CN109414166A - 用于非常灵敏地测量人眼中的距离和角度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于非常灵敏度地测量人眼中的距离和角度的方法，以在白内障手术期间使用具有正确屈光力的人工晶状体。用于以光学、非接触方式确定人眼的距离的方法基于使用双光束方法的低相干干涉测量法，其中使用空间分辨传感器来检测时域信号。根据本发明，所采用的干涉测量装置的延迟路径被连续调谐并且用于照射眼睛视网膜的低相干照明光源在其亮度方面被周期性地调制。由视网膜反射的光信号被传感器捕获并以空间分辨方式进行检测。本方法用于测量患白内障疾病的眼睛的眼睛长度。虽然具体地为了测量已患白内障疾病的眼睛而提供该方法，但原则上可以使用它来测量所有眼睛的轴向长度。

Description

用于非常灵敏地测量人眼中的距离和角度的方法

技术领域

本发明涉及用于以高灵敏度方式测量人眼中的距离和角度的方法。为了在白内障手术期间插入具有正确屈光力的人工晶状体(下文缩写为IOL)，有必要尽可能精确地测量眼睛。这里，眼睛的从角膜前侧到视网膜的轴向长度是用于术前选择待植入的IOL的最重要测量值。此外，当使用特定的计算公式(例如，Haigis、Olsen、Barrett、Holaday 2、光线追踪(raytracing))时，关于眼睛前部(晶状体厚度、角膜厚度、前房深度)中的距离的知识也是必要的。

背景技术

根据现有技术，通过被称为PCI(部分相干干涉测量法)或OCT(光学相干断层扫描术)的光学干涉测量方法来测量眼睛中的距离，优选地以非接触方式。在这些方法中，结构转变可以表示为一维深度剖面(A扫描)或二维深度剖面(B扫描)，其中检测光学界面处的镜面反射和/或在眼睛的各种介质中散射的光。

根据现有技术中已知的用于测量眼睛长度和眼睛中的其他距离的技术，借助于使用双光束方法的部分相干干涉测量法的方法是普遍的。

在这些方法中，在光路长度方面不同的两个光束入射在眼睛中并在角膜的前表面和视网膜或晶状体、或角膜的后表面处反射或散射，并且被用以干涉。根据不同光路长度下的信号，可以推断出眼睛中的距离。

在测量眼睛长度时，患者固定在测量光束上确保了确定与计算IOL相关的长度。相比之下，为了测量眼睛前部区域中的距离，可能有利的是允许患者借助于附加的固定刺激来重新固定或者借助于某些设备以不同的角度将测量光束本身引导到眼睛中。

卡尔·蔡司医疗技术公司的IOLMaster是一种基于该方法的用于确定眼睛长度的装置，其中共焦时域系统由低相干激光源照射并由非空间分辨光电二极管检测。IOLMaster基于干涉双光束布置，其中从视网膜散射回来的光与角膜反射重叠并以相干方式进行检测。

该方法的优点在于，患者眼睛在测量期间的轴向移动不会使信号失真。因此，使用该方法也可以进行扫描时间为0.5秒的相对较慢测量。然而，在测量时段期间，患者必须提供最少的合作用于固定目的。

不利的效果是，如在所有共焦OCT系统中，待测量的眼睛长度范围结合到检测孔径并因此结合到检测灵敏度，并且因此无法进一步提高给定眼睛长度测量范围内的检测灵敏度。

卡尔·蔡司医疗技术公司的ACMaster是一种同样基于该方法的用于确定眼睛前部中的距离的装置，其中共焦时域系统由低相干激光源照射并由非空间分辨光电二极管检测。在该装置中，借助于附加的固定刺激来提示患者重新固定，从而导致改善各个界面(角膜的前表面和后表面、晶状体的前表面和后表面)的检测。在患者提供很少合作的情况下，很难进行这种测量过程。

