CN118076283A - 一种术后视觉模拟方法和实现该方法的系统 - Google Patents
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Abstract
一种适用于白内障和/或屈光性晶状体置换手术前的近眼眼科模拟装置，包括用于检测瞳孔(13)位置的瞳孔跟踪装置(37)、计算机生成的全息显示器(21)，其可以形成至少一个出射瞳孔(14)，其中，至少一个出射瞳孔(14)中的每一个都相对于该瞳孔(13)的位置独立地调节大小和定位；其中，至少一个出射瞳孔(14)中的每一个被配置成在观看者的视网膜(11)上创建投影图案并携带被配置成模拟术后视觉的视觉信息，其中，至少一个视觉参数在该模拟器内可选择性地配置。
Description
技术领域
在此呈现的本发明总体上涉及确定将用于手术晶状体更换的正确的眼内晶状体类型的方法。所公开的发明更具体地涉及用于评估用于白内障和屈光性晶状体置换(RLE)手术候选者的主观术后视觉和定制眼内晶状体(IOL)的实现的方法和系统。
背景技术
白内障是一种眼科疾病，其中在眼睛的晶状体上形成的混浊区域，导致视力模糊。白内障是世界上可预防性失明最常见的原因，并且导致5000万人丧失视力。目前，缺乏主要预防或药物治疗选择，使得手术摘除和更换眼睛晶状体成为唯一的治疗选择。每年执行超过1亿例白内障手术(世界上最常见的手术)，大部分在发达国家。此外，还有一些人希望接受屈光性晶状体置换(RLE)手术，以便改善他们的视力并消除对眼镜的需求，即使他们没有患有白内障，其中，患者通常年龄在40岁和60岁之间。
近十年里，白内障手术有了显著的发展，其中多种眼内晶状体(IOL)可被选择用于白内障手术。由于各种各样的IOL能在市场上获得，为合适的患者匹配适合他们的合适类型的IOL更加困难。该技术问题本身依赖于需要解决的问题，诸如如果患者选择IOL其视力可能改善的程度，他们是否将停止使用眼镜，以及他们是否将经历副作用(诸如光晕、光源周围的眩光和视力障碍)。因此，强烈需要一种视觉模拟器，其将帮助患者在白内障手术前直观了解不同IOL选择的术后性能。
在现有技术中，存在若干种用于诊断白内障和术前评价的成像装置，诸如光学相干断层扫描(OCT)、自适应光学成像系统(像差测量)、白内障密度计、角膜地形图。然而，由于较大的散射，这些选择无法通过致密的超成熟白内障晶状体工作。此外，这些成像方式都不能够预测潜在的视力以及哪种IOL类型最适合给定的特定患者。对于白内障患者，潜在视力计(PAM)测量一旦眼睛的眼介质不再浑浊时患者很可能实现的视力(VA)。这种装置的目的是检测将不从白内障手术中获益的患者；例如，有黄斑问题或神经问题的那些患者。为了将由于浑浊造成的视力丧失与由于其他原因造成的视力丧失区分开来，用于PAM装置的方法利用了浑浊通常不是均匀的并且在原本浑浊的晶状体中通常存在一些较小、相对清晰的区域的这一事实。这些清晰的区域用于使用窄光束将目标(数字、字母或条纹)投射到视网膜上。该方法需要用户的大力配合，才能将小光束与患者瞳孔的期望部分对准。
针孔封堵器是不透明的圆盘，其具有穿过其的一个或多个小孔，由眼科医生用于测试视力。封堵器是一种使光聚焦的简单方式，就像针孔照相机中一样。这可以用来区分由屈光不正引起的视力缺陷(在使用封堵器时，其得到改善)与其他问题(在使用封堵器时，不得到改善)。此外，由于较小的针孔，导致光线不足，针孔尺寸不可调节，不可转向(无眼球跟踪器)，视场(FOV)狭窄，因为针孔玻璃在角膜前方对应于大约4度的圆形视野的10mm至12mm处。因此，针孔封堵器对白内障患者不是很有效。
因此，该装置仅限于评估视网膜的问题，诸如年龄相关的黄斑变性，而且需要患者与医生的大力配合，测试往往非常耗时。目前还没有模拟器用于在手术前模拟和评估三焦点IOL的性能。
由Vinas等人最近进行的题为“Visual simulators replicate vision withmultifocal lenses”的研究，使用模体眼(即，人工眼)比较了真实的IOL、基于空间光调制器的自适应光学模拟器和基于光可调节谐晶状体的自适应模拟器的性能。这样的自适应光学模拟器作为研究装置非常有用，并且可以有效地使用人工眼复制多焦点IOL的性能。然而，这样的模拟器并不适合于患者的主观评价。
