CN109512380A - 基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及眼睛验光领域，公开了一种基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法；在现有的商业化验光产品中，尚无简单有效的验光手段能够高密度连续测量视网膜周边屈光状态；本发明基于波前传感技术利用Hartmann‑Shack透镜阵列和波前像差探测器探测眼睛不同视角时出射的待检波前信号，再通过泽尔尼克模型法计算出相应的光学参数的数值，转换成对应的数据矩阵，最终由计算机建立屈光地形图。不仅为研究视网膜周边离焦与眼球屈光发育的相关关系提供了强有力的研究工具，而且有利于对于研究周边视网膜像差对于视觉质量的影响以及提升波前像差引导的近视激光手术的术后视觉效果。

Description

基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法

技术领域

本发明涉及眼睛验光，具体地涉及一种基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法。

背景技术

屈光不正包括近视、远视、散光，是临床眼科门诊最常见的疾病。其中，尤以近视给个人、社会、国家带来的负面影响最大。据世界卫生组织统计，我国已成为世界上患有近视人群最多的国家。近视影响的不仅仅是个人的视觉健康，还影响到国家征兵入伍、飞行员培养、航海、消防、刑侦等一大批专业人才的培养，因此，屈光不正的防治至关重要。

光线传播到某一位置处等相位面组成的曲面称为波前，然而，由于人眼是一个不完美的光学***，如眼轴与光轴并不一致、晶状体密度不均、角膜表面不规则等，会导致进入或射出人眼的波前产生偏差，这种理想波前与实际波前之间的偏差即称之为波前像差。波前像差根据泽尔尼克多项式分解，可划分为低阶像差和高阶像差。其中，低阶像差包括离焦和散光等传统验光领域常用的光学参数；高阶像差包括慧差、三叶草散光等形态内容更加复杂的光学变化，其光学含义与视觉功能之间的关系也仍待人们进一步研究。

现有研究认为，视网膜周边屈光状态对于视觉发育有重要影响。如，角膜塑形镜是现有技术手段中控制近视发展最有效的方法，其控制近视原理的重要假说之一就是角膜塑形镜能够在角膜的周边形成一圈负压吸引环，引起眼球周边的光学焦点落在视网膜前方，并产生近视控制的效果。该现象被称之为‘周边近视性离焦’。另外也有基于此假说生产的框架眼镜，如德国蔡司公司生产的‘成长乐’等，但是，其近视控制效果在不同年龄、不同近视程度、不同人群中的控制效果却有显著差异。制约‘周边离焦’假说研究的重要因素之一就是，在现有的商业化验光产品中，尚无简而有效的验光手段能够高密度连续测量视网膜周边屈光状态。

发明内容

本发明提供了一种基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法，该基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法不仅为研究视网膜周边离焦与眼球屈光发育的相关关系提供了强有力的研究工具，而且有利于对于研究周边视网膜像差对于视觉质量的影响以及提升波前像差引导的近视激光手术的术后视觉效果。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法，包括如下步骤：

1)在光照强度低于10 lux的相对暗室环境，固定被检者的头部位置，使被检者的眼睛适于透过眼前的反射透镜平视视标模块上的核心标记；

2)波前信号光源发出光信号进入被检者瞳孔，光信号在视网膜上形成波前信号，所述波前信号由视网膜反射后，经眼睛屈光***后再次出射形成待检波前信号，所述待检波前信号经多次反射后，通过Hartmann-Shack(哈特曼-夏克)透镜阵列后被波前像差探测器接收，在所述波前像差探测器上形成畸变的点阵列分布式离散光斑，得到对应的图片；

