CN112826440A - 基于光学相干法的角膜结构-眼压-多力学参数测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光学相干法的角膜结构‑眼压‑多力学参数测量仪，主要包括眼前节OCT模块、探头模块、压力传感器模块和信号处理模块；其中所述眼前节OCT模块包括低相干光源、光纤耦合器、参考臂、探测器和透镜组，与信号处理模块结合，用于测量眼前节的结构参数；前节OCT系统、探头模块以及信号处理模块构成OCE系统，用于测量力学参数；探头模块、压力传感器模块和信号处理模块结合，可用于眼压测量。本发明提供了人眼角膜结构、眼压和多力学参数测量的综合探测方案，解决分开测量方法所引起的测量误差，提供参数校准的方法和更好的眼科临床测量方案。本发明主要用于测量技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及光学相干弹性测量技术领域，特别涉及基于光学相干法的角膜结构-眼压-多力学参数测量仪。
背景技术
眼压、角膜生物力学性能和角膜形态三者之间相互紧密关联且互相影响，都是眼科疾病诊断和治疗中的重要测量参数。正常人的眼压稳定在一定范围内(10mmHg～21mmHg)，以维持眼球的正常形态，使各屈光介质界面保持良好的屈光状态。过高的眼压会有更大的机会造成视觉神经的损害，导致不可逆的青光眼疾病。目前在眼压测量方面临床上常用的是基于金标准Goldmann测量方法的眼压计，眼压随着时间的变化呈周期性变化，且多种因素(如角膜力学性能和角膜几何形状)均影响其临床上的测量结果，带来测量的误差和误判。角膜的力学性能(弹性、黏弹性、各向异性等)对维持角膜正常结构和功能具有重要作用，是研究角膜生理和病理特征的重要基础。当前，临床上仅有少数在眼压测量中引入用于角膜生物力学参数测量，如美Reichert公司的ORA和德国Oculus公司的Corvis ST，但其多项临床测量结果颇具争议性。随着光学相干层析成像探测(OCT)技术的高速发展，基于OCT的光学相干弹性成像技术(OCE)因其非侵入的成像方式、实时的图像处理性能和高分辨力等特点已成为角膜力学参数在体测量的研究热点。角膜的微小变化会引起明显的力学特征改变，角膜力学性能的改变又常常早于临床症状(如角膜形态变化)的出现。因此，角膜力学性能的临床测量对角膜疾病的诊断和角膜手术的评估具有重要意义。然而角膜生物力学性能的临床测量也会受到眼压参数和角膜几何结构参数的综合影响。当前眼压、角膜几何结构和力学性能是分开测量的，这种方案难以解决眼压随时间变化而引起的测量误差，难以探究角膜力学性能和眼压参数的关联和影响，影响对眼科疾病，尤其是早期眼科疾病的综合性诊断。
本发明基于光学相干弹性成像技术(OCE)，提出角膜结构-眼压-多力学参数测量仪，解决分开测量方案引起的测量误差和误判，提高角膜结构、眼压和多力学参数测量的精确度更深入的研究角膜力学性能和眼压参数的关联和影响，提供更好的眼科临床测量方案。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请提出一种基于光学相干法的角膜结构-眼压-多力学参数测量仪。本发明可提供角膜结构、眼压和多力学参数测量的综合探测方案，解决分开测量方法所引起的测量误差，提供参数校准的方法和更好的眼科临床测量方案。
提供基于光学相干法的角膜结构-眼压-多力学参数测量仪，包括：眼前节OCT模块、探头模块、压力传感器模块和信号处理模块；其中所述眼前节OCT模块包括低相干光源、光纤耦合器、参考臂、探测器和透镜组，与信号处理模块结合，用于测量眼前节的结构参数；眼前节OCT系统、探头模块以及信号处理模块构成OCE系统，用于测量多个力学参数；探头模块、压力传感器模块和信号处理模块结合，可用于眼压测量。
本申请上述第一方面的技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：通过眼前节OCT系统、结构参数测量模块和眼压/力学性能参数测量模块相结合，能够实现同时测量角膜前房三维结构、眼压值和角膜力学参数，解决分开测量方案引起的测量误差和误判，提高人眼结构、眼压和多力学参数测量的精确度，便于进一步深入研究人眼力学性能和眼压参数的关联和影响；可缩短测量时间，给病人/患者/体检的人提供更加的临床体验。
进一步，所述眼前节OCT模块包括：时域OCT系统、频域OCT系统或扫频OCT系统；其中低相干光源的光束经光纤耦合器后分为两束，一束进入参考臂，另一束进入样品臂，参考臂和样品臂的反射光沿相同的光路返回光纤耦合器发生干涉，再由探测器接收并将其转化为电信号传输到信息处理模块。
进一步，所述压力传感器模块与穿过中心带孔第二平面镜组的探头模块连接，用于测量对角膜所施加的力；所述探头模块可对人眼实施更灵活的激励方式，如单次激励、重复激励、变力激励和变频激励，满足不同力学测量方法的需求。
