CN103097855B - 用于提高眼测量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一些实施方案的成像方法包括由光学相干断层扫描系统获得工作距离信息，所述工作距离为至样品的工作距离；由一个或多个眼用系统获得信息；将来自所述光学相干断层扫描信息和所述眼用系统的信息组合；以及显示所述组合的信息。

Description

用于提高眼测量的方法和装置

相关申请

本申请要求于2011年6月1日提交的美国非临时申请号13/150,999，以及于2010年6月1日提交的美国临时申请号61/350,258的优先权，它们的全部内容通过引用结合在此。

背景

1.发明领域

本文描述的实施方案一般地涉及眼科学中用于收集和处理图像的方法和系统。

2.背景技术

为获得受测眼的准确的和可重复的图像和测量，需要的是在距离成像器件固定距离并在可重复的位置处将受测眼成像。因此，重要的是确定受测眼与成像器件之间合适的工作距离(也称为Z距离)。从该固定距离的位置位移可以导致不准确的和不太能重复的图像，或者甚至测量上的误差。

角膜地形图，例如，是成像模态，其中获得准确的和可重复的图像是重要的。角膜地形图使用称为镜像投影的方法。在该方法中，将需要的光图案投影至受测眼的前表面上。之后光图案的虚像在角膜附近形成并且通过角膜地形测量器内部的成像器件捕获。来自角膜附近的光图案的该虚像的空间信息提供产生受测眼的地形图图像的信息。所得到的地形图图像对于受测眼与角膜地形测量器之间的距离是高度敏感的。因为角膜是高光强度表面，来自受测眼与成像器件之间的固定距离的小变化可以引入显著的测量误差。如果将眼从焦点处移开固定距离，则虚像的放大倍数将改变并且从而导致地形图图像或测量值的误差。

已经尝试了数种方案以减少将受测眼在固定位置或更加可重复的距离成像所引起的误差。存在三个主要方式，即1)参考成像方法，2)基于光束三角测量的方法和3)最大信号方法。

图1显示尝试用光源104和placido物象102获得可靠的固定距离的参考成像方法的实例，例如，如美国专利号5,847,804中所描述。图1中所示的方法使用离开主成像器件108的光轴放置的一个或多个另外的成像器件106。从通过另外的一个或多个成像器件106获得的图像确定从受测眼110的角膜至主成像器件108的距离。例如，在图1中，将另外的相机106放置在垂直于主成像器件108的光轴的一定距离处。操作者之后调节主成像器件108与受测眼110之间的距离直至眼110的视频图像在另外的成像器件106中达到特定的位置。将该位置确定为固定位置并且在该位置处在主成像器件108上摄取图像。然而，参考成像方法是高度主观的并且对于不同的脸部尺寸和轮廓难以进行。使用这种方法不能以高精度和可重复性获得所需的固定位置。

图2显示基于三角测量的方法的实例，例如，在美国专利号6,450,641中所讨论的。使用来自光源202的两个以上光束204设定角膜208距成像器件(未显示)的距离。成像器件的聚焦辅助光束204以设定角度从成像器件的光轴206移动并且按以下方式定向：反射束204在距离成像器件的所需距离处交叉或聚焦图案以获得固定距离。在一些实例中，需要成像器件的操作者在眼检查的过程中调节成像器件以定位从受测眼的角膜表面反射的束204的交叉点。在另一个实施方式中，操作者调节成像器件以定位并且对准受测眼的巩膜或角膜缘区域上的光图案作为聚焦辅助。该三角测量光束方法再一次依赖于受试者并且对于操作者将光束交叉点定位在角膜上给出了困难。该方式可以是对于经受多个瞄准光束的暴露的患者不舒服的，并且也不是用户友好的，这归因于另外的光束的附加复杂度。

尝试解决定位问题中采用的另一种方法是最大信号方法。在该方法中，分析瞄准光或至从眼反射的主仪器光。在一个实施方式中，将从眼反射的全部反射光在一个点最大化以获得用于受测眼的最佳工作距离。使用获得最大反射的光的距离作为用于主成像仪器所需的工作距离。在另一个实施方式中，在获取过程中摄取一系列图像。之后，识别具有最高信号和/或锐度的图像并用作用于测量和分析的最佳图像，而不评估合适的工作距离。这些方法和其他相似的变化形式广泛地应用在很多商业成像仪器和相机中。然而，这些方法不是非常可靠，因为存在影响所获得的图像的品质和信号的其他因素如环境光。

