專利名稱：眼科診斷儀器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及眼科分析和診斷系統(tǒng)，特別涉及對人眼結(jié)構(gòu)如角膜，晶體和視網(wǎng)膜等的形狀獲得精確的測示。例如，依本發(fā)明所設(shè)計的儀器可用于眼科手術(shù)以及普通的眼科診治，用于測量、計算和顯示角膜所選斷面的形狀。
眼科專業(yè)人員(這是指眼科醫(yī)生和驗光師)的主要工作之一是檢測眼的光學(xué)系統(tǒng)的屈光力。由于沿著進入眼睛的光路在光線首先在空氣與淚膜界面上發(fā)生的屈光指數(shù)變化是非常主要的，這一界面大約是在角膜前上皮表面，因此精確地測量角膜上皮表面的形狀是估量待測眼屈光力的關(guān)鍵。
眼科學(xué)的專業(yè)人員對從傳統(tǒng)的角膜散光測量讀數(shù)獲得的測量結(jié)果已感滿意。角膜散光測量讀數(shù)(簡稱K讀數(shù))對應(yīng)于角膜上皮與受測眼中心視軸相交點的屈率。K讀數(shù)通常用屈光力來表示，屈光力與屈率半徑的倒數(shù)成正比。K讀數(shù)對應(yīng)于角膜上皮一點的沿著通過該點的兩條光線的屈率。通常這兩條光線對應(yīng)于眼的主半軸和次半軸，也就是眼睛的鼻一顳軸(水平軸)和上-下軸(垂直軸)。
由于眼科專業(yè)人員首要考慮的是中心軸向視力，所以僅僅提供沿著垂直于視軸的主、次半軸的兩個屈率測量值的K讀數(shù)就表示對人眼中最重要光路上的屈光力的估測。
至今，眼科界一直將眼球表面近似為一個球面和一個柱面的組合，因而用20/20的屈光作為視力標準。這種近似在角膜前表面與視軸的交匯點上是正確的。眾所周知，這種近似不能代表從中心視軸朝著角膜緣徑向向外的結(jié)果，該角膜緣大致為角膜的最外邊緣，此處為角膜、鞏膜和虹膜間的過渡點。
現(xiàn)存有幾種測量角膜前表面靠近角膜緣的部位以及中央?yún)^(qū)的儀器，但是這些儀器產(chǎn)生的結(jié)果通常是假設(shè)眼球能近似為由球面和柱面組成。從某種意義上說，這些儀器在近似角膜表面形狀方面存在誤差，因為角膜表面朝向角膜緣匯聚并在一個較大區(qū)域內(nèi)擴散。
值得注意的例外是那些運用共焦顯微術(shù)的儀器，它們測定真實的屈率，而不做簡單的假設(shè)。但是運用共焦顯微術(shù)的系統(tǒng)具有非常有限的視野，其視野明顯地小于整個角膜表面。這些系統(tǒng)必須進行一系列測量，隨后利用組段技術(shù)或邊界配合算法將各段組合起來。這種拼接必然要涉及到在圖像的邊界(而不是內(nèi)部)出現(xiàn)插入物。與那些進行次數(shù)很少的測量所產(chǎn)生的插入物相反，共焦技術(shù)是在不同時完成的情況下作大量的測量。盡管一連串的測量可迅速地完成，但是如眾所周知的那樣，眼球的非自主運動發(fā)生在毫秒之內(nèi)，它比用共焦技術(shù)匯總?cè)繑?shù)據(jù)的速度要快，這就會引出誤差。
由于只能對角膜前表面上有限個實際部位進行測量，所以在根據(jù)測量結(jié)果來顯示出一個連續(xù)的圖形時，就必然要利用內(nèi)插法。在目前眼科界使用的大多數(shù)儀器中，在測量時，對角膜前表面的測量誤差倒不常發(fā)生，但是在利用內(nèi)插法制備顯示連續(xù)的角膜橫截面形狀的過程中卻常常出現(xiàn)誤差。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)、儀器和方法可以對角膜形狀和眼球其它結(jié)構(gòu)進行高精度的實時測量、計算和顯示。
根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)插法不僅能對角膜的淚膜層表面上的一系列給定部位進行測量，而且可以按解描述該表面的非限性普通微分方程的方式實時地完成上述測量。這種方法還可提供高幾階的導(dǎo)數(shù)，它用來產(chǎn)生連續(xù)的角膜形狀。
除了能改進K讀數(shù)和減少在近似角膜前表面形狀方面的誤差之外，本發(fā)明的方法和儀器還能實時地提供真實的角膜形狀。實時測量的意思是指要比眼科專業(yè)人員的觀察能力快地觀察和識別角膜形狀的變化，通常所用時間大約為一秒或更少。
已有幾種能實時測量(如上定義)角膜橫斷面形狀的儀器，它們綜合了掃描術(shù)、共焦顯微術(shù)和圖像重組術(shù)。也就是說，先應(yīng)用共焦顯微術(shù)對角膜橫斷面上選定的小塊區(qū)域進行一系列高分辯率測量，并對各塊橫斷面的形狀進行分析，然后將它們和另外單獨獲得的掃描圖形匯集起來，以提供一個近似的形狀。
已知人眼球的持續(xù)運動即可是自主性的又可是非自主性的，而且這些運動與整體的活動沒有必然的聯(lián)系，因而在用掃描術(shù)對角膜的不同片段進行掃描時，眼球的運動和變形會導(dǎo)致產(chǎn)生誤差。利用高速掃描機可減小這種誤差，但不能完全消除。
上述掃描術(shù)的優(yōu)點是能夠在一小塊區(qū)域內(nèi)進行大量的測量，因此對所限定的區(qū)域能產(chǎn)生出非常高分辨率的界限準確的圖象。為了獲得從角膜緣到角膜緣的全面的相同分辨率，就需要一套多光源和多測量點的笨重設(shè)備。由于拼湊的努力，利用掃描術(shù)能實現(xiàn)高速度和高的局部分辯力，但其代價是所有這些都是不確定的。
