CN104921698B - 一种修正角膜曲率仪系统散光的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种修正角膜曲率仪系统散光的方法，对角膜曲率仪的系统散光进行修正。该方法通过对标准眼CCD图像进行滤噪、二值化及边缘提取处理、求取按角度等分环形图像各部分质心、拟合环形图像椭圆、计算拟合椭圆和外切圆各对应点的映射关系，得出系统误差，而后再对实际测量进行误差修正。该方法具有修正过程快速，准确，且无须改动系统硬件的优点。

Description

一种修正角膜曲率仪系统散光的方法

技术领域

本发明涉及一种角膜曲率仪系统散光修正方法，具体是在不改变系统硬件的情况下，能够快速、准确修正角膜曲率仪系统散光的方法。

背景技术

角膜曲率仪用于测量角膜曲率，是眼科诊断和治疗的重要测量仪器。角膜曲率仪可以测定角膜前表面曲率，为选择合适的软性角膜接触镜基弧提供依据，也可通过角膜曲率仪检查了解角膜散光度，为验光提供参考依据。

目前，市场上较为成功的角膜曲率仪有尼德克(Nidek)AR310A、佳能(Cannon)R-F10、拓普康(Topcon)RM-800以及中北新缘FA-6500等，其基本测量原理为：利用环形光阑产生环形光束并照射至人眼角膜上，通过光学镜头对角膜反射光进行收集，并在CCD上形成环形光斑图像，对图像进行椭圆拟合，计算出其长轴a，短轴b以及轴角θ，进而通过标定的办法得到角膜的屈光度以及散光轴角等信息。该方法简单易行，可靠性也较高，但由于环形光阑加工安装的精度和光学镜头自身的子午弧矢像差的不同，即使在对无散光的标准眼进行测量时，在CCD上所呈的圆环图像也会具有一定的椭球性，此即为角膜曲率仪的系统散光，如果不加以修正，必然会对实际测量带来误差，从而造成验光不准确，对进一步的眼科诊断和治疗带来影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种修正角膜曲率仪系统散光的方法，该方法通过对标准眼CCD图像的计算获得系统散光的大小及空间分布ε_i(θ_i)，再通过ε_i(θ_i)对实际测量进行误差修正。具有修正过程快速，准确，且无须改动系统硬件的优点。

本发明的技术方案是：

一种修正角膜曲率仪系统散光的方法，对角膜曲率仪的系统散光进行修正，角膜曲率仪包括环形照明光源、成像镜组、CCD相机模块、处理器、图像处理软件和显示屏，其中，成像镜组包括凸透镜、视场光阑、月牙透镜以及双胶合透镜；环形照明光源发出环形光束照射在人眼的角膜上，经过人眼的角膜反射后，经成像镜组后最终在CCD相机模块上成像，得到环形图像，环形图像通过安装在处理器中的图像处理软件进行图像处理后显示在显示屏上，其特征在于，采用图像处理软件对环形图像进行图像处理时采用以下步骤：

(a)对检测标准角膜眼获得的环形图像进行滤噪、二值化及边缘提取处理，处理后环形图像上各点坐标表示为p_i(x_i,y_i)，i＝1,2,3…；

(b)将经过步骤(a)处理后的环形图像按角度等分，等分角度为Δθ，采用质心法计算环形图像各Δθ角所包围扇形区域的质心，处理后环形图像上各点坐标为P_j(x_j,y_j)，j＝1,2,3…，2π/Δθ；

(c)利用最小二乘法对处理后环形图像上各点坐标P_j(x_j,y_j)进行椭圆拟合，得到环形图像拟合椭圆的椭圆参数，包括长轴A、短轴B、轴角θ以及中心点O(x_c,y_c)；

(d)作拟合椭圆的外切圆，外切圆的圆心为点O(x_c,y_c)，半径R为拟合椭圆的长轴A；

(e)对拟合椭圆和外切圆按照Δθ间隔进行离散取值，分别得到2π/Δθ个离散点Q_m(x_m,y_m)和R_m(x′_m,y′_m)，m＝1,2,3…，2π/Δθ；

