基于oct三维成像分析角膜生物力学性能的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及角膜生物力学性能测量技术技术领域，尤其涉及一种基于0CT三维成 像分析角膜生物力学性能的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 角膜是位于眼球最前端的透明组织，为眼球提供保护并提供了大约70%的屈光功 能。角膜的生物力学性能与构成角膜组织的材料性质以及角膜的外形结构例如厚度、曲率 等参数相关，角膜的生物力学性能主要表现在角膜可以抵消眼内压，保持角膜自身形态和 保护眼球视力。目前，角膜的生物力学性能在临床医学中被逐渐重视，例如屈光手术、青光 眼以及圆锥角膜病症都需要考虑角膜的生物力学性能。通过分析角膜的生物力学性能可以 直接判断出角膜的功能是否退化。因此，正确了解角膜生物力学性能，对临床检查和治疗有 着非常重要的作用。
[0003] 离体角膜的膨胀实验，不但保持了角膜的完整性，而且可以对整个角膜的机械性 能进行分析。在英国邓迪大学的Elsheikh, A.等人（Elsheikh, A.，B. Geraghty, P. Rama, M. Campanelli and K. M. Meek (2010) . "Characterization of age- related variation in corneal biomechanical properties. '， Journal of the Royal Society Interface 7 (51): 1475-1485.)提出的角膜膨胀实验中，采用单点激光光束测量角膜表面 弧顶位移可以获得角膜生物力学性能随不同年龄阶段的变化特点。但是，在该角膜膨胀实 验中存在以下不足之处：1)只能获得角膜顶点的位移变化，不能获得角膜整体的变化情况； 2)角膜的厚度、曲率等结构信息需要用其他设备单独测量；3)角膜厚度的变化情况不能检 测；4)角膜局部的变化情况不能检测。
[0004] OCT (Optical coherence tomography，光学相干成像术）技术是一种新兴的光学 成像技术，可以对组织断层结构进行高速、高分辨率、非侵入的成像，在临床医学研究和诊 断中起着重要的作用，尤其在眼科医学中，0CT设备已经成为眼科诊断和临床筛查的不可或 缺的工具。采用眼前节0CT成像设备可以获得眼前节的结构信息，例如可以获得角膜的厚 度，曲率半径，前方深度，厚度地形图，曲率地形图等。将0CT成像技术与角膜膨胀测量相结 合，可以直观地研究角膜在膨胀过程中角膜形态的变化情况，为系统性分析角膜生物力学 性能提供更加完善的数据信息。
【发明内容】
[0005] 为此，本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于0CT三维成像分析角膜生物 力学性能的装置及方法，以获得角膜的生物力学性能参数，供疾病的诊断和研究使用。
[0006] 于是，本发明提供了一种基于0CT三维成像分析角膜生物力学性能的装置，该装 置包括：〇CT系统、用于控制和测量眼内压并同步获得角膜0CT图像的主控机、用于固定离 体角膜的角膜固定器、与角膜固定器连接用于控制角膜固定器内压力的眼内压控制器和与 角膜固定器连接用于采集角膜所受压力，即眼内压的压力传感器，所述0CT系统包括低相 干光源、光纤耦合器、参考臂、光谱仪、光纤准直器、二维扫描振镜和汇聚透镜，低相干光源 发出的测量光通过光纤进入到光纤耦合器，经过光纤耦合器分光后，一端进入参考臂，另一 端通过光纤准直器进行准直，准直后的测量光通过二维扫描振镜和汇聚透镜后照射到角膜 上，角膜返回所述测量光，并和参考臂返回的测量光在光纤耦合器处发生干涉，干涉光进入 光谱仪，经过光谱仪将干涉光谱信息传输到主控机上，主控机经过光谱解析后获得角膜结 构信息。
[0007] 其中，所述主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息包括：主控机根据眼内压和 角膜顶点位移曲线建立应力和应变之间的关系，通过下列公式计算得到角膜组织的弹性：
，其中方为角膜的弹性模量，/^为角膜所受的眼内压，及是角膜的曲率半 径，々是角膜的位移变化量，7?角膜的平均厚度，&是角膜的泊松比，通过膨胀测试获得的 角膜随眼内压变化的顶点位移曲线，计算曲线的斜率从而确定p/D的值。
[0008] 所述主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息包括：主控机通过眼内压控制器可 以控制眼内压连续变化，主控机通过压力传感器可以实时采集得到眼内压的变化，随着眼 内压连续升高和下降，同步采集角膜0CT图像，得到角膜随眼内压变化而产生的应变。
[0009] 其中，所述同步采集角膜0CT图像包括：采集到的低相干光源的中心波长和带宽 用以确定0CT图像的纵向分辨率，采集到的光谱仪的光谱分辨率和解析速度用以分别确定 0CT图像的纵向成像深度和扫描速度，二维扫描振镜提供0CT图像的横向扫描范围，控制二 维扫描振镜的扫描方式获得眼前节二维结构图和眼前节三维结构图。