因此，需要更好的系统以获得眼的图像。

概述

根据本发明的一些实施方案，成像装置包括光学相干断层扫描(OCT)系统，一个或多个眼用系统，以及耦合器，所述耦合器连接至光学相干断层扫描系统和一个或多个眼用系统，其中耦合器提供组合束。

根据本发明的一些实施方案的成像方法包括从光学相干断层扫描系统获得工作距离信息，所述工作距离为至样品的工作距离；从一个或多个眼用系统获得信息；将来自所述光学相干断层扫描信息和所述眼用系统的信息组合；和显示所组合的信息。

下面参考以下附图进一步描述这些和其他实施方案。

附图简述

图1显示使用通过侧视相机的参考成像方法的Z距离评估的实例。

图2显示使用以多个光束入射在眼上的光束三角测量方法的Z距离评估的实例。

图3显示根据本发明的一些实施方案的示例性流程图。

图4显示可以在本发明的一些实施方案中使用的地形测量系统的示意图。

图5显示可以在本发明的一些实施方案中使用的OCT系统的示意图。

图6显示测量误差与工作距离之间的关系的示意曲线。

图7显示根据本发明的一些实施方案组合的OCT和地形测量系统的示例性示意图。

图8是用于受测眼的高精度放置的示例性用户界面。

图9示例根据本发明的一些实施方案的实例系统。

在适当的情况下，具有相同的或相似的功能的元件具有相同的元件标记。图不是按比例的并且不表示相对尺寸。

详述

根据本发明的一些实施方案，公开了确定样品物体与成像或测量器件之间准确的和更加可重复的位置的方法和装置。下面的一些实施方案公开了通过结合光学相干断层扫描(OCT)测量增强成像仪器，例如，地形测量系统的图像再现性和精度的方法和装置。OCT是通常用于成像和测量生物组织，例如，人眼的3-D结构的非常精确的技术。OCT技术可以与其他摄影系统一起应用以提供在单独的成影系统中不可得的另外的有价值信息以关联、登记和提高测量和分析。例如，可以通过结合OCT技术确定受测眼与成像系统之间的精确工作距离以使得可以将眼放置在最佳位置以准确的和可再现的成像和测量。众所周知，OCT产生高分辨率图像并且该高分辨率产生极其准确的距离测量。将OCT技术与其他眼用系统/应用组合对提供精确工作距离和受测眼相对于眼用系统/应用的准确定位是有益的。OCT可以与数个其他眼用应用组合，例如地形测量系统、角膜散光测量系统、眼底成像系统、波前系统、生物统计学测量系统和激光手术系统。

图3显示根据本发明的一些实施方案的精确地控制用于眼用应用的工作距离的方法的示例性流程图。在图3中所示的实例中，OCT技术与眼用应用如地形图成像组合使用。地形图成像仪提供受测眼前部的地形图信息，并且OCT系统产生对应于由眼中的反射特征产生的轴向反射分布的精确3D强度数据。地形图信息和OCT信息通常由医师和临床医生使用以观察并诊断患者的眼中的多种异常状况。下面进一步描述与OCT系统组合的地形测量系统的实例。

在图3中所示的步骤302中，将一个或多个眼用应用整合至OCT系统中。在一些实施方案中，地形图成像仪与OCT系统集成。地形图成像仪是为提供眼的地形图信息的普遍使用的成像器件。下面更详细地讨论的图4示例了在本发明的一些实施方案中可以采用的地形测量系统及其相关光学元件的实例。OCT系统也是为提供眼的高速、高分辨率3D图像和测量的普遍使用的成像器件。下面更详细地讨论的图5示例了在本发明的一些实施方案中可以采用的OCT系统及其相关光学元件。

在图3的步骤304中，可以显示或评价OCT信息和所选择的一个或多个眼用应用的信息以获得用于优化的成像的所需的工作距离。在步骤306中，可以定位集成的成像系统或受测眼以从眼用应用306获得所需信息。在一些实施方案中，为了容易使用并且进一步减少操作者操作的主观性，步骤306的定位过程可以是自动的。一旦确定了工作距离的位置，则之后可以在步骤308中获得眼用图像和/或测量。

