CN110325101A - 用于眼角膜的高分辨率地形图的方法和装置 - Google Patents

Abstract

装置由共焦干涉测量装置、空间分辨检测器、用于定位目的的设备和评估单元构成。本发明的分束器用于在空间分辨检测器上将由角膜反射的光信号中的一些输出耦合和成像，参考光源与延迟线和分束器一起布置在该检测器上游，以便实现由角膜反射的有待在空间分辨检测器上成像的光信号的一部分与参考信号叠加。评估单元被实施为从干涉测量装置和空间分辨检测器的同时记录的信号确定角膜的地形图。所提出的解决方案将共焦FD OCT方法与成像全息镜的元件组合，并从而可以以必要的准确度干涉测量角膜的地形图，特别是在已经建立的系统中，诸如蔡司的700。

Description

用于眼角膜的高分辨率地形图的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于基于光学无接触数据捕获来确定眼角膜的地形图的方法和装置。

背景技术

眼睛上的角膜地形图是具有微米准确度的角膜检查方法，其中，创建了角膜表面的一种地图。眼科医生在数千个单独的点测量角膜的曲率范围。眼睛的角膜地形图有助于角膜曲率的精确成像。眼科医生可以基于这些结果确定可能的病理变化。通过角膜地形图对眼睛的精确测量对于校正屈光不正也是非常重要的。

关于较新的应用方面，诸如

·白内障手术，

·IOL镜头计算，

·隐形眼镜适配，以及

·屈光激光手术，

地形图方法面临在测量的准确度和可再现性方面的特殊挑战；这些使得有必要改善传统的地形图方法或开发新方法。

用于测量眼角膜地形图(来自拉丁角膜组织：“角质鞘”)的更常规的仪器包括那些基于除了角膜曲率计和沙姆相机之外的普拉西多环系统的投影的仪器。

较新的地形图方法包括共焦的光学相干断层扫描(OCT)，其基于白光干涉测量法，并借助干涉仪比较信号的飞行时间。这里，使用具有已知光路长度(＝参考臂)的干涉仪的臂作为测量臂的参考。来自两个臂(参考臂和测量臂)的信号的干涉产生一种模式，从该模式中可以读取A扫描(单个深度信号)内的相对光路长度。然后，在一维扫描方法中并且以类似于超声技术的方式，在一个或两个方向上横向引导光束，其结果是可以记录二维B扫描或三维断层图像(C扫描)。举例来说，对于由100个单独的A扫描构成的B扫描，需要一秒的测量时间。

OCT方法的测量分辨率由所采用的光源的所谓相干长度确定，并且通常处于约15μm。该方法由于其特别适用于检查光学透明介质而在眼科中广泛使用。

在眼科中使用的OCT方法中，有两种不同的类型占优势。为了确定测量值，参考臂在第一种类型的长度方面发生变化，并且连续测量干涉强度而不在过程中考虑光谱。该方法称为“时域”方法。相反，在被称为“频域”的另一种方法中，考虑光谱并且为了确定测量值而捕获单独光谱分量的干涉。为此，一方面参考时域中的信号(缩写为：TD)，并且另一方面参考频域中的信号(缩写为FD)。

与角膜测量法和普拉西多地形图的传统方法相比，其可以通过相机芯片的曝光来产生数据记录而不会扰乱眼睛运动，OCT方法的相对长的扫描时间是不利的并且需要进一步的校正程序。

因此，EP 0 563 454 A1描述了一种用于借助于光源和干涉仪检查眼睛的解决方案。在该过程中，眼睛装置在第一光束路径中，并且使得由眼睛的分界面反射的物体光波干涉参考光波。检测和评估干涉现象，其中，根据本发明规定，评估通过至少一个光电传感器实现，并且参考光波被引导通过限定的光学元件以干涉物体光波。虽然这里描述的解决方案也使得可以确定眼角膜地形图，但是不可能确定波前偏差的符号或角膜的绝对曲率半径。

