CN104837399A - 角膜基质绘测 - Google Patents

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CN104837399A CN201380053383.2A CN201380053383A CN104837399A CN 104837399 A CN104837399 A CN 104837399A CN 201380053383 A CN201380053383 A CN 201380053383A CN 104837399 A CN104837399 A CN 104837399A
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Abstract

给出了一种测量方法。根据本发明的一些实施例的测量方法包括：通过第一成像方法获得第一测量结果；通过第二成像方法获得第二测量结果；对第一测量结果和第二测量结果进行组合，以获得眼睛结构的结构信息和图像表示；根据结构信息来计算至少一个形状参数；以及显示眼睛结构的图像表示。

Description

角膜基质绘测
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2012年8月15日递交的美国临时申请No.61/683,654和于2013年3月15日递交的美国非临时申请No.13/836,258的优先权，将其全部公开内容一并在此用作参考。
技术领域
本发明的实施例大体上涉及光学相干断层扫描领域及其应用。具体地，本发明的实施例大体上涉及用于测量角膜的几何属性的方法和系统。
背景技术
角膜以及相关联的泪膜是眼睛的主要屈光元素，并且角膜的形状对于视力来讲尤其重要。角膜的形状通常受到扩张(ectactic)疾病(比如圆锥形角膜)以及屈光或其它外科手术的影响。
通常，使用普拉西多环成像原理来测量角膜的前表面的形状。图1A和图1B示出了使用普拉西多环成像原理进行地形成像的示例。如本领域所熟知，共心环120投影到眼睛100的前角膜表面110上，该前角膜表面110是凸形反射表面。这些反射环120的虚像的尺寸变化可以用于得到前角膜表面的形状和屈光力，比如使用来自如图1B所示的反射环位置的信息得到的角膜曲率150的轴向图。存在多种使用普拉西多环成像原理的商用的角膜地形测量设备。在这些设备中，通常显示表示所得到的前角膜表面的若干地形图，比如轴向/径向力(power)或曲率半径、切向/瞬时力或曲率半径、和相对于参考表面的高度。虽然这些地形图通常被假定为表示前角膜表面的形状，但事实上，这些地形图测量角膜泪膜(其是眼睛的前表面的第一和主反射表面)的形状。因此，使用普拉西多环成像原理的地形图在泪膜较差或不规则的情况中可能被破坏，特别是在与干眼状况相关联的情况中尤其如此。
图2是示出了角膜解剖的图。外角膜上皮210(或前角膜)(其限定角膜200的最外层)是动态组织，其可在发生发生角膜扩张疾病的情况下或在屈光手术之后对角膜表面进行重塑。外角膜上皮210的厚度的改变可以掩盖基本形状的改变，比如角膜基质220的曲率(其在评估角膜扩张疾病和角膜屈光外科手术中很重要)。内角膜内皮230限定角膜200的最内层。在外角膜上皮210和角膜基质220之间是鲍曼氏膜或基质上皮交界面215，而在角膜基质220和内角膜内皮230之间则是德斯密氏膜225。例如，对扩张角膜基质的上皮打薄可能妨碍顿挫型圆锥形角膜或在屈光外科手术筛选中重要的其它早期扩张疾病的检测。
图3是示出了角膜的上皮重塑的效果的示例示意图。在图3的角膜300中，角膜基质320由于某种扩张疾病在形变350处发生变形。然而，由于对角膜上皮310的动态重塑，前角膜表面340仍然相对光滑和均匀。在这些情况中，通过传统的普拉西多地形测量进行的只是对前角膜表面340的形状的测量可能不会揭示角膜基质的微小形状改变，比如图3中所示的受损角膜基质320，这是由于这些改变可能被角膜上皮310的厚度中的补偿性改变所掩盖。另一方面，普拉西多地形测量的优势在于其对于角膜曲率的小改变的高敏感度，这是由于角膜高度的小改变通常转换为环位置的较大可测量改变。
上皮重塑可能在角膜激光屈光手术之后引起屈光回退。此外，屈光回退可能由角膜基质形状的改变引起，这可以指示角膜的结构缺陷。使用传统普拉西多环原理对前角膜表面的测量可能不能对这些不同的回退原因进行区分，而这些回退原因在评估角膜扩张疾病和角膜屈光外科手术中是重要的。
