CN113034608A - 一种角膜表面形态测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种角膜表面形态测量装置及方法，首先通过双目相机***获取包含点阵光斑的眼角膜图像，然后通过坐标转换计算每个测量点的三维坐标，将所有的三维坐标点利用曲面拟合的方法得到眼角膜所在的近似球面，最后通过计算每个测量点处的高斯屈光度，结合数据场插值方法、颜色编码等操作生成角膜地形图，本发明采用无需确定角膜顶点位置的高斯屈光度作为角膜地形图的数值形式，不需要进行角膜中心对准，和目前方法相比，操作简便快捷，对婴幼儿的配合要求较低，该装置可以集成为一个手持端，适合对婴幼儿进行角膜的检测，方便筛查早期的眼部疾病。

Description

一种角膜表面形态测量装置及方法

技术领域

本发明涉及医学检查技术领域，具体涉及一种角膜表面形态测量装置及方法。

背景技术

近年来，角膜形态测量已成为眼视光学研究和临床应用的重要组成部分，角膜地形图是通过计算机图象处理***将角膜形态进行数码化分析，并将所获得的信息以不同特征的彩色图来表现，因其貌似地理学中地形表面高低起伏的状态，故称为角膜地形图，它能够精确测量分析全角膜前表面任意点的曲率，检测角膜屈光力，是研究角膜前表面形态的一种***而全面的定量分析手段。角膜地形图应用于诊断角膜散光及定量地分析角膜性状，还可用于角膜屈光手术的术前检查和术后疗效评价以及角膜移植手术，角膜地形图为研究者提供了大量角膜形态信息，已成为眼科学和视光学必不可少的测量工具。

目前最常用的角膜地形图仪主要是由Placido盘投射***、实时图像检测***和计算机图像处理***组成，最终以数据或图像的形式呈现。角膜地形图仪具有测量范围大，精确度高等优点。但是，其测量过程十分繁琐，需水平垂直调整设备，使得第一个发光点与标记中央与角膜中央对准，需要大量时间进行调整，其特性导致很难做成手持式对患者进行测量。尤其对于不能保持固定姿势以及配合测量的儿童，获得准确的角膜地形图十分困难。

新生儿眼球较小，为生理性远视眼，在其生长发育过程中，眼轴与角膜、晶状体、玻璃体等屈光介质相互匹配，相互影响逐渐达到正视化。三岁以下婴幼儿角膜曲率变异度大，尤其小于三个月的婴儿眼角膜曲率大，散光度大。因此，角膜地形图的检测对婴幼儿眼睛的发育至关重要，若能早发现、早治疗，可以预防那些由于未能及时发现而导致的眼科疾病，有效地减少近、远视、散光，角膜病变等情况的发生。所以对儿童眼球状况检测至关重要，而角膜地形图仪是检测其眼球状况不可缺少的仪器。

但是，由于现有角膜地形图仪测量过程繁琐、对被测量者眼球状态要求高且需要被测量者的高度配合，对于不能保持固定姿势以及配合测量的儿童，很难获得准确的角膜地形图。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种角膜表面形态测量装置，其特征在于，包括相机I、相机II、点阵光源、计算处理模块、显示模块，所述相机I、相机II、点阵光源分别与计算处理模块电连接，计算处理模块与显示模块电连接；

所述点阵光源用于发射点阵光，在眼角膜表面形成点阵光斑作为目标点；

所述相机用于拍摄带有点阵光斑的眼角膜图像，并发送给计算处理模块；

所述计算处理模块用于求解目标点的三维坐标并根据目标点的三维坐标拟合得到眼角膜所在的球面，然后通过求解各目标点的高斯屈光度得到角膜地形图，还用于控制点阵光源的开关状态；

所述显示模块用于进行角膜地形图的显示。

一种采用所述角膜表面形态测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：对相机I、相机II构成的双目相机***进行参数与畸变系数的标定，得到相机的内参数矩阵K和畸变系数；

步骤2：利用点阵光源发出点阵光，在眼角膜表面形成点阵光斑作为目标点；

步骤3：通过安装在同一水平面上的相距L的相机I、相机II分别拍摄眼角膜；

步骤4：将两个相机拍摄得到的图像进行去畸变处理，得到目标点在成像平面C1上的二维坐标(m,n)，在成像平面C2上的二维坐标(m',n')，其中成像平面C1是指相机I的成像平面，成像平面C1的光心记为c₁，成像平面C2是指相机II的成像平面，成像平面C2的光心记为c₂；

步骤5：以c₁作为三维坐标系的原点，以c₁、c₂所在直线建立坐标系的X轴，以成像平面内垂直于X轴的方向建立Y轴，垂直于成像平面的法向量方向建立Z轴，记光心c₁的坐标为(0,0,0)、光心c₂的坐标为(L,0,0)；

步骤6：根据内参数矩阵K分别计算出目标点在两个成像平面上的成像点的三维坐标，其中目标点在成像平面C1上的成像点g₁的三维坐标(X,Y,0)计算如下：

目标点在成像平面C2上的成像点g₂的三维坐标(X',Y',0)计算如下：

步骤7：利用光心c₁、成像点g₁建立直线方程L1，利用光心c₂、成像点g₂建立直线方程L2，求解直线L1、L2的交点G₀，则交点G₀的坐标(x_t,y_t,z_t)即为目标点的坐标，其中计算得到的三维坐标分别表示为：

式中，F为相机焦距；

步骤8：根据得到的目标点坐标利用最小二乘法拟合得到眼角膜所在球面方程；

步骤9：求解各目标点在球面上的高斯屈光度得到角膜地形图。

所述步骤8包括：

步骤8.1：根据n个目标点坐标{(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),…,(x_t,y_t,z_t),…,(x_n,y_n,z_n)}构建待拟合球面的求解方程如下：

式中，

表示系数矩阵，

表示观测向量，

表示待估参数，t＝1,2,…,n，r表示待拟合球面的半径，a、b、c表示待拟合球面的待估参数；

步骤8.2：将公式(4)转化为U＝(A^TA)^-1A^TB，带入n个目标点坐标利用最小二乘法求解出a、b、c、r具体值，确定出待拟合球面的确定方程作为眼角膜所在球面方程。

所述步骤9包括：

步骤9.1：将目标点在球面上与球面相交的法平面以法线为对称轴旋转，计算沿着所有切线方向的曲率半径，取最大曲率和最小曲率，并将最大曲率和最小曲率转换为屈光度；

步骤9.2：计算最大曲率的屈光度和最小曲率的屈光度的平均值得到高斯屈光度；

步骤9.3：重复步骤9.1～步骤9.2，计算出所有目标点的高斯屈光度；

步骤9.4：将所有高斯屈光度值构成的数据场进行网格划分，并通过数据场插值方法求解未知点的数据值，然后进行颜色编码处理，最终形成角膜地形图。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种角膜表面形态测量装置及方法，首先通过双目相机***获取包含点阵光斑的眼角膜图像，然后通过坐标转换计算每个测量点的三维坐标，将所有的三维坐标点利用曲面拟合的方法得到眼角膜所在的近似球面，最后通过计算每个测量点处的高斯屈光度，结合数据场插值方法、颜色编码等操作生成角膜地形图，本发明采用无需确定角膜顶点位置的高斯屈光度作为角膜地形图的数值形式，不需要进行角膜中心对准，和目前方法相比，操作简便快捷，对婴幼儿的配合要求较低，该装置可以集成为一个手持端，适合对婴幼儿进行角膜的检测，方便筛查早期的眼部疾病。

附图说明

图1为本发明中的角膜表面形态测量装置框图；

图2为本发明中的基于角膜表面形态测量的测量方法流程图；

图3为本发明中所述测量方法原理图；

图中 1、目标点，2、相机I的光心，3、相机II的光心，4、相机I的成像平面C1，5、相机II的成像平面C2，6、目标点在成像平面C1上的成像点，7、目标点在成像平面C2上的成像点，8、成像平面C1的中心点，9、成像平面C2的中心点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明，该方法不需要进行角膜中心对准，和目前方法相比，操作简便快捷，对婴幼儿的配合要求较低。

如图1所示，一种角膜表面形态测量装置，包括两个相机I、相机II、点阵光源、计算处理模块、显示模块，所述相机I、相机II、点阵光源分别与计算处理模块电连接，计算处理模块与显示模块电连接；

所述点阵光源用于发射点阵光，在眼角膜表面形成点阵光斑作为目标点；

所述相机用于拍摄带有点阵光斑的眼角膜图像，并发送给计算处理模块；

所述计算处理模块用于求解目标点的三维坐标并根据目标点的三维坐标拟合得到眼角膜所在的球面，然后通过求解各目标点的高斯屈光度得到角膜地形图，还用于控制点阵光源的开关状态；

所述显示模块用于进行角膜地形图的显示。

本实施例中采用元器件的型号如下：两个相机为DH-GPP1080P USB双目摄像头模组；点阵光源为HW520AD35-16GD点阵激光发射模组；计算处理模块为Raspberry Pi 3B+开发板；显示模块为4inch HDMI LCD显示屏；通过两个相机从不同方向采集眼角膜图像，然后传输给计算处理模块，计算处理模块通过提取目标点的三维坐标构建眼角膜所在的近似球面，采用无需确定角膜顶点位置的高斯屈光度作为角膜地形图的数值形式，然后进行颜色编码处理形成角膜地形图，最后通过显示模块将角膜地形图进行显示，相机、点阵光源、计算处理模块以及显示模块可以集成一个整体的手持仪器，使用者只需手持仪器即可完成对被检测者的测量。