在本發(fā)明的一個實施例中，該儀器能實現(xiàn)較高的局部分辨率，而不會使其整體精確度處于不確定狀態(tài)。這是通過進行整體測量來實現(xiàn)的，因為該儀器的視野是可調(diào)的。這樣，為了獲得有關(guān)角膜形狀的全部信息，只需進行一次測量而不是一系列掃描。而且要獲得角膜表面上某一特別區(qū)域的高分辨率測量時，本發(fā)明的一個實施例將能把相同次數(shù)的測量收縮到由給定角膜區(qū)圍繞的有限區(qū)域內(nèi)。
這種方法類似于在半導(dǎo)體工業(yè)中用光刻技術(shù)(照像制版)來加工電路圖版，即把一個大樣板逐漸地聚焦成小區(qū)域，以產(chǎn)生緊湊和小的效果。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，變焦技術(shù)被應(yīng)用于確定視野，而且一種相應(yīng)的變焦技術(shù)用來擴大視野，以充滿顯示監(jiān)視器。
為了實施眼科手術(shù)，如放射狀角膜切開術(shù)、角膜上皮移植術(shù)、Keratimileusis、Keratophakia、大面積激光脫離術(shù)或其它手術(shù)，眼科醫(yī)生最關(guān)心的一個問題就是準確和可靠地測量角膜的形狀。這不僅在手術(shù)前是重要的，而且在術(shù)中角膜形狀演變期間以及在術(shù)后的愈合過程中都是很重要的。
本發(fā)明的一個特點是不僅可以滿足術(shù)前、術(shù)后所需的全角膜測量，而且還可以在術(shù)中提供反映手術(shù)效果的高分辨率圖。例如，為了在放射狀角膜切開術(shù)中測定切口深度，外科醫(yī)生要預(yù)先選定金剛石刀片從解剖刀伸出的深度以及刀片插入角膜的全深度。外科醫(yī)生據(jù)此在解剖刀劃過角膜時在刀尖上保持均勻的推力，而且相信在手術(shù)過程中角膜的形狀不會損壞。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在作放射狀角膜切開術(shù)時角膜經(jīng)常損壞。因此就要求外科醫(yī)生靠推測和主觀直覺來確定徑向切口的深度。由于變形增大，所以對于每個接續(xù)的切口來說，其切口深度逐漸變得不確定。
在本發(fā)明的一個實施例中，使得外科醫(yī)生能在手術(shù)即將開始之前首先檢測角膜形狀，而在術(shù)中能觀察到每個切口的切開深度，以便根據(jù)實際切口的測量值依需要逐漸地調(diào)整刀片，以后可再次提供對術(shù)后角膜形狀的全面測量。
本發(fā)明強調(diào)的另一個問題是在手術(shù)過程中使用一種測量裝置。角膜散光計(如Terry角膜散光計)目前已被用于手述室中，但是它們的功效不僅由其所能提供的信息范圍受到限制，而且還受到精度以及在測量中病人眼睛對醫(yī)生的妨礙所造成的限制。造成這種妨礙的一個原因是需要提供一個照明點的區(qū)域，然后角膜散光計檢測從角膜反射過來的這些光點。
為了得到中心視軸附近的反射或數(shù)據(jù)點，角膜散光計需要在中心視軸附近設(shè)置這樣的照明點。這些照明設(shè)施是非常笨重的，可且位于醫(yī)生接近術(shù)中人眼的通路上。在本發(fā)明的一個實施例中，將這些照明裝置設(shè)置在離眼睛有相當(dāng)一段距離的地方，從而解決了上述問題，將照明裝置的圖像通過分光器折疊到手術(shù)顯微鏡或其它成像裝置中，而不是將照明裝置沿著視軸設(shè)置，本發(fā)明在需要照明裝置的位置射出照明點的一個實像。這個位置是在病人眼和儀器或儀器所接的手術(shù)顯微鏡的物鏡之間。這個實象從眼中有關(guān)的表面反射，平行于儀器光軸反射來的照明點被采集起來并通過儀器進行檢測。然后產(chǎn)生出最好是帶有醫(yī)生所選眼的橫斷面以及數(shù)字式拓撲數(shù)據(jù)的實時顯示。
本發(fā)明的一個重要方面在于，系統(tǒng)中的光學(xué)系統(tǒng)使用物鏡作為圖像的向場鏡，而且將位于系統(tǒng)物鏡后面的物鏡的傅里葉平面轉(zhuǎn)換到儀器中一個中繼的、遠距離位置。這就提供了機會和空間距離，以將一或兩個光源圖形在物鏡的傅里葉平面和傅里葉平面的中繼或傳換位置之間進行折疊。在一個實施例中，如下所述，兩個不同的光源圖形利用兩個不同的分光器折疊到儀器的光軸中。
在這方面，為了醫(yī)生實時檢查，采用兩個單獨的顯示器。一個用來顯示眼立面輪廓的定性圖，這是從一系列同軸光圈得到的;另一個表示的是用于定性分析的角膜形狀的橫斷面圖，它是從離散的光點的選擇圖形中獲得的。
本發(fā)明的應(yīng)用不僅限于改進放射狀角膜切開術(shù)。任何需要改變眼的屈光力的外科手術(shù)都會從準確地顯示手術(shù)過程和效果中得到收益。更一般地說，各種眼部手術(shù)都能從本發(fā)明的方法和儀器中得到巨大的好處。而且，這種儀器可純粹用于診斷目的，例如驗光師可用之選配接觸鏡片。
下面描述的各種實施例是根據(jù)外科醫(yī)生的實際需要而具有不同結(jié)構(gòu)的。其共同的特點是在其所到之處都能提供高分辨率，同時維持計算速度和整體精確度，而且可隨時放寬其極限分辨率。
