CN113854959A - 一种基于线阵相机的非接触式眼压测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗检测技术领域，具体涉及一种基于线阵相机的非接触式眼压测量方法及装置，包括结构光投射器，用于在待检测眼球上投射出线阵图案，且光投射到人眼球后，被该眼球所反射出去；工作镜组，用于反射得到待检测眼球的左右视差图像，并将该左右视差图像聚焦成像后传输至图像传感器；非接触式气动装置，用于产生气流使角膜向内位移形成扁平态，在关闭停止气流时，使得角膜回弹回原始位置并再一次处于扁平态；图像传感器，用于接收工作镜组聚焦成像的左右视差图，并将其转换为数字图像后，由计算模块根据角膜的扁平态计算得到待检测眼球的眼压值。本发明计算得到眼压值，避免了感染的风险，同时具有更高的测量精度，有很强的市场应用前景。

Description

一种基于线阵相机的非接触式眼压测量方法及装置

技术领域

本发明涉及医疗检测技术领域，具体涉及一种基于线阵相机的非接触式眼压测量方法及装置。

背景技术

随着科学技术的不断发展，手机、电脑、平板、XR近眼显示眼镜等带显示屏幕的数码设备越来越普及，人们使用这些数码产品的时间不断增加，人眼与显示屏幕接触极其频繁，甚至出现过度的情况，而这些都将增加人眼病变的概率。不恰当用眼姿势及用眼过度导致了诸如近视眼、青光眼等眼科疾病患者不断增加。

长期以来，眼压一直是眼科一个重要的诊断指标，人类致盲率最大的眼科疾病——青光眼就是由于眼压过高引起的。眼压的变化对于眼球的形状会产生一定的影响，因此通过对人眼眼球形状的检测可以直接或间接的获取人眼关键的医学数据，用以预防、诊断或治疗眼科疾病。而最常见的压平眼压计需要接触受测者的角膜，如果不注意消毒会有眼睛卫生问题，因此非接触眼压计需求越来越大。

压平眼压测量是目前国际上最常见的眼压测量方法之一，长期以来一直被认为是眼压测量的标准规范。Imber-Fick定律认为充满液体的球体内压可以通过测量压平球体表面所需要的力量来确定。而常见的压平眼压计就是根据该定律设计而成，在压平眼压计测量过程中，利用一平的小测压探头加压于角膜，所需加的压力与角膜之间的接触面积来推测眼内压。而非接触眼压计利用气体脉冲力将角膜顶端恒定的面积(直径3.06mm)压平，测定压平面积所需要的时间，将其转换为眼压。

基于此，本发明提出了一种基于线阵相机的非接触式眼压测量方法及装置，在测量过程中应用机器视觉技术分析眼球形变的过程，从而推测出眼内压。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于线阵相机的非接触式眼压测量方法及装置，用于在测量过程中应用机器视觉技术分析眼球形变的过程，从而推测出眼内压。

本发明通过以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供一种基于线阵相机的非接触式眼压测量装置，包括

结构光投射器，用于在待检测眼球上投射出线阵图案，且光投射到人眼球后，被该眼球所反射出去；

工作镜组，用于反射得到待检测眼球的左右视差图像，并将该左右视差图像聚焦成像后传输至图像传感器；

非接触式气动装置，用于产生气流使角膜向内位移形成扁平态，在关闭停止气流时，使得角膜回弹回原始位置并再一次处于扁平态；

图像传感器，用于接收所述工作镜组聚焦成像的左右视差图，并将其转换为数字图像后，由计算模块根据角膜的扁平态计算得到待检测眼球的眼压值。

更进一步的，所述工作镜组包括反射镜组和成像透镜组。

更进一步的，所述反射镜组由反射镜M1、M2、M3和M4组成，其中，所述M1和M2用于传输眼球的左视差图像，所述M3和M4用于传输眼球的右视差图像。

更进一步的，所述反射镜组用于将人眼球的左右视差图像传输至所述成像透镜组。

更进一步的，所述成像透镜组由多组透镜组成，用于将反射镜组输入的人眼球的左右视差图像聚焦成像至图像传感器。

更进一步的，所述结构光投射器工作时，投射设定角度范围的线阵图案到人眼球上，该范围覆盖整个眼球，即整个眼球都会有线阵图案，当结构光投射器的光投射到人眼球后，被眼球所反射，其中，被反射的光线中，部分光线进入反射透镜组再经过成像透镜组后成像在图像传感器上。

更进一步的，设参与成像的所有光线中最边缘的光线为R10、R20、R30、R40，以眼球中轴线为界，则R10和R20位于同一侧，R30和R40位于另一侧，则在工作镜组中，

R10和R20以及二者中间所有的光线入射至反射镜M1后，被反射成为光线R11和R21以及二者中间所有的光线；

光线R11和R21以及二者中间所有的光线入射至反射镜M2，被反射成为光线R12和R22以及二者中间所有的光线；

R12和R22以及二者中间所有的光线通过成像透镜组变为光线R13和光线R23后成像在图像传感器上，形成眼球的左视差图像。

R30和R40以及二者中间所有的光线入射至反射镜M4后，被反射成为光线R31和R41以及二者中间所有的光线；

光线R31和R41以及二者中间所有的光线入射至反射镜M3，被反射成为光线R32和R42以及二者中间所有的光线；

R32和R42以及二者中间所有的光线通过光学透镜组变为光线R33和光线R43后成像在图像传感器上，形成眼球的右视差图像。

更进一步的，所述结构光发生器与中轴成b夹角，相机与中轴成a夹角，根据三角测量法得出距离d，若线阵相机为包含左右两半带视差的等效双目相机，则通过双目视觉来计算出深度距离d，公式如下：

更进一步的，所述测量装置软件部分包括：

线阵相机控制模块，用于控制线阵相机和图像数据采集，提供数据给计算模块以便计算内外压平点及眼压；

结构光投射控制模块，用于控制结构光强弱、开关；

吹气设备控制模块，用于精准控制吹气强度、开关；

RGB相机控制模块，用于控制RGB相机并采集数据，提供数据给计算模块以进行眼球追踪和组合器对准；

组合器角度控制模块，用于控制组合器的角度，根据计算模块计算的眼球位姿及组合器姿态计算结果，调整组合器与眼球实时对准；

显示模块，用于显示计算得出的眼压值；

计算模块，主要用于眼球位姿追踪、RGB图像处理、线阵图像处理、内外压平点匹配计算及眼压计算。

第二方面，本发明提供一种基于线阵相机的非接触式眼压测量方法，包括以下步骤：

S1***初始化启动，开启RGB相机识别待测区域内眼睛的角膜位置，并根据计算判断组合器是否与该角膜中心对准；

S2若未对准，则由组合器角度调整控制模块调整组合器角度使之对准受测者角膜中心，若对准，则进入测量；

S3开启线阵图案结构光，同时线阵相机开始记录吹气前Nms角膜的形状变化数据作为基准数据，其中N为正整数；

S4开始吹气，线阵相机继续记录角膜形变数据，待数据记录完毕，停止吹气，完成数据记录；

S5将记录数据合成样本图片，根据图中各像素点计算深度数据，并以此得到内外平压点，最终得到检测眼睛的眼压值。

本发明的有益效果为：

本发明以Imber-Fick定律为依据，用非接触式气动装置产生一股快速的气流在角膜上产生压力，利用高精度线阵相机来监视角膜的变化，从而推测出眼内压，避免了感染的风险，同时具有更高的测量精度，有很强的市场应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种基于线阵相机的非接触式眼压测量装置的软件控制框图；

图2是一种基于线阵相机的非接触式眼压测量装置的眼压计算示意图；

图3是本发明实施例光学***结构图；

图4是本发明实施例结构光投射器投射的线阵图案覆盖整个眼球示意图；

图5是本发明实施例结构光发生器与中轴夹角示意图；

图6是本发明实施例计算出的深度距离示意图；

图7是本发明实施例线阵相机某个时间点单次采样数据图；

图8是本发明实施例采集到的1000帧根据时间拼接成6000x1000像素的图；

图9是本发明实施例吹气发生器正对眼球凝视方向即眼球切面的法线位置的示意图；

图10是本发明实施例实施流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种基于线阵相机的非接触式眼压测量装置，参照图1所示，包括

