CN108498066A - 用于测量眼睛的角膜前表面的地形图的方法和设备 - Google Patents

用于测量眼睛的角膜前表面的地形图的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于测量眼睛的角膜前表面的地形图的方法，包括如下步骤：生成位置编码序列，其中，所述位置编码序列是多个编码组成的序列，并且其中，在所述位置编码序列中，等于或大于给定长度的子序列在整个位置编码序列中仅出现一次；基于所述位置编码序列来生成纹理图案，其中，所述纹理图案由多个区域组成，所述纹理图案的每一个区域的颜色或灰度基于所述位置编码序列中的相应一个编码来确定；将所述纹理图案投射至角膜前表面；以及通过测量所述纹理图案经过角膜前表面的反射成像来获取所述角膜前表面的地形图。本发明还涉及用于测量眼睛的角膜前表面的地形图的设备。

Description

用于测量眼睛的角膜前表面的地形图的方法和设备
技术领域
本发明涉及眼睛角膜的测量，更具体地涉及用于测量角膜前表面的地形图的设备和方法。
背景技术
现有的角膜地形图的测量技术使用Placido环，精度不是很高。当遇到角膜表面有云翳、白斑或局部曲率变化剧烈的区域，不但在该局部的角膜地形图测量困难，也会影晌其他邻近区域测量的准确性。
发明内容
将现有的Placido环的角膜地形图上的同心圆环发光条纹替换成诸如M-sequence、De Bruijn序列的带有位置编码信息的纹理图案。然后将这类带有位置编码信息的纹理图案投射至角膜表面，通过测量反射条纹的位置来获取角膜前表面的地形图信息。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量眼睛的角膜前表面的地形图的方法。该方法包括如下步骤：生成位置编码序列，其中，所述位置编码序列是多个编码组成的序列，并且其中，在所述位置编码序列中，等于或大于给定长度的子序列在整个位置编码序列中仅出现一次；基于所述位置编码序列来生成纹理图案，其中，所述纹理图案由多个区域组成，所述纹理图案的每一个区域的颜色或灰度基于所述位置编码序列中的相应一个编码来确定；将所述纹理图案投射至角膜前表面；以及通过测量所述纹理图案经过角膜前表面的反射成像来获取所述角膜前表面的地形图。
在一个实施例中，所述位置编码序列是M-sequence序列。优选地，所述M-sequence序列是长度为MN-1的数值序列，其中，M代表所述纹理图案中的颜色或灰度的数量并且M和N均为正整数，优选地，M是大于等于2且小于等于4的整数并且N是大于等于5且小于等于12的整数。
在一个实施例中，所述位置编码序列是De Bruijn序列。
在一个实施例中，所述纹理图案是同心的多个圆环，所述多个圆环的每一个圆环的颜色或灰度基于所述位置编码序列中的相应一个编码来确定。
在一个实施例中，所述方法还包括如下步骤：在所述多个圆环的每两个相邻圆环之间设置不同颜色或灰度的分隔圆环。
在一个实施例中，所述方法还包括如下步骤：在所述多个圆环的每两个相邻的且颜色或灰度相同的圆环之间设置不同颜色或灰度的分隔圆环。
在一个实施例中，所述多个圆环中的每个圆环的宽度相同。
在一个实施例中，所述纹理图案是直角坐标系的二维网格图案，所述二维网格图案具有水平维度和竖直维度，所述位置编码序列包括第一位置编码序列和第二位置编码序列，其中，所述水平维度上的每一个区域的颜色或灰度基于所述第一位置编码序列中的相应一个编码来确定，并且所述竖直维度上的每一个区域的颜色或灰度基于所述第二位置编码序列中的相应一个编码来确定。优选地，所述第一位置编码序列不同于所述第二位置编码序列。
在一个实施例中，所述纹理图案是直角坐标系的二维网格图案，所述二维网格图案具有水平维度和竖直维度，其中，所述水平维度上的每一个区域的颜色或灰度基于所述位置编码序列中的相应一个编码来确定，并且所述竖直维度上的每一个区域的颜色或灰度基于对图像像素的运算来确定。优选地，所述对图像像素的运算是取反运算。