一种得到与角膜基质的形状有关的附加信息的方法是对后角膜表面的形状进行测量，这是因为与上述角膜上皮层的动态重塑本质不同的是，角膜内皮厚度基本保持恒定。多种可商用的临床仪器尝试测量后角膜表面的形状(比如曲率)。Orbscan(纽约州Rochester的博士伦公司)使用普拉西多环来测量前角膜表面，并使用扫描狭缝光束来确定角膜厚度。两种测量都用来得到后角膜地形。Pentacam(华盛顿州Arlington的Oculus公司)采用向普鲁摄影术原理来测量角膜的前表面和后表面。Galilei(伊利诺伊州的Alton的Zeimer公司)使用普拉西多环成像和向普鲁摄影术两者的组合来生成前角膜表面和后角膜表面的地形图。然而，所有这些仪器的空间分辨率都不足以准确地测量各个组织层(比如角膜上皮、角膜基质和基质-上皮交界面)的形状和厚度。
高分辨率截面成像技术(比如光学相干断层扫描(OCT)和高频超声)已被用来测量角膜上皮厚度。角膜上皮厚度可使用商业测量仪器(例如，RTVue(加州Fremont的Optovue))中的可用计算机算法从OCT图像中直接测量。提出通过使用角膜上皮厚度的OCT测量来引导激光角膜外科手术的一些方法。一些其它方法公开了使用OCT、超声或向普鲁摄影来在激光上皮切除之前绘制角膜上皮厚度。还提出了使用高频超声来测量角膜组织(包括上皮和基质)厚度的装置。然而，采用与临床医生在常规临床实践中惯于使用的方式类似的方式来使用轴向/径向力或曲率半径、切向/瞬时力或曲率半径、平均曲率、高度和相对于参考表面的高度对角膜基质/上皮交界面的形状(比如曲率)的临床有用的测量和数据表示和显示是不可用的。
因此，需要用来获得角膜基质的测量结果的方法和装置，具体地，需要用来得到前基质/上皮交界面的形状并通过与前角膜空气/泪膜交界面的常规绘测相似的方式使用地形图来显示它们的方法和装置。
发明内容
给出了一种测量方法。根据本发明的一些实施例的测量方法包括：根据第一成像方法获得第一测量结果；根据第二成像方法获得第二测量结果；对第一测量结果和第二测量结果进行组合，以获得眼睛结构的结构信息和图像表示；根据结构信息来计算至少一个形状参数；以及显示眼睛结构的图像表示。
下面参照以下附图对这些及其它实施例进行进一步讨论。
附图说明
图1A和图1B示出了使用普拉西多环成像原理创建的示例性地形图像；
图2是示出了角膜解剖的示意图；
图3是示出了角膜的上皮重塑的效果的示例性示意图；
图4示出了说明根据本发明的一些实施例的方法的框图；
图5示出了根据一些实施例的使用光学相干断层扫描获得的角膜上皮厚度的示例性地形图；
图6示出了一些实施例中的根据光学相干断层扫描测量结果直接获得的前角膜基质交界面的示例性地形图；
图7是示出了角膜的曲率半径与相对于角膜顶点轴的高度和径向距离之间的关系的示意图；
图8示出了一些实施例中的基质角膜曲率的示例地形图；
图9示出了根据本发明的一些实施例的图像处理系统。
具体实施方式
下文参照附图描述本发明的各个实施例。应该理解的是，在这里为了解释而对附图进行了简化，并且在本领域中常规的一些元件可以被省略。
角膜地形测量是用来测量前角膜表面的形状的重要临床工具，并且用于角膜扩张疾病的诊断以及角膜屈光外科手术的术前和术后评估。角膜基质的形状改变可能被角膜上皮的重塑所掩盖，并且可能不能使用常规的临床角膜地形测量方法观测。
根据一些实施例，公开了用于测量前角膜基质交界面的形状、以地形图或三维表示的形式显示形状以及计算参数(比如轴向或径向力或曲率半径、切向或瞬时力或曲率半径、平均曲率、高度、相对于参考表面的高度以及针对扩张疾病的筛选参数(比如KISA百分比指标、表面不对称指标等))的方法。
图9示出了根据本发明的一些实施例的图像处理器900。如图9所示，两个成像器904和906与耦合器902相耦合，以获得眼睛100的图像。成像器904和906可以包括例如对照(placebo)成像器、超声成像器、向普鲁照相成像器或OCT成像器。在大多数实施例中，成像器904和906是使用不同成像技术的两个成像器。成像器904和成像器906与处理器908耦合。处理器908可以是任意处理器，例如具有一个或多个处理器和内部存储器的计算机系统。处理器908可对由成像器904和906接收的图像进行操控和存储并且可以控制成像器904和906的操作。在一些实施例中，处理器908还可以耦合到显示器914、用户输入设备912和外部数据存储器910。