结构光投射器，用于在待检测眼球上投射出线阵图案，且光投射到人眼球后，被该眼球所反射出去；

工作镜组，用于反射得到待检测眼球的左右视差图像，并将该左右视差图像聚焦成像后传输至图像传感器；

非接触式气动装置，用于产生气流使角膜向内位移形成扁平态，在关闭停止气流时，使得角膜回弹回原始位置并再一次处于扁平态；

图像传感器，用于接收所述工作镜组聚焦成像的左右视差图，并将其转换为数字图像后，由计算模块根据角膜的扁平态计算得到待检测眼球的眼压值。

软件部分包括：

线阵相机控制模块，用于控制线阵相机和图像数据采集，提供数据给计算模块以便计算内外压平点及眼压；

结构光投射控制模块，用于控制结构光强弱、开关；

吹气设备控制模块，用于精准控制吹气强度、开关；

RGB相机控制模块，用于控制RGB相机并采集数据，提供数据给计算模块以进行眼球追踪和组合器对准；

组合器角度控制模块，用于控制组合器的角度，根据计算模块计算的眼球位姿及组合器姿态计算结果，调整组合器与眼球实时对准；

显示模块，用于显示计算得出的眼压值；

计算模块，主要用于眼球位姿追踪、RGB图像处理、线阵图像处理、内外压平点匹配计算及眼压计算。

如图2所示本实施例以Imber-Fick定律为依据，用非接触式气动装置产生一股快速的气流在角膜上产生压力，利用高精度线阵相机来监视角膜的变化。

本实施例气流会使角膜向内位移，并在此过程中变得扁平，经历第一次压平。随后气流关闭，作用于眼球的压力下降，角膜回弹回原来的位置。在回弹的过程中，角膜会再一次处于扁平的状态，此为第二次压平。内外两次压平过程中产生两个独立的眼压值Pa，Pb。而推测出这两个眼压值的关键技术点在于计算出两个压平点P2和P4。

实施例2

在具体实施层面，本实施例提供一种基于线阵相机的非接触式眼压测量装置的光学部分，如下图3所示，整个光学***由四部分构成：结构光投射器、反射镜组、成像透镜组、图像传感器。

本实施例结构光投射器主要作用是在人眼球上投射出线阵图案。

本实施例反射镜组由M1～M4四块反射镜组成，作用是将人眼球的左右视差图像传输至成像透镜组，其中M1和M2用于传输眼球的左视差图像，M3和M4用于传输眼球的右视差图像。

本实施例成像透镜组由2片透镜组成，作用是将反射镜组输入的人眼球的左右视差图像聚焦成像至图像传感器。

本实施例图像传感器用以将眼球的左右视差图像转换为数字图像。

本实施例结构光投射器工作，投射一定角度范围的线阵图案到人眼球上，该范围覆盖整个眼球，即整个眼球都会有线阵图案，当结构光投射器的光投射到人眼球后，会被眼球所反射，被反射的光线中，部分会进入反射透镜组再进一步经过成像透镜组后成像在图像传感器上。

本实施例参与成像的所有光线中最边缘的光线为R10、R20、R30、R40，以眼球中轴线为界，R10和R20位于同一侧，R30和R40位于另一侧。

本实施例R10和R20以及二者中间所有的光线入射至反射镜M1后，被反射成为光线R11和R21以及二者中间所有的光线，紧接着，光线R11和R21以及二者中间所有的光线入射至反射镜M2，被反射成为光线R12和R22以及二者中间所有的光线，然后，R12和R22以及二者中间所有的光线通过成像透镜组变为光线R13和光线R23后成像在图像传感器上，形成眼球的左视差图像。

本实施例R30和R40以及二者中间所有的光线入射至反射镜M4后，被反射成为光线R31和R41以及二者中间所有的光线，紧接着，光线R31和R41以及二者中间所有的光线入射至反射镜M3，被反射成为光线R32和R42以及二者中间所有的光线，然后，R32和R42以及二者中间所有的光线通过光学透镜组变为光线R33和光线R43后成像在图像传感器上，形成眼球的右视差图像。

实施例3

在具体实施层面，本实施例对一种基于线阵相机的非接触式眼压测量装置的实验进行论述，如图4所示，结构光投射器投射的线阵图案覆盖整个眼球，当眼球表面高度发生变化，使得投射到眼球表面的线阵图案发生变化，可以计算出精确的三位轮廓。