白内障手术只能进行一次，是不可逆的，而且风险高，因为它影响最重要的感官，视力。对医生和患者两者来说，选择合适的IOL都很困难。因此，存在对开发诊断装置的客观需求，该诊断装置在白内障手术前使用，以帮助匹配合适的患者与合适的IOL，并且减轻患者和医生两者的焦虑。
发明目的
本公开的发明的主要目的是呈现一种在用于白内障和其他视神经疾病的晶状体置换手术之前的体内术后视觉模拟的方法。
本公开的发明的另一个目的是呈现一种借助计算全息显示器和瞳孔跟踪器的术后视觉模拟的方法。
本公开的发明的另一个目的是呈现一种术后视觉模拟的方法，由此包括IOL选择模块，以在IOL选择和对应的视觉表现方面指导白内障患者，这将带来更好的期望管理，并将决策时间缩短超过50％。
发明内容
本发明公开了一种使用CGH显示技术解决上述问题的新型方法，其使得能够使光束成形并引导光束穿过患者的白内障晶状体的相对清晰的区域，该患者是晶状体置换手术的候选者。可编程出射瞳孔和全息瞳孔形成帮助患者甚至通过白内障晶状体看到清晰的图像。可编程出射瞳孔和全息瞳孔形成可以形成单个或多个瞳孔，这有助于同时产生不同焦深的图像，而不会在辐辏和调节(VAC)之间产生冲突。
本公开的发明中的眼框转向方法允许对瞳孔的闭塞部分进行扫描，并检测以及引导光束通过晶状体上的非白内障区域。全息显示器的可调节深度允许测试调节反应，并且虚拟图像可以在期望的深度处更换，以矫正屈光不正。
所公开的发明结合了瞳孔跟踪器以及使用患者的诊断数据的自动算法调节，缩短了测量时间，并且使该技术更易于供患者使用。一旦借助于瞳孔跟踪器相机和瞳孔间距离调节使装置对准并校准了位置，瞳孔上的多个小区域就会被动态处理，通过其将虚拟图像发送到视网膜，就能获得高效地利用晶状体的非白内障部分的独特能力。
全息光束还可以结合相位误差以及光学组中的散射的矫正，迭代算法可以用于通过改变空间光调制器上显示的全息图来改善视网膜图像。可以计算介质的散射模型的倒数以及像差的倒数，并将其结合在CGH计算中。
附图说明
给出附图的唯一目的是举例说明使用CGH的体内术后视觉模拟的方法和系统，其相对于现有技术的优点已在上文概述，并且将在下文中作简要解释。
这些图并不是旨在界定权利要求中所识别的保护范围，也不应当在不借助于本发明的说明中公开的技术公开内容的情况下，单独参考这些图来解释权利要求中所识别的范围。
图1示出了头戴式CGH显示模块，其可以显示不同深度处的虚拟图像。
图2示出了至少一个、优选地两个的出射瞳孔，其被配置成对应于白内障晶状体的相对清晰的区域。
图3示出了对应于单焦晶状体、天然晶状体或IOL的近视觉、中视觉、远视觉的全息形成的虚拟物体。
图4示出了对应于三焦晶状体IOL的近视觉、中视觉、远视觉而叠加的全息形成的虚拟物体。
图5示出了基于视力测试模式生成近、中、远的全息虚拟图像的情况。
图6示出了在与使用具有计算机生成的全息(CGH)显示架构的多个出射瞳孔的眼睛相距不同的距离处形成的虚拟图像。
图7示出了全息显示器和瞳孔跟踪器架构。
图8示出了根据本公开的发明的实施方式的台式装置。
图9展示了由本公开的发明所阐述的术后视觉模拟方法的框图。
具体实施方式
10)眼睛
11)视网膜
12)角膜
13)瞳孔
14)出射瞳孔a.第一出射瞳孔b.第二出射瞳孔c.第三出射瞳孔
15)出射瞳孔平面
16)出射瞳孔光束
17)衍射阶
18)头戴式装置
19)计算单元
20)虚拟图像
21)计算机生成的全息显示22)瞳孔跟踪相机a.可见光瞳孔跟踪器相机b.近红外瞳孔跟踪器相机23)近处物体
24)中间物体
25)远处物体
26)聚焦图像
27)散焦图像
28)三焦点IOL
29)真实眼睛
30)人工眼
31)散射光线
32)视觉伪影
a.光晕
b.眩光
33)单焦晶状体
34)NIR LED
35)相位调制波形
36)分束器
37)瞳孔跟踪器单元
38)点光源
39)空间光调制器(SLM)
40)光学部件
41)台式模拟器装置
42)头架
43)机械调节
44)透视全息图
本发明公开了一种用于白内障或屈光性晶状体置换(RLE)手术的候选者的术后视觉模拟器。作为本公开的一部分，所提出的仪器是集成有实时瞳孔跟踪器的全息显示器，并通过患者的瞳孔传输全息图像。该仪器结合了可编程衍射光学部件，以数字地控制进入患者瞳孔的光束的尺寸和位置。