3)使被检者的眼睛透过眼前的所述反射透镜注视视标模块上的其它标记，重复步骤2)的过程；

4)所述波前像差探测器绕瞳孔中心线水平转动不同角度，重复步骤2)和步骤3)的过程；

5)得到所有的图片以后，再使用Harmann-Shack法对所有的图片进行处理，得到波前像差，通过泽尔尼克模型法计算出光学参数的数值，得到波前像差测量结果；

6)依据各波前像差测量结果对应在视网膜上的空间位置，建立各波前像差测量结果的数据矩阵；

7)依据数据矩阵，由计算机运用软件处理数据矩阵建立屈光地形图。

优选地，所述波前像差探测器设置在L型光学臂一端，所述L型光学臂另一端与旋转电机连接，所述旋转电机位于眼睛上方且能够使所述L型光学臂绕瞳孔中心线水平转动。

优选地，当所述L型光学臂位于眼睛的正前方，且平视前方的眼睛的眼轴与进入眼睛的光信号处于一条直线时，所述L型光学臂所处的位置为初始位置，所述波前像差探测器探测的待检波前信息信号对应于所述屈光地形图上的坐标原点。

优选地，所述L型光学臂在初始位置至鼻侧40°和初始位置至颞侧40°范围内水平转动。

优选地，当所述L型光学臂没有处于初始位置时，所述波前像差探测器上形成畸变的点阵列分布式离散光斑为椭圆形排布的影像，此时需拉伸所述影像的水平直径使其转化为圆形排布的影像，再通过泽尔尼克模型法分析计算。

优选地，所述视标模块包括垂直依次排列的多个图形标记，核心标记、波前信号光源在反射透镜上的图像和视网膜黄斑形成共轭。

优选地，所述光学参数包括但不限于各阶像差、球镜、柱镜、轴向。

优选地，所述屈光地形图为三维网线图或三维着色表面图。

优选地，当步骤2)中所述波前像差探测器接收到的待检波前信号受到角膜反光严重干扰时，适于采用以下三种方法之一消除所述角膜反光干扰；

第一种方法，上下微调所述L型光学臂的高度，以避开角膜反光的干扰；

第二种方法，直接抛弃受到角膜反光干扰的待检波前信号，重复测量，直至检测到未受到角膜反光干扰的待检波前信号且用其代替所述受到角膜反光干扰的待检波前信号；

第三种方法，在步骤5)中，采用曲线拟合或数据插值补齐缺失的波前像差数据。

优选地，所述第一种方法中，以瞳孔中心线为基准，所述L型光学臂高度调整的范围在瞳孔半径以内。

通过上述技术方案，本发明提供的一种建立视网膜屈光地形图的方法，能够大范围、高密度的获取人眼视网膜上多个位点的光学参数，克服了以往技术难以大范围准确分析视网膜周边光学离焦、像差的不足，有助于阐明视网膜周边光学改变影响眼球发育的机制，并有助于提升近视眼激光手术的术后视觉效果。

本发明的其它特征和优点将在下文的具体实施方式部分进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施方式的光学原理简图；

图2是图1的侧视图；

图3是本发明实施方式中L型光学臂转动形式的示意图；

图4是本发明实施方式中坐标系的示意图；

图5是本发明实施方式中独立的矩形区域内光斑分布的示意图；

图6是本发明实施方式中像差斜率计算的示意图。

附图标记说明

1 眼睛 11 瞳孔中心

2 波前像差探测器 21 Hartmann-Shack透镜阵列

3 波前信号光源 31 带小孔隔板

4 第一反射镜面 5 反射透镜

6 分束器 7 第一透镜

8 第二透镜 9 第三透镜

101 L型光学臂 102 旋转电机

201 核心标记 202 其它标记

301 第二反射镜面 302 第三反射镜面

401 微透镜 402 理论波前

403 实际波前 404 出瞳表面

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量，因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或更多个所述特征。

如图1、图2和图3所示，本发明的基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法，包括如下步骤：

1)在光照强度在10 lux以下的相对暗室环境的条件下，固定被检者的头部位置，使被检者的眼睛1透过眼前的反射透镜5平视视标模块上的核心标记201；

2)波前信号光源3发出光线，经过第一透镜7和带小孔隔板31形成一束平行光，即光信号，光信号经过分束器6、第一反射镜面4和反射透镜5的多次反射射入眼睛，光信号在视网膜上形成波前信号，波前信号在视网膜上反射，经眼睛屈光***后再次出射形成待检波前信号，待检波前信号经过反射透镜5、第一反射镜面4、分束器6、第二透镜8、第二反射镜面301、第三反射镜面302、第三透镜8和Hartmann-Shack透镜阵列21被波前像差探测器2接收，在波前像差探测器2上形成畸变的点阵列分布式离散光斑，得到对应的图片；

