CN115886718A - 用于眼组织生物测量的分段聚焦快速扫描测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于眼组织生物测量的分段聚焦快速扫描测量系统与方法，属于眼组织生物测量技术领域，包括快速扫描延迟线组件和样品臂光路组件，快速扫描延迟线组件用于接收光传输系统分出的一路光并延迟后返回到光传输系统，包括光纤准直镜、扫描直角镜、柱状镜、反射镜和分段聚焦阶梯镜；样品臂光路组件用于接收光传输系统分出的另一路经分段聚焦光路入射到眼组织并经眼组织反射返回到光传输系统，包括光纤输出头、聚焦透镜和二色镜，分段聚焦阶梯镜伸入光纤输出头和聚焦透镜之间。本发明实现了检测光束在眼前节、晶状体和眼底视网膜处的同步聚焦，进而提高了检测信号的信噪比，使整个系统不但结构简单、而且易实现。

Description

用于眼组织生物测量的分段聚焦快速扫描测量系统与方法

技术领域

本发明属于眼组织生物测量技术领域，尤其是涉及用于眼组织生物测量的分段聚焦快速扫描测量系统与方法。

背景技术

白内障作为最常见的眼科疾病之一，多发病于中老年人群。对眼轴长度的精准测量将关系到白内障手术中植入人工晶状体度数的准确性，同时也密切关系到术后的屈光误差。

另外，近年来我国青少年儿童近视率居高不下，而近视程度与眼轴长度具有正相关性，眼轴长度也是区别真性近视与假性近视的重要依据。因此，高精度的眼轴长度测量方法是十分必要的，其对于眼科疾病的预防和临床诊治都有重要的实用意义。

现有的眼轴长度测量方法主要有超声生物测量和非接触式光学生物测量两种。超声用于正常眼的眼轴长度测量时具有良好的准确性，不受屈光介质浑浊度影响，但测量方法较为烦琐且费时。非接触式光学生物测量利用光学相干技术来测量眼轴长度，主要有基于部分相干干涉技术(partial coherence interferometry，PCI)的测量方法和基于低相干反射技术(low coherence optical reflectometry，LCOR)的测量方法。两种方法原理都是迈克尔逊干涉仪技术的拓展，如图1所示。弱相干光源发出一束相干光，经分光镜分成两束，一束称为样品臂，另外一束称为参考臂。样品臂的光束入射到被测物体(如眼组织)，被测物体内不同深度层面的组织对入射光形成反射和散射，一部反射光返回到达分光镜。参考臂光束被投射到一个沿光轴作往复运动的反射镜表面，并沿原光路返回到分束镜与样品臂返回的光线汇聚。当两路被反射回来的光线的光程差相等时，就会产生一个与样品被测组织层面相对应的干涉亮条纹，该带有干涉信息的光线经分光镜后，被光电接收器接受，形成电信号，经采样和处理后得到被测组织内部不同反射层面的位置信息，即眼轴长度方向的组织位置信息。相较于传统超声生物测量方法，非接触式光学生物测量方法具有高分辨力和非接触性的优点，同时其测量结果的重复性要优于超声。但非接触式光学生物测量的准确性依赖于扫描光线从眼底反射的强度，因此屈光介质的浑浊、病变或病患无法固视等因素都影响测量数据的准确性。

