CN101596096B - 无接触式测量眼睛轴长和/或角膜曲率和/或前房深度的，尤其是iol测量的装置 - Google Patents

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Abstract

用于无接触地确定眼睛的轴长(AL)，前房深度(VKT)以及角膜曲率(HHK)的，尤其是计算和选择应植入的眼内晶状体(IOL)的组合仪器。

Description

无接触式测量眼睛轴长和/或角膜曲率和/或前房深度的，尤其是IOL测量的装置
图1中示意地表示了通过人眼的一个纵向截面。通常借助超声波以接触法测量人眼的轴长AL。
在DE3201801和US5673096、DE4446183A1中说明了另外的测量方法。借助已知的角膜仪(Keratormeter)/眼科仪(Ophthalmometer)确定角膜的曲率-角膜半径HHR(DD251497，US4572628，US4660946，US5212507，5325134)。借助超声波或借助属于缝隙灯的辅助单元(前房深度测量仪，经缝隙灯图像的调节)进行前房深度VKT的测量。
尤其是在白内障手术前，但是在学校近视的过程检查和两眼物像不等症确定时，也必须确定这些对于应植入的眼内晶状体IOL的选择也是重要的测量值。在临床实践中通常至少借助两种仪器(例如超声波A型扫描和自动的角膜仪)测量这些值。在计算IOL的光学作用的公式中采用这些测量值。按所采用的仪器类型不同可能导致影响IOL选择的各种各样的误差。
本发明的任务在于将这些取决于仪器的测量误差减小到最小。
按本发明通过独立权利要求的特征来解决此任务。优先的进一步发展是从属权利要求的对象。
按本发明借助一种仪器装置和相应的测量方法有利地确定眼睛的所有当时必要的参数。
同样地在此装置中实现使仪器对病人的校正成为可能的必要调节。
同样借助这种仪器装置进行IOL的计算。因此在向进行IOL计算的计算机传输不同仪器的测量值时也取消数据损失或数据失真。以下借助示意图详述本发明及其优点。
图2中表示了仪器的示意性构造。为了测量轴长将激光二极管1的光线经迈克尔逊干涉仪(3-5)，分光立方体8以及衍射光学元件DOE9成像到病人眼睛14上，迈克尔逊干涉仪(3-5)由具有反光镜4的，在这里为三合棱镜的一种固定基准臂R1，和借助由其它反光镜5(三合棱镜)的不同位置所表示的一种可调节基准臂R2，以及用于重叠在R1和R2中所反射射束部分的一种分束立方体3组成。二极管7监控激光二极管1的光功率。由眼睛14的角膜和视网膜所反射的部分射束互相重叠，并且借助DOE9，具有用于旋转偏振平面的λ/4板P1的分光立方体8，具有λ/2板P2的分光立方体15将这些部分射束经聚焦元件，在这里为消色差透镜16成像到雪崩光电二极管APD17上。在此按例如在US5673096中所说明的已知方法进行轴长测量。
为了观察眼睛和所形成的反射，借助消色差透镜22将反射光线(从眼睛来的光线)的一部分经镜面20成像到CCD摄像机23上。消色差透镜18、19在此是向外摆出的。光圈21在此位于撤出的位置上。
为了测量角膜曲率HHK，相似于DD251497在对光轴A1大约18°的角度下借助6个尤其是红外的LED10来照明眼睛14，在图1中示范性地表示了这些红外LED10中时位于图纸平面中的两个。在LED后面安置了孔眼光圈10a用于生成点状照明图像。
为了二极管光线的准直性在照明方向上在LED后面布置了六个透镜11。将此光源在眼睛中(作为角膜的反射)所形成的图像经分光立方体8和15以及消色差透镜18和19成像到CCD摄像机上。DOE9在这里有利地是向外摆出的，但是也可以保持在光程中。消色差透镜22是向外摆出的。
