用于角膜生物力学响应的体内测量的设备和方法技术

呈现了一种用于以空间分辨率非接触体内测量角膜或泪膜的一种或多种特性的设备和方法。在某些实施方式中，用来自多波长光源的子光束的会聚阵列以基本垂直入射探测角膜/泪膜，并以干涉测量分析反射光以产生测厚图的时间序列。测量和分析由外压和内眼压之间的差异引起的，例如来自眼脉动或外部施加的压力变化的厚度变化可以获得有关角膜的生物力学响应的信息。在优选的实施方式中，测量并减去泪膜厚度的时间变化以产生用于生物力学分析的归一化的测厚数据。在某些实施方式中，该设备配置为使用会聚的或基本平行的子光束阵列测量泪膜的动力学和分布。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于角膜生物力学响应的体内测量的设备和方法
本专利技术涉及用于光学计量学的设备和方法，具体是用于体内测量人角膜的生物力学响应的设备和方法。然而，应当理解的是，本专利技术不限于该特定使用领域。相关申请本申请要求2018年6月5日提交的澳大利亚临时专利申请号2018902018的优先权，其内容通过引证结合于本文中。
技术介绍
在整个说明书中对现有技术的任何讨论决不应该认为是承认这种现有技术是众所周知的或构成了本领域公知常识的部分。圆锥形角膜(Keratoconus)是一种退行性疾病，其中局部变薄和刚度降低会导致角膜变形，从而直接损害视力质量。尽管可以通过角膜形貌图或测厚法容易地检测到进展更多的圆锥形角膜的角膜变形特征，但优选的是可以在较早阶段检测到该疾病。例如，这将允许筛查出发展圆锥形角膜风险的人，而使该病的管控策略可以在永久性损伤发生之前实施，并在屈光手术之前进行患者筛查。认为通过测量眼睛的生物力学特性，寻找角膜的局部弱化，可以有效实现圆锥形角膜和其他角膜疾病的早期检测。具体地，圆锥形角膜锥体的焦点区域被弱化并且具有与角膜的其他区域不同的生物力学特性。这种方法可以提供与其他角膜的扰动(perturbation)的区别，其可能使仅基于几何特征如角膜高程和厚度图的诊断复杂化。一种用于测量如角膜的人体组织的力学响应的技术是光学相干弹性成像(OCE)，例如，描述于已公开的标题为“Opticalcoherenceelastographytoassessbiomechanicsanddetectprogressionofocularandothertissuesdegenerativediseases”的美国专利申请号2017/0290503A1中。通过例如吹气(airpuff)、超声或机械接触激发组织中的振动，并通过光学相干断层扫描(OCT)测量机械响应。使用OCE进行角膜测量的困难在于需要将眼内压(IOP)变化的影响与角膜异常分开。布里渊(Brillouin)显微镜已推荐作为用于映射至少体外的角膜内机械强度的技术。例如，如Scarcellietal‘BiomechanicalcharacterizationofkeratoconuscorneasexvivowithBrillouinmicroscopy’,InvestigativeOphthalmology&VisualScience55(7),4490(2014)中描述的，布里渊位移测量可以提供有关角膜纵向模量的信息。然而，由于需要高分辨率光谱仪，该设备相对昂贵。此外，由于扫描要求，该技术很耗时，并且需要高眼内光强度，这对体内使用提出了挑战。已知几种类型的用于测量角膜厚度的测厚仪，例如，基于超声技术如角膜波形或光学技术如OCT、狭缝扫描和Scheimpflug成像。然而，这些技术可能不具有足够的精度测量与角膜生物力学响应相关厚度的小空间或时间变化，对于许多市售仪器而言，据报道可重复性为约±5μm，参见，例如，McAlindenetaV“Acomprehensiveevaluationoftheprecision(repeatabilityandreproducibility)oftheOculusPentacamHR”,InvestigativeOphthalmology&VisualScience52(10),7731(2011)和Correa-Perezetal“Precisionofhighdefinitionspectral-domainopticalcoherencetomographyformeasuringcentralcornealthickness”,InvestigativeOphthalmology&VisualScience53(4),1752(2012)。