为了解决测量过程中眼睛非自主运动造成的固视因素带来的检测误差，非接触式光学生物测量技术上主要采用提高干涉仪的参考臂光学延迟线的扫描速率，在单位时间内增加重复扫描线检测数量，通过快速采集的多组数据进行处理以提高信噪比和检测精度；另外针对因眼组织介质对测量光信号散射带来检测信息迅速衰减所造成的信噪比问题，主要通过采用样品臂变焦技术实现对眼轴长度范围内不同深度组织在扫描测量过程中实时聚焦。但要实现干涉仪参考臂高速获取眼轴轴向个层面的光干涉信息以确定位置信息的同时，又要实现样品臂检测光束在眼内组织的角膜前后面、晶状体前后面及视网膜等不同界面的同步聚焦，以获取搞得信噪比和检测精度难度较大，实现方案复杂。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种能够实现干涉仪参考臂高速获取眼轴轴向个层面的光干涉信息以确定位置信息的同时，又能实现样品臂检测光束在眼内组织的角膜前后面、晶状体前后面及视网膜等不同界面的同步聚焦的用于眼组织生物测量的分段聚焦快速扫描测量系统与方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于眼组织生物测量的分段聚焦快速扫描测量系统，包括快速扫描延迟线组件(参考臂)和样品臂光路组件，所述快速扫描延迟线组件用于接收光传输系统分出的一路光并延迟后返回到光传输系统，该快速扫描延迟线组件包括光纤准直镜，用于产生光学延迟的旋转扫描直角镜，以及沿扫描直角镜出射光路上依次设置的柱状镜和反射镜，用于在被测眼组织内产生分段聚焦效果的分段聚焦阶梯镜；所述样品臂光路组件用于接收光传输系统分出的另一路经分段聚焦光路入射到眼组织并经眼组织反射返回到光传输系统，该样品臂光路组件包括光纤输出头，用于在眼组织内产生聚焦作用的聚焦透镜，用于光线偏转与分离的二色镜，同时用于在被测眼组织内产生分段聚焦效果的分段聚焦阶梯镜伸入光纤输出头和聚焦透镜之间。

进一步地，所述光传输系统包括有由沿弱相干光源(SLD)的光轴依次设置的光环行器、光纤分束器、第一偏振控制器、第二偏振控制器以及用于接收反射干涉光信号的光电检测器。

进一步地，所述快速扫描延迟线组件用于接收光纤分束器分出的一路光并延迟后返回到光纤分束器；所述样品臂光路组件用于接收光纤分束器分出的另一路经分段聚焦光路入射到眼组织并经眼组织反射返回到光纤分数器。

进一步地，多路所述扫描直角镜和多路所述分段聚焦阶梯镜分别固定在扫描电机圆周上，其中所述扫描直角镜和分段聚焦阶梯镜位置一一对应。

进一步地，本发明还包括控制系统和视频摄像头，所述控制系统包括用于光电信号转换及电机控制的采集控制卡及计算机；所述视频摄像头用于检测眼角膜的视频图像。

本发明一种用于眼组织生物测量的分段聚焦快速扫描测量方法，包括以下步骤：

S1、所述弱相干光源(SLD)发出的弱相干光入射到光环行器的端口a，经光环行器的端口b输出到光纤分束器的端口Ⅰ；所述光纤分束器将输入光分为两路给端口Ⅲ和端口Ⅳ，所述端口Ⅲ输出光束经第一偏振控制器传送给快速扫描延迟线组件的光纤准直镜，经准直的入射光投射到用于产生光学延迟的旋转扫描直角镜，所述扫描直角镜出射的光线经柱状镜和反射镜将光线原路反射回光纤准直镜，经第一偏振控制器返回到光纤分束器的端口Ⅲ并与样品臂返回的光线汇聚；

S2、另外一路由光纤分束器端口Ⅳ输出的光束经第二偏振控制器送至样品臂光路组件的光纤输出头，并沿出射光轴经过分段聚焦阶梯镜，在眼组织内产生聚焦作用的聚焦透镜，经光线偏转与分离的二色镜将测量光线投射到眼组织；

S3、眼组织不同深度层面对入射光形成反射和散射，一部反射光经原样品臂光路返回到达光纤分束器端口Ⅳ，并与快速扫描延迟线组件(参考臂)返回的光线汇聚；由于快速扫描延迟线组件(参考臂)中的扫描直角镜随扫描电机旋转产生光学延迟，当两路到达光纤分束器的被反射回来的光线的光程差相等时，就会产生一个与被测样品组织层面相对应的干涉亮条纹，该带有干涉信息的光线经光纤分束器端口Ⅱ后，连同经光环行器端口c返回的光线一同被光电检测器接受，形成电信号；

