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【专利摘要】一种用于测量眼的角膜和巩膜区域的地形图的方法和设备。该测量提供在巩膜接触镜片的制造中有用的表面轮廓。
【专利说明】用于确定眼地形图的方法和设备
【技术领域】
[0001] 本发明大体涉及一种用于进行光学测量的方法和设备，并且更具体地，涉及一种 用于测量眼的特别是角膜和巩膜区域上面的地形图的方法和设备。
【背景技术】
[0002] 病人的眼的表面形状或"地形图（topography) "的精确知识对于诸如白内障手术、 激光原位角膜磨镶（Lasik)手术的多项眼科手术、眼的检查和诊断，以及适配的光学功能 性的、舒适的接触镜片的制造是必不可少的。在所有这些应用中，关于角膜和巩膜的地形图 的信息是特别重要的。在包括在眼皮下方的区域的、镜片接触眼的区域中，眼拓扑结构的精 确知识大大有利于以实现最佳的旋转取向和病人舒适度的方式来制造镜片。然而，测量眼 拓扑结构，并且更具体地角膜和巩膜的拓扑结构，因眼在巩膜区域中的陡峭曲率、上下巩膜 区域的眼皮阻碍、和测量程序期间随机的眼运动而复杂化。
[0003] 相对于获取能够用来构建个人的眼的精确模型的测量而言，结合了光学相干断层 成像（0CT)和普拉西多环（Placido Ring)技术并且当前用来测量眼拓扑结构的现有技术 设备具有各种限制。普拉西多环技术例如通过将一系列同中心环投射到眼的表面上并且测 量环位置和变形以确定表面拓扑结构来操作。然而，由于沿着投射环的旋转轴的表面不规 贝1J，该技术不提供充分且精确的信息。因此，如果环由于眼表面拓扑结构中的不规则而结合 在一起则会失去信息。由于环的数量少，大约22个，分辨率在径向方向上是有限的，并且在 眼皮下不能测量表面拓扑结构。0CT通过获取在环绕垂直于瞳孔的前表面的轴的不同的角 位置处扫描的眼的高度轮廓截面的时间序列来操作。为了创建眼的三维模型，必须在眼不 移动的情况下扫描多个截面，然后在已扫描的截面之间维持严格对准的情况下精确地结合 该多个截面。很遗憾，因为没有办法让每个截面都以病人的眼上的固定空间参照物为基准， 所以如果眼在连续的顺序截面测量期间或中间移动，则模型将是不精确的。此外，由于巩膜 的陡峭弯曲，所以截面在直径上当前限制于近似16_。16_直径图像不足以包含具有高达 22_的直径的宽巩膜接触镜片。而且，0CT和普拉西多环扫描仪不容易适于在个体的眼皮 下测量巩膜拓扑结构。
[0004] 授予Wei等人的美国专利No. 5, 493, 109 (以下称为"Wei-109"）公开了具有眼科 手术显微镜的0CT设备。通过用从0CT设备输出的信号来驱动眼科手术显微镜的机动化内 聚焦镜头来提供自动聚焦。这样的系统的实施例包括：(a)光学相干断层扫描设备；(b)光 束组合器，其用于将来自0CT设备的输出内部地耦合到眼科手术显微镜；和（c)马达，其用 于响应于来自0CT设备的信号，移动眼科手术显微镜的内聚焦镜头。
[0005] 授予Wei等人的美国专利No. 6, 741，359 (以下称为"Wei-359"）公开了 0CT设备 并且描述了在Wei-109中所描述的系统的特殊方法学和局限性。Wei-359公开了用于扫描 0CT福射束的扫描仪的一个实施例，包括：(a)0CT福射源；(b)扫描仪；和（c)扫描光学器 件，其中，像面具有负场曲。如所公开的，Wei-109对于扫描眼的角膜区域是有限的。该系 统利用大孔隙和自动聚焦以满足角膜的场深参数。作为结果，并且如随后所描述，该过程还 影响系统的光收集效率。在Wei-359中，定制光学器件以近似于人类角膜的弧形的弯曲弧 形聚焦OCT辐射束。目的是将OCT辐射限制为平行于眼的表面。这样的系统产生沿着横跨 眼的直径的用户编程径向扫描线的深度分布信息。实际情况是，这样的系统出现限于角膜 区域的测量并且无法覆盖角膜区域和整个巩膜区域。
