ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БИОМЕХАНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ЗАБОЛЕВАНИЯ ГЛАЗА
OPTICAL DEVICE FOR BIOMECHANICAL DIAGNOSIS OF EYE DISEASE

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к спектроскопическим устройствам и способам, а точнее, к оптическому устройству для биомеханической диагностики заболевания глаза.
Описание предшествующего уровня техники
in vivo
Для визуализации  биологических проблем и, в частности, для визуализации структур, входящих в состав человеческого глаза, разработаны различные диагностические и клинические устройства. В частности, для измерения геометрических и оптических характеристик различных участков человеческого глаза используются оптические устройства. Геометрические и оптические характеристики, обеспечиваемые такими анализами, могут допускать различные степени биомеханического или физиологического моделирования индивидуального глаза пациента при попытке диагностировать офтальмологическое нарушение здоровья и разработать подходящий план лечения.
in situ
Кератоконус - дегенеративное заболевание человеческого глаза, которое характеризуется невоспалительным истончением и укручением кривизны в центральной или парацентральной зоне роговицы, приводящим к тому, что роговица приобретает коническую форму, характеризующую болезнь. Структурные изменения роговицы по мере развития кератоконуса приводят к значительному ухудшению зрения у пациента. Структурные изменения роговицы, вызванные кератоконусом, могут дополнительно усложнить определенные операции по лазерной коррекции зрения, такие как лазерно-стимулирующий кератомилез  (LASIK) или фоторефракционную кератэктомию (ФРК), вследствие возможных повышенных рисков послеоперационной эктазии (или истончения) роговицы.
Нарушение зрения, вызванное кератоконусом, может быть в значительной степени откорректировано при помощи специально подобранных очков или роговично-склеральных контактных линз. Однако, когда кератоконус развивается до поздней стадии патогенеза, такие меры могут быть неэффективными. Для поздней стадии кератоконуса выполняют процедуру сшивания роговицы, которая может остановить или, по меньшей мере, замедлить патогенез, несмотря на то, что на текущий момент полного восстановления зрения не прогнозируется.
Помимо кератоконуса на биомеханическую устойчивость роговицы человека могут влиять другие типы дегенерации роговицы. Например, пеллюцидная краевая дегенерация (ПКД) роговицы, также известная как кератоторус, является дегенеративным невоспалительным состоянием роговицы, которое обычно характеризуется четкой двусторонней эктазией в нижней и периферической зоне роговицы. В частности, пациенты с ПКД могут иметь нормальную толщину в центре роговицы с неповрежденным центральным эпителием, в то время как в нижней зоне роговицы наблюдается периферическая полоса истончения. Часть роговицы, которая непосредственно примыкает к лимбу, может не иметь ПКД и обычно включает полосу около нескольких миллиметров. В качестве дополнительного результата ПКД слой Боумена роговицы может отсутствовать, иметь неправильную форму или может иметь зоны разрыва.
Оптические исследования вязкоупругих свойств глазных тканей, таких как роговица и хрусталик, были выполнены с использованием бриллюэновского рассеяния (БР), которое основывается на пространственно-зависимой нелинейности плотности массы внутри материала-образца для рассеивания падающего когерентного света посредством взаимодействия фонон-фотон. С помощью спектроскопического анализа пучка света, подвергшегося бриллюэновскому рассеянию от глазной ткани, могут быть определены некоторые биомеханические свойства глазной ткани, как например, вязкоупругое свойство анализируемой глазной ткани. Определение вязкоупругих свойств глазной ткани с использованием бриллюэновского рассеяния может быть полезно, в частности, на фоне обработки кератоконуса с помощью сшивания роговицы с использованием ультрафиолетового (УФ) света с целью исследования и документирования фактического качественного воздействия процедуры сшивания на соответствующие биомеханические свойства роговицы, такие как твердость и окостенение.
Кроме того, тонкую биоструктуру роговицы можно исследовать с помощью многофотонной микроскопии для получения определенных изображений глазной ткани. Во время многофотонной визуализации различные структуры, входящие в состав роговицы, возбуждаются вследствие многофотонного поглощения и могут подвергаться аутофлуоресценции. Альтернативно, некоторые неизотропные структуры, такие как коллагеновые фибриллы, входящие в состав роговицы, благодаря нелинейному взаимодействию могут использоваться для генерирования второй гармоники (ГВГ) или генерирования третьей гармоники (ГТГ) длин волн пучка, воздействующего на образец. Таким образом, сигналы ГВГ или ГТГ могут указывать на положение и распределение различных структур, входящих в состав роговицы.
in vivo
В частности, сигналы ГВГ были связаны с положением и распределением фибрилл, входящих в состав роговицы. Расположение и ориентация фибрилл, входящих в состав роговицы, а также их положение и плотность могут коррелировать с оптическими и механическими свойствами роговицы в областях, проанализированных с использованием сигналов ГВГ. Оптические свойства могут включать прозрачность и рассеяние, в то время как механические свойства могут включать эластомеханические свойства, такие как прочность. Известно, что на поздних стадиях заболеваний глаза, таких как кератоконус и дистрофия роговицы, в грубой структуре роговицы обнаруживаются изменения оптических и механических свойств пораженной глазной ткани. Поэтому анализ с использованием сигналов ГВГ может быть подходящим методом для изучения тонкой структуры роговицы и может обеспечить возможность раннего выявления патогенеза заболевания глаза. Кроме того, сигналы ГВГ генерируются  от фибрилл, входящих в состав роговицы, во время определенных операций LASIK с помощью фемтосекундных (фс) лазеров и могут обеспечить понимание направленности и положения разрезов при LASIK операциях.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном аспекте раскрытый способ выполнения биомеханической диагностики заболевания глаза включает генерирование первого пучка, воздействующего на образец, и второго пучка, воздействующего на образец, при совместном использовании оптической начальной точки и распространение конфокальным способом первого пучка, воздействующего на образец, и второго пучка, воздействующего на образец, к образцу биологической ткани к месту фокусировки на образце биологической ткани. Способ включает обнаружение первого пучка сигналов, содержащего первые фотоны, обратно рассеянные первым пучком, воздействующим на образец, в направлении от места фокусировки. Первый пучок сигналов обнаруживается при помощи детектора бриллюэновского рассеяния. Способ также включает обнаружение второго пучка сигналов, содержащего вторые фотоны, обратно рассеянные вторым пучком, воздействующим на образец, в направлении от места фокусировки. Второй пучок сигналов обнаруживается при помощи детектора генерирования второй гармоники (ГВГ).