现有技术中的另一个缺陷是，还不可能用当前可用的成本有效的共焦OCT系统提供角膜的可靠的地形图数据。除了分辨率和再现性之外，与眼睛运动结合的长扫描时间的问题是当前主要仅能够使用高精度眼睛跟踪器来控制。

具有普拉西多环形投影和OCT器具的组合器具将需要相对大的设计，特别是普拉西多盘阻挡了操作者对患者眼睛的观察并且导致更耗时的过程。如果在地形图期间应该获得到巩膜区域中的高达约16mm的直径，则普拉西多投影仪将需要对应更大的尺寸并且将继续使处理更加困难，或者光学设计仅可以在非常有限的范围实施。

蔡司的700[1]已经收集了B扫描图以用于测量眼睛中的生物轴向距离，并因此也收集了角膜表面地形图的数据网格。该系统(其中所获得的生物特征数据受基于OCT图像的视觉检查影响)通过具有高重复性和临床数据库连接的更好的屈光度测定结果来区分。此外，在再现性的标准偏差相对低的情况下可以获得OCT数据。然而，关于相对慢的扫描速率指定的当前缺点适用于该系统。

在DE 102011 018 603 B3中描述了此种用于散射样品的光学3D成像的方法，特别是用于确定空间散射强度分布的方法。这里，样品被不同波长照射，由样品反射的光和参考光在2D光检测器阵列上成像，并且对于波长中的每个分别记录一个全息图。通过各种中间步骤从所有计算的波场重建样本的至少一层中的散射强度的分布。

传统全息镜的这种解决方案(其对应于扫频光源OCT的广泛应用)中的缺点应该被认为是必须实现和评估非常多的图像以便从该图像栈中提取深度信息。

文献：

[1]蔡司的700，DE_32_010_0009II德国印刷CZ-I/2015；卡尔·蔡司医疗公司，2014。

发明内容

本发明的目的在于开发一种基于OCT的生物测定解决方案，该解决方案还有助于确定眼角膜的地形图。在这样做时，该解决方案应满足对于测量数据的准确度和可再现性方面的不断增长的需求。

该目的通过所提出的用于眼角膜的高分辨率地形图的方法来实现，其中眼睛由共焦的干涉测量装置的照射源照射，由共焦的干涉测量装置和空间分辨检测器两者检测由角膜反射的光信号，并且光信号通过以下方式被转送到评估单元，

a)将光照辐射聚焦在角膜的曲率中心上；

b)由角膜反射的光信号的从分束器输出耦合并在空间分辨检测器上成像的部分与参考信号叠加，该参考信号由参考光源与延迟线一起产生，

c)参考信号具有与由角膜反射的光信号类似和已知的波前形状，并且通过延迟线设置参考信号，使得其能够干涉由角膜反射的光信号，

d)在空间分辨检测器上产生干涉图案的同时，由干涉测量装置确定角膜表面与参考面的距离，以及

e)由评估单元从空间分辨检测器和干涉测量装置的在至少一个时间点所记录的测量信号中确定角膜的地形图。

根据本发明的用于眼角膜的高分辨率地形图的装置由以下构成：公焦干涉测量装置、空间分辨检测器、用于定位目的的设备和评估单元，该装置通过以下方式实现该目的：干涉测量装置基于频域OCT方法，并且其辐射聚焦在角膜的曲率中心上，设有分束器以用于输出耦合并且在空间分辨检测器上将由角膜反射的光信号中的一部分成像，设有与延迟线和分束器一起的参考光源以用于将由待成像的角膜反射的光信号的一部分与参考信号叠加到空间分辨检测器上，并且参考光源布置在空间分辨检测器的上游，参考光源被实施用于产生具有与由角膜反射的光信号类似且已知的波前形状的参考信号，并且评估单元被实施为从干涉测量装置和空间分辨检测器同时记录的信号中确定角膜的地形图。

