CN105021465A - 一种内压作用下角膜变形场的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内压作用下角膜变形场的测量装置,其能够模拟角膜在体生理状态下眼内压的作用,定量地表征紫外光交联对角膜在内压作用下变形行为的影响。该测量装置包括角膜固定部件、角膜内部加压部件、记录压力计示数部件、表面散斑图像记录部件、光源、散斑部件;通过散斑部件制斑后的角膜放置在角膜固定部件内,并通过角膜内部加压部件来模拟眼内压施加到角膜上;通过记录压力计示数部件来记载压力计的示数,光源包括照射角膜固定部件的左光源、右光源,表面散斑图像记录部件包括在左光源后方的左相机、在右光源后方的右相机,角膜固定部件在左相机、右相机的轴线上。本发明还提供了使用该装置的方法。
Description
技术领域
本发明属于电学和光学结合的技术领域,具体涉及一种内压作用下角膜变形场的测量装置,以及采用该装置的方法。
背景技术
角膜在正常生理状态时呈球壳状,承受眼内压作用。
在紫外光交联前后,角膜在不同内压下的表面位移场是不同的。但是,目前只能定性地知道这一点,无法定量地来表征紫外光交联对角膜在内压作用下的变形行为的影响。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种内压作用下角膜变形场的测量装置,其能够模拟角膜在体生理状态下眼内压作用,定量地来表征紫外光交联对角膜在内压作用下的变形行为的影响。
本发明的技术解决方案是:这种内压作用下角膜变形场的测量装置,该测量装置包括角膜固定部件、角膜内部加压部件、记录压力计示数部件、表面散斑图像记录部件、光源、散斑部件;通过散斑部件制斑后的角膜放置在角膜固定部件内,并通过角膜内部加压部件来模拟眼内压施加到角膜上;通过记录压力计示数部件来记载压力计的示数,光源包括照射角膜固定部件的左光源、右光源,表面散斑图像记录部件包括在左光源后方的左相机、在右光源后方的右相机,角膜固定部件在左相机、右相机的轴线上。
还提供了采用这种内压作用下角膜变形场的测量装置的方法,包括以下步骤:
(1)通过撒碳粉的方式在角膜表面制斑,为保证制斑均匀,在角膜表面上方抖动沾取激光打印碳粉的大号化妆刷,使小颗粒的碳粉附着在角膜表面;
(2)将角膜夹紧在环形密封桶盖与橡胶塞之间,并在环形密封桶盖和密封桶的开口处粘贴胶带,密封桶内储水,利用环抱夹将角膜固定部件固定在防震台上,正式实验前检查角膜固定部件的气密性;
(3)调整录像相机的视场,使得U型管压力计的有效量程均在该视场范围内,并对焦使示数清晰可读,示数的记录在充气泵加压前开始;
(4)利用充气泵对角膜固定部件的内部加压,由于充气泵、角膜固定部件、U型管压力计通过三通管连接为一封闭系统,通过读取U型管压力计的示数来获得角膜固定部件的内部气压变化情况,并通过录像相机实时记录;
(5)调节左、右相机的位置,使得角膜处于这两个相机的对称轴上,左、右相机距角膜距离30cm,夹角15°,视场范围23×23mm2;当这两个相机位置确定后,再微调相机的俯仰角和转角,直至角膜处于两个相机的视场的中心处,并对焦使散斑清晰;角膜表面散斑图像的记录在充气泵加压前开始;
(6)正常眼内压为11~21mmHg,记录充气泵加压从0mmHg增至25mmHg过程中正常组与交联组角膜的表面散斑图像;实验在20℃下完成;
(7)采用标准圆形标定板,相邻两圆心距离为1mm;标定过程保证标定图像清晰对焦,使标定图像覆盖整个视场的3/4,标定板沿x,y,z方向平动和转动,并至少拍15组图片;
(8)利用Pmlab DIC-3D软件和步骤(7)得到的图片对左、右相机进行标定,将左、右相机的内外参数输出,外部参数表示两相机的空间位置差异,内部参数表示相机投射投影信息,标定结果满足左、右相机的中心和聚焦中心位置差异小;选定角膜内压为0mmHg时表面散斑图像为参考图片,再根据标定输出信息和双相机获得的散斑图计算角膜加载过程中的表面位移场,获得角膜表面相对位移dT与空间位置关系,dT为相对位移,是三个主坐标系下位移的矢量和。