进一步，眼前节OCT模块中的光束由第一平面镜组汇聚到眼球的角膜表面反射之后沿相同的光路返回，再由信号处理模块对数据进行处理后，得到角膜前房的结构参数(如角膜地形图、角膜厚度，前房深度、房角、晶状体前表面曲率等)。
进一步，所述探头模块可对角膜中心点位置进行单次激励，信号处理模块可根据压力传感器模块测得的所施加力及其压平面积，计算出基于Goldmann测量方法的眼压值IOPg；
进一步，眼前节OCT模块、探头模块以及信号处理模块构成的多功能OCE系统：一方面可以获得单次激励下的多个力学参数；另一方面可以观测不同激励方式下角膜变形情况及弹性响应，进而研究固有频率与杨氏模量、眼压、角膜形态等以及各参数之间的关系。
进一步，可根据单次激励下测量的角膜前房的结构参数及力学参数对IOPg进行补偿校正，从而获得更准确的眼压值IOPT。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
图1是本申请一个实施例提供的基于光学相干法的角膜结构-眼压-多力学参数测量仪的在体测量的流程图；
图2是本申请实施例提供的一种基于光学相干法的角膜结构-眼压-多力学参数测量仪的连接示意图；
图3是图2示出的眼压测量模块的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
眼压、角膜生物力学性能和角膜形态三者之间相互紧密关联且互相影响，都是眼科疾病诊断和治疗中的重要测量参数。正常人的眼压稳定在一定范围内(10mmHg～21mmHg)，以维持眼球的正常形态，使各屈光介质界面保持良好的屈光状态。过高的眼压会有更高的机会造成视觉神经的损害，成为不可逆的青光眼疾病。目前在眼压测量方面临床上常用的是基于金标准Goldmann测量方法的眼压计，眼压随着时间的变化呈周期性变化，并且多种因素(如角膜力学性能和角膜几何形状)均影响其临床上的测量结果，带来测量误差和误判。角膜的力学性能(弹性、黏弹性、各向异性等)对维持角膜正常结构和功能具有重要作用，是研究角膜生理和病理特征的重要基础。角膜的微小变化会引起明显的力学特征改变，角膜力学性能的改变又常常早于临床症状(如角膜形态变化)的出现。因此，角膜力学性能的临床测量对角膜疾病的诊断和角膜手术的评估具有重要意义。然而角膜生物力学性能的临床测量也会受到眼压参数和角膜几何结构参数的综合影响。当前眼压、角膜几何结构和力学性能是分开测量的，这种方案难以解决眼压随时间变化而引起的测量误差，难以探究角膜力学性能和眼压参数的关联和影响，影响对眼科疾病，尤其是早期眼科疾病的综合性诊断。
基于此，本申请提供了一种基于光学相干法的角膜结构-眼压-多力学参数测量仪，实现角膜前房三维结构、眼压和角膜力学参数的同时测量，解决分开测量方案引起的测量误差和误判，提高角膜结构、眼压和多力学参数测量的精确度。
下面结合附图，对本申请实施例作进一步阐述。
如图1所示，眼前节OCT模块101与信号处理模块结合，用于测量眼前节的结构参数(如角膜地形图、角膜厚度，前房深度、房角、晶状体前表面曲率等)；眼前节OCT系统101、探头模块203以及信号处理模块构成OCE系统，用于测量力学参数(如杨氏模量、固有频率)；探头模块203、压力传感器模块202和信号处理模块结合，可用于眼压测量IOPg，由角膜结构参数和力学参数对其补偿校正，获得更准确的眼压值IOPT。
参考图2，基于光学相干法的角膜结构-眼压-多力学参数测量仪包括：眼前节OCT模块101、眼压测量模块108、第一平面镜组106、中心带孔第二平面镜组109和信号处理模块。所述眼前节OCT模块101包括低相干光源、光纤耦合器、参考臂、光接收器和透镜组102，其中低相干光源的光束经光纤耦合器后分为两束，一束进入参考臂，另一束进入样品臂，眼前节OCT模块101中的光束再由第一平面镜106组汇聚到眼球的角膜表面反射之后沿相同的光路返回，与参考臂的反射光在光纤耦合器发生干涉，再由探测器接收并将其转化为电信号传输到信息处理模块处理，得到角膜前房的结构参数。
眼前节OCT模块101、眼压测量模块108、中心带孔第二平面镜组109和信号处理模块可以实现眼压及力学性能参数的测量。所述眼压测量模块108包括控制器204、驱动设备201、压力传感器模块202和探头模块203，如图3所示。所述控制器204位于末端，所述控制器204与所述驱动设备201连接，所述驱动设备201通过连接杆与所述压力传感器模块202连接，所述压力传感器模块202与穿过中心带孔第二平面镜组109的探头模块203连接，可测量对人眼角膜所施加的力。所述探头模块203可对人眼实施更灵活的激励方式，如单次激励、重复激励、变力激励和变频激励，满足不同力学测量方法的需求。
本领域技术人员可以理解的是，图2中示出的示意图并不构成对本发明实施例的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
