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CN113271840A - 用于使用具有多个点源的经巩膜照明的临床设备的眼科系统和方法 - Google Patents

用于使用具有多个点源的经巩膜照明的临床设备的眼科系统和方法 Download PDF

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CN113271840A
CN113271840A CN201980082911.4A CN201980082911A CN113271840A CN 113271840 A CN113271840 A CN 113271840A CN 201980082911 A CN201980082911 A CN 201980082911A CN 113271840 A CN113271840 A CN 113271840A
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T·勒弗瑞斯特
C·莫泽尔
M·库恩齐
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Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EPFL
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Abstract

一种使用眼底的经巩膜/经眼睑照明的眼科照明和成像系统，包括具有多个发射区域的光传输设备；每个发射区域被配置为能够独立控制并指向要测量的目标眼睛的巩膜，从而提供对眼底的经巩膜倾斜照明；主动眼睛像差校正系统；和成像系统，该成像系统被配置为在多个成像传感器上生成眼底的多个图像。

Description

用于使用具有多个点源的经巩膜照明的临床设备的眼科系统 和方法
技术领域
本发明涉及使用眼睛周围的多个(物理点)光源对视网膜进行倾斜经巩膜照明，允许暗场成像、高分辨率成像、大视场成像和视网膜跟踪。
背景技术
我们在PCT/IB2017/052803(用于使用倾斜照明进行视网膜吸收相位和暗场成像的系统、方法和装置)中描述了用于经巩膜照明的方法，允许通过使用眼底的散射特性实现暗场和相位梯度技术。
当前基于OCT、OCT血管造影术和SLO的眼科设备通过被调整的扫描光束实现了跟踪系统。在眼科仪器的上下文中描述的视网膜跟踪系统包括监测视网膜并测量其位移的方法，结合主动地保持视网膜成像区域静止(即使眼睛在移动时也是如此)的方法。即使在患者无法注视目标时，这些系统通常也能够在操作员选择成像的任何地方(在给定范围内)主动引导成像区域。
在US7758189B2(使用自适应光学器件进行稳定的视网膜成像)中描述了与跟踪系统和自适应光学器件联接的SLO系统，其中，第一模块跟踪眼睛中的参考特征，并且第二模块控制光束以将成像光束移动到参考特征。关于相同系统的相关出版物“具有集成宽视场视网膜成像和跟踪的自适应光学扫描激光检眼镜”，J.Opt.Soc.Am.A,27(11),2010。它包括大视场成像特征(在视网膜处>25°)。在“用于自适应光学器件扫描激光检眼镜的主动眼睛跟踪”(Biomed.Opt.Exp.,6(7),2015)中也提出了一种用于在960Hz下进行视网膜跟踪的具有竞争力的方法。
视网膜跟踪也已在OCT和OCT血管造影系统中实现，例如在以下文献中所描述：US6726325B2(跟踪辅助光学相干断层扫描)、US6736508B2(跟踪辅助光学过程)、US8,857,988B2(用于减少运动伪影的数据采集方法和在OCT血管造影术中的应用)。在US2014/0334707A1(用于视网膜诊断或手术设备的基于图像的眼睛跟踪的方法和装置)或US9033510B2(用于使用跟踪高效地获得人眼的测量的系统和方法)中详细描述了与眼睛跟踪结合的OCT设备。
