CN105066901B - 一种离体测量计算实验动物眼球形态及眼轴和曲率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离体测量计算实验动物眼球形态及眼轴和曲率的方法，采用光学仪器对离体眼球进行固定位置拍摄，并通过数字化模拟方法计算实验动物眼球形态及眼轴和曲率。其优点表现为：本发明方法采用光学测量，通过微距拍摄仪非接触式测量眼球轮廓后，再进行相应的像素转换进行测量，极大地增加了结果的精确度，使得一些微小的眼球结构改变能够被发现和观察到；本发明方法通过将豚鼠眼球模拟成一个有明确数学方程式的斜椭圆形，通过数学中解析几何及三角函数原理对相应的角度进行运算，这就极大地增加了结果的准确性，同时，以上结果均由计算得出，这就极大地保证了结果的客观性，为不同实验组豚鼠眼球结构分析提供了的基础。

Description

一种离体测量计算实验动物眼球形态及眼轴和曲率的方法

【技术领域】

本发明涉及眼科学基础研究生物参数测量技术领域，具体地说，是一种离体测量计算实验动物眼球形态及眼轴和曲率的方法。

【背景技术】

现代生命科学研究要求动物实验结果精确可靠，重复性好并具有可比性，即不同的人在不同的时间、不同的空间，做相同的动物实验，能得到完全一样的实验结果。这就要求我们要选用标准化的实验动物，在标准的条件下进行实验。豚鼠作为一种良好的实验性动物在实验性近视模型及视网膜生理中的研究越来越多，因此对豚鼠眼位及眼球形态的测量也逐渐成为实验性近视模型及视网膜生理研究的一项至关重要的课题。

目前测量像豚鼠这样的啮齿类动物眼球形态结构的参数，包括眼轴长度、曲率半径、眼球中心点、最大轴长及最短轴长等。

现有技术中对于豚鼠眼球形态结构的相关参数测量，多采用活体测量，这种测量方法由于豚鼠的不配合会影响测量结果的可信度及准确性。已经公开的离体眼球三维径线测量方法，该方法采用游标卡尺进行接触测量，由于眼球非常柔软，卡尺在测量时不可避免地与眼球接触，导致眼球被压陷，测量结果同样无法准确地判定眼球径线。同时，从冠状面上看，豚鼠眼球为斜椭圆形，如何客观地测量倾斜角度、最大径线及最短径线及测量横截面积等参数就成为了研究的难点。另外，在平面几何中，离心率e是一个非常实用的用于评估椭圆有多“圆”的程度的指标，如果能计算出眼球的离心率，对于眼球的形态就又多一种评估的有效方法。

综上所述，测量实验动物眼位及眼球形态的方法亟需改进，但是关于固定测量位置以及数字化模拟测量实验动物眼位及眼球形态的方法目前还未见报道。

【发明内容】

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种离体测量计算实验动物眼球形态及眼轴和曲率的方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种离体测量计算实验动物眼球形态及眼轴和曲率的方法，采用光学仪器对离体眼球进行固定位置拍摄，并通过数字化模拟方法计算实验动物眼球形态及眼轴和曲率，包括以下步骤：

a.对实验动物进行正面拍照后，用过量麻醉法处死实验动物，在实验动物角膜缘边缘正上方进行针尖点状烧灼标记，取出眼球，清除眼球筋膜组织；

b.对眼球进行拍摄，拍摄过程中保证所有图片像素不变，拍摄步骤如下：

i).固定好微距仪，在距微距仪10cm处设置固定不动的拍摄位置，并确定拍摄位置的聚焦中心点，做上标记；

ii).在距聚焦中心点正上方5mm高度的位置放置标尺，将标尺上垂直对应聚焦中心点的刻度读数处做标记；

iii).将步骤a中处理好的眼球放到固定的拍摄位置的聚焦中心处，分别对左右两只眼球的正上方、侧方、正前方及后方四个方位，使用微距拍摄仪进行拍摄，获得眼球包括角膜及后极部巩膜部分的图片；

c.将拍摄的图片导入Matlab数学分析软件，图片根据其长宽分辨率的数值在Matlab中对应于一个二维的坐标系，图片的每个点在Matlab中均有其对应的坐标值，将导入的图片予canny算子法对其进行边缘检测，去除非目标区域，保留眼球角膜边缘曲线和后极部巩膜边缘曲线的信息；

d.使用find函数对眼球角膜边缘曲线和后极部巩膜边缘曲线进行坐标识别，可分别获得角膜及巩膜的曲线坐标，再根据最小二乘法原理，对角膜曲线和巩膜曲线进行圆锥曲线拟合，通过像素转换，即可计算角膜在水平及垂直方向的曲率半径，以及眼轴长度。