本發(fā)明的目的是為加強眼疾診斷和手術(shù)而提供一種高速、實時精確地監(jiān)測角膜-上皮和內(nèi)皮表面以及其它眼表面形狀的儀器、系統(tǒng)和方法。
從下面結(jié)合附圖對優(yōu)選實施例的說明中，可明確地理解本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點和特征。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的眼部診斷系統(tǒng)和儀器的總體設(shè)計的原理圖，圖中示出了一系列用于該實施例中的光學(xué)元件。
圖1A是圖1所示系統(tǒng)中某些部分的放大詳細原理圖。
圖1B是與圖1類似的視圖，但它表示了一種稍加改變的系統(tǒng)形式，其中列舉了可用于該系統(tǒng)的距離和其它光學(xué)值。
圖2是表示圖1中儀器與手術(shù)顯微鏡結(jié)合的一些部分的原理圖，它最好帶有一個簡單的附加的照像機接口(如C型接口)。
圖3是表示電視顯示器的一個例子的示意圖，該顯示器能提供由本發(fā)明儀器收集到的信息結(jié)果。
圖4表示了一組定性信息，它們能顯示給儀器的使用者。
圖5表示了一種常規(guī)的外科手術(shù)顯微鏡，圖2所示的實施例可用于其上。
圖6表示了一組直線排列的點光源的簡單圖形，這些點光源能根據(jù)本發(fā)明的實施例被用于測量角膜。
圖7是與圖6類似的示意圖，表示了可用于測量角膜的點光源的另一種圖形。
圖8是表示光的同心圓的示意圖，光能同時以圖6或圖7所示的圖形投射到角膜上，嚴格地作為醫(yī)生的定性信息，用來與通過圖6或圖7所示圖形獲得的定性測量結(jié)果相比較。
圖9表示了圖7所示圖形的變形情況，可以用本發(fā)明儀器讀數(shù)并進行分析，以測定角膜形狀。
圖10是另一個示意圖，表示了由圖8所示的投射所產(chǎn)生的反射圖形，以及反射圖形的變形。
圖11是表示離散點光源的反射圖形的示意圖，這個圖形可從圖6所示的測量投影上接收到。該圖還表示了二次反射的例子，它發(fā)生在內(nèi)皮表面，即角膜的背面。
圖12、13和14是示意性曲線圖，表示了光強與穿過角膜的距離間的關(guān)系，這個關(guān)系用于圖11所示的反射投影并表示出對這些反射的分析，以獲得有關(guān)角膜前表面和背表面(即上皮表面和內(nèi)皮表面)的信息。
在附圖中，圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的用于眼科診斷和分析的光學(xué)元件系統(tǒng)的原理圖。
該系統(tǒng)由標號10總體表示，它包括照明裝置或光源12;用于產(chǎn)生離散光源圖形的模板14，板中帶有孔眼，孔眼組成一定圖形;一個不變形的分光鏡16;一個將目標14的圖像投射到圖像平面22上的透鏡18。像平面22接近或重合于物鏡20的系統(tǒng)。將圖像投射到位置22的目的是使物鏡20作為向場鏡，它使形成圖像的光線彎向病人的角膜24。
如圖1所示，聚焦圖像22是個實像，它形成在某一平面或靠近透鏡20的地方，且在透鏡20和病人之間。實像最好成在透鏡20內(nèi)，但它也可以位于透鏡的近前(即在透鏡前幾毫米處)。在此實像中，每個點光源22a朝著病人射出一個光錐。這樣，實像中的每個點光源22a在病眼26的角膜24的前表面上產(chǎn)生無數(shù)個鏡面反射點。正如下面解釋的那樣，透鏡20的F數(shù)決定了所能測量的角膜的最大面積。物鏡用作向場鏡，病人眼角膜必須位于透鏡片20的焦距上。這可保證從眼反射回來的平行于儀器光軸的光線被聚到透鏡20后面的透鏡20的焦距點上。如下所述，這可使回光受孔眼作用，以便僅選擇那些近眼軸光線。這能使系統(tǒng)確定角膜上有光線反射的一個個檢測點。如果透鏡20不用做向場鏡，則該圖形最外側(cè)的光點將不從角膜反射。作為向場鏡，透鏡20有效地將外側(cè)光點折向人眼。
透鏡的焦距最好足夠長，以便在儀器和病人之間提供一個無阻擋的、合適的距離，并且為醫(yī)生和進行手術(shù)提供適當(dāng)?shù)墓ぷ骺臻g。
當(dāng)物鏡20作為向場鏡時，它的F數(shù)是最重要的，因為它將確定光線能從角膜平行于光軸反射的與光軸所成的最大角度。如果采用市場上可獲得的F/2鏡片，則在角膜上的有效范圍是直徑大約為3mm的區(qū)域。利用F數(shù)較小的鏡片，則角膜上的有效范圍將成比例地增大。
如圖1A所示，每個實像點光源22a至少產(chǎn)生一條反射光22b，該反射光平行于物鏡20的中心軸，如圖所示，所有軸向反射光線22b互相平行。對于每個點光源22a來說，軸向反射光線22b都是唯一的，除非角膜表面有極為明顯的局部破損或變形，從理論上說，這可導(dǎo)致從角膜上間隔的位置發(fā)出多于一條的軸向反射光線22b。
角膜的其它反射光線將到達并通過透鏡20，但正如下面所看到的那樣，只有那些非常近乎于平行的反射光線才能通過系統(tǒng)，用來做分析。將那些用來提供數(shù)據(jù)點的光線和光點與通過模板14投射的原始圖形加以比較，以便提供出能被求解進而確定出角膜形狀的數(shù)據(jù)。
如圖1的總體示意圖所示，反射光線反過來穿過透鏡20，然后通過透鏡18、分光鏡16、一個光圈或空間濾光片30和又一個透鏡32，最后被聚焦到一個檢測器或照像平面34上。
