CN1792318A - 用于对眼晴组织成象的设备 - Google Patents

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Abstract

用于眼睛组织的体内成象的一种设备，包括激光束(4)，所述激光束(4)具有基本上平面的结构，以致沿入射线(50)照射病人眼睛的前面部分，并导致激光束被角膜组织中的分子散射。检测散射激光束以形成角膜组织的横截面图象。还揭示使用后向照射(背向光照)对前部眼睛组织成象，当光从眼睛返回时通过从视网膜反射红色激光光和对眼睛组织(诸如晶状体、角膜或隐形眼镜)成象；使用绿色激光光允许对血管成象。

Description

用于对眼睛组织成象的设备
本申请是申请日为“2000年3月23日”、申请号为“00805479.7”、发明名称为“用于对眼睛组织成象的设备”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明一般涉及一种用于客观地估计眼睛组织的体内特性的方法和设备，尤其涉及一种为了诊断和治疗的目的以客观和定量方式对角膜组织体内成象和分析的方法和设备。
背景技术
在许多诊断和治疗应用中，对于诸如晶状体和角膜之类的各种眼睛组织的光学密度、形状和大小的客观定量有很大的需求。
关于角膜透镜，众所周知，在角膜特定位置处存在角膜病害可以影响，尤其对个别的人，视觉敏锐度和眼睛功能。还众所周知，角膜病害的光学密度与光扩散量(即散射)有关，所述光散射量是由角膜中蛋白质分子的大小增加和凝结而造成的。现今，角膜病害的现有技术描述一般包括形态学的说明。这种形态学说明起初是根据使用视觉敏锐度观察仪估计病人潜在的视觉敏锐度的。
近年来已经发展许多技术，用于通过激光对角膜的光学应用部分进行刻蚀而在人类眼睛中得到所要求的折射-校正外科手术。在美国证书专利第4,718,418、4,732,148、4,773,414、4,729,372、4,669,466、4,473,330、4,856,513以及4,994,058号中揭示了这种现有技术的例子。这些美国证书专利中有一些使用不同形式的设备，但是它们各都揭示用于角膜的光烧蚀激光刻蚀的基本相同的方法。
通常，方法的预先操作步骤包括从角膜的中央前部区域除去上皮层。然后把横截面直径受到控制的紫外激光束引导到无阻的上皮区域，通过Bowman的膜片和选择基质穿透的均匀的光烧蚀，得到仅仅在基质中的预定特征新治疗法4的轮廓。此后，执行有利于缓解在手术刻蚀区域上生效的上皮再生长的手术后过程。对于从激光刻蚀过程产生的某些角膜“病害”或光散射(在不同的病人中可以或多或少注意到)，一般也可以使用许多一般应用的药物来执行这种无序的手术后处理。
在执行上述角膜刻蚀过程之前，重要的是要得到表示特殊不正常的眼睛的角膜的厚度和外形的数据。为了得到病人眼睛中所要求的折光校正，这种数据的形式必须是易于解释的范围，根据其可以确定手术切割不正常角膜的前部表面的深度和表面分布。此外，为了医疗和正规文件的目的，重要的是眼外科医生在角膜的激光刻蚀之前和之后要客观地确定和记录出现在病人眼中的精确的角膜病害程度。
美国专利第4,669,466号揭示在获得角膜外形和厚度数据中使用的一个CAD/CAM系统，眼外科医生可以使用所述系统来确定待在基质中形成的新的治疗法轮廓，以便在病人眼中得到所要求的光学校正程度。当前用于获得角膜外形数据的设备包括考虑到产生数字化外形数据的光学眼睛扫描仪或光角膜仪。这种设备的例子是PFS-1000光角膜指示器，可从日本公司(Sun Contact LensCo.，Ltd.)大批量得到，它的美国办事处在加利福尼亚的Palo Alto。Sun光角膜指示器有能力以这样的方式对角膜进行快速扫描以确定从缘到缘的角膜外表面的整个外形。精确和清楚地确定在外角膜或内光带的治疗中的极细微的差异。可得到带有光分析仪的光角膜指示器，所述光分析仪有能力使来自特定角膜上成千上万的个别点的数据数字化，并产生数字化的输出，从所述输出产生可视显示，以示出前部表面治疗法的横截面轮廓，所述前部表面治疗法可用于包括眼睛的中心轴的任何横截面。
当前用于获得角膜厚度数据的设备包括测厚仪，用于在角膜表面的多个位置上对角膜的精确厚度作出在千分之一毫米内的多个确定。使用超声波测距，提供与位置坐标数据相关的厚度测量数据作为数字输出。使用可大批量得到的能灵活地连接到电源和显示器装置的手持变换器探头在各个逐点的基础上人工地执行厚度仪测量，例如，可以从Myocure公司(加利福尼亚的洛杉矶)得到Myopach超声测厚仪，或可从Cilco公司(W.弗吉尼亚的Huntington)得到“Villasenor”超声测厚仪。在这种装置的使用中，当把探头放在从中心光轴到周围任何处的角膜表面上时，一个定位目标使病人未经检查的眼睛的中心轴对于他的经检查的眼睛保持不变。
在下列美国专利：第5,684,562、5,634,249、5,673,109、5,624,436、5,620,437、5,407,329、5,596,377、5,562,656、5,507,799、5,549,599、5,488,443、5,139,022、5,404,884、5,800,424、5,784,146、5,817,088、5,726,735以及5,706,072号中描述说明用于测量眼睛组织的设备的各种专利，在此引用所揭示的专利作为参考
在上述设备具有能力获得角膜的外形和厚度数据的同时，这种数据的特征近似于根据在沿角膜表面的点上进行固定次数的测量，然后应用数学估算技术而产生的数据。