在一个实施例中，所述纹理图案是极坐标系的二维网格图案，所述二维网格图案具有矢径维度和方位维度，所述位置编码序列包括第一位置编码序列和第二位置编码序列，其中，所述矢径维度上的每一个区域的颜色或灰度基于所述第一位置编码序列中的相应一个编码来确定，并且所述方位维度上的每一个区域的颜色或灰度基于所述第二位置编码序列中的相应一个编码来确定。优选地，所述第一位置编码序列不同于所述第二位置编码序列。
在一个实施例中，所述纹理图案是极坐标系的二维网格图案，所述二维网格图案具有矢径维度和方位维度，其中，所述矢径维度上的每一个区域的颜色或灰度基于所述位置编码序列中的相应一个编码来确定，并且所述方位维度上的每一个区域的颜色或灰度基于对图像像素的运算来确定。优选地，所述对图像像素的运算是取反运算。
在一个实施例中，所述方法还包括如下步骤：调整所述位置编码序列的起始编码。
在一个实施例中，所述方法还包括如下步骤：根据所测量的眼睛的虹膜的颜色来选择所述纹理图案的颜色。
在一个实施例中，所述方法还包括如下步骤：利用相机进行摄像，记录一段时间内角膜前表面的反射成像的连续变化。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于测量眼睛的角膜前表面的地形图的设备，其包括：位置编码序列生成装置，其用于生成位置编码序列，其中，所述位置编码序列是多个编码组成的序列，并且其中，在所述位置编码序列中，等于或大于给定长度的子序列在整个位置编码序列中仅出现一次；纹理图案生成装置，其基于所述位置编码序列来生成纹理图案，其中，所述纹理图案由多个区域组成，所述纹理图案的每一个区域的颜色或灰度基于所述位置编码序列中的相应一个编码来确定；投射装置，其将所述纹理图案投射至角膜前表面；以及测量装置，其通过测量所述纹理图案经过角膜前表面的反射成像来获取所述角膜前表面的地形图。
附图说明
图1示意性地示出了一种用于生成M-sequence数值序列的示例性方法；
图2示意性地示出了由M-sequence数值序列产生的条纹图案；
图3示意性地示出了由另一M-sequence数值序列产生的条纹图案；
图4示意性地示出了根据本发明的方法所产生的同心圆环；
图5示意性地示出了根据本发明的方法所产生的直角坐标系的二维网格图案；
图6示意性地示出了根据本发明的方法所产生的另一种直角坐标系的二维网格图案；
图7示意性地示出了现有技术的Placido环在测量时的反射成像；并且
图8示意性地示出了根据本发明的基于位置编码序列的图案在测量时的反射成像。
具体实施方式
现有的角膜地形图，部分原理是基于Placido环在角膜前表面的反射。平面、圆锥或半球形的反射面内有多条同心圆的环形发光带，环形发光带在被测眼的角膜上形成反光图案。通过测量发光带在角膜表面的反射图像来测量出角膜前表面的地形图。
Placido环是黑白交替的圆环，可以视为1-0交替的周期编码，其一个周期内只有2bit的信息量，是一维低信息量的短周期编码。
本发明改进了现有技术的角膜地形图所使用的发光带图案形式。在本发明的技术方案中，使用多维高信息量长周期编码的发光带图案，例如采用M-sequence、De Bruijn序列、Hillbert曲线、n non-formal codification编码或类似的带有位置编码信息的纹理图案，并且可以使用多种颜色来表示多个维度。不失一般性，下面使用M-sequence序列来说明本发明的原理。
在一个实施例中，本发明的发光带可以是多个环形的同心圆环，每个圆环的宽度可以相同，每个圆环的颜色或者灰度可以按照M-sequence序列所确定的数值来选取。M-sequence可以通过现有技术生成，例如可以产生长度为MN-1的数值序列，构成该数值序列的数值为0至M-1的整数，其可以对应M种颜色或者灰度，考虑到采集角膜表面反射像时的噪声，优选地使用不同的颜色来表示不同的数值。用于产生M-sequence序列的方法是现有技术，有诸多算法可以使用。例如，可以使用线性反馈移位产生M序列。参见图1，以自序列码长为4的M-sequence序列为例，可以表示为如下：
a3[n+1]=a0[n]+a1[n]
a2[n+1]=a3[n]
a1[n+1]=a2[n]
a0[n+1]=a1[n]
