CN103501689B - 眼成像装置以及产生眼睛的图像的方法 - Google Patents

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Abstract

提出了用于扩展眼扫描装置的视野的系统和方法。眼扫描装置被设计成，使得在使扫描光学装置围绕眼睛旋转以在比仅由扫描光学装置实现的视野大的视野上获得成像数据的同时，将扫描光学装置的枢转点保持在瞳孔中的固定位置。可通过扫描光学装置围绕与扫描枢转点重合的旋转轴线的一次旋转运动，或者，可通过旋转运动与第二运动（旋转或平移）的组合，来实现该旋转，以将扫描枢转点保持在固定位置。描述了涉及光学相干断层扫描和激光扫描检眼镜检查的实施方式。

Description

眼成像装置以及产生眼睛的图像的方法
优先权
本申请要求2012年4月27日提交的美国临时申请序列号第61/479,799的优先权，其内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明的一个或多个实施方式涉及扫描眼成像系统的改进。特别地，本发明的实施方式包括用于增加视野并能够大范围自动扫描患者眼睛的系统和方法。考虑了涉及光学相干断层扫描(OCT，或光学相干层析成像)和激光扫描检眼镜检查(SLO)的这些实施方式。
背景技术
光学相干断层扫描(OCT)和激光扫描检眼镜检查(SLO)是已经开发用于医学成像的多个领域的横截面无创成像模式。在眼科学中，两者都已经用于使视网膜、脉络膜和眼睛的前段成像，并提供与眼睛状态相关的有价值的临床信息。因为患者将眼睛保持在固定位置中的时间是有限的，所以，需要在图像分辨率和扫描中覆盖的面积之间进行平衡。在过去，典型地，使用扫描模式的眼成像仪器已经通过扩展光学装置和光-机元件的尺寸(一种导致成本相当大的策略)，来放大视野。还已经尝试通过允许用户在后处理中同时拼接多张眼底图像，来扩展视野(例如，见纽约克利夫顿公园i2kRetinaTM，DualAlignTMLLC)。
发明内容
本发明的一个目的是，在眼扫描装置(OSD)中实现非常大的视野，从而实现高质量的宽视野成像，不需要使用昂贵的光学装置和机械装置，并且，具有高柔性。这可通过以下方式来实现：使仪器相对于眼睛移动，同时，以确保光学扫描枢转点和装置的旋转轴线或多条轴线保持与患者的瞳孔中心大约重合的方式收集一系列成像数据。两个枢转点(光学扫描枢转点和装置的旋转枢转点)与患者的瞳孔中心或瞳孔内的其他点的共同定位，允许在视网膜的大范围内(甚至一直到外围)进行OSD扫描，不需要变迹(apodization)和重新调焦。装置的旋转枢转点可沿着仪器的实际旋转轴线定位或者是经由仪器的平移和旋转调节的可控组合实现的虚拟枢转点。由于用独立的瞳孔成像装置(例如，虹膜照相机)来主动地控制共同定位，所以，可使成像过程自动化，以允许拼接OSD扫描，从而对视网膜的几乎无限制的长度或面积进行线扫描、面积扫描或体积扫描，并在光学上可接触的人视网膜上的任何位置进行扫描。
附图说明
图1示出了可在本发明的一些实施方式中使用的一般的光学相干断层扫描装置。
图2示出了使用本发明的方面实现的眼成像的视野。
图3示出了本发明的一个实施方式，其中，将旋转和平移运动组合，以将扫描枢转点保持在眼睛的瞳孔中。
图4示出了本发明的一个实施方式，其中，将两个旋转运动组合，以将扫描枢转点保持在眼睛的瞳孔中。
具体实施方式
这里描述的发明允许不使用特殊且昂贵的光学装置和光机结构或用户能改变的光学装置来对眼睛进行宽视野的光学扫描成像。本发明可用于任何类型的眼扫描装置(OSD)，该装置包括但不限于，光学相干断层扫描仪(OCT)、激光扫描检眼镜(SLO)成像系统或其组合。OSD能够产生1D、2D或3D成像数据，医生用该数据来观察并诊断眼睛中的各种病状。
傅里叶域OCT(FD-OCT)，有时叫做频域OCT，与时域OCT(TD-OCT)相比，近来由于其高的灵敏性和成像速度而受到关注，时域OCT以相对慢的成像速度使用光学延迟线进行机械的深度扫描。通过在检测臂中使用色散分光计(谱域OCT)，或通过快速扫描扫频激光源(扫频源OCT)，来实现FD-OCT中的光谱信息分辨。可将这里描述的发明应用于所有类型的OCT成像以及使用点扫描或行扫描的激光扫描成像，并包括OCT和SLO的组合。
