CN115381623A - 一种个性化的角膜交联系统及其角膜中间结果处理方法 - Google Patents

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郑晓波
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Abstract

本发明请求保护一种个性化的角膜交联系统及其角膜中间结果处理方法，角膜交联系统包括有角膜信息采集模块和个性化方案生成模块；角膜信息采集模块用于获取并处理患者的术前信息并得到CXL术前角膜的生物力学本构参量α；个性化方案生成模块用于根据CXL术后目标角膜生物力学本构参量α和术前α相比自动换算得到CXL参数。综上所述，上述技术方案具有以下有益效果：本方案中的角膜信息采集模块能够采集患者术前的角膜信息并得到角膜生物力学本构参量α，通过个性化方案生成模块将该患者的目标角膜生物力学本构参量α转换为CXL参数，从而给CXL手术提供适合该患者的中间参数，该CXL参数包括紫外线照射时不同辐照度和不同总能量的组合。

Description

一种个性化的角膜交联系统及其角膜中间结果处理方法
技术领域
本发明涉及角膜交联技术领域，更具体地说，它涉及一种个性化的角膜交联系统及其角膜中间结果处理方法。
背景技术
圆锥角膜(keratoconus,KC)是最常见的扩张性角膜疾病，患病率约为1/2000，是角膜移植的最常见原因之一。KC的常见临床表现为高度不规则近视散光及不同程度的视力损害，严重影响了患者的视觉和生活质量。现有研究认为KC基质层在部分区域出现胶原纤维交联减少、纤维无序排列及胞外基质降解等现象，使得局部力学性能减弱，角膜在眼内压作用下局部逐渐向外膨隆扩张出现局部区域的变薄与变陡，是导致KC病情恶化的重要原因。KC的发生发展和角膜生物力学性能改变密切相关。
角膜交联术(Corneal Cross-linking,CXL)是利用紫外线(ultraviolet A,UVA)诱导角膜基质胶原纤维内部和胶原纤维间氨基/团产生新的共价键连接，从而提高角膜生物力学性能，在病理水平上减缓甚至阻止KC进展，有效降低了KC需要角膜移植的比例，是目前最为热门的KC治疗方法。
由于角膜生物力学性能的提升同生理状态差异过大，导致了一系列的问题：现有CXL手术导致角膜整体刚度一体化增加使得角膜顺应性下降过大，明显增加了青光眼的患病风险；这与波士顿1型人工角膜(含金属支架，材料力学性能较高)移植术后角膜整体顺应性明显下降，引起青光眼发病率明显增加的原理类似。其次，KC在CXL术后的生物力学性能分布和生理状态有较大不同，CXL术后角膜生物力学性能提升过量的情况下，会在交联和非交联区域边界出现明显的应力集中现象；随着时间推移，边界区域会出现生物力学性能下降，导致局部角膜变薄或扩张而使得KC继续进展。有报道称，最高达23％的KC病例在CXL术后出现复发加重，需要进行二次手术。
另外，因不知晓角膜生物力学性能提升幅度与CXL参数的准确关系，目前开展的CXL大多依据医师个人经验或采用厂家提供的标准模式选择CXL参数，对于CXL术后角膜生物力学性能的提升无法做到定量预测。对于CXL术后效果的评判，目前主要依赖于角膜地形图，医学验光及视力的结果进行间接评估，缺乏基于生物力学性能的病理性降低幅度和个性化CXL定量提升的技术方案。
例如公布号为CN110314035A的专利公布的一种形状深度可控的角膜交联装置，其提供了进行不同波长、不同形状或不同方位照射的方案，解决了角膜关联的光斑形状单一的技术问题；公布号为CN113240711A的专利公开的实时个性化交联系统，其提供了可实时调整紫外线照射位置，从而照射到预先指定的角膜真实位置的方案，得到了效果要远好于表征角膜胶原交联法的结果。以上公布的发明均未实现基于定量化提升角膜生物力学性能的目的提供个性化选择CXL参数的可能。
