CN109691975B - 一种基于sd-oct的眼睛角膜曲率测量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于SD‑OCT的眼睛角膜曲率测量的装置和方法，该装置包括光路模块、图像采集模块和图像处理模块。采用频域光学相干层析成像技术对人眼的角膜进行高分辨率二维成像，运用液体透镜能够准确测量出人眼角膜的厚度；采用的双参考臂装置能够实现液体透镜焦距改变时而不用来回移动反射镜以匹配参考臂与样品臂的光程差；利用一维扫描振镜可实现角膜成像长度的控制；通过对采集的图像信息运用matlab编写的算法处理，可自动计算出人眼角膜曲率。此方法能够实现人眼在体眼角膜任意位置非接触、无损、高精度的曲率测量。

Description

一种基于SD-OCT的眼睛角膜曲率测量的装置和方法
技术领域
本发明涉及光学相干层析成像技术应用领域，特别是涉及一种眼睛角膜曲率测量的装置和方法。
背景技术
与本发明创造中所设计的技术方案最接近的现有技术方案是专利《一种数字化角膜曲率测量的装置以及方法》(CN108498067A)中采用的角膜曲率的测量方法。此方法首先在获得待检测用户的人眼角膜中心的最清晰的像后，利用光纤耦合器发射测量光路和参考光路，当测量光路和参考光路发生干涉时，获取人眼角膜中心至测量参考物之间的距离。根据所述人眼角膜中心至测量参考物之间的距离计算待检测用户的人眼角膜曲率。上述专利中对于人眼角膜曲率的测量依据传统的角膜曲率测量仪，此方法要求光线必须穿过人眼角膜的中心，所以对人眼角膜中心的定位精度要求很高，而且对于人眼中心成最清晰的像没有一个量化的标准，这使得不同的操作者对成像的清晰与否有一定的偏差，造成最终角膜曲率测量结果的误差；上述专利中测量到的是人眼角膜前表面的曲率，不能测量出人眼角膜后表面的曲率。
发明内容
基于此，本发明提供了一种眼睛角膜曲率测量的装置和方法，采用SD-OCT(spectral-domain optical coherence tomography，频域光学相干层析成像技术)对人眼的角膜进行高分辨率二维成像，运用液体透镜能够准确测量出人眼角膜的厚度；采用的双参考臂装置能够实现液体透镜焦距改变时而不用来回移动反射镜以匹配参考臂与样品臂的光程差；利用一维扫描振镜可实现角膜成像长度的控制；通过对采集的图像信息运用matlab编写的算法处理，可自动计算出人眼角膜曲率。此方法能够实现人眼在体眼角膜任意位置非接触、无损、高精度的曲率测量。
一种基于SD-OCT的眼睛角膜曲率测量的装置，包括光路模块、图像采集模块和图像处理模块。
进一步，所述光路模块以超辐射发光二极管为探测光源，所述超辐射发光二极管连接75/25光纤耦合器把光分成两路，一路连接第二光纤，在光路上依次设置有准直镜、一维振镜系统、液体透镜及人眼角膜测量区域；另一路通过第三光纤连接50/50光纤耦合器将光分成两路，该两路光光路上分别设置有准直镜、中性密度滤光片和安装在一维手动微调平移台上的反射镜，所述75/25光纤耦合器还通过第四光纤连接有光谱仪。
进一步，所述超辐射发光二极管中心波长为840nm，带宽为49nm。
进一步，所述光谱仪采用Cobra-S 800光谱仪，所述液体透镜采用由brilliantoptics公司生产的D-A-25H液体透镜，聚焦范围从5cm到无穷远。
进一步，所述75/25光纤耦合器通过第四光纤连接有光谱仪，所述光谱仪包括依次设置的准直镜、光栅、聚焦透镜和e2v线阵相机。
进一步，所述图像采集模块和所述图像处理模块为带扫描振镜控制并集成有图像处理芯片的电脑。
一种基于SD-OCT的眼睛角膜曲率测量的方法，使用超辐射发光二极管作为探测光源，然后将该光源连接一个75/25光纤耦合器把光分成两路，一路光经第二光纤后，再经准直镜准直到达一维振镜系统，振镜反射的光经过液体透镜聚焦后到达人眼角膜测量区域；另一路光经第三光纤后再接入一个50/50光纤耦合器将光分成两路，这两路光首先分别经过准直镜准直，然后分别经过中性密度滤光片直射到反射镜，反射镜安装在一维手动微调平移台上，作为系统的两个参考臂，这些反射回来的光在75/25光纤耦合器中发生干涉，然后经过第四光纤传入光谱仪；然后进行图像采集及图像处理。
