CN105231990A - 基于oct三维成像分析角膜生物力学性能的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于OCT三维成像分析角膜生物力学性能的装置及方法，其中所述装置包括OCT系统、主控机、角膜固定器、眼内压控制器和压力传感器力，OCT系统包括低相干光源、光纤耦合器、参考臂、光谱仪、光纤准直器、二维扫描振镜和汇聚透镜。本发明所述分析角膜生物力学性能的装置及方法，通过光谱仪将干涉光谱信息传输到主控机上的方式，使主控机经过光谱解析后获得了角膜结构信息，实现了角膜生物力学性能参数的获得供疾病的诊断和研究使用。
Description
技术领域
本发明涉及角膜生物力学性能测量技术技术领域，尤其涉及一种基于OCT三维成像分析角膜生物力学性能的装置及方法。
背景技术
角膜是位于眼球最前端的透明组织，为眼球提供保护并提供了大约70%的屈光功能。角膜的生物力学性能与构成角膜组织的材料性质以及角膜的外形结构例如厚度、曲率等参数相关，角膜的生物力学性能主要表现在角膜可以抵消眼内压，保持角膜自身形态和保护眼球视力。目前，角膜的生物力学性能在临床医学中被逐渐重视，例如屈光手术、青光眼以及圆锥角膜病症都需要考虑角膜的生物力学性能。通过分析角膜的生物力学性能可以直接判断出角膜的功能是否退化。因此，正确了解角膜生物力学性能，对临床检查和治疗有着非常重要的作用。
离体角膜的膨胀实验，不但保持了角膜的完整性，而且可以对整个角膜的机械性能进行分析。在英国邓迪大学的Elsheikh, A.等人（Elsheikh, A., B. Geraghty, P. Rama, M. Campanelli and K. M. Meek （2010）. “Characterization
of age- related variation in corneal biomechanical properties.” Journal of the Royal Society Interface 7（51）: 1475-1485.）提出的角膜膨胀实验中，采用单点激光光束测量角膜表面弧顶位移可以获得角膜生物力学性能随不同年龄阶段的变化特点。但是，在该角膜膨胀实验中存在以下不足之处：1）只能获得角膜顶点的位移变化，不能获得角膜整体的变化情况；2）角膜的厚度、曲率等结构信息需要用其他设备单独测量；3）角膜厚度的变化情况不能检测；4）角膜局部的变化情况不能检测。
OCT（Optical coherence tomography，光学相干成像术）技术是一种新兴的光学成像技术，可以对组织断层结构进行高速、高分辨率、非侵入的成像，在临床医学研究和诊断中起着重要的作用，尤其在眼科医学中，OCT设备已经成为眼科诊断和临床筛查的不可或缺的工具。采用眼前节OCT成像设备可以获得眼前节的结构信息，例如可以获得角膜的厚度，曲率半径，前方深度，厚度地形图，曲率地形图等。将OCT成像技术与角膜膨胀测量相结合，可以直观地研究角膜在膨胀过程中角膜形态的变化情况，为系统性分析角膜生物力学性能提供更加完善的数据信息。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于OCT三维成像分析角膜生物力学性能的装置及方法，以获得角膜的生物力学性能参数，供疾病的诊断和研究使用。
于是，本发明提供了一种基于OCT三维成像分析角膜生物力学性能的装置，该装置包括：OCT系统、用于控制和测量眼内压并同步获得角膜OCT图像的主控机、用于固定离体角膜的角膜固定器、与角膜固定器连接用于控制角膜固定器内压力的眼内压控制器和与角膜固定器连接用于采集角膜所受压力，即眼内压的压力传感器，所述OCT系统包括低相干光源、光纤耦合器、参考臂、光谱仪、光纤准直器、二维扫描振镜和汇聚透镜，低相干光源发出的测量光通过光纤进入到光纤耦合器，经过光纤耦合器分光后，一端进入参考臂，另一端通过光纤准直器进行准直，准直后的测量光通过二维扫描振镜和汇聚透镜后照射到角膜上，角膜返回所述测量光，并和参考臂返回的测量光在光纤耦合器处发生干涉，干涉光进入光谱仪，经过光谱仪将干涉光谱信息传输到主控机上，主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息。
