CN104545793A - 一种非接触式泪膜破裂时间测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触式泪膜破裂时间测量装置和方法，设有结构光投射单元、第一分光镜、中心定位单元、第二分光镜、对焦单元、成像单元、壳体、底座、三维运动台。结构光投射单元将一定模式的结构光图样投射于泪膜表面，由成像单元采集经泪膜表面调制的结构光图像，并通过上位机软件检测所采集图像中结构光图样是否发生畸变或断裂，进而判断泪膜变薄及破裂的情况。发明采用结构光检测的方法测量泪膜破裂时间，非接触的测量方式不会影响泪膜的稳定性，且装置可自动识别泪膜破裂时间测量的起点与终点，自动完成整个测量过程，使得测量结果客观准确。

Description

一种非接触式泪膜破裂时间测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种医用光学测量装置与测量方法，尤其涉及一种非接触式泪膜破裂时间测量装置和方法。

背景技术

正常的人眼表面被一层泪膜覆盖，稳定的泪膜能够维持眼表健康、保持眼表湿润、改善眼睛的屈光系统。泪膜是人眼的最外层屏障，是眼表免疫防御系统的重要组成部分，泪膜的不稳定将使泪膜屏障的完整性受到破坏,细菌毒素及抗原性物质容易直接与角膜上皮接触,导致角膜的免疫病理反应和损害。人眼通过瞬目动作将泪液涂覆于眼球表面形成泪膜，泪膜形成后开始蒸发，导致局部变薄，进而发生破裂。泪膜破裂时间是指泪膜从形成到产生破裂的时间间隔，如果泪膜破裂时间过短,则在两次瞬目动作之间无法保持泪膜完整性，泪膜对眼表的保护功能减弱,同时容易引起角膜组织的干燥,影响视觉的清晰度。泪膜破裂时间是评价泪膜稳定性的主要参数，测量泪膜破裂时间是干眼症诊断的主要方法，临床上具有重要意义。

目前，临床上通常采用荧光素钠染色的方法测量泪膜破裂时间，具体操作为：将患者头部置于裂隙灯头架上，在球结膜颞下方滴入一定量的荧光素钠溶液，并使用钴蓝光照射人眼，嘱患者眨眼数次，使荧光素钠均匀分布于角膜上，睁眼凝视前方不得再眨眼，检查医师从患者睁眼时起立即观察患者眼表并同时使用秒表开始计时，直到眼表出现第一个黑斑时停止计时(黑斑的出现标志着该处的泪膜发生破裂)，该段时间便为测量所得的泪膜破裂时间。该测量方法具有以下3方面不足：(1)荧光素钠注入泪膜后，影响了泪膜的稳定性，导致泪膜与自然状态下的泪膜性质不同，且滴入的荧光素钠的浓度或数量的不同会对泪膜稳定性造成不同程度的影响，使得测量结果的客观性较差；(2)测量过程中医师使用秒表计时，不同的医师测量得到的结果会略有不同，测量结果的一致性与重复性较差；(3)侵入式诊断易给被检查者带来不适感。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种非接触式泪膜破裂时间测量装置和方法，非接触的测量方式不会影响泪膜的稳定性，可有效降低被检查者的不适感，并且装置可自动完成整个测量过程，提高了测量结果的客观性与重复性。

本发明采用如下技术方案：

一种非接触式泪膜破裂时间测量装置，包括壳体(7)、底座(8)和三维运动台(9)，运动控制器和上位机，该三维运动台(9)设置于底座(8)上，该壳体(7)设置于三维运动台(9)上，该运动控制器与三维运动台(9)和上位机相连，其特征在于：该壳体(7)侧部设有检测窗，该底座(8)上设有腮托(81)以支撑被检测者头部；壳体(7)内设有结构光投射单元(1)、第一分光镜(2)、中心定位单元(3)、第二分光镜(4)、对焦单元(5)和成像单元(6)；该结构光投射单元(1)、第一分光镜(2)、第二分光镜(4)为沿水平方向依次间隔放置，且该第二分光镜(4)位于靠近检测窗的位置，该中心定位单元(3)位于第一分光镜(2)正上方，该对焦单元(5)位于第一分光镜(2)下方用于指示工作平面所在位置，该成像单元(6)位于第二分光镜(4)正上方；该结构光投射单元(1)包括依次设置的照明单元(11)、光束调制器(13)和投影物镜(14)，该照明单元(11)的出射光经光束调制器(13)调制成为结构光图样，经由投影物镜(14)将结构光图样投射至检测窗处的人眼泪膜表面；所述成像单元(6)包括上下依次设置的相机(61)和成像物镜(62)，该相机(61)对经泪膜调制的结构光图样进行采集，送至上位机检测结构光图样是否发生形变或断裂，进而判断泪膜变薄及破裂的情况。

