改进的顺序扫描的波阵面测量和视网膜地形图测量.pdf

一种用于测量波阵面像差的改进的顺序扫描方法和设备，涉及相对于平行光束有角度地偏移一测量光束，该测量光束在所期望位置射到角膜表面上，并使用有角度地偏移的光束和参考光束之间的检测器上的图像的偏移量，与常规用于这种波阵面像差测量的通过平行光束和参考光束之间的偏移量所提供的波阵面测量相比，获得更精确的波阵面测量。一种确定视网膜地形图的方法和相关设备，依赖于使用所述改进的测量方法和设备并结合其它眼睛数据，以在视网膜图像偏移量基础上确定眼睛的眼球长度的变化。

1、  一种用于测量眼睛波阵面像差的方法，其中平行于已知参考轴线投射的第一参考物光束被输入到眼睛角膜上第一参考位置(P₁)，从而该第一光束从视网膜表面上的一位置(1)被散射，并且进一步被成像到一检测器上一参考位置(x₁，y₁)，以及平行于所述参考光束并与其偏移一已知量(d)的至少一个顺序第二物光束被投射到眼睛中角膜上的一第二位置(P₂)，从视网膜表面上一位置(2)被散射，并进一步被成像到该检测器上一第二位置(x₂，y₂)，从而可以测量一偏移量(Δx_2-1，Δy_2-1)，并根据其可以计算出波阵面像差信息，
改进的特征在于：
相对于所述参考轴线以一角度(α)输入对应于每个顺序第二光束的第三光束，该第三光束在与每个第二光束相同的位置(P₂)处进入角膜，并从视网膜表面上基本对应于位置(1)的位置(3)被散射，并且进一步被成像到该检测器上一第三位置(x₃，y₃)，从而可以测量偏移量(Δx_3-1，Δy_3-1)，并且计算出对应于角膜上位置P₂的波阵面像差，
由此，从所述第三光束数据得出的角膜位置P₂的波阵面像差比从所述第二光束测量得出的对应测量结果更精确。

2、  根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入光束每个具有大约0.2mm到2mm的直径。

3、  根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入光束每个具有大约0.4mm到0.5mm的直径。

4、  根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入光束具有大约400nm到1200nm之间的波长。

5、  根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入光束具有大约700nm到900nm之间的波长。

6、  根据权利要求1所述的方法，其中，所述参考轴线为病人眼睛的注视的视轴线。

7、  根据权利要求1所述的方法，其中，所述参考轴线为病人眼睛的光学轴线。

8、  根据权利要求1所述的方法，进一步包括在不同的角膜位置(P_n)输入足够数量的第二和第三输入光束，以对所期望的角膜表面区域进行波阵面绘制。

9、  一种用于进行眼睛波阵面测量的改进的顺序扫描型设备，其中所述设备包括：用于将具有与参考轴线重合的传播路径的参考光束顺序输入到眼睛角膜上选定位置、以及将具有互相平行并且平行于所述参考轴线的传播路径的多个测量光束顺序输入到眼睛角膜上选定位置的装置；用于捕获来自由眼睛视网膜表面不同位置散射的每个输入光束的光、并将所述光成像在所期望的外部位置的装置；用于接收所述成像光束并检测该图像相对于参考图像的偏移量的检测器；以及根据对应于角膜上输入位置的所述图像偏移量计算波阵面像差信息的计算装置，
改进包括：
用于将其中各对应于一个测量光束的多个附加测量光束顺序输入到眼睛角膜上对应于所述测量光束的位置的装置，它们射到视网膜表面一位置上，基本上在该位置所述参考光束射到视网膜表面上，从而每个所述附加测量光束以与所述参考图像有一偏移量的状态被成像到该检测器上，以及其中所述计算装置根据对应于角膜上输入位置的附加图像偏移量计算波阵面像差信息。