本发明还公开了一种新型方法，其使用CGH显示技术解决上述问题。所公开的发明使得能够对光束进行成形并将其引导通过白内障晶状体的相对清晰的区域。可编程出射瞳孔和全息瞳孔形成帮助患者甚至通过白内障晶状体看到清晰的图像。人可以形成单个或多个瞳孔，这有助于使用多出射瞳孔原理产生不同焦深的图像。
图1展示了头戴式装置(18)，根据本公开发明的至少一种实施方式，该头戴式装置包括CGH显示器(21)模块。根据多个实施方式，该CGH显示器(21)模块被配置成向佩戴其的用户显示相关的预定图像集。这样的一组图像可以包括Snellen图表图像，而另一组图像可以包括LogMAR图表图像。根据不同的实施方案，该图像可以包括代表不同焦距的图像，即近处、中间和远处的物体的图像(23、24、25)。
图2展示了配置，其中至少有一个出射瞳孔光束(16)是基于确定白内障晶状体高密度部分和低密度部分的患者的眼动记录数据的算法生成的。本公开发明利用该出射瞳孔光束(16)来创建不同焦深的图像。在本公开发明的不同实施方式中，该出射瞳孔可以对应于至少第0、1和2衍射阶(17、17a、17b、17c)，从而可以全息实现多焦晶状体上的不同阶数。这样的一种情况可以是三焦点晶状体(28)，适用于通过手术更换白内障晶状体。在其他实施方式中，形成多个出射瞳孔(14)，诸如两个和三个出射瞳孔。这使得本公开发明就能利用CGH通过白内障晶状体上多个不同的、非相同的但成熟度相对较低的区域形成出射瞳孔。
图3展示了使用单焦晶状体针对不同焦深(即近视觉、中视觉和远视觉)生成的图像，设计单焦晶状体以具有作为近处物体(23)的聚焦图像(26)，以及作为散焦图像(27)的其他物体。因此，本公开发明至少能够模拟单焦晶状体(33)的条件，单焦晶状体类似于人们默认的正常有机晶状体的一般特性。这样的焦深(只要它们的差异是真实世界中空间定位的结果)可以全息生成，使得它们至少指向一个近处物体(23)、一个中间物体(24)和一个远处物体(25)。
图4展示了针对不同焦深生成的图像，即近视觉、中视觉和远视觉叠加在一起的图像，所有图像都是聚焦图像(26)。图中示出了位于远处的明亮光源。对应的视网膜图像可以具有环状的彩色伪影，即，围绕明亮光源图像的光晕(32.a)视觉伪影。此外，衍射多焦点或三焦点IOL(28)或白内障晶状体会产生不同程度的散射光和背景眩光(32.b)。
图5展示了在不同深度以透视全息图(44)的形式生成虚拟图像，这是基于关于视力测试的CGH使用该图像生成的一个实施方式。在若干实施方式中，这样的视力测试可以利用LogMAR图表或Snellen图表。不同的深度图像被配置成对应于LogMAR图表或Snellen图表的上部、中部和下部。
图6示出了使用CGH显示器(21)结构在距离眼睛不同距离处形成的虚拟图像。在图示中，有3个出射瞳孔(14.a、14.b、14.c)形成在瞳孔(13)上。每个出射瞳孔(14)都可以携带对应与场景的相同或不同透视图相对应的视觉信息，即，透视全息图(44)。每个透视全息图(44)可以是2D(平面)或3D(立体)。当不同的视图通过不同的出射光瞳(14)中继到视网膜时，组合图像将是多焦点图像，即，不同深度的虚拟图像(20)将显示为聚焦图像(26)。不同的透视图像可以在视网膜上形成非重叠或重叠图像，并出现在由CGH确定的预定聚焦距离处。这与三焦点眼内晶状体的操作类似，三焦点眼内晶状体同时具有三个不同的焦点距离。尽管多焦点眼内晶状体无法调节，但不同距离处(诸如近处、中间和远处)的物体都可以根据一定的散焦曲线携带不同的光束能量，同时出现聚焦。其他暂时的距离会显得模糊。在CGH显示器上，可以通过算法选择性地调节哪些距离出现焦点，哪些距离出现失焦或模糊。
图7示出了CGH显示器(21)装置和瞳孔跟踪装置(37)壳体，其中包括可见光相机(22a)和近红外相机(NIR)(22b)。NIR相机可以检测瞳孔(13)的位置，确定其尺寸，并将其与诸如Scheimpflug白内障密度计的其他数据对准。可见光相机(22a)可以利用瞳孔外区域(13)的角膜反射或purkinje反射来检测第0衍射阶和其他衍射阶(17)。这些反射可用于将CGH产生的光束对准观察者的瞳孔。光学装置还可以包括额外的分光镜以使外部世界变得清晰可见，从而可以同时看到虚拟物体和真实物体。CGH显示架构可以采用多种不同的光学架构。它可以是傅立叶全息图配置，SLM(39)可以有准直、会聚或发散光束照明。在另一种实施方式中，CGH显示器(21)可以使用增强现实或虚拟现实眼镜架构中使用的光学中继晶状体，诸如波导、自由曲面镜和晶状体。