优选的，所述中心定位单元(3)包括中心定位光源(31)、第一准直单元(32)，中心定位单元(3)所产生的中心定位光束(33)的中心与结构光投射单元(1)所产生的结构光图样的中心重合，且中心定位光束(33)经第一分光镜(2)反射进入人眼，用于指示结构光图样中心点位置。

优选的，所述投影物镜(14)的像平面与所述成像物镜(62)的物平面重合，该平面为所述工作平面。

优选的，所述对焦单元(5)包括对焦光源(51)、第二准直单元(52)和反射镜(53)；对焦光源(51)所发射的对焦光束(54)经第二准直单元(52)准直及反射镜(53)反射后，与中心定位光束(33)相交，交点所在的垂直面即为所述工作平面。

优选的，所述结构光投射单元(1)与成像单元(6)中分别设有第一偏振镜(12)和第二偏振镜(63)，且两偏振镜的偏振方向相同。

优选的，所述照明单元(11)、中心定位光源(31)、对焦光源(51)所发射光束的波长范围为780nm至1100nm之间。

优选的，所述照明单元(11)中设有照明光源(111)，所述照明光源(111)为冷光源。

优选的，所述照明单元(11)的出射光为窄带光。

一种非接触式泪膜破裂时间测量方法，其特征在于：基于上述任一一项所述的一种非接触式的泪膜破裂时间测量装置，中心定位单元(3)和对焦单元(5)可分别产生中心定位光束(33)和对焦光束(54)，包括如下步骤

1)测量前准备：被检查者将下巴支撑在腮托(81)上，打开照明光源(111)、中心定位单元(3)的光源、对焦单元(5)的光源，启动上位机，相机(61)开始连续采集图像；

2)自动对中及对焦：上位机分别检测人眼瞳孔的中心、中心定位光束(33)的中心、对焦光束(54)的中心，并根据三者位置控制三维运动台(9)移动，使得上述三个中心重合，且在整个测量过程中，始终保持三者重合；

3)眨眼检测：上位机检测到眨眼后，开始进行泪膜破裂时间的测量，并将最后一次眨眼完成的时刻设置为测量的起始时刻；

4)无效图像的鉴别与剔除：在图像连续采集过程中，将采集到的产生离焦模糊、运动模糊或结构光图样中心与人眼中心没对齐的图像剔除；

5)结构光图样的提取：将经泪膜调制的结构光图样与背景分离，提取结构光图样；

6)泪膜破裂时间的测量：通过检测结构光图样的形变与断裂情况，判断泪膜发生破裂的时间与位置，并计算出泪膜破裂的平均时间。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明采用结构光检测的方法测量泪膜破裂时间，非接触的测量方式不会改变泪膜周围的环境，不会影响泪膜的稳定性，使得测量结果客观准确。

2)本发明可自动识别泪膜破裂时间测量的起点与终点，且自动完成整个测量过程，测量结果的重复性好。

3)本发明测量过程无需往眼睛内滴加荧光素钠，降低了患者的不适感。

4)本发明可记录整个测量过程中泪膜发生破裂的所有位置及对应的时间，从而得到完整的泪膜破裂相关参数，包括：泪膜首次发生破裂的时间与位置、泪膜破裂的平均时间、泪膜破裂位置的分布规律。

附图说明

图1为本发明实施方式1的装置结构示意图；

图2为同心圆环结构光图样；

图3为经泪膜表面反射的同心圆环结构光图样；

图4为泪膜破裂过程示意图；

图5为同心圆环结构光图样的畸变；

图6为本发明测量方法的流程图；

图7为本发明实施方式2的装置结构示意图；

图8为网格结构光图样。

图中，1是结构光投射单元，11是照明单元，111是照明光源，112是扩束镜，113是漫反射板，114是滤光片，12是第一偏振镜，13是光束调制器，14是投影物镜；2是第一分光镜；3是中心定位单元，31是中心定位光源，32是第一准直单元，321是第一透镜，322是第一光阑，323是第二透镜，33是中心定位光束；4是第二分光镜；5是对焦单元，51是对焦光源，52是第二准直单元，521是第三透镜，522是第二光阑，523是第四透镜，53是反射镜，54是对焦光束；6是成像单元，61是相机，62是成像物镜，63是第二偏振镜；7是壳体；8是底座，81是腮托；9是三维运动台。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