在一实施例中，眼前节OCT模块101中低相干光源的光经光纤耦合器后分为两束，一束进入参考臂，另一束进入样品臂，样品臂的光束汇聚到眼球110的角膜表面反射之后沿相同的光路返回。参考臂和样品臂的反射光沿相同的光路返回光纤耦合器发生干涉，再由光接收器接收并将其转化为电信号通过数据采集卡传输到信号处理模块，对数据进行加窗、傅里叶变换、提取幅值信息一系列处理后可得到角膜的结构参数。
需要说明的是，眼前节OCT模块101可以是任意类型的OCT系统，例如时域OCT、光谱频域OCT或扫频光源OCT，能够获取干涉光谱信息即可。
在一实施例中，眼压测量模块108中驱动设备201控制探头模块203产生压力压迫眼球110，使角膜产生形变，由压力传感器模块202测得探头模块203所施加的力F，同时眼前节OCT模块101再采集记录压迫眼球110过程中的变形，从而得到压平面积A，并由公式IOP＝F/A计算得到眼内压值IOPg。
在一实施例中，眼前节OCT模块101、探头模块203和信号处理模块构成OCE系统，测量角膜力学参数。在一个方向上探头模块203对角膜施加力产生形变，根据应力σ、应变ε与杨氏模量E的关系公式计算得出杨氏模量：E＝σ/ε,其中σ＝F/A，A为样品的横截面面积、F为对样品施加的力；ε＝ΔL/L，ΔL为长度变化、L为在对应方向上样品初始长度。也可以通过探头模块203对角膜施加低频激励，在表面诱导短时间的轴向位移，利用眼前节OCT技术跟踪记录角膜内机械波的传播并测量其波速，根据不同机械波的特性构建多种解析模型重建组织弹性，并计算出角膜力学参数。以在薄层样品(如角膜)中传播的兰姆(Lamb)波为例，在活体角膜受到瞬态激励时，可通过眼前节OCT多点位测量样品振动幅度，可求得剪切波速VS。兰姆波速VL在低频时与剪切波速VS的关系式为下列方程：
其中f为频率，h为样品厚度。基于兰姆波速的杨氏模量表达式：
在一实施例中，可将测得的角膜结构参数、杨氏模量和眼压值IOPg代入公式：
其中A为压平面积，R为角膜曲率半径，t为角膜厚度，ν为泊松比，E为杨氏模量，IOPg为测量值，IOPT为真实值。对测量的眼压值IOPg进行补偿校正，得到准确的眼压值IOPT，
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (7)
1.基于光学相干法的角膜结构-眼压-多力学参数测量仪，其特征在于，包括：眼前节OCT模块、探头模块、压力传感器模块和信号处理模块；其中所述眼前节OCT模块包括低相干光源、光纤耦合器、参考臂、探测器和透镜组，与信号处理模块结合，用于测量眼前节的结构参数；眼前节OCT模块、探头模块以及信号处理模块构成OCE系统，用于测量力学参数；探头模块、压力传感器模块和信号处理模块结合，可用于眼压测量。
2.根据权利要求1所述的基于光学相干法的角膜结构-眼压-多力学参数测量仪，其特征在于，所述眼前节OCT模块可以是时域OCT系统、频域OCT系统或扫频OCT系统，其中低相干光源的光束经光纤耦合器后分为两束，一束进入参考臂，另一束进入样品臂，参考臂和样品臂的反射光沿相同的光路返回光纤耦合器发生干涉，再由探测器接收并将其转化为电信号传输到信息处理模块。
3.根据权利要求1所述的基于光学相干法的角膜结构-眼压-多力学参数测量仪，其特征在于，所述压力传感器模块与穿过中心带孔第二平面镜组的探头模块连接，用于测量对角膜所施加的力；所述探头模块可对人眼实施更灵活的激励方式，如单次激励、重复激励、变力激励或者变频激励，满足不同力学测量方法的需求。
4.根据权利要求1所述的基于光学相干法的角膜结构-眼压-多力学参数测量仪，其特征在于，眼前节OCT模块中的光束由第一平面镜组汇聚到眼球的角膜表面反射之后沿相同的光路返回，再由信号处理模块对数据进行处理后，得到角膜前房的结构参数。
5.根据权利要求1所述的基于光学相干法的角膜结构-眼压-多力学参数测量仪，其特征在于，所述探头模块可对角膜中心点位置进行单次激励，信号处理模块可根据压力传感器模块测得的所施加力及其压平面积，计算出基于Goldmann测量方法的眼压值IOPg。
6.根据权利要求1所述的基于光学相干法的角膜结构-眼压-多力学参数测量仪，其特征在于，眼前节OCT模块、探头模块以及信号处理模块构成的多功能OCE系统：一方面可以获得单次激励下的力学参数；另一方面可以观测不同激励方式下角膜变形情况及弹性响应，进而研究固有频率与杨氏模量、眼压、角膜形态等以及各参数之间的关系。
7.根据权利要求6所述的基于光学相干法的角膜结构-眼压-多力学参数测量仪，其特征在于，可根据单次激励下测量的角膜前房的结构参数及力学参数对IOPg进行补偿校正，从而获得更准确的眼压值IOPT。
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