10、  一种用于确定视网膜表面的地形图变化的方法，包括：
将平行于已知参考轴线投射的第一物光束输入到眼睛角膜上第一位置(P₁)，使得所述第一光束从视网膜表面上一位置(1)被散射，并且进一步被成像到一检测器上一参考位置(x₁，y₁)处；
将平行于所述参考光束并与其偏移一已知量(d)的第二物光束输入到眼睛角膜上第二位置(P₂)，其中它从视网膜表面上一位置(2)被散射，并且进一步被成像到该检测器上一第二位置(x₂，y₂)处；
测量对应于(Δx_2-1，Δy_2-1)的第一球面折射误差；
相对于所述参考轴线以一选择的角度(α)输入第三光束，作为从基本上对应于位置(1)的视网膜上位置(3)被散射的第二光束(P₂)，并且进一步被成像到该检测器上一第三位置(x₃，y₃)处；
测量对应于(Δx_3-1，Δy_3-1)的第二球面折射误差；以及
对于视网膜表面上ΔX_2-1偏移量，确定眼睛长度的变化量Δ1。

11.  根据权利要求10所述的方法，包括顺序输入对应于角膜表面上多个位置的多个第二和第三光束。

12.  一种提供视网膜地形图信息的设备，包括：
用于将具有与参考轴线重合的传播路径的参考光束顺序输入到眼睛角膜上选定位置、以及将具有互相平行并平行于所述参考轴线的传播路径的多个测量光束顺序输入到眼睛角膜上若干个选定位置的装置；
用于捕获来自从眼睛视网膜表面不同位置散射的每个输入光束的光、并将所述光成像在所期望外部位置的装置；
用于接收所述成像光并检测该图像相对于参考图像的偏移量的检测器；
通过对应于角膜上输入位置的所述图像偏移量计算波阵面像差信息的计算装置；
用于将各对应于一个测量光束的多个附加测量光束顺序输入到眼睛角膜上对应于所述测量光束的位置的装置，它们射到视网膜表面一位置上，基本上在该位置所述参考光束射到视网膜表面上，从而每个所述附加测量光束以与所述参考图像有一偏移量的状态被成像到该检测器上，以及其中所述计算装置根据对应于角膜上输入位置的附加图像偏移量计算波阵面像差信息，进一步其中所述计算装置使用根据所述附加图像偏移量得出的所述波阵面像差信息以及眼睛参数信息来绘制视网膜地形图。

