CN105611868A - 诊断系统和诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供诊断系统和诊断方法。更具体地说，本公开的实施方案涉及用于检测影响人类角膜的生物力学稳定性的角膜变性的诊断系统，以及用于检测影响人类角膜的生物力学稳定性的角膜变性的诊断方法。再更具体地说，本公开的实施方案涉及用于在早期检测影响人类角膜的生物力学稳定性的角膜变性的诊断系统，以及用于在早期检测影响人类角膜的生物力学稳定性的角膜变性的诊断方法。

Description

诊断系统和诊断方法

技术领域

本公开一般来说涉及诊断系统和诊断方法。更具体地说，本公开的实施方案涉及用于检测圆锥形角膜或影响人类角膜的生物力学稳定性的其它角膜变性的诊断系统，以及用于检测圆锥形角膜或影响人类角膜的生物力学稳定性的其它角膜变性的诊断方法。再更具体地说，本公开的实施方案涉及用于在早期检测圆锥形角膜或影响人类角膜的生物力学稳定性的其它角膜变性的诊断系统，以及用于在早期检测圆锥形角膜或影响人类角膜的生物力学稳定性的其它角膜变性的诊断方法。

背景技术

圆锥形角膜是眼睛的变性病症，其特诊在于中央角膜和/或旁中央角膜的非炎性变薄和变陡。这些结构改变使角膜变成比其正常渐进曲线更圆锥形的形状，且在未治疗时导致患者眼睛的非可逆视觉障碍。圆锥形角膜导致的角膜结构改变还加剧或甚至妨碍LASIK(激光原位角膜磨镶)手术，这是因为具有进一步发展的圆锥形角膜的经过LASIK治疗的角膜以后可导致角膜扩张。

由圆锥形角膜引起的患者的视觉障碍可通过专门改装的眼镜或角巩膜隐形眼镜来矫正。然而，这些矫正对于处于其发病后期的圆锥形角膜不起作用。在这种情况下，只可执行所谓的角膜交联，这可阻止或至少减缓发病。而完全的视觉康复是不可能的。

因此，需要尽可能早地检测圆锥形角膜。

除了圆锥形角膜之外，存在影响人类角膜的生物力学稳定性的其它角膜变性。举例来说，透明边缘角膜变性(缩写：PMD；也称作角膜隆凸)是变性角膜疾病，其特征通常在于角膜的下方和外围区域的清晰的双边变薄(扩张)。具体地说，角膜的中央示出具有完整的中央上皮的正常厚度，但下方角膜展现变薄的外围带。角膜的紧邻角膜缘的部分是薄弱的，通常是约几毫米的条。另外，角膜的鲍曼氏层可能不存在、不规则或具有破裂的区域。

在以下内容中，术语圆锥形角膜可表示影响人类角膜的生物力学稳定性的任何角膜变性。因此，在本说明书全文中，较特定的术语“圆锥形角膜”可用较一般的短语“影响人类角膜的生物力学稳定性的角膜变性”或用表示影响人类角膜的生物力学稳定性的角膜变性的任何术语(诸如“透明边缘角膜变性”)替换。

用于检测圆锥形角膜或影响人类角膜的生物力学稳定性的其它角膜变性的现有诊断系统和诊断方法仅仅基于测量角膜的形貌和检测此形貌中的角膜变形。因此，圆锥形角膜或影响人类角膜的生物力学稳定性的其它角膜变性仅可在发病的相对后期被检测到，其中患者的视觉障碍已有所发展。

发明内容

鉴于以上内容，需要提供一种诊断系统和诊断方法，其允许识别角膜的结构部分和识别角膜的此结构部分的生物力学性质。更具体地说，需要提供一种诊断系统和诊断方法，其允许在早期检测圆锥形角膜或影响人类角膜的生物力学稳定性的其它角膜变性。

本公开是基于以下发现：

为了在早期检测圆锥形角膜或影响人类角膜的生物力学稳定性的其它角膜变性，需要获取角膜的参数，借此可在角膜的临床上表现的肉眼可见的结构改变出现之前可靠地诊断初期圆锥形角膜或影响人类角膜的生物力学稳定性的其它角膜变性。

角膜或角膜的固有结构的单个部分可被认为是线性弹性的、均质的和/或各各向同性材料。角膜的固有结构包括角膜上皮、鲍曼氏层(也称作前界膜)、角膜基质(也称作固有质)、杜瓦层、德斯密氏膜(也称作后界膜)和角膜内皮。

对于病因和在圆锥形角膜或影响人类角膜的生物力学稳定性的其它角膜变性的发病期间，角膜的生物力学性质的改变最有可能是相关的。

生物力学性质可用弹性力学性质和/或粘弹性质表示。这些是与刚性相关的性质。举例来说，生物力学性质可用以下模量中的一个或多个表征：

·纵向模量M(也称作P波模量或侧限模量)，其可描述各向同性均质材料。其可定义为单轴应变状态下的轴向应力与轴向应变的比，其中所有其它非轴向应变是零(即，零横向应变)。

·杨氏模量E(也简称为弹性模量)，其可描述拉伸弹性或在沿着轴线施加相反力时介质沿着该轴线变形的倾向。其可定义为拉伸应力与拉伸应变的比。

·剪切模量G(也称作刚性模量，μ，mu或拉梅第二参数)，其可描述物体在受到相反力作用时剪切的倾向(恒定体积下的形状变形)。其可定义为剪切应力比剪切应变。剪切模量G可以是粘度导数的一部分。

·体积模量K，其可描述体积弹性或介质在所有方向上被均匀地装载时在所有方向上变形的倾向。其可定义为体积应力比体积应变或定义为压缩率的倒数κ(或卡帕)。体积模量K可以被理解为杨氏模量E延伸到三维。

·拉梅第一参数λ_Lame(或λ-拉梅)，其也可描述拉伸弹性或在沿着轴线施加相反力时介质沿着该轴线变形的倾向。

·泊松比ν(或nu，也称作泊松数)，其可描述当在一个方向上压缩介质时，所述介质在垂直于压缩方向的另外两个方向上膨胀的倾向。其可定义为横向应变与轴向应变的比的相反数或膨胀分数(或百分比)除以压缩分数(或百分比)。