进一步，图像采集方法为：首先利用其中一路参考臂，改变聚焦透镜的焦距，使其聚焦在角膜前表面，此时频域中角膜前表面光强最大，图像上角膜前表面最明亮，记录此时样品臂中反射镜的位置S1；再利用另一路参考臂，以同样的方法找到该路参考臂中的反射镜所对应的位置S2；S2与S1的差S即为角膜后表面到前表面的光程差；通过控制一维扫描振镜可以得到一个角膜二维图像，根据一维扫描振镜的扫描速率和扫描一幅图所用的时间可以计算出扫面的长度L，角膜前表面和后表面各采集100张图像，每张图像由2000线组成。
进一步，图像处理方法为：将采集的100张角膜前表面的图像转换到频域，经过高频滤波后，将100张图像所对应的每一线的频率求平均，然后筛选出2000线中每条线最大光强所对应的频率；以同样的方法求出角膜后表面每条线最大光强对应的频率，再用角膜后表面的频率减去前表面的频率，得到2000个一维频率数组ωi，然后分别计算出角膜前表面和后表面对应的弧长以及弧长所对应的夹角。
进一步，计算角膜前表面和后表面对应的弧长以及弧长所对应的夹角的步骤为，首先计算角膜前表面，此时焦点聚焦在前表面，计算弧长的公式：
Figure BDA0001932084780000021
其中
Figure BDA0001932084780000022
Δωi表示相邻两线之间的频率变化，L表示扫描长度；
计算弧长所对应夹角的公式：
Figure BDA0001932084780000023
因此可以计算出前表面的曲率为
Figure BDA0001932084780000024
曲率半径为/>
Figure BDA0001932084780000025
以同样的方法可以计算出角膜后表面的曲率和曲率半径。
本发明的有益效果：第一，不用移动聚焦透镜，用液体透镜改变焦距，保证了改变焦距时不改变人眼角膜的测量位置；第二，角膜前表面和后表面的光程差可以直接读出，不用来回移动参考臂的一维平移台；第三，可以计算出角膜任意位置前后表面的曲率，不限定光线必须过角膜中心。
附图说明
图1为本发明基于时域光学相干层析成像的系统原理图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明快速变焦透镜焦距改变示意图。
图1中：1-1：超辐射发光二极管；1-2：第一光纤；1-3：75/25光纤耦合器；1-4：第二光纤；1-5：第三光纤；1-6：准直镜；1-7：一维扫描振镜；1-8：液体透镜；1-9：眼睛；1-10：50/50光纤耦合器；1-11：中性密度滤光片；1-12：反射镜；1-13：第四光纤；1-14：光栅；1-15：聚焦透镜；1-16：e2v线阵相机；1-17：触发信号；1-18：OCT信号；1-19：pc机。
图3中：3-1：经一维振镜反射的光；3-2：快速变焦透镜；3-3：聚焦角膜前表面的光线；3-4：聚焦角膜后表面的光线；3-5：人眼角膜。
具体实施方式
参照图1、图2和图3，本发明装置分成三大模块，第一是光路模块,包括基于迈克尔逊干涉的双参考臂光路模块，还可以包括快速变焦透镜的控制模块；第二是图像采集模块，包括带控制相机的软件，以及控制扫描振镜的电脑。第三是图像处理模块，功能是进行角膜前后表面弧长的计算和该弧长所对应的夹角的计算，该模块也可以集成在电脑，其输出端还可以连接电脑的显示装置。
对于光路模块，本发明案例采用中心波长为840nm，带宽为49nm的超辐射发光二极管1-1作为探测光源，该低相干光的选择，能够降低被测者的不适感；然后将该光源1-1通过第一光纤1-2连接一个75/25的2×2光纤耦合器1-3把光分成两路，一路光经第二光纤1-4后，再经准直镜1-6准直到达一维振镜系统1-7，振镜1-7反射的光经过液体透镜1-8聚焦后到达人眼角膜测量区域1-9；另一路光经第三光纤1-5后再接入一个50/50的2×2光纤耦合器1-10将光分成两路，这两路光首先分别经过准直镜1-6准直，然后分别经过中性密度滤光片1-11直射到反射镜1-12，反射镜1-12安装在一维手动微调平移台上，作为系统的两个参考臂。这些反射回来的光在75/25的光纤耦合器1-3中发生干涉，然后经过第四光纤1-13传入光谱仪，所述光谱仪包括依次设置的准直镜1-6、光栅1-14、聚焦透镜1-15和e2v线阵相机1-16，本案例优选采用Cobra-S 800光谱仪，这款光谱仪具有非常好的信号衰减性能和更高的相机灵敏度，接收反射回来的干涉信号整个系统的原理图附图1所示。本发明案例的快速变焦透镜优选采用的是液体透镜，它可以采用由brilliant optics公司生产的D-A-25H液体透镜，聚焦范围从5cm到无穷远，能够满足本系统设计的需要。