因此，如何实现CXL参数的个性化选择以实现对角膜生物力学性能的定量化提升正是本申请所要解决的技术问题。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种个性化的角膜交联系统，该系统利用一种可在体测量角膜生物力学性能的方案，以及原创发现的CXL参数，即UVA辐照度和总能量对角膜生物力学性能提升幅度的数学关系式，设计个性化CXL系统，以实现对角膜生物力学性能的定量化提升。
为实现上述目的，提供了如下技术方案：
一种个性化的角膜交联系统，其包括有角膜信息采集模块和个性化方案生成模块；角膜信息采集模块用于获取并处理患者的术前信息并得到角膜生物力学本构参量α；个性化方案生成模块用于根据角膜生物力学本构参量α自动换算得到CXL参数。
根据本发明的第二方面，提供一种个性化的角膜中间结果处理方法，其包括以下过程：
St10、控制角膜信息采集模块采集病人角膜形态数据和动态眼球形变参数。
St20、根据最大曲率、最薄点和后表面厚度三点位置选定病变区域，三点连接形成三角形的中心作为后续CXL光斑的中心点。
St30、控制所述角膜信息采集模块构建个性化的全眼球几何模型。
St40、在个性化的全眼球几何模型基础上，有限元分析联合动网格技术模拟Corvis ST的测量过程，逆向建模迭代运算得到角膜生物力学本构参量α。
St50、根据角膜生物力学本构参量α和术后α的目标值比较，得到患者个性化的角膜生物力学本构参量α提升比例。
综上所述，上述技术方案具有以下有益效果：本方案中的角膜信息采集模块能够采集患者术前的角膜信息并计算得到在体角膜生物力学本构参量α，通过个性化方案将该患者接受CXL术后所要达到的目标角膜生物力学本构参量α转换为CXL参数，从而给CXL手术提供适合该患者的中间参数，该CXL参数主要包括紫外线照射时不同辐照度和不同总能量的组合。个性化方案生成模块为不同患者提供了不同的个性化CXL参数，让不同患者术后角膜生物力学性能的提升可以得到定量预测，从而解决了利用CXL对KC进行精准治疗的问题。
附图说明
图1为一种个性化的角膜交联系统的模块关系示意图；
图2为个性化全眼球第一视角三维图模型示意图；
图3为个性化全眼球第二视角三维图模型示意图；
图4为有限元模拟Corvis ST测量过程示意图；
图5为空气与角膜气固耦合模型示意图；
图6为一种个性化的角膜交联系统的流程关系示意图；
图7为一种个性化的角膜交联系统的支架结构33示意图。
附图标记：10、角膜信息采集模块；20、个性化方案生成模块；30、个性化光斑实施模块；31、光发射结构；32、LCD装置；33、支架结构；331、底座；322、水平杆；333、竖直杆；34、摄像头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1所示，一种个性化的角膜交联系统，其包括有角膜信息采集模块10和个性化方案生成模块20；角膜信息采集模块10用于获取并处理患者的术前信息并得到角膜生物力学本构参量α；个性化方案生成模块20用于根据角膜生物力学本构参量α(术前值及术后目标值)自动换算得到CXL参数。本方案中的角膜信息采集模块10能够采集患者术前的角膜信息并计算得到在体角膜生物力学本构参量α，通过个性化方案生成模块20将该患者接受CXL术后所要达到的目标角膜生物力学本构参量α转换为个性化的CXL参数，从而给CXL手术提供适合该患者的中间参数，该CXL参数主要包括紫外线照射时不同辐照度和不同总能量的组合。个性化方案生成模块20为不同患者提供了不同的个性化CXL参数，让不同患者术后角膜生物力学性能的提升可以得到定量预测，从而解决了利用CXL对KC进行精准治疗的问题。