图8示出了眼科台式模拟器装置(41)壳体、CGH显示器(21)装置、瞳孔跟踪装置(37)、用于将用户或患者的左右眼瞳孔(13)与台式模拟器装置(41)的出射瞳孔平面(15)对准的机械调节装置。用户的头部可以相对于装置固定不动。
图9展示了由本公开的发明所阐述的术后视觉模拟方法的框图。该方法包括以下步骤：多焦距评估，通过具有可调节的近视觉、中视觉和远视觉散焦曲线的多深度、三维全息图像对人员进行评估；视力和视网膜评估，通过视力表、散光和其他像差矫正以及中央窝视觉对人员进行评估；对比敏感度评估，通过视力表和具有可调节的光和对比度的图像对人员进行评估；副作用评估，通过一组人工生成的图像对人员进行评估，这些图像具有以不同等级的严重程度叠加在其上的衍射和/或多焦点表面伪影，诸如光晕和眩光；以及多焦距评估，通过具有可调节的近视觉、中视觉和远视觉散焦曲线的多深度、三维全息图像对人员进行评估。
在另一种配置中，装置可以是双眼的，并向观看者呈现全息立体图，以刺激3D视觉。
在另一实施方式中，通过不同的出射瞳孔(14、14a、14b、14c)发送的不同视图可以是不同的颜色(或波长)。以不同颜色进行的多路传输的主要好处是降低SLM的帧频要求(29)。这种方案还能避免视网膜(11)处出射瞳孔(14、14a、14b、14c)之间的干扰。这样的干扰可能会在观察到的图像中造成不希望看到的边缘伪影和类似噪音的外观，并可能降低分辨率。可以针对每个出射瞳孔光束(16)添加不同的相位，以减少和消除这样的干扰和斑点伪影。
时间多路传输不同视图的主要好处是减少出射瞳孔(14、14a、14b、14c)之间可能出现的相干伪影，诸如干扰和斑点。在另一实施方式中，出射瞳孔光束(16)可以按时间顺序形成。如果刷新频率不高于眼睛能检测到的频率(10)，则这种时间多路传输方案也可以在中央窝上创建静止图像，而在视网膜(11)的不同部分形成的其他光束可以看起来是闪烁的。当人的视线移向其他方向的内容时，这些内容就会变成静态，而位于不同深度的内容则会出现闪烁。
本公开发明采用了瞳孔跟踪装置(37)，它将利用可见光相机(22a)、近红外相机(22b)和/或白内障密度测量数据自动找到白内障晶状体相对清晰的区域。本公开发明无需患者配合，CGH显示器(21)形成的出射瞳孔(14、14a、14b、14c)的位置和尺寸可编程，提供宽视场，受散射的影响更小。
本发明还解决了现有模拟器无法对患者进行多焦点眼内晶状体评估的问题；因为这些模拟器只能使用人工眼模拟多焦点眼内晶状体的设计(30)。本公开发明采用了多种可编程针孔生成技术，通过适当的聚焦线索，同时渲染多个深度的内容。中度白内障和屈光性晶状体置换(RLE)候选者有望从公开的模拟器中获益匪浅，尽管严重的过早致密白内障会因严重散光而导致成功率有限。
本发明中使用的算法可以用一只带有眼内晶状体(诸如人工白内障晶状体、单焦点眼内晶状体、多焦点或三焦点眼内晶状体(28))的眼球模型或人工眼(30)进行训练。在这样的测试中，可以调节所显示的Snellen图表或其他视力测试模式的对比度。同样，可以使用算法在显示的图案中添加光晕图案(32a)和其他衍射视觉伪影(32)，这些伪影与多焦点和三焦点眼内晶状体(28)形成的伪影类似，还可以添加不同等级的眩光。本公开发明的另一个可调节功能是沿轴线的能量分布。这可以显示与不同多焦点设计相匹配的散焦曲线，也可以创建新的定制晶状体设计。使用人工眼(30)对算法进行训练可提高本公开发明的术后视觉性能预测。
本发明包含计算装置(19)，在该计算装置中，CGH模式可以由验光师在测试期间有选择地进行调节。可选择性地配置的视觉参数可以从一组参数中选择，这些参数包括：视力、诸如光晕和眩光的副作用、对比度、离焦曲线或深度知觉。
RLE患者没有白内障，但希望摘掉眼镜。CGH显示器是唯一一种可以呈现真正3D效果的技术，它具有所有的深度和焦点线索。因此，公开的模拟器将充分利用健康眼睛的全息技术，并呈现具有三焦点、EDOF，或其他功能的信息以及相关联的散焦曲线。公开的模拟器可以对RLE手术市场产生颠覆性的影响，因为它可以减少喜欢无眼镜生活方式的患者的焦虑。