最近，OCT模态已与SLO系统和自适应光学系统结合，以获得大视场。集成视网膜跟踪的AO-OCT系统例如在“使用动态视网膜跟踪的自适应光学器件光学相干断层扫描”(Biomed.Opt.Exp.,5(7),2014)中提出。在US8696122B2(多功能自适应光学器件视网膜成像)中详细描述了包括OCT、SLO和视网膜跟踪的系统。
PCT WO2018197288A1(Systeme et méthode d'imagerie rétinienne multi-echelle)中提出的方法是一种多尺度设备，具有与扫描系统联接的多个照明模块。在该发明中，扫描系统通过使用自适应光学器件的SLO或OCT方法制成。
在“用于高分辨率视网膜成像的瞳孔跟踪的自适应光学器件”(Biomed.Opt.Exp.2(3),2012)中描述的原理使用来自瞳孔位移的信息，以利用自适应光学器件校正眼睛像差。它包括基于相机的系统来跟踪瞳孔位置。
已经使用经巩膜照明或经眼睑照明开发了眼底相机系统。PCT WO 2017/151921A1(用于采用经眼睑和经巩膜照明的眼底照相的方法和设备)描述了一种广视场经巩膜或经眼睑系统，其使用用于光投射系统的不同装置和形状以及巩膜/皮肤组织。PCTJP2006522653A(通过巩膜照明眼睛的方法和系统)也提出了通过将光束投射到巩膜上的眼底成像系统。Annidis公司也有一种使用经巩膜照明对脉络膜成像的商业设备(US2015/0055094A，用于对脉络膜成像的方法和装置)。在2017年，Lingenfelder等人提出了一种使用LED的经巩膜照明系统(“经巩膜LED照明笔”，Biomed.Eng.Lett.7,2017)。
最后，专利US2004/0196399A1(结合视网膜跟踪的设备)描述了一种集成视网膜跟踪系统的设备，该系统用于确定用户注视微显示器的方向。
可以通过对傅立叶平面(或通孔平面)执行滤波来增加相位对象的对比度。已在以下出版物中证明了显微镜检查的原理：空间光调制器可以为显微镜检查做什么，激光和光子学评论5,81-101(2011)；螺旋相位显微镜检查，成像和电子物理学进展146,1-20(2007)；Ed.P.Hawkes，学术出版社(ISBN-13:978-0-12-373908-7)和在使用白光照明的显微镜检查中的基于SLM的离轴傅里叶滤波，Opt.Exp.,20(14),2012。
上述经巩膜方法使用一个照明点或有时使用两个照明点来描述，其中两个点源同时或不同时提供照明。在这里，“点”我们指的是是“像点源一样”，例如是小区域。我们指的是照明眼睛/眼睑的特定部分甚至整个眼睛/眼睑的任何传播光束。
上述系统均未提供使用经巩膜照明同时提供高分辨率(自适应光学校正)图像和大视场以执行视网膜跟踪的系统。
上述发明都没有使用在与自适应光学系统联接的基于多像素传感器相机的视网膜成像系统(全场)中实现的跟踪系统。
发明内容
本发明提供一种使用眼底的经巩膜/经眼睑照明的眼科照明和成像系统。该系统包括：具有多个发射区域的光传输设备；每个发射区域被配置为能够独立控制并指向要测量的目标眼睛的巩膜，从而提供对眼底的经巩膜倾斜照明；主动眼睛像差校正系统；和成像系统，该成像系统被配置为在多个成像传感器上生成眼底的多个图像。
在优选实施例中，该主动跟踪系统被配置为跟踪眼底的运动，并被配置为在空间上稳定眼底的多个图像中的至少一个。
在另一优选实施例中，该跟踪系统包括测量眼底的运动的跟踪传感器和被配置为校正多个图像中针对运动在空间上被稳定的至少一个的跟踪校正器。
在另一优选实施例中，该系统还包括顺序开关，该顺序开关被配置为顺序地一次接通多个发射器区域中的一个，并且启用由成像系统生成的眼底图像的对应时间顺序。
在另一优选实施例中，该主动眼睛像差校正系统包括波前传感器和波前校正器。
在另一优选的实施例中，该多个图像是使用光传输设备产生的。
在另一优选实施例中，使用多个眼底图像中的至少一个来进行眼睛运动的测量。
在另一优选实施例中，通过倾斜位于光学共轭眼睛光瞳面处的反射镜来进行眼睛运动的校正。
在另一优选实施例中，使用用于主动校正眼睛像差的波前校正器的倾斜能力来进行眼睛运动的校正。
