CN110072431A - 使用多焦点角膜曲率测量法确定眼睛表面轮廓 - Google Patents

使用多焦点角膜曲率测量法确定眼睛表面轮廓 Download PDF

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Abstract

公开了一种使用多焦点角膜曲率测量确定眼睛表面轮廓的系统(100)和方法(300)。所述系统包括：光源(102)；光检测器(116)；处理器(118)；非瞬态机器可读介质，所述非瞬态机器可读介质通信地耦接到所述处理器；以及指令，所述指令存储在所述非瞬态机器可读介质上。所述指令在由所述处理器加载和执行时，使所述处理器：使用所述光源将光(302)投射到眼睛(106)的多个表面上(108，112，114)；使用所述光检测器形成(304)多个反射的图像，所述多个反射中的每一个是通过从所述眼睛的所述多个表面中的一个反射所述光而形成；确定(306)所述多个反射在所述图像中是焦点对准的；以及基于所述确定根据所述图像来计算(314)所述眼睛的所述多个表面的曲率。

Description

使用多焦点角膜曲率测量法确定眼睛表面轮廓
技术领域
本发明总体涉及医学成像，尤其涉及通过多焦点角膜曲率测量获取和处理与眼睛表面相对应的数据的系统和方法。
背景技术
角膜曲率测量(keratometry)用于医学成像以测量表面的轮廓。例如，角膜曲率测量可以用于测量眼睛角膜外表面的曲率。角膜曲率测量仪器将眼睛暴露于光源并测量角膜外表面的反射以确定曲率。典型地，角膜曲率测量法用于确定眼睛外表面的轮廓，而不用于确定眼睛中更深的表面的轮廓。
发明内容
根据本公开的一些实施例，公开了一种用于角膜曲率测量的系统。所述系统包括：光源；光检测器；处理器；非瞬态机器可读介质，所述非瞬态机器可读介质通信地耦接到所述处理器；以及指令，所述指令存储在所述非瞬态机器可读介质上。所述指令在由所述处理器加载和执行时，使所述处理器：使用所述光源将光投射到眼睛的多个表面上；使用所述光检测器形成多个反射的图像，所述多个反射中的每一个是通过从所述眼睛的所述多个表面中的一个反射所述光而形成；确定所述多个反射在所述图像中是焦点对准的；以及基于所述确定根据所述图像来计算所述眼睛的所述多个表面的曲率。
根据本公开的另一实施例，公开了一种用于角膜曲率测量的方法。所述方法包括：将光投射到眼睛的多个表面上；创建多个反射的图像，通过从所述眼睛的所述多个表面中的一个反射所述光而产生所述多个反射中的每一个；确定所述多个反射在所述图像中是焦点对准的；以及基于所述确定根据所述图像来计算所述眼睛的所述多个表面的曲率。
以上系统可以与以上方法一起使用，反之亦然。此外，这里描述的任何系统可以与这里描述的任何方法一起使用，反之亦然。
附图说明
为了更加完整地理解本公开及其特征和优点，现在参考结合附图进行的以下说明，在附图中：
图1是用于执行多焦点角膜曲率测量法的系统的示意图，所述系统包括光源、光检测器、以及计算系统；
图2是图1中所示的多焦点角膜曲率测量系统的计算系统和显示器的框图；并且
图3是确定眼睛表面曲率的方法的流程图。
具体实施方式
本公开提供了一种用于多焦点角膜曲率测量的系统和方法，以允许确定眼睛中的多个表面的曲率。提供眼睛的多个表面的曲率或形貌可以更准确地确定眼睛的更深表面的曲率。
参考图1至图3给出了多焦点角膜曲率测量系统、其部件及其使用方法的进一步描述。
图1是用于执行多焦点角膜曲率测量的系统的示意图，所述系统包括光源、光检测器、以及计算系统。多焦点角膜曲率测量系统100包括光源102。光源102可以将光束104投射到眼睛106上。光源102可以使用任何合适的光源产生光束104，比如白炽灯泡、荧光灯泡、发光二极管(LED)、红外LED、激光器、显示器、投影仪或其任何组合。光束104可以包括多个光束，所述多个光束被布置成以已知图案将光投射到眼睛106上。例如，光束104可以包括以圆形图案布置的光束，使得光点的圆形图案出现在眼睛106的角膜的不同表面上，比如表面108、112、114或其任何组合。