患者术后不满意的最主要原因是眼内晶状体的副作用，而目前市场上还没有可以模拟眼内晶状体副作用的模拟器。该公开模拟器将包含对比敏感度、围绕光源形成的光晕和眩光伪影以及视力障碍(不想要的图像)等软件模块，这些主要是由于多焦点眼内晶状体表面轮廓的衍射效应和边缘效应造成的。用于模拟副作用的CGH计算算法可以通过使用人工眼(30)模型的机器学习算法进行训练。
本公开发明具有利用计算机全息技术表现各种光学异常/失调的新型功能。CGH使用SLM(39)调制入射光的振幅和相位，可以重建眼睛所需的所有视觉信息和线索。任何晶状体效应都可以通过在SLM(39)上复制其全息图/干涉图案而逼真地显现。眼睛的大多数光学失调/缺陷，包括折射、衍射和几何误差，都可以自然地模拟出来。
本公开发明提出了一种头戴式装置(18)形式的视觉模拟器。头戴式装置(18)的单眼模块结构包括点光源(38)、纯相位空间光调制器(SLM)(39)、光学部件(40)、出射瞳孔平面(15)和瞳孔跟踪相机(22a、22b)以及计算装置(19)。本公开发明中的模拟器利用部分相干点光源照射空间光调制器(SLM)(39)。由点光源(38)产生的空间相干发散光束在照射SLM(39)之前先用晶状体准直。光线经由SLM(39)调制，在出射瞳孔平面(15)产生相位调制光束(35)和至少一个出射瞳孔光束(16)，出射瞳孔平面与用户的瞳孔(13)基本重叠。传播的光线从分光镜(36)反射后就会到达眼睛(瞳孔平面)。这种光学结构可提供来自虚拟物体的正确光线角度，这些虚拟物体被编码在仅相位的全息图中。经由分光镜(36)反射的调制波传播并进入瞳孔，形成虚拟物体的视网膜图像。
本公开发明提出了一种更准确的术后视觉准确度(VA)预测方法。本发明采用了瞳孔跟踪器，它将利用白内障密度测量数据自动找到白内障晶状体相对清晰的区域。本公开发明不需要患者配合，CGH显示器(21)形成的出射瞳孔(14)的位置和尺寸将是可编程的，并提供了宽阔的视野，受散射的影响也小得多。
本发明还可在白内障手术前对多焦点眼内晶状体进行高度精确的评估。现有技术中的解决方案不具备对患者进行多焦点眼内晶状体评估的能力，它们只能使用人工眼(30)模拟多焦点眼内晶状体的设计。本公开发明采用了多种可编程针孔生成技术，通过适当的聚焦线索，同时渲染多个深度的内容。与普通显示器中的不连贯光束相比，CGH显示器中的连贯光束即使在超早期致密白内障病例中也能减少严重的散射伪影。本发明可以在全息图计算中使用额外的相位校正项来减少散射的影响。
本公开发明还可以模拟白内障手术可能产生的副作用。白内障手术后患者感到不愉快的一个主要原因是眼内晶状体的副作用。在现有技术中，还没有一种模拟器可以准确地模拟这种晶状体的潜在副作用。公开的模拟器包括用于对比敏感度、光晕和眩光(围绕光源)以及视力障碍(不想要的图像)的软件模块，这些主要是由于多焦晶状体表面轮廓的衍射效应和边缘效应造成的。
以更详细地方式，本公开发明利用了眼眶转向技术。出射瞳孔或眼框转向是全息近眼显示架构常用的一种技术，用于克服视场和眼框尺寸之间的基本权衡。因此，有一些技术可以通过使用动态镜面改变焦点或使用全息光学部件创建多个焦点来扩大眼框。已知的聚焦转向方法需要机械运动或多个焦点的固定位置。另一方面，CGH算法允许本公开发明通过计算将各种光学部件的波形特性嵌入到客观波计算中，从而产生各种光学部件对显示系统的影响。因此，CGH仍然是唯一能对出射瞳孔(眼框)尺寸、位置和形状进行完全计算控制的技术。
可以使用Fresnel空间传播计算全复全息图，并使用迭代傅里叶变换算法获得纯相位全息图。本公开发明提出的光学配置如图7所示，在该图中，生成全息图的出射瞳孔应位于第0衍射阶和第1衍射阶之间。通过求解光栅方程，可以确定每种颜色的第0阶位置到2D出射瞳孔的水平距离和竖直距离：
其中dx＝dy＝5.25mm是像素间距，mx和my是水平和竖直轴线上的衍射阶，λ是波长，f是晶状体的焦距长度。为了将全息图光束中心置于第0衍射阶和第1衍射阶之间，mx和my可以在0和1之间任意选择。对于本公开发明的显示系统，f约为50mm，我们的纯相位空间光调制器(SLM)的像素间距为4.5μm。当mx＝my＝1时，dx＝dy＝5.25mm的最大值。在使用迭代傅里叶变换算法进行相位全息图计算时，约有5％的区域分配给了相位噪声，因此，可用于放置眼框的区域约为5mm乘5mm。