用于测量泪膜厚度的光学反射测量技术具有更高的精度，为纳米级，尤其是在大面积角膜内测量时，但不太适用于测量比泪膜厚度超过约两个数量级的角膜厚度。对角膜压力诱导的变形的研究表明，由于IOP的变化约±3-6mmHg，并伴有多种因素，包括心率，姿势变化，液体摄入，昼夜周期和某些药物，眼睛和角膜会出现形状的蠕变。这些形状变化可以用常规形貌学技术，如Placido盘式形貌学技术在数秒或更长的时间段内测量。还已知的是，IOP随着眼脉动而波动，如使用接触超声技术体外应用模拟搏动的公开的题为“OphthalmicElastography”美国专利申请号2015/0313573A1中报道的。然而，这些与搏动有关的形状变化通常比前面提到的较渐进的眼压变化所引起的形状变化小一个数量级，并且难以以评价角膜实际生物力学所需的灵敏度水平进行角膜厚度无创体内测量。角膜泪膜是光线进入眼睛时会遇到的第一个折射表面，因此其在眼睛健康以及视力中起着重要作用，其中异常泪膜破裂会导致干眼病和视力异常。如最近在King-Smithetal“Mechanisms,imagingandstructureoftearfilmbreakup”,TheOcularSurface16,4(2018)中的综述，多年来对泪膜破裂的动力学和原因已经进行了研究。泪膜的厚度和表面形状对于测定泪膜动力学是重要的，但当前的成像技术仅限于测量厚度或表面形状中的一种。光谱域OCT已用于测量泪膜厚度，例如，参见dosSantosetal‘Invivotearfilmthicknessmeasurementandtearfilmdynamicsvisualizationusingspectraldomainopticalcoherencetomography’,OpticsExpress23(16),21043(2015)，但未提供有关表面形状的信息。因此，需要可以其中可以考虑眼睛的形状和位置的在扩展的区域内测量泪膜厚度和动力学的设备。除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，“包括”、“包含”等词语应以包容性含义解释，而不是排他性或穷举性含义。也就是说，应以“包括，但不限于”的含义对其进行解释。专利技术目的本专利技术的目的是克服或改善现有技术的至少一个局限性，或提供一种有用的替代方案。本专利技术的目的是以优选的形式提供用于对角膜内的多个点处的一种或多种角膜特性进行快速体内测量的设备。本专利技术的另一个目的是以优选的形式提供用于体内测量角膜厚度或应变的时间变化的设备。本专利技术的另一个目的是以优选的形式提供用于在角膜扩展区域内测量泪膜动力学的方法。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于测量角膜的一种或多种特性的设备，所述设备包括：第一光学系统，包括光源和空间采样元件，用于产生配置为同时入射角膜的前表面的至少一部分的子光束(beamlet)的会聚阵列；和第二光学系统，用于：捕获来自所述前表面的反射或散射光和来自所述角膜的第二表面或界面的反射或散射光；测量所述子光束照射的所述角膜的部分中来自所述前表面的反射或散射光和来自所述第二表面或界面的反射或散射光之间的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量角膜的一种或多种特性的设备，所述设备包括：/n第一光学系统，包括光源和空间采样元件，用于产生配置为同时入射角膜的前表面的至少一部分的子光束的会聚阵列；和/n第二光学系统，用于：/n捕获来自所述前表面的反射光或散射光以及来自所述角膜的第二表面或界面的反射光或散射光；/n测量被所述子光束照射的所述角膜的部分中来自所述前表面的反射光或散射光和来自所述第二表面或界面的反射光或散射光之间的相对相位；和/n随时间监测所述相对相位以获得关于被照射部分中所述角膜的一种或多种特性的信息。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180605 AU 20189020181.一种用于测量角膜的一种或多种特性的设备，所述设备包括：
第一光学系统，包括光源和空间采样元件，用于产生配置为同时入射角膜的前表面的至少一部分的子光束的会聚阵列；和
第二光学系统，用于：
捕获来自所述前表面的反射光或散射光以及来自所述角膜的第二表面或界面的反射光或散射光；
测量被所述子光束照射的所述角膜的部分中来自所述前表面的反射光或散射光和来自所述第二表面或界面的反射光或散射光之间的相对相位；和
随时间监测所述相对相位以获得关于被照射部分中所述角膜的一种或多种特性的信息。