当光束104投射到眼睛106上时，眼睛106的表面充当反射镜，从而产生反射110。眼睛106的每个表面可以以不同角度反射光，从而产生多个反射110。例如，在图1中，反射110a是光束104从眼睛106的角膜的前表面108的反射，反射110b是光束104从眼睛106的角膜的后表面112的反射，并且反射110c是光束104从眼睛106的晶状体114的反射。前表面108、后表面112、以及晶状体114的几何形状(比如表面曲率)决定光束104与反射110之间的角度以及反射110的大小。
反射110可以穿过透镜系统115并由光检测器116检测。在一些实例中，透镜系统115可以是多焦点光学透镜系统，所述多焦点光学透镜系统具有同时在多个焦深处形成图像的能力。在一些实例中，透镜系统115可以是单焦点光学成像系统117的部件，所述单焦点光学成像系统在多个焦深处形成多个图像。透镜系统115可以包含额外的透镜或其他元件以辅助图像创建。光检测器116可以是能够将光转换为数字图像的任何电子设备。例如，它可以是数字相机、光-数字传感器、半导体电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)器件、N型金属氧化物半导体(NMOS)器件、或含有光电二极管阵列作为一个或多个集成电路的一部分的另一个电子设备。相对于图3更详细地描述了透镜系统115和光检测器116的操作。
透镜系统115可以使反射110聚焦，并且光检测器116可以将反射110转换成数据以产生反射110的图像。光检测器116可以将一个或多个图像传送到计算子系统118。计算子系统118可以执行计算以确定给定反射110的大小并且因此确定反射给定反射110的眼睛106的表面的曲率。在图2中更详细地描述了计算子系统118。例如，可以使用以下公式来确定眼睛106的角膜的后表面112的曲率半径：
其中
R＝眼睛106的角膜的后表面112的曲率半径；
d＝眼睛106的角膜的后表面112与光源102之间的距离；
I＝反射110的大小；并且
O＝眼睛106的角膜的后表面112的大小。
图2是图1中所示的多焦点角膜曲率测量系统的计算系统和显示器的框图。多焦点角膜曲率测量系统100可以包括透镜系统115、光检测器116、计算子系统118、显示器120、以及通信链路225。显示器120可以是用于向使用者显示信息的任何合适的设备，比如监视器、屏幕、抬头显示器护目镜或眼镜、投影或其任何组合。多焦点角膜曲率测量系统100可以包括任何数量的显示器120。
成像系统117可以包括透镜系统115和光检测器116。透镜系统115可以使眼睛(比如图1中所示的眼睛106)的一个或多个表面的一个或多个反射聚焦。光检测器116可以检测聚焦的反射并通过将反射转换成数据来形成眼睛(比如图1中所示的眼睛106)的一个或多个表面的一个或多个反射的图像。然后，光检测器116可以将图像传输到计算子系统118，以存储为图像数据230，如下面进一步详细讨论的。光检测器116可以是能够将光转换为数字图像的任何电子设备。例如，它可以是数字相机、光-数字传感器、半导体电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)器件、N型金属氧化物半导体(NMOS)器件、或含有光电二极管阵列作为一个或多个集成电路的一部分的另一个电子设备。透镜系统115可以是具有同时在多个焦深处形成图像的能力的多焦点光学透镜系统、在多个焦深处形成多个图像的单焦点光学透镜系统、或其任何组合。透镜系统115可以包含额外的透镜或其他元件以辅助光转换。即使在图像处理之后，光检测器116也产生具有足够分辨率的数字图像以产生可用图像。