虽然根据本发明，该目的是通过独立权利要求的特征实现的，但是优选的发展和实施例是从属权利要求的主题。

所提出的解决方案用于确定眼角膜的地形图并且基于相干光学地形图系统。根据本发明，该解决方案将共焦FD OCT方法与成像全息镜的元件相结合，并从而可以以必要的准确度干涉测量角膜的地形图，特别是在已经建立的系统诸如蔡司的700中。

附图说明

下面基于示例性实施例更详细地描述本发明。在这方面

图1：示出了根据本发明的用于眼角膜的高分辨率地形图的装置。

具体实施方式

在用于眼角膜的高分辨率地形图的方法中，通过共焦的干涉测量装置的照射源照射眼睛，由角膜反射的光信号通过共焦的干涉测量装置和空间分辨检测器两者来检测，并且光信号被转送到评估单元。根据本发明，该方法包含以下各个方法步骤：

a)将光照辐射聚焦在角膜的曲率中心上，

b)由角膜反射的光信号从分束器输出耦合并在空间分辨检测器上成像的部分由参考信号叠加，该参考信号由参考光源与延迟线一起产生，

c)参考信号具有与由角膜反射的光信号类似且已知的波前形状，并且参考信号通过延迟线设置，使得其能够干涉由角膜反射的光信号，

d)由干涉测量装置确定角膜表面与参考面的距离，同时在空间分辨检测器上产生干涉图案，

e)由评估单元从空间分辨检测器和干涉测量装置的在至少一个时间点记录的测量信号确定角膜的地形图。

根据第一有利配置，干涉测量装置使用频域OCT方法，特别是扫频OCT方法。在这样做时，眼睛由干涉测量装置的照射源通过照射光束照射，照射光束的孔径角为20°至100°，优选为60°。

照射源的辐射被聚焦，特别是以会聚方式聚焦到角膜的曲率中心，角膜的曲率中心位于正常角膜的顶点后面大约8mm处。为了照射直径大约为6mm的角膜区域，需要大约45°(转动)的会聚激光波的孔径。

由角膜反射的光信号的测量值通过共焦的干涉测量装置在与光照辐射的焦平面共轭的平面中捕获。

根据本发明，由角膜反射的光信号中的一部分在空间分辨检测器上成像。

由角膜反射的光信号的部分，总共2％至50％、优选大约10％由存在于该端的分束器输出耦合并在空间分辨检测器上成像。

根据第二有利配置方式，空间分辨检测器利用曝光时间来记录干涉信号，该曝光时间与干涉测量装置的调谐时间和照射源的波长范围匹配，使得实现在10μm和1mm之间的范围内的有效相干长度。

根据本发明，空间分辨检测器的曝光时间在调谐照射源所需时间的1％至100％的范围内。该曝光时间限制了可测量的深度范围。在这个可测量的深度范围之外的物点具有干涉现象，这些干涉现象在时间上非常快速地变化以至于需从空间分辨检测器的记录中对这些求平均。

如已经提到的，由在空间分辨检测器上成像的角膜反射的光信号的部分由参考信号叠加，该参考信号具有与由角膜反射的光信号类似且已知的波前形状。

根据第三种有利的配置方式，使用球面波作为参考信号，该球面波的中心与角膜的曲率中心共轭。后者通过延迟线设置，使得能够干涉由角膜反射的光信号。根据本发明，参考光源从共焦的干涉测量装置的可调谐照射源输出耦合以便与后者相干。

