TWI555501B - 在雷射手術系統中整合梯度檢索與局部成像 - Google Patents

Description

在雷射手術系統中整合梯度檢索與局部成像

本發明係關於許多應用的梯度檢索技術，包括眼科手術應用。

目前有許多方法讓物體或部分物體成像，來用於許多目的，包括製造、診斷、品管、手術應用等許多用途。光學同調斷層掃描(Optical Coherence Tomography，OCT)就是這許多方法其中一項，用來建立立體影像以及擷取材料的結構資訊。這通常由以光束掃描過目標區或表面，然後分析散射光與返回光的空間、光譜和時間特性來達成。利用沿著足夠高空間密度的二維或三維方格圖掃描，就可獲得詳細的成像資訊。

不過對於許多應用來說，並不需要建立整個區域或表面的完整影像，或這並無好處。這些應用中之一為找出成像表面或區域的指定點，這些指定點可為成像表面的端點、成像物體的元件或物體的邊界點或邊緣。本說明書揭示根據在目標物體的所選位置上感測或測量進行梯度檢索，而不用在整個目標物體上執行完整感測或測量之技術及系統。

眼部手術通常會遇到手術程序直接與像是角膜頂點這類參考點有關之情況。在白內障手術當中，該等參考點可為水晶體前表面或後表面的頂點，或其硬化的核心。例如首先用成像光束依照一系列平面B、徑向或圓柱形OCT掃描，來掃描目標區域，找出參考點。該掃描資料可經過分析，並用來構成該目標區域、表面或物體的完整立體影像。然後儲存這些影像資料，接著在該儲存的影像資料上使用檢索演算法，找出相關最大值或最小值。

不過，將完整目標區域成像，尤其是高密度掃描來確保良好解析度，是非必要的浪費，因為這樣會儲存大量最終不會用到的資料點。再者，取得這大量資料相當耗時，所以處理速度將變慢。如此一來，尤其是在時間寶貴的應用當中，對這些應用相當不利。

為了改善這種成像處理的效率，一種例如用於手術成像的檢索方法被提出，其可包括決定與第一位置附近的環形相關的區域之邊界的座標、決定對應至該第一位置的座標的梯度之方向；以及根據決定的梯度之方向選擇第二位置之步驟。

在具體實施例內，該決定的座標為高度、深度、z座標以及沿著參考線的座標的其中之一。

在具體實施例內，該環形為封閉環形、平面環形、預定表面上環形、橢圓以及圓形的其中之一。

在具體實施例內，該第一位置為橫越一軸的平面內之位置、橫越決定的該座標的平面內之位置、(x,y)平面內的位置、徑向座標系統內的位置以及預定表面上的座標的其中之一。

在具體實施例內，該座標係藉由光學同調斷層掃描、深度測量技術、光學測量以及優點函數(merit function)感測技術中之一來決定。

在具體實施例內，該決定梯度方向的步驟包括決定沿著該環形的座標的最大方向與沿著該環形的座標的最小方向的至少其中之一，以及根據該最大方向與該最小方向的至少其中之一決定該梯度的方向。

在具體實施例內，該選擇第二位置的步驟包括利用將該第一位置位移一增量向量來選擇該第二位置，該增量向量的方向大約與該梯度的方向平行。

在具體實施例內，當該梯度的幅度小於一反覆停止值時，會保留該第一位置。

在具體實施例內，該決定區域邊界的座標的步驟包括找出圍繞該第一位置四周的複數射線，並且決定射線點上的該座標。

在具體實施例內，該決定梯度的方向的步驟包括決定該座標沿著該些射線的變化率、選擇該變化率最大的射線、將該選取射線的方向視為梯度的方向，以及將該選取射線的變化率視為該梯度之幅度。

在具體實施例內，該方法包括將該第一位置位移一上升向量，該上升向量具有下列至少之一特徵：與梯度的方向夾一非零度角的方向，或大體上與該梯度的幅度不同的一幅度。

在具體實施例內，於不用決定在一二維光柵內、在一方格上以及在表面上一光柵內，沿著平行線的一體積中之內的該區域邊界的座標的情況下，執行該檢索方法。

在具體實施例內，該區域邊界為一眼層，其係角膜、水晶體以及白內障之一者，該座標為該眼層的深度，並且該檢索方法包括決定該眼層深度的極值。

在具體實施例內，該檢索方法可以比10msec、100msec、1秒與10秒中之一快的方式來決定該眼層的極值。

在具體實施例內，一檢索系統包括一成像系統，來決定第一位置附近的環形上一物體元件的座標，以及包括一控制器，其耦合至該成像系統，來決定對應至該第一位置的該座標的梯度的方向以及根據該決定的該梯度的方向選擇一第二位置。