为了在第1象限第0衍射阶与第1衍射阶之间的正方形区域内的任意位置转向眼框，本公开发明的一种实施方式在x轴线和y轴线上增加了线性光栅相位项，其周期与mx和my成比例。对于水平轴线和竖直轴线以及每种颜色，必须计算出不同的m值。根据实施方式，对于蓝光波长(473nm)，出射瞳孔位置对应于mx＝my＝0.5。上述区域被划分为5乘5的子区域，形成25个不同的出射瞳孔，每个出射瞳孔(14)都携带完全相同的场景信息。每个眼框之间的距离为0.2mm。虽然可以同时激活多个出射瞳孔(14)位置，但在临床试验期间，每次只能激活其中一个出射瞳孔，并依次移动到25个出射瞳孔(14)位置中的每个位置，以便利用患者白内障瞳孔的健康部分。
请注意，当同时激活多个出射瞳孔(14)时，可以将包含不同场景视差的不同全息图嵌入每个出射瞳孔(14)。虽然这样的方法可以改善深度感知，但它并不简单，因为还必须控制不同出射瞳孔光束(16)之间的相干干扰，以免在视网膜上产生图像伪影。
白内障患者普遍存在屈光问题，这增加了对白内障晶状体上的清晰斑点进行轮廓分析的困难。必须消除晶状体形状造成的一阶像差的影响，因为这些问题会妨碍本公开发明的仪器为患者提供清晰的虚拟图像。屈光不正之中最常见的像差是远视(远视眼)和近视(近视眼)。
远视和近视都会导致视网膜上的物像不聚焦。与远视相反，近视是指远处物体的图像在视网膜前聚焦。这些屈光不正可以通过各种度数的眼镜或隐形眼镜来矫正。近视(近视眼)的矫正方法是将凹晶状体放在近视眼的前方，将图像移回视网膜，使图像更加清晰。另一方面，远视(远视眼)是通过凸晶状体来矫正的，将凸晶状体放置在远视眼的前方，将图像向前移动并正确聚焦在视网膜上。换言之，环境的焦点平面会根据患者屈光问题的屈光度值进行调节。
屈光不正在眼镜处方中以特定符号表示，例如+2.00+1.50×180。第一位数字代表球镜矫正度数，以屈光度为单位。第一位数字前面的正号表示远视，负号表示近视。第二位数字代表以屈光度为单位的柱镜矫正，这表示散光所需的晶状体光焦度。最后一位数字表示散光的方向。90相当于眼睛的竖直经线，而180则相当于水平经线。
本公开发明中的用于远视和近视的消除程序可以被描述为规定眼镜效果的图形复制。人眼的近点定义为25cm，是健康眼睛可以容纳或成像到视网膜上的最短物体距离。正如虚拟场景创建中所描述的，最近的深度平面在理想情况下为25cm，而数字版的Snellen图表位于最远的深度平面，即4m处。根据折射问题，这些虚拟深度平面将在本公开发明的CGH计算的平面离散化过程中进行调节。对从渲染软件中获取的深度值进行调节，以在这些平面上复制患者的规定眼镜效果。
本公开发明利用了计算机生成全息图(CGH)。CGH是一种相位模式，它为创建完全由计算机控制的波光显示系统提供了可能性。本公开发明中的CGH计算包括四个主要步骤：内容生成、焦点平面离散化、对象波计算和3D图像重建。生成所需的虚拟内容，将渲染的透视帧离散化为多个焦点平面的深度图值。一旦定义了系统的光学特性，下一步将计算场景平面相对于Fresnel空间传播的物体波。计算出的复值物波代表3D场景。CGH系统通常使用三种方法进行编码：调制参考波振幅的振幅全息图、调制其相位的相位全息图以及同时调制振幅和相位的复值全息图。为了在纯相位SLM上显示计算出的全息图，本公开发明对复值全息图帧进行了相位映射。作为最后一步，一旦获得编码的CGH以再现场景的3D图像，就可以在下文说明的光束成形装置上显示。
在另一实施方式中，相位CGH模式是使用机器学习算法和使用相机在环训练算法进行训练的算法计算的。
在本公开发明的一个实施方式中，提供了一种作为视觉模拟器的头戴式装置(18)。如图1所示，头戴式装置(18)因其简单的光学结构而外形小巧。头戴式装置(18)的单眼模块结构包括点光源(38)、纯相位SLM(39)、光学部件(40)、出射瞳孔平面和瞳孔跟踪相机(22)以及计算装置(42)。模拟器使用点光源(38)照射SLM(39)。由点光源产生的空间相干发散光束在照射SLM(39)之前先用晶状体准直。光线经由SLM调制(39)。传播的光线从分光镜(36)反射后就会到达眼睛(瞳孔平面15)。这种光学结构可提供来自虚拟物体的正确光线角度，这些虚拟物体被编码在CGH帧中。经由分光镜反射的调制波传播并进入瞳孔，形成虚拟物体的视网膜图像。