应力可定义为因为变形除以被施加力的面积引起的恢复力。应变可定义为应力引起的改变与物体的原始状态的比。

对于均质的各向同性线性弹性介质，可推断出联系以上模量彼此间的关系。举例来说，体积模量K、杨氏模量E和剪切模量G经由泊松比nu互相联系：

$v=\frac{E}{2G}-1=\frac{3K-E}{6K}=\frac{3K-2G}{6K+2G}.---\left(1\right)$

作为进一步实例，体积模量K、剪切模量G和纵向模量M如下互相联系：

$M=K+\frac{4G}{3}.---\left(2\right)$

因此，当已知以上模量中的一些时，可从其计算其它未知模量。

为了测量生物力学性质，其可采用基于布里渊散射(简称：BS)的技术。因而布里渊散射是已知的。简短地说，声子(诸如声学模式，即声波)表示位置依赖性介质内的质量密度变化。因为这些局部压缩，介质的光密度n(即，折射率)局部地改变。这导致了空间周期性光密度变化，其表示用于入射的相干光的衍射光栅。当相干光通过其偏转或反射而与此空间周期性光密度变化相互作用时，布里渊散射发生。由于声子在介质内行进，偏转/反射的光经受多普勒频移。也就是说，布里渊散射的光子改变它们的能量，因此布里渊散射是无弹性的散射过程。光子能量的改变对应于光的频率f或光的波长λ的改变(其中f和λ通过f·λ＝c/n相互联系，其中c是光的真空速度且n是介质的非干扰光密度)，从而导致相对于未偏转/未反射的，即入射光的频率f和波长λ的向上或向下的频率偏移f_B和波长偏移λ_B。因此，分别地，无弹性的布里渊散射光的频率为f±f_B且无弹性的布里渊散射光的波长为λ±λ_B，且除形成所谓的瑞利峰的弹性偏转/反射光之外，布里渊散射光的光谱也包括形成至少一个额外侧峰或边带(即所谓的斯托克斯和/或反斯托克斯峰或斯托克斯和/或反斯托克斯布里渊峰)的非弹性布里渊散射光。一般来说，布里渊散射光子也改变其传播方向，其中偏转/反射BS光的频率偏移f_B通过以下式子依赖于入射的未偏转/未反射光束与偏转/反射布里渊散射光束之间的散射角θ：

$f_B=\±\frac{2\·n\·V}{\mathrm{\λ}}\·\cos (\mathrm{\θ}/2),---\left(3\right)$

其中：

-n是介质的局部光密度(当未由声子改变时)，

-V是声子的速度(即，声波的速度或材料中的音速；V＝Λ·Ω，其中Λ是声子的波长且Ω是声子的频率)，

-λ是入射的(例如，未偏转/未反射)光波在真空中的波长，且

-θ是入射的(例如，未偏转/未反射)光波的传播方向与偏转/反射的布里渊散射光波的传播方向之间的散射角。

按照定义，当θ是零(即θ＝0°)时，入射的未偏转/未反射光波的传播方向反向平行于偏转的/反射的布里渊散射光波的传播方向。分别地，“-”符号对应于斯托克斯布里渊峰且“+”号对应于反斯托克斯布里渊峰。对于|λ_B|〈〈λ，频率偏移f_B经由|f_B|≈c·n·|λ_B|/λ²对应于波长偏移λ_B。

由于频率偏移f_B取决于散射角θ，每个散射角θ涉及特定频率偏移f_B。针对θ＝0°获得频率偏移的最大/最小值f_B＝±2·n·V/λ，θ＝0°对应于布里渊散射光束，其偏转/反射至与入射的未散射/未偏转/未反射光波相反的方向。在θ＝0°的情况下，频率偏移f_B也称作纵向布里渊偏移。

通过用光谱方法分析布里渊散射光束，可确定介质的生物力学性质。举例来说，复数的纵向模量M取决于声子的速度Ⅴ(Reiβ等人，“SpatiallyresolvedBrillouinspectroscopytodeterminetherheologicalpropertiesoftheeyelens”，BiomedicalOpticsExpress，第2卷，第8期，第2144至2159页)：

$M=M_1+{\mathrm{iM}}_2=\mathrm{\ρ}\·V^2+i\·\mathrm{\ρ}\·V^2\·\frac{{\mathrm{\Δf}}_B}{f_B},---\left(4\right)$

其中：

-ρ是声子传播所在的介质的质量密度，且

-Δf_B是BS偏转/反射光束的布里渊散射引起的边带的线宽。

线宽Δf_B对应于声子的寿命的倒数，并表征在通过介质的传播期间的声子(声波)的衰减。举例来说，线宽Δf_B可被测量为斯托克斯或反斯托克斯布里渊峰的半峰全宽(简称：FWMH)或表征频率间隔的光谱宽度的任何其它合适的定义，在该频率间隔期间所有光谱分量的量值等于或大于具有最大值的分量的量值的指定分数。

当布里渊散射光波偏转/反射到入射的未散射/未偏转/未反射的光波的相反方向(即θ＝0°)时，剪切模量G没有贡献(即，G＝0)且纵向模量M等于体积模量K(即，M＝K)，比较方程式(2)。在这种情况下，方程式(4)变成：

$M_1=\frac{{\mathrm{\λ}}^2\·\mathrm{\ρ}}{4\·n^2}\·f_B^2,---\left(5\right)$

以及

$M_2=\frac{{\mathrm{\λ}}^2\·\mathrm{\ρ}}{4\·n^2}\·f_B\·{\mathrm{\Δf}}_B.---\left(6\right)$

M₁描述介质的弹性力学性质。M₂描述介质的粘弹性质。

根据其遵循的方程式(5)和(6)：通过测量从介质反向散射的布里渊散射光束的边带(斯托克斯或反斯托克斯)中的一者的频率偏移f_B，可获得与介质的弹性力学性质相关的信息。通过测量从介质反向散射的布里渊散射光束的边带中的一者的频率偏移f_B和通过测量此边带的线宽Δf_B，可获得与介质的粘弹性质相关的信息。更一般地说，通过提供表示频率偏移f_B和/或线宽Δf_B的数据，可获得关于介质的生物力学性质的信息。