3)使被检者的眼睛1透过眼前的反射透镜5注视视标模块上的其它标记202，重复步骤2)的过程；

4)波前像差探测器2绕眼睛1的旋转中心11水平转动不同角度，重复步骤2)和步骤3)的过程；其中，波前像差探测器2是安装在L型光学臂101端部的，L型光学臂101另一端与旋转电机102连接，，旋转电机102位于眼睛1上方且能够使L型光学臂101绕瞳孔中心11水平转动，即波前像差探测器2也能够绕瞳孔中心11水平转动；

5)得到所有的图片以后，再使用Harmann-Shack法对所有的图片进行处理，得到波前像差，通过泽尔尼克模型法计算出光学参数的数值，得到波前像差测量结果；光学参数的数值包括但不限于各阶像差、球镜、柱镜和轴向；

6)依据各波前像差测量结果对应在视网膜上的空间位置，建立各波前像差测量结果的数据矩阵；

7)依据数据矩阵，由计算机运用MATLAB软件的surf、surface、surfc、surfl、mesh、meshz、meshc、contour、waterfall或ribbon命令处理数据矩阵建立屈光地形图。

其中，当L型光学臂101位于眼睛1的正前方，且平视前方的眼睛的眼轴与波前信号光源3射入眼睛1的光信号处于一条直线时，L型光学臂101所处的位置设定为初始位置，此时为初始时刻，波前像差探测器2探测到的待检波前信号对应于屈光地形图上的位置定义为(0，0)，这里的(0，0)是屈光地形图的前两维，第三维就是屈光地形图在这个位点的光学参数的数值；L型光学臂101能够在从初始位置至鼻侧40°和初始位置至颞侧40°范围内水平转动，从而带动波前像差探测器2绕瞳孔中心11从初始位置至鼻侧40°和初始位置至颞侧40°范围内水平转动，探测眼睛1注视视标模块上的不同位置的图形标记(包括核心标记201和其它标记202)时的待检波前信号，为计算机建立屈光地形图提供数据；视标模块包括垂直依次排列的多个图形标记，核心标记、波前信号光源在反射透镜上的图像和视网膜黄斑形成共轭(三者位于一条直线上)；当L型光学臂101离开初始位置时，波前像差探测器2形成畸变的点阵列分布式离散光斑为椭圆形排布的影像，此时需拉伸影像的水平直径使其转化为圆形，再通过泽尔尼克模型法分析波前。

步骤5)中，使用Harmann-Shack法对所有的图片进行处理、得到波前像差的过程如下：

总的来说，先要计算出出瞳平面404上各位点的像差，然后用泽尔尼克多项式来拟合各个位点的像差结果，得到各项泽尔尼克系数，泽尔尼克系数就是用来表达像差的一种方式；

①计算CCD探测器(波前探测器)上各方形区域的实际光斑质心

参照图4和图5，来自于人眼视网膜的畸变波前(待检波前信号)经Hartmann-Shack透镜阵列可在CCD探测器上形成一系列模糊光斑，每一个光斑都位于一个独立的矩形区域内，运用以下公式计算各光斑的质心：

式中，离散参数i和j分别代表CCD探测器在x轴和y轴上的像素的坐标，I(i，j)为第i行第j列上的光斑能量，S_x和S_y为CCD探测器上x轴和y轴之间的间距；(i_min，j_min)表示独立矩形区域的左下角，(i_max，j_max)表示独立矩形区域的右上角；