点光源(38)可以是红色、绿色和蓝色激光器或RGB LED。虽然LED的空间相干性有限，但它们仍能在虚拟图像中产生深度效果和聚焦模糊效果。对于本公开发明中的激光装置，点光源的工作波长可选为473nm(蓝光)、532nm(绿光)和632nm(红光)。前面表示的光栅方程与波长有关。对于不同的波长，瞳孔转向所需的m值也不同。可以根据蓝光波长校准设置，因为它是可见光谱中最小的波长，并定义了出射瞳孔平面中最大的可转向区域。对于蓝光波长，所需的衍射阶介于m＝0和m＝1衍射阶之间。绿光和红光的相应衍射阶也会相应调节，例如，如果蓝光所需衍射阶为m＝0.5衍射阶，则绿光的衍射阶为m＝～0.4，红光的衍射阶为m＝～0.3。每种颜色全息图的光栅图案周期都会相应调节，以保持波长与光栅周期之比不变。
瞳孔跟踪相机放置在分光镜前面，以便将患者瞳孔与全息头戴式装置(18)的出射瞳孔(14)对准。瞳孔跟踪装置(37)包含两个独立的相机装置：可见光范围相机(22a)、红外范围相机(22b)和IR LED(34)。波长为850nm的IR LED(34)照亮瞳孔，而瞳孔跟踪算法则根据IR相机(22b)捕捉到的图像确定瞳孔(13)的位置和中心。如果IR LED和相机与眼睛的光学轴线对准，相机图像上就会出现明亮的瞳孔反光；如果IR LED偏离轴线，相机图像上就会出现黑暗的瞳孔。可见光范围相机(22a)跟踪瞳孔平面上形成的衍射阶(17)。根据第0衍射阶和第1衍射阶(17)的位置估算出射瞳孔位置。
本公开发明可利用渲染程序生成的三维场景。这样的虚拟场景由两个深度平面构成，这两个平面提供透视和深度映射数据，作为原始渲染帧提供给CGH算法。为符合真实的眼科检查场景，远平面内容使用图形构建的Snellen图表，而近平面仅包含Snellen图表的周边框。这样，患者就能体验到真实眼科检查场景的错觉。根据这样的实施方式，远平面和近平面分别在400cm和25cm处形成。
本公开发明提出了一种适用于白内障和/或屈光性晶状体交换手术之前使用的近眼眼科模拟装置。
根据本公开发明的一个方面，近眼眼科模拟装置包括瞳孔跟踪装置(37)，其用于检测瞳孔(13)的位置。
根据本公开发明的一个方面，该近眼眼科模拟装置包括计算机生成的全息显示器(21)，其可以形成至少一个出射瞳孔(14)，其中，至少一个出射瞳孔(14)中的每一个都相对于瞳孔(13)的位置独立地调节大小和定位，其中，至少一个出射瞳孔(14)中的每一个被配置成在观看者的视网膜(11)上创建投影图案并携带被配置成模拟术后视觉的视觉信息，其中，至少一个视觉参数在该模拟器内可选择性地配置。
根据本公开发明的一个方面，至少一个可选择性地配置的视觉参数可以从一组中选择，该组包括以下各项：视力、诸如光晕和(32a)眩光(32b)的副作用、对比度、离焦曲线或深度知觉。
根据本公开发明的一个方面，通过每个出射瞳孔(14)的出射瞳孔光束(16)携带与至少一个透视全息图(44)相对应视觉信息。
根据本公开发明的一个方面，至少一个透视全息图(44)被配置成二维或三维。
根据本公开发明的一个方面，通过每个出射瞳孔光束(16)的光束使用不同的颜色或波长中继，从而避免透视全息图(44)之间的干扰。
根据本公开发明的一个方面，装置被配置使得不同的透视全息图(44)在视网膜(11)上创建不同的图像，并出现在预定的聚焦距离处。
根据本公开发明的一个方面，装置被配置使得可以使用CGH显示器(21)和至少一个出射瞳孔(14)中的至少两个同时渲染具有多个深度处的物体的全息图。
根据本公开发明的一个方面，装置被配置成对于包括散光的屈光不正使用CGH算法矫正。
根据本公开发明的一个方面，装置被配置成对于角膜像差使用CGH算法矫正。
根据本公开发明的一个方面，装置被配置成将至少一个出射瞳孔与白内障晶状体的相对清晰区域对准，这些区域是使用白内障密度计或瞳孔跟踪装置(37)或其他测量装置确定的。
根据本公开发明的一个方面，该装置被配置成使得来自至少一个出射瞳孔(14)的出射瞳孔光束(16)不会与另一个出射瞳孔(14)的光束发生干涉，从而避免了相干干涉。
根据本公开发明的一个方面，装置被配置成使得至少一个出射瞳孔(14)的尺寸小于2.0mm，优选地为1.2mm。
根据本公开发明的一个方面，装置被配置成使得以时间顺序的方式显示该至少一个出射瞳孔(14)。