计算子系统118的全部或一部分可以作为多焦点角膜曲率测量100的部件或独立于所述多焦点角膜曲率测量或独立于图1中所示的任何其他部件操作。计算子系统118可以包括通过总线245通信耦接的处理器235、存储器240和输入/输出控制器242。处理器235可以包括用于执行指令的硬件，比如构成比如应用250等计算机程序的指令。以举例而非限制性的方式，为了执行指令，处理器235可以从内部寄存器、内部缓存和/或存储器240中检索(或获取)指令；将这些指令解码并执行；并且然后将一个或多个结果写入内部寄存器、内部缓存和/或存储器240。本公开设想在适用的情况下，处理器235包括任何合适数量的任何合适的内部寄存器。在适用的情况下，处理器235可以包括一个或多个算术逻辑单元(ALU)；为多核处理器；或包括一个或多个处理器235。尽管本公开说明并示出了特定处理器，本公开设想了任何合适的处理器。
处理器235可以执行指令以例如确定眼睛表面的曲率。例如，处理器235可以通过执行或解释软件、脚本、程序、函数、可执行文件或包含在应用250中的其他模块来运行应用250。处理器235可以执行与图3相关的一个或多个操作。处理器235接收的输入数据或处理器235产生的输出数据可以包括图像数据230、眼睛数据255和景深数据265。
存储器240可以包括，例如，随机存取存储器(RAM)、存储设备(例如，可写只读存储器(ROM)或其他存储设备)、硬盘、固态存储设备或其他类型的存储介质。可以通过从另一源(例如，从CD-ROM、通过数据网络从另一台计算机设备或以其他方式)加载程序，将计算子系统210预编程或编程(以及重新编程)。输入/输出控制器242可以耦接到输入/输出设备(例如，显示器120、光检测器116、鼠标、键盘或其他输入/输出设备)和通信链路225。输入/输出设备可以以模拟或数字形式通过通信链路225接收和传输数据。
存储器240可以存储与操作系统、计算机应用程序和其他资源相关的指令(例如，计算机代码)。存储器240还可以存储可由在计算子系统118上运行的一个或多个应用或虚拟机解释的应用数据和数据对象。例如，图像数据230、眼睛数据255、景深数据265和应用250可以存储在存储器240中。在一些实施方式中，计算设备的存储器可以包括附加或不同的数据、应用、模型或其他信息。
图像数据230可以包括与光检测器116形成的图像相关的信息，所述信息可以用于确定眼睛表面的曲率。眼睛数据255可以包括与眼睛的属性相关的信息。例如，眼睛数据255可以包括眼睛的一个或多个表面的深度，比如角膜的前表面、角膜的后表面、以及晶状体的深度。深度可以基于人眼的平均值，或者可以基于给定人员的值来构成。景深数据265可以包括基于眼睛数据255中的值的光检测器116的景深设置，如关于图3所描述的。来自图像数据230、眼睛数据255、以及景深数据265的值可以经由通信链路225传送到诊断应用260。
应用250可以包括软件应用、脚本、程序、函数、可执行文件或可以由处理器235解释或执行的其他模块。应用250可以包括机器可读取的指令，这些指令用于执行与图3相关的一个或多个操作。应用250可以包括用于计算眼睛表面形状的机器可读指令。例如，应用250可以被配置用于分析图像数据230以确定眼睛表面的曲率。应用250可以生成输出数据并将输出数据存储在存储器240、另一个本地介质或一个或多个远程设备(例如，通过经由通信链路225发送输出数据)中。
通信链路225可以包括任何类型的通信通道、连接器、数据通信网络或其他链路。例如，通信链路225可以包括无线或有线网络、局域网(LAN)、广域网(WAN)、专用网络、公共网络(比如互联网)、无线网络、包括卫星链路、串行链路、无线链路(例如，红外线、射频或其他)、并行链路、通用串行总线(USB)链路的网络、或另一类型的数据通信网络。
