CN108814544B - 一种眼前节形态分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种眼前节形态分析方法，该方法采用的数据采集系统包括监视模块，分光模块，接目镜，光学相干层析模块及计算机，对人眼进行二维振镜非接触式光学扫描，采集眼前节三维数据块，该方法包括内容有：采集眼前节三维数据块，将数据图像进行边缘提取，粗略对准，精细对准，拟合，重采样，斜率计算，最终得到眼前节组织形态分析结果，包括眼前节断层图像，角膜前表面地形图，角膜后表面地形图，角膜厚度图，晶体前表面地形图，晶体后表面地形图，晶体厚度图，角膜三维图像，房角三维图像，虹膜三维图像，晶体三维图像。本发明降低了算法复杂程度，保证了测量精度，为非侵入方式，无刺激，易于被患者接受。
Description
技术领域
本发明属于眼科医疗设备技术领域，涉及的是一种眼前节形态分析方法。
背景技术
医学眼解剖概念范畴中，眼前节包括角膜至晶状体的眼组织部分。近年来眼前节患病率呈逐年上升趋势，对角膜情况的检查显得尤为重要，同时晶体病变情况在对青光眼、白内障以及屈光视力问题的诊断中，也是重要的参考依据。
传统眼前节影像技术一般可以观察角膜至晶体前表面范围内的眼前节情况，无法覆盖到全部晶体区域。在眼前节形态分析方面，基于Pacido盘原理的角膜地形图是目前应用最为广泛的技术之一。该技术在临床使用中容易受到光线或泪液的影响，使得测量结果不准确，同时该技术只能获取角膜前表面形态数据，无法满足对于整个眼前节的评估。
另一种较为常见的是基于Scheimpflug照相机技术的剖面成像仪器，如OCULUS公司生产的pentacam眼前节分析诊断系统。该技术利用光学成像原理对眼剖面成像，可以得到角膜至晶体范围内的二维照片，再经三维重建得到眼前节整体数据。这种仪器存在光学畸变相差，需要进行非常复杂的图像矫正，为了获得三维数据采用超高速的面阵CCD，价格非常昂贵。同时，照明光源采用蓝光(475nm)，对人眼形成非常大的刺激，患者体验不好，也无法获得放松状态下眼前节的形态。
光学相干层析(OCT)技术发展迅速，以其快速、非侵入等优点广泛用于医疗研究当中。在专利CN106963337中，提出了一种实现大景深眼前节分析系统。该技术采用离轴扫描振镜，扫描振镜沿旋转轴旋转将入射光以不同反射角度射出，光束旋转角度为a，旋转轴与入射光轴在x扫描方向上的偏移量为t，由于扫描振镜的旋转角度较小，根据小角度弧长公式，因扫描振镜在不同角度而形成的光程差b可以近似认为b＝at，即在任意扫描位置，入射光在样品臂所走过的光程都不同于相邻扫描位置处所走过的光程，且入射光光程随扫描振镜旋转角度改变，呈单调性。因此，对样品进行采样时，离轴扫描振镜在相邻的扫描点引入近似固定的光程差，产生时域多普勒效应，即沿x方向加入了一个调制频率。将采集数据在复数域中进行解调，可以消除在实数域做傅里叶变换形成的伪像。高分辨率光谱仪设计光谱分辨率大于或等于25皮米，对应相干长度大于14毫米，对角膜前表面到晶体后表面范围内的结构同时成像。该系统只能进行影像观察，不能定量分析眼前节形态参数。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种眼前节形态分析方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种眼前节形态分析方法，该方法采用的数据采集系统包括监视模块，分光模块，接目镜，光学相干层析模块及计算机，对人眼进行二维振镜非接触式光学扫描，采集眼前节三维数据块，该方法包括步骤如下：