其中，所述主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息包括：主控机根据眼内压和角膜顶点位移曲线建立应力和应变之间的关系，通过下列公式计算得到角膜组织的弹性：
，其中E为角膜的弹性模量，p为角膜所受的眼内压，R是角膜的曲率半径，D是角膜的位移变化量，T是角膜的平均厚度，是角膜的泊松比，通过膨胀测试获得的角膜随眼内压变化的顶点位移曲线，计算曲线的斜率从而确定p/D的值。
所述主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息包括：主控机通过眼内压控制器可以控制眼内压连续变化，主控机通过压力传感器可以实时采集得到眼内压的变化，随着眼内压连续升高和下降，同步采集角膜OCT图像，得到角膜随眼内压变化而产生的应变。
其中，所述同步采集角膜OCT图像包括：采集到的低相干光源的中心波长和带宽用以确定OCT图像的纵向分辨率，采集到的光谱仪的光谱分辨率和解析速度用以分别确定OCT图像的纵向成像深度和扫描速度，二维扫描振镜提供OCT图像的横向扫描范围，控制二维扫描振镜的扫描方式获得眼前节二维结构图和眼前节三维结构图。
二维扫描振镜的扫描方式为单振镜扫描时，获得眼前节二维结构图，二维扫描振镜的扫描方式为两个振镜联合扫描时，获得眼前节三维结构图。
所述汇聚透镜为可将入射平行光汇聚到一个平面上的平场镜，所述眼内压控制器为注射泵或者活塞泵装置。
所述角膜固定器内充满生理盐水用以模拟房水。
本发明还提供了一种基于OCT三维成像分析角膜生物力学性能的方法，该方法包括：
使低相干光源发出的测量光通过光纤进入到光纤耦合器，测量光在光纤耦合器内分光后，一端进入参考臂，另一端通过光纤准直器进行准直；
光纤准直器准直后的测量光通过二维扫描振镜和汇聚透镜后，照射到角膜上；
角膜返回所述测量光，并和参考臂返回的测量光一并进入到光纤耦合器，在光纤耦合器处发生干涉；
所述干涉光进入光谱仪，并经过光谱仪将干涉光谱信息传输到主控机上，主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息。
其中，所述主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息包括：主控机根据眼内压和角膜顶点位移曲线建立应力和应变之间的关系，通过下列公式计算得到角膜组织的弹性：
，其中E为角膜的弹性模量，p为角膜所受的眼内压，R是角膜的曲率半径，D是角膜的位移变化量，T是角膜的平均厚度，是角膜的泊松比，通过膨胀测试获得的角膜随眼内压变化的顶点位移曲线，计算曲线的斜率从而确定p/D的值。
其中，所述主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息包括：主控机通过眼内压控制器可以控制眼内压连续变化，主控机通过压力传感器可以实时采集得到眼内压的变化，随着眼内压连续升高和下降，同步采集角膜OCT图像，得到角膜随眼内压变化而产生的应变。
本发明所述基于OCT三维成像分析角膜生物力学性能的装置及方法，通过使低相干光源发出的测量光通过光纤进入到光纤耦合器，测量光在光纤耦合器内分光后，一端进入参考臂，另一端通过光纤准直器进行准直，光纤准直器准直后的测量光通过二维扫描振镜和汇聚透镜后，照射到角膜上，角膜返回所述测量光，并和参考臂返回的测量光一并进入到光纤耦合器，在光纤耦合器处发生干涉，干涉光进入光谱仪，并经过光谱仪将干涉光谱信息传输到主控机上，主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息的方式，实现了角膜生物力学性能参数的获得，获得的角膜生物力学性能参数供疾病的诊断和研究使用。