在具體實施例內，該成像系統包括一掃描器，以掃描成像光束，以及一影像擷取子系統，來接收與預先處理一返回的成像光束。

在具體實施例內，該成像系統為光學同調斷層掃描系統、深度測量系統、光學感測系統以及優點函數感測系統的其中之一。

在具體實施例內，該控制器設置成決定沿著該環形的座標的最大位置與沿著該環形的座標的最小位置的至少其中之一，以及利用關聯該第一位置、該最大位置與該最小位置的任兩個來決定該梯度的方向。

在具體實施例內，該控制器設置成利用將該第一位置位移一增量向量來選擇該第二位置，該增量向量的方向大約與該梯度的方向平行。

在具體實施例內，該控制器設置成當該梯度的幅度小於一反覆停止值時，會保留該第一位置。

在具體實施例內，該成像系統為一眼部同調斷層掃描系統，該成像物體為角膜、水晶體以及白內障中之一的眼層，該座標為該眼層的深度，並且該控制器設置成決定該眼層深度的極值。

在具體實施例內，該檢索系統設置成比10 msec、100 msec、1秒與10秒中之一快的方式來決定該眼層的極值。

在具體實施例內，手術成像的檢索方法包括下列步驟：在第一位置附近內執行一成像區域的一優點函數之局部檢索，根據該局部檢索決定一較佳的方向，以及根據該較佳方向選擇第二位置。

在具體實施例內，該執行該局部檢索的步驟包括由光學同調斷層掃描、深度測量技術、光學感測技術以及該優點函數(merit function)感測技術中之一進行手術成像。

在具體實施例內，該執行該局部檢索步驟包括決定高度、深度、z座標、沿著一參考線的座標、光學密度以及光學散射強度的其中之一。

在具體實施例內，該執行該局部檢索步驟包括沿著封閉環形、平面內的一環形、預定表面上的一環形、橢圓、圓形、基本上封閉的表面、橢圓球和球體的其中之一來決定該優點函數。

在具體實施例內，該執行該局部檢索步驟包括沿著局部射線決定該優點函數。

在具體實施例內，該決定較佳方向的步驟包括決定該優點函數的梯度的方向。

在具體實施例內，該決定該梯度方向的步驟包括決定該第一位置附近一基本上封閉表面或環形上的該優點函數最大值位置，與該第一位置附近一基本上封閉表面或環形上的該優點函數最小值位置的至少其中之一，並且利用關聯該第一位置、該最大值的位置與該最小值的位置任兩個來決定該梯度的方向。

在具體實施例內，該選擇第二位置的步驟包括利用將該第一位置位移一增量向量來選擇該第二位置，該增量向量的方向基本上與該梯度的方向平行。

在具體實施例內，該方法包括當該梯度的幅度小於一反覆停止值時，會保留該第一位置。

在具體實施例內，於不用決定在對齊的表面上、在一二維光柵內以及在一三維光柵內，沿著平行線的一體積中之一的該優點函數的情況下，執行該檢索方法。

在其他範例中，檢索一目標物體上一函數梯度的方法描述成包括：選擇該目標物體的第一位置；在該第一位置上執行一感測或測量操作，以獲得該函數的一個別值；選擇一第一環形，該第一環形具有該目標物體的多個第一環形位置，該等第一環形位置與該第一位置不同；以及在該第一環形的該些第一環形位置上執行一感測或測量操作，於不在其他位置上執行該感測或測量操作的情況下，獲得在該些第一環形位置上個別的該函數之值。於該些第一位置之間選擇具有該函數最大值或最小值的該些第一環形位置的其中之一，使用該第一位置與於該些第一環形位置之間選擇該函數的最大值或最小值的該選取第一環形位置，以及該函數的對應值，來決定該第一位置與該選取第一環形位置之間的一第一梯度。接下來，沿著該第一梯度的方向選擇該目標物體的第二位置，並且在該第二位置上執行一感測或測量操作，來獲得該函數的一個別值。選擇第二環形，該第二環形具有該目標物體的多個第二環形位置，該些第二環形位置與該第二位置不同，並且不用在其他位置上執行該感測與測量操作的情況下，在該些第二環形位置上執行一感測或測量操作，以便獲得在該些第二環形位置上的該函數之值。於該些第二位置之間選擇具有該函數的最大值或最小值的該些第二環形位置的其中之一，並且使用該第二位置與於該些第二環形位置之間選擇該函數的最大值或最小值的該選取第二環形位置以及該函數的對應值，來決定該第二位置與該選取第二環形位置之間的一第二梯度。

本說明書會在圖式、說明以及申請專利範圍內詳細描述，根據在所選目標物體位置上感測或測量，來進行梯度檢索的該等技術與系統之上述與其他態樣。

在許多應用當中找出函數的極值座標都是一項挑戰，其中為二維或多維度空間內的位置向量，像是物體表面上或相關物體體積內的位置向量。梯度的基礎，或是最陡下降或上升方法，指的是當函數為實值且不同於位置的附近數值，則在上F的梯度向量方向上為最快速變化。因此，重複更新梯度向量方向上對應至每次更新的初始位置，可有效找出最大的位置。類似地，重複更新與梯度向量相反方向內對應至每次更新的初始位置，可有效找出最小的位置。