在一些实施例中，成像器904可以是对照环成像器，成像器906可以是OCT成像器。图4示出了说明根据本发明的一些实施例的获得角膜基质绘测的方法的框图。所述方法可在处理器908上执行并且可将结果显示在显示器914上。根据图4，第一步是使用普拉西多环成像原理创建普拉西多环图像410。然后，下一步骤420是生成一个或多个角膜前表面高度图。同时，或在时间上实质上很接近时，在步骤430中获得一个或多个OCT图像。然后，在步骤440中，使用来自步骤430的OCT图像，生成上皮厚度图。在下一步骤450中，然后可以从来自步骤420的表面高度信息中减去上皮厚度信息。然后，在步骤460中，可以生成基质高度图。此外，然后可以计算一个或多个基质图和基质参数，以用于进一步的分析和评估(如步骤470中所述)。备选地，根据图4，可以通过直接生成方法436，只是通过使用步骤430中的OCT图像来直接生成步骤460中的基质高度图。下文中进一步描述图4中的实施例的细节。
备选的直接方法
在一些实施例中，可以根据通过截面成像技术(比如光学相干断层扫描(OCT)、高分辨率超声或向普鲁摄影)检测到的特征直接确定角膜上皮210和角膜基质220之间的交界面的形状(比如曲率)。该步骤由路径436示出，该路径436将步骤430中生成的OCT图像直接送至评估步骤460。正常的角膜上皮210的厚度约为50-70微米。因此，高分辨率成像技术可用来准确地描述上皮210和基质220之间的边界，该边界由鲍曼氏膜/基质-上皮交界面215限定。OCT理想地适于该目的，这是因为其提供的分辨率比超声所提供的更高(由于使用了更小的光波长)。具有5微米的纵向分辨率的可商用的傅里叶域OCT系统可以准确地区分来自鲍曼氏膜215的前表面和后表面的反射。然后，可以通过在所获取的截面图像上使用各个图像处理算法来确定该交界面/鲍曼氏膜215的位置。
图5示出了直接使用OCT成像方法(如路径436)的角膜上皮厚度图的示例性地形图500。所述地形图500是使用公知的图像处理技术(比如图像分段和数据内插)从仅仅多个OCT图像直接构造的。图6是通过从步骤430中的OCT图像测量上皮-基质交界面215直接获得的步骤470中的基质角膜曲率的示例性地形图600。
在本发明的一些实施例中，可采用对于熟悉解释前角膜表面的标准的基于普拉西多的地形的临床医生来讲直观的方式，将角膜基质-上皮交界面215的形状(比如曲率半径)显示为三维或地形图。如步骤470中所示，步骤460中的这些地形图可以提供诸如以下参数：轴向/径向力或曲率半径、切向/瞬时力或曲率半径、平均曲率、高度和相对于参考表面(比如最佳拟合球面或最佳拟合复曲面椭球)的高度，这些参数对于评估角膜扩张疾病和角膜屈光外科手术相当重要，如图4中的步骤470中指示的。
在本领域中公知的是，在图像获取期间主动和无意的患者运动都有可能引起运动假象。当在步骤436中仅使用OCT(尤其是在轴向)直接测量来自鲍曼氏膜215的反射时，相同的患者运动可能引起运动假象。
可以通过将测量角膜力F或曲率半径r与角膜高度相关联的等式来确定角膜交界面的曲率测量结果对于轴运动的灵敏度。在眼科实践中，曲率半径r通常转换为以屈光度(D)为单位表示的力，其中力F由F＝(n-1)/r给出，其中n是角膜散光测量指标，其通常为1.3375。角膜的平均曲率半径大约为r＝7.6mm，产生的平均角膜力为F＝44.4D。可商用的基于普拉西多的地形测量系统能够在大约+/-0.25D之内测量角膜曲率半径，从而可以将曲率半径精确到大约Δr＝-ΔF·(n-1)/F2＝43微米之内。如果假定角膜的曲率半径几乎恒定，则角膜表面的角膜高度h从角膜顶点到角膜上的外围位置大约变化h≈x2/(2r)，其中x表示从角膜顶点到外围位置的径向距离。图7示出了曲率半径r、角膜高度h和距角膜700的角膜顶点710的径向距离x之间的关系。为了将角膜曲率半径r确定到43um之内(即Δr＝43um)，角膜高度h可以被测量到Δh＝-Δr·x2/(2r2)之内。针对临床可接受的力精确度0.25D，在与具有曲率半径r＝7.6mm的角膜700的中心/顶点710相距x＝1mm处，高度h需要在0.37微米之内；在x＝3mm处，高度需要在3.3um之内；在与中心710相距x＝0.5mm处，高度精确度将小于约0.1微米。因此，任何角膜交界面层的曲率的精确绝对测量结果可能被小于1微米的患者或眼睛运动轻易地影响(尤其是在轴向)。
由于患者和眼睛移动对测量准确度的影响，可商用的OCT仪器如图5所示只报告角膜上皮厚度，而不报告角膜基质曲率或形状(如下面的图8所示)。上皮厚度的测量结果对患者或眼睛在轴向的运动并不那么敏感，这是因为这种运动将同时移动前上皮边界和后上皮边界。备选地，可以在受到患者和眼睛运动的有限影响的情况下快速地获得单独测量，然后可以从在不同位置处获得的单独厚度测量的序列构建上皮厚度的相对准确的图。