图4显示可以在本发明的一些实施方案中结合的地形测量系统400和相关光学元件的示意图。如图4中所示，系统400包括圆锥表面402，其上存在有一组称为placido环的同心环图案404。环404可以通过照明电路照明。眼408的前部406充当来自环404的该环光图案的反射体。环光源的虚像在眼408的前表面稍微后面形成。该图像由成像光学系统传递至放置在光轴上的相机410并且穿过环404的锥中的孔。环404的尺寸和放大倍数与从反射体，在这种情况下，受测眼408的角膜反射的光功率相关。使用系统400，之后可以分析环404的图像以估计光功率并随后估计受测眼408的角膜的曲率外形。

归因于缺乏对工作距离的控制和/或不能在固定位置在所需距离处可重复地获得受测眼408的信息，可能引入测量误差。所讨论的地形测量系统400具有的测量误差，获取可再现的和准确的地形图信息的不可能性，在图6中示出。

如图6中所示，角膜的光功率的测量误差与工作距离相关。角膜的光功率也称为K(角膜散光测量法)值。K值通过环/环形(placido)光源的图像的放大倍数计算。如图6中所示，图像放大倍数随着物体与成像仪之间的距离，在这种情况下为环-光-至-眼的距离的改变而改变。如图6中所示，测量值仅在原点正确，并且K值的误差随着距最适焦点的距离增加而增加。

图5显示根据一些实施方案可以结合在本发明中的OCT系统500以及相关的光学元件的示意图。在傅里叶域OCT(FD-OCT)系统中，宽带光源502耦合至4端口光纤耦合器504中。来自光源502的光穿过光纤506传播并且分开至两条光纤508和510中。光纤508输送光通过2维(X-Y)扫描光学系统和研究物体514。由可以是眼的物体中的不同组织和结构反射的光折回相同的路径并且耦合至光纤508中。光纤510将光传送至参考路径512。参考路径可以，例如，是可调延迟线。光纤510的光学长度加上路径512应当在光源的相干长度之内匹配光纤508加上路径514，以便建立两个路径的干涉。

将来自光纤508和510的光通过耦合器504组合在一起并耦合至光纤516中。分光计518接收来自光纤516的光并且将光散布至线性检测器或线阵相机上。来自线阵相机的信号由数据采集电子器件520捕获并且送至主机522用于处理。计算机522进行强度信号的傅里叶逆变换并且产生深度信息和/或图像。

此外，如上所述，傅里叶域OCT系统可以基于分光计，或基于迅速地调谐的激光(也称为“扫频源”)。在一些实施方案中，激光的波长或频率在由激光的增益介质支持的范围内扫描。波长扫描过程中反射的光可以用单个光电探测器代替分光计518采集。

图7是根据本发明的一些实施方案的组合的OCT和地形测量系统700的示例性示意图。系统700允许操作者获得眼的所感兴趣的区域的精确距离用于图像采集，并且允许将受测眼放置在用于地形测量系统的准确焦点处，而没有或具有最小化的放大误差。例如，所感兴趣的区域可以是受测眼的前段或后段。在图7中的组合系统中，将OCT光路702和704与地形测量系统706和708的成像路径组合在一起通过分束器710。将placido锥712安装在组合系统700的前部。将光束从OCT光路702送至眼714并且在所感兴趣的区域上扫描以获得OCT信息，如眼的深度或图像信息。成像光学系统706和摄像机708光路获得投影至眼上的placido锥712的图像。以这种方式，在该实施例中，角膜的放大率可以在已知的并且使用来自OCT系统的深度信息明确定义的距离使用来自地形测量系统的placido锥的信息计算。OCT系统的干涉信号给出眼相对于参考位置的位置。之后可以改变眼与系统700之间的相对距离直至它达到所需位置，如角膜的顶点。

在一些实施方案中，成像光学组件706可以包括用来将由角膜形成的环光图案的虚像传递至成像检测器的一组透镜，如图4中所示。在另一方面，摄像机(成像检测器)组件708可以是CCD或CMOS照相机。在另一方面，OCT源和检测器组件704可以是近红外SLD(超级发光二极管)。该SLD可以具有40nm或更宽的带宽以获得精细的空间分辨率。OCT源和检测器组件704的OCT检测器可以是由一个或多个准直透镜组成的分光计、全息衍射光栅和CCD或CMOS线阵相机。

在一些实施方案中，时域OCT系统可以用来利用图7中的集成系统700传递精确的工作距离。优选地可以使用光谱域或傅里叶域OCT系统；傅里叶域OCT系统具有比时域OCT系统显著更快的优势，并具有提高的成像分辨率。因为采集时间的减少，傅里叶域OCT的该更快的扫描速率可以进一步消除由于在采集过程中眼运动引起的误差。