在最大檢索演算法的範例中，根據下列關係從移動或更新位置向量至：

針對夠小的γ>0，該更新增加函數之值：。因此沿著對應梯度向量重複更新位置變成一種反覆處理，產生具備反覆關係的一系列位置：

上列反覆關係產生該函數成長值的對應順序：

這些值至少局部收斂至的最大值。在一般公式化當中，開始座標可隨機選取，或根據某些先前存在的知識或最大位置的猜測來選取。由γ(n)控制的步階大小可為常數，或根據n的變數，根據某些合適的條件來選取。

類似的最小檢索演算法可根據下列來更新位置：

並且用類似方式處理。

第一A圖例示一種梯度檢索演算法。其中為二維位置(x,y)，並且為純量函數。封閉環形，例如是等值線或輪廓線，其連接假設為相同值之點。該組內嵌封閉式等值線包圍極值E，其可為最大值或最小值。

請參閱最大檢索演算法，該梯度檢索演算法可使用步進向量或更新向量，其使用在該點(x1,y1)上與該梯度向量平行的向量來更新初始位置(x1,y1)，產生已更新的位置(x2,y2)，如方程式(2)內所示。該更新向量的長度由γ(n)控制。第一A圖顯示每個位置上該梯度向量的方向係與通過相同位置的輪廓線垂直。

透過該順序(x1,y1)、(x2,y2)、...(xn,yn)重複更新該位置，產生一系列提高的函數值：

該梯度檢索方法通常監控函數值的順序，當該等函數值的增加低於臨界值時，該演算法可能相當接近該函數的最大值。此時通常會停止該演算法，且此最終點的位置=(xf,yf)，該函數的對應最大值，被回報為該演算結果。

在該函數的增加低於該臨界值時，某些演算法牽涉到透過減少γ(n)來縮短更新向量長度的步驟，以避免過度調整，或該檢索進入一種非收斂循環內。

上述梯度檢索演算法可用許多不同方式套用與實施，該函數可具備許多量，包括例如高度、深度、溫度、光學或電磁吸收、檢索的優點函數以及許多應用內的純量函數。因此，該位置可為多維度向量，包括在相對或固定座標系統內二維或三維空間座標。在優點函數最佳化的一般檢索當中，該位置可為適當狀態向量。

利用多種合適的方法可獲得多種函數的值，這通常牽涉到目標表面上或物體目標體積內的感測或測量操作。用來獲得函數之值的感測或測量操作範例包括：利用機械感測器或利用光學成像測量目標物體表面的高度或深度、目標物體組織的厚度、體積或區域；測量折射屬性、密度或其他光學屬性；以及利用溫度感測器測量該溫度分佈，例如直接接觸溫度感測器或利用紅外線感測器相隔一段距離來操作。然後使用該函數的感測值，執行剩餘梯度檢索方法，如上面所述。

許多梯度檢索技術執行全場感測或測量操作，以獲得該函數用於物體的完整目標面積或體積之值。針對範例，第一B圖例示可在方格掃描資料集上執行該梯度檢索的一些方法。該掃描可在(x,y)-方格上執行，儲存該掃描資料，接著在該儲存的掃描資料上執行該梯度檢索演算法。為了清晰起見，第一B圖顯示稀疏的方格。在許多應用當中，可套用更密的方格來達到所要的精準度。

在該全場方格掃描資料上執行該梯度檢索在特定應用當中具有缺點與限制，例如：感測該物體整個目標面積或體積的該函數之值可獲得大量的資料點，這些資料點在後續梯度檢索當中通常用不到。結果，這種方格掃描相當浪費處理時間。針對其他範例，該方格掃描方法相當緩慢，因為獲取不使用的掃描資料要花費時間，並且這種緩慢的處理會逐漸損害此方法用於時間敏感應用(需要在短時間內找出極值)的適用性。

本文件內描述的檢索技術可用許多方式實施，利用整合式梯度檢索局部感測函數、決定一小段此局部感測值上的該梯度以及根據該決定梯度更新該位置x，來解決這些與其他技術議題和挑戰。這種整合技術內建智慧，只選擇有限數量的位置來執行感測或測量該函數之值，而不用在該目標物體面積或體積的整場上執行該全場感測或測量。選擇有限數量的位置來執行該感測或測量操作可縮短處理時間，並且因為只有擷取與儲存與該梯度檢索相關的資料，所以可有效運用該等系統資源。此整合允許只局部進行該感測或測量操作的掃描，而不用在相關目標物體面積或體積的整場內全部執行。因為這些檢索演算法只牽涉到局部掃描，所以明顯快過掃描目標上所有方格，如此減少掃描以及計算的負擔與時間。

這種實施對於不需要關於該成像物體的完整二維或三維方格掃描資訊，而是只需要決定特定特徵，例如該物體空間延伸的極值或最大光學吸收的位置，或任何其他參考點，之成像應用係相當有助益的。

