CN104114080B - 用于确定眼地形图的方法和设备 - Google Patents

Abstract

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。

Description

用于确定眼地形图的方法和设备

技术领域

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

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。

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(OCT)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则，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。OCT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16mm。16mm直径图像不足以包含具有高达22mm的直径的宽巩膜接触镜片。而且，OCT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。

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OCT设备。通过用从OCT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***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OCT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OCT设备的信号，移动眼科手术显微镜的内聚焦镜头。

授予Wei等人的美国专利No.6,741,359(以下称为“Wei-359”)公开了OCT设备并且描述了在Wei-109中所描述的***的特殊方法学和局限性。Wei-359公开了用于扫描OCT辐射束的扫描仪的一个实施例，包括：(a)OCT辐射源；(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***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***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***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***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。

最近已经进行尝试来为其角膜因诸如***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。

诸如OCT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***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***不测量巩膜的复曲面或提供长短复曲面轴的扫描取向。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

附图说明

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：

图1描绘眼的简化截面；

图2为对理解本发明的方面有用的眼的数学表示。

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。

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。

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。

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；

图7为图6的眼的截面连同对理解本发明有用的注释。

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；

图9为对理解本发明有用的成像光学器件的功能视图；

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；

图11为轮廓测量单元的另一个实施方式的框图；

图12为对理解本发明的方面有用的框图；

图13为结合了本发明的***实施的框图；

图14为带注释以公开所感兴趣的区域的动物眼的图像；

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；

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；

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；

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；

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；

图20示意性地描绘结合了本发明的设备的第三实施例；

图21描绘结合了本发明的设备的第四实施例；

图22描绘结合了本发明的设备的第五实施例；

图23描绘结合了本发明的设备的第六实施例；

图24描绘结合了本发明的设备的第七实施例；

图25为对理解本发明有用的示意图；

图26为根据本发明构造的眼扫描设备的框图；

图27为对于图26中的眼扫描设备有用的控制***的示意图；

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。

图31示意性地描绘用于获得眼的全波状模型的设备；

图32对理解眼的复曲面是有用的。

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；

图34和图35为眼的图像和利用OCT设备获得的覆盖范围；

图36为如何能够修改OCT***以获得更大的眼覆盖率的示例；以及

图37A和图37B对理解可能用来扩展OCT设备的有效性的设备是有用的。

具体实施方式

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30I垂直撞击在角膜31和视网膜32的表面上时，入射光束30I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34I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34O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。

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OCT设备成像的眼29的区域的光学场深(DOF)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(DOF)增加到什么程序以适应较大的图像直径。

和

其中，DIA＝最大可测量直径，DOF＝场深，

并且

R＝眼球的近似半径。

然而，如已知的是，增加场深(DOF)需要成像光学器件的数值孔径(NA)减小，并且，如还已知的是，NA²是由成像光学器件收集的光或信号量的度量。

图3描绘用于使眼球29成像的成像透镜35，该成像透镜35显示场深(DOF)和对于该场深能够测量的最大可测量直径(DIA_max)。如还已知的是，NA由下式给出：

其中，λ＝照射波长，并且NA＝成像光学器件数值孔径。

如将明显的是，该关系具有不利的效果。首先，减小NA通过增加由下式给出的最小可检测特征(RES)的大小而降低了横向分辨率：

减小NA还降低由下式给出的光学器件的光收集效率和光收集锥角：

光收集效率≈NA² (5)

和

光收集锥角θ＝2*sin^-1(NA) (6)

为了更好地理解减小光收集锥角的效果，考虑具有图4中的锥角36和图5中的较小的锥角36'的成像光学器件。撞击在眼29的弯曲表面上的光的入射束37I和37'I以某种组合沿着光束37R和37'R反射，并且沿着光束37S和37'S散射。当反射和散射的光落入成像光学器件的收集锥角36内时，如图4中所示，该光由成像设备捕捉。在图5中较小的锥角36'的情况下，光落到收集锥角的外部并且不由光学器件捕捉，并且不能够提供关于表面拓扑结构的任何信息。

