СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ И СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ
DIAGNOSIS SYSTEM AND DIAGNOSIS METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом относится к системе диагностики и способу диагностики. Конкретнее, варианты реализации настоящего изобретения относятся к системе диагностики для обнаружения кератоконуса или другой дегенерации роговицы, влияющей на биомеханическую стабильность роговицы человека, и к способу диагностики для обнаружения кератоконуса или другой дегенерации роговицы, влияющей на биомеханическую стабильность роговицы человека. Еще конкретнее, варианты реализации настоящего изобретения относятся к системе диагностики для раннего обнаружения кератоконуса или другой дегенерации роговицы, влияющей на биомеханическую стабильность роговицы человека, и к способу диагностики для раннего обнаружения кератоконуса или другой дегенерации роговицы, влияющей на биомеханическую стабильность роговицы человека.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Кератоконус представляет собой дегенеративное заболевание глаза, характеризующееся невоспалительным истончением и укручением центральной и/или парацентральной части роговицы. Эти структурные изменения являются причиной того, что роговица приобретает более коническую форму, чем ее обычная степень постепенного искривления, и приводят к необратимому нарушению зрения глаза пациента при отсутствии лечения. Вызванные кератоконусом структурные изменения роговицы также ухудшают или даже заранее исключают операцию посредством LASIK (лазерная кератопластика in situ), поскольку лечение роговицы с далее прогрессирующим кератоконусом посредством LASIK впоследствии может привести к эктазии роговицы.
Нарушение зрения пациента, вызванное кератоконусом, может быть скорректировано с помощью специально предназначенных очков или корнеосклеральных контактных линз. Эти виды коррекции, тем не менее, не работают, если кератоконус находится в поздней стадии своего патогенеза. В этом случае можно лишь применить так называемый корнеальный кросслинкинг, который может остановить или по меньшей мере замедлить патогенез. В свою очередь, полное восстановление зрения является невозможным.
Таким образом, желательно обнаружить кератоконус как можно раньше.
Помимо кератоконуса существует другая дегенерация роговицы, влияющая на биомеханическую стабильность роговицы человека. Например, пеллюцидная краевая дегенерация роговицы (сокращенно PMD; также известная как кератоторус) представляет собой дегенеративное заболевание роговицы, характеризующееся, как правило, четким двухсторонним истончением (эктазией) периферической зоны нижней части роговицы. В частности, центральная часть роговицы характеризуется нормальной толщиной неповрежденной центральной части эпителия, но в нижней части роговицы по краю проявляется полоска истончения. Часть роговицы, которая непосредственно прилегает к лимбу и осталась без изменений, представляет собой обычно полоску шириной около нескольких миллиметров. Кроме того, слой Боумена роговицы может отсутствовать, иметь неправильную форму или иметь разрывы.
В дальнейшем термин "кератоконус" может представлять собой любую дегенерацию роговицы, влияющую на биомеханическую стабильность роговицы человека. Следовательно, по всему описанию более конкретный термин "кератоконус" может быть заменен более общей фразой "дегенерация роговицы, влияющая на биомеханическую стабильность роговицы человека" или любым термином, представляющим собой дегенерацию роговицы, влияющую на биомеханическую стабильность роговицы человека, таким как "пеллюцидная краевая дегенерация роговицы".
Существующие системы диагностики и способы диагностики для обнаружения кератоконуса или другой дегенерации роговицы, влияющей на биомеханическую стабильность роговицы человека, основаны исключительно на измерении топографии роговицы и на обнаружении конической деформации в этой топографии. Следовательно, кератоконус или другую дегенерацию роговицы, влияющую на биомеханическую стабильность роговицы человека, обнаружить можно только на относительно поздней стадии патогенеза, на которой нарушение зрения у пациента уже прогрессирует.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В свете вышесказанного, существует необходимость в обеспечении системы диагностики и способа диагностики, которые обеспечат идентификацию структурной части роговицы и идентификацию биомеханической характеристики этой структурной части роговицы. В частности, существует необходимость в обеспечении системы диагностики и способа диагностики, которые обеспечат раннее обнаружение кератоконуса или другой дегенерации роговицы, влияющей на биомеханическую стабильность роговицы человека.
Настоящее изобретение основано на следующих результатах.
Для обнаружения кератоконуса или другой дегенерации роговицы, влияющей на биомеханическую стабильность роговицы человека, на ранней стадии желательно получить параметры роговицы, с помощью которых можно достоверно диагностировать в начальной стадии кератоконус или другую дегенерацию роговицы, влияющую на биомеханическую стабильность роговицы человека, до того, как появятся клинически проявленные макроскопические структурные изменения роговицы.
Роговицу или отдельные части внутренней структуры роговицы можно рассматривать как линейно-упругий, гомогенный и/или изотропный материал. Внутренняя структура роговицы содержит эпителий роговицы, слой Боумена (также известный как передняя пограничная мембрана), строму роговицы (также известную как собственное вещество), слой Дюа, Десцеметову оболочку (также известную как задняя пограничная мембрана) и эндотелий роговицы.