此整合式梯度檢索方法的某些具體實施例可應用於眼科，其中此整合式梯度檢索方法對於許多不同功能都相當有用：

1)　可實施為用於找出眼睛內組織邊界的空間極值，這些極值可用來做為定位以及指引手術程序的參考點。參考點包括例如角膜的頂點，或是水晶體或視網膜的前表面或後表面之頂點。而從這些測量當中則可獲得像是水晶體厚度，或是眼軸長度等其他特性。

2)　可實施為用於找出眼睛水晶體內白內障的極值，白內障可能只佔據部分水晶體，其關聯於核心最堅硬的區域。

3)　可實施為用於找出眼部區域的極值，引導時間緊迫的手術程序。在眼部手術程序當中，病患通常會在90-120秒之後喪失保持眼睛不亂動的能力，因此快速檢索參考點，能引導迅速進行眼部手術的方法對於即時完成眼部手術來說係相當重要。

雖然底下主要以手術範疇來解釋該等實施，不過這些具體實施例也可用於上列任何應用的範疇內，另包括其中使用任何成像處理類型的任何診斷程序或製程，像是光學同調斷層掃描或OCT。

第二圖顯示整合梯度檢索與局部成像(Gradient Search Integrated with Local Imaging，GSILI)方法100之具體實施例。GSILI方法100首先在步驟110決定與第一位置附近環形相關之區域邊界的座標。接下來，方法100在步驟120決定對應至該第一位置的該座標之梯度的方向。最後，在步驟130根據該決定的梯度的方向來選擇第二位置。

在實施方法100當中，該區域的邊界可為已成像三維物體的表面。該邊界可藉由，例如是將表面的z座標表達為對應(x,y)位置的函數之方式來定義。在上面一般說明當中，此z座標或高度為函數，其極值為：=z(x,y)。

該第一位置為橫越一軸的平面內之位置、橫越預定座標的平面內之位置、(x,y)平面內的位置、徑向座標系統內的位置以及預定表面上的位置。上述笛卡兒座標系統只是一個範例，其中(x,y)座標定義第一位置並且z座標為決定的座標。

在步驟110中，可相對於該第一位置選擇第一環形。該第一環形可以該第一位置，或鄰近於該第一位置，為中心來環繞。接下來，沿著第一環形的一組位置上感測或測量該函數之值。底下以檢索座標極值的演算法之觀點，說明用於實施方法100的指定範例，其中該極值可為高度、深度、z座標以及沿著一參考線的座標。GSILI方法100可實施用於許多其他函數，包括光學屬性、優點函數以及純量函數。

在該第一位置四周的該第一環形上執行感測或測量操作之後，方法100的某些實施例係於第一環形上，選擇具有函數最大值或最小值的環形位置。而根據此選取環形位置與該第一位置上的函數值，可決定第一梯度。沿著此第一梯度，在「更新該第一位置」的動作當中，可在物體目標面積或體積內選擇第二位置。在該第二位置附近內選擇第二環形之後完成該循環。

新循環開始於沿著該第二環形感測或測量該函數之值。接下來，選擇該第二環形上具有函數最大值或最小值的環形位置。而根據此選取環形位置與該第二位置上的函數值，可決定第二梯度。沿著此第二梯度，可在物體目標面積或體積內選擇第三位置，並且將該第二位置更新到此第三位置。上述處理的循環可重複，直到完成最大值或最小值的檢索。

在上面的處理當中，使用與一位置相關的一環形以提供局部智慧，用於選擇要進行梯度檢索的下一個位置。該感測或測量操作沿著該環形局部執行，而非在該物體的整個目標面積或體積內該方格的所有位置上全部執行。因此，在該梯度檢索期間，整合並交錯該局部感測或測量操作以及根據該局部梯度的該位置更新。底下將更詳細描述這些步驟及其許多實施。

GSILI方法100可檢索成像物體的邊界極值。眼部範例為眼睛一部分(像是角膜)的頂點，其他範例為水晶體核心的硬化中心頂點。

第三A圖例示在步驟110內，可在起點(x1,y1)附近的環形112-1上，決定像是成像物體邊界的z座標這種座標。在範例中，環形112-1可以起點(x1,y1)為中心環繞。在其他範例中，於預定的關係當中，起點(x1,y1)可離開環形112-1的中央，或甚至在環形之外。環形112-1為封閉環形、平面環形、預定表面上環形、橢圓以及圓形。在某些案例中，沿著環形112-1可有一或多處不連續。

在步驟110的某些具體實施例內，座標值可為不連續，只在一組沿著環形112的點上連續。該些點可沿著該環形緊密放置，或有些間隔。

在步驟110內，該座標由光學同調斷層掃描(OCT)、深度測量技術以及優點函數(merit function)感測技術來決定。

在範例中，由掃描器沿著環形112-1掃描成像光束的焦點，該環形可位於該(x,y)平面內，中心點為(x1,y1)。像是成像物體邊界的z=z(x _l ,y _l )深度這個座標可利用感測由成像獲取系統從該邊界返回的成像光束來決定，z深度座標基本上可連續感測，或在一組點(x _l ,y _l )上感測，做為沿著環形112-1掃描的成像光束之焦點。