因此，迫切需要能克服现有技术缺点和问题的一种方法和设备，所述方法和设备能够产生角膜病害的客观测量值，并确定角膜以及相关结构的三维几何形状。
相应地，本发明的主要目的是提供一种以客观和定量的方式对角膜组织体内成象和分析的方法和设备。
本发明的又一个目的是提供这样一种方法和设备，从所述方法和设备可以在远远超过角膜和晶状体的厚度的较大视场深度上形成角膜组织的横截面图象。
本发明的又一个目的是这样一种方法和设备，从所述方法和设备可以形成具有眼睛结构之间的正确空间关系的角膜组织的正确横截面图象。
本发明的又一个目的是提供一种方法和设备，用于精确地测量角膜的物理尺寸和它在眼睛中的正确空间关系。
本发明的进一步的目的是提供一种用于形成角膜组织的横截面图象的方法和设备，可以对诸如角膜病害之类的光密度增加区域精确地定位。
本发明的再一个目的是提供一种基于激光的角膜组织分析系统，可在其中形成角膜、晶状体以及围绕眼睛结构的横截面数字图象，并从其使用数字图象分析可以客观地确定精确的角膜光密度的程度和位置。
本发明的又一个目的是提供这样一种角膜组织分析系统，其中，可以使用于目视观察晶状体和形成横截面角膜图象的激光照射的照度和横截面尺寸从一个图象到一个图象以及从一段光检查时间到一段光检查时间基本上保持一致不变。
本发明的又一个目的是提供这样一种角膜组织分析系统，它包括显微镜和使用激光照射的图象检测器，用于目测和形成整个地通过包括角膜和晶状体的外部组织的完全聚焦的横截面图象。
本发明的更进一步的目的是提供一种基于激光的角膜组织分析系统，其中，可以使用在眼睛中的角膜和其周围的眼睛结构形成的横截面图象产生角膜及其周围的眼睛结构的三维模型。
本发明还有一个目的是提供一种设备，用于使眼睛的诸如飞蚊症(floater)之类的视觉上的细节清楚地成象。
在后文和在权利要求书中，本发明的这些目的和其它目的将变得显而易见
                        发明内容
根据本发明的较多方面中的一个方面，提供一种用于对角膜组织的体内成象的方法及其相伴的设备。通常，所述方法包括基本上具有平面构成的激光束。引导平面激光束使之通过角膜组织的横截面部分，以致照射横截面部分，并导致激光束被角膜组织中的分子散射。然后检测至少一部分散射激光光，以形成角膜组织的横截面图象。通常，平面构成的激光束具有狭缝状横截面尺寸，在视场深度(在所述视场深度中，提供眼睛的最大深度尺寸)上所述横截面尺寸具有基本上相同的宽度尺寸。照射光束的这些独特特征允许在图象检测平面处检测到清楚的在焦点上的图象的形成。可以把本发明的方法和设备用于客观地测量角膜组织的光密度，以及精确地测量眼睛结构的物理尺寸，以及它们在眼睛中正确空间关系。在角膜的情况中，可以使用本发明的方法和设备来产生在焦点上的横截面图象，从该横截面图象可以精确地测量形成角膜组织的光密度，因此可以精确确定其中的角膜病害的程度和位置。在晶状体的情况下，可以使用本发明的方法和设备来产生焦点上的横截面图象，从该横截面图象可以精确地测量包括晶状体的组织的光密度，因此可以精确确定其中的白内障的程度和位置。在示例实施例中，以眼睛组织分析系统的形式来实现本发明的设备，它能够形成多个角膜组织的横截面图象，把每个图象指定在角膜组织内限定的不同的光散射平面上。较佳地，角膜组织分析系统包括照射光束引导装置，用于在相对于角膜组织为所选入射角把平面激光束引导到眼睛组织，以致对于每个所选入射角，激光光主要并角膜组织中不同光散射平面散射。系统还包括检测装置，用于检测来自每个不同光散射平面的一部分散射激光光。根据获得的多个横截面图象，可以重构角膜组织的三维图象或模型，接着，沿所需要的观察方向显示。从角膜的三维图象模型，可以正确地确定沿角膜表面的每个点的角膜的物理厚度。还有，从角膜的三维图象模型，可以正确地确定它的外形(即表面特征)。然后，眼外科医生可以使用从角膜的三维图象模型得到的角膜厚度和外形数据(即角膜曲率)来规划精确的曲率轮廓，必须在特定病人的基质组织中进行光烧蚀刻蚀所述精确的曲率轮廓，以便在他或她的眼睛中得到所要求的光校正程度。
                        附图简述
为了进一步理解本发明的目的，结合附图详细描述示例实施例，其中：
图1A是根据本发明的图象形成方法的示意表示，示出用光亮度基本均匀的基本为平面的激光束照射水晶状透镜的横截面部分，以及检测来自横截面部分的散射激光束，在图象检测平面处形成其图象；
图1B是本发明的方法的示意表示，示出从沿图1A的坐标参考系统的Z-Y平面观察到的激光照射和光散射和检测的光路；
图2是以双筒显微镜和散射图象检测和分析系统实现的本发明的第一实施例的示意表示；
图3A是沿线2A-2A截取的图1B中所示眼睛的横截面部分的详细散射图象的示意表示，表示角膜和晶状体的中心部分；
图3B是沿线2B-2B截取的图1B中所示眼睛的横截面部分的检测散射图象的示意表示，表示角膜和晶状体的边缘部分；
图4是根据本发明方法形成的检测散射图象的示意表示，示出在图象中的各种眼睛结构，以及使用数字图象处理提供沿所选分析线的光亮度(即光密度)分布轮廓；
图5是以眼睛组织分析系统实现的本发明设备的第二实施例的示意表示，所述眼睛组织分析系统包括双筒显微镜和散射图象检测和分析子系统，能够形成在不同照射入射角处取得的眼睛组织的多个横截面图象，以及重构这些横截面图象以形成角膜、晶状体和眼睛结构周围的3维图象；
