一种可穿戴式光学相干在体角膜弹性测量系统的制作方法

本发明涉及光学测量器械技术领域，特别涉及一种可穿戴式光学相干在体角膜弹性测量系统。

背景技术：

光学相干弹性成像是一种新兴的量化软组织生物力学特性的光学技术，可实现非接触式、在体的角膜弹性成像测量。常规的oce系统采取多次激励和多次探测的方法对样品各测量点的弹性响应进行拼接，从而估算出机械波传播速度，得到各测量点的弹性模量。随着研究的深入，出现了多探测光束oct系统，无需振镜扫描即可快速、同时测量单次激励下角膜激励点多测量位置的弹性响应，实现角膜测量位置的多弹性参数的在体测量。

共光路oce系统采用探测光路和参考光路共光路的结构，进一步提高了动态弹性成像的位移灵敏度和光学相位稳定性(来源于期刊文献《common-pathphase-sensitiveopticalcoherencetomographyprovidesenhancedphasestabilityanddetectionsensitivityfordynamicelastography》)。由于上述研究的提出，大大的减少了oce系统的复杂程度、体积及重量，也使得可穿戴式光学相干在体角膜弹性测量成为可能。

当时行业内存在可穿戴式系统一般是超声波式的可穿戴式系统，是利用超声波的反射特性来获得眼球组织内的有关信息，便携性高、操作简便且占地空间小。但超声成像技术存在着扫描时间过长、分辨率低等问题，这种系统精确度和稳定性都不高，因此，行业内亟需精确度和稳定性高的系统。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可穿戴式光学相干在体角膜弹性测量系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

本发明解决其技术问题的解决方案是：一种可穿戴式光学相干在体角膜弹性测量系统，包括oct系统、测量眼镜、激励气源、处理模块和控制模块，其中所述oct系统由低相干光源、光纤耦合器、采样模块、参考臂和测量眼镜中的样品臂组成；所述样品臂的光纤外接在镜框上；所述光纤耦合器分别与低相干光源、采样模块、参考臂和测量眼镜连接；所述采样模块得到角膜振动的反馈信息，所述处理模块通过采样模块得到角膜振动的反馈信息，计算出可表征角膜生物力学性能的弹性参数。

进一步，所述测量眼镜设有左镜框、右镜框和滑动模块，所述滑动模块可以从左镜框和右镜框来回移动，所述滑动模块的内部安装有瞳孔相机、微动步进电机、传导光纤、激励管和气体阀门，所述瞳孔相机用于实现基于瞳孔的人眼定位，所述微动步进电机与传导光纤连接，所述传导光纤的一端朝向角膜，另一端则与光纤耦合器连接，所述激励管的一端通过气体阀门与激励气源连接，所述控制模块分别与气体阀门和微动步进电机连接，用于控制气体阀门使得激励管产生微量气体脉冲使角膜产生形变。

进一步，由所述控制模块给予电信号控制所述微动步进电机带动传导光纤和/或激励管在预先设定的测量点上产生气体脉冲并进行扫描，其扫描方式包括：线性扫描、十字扫描、圆圈扫描、螺旋扫描或者正方形扫描的任意一项。

进一步，角膜生物力学性能的弹性参数包括软硬程度、杨氏模量、固有频率和弹性滞后，其中，可根据加载和卸载过程中应力和应变封闭曲线，计算曲线面积来量化弹性滞后；将角膜的恢复曲线拟合成指数衰减曲线间接测量固有频率，根据阻尼振动采用快速傅里叶变换(fft)得到固有频率；杨氏模量可根据应力/应变曲线，机械波的传播模型获得。

进一步，所述激励管垂直于角膜表面，产生局部直径50μm-1mm和低压0-100pa的刺激，每一个气体脉冲持续时长为0.5ms-20ms，，气体脉冲的气压为0-100pa。