图4和图5还描绘锥角和场深之间的关系，其中，图4中的场深36DOF小于***中的具有较小锥角36'的场深36'DOF。

表1(下面)列出作为现有技术成像光学器件的数值孔径的函数的光收集锥角、焦深(DOF)、最大现有技术图像直径、分辨力、和光收集效率。

表1进一步图示对弯曲表面成像的问题有多严重。例如，具有0.08数值孔径的镜片具有9.17度的光收集锥角，但是仅具有0.04毫米(40微米)的场深(DOF)。因此，在眼被扫描时，弯曲表面迅速离焦。通过使用具有0.005的数值孔径(NA)的镜片，该小场深能够增加到9.75毫米，但是这将收集锥角减小到极小的0.57度。因此，随着眼的曲率开始增加，反射和散射的光束迅速落到成像光学器件的锥角的外部。而且，由***的成像光学器件收集的总的组合的反射和散射光与NA²成比例。因此，例如将NA从0.04减小到0.005使收集的光量减少为1/275。因此，利用现有技术***确定个人的眼的表面拓扑结构的测量是困难的，即使不是不切实际的。

在此背景下，图6和图7为具有其角膜41、巩膜42、前房43、虹膜44、晶状体45、玻璃体46、视网膜47和在角膜41和巩膜42的边界处的角膜缘48的人眼29的图解。图6描绘靠在巩膜42上的镜片50。测量图6和图7中的眼的角膜和巩膜区域两者的地形图的***要求应包括具有12mm场深的24mm的最大轮廓直径。而且，***必须足够快以防止在扫描期间眼运动不利地影响数据的获取。

如图1中所示，当用设备从垂直于角膜41的表面的角度(即，图1中垂直地)照射眼29时，在朝眼的外部极限横跨巩膜42横向地扫描时，光入射角和反射角迅速增加。然而，如果相对于角膜表面的顶部从某一角度注视眼及旁边，则角膜41和巩膜42的外部区域的位置能够示出为位于沿着如图7中所指示的虚切线51和52。

现在参照图8，用于测量巩膜42和角膜41的曲率的一个方法涉及在角膜和相邻的巩膜的眼覆盖部分的表面处建立“切”线50或51并且将用于光学束的光源53或光源54放置到线性轨迹上，并且该束分别相对于虚切线51和53以给定的角度(θ)取向。已经发现，相对于垂直于瞳孔的顶部的轴的角度27°<β<47°提供改善的结果。已经成功地使用约37°的值。功能上，在光源53和54中的每一个沿着通过位置1至7的轨迹移动离开眼时，对应的入射光束横向地横跨眼的表面，从巩膜42的外极限朝角膜41移动并且到角膜41上。在扫描入射束的角的整个持续期间，反射束和散射束保持近似相同，由于眼的表面中的小扰动而仅略微改变。

参照图9，当入射束57I在沿着诸如切线51的切线的位置处撞击在眼的表面上，并且沿由箭头SD表示的方向扫描眼29时，从表面反回的光束由直接反射分量57R和多个散射分量57S构成，该直接反射分量57R和多个散射分量57S总体地形成被称为表面的双向反射率函数的光能的卵形空间分布。在本发明的具体实施例中，入射束与成像光学器件的角度被优化为对于巩膜和角膜区域的扫描收集最强的信号。

图10和图11分别示出使用远心和非远心光学器件，以收集来自眼的直接反射的和准定向散射光束并且使用三角测量提供距离测量。图10描绘封装入射光束源61和具有远心成像光学器件的相机的集成测量单元60。图11描绘包括集成测量单元63的另一个实施例，该集成测量单元63具有入射光束源64和具有非远心成像光学器件66的相机。

重要的是，从所有径向测量获取的数据相互空间对齐，并且与眼中相同的已知空间位置对齐。因此，如在许多眼测量中真实的，在数据获取过程期间眼不应移动。还曾报导，可能有时候甚至在稳定固定期间也可能偶然发生5度或10度的扭转扫视。

当测量轮廓时，有用的是，了解图7中所示的角膜缘48的近似位置，以计算接触镜片应提升或开始升高到巩膜42上方的最佳位置。然而，获得精确光滑的拓扑结构映射是非常困难的，因为巩膜42和角膜41的光学光反射和散射性质(双向再分布函数)是不同的。巩膜42是白色的，具有产生相对强的反射和定向散射信号的光亮表面。相比较，角膜41是清澈的并且自然地被设计用以不反射地透射光；因此，来自角膜41的直接反射和定向散射光学分量两者是相对弱的。

当观察眼的不同区域时输出的相机信号由以下方程式给出：

Cam_sig≈[((ILLUMIN*REF*TIME_积分*NA²*K)+NOISE]*Eg] (7)