改进的顺序扫描的波阵面测量和视网膜地形图测量
本申请要求2001年12月14日提交的美国临时申请60/340,529作为优先权，该申请作为参考文件而完整地结合于此。
发明背景
发明领域
本发明一般涉及眼科波阵面和地形图测量，更具体的说，涉及利用顺序扫描技术的改进波阵面测量的设备和方法，以及一种用于视网膜地形图测量的设备和方法。
相关技术描述
人们都知道各种眼科诊断设备和技术，它们可用来绘制(map)眼睛的物理和光学特性。例如角膜地形图、角膜厚度、折射度以及其它参数数据的物理数据可以通过角膜地形图系统而获得，例如Orbscan II角膜地形图系统(Bausch&Lomb Incorporated，Rochester，New York)。例如眼睛波阵面像差的光学信息同样也可以通过各种设备和测量方法而获得。一种这样的像差测量仪使用Hartmann-Shack波阵面传感器来测量在眼睛的整个光学区域上单程内眼睛的波阵面像差。这是通过采用非常小直径的激光束照射视网膜上的一个点并采用一个小透镜阵列将来自眼睛瞳孔出口的出射光聚焦到检测器上而实现的。波阵面像差导致由小透镜阵列在检测器上产生的聚焦点偏离通过小透镜阵列的无像差波阵面的位置。这些偏离使得可以对波阵面像差进行直接计算。所述的Hartmann-Shack型设备的若干公知缺点包括动态范围/分辨率的折衷(tradeoff)，低的信噪比，对病态眼睛的不可信读取，以及其他本领域技术人员所知的缺点。
用于测量波阵面像差的多种可替换技术其中之一来自一种心理物理射线跟踪方法，该方法最初由Scheiner提出并且基于Scheiner的盘形原理。概括的说，该原理基于调整进入眼睛的图像的光线的方向，直到视网膜图像与由参照输入光线方向产生的视网膜图像对齐。进一步的解释和更详细的描述可以在MacRae等人所著的SlackIncorporated(2001)第16章“Customized Corneal Ablation，The Questfor Super Vision”中找到。Scheiner原理被Penney等人进一步发展，并且他们的设备作为空间解析折射仪(Spatially ResolvedRefractometer，SRR)而被人们所知。SRR通过以下方式操作，即让病人观看在37个选定位置以顺序方式引入眼睛角膜上的点物体，并询问病人在输入物体的方向性改变时图像在何时聚焦于特定的参照位置。作为结果的射线偏差提供了波阵面倾斜信息，从该信息可以确定波阵面。
Tracey Technologies LLC(Bellaire，Texas)采用的SRR原理的变化被称作顺序扫描或窄光束射线跟踪。顺序扫描技术依靠将小直径的平行激光束顺序输入到眼睛的角膜表面上的选定点，并且最后测量视网膜上每个图像点相对于参考视网膜点位置(x₀，y₀)的偏移量(Δx，Δy)。偏移量误差是瞳孔入口内每个特定点的横向像差的直接度量。采用合适的光学装置和相对简单的代数计算方法，可以在检测器上测量这些偏移量，以及计算出波阵面像差。
尽管用于波阵面像差测量的顺序扫描方法具有优于替换波阵面测量技术的某些优点，但该方法具有一些固有的缺陷，这些缺陷主要是关于其依赖于对眼睛的某些假定上。这些假定尤其涉及确定眼球的正确长度；以及其次，假定视网膜表面在眼睛的后表面是一个平面。然而实际上，视网膜表面最多只是一个具有不规则凸起和凹部的地形图的曲面包络。发明人相信这对于病态的视网膜和在视网膜中心盲点处尤其明显。由于视网膜不平坦的轮廓，采用平行于参考测量轴线(如眼睛的视轴线或光轴线)的输入光束对波阵面像差的测量会失去精确度，原因在于图像的视网膜位置偏移视网膜平面以跟随真实的视网膜包络轮廓。
因此，本发明人意识到需要一种方法，以改进顺序扫描波阵面技术的精确度，以及意识到需要对视网膜参考位置周围的视网膜地形图的更好理解和测量该地形图的能力。
发明概述