(1)选择扫描模式，扫描模式采用旋转式扫描，所使用的二维振镜驱动信号为：两方向均采用锯齿波驱动，并且保证时序上的一一对应，通过改变驱动信号幅度，使振镜扫描步长保持一定比例，即可实现以不同角度的直线扫描，计算旋转式扫描的扫描线角度间隔对应的驱动信号比例，完成扫描；
(2)数据采集，光学相干断层扫描在每个扫描点上一次得到深度方向的Z个数据点，二维扫描决定了扫描点数为X*Y个，最终得到的采样数据点总数为X*Y*Z个，监视模块同步采集帧同步图像，使用阈值分割的方法提取虹膜边缘和瞳孔边缘，得到位置反馈信息以及瞳孔直径和白对白直径；
(3)边缘提取，对深度方向Z个数据点进行梯度运算，使用最短路径法，得到眼前节轮廓对应的数据点，在扫描方向上重复该步骤，数据重组后得到眼前节边缘轮廓数据集及全眼前节边缘轮廓图像；
(4)粗略对准，活体数据采集无法避免微动带来的图像偏移，使用监视图像提供位置反馈信号，用以矫正扫描方向上的位置偏移，根据眼前节的结构特性，在已经提取的眼前节边缘轮廓数据集中选择房角顶点和角膜顶点作为每个剖面的对准参考点，通过数据空间映射，将每个数据剖面中的对准参考点对齐到同一平面中，即消除空间上的位置偏差；
(5)精细对准，在数据集中引入Zernike多项式，其表达式为：
公式中各物理量的含义及单位为，C(r，θ)是角膜表面的数学表达式，P是多项式中序列索引，Zp(r，θ)代表Zernike多项式中第p项，ap是该项的模型系数，ε是实验模型误差，r代表径向位置，θ代表旋转角度；
使用Zernike多项式分别对数据集中角膜前表面数据子集，角膜后表面数据子集，晶体前表面数据子集，晶体后表面数据子集进行曲面拟合，再进行等间隔重采样，曲面上的任一点都对应计算出一个微分斜率，通过该微分斜率的集合得到对应曲面地形图数据，即角膜前表面地形图，角膜后表面地形图，晶体前表面地形图，晶体后表面地形图；计算相邻曲面位置差，得到角膜厚度分布及晶体厚度分布，同时，经过对准匹配的三维数据块，用以提供三维空间内任意方向的眼前节断层剖面图像。
而且，所述步骤(1)中的旋转式扫描由栅格式扫描代替，即一个维度上振镜以等幅度锯齿波驱动，其幅度决定了扫描线的范围，另一个维度的驱动信号为阶梯式波形，即将扫描线平移一定距离进行下一次扫描，阶梯信号的幅值变化对应扫描线的间隔距离。
而且，所述步骤(5)中任意方向的眼前节断层剖面图像包括重建后的角膜三维图像，房角三维图像，虹膜三维图像，晶体三维图像，利用这些图像进行角膜屈光力评估，角膜手术预评估，不规则角膜病变评估，角膜波前相差分析，白内障观察及人工晶体手术评估。
而且，所述步骤(5)中角膜前表面地形图，角膜后表面地形图，晶体前表面地形图，晶体后表面地形图，角膜厚度分布，晶体厚度分布作为从角膜前表面至晶体后表面全部眼前节形态基础生物参数数据集，使用该数据集中一种或多种数据子集进行联合分析，进一步计算角膜变形，晶体变形及前房变形的高级形态变化。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明可同时获得眼前节断层图像，角膜前表面地形图，角膜后表面地形图，角膜厚度分布，晶体前表面地形图，晶体后表面地形图，晶体厚度分布，角膜三维图像，房角三维图像，虹膜三维图像，晶体三维图像。
2、本发明不存在空间光学像差，降低了算法复杂程度，保证了测量精度。
3、本发明为非侵入方式，无刺激，易于被患者接受。
附图说明
图1是大景深光学相干层析扫描系统结构示意图；
图2是本发明眼前节形态分析方法流程图；
图3是本发明中旋转式扫描示意图；
图4是本发明中栅格式扫描示意图；
图5是本发明中角膜和虹膜边缘示意图；