其中n是子序列编组位置，加法+是定义于GF(2)的加法，即0+0=0，0+1=1，1+1=0，1+0=1。
例如，当M=2且N=3时产生的M-sequence序列为：1，0，0，1，1，1，0，其是长度为7的数值序列。该数值序列可以用两种颜色（例如红色和绿色）或两种灰度的条纹来对应，如图2所示，其中，较深的色块表示红色，其对应于M-sequence序列中的数值1，并且较浅的色块表示绿色，其对应于M-sequence序列中的数值0。
M-sequence序列的特征在于任意的长度大于等于N的子序列在整个序列中出现且仅出现一次，从而其位置是已知的。例如，当M=2且N=3时，｛0，1，1｝子序列在该M-sequence序列中的位置为第3位至第5位，并且仅出现一次。也就是说，除了该M-sequence序列中的第3位至第5位之外，其它任意三个相邻的数值组成的子序列均不可能是｛0，1，1｝。
若使用更大的M值，则可以相应地使用更多的颜色或灰度来表示。例如，当M=3且N=3时产生的M-sequence序列可以如图3所示，其中，R表示红色，G表示绿色，并且B表示蓝色。
在M-sequence序列中，M代表颜色或者灰度的数量。由于图像经过角膜反射以后需要被相机采集，考虑到相机的分辨能力和冗余，M的取值优选为2~4，其对应的颜色例如可以是红色、绿色、蓝色和白色。当然，M的其它取值也在本发明构想的范围内。
MN-1的值决定了在基本接近的角膜大小内有多少个圆环，也就是在角膜表面的采样数量，在M给定的情况下，N越大则采样越密集，考虑到实际需要与相机分辨能力和冗余，N的取值优选为5~12。当然，N的其它取值也在本发明构想的范围内。
条纹颜色顺序确定以后就可以绘制成所需要的同心圆环，例如，图4示意性地示出了根据本发明的方法所产生的同心圆环。
也可以利用条纹来制作能够代表二维信息的网络，可以使用不同颜色组合来标记水平方向与竖直方向，形成直角坐标系的二维网格，也可以用不同的颜色组合来标记同心圆环的半径与角度，形成极坐标系的二维网络。
使用直角坐标系时，水平维度与竖直维度可以分别使用互相独立的位置编码序列（例如M-sequence序列），并分别使用互相独立的标记。
例如，可以使用不同的颜色或灰度的组合，例如水平维度可以使用红-黑的组合，竖直维度可以使用绿-黑的组合。图5示意性地示出了根据本发明的方法所产生的直角坐标系的二维网格图案，其中，水平维度和竖直维度上的每一个区域的颜色或灰度基于位置编码序列（例如M-sequence序列）中的相应一个编码来确定。在一个实施例中，水平维度和竖直维度所使用的位置编码序列可以是相同的。在一个实施例中，水平维度和竖直维度所使用的位置编码序列可以是不同的。
例如，可以在一个维度使用颜色或灰度的组合，而在另一个维度使用对图像像素的运算，例如水平维度使用黑、白颜色组合，而在竖直维度对每一行的图像进行逻辑运算，例如，如果竖直维度M-sequence的取值为0，则对该行图像取反，互换黑白颜色。图6示意性地示出了根据本发明的方法所产生的另一种直角坐标系的二维网格图案，其中，水平维度上的每一个区域的颜色或灰度基于位置编码序列（例如M-sequence序列）中的相应一个编码来确定，并且竖直维度上的每一个区域的颜色或灰度基于对图像像素的运算来确定。
使用极坐标系时，与上述过程类似。可以使用不同的颜色组合表示矢径维度和方位维度。或者可以使用颜色组合表示矢径维度，使用对图像像素的运算表示方位维度。
以上使用M-sequence序列来说明本发明的原理。当然，除了M-sequence序列之外，还可以使用其他的带有位置编码信息的序列，例如DeBruin序列。DeBruin序列：给定k个数字或者字符，DeBruijnSequence[k,n]产生的序列长度为k^n, 其中长度为n的子序列出现且仅出现一次。例如字符为｛0，1，2｝，n＝2，DeBruijnSequence[{0,1,2}, 2]={0, 0, 2, 1,1, 2, 2, 0, 1}。关于DeBruin序列，可以例如参见http://mathworld.wolfram.com/deBruijnSequence.html。