[0006] 最近已经进行尝试来为其角膜因诸如爆炸的事故受损或变形、或被诊断为患有圆 锥形角膜--促使角膜的中心区域变薄和向外凸出的疾病的个人制造"巩膜镜片"。由于常 规接触镜片位于角膜表面，所以它们不适合于这样的个人。然而，巩膜接触镜片靠在巩膜而 非变形的角膜上。因此，已经使用这样的巩膜透效果来恢复许多病人的视觉。该镜片通过 创建在受损的角膜上方升起的新的光学表面而工作。镜片的背面和角膜表面之间的间隙填 充有病人自身的泪液，该泪液产生充当液体绷带以安抚角膜表面上的神经的泪液池。镜片 的新近形成的刚性前光学表面因此通过病人的眼将光聚焦到后视网膜上以恢复视力。为了 以最佳的病人舒适度实现最好的光学性能，巩膜镜片必须完美地匹配病人的巩膜的形状、 曲度和拓扑结构，病人的巩膜是镜片的支承表面，包括眼皮下的支承区。
[0007] 诸如0CT设备的现有技术测量仪器不是实现这样的测量的最佳选择，因为它们限 制扫描直径和区域。也就是，这样的现有技术测量系统不能充分远地到达到巩膜中镜片接 触眼的位置。而且，人眼常常具有复曲面形状，因此，长短轴不一定在0°和90°处。还需 要计算复曲面眼轮廓信息来实现最佳适配。现有技术系统不测量巩膜的复曲面或提供长短 复曲面轴的扫描取向。
[0008] 这种测量能力的缺少已经限制了对巩膜镜片的使用。当前，有必要制造一组试镜 片以允许医师确定该组中最舒适的镜片，很像找到适合客户的脚的最佳的鞋大小而甚至没 有首先用尺来测量脚大小。如将明显的是，试配巩膜镜片是非常耗时的，只能由少数经过专 业培训的医生和专业人员进行，在所有阶段均需要技能人员并且是非常昂贵的。
【发明内容】
[0009] 因此，本发明的一个目的是提供用于提供眼的地形图的精确测量的方法和设备。 [0010] 本发明的另一个目的是提供用于提供眼的角膜和巩膜区域的地形图的精确测量 的方法和设备。
[0011] 本发明的又一个目的是提供考虑了巩膜区域的复曲面的用于提供眼的角膜和巩 膜区域的地形图的精确测量的方法和设备。
[0012] 本发明的再一个目的是提供用于最小化和简化制造巩膜接触镜片的努力的方法 和设备。
[0013] 本发明的还一个目的是提供用于最小化和简化用于确定眼的地形图的过程的方 法和设备。
[0014] 本发明的另一个目的是提供用于最小化和简化用于确定眼的角膜和巩膜区域的 地形图的过程的方法和设备。
[0015] 本发明的另一个目的是提供用于自动地测量巩膜的复曲面、自动地计算长短复曲 面轴、以及自动地扫描眼以提供沿着两个复曲面轴的轮廓信息的方法和设备。
[0016] 本发明的另一个目的是提供在巩膜-角膜区域中创建眼的三维模型的方法和设 备。
[0017] 根据本发明的一个方面，用于测量其特征在于至少一个有区别的视觉特征的眼的 表面的地形图的设备包括相机、扫描仪和控制器。沿着成像轴瞄准相机以便捕捉包括至少 一个有区别的视觉特征的眼的表面的二维图像。在扫描操作期间，在沿着多个隔开的扫描 线中的每一个的多个位置处，扫描仪产生对应于从内部基准到眼的表面的距离。在该扫描 期间，维持相机和扫描仪之间的固定的空间关系。控制器连接到相机和扫描仪。该控制器 用于：（1)控制扫描仪以在扫描操作期间沿着扫描线产生至少一次扫描，以由此沿着扫描 线获得多个距离，（2)使相机在各个扫描期间捕捉至少一个眼图像，以及（3)为各个扫描存 储由扫描仪获得的距离信息和来自相机的对应捕捉的图像信息。处理模块结合来自各扫描 线的距离信息和对应捕捉的图像信息，以由此获得眼的地形图的精确表示。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 所附权利要求特别指出并且明确地要求保护本发明的主题。本发明的各目的、优 势和新型特征将从结合附图阅读下列详细描述更加充分明显，在附图中，相似的附图标记 表示相似的零件，并且其中：
[0019] 图1描绘眼的简化截面；
[0020] 图2为对理解本发明的方面有用的眼的数学表示。
[0021] 图3为对理解本发明的某些方面有用的眼和成像光学器件的表示。
[0022] 图4为对理解本发明的其它的方面有用的眼和成像光学器件的表示。
[0023] 图5为对理解本发明的其它的方面有用的眼和成像光学器件的另一个表示。
[0024] 图6为对理解本发明的方面有用的眼的截面并且具有巩膜镜片的表示；
[0025] 图7为图6的眼的截面连同对理解本发明有用的注释。
[0026] 图8为图6的眼的截面连同结合本发明的设备的第一实施例的功能视图；
[0027] 图9为对理解本发明有用的成像光学器件的功能视图；