S4、经采集控制卡及计算机组成的控制系统采样和处理后得到被测组织内部不同反射层面的位置信息，即眼轴长度方向的组织位置信息。

本发明设计了一种作为参考臂的高速扫描光学延迟线装置，并将作为样品臂的检测光路通过特殊设计的检测光焦点分段调节阶梯镜片与参考臂扫描装置进行了集成设计，实现了在参考臂高速扫描获取眼轴位置信息的同时样品臂通过分段聚焦阶梯镜的作用对检测光束焦点产生同步调节，实现了检测光束在眼前节、晶状体和眼底视网膜处的同步聚焦，进而提高了检测信号的信噪比，使整个系统不但结构简单、而且易实现。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1是迈克尔逊干涉仪原理示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明快速扫描延迟线组件(参考臂)的俯视图；

图4是本发明快速扫描延迟线组件(参考臂)中快速扫描延迟线扫描直角镜与分段聚焦阶梯镜在眼前节角膜处形成聚焦的相对位置示意图；

图5是本发明快速扫描延迟线组件(参考臂)中快速扫描延迟线扫描直角镜与分段聚焦阶梯镜在晶状体处形成聚焦的相对位置示意图；

图6是本发明快速扫描延迟线组件(参考臂)中快速扫描延迟线扫描直角镜与分段聚焦阶梯镜在眼底视网膜处形成聚焦的相对位置示意图；

图7是本发明实现眼组织分段聚焦原理示意图(聚焦透镜与分段聚焦阶梯镜第一阶梯对应)；

图8是本发明实现眼组织分段聚焦原理示意图(聚焦透镜与分段聚焦阶梯镜第二阶梯对应)；

图9是本发明实现眼组织分段聚焦原理示意图(聚焦透镜与分段聚焦阶梯镜第三阶梯对应)；

图10是用示波器采集显示的本发明获得的模拟眼眼轴长度信息示意图；

图11是用示波器采集显示的未采用分段聚焦获得的模拟眼眼轴长度信息示意图。

图中：

1:光传输系统；1.1：弱相干光源(SLD)；1.2:光环行器；1.3：光纤分束器；1.4：第一偏振控制器；1.5：第二偏振控制器；1.6：光电检测器；2:快速扫描延迟线组件；2.1：光纤准直镜；2.2：柱状镜；2.3：反射镜；2.4：扫描直角镜；2.5：扫描电机；2.6：分段聚焦阶梯镜；3：样品臂光路组件；3.1：光纤输出头；3.2：聚焦透镜；3.3：二色镜；4：控制系统；4.1：采集控制卡；4.2：计算机；5：视频摄像头；6.1、第一波峰；6.2、第二波峰；6.3、第三波峰；6.4、第四波峰；6.5、第五波峰。

具体实施方式

如图2所示，本发明一种用于眼组织生物测量的分段聚焦快速扫描测量系统，包括光传输系统1、快速扫描延迟线组件(参考臂)2、样品臂光路组件3、控制系统4和视频摄像头5。

光传输系统1包括有由沿眼轴测量系统测量弱相干光源(SLD)1.1的光轴依次设置的光环行器1.2、光纤分束器1.3、第一偏振控制器1.4、第二偏振控制器1.5、以及用于接收反射干涉光信号的光电检测器1.6；

快速扫描延迟线组件2用于接收光纤分束器1.3分出的一路光并延迟后返回到光纤分束器1.3，该快速扫描延迟线组件2包括光纤准直镜2.1，用于产生光学延迟的旋转扫描直角镜2.4，以及沿扫描直角镜2.4出射光路上依次设置的柱状镜2.2和反射镜2.3，用于提供扫描直角镜2.4旋转的扫描电机2.5，用于在被测眼组织内产生分段聚焦效果的分段聚焦阶梯镜2.6；多路扫描直角镜2.4和多路分段聚焦阶梯镜2.6分别固定在扫描电机2.5圆周上，其中扫描直角镜2.4和分段聚焦阶梯镜2.6位置一一对应，具体位置示意见图2和图3；