然後可例如利用該表面兩側上可測量的光學散射差異，來辨識表面z=z(x,y)。任何光學成像技術都可用來決定該座標、測量折射係數、散射、透射係數或吸收率。該測量可運用電磁頻譜的任何部分，包括紅外線與紫外線部分。

GSILI方法100的整體應用可由選擇開始位置(x1,y1)開始，該開始位置可隨機選取，或使用某些預定資訊選取，例如先前成像的結果、一般認知的事實或根據經驗的猜測。

第三B圖例示步驟110的可能結果：沿著該環形決定的座標值，其利用極或方位角Φ參數化。有時這種掃描可稱為建立圓形B掃描(circular B-scan)。

在步驟120內，可利用重新呼叫決定梯度方向，如此一位置上該梯度的方向基本上為該位置上的座標的最大變更方向。如此，該梯度的方向可由決定沿著該環形並且其方向相對於該環形中央，由對應方位角或極角度Φ _max 特徵化的該座標最大值z _max ，以及沿著該環形並且其方向相對於該環形中央，由對應的方位角或極角度Φ _min 特徵化的該座標最小值z _min 的至少其中之一來決定。從這些值當中，根據該最大值與最小值的方向的至少其中之一，決定該梯度的方向。該梯度的方向可用不同方法識別，例如識別為：

(i)該最大值的方向，由源自於(x1,y1)並且指向該方位角Φ _max 方向的向量特徵化；或由

(ii)該最小值的方向，由指向(x1,y1)並且與該方位角Φ _min 方向平行的向量特徵化；或由

(iii)沿著與對應於Φ _max 和Φ _min 的該環形直接連接該些點。

上面三種情況(i)-(iii)內於半徑r的環形上所測量之梯度幅度大概為：

因為該梯度為數值導函數，或至少為離散資料的有限差分，這樣通常具有不受歡迎的不良精準度，或同時具備高雜訊。為了解決此問題，藉由沿著該環形平均或弧形裝配該極角度Φ，減少極角度Φ _max 和Φ _min 之值內的數值雜訊。藉由接受該梯度方向做為上面三種可能性任一者來減少該梯度幅度內的數值雜訊，然後再距離該第一位置(x1,y1)距離rn的點上沿著此梯度方向執行額外掃描步驟。在rn距離上的該些點可在連接第一位置(x1,y1)與該環形上對應至z _max 的該點之射線上等間隔，或由其他條件選擇。將連接該第一位置(x1,y1)與該環形上對應至z _max 的該點之射線上新掃描的z值標示為z _max (r1)、z _max (r2)、...z _max (rn)，並且將連接(x1,y1)與該環形上對應至z _min 的該點之射線上新掃描值標示為z _min (r1’)、z _min (r2’)、...z _min (rn’)，利用許多實施可獲得該梯度的幅度近似值：

然後利用將這些離散差分平均N，進行這三種實施任一個的處理：

來獲得具有改善精準度並且降低雜訊的梯度幅度。某些方法可混用上述實施，這些平均方法可決定該梯度的幅度，其中增加N就可增加精準度。也可使用其他降雜訊方法。

回頭參閱第三A圖，在步驟130內，沿著該梯度方向將該第一位置-在例示案例中就是初始位置(x1,y1)-位移一個增量向量114-1，來選擇第二位置。增量向量114-1的幅度與梯度的幅度成比例，像是該幅度乘上該步階尺寸控制參數γ。

在某些實施當中，當該增量或更新向量的方向不會與該梯度完全平行，而是與之相關。該增量向量可與該梯度向量夾一個預定角度，或可偏離該梯度方向一個隨機角度。

第四圖例示可重複執行的步驟110-130，逐漸朝向該最終位置(xf,yf)遞增該等位置(xn,yn)，其中該座標z假設其最大值：z(xf,yf)=z(Max)。請注意，z _max 標示沿著個別檢索環形對應至特定位置的最大座標，而z(Max)表示所檢索當中最大的z=z(x,y)表面。

增量向量114-n的幅度也稱為步階尺寸，可與該梯度向量的幅度成比例。對於所有步階而言，比例常數γ可相同，或可依照步階而不同：γ=γ(n)。方法100的使用者或控制器電腦也可選擇像是該環形的半徑r這些其他參數，並且可維持相同或依照步階而不同。方法100的這些參數可以經過選擇，以便迅速收斂方法100。該參數選擇可取決於該梯度的陡峭度、該表面和該環形的複雜度、所要的精準度、測量雜訊以及其他考量。

該梯度的幅度小於一反覆停止值時，GSILI方法100會終止。在某些案例中，該增量向量的幅度會逐漸減小，避免過度調整或進入震盪或循環當中。實際上，當z座標增加變成小於第一值時，則繼續該方法可讓γ降低至γ1＜γ之值。重複此逐漸降低步驟可提高精準度。