Для этиологии и патогенеза кератоконуса или другой дегенерации роговицы, влияющей на биомеханическую стабильность роговицы человека, изменения биомеханических характеристик роговицы являются наиболее всего существенными.
Биомеханическая характеристика может представлять собой механическую характеристику упругости и/или вязкоупругую характеристику. Эти характеристики относятся к жесткости. Например, биомеханическая характеристика может характеризоваться одним или несколькими из следующих модулей.
Продольный модуль M (также известный как модуль P-волны или ограниченный модуль), с помощью которого можно описать изотропные гомогенные материалы. Он может быть определен как отношение продольного напряжения к продольной деформации в состоянии одноосной деформации, где все другие не продольные деформации равны нулю (т.е. нулевая поперечная деформация).
Модуль Юнга E (также называемый просто как модуль упругости), с помощью которого можно описать упругость при растяжении или склонность среды к деформации вдоль оси, при приложении противодействующих сил вдоль этой оси. Он может быть определен как отношение напряжения при растяжении к деформации при растяжении.
Модуль сдвига G (также известный как модуль жесткости, µ, мю или второй параметр Ламе), с помощью которого можно описать склонность объекта к сдвигу (деформация формы при постоянном объеме) при воздействии противодействующих сил. Он может быть определен как отношение напряжения при сдвиге к деформации при сдвиге. Модуль сдвига G может использоваться при расчете вязкости.
Объемный модуль упругости K, с помощью которого можно описать объемную упругость или склонность среды к деформации во всех направлениях при равномерной нагрузке во всех направлениях. Он может быть определен как отношение объемного напряжения к объемной деформации или обратно пропорциональным коэффициенту сжатия κ (или каппа). Объемный модуль упругости K можно рассматривать как продолжение модуля Юнга E в трех измерениях.
Ламе
Первый параметр Ламе λ (или лямбда-Ламе), с помощью которого также можно описать упругость при растяжении или склонность среды к деформации вдоль оси при приложении противодействующих сил вдоль этой оси.
Коэффициент Пуассона ν (или ню, также известный как коэффициент поперечного сжатия), который может описать, при сжатии среды в одном направлении, склонность среды к расширению в других двух направлениях, перпендикулярных направлению сжатия. Он может быть определен как обратное соотношение поперечной деформации и продольной деформации или как доля (или процент) расширения, деленная на долю (или процент) сжатия.
Напряжение может быть определено как восстанавливающая сила, вызванная деформацией, деленной на площадь, к которой приложена сила. Деформация может быть определена как соотношение изменения, вызванного напряжением, и первоначального состояния объекта.
Для гомогенной изотропной линейной упругой среды могут быть получены соотношения, которые соединяют упомянутые выше модули между собой. Например, объемный модуль упругости K, модуль Юнга E и модуль сдвига G связаны между собой посредством коэффициента Пуассона ню:
<img file="00000001.jpg" he="11" wi="56" img-content="undefined" img-format="jpg" />.
(1)
В качестве дополнительного примера, объемный модуль упругости K, модуль сдвига G и продольный модуль M связаны между собой следующим образом:
<img file="00000002.jpg" he="11" wi="22" img-content="undefined" img-format="jpg" />.
(2)
Следовательно, если известны некоторые из указанных выше модулей, другие неизвестные модули могут быть вычислены, исходя из них.
B
B
B
B
B
Для измерения биомеханической характеристики можно использовать технологию на основании рассеяния Бриллюэна (сокращенно BS). Рассеяние Бриллюэна само по себе является известным. Вкратце: Фонон (например, режим колебаний, т.е. звуковая волна) представляет собой зависимые от положения колебания массовой плотности внутри среды. Из-за этих локальных сжатий оптическая плотность n (т.е. коэффициент преломления) среды локально изменяется. Это приводит к пространственно-периодическому колебанию оптической плотности, которое представляет собой диффракционную решетку для падающего когерентного света. Рассеяние Бриллюэна происходит, когда когерентный свет взаимодействует с таким пространственно-периодическим колебанием оптической плотности путем его отклонения или отражения. Поскольку фонон перемещается внутри среды, отклоненный/отраженный свет подвергается эффекту Доплера. Другими словами, рассеянные фотоны Бриллюэна изменяют свою энергию, из-за чего рассеяние Бриллюэна представляет собой процесс неупругого рассеяния. Изменение в энергии фотона соответствует изменению частоты света f или длины волны света λ (где f и λ взаимосвязаны посредством f·λ=c/n, при этом c является скоростью света в вакууме и n является ненарушенной оптической плотностью среды), в результате приводя к частотному сдвигу f и сдвигу длины волны λ вверх или вниз по отношению к частоте f и длине волны λ неотклоненного/неотраженного, т.е. падающего света. Следовательно, частота неупруго-рассеянного света Бриллюэна представляет собой f±f и длина волны неупруго-рассеянного света Бриллюэна представляет собой λ±λ, соответственно, и спектр рассеянного света Бриллюэна включает помимо упруго отклоненного/отраженного света, образующего так называемый рэлеевский пик, также неупруго-рассеянный свет Бриллюэна, образующий по меньшей мере один дополнительный боковой пик или боковую полосу, так называемый стоксов и/или антистоксов пик или стоксов и/или антистоксов пик Бриллюэна. В целом рассеянные фотоны Бриллюэна также изменяют свое направление распространения, при этом частотный сдвиг f отклоненного/отраженного BS-света зависит от угла рассеяния θ между падающим неотклоненным/неотраженным световым пучком и отклоненным/отраженным рассеянным световым пучком Бриллюэна посредством:
<img file="00000003.jpg" he="11" wi="46" img-content="undefined" img-format="jpg" />,
(3)
где:
- n представляет собой локальную оптическую плотность среды (при неизменении фононом),
- V представляет собой скорость фонона (т.е. скорость звуковой волны или скорость звука в материале; V=Λ·Ω, где Λ является длиной волны фонона и Ω является частотой фонона),
- λ представляет собой длину волны случайной (например, неотклоненной/неотраженной) световой волны в вакууме, и
- θ представляет собой угол рассеяния между направлением распространения падающей случайной (например, неотклоненной/неотраженной) световой волны и направлением распространения отклоненной/отраженной рассеянной световой волны Бриллюэна.