图6是本发明中全眼前节数据错位示意图；
图7是本发明中全眼前节示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施做进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种眼前节形态分析方法，如图1所示，该方法采用的数据采集系统包括监视模块1，分光模块2，接目镜3，光学相干层析模块5及计算机6，对人眼4进行二维振镜非接触式光学扫描，采集眼前节三维数据块，如图2所示，该方法包括步骤如下：
(1)选择扫描模式，扫描模式采用旋转式扫描，所使用的二维振镜驱动信号为：两方向均采用锯齿波驱动，并且保证时序上的一一对应，通过改变驱动信号幅度，使振镜扫描步长保持一定比例，即可实现以不同角度的直线扫描，计算旋转式扫描的扫描线角度间隔对应的驱动信号比例，可完成如图3所示的扫描形式；其中，所述旋转式扫描可以由栅格式扫描代替，如图4所示，一个维度上振镜以等幅度锯齿波驱动，其幅度决定了扫描线的范围，另一个维度的驱动信号为阶梯式波形，即将扫描线平移一定距离进行下一次扫描，阶梯信号的幅值变化对应扫描线的间隔距离。
(2)数据采集，光学相干断层扫描在每个扫描点上可以一次得到深度方向的数据点Z个，二维扫描决定了扫描点数为X*Y个，最终得到的采样数据点总数为X*Y*Z个。监视模块同步采集帧同步图像，使用阈值分割的方法提取虹膜边缘7和瞳孔边缘8，得到位置反馈信息以及瞳孔直径和白对白直径，如图5所示；
(3)边缘提取，对深度方向Z个数据点进行梯度运算，使用最短路径法，得到眼前节轮廓对应的数据点，在扫描方向上重复该步骤，数据重组后得到眼前节边缘轮廓数据集及全眼前节边缘轮廓图像，如图5所示；
(4)粗略对准，活体数据采集无法避免微动带来的图像偏移，如图6所示，使用监视图像提供位置反馈信号，用以矫正扫描方向上的位置偏移，根据眼前节的结构特性，在已经提取的眼前节边缘轮廓数据集中选择房角顶点9和角膜顶点10，如图7所示，作为每个剖面的对准参考点，通过数据空间映射，将每个数据剖面中的对准参考点对齐到同一平面中，即消除空间上的位置偏差；
(5)精细对准，为了进一步消除边缘提取误差带来的数据对准不平滑，在数据集中引入Zernike多项式，其表达式为：
公式中各物理量的含义及单位为，C(r，θ)是角膜表面的数学表达式，P是多项式中序列索引，Zp(r，θ)代表Zernike多项式中第p项，ap是该项的模型系数，ε是实验模型误差，r代表径向位置，θ代表旋转角度；
Zernike多项式多用于构建曲面表面模型，经过泽尼克多项式矫正，降低数据集中存在的离散对齐不准确程度，然后分别对数据集中角膜前表面数据子集，角膜后表面数据子集，晶体前表面数据子集，晶体后表面数据子集进行曲面拟合，再进行等间隔重采样，曲面上的任一点都对应计算出一个微分斜率，该微分斜率的集合可得到对应曲面地形图数据，即角膜前表面地形图，角膜后表面地形图，晶体前表面地形图，晶体后表面地形图；计算相邻曲面位置差，得到角膜厚度分布及晶体厚度分布。
同时，经过对准匹配的三维数据块可以提供三维空间内任意方向的眼前节断层剖面图像，并且重建后的角膜三维图像，房角三维图像，虹膜三维图像，晶体三维图像可用于评估角膜屈光力，角膜手术预评估，不规则角膜病变评估，角膜波前相差分析，白内障观察，人工晶体手术评估。