图5A是本发明设备的第二实施例的示意表示，是从图5的坐标参考系统沿X-Z平面观察到的；以及
图6是以眼睛组织分析系统实现的本发明设备的第三实施例的示意表示，所述眼睛组织分析系统包括双筒显微镜和散射图象检测和分析子系统，能够形成在不同照射入射角处取得的眼睛组织的多个横截面图象，以及重构这些横截面图象以形成角膜、晶状体和眼睛周围的三维图象；
图7A是根据本发明的带有手枪式握把的改进设备的后透视图；图7B是改进设备的理想化的部分分解图；图7C是改进装置的理想化的正视图，示出一系列灯；以及图7D是另一个改进装置的理想化的顶视图。
图8是装置的两个示意图，所述装置与分辨率经提高的激光狭缝灯一起使用。
图9A/B、10A/B和11A/B是使用后向照射(即背向照明)和激光狭缝灯(狭缝激光束)所得到的眼睛图象的照片。
图12A/B是使用后向照射所得到的眼睛图象的照片。
                  具体实施方式
具体地参考图1A和1B，首先将讨论根据本发明的眼睛组织的体内成象的方法。根据本发明，使用激光束照射眼睛组织，以致可以在位于某些预先选择的散射角处的图象检测平面上检测构成组织的分子所散射的激光光。
本发明的照射激光束的基本特征是它具有基本上平面的组成，并在每个狭缝状横截面上光亮度基本上均匀。已经发现，通过使用在每个狭缝状横截面上具有基本均匀光亮度的基本平面的激光束(其中，每个狭缝状横截面的宽度沿平面激光束基本上是不变的)，有可能用不沿视场深度(眼睛的最大深度尺寸在所述视场深度中延伸)扩散的通量密度照射眼睛内的眼睛组织。结果，从眼睛组织沿平面激光束的任何传播方向散射的光将提供在图象检测平面处检测到的清楚的焦点上的图象。使用可大批量得到的变焦激光二极管线投影机系统可以得到根据本发明原理产生的基本平面的激光束，所述变焦激光二极管线投影机如来自Newport公司(加利福尼亚的Mountain Valley)的V-SLM-S2Z型。通常，变焦激光二极管线投影机系统1包括线投影机头2和电源3。线投影机头2包括1.5毫瓦激光器以及电子电路，所述电子电路用于调整光功率输出和保护激光二极管免遭线瞬变和电磁噪声。除了具有用于激光输出的调制的一个输入之外，线投影机头2还包括用于把光分布构成平面组成的光束成形光具。还提供便于调节平面光束几何的透镜的机械传动部分。还提供聚焦调节，以允许用户在任何需要的远距离处控制线宽度。通过调节聚焦控制可以得到象0.004英寸那么窄的线宽度，而通过控制光束发散可以调节线宽度。如在图1A和1B中所示，通过在预选入射角处引导基本平面的激光束4通过眼睛组织6的横截面部分实现体内成象。在图1A所示的例子中，眼睛组织包括晶状体，而在图1B中的眼睛组织包括角膜7、前皮质8、晶状体9以及后皮质10。如所说明的，沿入射线50引导入射平面激光束4以照射眼睛组织的横截面部分(即光散射平面)5，从而导致在该光散射平面中的分子使平面激光束散射。然后，在某个选择的散射角度处，在图象检测平面12处检测到至少一部分散射激光光11，以致形成所照射的眼睛组织的横截面图象。正如将在下面更详细地描述，可以使用许多图象检测技术中的一种实现在图象检测平面12处的横截面散射图象的检测。为了使眼睛组织相对于平面照射光束4和图象检测平面12保持相对的静止，应该用传统的下颚和前额支架(未示出)固定病人的头。在固定位置中，病人面向平面激光束，所述平面激光束的方向与图象检测轴约成45度角，从图象检测平面垂直地伸展。如在图2中所示，最好使散射光通过双筒显微镜系统13的光具聚焦，以致用户可以看到在平面激光束4的照射下形成的横截面图象。还有，如所示，沿双筒显微镜系统13中的光程提供分束器14。分束器14的功能是分离来自角膜和晶状体的横截面部分的散射光11的光束，并把所产生的光束15引导到光电图象检测器16以形成数字横截面图象。值得注意，光具16A使散射光束15聚焦，以在图象检测器16的图象检测平面上形成横截面图象。较佳地，图象检测器16是包括光敏单元阵列的电荷耦合器件(CCD)视频摄像机，连同产生平面激光束输出(波长最好在600到650纳米的范围中)的激光器2一起使用。具有这种组成，可以产生眼睛组织的数字横截面图象，而同时利用了在这个波长范围上的CCD摄像机灵敏度。还有，在所推荐的功率电平(例如1.5毫瓦)，可以使平面激光束连续地照射视网膜而不会有热伤害的危险。在这种实施例中，数字横截面图象包括多个象素，每个象素具有一个强度值。在传统方案中，使用0-255的灰度等级，可以以最大精度使每个象素的强度量化，所以对构成图象的象素值表示的眼睛组织的光强度也是这样的。为了在感兴趣的特定区域上测量眼睛组织(诸如晶状体)的光强度，把CCD图象检测器16的输出提供给传统的用综合图象处理软件编程的图象处理计算机17，所述软件能够执行许多功能，例如包括图象分析、图象测量和图象处理。可以从Media Cybernetics公司(Maryland的Silver Springs)大批量地得到的这种软件，其商标名为Image-ProTM。