本发明通过散斑部件制斑后的角膜放置在角膜固定部件内并通过角膜内部加压部件来模拟眼内压施加到角膜上,通过记录压力计示数部件来记载压力计的示数,通过左、右相机记录角膜表面散斑图像,通过三维数字散斑技术标定来获得左、右相机的内外参数,测量紫外光交联前后角膜在不同眼内压下的表面位移场,定量地来表征紫外光交联对角膜在内压作用下的变形行为的影响。
附图说明
图1示出了根据本发明的内压作用下角膜变形场的测量装置的结构示意图。
图2示出了圆心距离为1mm标准圆孔形标定板。
图3示出了紫外光交联前后角膜中心处和边缘处内压-相对位移dT关系曲线。
具体实施方式
从图1中可以看出,这种内压作用下角膜变形场的测量装置,该测量装置包括角膜固定部件、角膜内部加压部件、记录压力计示数部件、表面散斑图像记录部件、光源(光源为ZIFON NO.ZF3000)、散斑部件;通过散斑部件制斑后的角膜放置在角膜固定部件内,并通过角膜内部加压部件来模拟眼内压施加到角膜上;通过记录压力计示数部件来记载压力计的示数,光源包括照射角膜固定部件的左光源、右光源,表面散斑图像记录部件包括在左光源后方的左相机、在右光源后方的右相机,角膜固定部件在左相机、右相机(美国IMPERX ICL-B2520M-SC000高分辨率相机,为双相机配备相同的镜头为SIGMA.105mm.F2.8.EX DG OS HS MACRO,加10mm扩展圈)的轴线上。
另外,所述角膜固定部件包括密封桶、环形密封桶盖、导管,密封桶的开口处塞有一带孔的橡胶塞,一个直径与该孔直径一致的硬管固定在橡胶塞的孔中,硬管露出橡胶塞指定高度,以便环形密封桶盖旋紧后硬管与桶盖紧配合,导管与角膜内部加压部件连接,角膜在环形密封桶盖和硬管之间,当环形密封桶盖旋紧后角膜被密封固定。这样能够保证角膜能够被牢靠密封地固定。
另外,所述密封桶内装有水(既保持湿润又增加整体稳定性),所述环形密封桶盖和密封桶的开口处粘贴胶带(防止漏气)。
另外,为防止角膜固定装置在内部加压过程晃动,所述角膜固定部件通过环抱夹固定在防震台上。
另外,所述角膜内部加压部件包括三通管、充气泵、U型管压力计(U型管压力计的量程为0~5kPa,分度值为10Pa),三通管的第一端连接所述导管,第二端通过硅胶软管与U型管压力计连接,第三端连接充气泵。由于充气泵、角膜固定部件、U型管压力计通过三通管连接为一封闭系统,所以能够直接通过读取U型管压力计获得角膜固定部件内部气压变化情况。
另外,所述记录压力计示数部件包括录像相机(Canon EOS 5D Mark III)、固定三角架,录像相机固定在固定三角架上并记录U型管压力计示数。
另外,所述左相机、右相机均设有升降杆架(微纳光科WN01VP(72-87))。用来调节左相机、右相机的高度。
另外,该测量装置还包括反光板,其设在角膜固定部件的前方。用来加强照射到角膜固定部件的光线。
另外,所述散斑部件是化妆刷,化妆刷沾取激光打印碳粉后抖动,使碳粉附着在角膜表面。这样成本低廉,散斑均匀。
本发明通过散斑部件制斑后的角膜放置在角膜固定部件内并通过角膜内部加压部件来模拟眼内压施加到角膜上,通过记录压力计示数部件来记载压力计的示数,通过左、右相机记录角膜表面散斑图像,通过三维数字散斑技术标定来获得左、右相机的内外参数,测量紫外光交联前后角膜在不同眼内压下的表面位移场,定量地来表征紫外光交联对角膜在内压作用下的变形行为的影响。
以下更具体地说明本发明的实施例。
本发明的方法包括以下步骤:
(1)角膜(此处采用了猪角膜)的固定和密封。将猪角膜(厚度为1.0±0.06mm,横径为15.9±0.55mm,纵径为13.8±0.17mm)夹紧在环形密封桶盖与底衬橡胶塞之间,并在环形密封桶盖和桶口处粘胶带防止漏气,桶内储有部分水,即保持湿润又增加整体稳定性。为防止角膜固定装置在内部加压过程晃动,利用环抱夹固定在防震台上,正式实验前检查装置气密性。
(2)角膜表面散斑的制作。通过撒碳粉的方式在角膜表面制斑,为保证制斑均匀,在距离角膜表面约5cm处轻轻抖动沾取激光打印碳粉的大号化妆刷,使小颗粒的碳粉附着在角膜表面。