В любом из раскрытых вариантов осуществления изобретения способ может дополнительно включать определение на основе первого пучка сигналов эластомеханического свойства образца биологической ткани в месте фокусировки, определение на основе первого пучка сигналов вязкоупругого свойства образца биологической ткани в месте фокусировки и определение на основе второго пучка сигналов признака морфологической структуры образца биологической ткани в месте фокусировки.
В любом из раскрытых вариантов осуществления способа распространение конфокальным способом первого пучка, воздействующего на образец, и второго пучка, воздействующего на образец, к образцу может включать распространение первого пучка, воздействующего на образец, и второго пучка, воздействующего на образец, по общему оптическому пути.
В любом из раскрытых вариантов осуществления способа первый пучок, воздействующий на образец, может быть сгенерирован при помощи узкополосного лазера непрерывного излучения, второй пучок, воздействующий на образец, может быть сгенерирован при помощи фемтосекундного волоконного лазера, детектор бриллюэновского рассеяния может содержать спектрометр, а детектор ГВГ может содержать фотокатод, чувствительный ко второму пучку сигналов.
in vivo
В любом из раскрытых вариантов осуществления способа первый пучок сигналов может включать рассеянные фотоны, образованные в результате рэлеевского рассеяния, и рассеянные фотоны, образованные в результате бриллюэновского рассеяния, распространяющиеся от места фокусировки, в то время как второй пучок сигналов может включать фотоны с длиной волны, равной половине длины волны второго пучка, воздействующего на образец. В любом из раскрытых вариантов осуществления способа образец биологической ткани может представлять собой  биологическую ткань, представляющую собой часть человеческого глаза.
В любом из раскрытых вариантов осуществления способа распространение конфокальным способом первого пучка, воздействующий на образец, и второго пучка, воздействующий на образец, к образцу может включать изменение осевого положения места фокусировки в пределах образца биологической ткани вдоль первой оси, параллельной первому пучку, воздействующему на образец, и второму пучку, воздействующему на образец. В любом из раскрытых вариантов осуществления способа распространение конфокальным способом первого пучка, воздействующего на образец, и второго пучка, воздействующего на образец, к образцу может включать изменение поперечного положения места фокусировки в пределах образца биологической ткани вдоль по меньшей мере одной из осей, - второй оси и третьей оси, - перпендикулярных первой оси. В любом из раскрытых вариантов осуществления способа распространение конфокальным способом первого пучка, воздействующего на образец, и второго пучка, воздействующего на образец, к образцу может включать сканирование образца биологической ткани для генерирования данных в виде изображения с помощью второго пучка сигналов. В настоящем способе первый пучок, воздействующий на образец, и второй пучок, воздействующий на образец, могут быть направлены к разным общим точкам в образце биологической ткани. В настоящем способе сканирование может включать изменение по меньшей мере одного из положений - осевого положения места фокусировки и поперечного положения места фокусировки.
В другом раскрытом аспекте оптическое устройство для выполнения биомеханической диагностики заболевания глаза содержит первый источник света для генерирования первого пучка, воздействующего на образец, и второй источник света для создания второго пучка, воздействующего на образец. Оптическое устройство дополнительно содержит первое зеркало частичного отражения для наложения первого пучка, воздействующего на образец, и второго пучка, воздействующего на образец, для генерирования комбинированного пучка, воздействующего на образец. Оптическое устройство также содержит детектор бриллюэновского рассеяния, в том числе спектрометр для приема первого пучка сигналов, содержащего первые фотоны, обратно рассеянные первым пучком, воздействующим на образец, в направлении от места фокусировки в образце биологической ткани. Оптическое устройство дополнительно содержит детектор генерирования второй гармоники (ГВГ), в том числе фотокатод, чувствительный ко второму пучку сигналов, содержащему вторые фотоны, обратно рассеянные вторым пучком, воздействующим на образец, в направлении от места фокусировки в образце биологической ткани.
В любом из раскрытых вариантов осуществления изобретения оптическое устройство может дополнительно содержать второе зеркало частичного отражения для распространения конфокальным способом комбинированного пучка, воздействующего на образец, к месту фокусировки и распространения конфокальным способом комбинированного пучка сигналов, содержащего первый пучок сигналов и второй пучок сигналов, от места фокусировки.
В любом из раскрытых вариантов осуществления изобретения оптическое устройство может дополнительно содержать элемент фокусировки для изменения конфокальным способом осевого положения места фокусировки в образце биологической ткани вдоль первой оси, параллельной комбинированному пучку, воздействующему на образец. В любом из раскрытых вариантов осуществления изобретения оптическое устройство может дополнительно содержать сканирующий элемент для изменения конфокальным способом поперечного положения места фокусировки в образце биологической ткани вдоль по меньшей мере одной из осей, - второй оси и третьей оси, - перпендикулярных первой оси. В оптическом устройстве по меньшей мере один из элементов - элемент фокусировки и сканирующий элемент - может быть предназначен для сканирования образца биологической ткани для генерирования данных в виде изображения с помощью второго пучка сигналов. В оптическом устройстве первый пучок, воздействующий на образец, и второй пучок, воздействующий на образец, могут быть направлены к разным общим точкам в образце биологической ткани. В оптическом устройстве по меньшей мере один из элементов - элемент фокусировки и сканирующий элемент - может быть предназначен для изменения, по меньшей мере, одного из положений осевого положения места фокусировки и поперечного положения места фокусировки.
В любом из раскрытых вариантов осуществления оптического устройства первый источник света может содержать узкополосный лазер непрерывного излучения, второй источник света может содержать фемтосекундный волоконный лазер, детектор бриллюэновского рассеяния может содержать спектрометр, а детектор ГВГ может содержать фотокатод, чувствительный ко второму пучку сигналов.
in vivo
В любом из раскрытых вариантов осуществления оптического устройства первый пучок сигналов может включать рассеянные фотоны, образованные в результате рэлеевского рассеяния, и рассеянные фотоны, образованные в результате бриллюэновского рассеяния, распространяющиеся в направлении от места фокусировки, в то время как второй пучок сигналов может включать фотоны с длиной волны, равной половине длины волны второго пучка, воздействующего на образец. В оптическом устройстве образец биологической ткани может представлять собой  биологическую ткань, представляющую собой часть человеческого глаза.