透镜系统115可以使一个或多个图像聚焦在不同景深、不同焦平面或两者。然后，光检测器116可以记录所述一个或多个图像。图像可以存储在图像数据230中。然后，处理器235可以执行应用250以基于图像数据230和眼睛数据255来确定眼睛的一个或多个表面的曲率。一旦应用250识别出眼睛的一个或多个表面的曲率，应用250就可以存储所述表面的曲率。然后，处理器235可以经由通信链路225将表面的曲率输出到诊断应用260。在图3中更详细地描述了确定眼睛表面的曲率的过程。
诊断应用260可以是用于诊断眼睛特征(比如曲率、形貌、散光、圆锥角膜、或前眼模型)的应用。虽然诊断应用260在图2中示为与计算子系统118分开的应用，但诊断应用260可以存储在存储器240上并由处理器235执行。
图3是确定眼睛表面曲率的方法的流程图。方法300的步骤可以由人、各种计算机程序、模型或其任何组合执行，所述方法被配置用于控制和分析来自显微镜系统、装置和设备的信息。程序和模型可以包括存储在计算机可读取介质上的指令，并且在被执行之后可操作以执行下面所述的步骤中的一个或多个。计算机可读介质可以包括被配置用于存储和检索程序或指令的任何系统、装置或设备，比如硬盘驱动器、光盘、闪存存储器或任何其他合适的设备。程序和模型可以被配置用于指示处理器或其他合适的单元检索并执行来自计算机可读介质的指令。例如，程序和模型可以是图2中所示的应用250中的一个应用。出于说明性目的，关于图1中所示的多焦点角膜曲率测量系统100描述了方法300；然而，方法300可以用于使用任何合适的多焦点角膜曲率测量系统来确定眼睛表面的曲率。
方法300可以从步骤302开始，其中多焦点角膜曲率测量系统可以用光源(比如图1中所示的光源102)照射眼睛。光源可以用投射到眼睛上的一个或多个光束照射眼睛。光束可以以图案的形式将光投射到眼睛上。例如，光束可以布置成圆形图案，使得光点的圆形图案出现在眼睛的角膜的前表面上。
在步骤304，多焦点角膜曲率测量系统可以形成在步骤302投射在眼睛上的一个或多个光束的一个或多个反射的图像。反射可以穿过透镜系统，比如图1中所示的透镜系统115。可以通过光检测器(比如图1中所示的光检测器116)将反射转换成数据，以形成图像。反射可以是当光束从眼睛的一个或多个表面反射时产生的反射。例如，反射可以是光束从眼睛角膜的前表面的反射、光束从眼睛角膜的后表面的反射、光束从眼睛晶状体的反射、或其任何组合。多焦点角膜曲率测量系统可以选择眼睛的特定表面以确定所选表面的几何形状。多焦点角膜曲率测量系统可以将反射的图像存储在存储器中、比如图2中所示的存储器240中。另外，多焦点角膜曲率测量系统可以将图像存储在图2中所示的图像数据230中。多焦点角膜曲率测量系统可以形成任意数量的反射图像。
在步骤306，多焦点角膜曲率测量系统可以确定步骤304的图像中的反射是否焦点对准。反射可以是由在步骤304中选择的表面产生的反射。由于光检测器的景深设置、光检测器的焦平面设置或其任何组合，由光检测器产生的反射可能在图像中未聚焦。如果反射是焦点对准的，则方法300可以前进到步骤312。如果反射不是焦点对准的，则方法300可以前进到步骤308。
在步骤308，多焦点角膜曲率测量系统可以选择透镜系统的景深、焦平面、或两者，使来自眼睛表面的反射的图像在图像中焦点对准。透镜系统的景深是在图像中焦点对准地出现的最近物体与最远物体之间的距离。透镜系统的焦平面是二维平面，其在由光检测器形成的图像中具有最清晰的焦点。为了使反射聚焦，必须基于眼睛的几何形状、多焦点角膜曲率测量系统的几何形状、或其组合来选择景深、焦平面、或两者。例如，景深、焦平面、或两者可以基于光源与多焦点角膜曲率测量系统正确定其曲率的眼睛表面之间的距离。多焦点角膜曲率测量系统可以从数据库、比如图2中所示的眼睛数据255获得与眼睛的几何形状相关的信息。眼睛的几何形状可以基于人眼的平均值，或者可以基于特定患者的信息。焦平面可以是弯曲平面，使得来自眼睛表面的弯曲表面的反射是焦点对准的。