附图说明
图1是本发明实施例所述基于OCT三维成像分析角膜生物力学性能的装置的结构框图；
图2是图1所示装置的进一步细化结构框图；
图3是图1所示角膜固定装置的结构示意图；
图4是使用图1所示装置采集角膜横截面的OCT图像；
图5是使用图1所示装置测量角膜所受眼内压和角膜弧顶位移关系图；
图6是角膜在不同眼内压下的三维图；
图7是角膜位移地形图；
图8是本发明一种实施例操作流程图；
图9是本发明一种实施例数据处理流程图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明进行详细描述。
如图1至图3所示，本实施例提供了一种所述基于OCT三维成像分析角膜生物力学性能的装置，该装置包括：OCT系统1、用于控制和测量眼内压并同步获得角膜OCT图像的主控机2、用于固定离体角膜的角膜固定器5、与角膜固定器5连接用于控制角膜固定器5内压力的眼内压控制器4和与角膜固定器5连接用于采集角膜6所受压力，即眼内压的压力传感器力3。
其中，所述OCT系统1进一步包括：低相干光源11、光纤耦合器12、参考臂13、光谱仪14、光纤准直器15、二维扫描振镜16和汇聚透镜17。低相干光源11发出的测量光通过光纤进入到光纤耦合器12，经过光纤耦合器12分光后，一端进入参考臂13，另一端通过光纤准直器15进行准直，准直后的测量光通过二维扫描振镜16和汇聚透镜17后照射到角膜6上，角膜6返回所述测量光，并和参考臂13返回的测量光在光纤耦合器12处发生干涉，干涉光进入光谱仪14，经过光谱仪14将干涉光谱信息传输到主控机2上，主控机2经过光谱解析后获得角膜结构信息。
其中，低相干光源11的中心波长和带宽用于确定OCT图像的纵向分辨率，光谱仪14的光谱分辨率和解析速度分别确定OCT图像的纵向成像深度和扫描速度。二维扫描振镜16确定OCT图像的横向扫描范围和扫描方式。扫描方式可以为单振镜扫描实现二维成像，也可以是两个振镜联合扫描实现三维成像，因此通过控制二维扫描振镜16可以获得的眼前节二维结构图和眼前节三维结构图。汇聚透镜17，一般为平场镜，即将入射平行光汇聚在一个平面上。
眼球7与压力传感器3以及眼内压控制器4连接；或者离体角膜6放置在角膜固定器5上，角膜固定器5内充满生理盐水模拟房水，压力传感器3和眼内压控制器4与角膜固定器5连接；眼内压控制器4采用注射泵或者活塞泵装置，控制角膜固定器内的压力；压力传感器3测量角膜所受压力作为眼内压。
主控机2主要用于控制眼内压、测量眼内压并同步获得角膜的OCT图像。通过眼内压控制器，可以控制眼内压连续变化。通过压力传感器可以实时采集得到眼内压的变化情况。随着眼内压连续升高和下降的过程中，同步采集角膜OCT图像，得到角膜随眼内压变化而产生的应变情况。根据眼内压和角膜顶点位移曲线建立应力和应变之间的关系，通过公式计算得到角膜组织的弹性：
E为角膜的弹性模量，p为角膜所受的眼内压，R是角膜的曲率半径，D是角膜的位移变化量，T是角膜的平均厚度，是角膜的泊松比。通过膨胀测试获得的角膜随眼内压变化的顶点位移曲线，计算曲线的斜率从而确定p/D的值。
相应的，使用上述装置，本实施例还提供了一种基于OCT三维成像分析角膜生物力学性能的方法，该方法包括：
使低相干光源发出的测量光通过光纤进入到光纤耦合器，测量光在光纤耦合器内分光后，一端进入参考臂，另一端通过光纤准直器进行准直；
光纤准直器准直后的测量光通过二维扫描振镜和汇聚透镜后，照射到角膜上；
角膜返回所述测量光，并和参考臂返回的测量光一并进入到光纤耦合器，在光纤耦合器处发生干涉；
所述干涉光进入光谱仪，并经过光谱仪将干涉光谱信息传输到主控机上，主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息。