В любом из раскрытых вариантов осуществления оптического устройства детектор бриллюэновского рассеяния может быть предназначен для определения на основе первого пучка сигналов эластомеханических свойств биологической ткани в месте фокусировки и определения на основе первого пучка сигналов вязкоупругих свойств биологической ткани в месте фокусировки. В любом из раскрытых вариантов осуществления оптического устройства детектор ГВГ может определять на основе второго пучка сигналов признаки морфологической структуры образца биологической ткани в месте фокусировки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Для более полного понимания настоящего изобретения и его признаков и преимуществ, здесь дается ссылка на нижеследующее описание, воспринимаемое в сочетании с сопроводительными графическими материалами, на которых:
фиг. 1 представляет собой технологическую схему выбранных элементов варианта осуществления оптического устройства для биомеханической диагностики заболевания глаза;
фиг. 2 представляет собой схему последовательности выбранных элементов способа осуществления биомеханической диагностики заболевания глаза;
фиг. 3 представляет собой график последовательности выбранных элементов способа осуществления биомеханической диагностики заболевания глаза и
фиг. 4 представляет собой технологическую схему выбранных элементов варианта осуществления системы обработки сигналов для осуществления биомеханической диагностики заболевания глаза.
ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНОГО ВАРИАНТА (КОНКРЕТНЫХ ВАРИАНТОВ) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В нижеследующем описании на примере изложены подробности для содействия обсуждению раскрываемого предмета изобретения. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что раскрываемые варианты осуществления являются примерными и не исчерпывают все возможные варианты осуществления.
Как используется в настоящем документе, написанный через дефис ссылочной номер относится к частному случаю элемента, а написанный без дефиса ссылочный номер относится к собирательному элементу. Таким образом, например, устройство «12-1» относится к случаю класса устройств, которые могут упоминаться собирательно как устройства «12», и любое из них может упоминаться в общем как устройство «12».
Для раннего выявления заболевания глаз, приводящего к дегенерации роговицы, влияющей на биомеханическую устойчивость роговицы человека, например, кератоконуса, желательно провести физический анализ роговицы с использованием оптических способов исследования, подходящих для надежной диагностики начала патогенеза различных заболеваний глаз. Оптимальные способы оптических исследований могут позволить обнаружить дегенерацию роговицы до клинического проявления макроскопических структурных изменений роговицы.
Как правило, различные способы оптического исследования глазной ткани, такие как бриллюэновское рассеяние и многофотонная визуализация, выполняются отдельно пространственно некоррелированным образом по отношению к структурам, входящим в состав глазной ткани. Отдельные способы оптического исследования могут быть сдерживающим фактором для лучшего понимания и определения характеристик физических свойств глазной ткани во многих диагностических и клинических применениях.
Таким образом, различные и пространственно некоррелированные способы оптического исследования могут ограничивать анализ и определение характеристик структур, входящих в состав глазной ткани, во многих диагностических и клинических применениях. В нижеследующем описании раскрыта оптическая система для биомеханической диагностики заболевания глаза, которая может добиться пространственно точной корреляции сигнала бриллюэновского рассеяния и сигнала ГВГ, распространяющихся от глазной ткани, включая роговицу человека.
Роговицу или отдельные структурные части роговицы можно охарактеризовать как линейно-эластичный, однородный или изотропный материал. Биоструктура роговицы включает эпителий роговицы, слой Боумена (также известный как передняя пограничная мембрана), строма роговицы (также известная как собственное вещество), слой Дуа, Десцеметова оболочка (также известная как задняя пограничная мембрана) и эндотелий роговицы. Для этиологии и во время патогенеза при заболевании роговицы глаза изменения биомеханических свойств роговицы могут считаться очень важными для выявления заболевания глаза.
Биомеханическое свойство вещества, такого как роговица человека, может быть представлено эластомеханическим свойством или вязкоупругим свойством или их комбинацией и может быть связано с загустением материала. Биомеханические свойства можно охарактеризовать с помощью различных модулей.
Напряжение может быть определено как восстанавливающая сила в материале, вызванная деформацией, отделенной зоной, к которой прилагается восстанавливающая сила. Деформация может быть определена как отношение изменения механического размера материала, вызванного напряжением к исходному состоянию материала.
M
M
Для описания изотропных однородных материалов используется продольный модуль  (также известный как модуль P-волны или компрессионный модуль деформации). Продольный модуль  определяется как отношение осевого напряжения к осевой деформации в одноосном деформированном состоянии, где все остальные безосные деформации равны нулю, причем состояние также называется нулевой поперечной деформацией.
E
E
Модуль  Юнга (также называемый просто модулем упругости) используется для описания упругости при растяжении. Упругость материала при растяжении представляет собой реакцию на осевую деформацию, когда вдоль оси прикладываются противодействующие силы. Модуль  Юнга определяется как отношение напряжения при растяжении к деформации растяжения.
Ламе
Первый параметр λ Ламе (греч.: лямбда-Ламе) также используется для описания упругости при растяжении.
G
μ
G
Модуль  сдвига (также известный как модуль  жесткости, греч.: мю, или второй параметр Ламе) используется для описания зависимости деформации сдвига материала при постоянном объеме при приложении противодействующих сил. Модуль  сдвига определяется как отношение касательного напряжения к деформации сдвига и может использоваться для получения вязкости материала.
K
K
K
E
Модуль  объемной упругости используется для описания объемной упругости или зависимости изотропной деформации материала от изотропной силы, например, давления газа. Модуль  объемной упругости определяется как отношение объемного напряжения к объемной деформации или как величина, обратная коэффициенту κ (греч.: каппа) объемного сжатия. Модуль  объемной упругости является расширением модуля  Юнга до трех измерений.