2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备配置为使得在使用中，所述子光束在所述前表面上的入射角处于垂直入射的3度以内。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述空间采样元件包括小透镜阵列。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，来自所述前表面和来自所述第二表面或界面的反射光或散射光由所述空间采样元件捕获。


5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，来自所述前表面和来自所述第二表面或界面的反射光或散射光由第二空间采样元件捕获。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，所述设备包括处理器，所述处理器用于：
由所述相对相位的测量，生成所述角膜的所述被照射部分中的相对相位的图；和
随时间监测所述相对相位以确定所述图中的时间变化。


7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述设备包括干涉仪，用于使用参考光束干涉来自所述前表面和来自所述第二表面或界面的反射光或散射光，以产生一个或多个干涉图。


8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述处理器配置为利用所述一个或多个干涉图跟踪所述子光束在所述前表面上的位置，以配准在不同时间获取的两个或更多个相对相位的图。


9.根据权利要求6至8中任一项所述的设备，其中，所述光源包括多波长光源，并且其中所述处理器配置为由所述相对相位的图计算所述角膜的断层扫描分布。


10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述断层扫描分布包括所述前表面与所述第二表面或界面之间的振幅、相位或光路长度中的一种或多种。


11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述第二表面或界面包括所述角膜的后表面，使得所述光路长度包括角膜厚度的测量。


12.根据权利要求10或权利要求11所述的设备，其中，所述处理器配置为由所述光路长度中的时间变化确定所述角膜对眼内压与所述角膜上的外压之间的相对差异的生物力学响应。


13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述处理器配置为确定所述角膜对与眼脉动相关的周期性眼内压变化的生物力学响应。


14.根据权利要求12或权利要求13所述的设备，其中，所述设备配置为改变所述角膜上的所述外压。


15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述设备配置为通过施加分布式声波源或通过改变所述角膜处的环境压力来改变所述外压。


16.根据权利要求10或权利要求11所述的设备，其中，所述处理器配置为由所述光路长度中的时间变化确定所述角膜对由以下一种或多种施加的扰动的生物力学响应：吹气源；超声源；或声辐射压力源。


17.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备配置为测量所述角膜上泪膜的厚度的时间变化。


18.根据权利要求10至16中任一项所述的设备，其中，所述处理器配置为：
测量所述角膜上的泪膜的厚度的时间变化；和
从所述光路长度中减去测量的泪膜厚度的时间变化以提供角膜光路长度的归一化测量值。


19.一种用于测量角膜的一种或多种特性的方法，所述方法包括以下步骤：
产生配置为同时入射角膜的前表面的至少一部分的子光束的会聚阵列；
捕获来自所述前表面的反射光或散射光以及来自所述角膜的第二表面或界面的反射光或散射光；
测量被所述子光束照射的所述角膜的部分上来自所述前表面的反射光或散射光与来自所述第二表面或界面的反射光或散射光之间的相对相位；和
随时间监测所述相对相位以获得关于被照射部分中所述角膜的一种或多种特性的信息。


20.根据权利要求19所述的方法，还包括以下步骤：
由所述相对相位的测量产生所述角膜的被照射部分中的相对相位的图；和
随时间监测所述相对相位以确定所述图中的时间变化。


21.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤：使用参考光束干涉来自所述前表面和来自所述第二表面或界面的反射光或散射光，以产生一个或多个干涉图；和利用所述一个或多个干涉图跟踪所述子光束在所述前表面上的位置，用于配准在不同时间获取的两个或更多个相对相位的图。


22.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中，所述子光束由多波长光源产生，并且其中所述相对相位的图提供所述角膜的断层扫描分布。


23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述断层扫描分布包括在所述前表面与所述第二表面或界面之间的振幅、相位或光路长度中的一种或多种。


24.根据权利要求23所述的方法，还包括由所述光路长度的时间变化确定所述角膜对所述角膜上的眼内压与外压之间的相对差的生物力学响应的步骤。


25.根据权利要求24所述的方法，其中，确定所述角膜对与眼脉动相关的周期性眼内压变化的生物力学响应。


26.根据权利要求23所述的方法，还包括以下步骤：在所述角膜上施加包括吹气、超声或声辐射压力中的一种或多种的扰动；和由所述光路长度的时间变化，确定所述角膜对所述扰动的生物力学响应。


27.根据权利要求19所述的方法，还包括测量所述角膜上的泪膜的厚度的时间变化的步骤。


28.根据权利要求23至26中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
测量所述角膜上的泪膜的厚度的时间变化；和
从所述光路长度中减去测量的泪膜厚度的时间变化以提供角膜光路长度的归一化测量。


29.一种用于测量角膜的一种或多种特性的设备，所述设备包括光学系统，所述光学系统用于：
产生配置为同时入射角膜的第一表面或界面的至少一部分的子光束的会聚阵列；
捕获来自所述第一表面或界面的反射光或散射光以及来自所述角膜的第二表面或界面的反射光或散射光；
测量被所述子光束照射的所述角膜的部分中的第一表面和第二表面或界面之间的相对相位；和
随时间监测相对相位以获得关于被照射的部分中所述角膜的一种或多种特性的信息。


30.根据权利要求29所述的设备，其中，所述光学系统配置为测量所述第一表面和第二表面或界面相对于参考光束的相位。


31.根据权利要求29所述的设备，其中，所述光学系统配置为相对于来自所述角膜上的泪膜的反射测量所述第一表面和第二表面或界面的相位。


32.根据权利要求31所述的设备，其中，所述第一表面或界面包括空气/泪膜界面。


33.根据权利要求29至32中的任一项所述的设备，其中，所述设备包括处理器，所述处理器用于：
由相对相位测量产生所述角膜的被照射部分中的相对相位的图；和
随时间监测所述相对相位以确定所述图中的时间变化。


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【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文·詹姆斯·弗里斯肯，格兰特·安德鲁·弗里斯肯，特雷弗·布鲁斯·安德森，
申请(专利权)人：赛莱特私人有限公司，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU