CN113827178B - 一种个体人眼大视场入射波前像差的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种个体人眼大视场入射波前像差的获取方法，具体包括以下步骤：S1、根据角膜地形图数据、人眼出射波前像差数据和Navarro人眼模型参数，构建半个性化出射眼模型；S2、对所述半个性化出射眼模型的晶状体进行优化，得到大视场下出射个性化眼模型；S3、对所述大视场下出射个性化眼模型进行反转操作，得到大视场下入射个性化眼模型；基于所述大视场下入射个性化眼模型，得到人眼大视场入射波前像差。本发明仅需借助现有的临床技术条件就可得出个体人眼大视场入射波前像差，该方法具有可供分析的视场角度大，易于推广的特点。

Description

一种个体人眼大视场入射波前像差的获取方法

技术领域

本发明涉及眼视光学领域，特别是涉及一种个体人眼大视场入射波前像差的获取方法。

背景技术

目前，近视已成为一个世界性的问题，近视人群基数的增大以及近视的早发，会导致白内障、青光眼、视网膜脱落等致盲性疾病的高发。因此，近视的有效防控引起了科学界以及政府部门的高度关注。

光学方法是近视防控的有效手段之一，通过视网膜周边的近视性离焦能够有效地控制近视的发展。因此，针对视网膜周边离焦的研究是光学方法防控近视的重要研究内容。其中，波前像差仪是研究周边视场成像性质的有效手段。

目前，临床上测量人眼波前像差的仪器可以分为入射型和出射型两类。(1)对于出射型波前像差仪，测量的是光线从人眼出射时的波前像差。该像差仪的主要代表是基于Hartmann-shack原理的波前像差仪，其原理为视网膜上的点光源发出的光线通过人眼出射，并经过一系列光学器件最终成像在CCD上面。由于人眼的像差的存在，CCD所成的像，会偏离理想成像位置。根据实际像点相对理想像点的偏离程度，得到人眼波前像差。(2)入射型波前像差仪的典型代表为主观型的波前像差仪，其测量原理为：每次测量，有两条光线入射至人眼，第一条光线与人眼的光轴重合，与视网膜相较交于A点；另外一条光线与光轴存在一定的距离，当其与第一条光线平行时，由于人眼存在像差，其与视网膜的交点B与A点并不重合。通过调节第二条光线的角度，使B点与A点重合。重复以上过程，根据第二条光线的倾斜角度，通过一系列的计算可以得出人眼的波前像差。该类型像差仪，虽命名为入射型像差仪，但根据光路可逆的原理可知，该像差仪相当于将点光源置于视网膜上，然后逐一测量每条光线对应的波前的斜率，进而重构出波前像差。综上，目前临床上采用的出射型和入射型的波前像差仪，实际上测量的是光线从人眼出射时人眼的波前像差，即人眼的出射波前像差。

然而，对于近视防控具有意义的波前像差应为光线进入人眼时对应的波前像差，即人眼的入射波前像差。由于临床上测量人眼的入射波前像差存在诸多的实际困难，虽有一些方法被提出，但主要测量的是0°视场的波前像差；此外，这些方法也存在重复性、准确性不高的问题。

因此，找到一种能够得到大视场下人眼的入射波前像差的方法成为现今需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种个体人眼大视场入射波前像差的获取方法，利用出射波前像差数据和其他临床测量数据，并采用构建人眼模型的方式，来得到大视场人眼入射波前像差，该方法具有可供分析的视场角度大、不增加设备购置成本、易于推广等特点。

为实现上述目的，本发明提供一种个体人眼大视场入射波前像差的获取方法，具体包括以下步骤：

S1、根据角膜地形图数据、人眼出射波前像差数据和Navarro人眼模型参数，构建半个性化出射眼模型；

S2、对所述半个性化出射眼模型的晶状体进行优化，得到大视场下出射个性化眼模型；

S3、对所述大视场下出射个性化眼模型进行反转操作，得到大视场下入射个性化眼模型；基于所述大视场下入射个性化眼模型，得到人眼大视场入射波前像差。

优选的，所述S1具体为：

S1.1、建立角膜面型；

S1.2、采集离散的角膜地形图数据，并利用所述角膜地形图数据进行拟合，得到所述角膜面型的曲率半径、圆锥系数和各项Zernike系数；

S1.3、采用波前像差仪测量大视场下的人眼出射波前像差数据；

S1.4、将Navarro人眼模型参数代入ZEMAX中，得到初始人眼模型；基于所述S1.2和所述初始人眼模型，得到半个性化出射眼模型。

优选的，所述角膜面型，具体表达式为：

式中，x、y表示角膜的坐标，z表示角膜高度，r为曲面的曲率半径，k为曲面的圆锥系数，Z_i(x,y)为第i项Zernike多项式，A_i为第Z_i(x,y)项的系数，i＝1,2,3...30。