在本公开中，提供诊断系统和诊断方法。

诊断系统包括光学相干断层扫描(简称：OCT)装置，其被配置成发射具有第一波长λ₁的第一测量光束。诊断系统另外包括布里渊散射(简称：BS)分光计，其被配置成发射具有第二波长λ₂的第二光束，其中第二波长λ₂与第一波长λ₁不同。诊断系统还包括光束组合器，其被配置成组合第一光束和第二光束，使得第一光束和第二光束沿着同一光学路径朝角膜传播。诊断系统进一步包括光束引导和聚焦装置，其被配置成将第一光束和第二光束一起聚焦于角膜上或角膜中的预定位置x,y,z。第一和第二光束可至少部分通过角膜并从角膜偏转/反射/散射回到并沿着与已在之前进入角膜上/角膜中的预定位置x,y,z处的焦点的第一和第二光束相反的方向。光束组合器分裂从角膜反向散射的第一和第二光束，使得第一反向散射的光束进入OCT装置而第二反向散射的光束进入BS分光计。OCT装置被配置成干涉分析经由光束组合器从角膜反向散射的第一光束以提供表示角膜的位置依赖性结构性质的OCT数据。BS分光计被配置成用光谱方法分析经由光束组合器从角膜反向散射的第二光束以提供表示反向散射的第二光束的布里渊散射引起的边带的位置依赖性频率偏移f_B(x,y,z)的BS数据。

通过提供表示角膜的位置依赖性结构性质的OCT数据，可获得关于角膜的局部结构的空间分辨信息。另外，通过提供表示反向散射的第二光束的布里渊散射引起的边带的位置依赖性频率偏移f_B(x,y,z)的BS数据，可获得关于角膜的弹性力学和因此生物力学性质的空间分辨信息。由于第一和第二光束一起聚焦于角膜上或角膜中的同一局部位置x,y,z，因此局部结构和生物力学性质关于角膜上/角膜中的一个和同一位置x,y,z。因此，诊断系统允许识别角膜的结构部分和识别角膜的此结构部分的生物力学性质。

进一步地，当使用诊断系统以用于在特定时间段内监测角膜时，可用空间分辨和局部相关方式观察角膜的结构的改变和角膜的生物力学性质的改变。此类改变可指示角膜的完整性或角膜的初期的或甚至发展的圆锥形角膜。因此，诊断系统允许在早期检测圆锥形角膜或影响人类角膜的生物力学稳定性的其它角膜变性。

诊断系统的进一步优点如下：角膜的结构和生物力学表征可快速地和非接触地(例如，非侵入地和在体内)执行，这是因为其仅基于第一和第二光束的发射。此外，因为光束组合器组合第一光束和第二光束，所以诊断系统允许同时测量角膜的结构和生物力学性质。这不仅减少总的诊断时间，而且确保角膜的结构和生物力学性质的时间相关。

OCT装置可基于傅里叶域中的OCT(简称：FD-OCT)，光谱域中的OCT(简称：SD-OCT)或用于扫频源中的OCT(简称：SS-OCT)。FD-OCT和SD-OCT通常使用连续地发射具有特定光谱带宽Δλ₁的宽带光的光源。SS-OCT通常使用被光谱调谐(即，相对于发射光的波长λ₁)的光源，其瞬间发射光谱窄带光且在光谱带宽Δλ₁上被连续地调谐。第一光束的第一波长λ₁可以是OCT光谱的中心波长，即，具有光谱带宽Δλ₁。OCT装置可具有10μm或更小的轴向分辨率。OCT装置可具有100μm或更小的横向分辨率。第一光束可以是第一相干光束。第一光束的第一波长λ₁可以是约800nm。OCT装置的光谱带宽Δλ₁可以是约100nm。

OCT装置可被配置成干涉分析经由光束组合器从角膜反向散射的第一光束以提供表示聚焦位置x,y,z处或附近的角膜图像的OCT数据。OCT装置可被配置成干涉分析经由光束组合器从角膜反向散射的第一光束以提供表示角膜的位置依赖性光密度n(x,y,z)(例如，当n(x,y,z)不受声子干扰时)、角膜的位置依赖性质量密度ρ(x,y,z)和/或角膜的位置依赖性反射率r(x,y,z)的OCT数据。

散射是一般的物理过程，其中一些形式的辐射(诸如光)因为其所穿过的介质中的一个或多个局部化不均匀而被迫使偏离直的轨迹。这还可包括反射的辐射偏离(例如)反射定律预测的角度。反过来，反射或偏转可表示散射。具体地说，反向散射的任何光束也可被看作是反射的和/或偏转的，且反过来也一样。在这种意义上，在本说明书全文中，术语“反向散射的”可用“反射的”和/或用“偏转的”或用其任何任意组合替换。

BS分光计可具有100μm或更小的分辨率。第二光束可以是第二相干光束。(即，未偏转的、未反射的、未散射的)第二光束的第二波长λ₂可以是约532nm。第二光束的线宽(例如，光谱分布的FWHM)可等于或小于10MHz。

BS分光计可被配置成用光谱方法分析经由光束组合器从角膜反向散射的第二光束以提供也表示反向散射的第二光束的布里渊散射引起的边带的位置依赖性线宽Δf_B(x,y,z)的BS数据。此信息表示角膜的粘弹性质。因此，诊断系统可允许识别角膜的结构部分以及不仅识别角膜的此结构部分的生物力学性质，还识别此结构部分的粘弹性质。

光束引导和聚焦装置可被配置成调节第一光束和第二光束的方向取向k_x,k_y,k_z，第一光束和第二光束沿着该方向取向进入角膜上或角膜中的焦点。BS分光计可被进一步配置成用光谱方法分析经由光束组合器从角膜反向散射的第二光束以提供表示布里渊散射引起的边带的方向依赖性频率偏移f_B(x,y,z,k_x,k_y,k_z)的BS数据。换句话说，BS分光计可提供表示布里渊散射引起的边带的不仅依赖于第二光束的焦点的位置，而且依赖于第二光束进入焦点所沿着的方向的频率偏移f_B(x,y,z,k_x,k_y,k_z)的BS数据。这允许在张量表示方面测量角膜的弹性力学性质。举例来说，频率偏移f_B(x,y,z,k_x,k_y,k_z)的位置和方向分辨的测量可用以计算张量模量，诸如(M₁)_j ⁱ。因此，可观察角膜的各向异性弹性力学性质，其可给出对角膜的初期的圆锥形角膜或影响人类角膜的生物力学稳定性的其它角膜变性的进一步指示。