图象处理计算机17还包括视频显示器装置18，用于可视地显示在CCD摄像机16的图象检测平面处获得的图象。在图4中示出一般在横截面图象上执行的几种图象分析的例子。如在图4中所示，在视频显示器装置18上显示数字图象21(注意图2)。在这个特定的例子中，选择分析线20，该线通过角膜、晶状体的前皮质、晶核和后皮质的整个横截面图象21而伸展。然后使用Image-ProTM软件的图象分析功能，可以确定和显示沿所选分析线的光亮度分布轮廓。可以容易地从光亮度轮廓判明在眼睛组织中的结构变化和相对光密度。通过对在数字横截面图象21中的感兴趣的选择区22中的组织图形进行分析，有可能确定病人的角膜的某些部分的光密度，从而确定精确的角膜病害程度和位置。值得注意，用0-255象素灰度等级可以使眼睛组织中的光密度量化而具有相同的精确度。与在平面激光照射光束4的每个狭缝状横截面上的恒定光亮度和光电图象检测器16(图2)的恒定灵敏度一起，可以产生眼睛组织的一致的横截面图象，并以重复的方式把它存储，在光密度的测量值中没有变化。例如，至于眼睛中位置，适当的检索可以如此地产生病人角膜的横截面图象，并在此后把它存储。例如，在照射角膜病害因素或对于角膜病害的合适药物治疗之后接着的日子，可以在角膜中相同位置处产生另外的横截面图象。在不同图象形成时间期间，由于基本上可以使本发明的图象形成条件保持不变，所以这些图象中间可以进行有意义的比较以确定角膜病害的进展。还有，由于图象形成条件的恒定性和沿平面照射光束的宽度尺寸的通量密度基本不发散，可以形成、存储和比较沿许多平行横截面的角膜图象，以确定角膜中角膜病害的位置和程度。通过在所检测到的横截面图象上执行Image-ProTM软件的图象测量功能，可以以使用几何技术的传统方法精确地计算各种眼睛结构之间的距离和面积和周长。有关这种测量的讨论请见Duke Elder的《眼科的系统》，第5卷，眼科光学和折射，109页，1970年由圣路易斯的CV Mosby出版；以及Bennett和Rubbett的《门诊视力光学》，331页，1984年由伦敦的Buttersworth出版。这种测量对于病人正确安装囊内隐形眼镜可能是最有用的，把所述囊内隐形眼镜伏贴地安装到囊套中而无需弹性触觉的必要性。
因而用本发明的方法有可能精确地确定病人晶状体的技术指标，即外部和后部曲率和直径，从而允许使用新的一类无触觉隐形眼镜。
为了产生诸如角膜之类的眼睛组织的三维可视模型，可以使用在图5和6中示出的任何一种眼睛组织分析系统。通常，为了以顺序方式照射眼睛组织的多个平行横截面的目的，每个系统产生平面激光束4。如在上述实施例中，在存储或是记录检测图象时在图象检测器平面处顺序地检测来自每个横截面的光散射11。此后，在具有三维模型能力的传统计算机图形系统中重构多个横截面图象。然后可以沿计算机图形系统提供的所要求的观察方向检查重构模型的两维视图。在图5中，眼睛组织分析系统30包括平台31，所述平台适于沿一对在空间上隔开的导轨32A和32B移动，所述导轨相对于固定基座部分(未示出)是固定的。较佳地，基座部分有足够高度以允许用户借助第一支撑座33安装在平台31上的双筒显微镜系统观察眼睛。提供步进电机和合适的齿轮机构33A以实现平台31相对于导轨32A和32B和固定基座部分的顺序移动。如在图5中所示，分别借助于第一和第二支撑座33和34把图2的平面激光束光源1和双筒显微镜系统13固定安装到平台31。较佳地，这些支撑座是可调节的，以致可以调节激光束光源1和显微镜系统13，使之基本上位于相同的光平面。还有，在这个实施例中，平面照射光束的每条所选入射线和图象检测平面的散射角固定在约45度的角度。如在图2中，图5A和5B的显微镜系统13还包括分束器14，用于形成引导到光电图象检测器16的光散射光束。如在图5A和5B中所示，把图象检测器16的输出提供给传统三维计算机图形系统35，该系统包括视频监视器18，如这里上面所述。还提供顺序控制器36，用于同步地控制平台31相对于固定基座的移动，和用于把所检测到图象从图象检测器16传递到三维计算机图形系统35。在图象捕获过程的开始，对平台31定位，以致照射光束4通过入射线50A(与晶状体9的最末端部分共平面)传播。在第一图象捕获周期期间，把来自光源1的平面激光束4沿基本上与眼睛的光轴平行的入射线50A引导到眼睛组织。平面激光束4沿这条入射线照射沿与平面激光束共平面的光散射平面分布的分子，并散射激光光。同时在同步控制器36的控制下，图象检测器16检测到一部分散射激光光，所述散射激光光通过图象检测器16的光具聚焦以形成散射图象。以散射角(所述散射角相对于所选的平面激光束4沿其传播的入射线是固定的)定位的图象检测器16检测散射图象。然后把所检测散射图象传递到用于存储的三维计算机图形系统35。然后，同步控制器36使平台31相对于眼睛在参考箭头37的方向上移动一个极小的横向增量。这个横向位移允许把平面激光束4再次引导到眼睛组织，但是这次是沿入射线50B，并在一个偏移但是仍平行于以前的入射线50A和相应于光散射平面的光散射平面中。然后把沿入射线50B的所检测横截面图象从图象检测器19传递到用于存储的三维计算机图形系统35。在同步控制器36的控制下，用增量移动平台31使之顺序地从以前的入射线偏离，以及同步地捕获、传递和存储所检测图象，上述过程将重复许多次，直到已经捕获到足够数量的平行横截面图象。此后，使用这些图象来计算所检查的眼睛结构的一个或多个重构三维图象。可以使用传统编程技术来产生这种三维图象重构，然后存储在计算机图形系统35的存储器中，并沿所要求的或所选择的观察方向顺序地显示。在许多方面，眼睛组织分析系统40的操作与在图5和5A中说明的系统30相似。例如，联系第二实施例以上述方法把激光光源1和显微镜系统13固定地安装到平台41。然后，有数个不同之处。平台41是相对于病人的眼睛静止的。还有，把预定厚度的玻璃板42安装到支撑架43，以使平面激光束4相对于病人的眼睛横向位移。接着，支柱44支持支撑架43，通过在同步控制器46的控制下操作的步进电机45使所述支柱44相对于平台41旋转。