[0010] 二维扫描振镜的扫描方式为单振镜扫描时，获得眼前节二维结构图，二维扫描振 镜的扫描方式为两个振镜联合扫描时，获得眼前节三维结构图。
[0011] 所述汇聚透镜为可将入射平行光汇聚到一个平面上的平场镜，所述眼内压控制器 为注射栗或者活塞栗装置。
[0012] 所述角膜固定器内充满生理盐水用以模拟房水。
[0013] 本发明还提供了一种基于0CT三维成像分析角膜生物力学性能的方法，该方法包 括： 使低相干光源发出的测量光通过光纤进入到光纤耦合器，测量光在光纤耦合器内分光 后，一端进入参考臂，另一端通过光纤准直器进行准直； 光纤准直器准直后的测量光通过二维扫描振镜和汇聚透镜后，照射到角膜上； 角膜返回所述测量光，并和参考臂返回的测量光一并进入到光纤耦合器，在光纤耦合 器处发生干涉； 所述干涉光进入光谱仪，并经过光谱仪将干涉光谱信息传输到主控机上，主控机经过 光谱解析后获得角膜结构信息。
[0014] 其中，所述主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息包括：主控机根据眼内压和 角膜顶点位移曲线建立应力和应变之间的关系，通过下列公式计算得到角膜组织的弹性： 暴其中於3角膜的弹性模量，/兩角膜所受的眼内压，及是角膜的曲率半 径，々是角膜的位移变化量，7是角膜的平均厚度，:Ρ:是角膜的泊松比，通过膨胀测试获得的 角膜随眼内压变化的顶点位移曲线，计算曲线的斜率从而确定p/D的值。
[0015] 其中，所述主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息包括：主控机通过眼内压控 制器可以控制眼内压连续变化，主控机通过压力传感器可以实时采集得到眼内压的变化， 随着眼内压连续升高和下降，同步采集角膜0CT图像，得到角膜随眼内压变化而产生的应 变。
[0016] 本发明所述基于0CT三维成像分析角膜生物力学性能的装置及方法，通过使低相 干光源发出的测量光通过光纤进入到光纤耦合器，测量光在光纤耦合器内分光后，一端进 入参考臂，另一端通过光纤准直器进行准直，光纤准直器准直后的测量光通过二维扫描振 镜和汇聚透镜后，照射到角膜上，角膜返回所述测量光，并和参考臂返回的测量光一并进入 到光纤耦合器，在光纤耦合器处发生干涉，干涉光进入光谱仪，并经过光谱仪将干涉光谱信 息传输到主控机上，主控机经过光谱解析后获得角膜结构信息的方式，实现了角膜生物力 学性能参数的获得，获得的角膜生物力学性能参数供疾病的诊断和研究使用。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明实施例所述基于0CT三维成像分析角膜生物力学性能的装置的结构 框图； 图2是图1所示装置的进一步细化结构框图； 图3是图1所示角膜固定装置的结构示意图； 图4是使用图1所示装置采集角膜横截面的0CT图像； 图5是使用图1所示装置测量角膜所受眼内压和角膜弧顶位移关系图； 图6是角膜在不同眼内压下的三维图； 图7是角膜位移地形图； 图8是本发明一种实施例操作流程图； 图9是本发明一种实施例数据处理流程图。
【具体实施方式】
[0018] 下面，结合附图对本发明进行详细描述。
[0019] 如图1至图3所示，本实施例提供了一种所述基于0CT三维成像分析角膜生物力 学性能的装置，该装置包括：〇CT系统1、用于控制和测量眼内压并同步获得角膜0CT图像的 主控机2、用于固定离体角膜的角膜固定器5、与角膜固定器5连接用于控制角膜固定器5 内压力的眼内压控制器4和与角膜固定器5连接用于采集角膜6所受压力，即眼内压的压 力传感器力3。
[0020] 其中，所述0CT系统1进一步包括：低相干光源11、光纤耦合器12、参考臂13、光谱 仪14、光纤准直器15、二维扫描振镜16和汇聚透镜17。低相干光源11发出的测量光通过 光纤进入到光纤耦合器12,经过光纤耦合器12分光后，一端进入参考臂13,另一端通过光 纤准直器15进行准直，准直后的测量光通过二维扫描振镜16和汇聚透镜17后照射到角膜 6上，角膜6返回所述测量光，并和参考臂13返回的测量光在光纤耦合器12处发生干涉，干 涉光进入光谱仪14,经过光谱仪14将干涉光谱信息传输到主控机2上，主控机2经过光谱 解析后获得角膜结构信息。
[0021] 其中，低相干光源11的中心波长和带宽用于确定OCT图像的纵向分辨率，光谱仪 14的光谱分辨率和解析速度分别确定0CT图像的纵向成像深度和扫描速度。二维扫描振 镜16确定0CT图像的横向扫描范围和扫描方式。扫描方式可以为单振镜扫描实现二维成 像，也可以是两个振镜联合扫描实现三维成像，因此通过控制二维扫描振镜16可以获得的 眼前节二维结构图和眼前节三维结构图。汇聚透镜17,一般为平场镜，即将入射平行光汇聚 在一个平面上。
[0022] 眼球7与压力传感器3以及眼内压控制器4连接；或者离体角膜6放置在角膜固 定器5上，角膜固定器5内充满生理盐水模拟房水，压力传感器3和眼内压控制器4与角膜 固定器5连接；眼内压控制器4采用注射