ν
ν
Коэффициент  Пуассона (греч.: ню, также известный как число Пуассона) используется для описания зависимости деформации материала при сжатии вдоль первой оси и расширении вдоль второй оси и третьей оси, перпендикулярных первой оси. Коэффициент  Пуассона определяется как отрицательное отношение поперечного сжатия к продольному растяжению или как относительное растяжение, деленное на относительное сжатие.
K
E
G
ν
Для однородного изотропного линейного упругого материала с целью описания отношений между различными описанными выше модулями используются определенные уравнения. Например, модуль  объемной упругости, модуль  Юнга и модуль  сдвига связаны с коэффициентом  Пуассона, как указано в уравнении 1.
Уравнение 1
K
G
M
Кроме того, модуль  объемной упругости, модуль  сдвига и продольный модуль  связаны, как указано в уравнении 2.
Уравнение 2
n
f
λ
Как отмечалось ранее, для измерения биомеханического свойства глазной ткани может быть использовано бриллюэновское рассеяние. При бриллюэновском рассеянии акустическая волна, также называемая фононом, может указывать на изменения плотности массы в зависимости от положения внутри материала. Вследствие локализованных сжатий, возникающих в результате изменения плотности массы, оптическая плотность материала, также известная как показатель преломления, может локально изменяться. Локальные изменения оптической плотности  могут приводить к пространственно-периодическому изменению оптической плотности, которое работает в качестве дифракционного элемента для когерентного света, падающего на материал. Бриллюэновское рассеяние происходит, когда с таким дифракционным элементом взаимодействует когерентный свет, при этом отклоняясь или отражаясь от материала. Поскольку фонон перемещается внутри материала с заданной скоростью, свет, отклоненный или отраженный от фонона, подвергается допплеровскому сдвигу по частоте (или длине волны). Другими словами, фотоны, образованные в результате бриллюэновского рассеяния, вследствие процесса неупругого рассеяния будут иметь энергию, отличающуюся от энергии падающих фотонов. Изменение энергии фотона может быть выражено в виде изменения частоты  (или длины волны ), которые приведены в уравнении 3.
Уравнение 3
с -
n
f
λ
f
λ
f ± f
λ ± λ
f
λ
f+f
λ - λ
f - f
λ+λ
B
B
B
B
B
B
B
B
В уравнении 3  это скорость света в вакууме, а  - оптическая плотность невозмущенного материала. Бриллюэновское рассеяние приводит к сдвигу  частоты (или сдвигу  длины волны), который может быть положительным или отрицательным по отношению к частоте  (или длине  волны) падающего фотона. Следовательно, неупруго рассеянный фотон, образованный в результате бриллюэновского рассеяния, будет иметь возможные частоты, задаваемые выражением  (или возможные длины волн, задаваемые выражением ). Спектр света, образованного в результате эффекта бриллюэновского рассеяния, будет включать упруго отклоненный или отраженный свет, формирующий рэлеевский пик с частотой  (или длиной  волны), наряду с неупруго рассеянным светом, образованным в результате эффекта бриллюэновского рассеяния, формирующим по меньшей мере один дополнительный боковой пик (также называемый боковой полосой). Когда боковой пик формируется из рассеянного фотона с энергией, более высокой, чем у падающего фотона, при  (или при ) может наблюдаться стоксов пик. Когда боковой пик формируется из рассеянного фотона с энергией, более низкой, чем у падающего фотона, при  (или при ) может наблюдаться антистоксов пик.
f
θ
B
В общем случае рассеянные фотоны, образованные в результате эффекта бриллюэновского рассеяния, будут изменять направление распространения, в результате чего сдвиг  частоты света, образованного в результате эффекта бриллюэновского рассеяния, будет зависеть от угла  рассеяния между падающим фотоном и рассеянным фотоном, образованным в результате эффекта бриллюэновского рассеяния, как указано в уравнении 4.
Уравнение 4
n
V
λ
θ
θ
λ
|
λ
f
λ
B
B
B
В уравнении 4  - оптическая плотность невозмущенного материала,  - скорость фонона в веществе,  - длина волны падающего фотона в вакууме,  - угол рассеяния. По определению направление прохождения падающего фотона является антипараллельным направлению прохождения рассеянного фотона, образованного в результате эффекта бриллюэновского рассеяния, когда  равно нулю, в результате чего падающий фотон находится под прямым углом к поверхности материала. В уравнении 4 положительный (+) результат соответствует антистоксову бриллюэновскому пику, а отрицательный результат (-) соответствует стоксову бриллюэновскому пику. Для длин волн |«  уравнение 5 описывает взаимосвязь между  и .
Уравнение 5
f
θ
θ
f
θ
B
B
Поскольку сдвиг  частоты зависит от угла рассеяния, каждый угол  рассеяния связан с определенным сдвигом  частоты. Максимальное или минимальное значение сдвига частоты получается путем установки =0 ° в уравнении 3, в результате чего получается уравнение 6, которое соответствует нормально падающему на материал, обладающий эффектом бриллюэновского рассеяния, пучку света.
Уравнение 6
θ
B
В частном случае =0 ° сдвиг f частоты можно назвать продольным бриллюэновским сдвигом.
M
V
С помощью спектроскопического анализа пучка света, подвергшегося бриллюэновскому рассеянию, можно определить некоторые биомеханические свойства рассеивающего материала. Например, комплекснозначный продольный модуль  зависит от скорости  фонона, как указано в уравнении 7.
Уравнение 7
Δf
B
В уравнении 7 ρ - плотность массы материала, в котором проходит фонон, а  - ширина спектральной линии боковой полосы бриллюэновского рассеяния.
Δf
Δf
Δf
B
B
B
Ширина спектральной линии  соответствует обратному времени жизни фонона и характеризует затухание фонона (звуковой волны) при прохождении через материал. В одном варианте осуществления изобретения ширина  спектральной линии может быть измерена как полная ширина на половине высоты (FWHM) стоксова или антистоксова бриллюэновского пика. В других вариантах осуществления изобретения может быть использовано другое подходящее определение спектральной ширины, характеризующее частотный интервал . Например, амплитуду всех компонентов спектра можно считать равной или большей, чем заданная относительная доля спектральной составляющей, имеющей максимальную амплитуду.