其中：

ILLUMIN＝入射在眼上的总照射功率

REF＝反射或散射离开被扫描的眼的表面的照射光百分比，并且由下式给出：

TIME_积分＝由相机收集光的持续时间

NA²＝成像光学器件的(数值孔径)²并且是多少反射和散射光被成像光学器件收集的度量

K＝相机的光学功率到电子信号转换常数，

NOISE＝当观察暗场时相机电子器件的电子引入噪音，并且

Eg＝相机信号的电子增益或放大率。

能够按照光学增益(Og)和电子增益Eg来表达方程式(8)，使得：

Cam_sig≈[((REF*Og)+NOISE]*Eg (9)

其中

Og＝[ILLUMIN*REF*TIME_积分*K)] (10)

定性地，从方程式(9)：

[Og x Ref]>NOISE以便检测来自眼的被扫描区域的信号，

增加电子增益Eg使相机输出信号中的噪音的幅值增加，并且

增加电子增益Eg不提高信噪比：

因为：

当扫描巩膜42时，其光滑白色表面使许多照射光束返回到相机，产生强电子信号，因此，光学增益Og和电子增益Eg两者均能够保持在最小水平。这暗示使用最小照射功率，因为光学增益OG与照射强度成比例。相比较，由于来自角膜的弱反射和散射信号水平，对角膜41的表面的检测需要大得多的光学和电子增益。如图12中所示，因为相机同时接收两个信号——来自角膜的弱信号和来自下面的虹膜的强得多的信号，所以对角膜表面的检测进一步复杂化。

参照图12，当源在位置81处时，其入射光束84击中巩膜42并且朝相机向回反射并且散射由束85表示的强信号。当照射束通过在位置80处的源在角膜41上面扫描时，源光束撞击在角膜41的表面上，并且仅小百分比的功率被反射和散射回到相机，如由束82所示。大部分功率透射通过角膜，如由撞击在虹膜44的表面上的照射束83所示，虹膜44进而朝相机向回反射和散射由束84表示的更强的信号。从图12还将观察到的是，来自角膜和虹膜的、被成像到相机上的束的空间位置是不同的。然而，由于全部束同时击中相机，对于沿着角膜的给定空间位置，轮廓测量单元必须在空间地扫描眼时实时地并且在从相机中读出信号时实时地控制电子增益(Eg)和光学增益(Og)两者。

根据本发明，实质上代表巩膜、角膜、和虹膜的各信号峰具有自动被优化以便处理信号的电子增益和光学增益。通过改变相机积分时间(TIME_积分)、照射功率(ILLUMTN)和照射脉冲宽度(PW)来调节光学增益。图13所示的主信号控制模块90提供这样的优化。主信号控制模块90包括相机信号分析模块91，该相机信号分析模块91具有通过照射控制模块93控制来自光源92的照射功率和脉冲宽度的能力。分析仪模块91还通过控制模块95调整相机或光学传感器积分时间，并且调整被供应给在电子增益控制97的控制下的放大器96的相机输出的幅值。

更具体地，这样的主信号控制模块90能够被实施为如下：

A.为模块97中的电子增益Eg、模块95中的相机积分时间(TIME_积分)、模块93中的照射强度(ILLUMIN)和照射脉冲宽度(PW)设置预定的最小值和最大值，使得：

Eg_min≤Eg≤Eg_max

TIME_积分min≤TIME_积分≤TIME_积分max

IL_min≤ILLUMIN≤IL_max

PW_min≤PW≤PW_max

B.参照图12和13，当扫描巩膜42时，接收到强信号。当这种情况发生时，模块97、95和93经由监测相机或光学传感器信号电平的分析仪91提供的反馈回路将Eg、TIME_积分和Pw设定成最小值。

C.当扫描到达角膜缘48时，来自角膜41的弱返回信号立即使电子增益Eg和光学增益(Og)增加。

D.当扫描到达虹膜44时，时间上稍后在相同的相机输出线中检查来自虹膜44的更强的信号，并且光学和电子增益减小。

如先前所陈述的，光学增益是积分时间、照射脉冲宽度和照射功率变量的函数。这些变量增加和减小的顺序是可编程的。图13中的相机或光学传感器的读出时间以及主信号控制模块90的处理时间相对于轮廓测量单元的空间扫描速率而言必须非常快，以确保能够从相机读出重复性数据的多个测量，并且在相机或光学传感器仍然看着眼上相同的位置的同时调节各种参数。