在距聚焦中心点大于5mm高度的位置放置标尺，该放置标尺的位置相当于实验动物眼球中心的位置。

所述的曲线拟合采用圆锥曲线通用方程：Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0拟合曲线。

计算曲率半径和眼轴长度时要进行实测距离与测量的像素值的等比例换算，换算过程如下：图片导入Matlab中以后，依次取距标尺刻度平均间隔为1mm的坐标点：(m1,n1)、(m2,n2)、……、(m_i,n_i)，运用公式：L²＝(m_i+1-m_i)²+(n_i+1-n_i)²计算出相邻两点间平均距离L，即可计算1mm距离的象素值Y，计算公式为：Y＝(L1+L2+……+L_i)/i，最终得出实测距离与测量的像素值的等比例换算式。

步骤c中得到的眼球角膜边缘曲线和后极部巩膜边缘曲线的信息可用于观察实验动物眼球形态变化。

本发明优点在于：

1、本发明方法采用Matlab编写程序，根据不同豚鼠眼球结构单独进行边缘检测，坐标识别及曲线拟合，极大地增加了结果的准确性与可靠性，克服了传统方法测量豚鼠这样的小动物的眼球，仪器自带软件基于人眼结构设计，对豚鼠眼球结构测量误差较大，或者无法测量的缺陷，减小测量误差，增强测量可行性。

2、本发明方法采用光学测量，通过微距拍摄仪非接触式测量眼球轮廓后，再进行相应的像素转换进行测量，极大地增加了结果的精确度，使得一些微小的眼球结构改变能够被发现和观察到。

3、本发明方法采用离体眼球测量，可以自行摆放眼球位置，确保眼球处于最佳测量位置，解决了测量时因豚鼠不配合而造成的测量数值不稳定和结果缺乏可行性的问题。

4、本发明方法先将豚鼠眼球模拟成一个有明确数学方程式的斜椭圆形，通过数学中解析几何及三角函数原理即可测量出许多以往无法进行测量的参数，如眼球的赤道部的长短轴、冠状面的横截面积等，同时，由于以上结果均由计算得出，这就极大地保证了对眼轴及曲率半径等这样常用的参数测量的客观性与准确性，进而还可以计算离心率来评估眼球的“圆”的程度，为不同实验组豚鼠眼球结构分析提供了的基础。

5、本发明方法采用数字化模拟的方法，用数学方程式来模拟豚鼠眼球轮廓，计算出眼球中心位置，使得视乳头位置有了一个明确的参照点，从而实现对视乳头位置的研究。

【附图说明】

附图1是豚鼠眼球拍摄示意图。

附图2是经过边缘检测去除非目标区域后，保留的眼球包括角膜及巩膜的曲线。

附图3是对角膜及巩膜进行曲线拟合示意图。

附图4是8周龄与3周龄豚鼠离体眼球形态对比图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.微距仪 2.标尺 3.拍摄位置 4.聚焦中心点。