实施例1

以下结合图1-6对本实施例进行说明。

如图1所示，本发明所述装置设有结构光投射单元1、第一分光镜2、中心定位单元3、第二分光镜4、对焦单元5、成像单元6、壳体7、底座8、三维运动台9、运动控制器和上位机。该三维运动台9设置于底座8上，该壳体7设置于三维运动台9上，该运动控制器与三维运动台9和上位机相连。该壳体7侧部设有检测窗，该底座8上设有腮托81以支撑被检测者头部。该结构光投射单元1、第一分光镜2、第二分光镜4为沿水平方向依次间隔放置，且该第二分光镜4位于靠近检测窗的位置，该中心定位单元1位于第一分光镜2正上方，该对焦单元5位于第一分光镜2下方用于指示工作平面所在位置，该成像单元6位于第二分光镜4正上方。

结构光投射单元1包括照明单元11、光束调制器13、投影物镜14，且在照明单元11与光束调制器13之间设有第一偏振镜12。照明单元11包括照明光源111、漫反射板113，滤光片114。照明光源111是中心波长为800nm的近红外LED阵列，照明光源111发出的光照经漫反射板113后变得均匀，滤光片114的中心波长为800nm，半带宽为10nm，出射光透过滤光片114后成为窄带光，窄带光可减小光学系统色差的影响，提高成像质量。采用中心波长为800nm的近红外LED作为照明光源有以下三个优点：(1)人眼对800nm的近红外光不敏感，可显著降低被检查者的不适感；(2)相机61在该波长具有较强的光电转换效率，可清晰成像；(3)LED为冷光源，发热小，对眼表周围环境温度的影响小，不会改变泪膜的稳定性。光束调制器13为印制有同心圆环的幻灯片，其中幻灯片为透明，幻灯片上印制的同心圆环图样不透光。照明单元11所发出窄带近红外光通过第一偏振镜12成为线偏振光，经光束调制器13调制成为具有同心圆环的结构光，再由投影物镜14将同心圆环结构光图样投射于人眼泪膜表面，同心圆环结构光图样如图2所示。

第一分光镜2为半透半反的分光镜，位于结构光投射单元1与中心定位单元3之间，用于连接结构光投射光路与中心定位光路。中心定位单元3用于指示结构光图样的中心与人眼瞳孔中心是否对准。中心定位单元3包括中心定位光源31、第一准直单元32。中心定位光源31为波长808nm的近红外激光器，第一准直单元32包括第一透镜321、第一光阑322、第二透镜323。第一透镜321的焦点与第二透镜323的焦点重合，在焦点重合处设有第一光阑322。第一透镜321的焦距大于第二透镜323的焦距，使得光束经过第一准直单元32后光束半径减小。中心定位光源31所发出的中心定位光束33沿第一准直单元32的光轴入射至第一分光镜2的中心，经第一分光镜2反射进入人眼，中心定位光束33的中心与结构光投射单元1所产生的结构光图样的中心重合，测量泪膜破裂时间的时候只需将中心定位光束33的中心与人眼瞳孔中心对齐，便可将结构光图样中心与人眼中心对齐。