AT 511 740 B1提出了一种使用空间分辨相机来实现检测的方法。作为这种类型的检测的结果，可以在很大程度上独立于给定的眼睛长度测量范围优化检测孔径并因此优化测量灵敏度。由于在该方法中以空间分辨的方式测量光波场的绝对值和相位，因此可以使用波导方程将光波场转换到任何其他检测平面。因此，检测孔径可以从约2mm增加到4mm并且因此灵敏度可以增加4倍。在非正视眼的情况下，例如屈光不正为10dpt的高度近视眼，则可以附加地获得正视眼的灵敏度，由此，在这些情况下，灵敏度与现有技术相比可以进一步增加至少10倍。

这里描述的方法的缺点应当被认为是空间分辨检测器成本极高，该空间分辨检测器的测量速度至少近似地对应于非空间分辨检测器的测量速度。

从现有技术中已知的以光学无接触方式操作的所有测量方法的另一个缺点是：如果白内障疾病已经持续，则由于眼睛晶状体的透射减少，很难进行眼睛长度和晶状体厚度的测量。

发明内容

本发明基于开发一种用于测量眼睛中距离的方法的目的，该方法的特征在于有效测量时间短，使得甚至可以实现成本低廉的手持式测量装置。此外，该方法应当有助于对眼睛中距离进行高度灵敏的测量，甚至对患有晚期白内障疾病的人也是如此。

该目的通过基于使用双光束方法的低相干干涉测量法以光学、非接触方式确定人眼中的距离的方法来实现，其中借助于在其亮度方面被周期性地调制的用于测量眼睛的光源，使用空间分辨传感器来检测时域信号。

根据本发明，该目的通过独立权利要求的特征来实现。从属权利要求的主题是优选的改进和配置。

具体实施方式

本发明用于测量患白内障眼睛的距离以便能够选择具有适当屈光力的待植入的IOL。虽然具体地为了对已患白内障眼睛进行测量而提供该方法，但原则上可以使用它来测量所有眼睛，即例如甚至无白内障的已经植入IOL的眼睛、填充硅胶的眼睛、无晶状体的眼睛和有晶体眼睛。

在过去的几十年里，在世界范围内记录了明显短视(近视)的显著增加。为了研究其原因，国际上常规的是使用动物(例如，小鼠、鸡)的眼睛来模拟人眼中的某些生长过程。为此，在适当的时间段内，在某些约束下测量动物眼睛中的距离。本方法明确地也适用于此类测量。

以下基于示例性实施例更详细地描述本发明。

根据本发明的用于以光学、非接触方式确定人眼中的距离的方法基于使用双光束方法的低相干干涉测量法，其中使用空间分辨传感器来检测时域信号。这里，用于测量眼睛的光源在其亮度方面被周期性地调制。

使用这里采用的双光束方法的低相干干涉测量法是基于眼睛中的渡越时间或路径长度差异与双光束干涉仪中具有已知大小的渡越时间或路径长度差异的干涉测量校正，根据其可以容易地确定眼睛的部分或全部长度。适合于该目的的光源发射具有短相干长度的光。

因此，根据本发明，使用具有约10μm至200μm的相干长度的光源。举例而言，激光二极管或超发光二极管可以用作光源。

根据本发明，在测量时间为0.1秒至10秒的情况下，双光束方法中的低相干干涉仪的延迟线应当以恒定速度进行调谐。

举例而言，眼睛长度范围的扫描应当以30mm/s的速度实现并且应当使用相干长度为100μm的光源。这里，可以在空间分辨传感器上观察约3ms的干涉。然而，在此期间，检测器信号将以70.6kHz的多普勒频率周期性地改变。

这可以借助于延迟线不是连续地调谐而是以100μs的步长调谐来补救。如果然后在延迟线恒定的时间期间实现实际测量，则可以实现稳定的测量。

在延迟线的这种(步进式)调谐期间会发生非常高的加速，从而导致技术实现更加困难或甚至无法实现。此外，在测量时间期间发生的眼睛长度改变将导致测量的失真。

光源在其亮度方面被周期性地调制以便在连续调谐期间获得近似静态的干涉图案。

根据本发明，以频率f_D-Δ调制光源，其中f_D是干涉信号的多普勒频率，并且Δ可以采用传感器帧速率的0至±1/2，特别优选±1/4之间的值。

这里，照明光源的亮度调制在本示例中以70.6kHz，优选69.85kHz的频率来实现，其中照明光源的调制用δ或矩形形状或者用[1+sin(ωt)]形状特征来实现。

