CN105167805A - 一种测量角膜弹性的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量角膜弹性的方法，包括以下步骤：利用印压头压向角膜；利用力学传感器实时测量角膜所受到的压力F；通过印压头向角膜实时发射检测信号，并接收角膜、晶状体、及眼底组织反射回来的反射信号；通过反射回来的反射信号，得到角膜的结构变化信息，并提取角膜的压陷位移、角膜的厚度t；获得角膜图像并提取角膜的曲率半径r；利用力学方程获得角膜的弹性模量。本发明提供的角膜弹性测量装置，可以准确检测角膜在受压时变化的各参数数据，并由此可测量出角膜的真实弹性数据。

Description

一种测量角膜弹性的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量角膜弹性的方法，本发明还涉及一种测量角膜弹性的装置。

背景技术

角膜弹性是反映角膜对抗眼内压保护角膜的能力，对角膜形状和透明度的维持、屈光手术的设计、人工角膜的研发等均有重要作用。很多角膜的病理状态与其弹性密切相关，特别角膜扩张类疾病，如圆锥角膜、角膜边缘变性、准分子激光原位角膜磨镶术(LASIK)后医源性角膜扩张等。近几年来，在美国和欧洲选择LASIK手术的患者每年都超过60万人，而在中国，每年角膜屈光手术量达到近100万人。据不完全统计，LASIK术后角膜扩张发生率在0.04-0.6％，其中85％以上是因为现有技术无法筛查出的临床前期或具有圆锥角膜潜在发病性质的患者，而由于手术不当或破坏过多引起的术后角膜扩张反而较少。又因为其中50％以上的LASIK术后角膜病例多在术后一年以后发生，个别角膜扩张病例甚至可能在术后10年以后发生，所以临床上实际发生率可能更高，了解角膜弹性对上述角膜疾病的诊断与治疗有重要参考价值。此外，角膜弹性还会影响眼内压的测量结果，并且是青光眼视神经疾病的一种独立危险因素。

现有的在体角膜生物力学测量技术，如眼反应分析仪(ORA，OculusResponseAnalyzer)通过测量角膜受到空气脉冲作用下压陷之后回弹，两次压平位置时的压力差来分析角膜的生物力学特性。这种眼反应分析仪只能提供角膜生物力学的间接信息，不能够直接计算角膜的真实弹性值；可视化角膜生物力学分析仪(CorvisST,CornealVisualScheimpflugTechnology)可以动态监视角膜收到空气脉冲作用下角膜运动过程，从而得到角膜的响应特性，但是所采用的Scheimpflug技术存在对于角膜表面判定的几何失真和光学畸变的情况。因此，不能准确记录角膜响应特性以及真实弹性值。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种测量角膜弹性的方法及装置。

