眼自身视觉图像进行融合显示，并设计利用声控/触控技术，实现引导图像的各种显示操作。通过离体/活体动物眼球的手术应用实验，研究不同手术与所需图像导航信息之间的关联性，探索3D图像导航的眼科微创手术方法，丰富我国眼科显微外科手术技术，填补该领域的空白。

眼科手术需要精细的影像辅助，而传统双目手术显微镜的成像视场局限在X-Y平面，无法提供Z方向的手术病灶区域图像信息。因此，为了进一步提高手术成功率、减小手术创伤、降低手术后并发症，申请人开展了基于SS-OCT的手术导航显微镜技术的研究。研究内容与结果包括：.1）超长深度SS-OCT成像技术研究：通过级联多个不同波段的F-P滤波器，再用波分复用器件把几个小的扫频带融合成一个宽的扫频带，形成了一套21.7 mm相干长度、131 nm扫频带宽的多面转镜型激光器，开展了激光器输出光谱波数线性化校准算法研究（校准精度0.0039 rad），并搭建了一套成像深度高达20.5 mm的实时SS-OCT成像系统（166 fps）。进一步地，本项目研制了OCT与手术显微镜的共用物镜组（焦距为200 mm，OCT横向扫描视场为18.5 mm，横向分辨率12.5 μm）。最终形成了一套满足项目手术应用要求的SS-OCT显微镜硬件实验平台。.2）SS-OCT 3D图像实时重构技术与程序研发：基于OpenGL以及图像处理单元，实现了高速2D OCT信息重构（755 fps）与3D OCT的实时渲染（56 fps），实际SS-OCT三维成像速度为10 vps，已达国际最高水准。同时提出了一种矫正活体抖动的方法，提高了成像的稳定性。进一步开展了OCT 3D与显微镜图像融合的实验，提出了一种引导光配合扫描振镜的无创标定方法，标定板测出的配准精度为0.04 mm。.3）离体/活体动物实验与手术新方法探究：基于离体猪眼球开展了眼科基本操作的成像实验，SS-OCT显微镜相比于传统显微镜可有效提高角膜通道创建时长度方向的精度（P=0.003）与深度方向的精度（P=0.024）。进一步基于活体猪眼球，开展了包括小梁切除术、管道生成术在内的青光眼手术实验，成功定位了猪眼AAP组织（对应于人眼小梁），并厘定了集束管（对应于人眼苏氏管）的周长与面积在术前与术后的变化。.该研究将有助于提高手术成功率，丰富我国眼科显微外科手术技术，填补该领域的空白。