B
B
B
B
B
2
По определению направление распространения падающей неотклоненной/неотраженной световой волны является антипараллельным направлению распространения отклоненной/отраженной рассеянной световой волны Бриллюэна, когда θ равен нулю (т.е. θ=0°). Знак "-" соответствует стоксову пику Бриллюэна и знак "+" соответствует антистоксову пику Бриллюэна, соответственно. Частотный сдвиг f соответствует сдвигу длины волны λ посредством |f|≈c·n·|λ|/λ для |λ|«λ.
B
B
B
B
Поскольку частотный сдвиг f зависит от угла рассеяния θ, каждый угол рассеяния θ относится к конкретному частотному сдвигу f. Максимальную/минимальную величину частотного сдвига f=±2·n·V/λ получают для θ=0°, что соответствует рассеянному световому пучку Бриллюэна, который отклонен/отражен в обратном направлении падающей нерассеянной/неотклоненной/неотраженной световой волны. Если θ=0°, то частотный сдвиг f также называется продольным сдвигом Бриллюэна.
При спектроскопическом анализе рассеянного светового пучка Бриллюэна можно определить биомеханические характеристики среды. Например, содержащий комплексные величины продольный модуль M зависит от скорости фонона V по формуле (Reiß et al., "Spatially resolved Brillouin spectroscopy to determine the rheological properties of the eye lens", Biomedical Optics Express, Vol. 2, No. 8, p. 2144-2159):
<img file="00000004.jpg" he="13" wi="69" img-content="undefined" img-format="jpg" />,
(4)
где:
- ρ представляет собой массовую плотность среды, по которой распространяется фонон, и
B
- Δf представляет собой ширину линии рассеяния Бриллюэна, вызванную боковой полосой отклоненного/отраженного светового пучка BS.
B
B
Ширина линии Δf соответствует величине, обратной времени жизни фонона, и характеризуется затуханием фонона (звуковой волны) в ходе распространения по среде. Например, ширина линии Δf может быть измерена как полная ширина при максимальной половине (сокращенно FWMH) стоксова или антистоксова пика Бриллюэна или любое другое подходящее определение спектральной ширины, характеризующееся частотным интервалом, по которому величина всех спектральных компонентов равна или больше конкретной доли величины компонента, имеющего максимальное значение.
Когда рассеянная световая волна Бриллюэна отклонена/отражена в противоположном направлении падающей нерассеянной/неотклоненной/неотраженной световой волны (т.е. θ=0°), модуль сдвига G не вносят (т.е. G=0) и продольный модуль M равен объемному модулю упругости K (т.е. M=K), сравните уравнение (2). В этом случае уравнение (4) принимает вид:
<img file="00000005.jpg" he="13" wi="27" img-content="undefined" img-format="jpg" />,
(5)
и
<img file="00000006.jpg" he="13" wi="37" img-content="undefined" img-format="jpg" />.
(6)
1
2
M описывает механическую характеристику упругости среды. M описывает вязкоупругую характеристику среды.
B
B
B
B
B
Из уравнений (5) и (6) следует: при измерении частотного сдвига f одной из боковых полос (стоксов или антистоксов) рассеянного светового пучка Бриллюэна, обратнорассеянного от среды, можно получить информацию, относящуюся к механической характеристике упругости среды. При измерении частотного сдвига f одной из боковых полос рассеянного светового пучка Бриллюэна, обратнорассеянного от среды, и при измерении ширины линии Δf этой боковой полосы можно получить информацию, относящуюся к вязкоупругой характеристике среды. Более в целом, при обеспечении данных, представляющих частотный сдвиг f и/или ширину линии Δf, можно получить информацию о биомеханических характеристиках среды.
Настоящее изобретение предлагает систему диагностики и способ диагностики.