(3)内压加载。利用气泵对角膜固定装置内部加载,由于气泵、角膜固定装置、U型管压力计通过三通管连接为一封闭系统,可直接通过读取U型管压力计获得角膜固定装置内部气压变化情况,并通过相机实时记录。
(4)内压记录。U型管压力计的示数是通过实时录像的方式记录,在充气泵开始充气前,需调整记录相机的视场,使得U型管压力计的有效量程均在视场范围内,并对焦使示数清晰可读。内压记录需在正式加载前开始记录。
(5)角膜承载时表面散斑图像记录。采用双相机采集装置进行记录,在确定角膜固定装置位置后,调节两个相机的位置,使得角膜处于两个相机的对称轴上,双相机距角膜距离约30cm,夹角约15°,视场范围约23×23mm2。当两个相机位置确定后,在微调相机的俯仰角和转角,直至角膜处于两个相机的视场的中心处,并对焦使散斑清晰。角膜表面散斑图像记录也需在正式加载前开始记录。
正常眼内压为11~21mmHg,记录内压从0mmHg增至25mmHg过程中正常组与交联组角膜的表面散斑图像。所有实验均在室温(20℃)下完成。
(7)双相机系统标定。记录过角膜表面散斑图像后,再对双相机系统进行标定。采用标准圆形标定板如图2所示,相邻两圆心距离为1mm。标定过程需保证标定图像清晰对焦,使标定图覆盖整个视场的3/4,标定板沿x,y,z方向平动和转动,并至少拍15组图片。
(8)表面位移场计算。利用Pmlab DIC-3D软件和标定图片对双相机进行标定,将双相机内外参数(外部参数表示两相机的空间位置差异,内部参数表示相机投射投影信息)输出,标定结果需满足左右相机的中心和聚焦中心位置差异不大,表1为满足要求的标定结果。选定角膜内压为0mmHg时表面散斑图像为参考图片,再根据标定输出信息和双相机获得的散斑图计算角膜加载过程中表面位移场,获得角膜表面相对位移dT与空间位置关系(dT为相对位移,是三个主坐标系下位移的矢量和)。
相机1 | |
Center X | 1209.48像素 |
Center Y | 571.41像素 |
Focus X | 41460.79像素 |
Focus Y | 41451.80像素 |
Focus S | 0.36像素 |
kappa1 | 0.08 |
Alpha | 0.01弧度 |
Beta | 0.24弧度 |
Gamma | 0.02弧度 |
Dis X | 8.65毫米 |
Dis Y | 4.39毫米 |
Dis Z | 5.44毫米 |
表1
已知角膜的曲率半径约7.8mm,从实验结果可以看出完整角膜各处曲率半径差异不大,约为7.5~8mm。标定误差为0.04个像素。
如图3所示,定义表面相对位移dT为表面任意点三个相互垂直方向位移的矢量和。实验结果表明:
(1)角膜表面相对位移dT随内压逐渐升高而增大,且dT增大的趋势随着内压升高减缓,这表明在低眼内压阶段(0~10mmHg),角膜基质起主要抗扩张作用,角膜弹性模量较小,dT增长明显;而在正常眼压至高眼内压阶段(10~20mmHg),卷曲的胶原纤维被拉直起主要抗扩张作用,拉直的胶原纤维弹性模量较大,dT增长减缓。
(2)角膜边缘处变形大于中心处,且内压越大这种趋势越明显,此现象与角膜缘处胶原纤维呈环向排布有关。
(3)在低眼内压阶段,紫外光交联前后变形并无明显区别。在正常眼压至高眼内压阶段,相同内压下,紫外光交联后角膜中心处变形明显减小,而角膜边缘处变形无明显差异。
对比角膜交联前后内压12.75mmHg与21.75mmHg情况下表面dT,发现在12.75mmHg内压下,正常角膜中心区域dT约0.070mm,交联后角膜中心区域dT约0.055mm;在21.75mmHg内压下,正常角膜中心区域dT约0.100mm,交联后角膜中心区域dT约0.075mm。交联后角膜在相同内压下表面dT减小,紫外光交联处理对角膜有助于维持其原球壳结构。
当然,角膜也可以是其它生物膜。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种内压作用下角膜变形场的测量装置,其特征在于:该测量装置包括角膜固定部件、角膜内部加压部件、记录压力计示数部件、表面散斑图像记录部件、光源、散斑部件;通过散斑部件制斑后的角膜放置在角膜固定部件内,并通过角膜内部加压部件来模拟眼内压施加到角膜上;通过记录压力计示数部件来记载压力计的示数,光源包括照射角膜固定部件的左光源、右光源,表面散斑图像记录部件包括在左光源后方的左相机、在右光源后方的右相机,角膜固定部件在左相机、右相机的轴线上。