如图2和图3所示，角膜信息采集模块10包括眼前节分析仪和角膜生物力学分析仪。利用现有商业化设备眼前节分析仪(Pentacam)和角膜生物力学分析仪(cornealvisualization scheimpflug technology,Corvis ST)采集病人形态数据和动态眼球形变参数，根据角膜最大曲率(Kmax)、最薄点(MCT)和后表面最高点三点选定病变区域，三点连接形成三角形的中心作为后续CXL光斑的中心点，两点连线距离作为后续CXL光斑的半径。此外，利用眼前节分析仪的角膜地形图导出原始角膜高度数据结合眼轴数据在标准化眼球几何模型基础上进行调整，构建个性化的全眼球几何模型。
如图4和图5所示，图4中巩膜赤道部添加弹簧阻尼器边界条件。据前期所得离体人眼角膜和巩膜力学性能参数(α和μ数据矩阵)对模型进行材料初始属性设置，使用CorvisST提供的生物力学数据矫正眼内压设置眼球模型内压力，模型采用15节点三棱柱单元(C3D15H)，分两层划分网格，使用弹簧阻尼器系统(k，c)设置全眼球边界条件，反复迭代运算得到角膜模型的无应力状态，在此基础上再次有限元模拟加载眼内压得到初始全眼球应力。
图5为某一时刻的空气速度和全眼球应力分布情况。有限元分析联合动网格技术模拟Corvis ST测量过程中气体和角膜间的气固耦合作用，准确计算角膜表面随时间和空间变化的气体压力；逆向建模获得最优弹簧阻尼器参数组合作为边界条件。在模型基础上进行迭代运算，逆向建模分析获得在体角膜生物力学本构参量α和μ。该患者的角膜生物力学本构参量α和术后α目标值(以同年龄段标准角膜α值作为基准值)进行比较，得到患者个性化的角膜生物力学本构参量α提升比例，其中μ与CXL参数的关系没有那么明显。
个性化方案生成模块20得到的CXL参数包括有UVA辐照度和UVA总能量。
UVA辐照度的计算通过以下过程得出：通过患者的角膜生物力学本构参量α与术后α目标值进行比较，得到患者个性化的角膜生物力学本构参量α的提升比例Y；
UVA辐照度与角膜生物力学性能目标提升幅度Y的关系式为
Figure BDA0003753615860000061
式(1.1)中，X1为UVA辐照度，Y为角膜生物力学本构参量α的提升比例。
UVA总能量的计算通过以下过程得出：通过患者的角膜生物力学本构参量α与术后α目标值进行比较，得到患者个性化的角膜生物力学本构参量α的提升比例Y；
UVA总能量与角膜生物力学性能目标提升幅度Y的关系式为
Y＝18.538lnX2+8.245 (1.2)
式(1.2)中，X2为UVA总能量，Y为角膜生物力学本构参量α的提升比例。
还包括有个性化光斑实施模块30，个性化光斑实施模块30用于根据个性化方案生成模块20得到的CXL参数进行照射。个性化光斑实施模块30基于病灶中心位置的定位和生成相应的个性化交联方案，根据CXL参数以拟交联的光斑图形式输出。个性化交联方案的CXL参数包括交联的中心位置、UVA辐照度和总能量
如图6所示，个性化光斑实施模块30包括有光发射结构31、LCD装置32和支架结构33；个性化方案生成模块20、光发射结构31和LCD装置32均设置在支架结构33上，光发射结构31和LCD装置32分别与个性化方案生成模块20耦接；个性化方案生成模块20根据CXL参数，控制LCD装置32改变光发射结构31发射的光斑。
如图7所示，支架结构33包括有底座331、水平杆332和竖直杆333，竖直杆333的两端分别与底座331和水平杆332连接，个性化方案生成模块20、光发射结构31和LCD装置32均设置在水平杆332上。具体的，水平杆332和竖直杆333均为空心杆，竖直杆333两端分别与底座331、水平杆332连接，个性化方案生成模块20可固定于水平杆332上以方便查看，水平杆332前端设置有罩体，并将光发射结构31和LCD装置32固定于罩内，进一步的，水平杆332可绕竖直杆333旋转，空心杆内部可容纳所需电路。个性化方案生成模块20的主体为控制计算机。