优选的，所述角膜地形图数据通过Pentacam三维眼前节分析仪进行采集。

优选的，所述S1.4具体为：

将所述角膜面型的曲率半径、圆锥系数和各项Zernike系数替代所述初始人眼模型中的角膜前表面和后表面；将临床测量的眼轴数据，替换所述初始人眼模型中的眼轴数据；然后，将所述初始人眼模型的入射光瞳大小、波长、视场参数设置为与测量人眼出射波前像差数据时的设置相一致，进而得到半个性化出射眼模型。

优选的，所述S2具体为：

S2.1、将半个性化出射眼模型的角膜前表面的设置为所述角膜面型，并将所述角膜面型的曲率半径、圆锥系数和各项Zernike系数代入所述角膜面型中；

S2.2、将半个性化出射眼模型的晶状体的前后表面设置为所述角膜面型，并将其各参数设为变量；

S2.3、将0°视场的波前像差数据作为优化目标，依次优化所述晶状体的前后表面的曲率半径、圆锥系数和各阶Zernike系数，得到0°视场的出射型眼模型；

S2.4、基于所述0°视场出射型眼模型，增加水平视场和竖直视场，并根据不同视场设置相应的瞳孔直径；然后将所述0°视场、水平视场和所述竖直视场下的波前像差数据作为优化目标，并且对优化函数的权重进行相应的调整；

S2.5、继续优化晶状体的参数，直到所述Navarro出射眼模型在各个视场下的波前像差与实测值基本一致为止，优化完成，得到大视场下出射个性化眼模型。

优选的，所述S2.3具体为：

将0°视场的波前像差数据作为优化目标，依次优化晶状体前后表面的曲率半径、圆锥系数和各阶Zernike系数，直至所述半个性化出射眼模型的0°视场波前像差与实际测量的波前像差值基本一致，优化完成，从而构建出0°视场的出射型眼模型。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明采用了个体人眼的临床数据，最终得到人眼模型为个性化的人眼模型，在临床应用中具有巨大的价值；本发明解决了实际测量大视场人眼入射波前像差存在的困难，借助临床上容易获得的出射波前像差，通过一系列的处理，得出入射波前像差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明实施例的人眼波前像差0°测量结果图；

图3为本发明实施例的人眼数据构建的大视场出射个性化眼模型示意图；

图4为本发明实施例的人眼数据的大视场入射个性化眼模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参照图1所示，本发明提出一种个体人眼大视场入射波前像差的获取方法(本实施例以一只人眼的数据为例，对大视场入射人眼模型的构建过程做详细说明)，具体包括以下步骤：

S1、根据角膜地形图数据、实际测量得到的大视场(包括水平视场、竖直视场以及其他方向的视场)的人眼出射波前像差数据和Navarro人眼模型参数，构建半个性化出射眼模型，具体为：

S1.1、建立角膜面型，其表达式为：(该角膜面型能够更精准的描述角膜形态。)

式中，x、y表示角膜的坐标，z表示角膜高度，r为曲面的曲率半径，k为曲面的圆锥系数，Z_i(x,y)为第i项Zernike多项式，A_i为第Z_i(x,y)项的系数，在角膜前表面的拟合中，i＝1,2,3...30。

S1.2、通过Pentacam三维眼前节分析仪(Oculus，德国)采集离散的角膜地形图数据，并将采集的角膜地形图数据存储于Excel表格中。以上数据在Matlab中拟合出(1)式中的各个参数r,k,A_i，其中i＝1,2,3...30。

其中，通过角膜地形图数据拟合出的曲率半径r、圆锥系数k和各项Zernike系数A_i的结果如表1所示：

表1

S1.3、利用波前像差仪WaveScan测量0°视场、(-15°，-10°，-5°，+5°，+10°，+15°)水平视场和(-15°，-10°，-5°，+5°，+10°，+15°)竖直视场的波前像差。如图2所示，显示了该眼在0°视场的波前像差数据。将波前像差数据输入ZEMAX中的相应参数中。

S1.4、将表2的Navarro人眼模型参数输入到ZEMAX中，得到出射人眼模型的初始结构(即，初始人眼模型)。

表2

然后，将根据角膜地形图数据拟合得出的曲率半径r、圆锥系数k、第1项到第30项Zernike系数A_i替代所述初始人眼模型中的角膜前表面和后表面。如果测量了人眼的眼轴数据，则可用临床测量得到的眼轴数据，替换所述初始人眼模型中的眼轴数据。同时将初始人眼模型的入射光瞳大小、波长、视场等参数设置为与测量人眼波前像差时的设置相一致，进而得到半个性化出射眼模型。在本实施例中，将视场角设置为0°，出射光瞳直径与实测相同为7.99mm，波长为780nm。

S2、对半个性化出射眼模型的晶状体进行优化，得到大视场下出射个性化眼模型；

将半个性化出射眼模型的角膜前表面的设置为式(1)表示的面型，并将前面拟合得出的曲率半径r、圆锥系数k和各项Zernike系数代入。将半个性化出射眼模型的晶状体的前后表面设置为式(1)表示的面型，并将各参数设为变量。将0°视场的波前像差数据作为优化目标，依次优化晶状体前后表面的曲率半径、圆锥系数和各阶Zernike系数，直至人眼模型的0°视场波前像差与实际测量的波前像差值基本一致。此时优化完成，从而构建出0°视场的出射型眼模型。

