[发明专利]晶状体生物力学和光学特性无创在体成像系统及测量方法

摘要

本发明公开了晶状体生物力学和光学特性无创在体成像系统及测量方法。本发明的超声负载系统提供使晶状体产生形变的机械波，谱域OCT系统实现对晶状体的结构和弹性成像；结合消共轭技术，实现OCT全范围成像，得到从角膜前表面到晶状体后表面的全眼前节二维或三维结构图像，计算得到晶状体的形态学和光学特性参数，并构建晶状体地形图。同时，利用相位敏感OCT技术，获得晶状体深度方向的应变分布，重建得到晶状体的二维或三维生物力学特性分布图。晶状体生物力学和光学特性的高分辨率成像和精确测量为白内障等晶状体疾病的基础研究、早期诊断、手术方案制定及术后结果评价提供更全面完整的影像测量学依据，具有重要的现实意义和临床意义。

主权项

1.晶状体生物力学和光学特性无创在体成像系统，由超声负载系统和谱域OCT系统组成，其特征在于：所述的谱域OCT系统包含光源、光纤耦合器、样品臂、参考臂、光谱仪和控制计算机；光源提供的光束被光纤耦合器分成两束，分别进入样品臂和参考臂；样品臂返回的样品背向散射光和参考臂返回的参考光经过光纤耦合器形成干涉光信号后输出至光谱仪，所述的光谱仪将采集得到的实数形式干涉光谱信号输入到控制计算机；所述的样品臂包括第一偏振控制器、第一准直透镜、X‑Y扫描振镜系统和扫描透镜，由光纤耦合器输出的光束经由第一偏振控制器进入第一准直透镜，从第一准直透镜出射的准直光束再先后经过X‑Y扫描振镜系统和扫描透镜聚焦到晶状体或眼前节；所述的X‑Y扫描振镜系统包括X‑扫描振镜、Y‑扫描振镜、驱动X‑扫描振镜和Y‑扫描振镜的电机及控制电机的控制面板；控制计算机负责对控制面板进行控制；所述的参考臂包括第二偏振控制器、第二准直透镜、色散补偿块、可调机械狭缝和反射镜；由光纤耦合器输出的光束经由第二偏振控制器进入第二准直透镜，经第二准直透镜准直的出射光束依次通过色散补偿块和机械可调狭缝后，垂直入射到反射镜上；从反射镜返回的参考光，沿原路返回至光纤耦合器；所述的光谱仪包括第三准直透镜、光栅、成像透镜和线阵相机；从光纤耦合器出射的干涉光经由第三准直透镜准直后出射进入光栅被分成多个波段的单色光，经成像透镜聚焦到线阵相机上，形成干涉光谱；所述的超声负载系统包括超声探头和脉冲发生器；所述的超声探头为中空结构；超声探头由脉冲发生器驱动，脉冲发生器由控制计算机控制；超声波通过眼杯进入眼球；眼杯中设置耦合剂；超声探头和扫描透镜中心轴线同轴设置；成像和测量的过程具体如下：在超声负载系统作用下，晶状体发生形变；由光源发出的光束经光纤耦合器，分别输出到样品臂和参考臂，进入样品臂的光束先后经第一偏振控制器、第一准直透镜、X‑Y扫描振镜系统和扫描透镜聚焦到晶状体或眼前节；进入参考臂的光束先后第二偏振控制器、第二准直透镜准直、色散补偿块和机械可调狭缝，并垂直入射到反射镜上；样品臂返回的样品背向散射光和参考臂返回的参考光经过光纤耦合器形成干涉光信号后输出至光谱仪，光谱仪将采集得到的实数形式干涉光谱信号输入到控制计算机；控制计算机利用消共轭技术和相位敏感检测技术对谱域OCT系统获取的干涉光谱信号进行处理得到晶状体深度方向上的应变分布，进而重建出晶状体的生物力学特性分布图；另外，控制计算机利用消共轭技术重建全眼前节OCT结构图像，对全眼前节OCT结构图像中的角膜前、后表面以及晶状体前、后表面进行边缘提取得到角膜和晶状体的边界信息，利用角膜和晶状体的边界信息进行光学折射矫正得到矫正后的全眼前节OCT结构图像，再对矫正后的全眼前节OCT结构图像中的晶状体进行边缘提取得到晶状体的边界信息，从而计算晶状体的形态学和光学特性参数，并构建晶状体地形图；形态学参数包括厚度、曲率及表面不规则度，光学特性参数包括屈光力、透明度及散光轴位置；消共轭技术的具体实施过程如下：通过将样品臂上的入射光束偏离X‑扫描振镜和Y‑扫描振镜枢轴点的方法使相邻的A‑scan信号产生相移，实现横向傅里叶变换后的干涉光谱信号实像和共轭像的频谱分离，然后通过带通滤波去除共轭像，再经由横向傅里叶反变换重构复数形式的干涉光谱信号；利用相位敏感检测技术重建晶状体生物力学特性分布图的过程具体如下：对消共轭技术得到的复数形式干涉光谱信号进行轴向傅里叶变换，对变换结果进行相位提取，得到与晶状体的形变程度相关的相位值；通过计算施加超声负载前后相位差值利用公式求得晶状体的形变量u_z，其中，λ为光源的平均波长，n为晶状体折射率；根据形变量u_z计算得到晶状体的弹性模量和剪切粘度，从而得到某个位置沿深度方向的生物力学特性分布；仅X‑扫描振镜振动而Y‑扫描振镜不动时重建出二维晶状体生物力学特性分布图，X‑扫描振镜和Y‑扫描振镜配合振动时重建出三维晶状体生物力学特性分布图。