θ
G
M
M
M
M
1
2
Когда рассеянный фотон, образованный в результате бриллюэновского рассеяния, испускается в направлении, антипараллельном направлению падающего фотона, например, при =0, модуль  сдвига будет равен нулю, а продольный модуль  будет равен модулю объемной упругости, как видно из уравнения 2. В этом случае значения  и  для комплекснозначного продольного модуля  будут задаваться соответственно уравнениями 8 и 9.
Уравнение 8
Уравнение 9
М
М
f
Δf
1
2
B
B
В уравнении 8  описывает эластомеханическое свойство материала, а в уравнении 9  описывает вязкоупругое свойство материала. Соответственно, эластомеханическое свойство материала может быть определено путем измерения сдвига  частоты одной из боковых полос (либо стоксовой, либо антистоксовой) пучка света, подвергшегося бриллюэновскому рассеянию, обратно рассеянного от вещества (также называемого пучком бриллюэновских сигналов) в ответ на падение пучка (также называемого бриллюэновским пучком, воздействующим на образец). Кроме того, вязкоупругое свойство материала можно определить путем измерения ширины  спектральной линии боковой полосы.
В дополнение к бриллюэновскому рассеянию сигналы ГВГ от роговицы человека связаны с положением и распределением фибрилл, входящих в состав роговицы. ГВГ относится к нелинейному излучению второго порядка фотонов с половинной длиной волны материалом в ответ на возбуждение фотонами с полной длиной волны, как указано в уравнении 10.
Уравнение 10
λ
λ
ГВГ
1
В уравнении 10  - длина волны сигнала ГВГ в пучке сигналов ГВГ, а  - длина волны пучка возбуждения (также называемого пучком, воздействующим на образец, с ГВГ).
Возбуждение для сигналов ГВГ от роговицы человека может быть выполнено с помощью фемтосекундного волоконного лазера, сфокусированного в желаемом месте образца для точного пространственного сбора сигналов ГВГ, которые могут быть использованы для создания изображений биоструктур роговицы. В некоторых вариантах осуществления изобретения зона возбуждения при сборе сигналов ГВГ от роговицы человека может составлять порядка нескольких микрон. Фибриллы, входящие в состав роговицы, включают коллаген, который считается высокоэффективным нелинейным источником сигнала ГВГ. Кроме того, нелинейное взаимодействие пучка возбуждения с фибриллами коллагена роговицы зависит от положения, ориентации, плотности и выравнивания фибрилл коллагена, что может привести к тому, что сигнал ГВГ обеспечит значительное понимание биоструктурного состояния различных тканей роговицы.
in vivo
λ
λ
ГВГ
ГВГ
Для визуализации  от роговицы человека могут быть получены обратно направленные сигналы ГВГ(ОН-ГВГ). Пучок сигналов ОН-ГВГ может излучаться приблизительно в антипараллельном направлении к падающему пучку, воздействующему на образец, с ГВГ, и может быть обнаружен любой подходящей оптической системой обнаружения. В некоторых вариантах осуществления изобретения фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) может использоваться как детектор ГВГ для высокочувствительных применений визуализации с использованием сигналов ОН-ГВГ. В некоторых вариантах осуществления изобретения в качестве детектора ГВГ может использоваться многоканальный пластинчатый детектор, который аналогичен ФЭУ, но обеспечивает дополнительное пространственное разрешение с помощью нескольких отдельных каналов. Детектор ГВГ может быть оснащен оптическим фильтром, способным выделять длину  волны из измерительного пучка, возвращающегося от материала-образца. При использовании ФЭУ или аналогичного фотодетектора для желаемой чувствительности к длине  волны может быть выбран материал фотокатода. Кроме того, в некоторых случаях поляризация пучка, воздействующего на образец, с ГВГ может быть использована для дополнительной селективности конкретных режимов излучения материала-образца. Поляризационно-чувствительные режимы излучения могут обуславливаться морфологическими особенностями фибрилл коллагена, когда материалом-образцом является ткань роговицы человека. Когда пучок, воздействующий на образец, с ГВГ поляризован, детектор ГВГ может также содержать поляризационный фильтр, способный различать в пучке сигналов ГВГ различные направления поляризации.
Из графических материалов видно, что фиг. 1 - это блок-схема, показывающая оптическое устройство 100 для биомеханической диагностики заболевания глаза. Оптическое устройство 100 приведено не в масштабе, а представляет собой схематическое изображение. Как показано, оптическое устройство 100 используется для анализа образца 112, который может представлять собой человеческий глаз, и, в частности, для анализа роговицы 114 человеческого глаза. Кроме того, в оптическом устройстве 100 система 120 координат определяет осевое направление в виде оси Z, а поперечные направления в виде осей X и Y, которые относятся к образцу 112, в результате чего пучок 130, воздействующий на образец, с ГВГ и бриллюэновский пучок 131, воздействующий на образец, проходят к образцу 112 в осевом направлении Z. Оптическое устройство 100 соответственно обеспечивает одновременный захват бриллюэновских сигналов и сигналов ГВГ, рассеянных от образца 112, с помощью пространственно коррелированного процесса измерения. Таким образом, оптическое устройство 100 может обеспечить улучшенный анализ и измерение определенных физических свойств глазной ткани в образце 112 во многих диагностических и клинических применениях.
λ
λ
1
ГВГ
Как показано, оптическое устройство 100 включает источник 102 ГВГ, из которого генерируется пучок 130, воздействующий на образец, с ГВГ. Когда источником 102 ГВГ является фемтосекундный волоконный лазер, в некоторых вариантах осуществления изобретения длина  волны может составлять 1030 нанометров (нм), а длина  волны соответственно может составлять 515 нм. Оптическое устройство 100 дополнительно включает источник 104 бриллюэновского рассеяния, из которого генерируется бриллюэновский пучок 132, воздействующий на образец. Источником 104 бриллюэновского рассеяния может быть любой узкополосный источник света, подходящий для получения бриллюэновского рассеяния в глазной ткани. В некоторых вариантах осуществления изобретения источник 104 бриллюэновского рассеяния представляет собой одномодовый лазер непрерывного излучения, имеющий длину волны 532 нм и ширину спектральной линии около 1 МГц. Источник 102 ГВГ и источник 104 бриллюэновского рассеяния могут быть расположены так, чтобы быть конфокальными относительно образца 112 в месте 116 фокусировки, которое может корректироваться с помощью фокусирующей линзы 124.