在上述优化完成的0°视场出射型眼模型的基础上，增加-15°、-10°、-5°、+5°、+10°、+15°水平视场和-15°、-10°、-5°、+5°、+10°、+15°竖直视场，并根据不同视场设置相应的瞳孔直径。然后将这些视场下的波前像差数据作为优化目标，并且对优化函数的权重进行相应的调整。

继续优化晶状体的参数，直到人眼模型在各个视场下的波前像差与实测值基本一致为止，优化完成。此时，就确定了眼模型晶状体的面型参数，进而得到大视场下出射个性化眼模型，如图3所示。

其中，最终优化完的晶状体面型参数见表3：

表3

S3、将上述大视场下出射个性化眼模型进行反转操作，使其变为大视场下入射个性化眼模型，如图4所示、

基于该人眼模型，可以分析其在6mm瞳孔、555nm下的某特定视场下的像差。表4给出了大视场下入射个性化眼模型在6mm瞳孔、555nm波长、0°和水平10°视场下的波前像差(单位波数)。

表4

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种个体人眼大视场入射波前像差的获取方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、根据角膜地形图数据、人眼出射波前像差数据和Navarro人眼模型参数，构建半个性化出射眼模型；

S2、对所述半个性化出射眼模型的晶状体进行优化，得到大视场下出射个性化眼模型；

S3、对所述大视场下出射个性化眼模型进行反转操作，得到大视场下入射个性化眼模型；基于所述大视场下入射个性化眼模型，得到人眼大视场入射波前像差；

所述S2具体为：

S2.1、将半个性化出射眼模型的角膜前表面的设置为角膜面型，并将所述角膜面型的曲率半径、圆锥系数和各项Zernike系数A_i代入所述角膜面型中；

所述角膜面型的表达式为：

式中，x、y表示角膜的坐标，z表示角膜高度，r为曲面的曲率半径，k为曲面的圆锥系数，

为第i项Zernike多项式，

为第

项的系数，

；

所述各项Zernike系数A_i为第i项Zernike多项式的系数，其中

；当

时，A₁,A₂,A₃…A₃₀为-0.00034，-0.0001，0.000684，0.000156000，0.000058600,0.000355000，-0.000012500，0.000014800,0.000004770，-0.000015500，0.000007160，-0.000006670，0.000001370，-0.000002440,0.000001160，-0.000000696，0.000000818，0.000000118，-0.000000121，-0.000000451，-0.000000090，0.000000161，-0.000000024，0.000000043，0.000000007，0.000000030，-0.000000046，0.000000018，-0.000000006,0.000000005；

S2.2、将半个性化出射眼模型的晶状体的前后表面设置为所述角膜面型，并将其曲率半径、圆锥系数、第1项到第30项Zernike系数设为变量；

S2.3、将0°视场的波前像差数据作为优化目标，依次优化所述晶状体的前后表面的曲率半径、圆锥系数和各项Zernike系数，得到0°视场的出射型眼模型；

S2.4、基于所述0°视场出射型眼模型，增加水平视场和竖直视场，并根据不同视场设置相应的瞳孔直径；然后将所述0°视场、水平视场和所述竖直视场下的波前像差数据作为优化目标，并且对优化函数的权重进行相应的调整；

S2.5、继续优化晶状体的参数，直到步骤S2.4优化后的出射眼模型在各个视场下的波前像差与实测值基本一致为止，优化完成，得到大视场下出射个性化眼模型；

所述S2.3具体为：

将0°视场的波前像差数据作为优化目标，依次优化晶状体前后表面的曲率半径、圆锥系数和各项Zernike系数，直至所述半个性化出射眼模型的0°视场波前像差与实际测量的波前像差值基本一致，优化完成，从而构建出0°视场的出射型眼模型。

2.根据权利要求1所述的个体人眼大视场入射波前像差的获取方法，其特征在于，所述S1具体为：

S1.1、建立角膜面型；

S1.2、采集离散的角膜地形图数据，并利用所述角膜地形图数据进行拟合，得到所述角膜面型的曲率半径、圆锥系数和各项Zernike系数；

S1.3、采用波前像差仪测量大视场下的人眼出射波前像差数据；

S1.4、将Navarro人眼模型参数代入ZEMAX中，得到初始人眼模型；基于所述S1.2和所述初始人眼模型，得到半个性化出射眼模型。

3.根据权利要求2所述的个体人眼大视场入射波前像差的获取方法，其特征在于，所述角膜地形图数据通过Pentacam三维眼前节分析仪进行采集。

4.根据权利要求2所述的个体人眼大视场入射波前像差的获取方法，其特征在于，所述S1.4具体为：

将所述角膜面型的曲率半径、圆锥系数和各项Zernike系数替代所述初始人眼模型中的角膜前表面和后表面；将临床测量的眼轴数据，替换所述初始人眼模型中的眼轴数据；然后，将所述初始人眼模型的入射光瞳大小、波长、视场参数设置为与测量人眼出射波前像差数据时的设置相一致，进而得到半个性化出射眼模型。

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