样品臂光路组件3用于接收光纤分束器1.3分出的另一路经分段聚焦光路入射到眼组织并经眼组织反射返回到光纤分数器1.3，该样品臂光路组件3包括经第二偏振控制器1.5输出的样品臂光纤输出头3.1，用于在眼组织内产生聚焦作用的聚焦透镜3.2，用于光线偏转与分离的二色镜3.3，同时用于在被测眼组织内产生分段聚焦效果的分段聚焦阶梯镜2.6伸入光纤输出头3.1和聚焦透镜3.2之间；

控制系统4包括用于光电信号转换及电机控制的采集控制卡4.1及计算机4.2；

视频摄像头5用于检测眼角膜的视频图像。

本发明一种用于眼组织生物测量的分段聚焦快速扫描测量方法，包括以下步骤：

S1、眼轴测量系统测量弱相干光源(SLD)1.1发出的弱相干光入射到光环行器1.2的端口a，经光环行器1.2的端口b输出到光纤分束器1.3的端口Ⅰ；光纤分束器1.3将输入光分为两路给端口Ⅲ和端口Ⅳ，端口Ⅲ输出光束经第一偏振控制器1.4传送给快速扫描延迟线组件2的光纤准直镜2.1，经准直的入射光投射到用于产生光学延迟的旋转扫描直角镜2.4，扫描直角镜2.4出射的光线经柱状镜2.2和反射镜2.3将光线原路反射回光纤准直镜2.1，经第一偏振控制器1.4返回到光纤分束器1.3的端口Ⅲ并与样品臂返回的光线汇聚；

S2、另外一路由光纤分束器1.3端口Ⅳ输出的光束经第二偏振控制器1.5送至样品臂光路组件3的光纤输出头3.1，并沿出射光轴经过分段聚焦阶梯镜2.6，在眼组织内产生聚焦作用的聚焦透镜3.2，经光线偏转与分离的二色镜3.3将测量光线投射到眼组织；

S3、眼组织不同深度层面对入射光形成反射和散射，一部反射光经原样品臂光路返回到达光纤分束器1.3端口Ⅳ，并与参考臂返回的光线汇聚，由于参考臂中的扫描直角镜2.4随扫描电机2.5旋转产生光学延迟，当两路到达光纤分束器1.3的被反射回来的光线的光程差相等时，就会产生一个与被测样品组织层面相对应的干涉亮条纹，该带有干涉信息的光线经光纤分束器1.3端口Ⅱ后，连同经光环行器1.2端口c返回的光线一同被光电检测器1.6接受，形成电信号；

S4、经采集控制卡4.1及计算机4.2组成的控制系统4采样和处理后得到被测组织内部不同反射层面的位置信息，即眼轴长度方向的组织位置信息。

当样品臂光路组件3的光纤输出头3.1形成的点光源经分段聚焦阶梯镜2.6、聚焦透镜3.2后在眼前节角膜处聚焦成像时，本发明快速扫描延迟线组件(参考臂)2中快速扫描延迟线扫描直角镜2.4与分段聚焦阶梯镜2.6所处的相对位置如图4所示，其中：θ₁对应眼前节角膜处点光源成像时扫描直角镜2.4与分段聚焦阶梯镜2.6所处位置。图4中可看出，当扫描直角镜2.4与竖轴y-y’之间的夹角为θ₁时，分段聚焦阶梯镜2.6的第一阶梯厚度W₁(见图7)部分刚好处于光纤输出头3.1和聚焦透镜3.2之间，此时样品臂光路组件3的光纤输出头3.1形成的点光源通过分段聚焦阶梯镜2.6的W₁段、聚焦透镜3.2后在眼前节角膜处形成汇聚的点光源像(成像原理图见图7)。