光束引导和聚焦装置可被配置成调节第一光束和第二光束的方向取向k_x,k_y,k_z，第一光束和第二光束沿着该方向取向进入角膜上或角膜中的焦点。BS分光计可被进一步配置成用光谱方法分析经由光束组合器从角膜反向散射的第二光束以提供也表示布里渊散射引起的边带的方向依赖性线宽Δf_B(x,y,z,k_x,k_y,k_z)的BS数据。换句话说：BS分光计可提供表示布里渊散射引起的边带的不仅依赖于第二光束的焦点的位置，而且依赖于第二光束进入焦点所沿着的方向的线宽Δf_B(x,y,z,k_x,k_y,k_z)的BS数据。这允许在张量表示方面测量角膜的粘弹性质。举例来说，频率偏移f_B(x,y,z,k_x,k_y,k_z)和线宽Δf_B(x,y,z,k_x,k_y,k_z)的位置和方向分辨的测量可用以计算张量模量，诸如(M₂)_j ⁱ。因此，可观察角膜的各向异性粘弹性质，其可给出对角膜的初期的圆锥形角膜或影响人类角膜的生物力学稳定性的其它角膜变性的进一步指示。

诊断系统可包括控制和分析装置。控制和分析装置可被配置成控制光束引导和聚焦装置按一维、二维或三维方式扫描角膜上或角膜中的焦点的预定位置x,y,z，和/或扫描第一光束和第二光束的方向取向k_x,k_y,k_z，第一光束和第二光束沿着该定向方向进入角膜上或角膜中的焦点。

控制和分析装置可被配置成从OCT数据计算空间分辨的形貌和/或形态结构。控制和分析装置可被配置成从OCT数据产生在焦点位置x,y,z处或附近的角膜的图像。因此，例如，可获取角膜的形貌或形态。此获取可包括角膜的正面和/或背面或角膜的固有结构，诸如角膜上皮、鲍曼氏层(也称作前界膜)、角膜基质(也称作固有质)、杜瓦层、德斯密氏膜(也称作后界膜)和角膜内皮。

控制和分析装置可被配置成从OCT数据产生在焦点位置x,y,z处的角膜的局部光密度n(x,y,z)(例如，当n(x,y,z)不受声子干扰时)、角膜的局部质量密度ρ(x,y,z)和/或角膜的局部反射率r(x,y,z)。举例来说，控制和分析装置可被配置成通过来自OCT数据的图像处理识别焦点位置x,y,z在角膜的固有结构的哪一部分局部化，且通过使用先前存储在控制和分析装置的存储器中的查找表来针对此固有结构部分关联角膜的对应的局部光密度n(x,y,z)、角膜的对应的局部质量密度ρ(x,y,z)和/或对应的局部反射率r(x,y,z)。因此，对于角膜的形貌/形态内的每一点x,y,z，可确定角膜的对应的局部光密度n(x,y,z)、局部质量密度ρ(x,y,z)和/或局部反射率r(x,y,z)。控制和分析装置可被配置成从BS数据计算角膜的空间和/或方向分辨的弹性力学和/或粘弹性质。这允许1D、2D或3DOCT成像与空间和/或方向相关的1D、2D或3DBS光谱组合。因此，对于角膜的形貌/形态内的每一点x,y,z，可确定对应的局部弹性力学和/或粘弹性质，因此使角膜的形貌/形态与角膜的流变能力相关联。因此，可执行对角膜的完整性的全面测试，借此确定考虑角膜的个别结构/形式的角膜的生物力学性质(诸如刚性)。举例来说：与健康的或正常的角膜相比，在被检查的角膜的形态中存在异常或偏离(诸如局部变薄的上皮)的情况下，可执行弹性力学和/或粘弹参数的精确测量以便监测生物力学性质的任何改变。

控制和分析装置可被配置成计算

$M_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_2^2\·\mathrm{\ρ}}{4\·n^2}\·f_B^2$

和/或

$M_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_2^2\·\mathrm{\ρ}}{4\·n^2}\·f_B\·{\mathrm{\Δf}}_B,$

其中：

-M₁是角膜的复纵向模量M＝M₁+iM₂的实部，

-M₂是角膜的复纵向模量M＝M₁+iM₂的虚部，

-λ₂是第二光束的第二波长，

-ρ是角膜的质量密度，

-n是角膜的光密度，

-f_B是反向散射的第二光束的布里渊散射引起的边带的频率偏移，且

-Δf_B是反向散射的第二光束的布里渊散射引起的边带的线宽。

对于M₁和/或M₂的计算，控制和分析装置可被配置成从控制和分析装置的存储器针对局部质量密度ρ(x,y,z)读取恒定的质量密度ρ＝ρ(x,y,z)＝ρ_恒定和/或针对局部光密度n(x,y,z)读取恒定的局部光密度n＝n(x,y,z)＝n_恒定。对于M₁和/或M₂的计算，控制和分析装置可被配置成从OCT数据产生在焦点位置x,y,z处的角膜的局部光密度n(x,y,z)(例如，当n(x,y,z)不受声子干扰时)、角膜的局部质量密度ρ(x,y,z)。

分析装置可被配置成使OCT数据与BS数据空间相关联，使得对于每一空间位置，角膜的形貌和/或形态结构与角膜的对应的弹性力学和/或粘弹性质相关。因此，对于角膜的同一区域，已知形态(诸如高度分辨的局部弯曲、基质的厚度变化、鲍曼氏膜的上皮脱位的厚度等等)和与其相关的空间和/或方向分辨的弹性力学和/或粘弹参数。因此，角膜的空间分辨的几何形状可与角膜的空间和方向分辨的刚性一起提取。