在另一优选实施例中，使用具有外部旋转台的波前校正器的2轴倾斜来进行眼睛运动的校正。
在优选实施例中，使用不是波前校正器的反射镜的2轴倾斜来进行眼睛运动的校正。
在另一优选的实施例中，由于分束器或二向色镜，形成多个眼底图像的多个成像路径被分开。
在另一优选实施例中，光传输设备包括光扩散器。
在另一优选实施例中，集成在光传输设备中的扩散器用于在巩膜或皮肤表面上获得几毫米宽的光斑。
在另一优选实施例中，该扩散器移动以产生散斑噪声的时间平均。
在进一步优选的实施例中，在约从400nm到1200nm的巩膜-脉络膜-皮肤的透射范围内选择光传输设备的波长。
在另一优选实施例中，该光传输设备包括多个基本组件，例如发光二极管、超辐射发光二极管、有机发光二极管、光纤。
在另一优选实施例中，各个发射区域具有彼此不同的发射时间谱。
在另一优选实施例中，各个发射区域具有彼此不同的发射角谱。
在另一优选实施例中，该系统还包括相机，该相机被配置为记录来自瞳孔的一个或多个出射光束和在进入眼睛之前从光传输设备提取的附加参考光束的干涉。
在另一优选实施例中，非均匀相位或吸收物体被放置在共轭光瞳面中以增加相衬。
附图说明
通过下面的详细描述并参考附图将更好地理解本发明。下面简要说明附图的内容。
图1示出了根据本发明的示例实施例的包括扩散器的光学系统。
图2示出了具有2个透镜和一个扩散器的设计原型的照片和设计，其中光由连接到光学系统的多模光纤提供。
图3示出了将光投射到巩膜上的系统，其中光从发光二极管(LED)提供。
图4示意性地示出了根据本发明的用于从2个分开的成像路径同时生成大视场(FOV)和小视场图像的设置。
图5示出了用于测量干涉的方案。
图6包含视网膜跟踪过程的流程图示例。
图7包含共轭光瞳面的倾斜平面的图示。
图8示出了来自经巩膜照明的大FOV和小FOV成像路径的光学布置。
图9示出了根据本发明的布局示例，其使用波前校正器平面作为跟踪校正器平面。
图10示出了在不同光瞳面中使用跟踪校正器的本发明的布局示例。
图11示出了傅立叶/光瞳面中的相位/吸收图案示例，用于对光束执行滤波。
具体实施方式
概述
本发明涉及一种基于与自适应光学器件和视网膜跟踪部件(feature)联接的经巩膜照明的眼科系统和方法。该系统可以包括以高分辨率对视网膜成像的视网膜相机，其数字采样小于2μm/像素；以及在更大的视场(通常大于30°)上对视网膜成像的视网膜相机，其数字采样为20μm/像素。此外，该成像系统包括自适应光学器件回路，以校正眼睛的像差。该自适应光学器件回路使用但不限于Shack-Hartmann波前传感器和可变形反射镜来实现。波前传感器实时感测像差并将控制反馈发送到可变形反射镜。跟踪系统的实现得益于成像系统的中继光瞳面中的2轴倾斜反射镜(或倾翻/倾斜平台)，其中以大视场图像作为反馈来计算倾斜度。
不使用眼睛晶状体作为照明路径的一部分，而是使用眼睛的不同层(视网膜、脉络膜、巩膜和皮肤)作为照明的透射散射层。以下方案作为实施例提供：
·光穿过眼睛、巩膜、脉络膜和视网膜附近的皮肤层。透射的散射光对眼底照明。没有光进入瞳孔-晶状体。光传输设备是非接触式的。
·将传播光束(以下称为“光束”)传输到巩膜或皮肤上的光学设备被设计成在所述巩膜或皮肤上形成焦斑或任何界定的光表面形状(以下称为“光斑”)，该光斑直径为几毫米。
·将光束传输到巩膜或皮肤上的光学设备设计有扩散元件，以减少源的空间相干，并且扩散器移动，以便在传感器上随时间平均散斑图案。
·视网膜跟踪系统作为闭环工作，其中大视场(以下简称“FOV”)图像用作反馈。大FOV相机是跟踪传感器。
·视网膜跟踪系统的实现得益于两轴倾斜致动器，其上安装了反光表面(以下称为“反射镜”)，并放置在光学共轭的光瞳面处。放置在倾斜致动器上的反射镜是跟踪校正器。
·用于执行视网膜跟踪的共轭光瞳面是自适应光学器件回路的校正平面。
·自适应光学器件和视网膜跟踪回路相连。
·使用与高分辨率图像相同的经巩膜照明同时获得大FOV图像。
·成像光路被分割，其中，大部分功率进入高分辨率路径，以在高分辨率图像上保持良好的SNR，同时在大FOV图像上具有良好的对比度。
