CN109620130B - 一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统及测量方法，采用角膜定位子系统对角膜的测量位置定位、采用角膜激励子系统使角膜产生微量的机械波和形变，采用OCT探测子系统对角膜各采样点的弹性反应进行高灵敏度探测。其中，OCT探测子系统采用多光束、共光路的设计方案，既能保证无振镜扫描下的人眼角膜多弹性参数(硬度、固有频率、杨氏模量)的快速测量；又能降低测量噪声和误差、保证测量的精确性。
Description
技术领域
本发明专利涉及到生物医学弹性成像领域，尤其涉及一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统及测量方法。
背景技术
人眼角膜是人眼主要的屈光介质，角膜的弹性力学特征对维持角膜的正常结构和功能具有重要作用、是研究角膜的生理和病理特性的重要基础。角膜疾病(例如圆锥角膜、角膜膨隆)及角膜手术(角膜屈光手术、紫外线交联术CXL等)会引起角膜弹性力学特征的改变。常规的临床检测方法依据角膜形态(地形图、厚度、曲率等)和眼压参数进行诊断；尽管对角膜疾病的检出率已经很高，但仍有部分角膜疾病被漏诊。而角膜结构的微小变化可引起弹性力学特征的明显改变，因此针对角膜弹性力学特征的量化研究在角膜疾病的诊断与治疗上具有重要意义。为了实现临床上角膜弹性力学特征的量化，研发非接触式、在体的人眼角膜弹性成像测量技术已成为眼科和视觉科学研究的一大需求和热点。
目前各种角膜的弹性测量技术仍不成熟，所测的角膜力学参数差别为几个量级。以兔子角膜的杨氏模量测量为例，其估算范围从大约1kPa(Thomasy etc.Acta Biomater10(2),785-791(2014))到大约11MPa(Wollensak etc.Acta Ophthalmol 87(1),48-51(2009))。Ruberti等提出了角膜弹性成像测量技术面临的若干个未解决问题(Openquestions)，其首要的三个问题为：“如何开发在体角膜弹性测量的新技术/仪器”、“如何区分在体角膜各区域的弹性力学特征”与“如何采用弹性成像测量的手段进行角膜手术的术前风险评估”(Ruberti etc.Annu Rev Biomed Eng 13,269-295(2011))。在角膜的在体弹性测量方案中，各种弹性成像技术均有其技术瓶颈：或无法达到高测量分辨率要求(Voorhees etc.Experimental Eye Research,160,85-95(2017))、或无法实现针对角膜病变区域的局部测量(Luce etc.J Cataract Refract Surg 31(1),156-162(2005)；Hongetc.IOVS 54(1),659-665(2013))、或需要过长的测量时间(Scarcelli etc.NatPhotonics 2(1),39-43(2008)；Scarcelli etc.IOVS 53(1),185-190(2012))，难以达到角膜在体弹性测量的临床需求。目前角膜弹性参数量化研究所面临的一个重要科学问题是：如何更准确的量化在体人眼角膜的弹性力学特征，尤其是如何进行角膜局部区域弹性参数的高精度测量、实现临床上角膜病变或手术区域与正常区域的边界区分。这需要研究符合临床需求的角膜弹性测量的新方法，开发可实现在体人眼角膜局部区域和多方位弹性参数量化的高精度、快速测量技术。