对于确定VTK，在大约33°的角度下借助LED12，缝隙光圈12a和圆柱透镜13缝隙状地照明每个眼睛。将角膜和晶状体前表面的所产生的散射图像经分光立方体8和15以及消色差透镜18和19成像到在尤其是向外摆出的DOE时的CCD摄像机23上。消色差透镜22是向外摆出的。
图3是仪器在观察方向上的正视图，在此已略去用于x/y/z调节的已知缝隙灯十字工作台的示图。
可以看到的是：DOE9(在它的中心点A1上标记了仪器中光轴的位置)，用位于这之后的不可见的LED10来确定角膜曲率的透镜11，用于测量VKT的缝隙成像的圆柱透镜13和用于眼睛14的照明与校正的六个IR二极管24。
借助图4应更准确地阐述借助从眼睛14通向CCD摄像机23的光程A-D的测量任务。
光程C：仪器对眼睛的校正
眼睛位于消色差透镜18的焦距上，朝无穷远成像，和经消色差透镜22成像到CCD摄像机的平面中。消色差透镜19在这里是向外摆出的。
借助激光二极管(LD)或LED1给病人提供定位光线，以便他将眼睛瞳孔朝光轴的方向定向。有必要将眼睛14的较大片段(例如15mm)成像到CCD摄像机上。DOE由于其微小的效率(聚焦部分中的约5％)是不太适合于虹膜结构成像的，以至于具有固成像比例的由消色差透镜18和22组成的光学系统实现成像。DOE在此优先地是向外摆出的。为了对病人不产生附加的定位刺激，借助尤其以宽广的反射特性(大的半值角)为特征的IR二极管24(图2)(例如880nm)进行眼睛14的照明。经已知的在x/y/z方向可调节的缝隙灯十字工作台进行仪器对病人的校正。例如可以采用飞利浦的VCM3405作为CCD摄像机。眼睛的照明是必要的，以便甚至在较暗的房间中可将病人向仪器调整。对于15mm的区域应尽可能漫射地进行照明，光源通过角膜的成像可是不能避免(因为角膜起凸镜面的作用)。
在这里基本想法是，有利地将用于照明的装置同时采用于病人眼睛的校正。
在圆周(有时：像在角膜仪测量时那样的相同的圆周)上布置具有较大半值角的六个红外的LED24。这些LED24在角膜上生成成像到CCD摄像机上的6个点。在LC显示器或监视器上实况地显示病人眼睛；在LCD/监视器上附加地显示一种圆/十字线用于中心标记。为了眼睛的定位必须对于所示的圆同心地调节6个点-通过移动十字工作台实现这一点；如果这些点是对中的和清晰可见的话，病人是在高度/侧面/深度上正确地调节的。病人自己朝仪器望去-从那里投影病人须定位到其上的校正激光1或LED1a。在瞳孔的中心可以看到激光反射。
在LC显示器或监视器上应显示一种附加的调节辅助。对于轴长测量仪的干涉信号的检测安排了一种雪崩光电二极管APD。当病人眼睛是在测量仪器的光轴上时，由角膜前表面反射校正激光1或LED1a；将反射的光线成像到APD上。因此通过APD生成其(相对)高度表示病人眼睛对中性的一个尺度的直流电压信号。将此直流电压信号经A/D转换器输送给内部的计算机，并且从那里以合适的形式(例如条/圆)显示在LCD上。因此通过条/圆的不同大小将对于病人眼睛的校正状态的其它信息传送给操作员。
光程D：ALM
经作为平行光程的DOE和经消色差透镜22将激光二极管1(例如780nm)的反射成像到CCD摄像机23上，在此在用于观察和反射调节的镜组18、19已向外摆出的情况下显示约为5mm的眼睛片段。为了将最大的能量传输到APD17上，在图2中所示的分光立方体15上将总能量的有利地多于约80-95％的一大部分输出到APD上；因此仅约20-5％的光线落到CCD摄像机上。
光程B：角膜仪
优先相似于DD251497借助六个IR二极管10(例如880nm)进行照明，以便不妨碍将病人眼睛14固定到LD1或LED1a的定位光线上。[5。3]
CCD摄像机23给定的分辨率要求不大于眼睛14上约6mm的区域的成像，以便达到0.05mm的测量精度。优先重新通过向外摆出来消除DOE的作用，并且消色差透镜18和19实现6个角膜反射图像的成像。