在步骤310，多焦点角膜曲率测量系统可以基于在步骤308进行的选择来调整透镜系统的景深、焦平面、或两者。多焦点角膜曲率测量系统可以通过改变透镜系统的设置来调整成像系统。来自眼睛的多个表面的反射可以聚焦在单个图像中。例如，透镜系统可以包含能够将多个焦深聚焦在单个图像上的多焦点光学器件。可以基于眼睛的每个表面的几何形状来设置焦深，如步骤308所述。还可以使用多个透镜系统和光检测器同时检测来自眼睛的多个表面的反射并将其形成图像。例如，一个透镜系统和光检测器的组合可以具有景深、焦平面、或两者设置以形成来自角膜的前表面的反射的聚焦图像，第二透镜系统与光检测器的组合可以具有景深、焦平面、或两者设置以形成来自角膜后表面的反射的聚焦图像，并且第三透镜系统与光检测器的组合可以具有景深、焦平面、或两者设置以形成来自角膜前表面的反射的聚焦图像。可以单独分析每个图像以计算眼睛的每个表面的表面曲率。来自眼睛的多个表面的反射可以进一步示出在一系列图像中。例如，透镜系统可以配备有单焦点光学透镜系统。单焦点光学透镜系统可以具有可调光学元件，比如可自适应聚焦透镜、流体透镜、或变焦物镜。透镜系统与光检测器的组合可以形成眼睛的一系列图像并调整各图像之间的景深、焦平面、或两者。可以连续地或以逐步的方式形成图像。在步骤306，多焦点角膜曲率测量系统可以分析每个图像，以确定哪些图像具有焦点对准的反射，并且在步骤312选择用于计算眼睛表面的曲率的图像。一旦多焦点角膜曲率测量系统调整了景深、焦平面、或两者，方法300就可以返回到步骤304以形成来自眼睛表面的反射的另一个图像。
在步骤312，多焦点角膜曲率测量系统可以确定来自眼睛表面的反射是否焦点未对准，所述表面不是在步骤304中所选择的表面。未选择的表面的反射可能焦点未对准，以允许多焦点角膜曲率测量系统识别来自所选表面的焦点对准的反射，并在步骤314中计算所选表面的几何形状。如果来自未选择的表面的反射并不是焦点未对准，则方法300可以返回到步骤308。如果反射是焦点未对准的，则方法300可以前进到步骤314。
在步骤314，多焦点角膜曲率测量系统可以计算眼睛的所选表面的曲率。可以根据以下公式基于表面与光源之间的距离、表面的直径、以及反射的直径来确定曲率半径：
其中
R＝眼睛表面的曲率半径；
d＝眼睛表面与光源之间的距离；
I＝反射的直径；并且
O＝眼睛表面的直径。
在步骤316，多焦点角膜曲率测量系统可以确定是否存在要确定曲率的眼睛附加表面。如果存在要计算曲率的附加表面，则方法300可以返回到步骤306以确定来自附加表面的反射是否焦点对准；否则，方法300可以完成。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以对方法300进行修改、添加或省略。例如，步骤的顺序可以与所述方式不同的方式执行并且一些步骤可同时执行。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，每个单独步骤可以包括额外的步骤。
尽管已经用若干实施例描述了本公开，但是本领域技术人员可以提出各种改变和修改。以上公开的主题应认为是说明性而非限制性的，并且所附权利要求旨在覆盖所有此类修改、增强、以及落入本公开的真实精神和范围内的其他实施例。因此，在法律允许的最大程度上，本公开的范围将由对以下权利要求及其等效物的最宽允许解释来确定并且不应受限于或局限于上述详细说明。

Claims (22)

1.一种用于角膜曲率测量的系统，所述系统包括：
光源；
光检测器；
处理器；
非瞬态机器可读介质，所述非瞬态机器可读介质通信地耦接到所述处理器；以及
指令，所述指令存储在所述非瞬态机器可读介质上，所述指令在由所述处理器加载和执行时，使所述处理器来：
使用所述光源将光投射到眼睛的多个表面上；