本具体实施方式中的实验动物以豚鼠为例进行说明。

对豚鼠进行正面拍照后，用过量麻醉法处死豚鼠，在豚鼠角膜缘边缘正上方进行针尖点状烧灼标记，取出豚鼠眼球，清除眼球筋膜组织。眼球处理完成后，对眼球进行拍摄，如附图1所示，调整分辨率为3120*4280，拍摄步骤如下：i).固定好微距仪1，在距微距仪1的10cm处设置固定不动的拍摄位置3，拍摄位置3处放置5mm厚的垫板，并确定拍摄位置3的聚焦中心点4，做上标记。这里所说的做标记是指在垫板中心位置挖出一圆形孔，放置垫板时尽量使圆孔中心对准聚焦中心点4。

ii).在距聚焦中心点4约5mm高度的位置放置标尺2，将标尺2上垂直对应聚焦中心点4的刻度读数处做标记。这里需要说明的是在在距聚焦中心点4约5mm高度的正上方位置放置标尺2，即将标尺2置于5mm厚的垫板上。

iii).将上述处理过的眼球放到固定的拍摄位置3处，即放入垫板上挖出的小孔内。分别对左右两只眼球的正上方、侧方、正前方及后方四个方位，使用微距仪1进行拍摄，获得眼球包括角膜及巩膜的图片。

需要说明的是，这里选用5mm厚的垫板，相当于将豚鼠眼球放入圆孔内，正好保证标尺2不会压迫眼球，并且可以较准确地进行测量。

将拍摄的图片导入Matlab数学分析软件，根据图片分辨率在Matlab中设置二维坐标系，使图片的每个点在Matlab中均有其对应的坐标值，将导入的图片予canny算子法对其进行边缘检测，去除非目标区域，保留眼球包括角膜及后极部巩膜的曲线信息，即眼球的轮廓图，如附图2所示，附图2中的A部分为角膜边缘曲线，B部分为后极部巩膜边缘曲线。

如附图3所示，使用find函数对眼球角膜边缘曲线和后极部巩膜边缘曲线进行坐标识别，可分别获得角膜及巩膜的曲线坐标，再根据最小二乘法原理，对角膜曲线和巩膜曲线进行圆锥曲线拟合，通过像素转换，即可计算角膜在水平及垂直方向的曲率半径，以及眼轴长度。附图3中，A图是对角膜1/2处进行圆拟合以及对全角膜进行拟合的过程；B图是对后极部巩膜进行圆锥曲线拟合，拟合后运用解析几何原理通过圆锥曲线方程Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F＝0，即可计算出拟合的椭圆的倾斜角及长、短轴，再通过短轴与角膜及后极部的交点可计算出以后极部为基准的眼轴长度；C图是对角膜进行圆锥曲线拟合，计算角膜的倾斜角及通过角膜中心区的横轴线，该横轴线与角膜及后极部交点即为以角膜为基准的眼轴长度。

需要说明的是，上述测量步骤所述的计算过程中，实测距离与测量的像素值的等比例换算过程如下：图片导入Matlab中以后，依次取距标尺刻度平均间隔为1mm的坐标点：(m1,n1)、(m2,n2)、……、(m_i,n_i)，运用公式：L²＝(m_i+1-m_i)²+(n_i+1-n_i)²计算出相邻两点间平均距离L，即可计算1mm距离的象素值Y，计算公式为：Y＝(L1+L2+……+L_i)/i，最终得出实测距离与测量的像素值的等比例换算式。使用相同像素拍摄的图片，在做最后计算时，都可以按照该等比例换算式进行换算。