角膜24的屈率形成一個目標像22的虛像93。在文章《角膜切開術(shù)的新方法及其有效性的比較，第一部分》(著者S.G.EL Hage，發(fā)表于1971年11月的美國視力檢測學(xué)會的視力檢測和檔案的美國雜志上)中，EL Hage指出，在物鏡20的后焦平面或傅里葉平面上的光圈或空間濾光片將僅讓平行于光軸的光線通過，由此把來自虛像93上給定點的光線限制在從角膜24上特定點反射過來的光線中。在這個實施例中，需在物鏡20的后面間隔地設(shè)置透鏡18，用來將透鏡20的傅里葉平面轉(zhuǎn)換到光圈30。光圈30位于傅里葉平面的圖像中，它同樣僅選擇那些從角膜24反射來的平行于光軸的光線。
系統(tǒng)的后部透鏡32將點反射光的虛像93的變形圖象聚焦到檢測器或照像平面34。
如圖1A所示，照像平面34具有一條中心軸線C，它位于系統(tǒng)(包括物鏡)的光軸上。理想地，這條軸線應(yīng)盡可能靠近角膜的中心或視軸V。如果這些軸線明顯地錯開，那么從角膜來的許多反射光將不能反穿過系統(tǒng)。這里所討論的是假定這些軸線是重合的，但在它們之間存有小的偏移的情況下(如1毫米)，也能得到足夠的信息資料。如果一個反射的回光點位于照像平面34的中心軸C上，那么光線至少是在角膜和照像平面34的一個正交方向上沿角膜的視軸發(fā)出的，該正交方向如圖1A的圖紙平面上的中線方向所示。
同樣，如果一個特定的光點聚焦在照像平面或檢測面34上距中心軸線C有距離X′的地方，則該距離對應(yīng)于且線性地比例于角膜上反射點的距離X，距離X是光線22b到視軸V的距離。如果測量一個深度Y-從任意選定的基準面d到角膜上反射點的距離，并且測定一系列這樣的X和Y值，那么就可以解一個微分方程，以確定出作為X函數(shù)的Y，從而給出角膜在這個方向或沿主軸(即在圖1A平面上)的屈率。類似地，可以沿著角膜的正交軸(例如鼻-顳軸和上-下軸)進行測量和計算，以給出診斷和手術(shù)所需的有關(guān)角膜形狀的信息。
圖1A所示的Y值可從有關(guān)反射光點圖形的變形程度和光點間的空間關(guān)系的信息資料中推導(dǎo)出來，而這些信息是通過和實像22中原始投影圖形和結(jié)構(gòu)加以比較而獲得的。為此，以圖1A中平行光線22b為例，它是從圖1A右側(cè)的實像光源22a發(fā)出的，如果角膜屈率在此反射點較平緩，即角膜上該點的切線與視軸構(gòu)成較淺的角，則平行光線22b可以來自于一個不同的實像點光源，它位于圖形中的更左側(cè)。右端點光源22a也可以僅從角膜的另一點發(fā)出平行反射光，該點位于圖1A的更右側(cè)。在照像平面34所檢測的每個反光點可用電子學(xué)方法來識別，實質(zhì)上是計數(shù)陣列中的光點。
圖6表示了一個投影光圖形的例子，它可用于本發(fā)明的系統(tǒng)和方法中。在這個簡單圖形中，一個垂直線性陣列40由一個水平線性陣列42正交，其交點對應(yīng)于眼睛視軸。這是一個簡單的圖形，是按照圖1A設(shè)想的。
圖7示出了一個較為復(fù)雜的光點圖形44。這是光點的線性陣列的星狀圖形，它給出了角膜上更多個點的數(shù)據(jù)。它可確定一個五角星或任何類似圖形的外廓，但最好它具有表明它的轉(zhuǎn)動方位的某些手段。它可以呈現(xiàn)有奇數(shù)個頂點的星狀輪廓，使得其不對稱性能有助于識別待檢測的反射光點，其方法是將反射光點與原始的投影圖形44進行對比。圖9表示了一個反射圖形46，它可由圖7所示的圖形44產(chǎn)生出來，不過它的圖形是從具有某種程度的變形的角膜上反射來的。
圖1示意性地表明了檢測器或照像平面34是連接到微處理機50上的。微處理機可連接到一個顯示裝置，例如一個陰極射線管(CRT)監(jiān)視器52。從系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)由微處理機50接收，并受到分析。每個被檢測的光點都與光源圖形中特定光點的位置有關(guān)。對每個光點測定X值，即從光軸V到角膜上該光點的反射點的距離。它是根據(jù)系統(tǒng)已知的放大率通過正比例計算來確定的。每個反射光點都有一個表示到系統(tǒng)光軸距離的X值。對圖像中的光點的每個線性陣列必須要分別加以分析，并要做數(shù)學(xué)近似。如果采用圖7所示的復(fù)雜圖形44(星狀陣列)，就要沿著圖形的每條線進行分析和計算。
利用本發(fā)明的方法和系統(tǒng)，通過對角膜表面假設(shè)一個分析近似而確定出角膜的數(shù)學(xué)形狀。然后將這個分析近似代入到一個微分方程中，并進行某種形式的適當(dāng)擬合，以確定滿足該微分方程的系數(shù)。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，進行了非線性最小平方擬合。
這此工作是在微處理機50中進行的。該微處理機具有審查檢測器34檢測到的大量X值的程序，將所有這些值代入微分方程中，并得出作為X函數(shù)的Y的關(guān)系式。
適于這一目的一種微分方程是