作提高在很大程度上与病人眼睛对仪器的距离无关的测量精度之用的有：
-将测量的孔径限制到尤其少于0.05上的远心光圈21，和
-位于LED和病人眼睛之间的，与病人眼睛的轴向位置无关地维持入射角恒定的准直光管11。
经使得角膜仪测量点的准确校正成为可能的孔眼光圈10a有利地进行LED光线的成像。准直光管焦距应大于有效光源尺寸的50倍，以便与位置无关地达到半径测量的所希望的测量精度。
光程A：VKT
由于在观察人眼睛中的光截面时光散射起着决定性的作用，必须选择尽可能短波(例如400-600nm)的光源用于眼睛14的照明。
甚至确定在VKT时为了达到所要求的0.1mm的测量精度，必须将眼睛14上的不大于约6mm的区域成像到CCD摄像机23上。
在回避DOE作用的条件下或在向外摆出的DOE的情况下通过消色差透镜18和19实现这一点。消色差透镜22是向外摆出的。
在这里向内摆入的或调节的远心光圈21必须拥有(优先大于0.07的-例如13mm的孔径的)较大直径，以便仅最小程度地减小在VKT测量时所形成光弱的散射图像的光强度。光圈21因此在至少两个位置上是可调节的，或以一个第二光圈可交换的。
侧向在固定的角度下通过明亮的光缝隙来照明此测试人眼睛。用光学系统18、19、21将眼睛上的在此形成的光截面成像到CCD摄像机上。照明和观察在此形成优先约为33°的固定的角度。
图8a、b示意地展示用于求出VKT的装置，在图8a中展示照明方向，和在图8b中展示检测方向。
通过一行对固定宽度缝隙12a拥有规定距离的，光线强烈的LED12来形成光缝隙。将以此方式照明的缝隙12a通过圆柱透镜13作为缝隙图像S成像到测试人眼睛上。可考虑采用的LED典型地具有至少10000小时的寿命。(作为比较：卤素灯100-200小时)。不存在由于像在卤素灯上那样高温负荷的磨损现象。
经示意性表示的成像镜组18、19实现将具有重要图像片段的测试人眼睛成像到尤其CCD传感器23上。远心地进行成像-远心光圈21，以便减少测试人校正的影响。在监视器或LC显示器上显示视频信号，使得操作员可以在未受强制的姿势下进行测试人校正和测量。测量方法不基于部分图像的可测量的位移；因此瞳孔划分可以取消。借助帧接收器FG将CCD摄像机23的信号接纳到计算机C的存储器中。借助合适的图像处理软件求出截面图像中的从其中计算VKT(精度0.1mm)的距离。(例如通过排除环境光)达到重要图像内容的改善，采用的办法是以合适的形式同步于视频半图像地节拍地接通和断开照明LED。
一个规定焦距的消色差透镜满足于将眼睛成像到CCD摄像机上。取决于眼睛上应成像的所希望图像片段进行焦距的确定。将满足远心条件的光圈23布置在消色差透镜的图像侧的焦距上。成像系统的这种简单构造保证不复杂地集成到另外系统中的可能性。
经图8b中的射束分裂器8进行将定位光线1、1a(LED)集于焦点。光源是集成在观察系统中的(例如测试人定位到其上的LED1a或激光二极管1)。在监视器或LC显示器上显示摄像机的视频信号。在测试人的调整和测量期间操作员可以确信，测试人是正确定位的-和因此测量结果是未变形的。通过圆柱透镜将以此方式照明的缝隙成像到测试人眼睛(4)上。具有0.1大小孔径的，0.3mm宽缝隙的稍微偏离于1∶1成像的成像，以及采用白光LED证明为特别有利的。
经成像镜组18、19实现将具有重要图像片段的测试人眼睛成像到尤其是CCD传感器8上。远心地进行成像，以便减少测试人校正的影响。在监视器或LC显示器上显示视频信号，使得操作员可以在未受强制的姿势下进行测试人校正和测量。
例如借助帧接收器将CCD摄像机的信号接纳到计算机的存储器中。借助合适的图像处理软件求出截面图像中的从其中计算VKT(精度0.1mm)的距离。(例如通过排除环境光)达到重要图像内容的改善，采用的办法是以合适的形式同步于视频半图像地节拍地接通和断开照明LED。