大FOV光束与高分辨率光束的功率比为但不限于大视场为4％，高分辨率为96％。
·视网膜透明层的相位对比图像通过插入光瞳面的相位或吸收图案得到增强。
·通过在一个或多个经巩膜照明源和参考光束之间对传感器进行干涉来进行检测。
·光感受器/RPE层处的光学切片由通过瞳孔/经巩膜照明的组合提供。
·经巩膜光束的被成形为最大化通过眼组织的光透射。
通过在范围(但不限于)400至1200nm中的单个光源或多个光源的组合而提供照明。这样的光源是但不限于：发光二极管、有机发光二极管、超辐射发光二极管、量子点光源、灯、黑体辐射源、侧向发射光纤、具有将光引导到皮肤的元件的前向发射光纤。相同传输设备中的不同光源可提供相同或不同的照明光谱。
照明方法和装置：
配置1
参考图1，通过联接到多模光纤101的激光二极管而提供照明光束100。多模光纤101的输出照射光扩散器102(散射板)以覆盖光扩散器102上的直径为d0的盘。由d0直径的盘产生的扩展源发射光束，该光束通过第一透镜L1而被准直，第二透镜L2在d0直径盘的巩膜103或皮肤上形成具有对应直径d1的图像。
参考图2，为了平均由激光二极管的空间相干光产生的散斑颗粒，可以将扩散器安装在由振动器201致动的移动板200上。振动器201使散斑图案移动得比成像相机的积分时间快(未在图2中表示)。该图示出了与1英寸透镜集成的设计的示例。
配置2
参考图3，将光投射到巩膜103上的系统是发光二极管(LED)(图中未示出LED)。LED设备产生边为x0的正方形扩展源，其由第一透镜L1准直，并由透镜L2成像在巩膜103或皮肤上。LED的图像是边为x1的正方形。
成像装置
配置1
参考图4，大视场(FOV)和小视场图像由2个分开的成像路径同时产生。分开是通过放置滑动光学元件来执行的，该滑动光学元件使用总光通量的一小部分x0来获得大视场图像。
配置2
参考图5，通过将参考光束500叠加到从眼睛/视网膜103出来的光束501上来获得经巩膜照明之后的图像。从干涉中提取最终图像。
配置3
参考图6，其用来示出跟踪系统是按照所提出的流程图来实现的。采集一组图像，随后对齐这些图像。从现在开始，从该组图像计算出的平均值将用作参考。在接下来的步骤中，计算移位和旋转。然后将校正应用于平铺图像并记录图像。大视场成像系统向跟踪校正器/致动器提供反馈。如果发生诸如眨眼或瞳孔丢失的事件，则继续跟踪回路。
参考图7，其包含跟踪致动器或校正器的示意图。致动器被配置为放置在共轭光瞳面处并沿着两个正交方向产生倾斜度。
配置4
参考图8，其示出了结合波前校正和视网膜跟踪的光学布置。波前校正闭环由波前传感器(WFS)和波前校正器(WFC)组成。视网膜跟踪由大视场采集设备组成，被用作跟踪传感器(TS)和跟踪校正器(TC)。在该示例中，跟踪校正器和波前校正器组合在单个设备中，该设备可以是可变形反射镜、空间光调制器。
替代地，WFS传感器也可以直接测量倾斜度以执行视网膜跟踪。
参考图9，其示出了根据本发明的布局示例。在被经巩膜照明照射之后，通过眼瞳P对视网膜R成像。该系统由两个不同尺度的成像路径组成，该成像路径以大视场相机和高分辨率相机结束。波前像差校正系统由Shack-Hartmann波前传感器和可变形反射镜波前校正器组成。视网膜跟踪系统由用作跟踪传感器的大FOV相机和用作跟踪校正器的可变形反射镜组成。可变形反射镜使用其反射膜的变形和/或通过位于两轴旋转台的顶部来产生用于跟踪校正的倾斜度。
参考图10，示出了根据本发明的另一布局示例。除了视网膜跟踪校正器之外，描述与图9相同。在本示例中，移动反射镜用作跟踪校正器，但该反射镜不是波前像差校正系统中使用的波前校正器。该移动镜位于瞳孔共轭平面处，并由放置在两轴旋转台上的规则平面反射镜组成。
配置5
参考图11，其示出了傅立叶/光瞳面中的相位/吸收图案以执行光束的滤波的示例。给出了三个图案示例：暗场、中心相衬和螺旋相衬。衍射光束将被过滤以获得相位物体(例如视网膜的透明细胞)的高对比度图像。
本发明的技术背景包括本文讨论的现有技术，以及诸如经巩膜照明、相衬成像、暗场视网膜成像和定量相衬显微镜检查、视网膜跟踪、大/小FOV等技术领域。