dy/dx＝-( (a(y)-x)/(b(y)-y) )±[( (a(y)-x)/(b(y)-y) )2+1]1/2。其中y是反射點距基準面(如圖1A中的基準面d)的深度，x是反射點距視軸的距離，而(a，b)表示的是空間中照明點的實像位置的坐標。a表示特定的照明點22a(見圖1A)距視軸的距離，b表示該照明點距基準面d的深度。
用于此過程中的微分方程不是新的。這是一個可用來表示任何表面形狀的通用方程，此方程在上述EL Hage文章的第897頁中已被描述過。在這文章中，EL Hage討論了這個用于解角膜表面形狀的通用方程的各種用途。而且，他還論述了角膜表面形狀與角膜屈率計中一個角膜鏡環(huán)的關(guān)系。因此，這種推導(dǎo)本身并不屬于本發(fā)明的一個部分，但在此將其結(jié)合進本申請作為已知技術(shù)加以參考。
在該文章的第909頁，EL Hage展示了一種光學(xué)系統(tǒng)，它將一個像投射到角膜上，用來測定角膜上的反射光，他的光源與本發(fā)明中的實像是類似的，而且他將一系列光學(xué)元件設(shè)置在光源和人眼之間，包括在物鏡和人眼之間設(shè)置一個分光器。
下面的數(shù)表列出了一些示范值，它們可用來測定X值，并結(jié)合已知的a和b值來得到對應(yīng)于一個特定病人的角膜表面的一個關(guān)系式y(tǒng)＝f(x)。
再參見圖1，照明光源12可以是可見光源，在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，并不帶有一臺同軸外科激光器。例如，可以使用一種白熾燈。模板或目標14可以是激光器或光刻孔，其孔徑大約為30微米。分光鏡16可以是簡單的非變形平板玻璃分光鏡，它帶有反射率約為50%的表面涂層。
在本發(fā)明的一個具體實施便中，透鏡間的相互關(guān)系可按圖1B來選定。在圖1B中，給出了用于該實施例的透鏡間的距離、各種透鏡的焦距和直徑。例如，物鏡至人眼的距離至少約有110毫米。還給出了其它關(guān)系和距離，包括光圈或空間濾光片30的直徑。圖1B的系統(tǒng)示了一個單一的光源12，它投射出一個圖形并被折疊到儀器的光軸中。
檢測器或照像平面例如可包括一個高密度的光探測器陣列。
如圖1所示，微處理機50連接到一臺顯示監(jiān)視器52。圖3中示出了一種提供給醫(yī)生的實時顯示圖形54。在屏幕的左上象限，給出了病人的識別數(shù)據(jù)，以及K讀數(shù)和厚度值。這種信息的更詳細的例子示于圖4中。
屏幕顯示54的左下和右下象限示出了上皮和內(nèi)皮角膜表面在切割面A和B(如屏幕右上象限的平面圖所示)的深度參考值。這些切割面的位置最好由醫(yī)生選擇。然后輸入到微處理機50。
圖3的右上象限所示的變形圖像56是從一個第二投影獲得的，它更可取地用于在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中。如圖1所示，一個第二投影通過第二分光鏡60折疊到透鏡系統(tǒng)的軸上，第二分光鏡60反射從照明光源62穿過模板或掩模64的光線。掩模64具有多個同心的圓切口，以便在角膜前投射出同心圓的實像，如同點光源的圖形22一樣。
圖8示意地表示了一系列同心圓組成的圖形55，它是通過模板64投射珠。檢測器34可以是一個密度很高的像素(Pixcel)陣列，它能同時接收和檢測兩個反射的圖像。同心圓圖形可以通過每個光環(huán)的輪廓(Contiguity)而與點光源圖形分辨開來。微處理50采用的軟件可以抽查接收光線的每個像素并查定是否緊鄰的像素也正在接收光線。如果如此，就指示出一個光環(huán)的輪廓;反之，點光源的圖形(如圖6和7所示)將不顯示明顯的輪廓。這樣，微處理機50能分別對每個圖形加以區(qū)分和分析?；蛘撸谠撓到y(tǒng)的另一個實施例中，將一個附加照像檢測器和一個附加分光鏡設(shè)置在一起，用來把這些連續(xù)光環(huán)的圖像與離散的點光源的圖像分開來。
在采用傳統(tǒng)的角膜鏡或普拉西多氏環(huán)時，同心光環(huán)產(chǎn)生角膜反射，此反射圖形對應(yīng)于角膜表面的變形而變形。這可造成例如圖3所示的變形圖形56。
圖1示出了將兩個不同的光圖形折疊到系統(tǒng)中的透鏡18和20的軸上，為了給投射的兩個不同圖像建立起相反的極性，需要采用偏振鏡66和68。
一個用作為檢偏鏡(分析鏡)94的偏振鏡是可以轉(zhuǎn)動的，以選擇其中任何一個投影圖像。
圖2表示了另一個實施例，其中一些元件與圖1所示實施例中的相同，但在結(jié)構(gòu)上它直接連接一臺外科顯微鏡。外科顯微鏡子可以是由Weck、Nikon、Topcon、Zeiss、Nidek或Wild公司制造的，它通常包括一個供照像機用的標準的附加接口或螺紋連接裝置。圖5表示了一臺典型的標準外科顯微鏡。一個附加接口70(如C型接口)示于圖5中并由圖2中虛線示意地指示，它將包括有元件12、14、34、32、18和16的系統(tǒng)連接到外科顯微鏡的一個接口或光學(xué)鏡筒72上。一般地，外科顯微鏡具有一系列鏡片，以便在像平面74上產(chǎn)生一個像，該像平面距接口72上的附加接口有標準的距離，以便將一臺標準的35mm視頻照像機連到外科顯微鏡96上。因此，在本發(fā)明的這個實施例中，物鏡20被去掉了，代之以外科顯微鏡96的物鏡98。透鏡18的焦距被調(diào)整到能適宜地將外科顯微鏡的物鏡98的傅里葉平面95轉(zhuǎn)換到光圈平面30上。本實施例的幾乎所有其它方面均類似于前述實施例。一個可能的例外是，如果外科顯微鏡的物鏡98的F數(shù)不足以低到在角膜上獲得所需的有效范圍，那么在物鏡外側(cè)的多個位置上就必須加設(shè)多個點光源97。這些附加光可由受光照的針孔掩?；蚬鈱W(xué)纖維來產(chǎn)生。