光束组合器可以是分色镜或色散光学元件，诸如光学衍射光栅或棱镜等。光束组合器可具有至少在第一波长范围R₁内的第一反射率，第一波长范围涵盖至少第一光束的第一波长λ₁和OCT装置的光谱带宽Δλ₁。第一波长范围R₁的最小值可等于或小于λ₁–Δλ₁/2。第一波长范围R₁的最大值可等于或大于λ₁+Δλ₁/2。光束组合器可具有至少在第二波长范围R₂内的第二反射率，第二波长范围涵盖第二光束的第二波长λ₂和光谱带宽Δλ₂。第二波长范围R₂的最小值可等于或小于λ₂–Δλ₂/2。第二波长范围R₂的最大值可等于或大于λ₂+Δλ₂/2。

光束组合器可被配置使得第一波长范围R₁与第二波长范围R₂不相交。光束组合器可被配置使得第一反射率与第二反射率不同。举例来说，光束组合器的第一反射率可以是约10％或更小，例如5％或更小，且光束组合器的第二反射率可以是约90％或更大，例如95％或更大，或反过来也一样。第二光谱带宽Δλ₂可对应于约10、15、20、25、30、50或100GHz。

术语反射率可表示反射比或反射的入射电磁能的分数。小于50％的反射率可表示或被理解为透射比和透射。具体地说，光束组合器的透射比和透射的值T(λ)可由100％减去光束组合器的反射率的值R(λ)给出，即T(λ)＝1–R(λ)。换句话说：光束组合器可被配置，使得光束组合器内的光吸收是小的、可忽略的或甚至是零。举例来说，光束组合器的第一反射率是约10％或更小，例如5％或更小可表示或被理解为光束组合器的透射是约90％或更大，例如95％或更大。

应指出“光束组合器的第一反射率可以是约10％或更小，例如5％或更小，且光束组合器的第二反射率可以是约90％或更大，例如95％或更大，或反过来也一样”中的短语“反过来也一样”。这意味着光束组合器可被配置成通过透射第一光束和反射第二光束来组合第一光束和第二光束。作为替代方案，光束组合器可被配置成通过反射第一光束和透射第二光束来组合第一光束和第二光束。这些替代方案允许重新布置或互换OCT装置和BS分光计。

诊断方法包括以下步骤：

-从OCT装置发射具有第一波长λ₁的光学相干断层扫描(简称：OCT)光束，

-从布里渊散射(简称：BS)分光计发射具有与第一波长λ₁不同的第二波长λ₂的第二光束，

-通过光束组合器组合第一光束与第二光束，使得第一光束和第二光束沿着同一光学路径朝角膜传播，

-通过光束引导和聚焦装置将第一光束和第二光束一起聚焦在角膜上或角膜中的预定位置x,y,z，

-通过OCT装置干涉分析经由光束组合器从角膜反向散射的第一光束以提供表示角膜的位置依赖性结构性质的OCT数据，以及

-通过BS分光计用光谱方法分析经由光束组合器从角膜反向散射的第二光束以提供表示反向散射的第二光束的布里渊散射引起的边带的位置依赖性频率偏移f_B(x,y,z)的BS数据。

就在本描述中描述诊断方法或诊断方法的个别步骤方面来说，诊断方法或诊断方法的个别步骤可由适当地配置的诊断系统和/或诊断系统的个别装置执行。类似的注释适用于执行诊断方法步骤的诊断系统和/或诊断系统的个别装置的操作模式的阐述。就这方面来说，此描述的设备特征和方法特征是等效的。

本公开的进一步特征、优点和技术效果从参看附图进行的示例性实施方案的以下描述将变得显而易见，附图中：

图1示意性地说明诊断系统，

图2示意性地说明图1中的诊断系统的光束组合器(未按比例绘制)的透射和反射，以及

图3示意性地说明由图1的诊断系统执行的诊断方法。

图1示出诊断系统10，包括光学相干断层扫描(简称：OCT)装置12，其被配置成发射具有约为800nm的第一波长λ₁的第一相干光束14。作为实例，OCT装置12是基于傅里叶域中的OCT(简称：FD-OCT)且包括发射第一光束14作为具有特定光谱带宽Δλ₁的宽带光的光源，即，第一光束14的光谱分布的半峰全宽(简称：FWHM)是约100nm。第一光束14的第一波长λ₁是OCT光谱的中心波长，即，具有光谱带宽Δλ₁。第一光束14的光谱分布由图2中的虚线示意性地说明。OCT装置具有示例性的小于10μm的轴向分辨率。

诊断系统10另外包括布里渊散射(简称：BS)分光计16，其被配置成发射具有约为532nm的第二波长λ₂的第二相干光束18。(未散射的)第二光束18的光谱分布的FWHM小于10MHz。(未散射的)第一光束18的光谱分布由图2中的λ₂处的虚线峰示意性地说明。

诊断系统10的光束组合器20被配置成组合第一光束14和第二光束18，使得第一光束14和第二光束18沿着同一光学路径22朝眼睛26的角膜24传播。

作为实例，光束组合器20实现为分色镜。如图2所示，光束组合器20至少在第一波长范围R₁内具有约90％或更小，例如约95％或更大的透射率T(λ)，第一波长范围涵盖至少第一光束14的第一波长λ₁和OCT装置12的光谱带宽Δλ₁。第一波长范围R₁的最小值小于λ₁–Δλ₁/2且第一波长范围R₁的最大值大于λ₁+Δλ₁/2。光束组合器20至少在第二波长范围R₂内具有约90％或更大，例如95％或更大的反射率R(λ)，第二波长范围涵盖第二光束18的第二波长λ₂和光谱带宽Δλ₂。其应用：T(λ)＝1-R(λ)。第二光谱带宽Δλ₂对应于约30GHz。第二波长范围R₂的最小值小于λ₂–Δλ₂/2且第二波长范围R₂的最大值大于λ₂+Δλ₂/2。光束组合器20被配置，使得第一波长范围R₁和第二波长范围R₂不相交。