下面列出了一些关于使用经巩膜照明的眼科设备的已发表的文献：
-WO2017195163A1,用于使用倾斜照明进行视网膜吸收相位和暗场成像的系统、方法和装置。
-US7387385B2，手术显微镜
-US2007/0159600A1，经巩膜眼科照明方法和系统
-US20070030448A1，用于眼底相机和/或眼底镜的照明单元
-A.Schalenbourg,L.Zografos的“脉络膜肿瘤彩色摄影的缺陷”。Eye.2013；27(2):224-229
Devrim Toslak,Damber Thapa,Yanjun Chen,Muhammet Kazim Erol,R.V.PaulChan和Xincheng Yao的“经眼睑照明：一种无需瞳孔扩张的广角眼底摄影方法”，Opt.Lett.41,2688-2691(2016)。
先前关于用于眼科的暗场成像的文献：
-D.Scoles,Y.N.Sulai和A.Dubra的“视网膜色素上皮细胞嵌合体的体内暗场成像”，Biomed.Opt.Exp.4,9,1710-1723(2013)
-T.Y.P.Chui,D.A.VanNasdale和S.A.Burns的“使用前向散射以改善使用自适应光学器件扫描激光检眼镜的视网膜血管成像”，Biomed.Opt.Exp.3,10,2537-2549(2012)
-T.Y.P.Chui,T.J.Gast和S.A.Burns，“使用自适应光学器件扫描激光检眼镜对人视网膜中血管壁精细结构进行成像”，Invest Ophthalmol VisSci.54,7115–7124(2013)。
先前关于视网膜跟踪的文献：
-US6726325B2，跟踪辅助光学相干断层扫描，
-US6736508B2，跟踪辅助光学过程，
-US8,857,988B2，用于减少运动伪影的数据采集方法和在OCT血管造影术中的应用
-US2014/0334707A1，用于视网膜诊断或手术设备的基于图像的眼睛跟踪的方法和装置
-US9033510B2，用于使用跟踪高效地获得人眼的测量的系统和方法。
-使用动态视网膜跟踪的自适应光学器件光学相干断层扫描，Biomed.Opt.Exp.,5(7),2014。
-US7758189B2，使用自适应光学器件的稳定视网膜成像
-“具有集成宽视场视网膜成像和跟踪的自适应光学扫描激光检眼镜”，J.Opt.Soc.Am.A,27(11),2010。
-“用于自适应光学器件扫描激光检眼镜的主动眼睛跟踪”，Biomed.Opt.Exp.,6(7),2015。
-US 2004/0196399 A1，结合视网膜跟踪的设备。
先前关于多尺度视网膜成像方面的文献：
-US8696122B2，多功能自适应光学器件视网膜成像。
-WO2018197288A1，Système et méthode d'imagerie rétinienne multi-échelle。
先前关于相位成像的傅立叶滤波的文献：
-空间光调制器可以为显微镜检查做什么，激光和光子学评论5,81-101(2011)。
-螺旋相位显微镜检查，成像和电子物理学进展146,1-20(2007)；Ed.P.Hawkes，学术出版社(ISBN-13:978-0-12-373908-7)。
-在使用白光照明的显微镜检查中的基于SLM的离轴傅里叶滤波，Opt.Exp.,20(14),2012。
应用
该系统的应用包括在内界膜和外界膜之间的光感受器顶部对视网膜层的定量相位成像，即：
-ILM-内界膜
-RNFL-视网膜神经纤维层
-GCL-神经节细胞层
-IPL-内丛状层
-INL-内核层
-OPL-外丛状层
-ONL-外核层
-ELM-外界膜
接下来，所提出的系统可用于提供脉络膜和RPE(视网膜色素上皮)的暗场或吸收对比图像，允许以增强对比度对脉络膜肿瘤和脉络膜微血管系统进行成像。
由于上述任何层中的相衬，所提出的系统可以对透明细胞进行成像。
视网膜跟踪允许对患者进行多年的纵向随访，因此它能够实现该设备的临床应用。

Claims (21)