当同步控制器46驱动步进电机45时，使玻璃板42旋转预定量，从而发生平面激光束沿所选入射线(所述入射线最好与所检查的眼睛的光轴平行)的所需增量横向位移。在图象捕获过程的开始处，最好使折射板42基本上垂直于平面照射光束4。在第一图象捕获周期期间，折射板42保持在它的原始或初始位置，眼睛组织的最末端横截面受到照射，而图象检测器16检测散射图象。在同步控制器46的控制下，把第一检测图象同步地传递到三维计算机图形系统35之后，使折射板42以小角度增量旋转，平面照射光束4的入射线稍有位移而离开以前选择的入射线。因此照射与眼睛组织第一横截面(即光散射平面)平行的眼睛组织横截面，并且图象检测器16检测散射光，而把这第二横截面图象传递到用于存储的三维计算机图形系统35。在同步控制器46的控制下，使上述图象捕获周期重复许多次，直到已经捕获到足够数量的特定病人角膜的重构三维图象。对在角膜三维图象重构(即模型)中表示的数据执行图象测量功能，可以精确地得到数个重要类型的数据。例如，可以计算在角膜表面上任何点处的角膜厚度，并提供作为与其表面上一点相关的数字数据输出。还有，可以在手术之前精确地计算有关病人角膜的表面特征的外形数据(即角膜曲率)，并以合适的格式提供作为数据输出。然后，眼外科医生可以使用这种角膜厚度数据和外形数据来确定有待在特定病人角膜基质组织中刻蚀的新表面轮廓，以便在他或她的眼睛中得到所需的光校正程度。在J.H.Hoffman等人的题为“使用数字化狭缝灯视频图象的角膜外形和测厚的计算化表面重构”(Arvo Abstract Paper No.1512-69(1992))的出版物中可以找到有关从角膜三维图象重构计算这种类型数据的详细说明。在示例实施例中，使用光电图象检测设备和数字图象处理技术实现本发明。然而，也可以使用照相图象记录技术和光密度测量技术实现具有预期优良结果的本发明。
在我以前的美国专利第5,404,884号中描述上述内容和主张的权利要求，在此引用上述专利所揭示的内容作为参考。
对于上述专利的一个改进是一个手持的集成单元。如上所述的平台和光源或滤波器相关装置的机械运动提供在现场使用时笨重和不实用的设备。根据对它的改进，在图7A中示出的集成手持单元701包括一个“芯片上摄像机”或CCD、激光器、相关光具以及用于表示到病人的移动目标的装置。在手持单元中，记录设备包括在带有集成光学系统的电路板上的CCD(电荷耦合器件)芯片；合适CCD器件的制造厂包括Photobit(Pasadena，加利福尼亚)、Vision Ltd.(Edinburgh，苏格兰)以及Hewlett-Packard(惠普)。把激光从瞬时方向引导到病人的鼻子方向；这样防止病人的鼻子挡住激光束，以及防止深陷眼睛的病人的眉毛投射阴影。沿眼睛轴由CCD摄像机捕获被眼睛反射的光。在沿该轴对CCD摄像机定位时，最好使激光器定位为以从眼窝轴向瞬时方向45°照射眼睛。
图7B示出这种手持装置内部的理想的部分分解图。把激光器703导向病人的眼睛705。在可能是CCD的视频摄像机707(带有相关光学系统和电子线路)上记录从眼睛反射的激光光。外壳709可以包括一个或多个端口711，用于把外部电源连接到装置，并用于把输出信号从视频摄像机连接到显示器装置(未示出)。视频摄像机可以把信号输出到诸如监视器(VDT)之类的显示器装置和/或计算机，在其上存储数字(或数字化的)视频摄像机输出信号，或摄像机可以是透镜和相关的光纤(象通过导管内部使用的光纤装置)，在监视器上显示或记录到视频录像机(例如VCR)。正示出，如果认为反射光束713与眼睛的轴同轴，则入射光束715是45°，并借助于诸如反射镜之类的反射装置717促使入射光束来自该方向，在文章中已经描述微反射镜(例如刻蚀在芯片上)，这种微反射镜作为反射装置在这里是有用的。
与上述较大模型不一样，本改进打算用在现场，所以更小。相应地，必须考虑在所需现场扫描激光的不同方法。在图7C(装置的理想正视图)中示出一种方法，其中，示出窗口719，用于使激光束通过。位于窗口“上面”的是一系列灯721，它们可以是发光二极管(LED)。当正确地放置装置时，指挥病人观看一系列的LED；使用众所周知的电子电路(未示出)以相当低的时序来点亮这些灯；当一次一个LED点亮时，指挥病人跟随这个时序。因此，导致病人的眼睛横向移动，所以激光束对眼睛有效地扫描。
如上所述，最好从瞬时方向引导激光以使带有阴影和障碍物的预期问题最少。如在图7B中所示，放置装置用于检查病人的右眼。当使装置保持在所示的相同方向检查左眼时，鼻子将成为一个障碍物。在一个实施例中，简单地使装置上下颠倒，围绕眼窝的轴旋转，以致激光在视频摄像机的另一侧(即当与图7B比较时，从右瞬时方向)。在另一个实施例中，如在图7A中所示，通过把手旋转地支撑装置。例如，通过臂725把手枪式把手附着于圆筒727，通过法兰组件729把所述圆筒旋转地安装在壳体上。最好圆筒是引线731的导管，视频输出和电源输入通过这些引线进出装置。如虚线所示，使装置围绕圆筒(限定为基本上与眼睛的光轴平行的轴)旋转，使之从一只眼睛转换到另一只眼睛
代替LED在病人的眼睛上扫描激光束的另一种方法是以光电方式操纵光束。图7D示出装置内部的理想顶视图，相似于在图7B中所示的透视图。这里，电源线731向激光器703、摄像机707和扫描装置733供电。扫描装置可以是压电晶体，所述压电晶体的衍射指数作为在表面上电压差的函数而变化；于是需要电源线，而以733指示的盒子需要相关的电子线路。扫描激光束的再一个方法是使用棱镜，诸如美国专利第5,227,910号所揭示(在此引用该专利所揭示的内容作为参考)。扫描激光束的再一个方法是使用诸如在手持激光扫描条形码读出器中所使用的方法；例如，如在美国专利第5,146,463号中描述的旋转反射镜(在此引用该专利所揭示的内容作为参考)，对于本发明，需要反射镜旋转得比在条形码扫描读出器中更慢。