进一步，所述气体脉冲激励作用于角膜，使得其产生亚纳米到微米级的微小形变。

进一步，测量眼镜还包括滑动轨道，所述滑动轨道穿过左镜框和右镜框，并连接有环扣，所述环扣可固定滑动模块。

本发明的有益效果是：通过提供一种可穿戴式光学相干在体角膜弹性测量系统，包括oct系统、测量眼镜、激励气源、处理模块和控制模块，其中所述oct系统由低相干光源、光纤耦合器、采样模块、参考臂和测量眼镜中的样品臂组成；所述样品臂的光纤外接在镜框上；所述光纤耦合器分别与低相干光源、采样模块、参考臂和测量眼镜连接；所述采样模块得到角膜振动的反馈信息，所述处理模块通过采样模块得到角膜振动的反馈信息，计算出可表征角膜生物力学性能的弹性参数。

对角膜的弹性参数实现了可穿戴式的测量。同时由于可穿戴式的测量使得眼部的轴向距离不变，减少存在于眼睛与测量系统之间由周围的环境或轻微的移动等带来的局部振动影响，提高系统的物理稳定性和光学相位灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。

图1是本测量系统系统的系统框图；

图2是测量眼镜的结构示意图；

图3是滑动模块的内部结构示意图；

图4是微动步进电机带动传导光纤和/或激励管在预先设定的测量点上扫描的轨迹示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例1，参考图1、图2和图3，一种可穿戴式光学相干在体角膜弹性测量系统，包括oct系统、测量眼镜100、激励气源、处理模块和控制模块，其中所述oct系统由低相干光源、光纤耦合器、采样模块、参考臂和测量眼镜中的样品臂组成，所述测量眼镜设有左镜框110、右镜框120和滑动模块200，所述滑动模块200可以从左镜框和右镜框来回移动，所述滑动模块200内部安装有瞳孔相机240、微动步进电机210、传导光纤220、气体阀门250和激励管230，所述瞳孔相机240用于实现基于瞳孔的人眼定位，所述控制模块分别与气体阀门250和微动步进电机210连接。

所述微动步进电机210与传导光纤220连接，所述激励管230的一端通过气体阀门250与激励气源连接，所述传导光纤220的一端朝向角膜，所述传导光纤的另一端与光纤耦合器连接，所述控制模块分别控制气体阀门250和微动步进电机210。其中，气体阀门250可使激励管230产生微量气体脉冲，刺激角膜产生振动；微动步进电机210则带动传导光纤220和/或激励管230在预先设定的测量点上扫描，其中扫描的方式包括：线性扫描、十字扫描、圆圈扫描、螺旋扫描或者正方形扫描。参考图4，从左往右依次为线性扫描的轨迹、十字扫描的轨迹、圆圈扫描的轨迹、螺旋扫描的轨迹和正方形扫描的轨迹。之后参考臂和测量眼镜的反射光在光纤耦合器发生干涉，由采样模块接收并将其转化为电信号传输到处理模块，得到角膜振动的机械波传播模型，并计算出角膜的弹性参数。

所述弹性参数包括软硬程度、弹性滞后、固有频率和杨氏模量等。在一些优选的实施例中，所述软硬程度的具体得到方法包括：计算相位获得角膜各测量点在激励下的位移量。表面变形信息△z(tj-t0)(空气中)：

相位变化△φz(tj-t0)，tj和t0是时间节点，t0是参考时间点，λ0是中心波长。同理，可得到各测量点的相位变化及表面形变信息，主要形变的幅值受激励载荷的直接影响。在同样的驱动力下，相对硬的角膜变形更小；而同等幅值的主要形变在相对硬的角膜中衰减更快。因此可以通过主要形变的幅值来判定角膜的软硬程度。