(f)计算2π/Δθ个离散点Q_m(x_m,y_m)和R_m(x′_m,y′_m)的映射关系Γ；

(g)利用角膜曲率仪对任意角膜眼或人眼进行测量，重复上述(a)-(b)的步骤，得到检测任意角膜获得环形图像的离散坐标P′_j(x′_j,y′_j)；

(h)将检测任意角膜获得环形图像的离散坐标P′_j(x′_j,y′_j)与利用椭圆与其对应外切圆的映射关系，即该外切圆半径R等于椭圆长轴A，计算出椭圆的每一离散值与其对应的外切圆之间的映射关系Γ相乘，得到新的离散坐标P″_j(x″_j,y″_j)；

(i)对新的离散坐标P″_j(x″_j,y″_j)采用上述步骤(c)进行最小二乘拟合，得到新的椭圆参数，即可完成系统散光修正，所得新的椭圆参数即为被测角膜眼的实际屈光参数。

上述步骤(b)中，2π/Δθ为整数，对任意Δθ所包围的扇形区域内的任意坐标点p_i(x_i,y_i)，如果则表明该点恰好处于第m个扇形区域之内。

上述步骤(b)中的质心法要求每个扇型区域内的所有点按照灰度值进行加权求和，得到总的质心坐标p_j(x_j,y_j)，其中，I_i(x_i,y_i)为对应点坐标位置的图像灰度值。

上述步骤(c)中对处理后环形图像上各点坐标P_j(x_j,y_j)进行椭圆拟合的具体步骤为：

(1)设圆锥曲线方程的一般形式为

F(η,X)＝A·X＝ax²+bxy+cy²+dx+ey+f＝0，其中，η＝[a b c d e f]^T，X＝[x² xyy² x y 1]^T，F(η,X_i)是任意一点(x_i,y_i)到圆锥曲线的代数距离。其直接最小二乘拟合办法为求代数距离的最小值，由此可得一个线性方程组，并以A+C＝1为约束条件，其中，为椭圆焦长，可求得方程系数a,b,c,d,e,f的值。

(2)利用几何关系，可得椭圆参数，长轴A、短轴B、轴角θ和中心位置坐标O(x_c，y_c)分别为：

$A=2\sqrt{\frac{-2f}{a+c-\sqrt{b^2+{\left(\frac{a-c}{f}\right)}^2}}},$

$B=2\sqrt{\frac{-2f}{a+c+\sqrt{b^2+{\left(\frac{a-c}{f}\right)}^2}}},$

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arctan \frac{b}{a-c},$

$x_c=\frac{be-2cd}{4ac-b^2},y_c=\frac{bd-2ae}{4ac-b^2}.$

上述步骤(e)中计算Q_m(x_m,y_m)和R_m(x′_m,y′_m)的方法为：拟合椭圆离散点：其中，外切圆离散点：其中，m＝1,2,3…，2π/Δθ。

上述步骤(f)中计算映射关系Γ的方法为：其映射关系为：可得利用椭圆与其对应外切圆的映射关系，即该外切圆半径R等于椭圆长轴A，计算出椭圆的每一离散值与其对应的外切圆之间的映射关系