1
2
2
1
B
Система диагностики содержит устройство для оптической когерентной томографии (сокращенно ОКТ), выполненное с возможностью излучения первого измерительного светового пучка с первой длиной волны λ. Кроме того, система диагностики содержит спектрометр рассеяния Бриллюэна (сокращенно BS), выполненный с возможностью излучения второго светового пучка со второй длиной волны λ, при этом вторая длина волны λ отличается от первой длины волны λ. Система диагностики также содержит устройство сведения (фокусировки) пучков, выполненное с возможностью объединения первого светового пучка и второго светового пучка таким образом, что первый световой пучок и второй световой пучок распространяются вдоль одной и той же оптической траектории относительно роговицы. Система диагностики дополнительно содержит устройство направления и сведения пучков, выполненное с возможностью сведения первого светового пучка и второго светового пучка вместе в заранее заданном положении x,y,z на или в роговице. Вдоль роговицы и от нее первый и второй световые пучки могут по меньшей мере частично быть отклонены/отражены/обратнорассеяны в и вдоль противоположного направления первого и второго световых пучков, сведенных в заранее заданном положении x,y,z на/в роговице ранее. Устройство сведения пучков разделяет первый и второй световые пучки, обратнорассеянные от роговицы так, что первый обратнорассеянный световой пучок попадает в устройство ОКТ, а второй обратнорассеянный световой пучок попадает в спектрометр BS. Устройство ОКТ выполнено с возможностью интерферометрического анализа первого светового пучка, обратнорассеянного от роговицы, с помощью устройства сведения пучков для обеспечения данных ОКТ, представляющих зависимое от положения структурной характеристики роговицы. Спектрометр BS выполнен с возможностью спектроскопического анализа второго светового пучка, обратнорассеянного от роговицы, с помощью устройства сведения пучков для обеспечения данных BS, представляющих зависимый от положения частотный сдвиг f(x,y,z) рассеяния Бриллюэна, вызванный боковой полосой обратнорассеянного второго светового пучка.
B
Посредством обеспечения данных ОКТ, представляющих зависимое от положения структурной характеристики роговицы, можно получить пространственно-разрешенную информацию о локальной структуре роговицы. Кроме того, посредством обеспечения данных BS, представляющих зависимый от положения частотный сдвиг f(x,y,z) рассеяния Бриллюэна, вызванный боковой полосой обратнорассеянного второго светового пучка, можно получить пространственно-разрешенную информацию о механической характеристике упругости и, таким образом, биомеханической характеристике роговицы. Поскольку первый и второй световые пучки сведены вместе в одинаковом локальном положении x,y,z на или в роговице, локальная структура и биомеханическая характеристика относятся к одному и тому же положению x,y,z на/в роговице. Следовательно, система диагностики обеспечивает идентификацию структурной части роговицы и идентификацию биомеханической характеристики этой структурной части роговицы.
Дополнительно, при использовании системы диагностики для контроля роговицы в течение конкретного периода времени можно наблюдать как изменения структуры роговицы, так и изменения биомеханической характеристики роговицы пространственно-разрешенным и локально связанным способом. Такие изменения могут указывать либо на отсутствие повреждений роговицы, либо на начальную стадию или даже прогрессирование кератоконуса роговицы. Следовательно, система диагностики обеспечивает раннее обнаружение кератоконуса или другой дегенерации роговицы, влияющей на биомеханическую стабильность роговицы человека.
Дополнительные преимущества системы диагностики являются следующими. Структурная и биомеханическая характеристика роговицы может быть осуществлена быстро и бесконтактно, например, неинвазивным способом и in-vivo, поскольку она основана только на излучении первого и второго световых пучков. Кроме того, поскольку устройство сведения пучков объединяет первый и второй световые пучки, система диагностики обеспечивает одновременное измерение структурной и биомеханической характеристик роговицы. Это не только уменьшает общее время диагностики, но также гарантирует временную корреляцию структурной и биомеханической характеристик роговицы.
1
1
1
1
1
1
1
Устройство ОКТ может быть основано на ОКТ в пространстве Фурье (сокращенно FD-OCT), на ОКТ в спектральном пространстве (сокращенно SD-OCT) или на ОКТ с перестраиваемым источником (сокращенно SS-OCT). FD-OCT и SD-OCT, как правило, используют источник света, который непрерывно излучает широкополосный свет с конкретной спектральной шириной полосы Δλ. SS-OCT, как правило, использует источник света, который является спектрально настраиваемым (например, по отношению к длине волны λ излученного света), который моментально излучает спектрально узкополосный свет и который непрерывно настраивается по спектральной ширине полосы Δλ. Первая длина волны λ первого светового пучка может быть центральной длиной волны спектра ОКТ, т.е. спектральной ширины полосы Δλ. Устройство ОКТ может иметь продольное разрешение 10 мкм или меньше. Устройство ОКТ может иметь поперечное разрешение 100 мкм или меньше. Первый световой пучок может быть первым когерентным световым пучком. Первая длина волны λ первого светового пучка может составлять около 800 нм. Спектральная ширины полосы Δλ устройства ОКТ может составлять около 100 нм.