第五A圖至第五B圖例示步驟110的其他具體實施例。

第五A圖顯示該座標z也可決定「與該環形的關係」，其概念在於沿著射線決定該座標z，此射線從該第一位置發出並且結束於該環形112-1上或附近。採用該梯度之動作屬於數值推導，並且可產生有雜訊的結果，具有較低的精準度。此雜訊可能導致該梯度的方向與幅度判定不精準。上面的平均實施(i’)-(iv’)降低該梯度幅度內的雜訊，但仍舊只使用關於該方向的兩點。如此一來，方法100只用受限制的精確度，就可決定該梯度的方向。

第五B圖例示此實施包括下列步驟：

(a)識別許多射線方向1、...M(為了清晰起見，只顯示射線1、2和M；

(b)決定第一射線上r₁1、r₁2、...r₁n以及r₁1’、r₁2’、...r₁n’點上，到第M射線上r_M1、r_M2、...r_Mn以及r_M1’、r_M2’、...r_Mn’點上之z座標值，其中n為最高N並且n’為最高N’之假設值；

(c)依照任一該平均方法(i’)-(iv’)決定沿著該M射線的變化率；

(d)選擇變化率最大的射線；以及

(e)將該選取射線的方向視為該梯度的方向，並且該選取射線的變化率視為該梯度的幅度。

在這些實施當中，射線點N的數量介於1與100之間，在某些案例中介於1與10之間，並且射線M的數量介於1與100之間，在某些案例中介於1與10之間。

針對相對光滑並且可辨別的表面，GSILI方法100收斂至成像區域邊界的局部極值。不過，有可能所檢索的邊界具有超過一個極值，這之中只有一個為全域或整體極值。不過，GSILI方法100可侷限在區域最小極值的任一個內。此時，GSILI方法100的某些實施朝向決定該邊界的全域極值，如此將該檢索侷限在局部最小值是一項挑戰。

此外，若該成像回傳精準度較低的z座標，則該對應雜訊會產生許多淺顯的最小值極，同樣會侷限檢索演算法100，例如類似科學應用當中的鏡面光滑問題。

為了克服這兩種限制，使用針對最佳化方法開發的已知變化，補充GSILI方法100的實施。某些最佳化方法利用施加不受該局部梯度控制的偶發隨機跳躍，避免該檢索受限於局部最小值。

這些隨機跳躍實施可用上升向量位移或更新該位置(xn,yn)，該向量的方向並未與該梯度方向平行。該上升向量的幅度可經過選擇，足夠大來將該檢索移出該局部最小值的吸引區。在其他具體實施例內，該上升向量的方向可與該梯度方向有關，但是該上升向量的幅度則與該梯度幅度相當不同。

請回頭參閱GSILI方法100的整體優點，不用執行第一B圖的方格掃描，或是不用決定在一二維光柵或方格內以及在表面上一光柵內，沿著平行線的體積中之一內的該區域之邊界座標，就可執行檢索方法100。為此，GSILI方法100可在寶貴的短暫時間內執行。

在眼科應用當中，該區域的成像邊界為一眼層，該眼層角膜、水晶體以及白內障中之一者，該座標為該眼層的深度，並且該檢索方法100指向決定該眼層的極值。

因為GSILI方法100執行局部檢索而非對整個目標區域進行方格掃描，如此執行速度更快。在上面的眼科實施當中，檢索方法100可以比10 msec、100 msec、1秒與10秒中之一快的方式來決定該眼層極值。已知眼科病患通常在經過90-120秒之後就無法控制眼睛，造成整個手術程序的時間受到限制，該檢索方法的總時間低於10秒，所以可在手術初步階段在原處找出眼層上的參考點。若該檢索方法的執行時間可低於1秒，則可在眼部手術期間重複進行，提供進度回饋。若該檢索方法的執行時間可低於100 msec，則可能是接近參考點實際成像時間的有限解析度，並且若該方法的執行時間可低於10 msec，則可能是接近參考點實際成像時間的良好解析度。

第六圖係例示該檢索方法的另一具體實施例100’，可應用在手術中，包括：在步驟110’內，於第一位置的附近內執行一成像區域的優點函數之局部檢索，在步驟120’內，根據該局部檢索決定一較佳的方向，以及在步驟130’內，根據該較佳方向選擇第二位置。

在第六圖內，步驟110’內的該局部檢索包括由光學同調斷層掃描、深度測量技術、光學感測技術以及該優點函數(merit function)感測技術中之一進行成像。

該優點函數可為任何空間座標、高度、深度、表面z座標、任何光學屬性，像是散射強度、折射係數、透射係數、吸收率、該電磁光譜內像是紅外線或紫外線部分這任意部分的上述屬性以及任何機械屬性。在其他實施當中，該優點函數可為感測量的組合，例如光學折射係數與紫外線散射強度的積或加權加總。大量合成優點函數是可能的，可結合許多性能參數。