本发明具有以下优势：

本发明通过算法实现对角膜曲率仪的系统散光进行修正，解决了系统自身散光对测量带来的影响，降低了对系统硬件加工与装配的工艺要求，进而降低了仪器成本。

附图说明

图1为本发明修正角膜曲率仪的硬件结构；

图2是修正角膜曲率仪系统散光的流程图；

图3是角膜曲率仪获得的标准眼图像；

图4是经过滤噪二值化以及边缘提取后的环形图像；

图5是经过(a)-(c)步骤后获得的拟合椭圆图像；

图6是修正后的椭圆图像。

图中，角膜1，环形照明光源2a、2b，凸透镜3、视场光阑4、月牙透镜5双胶合透镜6、成像镜组8、CCD相机模块7、处理器9、显示屏10。

具体实施方式

以下对本发明技术方案做进一步说明。

修正角膜曲率仪系统散光的方法，对角膜曲率仪的系统散光进行修正，角膜曲率仪包括环形照明光源2a、2b、成像镜组8、CCD相机模块7、处理器9、图像处理软件和显示屏10，其中，成像镜组包括凸透镜3、视场光阑4、月牙透镜5以及双胶合透镜6；环形照明光源发出环形光束照射在人眼的角膜1上，经过人眼的角膜反射后，经成像镜组后最终在CCD相机模块上成像，得到环形图像，环形图像通过安装在处理器中的图像处理软件进行图像处理后显示在显示屏上，采用图像处理软件对环形图像进行图像处理时采用以下步骤：

(a)对检测标准角膜眼获得的环形图像进行滤噪、二值化及边缘提取处理，处理后环形图像上各点坐标表示为p_i(x_i,y_i)；

(b)将经过步骤(a)处理后的环形图像按角度等分，等分角度为Δθ，采用质心法计算环形图像各Δθ角所包围扇形区域的质心，处理后环形图像上各点坐标为P_j(x_j,y_j)，j＝1,2,3…，2π/Δθ；

(c)利用最小二乘法对处理后环形图像上各点坐标P_j(x_j,y_j)进行椭圆拟合，得到环形图像拟合椭圆的椭圆参数，包括长轴A、短轴B、轴角θ以及中心点O(x_c,y_c)；

(d)作拟合椭圆的外切圆，外切圆的圆心为中心点O(x_c,y_c)，半径R为拟合椭圆的长轴A；

(e)对拟合椭圆和外切圆按照Δθ间隔进行离散取值，分别得到2π/Δθ个离散点Q_m(x_m,y_m)和R_m(x′_m,y′_m)，m＝1,2,3…，2π/Δθ；

(f)计算2π/Δθ个离散点Q_m(x_m,y_m)和R_m(x′_m,y′_m)的映射关系Γ；

(g)利用角膜曲率仪对任意角膜眼或人眼进行测量，重复上述(a)-(b)的步骤，得到检测任意角膜获得环形图像的离散坐标P′_j(x′_j,y′_j)；

(h)将检测任意角膜获得环形图像的离散坐标P′_j(x′_j,y′_j)与利用椭圆与其对应外切圆(R＝A)的映射关系，计算出椭圆的每一离散值与其对应的外切圆之间的线性变换矩阵Γ相乘，得到新的离散坐标P″_j(x″_j,y″_j)；

(i)对新的离散坐标P″_j(x″_j,y″_j)采用上述步骤(c)进行最小二乘拟合，得到新的椭圆参数，即可完成系统散光修正，所得新的椭圆参数即为被测角膜眼的实际屈光参数。

利用该装置获得的R7.7的标准角膜眼的环形图像如图3所示。

如图4所示，对环形图像进行滤噪、二值化及边缘提取处理，得到处理后环形图像上各点坐标p_i(x_i,y_i)。

将圆环按照Δθ＝2°进行等分，对每个Δθ所包围的扇形区域内的坐标点，利用重心法计算出其处理后环形图像上各部分质心P_j(x_j,y_j)，一共为180个点。

利用最小二乘法对处理后环形图像上各点坐标P_j(x_j,y_j)进行椭圆拟合，得到环形图像的椭圆参数，如图5所示，A＝51.8129，B＝51.3968，θ＝0.1587rad，x_c＝115.1154，y_c＝71.9914，系统散光大小为A-B＝0.4160。

利用椭圆与其对应外切圆(R＝A)的映射关系，计算出椭圆的每一离散值与其对应的外切圆之间的线性变换矩阵

再次利用角膜曲率仪对R7.7标准眼进行测量，重复上述过程，得到角膜离散坐标P′_j(x′_j,y′_j)，一共180个点。

将角膜离散坐标P′_j(x′_j,y′_j)与外切圆之间的线性变换矩阵相乘，进行系统误差修正，得到新的离散坐标P″_j(x″_j,y″_j)；

如图6所示，对新的离散坐标P″_j(x″_j,y″_j)进行最小二乘拟合，得到新的椭圆参数：A2＝51.8731，B2＝51.8424，θ2＝-0.6512rad，x_c2＝115.1154，y_c2＝71.9914，修正后的系统散光大小为A2-B2＝0.0307。