②计算实际光斑质心与理论光斑质心的位置边差

当计算出了各区域的质心以后，根据标准质心的坐标(x_r，y_r)，即可得出位置边差(Δx，Δy)：

Δx＝x_c-x_r，Δy＝y_c-y_r

③通过几何光学推导波前斜率

参照图6，图6表示的是从微透镜401射出的实际波前403与理论波前402的几何级示意图；f为微透镜401到CCD探测器的距离，Δy为波前在y轴上的边差，当实际波面403与理想波前402在光学***的出瞳平面404处相切或相交时，两波面间的光程差以W表示，即为波前像差，R为实际波前的光程；

由图可知

R²＝Δy²+(R-W(Δy))²

波前在y轴分量上的斜率为：

④通过位置边差计算出各独立矩形区域的波前像差

由③可知

则各独立矩形区域的像差为：

⑤泽尔尼克多项式

在计算出瞳孔各独立区域的像差以后，需使用自适应光学理论中的波前重构理论来描述整个人眼的像差；本发明采用的描述像差的方法为泽尔尼克(Zemike)模型法，即通过泽尔尼克多项式来拟合人眼像差；泽尔尼克多项式的实质是定义在单位圆内的一组正交基，理论上，描述一个复杂波前可有无穷多个基函数，而临床上最常用的是前5阶(21项)；

在极坐标下，Zernike多项式的表达式为：

式中，为归一化项，为径向项，M(mθ)是方位角项，径向参数ρ是无量纲的实数，取值范围为0～1.0，表示孔径中心到一点的径向距r，表达式为：

a为孔径的半径值；

公式中，n代表径向阶数，m代表方位阶数，要求n和|m|同时为奇数或者偶数；

归一化项的表达式为：

其中，当m＝0时，δ_0，m＝1；当m≠0时，δ_0，m＝0；

径向项的表达式为：

当径向阶数n为偶数(奇数)时，将只包含ρ的偶次项(奇次项)

方位角项M(mθ)的表达式为：

M(mθ)＝cos(mθ)若m≥0

M(mθ)＝sin(|m|θ)若m＜0

以下直接给出泽尔尼克多项式前十项的极坐标形式：

屈光地形图位于三维空间内，其表现方式可以是三维网线图、三维着色表面图；所述三维网线图或三维着色表面图的X轴表示连线I与连线II在水平方向上所形成的夹角，所述三维网线图或三维着色表面图的Y轴表示连线I与连线II在垂直方位上所形成的夹角，所述三维网线图或三维着色表面图的Z轴表示整个眼球的屈光***在对应视网膜位点上的光学参数的数值大小；其中，连线I为瞳孔中心与视网膜黄斑的连线，连线II为瞳孔中心与视网膜被探测位点的连线。

本发明可能会出现角膜反光与视网膜返回的待检波前信号重合的情形，此时获取的待检波前信号将受到反光的严重干扰，应被抛弃；可以采用三种方法以解决上述问题：方法1，直接上下微调L型光学臂101的高度(以瞳孔为中心，上下调整的范围不超过瞳孔半径)，可直接避开角膜反光；方法2，由于本发明的测量点位很多(方法1所采用的方式，只适用于某一固定测量点，测量的水平范围为80°，测量点位的数量取决于电机的转动速度以及波前像差探测器的探测频率)，无法确保每一测量点都能获取合格的待检波前信号，因此，需直接抛弃属于上述情况的不符合的待检波前信号，然后重复测量，通过两次或多次测量，直至某次测量的某个点位的不符合的待检波前信号被另一次测量的同一个点位的符合的待检波前信号取代，从而补齐缺失数据，其中，根据CCD探测器检查到的光斑能量；当能量高于理论设定值(这个设定值的大小取决于波前信号的功率，以及用以调节光照的光阑的孔径大小)时，认为有来自于角膜反光的干扰，即检测到的是不符合的待检波前信号；方法3，对于一名经验丰富的设备操作者，重复测量两次可保证约99％的位点不出现数据缺失，针对剩下极少数的缺失位点，有两种方法可以用于补齐缺失数据：除视神经***处，以人眼黄斑为分界点，视网膜在鼻侧和颞侧的横切面分别为一连续平滑曲面，因此可通过数学函数补齐缺失数据，针对测量极限位点(如鼻侧40°或颞侧40°的位置)连续缺失的情况，可采用曲线拟合的方法补齐缺失数据，针对非极限位点间断缺失的数据，可采用数据插值的方法补齐缺失数据，如3次埃尔米特插值和3次样条插值，例如，当探测器旋转到某个角度并出现严重的角膜反光干扰时，这个位置的波前像差会无法被测量出来，利用曲线拟合或数据差值的方法补齐这个位置的波前像差的缺失数据。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在光照强度低于10lux的相对暗室环境，固定被检者的头部位置，使被检者的眼睛适于透过眼前的反射透镜平视视标模块上的核心标记；