在图1中示出了一种通用的可在本发明的一些实施方式中使用的光学相干断层扫描装置。光源101可以是具有短的时间相干长度的宽带光源，或扫频激光源。典型地，用光纤105发送来自光源101的光，以照亮样本110，典型的样本是人眼中的组织。典型地，用扫描仪107在光纤的输出和样本之间扫描光，使得在待成像的面积或体积上横向地(沿x和y)扫描光束(虚线108)。典型地，将从样本散射的光收集到用来发送光以照亮样本的相同的光纤105中。从相同的光源101产生的基准光在单独的路径上传播，在此情况中，包括光纤103和反向反射器104。本领域中的技术人员认识到，也可使用透射基准路径。将收集到的样本光与基准光结合，典型地，在光纤耦合器102中结合，以在检测器120中形成光干涉。将来自检测器的输出提供给处理器121。可将结果储存在处理器中，或显示在显示器122上。干涉光的傅里叶变换展现了不同路径长度下的散射强度轮廓，并由此展现了根据样本中的深度(z方向)的散射(例如，见Leitgeb等人的“UltrahighresolutionFourierdomainopticalcoherencetomography(超高分辨率傅里叶域光学相干断层扫描)”，OpticalExpress(光学快讯)，12(10):21562004)。根据深度的散射轮廓叫做轴向扫描(A扫描)。一组在样本中的相邻位置测量的A扫描产生样本的横截面图像(断层成像图(tomogram)或B扫描)。收集的B扫描组成数据立方或立方扫描。
在美国专利公开号2007/0291277中详细地描述了一种SD-OCT系统，其通过引用结合于此。在此系统中，虹膜观察器提供眼睛的瞳孔的图像，主要用其将患者的眼睛与装置的光轴对准。这是一种实现瞳孔位置检测的方式，瞳孔位置检测是本发明的几个实施方式的一个方面。
本发明描述了一种OSD，使得装置的扫描枢转点落在患者瞳孔的中心或其附近。这种装置可以是远心的。可将装置的扫描枢转点与装置的每条实际的或虚拟的旋转轴线(典型地，是水平的和/或竖直的)预先对准。然后，可移动每条实际的或虚拟的旋转轴线，以在患者的瞳孔中提供枢转点。这样，在收集覆盖宽视野的成像数据时，可在任一方向或多个方向上(例如，针对水平方向旋转，针对垂直方向倾斜)，手动地或自动地移动该装置，而患者不必移动。可通过将该装置附接至弯曲轨道，来实现一种类型的虚拟旋转轴线，在弯曲轨道处，瞳孔位于曲率半径的中心。还可通过围绕与位于瞳孔中的轴线不共线的轴线的角运动，来实现虚拟旋转轴线，但是，当与平移或额外的旋转轴线结合时，可提供共线效果。
使用虚拟旋转轴线具有几个优点。首先，难以提供位于眼睛内的枢转点。例如，通过瞳孔中的枢转点的水平轴线将必须位于患者的太阳穴旁边，并且，通过瞳孔中的枢转点的竖直轴线将必须位于下巴的下方-两个位置都会侵扰患者的舒适区域。第二，此技术允许这样移动枢转点，使得可将其集中在瞳孔的中心，或在瞳孔内的任何地方偏移；这对于避免典型地由白内障导致的浑浊来说是有用的。此技术的一个缺点是，必须使角运动和平移运动结合。然而，如果用电机驱动器来提供运动，那么可开发一种算法来结合电机的运动，使得该运动看起来将是位于瞳孔处的旋转/倾斜的运动。目前，在眼诊断设备市场中，目前，仅可通过非常昂贵且专业的OSD，来获得用OCT扫描覆盖视网膜上非常大的面积的能力。
在本发明的一个实施方式中，OSD包括如图2所示构造的样本扫描臂。扫描臂(也叫做光学头)至少包括用于将光引导并扫描到样本上的光学和光-机部件。可将这些部件容纳在和OSD的其他部件(源、处理器、显示器、驱动器，等等)相同的外壳中，或者，可将其单独容纳，并经由光纤205与其他部件连接。光学头包括光学扫描元件，典型地是检流计，用于在覆盖眼睛201的视网膜206上的一定视野(典型地，覆盖40度等级的视野)的x和y方向上扫描光束。用额外的透镜203和207来控制光的焦点性质。在视网膜的OCT成像中，典型地，使光在视网膜内聚焦。