而在OCE技术中，目前尚难以采用“扫描探测式”OCE实现人眼角膜机械波传播的追踪和杨氏模量的准确在体测量。机械波传播速度约为几米/秒，而每个测量点均需要数毫秒至数十毫秒的时间来获得该点的“位移-时间”曲线。OCE难以通过单帧成像实现机械波在某个传播方向的追踪。此外，眼动对活体角膜机械波传播速度的测量引入很大的测量误差。以往的SD-OCT系统采取多次激励和多次探测的方法对样品和离体角膜各测量点的弹性响应进行拼接，从而实现对机械波传播速度的估算。但由于眼动的存在，该方法难以用于在体人眼角膜的弹性测量。高速扫频OCT(Swept source OCT)系统可提高采集速度，例如150万A-line/秒(Song etc.Applied Physics Letters 108(19)(2016).；Singh etc.Opt.Lett.40(11),2588-2591(2015).)。然而扫频OCT目前仍有较大的相位误差，需要采用额外的稳相技术来获得稳定的相位。此外，高速扫频OCT价钱昂贵，尚难以在临床上推广。线视场(Linefield)扫描的OCE方案(Liu etc.Biomedical Optics Express 7(8),3021-3031(2016).)虽然可以提高机械波的探测速度，但是由于它需要更强的光强信号，目前也尚未能成功应用于人眼角膜的测量之中。
另外现有技术中也有一些能够提高采集速度的方案诸如(1)高速扫频OCT(Sweptsource OCT)系统可提高采集速度，例如150万A-line/秒(Song etc.Applied PhysicsLetters 108(19)(2016).；Singh etc.Opt.Lett.40(11),2588-2591(2015).)。然而扫频OCT目前仍有较大的相位误差，需要采用额外的稳相技术来获得稳定的相位。此外，高速扫频OCT价钱昂贵，尚难以在临床上推广。
(2)使用线视场(Line field)扫描的OCE方案(Liu etc.Biomedical OpticsExpress 7(8),3021-3031(2016).)虽然可以提高机械波的探测速度，但是由于它需要更强的光强信号，目前也尚未能成功应用于人眼角膜的测量之中。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题是：提供一种共光路多光束OCE探测方案，既能保证无需振镜扫描下的人眼角膜多弹性参数(硬度、固有频率、杨氏模量)的快速测量；又能降低测量噪声和误差、保证测量的精确性。
本发明是通过以下技术方案实现的：一方面，一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统，包括角膜定位子系统、载荷激励子系统和OCT探测子系统；所述角膜定位子系统对角膜测量位置进行定位、所述载荷激励子系统用于刺激角膜以使角膜产生机械波和形变，所述OCT探测子系统采用共光路、多光束设计，对角膜的弹性响应进行测量；所述共光路是指：探测臂和参考臂在同一光路；在所述OCT探测子系统中，宽光谱光源连接第一光纤耦合器的一端，所述第一光纤耦合器的另一端连接第二光纤耦合器的一端，所述第二光纤耦合器分光后另一端分别连接共光路共光路多光束探测头上对应的探测光路，多光束光路中角膜前的位置设置参考平板，参考平板靠近角膜的一侧提供反射的参考信号，所述参考信号与角膜上各采样点的探测信号产生干涉，其干涉光谱由与第一光纤耦合器连接的光谱探测器探测接收。
进一步，所述共光路多光束探测头的探测光路数量不少于2个。
进一步，所述参考平板的光程要大于所述OCT探测子系统所能探测的最大光程，所述参考平板远离角膜的一侧可镀增透膜、靠近角膜的一侧可镀适当反射率的反射膜。
进一步，所述角膜定位子系统包括对人眼视轴定位的标靶、对角膜和瞳孔成像的相机以及进行光路拼接的若干二向色镜。
另一方面，一种共光路的多光束光学相干弹性测量方法，利用上述技术方案中所述的共光路的多光束光学相干弹性测量系统，包括步骤：
S1、使用定位相机对人眼瞳孔成像，人眼盯着标靶固定视轴，当标靶进行移动的时候，眼睛的视轴也随之移动，这可以改变角膜的激励和测量区域，之后根据瞳孔的边缘及中心点位置对角膜进行横向定位，并通过A-scan上标志点的深度变化进行轴向追踪，当角膜的轴向位置和横向位置在测量误差范围之内，开始进行弹性测量；
S2、宽光谱光源发出的光经过第一光纤耦合器以及第二光纤耦合器分为若干光路，多路光聚焦在角膜上的测量点上,多路光在角膜之间设置有参考平板，参考平板靠近角膜的一侧提供参考信号，返回的参考信号和多个测量点探测信号产生干涉，其干涉光谱由与第一光纤耦合器连接的光谱探测器探测接收，通过相位计算获得角膜各测量点在激励下的位移量。