2)波前信号光源发出光信号进入被检者瞳孔，光信号在视网膜上形成波前信号，所述波前信号由视网膜反射后，经眼睛屈光***后再次出射形成待检波前信号，所述待检波前信号经多次反射后，通过Hartmann-Shack透镜阵列后被波前像差探测器接收，在所述波前像差探测器上形成畸变的点阵列分布式离散光斑，得到对应的图片；

3)使被检者的眼睛透过眼前的所述反射透镜注视视标模块上的其它标记，重复步骤2)的过程；

4)所述波前像差探测器绕瞳孔中心线水平转动不同角度，重复步骤2)和步骤3)的过程；

5)得到所有的图片以后，再使用Harmann-Shack法对所有的图片进行处理，得到波前像差，通过泽尔尼克模型法计算出光学参数的数值，得到波前像差测量结果；

6)依据各波前像差测量结果对应在视网膜上的空间位置，建立各波前像差测量结果的数据矩阵；

7)依据数据矩阵，由计算机运用软件处理数据矩阵建立屈光地形图。

2.根据权利要求1所述的基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法，其特征在于，所述波前像差探测器设置在L型光学臂一端，所述L型光学臂另一端与旋转电机连接，所述旋转电机位于眼睛上方且能够使所述L型光学臂绕瞳孔中心线水平转动。

3.根据权利要求2所述的基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法，其特征在于，当所述L型光学臂位于眼睛的正前方，且平视前方的眼睛的眼轴与进入眼睛的光信号处于一条直线时，所述L型光学臂所处的位置为初始位置，所述波前像差探测器探测的待检波前信号对应于所述屈光地形图上的坐标原点。

4.根据权利要求3所述的基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法，其特征在于，所述L型光学臂在初始位置至鼻侧40°和初始位置至颞侧40°范围内水平转动。

5.根据权利要求3所述的基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法，其特征在于，当所述L型光学臂没有处于初始位置时，所述波前像差探测器上形成畸变的点阵列分布式离散光斑为椭圆形排布的影像，此时需拉伸所述影像的水平直径使其转化为圆形排布的影像，再通过泽尔尼克模型法分析计算。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法，其特征在于，所述视标模块包括垂直依次排列的多个图形标记，核心标记、波前信号光源在反射透镜上的图像和视网膜黄斑形成共轭。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法，其特征在于，所述光学参数包括但不限于各阶像差、球镜、柱镜、轴向。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法，其特征在于，所述屈光地形图为三维网线图或三维着色表面图。

9.根据权利要求1所述的基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法，其特征在于，当步骤2)中所述波前像差探测器接收到的待检波前信号受到角膜反光严重干扰时，适于采用以下三种方法之一消除所述角膜反光干扰；

第一种方法，上下微调所述L型光学臂的高度，以避开角膜反光的干扰；

第二种方法，直接抛弃受到角膜反光干扰的待检波前信号，重复测量，直至检测到未受到角膜反光干扰的待检波前信号且用其代替所述受到角膜反光干扰的待检波前信号；

第三种方法，在步骤5)中，采用曲线拟合或数据插值补齐缺失的波前像差数据。

10.根据权利要求9所述的基于波前传感技术制作全视网膜屈光地形图的方法，其特征在于，所述第一种方法中，以瞳孔中心线为基准，所述L型光学臂高度调整的范围在瞳孔半径以内。