На Фиг. 1 пучок 130, воздействующий на образец, с ГВГ и бриллюэновский пучок 132, воздействующий на образец, объединяются в одном оптическом пути в зеркале 110-1 частичного отражения. Объединенный пучок из пучка 130, воздействующего на образец, с ГВГ и бриллюэновского пучка 132, воздействующего на образец, может быть пространственно изменен в плоскости X-Y с помощью сканера 118 с целью сканирования различных мест в образце 112. Соответственно, сканер 118, может изменять место 116 фокусировки в плоскости X-Y с целью дискретизации на различные места в образце 112, такие как различные исследуемые зоны в роговице 114. Из сканера 118 объединенный пучок из пучка 130, воздействующего на образец, с ГВГ и бриллюэновского пучка 132, воздействующего на образец, может переходить к образцу 112 через зеркало 110-2 частичного отражения посредством фокусирующей линзы 124. Фокусирующая линза 124 может регулироваться по оси Z с помощью любого подходящего устройства для изменения места 116 фокусировки вдоль оси Z. Таким образом, в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 1, пучок 130, воздействующий на образец, с ГВГ и бриллюэновский пучок 132, воздействующий на образец, переходят к образцу 112 по общему оптическому пути от зеркала 110-1 частичного отражения, которое служит в качестве общей оптической начальной точки как для пучка 130, воздействующего на образец, с ГВГ, так и для бриллюэновского пучка 132, воздействующего на образец.
От зеркала 110-2 частичного отражения к образцу 112 объединенный пучок из пучка 130, воздействующего на образец, с ГВГ и бриллюэновского пучка 132, воздействующего на образец, может проходить к образцу 112 в нормальном или в основном нормальном направлении к поверхности образца 112. В той степени, в какой объединенный пучок имеет определенную ширину пучка, фокусирующая линза 124 может объединять пучок 130, воздействующий на образец, с ГВГ и бриллюэновский пучок 132, воздействующий на образец, обеспечивая требуемую площадь образца в месте 116 фокусировки. Кроме того, объединенный пучок из пучка 131 сигналов ГВГ и пучка 133 бриллюэновских сигналов может быть рассеян обратно от образца 112 по направлению к зеркалу 110-2 частичного отражения. Следует отметить, что геометрия дискретизации, показанная в оптическом устройстве 100, является иллюстративной и может быть модифицирована в различных вариантах осуществления изобретения.
От зеркала 110-2 частичного отражения в направлении зеркала 110-3 частичного отражения объединенный пучок из пучка 131 сигналов ГВГ и пучка 133 бриллюэновских сигналов может проходить через диафрагму 122. Диафрагма 122 может быть конфокально расположена относительно пучка 131 сигналов ГВГ и пучка 133 бриллюэновских сигналов. Диафрагма 122 может использоваться для ограничения фотонов в пучке 131 сигналов ГВГ и пучке 133 бриллюэновских сигналов до определенного угла сканирования, зависящего, например, от сканера 118. Соответственно, диафрагму 122 можно механически регулировать в зависимости от угла сканирования, используемого сканером 118. В других вариантах осуществления изобретения фокусирующая линза 124 может использоваться для центрирования или выравнивания пучка 130, воздействующего на образец, с ГВГ и бриллюэновского пучка 132, воздействующего на образец, так, чтобы пучок 131 сигналов ГВГ и пучок 133 бриллюэновских сигналов выравнивались с помощью диафрагмы 122, например, когда диафрагма 122 является фиксированной.
В зеркале 110-3 частичного отражения пучок 131 сигналов ГВГ может быть направлен на детектор 106 ГВГ через детекторную линзу 126, тогда как пучок 133 бриллюэновских сигналов может быть направлен к детектору 108 бриллюэновского рассеяния через детекторную линзу 128. Обе детекторные линзы 126 и 128 могут быть конфокально расположены относительно пучка 131 сигналов ГВГ и пучка 133 бриллюэновских сигналов. Детектор 106 ГВГ может быть любым подходящим детектором для пучка 131 сигналов ГВГ, как например, ФЭУ или многоканальным пластинчатым детектором, как описано выше.
Детектор 108 бриллюэновского рассеяния может содержать спектрометр с высоким разрешением, способный отличать рэлеевское рассеяние от бриллюэновского рассеяния. Поскольку рэлеевский рассеянный пучок может иметь значительно большую амплитуду, чем бриллюэновский рассеянный пучок, и оба рассеянных пучка спектрально могут быть относительно близки, детектор 108 бриллюэновского рассеяния может иметь высокое спектральное разрешение, а также высокий спектральный контраст. В некоторых вариантах осуществления изобретения детектор 108 бриллюэновского рассеяния может включать матрицу на базе приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрицу) в качестве оптического датчика.
При работе оптического устройства 100 объединенный пучок из пучка 130, воздействующего на образец, с ГВГ и бриллюэновского пучка 132, воздействующего на образец, может конфокально проходить к месту 116 фокусировки, которое может изменяться в плоскости X-Y с помощью сканера 118. Место 116 фокусировки может быть изменено вдоль оси Z с помощью фокусирующей линзы 124. Таким образом, различные точки, линии, площади и объемы в образце 112 можно сканировать и анализировать с помощью оптического устройства 100.
f
Δf
f
Δf
B
B
B
B
В месте 116 фокусировки пучок 133 бриллюэновских сигналов может быть измерен детектором 108 бриллюэновского рассеяния. В частности, детектор 108 бриллюэновского рассеяния может измерять сдвиг  частоты одной (или обеих) боковых полос (либо стоксовой, либо антистоксовой) в пучке 133 бриллюэновских сигналов. Детектор 108 бриллюэновского рассеяния может также измерять ширину  спектральной линии одной или обеих боковых полос. С помощью измеренного сдвига  частоты и измеренной ширины  спектральной линии можно определить эластомеханическое свойство и вязкоупругое свойство в месте 116 фокусировки, как объяснено выше в отношении уравнений 8 и 9.