本发明的一个实施例针对一种用于测量波阵面像差的改进方法，该方法基于已知地测量所述像差的顺序扫描技术。所述已知方法依靠将平行于已知参考轴线的参考光束输入到眼睛，并且该参考光束在已知的角膜位置与眼睛相交。该光被成像到视网膜上，并通过眼睛从中散射出来，以及通过透镜在检测器上成像，在该检测器上图像的位置被记录。平行于所述参考轴线并相对于所述参考光束偏移一个已知距离的第二光束输入到眼睛，从而其在所期望的角膜位置射到眼睛上。所述第二光束在与所述第一光束不同的视网膜位置处在视网膜上被成像，并被散射，以及同样地在检测器上成像。所述第二光束和第一光束之间在检测器上的偏移量然后被以已知的方法用于计算眼睛的波阵面像差。根据本发明的改进依靠在与第二光束相同的位置处将第三光束输入到眼睛角膜表面上，但是第三光束相对于所述参考轴线倾斜一个角度，以使得第三图像的视网膜图像位置与所述第一图像的视网膜图像位置重合。从视网膜散射的第三图像光被成像在所述检测器上，所述第三图像位置和所述参考图像位置之间的偏移量被以已知方式用于提供比第二图像所提供测量更精确的波阵面测量。
在另一个实施例中，描述了一种用于确定视网膜表面的地形图变化的方法和设备。根据已知眼睛会聚度和例如眼球长度的参数信息，可以以已知的方式使用指示球面会聚度变化的波阵面像差测量来确定眼球长度的变化，所述眼球长度的变化会引起所测量的球面会聚度的变化。再次参考上述的实施例，在检测器处的测量可以被用于确定对应于所述参考光束和第二光束的图像点的偏移量的视网膜表面的横向偏移量。如前所述，由所述第三光束获得的更精确的测量可以用于确定引起精确测量误差的眼球长度变化。基于该测量误差的眼球长度的差异可以指示视网膜上该特定图像位置处的视网膜地形图。这样，对应于输入光束进入眼睛的在角膜表面上的各个不同位置，可以绘制视网膜地形图。
上述的实施例以传统的顺序扫描技术和设备为基础，并包括对现有系统和方法的改进和修改，用于改进现有测量的精确度，并提供眼睛的附加参数测量。
通过下面的详细描述，本发明的这些和其它目的将变得更加清晰。然而，应该理解，用于说明本发明优选实施例的详细描述和特定例子仅以示例方式给出，因为对于本领域技术人员来说，根据在此的描述和附图以及所附权利要求，在本发明精神和范围内的各种变化和修改将是清楚的。
附图简要说明
图1a和1b示出说明根据本发明实施例的系统和方法的光线路径示意图；
图2是光线跟踪图，显示了根据本发明一个实施例的不同光路径；
图3显示了球面散焦误差和眼睛出射光线的方向之间的关系图；以及
图4是显示在本发明的一个实施例中针对视网膜地形图测量的光线路径的示意图。
本发明优选实施例的详细描述
结合图1a和1b，描述了使用顺序扫描技术更精确地测量眼睛波阵面像差的本发明的优选实施例。待测量的眼睛10具有代表性的前面的角膜平面12和代表性的视网膜平面14。参考轴线16由当眼睛注视目标18时的眼睛视轴线表示。分束器20允许来自包括扫描设备(未显示)的激光源19的第一和第二平行输入光束22、24到达角膜，并导引从视网膜平面散射的返回光束通过成像透镜30到达检测器28。优选地，第一和第二光束22、24为准直的激光束，并具有大约0.2mm到2.0mm的直径，更优选地，具有大约0.4mm到0.5mm的直径。输入光束的波长范围优选地为大约400nm到1200nm之间，并且更优选地，为在大约700nm到900nm之间的近红外范围。
本领域技术人员可以理解，该设备包括所有利用顺序扫描型波阵面分析器测量眼睛波阵面像差的设备硬件和软件。设备组件一般包括用于将参考光束顺序输入到眼睛角膜上选定位置以及将多个测量光束顺序输入到眼睛角膜上选定位置的装置，参考光束具有与参考轴线重合的传播路径，这些测量光束具有相互平行并平行于所述参考轴线的传播路径。另外，设备一般包括用于捕获来自从视网膜表面不同位置散射的每个输入光束的光并将该光成像到所期望的外部位置的装置，用于接收成像光束并且检测其上该图像相对于参考图像的偏移量的检测器，以及用于根据检测器平面上图像偏移数据计算对应于特定角膜位置的波阵面像差的硬件/软件。设备的实际布置包含工程设计，这对于理解本实例发明并不是至关紧要的，因此，并未对此进行更详细的说明。