在一个实施例中，为了方便检测，可以在每一个条纹后增加一个一定宽度的不同的特定颜色（例如黑色）的分隔条纹，以用于表示相邻两个条纹之间的分界。
优选地，可以仅在编码序列中的连续的数值相同的编码所形成的连续的颜色或灰度相同的条纹之间使用特定颜色的分隔条纹，而在不同的编码之间不使用特定颜色的分隔条纹。所加入的特定颜色的分隔条纹的作用在于：根据分隔条纹的数量能够得知连续的颜色或灰度相同的条纹代表了多少个编码。例如，如果在连续的颜色或灰度相同的条纹中存在两个分隔条纹，则表示该连续的颜色或灰度相同的条纹代表了三个数值相同的编码。又例如，如果在连续的颜色或灰度相同的条纹中存在四个分隔条纹，则表示该连续的颜色或灰度相同的条纹代表了五个数值相同的编码。例如，对于序列：1、0、0、1、1、1、0（M=2，N=3），可以加入黑色的条纹从而形成如下序列：1、0、B、0、1、B、1、B、1、0，其中，“1”表示红色，“0”表示绿色，“B”表示黑色。
这样只需要增加三条分隔条纹，因为分隔条纹不提供位置信息，所以如果尽量减少分隔条纹的数量，就能够有利于充分使用编码序列，而且对相机的分辨率要求会降低一些。
在一个实施例中，可以根据实际需要来调整位置编码序列的起始编码。
在一个实施例中，根据被测眼的虹膜的颜色，可以选择与虹膜的颜色对比更强烈的颜色，例如对于蓝色的虹膜，可以避免使用蓝色，而使用红色、绿色、白色作为M-sequence序列或DeBruin序列所用的颜色，并且使用黑色作为分隔条纹的颜色。
如同现有的Placido环角膜地形图，本发明所使用的条纹图案可以显示在平面、半球或者圆锥的内表面，条纹图案背面可以加以背光发亮，使得角膜表面能够反射出条纹图案。
利用几何关系和现有技术的算法，通过在角膜前对角膜前表面条纹图案的照相，能够测量出角膜表面的地形。
由于眼球在不断进行扫视运动，即使要求被试者尽量盯住目标，保持眼球不动，眼球亦会有轻微的颤动，这种抖动会影响在眼科进行光学测量的结果。
可以利用相机进行摄像，记录一段时间内角膜前表面反射成像的连续变化。配合现有的眼动追踪技术，可以获得在眼球运动条件下的角膜地形图。经过在相应位置的平均，可以进一步提高角膜地形图的精度，消除眼球运动对角膜地形图测量的误差影响。
现有的眼动追踪技术，是利用图像处理算法，识别出角膜缘位置与角膜表面反光的相对位置关系，来计算眼轴的角度。本发明已经可以取得角膜表面反射图像，由于结膜是透明的，巩膜表面白色粗糙没有较好的反射成像能力，因此也容易使用本发明取得的反射图像计算出角膜缘的位置，并获得眼球的角度。
与现有技术的Placido环不同，本发明使用的条纹是基于带有位置编码信息的序列（例如M-sequence序列）的图案。
利用现有技术的Placido环测量时，如果角膜的局部有云翳、白斑或者局部角膜曲率较异常，发生角膜反射像中Placido环的中断或局部识别不清，如图7所示。这会影响其后续的Placido环的识别，从而影响角膜地形图的测量。利用Placido环测量时，环线的数量少，常见机器约20-30条环线，测量的精度有待提高。
作为对比，使用本发明的基于位置编码序列的图案时，环线可以设置得更为细密，如图8所示。当局部出现环线的中断或缺失时，可以利用局部区域的带有位置编码信息的序列（例如M-sequence序列）的子序列推算出局部图案在整体图案中的位置，使得测量能够进行，并且在识别出局部图案的位置后，又可以对其中每一个条纹再细化定位，使测量精度提高。
可以通过简单的更换现有Placido角膜地形图的照明环图案来产生基于带有位置编码信息的序列（例如M-sequence序列）的照明环图案，在算法上再进行相应的升级。可以利用现有的角膜地形图生产技术，原有的光机电结构基本不变。
由于可以用算法提高精度，于是对图像的精度要求可以略降低，能够利用精度稍低的便携设备进行测量，便可达到常规角膜地形图相近的精度。
利用M-sequence进行高精度的角膜表面形态绘制，是后续许多角膜测量的基础，例如角膜的应力测量和角膜的弹性测量都是建立在高精度的地形图基础之上。