能够使用独立的部件或通过使用激光移位传感器实施各轮廓测量单元。这样的传感器结合了激光照射源、高速CMOS相机传感器、和电子器件以实时调节照射功率、照射脉冲宽度、传感器积分时间、和传感器增益，并且在沿着扫描线的连续的位置处提供距离。将这样的传感器结合到根据上文描述的光学、机械、电子和处理参数配置的轮廓测量单元中以使得对如图14所示的猪眼的巩膜、角膜缘、和角膜区域的检测成为可能。将猪眼放置在盘子中并且用一个轮廓测量单元扫描它。图15示出对巩膜的检测及其离轮廓测量单元的已知位置的距离。图16示出对角膜缘的检测，指示角膜的位置和虹膜的起点。图17示出来自角膜和虹膜两者的信号，并且图18示出来自角膜和瞳孔的信号。因此，能够使绘制这些图所依据的基本数据同化以创建眼的巩膜和角膜区域的表面轮廓。

已经发现，与诸如红光的具有较长波长的源光束相比，诸如蓝光的具有较短波长的源光束将产生更大百分比的朝光学传感器反射和散射的光，实验已经证明，从角膜反射的红光为208/(256+208)x100％＝45％，而从虹膜反射的光为256/(256+208)x100％＝55％，表明与从角膜的表面相比更多光从虹膜反射。如果角膜将变得非常薄，正如圆锥形角膜病人那样，两个反射的红光束将在光学传感器的表面上一起空间地移动，使得难以精确地检测薄角膜的空间位置。当用较短波长的蓝光照射角膜时，角膜反射光的180/(72+180)x＝72％，而虹膜反射28％。来自角膜的信号比来自虹膜的信号强2.5倍，以促使对角膜表面的检测。

再次参照图8、图10和图11，该***包括成像单元和光源。在图8中，光源沿着路径53移动，同时从光源到眼29的直接照射基本上垂直于切线51。在图10和图11中，集成光源/光学传感器沿着路径53移动，同时从光源到眼29的直接照射基本上垂直于切线51。在各个扫描期间，有必要移动图8的光源以及图10和图11中的集成光源测量单元60和63。这样的集成测量60或63的部件产生具有相当重量的结果，并且具有当在短距离上迅速移动这样的结构时出现伴随的质量和惯性问题。这可能限制这样的设备获得本发明的所有益处的能力。

图19描绘包括光束源121以及相机和成像光学器件122的三角测量单元120的替代实施例。由于这些部件被容纳在单元120内，所以它们在单次扫描操作期间相对于测量单元120不经历运动。来自光束源121的照射被引导至容纳在测量单元120内的重量极轻的扫描镜123。扫描镜经历±θ/2的角位移。从镜123反射的光能被引导至θ透镜124。如在本领域中已知的，θ透镜使沿着不同轴接收的来自诸如扫描镜123的源的光沿着如由θ透镜124和眼29处的切线51之间的虚线125所示的平行轴重定向。该照射模式具有与图8的模式相同的特性，但是在该实施例中，唯一的移动元件为具有最小重量的扫描镜123。

作为另一个替代三角测量单元，图20公开了具有固定光束源131以及相机和成像光学器件132但是无θ透镜集成测量单元130。在该构造中，在反射镜133旋转通过其操作角时，光在它们从镜133传播到切平面51时从沿反射镜133沿着线136直接传输。在合理的测量范围内，通过移动扫描镜通过受限的运动范围(例如，对于离眼100mm远的测量距离，±5°)，来扫描眼的角膜和巩膜是可能的。如先前所指示的，来自角膜和巩膜的反射光根据双向反射函数起作用(图9)。因此，在扫描镜运动的小角度范围内，成像光学器件应能够在眼的整个扫描区段内收集强信号，而无显著的变化或误差。这样的构造，虽然不像图20的θ透镜***那样产生平行于切线的照射光束，但是最小化或消除对θ透镜及其伴随支持结构的需要，由此减少单元130中光学部件的数量并且减轻单元130的总重量。当构造用于使测量单元130绕眼旋转以允许进行连续的扫描和角度移位位置的设备时，测量单元的重量是考虑因素。