再次参考图1a，一种已知的用于通过顺序扫描技术测量眼睛波阵面像差的方法如下：第一输入激光束22沿病人的视轴线16输入到眼睛10，并大致通过瞳孔中心。第一输入光束22在P₁处与角膜表面相交。对于正视眼，眼睛的光学系统将该光束聚焦到视网膜平面14上的位置(1)。如果近视眼或远视眼没有被校正，那么进入光束的实际聚焦位置将位于如图1b所示的f₂而不是视网膜平面14上的位置(1)。视网膜平面14上的位置(1)处的光被散射并沿其输入路径射出眼睛，在输入路径上光被光学镜20导引通过成像透镜30。成像透镜将散射光成像到检测器28上的参考位置31，位置31具有参考位置坐标(x₁，y₁)。
第二顺序输入光束24平行于光束22的路径，并偏移该路径距离d，在位置P₂射到角膜上。为描述清楚，假定眼睛10近视，第二测量光束24在f₂处(图1b)与参考轴线16相交，并在位置(2)与视网膜平面14相交。视网膜14上位置(2)偏移位置(1)一距离B。第二光束24被视网膜散射并以由角度β表示的总方向射出眼睛，并作为点33被成像到检测器表面28上的位置(x₂，y₂)。图像点33相对于所述参考点31的偏移量(由x_2-1和y_2-1表示)通过已知方法计算，以提供对应于角膜表面上P₁和P₂点的波阵面像差信息。在实际系统中，多个测量光束24_n被顺序输入到眼睛角膜上不同位置，从而可以在整个所期望的角膜表面区域测量波阵面像差。
由于视网膜平面14实际上并不是平坦表面，而是可以被认为在其表面具有地形变化的包络，所以由检测器上图像点的偏移量导出的波阵面像差测量不一定能提供所期望的高测量精度，例如，视网膜表面与平坦表面偏差100μm会引起大约0.3dpt范围内的变化。根据本发明实施例，波阵面测量精确度可以如下得到改善。参考附图，下面的定义可以帮助读者理解本发明。
d＝第二测量光束相对于第一参考光束在角膜表面上的偏移量；
f₂＝正视眼的焦距(大约55D)；
1＝沿参考轴线从角膜平面12到视网膜平面14的眼睛长度(典型的约为25mm±4mm)；
B＝参考图像(1)和偏移参考图像(2)沿视网膜平面的距离；
f₃＝成像透镜30的焦距；
x_1i，y_1i＝成像的光束点相对于参考位置x₁，y₁在检测器上的偏移量；
β＝由角膜中心的平行输入测量光束射出眼睛的散射光的总方向角；以及
α＝根据本发明实施例的用于改善波阵面测量精度的附加测量光束的角度。
再参考图1b，可调节的附加测量光束26被输入到眼睛角膜上的一相交点，该相交点与第二输入光束24的相交点P₂相同。调节可调节光束相对于参考轴线的角度α，以使得光束26中的物体被成像在视网膜上并尽量靠近位置(1)(即其中参考光束22与视网膜平面相交处)。散射的返回光束26′由成像透镜30在检测器上成像为具有坐标x₃，y₃的图像点35。通过由偏移量数据Δx_3-1，Δy_3-1产生的波阵面测量，可以进行对应于P₂角膜位置的更精确的波阵面确定。然后对于每个偏移的输入光束重复该过程，以绘制所期望的对应的角膜表面像差。尽管参考二维坐标系进行上述说明，可以理解，向量计算对于测绘实际状况是必须的。
作为示例以上说明的例子，假设原先的顺序扫描方法导致10％的波阵面测量误差，因此也导致散射光束的角度偏移具有10％的误差，以及对于视网膜平面上的偏移量B也是同样的。进一步，为了示例，假定待测量的眼睛的真实误差具有-10D的值，而输入光是平行的(0D)。因此测量的像差将为-9D。根据本发明，可调节光束以对应于-9D像差的角度输入到眼睛。检测器上的点偏移量Δx_3-1大约等于0.1Δx_2-1，并且Δβ大约为0.1β。因为-9D的波阵面像差直接由β测量，所以Δβ的贡献约为-0.9D，给出所测量的球面散焦像差值为-9.9D。由于进行单次顺序扫描测量大约需要50ms，所以总的附加测量时间约为100ms。可选择地，可以重复执行附加测量过程，例如，可以以对应于刚刚测量的-9.9D的角度偏差输入第四调节光束α′。结果产生的Δx₄大约等于0.1Δx₃，其大约等于0.01Δx₂。这会产生-0.09D的Δβ₄，并导致对于假定的-10D的真实散焦误差值的所测量的球面散焦为-9.99D。如此三次重复过程需要大约150ms来完成。