Устройство ОКТ может быть выполнено с возможностью интерферометрического анализа первого светового пучка, обратнорассеянного от роговицы, с помощью устройства сведения пучков для обеспечения данных ОКТ, представляющих изображение роговицы в или вблизи положения сведения x,y,z. Устройство ОКТ может быть выполнено с возможностью интерферометрического анализа первого светового пучка, обратнорассеянного от роговицы, с помощью устройства сведения пучков для обеспечения данных ОКТ, представляющих зависимую от положения оптическую плотность n(x,y,z) роговицы (например, когда n(x,y,z) не нарушается фононом), зависимую от положения массовую плотность ρ(x,y,z) роговицы и/или зависимый от положения коэффициент отражения r(x,y,z) роговицы.
Рассеяние представляет собой общий физический процесс, при котором некоторая форма радиации, например свет, вынуждена отклониться от прямой траектории посредством одной или нескольких локализированных неравномерностей в среде, через которые она проходит. Также это может включать отклонение отраженной радиации, например, от угла, вычисленного с помощью закона отражения. В свою очередь, отражение или отклонение может представлять рассеяние. В частности, любой световой пучок, который является обратнорассеянным, также может считаться отраженным и/или отклоненным и наоборот. В этом смысле, по всему описанию термин "обратнорассеянный" может быть заменен на "отраженный" и/или на "отклоненный" или на любую произвольную их комбинацию.
2
Спектрометр BS может иметь разрешение 100 мкм или меньше. Второй световой пучок может быть вторым когерентным световым пучком. Вторая длина волны λ (например, неотклоненного, неотраженного, нерассеянного) второго светового пучка может составлять около 532 нм. Ширина линии, например, FWHM спектрального распределения, второго светового пучка может быть равна или меньше 10 МГц.
B
Спектрометр BS может быть выполнен с возможностью спектроскопического анализа второго светового пучка, обратнорассеянного от роговицы, с помощью устройства сведения пучков для обеспечения данных BS, представляющих также зависимую от положения ширину линии Δf(x,y,z) рассеяния Бриллюэна, вызванного боковой полосой обратнорассеянного второго светового пучка. Эта информация представляет вязкоупругую характеристику роговицы. Таким образом, система диагностики может обеспечить идентификацию структурной части роговицы и идентификацию не только механической характеристики упругости, но и вязкоупругой характеристики этой структурной части роговицы.
x
y
z
B
x
y
z
B
x
y
z
B
x
y
z
1
j
i
Устройство направления и сведения пучков может быть выполнено с возможностью регулирования направляющей ориентации k,k,k первого светового пучка и второго светового пучка, по которой первый световой пучок и второй световой пучок сводятся на или в роговице. Спектрометр BS может быть дополнительно выполнен с возможностью спектроскопического анализа второго светового пучка, обратнорассеянного от роговицы, с помощью устройства сведения пучков для обеспечения данных BS, также представляющих зависимый от направления частотный сдвиг f(x,y,z,k,k,k) рассеяния Бриллюэна, вызванный боковой полосой. Другими словами: спектрометр BS может не только обеспечивать данные BS, представляющие частотный сдвиг f(x,y,z,k,k,k) рассеяния Бриллюэна, вызванный боковой полосой, в зависимости от положения сведения второго светового пучка, но также в зависимости от направления, вдоль которого сводится второй световой пучок. Это позволяет измерить механическую характеристику упругости роговицы относительно тензорного представления. Например, приведенное измерение частотного сдвига f(x,y,z,k,k,k) на основании положения и направления может быть использовано для вычисления тензорного модуля, такого как (M). Вследствие этого можно наблюдать анизотропную механическую характеристику упругости роговицы, что может в дальнейшем указать на начальную стадию кератоконуса или другой дегенерации роговицы, влияющей на биомеханическую стабильность роговицы человека.
x
y
z
B
x
y
z
B
x
y
z
B
x
y
z
B
x
y
z
2
j
i
Устройство направления и сведения пучков может быть выполнено с возможностью регулирования направляющей ориентации k,k,k первого светового пучка и второго светового пучка, по которой первый световой пучок и второй световой пучок сводятся на или в роговице. Спектрометр BS может дополнительно быть выполнен с возможностью спектроскопического анализа второго светового пучка, обратнорассеянного от роговицы, с помощью устройства сведения пучков для обеспечения данных BS, также представляющих зависимую от направления ширину линии Δf(x,y,z,k,k,k) рассеяния Бриллюэна, вызванного боковой полосой. Другими словами: спектрометр BS может не только обеспечить данные BS, представляющие ширину линии Δf(x,y,z,k,k,k) рассеяния Бриллюэна, вызванного боковой полосой, в зависимости от положения сведения второго светового пучка, но также в зависимости от направления, вдоль которого сводится второй световой пучок. Это позволяет измерить вязкоупругую характеристику роговицы относительно тензорного представления. Например, приведенное измерение частотного сдвига f(x,y,z,k,k,k) и ширины линии Δf(x,y,z,k,k,k) на основании положения и направления может быть использовано для вычисления тензорного модуля, такого как (M). Вследствие этого можно наблюдать анизотропную вязкоупругую характеристику роговицы, что может в дальнейшем указать на начальную стадию кератоконуса или другой дегенерации роговицы, влияющей на биомеханическую стабильность роговицы человека.
x
y
z
Система диагностики может содержать устройство контроля и анализа. Устройство контроля и анализа может быть выполнено с возможностью контроля устройства направления и сведения пучков для сканирования заранее заданного положения x,y,z сведения на или в роговице одно-, двух- или трехмерным способом и/или для сканирования направляющей ориентации k,k,k первого светового пучка и второго светового пучка на основании того, что первый световой пучок и второй световой пучок сводятся на или в роговице.