图8示例具有用于距离测量定位方法的信息的示例性用户界面显示。在图8中，眼的前部的OCT图像810，如角膜，与两个水平引导线一起显示在用户界面上。操作者可以调节该图像的X-Y位置以适当地对准眼。如图8中所示，OCT图像810显示采集过程中眼的实时精确距离。为获得用于成像角膜表面的最佳工作距离，例如，用户可以将角膜的顶点(角膜顶点)带到两个引导线标记820之间。两个引导线标记820之间的距离可以依赖于眼测定的工作距离确定的所需精度调节。标记线820之间更小的距离将得到角膜顶点的更精确定位，而更大的距离将允许定位上的更大公差。在一些实施方案中，三个水平引导线、两个引导线820和目标线，可以在应用用户界面中用OCT图像显示。在该实施例中，用户可以通过使角膜的顶点尽可能接近目标线获得角膜顶点的精确定位，同时保持在两个引导线标记820的范围之内。当角膜的顶点位于目标线时，可以将角膜至仪器的距离非常精确地设定在所需距离，这可以通过改变目标线的位置调节。

在一些实施方案中，可以将该手动对准过程自动化以提高使用的容易性并且进一步减少操作者的定位放置的主观性。例如，可以实施电动化系统以提供样品与成像仪之间的工作距离的自动调节。电动化系统可以是在X、Y和/或Z方向上提供自动移动的XYZ台。此外，也可以使用旋转电动化系统以减小由于受测眼的旋转引起的距离上的误差。可以评估在该集成系统700中获取的工作距离信息以自动地将所感兴趣的物体放置在所需位置。例如，可以将角膜的顶点自动地放置在目标线或如图8中的引导线820的中间。

除了提高组合OCT技术和地形图提高地形测量的测量精度和再现性，这两个模态的协同还允许将OCT数据与由地形测量系统获得的图像数据相关联。使用图7中的系统的这两个成像模态的共同图像特征的坐标可以通过坐标转换相关联，以使得可以将OCT数据用地形图数据记录。在一些实施方案中，OCT技术可以与波前测量组合。如上所述，OCT技术提供所感兴趣物体的结构的图像和测量。另一方面，波前技术提供视觉功能的测量，如眼的视觉灵敏度。OCT和波前技术的这种组合可以允许有效的成像，来自OCT的结构信息和来自受测眼的波前测量的功能信息的测量和呈现。可以将从不同的模态获得的所感兴趣的区域的共同特征进一步控制并记录，以增加测量理解，包括对来自组合的模态的测量结果的记录。

图9示出了根据本发明的一些实施方案的系统900。如图9中所示，一个或多个眼用系统或眼用应用如系统910、912和914光学耦合至耦合器918。可以有耦合至耦合器918中的任意数目的眼用系统910、912和914。眼用系统910、912和914可以是任意的光学成像系统或眼用应用，例如地形测量系统、角膜散光测量系统、眼底成像系统、波前系统、生物统计学系统或激光手术系统。系统900还包括连接至耦合器918的OCT系统916。耦合器918可以是将多束的光合并为单束光并且将由样品928反射的光束耦合至相应的眼用系统910、912和914以及OCT系统916中的每一个的任意器件或器件的组合。

将来自耦合器918的组合光学输出耦合至光学系统920中，它将光引导至样品928，例如如图9中所示的眼上。光学系统920可以是允许将来自耦合器918的光束耦合至样品928上并且将来自样品928的光耦合回耦合器918的任意器件或器件的组合。光学系统920也可以是图7中所示的一个或多个光源如placido锥712。

之后将来自样品928的光通过光学系统920和耦合器918耦合至相应的成像系统910、912、914和OCT系统916中。成像系统910、912、914和916中的每一个分析来自样品928的光学光并且将电信号提供至计算系统924。计算系统924可以是能够分析来自眼用系统910、912、914，以及OCT系统916的数据的任何计算装置。计算系统924分析由系统910、912、914和916中的每一个形成的信息和图像。如上所述，从这些系统获得的信息和图像可以是彼此关联、记录和相干的。此外，将计算系统连接至可以是用户输入和显示装置的任意组合的用户界面922。例如，可以采用用户界面922以显示图8中所示的界面图像。