具体测量原理如图3所示，由点阵光源发出点阵光，在眼角膜表面形成点阵光斑，由相机I、右相机II同时拍摄图像，计算处理模块对图像进行处理和计算，目标点1与左光心2的连线与左成像平面4的交点为目标点在左成像平面4上所成的像6，目标点1与右光心3的连线与右成像平面5的交点为目标点在右成像平面5上所成的像7，在已知左成像点6、右成像点7、左相机光心2、右相机光心3的三维坐标的情况下求解目标点的三维坐标。

如图2所述，一种采用角膜表面形态测量装置的测量方法，采用搭载OpenCV视觉开发库的Raspberry Pi 3B+开发板和matlab软件设计实现，包括：

步骤1：对相机I、相机II构成的双目相机***进行参数与畸变系数的标定，得到相机的内参数矩阵K和畸变系数；标定时可以采用matlab软件打印带有固定格式的棋盘格，然后用相机拍摄棋盘格，再将相片导入matlab软件中通过标定功能完成标定过程。

步骤2：利用点阵光源发出点阵光，在眼角膜表面形成点阵光斑作为目标点；

步骤3：通过安装在同一水平面上的相距L的相机I、相机II分别拍摄眼角膜；

由于检测对象为眼角膜表面，在点阵照射在角膜表面后，得到的光斑近似方形点阵。在相机拍摄到的图像中，先根据光斑在图像当中的坐标，找出最靠近图像的最左上方和最右下方像素的光斑，记为左上方和右下方的角点，以这两个点作为点阵的左上角点和右下角点，计算出与点阵光源相似的规则点阵，逐一遍历此点阵在图像中的点坐标，找到与当前所遍历的点坐标最接近的光斑，记此光斑与规则点阵中的行、列的值相同。在相机I、相机II的图像中分别进行以上步骤。在相机I、相机II的图像中，行、列的值相同的光斑即为同一目标点被相机I、相机II分别拍摄到的结果。

步骤4：将两个相机拍摄得到的图像利用OpenCV库去畸变算法进行去畸变处理，得到目标点在成像平面C1上的二维坐标(m,n)，在成像平面C2上的二维坐标(m',n')，其中成像平面C1是指相机I的成像平面，成像平面C1的光心记为c₁，成像平面C2是指相机II的成像平面，成像平面C2的光心记为c₂；

步骤5：以c₁作为三维坐标系的原点，以c₁、c₂所在直线建立坐标系的X轴，以成像平面内垂直于X轴的方向建立Y轴，垂直于成像平面的法向量方向建立Z轴，记光心c₁的坐标为(0,0,0)、光心c₂的坐标为(L,0,0)；

步骤6：根据内参数矩阵K分别计算出目标点在两个成像平面上的成像点的三维坐标，其中目标点在成像平面C1上的成像点g₁的三维坐标(X,Y,0)计算如下：

目标点在成像平面C2上的成像点g₂的三维坐标(X',Y',0)计算如下：

步骤7：利用光心c₁、成像点g₁建立直线方程L1，利用光心c₂、成像点g₂建立直线方程L2，求解直线L1、L2的交点G₀，则交点G₀的坐标(x_t,y_t,z_t)即为目标点的坐标，其中计算得到的三维坐标分别表示为：

式中，F为相机焦距，包含在标定时的内参数矩阵中；

由于角膜表面近似为球面，我们可以利用角膜表面的点云数据进行球面拟合，即根据一定数量的球面点来求得球心坐标和球半径。

已知球面方程为：r²＝(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²

式中，(a,b,c)为球心坐标，r为球半径，(x,y,z)为球面上点的坐标；

将球面方程展开得：

x²+y²+z²＝2xa+2yb+2zc+r²-a²-b²-c²；

式中，a、b、c、r²-a²-b²-c²看作待估参数；

步骤8：根据得到的目标点坐标利用最小二乘法拟合得到眼角膜所在球面方程，包括：

步骤8.1：根据n个目标点坐标{(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),…,(x_t,y_t,z_t),…,(x_n,y_n,z_n)}构建待拟合球面的求解方程如下：

式中，

表示系数矩阵，

表示观测向量，

表示待估参数，t＝1,2,…,n，r表示待拟合球面的半径，也为角膜表面的近似曲率半径，a、b、c表示待拟合球面的待估参数；

步骤8.2：将公式(4)转化为U＝(A^TA)^-1A^TB，带入n个目标点坐标利用最小二乘法求解出a、b、c、r具体值，确定出待拟合球面的确定方程作为眼角膜所在球面方程。