若該優點函數通過目標層展現出可偵測的變化，則任何這些優點函數都可成像。範例為當在核心掃描期間到達白內障區域時，展現出迅速增加的該光學散射強度。

局部檢索部分110’可包括在該第一位置附近內的二維或三維檢索。相對來說，可沿著封閉環形、平面內一環形、預定表面上一環形、橢圓、圓形、基本上封閉的表面、橢圓球和球體以及沿著局部射線來決定該優點函數。

在步驟120’內，可決定該較佳方向為該優點函數梯度的方向。

類似於第二圖的方法100，第六圖中梯度的方向可包括決定該第一位置附近一基本上封閉表面或環形上該優點函數的最大值的位置，與該第一位置附近一基本上封閉表面或環形上該優點函數的最小值的位置的至少其中之一，並且利用關聯該第一位置、該最大值的位置與該最小值的位置的任兩個來決定該梯度的方向。任何上述方法都可用來決定該梯度，包括許多平均方法。

一旦已經決定該梯度的方向與幅度，在步驟130’中，該選擇第二位置的步驟包括利用將該第一位置位移一增量向量來選擇該第二位置，其中該增量向量的方向基本上與該梯度的方向平行。

在已經重複執行步驟110’-130’之後，於該梯度的幅度變成小於反覆停止值時，停止檢索方法100’，因此這表示方法100’已經到達所認定極值附近。

因為方法100’只有局部執行該等檢索，因此並不牽涉到決定對齊表面上以及一二維或一三維光柵或方格內，沿著平行線的一體積內之成像區域的優點函數。

第七圖例示整合式檢索-成像(Integrated Searching-Imaging，ISI)系統200。ISI系統200可執行方法100或100’。ISI系統200可包括掃描器210以及影像獲取與預先處理單元220，這都屬於成像系統230的一部分。掃描器210設置成在成像區域內掃描雷射成像光束。成像獲取與預先處理單元220可接收並預先處理返回的成像光束。在實施當中，成像系統230可設置成許多型式，例如光學同調斷層掃描系統、深度測量系統或優點函數的感測系統。

成像系統230可決定物體元件的座標或區域的邊界。該成像處理可根據感測任何光學或機械屬性，展現邊界上可偵測的變化。

另外提供控制器240來控制掃描器210以及影像獲取與預先處理系統220，這些子系統之間的通訊可為雙向通訊，控制器240可引導成像系統230：

(i)決定第一位置附近環形中的座標；

(ii)決定對應至該第一位置的座標之梯度方向；以及

(iii)根據該決定的方向選擇第二位置。

控制器240設置成決定係沿著該環形座標的一最大值的位置與沿著該環形座標的一最小值的位置的至少其中之一，以及利用關聯該第一位置、該最大值的位置與該最小值的位置的任兩個來決定該梯度的方向。

控制器240可進一步將該第一位置位移一增量向量來選擇該第二位置，其中該增量向量的方向大約與該梯度的方向平行。

控制器240也可設置成當該梯度的幅度小於一反覆停止值時停止檢索。

在眼科實施例中，成像系統230可為眼部同調斷層掃描系統；一區域的該成像邊界為角膜、水晶體或白內障的眼層，並且該座標為該眼層的深度。掃描器210可沿著像是(x,y)平面的表面內一環形，來移動成像光束的焦點。成像獲取系統220可例如利用一感測器或感測器陣列，感測成像光束的返回部分，來決定成像邊界的座標，像是其z深度。在這些實施當中，控制器240可設置成決定該眼層的極值。

在這種眼科應用當中，ISI系統200可以比10 msec、100 msec、1秒與10秒中之一快的方式來決定該眼層極值。上述這些值中的每一個皆具有其獨特功能性，如先前所述。

根據稍早所說明的重複動作，係以相關於手術程序的方式來同時說明方法100和100’的某些實施態樣，這些方法同等適用於不需要整個表面或邊界都成像，只需要極限或邊界或某些其他元件需要識別之任何情況。如此，方法100和100’可適用於任何材料加工、診斷、品質控制以及製造應用。

雖然本說明書內含許多細節，但不應該構成對於本發明領域或申請專利範圍的限制，而是屬於本發明特定具體實施例的特徵描述。本說明書內個別具體實施例範圍內的特定特徵也可在單一具體實施例組合內實施。相反的，在單一具體實施例範圍內說明的許多特徵也可在分散的多重具體實施例或在任何合適的次組合內實施。再者，雖然上面以特定組合來說明特徵並依此主張，不過來自所主張組合的一或多樣特徵在某些情況下可組合實施，並且所主張組合可指向次組合或次組合的變化。