圖11至14示出了本發(fā)明系統(tǒng)的一個方面，它能同時地實時檢測和顯示角膜上皮表面和角膜內(nèi)皮表面。圖11示出了一種反射圖形80，它從圖6所示的簡單圖形演變而來，出現(xiàn)在檢測器34上，它包括一對正交線性的光點陣列。如圖11所示，檢測到的每個光點82(它不在光軸上)將有一個二次反射像點84，它具有從角膜背面或內(nèi)表面發(fā)射來的很弱的光強。檢測到的陣列例如產(chǎn)生一個光強對距離的曲線，如圖12所示。高光強的尖峰86表示離散點光源從角膜前表面發(fā)生的反射，在尖峰之間出現(xiàn)某種程度的雜波88。在每個高光強峰86附近，存在一個明顯高于雜波88的光強次峰或集束90，它表示角膜內(nèi)皮表面上發(fā)生的光點低強度反射。圖12所示的曲線很容易被抽取或濾波，以便對高光強峰86和低光強峰90進行識別和分離。正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所能理解的那樣，計算機中的程序能首先從那些波幅高于預(yù)定閾值的尖峰確定信號組成成分，然后從信號上去掉對應(yīng)于高光強尖峰86的成分，以獲得一種僅包含低光強尖峰90和雜波88的信號。為了識別低光強尖峰90的位置，只需重復(fù)上述的識別高光強尖峰86的過程，但要采用較低的閾值。在本發(fā)明的某些實施例中，已經(jīng)證明了用電子學(xué)的方法放大那些從中已事先除去了高光強尖峰86的信號是十分有效的，這樣做的目的是有助于區(qū)分低光強尖峰90和雜波88。了解下述一點是很重要的，就是這種選擇過程通過觀察是很方便的，而且尖峰86和90的具體幅度并不如它們的實際位置那樣重要。
圖13和圖14分別表示了角膜前表面上的前反射和后表面上的后反射的光強對距離的曲線。
一旦知道了一次和二次反射并在圖13和14中確定了位置，則利用上述的近擬法就可計算出角膜前表面和內(nèi)表面的形狀和升高點，而且能給醫(yī)生提供出兩組數(shù)據(jù)。類似地，如圖3所示，在顯示屏的下部兩個象限中，提供了橫斷面和相稱的數(shù)值。
應(yīng)該理解的是，在附圖和說明書以及權(quán)利要求書中，術(shù)語“上”、“下”、“下部”、“上部”、“左”和“右”僅僅是為了便于描述圖示的實施例，而不是限制儀器或元件的方位。附圖不是按比例畫的。另外，術(shù)語“物鏡”是表示本儀器中的物鏡或外科顯微鏡的物鏡或最后一級聚焦鏡(當(dāng)本儀器用作為外科顯微鏡的一部分時)。
上述優(yōu)選實施例是要說明本發(fā)明的基本原理，并不是要限制發(fā)明的范圍。那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以提出其它實施例或?qū)ι鲜鰞?yōu)選實施例進行改變，但這都不會超出本申請的權(quán)利要求所限定的發(fā)明構(gòu)思和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于確定角膜形狀的眼科診斷儀器，包括一個作為儀器的光學(xué)元件的物鏡，它設(shè)置在儀器的光軸上，用于投射離散分開的點光源的圖形并在物鏡內(nèi)部和眼睛之間位置上形成點光源圖形的一個實像的裝置，利用作為所述圖形圖像的向場鏡的物鏡來擴展角膜上有效范圍的裝置，用于選擇和采集所述圖形在角膜上近軸反射的反射圖像并檢測基本上每個點光源在角膜上發(fā)生反射的反射位置的裝置，它包括用于將物鏡的傅里葉平面轉(zhuǎn)換到儀器中的一個中繼位置的裝置，它帶有設(shè)置在所述中繼位置用于限制所采集的來自角膜的近軸反射光的光圈裝置，該光圈裝置與物鏡間隔一定距離，用于分析采集到的反射圖像并將其與所投射的未變形圖形加以比較的裝置，包括與所投射的圖形相比較來分析反射點光源的相對位置和空間方位，和用于從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出角膜表面形狀的一種精確近似的裝置，這種近似將會產(chǎn)生采集到的圖形圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的儀器，其特征是離散分開的點光源的圖形包括一條以上的直線序列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的儀器，其特征是離散分開的點光源的圖形包括一種具有多列點光源的不對稱形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的儀器，其特征是該不對稱形狀包括具有奇數(shù)個頂點的星形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的儀器，其特征是用于擴展有效范圍的裝置包括用于將點光源圖像設(shè)置在物鏡中的裝置，以便使用物鏡作為向場鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