图21描绘又一个测量单元140变型，其中，扫描镜的位置和以及相机和成像光学器件的位置改变。集成测量单元140包括光束源141，该光束源141将光引导至扫描镜142并且通过θ透镜143。θ透镜143进而将光沿着平行路径144重定向而以相对于垂直于瞳孔的顶部的轴约27°至47°的范围内倾角与切线51交叉；在一个实施例中，该角度被选择为约37°。从眼29反射的光名义上沿着平行路径145传播到相机和成像光学器件146。

参照图19和图21，在图19中，相机光学器件场深(DOF)必须足以使遍及外部照射光线125之间的光线与眼表面的所有交点贴近切线51聚焦。图21的设备最小化场深要求，因为所感兴趣的所有反射眼表面(例如，角膜、巩膜和角膜缘的部分)位于离相机和成像光学器件146窄范围的距离内。

图22的构造提供优于图20的构造的类似的优点。在图22中，集成测量单元150包括光学束151，其将光引导至扫描镜153，该扫描镜153进而使光沿着角度移位路线154沿着切线51朝眼表面重定向。光从巩膜、角膜和角膜缘的照射部分沿着线155反射并且散射回到相机和成像光学器件152以获得有意义的数据。再次，由于相机和成像光学器件152被取向为沿着垂直于切线51的线155反射的光，图22中的光学器件所需的场深与图20的场深要求相比显著减小。

图23描绘测量单元160的替代形式，其包括具有集成照射源162和光学位置传感器163的三角测量传感器161。照射源162将光束引导至扫描镜164，马达驱动器165使该扫描镜164绕窄角度范围(例如，±θ°)振荡。由于来自照射源162的照射光束横跨眼29被扫描，所以照射光束朝扫描镜反射并且散射，并且回到光学位置传感器。随着扫描镜164绕轴167和对应的轴振荡，照射光束在位置传感器上移位，诸如在点“a”、“b”和“c”处。在图23中，扫描镜的长轴和集成源光束-光学传感器三角测量单元的长轴垂直于页面的平面。随着源光束沿着在页面的平面中绘制的切线扫描子午线，三角测量单元内的光学位置传感器的取向以及因此对应于光束“a”、“b”和“c”的光线垂直于页面的方向。

在图24中，测量单元170包括具有集成照射源172和光学位置传感器173的位置传感器171。照射源172将光束引导至扫描镜174，马达驱动器175使该扫描镜164绕窄角度范围(例如，θ≈+/-5°)振荡。随着该照射光束横跨眼扫描子午线，随着扫描镜174绕轴177和对应的轴振荡，来自眼29的反射和散射的光通过扫描镜174指向光学位置传感器并且在位置传感器上移位，诸如在点“a”、“b”、“c”处。在图24中，扫描镜的长轴(如线174所示)和集成源光束-光学传感器三角测量单元的长轴在页面的平面内。随着源光束沿着在页面的平面中绘制的切线扫描子午线，三角测量单元内的光学位置传感器的取向以及因此对应于光束“a”、“b”和“c”的光线也在页面的平面内。位置传感器内的成像透镜捕捉在成像光学器件的锥角度内的较低量级平面外的光线。

图23中的位置传感器161和图24中的位置传感器171结合了三角测量传感器，该三角测量传感器结合部分地基于Schleimpflug理论来处理光学光线的结构和操作，诸如被结合在Micro Epsilon型号optoNCDT1700BL系列或optoNCDT2300BL系列中，其每一个均结合了蓝色激光器。对于一些应用，三角测量161和171也可以包括红色激光器，但是当测量诸如存在于眼中的生物学材料时，蓝色激光似乎提供较佳的结果。

诸如具有图23中的扫描镜164和镜马达165以及图24中的扫描镜174和马达175的扫描镜组件可以从Cambridge Technology获得，并且可重复到10微弧度，这对于在允许20毫秒至40毫秒的弧度扫描时间的扫描速度下提供12微米的横向分辨率是足够的，20毫秒至40毫秒的弧度扫描即从大约眼的顶部开始横跨角膜和整个巩膜横跨眼的表面进行一次扫描(经过子午线的扫描)所需的时间。这样的构造能够测量离眼29上的角膜或巩膜的距离，从100mm远处具有1微米的可重复性。已经发现，图23中的光学位置传感器163拾取散射到侧面的光束。在图24中，光学位置传感器173拾取在页面的相应平面内朝传感器反射和散射的光束。作为结果，图24中的位置传感器173对由眼表面纹理和角度上的变化引起的信号衰减不太敏感。