进一步，获取得到各测量点的图像强度信号和随时间变化的相位信号，通过计算各测量点的相位信号可以得到该测量点的表面形变信息。
进一步，获取被测量角膜的恢复曲线，并通过将恢复曲线拟合成指数衰减曲线，得到角膜的固有频率。
进一步，获取角膜的受激阻尼振动信息，进行快速傅里叶变换，得到角膜的固有频率。
进一步，获取各测量点的变形信息及时间延迟信息，根据机械波传播模型计算出杨氏模量。
本发明采用共光路多光束OCE探测方案，既能保证在无需振镜扫描下的人眼角膜多弹性参数(硬度、固有频率、杨氏模量)的快速测量；又能降低测量噪声和误差、保证测量的精确性。
附图说明
图1是本发明所述一种共光路的多光束光学相干在体角膜弹性测量系统的结构图；
图2是激励点和测量点在角膜的放大位置示意图；
图3是共光路多光束探测头的光路示意图；
图4是对各测量点获取的信号图，(a)为各测量点的强度图；(b)为各测量点的相位图。
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、图2和图3所示，本实施例提供了一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统，包括载荷激励子系统1和OCT探测子系统，所述OCT探测子系统包括宽光谱光源21，所述宽光谱光源21连接第一光纤耦合器22的输入端，所述第一光纤耦合器22的输出端连接第二光纤耦合器23的输入端，所述第二光纤耦合器23分光后输出端分别连接共光路多光束探测头24上对应的光路，所述共光路多光束探测头24的每条光路均设置有相互配合的第一透镜241和第二透镜242，多光束探测光经过第一透镜241准直，之后经过第二透镜242聚焦在角膜的不同测量点上。所述第二透镜242右侧角膜前的位置还设置有参考平板243，参考平板243靠近角膜的一侧提供反射信号以与探测信号产生干涉，其干涉光谱由与第一光纤耦合器22连接的光谱探测器25探测接收，所述载荷激励子系统1用于刺激角膜61的激励点O上，以使角膜61产生微量的受激变形和机械波。本实施例在光路上设置有第一透镜241和第二透镜242用来辅助光路传播。
本实施例中的二向色镜设置为2个。所述的多光束光学相干在体角膜弹性测量系统还包括角膜定位子系统。角膜定位子系统包括定位相机31、标靶32以及第一二向色镜33和第二二向色镜34，所述第二二向色镜34设置在所述第一透镜241和所述第二透镜242的中间，所述第一二向色镜33与第二二向色镜34相配合将标靶32反射的光传入眼睛并使定位相机31聚焦于瞳孔，所述标靶32与所述定位相机31均配置有聚焦透镜。
本实施例中，标靶32和定位相机31由第一二向色镜33进行区分光路，它们的作用是用来减少由眼动引起的测量误差。测量时，人眼盯着标靶32固定视轴，当标靶32进行移动的时候，眼睛的视轴也随之移动，这可以改变角膜61的激励和测量区域。定位相机31可根据瞳孔的边缘及中心点位置对角膜进行横向定位，减少由横向眼动引入的测量位置误差。
本实施例所述共光路多光束探测头的探测光路数量不少于2个，本实施例设置4条探测光路。
本实施例中载荷激励子系统1为适合人眼角膜激励的装置。载荷激励子系统1可为适合人眼角膜激励的装置，该装置应该对眼睛尤其是角膜组织无毒无害，具有安全性。本实施例采用微量气体脉冲装置，作用时所述微量气体脉冲装置对待测目标喷出微量气体，使待测目标形成瞬时的压力改变，从而使待测目标产生机械波。
所述参考平板243的光程要大于所述OCT探测子系统所能探测的最大光程(光程＝厚度×折射率)，这样参考平板243远离角膜的那一侧的反射光将不会对干涉信号做出贡献。
所述参考平板243远离角膜的一侧可镀增透膜、靠近角膜的一侧可镀适当反射率膜以此来保证干涉强度。
相应的，使用以上装置，本实施例还提供了一种共光路的多光束光学相干弹性测量方法，包括步骤：