光发射结构31包括设置在支架结构33上的光源模块、凹面镜和变光件；光源模块设置于凹面镜的焦点处，光源模块发射的光经凹面镜后转变为平行光线，变光件用于改变平行光线的线路。具体的，光源模块包括紫外光源和电源；紫外光源的发光功率可调，不大于5W，稳定发射波长为370nm的紫外光(UVA)，电源用于提供0至5A连续可调的电流以改变紫外光的光照强度。光源模块置于凹面镜焦点处，所发射的光经凹面镜后转变为平行光线。变光件为匀光板或聚焦透镜，平行光通过匀光板可转变为面光，通过聚焦透镜可聚焦光辐射。
LCD装置32包括LCD芯片和分别位于LCD芯片两侧的偏振片。LCD芯片可采用商用投影仪的液晶面板，例如型号为L3D07U-81G00的液晶屏，偏振片可将光转化为线偏振光，减少液晶对UVA的吸收。控制计算机根据拟交联光斑图提供图像信号，在液晶屏幕上选择性地显示透明图案，允许UVA通过以实现交联。控制计算机通过控制光源模块的光照强度和光照时间以改变UVA辐照度和UVA总能量，通过控制LCD装置32以调整光斑中心位置与直径，目标光斑中心位置与直径由个性化方案生成模块20所得拟交联光斑图确定。控制计算机可采用有线及无线数据连接，从服务器中获取或存储数据。
个性化光斑实施模块30还包括有设置在支架结构33上的摄像头34，摄像头34与个性化方案生成模块20耦接，用于采集角膜图像并通过控制计算机显示。具体的，摄像头34采用带有眼动跟踪功能的摄像头34，在手术过程中采集角膜图像，并在计算机上显示，实现实时跟踪眼动，减少交联能量的损失并精准实施个性化方案，同时还可方便医护人员观察角膜状态做其他处理。
根据本发明的第二方面，提供一种个性化的角膜中间结果处理方法，其包括以下过程：
St10、控制角膜信息采集模块10采集病人角膜形态数据和动态眼球形变参数。
St20、根据最大曲率、最薄点和后表面厚度三点位置选定病变区域，三点连接形成三角形的中心作为后续CXL光斑的中心点。
St30、控制所述角膜信息采集模块10构建个性化的全眼球几何模型。
St40、在个性化的全眼球几何模型基础上，有限元分析联合动网格技术模拟Corvis ST的测量过程，逆向建模迭代运算得到角膜生物力学本构参量α。
St50、根据角膜生物力学本构参量α和术后α的目标值比较，得到患者个性化的角膜生物力学本构参量α提升比例。
实施例：
手术前，角膜信息采集模块10中的Pentacam眼前节分析仪和Corvis角膜生物力学分析仪采集病人形态数据和动态眼球形变参数，定位病变区域的中心位置。此外，利用上述数据构建全眼球几何模型：有限元分析联合动网格技术模拟Corvis测量过程中气体和角膜间的气固耦合作用，准确计算角膜表面随时间和空间变化的气体压力；逆向建模获得最优弹簧阻尼器参数组合作为边界条件。在模型基础上进行迭代运算，逆向建模分析获得患者在体角膜生物力学本构参量α和μ。最后将该患者的角膜生物力学本构参量α和术后α的目标值(以同年龄段标准角膜值作为基准值)进行比较，得到个性化的角膜生物力学性能建议提升幅度，并将其传入控制计算机。
控制计算机根据关系式(1.1)和(1.2)计算出所需UVA辐照度和总能量，并据此调整控制光源；此外，基于病灶中心位置的定位，设置交联区直径，生成相应的个性化交联方案，包括交联的中心位置、UVA辐照度和总能量，形成拟交联的光斑图。随后，光源模块发出的光线经凹面镜反射转变为平行光线，平行光通过匀光板或聚焦透镜可转变为面光并聚焦光辐射，最终通过LCD装置32将个性化治疗光斑成像于角膜，实现个性化的角膜生物力学性能定量加强。