以下借助图7叙述，如何借助CCD矩阵上的图像求出VKT。用校正激光或定位LED的反射图像FI表示了由CCD摄像机采集的眼睛图像以及在接通照明1时的角膜和透镜SL的散射光SH。
在数字式录像中确定角膜和晶状体的散射图像的前边缘的距离
图像处理的出发点是(n乘)一副直接相继录制的图像：具有接通的缝隙照明的图1(″亮图像″)，具有定位灯图像的没有缝隙照明的图像2(″暗图像″)。以下面的主要步骤来进行处理：
●在暗图像中测试瞳孔：在考虑边界条件下基于带条图地选择用于二进制化的阈值。通过分析处理二进制图像的协方差矩阵来确定外接瞳孔的椭圆。
●在暗图像中检测瞳孔中的定位点：确定其灰度值位于暗图像中灰度值分布的0.9分位数之上的所有相互联系的区域。确定取决于面积，形状和对瞳孔中心点距离的每个区域的概率尺度。选择最可能区域的重心作为固定点。
●计算差值图像(亮图像减去暗图像)和在差值图像中通过中值滤波的噪音抑制。
●确定在差值图像中缝隙照明的散射图像的边缘曲线：在考虑边界条件下基于带条图地选择用于二进制化的阈值。在围绕定位点的给定范围中粗略检测作为阈值超越地点的边缘。在行分布图中精细检测作为灰度值分布的，离粗略检测位置最近的转折点地点的边缘。通过在边缘曲线中的非特征点检测消除反射边缘(除去点中的离平均边缘曲线最远的给定部分)。
●确定角膜和晶状体散射图像SH、SL(以像素为单位)的前边缘的距离X：通过椭圆逼近边缘曲线(受约束地减小平方误差和)。计算这些椭圆与通过定位点水平线的交点的距离。
从上述距离中计算前房深度：
将以像素为单位存在的距离X换算为以mm为单位的(代入镜组的成像比例和CCD矩阵的像素大小)
r＝角膜半径，
n＝房液的折射率
ω＝在照明和观察之间的角度
VKT = r + x tan [ arcsin sin ( ω - arcsin x r ) n + arcsin x r ] - { x tan [ arcsin sin ( ω - arcsin x r ) n + arcsin x r ] } 2 - { x sin [ arcsin sin ( ω - arcsin x r ) n + arcsin x r ] } 2 + r 2
当定位灯的图像位于晶状体散射图像的前边缘上时，正如图7中所表示的那样，此公式准确地适用；否则可以求出定位灯图像离晶状体散射图像的前边缘的距离，并且从此“偏心”的绝对值中可以按已知的成像公式求出前房深度的修正值。尤其借助上述角膜仪装置来测量角膜半径。
以下汇总在组合3个必要的测量值以及校正过程时应注意的特征性调节的概况：
校正ALM角膜VKT
区域大小约15mm约5mm约6mm约6mm
波长IR(例如例如约780nmIR(例如VIS(例如
880nm)880nm)400-600nm)
光圈向外摆出的向外摆出的约6mm约13mm
DOE无作用(向外摆起作用无作用(向外无作用(向外
出的)摆出的)摆出的)
如从此概括中可获知的那样，在不同测量任务上采用不同的波长段。分光立方体8和15在此具有重大意义，因为在这些地方互相分开照明光程，观察光程和测量光程。
在考虑激光二极管1的线性偏振条件下专门的分光器层实现这些任务。
分光立方体8：
应在眼睛14的方向上最大程度地反射来自干涉仪的激光；来自眼睛14的激光应拥有最大的透射性。
方棱镜8中的分光器层必须附加地对于角膜仪测量和VKT测量的IR和VIS光线部分具有最大的透射性。
由于在LD1(例如LT023夏普)上涉及线性偏振光，具有偏振作用的介电多重层可以优先得到采用。在图4中表示了特征性的透射性曲线。尽可能地(约98％)反射来自1的垂直的偏振光(s-极，780nm)。