可以看出，修正后的系统散光已经非常小，整个椭圆已经非常接近圆形，且修正结果已符合国家计量标准允许的误差范围，达到了修正目的。

以上修正角膜曲率仪系统散光的方法中，其中:

步骤(b)中，2π/Δθ为整数，对任意Δθ所包围的扇形区域内的任意坐标点p_i(x_i,y_i)，如果则表明该点恰好处于第m个扇形区域之内。

步骤(b)中的质心法要求每个扇型区域内的所有点按照灰度值进行加权求和，得到总的质心坐标p_j(x_j,y_j)，其中，I_i(x_i,y_i)为对应点坐标位置的图像灰度值。

步骤(c)中对P_j(x_j,y_j)进行椭圆拟合的具体步骤为：

(1)设圆锥曲线方程的一般形式为F(η,X)＝A·X＝ax²+bxy+cy²+dx+ey+f＝0，其中，η＝[a b c d e f]^T，X＝[x² xy y² x y 1]^T，F(η,X_i)是任意一点(x_i,y_i)到圆锥曲线的代数距离。其直接最小二乘拟合办法为求代数距离的最小值，由此可得一个线性方程组，并以A+C＝1为约束条件，可求得方程系数a,b,c,d,e,f的值。

(2)利用几何关系，可得椭圆参数，长轴A、短轴B、轴角θ和中心位置坐标O(x_c，y_c)分别为：

$A=2\sqrt{\frac{-2f}{a+c-\sqrt{b^2+{\left(\frac{a-c}{f}\right)}^2}}},$

$B=2\sqrt{\frac{-2f}{a+c+\sqrt{b^2+{\left(\frac{a-c}{f}\right)}^2}}},$

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arctan \frac{b}{a-c},$

$x_c=\frac{be-2cd}{4ac-b^2},y_c=\frac{bd-2ae}{4ac-b^2}.$

步骤(e)中计算Q_m(x_m,y_m)和R_m(x′_m,y′_m)的方法为：拟合椭圆离散点：其中，外切圆离散点：其中，m＝1,2,3…，2π/Δθ。

步骤(f)中计算映射关系Γ(利用椭圆与其对应外切圆(R＝A)的映射关系，计算出椭圆的每一离散值与其对应的外切圆之间的线性变换矩阵)的方法为：其映射关系为：可得

Claims (6)

1.一种修正角膜曲率仪系统散光的方法，对角膜曲率仪的系统散光进行修正，角膜曲率仪包括环形照明光源、成像镜组、CCD相机模块、处理器、图像处理软件和显示屏，其中，成像镜组包括凸透镜、视场光阑、月牙透镜以及双胶合透镜；环形照明光源发出环形光束照射在人眼的角膜上，经过人眼的角膜反射后，经成像镜组后最终在CCD相机模块上成像，得到环形图像，环形图像通过安装在处理器中的图像处理软件进行图像处理后显示在显示屏上，其特征在于，采用图像处理软件对环形图像进行图像处理时采用以下步骤：

(a)对检测标准角膜眼获得的环形图像进行滤噪、二值化及边缘提取处理，处理后环形图像上各点坐标表示为p_i(x_i,y_i)，i＝1,2,3…；

(b)将经过步骤(a)处理后的环形图像按角度等分，等分角度为Δθ，采用质心法计算环形图像各Δθ角所包围扇形区域的质心，处理后环形图像上各点坐标为P_j(x_j,y_j)，j＝1,2,3…，2π/Δθ；

(c)利用最小二乘法对处理后环形图像上各点坐标P_j(x_j,y_j)进行椭圆拟合，得到环形图像拟合椭圆的椭圆参数，包括长轴A、短轴B、轴角θ以及中心点O(x_c,y_c)；