本发明的另外的实施例(注意图8)使方法和设备的使用提供改进的分辨率。具有更大的分辨率，可以执行下列功能：
(1)检测飘浮在眼睛的前腔中的含水液体中的细胞，这对于客观地诊断和眼睛(诸如虹膜)炎症情况的等级是有用的。已知使用一种由商标名称“Flare Meter”称呼的仪器，它测量在前腔中的光散射。在含水液体中出现的炎症细胞和蛋白质导致光散射。使用狭缝激光不是仅仅提供光散射的增强，而是使细胞可以看到；
(2)检测在眼睛的玻璃凝胶体中的胶原蛋白纤维和细胞。当前形式的激光狭缝灯具有在激光光平面轴与摄像机轴之间的45度角度。如果使角度减小以致光束吻合瞳孔和检测器的分辨率增加，则用激光狭缝灯可以看到玻璃凝胶体的特征；以及
(3)还关于三维成象，设想当前仪器具有一个摄像机，使用它捕获序列图象，然后组合这些图象，产生眼睛前部的三维显示。
应该注意，当前计算机具有一个摄像机，它能够捕获序列图象，然后再组合这些图象以产生眼睛前部的三维显示。最近开发的计算机设备允许同时捕获来自两个摄像机(检测器)的成对图象。两个摄像机的使用就允许实时三维成象
有可能在数秒内实现每只眼睛彼此的两次传递。右和左激光器将分别扫描，彼此将独立地捕获和分析图象。因此，可以立即准备图象数据以便验证其正确度。
有效性是特别重要的，因为可以使用数据来控制通过Lasik除去的角膜组织量。
参考图8，把附加光束平行地或稍微会聚地引导到成象系统的视轴。例如，在使用HeNe或红色二极管激光器的一种方案中，在玻璃体、晶状体、角膜或甚至隐形眼镜中的不透明度都被穿透照射而变为可见。在方案2中，把绿色光束引导到视网膜。一个关键性的差异在于，红色照射被视网膜和视网膜血管选择性地反射，这使对它们彼此加以区分几乎不可能。
绿色波长的血管突出了视网膜的特征。然而，在方案2中，使用在60和100屈光度之间某个值的透镜来消除眼睛的折射功率。这允许直接观察眼睛里而且可以观察到视网膜特征。
这种方法实质上不同于扫描激光器眼底镜。
总之，参考图8，用于病人的前部眼睛组织的体内成象的设备包括一个规定长度的管子，支撑所述管子使之沿眼睛的视线伸展。
管子包含把图象聚焦到邻近所述管子51一端的摄像机/检测器装置的光具。管子包括熟悉本技术领域的人员众所周知的光具。管子具有以一定角度支撑在它里面的半反射镜52，如图所示，反射镜跨越所述管子，放置得接近管子的末端。
来自激光器53的激光束通过透镜54聚焦到眼睛上，并从眼睛通过半反射镜52返回到摄像机/检测器56。
正如所述的，本发明适用于对眼睛前部组织成象。例如，这种眼睛组织包括角膜、眼睛的前腔(即含水液体的地方)、虹膜以及晶状体。因此，在其它分析当中，这个装置对于筛选白内障的病人是有用的。
本系统的优点之一在于它是便携式的和易于使用的，并带有如上所述的合适的软件可以快速使用以正确诊断。例如，假定装置有一系列顺序点亮的LED导致病人移动其眼睛。因为CCD可以以极快的速率捕获图象，如果CCD捕获的帧(图象)中有一个未与其它帧对准(如软件所确定)，则可以把该帧从处理中除去。
本系统的另一个优点是有极大的视场深度。典型的狭缝灯装置具有约1毫米的视场深度。用典型的狭缝灯，没有聚焦的图象会极度畸变。用本发明，视场深度明显变长，其数量级可能大于1米，但是为了实用的意图和目的，视场深度足够从前到后对整个眼睛成象(一般具有约22毫米的长度)。这提供了另一个明显的优点，典型的狭缝灯装置有一个操纵杆，用户必须用它连续调节来保持视场聚焦，本装置有如此大的视场深度，甚至可以对儿童或婴儿(这种病人不容易长时间保持静止)的眼睛成象。
本发明的另一个实施例与具有较佳分辨率的改进CCD的使用有关；通过数字摄像机的增长和其价格的降低可以看到CCD技术比它在数年之前的技术大大地进步。当前确定眼睛内部存在炎症所使用的一种方法是来自通过眼睛前腔的光束的可见光散射，或“闪光”。对通过狭缝灯显微镜的光散射量进行量化地(主观地)估算，或通过确定每单位时间的光子而进行量化，并作为眼睛内部反射光斑程度的测量值。炎症导致的光散射可能是由于眼睛内部液体中的炎症细胞和/或蛋白质引起的。使用本发明和更高分辨率的CCD，通过观察导致光散射的因素，可以作出“炎症”的更正确诊断。即，可以使用高分辨率CCD通过观察来区分液体中的细胞和液体中的蛋白质。用这种区分性，使诊断更客观，而且可以把目标对准导致炎症的因素。
在再一个实施例中，可以对眼睛的玻璃体凝胶体中的胶原蛋白纤维和细胞成象。激光狭缝灯的现有方案提供激光的光平面和摄像机的轴之间约45°的角度。现在的硬件改进使这个角度减小到可以使用改进的、高分辨率CCD的程度，而且激光束和摄像机的光轴两者都在瞳孔内。在这种配置中，可以观察到玻璃体的特征(诸如胶原蛋白纤维和细胞)。
本发明的又一个实施例设想实时三维成象。代替如图所示的单个摄像机，可以使用具有已知间距和可大批量得到软件(模拟用于目标跟踪的软件)的两个摄像机同时捕获来自两个摄像机的图象，并合成三维图象。以EureCardMULTI(Euresys股份有限公司提供)名称销售的集成卡同时执行来自两个摄像机的图象捕获。对于执行LASIK和其它外科手术，使用实时三维成象有很大好处。在这个优点上的进一步改进是使用两个独立的激光器(即一个45°，另一个-45°)对眼睛进行扫描，而双摄像机系统同时捕获图象。可以使用对来自每个激光器的两个三维图象的比较来验证三维图象的正确度。此外，因为这些图象是实时得到的，可以使用本发明作为把立体感附加于LASIK和类似外科手术，大大地提高了医生的准确度。