图25和图26描绘用于获得眼的高分辨率三维图像的眼测量设备180的一个实施例。该设备180包括平台181，该平台181绕大致垂直于眼29的光学轴的轴(平行于眼的顶部前表面)旋转。高清晰度TV相机***182安装在固定基础(未示出)上，该TV相机***182在各个扫描期间监测病人的眼在区域183内的位置并且具有足够的分辨率来在不同的角位置处确定眼29相对于测量单元184的位置的位置。更具体地，在一个实施例中，平台181使单个测量单元旋转，该测量单元在位置1处以实线184示出，并且病人的眼周围的其它位置处以虚线示出。旋转角运动由图25中的箭头185指示。在该特定情况下，图25中的***描绘在八个角位置处的测量单元184。然而，如将明显的是，实际上，能够使位置的数量大得多，以在平台旋转一圈的单个扫描操作期间实现必要的采样。希望在平台181的单次旋转的扫描操作期间将测量20个和100个角位置之间以对于不同的应用和眼科手术实现适当的采样。

如图26中所示，结合了本发明的设备的实物实施例200包括壳体201，该壳体201具有限定TV相机182和测量单元170或其它测量单元实施方式中的任一个之间的固定空间关系的框架。如先前所指示的，在扫描操作期间，测量单元170在沿着多个隔开的扫描线中的每一个的多个角位置处产生与内部基准位置传感器171和眼的表面之间的距离的距离信息。在图26中，示出在测量单元170随平台181绕诸如TV相机182的观察轴的轴的旋转期间在两个不同的位置处的测量单元170。平台181的旋转由通常是未示出但在本领域已知的伺服或步进马达的马达提供，以提供一系列成角度隔开的扫描位置，在每个扫描位置处进行单次扫描。为了在扫描操作期间获得多次扫描，测量单元170绕眼旋转，并且在各增量位置处，测量单元170限定“子午线”，测量单元170沿着该子午线进行子午线扫描并且获得关于该子午线的高度信息。

图27描绘用于图26中的设备200的控制***的一个实施例，用于与测量单元170、对应于图25和图26中的平台181的扫描旋转台以及TV相机182相互作用。数据获取、存储和控制接口单元202与测量单元170、扫描镜176、诸如平台181的旋转台、和TV相机182相互作用。更具体地，数据获取、存储和控制接口202激活测量单元170中的照射源(诸如，蓝色激光器)、测量单元170中的扫描镜176和位置传感器，以由此取回从对应的光学位置传感器产生的高度数据，包括各高度测量的位置数据。数据获取、存储和控制接口202还将代表命令位置的信号发送至扫描镜176并且接收位置反馈信号以允许对扫描镜角位置的精确控制。来自数据获取、存储和控制接口202的信号还控制驱动旋转台平台181或类似的支撑物的马达的操作并且接收代表旋转平台181的实际位置的编码的台位置信号。

TV相机182不断地监测病人的眼。根据来自数据获取、存储和控制接口202的信号，视频***“抓取”眼的图片并且将该图片返回至数据获取、存储和控制接口202。通过包括用户接口203提供相互作用和操作控制，该用户接口203包括输入和视觉输出功能并且与数据获取、存储和控制接口以及高速图像处理器204接口。图像处理器204与从TV相同接收的图像结合地来处理高度信号以产生眼的在沿着子午线对该眼的单次扫描期间已经被采样的部分的地形图，并且累积在一个扫描操作期间生成的所有的扫描信息。

参照图26，在一些应用中并且在收集数据之前，指示病人看设备200。医生或操作员使***使用TV相机182存储病人的眼的高分辨率图像。这样的图像将包括虹膜中的所有微小特征和细节、巩膜区域中的诸如血管的特征和瞳孔的位置和形状。此外，医师或操作员能够通过将被用作基准点的各种设备识别眼中的具体特征。然后，***沿着每个子午线(即，图25中的八个等角移位的子午线)收集数据。如果TV相机***在任意子午线获取周期期间检测到任意眼移动，则忽略该周期的数据，并且一旦眼停止移动，则能够在该子午线处重新扫描眼。利用20毫秒至50毫秒量级的短数据获取周期，***将产生一系列高分辨率快照，每个不同的测量模块位置一个快照。