[0028] 图10为被用作轮廓测量单元并且包括本发明的特征的眼扫描设备的一个实施方 式的简化框图；
[0029] 图11为轮廓测量单元的另一个实施方式的框图；
[0030] 图12为对理解本发明的方面有用的框图；
[0031] 图13为结合了本发明的系统实施的框图；
[0032] 图14为带注释以公开所感兴趣的区域的动物眼的图像；
[0033] 图15为在图14的眼的扫描期间由结合了本发明的设备产生的来自巩膜区域的信 号的图形；
[0034] 图16为在图14的眼的扫描期间由结合了本发明的设备产生的来自角膜缘区域的 信号的图形；
[0035] 图17为在图14的眼的扫描期间由结合了本发明的设备产生的来自角膜区域的信 号的图形；
[0036] 图18为在图14的眼的扫描期间由结合了本发明的设备产生的来自角膜和瞳孔区 域信号的图形；
[0037] 图19示意性地描绘结合了本发明的设备的第二实施例的组织；
[0038] 图20示意性地描绘结合了本发明的设备的第三实施例；
[0039] 图21描绘结合了本发明的设备的第四实施例；
[0040] 图22描绘结合了本发明的设备的第五实施例；
[0041] 图23描绘结合了本发明的设备的第六实施例；
[0042] 图24描绘结合了本发明的设备的第七实施例；
[0043] 图25为对理解本发明有用的示意图；
[0044] 图26为根据本发明构造的眼扫描设备的框图；
[0045] 图27为对于图26中的眼扫描设备有用的控制系统的示意图；
[0046] 图28、图29和图30对理解根据本发明的一个方面的眼地形图的产生是有用的。
[0047] 图31示意性地描绘用于获得眼的全波状模型的设备；
[0048] 图32对理解眼的复曲面是有用的。
[0049] 图33为根据本发明的某些方面获得的可能由眼科医师使用的眼的图像的示例；
[0050] 图34和图35为眼的图像和利用0CT设备获得的覆盖范围；
[0051] 图36为如何能够修改0CT系统以获得更大的眼覆盖率的示例；以及
[0052] 图37A和图37B对理解可能用来扩展0CT设备的有效性的设备是有用的。
【具体实施方式】
[0053] 图1至图6在理解现有技术和现有技术当被应用于精确地确定任意眼的角膜和巩 膜区域的地形图时，特别地当该信息将被用在制造巩膜镜片中时的局限性上是有用的。难 以使诸如眼的具有陡峭曲率的巩膜区域的表面区域成像。图1以截面描绘眼29。当来自 源的入射光束301垂直撞击在角膜31和视网膜32的表面上时，入射光束301被朝成像光 学器件向回反射并且散射，如由反射的光束30R和30R'指示地。然而，当入射光束341撞 击在巩膜33的陡峭区域上时，大多数光作为直接反射束34R远离成像光学器件反射并且散 射，因为入射角α必须等于反射角。散射光作为准定向散射束34Q和离轴散射束340出现。 到达现有技术设备的少量的光能不足以提供关于巩膜33的表面拓扑结构的任何有意义的 信息。
[0054] 第二个局限性是当光学场深增加以对具有更大高度和深度的对象成像时所发生 的信噪比（即，图像质量）和图像的横向分辨率的下降。图2和图3图示通过0CT设备成 像的眼29的区域的光学场深（D0F)和直径（DIA)之间的图形关系。方程式（1)和方程式 (2)从数学上描述必须将场深（D0F)增加到什么程序以适应较大的图像直径。
[0055]
【权利要求】
1. 一种用于测量眼的地形图的设备，所述眼的特征在于至少一个有区别的视觉特征， 所述设备包括： A) 相机，所述相机沿着成像轴被定向，以捕捉包括所述至少一个有区别的视觉特征的 所述眼的二维图像， B) 扫描仪，所述扫描仪在子午线扫描期间，在多个位置处生成与从内部基准到所述眼 的表面的高度距离对应的距离信息， C) 用于限定所述相机和所述扫描仪之间的固定空间关系的装置， D) 旋转台，所述旋转台用于使所述扫描仪旋转，以由此获得多个子午线扫描线中的每 一个的距离信息，以及 E) 控制器，所述控制器连接到所述相机、所述旋转台和所述扫描仪，所述控制器包括： i) 用于在旋转扫描操作期间在所述至少一个子午线扫描线中的每一个处控制所述扫 描仪以沿着每个子午线扫描线产生至少一个高度测量以由此获得多个距离的装置， ii) 用于在旋转扫描操作期间使所述相机捕捉所述眼的至少一个图像的装置， iii) 用于在旋转扫描操作期间产生所述旋转台的增量旋转以生成多个子午线扫描的 信息的装置， iv) 用于在旋转扫描操作期间存储在每个子午线扫描期间获得的所述距离信息以及来 自所述相机的对应捕捉的图像信息的装置，以及 v) 图像拼接装置，所述图像拼接装置用于处理在所述存储装置中的所存储的距离和所 捕捉的图像信息以由此获得所述眼的地形图的精确表示。