根据本发明，在照射光聚焦到角膜顶点上的情况下发生成像的点附近，由空间分辨检测器和干涉测量装置同时记录与焦点具有不同距离的至少两个测量信号对，以用于将两个系统彼此校准。为此，在空间分辨传感器的至少两个图像中确定由角膜反射回的光信号的散射圆的直径。如果将该散射圆的直径绘制在距共焦OCT测量的角膜顶点的距离处，则可以例如通过线性回归确定光信号将以完全聚焦的方式入射在空间分辨检测器上的点。由于通过共聚焦OCT测量的距角膜顶点的距离对于该状态也是已知的，因此可以将两种测量原理相互关联，例如，基于温度效应，在干涉测量装置中补偿路径长度变化。

根据进一步的有利配置方式，利用校准因子来使用由干涉测量装置连续确定的距离测量信号，以便设置延迟线。优选地，延迟线以马达驱动的方式更新。

此外，校准允许补偿热效应，例如，其可以影响前透镜的焦距或整体设置中的路径差异。该校准过程在背景中执行，并且用户无法察觉。通常，这也仅在实际测量之后实施，以便相应地校正测量结果。

参考信号连续的距离校正确保了空间分辨检测器仍仅实现对除了角膜反射之外还包含干涉环的记录。

根据进一步的有利配置方式，在照射光聚焦到角膜的曲率中心上的情况下发生成像的点附近，由空间分辨检测器记录至少一个测量信号，由角膜反射的光信号与理想球面波的偏差通过干涉测量法确定，并且角膜曲率的绝对半径并因此角膜的地形图同时由干涉测量装置提供的测量信号建立。

然而，不能仅从一个测量信号对来确定由角膜反射的光信号与理想球面波的偏差的符号。为此，需要第二测量信号对，其距焦点的距离略微不同。尽管在空间分辨检测器上成像的参考信号的延迟以马达驱动的方式被设置为由角膜反射的光信号，但是“零延迟”的小的和随机的偏差可能由于患者运动的随机分量而发生，其结果是检测器图像中干涉环的对比度变化。

在空间分辨检测器的至少两个测量信号中比较角膜相同点处的干涉对比度。通过考虑属于相应测量信号对的距角膜顶点的距离，可以明确地确定波前偏差的符号，如通过共焦的干涉测量装置所确定的。

根据最后的有利配置方式，在照射光聚焦到角膜的曲率中心上的情况下发生成像的点附近，由空间分辨检测器记录多个测量信号，其中，调整空间分辨检测器的参考信号的延迟线使得更强烈地从零延迟显著偏离，并因此可测量的深度范围被扩展以用于角膜的严重非球面曲率。因此，对于强烈非球面弯曲的角膜，可以通过组合可得自单独测量的测量信号的部分以形成所得的测量信号，来获得所得的测量信号。

根据本发明，在角膜的绝对曲率半径确定的准确度源于干涉测量和相干光学距离测量的准确度。在干涉测量的准确度低于100μm的情况下，并且在相干光学距离测量的准确度低于5μm的情况下，可以确定角膜的绝对曲率半径的准确度为±5μm。

所提出的方法甚至适用于测量与球形有显著偏差的眼角膜，例如在某些疾病的情况下，诸如圆锥角膜等。

因此，由于深度测量范围不足，干涉现象仅在要在空间分辨检测器的测量信号中测量的角膜表面的一部分上可见。

在这种情况下，记录与焦点具有更强偏差的多个测量信号是有利的。角膜的地形图的重叠部分可以从这些记录重建，因此角膜的整体地形图可以通过重复重建从多个此类图像中补充和组合。