在此实施方式中，将光学头安装在仪器底座上，该光学头包括患者支撑部或头枕(未示出)。该底座可以是裂隙灯底座。该头枕可以是能够调节的，并能够沿着三条正交的轴线移动患者。如在美国专利7,401,921中描述地，使此运动机动化，该专利通过引用结合于此。可选地，可调节该仪器，以将其相对于患者定位在多条轴线上(即，使用三轴运动台)。仪器底座允许独立于患者的定位来定位光学头，使得眼睛201相对于仪器的光学头保持固定。在此实施方式中，该仪器自己的底座旋转枢转点位于患者瞳孔202的中心，使得，当仪器围绕瞳孔在位置A，B和C之间旋转时，光束继续通过瞳孔中的固定位置，在此情况中，是瞳孔的中心，并在眼睛201的视网膜206上到达较宽范围的位置(覆盖大于80度)。可在光学扫描元件的视野上以多个瞳孔进口角度扫描该光学扫描元件，并且，可检测产生的反射光，并将多个瞳孔进口角度的反射光组合到一张图像中。该一张图像可达到大于140度的总视野。
在此情况中，该图仅示出了一条旋转轴线，沿着水平方向运动或旋转。该系统是旋转对称的，使得，对于竖直(翻转/倾斜)方向是同样的，表现为进入和离开纸的平面。水平和竖直是仪器将围绕其旋转的典型方向，但实际上，这里描述的发明将同样地应用于仪器在任何方向上的旋转。
在一个优选实施方式中，为仪器增加瞳孔位置检测器(即，虹膜照相机210)，以检验光束相对于瞳孔的位置。如在美国专利公开号2007/0291277中描述的虹膜照相机包括，将具有700nm的波长的LED定位在眼镜片203附近。使用各种光学装置(典型地，是透镜和分束器)将背面反射的光引导至CMOS照相机。本领域的技术人员可想到其他结构。可将虹膜照相机提供的图像提供给用户，以在仪器的扫描和旋转过程中，检验光束相对于瞳孔的对准，或者，优选地，可由处理器分析，以确保，当光学头旋转时，保持光束位置和扫描枢转点。另外，可努力地使用内部和/或外部固定目标，以在宽视野成像的过程中控制患者的注视(fixation)。当系统旋转时，可能必须从内部固定目标转变至外部固定目标。可能希望将外部固定目标刚性地安装至光学头。虽然此实施方式的设计包括与眼睛的瞳孔成一直线的机械枢转点，但是，也可用弯曲轨道来实现光学头的旋转，在弯曲轨道处，这样设计曲率半径，使得，在旋转过程中，将扫描枢转点保持在瞳孔中。
在本发明的另一实施方式中，通过上述虚拟枢转点的优点，可通过单独的运动使OSD的光学头以旋转和倾斜的方式移动，独立地控制这些单独的运动，以实现图1所示的相同的旋转调节。典型地，使光学扫描枢转点和装置的虚拟枢转点预先对准，以重合。除了旋转和/或平移调节以外，OSD包括瞳孔位置检测装置(例如，虹膜观察器)，可选地，包括在扫描操作过程中用于患者聚焦的内部和/或外部固定目标。通过将光学头的旋转与平移运动组合，在由两个或多个结合(coulple，耦合)或不结合的运动产生的虚拟旋转轴线周围执行旋转运动，如上所述，枢转点位于眼睛的瞳孔中。如将在下面详细描述的，该平移运动可以是直线的或可以是弧形。在直线平移的情况中，虚拟旋转轴线将由旋转和直线移动组成，在弧形的情况中，虚拟旋转轴线将由与第二旋转结合的旋转组成。
图3示出了用旋转和平移运动的组合实现OSD的旋转的情况。这里，光学头302的旋转轴线301位于最靠近患者的眼睛201的光学头的末端。旋转轴线可以在水平方向上、竖直方向上、或希望的任意方向上。围绕此轴线的纯旋转将导致光束进入位置相对于瞳孔202移动。这里，当在位置A，B和C之间调节瞳孔进入角度，以收集眼睛的宽视野图像时，用由箭头305表示的平移运动来保持所需的瞳孔进入位置和扫描枢转点。该图示出了光学头在旋转和平移运动之后的最终位置。可用结合的机械机构(包括经由电子设备结合的电机)来实现两个平移运动。
图4示出了通过结合两个旋转运动来实现OSD的旋转的情况。与图3类似，光学头302的旋转轴线301位于光学头的最靠近眼睛201的端部。而且，可使旋转轴线在任何任意方向上定向，在一个优选实施方式中，仪器头部沿着轴线的水平和竖直旋转、以及纯旋转将导致装置的扫描枢转点远离瞳孔中的设定位置移动。在此实施方式中，对该装置建立第二旋转轴线303。此轴线是固定的，并且，不会随着第一轴线的旋转而移动，从而光学头沿着第一轴线旋转，出现组合旋转，以产生弧形运动，从而将扫描枢转点保持在瞳孔中。黑线304示出了对于三个不同的瞳孔进入位置A，B和C两条轴线之间的联系。该图示出了光学头在两个旋转运动之后的最终位置。