来自TV相机***的各“快照”将伴随限定沿着该扫描线的眼的拓扑结构的对应的子午线高度测量数据。也就是，各子午线扫描线，诸如图28中的线210，将具有其自身唯一的图片，示出点A和点B之间的从角膜延伸至巩膜42的子午线扫描线以及子午线相对于眼的TV图像中的所有特征的精确取向。图29为作为沿着眼的表面对应于扫描镜的角位置的径向距离的函数的(来自测量设备的)高度测量的关系的图解表示。

一旦测量单元在获得多次子午线扫描的旋转扫描操作中已经绕眼旋转，则对于每一已测量的子午线，将存在类似于图28的TV图像和类似于图29的高度测量数据。因此，可以处理并且结合来自所有子午线的数据以对于病人的眼的一个取向或起始位置产生眼的图像。举例来说，图30图形地图示对于位置1、位置2和位置3的三个这样的子午线扫描操作。因此，能够结合各自由TV相机图像连同对应的高度测量数据构成的各个子午线以产生旋转扫描操作的合成图像。已经发现，能够通过图像拼接软件来处理这样的信息，对于在该扫描操作中的所有子午线，该图像拼接软件通过拼接以使如图30所示的子午线数据与在一个取向上的眼图像空间对准来覆盖和叠加各个扫描。这样的眼的合成图像已经通过使用可以从法国的Kolor SAR获得的Autopano图像拼接软件来产生。

如先前所陈述的，对于给定的眼取向，巩膜的一部分被眼皮覆盖。为了扫描眼的整个表面，包括通常被眼皮覆盖的那些区域，在对于病人的眼的各个不同取向的分开的扫描操作期间，能够扫描病人的眼的不同的区域。图31公开了一种途径，其中，病人看顺序地投射到中、上、下、左、和右象限中的可视目标以暴露整个眼，包括极前面巩膜表面。也就是，眼的完整的测量包括五次扫描操作，对于在210、211、212、213和214处的每个眼位置各一次。当病人直视前方时，发生扫描操作210。当病人分别向左和向右看时，发生在211和212处的各个扫描操作；当病人分别向上和向下看时，发生扫描操作213和214。由于上眼皮随着病人向下看而下降，所以可以使用扩张器来保持眼皮打开。替代地，在收集数据之前能够将眼皮用胶布粘到病人的前额或由病人的手指或医生的手指保持。替代方法可以避免对用胶布粘眼皮或使用扩张器的需要。通常，将在病人的下巴在下巴托等的定位结构上，使得病人的头部保持适度地固定的情况下扫描病人。这样的器件在本领域中是已知的。然而，不是投射目标以便如先前所描述的观察和对准，而是能够投射单个目标，然后病人能够小量地有角度地旋转他或她的头部(例如，约±15°)。随着病人的头部移动以保持固定的目标图像在视野内，眼将自然地转动到如图31所示的新的位置。

无论通过使用何种设备来获得来自多重扫描操作的在不同的眼取向上的图像，都可以处理各扫描操作的数据并且使用上文指示的Kolor Autopano等软件来将数据拼接在一起以产生眼的三维宽视野拓扑结构地图。此外，人眼在形状上常常为复曲面，类似于足球，具有两个基曲线，具有较长轴和较短轴，如图32所示。目的是设计匹配该眼球表面的镜片，但是通常常规设备实现此点是困难的，因为巩膜镜片位于上下眼皮下方。在如先前所描述的那样将所有子午线或截面数据对准并拼接在一起之后才能计算支承表面的复曲面。

图33示出能够使用这样的拼接软件从该方法推断的信息展示。用TV相机拍摄个人的眼的多个图像然后将这些图像拼接在一起。结果为个人的眼的合成图像220。该图像为来自一组扫描操作的所有累积数据的图形展示。环221代表已经在图33的图像上***纵以限定用于支撑巩膜镜片的巩膜区域的边界的模板。使用常规技术，医师能够操纵环的模板以考虑眼的物理特征地定制对准环。能够沿着所有扫描数据来处理该信息以获得能够有效地为该病人构造巩膜镜片的模型。