1.一种使用眼底的经巩膜/经眼睑照明的眼科照明和成像系统，所述系统包括：
具有多个发射区域的光传输设备；每个发射区域被配置为能够独立控制并指向要测量的目标眼睛的巩膜，从而提供对眼底的经巩膜倾斜照明；
主动眼睛像差校正系统；和
成像系统，该成像系统被配置为在多个成像传感器上生成眼底的多个图像。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
主动跟踪系统，该主动跟踪系统被配置为跟踪眼底的运动，并被配置为在空间上稳定眼底的所述多个图像中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述跟踪系统包括跟踪传感器和跟踪校正器，所述跟踪传感器测量眼底的运动，所述跟踪校正器被配置为校正所述多个图像中针对运动在空间上被稳定的至少一个图像。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括：
顺序开关，该顺序开关被配置为顺序地一次接通多个发射器区域中的一个，并且启用由所述成像系统生成的眼底图像的对应时间顺序。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述主动眼睛像差校正系统包括波前传感器和波前校正器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个图像是使用所述光传输设备产生的。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，使用多个眼底图像中的至少一个来进行眼睛运动的测量。
8.根据权利要求2所述的系统，其中，通过倾斜位于光学共轭眼睛光瞳面处的反射镜来进行眼睛运动的校正。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，使用用于主动校正眼睛像差的波前校正器的倾斜能力来进行眼睛运动的校正。
10.根据权利要求7所述的系统，其中，使用具有外部旋转台的整个波前校正器的2轴倾斜来进行眼睛运动的校正。
11.根据权利要求7所述的系统，其中，使用不是波前校正器的反射镜的2轴倾斜来进行眼睛运动的校正。
12.根据权利要求7所述的系统，其中，由于分束器或二向色镜，形成多个眼底图像的多个成像路径被分开。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光传输设备包括光扩散器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，集成在所述光传输设备中的扩散器用于在所述巩膜或皮肤表面上获得几毫米宽的光斑。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述扩散器移动以产生散斑噪声的时间平均。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，在约从400nm到1200nm的巩膜-脉络膜-皮肤的透射范围内选择所述光传输设备的波长。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光传输设备包括多个基本组件，例如发光二极管、超辐射发光二极管、有机发光二极管、光纤。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，各个发射区域具有彼此不同的发射时间谱。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，各个发射区域具有彼此不同的发射角谱。
20.根据权利要求1所述的系统，还包括相机，该相机被配置为记录来自瞳孔的一个或多个出射光束和在进入眼睛之前从所述光传输设备提取的附加参考光束的干涉。
21.根据权利要求1所述的系统，其中，非均匀相位或吸收物体被放置在共轭光瞳面中以增加相衬。
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