本发明公开了一种用于测量眼睛的角膜前表面的地形图的方法。该方法包括如下步骤：生成位置编码序列，其中，所述位置编码序列是多个编码组成的序列，并且其中，在所述位置编码序列中，等于或大于给定长度的子序列在整个位置编码序列中仅出现一次；基于所述位置编码序列来生成纹理图案，其中，所述纹理图案由多个区域组成，所述纹理图案的每一个区域的颜色或灰度基于所述位置编码序列中的相应一个编码来确定；将所述纹理图案投射至角膜前表面；以及通过测量所述纹理图案经过角膜前表面的反射成像来获取所述角膜前表面的地形图。
本发明还公开了一种用于测量眼睛的角膜前表面的地形图的设备。该设备包括位置编码序列生成装置、纹理图案生成装置、投射装置和测量装置。所述位置编码序列生成装置用于生成位置编码序列，其中，所述位置编码序列是多个编码组成的序列，并且其中，在所述位置编码序列中，等于或大于给定长度的子序列在整个位置编码序列中仅出现一次。所述纹理图案生成装置基于所述位置编码序列来生成纹理图案，其中，所述纹理图案由多个区域组成，所述纹理图案的每一个区域的颜色或灰度基于所述位置编码序列中的相应一个编码来确定。所述投射装置将所述纹理图案投射至角膜前表面。所述测量装置通过测量所述纹理图案经过角膜前表面的反射成像来获取所述角膜前表面的地形图。
本发明的位置编码序列可以例如是前面所讨论的M-sequence序列。替代地，本发明的位置编码序列也可以是其它位置编码序列，例如DeBruin序列等等。本发明的投射装置可以通过任何适当的方式将基于位置编码序列生成的纹理图案投射至角膜前表面。本发明的测量装置可以通过任何适当的方式测量该纹理图案经过角膜前表面的反射成像，从而获取角膜前表面的地形图。
尽管已经参照（一个或多个）示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将会理解的是，本发明不限于本文所描述的确切结构和组成部分，而且在不偏离如所附权利要求限定的本发明精神和范围的情况下，从前面的描述可明白各种修改、变化和变形。本发明不受步骤的所示排序的限制，因为一些步骤可以按照不同的顺序和/或与其它步骤同时进行。因此，本发明不限于所公开的（一个或多个）具体实施例，而是将会包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种用于测量眼睛的角膜前表面的地形图的方法，包括如下步骤：
生成位置编码序列，其中，所述位置编码序列是多个编码组成的序列，并且其中，在所述位置编码序列中，等于或大于给定长度的子序列在整个位置编码序列中仅出现一次；
基于所述位置编码序列来生成纹理图案，其中，所述纹理图案由多个区域组成，所述纹理图案的每一个区域的颜色或灰度基于所述位置编码序列中的相应一个编码来确定；
将所述纹理图案投射至角膜前表面；以及
通过测量所述纹理图案经过角膜前表面的反射成像来获取所述角膜前表面的地形图。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述位置编码序列是M-sequence序列。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述M-sequence序列是长度为MN-1的数值序列，其中，M代表所述纹理图案中的颜色或灰度的数量并且M和N均为正整数，优选地，M是大于等于2且小于等于4的整数并且N是大于等于5且小于等于12的整数。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述位置编码序列是De Bruijn序列。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述纹理图案是同心的多个圆环，所述多个圆环的每一个圆环的颜色或灰度基于所述位置编码序列中的相应一个编码来确定。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括如下步骤：
在所述多个圆环的每两个相邻圆环之间设置不同颜色或灰度的分隔圆环。
7.根据权利要求5所述的方法，还包括如下步骤：