在一些实施方案中，OCT系统916将样品928与光学系统920之间的定位信息提供至用户界面922。如上面的图7中讨论的，例如，成像系统910可以是地形图成像系统并且光学系统920可以是placido锥以获得眼的地形图信息，具有通过使用OCT系统916获得的信息精确地并且可重复地确定的工作距离。在一些实施方案中，可以将定位信息提供至定位器926。定位器926根据所提供的定位信息调节样品928与系统900之间的距离。在一些实施方案中，定位器926可以调节光学系统920中的元件。在一些实施方案中，可以将系统900的全部移动以基于所提供的定位信息来调节距离。在一些实施方案中，定位926可以调节样品928相对于系统900的位置以获得最佳的焦点和最佳的工作距离。

提供以上实施例以便证明并进一步说明本发明的特定实施方案和各个方面，并且它们不应被解释为限制本发明的范围。在上面的说明中，所涉及的参考内容主要以眼作为物体。这不应被理解为有助于描述的唯一方式并且不应被理解为本发明的应用的限制。像这样，在使用术语“眼”的情况下，可以替代为更加普遍的透明和散射物体或器官。虽然已经举例说明并且在本文中详细描述了结合本发明的教导的多个实施方案，本领域技术人员可以容易地设计结合该主题发明的教导的其他多种实施方案。

Claims (17)

1.一种成像装置，所述成像装置包括：

光学相干断层扫描OCT系统；

一个或多个眼用系统；

耦合器，所述耦合器连接至所述OCT系统和所述一个或多个眼用系统；以及

与所述耦合器连接的光学系统，所述光学系统将来自所述耦合器的组合束与样品耦合和将从所述样品反射的光与所述耦合器耦合，

其中所述OCT系统被配置成使用所述OCT系统的干涉信号来确定所述光学系统与所述样品之间的当前工作距离并且为与所述光学系统耦合的定位器提供定位信息以将所述光学系统定位，从而由所述OCT系统确定的所述当前工作距离匹配所需的工作距离。

2.权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个眼用系统包括由以下各项组成的组中的至少一个：地形测量系统、角膜散光测量系统、眼底成像系统、波前系统、生物统计学系统和激光手术系统。

3.权利要求1所述的装置，其中所述耦合器包括至少一个分束器。

4.权利要求1所述的装置，所述装置还包括计算系统，所述计算系统连接至所述一个或多个眼用系统，所述计算系统被配置成分析来自所述OCT系统的信息并且向显示器提供定位信息。

5.权利要求4所述的装置，其中所述定位器被配置成调节所述一个或多个眼用系统和所述OCT系统相对于所述样品的位置。

6.权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个眼用系统包括地形图成像仪。

7.权利要求1所述的装置，其中所述眼用系统包括placido锥。

8.权利要求1所述的装置，其中所述OCT系统选自时域OCT系统、基于分光计的频域OCT系统以及基于扫频源的频域OCT系统。

9.一种成像方法，所述方法包括：

使用光学相干断层扫描OCT系统的干涉信号来确定光学系统与样品之间的当前工作距离；

为与所述光学系统耦合的定位器提供定位信息以将所述光学系统定位，从而由所述OCT系统确定的所述当前工作距离匹配所需的工作距离；

从一个或多个眼用系统获得信息，所述一个或多个眼用系统与所述样品通过所述光学系统耦合；

将来自所述OCT系统的信息和所述眼用系统的信息组合；以及

显示所述组合的信息。

10.权利要求9所述的方法，其中所述一个或多个眼用系统包括由以下各项组成的组中的至少一个：地形测量系统、角膜散光测量系统、眼底成像系统、波前系统、生物统计学系统和激光手术系统。

11.权利要求9所述的方法，其中使用至少一个分束器组合所述信息。

12.权利要求9所述的方法，所述方法还包括调节样品相对于所述系统中的至少一个的位置。

13.权利要求9所述的方法，所述方法还包括调节所述系统相对于样品的一个或多个相应位置。

14.权利要求9所述的方法，其中所述一个或多个眼用系统包括地形图成像仪。

15.权利要求14所述的方法，其中所述眼用系统包括placido锥。

16.权利要求9所述的方法，所述方法还包括基于当前工作距离调节所述样品与所述光学系统之间的工作距离，所述当前工作距离是使用所述OCT系统的干涉信号来确定的。

17.权利要求9所述的方法，其中所述OCT系统选自时域OCT系统、基于分光计的频域OCT系统和基于扫频源的频域OCT系统。