对于图像采集模块，本发明案例首先利用系统原理图附图1中左边的参考臂，改变液体透镜1-8的焦距，使其聚焦在角膜前表面，此时频域中角膜前表面光强最大，图像上角膜前表面最明亮，记录此时样品臂中反射镜的位置S1；再利用系统原理图附图1中右边的参考臂，以同样的方法找到此时右边参考臂中的反射镜所对应的位置S2；S2与S1的差S即为角膜后表面到前表面的光程差；通过控制一维振镜1-7可以得到一个角膜二维图像，根据一维扫描振镜1-7的扫描速率和扫描一幅图所用的时间可以计算出扫面的长度L，角膜前表面和后表面各采集100张图像，每张图像由2000线组成，总的采集时间是1.4s。
对于图像处理模块，本发明案例采用的方法是将采集的100张角膜前表面的图像转换到频域，经过高频滤波后，将100张图像所对应的每一线的频率求平均，这样可以减小由于噪声对频率的影响，然后筛选出2000线中每条线最大光强所对应的频率，以同样的方法求出角膜后表面每条线最大光强对应的频率，再用角膜后表面的频率减去前表面的频率，得到2000个一维频率数组ωi，然后分别计算出角膜前表面和后表面对应的弧长以及弧长所对应的夹角。首先计算角膜前表面，此时焦点聚焦在前表面：
计算弧长的公式:
Figure BDA0001932084780000041
其中
Figure BDA0001932084780000042
Δωi表示相邻两线之间的频率变化，L表示扫描长度。
计算弧长所对应夹角的公式：
Figure BDA0001932084780000043
因此可以计算出前表面的曲率为
Figure BDA0001932084780000044
曲率半径为/>
Figure BDA0001932084780000045
以同样的方法可以计算出角膜后表面的曲率和曲率半径。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种基于SD-OCT的眼睛角膜曲率测量的方法，其特征在于，使用超辐射发光二极管作为探测光源，然后将该光源连接一个75/25光纤耦合器把光分成两路，一路光经第二光纤后，再经准直镜准直到达一维振镜系统，振镜反射的光经过液体透镜聚焦后到达人眼角膜测量区域；另一路光经第三光纤后再接入一个50/50光纤耦合器将光分成两路，这两路光首先分别经过准直镜准直，然后分别经过中性密度滤光片直射到反射镜，反射镜安装在一维手动微调平移台上，作为系统的两个参考臂，这些反射回来的光在75/25光纤耦合器中发生干涉，然后经过第四光纤传入光谱仪；然后进行图像采集及图像处理；
图像采集方法为：首先利用其中一路参考臂，改变聚焦透镜的焦距，使其聚焦在角膜前表面，此时频域中角膜前表面光强最大，图像上角膜前表面最明亮，记录此时参考臂中反射镜的位置S1；再利用另一路参考臂，改变聚焦透镜的焦距，使其聚焦在角膜后表面，此时频域中角膜后表面光强最大，图像上角膜后表面最明亮，记录此时参考臂中反射镜的位置S2；S2与S1的差S即为角膜后表面到前表面的光程差；通过控制一维扫描振镜可以得到一个角膜二维图像，根据一维扫描振镜的扫描速率和扫描一幅图所用的时间可以计算出扫面的长度L，角膜前表面和后表面各采集100张图像，每张图像由2000线组成；
图像处理方法为：将采集的100张角膜前表面的图像转换到频域，经过高频滤波后，将100张图像所对应的每一线的频率求平均，然后筛选出2000线中每条线最大光强所对应的频率；以同样的方法求出角膜后表面每条线最大光强对应的频率，再用角膜后表面的频率减去前表面的频率，得到2000个一维频率数组ωi，然后分别计算出角膜前表面和后表面对应的弧长以及弧长所对应的夹角；
计算角膜前表面和后表面对应的弧长以及弧长所对应的夹角的步骤为，首先计算角膜前表面，此时焦点聚焦在前表面，计算弧长的公式：
Figure FDA0004271639420000011
其中
Figure FDA0004271639420000012
Δωi表示相邻两线之间的频率变化，L表示扫描长度；
计算弧长所对应夹角的公式：
Figure FDA0004271639420000013
因此可以计算出前表面的曲率为
Figure FDA0004271639420000014
曲率半径为/>
Figure FDA0004271639420000015
以同样的方法可以计算出角膜后表面的曲率和曲率半径。
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