诊断系统10进一步包括光束引导和聚焦装置28，其布置在光束组合器20与角膜24之间的光学路径22中。光束引导和聚焦装置28被配置成将第一光束14和第二光束18一起聚焦于角膜24上或角膜24中的预定位置x,y,z处。在这个意义上，光束引导和聚焦装置28被配置成调节空间位置x,y,z，其中第一光束14和第二光束18聚焦在角膜24中或角膜24上。另外，光束引导和聚焦装置28被配置成调节第一光束14和第二光束18的方向取向k_x,k_y,k_z，第一光束14和第二光束18沿着该方向取向进入角膜24上或角膜24中的在空间位置x,y,z处的焦点(比较图1和图3)。

举例来说，光束引导和聚焦装置28包括扫描单元30，其具有可围绕两个垂直定向的旋转轴旋转的至少一对电流计镜(未示出)。扫描单元30被配置成沿着空间方向x和y按二维方式扫描焦点位置x,y,z(比较图1和图3中的坐标系)。光束引导和聚焦装置28进一步包括物镜32，其用于将第一光束14和第二光束18聚焦在角膜24上或角膜24中，且用于收集已通过角膜24且从角膜24偏转/反射/散射的光。物镜32被配置使得OCT装置12的横向分辨率和BS分光计16的分辨率小于100μm，例如，50μm。物镜32的聚焦长度可沿着空间方向z改变以沿着空间方向z按一维方式扫描焦点位置x,y,z(再次比较图1和图3中的坐标系)。

第一光束14和第二光束18通过角膜24并从角膜24部分偏转/反射/散射回到并沿着与已在之前进入角膜24上/角膜24中的预定位置x,y,z处的焦点的第一光束14和第二光束18相反的方向(比较图1中沿着14、18、22的箭头)。反向散射的第一光束14和第二光束18朝着光束组合器20重新通过光束引导和聚焦装置28。光束组合器20分裂从角膜24反向散射的第一光束14和第二光束18，使得第一反向散射的光束14进入OCT装置12且第二反向散射的光束18进入BS分光计16。在这个意义上，光束组合器20也是光束分裂器。

OCT装置12被配置成干涉分析经由光束组合器20从角膜24反向散射的第一光束14以提供表示角膜24的位置依赖性结构性质的OCT数据。举例来说，OCT装置12被配置成提供表示焦点位置x,y,z处或附近的角膜24的图像的OCT数据并提供表示角膜24的位置依赖性光密度n(x,y,z)以及角膜24的位置依赖性质量密度ρ(x,y,z)的OCT数据。

BS分光计16被配置成用光谱方法分析经由光束组合器20从角膜24反向散射的第二光束18以提供表示反向散射的第二光束18的布里渊散射引起的边带的依赖于位置和方向的频率偏移f_B(x,y,z)以及依赖于位置和方向的线宽Δf_B(x,y,z)的BS数据。布里渊散射的第二光束18的光谱分布由图2中的λ₂处的虚线峰和两个虚线边带/峰示意性地说明。频率偏移f_B经由|f_B|≈c·n·|λ_B|/λ²对应于波长偏移λ_B且对于|λ_B|＜＜λ，频率线宽Δf_B经由|Δf_B|≈c·n·|Δλ_B|/λ²对应于波长线宽Δλ_B。

诊断系统10还包括控制和分析装置34。控制和分析装置34经由相应连接线36和38与OCT装置12和BS分光计16连接以控制OCT装置12和BS分光计16并接收OCT数据和BS数据。控制和分析装置34还经由连接线40连接至光束引导和聚焦装置28以控制光束引导和聚焦装置28，使得光束引导和聚焦装置28按预定三维方式扫描角膜24上或角膜24中的预定位置x,y,z，且还扫描方向取向k_x,k_y,k_z，第一光束14和第二光束18沿着该方向取向按预定方式进入角膜24上或角膜24中x,y,z处的焦点。

举例来说，第一光束14和第二光束18两者如图3中的虚线箭头所指示。在光束引导和聚焦装置28的第一状态下，第一光束14和第二光束18沿着第一方向kx1、ky1、kz1进入第一焦点位置x1、y1、z1且从其反向散射至kx1、ky1、kz1的相反方向中。在光束引导和聚焦装置28的第二状态下，第一光束14和第二光束18沿着第二方向kx2、ky2、kz2进入第一焦点位置x1、y1、z1且从其反向散射至kx2、ky2、kz2的相反方向中。在光束引导和聚焦装置28的第三状态下，第一光束14和第二光束18沿着第三方向kx3、ky3、kz3进入第一焦点位置x1、y1、z1且从其反向散射至kx3、ky3、kz3的相反方向中。在光束引导和聚焦装置28的第四状态下，第一光束14和第二光束18沿着第一方向kx1、ky1、kz1进入第二焦点位置x2、y2、z2且从其反向散射至kx1、ky1、kz1的相反方向中。第一方向kx1、ky1、kz1可对应于如图1和图3中所示的坐标系的坐标系的x方向，第二方向kx2、ky2、kz2可对应于y方向且第三方向kx3、ky3、kz3可对应于z方向。

控制和分析装置34被配置成从OCT数据计算空间分辨的形貌和形态结构。举例来说，控制和分析装置34被配置成从OCT数据产生在焦点位置x,y,z处或附近的角膜24的图像。另外，控制和分析装置34被配置成从OCT数据产生在焦点位置x,y,z处的角膜24的局部光密度n(x,y,z)(例如，当n(x,y,z)不受声子干扰时)和局部质量密度ρ(x,y,z)。举例来说，控制和分析装置34通过来自OCT数据的图像处理识别焦点位置x,y,z在角膜24的固有结构的哪一部分局部化，且通过使用存储在控制和分析装置34的存储器(未示出)中的查找表来针对此固有结构部分关联角膜24的对应的局部光密度n(x,y,z)以及对应的局部质量密度ρ(x,y,z)。因此，对于角膜的形貌/形态内的每一点x,y,z，确定角膜24的对应的局部光密度n(x,y,z)和局部质量密度ρ(x,y,z)。