如图5所示，结构光发生器与中轴成b夹角，相机与中轴成a夹角，根据三角测量法我们可以得出距离d,l为结构光发生器和相机的固定距离。且本公开的光学***把一个线阵相机分为左右两半带视差的等效双目相机，又可以通过双目视觉来计算出深度距离d。

公式为

如图6所示。通常的我们在应用线阵相机进行图像采集时会对物体进行匀速扫描，然后把每一帧图像进行拼接来获取整个物体的轮廓，本公开为了尽可能引入少的变量及为了采集器结构的简单，采用固定扫描眼球的横向中心位置，在整个吹气周期能采集一组完整的图像数据来进行分析计算。

如图7所示，为线阵相机某个时间点单次采样数据。在实施过程中我们采用分辨率为6000x1像素，每秒20000帧(20kHz)的线阵相机，且从吹气前20ms开始记录，把这20ms的数据作为眼球形变的基准，然后完成一次30ms的吹气并把这个过程也采样下来。这样总共采集1000帧，我们从后续的600帧中去计算内外压平点(P2和P4)。采集到的1000帧根据时间拼接成6000x1000像素的图如图8所示。

如图9所示，吹气发生器正对眼球凝视方向即眼球切面的法线位置，结构光发生器与吹气发生器成b夹角，线阵相机与左右分光***与吹气发生器成a夹角，以上三部分均被固定在一个整体内(吹气及线阵结构产生采集组合器)，对准时，只需调整组合器的角度，而保持以上三个部分不变，使算法设计时降低复杂度。在组合器下方另外单独固定一个RGB相机，用于追踪眼球的位置，进而确保组合器对准角膜中心。

实施例4

在具体实施层面，本实施例提供一种基于线阵相机的非接触式眼压测量方法，包括以下步骤：

S1***初始化启动，开启RGB相机识别待测区域内眼睛的角膜位置，并根据计算判断组合器是否与该角膜中心对准；

S2若未对准，则由组合器角度调整控制模块调整组合器角度使之对准受测者角膜中心，若对准，则进入测量；

S3开启线阵图案结构光，同时线阵相机开始记录吹气前Nms角膜的形状变化数据作为基准数据，其中N为正整数；

S4开始吹气，线阵相机继续记录角膜形变数据，待数据记录完毕，停止吹气，完成数据记录；

S5将记录数据合成样本图片，根据图中各像素点计算深度数据，并以此得到内外平压点，最终得到检测眼睛的眼压值。

参照图10所示，用户开启眼压仪，初步靠近待测眼睛前方，此时设备***完成启动完成，开启RGB相机识别角膜位置，经过计算模块计算得出，如果组合器未与角膜中心对准，则由组合器角度调整控制模块调整组合器角度使之对准受测者角膜中心。

本实施例在检测到组合器对准受测者角膜后，开始启动测量，结构光投射控制模块开启线阵图案结构光同时线阵相机开始记录前20ms角膜的形状变化数据作为基准，20ms后，吹气设备控制模块控制吹气设备迅速产生气流，于此同时线阵相机继续记录角膜形变数据，待数据记录完毕，彻底关闭吹气装置。

之后由计算模块合成记录的1000帧数据为一6000x1000的图片，把图中各像素点计算出深度数据，从中计算出内外压平点P2，P4，进而得到眼压值，最后在显示模块显示。

综上，本发明以Imber-Fick定律为依据，用非接触式气动装置产生一股快速的气流在角膜上产生压力，利用高精度线阵相机来监视角膜的变化，从而推测出眼内压，避免了感染的风险，同时具有更高的测量精度，有很强的市场应用前景。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于线阵相机的非接触式眼压测量装置，其特征在于，包括

结构光投射器，用于在待检测眼球上投射出线阵图案，且光投射到人眼球后，被该眼球所反射出去；

工作镜组，用于反射得到待检测眼球的左右视差图像，并将该左右视差图像聚焦成像后传输至图像传感器；

非接触式气动装置，用于产生气流使角膜向内位移形成扁平态，在关闭停止气流时，使得角膜回弹回原始位置并再一次处于扁平态；

图像传感器，用于接收所述工作镜组聚焦成像的左右视差图，并将其转换为数字图像后，由计算模块根据角膜的扁平态计算得到待检测眼球的眼压值。

2.根据权利要求1所述的一种基于线阵相机的非接触式眼压测量装置，其特征在于，所述工作镜组包括反射镜组和成像透镜组。

3.根据权利要求2所述的一种基于线阵相机的非接触式眼压测量装置，其特征在于，所述反射镜组由反射镜M1、M2、M3和M4组成，其中，所述M1和M2用于传输眼球的左视差图像，所述M3和M4用于传输眼球的右视差图像。