典型地，这些运动将由预定图案组成，该图案允许在保持仪器的扫描枢转点和患者瞳孔之间的共同定位的同时，扫描大面积的视网膜，接着，移动患者瞳孔，以通过移动固定目标而提供更大面积的视网膜。可规划特定设计的运动，并使用“查找表”引用处理器中的运动，在“查找表”中，将所需要的特殊旋转和平移运动制成表格或计算，以获得特定的瞳孔进入角度。
虽然预定图案确保接近共同定位，但是，如上所述，可经由瞳孔成像装置来控制并实现精确的共同定位。与扫描枢转点和眼睛瞳孔中心的精确的共同定位相反，可能希望与此位置稍微偏离，例如，由于眼睛中的白内障的原因(如在2012年4月23日提交的美国专利申请序列号第13/453,856中描述的)。这种优化的瞳孔定位的一个实现方式包括，在获取数据的同时，使扫描枢转点在共同定位的点附近移动。此在瞳孔内的精确定位也可能遵循预定图案，该数据提供瞳孔内最佳位置的指示，以进行扫描。可通过来自瞳孔成像装置的反馈，来手动地或自动地控制精确定位，以确保扫描枢转点位于预定附近位置。可基于图像质量的一些测量结果(例如，信号强度)，发现最佳位置。
所有用于定位OSD的光学头的预定运动，不管是提供倾斜/旋转的运动，还是找寻待扫描的瞳孔的最佳区域的精细运动，都可基于平均值以及患者特定数据(例如，在之前检查的过程中获得的)。该运动控制可以是完全自动的，或者，可以是手动的，或自动和手动控制的组合(即，使用控制杆)。
虽然这里已经详细地示出并描述了包含本发明的教导的各种实施方式，但是，本领域中的技术人员容易设计出仍包含这些教导的许多其他各种各样的实施方式。
以下参考文献通过引用结合于此：
Baker等人的美国专利7,401,921，“Motorizedpatientsupportforeyeexaminationortreatment(用于视力检查或治疗的机动患者支撑部)”
2012年4月23日提交的Iyer等人的美国专利申请序列号13/453,856，“Systemsandmethodsforimprovedophthalmicimaging(用于改进的眼成像的系统和方法)”
Everett等人的美国专利公开号2007/0291277，“Spectraldomainopticalcoherencetomographysystem(谱域光学相干断层扫描系统)”
Srinivasan等人的美国专利号7,884,945，“Methodsandapparatusforopticalcoherencetomographyscanning(用于光学相干断层扫描的方法和设备)”
Steinmetz等人的美国专利公开号5,847,807，“Arrangementfortiltablyjournalinganophthalmologictreatmentand/orexaminingapparatus(用于可倾斜地支撑眼治疗和/或检查设备的装置)”
Sekine等人的美国专利公开号4,933,756，“Eyefunduscamera(眼底照相机)”
Leitgeb等人的“UltrahighresolutionFourierdomainopticalcoherencetomography(超高分辨率傅里叶域光学相干断层扫描)”，OpticsExpress(光学快讯)，12(10):21562004。

Claims (26)

1.眼成像装置，包括：
光源，用于产生辐射光束；
光学头，包括光学装置和光机部件，所述光学头用于在眼睛内的横向位置范围内围绕与瞳孔中的位置重合的枢转点扫描光束，所述光学头相对于眼睛能移动，因此光束以多个不同的进入角度射入瞳孔以改变扫描的视野；
检测器，用于测量从眼睛反射的辐射，并产生响应于所述辐射的信号；
处理器，用于将所述信号转换成图像信息；以及
驱动器，在所述处理器的控制下，在扫描枢转点与所述瞳孔中的所述位置保持重合时，所述驱动器移动所述光学头以改变所述进入角度，所述处理器收集多个所述进入角度的每个进入角度下的信号，并结合所述处理器收集的信号以产生图像。
2.根据权利要求1所述的眼成像装置，其中，所述光学头围绕旋转轴线能移动，并且，其中，所述旋转轴线布置为与所述枢转点重合，其中，围绕所述枢转点扫描所述光束。
3.根据权利要求1所述的眼成像装置，其中，所述光学头围绕旋转轴线能移动，并且，其中，所述旋转轴线与所述枢转点间隔开，围绕所述枢转点扫描光束，并且，其中，所述驱动器进一步调节所述光学头的位置，以确保在多个所述进入角度的每个进入角度下保持扫描枢转点与所述瞳孔中的所述位置重合。
