一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术提供了一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统及测量方法，采用角膜定位子系统对角膜的测量位置定位、采用角膜激励子系统使角膜产生微量的机械波和形变，采用OCT探测子系统对角膜各采样点的弹性反应进行高灵敏度探测。其中，OCT探测子系统采用多光束、共光路的设计方案，既能保证无振镜扫描下的人眼角膜多弹性参数(硬度、固有频率、杨氏模量)的快速测量；又能降低测量噪声和误差、保证测量的精确性。

【技术实现步骤摘要】
一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统及测量方法
本专利技术专利涉及到生物医学弹性成像领域，尤其涉及一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统及测量方法。
技术介绍
人眼角膜是人眼主要的屈光介质，角膜的弹性力学特征对维持角膜的正常结构和功能具有重要作用、是研究角膜的生理和病理特性的重要基础。角膜疾病(例如圆锥角膜、角膜膨隆)及角膜手术(角膜屈光手术、紫外线交联术CXL等)会引起角膜弹性力学特征的改变。常规的临床检测方法依据角膜形态(地形图、厚度、曲率等)和眼压参数进行诊断；尽管对角膜疾病的检出率已经很高，但仍有部分角膜疾病被漏诊。而角膜结构的微小变化可引起弹性力学特征的明显改变，因此针对角膜弹性力学特征的量化研究在角膜疾病的诊断与治疗上具有重要意义。为了实现临床上角膜弹性力学特征的量化，研发非接触式、在体的人眼角膜弹性成像测量技术已成为眼科和视觉科学研究的一大需求和热点。目前各种角膜的弹性测量技术仍不成熟，所测的角膜力学参数差别为几个量级。以兔子角膜的杨氏模量测量为例，其估算范围从大约1kPa(Thomasyetc.ActaBiomater10(2),785-791(2014))到大约11MPa(Wollensaketc.ActaOphthalmol87(1),48-51(2009))。Ruberti等提出了角膜弹性成像测量技术面临的若干个未解决问题(Openquestions)，其首要的三个问题为：“如何开发在体角膜弹性测量的新技术/仪器”、“如何区分在体角膜各区域的弹性力学特征”与“如何采用弹性成像测量的手段进行角膜手术的术前风险评估”(Rubertietc.AnnuRevBiomedEng13,269-295(2011))。在角膜的在体弹性测量方案中，各种弹性成像技术均有其技术瓶颈：或无法达到高测量分辨率要求(Voorheesetc.ExperimentalEyeResearch,160,85-95(2017))、或无法实现针对角膜病变区域的局部测量(Luceetc.JCataractRefractSurg31(1),156-162(2005)；Hongetc.IOVS54(1),659-665(2013))、或需要过长的测量时间(Scarcellietc.NatPhotonics2(1),39-43(2008)；Scarcellietc.IOVS53(1),185-190(2012))，难以达到角膜在体弹性测量的临床需求。目前角膜弹性参数量化研究所面临的一个重要科学问题是：如何更准确的量化在体人眼角膜的弹性力学特征，尤其是如何进行角膜局部区域弹性参数的高精度测量、实现临床上角膜病变或手术区域与正常区域的边界区分。这需要研究符合临床需求的角膜弹性测量的新方法，开发可实现在体人眼角膜局部区域和多方位弹性参数量化的高精度、快速测量技术。而在OCE技术中，目前尚难以采用“扫描探测式”OCE实现人眼角膜机械波传播的追踪和杨氏模量的准确在体测量。机械波传播速度约为几米/秒，而每个测量点均需要数毫秒至数十毫秒的时间来获得该点的“位移-时间”曲线。OCE难以通过单帧成像实现机械波在某个传播方向的追踪。此外，眼动对活体角膜机械波传播速度的测量引入很大的测量误差。以往的SD-OCT系统采取多次激励和多次探测的方法对样品和离体角膜各测量点的弹性响应进行拼接，从而实现对机械波传播速度的估算。但由于眼动的存在，该方法难以用于在体人眼角膜的弹性测量。高速扫频OCT(SweptsourceOCT)系统可提高采集速度，例如150万A-line/秒(Songetc.AppliedPhysicsLetters108(19)(2016).；Singhetc.Opt.Lett.40(11),2588-2591(2015).)。然而扫频OCT目前仍有较大的相位误差，需要采用额外的稳相技术来获得稳定的相位。此外，高速扫频OCT价钱昂贵，尚难以在临床上推广。线视场(Linefield)扫描的OCE方案(Liuetc.BiomedicalOpticsExpress7(8),3021-3031(2016).)虽然可以提高机械波的探测速度，但是由于它需要更强的光强信号，目前也尚未能成功应用于人眼角膜的测量之中。另外现有技术中也有一些能够提高采集速度的方案诸如(1)高速扫频OCT(SweptsourceOCT)系统可提高采集速度，例如150万A-line/秒(Songetc.AppliedPhysicsLetters108(19)(2016).；Singhetc.Opt.Lett.40(11),2588-2591(2015).)。然而扫频OCT目前仍有较大的相位误差，需要采用额外的稳相技术来获得稳定的相位。此外，高速扫频OCT价钱昂贵，尚难以在临床上推广。(2)使用线视场(Linefield)扫描的OCE方案(Liuetc.BiomedicalOpticsExpress7(8),3021-3031(2016).)虽然可以提高机械波的探测速度，但是由于它需要更强的光强信号，目前也尚未能成功应用于人眼角膜的测量之中。
技术实现思路
为此，本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种共光路多光束OCE探测方案，既能保证无需振镜扫描下的人眼角膜多弹性参数(硬度、固有频率、杨氏模量)的快速测量；又能降低测量噪声和误差、保证测量的精确性。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一方面，一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统，包括角膜定位子系统、载荷激励子系统和OCT探测子系统；所述角膜定位子系统对角膜测量位置进行定位、所述载荷激励子系统用于刺激角膜以使角膜产生机械波和形变，所述OCT探测子系统采用共光路、多光束设计，对角膜的弹性响应进行测量；所述共光路是指：探测臂和参考臂在同一光路；在所述OCT探测子系统中，宽光谱光源连接第一光纤耦合器的一端，所述第一光纤耦合器的另一端连接第二光纤耦合器的一端，所述第二光纤耦合器分光后另一端分别连接共光路共光路多光束探测头上对应的探测光路，多光束光路中角膜前的位置设置参考平板，参考平板靠近角膜的一侧提供反射的参考信号，所述参考信号与角膜上各采样点的探测信号产生干涉，其干涉光谱由与第一光纤耦合器连接的光谱探测器探测接收。进一步，所述共光路多光束探测头的探测光路数量不少于2个。进一步，所述参考平板的光程要大于所述OCT探测子系统所能探测的最大光程，所述参考平板远离角膜的一侧可镀增透膜、靠近角膜的一侧可镀适当反射率的反射膜。进一步，所述角膜定位子系统包括对人眼视轴定位的标靶、对角膜和瞳孔成像的相机以及进行光路拼接的若干二向色镜。另一方面，一种共光路的多光束光学相干弹性测量方法，利用上述技术方案中所述的共光路的多光束光学相干弹性测量系统，包括步骤：S1、使用定位相机对人眼瞳孔成像，人眼盯着标靶固定视轴，当标靶进行移动的时候，眼睛的视轴也随之移动，这可以改变角膜的激励和测量区域，之后根据瞳孔的边缘及中心点位置对角膜进行横向定位，并通过A-scan上标志点的深度变化进行轴向追踪，当角膜的轴向位置和横向位置在测量误差范围之内，开始进行弹性测量；S2、宽光谱光源发出的光经过第一光纤耦合器以及第二光纤耦合器分为若干光路，多路光聚焦在角膜上的测量点上,多路光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于：包括角膜定位子系统、载荷激励子系统和OCT探测子系统；所述角膜定位子系统对角膜测量位置进行定位、所述载荷激励子系统用于刺激角膜以使角膜产生机械波和形变，所述OCT探测子系统采用共光路、多光束设计，对角膜的弹性响应进行测量；所述共光路是指：探测臂和参考臂在同一光路；在所述OCT探测子系统中，宽光谱光源连接第一光纤耦合器的一端，所述第一光纤耦合器的另一端连接第二光纤耦合器的一端，第二光纤耦合器分光后另一端分别连接共光路共光路多光束探测头上对应的探测光路，多光束光路中角膜前的位置设置参考平板，参考平板靠近角膜的一侧提供反射的参考信号，所述参考信号与角膜上各采样点的探测信号产生干涉，其干涉光谱由与第一光纤耦合器连接的光谱探测器探测接收。