根据本公开发明的一个方面，眼科模拟装置是被配置成显示用以模拟三维视觉的全息立体图的双眼装置。
Claims (15)
1.一种适用于白内障和/或屈光性晶状体交换手术之前使用的近眼眼科模拟装置，包括：
瞳孔跟踪装置(37)，用于检测瞳孔(13)的位置，
计算机生成的全息显示器(21)，能够形成至少一个出射瞳孔(14)，其中，所述至少一个出射瞳孔(14)中的每一个都相对于所述瞳孔(13)的位置独立地调节大小和定位；
其中，所述至少一个出射瞳孔(14)中的每一个被配置成在观看者的视网膜(11)上创建投影图案并携带被配置成模拟术后视觉的视觉信息，其中，至少一个视觉参数在模拟器内能选择性地配置。
2.根据权利要求1所述的近眼眼科模拟装置，其特征在于，至少一个能选择性地配置的视觉参数从一组中选择，所述组包括以下各项：视力、诸如光晕(32a)和眩光(32b)的副作用、对比度、离焦曲线或深度知觉。
3.根据权利要求1所述的近眼眼科模拟装置，其特征在于，通过每个出射瞳孔(14)的出射瞳孔光束(16)携带与至少一个透视全息图(44)相对应的视觉信息。
4.根据权利要求2所述的近眼眼科模拟装置，其特征在于，所述至少一个透视全息图(44)被配置成二维或三维。
5.根据权利要求2所述的近眼眼科模拟装置，其特征在于，通过每个所述出射瞳孔光束(16)的光束使用不同的颜色或波长中继，从而避免透视全息图(44)之间的干扰。
6.根据前述权利要求中任一项所述的近眼眼科模拟装置，其特征在于，装置被配置使得不同的透视全息图(44)在所述视网膜(11)上创建形成不同的图像，并出现在预定的聚焦距离处。
7.根据前述权利要求中任一项所述的近眼眼科模拟装置，其特征在于，装置被配置使得能够使用CGH显示器(21)和至少两个所述至少一个出射瞳孔(14)同时渲染具有多个深度处的物体的全息图。
8.根据前述权利要求中任一项所述的近眼眼科模拟装置，其特征在于，装置被配置成对于包括散光的屈光不正使用CGH算法矫正。
9.根据前述权利要求中任一项所述的近眼眼科模拟装置，其特征在于，装置被配置成对于角膜像差使用CGH算法矫正。
10.根据前述权利要求中任一项所述的近眼眼科模拟装置，其特征在于，装置被配置成将所述至少一个出射瞳孔与白内障晶状体的相对清晰区域对准，所述相对清晰区域是使用白内障密度计或瞳孔跟踪装置(37)或其他测量装置确定的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的近眼眼科模拟装置，其特征在于，装置被配置成使得来自所述至少一个出射瞳孔(14)的出射瞳孔光束(16)不会与另一个出射瞳孔(14)的光束发生干涉，从而避免了相干干涉。
12.根据前述权利要求中任一项所述的近眼眼科模拟装置，其特征在于，装置被配置成使得所述至少一个出射瞳孔(14)的尺寸小于2.0mm，优选地为1.2mm。
13.根据前述权利要求中任一项所述的近眼眼科模拟装置，其特征在于，装置被配置成使得以时间顺序的方式显示所述至少一个出射瞳孔(14)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的近眼眼科模拟装置，其特征在于，眼科模拟装置是被配置成显示用以模拟三维视觉的全息立体图的双眼装置。
15.一种计算机生成全息的方法，适用于模拟白内障和/或屈光性晶状体置换手术的候选者的术后结果，包括以下步骤；
多焦距评估，通过具有对近视觉、中视觉和远视觉能调节的散焦曲线的多深度、三维全息图像对人员进行所述多焦距评估，
视力和视网膜评估，通过视力表、散光和其他像差矫正以及中央窝视觉对人员进行所述视力和视网膜评估，
对比敏感度评估，通过视力表和具有能调节的光和对比度的图像的评估对人员进行所述对比敏感度评估，
副作用评估，通过一组人工生成的图像对人员进行所述副作用评估，所述图像具有以不同等级的严重程度叠加的衍射和/或多焦点表面伪影，诸如光晕和眩光，以及，
多焦距评估，通过具有能调节的近视觉、中视觉和远视觉散焦曲线的多深度、三维全息图像对人员进行所述多焦距评估。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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