尽管现有技术公开了以空间分辨方式操作的快速传感器，但这些传感器仍然相对昂贵并且给成本低廉的手持式测量装置造成障碍。

根据本发明，能够实现大于1kHz的帧速率的传感器或传感器部分将用作空间分辨检测器。

因此，在曝光时间为330μs的情况下，以示例性方式使用帧速率为3000Hz的传感器以用于空间分辨检测。这里，其分辨率至少为10×10，优选为100×100、300×300或1000×1000像素。然而，具有非对称大小的传感器或传感器部分也可以用于空间分辨检测。

如果延迟线以30mm/s连续调谐，则在330μs的曝光时间内行进10μm的距离。在波长为850nm(在水中)的情况下，该距离对应于信号中的约为30×2π的相位摆动。

现在，如果用连续辐射光源来实现检测，则通过取平均来移除所有相干信号分量。然而，如果示例中的光源在其亮度方面以70.6kHz的频率进行调制，则可以在传感器上观察到静态干涉图案。在给定这些规范下，传感器记录其中可以观察到眼睛长度的某个相干信号的约10个图像。

为了能够更好地评估干涉，调制应当不以70.6kHz而是以69.85kHz来实现。由于0.75kHz的频率差(帧速率的1/4)，特定干涉信号在每个连续传感器帧中具有90°相移。因此，在传感器序列中预期调制频率是帧速率受限截止频率的1/2。这些可能以窄带方式来进行过滤。

根据本发明，光源的调制用δ或矩形形状或者用[1+sin(ωt)]形状特征来实现。在用[1+sin(ωt)]形状特征来调制光源的情况下，频率将保持不变，但信号强度将减小到一半。

由于视网膜中的灌注变化，可能出现延迟线的非线性和眼睛长度的快速变化，从而实际多普勒频率将偏离理论多普勒频率。然而，传感器必须始终记录至少2帧/周期。因此，应当知道准确度为检测器帧速率的±1/4的多普勒频率。因此，在延迟线的调整速度为30mm/s的情况下，实际调整速度的偏差加上眼长变化的最大速度应当小于320μm/s。

根据本发明，双光束方法中的低相干干涉仪的延迟线包括路径测量系统，根据其信号在线导出光源的调制频率。

由于以空间分辨的方式检测由视网膜反射的光信号的绝对值和相位，因此可以将这些光波场转换到任何平面上。这里，从物理观点来看，每个检测平面是等效的；然而，可以专门为双光束方法限定检测平面的最佳位置。

首先，重要的是尽可能完全地捕获由视网膜反射的光信号。其次，这些光信号的强度应当分布在尽可能少的传感器像素中。

这意味着，在给定传感器的必要最小分辨率的情况下，尽可能小的反射光信号束在待测量眼睛的整个屈光度范围内撞到传感器。

根据本发明，最佳检测平面与眼睛的视网膜共轭，其中屈光不正在±15D的范围内。

在人群中发生的屈光度范围是非对称的，因为近视眼与远视眼相比程度更强。举例而言，如果应当测量从-10dpt近视眼到5dpt远视眼的生理范围，则最佳检测平面与-2.5dpt近视眼的视网膜共轭。

另一个必要需求是，在传感器上，由角膜反射的光束完全覆盖由视网膜反射/散射的光束。然而，对于角膜的典型曲率并不总是满足这种需求，并且因此在本发明的实际配置中，对于略微近视的眼睛，最佳检测平面应当与视网膜共轭。

虽然在具有光学平滑界面的模型眼的情况下，由视网膜反射的光信号在传感器上产生典型的环图案，但由于统计相位变化而可以在真实眼睛中观察到散斑颗粒，所述散斑颗粒的尺寸与检测孔径成反比。