当样品臂光路组件3的光纤输出头3.1形成的点光源经分段聚焦阶梯镜2.6、聚焦透镜3.2后在晶状体处汇聚成像时，本发明快速扫描延迟线组件(参考臂)2中快速扫描延迟线扫描直角镜2.4与分段聚焦阶梯镜2.6所处的相对位置如图5所示，其中：θ₂对应晶状体处点光源成像时扫描直角镜2.4与分段聚焦阶梯镜2.6所处位置。图5中可看出，当扫描直角镜2.4与竖轴y-y’之间的夹角为θ₂时，分段聚焦阶梯镜2.6的第二阶梯厚度W₂(见图8)部分刚好处于光纤输出头3.1和聚焦透镜3.2之间，此时样品臂光路组件3的光纤输出头3.1形成的点光源通过分段聚焦阶梯镜2.6的W₂段、聚焦透镜3.2后在晶状体处形成汇聚的点光源像(成像原理图见图8)。

当样品臂3的光纤输出头3.1形成的点光源经分段聚焦阶梯镜2.6、聚焦透镜3.2后在眼底视网膜处汇聚成像时，本发明快速扫描延迟线组件(参考臂)2中快速扫描延迟线扫描直角镜2.4与分段聚焦阶梯镜2.6所处的相对位置如图6所示，其中：θ₃对应眼底视网膜处点光源成像时扫描直角镜2.4与分段聚焦阶梯镜2.6所处位置。图中可看出，当扫描直角镜2.4与竖轴y-y’之间的夹角为θ₃时，分段聚焦阶梯镜2.6的第三阶梯厚度W₃(见图9)部分刚好处于光纤输出头3.1和聚焦透镜3.2之间，此时样品臂光路组件3的光纤输出头3.1形成的点光源通过分段聚焦阶梯镜2.6的W₃段、聚焦透镜3.2后在眼底视网膜处形成汇聚的点光源像(成像原理图见图9)。

如图7至图9所示，其中：O为样品臂光路组件3的光纤输出头3.1所在位置；O’为O经分段聚焦阶梯镜2.6折射后形成的实际点光源位置；L₀为光线输出头3.1与聚焦透镜3.2之间的距离，即点光源的物距；W_i(例W₁、W₂、W₃)为对应不同聚焦位置的分段聚焦阶梯镜2.6厚度；L_i(例L₁、L₂、L₃)为经分段聚焦阶梯镜2.6折射后形成的新的点光源物距；

设定聚焦透镜3.2的焦距为f，点光源经聚焦透镜3.2形成的像距为h_i，

由透镜成像公式(1)可获得点光源在眼组织内成像的位置，即聚焦位置。

通过控制分段聚焦阶梯镜2.6的厚度，以及扫描延迟线扫描直角镜2.4的位置，即可控制测量光线在眼组织内角膜、晶状体即眼底视网膜处的同步聚焦，从而实现了在高速扫描过测量的同时提高了检测信号的信噪比。

如图10和图11所示，两图中的波峰具体为：第一波峰6.1对应的是获得的角膜前表面形成的干涉光信号；第二波峰6.2对应的是获得的角膜后表面形成的干涉光信号；第三波峰6.3对应的是获得的晶状体前表面形成的干涉光信号；第四波峰6.4对应的是获得的晶状体后表面形成的干涉光信号；第五波峰6.5对应的是获得的视网膜形成的干涉信号。