在一些优选的实施例中，本系统还可以测量角膜的弹性滞后：具体采用压强传感器对气体脉冲的加载和卸载过程中压强的变化进行量化，用oce来测量在加载过程中样品的“时间-变形”曲线与同样压力下卸载过程中的“时间-恢复”曲线。形变幅度随距离的增加而减小，相位信号存在延迟。对“时间-变形”曲线和“时间-恢复”曲线进行二阶傅里叶曲线拟合。将脉冲的“时间-压力”曲线与样品的“时间-变形”曲线结合，去除“时间”参数，绘制出样品在加载和卸载过程中“力-位移”闭合曲线，计算曲线面积来量化弹性滞后。

在一些优选的实施例中，本系统可通过干涉信号得到角膜的固有频率。具体地，(1)测量角膜的恢复曲线并通过将恢复曲线拟合成指数衰减曲线，实现固有频率的间接测量的方法为：恢复曲线与角膜的黏弹性(viscoelasticity)有关，可根据动态模型(所述动态模型为文献wuc.etc.iovs.2015,56(2):1292-1300中记载的动态模型)将恢复曲线拟合成指数衰减曲线，实现固有频率的间接测量，其中，根据所述指数衰减曲线得到角膜受激阻尼振动的微分方程，求解所述微分方程得到角膜的固有频率，所述微分方程为：

其中，ξ是阻尼比，f是固有频率，y(t)为指数衰减曲线。对于角膜受激阻尼振动的微分方程的求解可以根据三种情况进行求解，分别为：临界阻尼(ξ＝1)、欠阻尼(0≤ξ<1)和过阻尼(ξ>1)。

其中，幅值常数a和b由恢复曲线的指数拟合所得。

(2)对角膜的受激阻尼振动进行高分辨探测和快速傅里叶变换(fft)来得到角膜的固有频率的方法为：垂直空气脉冲刺激在角膜中诱导亚微米至亚纳米的振荡，用本系统进行观察。采用单自由度(sdof)模型来量化组织振动动力学，在时域和频域上获得了固有频率和阻尼比。

其中衰减特征和振荡频率可从阻尼振荡计算出来，衰减包络可表示为其中a为衰减幅值，t1为最大a出现的时间，b为衰减系数(b＝-2πfnζ)。在fft之前对数据进行补零(zeropadding)，可提高频率分辨率：在oct的采样时间内(例如30ms)，角膜的阻尼振动幅度将逐渐趋于零(采样时间过短，基本看不到反应),拓展采样时间。然后采用fft方法对振荡频率进行分析，频率分辨率为2hz。根据主要阻尼频率fd、拟合的a和b值，估算阻尼比ζ。当ζ很小时，由公式得固有频率fn约等于阻尼固有频率fd。

在一些优选的实施例中，所述杨氏模量的具体得到方法包括：(1)根据应力(σ,单位面积的力)与应变(ε,比例形变)的线性关系推算出其中σ＝f/a，a为样品的横截面面积、f为对样品施加的力；ε＝δl/l，δl为长度变化、l为在对应方向上样品初始长度。

(2)从采样模块中获得的信息解析之后可以得到机械波传播模型，其中剪切波是在软组织弹性性能测量中最常用到的弹性波，优选根据剪切估算均匀的各向同性样品的杨氏模量(e)：

其中ρ为样品密度，ν为泊松比(通常假定ν＝0.5)，vs为剪切波速。

对于如何实现所述滑动模块200在左镜框110和右镜框120来回移动，在一些优选的实施例中，所述可穿戴式光学相干在体角膜弹性测量系统还包括滑动轨道300，所述滑动轨道300连接有环扣400，所述滑动轨道300穿过左镜框110和右镜框120，所述滑动模块200可由环扣400固定。将滑动模块200沿滑动轨道300左右移动，再由环扣400固定，即可实现从左眼角膜到右眼角膜的切换测量，十分方便。

在一些优选的实施例中，所述激励管垂直于角膜表面，产生局部直径50μm-1mm和低压0-100pa的刺激，每一个气体脉冲持续时长为0.5ms-20ms，气体脉冲的气压为0-100pa，使角膜产生亚纳米到微米级的微小形变。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

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