S1、使用定位相机31打开对人眼瞳孔成像，人眼盯着标靶固定视轴，当标靶进行移动的时候，眼睛的视轴也随之移动，这可以改变角膜61的激励和测量区域，之后根据瞳孔的边缘及中心点位置对角膜进行横向定位，并通过A-scan上标志点的深度变化进行轴向追踪，当角膜的轴向位置和横向位置在测量误差范围之内，开始进行弹性测量；其中，角膜61与参考平面243一侧的距离定义为角膜61的轴向距离。
S2、宽光谱光源21发出的光经过第一光纤耦合器22以及第二光纤耦合器23分为若干光路，多路光经过第一透镜241、第二透镜242后聚焦在角膜61上的测量点上(本实施例为测量点A、测量点B、测量点C和测量点D)，第二透镜242与角膜61之间设置有参考平板243，参考平板243靠近角膜61的一侧提供参考信号，返回的参考信号和多个测量点探测信号产生干涉，其干涉光谱由与第一光纤耦合器22连接的光谱探测器25探测接收，通过相位计算获得角膜各测量点在激励下的位移量。
光谱探测器25获得的信息解析之后可以得到：各测量点随时间变化的相位信号随着距离的增大其变形幅度递减，且各点位信号存在时间延迟，通过计算得到表面形变信息：
tJ和t0是在一系列A-scan信号的时间节点，t0是参考时间点，λ0是中心波长，在计算出形变信息后可以根据主要形变的幅值估算角膜的硬度。
结合图4(a)与(b)给出的针对同时采集四测量点信号的模拟示意图，由此可以根据各测量点与参考面的光程差特征(包括多光束设计时引入的光程差特征)确定各点位信号的干涉特征，对包括伪信号在内的干扰噪声进行抑制或滤除。主要形变(图4(b)中曲线)幅值受激励载荷的直接影响。在同样的驱动力下，相对硬的样品变形更小；而同等幅值的主要形变在相对硬的样品中衰减更快。因此可以通过主要形变的幅值来判定样品(角膜)的软硬程度。本项目针对主要形变幅值的测量方案为：1、测量同等气体脉冲压强下，测量点A处样品(角膜)主要形变的幅值大小。2、测量一定激励压强范围下，测量点A处样品(角膜)主要形变幅值随着气体脉冲压强变化的曲线。3、测量各测量点(例如测量点A到D)主要形变幅值随着传播距离增大的衰减。由此可以估算样品的硬度。
光谱探测器25获得的信息解析之后可以得到：测量角膜61的恢复曲线并通过将恢复曲线拟合成指数衰减曲线，实现固有频率的间接测量；也可以对角膜的受激阻尼振动进行高分辨探测和快速傅里叶变换(FFT)来得到角膜的固有频率。
具体的，根据恢复曲线测量固有频率的方法为：由于恢复曲线(图4(b)中曲线)与样品的黏弹性(viscoelasticity)有关，可根据动态模型(该动态模型为文献WuC.etc.IOVS.2015,56(2):1292-1300记载的动态模型)将恢复曲线拟合成指数衰减曲线，实现固有频率的间接测量。
其中，ξ是衰减系数(Damping Ratio)，f是固有频率。对阻尼振动的微分方程(2)可根据三种情况进行求解，分别为：临界阻尼(critical-damping，ξ＝1)、欠阻尼(under-damping，0≤ξ<1)和过阻尼(over-damping，ξ>1)。
其中，幅值常数A和B由恢复曲线的指数拟合所得。
根据阻尼振动测量固有频率的方法为：FFT的频率分辨率(f0)表示的是其所能分辨的最小频率间隔。可由以下公式表示：
其中，fs为采样频率，ts为采样时间(即时间分辨率)，N为采样点数，T为采样时间长度。为了提高FFT的频率分辨率，可在FFT之前对数据进行如下两步处理。1、补零(Zeropadding)：在OCT的采样时间内(例如30ms)，角膜的阻尼振动幅度将逐渐趋于零。因此可对数据采用补零的手段，拓展采样时间。2、拼接：共光路OCT具有超稳定的相位，弹性样品受激前后相位基本保持不变。因此可将相邻激励周期内的数据(已补零)通过拼接进行周期拓展，提高总采样时间及采样点数。
根据机械波传播速度计算杨氏模量的方法为：光谱探测器25获得的信息解析之后可以得到：机械波传播模型，并通过机械波传播模型计算出该区域杨氏模量：
其中ci,j＝(di-dj)/(ti-tj)，i、j代表任意两个测量点，di和dj表示任意两个测量点与受激点沿角膜表面的距离，ti和tj表示机械波在任意两测量点间的传播时间，ci,j表示波在两点间的传播速度，ρ是密度，ν是泊松比(≈0.5)。