(d)作拟合椭圆的外切圆，外切圆的圆心为点O(x_c,y_c)，半径R为拟合椭圆的长轴A；

(e)对拟合椭圆和外切圆按照Δθ间隔进行离散取值，分别得到2π/Δθ个离散点Q_m(x_m,y_m)和R_m(x'_m,y'_m)，m＝1,2,3…，2π/Δθ；

(f)计算2π/Δθ个离散点Q_m(x_m,y_m)和R_m(x'_m,y'_m)的映射关系Γ；

(g)利用角膜曲率仪对任意角膜眼或人眼进行测量，重复上述(a)-(b)的步骤，得到检测任意角膜获得环形图像的离散坐标P′_j(x'_j,y'_j)；

(h)将检测任意角膜获得环形图像的离散坐标P′_j(x'_j,y'_j)与利用椭圆与其对应外切圆的映射关系，即该外切圆半径R等于椭圆长轴A，计算出椭圆的每一离散值与其对应的外切圆之间的映射关系Γ相乘，得到新的离散坐标P″_j(x″_j,y″_j)；

(i)对新的离散坐标P″_j(x″_j,y″_j)采用上述步骤(c)进行最小二乘拟合，得到新的椭圆参数，即可完成系统散光修正，所得新的椭圆参数即为被测角膜眼的实际屈光参数。

2.根据权利要求1所述的一种修正角膜曲率仪系统散光的方法，其特征在于：步骤(b)中，2π/Δθ为整数，对任意Δθ所包围的扇形区域内的任意坐标点p_i(x_i,y_i)，如果m＝1,2,3…,2π/Δθ，则表明该点恰好处于第m个扇形区域之内。

3.根据权利要求1所述的一种修正角膜曲率仪系统散光的方法，其特征在于：步骤(b)中的质心法要求每个扇型区域内的所有点按照灰度值进行加权求和，得到总的质心坐标p_j(x_j,y_j)，其中，I_i(x_i,y_i)为对应点坐标位置的图像灰度值。

4.根据权利要求1所述的一种修正角膜曲率仪系统散光的方法，其特征在于：步骤(c)中对处理后环形图像上各点坐标P_j(x_j,y_j)进行椭圆拟合的具体步骤为：

(1)设圆锥曲线方程的一般形式为

F(η,X)＝A·X＝ax²+bxy+cy²+dx+ey+f＝0，其中，η＝[a b c d e f]^T，X＝[x² xy y² xy 1]^T，F(η,X_i)是任意一点(x_i,y_i)到圆锥曲线的代数距离；

其直接最小二乘拟合办法为求代数距离的最小值，由此可得一个线性方程组，并以A+C＝1为约束条件，其中，为椭圆焦长，可求得方程系数a,b,c,d,e,f的值；

(2)利用几何关系，可得椭圆参数，长轴A、短轴B、轴角θ和中心位置坐标O(x_c，y_c)分别为：

$A=2\sqrt{\frac{-2f}{a+c-\sqrt{b^2+{\left(\frac{a-c}{f}\right)}^2}}},$

$B=2\sqrt{\frac{-2f}{a+c+\sqrt{b^2+{\left(\frac{a-c}{f}\right)}^2}}},$

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arctan \frac{b}{a-c},$

$x_c=\frac{be-2cd}{4ac-b^2},y_c=\frac{bd-2ae}{4ac-b^2}.$

5.根据权利要求1所述的一种修正角膜曲率仪系统散光的方法，其特征在于：步骤(e)中计算Q_m(x_m,y_m)和R_m(x'_m,y'_m)的方法为：拟合椭圆离散点：其中，m＝1,2,3,…,2π/Δθ，ε＝C/A；外切圆离散点：其中，m＝1,2,3…，2π/Δθ。

6.根据权利要求1所述的一种修正角膜曲率仪系统散光的方法，其特征在于：步骤(f)中计算映射关系Γ的方法为：其映射关系为：可得利用椭圆与其对应外切圆的映射关系，即该外切圆半径R等于椭圆长轴A，计算出椭圆的每一离散值与其对应的外切圆之间的映射关系