的儀器，其特征是結(jié)合了一個具有標準的附加照像機接口的外科顯微鏡，所述的眼科診斷儀器通過附加的照像機接口連接到外科顯微鏡上，使外科顯微鏡的物鏡作為該眼科診斷儀器的物鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的儀器，其特征是包括一個照明光源，一個用于讓來自光源的光穿過的模板或掩模，設(shè)置在來自模板的投射光的光路上用于將投射的圖樣反射并折疊到與儀器的光軸同軸的光路上的分光裝置，該分光裝置設(shè)置在光圈裝置和物鏡之間，還包括位于分光裝置和病人眼之間用于將投射的圖形聚焦到病人眼前面的實像中的光學(xué)裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的儀器，其特征是還包括用于接收從角膜向后反射通過所述光學(xué)裝置和分光裝置的反射圖形的裝置，相對所述光學(xué)裝置位于分光裝置的相反側(cè)的檢測裝置，以及將回行的反射變形圖形聚焦到檢測裝置上的另一個光學(xué)裝置，所述的光圈設(shè)置在回行的反射圖形的傅里葉平面上，以便從檢測裝置上消除那些來自角膜的平行于儀器光軸的反射光線以外的其它全部光線，由此，檢測裝置上檢測到的圖形的空間方位可與原始發(fā)射的圖形相比較，以便通過對圖形的反射光點的位置分析來確定角膜形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的儀器，其特征是所述眼科診斷儀器還包括用于將離散分開的點光源的圖形朝向角膜折疊到儀器光軸上的裝置，用于投射圖形的所述裝置包括一個脫離開光軸和回行的變形的圖形圖像的光路的圖形的光源。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的儀器，其特征是還包括用于在投射離散分開的點光源的圖形的同時向角膜投射一個第二光圖形的裝置，該第二光圖形包括多個同心圓，還包括用于分別地分析從角膜反射來的有關(guān)同心圓的變形的反射光線和提供單獨的定性信息的裝置，所述信息可與通過離散分開的點光源的圖形所獲得的角膜表面形狀進行比較。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的儀器，其特征是所述投射第二光圖形的裝置包括一個第二光圖形的照明源、一個第二模板或掩模、沿著儀器光軸設(shè)置的用于把從第二掩模投射出的圖形折疊到儀器光軸上的第二分光裝置、和位于所述離散分開的點光源的投影圖形的光路上的第一偏振鏡以及位于第二光圖形的光路上的第二偏振鏡，由兩偏振鏡的取向所建立的相反極性使得兩投射圖形呈現(xiàn)為具有相反極性的實像，并使它們的反射光線更容易地利用檢測裝置處的偏振分析鏡加以分離。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的儀器，其特征是還包括用于單獨分析從角膜背或內(nèi)皮表面反射來的二次回行反射圖形圖像的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的儀器，其特征是所述用于單獨分析的裝置包括濾光裝置，濾光裝置用于以電子學(xué)的方法通過區(qū)分檢測到的光的不同波幅范圍來識別檢測裝置上的反射光點，這些反射光點來自角膜的前表面和背表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的儀器，其特征是所述用于數(shù)學(xué)推導(dǎo)的裝置包括計算機，它用于通過從角膜內(nèi)皮表面反射的反射光點在檢測裝置上的位置來確定角膜內(nèi)皮表面的形狀。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的儀器，其特征是所述用于投射一個圖形的裝置包括一個照明光源和一塊帶有離散的光刻孔圖形的板，以形成離散分開的點光源。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的儀器，其特征是所述用于從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)角膜表面形狀的裝置包括利用檢測到的反射點光源的空間方位來根據(jù)下列通用公式確定角膜沿眼上選定的切割平面的形狀的裝置，該公式為dy/dx＝-( (a(y)-x)/(b(y)-y) )±[( (a(y)-x)/(b(y)-y) )2+1]1/2其中y是一個角膜反射點距一個基準面的深度，x是該反射點距儀器光軸的距離，(a，b)是一個空間照明點的實像的坐標。