步骤9：求解各目标点在球面上的高斯屈光度得到角膜地形图，包括：

步骤9.1：计算目标点在球面上与球面相交的法平面，将法平面以法线为对称轴旋转，计算沿着所有切线方向的曲率半径，取最大曲率和最小曲率，并将最大曲率和最小曲率转换为屈光度；

步骤9.2：计算最大曲率的屈光度和最小曲率的屈光度的平均值得到高斯屈光度；

步骤9.3：重复步骤9.1～步骤9.2，计算出所有目标点的高斯屈光度；

步骤9.4：将所有高斯屈光度值构成的数据场进行网格划分，并通过数据场插值方法求解未知点的数据值，然后进行颜色编码处理，标识出地形图的不同高度，最终形成角膜地形图。

Claims (4)

1.一种角膜表面形态测量装置，其特征在于，包括相机I、相机II、点阵光源、计算处理模块、显示模块，所述相机I、相机II、点阵光源分别与计算处理模块电连接，计算处理模块与显示模块电连接；

所述点阵光源用于发射点阵光，在眼角膜表面形成点阵光斑作为目标点；

所述相机用于拍摄带有点阵光斑的眼角膜图像，并发送给计算处理模块；

所述计算处理模块用于求解目标点的三维坐标并根据目标点的三维坐标拟合得到眼角膜所在的球面，然后通过求解各目标点的高斯屈光度得到角膜地形图，还用于控制点阵光源的开关状态；

所述显示模块用于进行角膜地形图的显示。

2.一种采用权利要求1所述的角膜表面形态测量装置的测量方法，其特征在于，包括：

步骤1：对相机I、相机II构成的双目相机***进行参数与畸变系数的标定，得到相机的内参数矩阵K和畸变系数；

步骤2：利用点阵光源发出点阵光，在眼角膜表面形成点阵光斑作为目标点；

步骤3：通过安装在同一水平面上的相距L的相机I、相机II分别拍摄眼角膜；

步骤4：将两个相机拍摄得到的图像进行去畸变处理，得到目标点在成像平面C1上的二维坐标(m,n)，在成像平面C2上的二维坐标(m',n')，其中成像平面C1是指相机I的成像平面，成像平面C1的光心记为c₁，成像平面C2是指相机II的成像平面，成像平面C2的光心记为c₂；

步骤5：以c₁作为三维坐标系的原点，以c₁、c₂所在直线建立坐标系的X轴，以成像平面内垂直于X轴的方向建立Y轴，垂直于成像平面的法向量方向建立Z轴，记光心c₁的坐标为(0,0,0)、光心c₂的坐标为(L,0,0)；

步骤6：根据内参数矩阵K分别计算出目标点在两个成像平面上的成像点的三维坐标，其中目标点在成像平面C1上的成像点g₁的三维坐标(X,Y,0)计算如下：

目标点在成像平面C2上的成像点g₂的三维坐标(X',Y',0)计算如下：

步骤7：利用光心c₁、成像点g₁建立直线方程L1，利用光心c₂、成像点g₂建立直线方程L2，求解直线L1、L2的交点G₀，则交点G₀的坐标(x_t,y_t,z_t)即为目标点的坐标，其中计算得到的三维坐标分别表示为：

式中，F为相机焦距；

步骤8：根据得到的目标点坐标利用最小二乘法拟合得到眼角膜所在球面方程；

步骤9：求解各目标点在球面上的高斯屈光度得到角膜地形图。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述步骤8包括：

步骤8.1：根据n个目标点坐标{(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),…,(x_t,y_t,z_t),…,(x_n,y_n,z_n)}构建待拟合球面的求解方程如下：

式中，

表示系数矩阵，

表示观测向量，

表示待估参数，t＝1,2,…,n，r表示待拟合球面的半径，a、b、c表示待拟合球面的待估参数；

步骤8.2：将公式(4)转化为U＝(A^TA)^-1A^TB，带入n个目标点坐标利用最小二乘法求解出a、b、c、r具体值，确定出待拟合球面的确定方程作为眼角膜所在球面方程。

4.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述步骤9包括：

步骤9.1：将目标点在球面上与球面相交的法平面以法线为对称轴旋转，计算沿着所有切线方向的曲率半径，取最大曲率和最小曲率，并将最大曲率和最小曲率转换为屈光度；

步骤9.2：计算最大曲率的屈光度和最小曲率的屈光度的平均值得到高斯屈光度；

步骤9.3：重复步骤9.1～步骤9.2，计算出所有目标点的高斯屈光度；

步骤9.4：将所有高斯屈光度值构成的数据场进行网格划分，并通过数据场插值方法求解未知点的数据值，然后进行颜色编码处理，最终形成角膜地形图。

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