使用所述光检测器形成多个反射的图像，所述多个反射中的每一个是通过从所述眼睛的所述多个表面中的一个反射所述光而形成；
确定所述多个反射在所述图像中是焦点对准的；以及
基于所述确定根据所述图像来计算所述眼睛的所述多个表面的曲率。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述指令进一步使所述处理器来：
确定所述多个反射在所述图像中未聚焦；
选择形成第二图像的景深，所选择的景深用于将所述多个反射聚焦在所述第二图像中；
确定所述多个反射在所述第二图像中是焦点对准的；以及
基于所述确定根据所述图像来计算所述眼睛的所述多个表面的曲率。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述指令进一步使所述处理器来：
确定所述多个反射在所述图像中未聚焦；
选择形成第二图像的焦平面，所选择的焦平面用于将所述多个反射聚焦在所述第二图像中；
确定所述多个反射在所述第二图像中是焦点对准的；以及
基于所述确定根据所述图像来计算所述眼睛的所述多个表面的曲率。
4.如权利要求3所述的系统，其中，选择所述焦平面包括改变所述眼睛的所述多个表面与成像系统之间的距离。
5.如权利要求3所述的系统，其中，选择所述焦平面包括选择多个焦平面。
6.如权利要求3所述的系统，其中，所述焦平面是弯曲的。
7.如权利要求1所述的系统，其中，形成来自所述眼睛的所述多个表面的所述多个反射的图像包括形成多个图像，所述多个图像中的每一个图像形成在不同的焦深和不同的焦平面处。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述光检测器包括可自适应聚焦透镜。
9.如权利要求7所述的系统，其中，所述光检测器包括多个透镜。
10.如权利要求7所述的系统，其中，所述多个图像是连续形成的。
11.如权利要求7所述的系统，其中，所述多个图像是逐步形成的。
12.一种用于角膜曲率测量的方法，所述方法包括：
将光投射到眼睛的多个表面上；
形成多个反射的图像，所述多个反射中的每个反射是通过从所述眼睛的所述多个表面中的一个反射所述光而形成的；
确定所述多个反射在所述图像中是焦点对准的；并且
基于所述确定根据所述图像来计算所述眼睛的所述多个表面的曲率。
13.如权利要求12所述的方法，进一步包括：
确定所述多个反射在所述图像中未聚焦；
选择形成第二图像的景深，所选择的景深用于将所述多个反射聚焦在所述第二图像中；
确定所述多个反射在所述第二图像中是焦点对准的；并且
基于所述确定根据所述图像来计算所述眼睛的所述多个表面的曲率。
14.如权利要求12所述的方法，进一步包括：
确定所述多个反射在所述图像中未聚焦；
选择形成第二图像的焦平面，所选择的焦平面用于将所述多个反射聚焦在所述第二图像中；
确定所述多个反射在所述第二图像中是焦点对准的；并且
基于所述确定根据所述图像来计算所述眼睛的所述多个表面的曲率。
15.如权利要求14所述的方法，其中，选择所述焦平面包括改变所述眼睛的所述多个表面与成像系统之间的距离。
16.如权利要求14所述的方法，其中，选择所述焦平面包括选择多个焦平面。
17.如权利要求14所述的方法，其中，所述焦平面是弯曲的。
18.如权利要求12所述的方法，其中，形成来自所述眼睛的所述多个表面的所述多个反射的图像包括形成多个图像，所述多个图像中的每一个图像形成在不同的焦深和不同的焦平面处。
19.如权利要求18所述的方法，其中，使用可自适应聚焦透镜形成所述多个图像。
20.如权利要求18所述的方法，其中，使用多个成像系统形成所述多个图像。
21.如权利要求18所述的方法，其中，所述多个图像是连续形成的。
22.如权利要求18所述的方法，其中，所述多个图像是逐步形成的。
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