使用多种成像模式的方法
根据一些实施例，为了减少患者和眼睛运动的上述影响，可以使用来自一个或多个成像模式的信息来确定角膜上皮-基质交界面215的形状或曲率。如图4中所述，可以在步骤410中执行普拉西多图像，以在步骤420中获得角膜前表面的形状。同时，可以在步骤430中执行OCT图像，以在步骤440中获得上皮厚度图。在步骤450中，可以从角膜前表面图中减去上皮厚度图，以在步骤460中生成基质高度图。然后，在步骤470中可以确定临床有用的信息和医疗工作者常用的信息，比如角膜上皮-基质交界面215的形状。
按照图4中所述的这一方式来确定上皮-基质交界面215的位置对于轴向运动假象不那么敏感。用来限定前角膜210的形状的普拉西多图像是通过对来自空气/泪膜交界面的普拉西多环的反射的几乎瞬时的截屏来快速获得的；因此，测量结果不太受小的轴向运动的影响。此外，轴向运动对使用如上所述的OCT方法获得的上皮厚度测量的影响极小，这是因为响应于轴向移动，前上皮边界和后上皮边界同时移动。因此，在步骤450中将来自步骤420的普拉西多前高度与来自步骤440的对上皮厚度的OCT测量进行组合以产生对角膜基质-上皮交界面215的测量结果以及其它临床有用的信息(比如图像图和参数)与直接测量(比如，在只使用OCT测量的图4中的路径436所示)相比对运动假象更为不敏感。使用来自多种模式的信息是有利的。
如图4所述，使用OCT作为获得测量(比如上皮厚度测量)的模式对于超声和向普鲁摄影都是有利的。与OCT或普拉西多成像不同，超声成像需要成像探头或针对眼睛的流体耦合之间的接触。因此，超声成像不能与普拉西多成像同时进行。向普鲁成像和普拉西多成像可以同时进行；然而，与OCT不同的是，向普鲁成像缺乏准确且持续地识别角膜基质220和上皮210之间的边界所需的高纵向分辨率。图8示出了根据本发明的一些实施例的通过使用普拉西多环成像原理测量前角膜表面和通过光学相干断层扫描测量上皮厚度测量结果获得的基质角膜曲率的示例性地形图。
基于前角膜210(外角膜上皮)的形状的多个参数已经用来加强利用普拉西多地形测量筛选角膜扩张疾病(比如圆锥形角膜)。这些参数通常并入了对前角膜表面210的曲率半径或力的局部或地理测量。由于所述参数最初用于普拉西多成像，所以它们通常是根据基于预定义环数的测量计算得到的。因此，根据投影环的尺寸和数量，执行计算的细节可能在基于普拉西多的仪器之间有所不同。在一些实施例中，当如步骤470所述生成信息时，可以通过根据角膜上的地理位置(而不是环数)定义参数来独立于普拉西多环尺寸作出计算。
常用的关键角膜形状参数(其全部取决于在不同的地理位置处对前角膜210的形状的屈光力测量)包括以下各项：
·K(角膜散光值)-角膜中心的平均屈光力
·I-S(次-优差)-半径大约3毫米的环面中较次的和较优的平均屈光度值之差
·Sim K1和Sim K2(模拟角膜散光值)-最陡峭的屈光力和从垂直子午线偏离90°的力，通常在直径3毫米的环面中评估。
·SDP(标准偏差力)-角膜图上存在的所有屈光力的标准偏差。
·DSI(差分扇区指标)-任意两个45°扇区之间的平均力的最大差，通常用扇区面积修正。
·OSI(相对扇区指标)-任意相对的45°扇区之间的平均力的最大差，通常用扇区面积修正。
·CSI(中心/周围指标)-在中心3毫米中的经过平均面积修正的力与从3毫米到6毫米的周围环面中的经过平均面积修正的力之差。
·SAI(表面非对称指标)-相距180°的点之间的屈光力之差的加权平均。
·SRI(表面规则指标)-连续环对之间的屈光力梯度的任意差的累加和(running sum)。
·IAI(不规则散光指标)-SRI的面积修正版本。
·KPI(圆锥形角膜预测指标)-基于参数DSI、OSI、CSI、SAI、sim K、IAI和所分析的角膜的面积反映圆锥形角膜的百分比概率的复合指标。
·SRAX(散光的倾斜径向轴)-180°减去水平子午线之上最陡的轴和水平子午线之下最陡的轴之间的角度差。
·KISA％-基于K、I-S、sim K、和SRAX的用来预测圆锥形角膜的复合指标。