已经参考激光光源进行上面的描述。通常，照射光源可以包括具有可用波长、强度足够的任何光源。例如，在本发明中可用使用所谓的“超级冷光二极管”或模拟二极管光源。例如，在美国专利第5,994,723号(转让给Omron公司)中描述这种超级冷光二极管，包括眼科学领域，如在美国专利第5,719,673号(转让给Carl Zeiss Jena有限公司)中所描述，在此引用所揭示的内容作为参考。可以从许多来源大批量得到超级冷光二极管，包括互联网(例如Superlum有限公司，莫斯科，俄罗斯，经由http：//www.superlum.ru，可得到各种光谱波段和光谱波长)。
由于三个重要的原因，最好使用红光(632纳米左右，一般600-650纳米)。第一，在这个波长左右，大多数CCD具有其峰值灵敏度，而且用本发明可用实现如此高质量的CCD成象。第二，光学组织的峰值光散射在这个波长范围中。前面两个原因能够使用低的光水平，这也增加了病人的舒适感。最后，视网膜反射红光，所以可以用“后面照射”(即有效地通过背后光照)来观察眼睛结构。但是，使用绿色光也是合适的，因为血管将吸收，因此用绿色光照射可以看到。根据本发明的一个装置具有绿和红两种光源，根据希望使那种结构成象可以轮流使用所述两种光源，或可以用脉冲轮流激励光源，以同时有效地提供两种源的照射。
如在下面讨论的图中所示，本发明提供图象，从而可以确定各种眼睛结构的厚度和不透明度的特定位置。在手术前和手术后，确定结构的情况(例如厚度)可能是极重要的。例如，在本国中，白内障外科医生是最广泛执行医务赔偿外科手术过程的人，但是尚不存任何病人在白内障手术前的客观文件，也没有在手术摘除后的文件。在手术前和手术后，可以使用本发明对白内障成象，存储图象和/或打印在硬拷贝上。如果在准许或赔偿所述过程之前要求这种文件，则这种文件将大大地减少对所述过程的医疗骗局。
如在图9A和9B中所示，本发明允许医生对佩戴的隐形眼镜中的缺陷进行观察和成象。如在图9A中所示，在瞳孔边界内，在软隐形眼镜中的缺陷是明显的，因此可能影响病人的视力。图9B再次在瞳孔边界内示出在软隐形眼镜的表面内或上的纹痕和折痕是怎样的，因此影响病人的视力。在图9A和9B中的图象是使用上述激光狭缝灯和后面照射的组合而得到的。
图10A和10B描绘在不同深度处的角膜损伤和上皮损伤。下图(10B)示出在角膜上的上皮不正常的修补。当狭缝激光束与角膜交叉时，它呈现弯曲，而当它撞到虹膜时，成为一中断的直线。可以在上图(10A)中看到，用激光狭缝灯和后面照射的组合可以观察到各种深度的结构。例如，从角膜的反射呈现所指示的弯曲线，瞳孔边缘和隐形眼镜的边缘是可看到的，正如是玻璃体面和虹膜一样，通过角膜的后面照射展现折痕。
图11A和11B示出用激光狭缝灯和后面照射的组合观察到的皮层白内障、晶状体不透明度。上图(11A)通过呈现为不透明度(明亮区)的狭缝灯示出角膜上的不透明度，而后面照射展现轮辐状不透明度。注意，在表面上用狭缝灯所看到的呈现明亮是它们反射/扩散光(即不让光通过)，而通过后面照射所观察到的那些呈现黑暗(即从角膜反射的光是通过角膜而受到不透明度阻挡的光)。相似地，下图(11B)，前皮层不透明度呈现黑暗，因为它阻挡从视网膜反射的光。
最后，图12A和12B描绘通过后面照射可观察到的玻璃体不透明度。在上图(12A)中，通过后面照射的功能可以看到星状玻璃蛋白晶体。这些晶体阻挡了病人的视力，可以在这个图中清楚地看到。在下图(12B)中，可以看到在玻璃体内腔中的缺血，表现为在晶状体后面所定义的较差的黑暗区。
如在图9-12中所看到，本发明的一个中心特征是来自角膜的反射最小。试图用诸如视网膜照相机之类的传统仪器从后面照射眼睛组织而产生明亮的中心反射。在许多这种取样图象中，同时观察狭缝激光和后面照射的图象。同时照射允许对不透明度的深度和其2维坐标进行估计。
虽然以上所示出和所描述的特定实施例已经证明在眼科学领域中的许多应用中是有用的，对这里揭示的本发明的进一步的修改将发生于与本发明有关的熟悉本技术领域的人员中，认为所有这种修改都在所附的权利要求书定义的本发明的范围和精神中。

Claims (33)

1.一种用于对病人眼睛的前面部分中眼睛组织的体内成象的设备，所述设备包括：
激光器装置，用于提供激光束，所述激光束在向着所述眼睛的方向上基本上具有平面组成；
摄像机装置，用于检测所述激光被所述眼睛组织反射的光；
外壳，用于容放所述激光器装置和所述摄像机装置，所述外壳包括一个窗口，所述窗口允许所述激光束向着眼睛的传播以及允许所述光被所述组织反射返回到摄像机的传播；以及至少一个端口，用于传递电源和数据到和从所述摄像机和激光器装置；以及
激光扫描装置，用于实现激光束在病人眼睛上的横向扫描。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述摄像机是电荷耦合器件