为了实现上述的目的，本发明的技术方案是：一种测量角膜弹性的方法，包括以下步骤：

a、利用印压头压向角膜；

b、利用力学传感器实时测量角膜所受到的压力F；

c、通过印压头向角膜实时发射检测信号，并接收角膜、晶状体、及眼底组织反射回来的反射信号；

d、通过反射回来的反射信号，得到角膜的结构变化信息，并提取角膜的压陷位移δ、角膜的厚度t；

e、获得角膜图像并提取角膜的曲率半径r；

f、利用力学方程获得角膜的弹性模量。

优选的是，所述角膜图像和角膜的曲率半径r由如下步骤得到：

a、扫描所述的检测信号，并由角膜反射所述的反射信号；

b、由所述的由角膜反射的反射信号得到角膜图像；

c、利用所述的角膜图像提取角膜的曲率半径r。

优选的是，所述角膜图像和角膜的曲率半径r由如下步骤得到：

a、向角膜发射环状点阵光斑，并由角膜反射所述环状点阵光斑；

b、由汇聚透镜将反射的环状点阵光斑聚焦到图像采集设备上；

c、由所述图像采集设备得到有光斑分布的角膜图像；

d、利用所述的有光斑分布的角膜图像提取角膜的曲率半径r。

优选的是，利用OCT测量装置或超声波测量装置获得角膜的结构变化信息。

优选的是，所述的角膜的压陷位移δ是对从晶状体或眼底组织反射回来的发射信号的分析得到。

优选的是，所述用于计算角膜的弹性模量的力学方程为：其中a为角膜几何常数因子，υ是角膜的泊松比。

优选的是，所述印压头为柱状超声探头。

本发明还提供了一种测量角膜弹性的装置，包括可移动的印压头，以及用于检测角膜所受压力的压力传感器，检测信号发射装置，以及用于接收反射回来的反射信号的并得到角膜结构变化信息的结构检测装置，还包括用于形成角膜图像并提取角膜的曲率半径的成像装置。

优选的是，所述结构检测装置为OCT测量装置。

优选的是，所述成像装置为由多个LED构成的环型点光源及采集角膜上放射的环状点阵光斑的图像采集设备所组成。

本发明提供的角膜弹性测量装置，可以准确检测角膜在受压时变化的各参数数据，并由此可测量出角膜的真实弹性数据。

附图说明

图1是本发明角膜弹性测量装置一种实施例的部分结构示意图；

图2是本发明角膜弹性测量装置一种实施例测量角膜受力情况时候，角膜印压装置结构示意图；

图3是本发明角膜弹性测量装置一种实施例测量角膜曲率半径时候，环形LED灯成像示意图；

图4是本发明角膜弹性测量装置一种实施例测量角膜结构时候，角膜OCT结构示意图；

图5是本发明角膜弹性测量装置一种实施例测量角膜所受压力和角膜位移关系图；

图6是本发明角膜弹性测量装置一种实施例测量角膜弹性的流程示意图；

图7是本发明角膜弹性测量装置一种实施例测量角膜结构的流程示意图；

图8是本发明角膜弹性测量装置一种实施例印压头压陷角膜过程的示意图；

图9是本发明角膜弹性测量装置另外一种实施例的部分结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明解决的技术问题、采用的技术方案、取得的技术效果易于理解，下面结合具体的附图，对本发明的具体实施方式做进一步说明。

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种测量角膜弹性的装置，其包括由多个LED构成的环型点光源6、图像采集CCD设备9、角膜印压装置4、OCT测量装置18，以及耦合OCT测量装置18和图像采集CCD设备9的二向分光镜7，参考图1。

参考图2、图8，角膜印压装置4包括印压头19，其作用是：开始印压头19接触角膜顶点位置，然后印压装置带动印压头19压陷角膜，角膜受到向内的压力向后凹陷，所受压力经过有固定支撑点21的支撑杆20传递后，由力学传感器22探测获得角膜所承受的压力。

印压头19是一个透明的装置，可以使OCT光穿过并测量角膜的变形。OCT光可以静止成为单点也可以扫描来测量角膜的结构以及形变。印压头19也可以是一个超声传感器探头，此时超声传感器即是印压头压陷角膜，又可以测量角膜结构以及形变。

其中，环形点光源6发出环状点阵光斑照射到角膜表面，该光斑被角膜反射后，经二向分光镜7，由汇聚透镜8聚焦到图像采集CCD设备9，从而可以得到光斑在角膜上的分布图像，通过对图像的分析可以获得角膜的曲率信息。

一般地，角膜曲率采用球面镜成像方法计算。角膜可以近似为曲率半径为r，焦长为f的球面反射镜。参考图3，LED光斑h经过角膜反射所成的像h’，光斑h和像h’的距离为d，光斑h到角膜焦点的距离为x。

由成像公式可以得到：h/h’＝-f/x＝-r/2x

通常情况下，对于球面镜f＝r/2；由于角膜的曲率半径远小于工作距离，因此x＝d,从而，角膜曲率半径r＝-2dh’/h。

OCT测量装置18负责测量角膜的结构以及角膜的位移，其中OCT测量装置18可以采用本领域技术人员所熟知的构造。OCT技术为光学相干断层扫描技术(OpticalCoherenceTomography,OCT)，它利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到生物组织二维或三维结构图像。