控制和分析装置34还被配置成从BS数据计算角膜24的空间和方向分辨的弹性力学和粘弹性质。举例来说，控制和分析装置34计算

$M_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_2^2\·\mathrm{\ρ}}{4\·n^2}\·f_B^2$

以及

$M_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_2^2\·\mathrm{\ρ}}{4\·n^2}\·f_B\·{\mathrm{\Δf}}_B,$

其中：

-M₁是角膜24的复纵向模量M＝M₁+iM₂的实部，

-M₂是角膜24的复纵向模量M＝M₁+iM₂的虚部，

-λ₂是第二光束18的第二波长，

-ρ＝ρ(x,y,z)是从OCT数据提取的角膜24的局部质量密度，

-n＝n(x,y,z)是也从OCT数据提取的角膜24的局部光密度，

-f_B是从BS数据提取的反向散射的第二光束18的布里渊散射引起的边带的频率偏移，且

-Δf_B是从BS数据提取的反向散射的第二光束18的布里渊散射引起的边带的线宽。

控制和分析装置34进一步被配置成使OCT数据与BS数据空间相关联，使得对于每一空间位置x,y,z，角膜24的形貌和形态结构与角膜24的对应的弹性力学和粘弹性质相关。

因此，对于角膜24的同一区域，已知形态(诸如高度分辨的局部弯曲、基质的厚度变化、鲍曼氏膜的上皮脱位的厚度等等)和与其相关的空间和方向分辨的弹性力学和粘弹参数。因此，角膜24的空间分辨的几何形状可与角膜24的空间和方向分辨的刚性一起被提取。

除非另外明确地陈述，否则在图中相同的参考符号代表相同的或相同地作用的元件。而且，在图中结合个别实施方案阐述的特征和/或修改的任意组合是可能的。

Claims (15)

1.一种诊断系统(10)，其包括：

-光学相干断层扫描OCT装置(12)，其被配置成发射具有第一波长(λ₁)的第一光束(14)，

-布里渊散射BS分光计(16)，其被配置成发射具有与所述第一波长(λ₁)不同的第二波长(λ₂)的第二光束(18)，

-光束组合器(20)，其被配置成组合所述第一光束(14)和所述第二光束(18)，使得所述第一光束(14)和所述第二光束(18)沿着同一光学路径(22)朝角膜(24)传播，以及

-光束引导和聚焦装置(28)，其被配置成将所述第一光束(14)和所述第二光束(18)一起聚焦于所述角膜(24)上或所述角膜(24)中的预定位置(x,y,z)处，

其中所述OCT装置(12)被进一步配置成干涉分析经由所述光束组合器(20)从所述角膜(24)反向散射的所述第一光束(14)以提供表示所述角膜(24)的位置依赖性结构性质的OCT数据，且

其中所述BS分光计(16)被进一步配置成用光谱方法分析经由所述光束组合器(20)从所述角膜(24)反向散射的所述第二光束(18)以提供表示所述反向散射的第二光束(18)的布里渊散射引起的边带的位置依赖性频率偏移(f_B(x,y,z))的BS数据。

2.如权利要求1所述的诊断系统(10)，其中所述BS分光计(16)被进一步配置成用光谱方法分析经由所述光束组合器(20)从所述角膜(24)反向散射的所述第二光束(18)以提供也表示所述反向散射的第二光束(18)的所述布里渊散射引起的边带的位置依赖性线宽(Δf_B(x,y,z))的BS数据。

3.如权利要求1或2所述的诊断系统(10)，其中所述光束引导和聚焦装置(28)进一步被配置成调节所述第一光束(14)和所述第二光束(18)的方向取向(k_x,k_y,k_z)，所述第一光束(14)和所述第二光束(18)沿着所述方向取向进入所述角膜(24)上或所述角膜(24)中的焦点，且其中所述BS分光计(16)进一步被配置成用光谱方法分析经由所述光束组合器(20)从所述角膜(24)反向散射的所述第二光束(18)以提供也表示所述布里渊散射引起的边带的方向依赖性频率偏移(f_B(x,y,z,k_x,k_y,k_z))的BS数据。

4.如权利要求1至3中任一项所述的诊断系统(10)，其中所述光束引导和聚焦装置(28)进一步被配置成调节所述第一光束(14)和所述第二光束(18)的所述方向取向(k_x,k_y,k_z)，所述第一光束(14)和所述第二光束(18)沿着所述方向取向进入所述角膜(24)上或所述角膜(24)中的焦点，且其中所述BS分光计(16)进一步被配置成用光谱方法分析经由所述光束组合器(20)从所述角膜(24)反向散射的所述第二光束(18)以提供也表示所述布里渊散射引起的边带的方向依赖性线宽(Δf_B(x,y,z,k_x,k_y,k_z))的BS数据。

5.如权利要求1至4中任一项所述的诊断系统，其进一步包括控制和分析装置(34)，所述控制和分析装置(34)被配置成控制所述光束引导和聚焦装置(28)来按一维、二维或三维方式扫描所述角膜(24)上或所述角膜(24)中的焦点的所述预定位置(x,y,z)和/或扫描所述第一光束(14)和所述第二光束(18)的所述方向取向(k_x,k_y,k_z)，所述第一光束(14)和所述第二光束(18)沿着所述方向取向进入所述角膜(24)上或所述角膜(24)中的所述焦点(x,y,z)，且所述控制和分析装置(34)还被配置成从所述OCT数据计算空间分辨的形貌和/或形态结构和/或从所述BS数据计算所述角膜(24)的空间分辨的弹性力学和/或粘弹性质。

6.如权利要求5所述的诊断系统(10)，其中所述控制和分析装置(34)被进一步配置成计算

$M_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_2^2\·\mathrm{\ρ}}{4\·n^2}\·f_B^2$

和/或

$M_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_2^2\·\mathrm{\ρ}}{4\·n^2}\·f_B\·{\mathrm{\Δf}}_B,$