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括附着于所述外壳的把手。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，通过圆筒把所述把手附着于所述外壳上，所述圆筒限定与所述眼睛的所述轴基本上平行的一个轴，其中，所述圆筒可旋转地附着于所述外壳上。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述设备是手持式的。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述激光扫描装置包括压电晶体、棱镜、旋转反射镜、定向微反射镜、或其组合。
7.一种用于对病人眼睛中的眼睛组织的体内成象的方法，所述设备包括：
提供在向着所述眼睛的方向上基本上具有平面组成的激光束；
检测所述激光被所述眼睛组织反射的光；
提供外壳，用于容放：产生所述激光束的激光器和检测所述光的摄像机；包含一个窗口，所述窗口允许所述激光束向着眼睛的传播，以及允许所述光被所述组织反射返回到摄像机的传播；以及至少一个端口，用于传递电源和数据到和从所述摄像机和激光器装置；以及
实现激光束在病人眼睛上的横向扫描；以及接收并处理被所述眼睛组织反射的光，以产生眼睛组织的所述图象。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，眼睛组织是角膜。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，眼睛组织是品状体。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，眼睛组织是角膜。
如权利要求7所述的方法，其特征在于，眼睛组织是晶状体。
11.如权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括第二摄像机装置，其中，两个摄像机装置都是电荷耦合器件。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，进一步包括提供立体图象的装置。
13.如权利要求7所述的方法，其特征在于，对眼睛的前面部分成象。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，对眼睛所述前面部分的含水液体中的细胞和/或蛋白质成象。
15.如权利要求7所述的方法，其特征在于，对眼睛的玻璃凝胶体成象。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，对胶原蛋白纤维和/或细胞成象。
17.如权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括两个摄像机，其中，同时接收并处理反射到所述两个摄像机中每一个摄像机的光，以产生三维(立体)图象。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括放置在所述两个摄像机的有效轴的相对侧的两个激光器。
19.一种用于对病人眼睛的前部眼睛组织的体内成象的设备，所述设备包括：
管子，所述管子具有预定长度的管壁，适用于沿正在被检查病人的眼睛视线定位，所述管子包括对沿所述管子从所述眼睛反射到摄像机/检测器装置的平面组成的激光束进行聚焦的光具，所述摄像机/检测器装置的位置邻近所述管子的一端，管子的另一端适用于对作检查的眼睛定位；
半反射镜，所述半反射镜在所述管子两端的中间非正交地以一定角度支撑在所述管子的里面；
激光器装置，把所述激光器装置放置在管子的外面，而且对所述管子横向放置，向所述半反射镜提供激光光；
对所述反射镜定向，沿所述管子的内部把所述激光光有效地反射到正在被检查的眼睛，以及允许光从眼睛反射到用于接收所述图象的摄像机/检测器装置。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于，眼睛组织是角膜。
21.如权利要求19所述的设备，其特征在于，眼睛组织是晶状体。
22.如权利要求20所述的设备，其特征在于，眼睛组织是飘浮在眼睛的前腔内的含水液体中的细胞。
23.如权利要求22所述的设备，其特征在于，细胞包括悬浮物。
24.如权利要求22所述的设备，其特征在于，成象的眼睛组织是胶原蛋白纤维。
25.一种用于对眼睛的前部眼睛组织成象的设备，所述设备包括：与光具组合的红色光源，有效地把所述红色光通过前部眼睛组织发射到所述眼睛的视网膜，所述视网膜反射所述红色光；以及用于观察从视网膜反射的所述光的图象的光具。
26.如权利要求25所述的设备，其特征在于，进一步包括保存和记录所述图象的记录器。
27.如权利要求26所述的设备，其特征在于，所述记录器是CCD、视频录像机或照相机。
28.如权利要求25所述的设备，其特征在于，还包括激光狭缝灯。
29.一种用于对眼睛组织成象的方法，所述方法包括：把光引导到眼睛，有效地被视网膜反射；以及用于观察反射光的光具。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述光是红色激光光。
31.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述光是绿色激光光。
32.如权利要求29所述的方法，其特征在于，进一步包括用激光狭缝灯对所述眼睛成象。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述成象是同时完成的。
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