4.根据权利要求3所述的眼成像装置，其中，所述光学头的进一步调节包括所述光学头的一个或多个平移运动。
5.根据权利要求4所述的眼成像装置，其中，所述多个平移运动中的一个平移运动沿着与所述光束的传播轴线垂直的方向。
6.根据权利要求3所述的眼成像装置，其中，所述光学头的进一步调节包括所述光学头围绕第二旋转轴线的旋转运动。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的眼成像装置，进一步包括被所述处理器使用的瞳孔位置检测器，来保持所述光束在多个所述进入角度的每个进入角度下在所述瞳孔中的所述位置上的对准。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的眼成像装置，其中，所述光学头在水平方向上能移动。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的眼成像装置，其中，所述光学头在水平方向和竖直方向上能移动。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的眼成像装置，进一步包括一个或多个固定目标。
11.根据权利要求10所述的眼成像装置，其中，所述光学头安装在壳体内，并且，从所述壳体内对患者显示所述固定目标。
12.根据权利要求10所述的眼成像装置，其中，将所述光学头安装在壳体内，并将所述固定目标附接至所述壳体。
13.根据权利要求1所述的眼成像装置，其中，所述瞳孔中的所述位置是所述瞳孔的中心。
14.根据权利要求1所述的眼成像装置，其中，所述图像的总视野大于140度。
15.根据权利要求1所述的眼成像装置，其中，所述眼成像装置是激光扫描检眼镜。
16.根据权利要求1所述的眼成像装置，进一步包括用于将光束分成信号路径和基准路径的分束器，并且，其中，所述检测器测量从样本反射的光和基准臂之间的干涉。
17.一种产生眼睛的图像的方法，包括以下步骤：
步骤a:在眼睛内的横向位置范围内围绕与瞳孔中的位置重合的枢转点扫描辐射光束，其中，用扫描光学装置扫描光束；并且其中所述扫描光学装置位于光学头内，所述光学头具有旋转轴线，并且其中所述旋转轴线与扫描枢转点间隔开，
步骤b:检测从所述眼睛内的多个横向位置反射的辐射，并产生响应于所述辐射的信号；
步骤c:以保持扫描枢转点重合在所述瞳孔中的所述位置处的方式调节所述光学头的位置来改变所述光束的进入角度，其中所述光学头的位置调节包括围绕旋转轴线旋转所述光学头；
步骤d:重复步骤a和步骤b；以及
步骤e：使用在多个扫描光学位置下获得的信号来产生图像。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述光学头的位置调节进一步包括围绕第二旋转轴线的旋转运动。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述光学头的位置调节进一步包括一个或多个平移运动。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述图像是OCT图像。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，所述图像是SLO图像。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤f：监测所述瞳孔的所述位置，以便于在每个所述扫描光学位置处使所述光束与所述瞳孔对准。
23.根据权利要求17所述的方法，其中，通过仪器自动地执行所述步骤a至所述步骤e。
24.根据权利要求17所述的方法，其中，在水平方向上调节所述扫描光学装置的位置。
25.根据权利要求17所述的方法，其中，在水平方向和竖直方向上调节所述扫描光学装置的位置。
26.根据权利要求17所述的方法，其中，重复所述步骤a至所述步骤e，以获得具有大于140度的视野的图像。
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