图1示出了其中一种OCT测量装置的具体实施例，其中包括：作为检测光源的弱相干光源16；其发出的光经过耦合器13分成两束，分别进入参考臂和样品臂，然后经过参考臂和样品臂的反射后，返回耦合器13；其中，准直镜15和可移动反射镜14组成参考臂光路；偏振控制器12、扫描镜10、汇聚镜11、二向分光镜7和印压头19组成样品臂光路；差分探测装置17获得由参考臂和样品臂返回在耦合器干涉后的信号，经过信号采集处理后得到角膜的结构和位移信息。

由弱相干光源16发出探测光，经过耦合器13分光后，分别进入参考臂和样品臂，探测光由汇聚镜11聚焦，并经过扫描镜10和二向分光镜7的反射以及印压头19的透射后，汇聚到角膜上；携带角膜结构信息以及眼前节信息的返回光12与参考臂反射光发生干涉，干涉信号进过耦合器13之后由差分探测器17探测提取出角膜的结构和位移信息。

本实施例中弱相干光源16采用中心波长1310nm，最大光功率为5mW的近红外SLED光源。耦合器13采用2*2端口的光纤耦合器，可以把从一个端口入射的光分成两束出射光；也可以把从两个端口的光耦合在一起然后从另外两个端口射出。参考臂部分通过可移动反射镜14可以实现OCT系统对角膜纵向的扫描。差分探测装置17把相位相反的光信号进过光电转换实现差分输入放大，从而获得具有角膜结构的OCT信息。如图4所示为角膜纵向结构的OCT图，从图中可以确定角膜的前表面、后表面以及晶状体的前表面的位置信息。

角膜的厚度t采用OCT测量角膜获得的纵向结构信息获得，厚度t为角膜前表面与后表面的距离差。角膜的形变由测量压陷过程中角膜相对于晶状体前表面的位移计算获得；也可以计算压陷距离获得。角膜的弹性模量(杨氏模量)基于Imbert-Fick原理，当印压头接触并压陷角膜，根据力学平衡模型可以推导出角膜弹性模量的计算公式：

$E=\frac{a\left(r-t/2\right)\sqrt{1-{\mathrm{\υ}}^2}}{t^2}\frac{dF}{d\mathrm{\δ}}$

其中，r为角膜的曲率半径，t为角膜的厚度，υ是角膜的泊松比，F为角膜所受的压力，δ为角膜压陷的位移，dF/dδ表示压力-位移曲线的斜率，参考图5，a是角膜几何常数因子。

通常认为角膜为几何不可压缩的组织，角膜的泊松比υ一般设置为0.45；

角膜几何常数因子a跟角膜曲率、厚度、泊松比、印压头和角膜接触面积的相关。与以下计算公式对应：

$\mathrm{\μ}=r_0{\[\frac{12(1-{\mathrm{\υ}}^2)}{{(r-t/2)}^2{t}^2}\]}^{1/4}$

r₀为印压头和角膜接触面积。

角膜几何常数因子a和参数μ的关系由以下列表决定：

眼内压(IOP)为角膜在某一个压平状态时，角膜所受压力与角膜压平面积的比值。角膜压平是的面积由OCT扫描角膜的结构可以计算得到，所受压力由力学传感器22记录。本发明可以采用不同尺寸大小的印压头19既可以压陷角膜来测量角膜的弹性，也可以压平角膜来测量眼内压。

以上内容主要是为了结合具体的优选实施方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定为本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属相关技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思前提下，能够做出一些简单推演或者替换，都应当视为属于本发明的保护范围。例如，实施例中所采用角膜结构及位移的OCT测量装置，可以用时域OCT技术，还可以用频域、扫频OCT技术，也可以采用超声测量技术等，诸如此类，不再穷举。