2.根据权利要求1所述的内压作用下角膜变形场的测量装置,其特征在于:所述角膜固定部件包括密封桶、环形密封桶盖、导管,密封桶的开口处塞有一带孔的橡胶塞,一个直径与该孔直径一致的硬管固定在橡胶塞的孔中,硬管露出橡胶塞指定高度,以便环形密封桶盖旋紧后硬管与桶盖紧配合,导管与角膜内部加压部件连接,角膜在环形密封桶盖和硬管之间,当环形密封桶盖旋紧后角膜被密封固定。
3.根据权利要求2所述的内压作用下角膜变形场的测量装置,其特征在于:所述密封桶内装有水,所述环形密封桶盖和密封桶的开口处粘贴胶带。
4.根据权利要求3所述的内压作用下角膜变形场的测量装置,其特征在于:所述角膜固定部件通过环抱夹固定在防震台上。
5.根据权利要求1所述的内压作用下角膜变形场的测量装置,其特征在于:所述角膜内部加压部件包括三通管、充气泵、U型管压力计,三通管的第一端连接所述导管,第二端通过硅胶软管与U型管压力计连接,第三端连接充气泵。
6.根据权利要求5所述的内压作用下角膜变形场的测量装置,其特征在于:所述记录压力计示数部件包括录像相机、固定三角架,录像相机固定在固定三角架上并记录U型管压力计示数。
7.根据权利要求1所述的内压作用下角膜变形场的测量装置,其特征在于:所述左相机、右相机均设有升降杆架。
8.根据权利要求1所述的内压作用下角膜变形场的测量装置,其特征在于:该测量装置还包括反光板,其设在角膜固定部件的前方。
9.根据权利要求1所述的内压作用下角膜变形场的测量装置,其特征在于:所述散斑部件是化妆刷,化妆刷沾取激光打印碳粉后抖动,使碳粉附着在角膜表面。
10.一种采用根据权利要求2所述的内压作用下角膜变形场的测量装置的方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)通过撒碳粉的方式在角膜表面制斑,为保证制斑均匀,在角膜表面上方抖动沾取激光打印碳粉的大号化妆刷,使小颗粒的碳粉附着在角膜表面;
(2)将角膜夹紧在环形密封桶盖与橡胶塞之间,并在环形密封桶盖和密封桶的开口处粘贴胶带,密封桶内储水,利用环抱夹将角膜固定部件固定在防震台上,正式实验前检查角膜固定部件的气密性;
(3)调整录像相机的视场,使得U型管压力计的有效量程均在该视场范围内,并对焦使示数清晰可读,示数的记录在充气泵加压前开始;
(4)利用充气泵对角膜固定部件的内部加压,由于充气泵、角膜固定部件、U型管压力计通过三通管连接为一封闭系统,通过读取U型管压力计的示数来获得角膜固定部件的内部气压变化情况,并通过录像相机实时记录;
(5)调节左、右相机的位置,使得角膜处于这两个相机的对称轴上,左、右相机距角膜距离30cm,夹角15°,视场范围23×23mm2;当这两个相机位置确定后,再微调相机的俯仰角和转角,直至角膜处于两个相机的视场的中心处,并对焦使散斑清晰;角膜表面散斑图像的记录在充气泵加压前开始;
(6)正常眼内压为11~21mmHg,记录充气泵加压从0mmHg增至25mmHg过程中正常组与交联组角膜的表面散斑图像;实验在20℃下完成;
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(8)利用Pmlab DIC-3D软件和步骤(7)得到的图片对左、右相机进行标定,将左、右相机的内外参数输出,外部参数表示两相机的空间位置差异,内部参数表示相机投射投影信息,标定结果满足左、右相机的中心和聚焦中心位置差异小;选定角膜内压为0mmHg时表面散斑图像为参考图片,再根据标定输出信息和双相机获得的散斑图计算角膜加载过程中的表面位移场,获得角膜表面相对位移dT与空间位置关系,dT为相对位移,是三个主坐标系下位移的矢量和。
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