【技术特征摘要】
1.一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于：包括角膜定位子系统、载荷激励子系统和OCT探测子系统；所述角膜定位子系统对角膜测量位置进行定位、所述载荷激励子系统用于刺激角膜以使角膜产生机械波和形变，所述OCT探测子系统采用共光路、多光束设计，对角膜的弹性响应进行测量；所述共光路是指：探测臂和参考臂在同一光路；在所述OCT探测子系统中，宽光谱光源连接第一光纤耦合器的一端，所述第一光纤耦合器的另一端连接第二光纤耦合器的一端，第二光纤耦合器分光后另一端分别连接共光路共光路多光束探测头上对应的探测光路，多光束光路中角膜前的位置设置参考平板，参考平板靠近角膜的一侧提供反射的参考信号，所述参考信号与角膜上各采样点的探测信号产生干涉，其干涉光谱由与第一光纤耦合器连接的光谱探测器探测接收。2.根据权利要求1所述的一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于：所述共光路多光束探测头的探测光路数量不少于2个。3.根据权利要求2所述的一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于：所述参考平板的光程要大于所述OCT探测子系统所能探测的最大光程，所述参考平板远离角膜的一侧可镀增透膜、靠近角膜的一侧可镀适当反射率的反射膜。4.根据权利要求3所述的一种共光路的多光束光学相干弹性测量系统，其特征在于：所述角膜定位子系统包括对人眼视轴定位的标靶、对角膜和瞳孔成像的相机以及进行光路拼接的若干二向色镜。5.一种共光路的多光束光学相干弹性测量方法，利用权利要求4中所述的共光路的多光束光学...

【专利技术属性】
技术研发人员：蓝公仆，迈克尔·图，陈国杰，安林，谭海曙，许景江，黄燕平，秦嘉，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：广东,44