在本发明另一实施方式中，所述印压头19为采用超声探头，可以即作为印压头压陷角膜，同时又作为角膜结构和形变的检测装置。如图9所示，OCT测量装置18由超声装置取代，印压头19中心位置安装超声装置，印压头19、CCD装置9通过汇聚透镜，环形点光源6、印压头19可以实时监视和对位角膜。

本发明还提供了一种检测角膜弹性的方法，包括以下步骤：

a、利用印压头压向角膜；

b、利用力学传感器实时测量角膜所受到的压力F；

c、透过印压头向角膜实时发射OCT检测信号，并接收角膜反射回来的OCT反射信号；

d、通过反射回来的反射信号，获得反射信号在角膜上的分布图像，提取角膜的曲率半径r；

d、通过反射回来的OCT反射信号，得到角膜的结构变化信息，并提取角膜的压陷位移、角膜的厚度t；

e、建立力学平衡模型，获得角膜的弹性模量。

在本发明一个具体的实施方式中，所述检测信号为环状点阵光斑，所述环状点阵光斑被角膜反射后，由汇聚透镜聚焦到图像采集CCD设备上，得到光斑在角膜上的分布图像。优选的是，利用OCT测量装置获得角膜的结构变化信息。优选的是，所述印压头压陷的范围为0.2mm-1.5mm。

例如参考图6，开始测量的时候，角膜印压装置复位，力学传感器和OCT系统校准，OCT系统工作，测量装置通过CCD图像和OCT信号对位角膜中心并正好接触角膜表面；印压头压陷角膜。角膜所受压力由力学传感器记录，角膜结构与形变由OCT测量装置记录，角膜曲率信息由CCD图像记录，最后根据所记录的各项测量值计算得出角膜的弹性值。参考图7，也可通过探头中的OCT光束进行扫描，从而实现角膜结构的断层图像，记录并保存所获得的角膜OCT图像

本发明已通过优选的实施方式进行了详尽的说明。然而，通过对前文的研读，对各实施方式的变化和增加对于本领域的一般技术人员来说是显而易见的。申请人的意图是所有的这些变化和增加都落在了本发明权利要求所保护的范围中。

Claims (10)

1.一种测量角膜弹性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、利用印压头压向角膜；

b、利用力学传感器实时测量角膜所受到的压力F；

c、通过印压头向角膜实时发射检测信号，并接收角膜、晶状体、及眼底组织反射回来的反射信号；

d、通过反射回来的反射信号，得到角膜的结构变化信息，并提取角膜的压陷位移δ、角膜的厚度t；

e、获得角膜图像并提取角膜的曲率半径r；

f、利用力学方程获得角膜的弹性模量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述角膜图像和角膜的曲率半径r由如下步骤得到：

a、扫描所述的检测信号，并由角膜反射所述的反射信号；

b、由所述的由角膜反射的反射信号得到角膜图像；

c、利用所述的角膜图像提取角膜的曲率半径r。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述角膜图像和角膜的曲率半径r由如下步骤得到：

a、向角膜发射环状点阵光斑，并由角膜反射所述环状点阵光斑；

b、由汇聚透镜将反射的环状点阵光斑聚焦到图像采集设备上；

c、由所述图像采集设备得到有光斑分布的角膜图像；

d、利用所述的有光斑分布的角膜图像提取角膜的曲率半径r。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：利用OCT测量装置或超声波测量装置获得角膜的结构变化信息。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的角膜的压陷位移δ是对从晶状体或眼底组织反射回来的发射信号的分析得到。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述用于计算角膜的弹性模量的力学方程为：其中a为角膜几何常数因子，υ是角膜的泊松比。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述印压头为柱状超声探头。

8.一种测量角膜弹性的装置，其特征在于：包括可移动的印压头，以及用于检测角膜所受压力的压力传感器，检测信号发射装置，以及用于接收反射回来的反射信号的并得到角膜结构变化信息的结构检测装置，还包括用于形成角膜图像并提取角膜的曲率半径的成像装置。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述结构检测装置为OCT测量装置。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述成像装置为由多个LED构成的环型点光源及采集角膜上放射的环状点阵光斑的图像采集设备所组成。