在评估期间应当考虑的是，所有像素在传感器上的散斑波场中具有不相关的相位。这意味着可以单独评估传感器的每个像素，并且仅通过对多个像素或所有像素的评估取平均来产生结果信号。

这样提供的方法比现有技术中已知的使用双光束方法的常规低相干干涉测量法更加灵敏。根据本发明的方法的优点使得眼睛长度测量的灵敏度的显著增加，特别是在测量具有异常视力的眼睛时。

除了确定眼睛长度之外，根据本发明的方法附加地有助于可靠地检测眼睛前部中的距离。如已经提及的，在这种情况下有利的是允许通过附加的固定刺激来使得患者重新固定。取决于患者的相应眼睛，提供相对于测量装置的光轴在0°与20°之间的范围内的重新固定。

这里，通过评估干涉图案将干涉峰值分配给眼睛的前部或后部。

在眼睛长度测量期间，通过由视网膜统计反射的波场来评估由角膜反射的近似球面波的干涉。

然而，在双光束布置的情况下，所有其他界面(角膜的后侧、晶状体的前表面和后表面)也彼此干涉，并且因此可以观察到多达约10个信号峰值。

通过进一步的评估步骤可以容易地将这些反射分配给界面。如果两个近似球形的波干涉，则干涉图案应当对应于菲涅耳环。这些环可以通过环系来拟合。如果随后确定相关系数，则可以获得附加信息。

如果系数非常小，即如果与环系相比更可能存在非相干散斑图案，则视网膜是一个干涉项。如果系数更大，则这是环系，即角膜反射与晶状体反射之间的干涉。

附加地，环刻度还提供关于表面的相对曲率差异的信息，由此可以区分晶状体的前表面和后表面。

根据本发明，眼睛晶状体相对于眼睛视轴的倾斜角度附加地能够根据空间分辨传感器上的角膜与前或后晶状体界面的反射之间产生的干涉图案的形式来确定。

Claims (18)

1.一种基于使用双光束方法的低相干干涉测量法以光学、非接触方式确定人眼中的距离的方法，其中使用空间分辨传感器来检测时域信号，其特征在于，用于测量眼睛的光源在亮度方面被周期性地调制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以频率fD-Δ调制所述光源，其中fD是干涉信号的多普勒频率，并且Δ能够采用所述传感器的帧速率的0至±1/2，特别优选0至±1/4之间的值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，以所述传感器的帧速率的±1/4的准确度确定所述多普勒频率fD。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光源的调制用δ或矩形形状或者用[1+sin(ωt)]形特征来实现。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空间分辨传感器位于最佳检测平面中，其中在尽可能少的传感器像素上尽可能完全地检测由视网膜反射或散射的光信号，并且其中存在由角膜反射的光信号的覆盖。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述最佳检测平面与眼睛的视网膜共轭，其中屈光不正在±15D的范围内。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分辨率在10×10至1000×1000像素范围内并且也能够具有非对称尺寸的传感器或传感器部分用于空间分辨检测。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，能够实现大于1kHz的帧速率的传感器或传感器部分用于空间分辨检测。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，空间分辨检测的评估是逐像素地实现的。

10.根据权利要求1或9所述的方法，其特征在于，通过对各像素取平均来实现空间分辨检测的评估。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在测量时间为0.1秒至10秒的情况下，所述双光束方法中的低相干干涉仪的延迟线以恒定速度进行调谐。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双光束方法中的低相干干涉仪的光源具有10μm至200μm之间的相干长度。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述人眼的眼睛长度。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述人眼的前部中的距离。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，重新固定患者的眼睛以确定所述眼睛的前部中的距离，其中所述重新固定处于相对于测量装置的光轴0°至20°之间的范围内。

16.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，通过评估干涉图案将干涉峰值分配给所述眼睛的前部或后部。

17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述空间分辨传感器上的在角膜与前或后晶状体界面的反射之间产生的干涉图案的形式，确定所述眼睛的晶状体相对于所述眼睛的视轴的倾斜角度。

18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双光束方法中的低相干干涉仪的延迟线包括路径测量系统，根据所述路径测量系统的信号在线导出所述光源的调制频率。