通过λ/4板生成循环偏振光。因此在穿过λ/4板之后重新线性偏振由眼睛14反射的光线；偏振方向却是旋转了90°(平行偏振的，p-极)。在780nm上的分光器层对于这个振动方向具有近似100％的透射性。IR和VISLED发送不偏振的光。
如从图6中可获知的那样，在420至580nm波长段中的以及在870至1000nm波段中的分光器层的透射性是大于不偏振光的90％的。
层的构造：分光立方体8：
这种极分光立方体除了它的普通功能-在规定波长段中的极分光器作用-之外，满足在视觉波长段(420...560nm)中和近红外波段(870...1000nm)中的高透射性的附加要求。
层设计满足约46°的狭窄入射角范围的这些要求。所采用的材料从衬底折射率，胶合剂折射率和涂层物质的折射率方面是互相匹配的.对于这种专门的用途已选择以下的材料：
衬底：SF2n＝1.64
胶合剂n＝1.64
Hn＝1.93
Ln＝1.48
设计由17个交替层HL组成。HFO2是H，SIO2是L。[12.1]
对于可比较的分光器可以通过合适选择衬底和涂层物质的折射率以及入射角来制作合适的分光器。[12.2]
参数：高透射性从420...560nm，不偏振的
高透射性从870...1000nm，不偏振的
极距(Polteilung)780±20nm
实例：
1HFO2156.8nm
2SIO2118.1nm
3HFO2166.4nm
4SIO295.8nm
5HFO2160.2nm
6SIO2147.3nm
7HFO2145.6nm
8SIO2151.0nm
9HFO2144.9nm
10SIO2148.2nm
11HFO2149.2nm
12SIO2139.9nm
13HFO2161.3nm
14SIO2103.9nm
15HFO2179.5nm
16SIO264.9nm
17HFO2170.9nm
分光立方体15：
在大约20-5％透射性时应反射来自分光立方体8的激光约达80-95％。分光器层应对于IR和VIS光线部分具有最大的透射性。
同样通过在其性能上近似于8中的分光器层的极分光器来实现此层。布置在分光立方体15上的λ/2板将到达光线的偏振方向旋转90°，使得s-pol组分重新落到分光立方体15上。
通过改变层8来调节上述的分光比例。透射性对于IR和VIS波段中的不偏振的光线为大于90％。
层的构造：分光立方体15：
除了在780nm±20nm波长上的80-95％的反射s-极的要求之外，这种分光立方体满足在视觉波长段(420...560nm)中和近红外波段(870...1000nm)中的高透射性的附加要求(图6b)。
层设计满足约46°的狭窄射入角范围的这些要求。所采用的材料从衬底折射率、胶合剂折射率和涂层物质的折射率方面是互相匹配的.对于这种专门的用途已选择以下的材料：
衬底：BK7n＝1.52
胶合剂n＝1.52
Hn＝1.93
Ln＝1.48
设计由13个交替层HL组成。
对于可比较的分光器可以通过合适选择衬底和涂层物质的折射率以及入射角来制作合适的分光器。
参数：高透射性从420...560nm，不偏振的
高透射性从870...1000nm，不偏振的
反射s-极约80-95％780±20nm
实例：
1HFO2130.2nm
2SIO2215.4nm
3HFO2130.6nm
4SIO217.8nm
5HFO2160.7nm
6SIO2241.6nm
7HFO2136.6nm
8SIO2240.0nm
9HFO2156.4nm
10SIO218.0nm
11HFO2135.1nm
12SIO2214.1nm
13HFO2131.3nm
为了调节和控制如镜组18、19、22，光圈21等等那样的全部可调节的单元和光学元件，按图5安排了中央控制。