Устройство контроля и анализа может быть выполнено с возможностью вычисления пространственно-разрешенной топологической и/или морфологической структуры из данных ОКТ. Устройство контроля и анализа может быть выполнено с возможностью генерирования из данных ОКТ изображения роговицы в положении сведения x,y,z или вблизи его. Следовательно, например, можно получить информацию о топографии или морфологии роговицы. Такое получение информации может содержать данные о передней и/или задней стороне роговицы или внутренней структуре роговицы, такой как эпителий роговицы, слой Боумена (также известный как передняя пограничная мембрана), строма роговицы (также известная как собственное вещество), слой Дюа, Десцеметова оболочка (также известная как задняя пограничная мембрана) и эндотелий роговицы.
Устройство контроля и анализа может быть выполнено с возможностью генерирования из данных ОКТ в положении сведения x,y,z локальной оптической плотности n(x,y,z) роговицы (например, когда n(x,y,z) не нарушается фононом), локальной массовой плотности ρ(x,y,z) роговицы и/или локального коэффициента отражения r(x,y,z) роговицы. Например, устройство контроля и анализа может быть выполнено с возможностью идентификации посредством обработки изображения из данных ОКТ, в какой части внутренней структуры роговицы локализировано положение сведения x,y,z, и ассоциирования для этой внутренней структурной части соответствующей локальной оптической плотности n(x,y,z) роговицы, соответствующей локальной массовой плотности ρ(x,y,z) роговицы и/или соответствующего локального коэффициента отражения r(x,y,z) с использованием таблицы соответствия, заранее сохраненной в памяти устройства контроля и анализа. Следовательно, для каждой точки x,y,z в пределах топографии/морфологии роговицы можно определить соответствующие локальную оптическую плотность n(x,y,z), локальную массовую плотность ρ(x,y,z) и/или локальный коэффициент отражения r(x,y,z) роговицы. Устройство контроля и анализа может быть выполнено с возможностью вычисления пространственно- и/или направленно-разрешенной механической характеристики упругости и/или вязкоупругой характеристики роговицы из данных BS. Это обеспечивает 1D, 2D или 3D изображение ОКТ в комбинации с пространственно- и/или направленно-связанной 1D, 2D или 3D спектроскопией BS. Следовательно, для каждой точки x,y,z в пределах топографии/морфологии роговицы можно определить соответствующие локальные механическую характеристику упругости и/или вязкоупругую характеристику, таким образом связывая топографию/морфологию роговицы с реологией роговицы. Вследствие этого может быть осуществлено полное тестирование структурной целостности роговицы, тем самым определяя биомеханические характеристики (такие как жесткость) роговицы, учитывая индивидуальную структуру/форму роговицы. Например, если в морфологии исследуемой роговицы присутствует аномалия или отклонение по сравнению со здоровой или нормальной роговицей (например, локально истонченный эпителий), то можно осуществить точные измерения механического параметра упругости и/или вязкоупругого параметра для контроля любого изменения биомеханических характеристик.
Устройство контроля и анализа может быть выполнено с возможностью вычисления
и/или
,
где:
1
1
2
- M представляет собой вещественную часть комплексного продольного модуля M=M+iM роговицы,
2
1
2
- M представляет собой мнимую часть комплексного продольного модуля M=M+iM роговицы,
2
- λ представляет собой вторую длину волны второго светового пучка,
- ρ представляет собой массовую плотность роговицы,
- n представляет собой оптическую плотность роговицы,
B
- f представляет собой частотный сдвиг рассеяния Бриллюэна, вызванного боковой полосой обратнорассеянного второго светового пучка, и
B
- Δf представляет собой ширину линии рассеяния Бриллюэна, вызванного боковой полосой обратнорассеянного второго светового пучка.
1
2
константа
константа
1
2
Для вычисления M и/или M устройство контроля и анализа может быть выполнено с возможностью считывания постоянной массовой плотности ρ=ρ(x,y,z)=ρ для локальной массовой плотности ρ(x,y,z) и/или считывания постоянной локальной оптической плотности n=n(x,y,z)=n для локальной оптической плотности n(x,y,z) из памяти устройства контроля и анализа. Для вычисления M и/или M устройство контроля и анализа может быть выполнено с возможностью генерирования из данных ОКТ в положении сведения x,y,z локальной оптической плотности n(x,y,z) роговицы (например, если n(x,y,z) не нарушается фононом), локальной массовой плотности ρ(x,y,z) роговицы.