其中，所述主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息包括：主控机根据眼内压和角膜顶点位移曲线建立应力和应变之间的关系，通过下列公式计算得到角膜组织的弹性：
，其中E为角膜的弹性模量，p为角膜所受的眼内压，R是角膜的曲率半径，D是角膜的位移变化量，T是角膜的平均厚度，是角膜的泊松比，通过膨胀测试获得的角膜随眼内压变化的顶点位移曲线，计算曲线的斜率从而确定p/D的值。
其中，所述主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息包括：主控机通过眼内压控制器可以控制眼内压连续变化，主控机通过压力传感器可以实时采集得到眼内压的变化，随着眼内压连续升高和下降，同步采集角膜OCT图像，得到角膜随眼内压变化而产生的应变。
如图4至图6所示，采集角膜OCT，进行图像处理、边界识别后获得角膜前后表面边界信息，分析角膜前表面弧顶位移、角膜表面位移图、角膜曲率变化图、角膜厚度变化图等。再联合所受眼内压与角膜前表面弧顶位移的关系即p-D图，定量计算获得角膜弹性。根据角膜三维变化图可以分析角膜生物力学性能，为相应的诊断和研究提供有力的支持。
如图8所示，在使用本实施例所述装置测量过程中，首先进行OCT系统自动校正，这里主要有光谱仪对位，光谱定标等工作；将扫描装置对准角膜中心，可以对角膜结构进行实时监视；眼内压设定在初始值。测试开始后，眼内压控制器控制眼内压连续匀速上升，当每经过𝛥t的时间时，采集一幅角膜OCT三维图像以及此时的眼内压值；在到达所设定的最大眼内压值后，眼内压控制器控制眼内压连续匀速下降直至所设定的初始值，当每经过𝛥t的时间时，采集一幅角膜OCT三维图像以及此时的眼内压值。如图6和7所示，表示角膜分别在所受眼内压为IOP1和IOP2时，对应的角膜三维结构图。
如图9所示，在使用本实施例所述装置测量过程中，获得的角膜OCT图像需要进行去噪和信号增强的图像预处理，之后对角膜边界进行识别、滤波，对角膜参数进行定标并获得角膜三维图像，进过分析得到角膜位移图、角膜曲率图和角膜厚度图；根据角膜顶点变化曲线计算得到角膜顶点位移曲线，并联合角膜所受同步眼内压变化曲线，结合所提供公式计算得到角膜弹性值。
综上所述，本实施例所述基于OCT三维成像分析角膜生物力学性能的装置及方法，通过使低相干光源发出的测量光通过光纤进入到光纤耦合器，测量光在光纤耦合器内分光后，一端进入参考臂，另一端通过光纤准直器进行准直，光纤准直器准直后的测量光通过二维扫描振镜和汇聚透镜后，照射到角膜上，角膜返回所述测量光，并和参考臂返回的测量光一并进入到光纤耦合器，在光纤耦合器处发生干涉，干涉光进入光谱仪，并经过光谱仪将干涉光谱信息传输到主控机上，主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息的方式，实现了角膜生物力学性能参数的获得，获得的角膜生物力学性能参数供疾病的诊断和研究使用。
以上结合附图所描述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式，例如OCT系统可以为扫频OCT系统，并不是对本发明的保护范围的设定，任何基于本发明的思路所做的改进都理应在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于OCT三维成像分析角膜生物力学性能的装置，其特征在于，包括OCT系统、用于控制和测量眼内压并同步获得角膜OCT图像的主控机、用于控制眼内压力的眼内压控制器和用于采集角膜所受压力，即眼内压的压力传感器力，眼球与压力传感器及眼内压控制器连接，或者离体角膜放置在角膜固定器上，角膜固定器内充满生理盐水模拟房水，压力传感器和眼内压控制器与角膜固定器连接，所述OCT系统包括低相干光源、光纤耦合器、参考臂、光谱仪、光纤准直器、二维扫描振镜和汇聚透镜，低相干光源发出的测量光通过光纤进入到光纤耦合器，经过光纤耦合器分光后，一端进入参考臂，另一端通过光纤准直器进行准直，准直后的测量光通过二维扫描振镜和汇聚透镜后照射到角膜上，角膜返回所述测量光，并和参考臂返回的测量光在光纤耦合器处发生干涉，干涉光进入光谱仪，经过光谱仪将干涉光谱信息传输到主控机上，主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息包括：主控机根据眼内压和角膜顶点位移曲线建立应力和应变之间的关系，通过下列公式计算得到角膜组织的弹性：