λ
λ
λ
ГВГ
ГВГ
ГВГ
Одновременно детектором 106 ГВГ может быть измерен пучок 131 сигналов ГВГ, выходящий из того же места 116 фокусировки. В частности, детектор 106 ГВГ может регистрировать амплитуду сигнала с длиной  волны в пучке 131 сигналов ГВГ. В частности, детектор 106 ГВГ может быть чувствителен к малым амплитудам сигналов с длиной  волны. Поскольку амплитуда сигнала с длиной  волны показывает морфологическую структуру фибрилл коллагена в месте 116 фокусировки, амплитуда сигнала, зарегистрированная детектором 106 ГВГ, может быть использована для создания определенных изображений глазной ткани в образце 112. Визуальная информация, создаваемая детектором 106 ГВГ таким образом может быть точно пространственно коррелирована с эластомеханическим свойством и вязкоупругим свойством в месте 116 фокусировки. Полученные данные, созданные оптическим устройством 100, могут обеспечить более полное понимание и анализ состояния образца 112 в месте 116 фокусировки и обеспечить раннюю биомеханическую диагностику различных заболеваний глаз.
Следует отметить, что в различных вариантах осуществления изобретения или конструкциях оптического устройства 100 могут использоваться различные варианты осуществления, компоновки и маршрутизации пучков. Например, некоторые участки оптических путей, используемые в оптическом устройстве 100, могут включать оптические волокна. В некоторых вариантах осуществления изобретения некоторые участки оптических путей, используемые в оптическом устройстве 100, могут включать оптические волноводы. Определенные участки оптических путей, используемых в оптическом устройстве 100, могут представлять оптические пути внутри среды, такой как вакуум, свободное пространство, газообразная среда или атмосфера. В данных вариантах осуществления изобретения по меньшей мере, с одним из пучков пучком 130, воздействующим на образец, с ГВГ и бриллюэновским пучком 132, воздействующим на образец, - может быть использован поляризационный элемент, и при обнаружении, по меньшей мере, одного из пучков - пучка 131 сигналов ГВГ и пучка 133 бриллюэновских сигналов - может использоваться поляризационный фильтр. В другом варианте осуществления изобретения сканер 118 может быть исключен, и может использоваться другой сканирующий элемент, как например, объектив. В некоторых вариантах осуществления изобретения, по меньшей мере, часть оптических компонентов, заключенных в оптическом устройстве 100, может быть миниатюризирована и объединена в компактный блок, имеющий относительно небольшую массу и внешние размеры, так чтобы весь этот компактный блок удерживался внешним сканирующим элементом и перемещался относительно образца 112. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления оптического устройства 100 могут использоваться различные ориентации системы 120 координат.
В различных вариантах осуществления оптическое устройство 100 может использоваться для определения характеристик или анализа биоструктур внутрироговичного слоя, таких как фибриллы или микрофибриллы в строме роговицы человека.
Следует отметить, что оптическое устройство 100 приведено не в масштабе, а представляет собой схематическое изображение. В оптическом устройстве 100 без отклонения от объема раскрытия изобретения могут быть сделаны модификации, дополнения или исключения. Компоненты и элементы оптического устройства 100 согласно настоящему описанию могут быть интегрированы или разделены в соответствии с определенными приложениями. Кроме того, эксплуатация оптического устройства 100 может осуществляться с большим количеством, меньшим количеством компонентов или с другими компонентами.
Как показано на фиг. 2, блок-схема выбранных элементов варианта осуществления способа 200 выполнения биомеханической диагностики заболевания глаза согласно настоящему описанию изображена в виде структурной схемы. Способ 200 может быть реализован с помощью оптического устройства 100 (см. фиг. 1). Следует отметить, что некоторые операции, описываемые в способе 200, могут являться необязательными, или в других вариантах осуществления может изменяться их порядок.
Способ 200 начинается на этапе 202 путем генерирования первого пучка, воздействующего на образец, и второго пучка, воздействующего на образец, при совместном использовании оптической начальной точки. На этапе 204 первый пучок, воздействующий на образец, и второй пучок, воздействующий на образец, проходят конфокальным способом к образцу биологической ткани к месту фокусировки на образце биологической ткани. На этапе 206 первый пучок сигналов, содержащий первые фотоны, обратно рассеянные первым пучком, воздействующим на образец, от места фокусировки, обнаруживается с помощью детектора бриллюэновского рассеяния. На этапе 208 второй пучок сигналов, содержащий вторые фотоны, обратно рассеянные вторым пучком, воздействующим на образец, от места фокусировки, обнаруживается с помощью детектора генерирования второй гармоники (ГВГ). На этапе 210 на основе первого пучка сигналов определяется эластомеханическое свойство и вязкоупругое свойство образца биологической ткани в месте фокусировки. На этапе 212 на основе второго пучка сигналов определяются признаки морфологической структуры образца биологической ткани в месте фокусировки.
Как показано на фиг. 3, блок-схема выбранных элементов варианта осуществления способа 300 выполнения биомеханической диагностики заболевания глаза согласно настоящему описанию изображена в виде структурной схемы. Способ 300 может быть реализован с помощью оптического устройства 100 (см. фиг. 1). В определенных вариантах осуществления изобретения способ 300 может включать дополнительные подробности касательно этапа 204 в способе 200. Следует отметить, что некоторые операции, описываемые в способе 300, могут являться необязательными, или в других вариантах осуществления может изменяться их порядок.
Способ 300 начинается на этапе 302 путем изменения осевого положения места фокусировки в пределах образца биологической ткани вдоль первой оси, параллельной первому пучку, воздействующему на образец, и второму пучку, воздействующему на образец. На этапе 304 поперечное положение места фокусировки изменяется в пределах образца биологической ткани вдоль по меньшей мере одной из осей - второй оси и третьей оси, перпендикулярных первой оси. На этапе 306 образец биологической ткани сканируется для генерирования данных в виде изображения с помощью второго пучка сигналов, таким образом, что и первый пучок, воздействующий на образец, и второй пучок, воздействующий на образец, направлены к разным общим точкам в образце биологической ткани, и включая изменение по меньшей мере одного из положений - осевого положения места фокусировки и поперечного положения места фокусировки.
in vivo
Согласно настоящему описанию способ и система выполнения биомеханической диагностики заболевания глаза может включать источник бриллюэновского излучения для генерирования бриллюэновский пучка, воздействующего на образец, и источник света для генерирования второй гармоники (ГВГ) для генерирования пучка, воздействующего на образец, с ГВГ. И бриллюэновский пучок, воздействующий на образец, и пучок, воздействующий на образец, с ГВГ могут быть совмещенно направлены конфокальным способом к образцу биологической ткани к месту фокусировки. Бриллюэновское рассеяние, возникающее при рассеянии бриллюэновского пучка, воздействующего на образец, может быть обнаружено для определения эластомеханического свойства и вязкоупругого свойства образца. ГВГ, возникающее при рассеянии пучка ГВГ, может быть обнаружено для определения признака морфологической структуры образца. Образец может быть  роговицей человека.