第二分光镜4亦为半透半反的分光镜，位于第一分光镜2与成像单元6之间，用于连接结构光投射光路与成像光路。成像单元6用于采集经泪膜表面反射的结构光图样，采集所得的图像如图3所示。成像单元6包括相机61、成像物镜62、第二偏振镜63，相机61为黑白CCD工业相机，成像物镜62的物平面与投影物镜14的像平面重合，该平面为装置的工作平面。对焦单元5用于指示该工作平面所在的位置，对焦单元5包括：对焦光源51、第二准直单元52、反射镜53。对焦光源51为波长808nm的近红外激光器，第二准直单元52包括第三透镜521、第二光阑522、第四透镜523，且第三透镜521的焦距大于第四透镜523的焦距，对焦光源51所发出的对焦光束54经第二准直单元52后，光束半径减小，经反射镜53反射，与中心定位光束33相交于一点，该点位于装置的工作平面上。测量泪膜破裂时间的时候只需将两光束的交点对准被检查者瞳孔的中心，便可使得被检查者的眼睛位于工作平面上。此时，结构光图样可清晰地投射于泪膜表面，且结构光图样经泪膜表面反射后，由第二分光镜4反射进入成像物镜62，可清晰成像于相机61的图像传感器上。泪膜调制结构光图样的原理如下：泪膜形成后，局部区域将变薄随后产生破裂，从而导致泪膜局部厚度变化及不连续，如图4所示，从而使得投射至泪膜表面的结构光图样发生畸变及不连续，如图5所示，畸变的程度与泪膜厚度变化的程度成正比，不连续则说明泪膜发生破裂。因此从相机62采集得到的图像中，根据结构光图样的畸变及不连续，可判断泪膜发生变薄或破裂的情况。成像物镜62前设有第二偏振镜63，偏振方向与第一偏振镜12的偏振方向相同，可有效阻挡角膜表面的杂散光进入成像物镜62，提高成像质量。

结构光投射单元1、第一分光镜2、中心定位单元3、第二分光镜4、对焦单元5、成像单元6固定于壳体7内，壳体与三维运动台9固定，随三维运动台9运动。三维运动台9与运动控制器相连，受控于上位机。上位机软件可实时监测人眼瞳孔中心的位置，并控制三维运动台9的移动，使得整个测量过程中瞳孔的中心、中心定位光束33的中心、对焦光束54的中心始终保持重合。三维运动台9固定于底座8上，底座8上设有腮托81，腮托81用于支撑被检查者的头部，以减少测量过程中被检查者头部的移动。

实施例2

以下结合图7、图8对本实施例进行说明

如图7所示，本发明主要技术特征与实施例1相同，区别在于以下四个部分：照明单元11、光束调制器13、中心定位光源31、对焦光源51。在本实施例中，照明单元11包括照明光源111、扩束镜112，照明光源111为近红外激光器，发射波长为808nm，激光束由扩束镜112扩束后，经第一偏振镜12后成为线偏振光，为光束调制器13提供背景照明。光束调制器13为可编程空间光调制器，可通过编程控制每个液晶像素的液晶取向，从而控制光线是否能够透过该液晶像素单元。编程控制光束调制器13每个液晶像素单元的透光性，使得激光束经光束调制器13调制后生成网格结构光图样，如图8所示。投影物镜14将网格结构光图样投射至人眼泪膜表面，相机61采集经泪膜调制的网格结构光图样，通过上位机软件检测所采集的图像中网格是否发生畸变或断裂判断泪膜发生变薄及破裂的情况。对焦光源51与中心定位光源31均为波长800nm的近红外LED，经准直单元后平行出射。

本实施例的其余部分与实施例1相同。

基于本发明装置，还提出一种测量方法，步骤如下，测量流程如图6所示：

1)测量前准备：被检查者将下巴支撑在腮托81上，打开照明光源111、中心定位光源31、对焦光源51，启动上位机软件，相机61开始连续采集图像。

2)自动对中及对焦：软件分别检测人眼瞳孔的中心、中心定位光束33的中心、对焦光束54的中心，并根据三者位置控制三维运动台9移动，使得上述三个中心重合，且在整个测量过程中，始终保持三者重合。

3)眨眼检测：泪膜破裂时间的测量要求被检查者眨眼后，保持眼睛睁开状态，上位机软件检测到眨眼后，开始进行泪膜破裂时间的测量，并将最后一次眨眼完成的时刻设置为测量的起始时刻。

4)无效图像的鉴别与剔除：在图像连续采集过程中，被检查者的微小运动容易导致所采集的图像产生离焦模糊、运动模糊、或结构光图样中心与人眼中心没对齐，这三类图像可导致测量结果的不准确，将这三类图像剔除。