，其中E为角膜的弹性模量，p为角膜所受的眼内压，R是角膜的曲率半径，D是角膜的位移变化量，T是角膜的平均厚度，是角膜的泊松比，通过膨胀测试获得的角膜随眼内压变化的顶点位移曲线，计算曲线的斜率从而确定p/D的值。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息包括：主控机通过眼内压控制器可以控制眼内压连续变化，主控机通过压力传感器可以实时采集得到眼内压的变化，随着眼内压连续升高和下降，同步采集角膜OCT图像，得到角膜随眼内压变化而产生的应变。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述同步采集角膜OCT图像包括：采集到的低相干光源的中心波长和带宽用以确定OCT图像的纵向分辨率，采集带的光谱仪的光谱分辨率和解析速度用以分别确定OCT图像的纵向成像深度和扫描速度，二维扫描振镜提供OCT图像的横向扫描范围，控制二维扫描振镜的扫描方式获得眼前节二维结构图和眼前节三维结构图。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，二维扫描振镜的扫描方式为单振镜扫描时，获得眼前节二维结构图，二维扫描振镜的扫描方式为两个振镜联合扫描时，获得眼前节三维结构图。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述汇聚透镜为可将入射平行光汇聚到一个平面上的平场镜，所述眼内压控制器为注射泵或者活塞泵装置。
7.一种使用权利要求1-6任意一项所述的装置分析角膜生物力学性能的方法，其特征在于，包括：
使低相干光源发出的测量光通过光纤进入到光纤耦合器，测量光在光纤耦合器内分光后，一端进入参考臂，另一端通过光纤准直器进行准直；
光纤准直器准直后的测量光通过二维扫描振镜和汇聚透镜后，照射到角膜上；
角膜返回所述测量光，并和参考臂返回的测量光一并进入到光纤耦合器，在光纤耦合器处发生干涉；
所述干涉光进入光谱仪，并经过光谱仪将干涉光谱信息传输到主控机上，主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息包括：主控机根据眼内压和角膜顶点位移曲线建立应力和应变之间的关系，通过下列公式计算得到角膜组织的弹性：
，其中E为角膜的弹性模量，p为角膜所受的眼内压，R是角膜的曲率半径，D是角膜的位移变化量，T是角膜的平均厚度，是角膜的泊松比，通过膨胀测试获得的角膜随眼内压变化的顶点位移曲线，计算曲线的斜率从而确定p/D的值。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息包括：主控机通过眼内压控制器可以控制眼内压连续变化，主控机通过压力传感器可以实时采集得到眼内压的变化，随着眼内压连续升高和下降，同步采集角膜OCT图像，得到角膜随眼内压变化而产生的应变。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述同步采集角膜OCT图像包括：采集到的低相干光源的中心波长和带宽用以确定OCT图像的纵向分辨率，采集带的光谱仪的光谱分辨率和解析速度用以分别确定OCT图像的纵向成像深度和扫描速度，二维扫描振镜提供OCT图像的横向扫描范围，控制二维扫描振镜的扫描方式获得眼前节二维结构图和眼前节三维结构图。
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