Устройство анализа может быть выполнено с возможностью пространственной корреляции данных ОКТ с данными BS так, что для каждого пространственного положения топологическая и/или морфологическая структура роговицы связана с соответствующими механической характеристикой упругости и/или вязкоупругой характеристикой роговицы. В результате, об одной и той же области роговицы известны как морфология (например, высокоразрешенное локальное искривление, изменения толщины стромы, толщина смещения эпителия Боуменовой мембраны и т.п.), так и связанные с ней пространственно- и/или направленно-разрешенные механический параметр упругости и/или вязкоупругий параметр. Таким образом, пространственно-разрешенная геометрия роговицы может быть получена вместе с пространственно- и направленно-разрешенной жесткостью роговицы.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Устройство сведения пучков может представлять собой дихроическое зеркало или дисперсионный оптический элемент, такой как оптическая дифракционная решетка или призма, или т.п. Устройство сведения пучков может иметь первый коэффициент отражения по меньшей мере в пределах диапазона первой длины волны R, охватывающего по меньшей мере первую длину волны λ первого светового пучка и спектральную ширину полосы Δλ устройства ОКТ. Минимальная величина диапазона первой длины волны R может быть равна или меньше λ–Δλ/2. Максимальная величина диапазона первой длины волны R может быть равна или больше λ+Δλ/2. Устройство сведения пучков может иметь второй коэффициент отражения по меньшей мере в пределах диапазона второй длины волны R, охватывающего вторую длину волны λ второго светового пучка и спектральную ширину полосы Δλ. Минимальная величина диапазона второй длины волны R может быть равна или меньше λ–Δλ/2. Максимальная величина диапазона второй длины волны R может быть равна или больше λ+Δλ/2.
1
2
2
Устройство сведения пучков может быть выполнено с возможностью разделения диапазона первой длины волны R и диапазона второй длины волны R. Устройство сведения пучков может быть выполнено так, что первый коэффициент отражения и второй коэффициент отражения отличаются. Например, первый коэффициент отражения устройства сведения пучков может составлять около 10% или меньше, например, 5% или меньше, а второй коэффициент отражения устройства сведения пучков может составлять около 90% или больше, например, 95% или больше, или наоборот. Вторая спектральная ширина полосы Δλ может составлять около 10, 15, 20, 25, 30, 50 или 100 ГГц.
Термин коэффициент отражения может представлять собой отражательную способность или часть отраженной падающей электромагнитной силы. Коэффициент отражения менее 50% может представлять или пониматься как коэффициент пропускания или коэффициент прохождения. В частности, величина T(λ) коэффициента пропускания или коэффициента прохождения устройства сведения пучков может быть задана как 100% минус величина R(λ) коэффициента отражения устройства сведения пучков, т.е. T(λ)=1–R(λ). Другими словами: устройство сведения пучков может быть выполнено таким образом, что поглощение света в устройстве сведения пучков невелико, ничтожно или даже равно нулю. Например, первый коэффициент отражения устройства сведения пучков около 10% или меньше, например, 5% или меньше, может представлять или пониматься как коэффициент пропускания или коэффициент прохождения устройства сведения пучков около 90% или больше, например, 95% или больше.
Отмечено слово "наоборот" в выражении "первый коэффициент отражения устройства сведения пучков может составлять около 10% или меньше, например, 5% или меньше, а второй коэффициент отражения устройства сведения пучков может составлять около 90% или больше, например, 95% или больше, или наоборот". Это значит, что устройство сведения пучков может быть выполнено с возможностью объединения первого светового пучка и второго светового пучка посредством пропускания первого светового пучка и отражения второго светового пучка. В качестве альтернативы, устройство сведения пучков может быть выполнено с возможностью объединения первого светового пучка и второго светового пучка посредством отражения первого светового пучка и пропускания второго светового пучка. Эти альтернативные варианты обеспечивают переразмещение или взаимную замену устройства ОКТ и спектрометра BS.
Способ диагностики включает следующие этапы:
1
- излучения светового пучка для оптической когерентной томографии (сокращенно ОКТ) с первой длиной волны λ из устройства ОКТ,
2
1
- излучения второго светового пучка со второй длиной волны λ, отличной от первой длины волны λ, из спектрометра рассеяния Бриллюэна (сокращенно BS),
- объединения первого светового пучка и второго светового пучка, при помощи устройства сведения пучков таким образом, что первый световой пучок и второй световой пучок распространяются вдоль одной и той же оптической траектории относительно роговицы,
- сведения первого светового пучка и второго светового пучка вместе в заранее заданном положении x,y,z на или в роговице, при помощи устройства направления и сведения пучков,
- интерферометрического анализа первого светового пучка, обратнорассеянного от роговицы, при помощи устройства сведения пучков, посредством ОКТ устройства для обеспечения данных ОКТ, представляющих зависимую от положения структурную характеристику роговицы, и
B
- спектроскопического анализа второго светового пучка, обратнорассеянного от роговицы, при помощи устройства сведения пучков, посредством спектрометра BS для обеспечения данных BS, представляющих зависимый от положения частотный сдвиг f(x,y,z) рассеяния Бриллюэна, вызванного боковой полосой обратнорассеянного второго светового пучка.