Способ 200 по фиг. 2 и способ 300 по фиг. 3 могут выполняться с помощью компьютера, запрограммированного на генерирование или управление положением, интенсивностью или другими свойствами пучков, воздействующих на образец, и на обработку обнаруженных пучков сигналов. В некоторых вариантах осуществления изобретения такой запрограммированный компьютер может быть частью оптического устройства 100, изображенного на фиг. 1. В некоторых вариантах осуществления изобретения запрограммированный компьютер может быть подключен к оптическому устройству 100 проводным или беспроводным способом для выполнения, по меньшей мере, определенных частей способов 200 или 300. Запрограммированный компьютер может включать компоненты специального назначения, как например, компоненты, интегрированные с источником 102 ГВГ, источником 104 бриллюэновского рассеяния, фокусирующей линзой 124, зеркалом 110 частичного отражения, сканером 118, детектором 106 ГВГ, детектором 108 бриллюэновского рассеяния и диафрагмой 122. В частности, запрограммированный компьютер может включать или может управлять одним или несколькими переключателями, которые изменяют состояние одного или нескольких из вышеуказанных компонентов в ответ на обнаружение пучков сигналов. Например, когда пучки сигналов не сфокусированы, запрограммированный компьютер может использовать один или несколько переключателей или иным образом вызывать изменение положения или размера фокусирующей линзы 124, зеркала 110 частичного отражения или диафрагмы 122. В другом примере, не являющемся исключением из первого примера, когда пучки сигналов не имеют правильной интенсивности, запрограммированный компьютер может использовать один или несколько переключателей или иным образом вызывать изменение источника 102 ГВГ или источника 104 бриллюэновского рассеяния.
Обработка обнаруженных пучков сигналов может включать аспекты, направленные на генерирование или управление положением, интенсивностью или другими свойствами пучков, воздействующих на образец, и аспекты, направленные на генерирование информации о биомеханическом свойстве образца биологической ткани. В частности, некоторые виды обработки могут генерировать предупреждение, когда один или несколько аспектов пучков сигналов не являются оптимальными. Некоторые виды обработки могут создавать визуальное представление, отражающее биомеханическое свойство. Такое представление может генерироваться в реальном времени или после некоторой задержки, особенно когда биомеханические свойства включены из разных мест образца биологической ткани.
Запрограммированный компьютер может включать более одного компьютера, которые могут быть связаны или не связаны друг с другом. В частности, один компьютер может принимать данные, относящиеся к обнаруженным пучкам сигналов, и использовать данные для генерирования или управления положением, интенсивностью или другими свойствами пучков, воздействующих на образец, в то время как отдельный компьютер может получать данные, относящиеся к обнаруженным пучкам сигналов, и использовать информацию для генерирования информации, относящейся к биомеханическому свойству образца биологической ткани.
На фиг. 4 представлена блок-схема, иллюстрирующая выбранные элементы варианта осуществления системы 400 обработки сигналов. В варианте осуществления изобретения, изображенном на фиг. 4, система 400 обработки сигналов содержит устройство 402 вычисления, которое соединено с детектором 108 бриллюэновского рассеяния и детектором 106 ГВГ, причем устройство 402 вычисления содержит процессор 404, соединенный через общую шину 406 с носителем запоминающего устройства, совместно указываемым как запоминающее устройство 410. Как показано на фиг. 1, система 400 обработки сигналов может относиться к оптическому устройству 100 для биомеханической диагностики заболевания глаза согласно настоящему описанию.
В различных вариантах осуществления изобретения устройство 402 вычисления может включать сетевой адаптер для взаимодействия с сетью. Устройство 402 вычисления может включать периферийный адаптер для подключения к различным устройствам ввода и вывода. Например, устройство 402 вычисления может связываться с детектором 108 бриллюэновского рассеяния и детектором 106 ГВГ через устройство ввода с целью получения выходных сигналов для биомеханической диагностики заболевания глаза согласно настоящему описанию. Устройство 402 вычисления также может связываться с детектором 108 бриллюэновского рассеяния, детектором 106 ГВГ или другими компонентами через устройство вывода для управления различными аспектами оптического устройства 100.

Запоминающим устройством 410 может быть любое из множества запоминающих устройств, в том числе, энергостойкое ЗУ, энергозависимое ЗУ, постоянное ЗУ и съемное ЗУ. Запоминающее устройство 410 может использоваться для хранения инструкций, данных или того и другого. Как показано, запоминающее устройство 410 хранит инструкции или код, исполняемые процессором 404, а именно, операционную систему (ОС) 412 и приложение 414 для диагностики заболевания глаза. Операционная система 412 может представлять собой UNIX или UNIX-подобную операционную систему, операционную систему семейства Windows и встроенную операционную систему или другую подходящую операционную систему. Приложение 414 для диагностики заболевания глаза может представлять инструкции или код, исполняемые процессором 404, для реализации по меньшей мере определенных частей способов 200 и 300 и связанных с ними функциональных возможностей, как описано выше.
Раскрытый выше предмет изобретения следует считать иллюстративным, а не ограничивающим, и прилагаемая формула изобретения предназначена для охвата всех модификаций, улучшений и других вариантов осуществления, находящихся в пределах истинной сущности и объема настоящего раскрытия. Таким образом, в той мере, которая максимально допускается законом, объем настоящего раскрытия следует определять посредством самой широкой допустимой интерпретации нижеследующей формулы изобретения и ее эквивалентов, и его не следует ограничивать предшествующим подробным описанием.