4.根据权利要求2所述的一种基于线阵相机的非接触式眼压测量装置，其特征在于，所述反射镜组用于将人眼球的左右视差图像传输至所述成像透镜组。

5.根据权利要求2所述的一种基于线阵相机的非接触式眼压测量装置，其特征在于，所述成像透镜组由多组透镜组成，用于将反射镜组输入的人眼球的左右视差图像聚焦成像至图像传感器。

6.根据权利要求1所述的一种基于线阵相机的非接触式眼压测量装置，其特征在于，所述结构光投射器工作时，投射设定角度范围的线阵图案到人眼球上，该范围覆盖整个眼球，即整个眼球都会有线阵图案，当结构光投射器的光投射到人眼球后，被眼球所反射，其中，被反射的光线中，部分光线进入反射透镜组再经过成像透镜组后成像在图像传感器上。

7.根据权利要求6所述的一种基于线阵相机的非接触式眼压测量装置，其特征在于，设参与成像的所有光线中最边缘的光线为R10、R20、R30、R40，以眼球中轴线为界，则R10和R20位于同一侧，R30和R40位于另一侧，则在工作镜组中，

R10和R20以及二者中间所有的光线入射至反射镜M1后，被反射成为光线R11和R21以及二者中间所有的光线；

光线R11和R21以及二者中间所有的光线入射至反射镜M2，被反射成为光线R12和R22以及二者中间所有的光线；

R12和R22以及二者中间所有的光线通过成像透镜组变为光线R13和光线R23后成像在图像传感器上，形成眼球的左视差图像。

R30和R40以及二者中间所有的光线入射至反射镜M4后，被反射成为光线R31和R41以及二者中间所有的光线；

光线R31和R41以及二者中间所有的光线入射至反射镜M3，被反射成为光线R32和R42以及二者中间所有的光线；

R32和R42以及二者中间所有的光线通过光学透镜组变为光线R33和光线R43后成像在图像传感器上，形成眼球的右视差图像。

8.根据权利要求1所述的一种基于线阵相机的非接触式眼压测量装置，其特征在于，所述结构光发生器与中轴成b夹角，相机与中轴成a夹角，根据三角测量法得出距离d，若线阵相机为包含左右两半带视差的等效双目相机，则通过双目视觉来计算出深度距离d，公式如下：

其中，l为结构光发生器和相机的固定距离。

9.根据权利要求1所述的一种基于线阵相机的非接触式眼压测量装置，其特征在于，所述测量装置软件部分包括：

线阵相机控制模块，用于控制线阵相机和图像数据采集，提供数据给计算模块以便计算内外压平点及眼压；

结构光投射控制模块，用于控制结构光强弱、开关；

吹气设备控制模块，用于精准控制吹气强度、开关；

RGB相机控制模块，用于控制RGB相机并采集数据，提供数据给计算模块以进行眼球追踪和组合器对准；

组合器角度控制模块，用于控制组合器的角度，根据计算模块计算的眼球位姿及组合器姿态计算结果，调整组合器与眼球实时对准；

显示模块，用于显示计算得出的眼压值；

计算模块，主要用于眼球位姿追踪、RGB图像处理、线阵图像处理、内外压平点匹配计算及眼压计算。

10.一种基于线阵相机的非接触式眼压测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1***初始化启动，开启RGB相机识别待测区域内眼睛的角膜位置，并根据计算判断组合器是否与该角膜中心对准；

S2若未对准，则由组合器角度调整控制模块调整组合器角度使之对准受测者角膜中心，若对准，则进入测量；

S3开启线阵图案结构光，同时线阵相机开始记录吹气前Nms角膜的形状变化数据作为基准数据，其中N为正整数；

S4开始吹气，线阵相机继续记录角膜形变数据，待数据记录完毕，停止吹气，完成数据记录；

S5将记录数据合成样本图片，根据图中各像素点计算深度数据，并以此得到内外平压点，最终得到检测眼睛的眼压值。

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