17.一種用于確定眼角膜形狀的方法，包括投射離散分開的點光源的一個圖形，并在眼前面的一個位置上形成該點光源圖形的一個實像，選擇和采集所述圖形從角膜近軸反射來的反射圖像，并檢測從角膜反射的基本上每個點光源的反射位置，分析采集到的返回的圖形圖像，將它與所投射的未變形圖形加以比較，這包括與該未變形圖形相比分析反射的點光源的相對位置和空間方位，和從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出角膜表面形狀的一個精確的近似，它將會產(chǎn)生出所采集到的圖形圖像。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征是所述離散分開的點光源的圖形包括一種具有交叉的點光源陣列的一般十字形的圖形，其交叉點位于儀器的光軸上。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征是所述離散分開的點光源的圖形包括一種在儀器的光軸上有一個交點的一般星狀的圖形，并且包括附加在所述圖形上用于建立起所述圖形的一種容易識別的轉(zhuǎn)動方位的措施。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征是包括采用一種離軸的照明光源，并通過一個掩模投射光線，然后用一個分光鏡將投射的圖形反射并折疊到與儀器光軸同軸的一條光路中，對從分光鏡上反射的圖形進行聚焦，以便在病人眼前形成一個實像，接受從角膜上反射回來的經(jīng)過該分光鏡的反射圖形并將其聚焦到檢測器上，還包括讓返回的反射光圖形穿過一個設(shè)置在通向檢測器的光路上的光圈，以消除平行于儀器光軸以外的其它從角膜上反射的全部光線，由此可將檢測器上檢測到的圖形的空間方位與原始發(fā)射的圖形進行比較，以便通過分析圖形反射點的位置來確定角膜形狀。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征是還包括在投射所述離散分開的點光源圖形的同時，向角膜投射具有同心圓圖形的第二光圖形，單獨地分析由角膜反射的有關(guān)同心圓的反射光線并分別給出定性信息，可將該信息與通過離散分開的點光源的圖形獲得的角膜表面形狀進行比較。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征是還包括單獨地分析從角膜的背或內(nèi)皮表面反射來的二次反射的圖形圖像。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其特征是所述單獨分析的步驟包括以電子學(xué)方法區(qū)分檢測器上從角膜前表面和背表面上反射回來的光點，這是通過識別檢測器上檢測到的光的不同波幅范圍來進行的。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其特征是包括用計算機數(shù)學(xué)推導(dǎo)出角膜內(nèi)皮表面形狀，這是根據(jù)檢測器上檢測到的由角膜內(nèi)皮表面反射來的光點位置來進行的。
25.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征是所述數(shù)學(xué)推導(dǎo)角膜表面形狀的步驟包括利用檢測到的反射的點光源的空間方位來根據(jù)下列通用公式確定角膜沿眼上一個選定切割平面的形狀，該公式為dy/dx＝-( (a(y)-x)/(b(y)-y) )±[( (a(y)-x)/(b(y)-y) )2+1]1/2其中y是角膜反射點距一個基準面的深度，x是該反射點距儀器光軸的距離，(a，b)是一個空間照明點的實像的位置坐標。
26.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征是還包括利用從角膜表面形狀的數(shù)學(xué)推導(dǎo)中獲得的信息以電子學(xué)的方法產(chǎn)生出眼睛在選定的切割平面上的橫斷面圖像。
27.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征是所述離散分開的點光源圖形是通過一臺外科顯微鏡的物鏡投射的，并且包括采集通過該外科顯微鏡的物鏡返回的圖形圖像。
28.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其特征是還包括產(chǎn)生和顯示表示所投影的同心圓的變形情況的圖像。
29.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征是一個前置物鏡包括一個最靠近病人眼的元件，該方法還包括使此前置物鏡離眼至少大約有110毫米的間距。
30.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征是包括將點光源圖形的圖像成形在物鏡中，以便利用物鏡作為向場鏡，從而獲得角膜的較大視野。
全文摘要
一種眼科診斷儀器，它通過將一個像投射到角膜上而確定角膜形狀。將離散分開的點光源的投射圖形折疊，使圖形朝眼同軸投射，并采集角膜的反射光，本儀器不要求圖形光源緊靠眼睛，并可給醫(yī)生提供精確顯示角膜形狀的實時圖像。因此醫(yī)生能在術(shù)前臨視角膜形狀，在術(shù)中監(jiān)視其變化，且術(shù)后還能進行監(jiān)視。在一個實施例中，點光源圖形的實像成在儀器的物鏡中，且非?？拷淝氨砻?，由此使物鏡作為向場鏡，并擴大了儀器的視角。
文檔編號A61B3/107GK1069873SQ9110860
公開日1993年3月17日 申請日期1991年8月31日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月31日
發(fā)明者H·阿爾弗里德·斯克拉, 阿蘭·M·弗蘭克, 奧爾加·M·佛里爾, 查理斯·F·麥克米蘭 申請人:鳳凰激光系統(tǒng)有限公司