5)结构光图样的提取：将经泪膜调制的结构光图样与背景分离，提取结构光图样。

6)泪膜破裂时间的测量：通过检测结构光图样的形变与断裂情况，判断泪膜发生破裂的时间与位置，并计算出泪膜破裂的平均时间。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种非接触式泪膜破裂时间测量装置，包括壳体(7)、底座(8)和三维运动台(9)，运动控制器和上位机，该三维运动台(9)设置于底座(8)上，该壳体(7)设置于三维运动台(9)上，该运动控制器与三维运动台(9)和上位机相连，其特征在于：该壳体(7)侧部设有检测窗，该底座(8)上设有腮托(81)以支撑被检测者头部；壳体(7)内设有结构光投射单元(1)、第一分光镜(2)、中心定位单元(3)、第二分光镜(4)、对焦单元(5)和成像单元(6)；该结构光投射单元(1)、第一分光镜(2)、第二分光镜(4)为沿水平方向依次间隔放置，且该第二分光镜(4)位于靠近检测窗的位置，该中心定位单元(3)位于第一分光镜(2)正上方，该对焦单元(5)位于第一分光镜(2)下方用于指示工作平面所在位置，该成像单元(6)位于第二分光镜(4)正上方；该结构光投射单元(1)包括依次设置的照明单元(11)、光束调制器(13)和投影物镜(14)，该照明单元(11)的出射光经光束调制器(13)调制成为结构光图样，经由投影物镜(14)将结构光图样投射至检测窗处的人眼泪膜表面；所述成像单元(6)包括上下依次设置的相机(61)和成像物镜(62)，该相机(61)对经泪膜调制的结构光图样进行采集，送至上位机检测结构光图样是否发生形变或断裂，进而判断泪膜变薄及破裂的情况。

2.如权利要求1所述的一种非接触式泪膜破裂时间测量装置，其特征在于：所述中心定位单元(3)包括中心定位光源(31)、第一准直单元(32)，中心定位单元(3)所产生的中心定位光束(33)的中心与结构光投射单元(1)所产生的结构光图样的中心重合，且中心定位光束(33)经第一分光镜(2)反射进入人眼，用于指示结构光图样中心点位置。

3.如权利要求1所述的一种非接触式泪膜破裂时间测量装置，其特征在于:所述投影物镜(14)的像平面与所述成像物镜(62)的物平面重合，该平面为所述工作平面。

4.如权利要求2所述的一种非接触式泪膜破裂时间测量装置，其特征在于：所述对焦单元(5)包括对焦光源(51)、第二准直单元(52)和反射镜(53)；对焦光源(51)所发射的对焦光束(54)经第二准直单元(52)准直及反射镜(53)反射后，与中心定位光束(33)相交，交点所在的垂直面即为所述工作平面。

5.如权利要求1所述的一种非接触式泪膜破裂时间测量装置，其特征在于：所述结构光投射单元(1)与成像单元(6)中分别设有第一偏振镜(12)和第二偏振镜(63)，且两偏振镜的偏振方向相同。

6.如权利要求4所述的一种非接触式泪膜破裂时间测量装置，其特征在于：所述照明单元(11)、中心定位光源(31)、对焦光源(51)所发射光束的波长范围为780nm至1100nm之间。

7.如权利要求1所述的一种非接触式泪膜破裂时间测量装置，其特征在于：所述照明单元(11)中设有照明光源(111)，所述照明光源(111)为冷光源。

8.如权利要求1所述的一种非接触式泪膜破裂时间测量装置，其特征在于：所述照明单元(11)的出射光为窄带光。

9.一种非接触式泪膜破裂时间测量方法，其特征在于：基于上述任一一项所述的一种非接触式的泪膜破裂时间测量装置，中心定位单元(3)和对焦单元(5)可分别产生中心定位光束(33)和对焦光束(54)，包括如下步骤

1)测量前准备：被检查者将下巴支撑在腮托(81)上，打开照明光源(111)、中心定位单元(3)的光源、对焦单元(5)的光源，启动上位机，相机(61)开始连续采集图像；

2)自动对中及对焦：上位机分别检测人眼瞳孔的中心、中心定位光束(33)的中心、对焦光束(54)的中心，并根据三者位置控制三维运动台(9)移动，使得上述三个中心重合，且在整个测量过程中，始终保持三者重合；

3)眨眼检测：上位机检测到眨眼后，开始进行泪膜破裂时间的测量，并将最后一次眨眼完成的时刻设置为测量的起始时刻；

4)无效图像的鉴别与剔除：在图像连续采集过程中，将采集到的产生离焦模糊、运动模糊或结构光图样中心与人眼中心没对齐的图像剔除；

5)结构光图样的提取：将经泪膜调制的结构光图样与背景分离，提取结构光图样；

6)泪膜破裂时间的测量：通过检测结构光图样的形变与断裂情况，判断泪膜发生破裂的时间与位置，并计算出泪膜破裂的平均时间。3 -->