所提出的用于高分辨率的眼角膜地形图的装置包括共焦的干涉测量装置、空间分辨检测器、用于定位目的的设备和评估单元。

根据本发明，干涉测量装置基于频域OCT方法，其辐射聚焦在角膜的曲率中心上。本发明的分束器用于在空间分辨检测器上将由角膜反射的光信号中的一部分输出耦合并成像。

为了将由要在空间分辨检测器上成像的角膜反射的光信号的一部分与参考信号叠加，参考光源与延迟线和分束器一起布置在空间分辨检测器的上游。

干涉测量装置的照射源被设计成使得光照辐射聚焦在角膜的曲率中心上并且照射直径大约6mm的角膜区域。

根据本发明，参考光源被实施为产生具有与由角膜反射的光信号类似和已知波前形状的参考信号。这里，参考光源从共焦的干涉测量装置的可调谐照射源输出耦合以便与后者相干。

评估单元被实施为根据干涉测量装置和空间分辨检测器的同时记录的信号确定角膜的地形图。

根据有利的配置方式，干涉测量装置基于扫频OCT方法，其照射源被实施为产生具有介于20°和100°之间的孔径角的照射光束，特别优选为60°。

根据本发明，实施用于将由角膜反射的光信号中的一部分输出耦合并成像的分束器，使得在空间分辨检测器上成像的部分在由角膜反射的全部光信号的2％和50％之间，优选地大约为10％。

根据进一步的有利配置方式，参考光源被实施为产生球面波，以便将由角膜反射的光的一部分叠加在空间分辨检测器上，球面波的中心与角膜的曲率中心共轭。此外，根据本发明，延迟线由光纤准直器和后向反射器构成。优选地，参考信号在该过程中以马达驱动的方式适配，为此目的，后向反射器具有例如移动线圈驱动器。

根据进一步的有利配置方式，空间分辨检测器的曝光时间与干涉测量装置的照射源的调谐时间和波长范围匹配，使得可实现10μm和1mm之间的范围内的有效相干长度。

在这方面，图1示出了根据本发明的用于眼角膜的高分辨率地形图的装置。

该装置由共焦干涉测量装置2构成，该装置2在此仅由盒表示并且包含可调谐照射源(未示出)。该照射源经由分束器3和光学器件4照射眼睛1。由眼睛1的角膜反射的光信号在共焦干涉测量装置2和空间分辨检测器5两者上成像。由眼睛1的角膜反射的光信号在两个测量装置2和5之间由分束器3分配。

参考光源6与延迟线7和另外的分束器8一起布置在空间分辨检测器5的上游，以用于将由眼睛1的角膜反射的光信号的一部分与参考信号叠加。这里，参考光源6的光辐射经由光导9从共焦干涉测量装置2的可调谐照射源输出耦合，以便与后者相干。

使用根据本发明的解决方案，提供了一种用于眼角膜的高分辨率地形图的方法和装置，其基于光学无接触数据捕获。

目前的基于OCT的解决方案允许捕获眼睛的生物特征值和地形图值，并且在该过程中，满足关于测量数据的准确度和可再现性的日益严格的要求。

如果另外已知距眼睛的距离，则基于干涉测量的地形图测量可以实现测量值的高准确度。与此相反，尽管在共焦的基于OCT的断层摄影测量的情况下可以知道距眼睛的距离，仅通过OCT系统的较低分辨率的顺序表面扫描获得测量值的准确度不足。所提出的解决方案组合了两种类型的地形图测量的积极特性。

所提出的解决方案的优点在于，一个照射源提供用于共焦干涉测量装置和用于空间分辨相机测量装置两者的测量辐射。这使得额外需要的光学部件的数量保持为低。可以省去用于确定地形图的复杂照射装置和以远心方式校正的检测光学器件。

Claims (17)

1.一种用于眼角膜的高分辨率地形图的方法，其中，眼睛由共焦的干涉测量装置的照射源照射，由共焦的所述干涉测量装置和空间分辨检测器两者检测由角膜反射的光信号，并且所述光信号被转送到评估单元，其特征在于，