当测量系统的探测头可以激励进行旋转时，可以实现对角膜的各个方向的弹性参数进行测量，角膜表面各方向上弹性特性的差别体现了角膜的各向异性。
本发明通过相位计算获得角膜各测量点在激励下的位移量，采用角膜定位子系统通过二色向镜于OCT探测子系统连接，用于弹性测量过程的角膜定位，角膜定位子系统采用标靶对测量者的视轴进行定位、采用定位相机对测量者的角膜和瞳孔的横向位置进行定位、采用OCT信号对角膜的轴向位置进行定位。采用载荷激励子系统用于激励角膜使角膜产生微量的机械波和变形以便于多探测光束OCT子系统进行探测。
本发明在无需振镜扫描情况下能保证人眼角膜多弹性参数快速测量，系统结构简单紧凑、具有低的测量噪声和高的测量灵敏度。
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，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 (5)
1.一种共光路的多光束光学相干弹性测量方法，包括一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统，所述一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统，包括角膜定位子系统、载荷激励子系统和OCT探测子系统；所述角膜定位子系统对角膜测量位置进行定位、所述载荷激励子系统用于刺激角膜以使角膜产生机械波和形变，所述OCT探测子系统采用共光路、多光束设计，对角膜的弹性响应进行测量；所述共光路是指：探测臂和参考臂在同一光路；在所述OCT探测子系统中，宽光谱光源连接第一光纤耦合器的一端，所述第一光纤耦合器的另一端连接第二光纤耦合器的一端，第二光纤耦合器分光后另一端分别连接共光路多光束探测头上对应的探测光路，多光束光路中角膜前的位置设置参考平板，参考平板靠近角膜的一侧提供反射的参考信号，所述参考信号与角膜上各采样点的探测信号产生干涉，其干涉光谱由与第一光纤耦合器连接的光谱探测器探测接收；
所述共光路多光束探测头的探测光路数量不少于2个，无需振镜扫描；
所述参考平板的光程要大于所述OCT探测子系统所能探测的最大光程，所述参考平板远离角膜的一侧可镀增透膜、靠近角膜的一侧可镀适当反射率的反射膜；
所述角膜定位子系统包括对人眼视轴定位的标靶、对角膜和瞳孔成像的相机以及进行光路拼接的若干二向色镜；
其特征在于，还包括步骤：
S1、使用定位相机对人眼瞳孔成像，人眼盯着标靶固定视轴，当标靶进行移动的时候，眼睛的视轴也随之移动，这可以改变角膜的激励和测量区域，之后根据瞳孔的边缘及中心点位置对角膜进行横向定位，并通过A-scan上标志点的深度变化进行轴向追踪，当角膜的轴向位置和横向位置在测量误差范围之内，开始进行弹性测量；
S2、宽光谱光源发出的光经过第一光纤耦合器以及第二光纤耦合器分为若干光路，多路光聚焦在角膜上的测量点上,多路光在角膜之间设置有参考平板，参考平板靠近角膜的一侧提供参考信号，返回的参考信号和多个测量点探测信号产生干涉，其干涉光谱由与第一光纤耦合器连接的光谱探测器探测接收，通过相位计算获得角膜各测量点在激励下的位移量。
2.根据权利要求1所述的一种共光路的多光束光学相干弹性测量方法，其特征在于：获取得到各测量点的图像强度信号和随时间变化的相位信号，通过计算各测量点的相位信号可以得到该测量点的表面形变信息。
3.根据权利要求2所述的一种共光路的多光束光学相干弹性测量方法，其特征在于：获取被测量角膜的恢复曲线，并通过将恢复曲线拟合成指数衰减曲线，得到角膜的固有频率。
4.根据权利要求3所述的一种共光路的多光束光学相干弹性测量方法，其特征在于：获取角膜的受激阻尼振动信息，进行快速傅里叶变换，得到角膜的固有频率。
5.根据权利要求3所述的一种共光路的多光束光学相干弹性测量方法，其特征在于：获取各测量点的变形信息及时间延迟信息，根据机械波传播模型计算出杨氏模量。
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