在本发明的具体实施中，角膜前表面地形图，角膜后表面地形图，晶体前表面地形图，晶体后表面地形图，角膜厚度分布，晶体厚度分布作为从角膜前表面至晶体后表面全部眼前节形态基础生物参数数据集，使用该数据集中一种或多种数据子集进行联合分析，可以进一步计算角膜变形，晶体变形，前房变形等高级形态变化。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于简要的阐述本发明的内容并据以实施，并不能限制本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所做的等效变化或修饰都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种眼前节形态分析方法，该方法采用的数据采集系统包括监视模块，分光模块，接目镜，光学相干层析模块及计算机，对人眼进行二维振镜非接触式光学扫描，采集眼前节三维数据块，该方法包括步骤如下：
(1)选择扫描模式，扫描模式采用旋转式扫描，所使用的二维振镜驱动信号为：两方向均采用锯齿波驱动，并且保证时序上的一一对应，通过改变驱动信号幅度，使振镜扫描步长保持一定比例，即可实现以不同角度的直线扫描，计算旋转式扫描的扫描线角度间隔对应的驱动信号比例，完成扫描；
(2)数据采集，光学相干断层扫描在每个扫描点上一次得到深度方向的Z个数据点，二维扫描决定了扫描点数为X*Y个，最终得到的采样数据点总数为X*Y*Z个，监视模块同步采集帧同步图像，使用阈值分割的方法提取虹膜边缘和瞳孔边缘，得到位置反馈信息以及瞳孔直径和白对白直径；
(3)边缘提取，对深度方向Z个数据点进行梯度运算，使用最短路径法，得到眼前节轮廓对应的数据点，在扫描方向上重复该步骤，数据重组后得到眼前节边缘轮廓数据集及全眼前节边缘轮廓图像；
(4)粗略对准，活体数据采集无法避免微动带来的图像偏移，使用监视图像提供位置反馈信号，用以矫正扫描方向上的位置偏移，根据眼前节的结构特性，在已经提取的眼前节边缘轮廓数据集中选择房角顶点和角膜顶点作为每个剖面的对准参考点，通过数据空间映射，将每个数据剖面中的对准参考点对齐到同一平面中，即消除空间上的位置偏差；
(5)精细对准，在数据集中引入Zernike多项式，其表达式为：
公式中各物理量的含义及单位为，C(r，θ)是角膜表面的数学表达式，P是多项式中序列索引，Zp(r，θ)代表Zernike多项式中第p项，αp是该项的模型系数，ε是实验模型误差，r代表径向位置，θ代表旋转角度；
使用Zernike多项式分别对数据集中角膜前表面数据子集，角膜后表面数据子集，晶体前表面数据子集，晶体后表面数据子集进行曲面拟合，再进行等间隔重采样，曲面上的任一点都对应计算出一个微分斜率，通过该微分斜率的集合得到对应曲面地形图数据，即角膜前表面地形图，角膜后表面地形图，晶体前表面地形图，晶体后表面地形图；计算相邻曲面位置差，得到角膜厚度分布及晶体厚度分布，同时，经过对准匹配的三维数据块，用以提供三维空间内任意方向的眼前节断层剖面图像。
2.根据权利要求1所述的一种眼前节形态分析方法，其特征在于：所述步骤(1)中的旋转式扫描由栅格式扫描代替，即一个维度上振镜以等幅度锯齿波驱动，其幅度决定了扫描线的范围，另一个维度的驱动信号为阶梯式波形，即将扫描线平移一定距离进行下一次扫描，阶梯信号的幅值变化对应扫描线的间隔距离。
3.根据权利要求1所述的一种眼前节形态分析方法，其特征在于：所述步骤(5)中角膜前表面地形图，角膜后表面地形图，晶体前表面地形图，晶体后表面地形图，角膜厚度分布，晶体厚度分布作为从角膜前表面至晶体后表面全部眼前节形态基础生物参数数据集，使用该全部眼前节形态基础生物参数数据集集中一种或多种数据子集进行联合分析，进一步计算角膜变形，晶体变形及前房变形的高级形态变化。
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