a)将光照辐射聚焦在角膜的曲率中心上；

b)由角膜反射的所述光信号的从分束器输出耦合并在所述空间分辨检测器上成像的部分与参考信号叠加，所述参考信号由参考光源与延迟线一起产生；

c)所述参考信号具有与所述由角膜反射的光信号类似的且已知的波前形状，并且通过延迟线来设置所述参考信号，使得所述参考信号能够干涉由角膜反射的所述光信号；

d)在所述空间分辨检测器上产生干涉图案的同时，由干涉测量装置确定角膜表面与参考面的距离；以及

e)由所述评估单元从所述空间分辨检测器和所述干涉测量装置的在至少一个时间点所记录的测量值来确定角膜的地形图。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干涉测量装置使用频域OCT方法，特别是扫频OCT方法。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述照射源利用孔径角为20°至100°的照射光束照射眼睛，所述照射光束的孔径角优选为60°。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于在空间分辨检测器上成像的分束器将所述由角膜反射的光信号的部分输出耦合，该部分对应于2％至50％，优选大约10％。

5.根据权利要求1和4所述的方法，其特征在于，所述空间分辨检测器以曝光时间来记录所述干涉信号，所述曝光时间与所述干涉测量装置的所述照射源的调谐时间和波长范围匹配，使得实现了10μm和1mm之间的范围内的有效相干长度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用球面波作为参考信号，所述球面波的中心与角膜的曲率中心共轭。

7.根据权利要求1和6所述的方法，其特征在于，在照射光聚焦到角膜顶点上的情况下发生成像的点附近，由所述空间分辨检测器和所述干涉测量装置同时记录具有距焦点不同距离的至少两个测量信号对，以用于使两个系统相对彼此校准。

8.根据权利要求1、6和7所述的方法，其特征在于，所述干涉测量装置连续地提供用于设置所述延迟线的距离测量信号。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在照射光聚焦到角膜的曲率中心上的情况下发生成像的点附近，由所述空间分辨检测器记录至少一个测量信号，所述由角膜反射的光信号与理想球面波的偏差通过干涉测量法来确定，并且角膜曲率的绝对半径、进而所述角膜的地形图同时由所述干涉测量装置提供的测量信号来建立。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，在照射光聚焦到角膜的曲率中心上的情况下发生成像的点附近，由所述空间分辨检测器记录多个测量信号，为了扩展角膜的严重非球面曲率的可测量的深度范围的，在此过程中调整所述空间分辨检测器的所述参考信号的所述延迟线使得显著更强烈地从零延迟偏离，其中，所述测量信号从单独部分测量信号聚集和/或插入。

11.一种用于眼角膜的高分辨率地形图的装置，由共焦的干涉测量装置、空间分辨检测器、用于定位目的的设备和评估单元构成，其特征在于，所述干涉测量装置基于频域OCT方法，并且所述干涉测量装置的辐射聚焦于角膜的曲率中心上，存在分束器以用于将由角膜反射的光信号中的一部分输出耦合并成像到所述空间分辨检测器上，存在与延迟线和分束器一起的参考光源以用于将待成像到所述空间解析检测器上的由所述角膜反射的光信号的部分与参考信号叠加，并且所述参考光源布置在所述空间分辨检测器的上游，所述参考光源被实施用于产生具有与由角膜反射的所述光信号类似且已知的波前形状的参考信号，并且所述评估单元被实施为从由所述干涉测量装置和所述空间分辨检测器同时记录的信号中确定角膜的地形图。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述干涉测量装置基于扫频OCT方法。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述干涉测量装置的所述照射源被实施为产生具有介于20°和100°之间的孔径角的照射光束，所述孔径角特别优选地为60°。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，用于将由角膜反射的所述光信号中的一部分输出耦合和成像的所述分束器被实施为，使得在所述空间分辨检测器上成像的部分在2％和50％之间，优选大约为10％。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参考光源被实施为产生球面波，以用于将由角膜反射的光的一部分叠加在所述空间分辨检测器上，所述球面波的中心与角膜的曲率中心共轭。

16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述延迟线由光纤准直器和后向反射器构成。

17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空间分辨检测器的曝光时间与所述干涉测量装置的照射源的调谐时间和波长范围相匹配，使得可以实现在10μm和1mm之间的范围内的有效相干长度。