在考虑DOE作用的条件下的不同成像比例使得仪器中的转换过程成为必要的。尤其机动地和程控地实现这些转换过程。
已经实现主要电子模块集成到其中的一种紧凑的仪器。核心件是一种嵌入式奔腾控制器C，将显示器D(所检查眼睛14的显示和操作员的菜单引导)，键盘，鼠标器，脚踏开关和作为外围设备的打印机连接到此奔腾控制器C上的。
ALM
经控制器C进行激光二极管1以及干涉仪滑板IS(与测量系统连接的移动棱镜5)的控制。为了减少眼睛活动的影响必须实现短的测量时间(短于0.5秒)。由APD17所生成的信号到达信号处理单元SE中，取决于信号大小地得到放大，随后频率选择地得到放大，和用相当于大约4倍有用信号频率的扫描频率得到模-数转换。由奔腾平台的高速端口HS接纳数字式扫描值。在那里借助傅利叶变换，没有外部所生成的参考频率地进行数字式信号处理。在显示器上表显示信号；行程测量系统提供从属于此的轴长数额。
角膜仪
控制器C是与CCD摄像机23的控制和与二极管10连接的。在用于角膜曲率测量的调节过程中尤其以持续光方式运行二极管10，以便防止显示在LCD上的角膜反射图像的闪烁。
在测量过程中逐图像地接通和断开这些二极管；为此控制器C同步于CCD摄像机23的图像脉冲地控制二极管10，即二极管在一个图像时是接通的和在下一个图像时是断开的
在两个相继图像的相减(差值形成)之后人们成图像副地仅还获得角膜的已由LED10生成的反射，并且排除环境光线的干扰性的反射。
借助帧接收器FG数字化在摄像机23上形成的反射图像，和在奔腾平台(控制器C)的内存中存放在摄像机23上形成的反射图像。随后借助图像处理进行二极管反射图像的重心位置的确定，以及借助在DD251497中所说明的近似公式进行角膜半径的计算。为了提高测量结果的可再现性，对每个测量过程录制约5个图像系列(由具有和没有通过同步节拍的LED的照明的各两个半图像组成)。
VKT
此外控制器C是与二极管12连接的。在调节过程(校正)中相似于角膜仪优先以持续光方式运行二极管12。
在测量过程中选择地通过控制器使对左和右眼睛的照明二极管发出节拍(相似于角膜仪)。按操作员的规定向左或右移动仪器，和借助...将仪器校正到眼睛中心点上。
借助图像处理求出散射图像的边缘位置。...
如已经说明的那样，从角膜散射图像和晶状体散射图像的距离中计算VKT。对每个测量过程同样录制约5个图像系列。
照明
控制器C是与二极管12连接的。在任何时刻可以经控制器(在程序内部或通过操作员控制地)接入用于眼睛照明的IR二极管24。此外控制器是(未表示)与用于向内和向外摆动/调节DOE9，透镜18，19，22和光圈21的控制连接的。
经在仪器存储器中可调用地存储的，国际上通常的计算公式从所求出的测量值AL、HHR、VKT中进行IOL的计算，并且经打印机打印。

Claims (4)

1.一种组合仪器，其无接触式确定人类眼睛的轴长和角膜曲率半径，含有一个控制器，该控制器对所述组合仪器的衍射光学元件和/或成像镜组和/或光圈的向内和向外摆动或调节和/或干涉仪调节和/或用于VKT确定和/或HHK测量和/或校正和/或AL测量的光源的接通和断开进行中央控制并且根据为选择眼内晶状体而确定的测量值来计算要被灌输到眼睛中的眼内晶状体的光学作用。
2.如权利要求1的组合仪器，具有仪器存储器，在该仪器存储器中存储了由所述控制器用来计算眼内晶状体的光学作用的计算公式以使它们能够被调用。
3.如权利要求1的组合仪器，其另外确定了前房深度。
4.如权利要求3的组合仪器，其首先确定轴长，然后确定角膜曲率半径并且然后确定前房深度，或者其首先确定角膜的曲率半径，然后确定前房深度并且然后确定轴长，或者其首先确定角膜曲率或角膜半径，然后确定轴长并且然后确定前房深度。
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