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述扫描仪包括测量单元，所述测量单元具有照 射源和成像装置，所述成像装置用于接收来自所述眼表面的光并且对于每个子午线扫描产 生高度距离。
3. 根据权利要求2所述的设备，其中，每个子午线扫描测量到角膜和巩膜中的至少一 个的高度距离。
4. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述扫描仪包括测量单元，所述测量单元具有光 学位置传感器并且具有扫描镜，所述光学位置传感器具有照射源，所述扫描镜在子午线扫 描期间跨所述眼的一部分地引导来自所述照射源的照射。
5. 根据权利要求4所述的设备，其中，每个子午线扫描测量距角膜和巩膜中的至少一 个的高度距离。
6. 根据权利要求1所述的设备，另外包括用于提供使病人观察的视觉目标以由此为每 个旋转扫描操作固定所述眼的取向的装置，并且所述图像拼接装置处理在每个旋转扫描操 作期间获取的信息以获得所述眼的地形图。
7. 根据权利要求6所述的设备，其中，所述视觉目标装置包括用于支撑病人的头的装 置，并且其中，所述视觉目标装置对于每个旋转扫描操作显示在不同的观察位置处的图像 以由此引导所述眼的运动来暴露所述眼的不同区域。
8. -种用于测量眼的表面的一部分的地形图的设备，所述眼的特征在于至少一个有区 别的视觉特征，所述设备包括： A)相机，所述相机沿着成像轴被定向，以捕捉包括所述至少一个有区别的视觉特征的 所述眼的二维图像， B) 扫描仪，所述扫描仪在扫描期间，在多个位置处生成与从内部基准到所述眼的表面 的高度距离对应的距离信息， C) 用于限定所述相机和所述扫描仪之间的固定空间关系的装置，以及 D) 控制器，所述控制器连接到所述相机和所述扫描仪，所述控制器包括： i) 用于在扫描期间控制所述扫描仪以产生扫描以由此在不同的位置处获得多个高度 距离的装置， ii) 用于在所述扫描期间使所述相机捕捉至少一个眼图像的装置， iii) 用于为所述扫描存储由所述扫描仪获得的所述距离信息和来自所述相机的对应 捕捉的图像信息的装置，以及 iv) 用于处理在所述存储装置中的所述距离信息以由此获得所述眼的沿着所述扫描的 地形图的精确表示的装置。
9. 根据权利要求8所述的设备，其中，所述扫描仪包括测量单元，所述测量单元具有照 射源和成像装置，所述成像装置用于接收来自所述眼表面的光并且对于每个扫描产生高度 距离。
10. 根据权利要求9所述的设备，其中，所述测量单元相对于所述眼定位，由此每个扫 描测量距所述眼的角膜和巩膜的距离。
11. 根据权利要求8所述的设备，其中，所述扫描仪包括测量单元，所述测量单元具有 光学位置传感器并且具有扫描镜，所述光学位置传感器具有照射源，所述扫描镜在扫描期 间跨所述眼的一部分地引导来自所述照射源的照射，以由此限定所述扫描。
12. 根据权利要求11所述的设备，其中，所述测量单元相对于所述眼定位，由此每个扫 描测量距所述眼的角膜和巩膜的距离。
13. 根据权利要求9所述的设备，其中，所述扫描仪包括用于获得光学相干断层图像的 装置、用于记录关于每个图像的位置和测量的空间信息并且用于获得角膜和巩膜中的至少 一个的地形图的装置。
14. 根据权利要求13所述的设备，其中，所述设备包括图像拼接装置，所述图像拼接装 置用于处理在所述存储装置中的所存储的距离和所捕捉的图像信息以由此基于所述光学 相干断层信息获得角膜和巩膜中的至少一个的地形图的精确表示。
【文档编号】A61B3/10GK104114080SQ201280060863
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年10月17日 优先权日:2011年10月17日
【发明者】罗伯特·P·毕晓普 申请人:爱迪尔扫描有限责任公司