然而，根据前角膜形状测量的上述扩张筛选参数的预测力可能受到角膜上皮210(其经常如上文关于图3所述掩盖角膜基质220的形状变化)的厚度的动态补偿重塑的影响。因此，根据本发明的一些实施例，如果使用对角膜基质-上皮交界面215的测量来代替对角膜上皮/前表面形状的传统测量，则上述任意特定参数或复合指标的预测力都很可能加强。对于本领域技术人员明显的是，取决于根据前-上皮表面的形状得到的测量的任意角膜形状参数都很有可能通过替换根据基质-上皮交界面215的形状得到的测量(使用图4中所示的方法获得)得到改善。
应该理解的是，特定实施例及其中的部分可实现在硬件、固件或软件中。如果实现在软件中，则软件可以采用能够使得处理器被配置为执行这里所述的实施例或其等同形式的任意语言。软件可采用可执行指令的形式，并且可存储在任意非瞬时或瞬时计算机可读介质上，其可被通用或专用处理器加载并执行。
虽然这里所述的方法和设备被特定地示出并参照其示例实施例进行了描述，但本领域技术人员应该理解的是，可以对其中的形式和细节进行多种修改。

Claims (15)

1.一种测量方法，包括：
通过第一成像方法获得第一测量结果；
通过第二成像方法获得第二测量结果；
对所述第一测量结果和所述第二测量结果进行组合，以获得眼睛结构的结构信息和图像表示；
根据所述结构信息来计算至少一个形状参数；以及
显示所述眼睛结构的所述图像表示。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述图像表示可以是所述眼睛结构的地形图或三维图。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述眼睛结构可以是眼睛的角膜上皮表面、角膜基质、或前角膜基质交界面。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结构信息是所述眼睛结构的形状。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一成像方法可以是普拉西多成像、超声成像、向普鲁摄影、或光学相干断层扫描。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二成像方法可以是超声成像、向普鲁摄影、或光学相干断层扫描。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一测量结果可以是角膜前表面高度图，并且所述第二测量结果可以是上皮厚度图。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述第一测量结果和所述第二测量结果进行组合可以是计算所述第一测量结果和所述第二测量结果之差。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个形状参数可以是轴向力(径向力)、轴向曲率(径向曲率)、切向力(瞬时力)、切向曲率(瞬时曲率)、平均曲率、高度、以及相对于参考表面的高度。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于角膜上皮表面的结构信息来计算至少一个角膜扩张筛选参数。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于角膜上皮-基质交界面的结构信息来计算至少一个角膜扩张筛选参数。
12.一种测量方法，包括：
通过成像方法来获得至少一个测量结果，所述成像方法选自由以下各项构成的获得至少一个测量结果的组：光学相干断层扫描OCT、高分辨率超声、或向普鲁摄影；
对所述至少一个测量结果进行处理，以获得角膜上皮和角膜基质之间的交界面；
确定所述交界面的至少一个形状参数；
计算至少一个角膜扩张筛选参数；
生成所述交界面的地形表示或三维表示；以及
显示所述地形表示或所述三维表示。
13.一种图像处理系统，包括：
第一成像器；
第二成像器；以及
处理器，耦合到所述第一成像器和所述第二成像器，所述处理器执行指令以：
通过所述第一成像器获得第一测量结果；
通过所述第二成像器获得第二测量结果；
对所述第一测量结果和所述第二测量结果进行组合，以获得眼睛结构的结构信息和图像表示；
根据所述结构信息来计算至少一个形状参数；以及
显示所述眼睛结构的所述图像表示。
14.根据权利要求13所述的成像器，其中，所述第一成像器可以是普拉西多成像器、超声成像器、向普鲁摄影成像器、或光学相干断层扫描成像器。
15.根据权利要求13所述的成像器，其中，所述第二成像器可以是超声成像器、向普鲁摄影成像器、或光学相干断层扫描成像器。
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