实施例：通过拟合曲线研究豚鼠眼球形态变化。

附图4中显示的是8周龄与3周龄豚鼠离体眼球形态对比图。图A为对8周龄豚鼠眼球角膜侧面进行圆拟合结果，可观察其曲率半径，图B为将图A拟合后的拟合曲线方程经差值角度旋转并移动至与3周龄豚鼠眼球角膜侧面圆拟合曲线同一圆心，由B图可明显对比出8周龄与3周龄豚鼠眼球角膜曲率半径的变化：8周龄豚鼠眼球角膜曲率半径比3周龄豚鼠眼球角膜曲率半径大。图C为对8周龄豚鼠眼球后极部巩膜圆锥曲线拟合结果，图D为将图C拟合后的拟合曲线方程经差值角度旋转并移动至与3周龄豚鼠眼球后极部巩膜圆锥曲线拟合的拟合曲线同一圆心，通过图D可以明显看出8周龄与3周龄豚鼠眼球以后极部为基准的眼轴长度的变化：8周龄豚鼠眼球眼轴长度比3周龄豚鼠眼球眼轴长度稍长。图E为对8周龄豚鼠眼球角膜正面圆锥曲线拟合结果，图F为将图E拟合后的拟合曲线方程经差值角度旋转并移动至与3周龄豚鼠眼球角膜正面圆锥曲线拟合的拟合曲线同一圆心，通过图F可以明显看出8周龄与3周龄豚鼠眼球以角膜为基准的眼轴长度的变化：8周龄豚鼠眼球眼轴长度比3周龄豚鼠眼球眼轴长度稍长。以上8周龄豚鼠与3周龄豚鼠眼球形态的对比，除了可以通过观察拟合曲线得到结果，为了结果的精确性，还可以通过几何公式：椭圆面积S＝πab(π为圆周率，a为长轴，b为短轴)，即可比较不同周龄或不同实验干预组之间的眼球横截面积。通过离心率计算公式计算得出相应的数值结果，通过数值的对比即可精确评估不同眼球“圆”的程度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种离体测量计算实验动物眼球形态及眼轴和曲率的方法，其特征在于，采用光学仪器对离体眼球进行固定位置拍摄，并通过数字化模拟方法计算实验动物眼球形态及眼轴和曲率，包括以下步骤：

a.对实验动物进行正面拍照后，在过量麻醉法处死的实验动物角膜缘边缘正上方进行针尖点状烧灼标记，取出眼球，清除眼球筋膜组织；

b.对眼球进行拍摄，拍摄过程中保证所有图片像素不变，拍摄步骤如下：

i).固定好微距仪，在距微距仪10cm处设置固定不动的拍摄位置，并确定拍摄位置的聚焦中心点，做上标记；

ii).在距聚焦中心点正上方5mm高度的位置放置标尺，将标尺上垂直对应聚焦中心点的刻度读数处做标记；

iii).将步骤a中处理好的眼球放到固定的拍摄位置的聚焦中心处，分别对左右两只眼球的正上方、侧方、正前方及后方四个方位，使用微距仪进行拍摄，获得眼球包括角膜及后极部巩膜部分的图片；

c.将拍摄的图片导入Matlab数学分析软件，图片根据其长宽分辨率的数值在Matlab中对应于一个二维的坐标系，图片的每个点在Matlab中均有其对应的坐标值，将导入的图片予canny算子法对其进行边缘检测，去除非目标区域，保留眼球角膜边缘曲线和后极部巩膜边缘曲线的信息；

d.使用find函数对眼球角膜边缘曲线和后极部巩膜边缘曲线进行坐标识别，可分别获得角膜及巩膜的曲线坐标，再根据最小二乘法原理，对角膜曲线和巩膜曲线进行圆锥曲线拟合，通过像素转换，即可计算角膜在水平及垂直方向的曲率半径，以及眼轴长度。

2.根据权利要求1所述的一种离体测量计算实验动物眼球形态及眼轴和曲率的方法，其特征在于，在距聚焦中心点正上方5mm高度的位置放置标尺，该放置标尺的位置相当于实验动物眼球中心的位置。

3.根据权利要求1所述的一种离体测量计算实验动物眼球形态及眼轴和曲率的方法，其特征在于，所述的曲线拟合采用圆锥曲线通用方程：Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0拟合曲线。

4.根据权利要求1所述的一种离体测量计算实验动物眼球形态及眼轴和曲率的方法，其特征在于，计算曲率半径和眼轴长度时要进行实测距离与测量的像素值的等比例换算，换算过程如下：图片导入Matlab中以后，依次取距标尺刻度平均间隔为1mm的坐标点：(m₁,n₁)、(m₂,n₂)、……、(m_i,n_i)，运用公式：L²＝(m_i+1-m_i)²+(n_i+1-n_i)²计算出相邻两点间平均距离L，即可计算1mm距离的像素值Y，计算公式为：Y＝(L₁+L₂+……+L_i)/i，i代表测量的坐标点的个数，最终得出实测距离与测量的像素值的等比例换算式。

5.根据权利要求1所述的一种离体测量计算实验动物眼球形态及眼轴和曲率的方法，其特征在于，步骤c中得到的眼球角膜边缘曲线和后极部巩膜边缘曲线的信息可用于观察实验动物眼球形态变化。