本說明書已經揭示影像引導雷射手術技術、設備及系統的許多實施，不過該說明實施的變化與強化以及其他實施可用本說明書所描述為基礎。

100、100’．．．整合梯度檢索與局部成像方法流程圖

110~130、110’~130’．．．流程步驟

112-1．．．環形

114-1．．．增量向量

200．．．整合式檢索-成像系統

210．．．掃描器

220．．．影像獲取與預先處理單元

230．．．成像系統

240．．．控制器

E．．．極值

第一A圖例示該梯度檢索演算法之原理。

第一B圖例示用於成像的方格掃描圖案。

第二圖例示整合梯度檢索與局部成像方法之具體實施例。

第三A圖至第三B圖例示與對應至第一位置的環形相關聯之局部檢索步驟。

第四圖例示該梯度檢索演算法之反覆態樣。

第五A圖至第五B圖例示射線型局部檢索步驟。

第六圖例示根據優點函數的局部檢索之檢索演算法。

第七圖例示整合式檢索與成像系統。

100．．．整合梯度檢索與局部成像方法流程圖

110、120、130．．．流程步驟

Claims (14)

1. 一種檢索一目標物體上的一函數的梯度之方法，包含：選擇該目標物體的一第一位置；在該第一位置上執行一感測或測量操作，以獲得該函數的個別值；選擇一第一環形，該第一環形具有該目標物體的多個第一環形位置，該多個第一環形位置與該第一位置不同；在該第一環形的該多個第一環形位置上執行一感測或測量操作，而在其他位置上則沒執行該感測或測量操作，以獲得在該多個第一環形位置之個別位置的該函數之值；於該多個第一環形位置中選取出一者，該一者為在該多個第一環形位置中具有該函數的最大值或最小值；使用該第一位置與在該多個第一環形位置中所選取出具有該函數的最大值或最小值的該第一環形位置，以及該函數的對應值，來決定在該第一位置與該選取第一環形位置之間的一第一梯度；沿著該第一梯度的方向選取該目標物體之一第二位置；在該第二位置上執行一感測或測量操作，以獲得該函數的個別值；選擇一第二環形，該第二環形具有該目標物體的 多個第二環形位置，該多個第二環形位置與該第二位置不同；在該些第二環形位置上執行一感測或測量操作，而在其他位置上則沒執行該感測或測量操作，以獲得在該多個第二環形位置之各個位置的該函數之值；於該多個第二環形位置中選取出一者，該一者為在該多個第二環形位置中具有該函數的最大值或最小值；以及使用該第二位置與在該多個第二環形位置中所選取出具有該函數的最大值或最小值的該第二環形位置，以及該函數的對應值，來決定在該第二位置與該選取第二環形位置之間的一第二梯度；其中在該目標物體的一位置上獲得該函數個別值的該感測或測量操作包括將該目標物體的該位置光學成像，以獲得與該函數的該個別值有關之資訊；其中該目標物體為一病患的一目標組織，且該函數為該目標組織關於位置的高度、深度或厚度的函數；其中該方法所執行各個步驟，包括一控制器及一耦合至該控制器的成像系統之操作。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一環形為圍繞該第一位置的封閉環形。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一環形為封閉環形且該第一位置位於該第一環形之外。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一環形具有一或多處不連續性。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在該目標物體的該位置上獲得該函數個別值的該感測或測量操作包括測量該目標物體的該位置上的一溫度。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在該目標物體的該位置上獲得該函數個別值的該感測或測量操作包括測量該目標物體的該位置上之光學折射屬性。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在該目標物體的該位置上來獲得該函數個別值的該感測或測量操作包括測量該目標物體的該位置上的密度。
8. 一種檢索系統，包含：一成像系統，決定一第一位置附近的一環形上一物體元件的一座標；以及一控制器，耦合至該成像系統，用於決定對應至該第一位置的該座標之一梯度的方向，根據該決定的該梯度的方向選擇一第二位置。
9. 如申請專利範圍第8項之檢索系統，該成像系統包含：一掃描器，掃描一成像光束；以及一影像擷取子系統，接收並預先處理一返回的成像光束。
10. 如申請專利範圍第8項之檢索系統，其中：該成像系統為光學同調斷層掃描系統、深度測量系統、光學感測系統以及優點函數感測系統的其中之 一。
11. 如申請專利範圍第8項之檢索系統，其中：該控制器決定沿著該環形的該座標之一最大值的位置與沿著該環形的該座標之一最小值的位置的至少其中之一，利用關聯該第一位置、該最大值的位置與該最小值的位置中任兩個，來決定該梯度的方向。
12. 如申請專利範圍第8項之檢索系統，其中：該控制器利用將該第一位置位移一增量向量，來選擇該第二位置，該增量向量的方向基本上平行於該梯度的方向。
13. 如申請專利範圍第8項之檢索系統，其中：該控制器在當該梯度的幅度小於一反覆停止值時，保留該第一位置。
14. 如申請專利範圍第8項之檢索系統，其中：該成像系統為一眼部同調斷層掃描系統；該成像的物體為一眼層，該眼層係為角膜、水晶體和白內障中之一者的；該座標為該眼層的深度；以及該控制器決定該眼層的深度之極值。