摄像头34在手术过程中采集角膜图像，并在控制计算机上显示，实现实时跟踪眼动，减少交联能量的损失并精准实施个性化方案，同时还可方便医护人员观察角膜状态做其他处理。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种个性化的角膜交联系统，其特征在于，包括有角膜信息采集模块(10)和个性化方案生成模块(20)；
所述角膜信息采集模块(10)用于获取并处理患者的术前信息并得到角膜生物力学本构参量α；
所述个性化方案生成模块(20)用于根据角膜生物力学本构参量α自动换算得到CXL参数。
2.根据权利要求1所述的个性化的角膜交联系统，其特征在于，所述角膜信息采集模块(10)包括眼前节分析仪和角膜生物力学分析仪。
3.根据权利要求1所述的个性化的角膜交联系统，其特征在于，所述个性化方案生成模块(20)得到的CXL参数包括有UVA辐照度和UVA总能量。
4.根据权利要求3所述的个性化的角膜交联系统，其特征在于，所述UVA辐照度的计算通过以下过程得出：
通过患者的角膜生物力学本构参量α与术后α目标值进行比较，得到患者个性化的角膜生物力学本构参量α的提升比例Y；
UVA辐照度与角膜生物力学性能目标提升幅度Y的关系式为
Y＝87.817e(-0.022X1)(1.1)
式(1.1)中，X1为UVA辐照度，Y为角膜生物力学本构参量α的提升比例。
5.根据权利要求3所述的个性化的角膜交联系统，其特征在于，所述UVA总能量的计算通过以下过程得出：
通过患者的角膜生物力学本构参量α与术后α目标值进行比较，得到患者个性化的角膜生物力学本构参量α的提升比例Y；
UVA总能量与角膜生物力学性能目标提升幅度Y的关系式为
Y＝18.538lnX2+8.245(1.2)
式(1.2)中，X2为UVA总能量，Y为角膜生物力学本构参量α的提升比例。
6.根据权利要求1-5任一项所述的个性化的角膜交联系统，其特征在于，还包括有个性化光斑实施模块(30)，所述个性化光斑实施模块(30)用于根据个性化方案生成模块(20)得到的CXL参数进行照射。
7.根据权利要求6所述的个性化的角膜交联系统，其特征在于，所述个性化光斑实施模块(30)包括有光发射结构(31)、LCD装置(32)和支架结构(33)；
所述个性化方案生成模块(20)、光发射结构(31)和LCD装置(32)均设置在支架结构(33)上，所述光发射结构(31)和LCD装置(32)分别与个性化方案生成模块(20)耦接；
所述个性化方案生成模块(20)根据CXL参数，控制LCD装置(32)改变光发射结构(31)发射的光斑。
8.根据权利要求7所述的个性化的角膜交联系统，其特征在于，所述支架结构(33)包括有底座(331)、水平杆(332)和竖直杆(333)，所述竖直杆(333)的两端分别与底座(331)和水平杆(332)连接，所述个性化方案生成模块(20)、光发射结构(31)和LCD装置(32)均设置在水平杆(332)上。
9.根据权利要求7所述的个性化的角膜交联系统，其特征在于，所述个性化光斑实施模块(30)还包括有设置在支架结构(33)上的摄像头，所述摄像头与个性化方案生成模块(20)耦接，用于采集角膜图像。
10.一种个性化的角膜中间结果处理方法，其应用于权利要求1-9任一项所述的角膜交联系统，其特征在于，包括以下过程：
控制角膜信息采集模块(10)采集病人角膜形态数据和动态眼球形变参数；
根据最大曲率、最薄点和后表面厚度三点位置选定病变区域，三点连接形成三角形的中心作为后续CXL光斑的中心点；
控制所述角膜信息采集模块(10)构建个性化的全眼球几何模型；
在个性化的全眼球几何模型基础上，有限元分析联合动网格技术模拟Corvis ST的测量过程，逆向建模迭代运算得到角膜生物力学本构参量α；
根据角膜生物力学本构参量α和术后α的目标值比较，得到患者个性化的角膜生物力学本构参量α提升比例。
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