其中：

-M₁是所述角膜(24)的复纵向模量M＝M₁+iM₂的实部，

-M₂是所述角膜(24)的所述复纵向模量M＝M₁+iM₂的虚部，

-λ₂是所述第二光束(18)的所述第二波长，

-ρ是所述角膜(24)的质量密度，

-n是所述角膜(24)的光密度，

-f_B是所述反向散射的第二光束(18)的所述布里渊散射引起的边带的所述频率偏移，且

-Δf_B是所述反向散射的第二光束(18)的所述布里渊散射引起的边带的所述线宽。

7.如权利要求5或6所述的诊断系统(10)，其中所述控制和分析装置(34)被进一步配置成使所述OCT数据与所述BS数据空间相关联，使得对于每一空间位置(x,y,z)，所述角膜(24)的所述形貌和/或形态结构与所述角膜(24)的所述对应的弹性力学和/或粘弹性质相关。

8.如权利要求1至7中任一项所述的诊断系统(10)，其中所述光束组合器(20)是分色镜，其具有至少在第一波长范围(R₁)内的第一反射率以及至少在第二波长范围(R₂)内的第二反射率，所述第一波长范围至少涵盖所述第一光束(14)的所述第一波长(λ₁)和所述OCT装置(12)的光谱带宽(Δλ₁)，所述第二波长范围涵盖所述第二光束(18)的所述第二波长(λ₂)和光谱带宽(Δλ₂)，其中所述第一波长范围(R₁)与所述第二波长范围(R₂)不相交且所述第一反射率与所述第二反射率不同。

9.一种诊断方法，其包括以下步骤：

-从OCT装置(12)发射具有第一波长(λ₁)的第一光束(14)，

-从布里渊散射BS分光计(16)发射具有与所述第一波长(λ₁)不同的第二波长(λ₂)的第二光束(18)，

-通过光束组合器(20)组合所述第一光束(14)和所述第二光束，使得所述第一光束(14)和所述第二光束(18)沿着同一光学路径(22)朝角膜(24)传播，

-通过光束引导和聚焦装置(34)将所述第一光束(14)和所述第二光束(18)一起聚焦在所述角膜(24)上或所述角膜(24)中的预定位置(x,y,z)处，

-通过所述OCT装置(12)干涉分析经由所述光束组合器(20)从所述角膜(24)反向散射的所述第一光束(14)以提供表示所述角膜(24)的位置依赖性结构性质的OCT数据，以及

-通过所述BS分光计(16)用光谱方法分析经由所述光束组合器(20)从所述角膜(24)反向散射的所述第二光束(18)以提供表示所述反向散射的第二光束(18)的布里渊散射引起的边带的位置依赖性频率偏移(f_B(x,y,z))的BS数据。

10.如权利要求9所述的诊断方法，其进一步包括以下步骤：通过所述BS分光计(16)用光谱方法分析经由所述光束组合器(20)从所述角膜(24)反向散射的所述第二光束(18)以提供也表示所述反向散射的第二光束(18)的所述布里渊散射引起的边带的位置依赖性线宽(Δf_B(x,y,z))的BS数据。

11.如权利要求9或10所述的诊断方法，其进一步包括以下步骤：通过所述光束引导和聚焦装置(28)调节所述第一光束(14)和所述第二光束(18)的方向取向(k_x,k_y,k_z)，所述第一光束(14)和所述第二光束(18)沿着所述方向取向进入所述角膜(24)上或所述角膜(24)中的所述预定位置(x,y,z)处的焦点，且通过所述BS分光计(16)进一步用光谱方法分析经由所述光束组合器(20)从所述角膜(24)反向散射的所述第二光束(18)以提供也表示所述布里渊散射引起的边带的方向依赖性频率偏移(f_B(x,y,z,k_x,k_y,k_z))的BS数据。

12.如权利要求9至11中任一项所述的诊断方法，其进一步包括以下步骤：通过所述光束引导和聚焦装置(28)调节所述第一光束(14)和所述第二光束(18)的所述方向取向(k_x,k_y,k_z)，所述第一光束(14)和所述第二光束(18)沿着所述方向取向进入所述角膜(24)上或所述角膜(24)中的焦点，且通过所述BS分光计(16)进一步用光谱方法分析经由所述光束组合器(20)从所述角膜(24)反向散射的所述第二光束(18)以提供也表示所述布里渊散射引起的边带的方向依赖性线宽(Δf_B(x,y,z,k_x,k_y,k_z))的BS数据。

13.如权利要求9至12中任一项所述的诊断方法，其进一步包括以下步骤：通过使用控制和分析装置(34)控制所述光束引导和聚焦装置(28)来按一维、二维或三维方式扫描所述角膜(24)上或所述角膜(24)中的焦点的所述预定位置(x,y,z)和/或扫描所述第一光束(14)和所述第二光束(18)的所述方向取向(k_x,k_y,k_z)，所述第一光束(14)和所述第二光束(18)沿着所述方向取向进入所述角膜(24)上或所述角膜(24)中的所述焦点；以及通过所述控制和分析装置(34)从所述OCT数据计算空间分辨的形貌和/或形态结构和/或从所述BS数据计算所述角膜(24)的空间分辨的弹性力学和/或粘弹性质。

14.如权利要求13所述的诊断方法，其进一步包括以下步骤：通过所述控制和分析装置(34)计算

$M_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_2^2\·\mathrm{\ρ}}{4\·n^2}\·f_B^2$

和/或

$M_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_2^2\·\mathrm{\ρ}}{4\·n^2}\·f_B\·{\mathrm{\Δf}}_B,$

其中：

-M₁是所述角膜(24)的复纵向模量M＝M₁+iM₂的实部，

-M₂是所述角膜(24)的所述复纵向模量M＝M₁+iM₂的虚部，

-λ₂是所述第二光束(18)的所述第二波长，

-ρ是所述角膜(24)的质量密度，

-n是所述角膜(24)的光密度，

-f_B是所述反向散射的第二光束(18)的所述布里渊散射引起的边带的所述频率偏移，且

-Δf_B是所述反向散射的第二光束(18)的所述布里渊散射引起的边带的所述线宽。

15.如权利要求13或14所述的诊断系统，其包括以下步骤：通过所述控制和分析装置(34)使所述OCT数据与所述BS数据空间相关联，使得对于每一空间位置，所述角膜(24)的所述形貌和/或形态结构与所述角膜(24)的所述对应的弹性力学和/或粘弹性质相关。