两图对比可看出采用本发明获得的干涉光信号幅度明显高于未采用分段聚焦获得的干涉光信号幅度，特别是在眼内晶状体和视网膜处优势明显，可有效改善眼轴长度测量信息的信噪比。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种用于眼组织生物测量的分段聚焦快速扫描测量系统，其特征在于：包括快速扫描延迟线组件和样品臂光路组件，所述快速扫描延迟线组件用于接收光传输系统分出的一路光并延迟后返回到光传输系统，该快速扫描延迟线组件包括光纤准直镜，用于产生光学延迟的旋转扫描直角镜，以及沿扫描直角镜出射光路上依次设置的柱状镜和反射镜，用于在被测眼组织内产生分段聚焦效果的分段聚焦阶梯镜；所述样品臂光路组件用于接收光传输系统分出的另一路经分段聚焦光路入射到眼组织并经眼组织反射返回到光传输系统，该样品臂光路组件包括光纤输出头，用于在眼组织内产生聚焦作用的聚焦透镜，用于光线偏转与分离的二色镜，用于在被测眼组织内产生分段聚焦效果的分段聚焦阶梯镜伸入光纤输出头和聚焦透镜之间。

2.根据权利要求1所述的用于眼组织生物测量的分段聚焦快速扫描测量系统，其特征在于：所述光传输系统包括有由沿弱相干光源的光轴依次设置的光环行器、光纤分束器、第一偏振控制器、第二偏振控制器以及用于接收反射干涉光信号的光电检测器。

3.根据权利要求2所述的用于眼组织生物测量的分段聚焦快速扫描测量系统，其特征在于：所述快速扫描延迟线组件用于接收光纤分束器分出的一路光并延迟后返回到光纤分束器；所述样品臂光路组件用于接收光纤分束器分出的另一路经分段聚焦光路入射到眼组织并经眼组织反射返回到光纤分数器。

4.根据权利要求1至3任一所述的用于眼组织生物测量的分段聚焦快速扫描测量系统，其特征在于：多路所述扫描直角镜和多路所述分段聚焦阶梯镜分别固定在扫描电机圆周上，其中所述扫描直角镜和分段聚焦阶梯镜位置一一对应。

5.根据权利要求4所述的用于眼组织生物测量的分段聚焦快速扫描测量系统，其特征在于：还包括控制系统和视频摄像头，所述控制系统包括用于光电信号转换及电机控制的采集控制卡及计算机；所述视频摄像头用于检测眼角膜的视频图像。

6.根据权利要求5所述的用于眼组织生物测量的分段聚焦快速扫描测量系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、弱相干光源发出的弱相干光入射到光环行器的端口a，经光环行器的端口b输出到光纤分束器的端口Ⅰ；光纤分束器将输入光分为两路给端口Ⅲ和端口Ⅳ，端口Ⅲ输出光束经第一偏振控制器传送给快速扫描延迟线组件的光纤准直镜，经准直的入射光投射到用于产生光学延迟的旋转扫描直角镜，扫描直角镜出射的光线经柱状镜和反射镜将光线原路反射回光纤准直镜，经第一偏振控制器返回到光纤分束器的端口Ⅲ并与样品臂返回的光线汇聚；

S2、另外一路由光纤分束器端口Ⅳ输出的光束经第二偏振控制器送至样品臂光路组件的光纤输出头，并沿出射光轴经过分段聚焦阶梯镜，在眼组织内产生聚焦作用的聚焦透镜，经光线偏转与分离的二色镜将测量光线投射到眼组织；

S3、眼组织不同深度层面对入射光形成反射和散射，一部反射光经原样品臂光路返回到达光纤分束器端口Ⅳ，并与快速扫描延迟线组件返回的光线汇聚；由于快速扫描延迟线组件中的扫描直角镜随扫描电机旋转产生光学延迟，当两路到达光纤分束器的被反射回来的光线的光程差相等时，就会产生一个与被测样品组织层面相对应的干涉亮条纹，该带有干涉信息的光线经光纤分束器端口Ⅱ后，连同经光环行器端口c返回的光线一同被光电检测器接受，形成电信号；

S4、经采集控制卡及计算机组成的控制系统采样和处理后得到被测组织内部不同反射层面的位置信息，即眼轴长度方向的组织位置信息。

Images