在所述多个圆环的每两个相邻的且颜色或灰度相同的圆环之间设置不同颜色或灰度的分隔圆环。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述多个圆环中的每个圆环的宽度相同。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述纹理图案是直角坐标系的二维网格图案，所述二维网格图案具有水平维度和竖直维度，所述位置编码序列包括第一位置编码序列和第二位置编码序列，其中，所述水平维度上的每一个区域的颜色或灰度基于所述第一位置编码序列中的相应一个编码来确定，并且所述竖直维度上的每一个区域的颜色或灰度基于所述第二位置编码序列中的相应一个编码来确定。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一位置编码序列不同于所述第二位置编码序列。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述纹理图案是直角坐标系的二维网格图案，所述二维网格图案具有水平维度和竖直维度，其中，所述水平维度上的每一个区域的颜色或灰度基于所述位置编码序列中的相应一个编码来确定，并且所述竖直维度上的每一个区域的颜色或灰度基于对图像像素的运算来确定。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述对图像像素的运算是取反运算。
13.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述纹理图案是极坐标系的二维网格图案，所述二维网格图案具有矢径维度和方位维度，所述位置编码序列包括第一位置编码序列和第二位置编码序列，其中，所述矢径维度上的每一个区域的颜色或灰度基于所述第一位置编码序列中的相应一个编码来确定，并且所述方位维度上的每一个区域的颜色或灰度基于所述第二位置编码序列中的相应一个编码来确定。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一位置编码序列不同于所述第二位置编码序列。
15.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述纹理图案是极坐标系的二维网格图案，所述二维网格图案具有矢径维度和方位维度，其中，所述矢径维度上的每一个区域的颜色或灰度基于所述位置编码序列中的相应一个编码来确定，并且所述方位维度上的每一个区域的颜色或灰度基于对图像像素的运算来确定。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述对图像像素的运算是取反运算。
17.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：
调整所述位置编码序列的起始编码。
18.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：
根据所测量的眼睛的虹膜的颜色来选择所述纹理图案的颜色。
19.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：利用相机进行摄像，记录一段时间内角膜前表面的反射成像的连续变化。
20.一种用于测量眼睛的角膜前表面的地形图的设备，包括：
位置编码序列生成装置，其用于生成位置编码序列，其中，所述位置编码序列是多个编码组成的序列，并且其中，在所述位置编码序列中，等于或大于给定长度的子序列在整个位置编码序列中仅出现一次；
纹理图案生成装置，其基于所述位置编码序列来生成纹理图案，其中，所述纹理图案由多个区域组成，所述纹理图案的每一个区域的颜色或灰度基于所述位置编码序列中的相应一个编码来确定；
投射装置，其将所述纹理图案投射至角膜前表面；以及
测量装置，其通过测量所述纹理图案经过角膜前表面的反射成像来获取所述角膜前表面的地形图。
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