基于以上给出的定义，并参考附图，通过简单的代数几何计算可以产生以下关系式：
β＝Δx_2-1/f₃；
β＝n_c[1-f₂d]/f₂l；
B＝1Δx_2-1/f₃；
...由近轴光学装置：
1/s＝n_c/f₂-n_c/l＝n_c[1-f₂]/f₂1；(在眼睛外视网膜上物体的图像长度)
α≈d/s＝n_c[1-f₂d]/f₂1＝β；
|α|≈|β|。
本发明的另一个实施例针对测量沿视网膜表面各点处的视网膜的地形图变化。这紧接着上面阐述的说明，并参考图2作了详细解释。从以上说明可知，当平行于视轴线的第一光束(1)在P₁点到达角膜并在X₁处被散射离开视网膜表面，以及偏离第一光束的第二平行光束(2)在P₂点到达角膜并在X₂点处被散射离开视网膜表面并以角度β_out射出眼睛时，检测器平面上光束(1)和(2)之间的图像点偏移量产生了对应于角膜上P₂点的球面散焦误差。根据上述本发明的实施例，当第三光束(3)被引入在角膜上P₂点，并从视网膜上X₁点被散射时，角度α和检测器上光束(1)和(3)间的偏移量产生对应于角膜上P₂点的更精确的球面折射误差。根据该实施例，第四光束(4)在角膜位置P₁以角度β输入到眼睛，其中光束从视网膜表面上X₂处被散射。平行于第四光束(4)的第五光束(5)然后在角膜位置P₂输入到眼睛。然后偏移于第五光束(5)一个很小角度δ的第六光束(6)在P₂点被引入，以提供来自于视网膜上位置X₂并对应于角膜上位置P₂的更加精确的球面折射误差。图3以整体形式显示了该实施例提供的作为角度β的函数的球面散焦测量的变化。如果角膜表面实际为平坦的表面，图3会显示一条直的水平线，表示作为视网膜位置的函数的球面折射误差没有变化。如果眼睛的球镜度(spherical power)取为大约55D，并且眼睛长度1大约为25mm，那么根据上述技术测量的1D的球面散焦的变化将对应Z方向上X₁和X₂间的偏移量为1/55D×25mm/n_c≈330μm。在.05D的测量精确度下，这提供了Z方向上大约为17μm的分辨率。由于视网膜平面上的Δx值可以用(α1)/n_c来表示，其中α是已知输入角度，所以每次在检测器上对于视网膜上已知的Δx值测量折射误差时，由一个屈光度误差大约等于Z方向330μm偏移量的对应关系，可以近似得出视网膜表面上该点处的Z值。这样，可以绘制角膜地形图。该分辨率是在OCT测量提供的分辨率的数量级。
现在参考图4，给出根据本发明的一个视网膜地形图实施例的更详细描述。如果视网膜是视网膜平面RP，那么初始的光束(1)和(2)会从视网膜表面上位置X₁和X₂分别被散射，差值ΔX_2-1可以表示为(Δα/n)×l。然而，由于眼睛像差和非平面的视网膜表面100，输入光束(2)和(3)在视网膜上位置X₁₀和X₁₂分别被散射。如果视网膜是平坦的，角度为Δα₂的输入光束(3)在检测器上将对Δα₂提供与对Δα₁同样的信号，其中角度Δα₂基于Δα₁测量的波阵面误差。在这种情况下，Δβ₁和Δβ₂将相等。然而，所示的角度相关性如下，并且可以在检测器处测量Δψ。
Δψ＝(Δβ₂-Δβ₁)；
ε＝d/1＝ΔX_10-12/z；
ΔX_10-12＝dz/l；
Δγ＝ΔX_10-12/(1-z)≡ΔX_10-12/l＝dz/1²；
Δψ＝n_cΔγ＝n_cdz/1²；以及
z＝1²Δψ/n_cd。
例如，假设d＝5mm，n_c＝1.336，l＝25mm，以及z＝20μm，Δψ＝2.14×10^-4rad＝0.012°。
基于以上描述，可以看出，根据本发明的过程允许在单个系统中测量视网膜地形图和波阵面像差。因此，本发明的实施例针对一种用于测量光学系统(优选为人眼)的视网膜地形图和波阵面像差的系统。进一步，可以理解，该系统与上述的用于改进顺序扫描波阵面检测器的系统类似，并另外可以多个选定角度输入附加测量光束到眼睛，从而可以通过检测器上图像点的偏移量获得各种精确度的测量分辨率。
尽管选择了各种具有优点的实施例来示例说明本发明，本领域技术人员可以理解，可以对其作出各种变更和修改而不背离如所附权利要求书所定义的本发明的范围。