如先前所指示的，OCT扫描器已经被示出为在它们扫描诸如巩膜的高度弯曲表面的能力上是有限的，并且需要垂直于上角膜表面相对地定位。图34描绘眼的图像，具有对应于图35所示的极点C和极点D之间的OCT图像的范围的叠加的直线C-D。在图37A和图37B中所示的构造中，拓扑结构扫描仪能够为如上所述的子午线扫描仪或具有如图35所示的输出的常规OCT类型截面扫描仪。图37A和37B图示具有相对于上角膜表面接近于垂直的取向的扫描仪构造。在该构造中，扫描仪切线相以于角膜的上表面以浅角度取向。随着眼转动并且注视不同的角位置，眼的不同的区域变得几乎平行于切线并且落入拓扑结构扫描仪的角度范围内。对于眼球的每个位置，扫描多个子午线或截面。每个已扫描的子午线或截面伴随有TV相机图像。然后，对于眼的不同的位置，使具有对应的子午线高度数据的TV图像对齐以结合所有子午线或截面并且使所有子午线或截面以眼中的固定的基准点为基准，以产生眼的三维模型。图34示出眼的相机图片和由线C-D指示的OCT径向扫描线的角取向。图35为径向扫描线C-D的OCT图像。图36图示如何使用先前描述的用以结合子午线数据的相同的程序来结合连续的多个OCT扫描。

本发明的各个前述实施例满足本发明的各种目的中的一些或全部。也就是，上述方法和设备提供眼的地形图的精确测量、特别是考虑巩膜和角膜区域的复曲面的对眼的角膜区域、巩膜区域和角膜缘区域的地形图的精确测量。作为结果，通过最小化和简化用于确定眼的地形图、特别是眼的角膜区域和巩膜区域的地形图的过程，包括自动地测量眼和巩膜的复曲面，以自动地计算长短复曲面轴，以自动地扫描眼以提供沿着两个复曲面轴的轮廓信息，以及创建眼的精确的三维模型，本发明的方法和设备能够帮助最小化和简化制造巩膜接触镜片所需的努力。该设备在激光原位角膜磨镶和白内障眼科手术中对于提供角膜区域的精确的拓扑结构数据也是有用的。

已经依据某些实施例公开了本发明。将明显的是，在不脱离本发明的情况下，能够对所公开的设备做出许多修改。例如，可以通过本发明的某些方面来修改OCT扫描仪。图35示出由OCT扫描仪产生的眼的全截面图像。如所示的，该图像包括靠近角膜缘的角膜和巩膜的极上部，但是它未示出角膜缘以外的巩膜的陡峭区域。将光束分离器或二向色镜***到如图37A所示的光路中使得TV相机182能够偏移，因此在眼直视时，来自扫描仪和相机的光束均垂直于角膜表面的顶部取向。此外，当TV相机的视角变得接近OCT扫描仪中的子午线或截面的光束时，将光束分离器或二向色镜***到光路中能够避免两个单元之间的机械干涉。如果测量单元使用诸如蓝光束的单色光源或可见光谱以外的光源，诸如在若干OCT单元中使用的近IR波长，则能够用二向色镜取代分束器以最大化拓扑结构扫描仪和TV相机的功率。因此，权利要求的目的的是覆盖在本发明的真实精神和范围内的所有这样的变化。

Claims (14)

1.一种用于生成眼的三维地形图的设备，所述眼的特征在于至少一个有区别的视觉特征，所述设备的特征在于包括：

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)固定基础，用于限定所述相机的固定空间位置，

D)旋转台，所述旋转台用于使所述扫描仪旋转到多个角位置，以由此也旋转所述子午线扫描线的角位置，并且由此获得多个子午线扫描线中的每一个的距离信息，所述旋转台相对于所述固定基础以确定的物理间距放置，并且由此相对于所述多个角位置的每个的扫描仪，也以确定的物理间距放置所述相机，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多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多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二维图像的装置，

iii)用于在每个旋转扫描操作的同时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同时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三维地形图。

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。

8.一种用于生成眼的表面的一部分的三维地形图的设备，所述眼具有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)壳体，用于限定所述相机和所述扫描仪之间的固定空间关系，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)用于控制所述扫描仪以产生扫描以由此获得对应于所述眼的多个角位置的多个子午线扫描，每个子午线扫描在子午线扫描操作期间沿着子午线扫描线测量在不同位置的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高度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高度距离信息以由此获得所述眼的三维地形图的装置，

其特征在于：

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使得所述相机捕捉所述眼的一系列二维图像，每个二维图像伴随对应的一个子午线扫描，使得每个子午线扫描线具有其自身独特的二维图像，以及

用于处理所述高度距离信息的装置与所述二维图像结合地处理所述高度距离信息，其中具有眼的不同角位置的对应子午线扫描的所述二维图像被对齐以结合，并创建三维地形图。

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三维地形图的装置。

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三维地形图的表示。