В той степени, в которой способ диагностики или отдельные этапы способа диагностики описан(ы) в настоящем описании, способ диагностики или отдельные этапы способа диагностики могут быть осуществлены с помощью выполненной подходящим образом системы диагностики и/или отдельного устройства системы диагностики. Аналогичные примечания применимы к разъяснению эксплуатационного режима системы диагностики и/или отдельных устройств системы диагностики, которые выполняют этапы способа диагностики. В этой степени особенности устройства и особенности способа по настоящему описанию являются эквивалентными.
Дополнительные особенности, преимущества и технические эффекты изобретения станут очевидными из следующего описания иллюстративных вариантов реализации со ссылкой на прилагаемые графические материалы, в которых:
на фиг. 1 схематически проиллюстрирована система диагностики,
на фиг. 2 схематически проиллюстрированы коэффициент прохождения и коэффициент отражения устройства сведения пучков системы диагностики по фиг. 1 (не показана в масштабе), и
на фиг. 3 схематически проиллюстрирован способ диагностики, выполняемый системой диагностики по фиг. 1.
1
1
1
1
На фиг. 1 проиллюстрирована система 10 диагностики, которая содержит устройство 12 для оптической когерентной томографии (сокращенно ОКТ), выполненное с возможностью излучения первого когерентного светового пучка 14 с первой длиной волны λ около 800 нм. В качестве примера, устройство 12 ОКТ основано на ОКТ в пространстве Фурье (сокращенно FD-OCT) и содержит источник света, который излучает первый световой пучок 14 в качестве широкополосного света конкретной спектральной ширины полосы Δλ, т.е. полной ширины при максимальной половине (сокращенно FWHM) спектрального распределения первого светового пучка 14 около 100 нм. Первая длина волны λ первого светового пучка 14 является центральной длиной волны спектра ОКТ, т.е. спектральной ширины полосы Δλ. Спектральное распределение первого светового пучка 14 схематически проиллюстрировано пунктирными линиями на фиг. 2. Устройство ОКТ имеет для примера продольное разрешение менее 10 мкм.
2
2
Система 10 диагностики дополнительно содержит спектрометр 16 рассеяния Бриллюэна (сокращенно BS), выполненный с возможностью излучения второго когерентного светового пучка 18 со второй длиной волны λ около 532 нм. FWHM спектрального распределения (нерассеянного) второго светового пучка 18 составляет менее 10 МГц. Спектральное распределение (нерассеянного) первого светового пучка 18 схематически проиллюстрировано пиком пунктирными линиями при λ на фиг. 2.
Устройство 20 сведения пучков системы 10 диагностики выполнено с возможностью объединения первого светового пучка 14 и второго светового пучка 18 таким образом, что первый световой пучок 14 и второй световой пучок 18 распространяются вдоль одной и той же оптической траектории 22 относительно роговицы 24 глаза 26.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1
2
В качестве примера, устройство 20 сведения пучков выполнено в качестве дихроического зеркала. Как проиллюстрировано на фиг. 2, устройство 20 сведения пучков имеет коэффициент прохождения T(λ) около 90% или меньше, например, около 95% или больше по меньшей мере в пределах диапазона первой длины волны R, охватывающего по меньшей мере первую длину волны λ первого светового пучка 14 и спектральную ширину полосы Δλ устройства 12 ОКТ. Минимальная величина диапазона первой длины волны R меньше λ–Δλ/2, а максимальная величина диапазона первой длины волны R больше λ+Δλ/2. Устройство 20 сведения пучков имеет коэффициент отражения R(λ) около 90% или больше, например, 95% или больше по меньшей мере в пределах диапазона второй длины волны R, охватывающего вторую длину волны λ второго светового пучка 18 и спектральную ширину полосы Δλ. Применяется: T(λ)=1-R(λ). Вторая спектральная ширина полосы Δλ соответствует около 30 ГГц. Минимальная величина диапазона второй длины волны R меньше λ–Δλ/2, а максимальная величина диапазона второй длины волны R больше λ+Δλ/2. Устройство 20 сведения пучков выполнено с возможностью того, что диапазон первой длины волны R и диапазон второй длины волны R не пересекаются.
x
y
z
Система 10 диагностики дополнительно содержит устройство 28 направления и сведения пучков, размещенное на оптической траектории 22 между устройством 20 сведения пучков и роговицей 24. Устройство 28 направления и сведения пучков выполнено с возможностью сведения первого светового пучка 14 и второго светового пучка 18 вместе в заранее заданном положении x,y,z на или в роговице 24. В этом смысле устройство 28 направления и сведения пучков выполнено с возможностью регулирования пространственного положения x,y,z, в котором первый световой пучок 14 и второй световой пучок 18 сведены в или на роговице 24. Кроме того, устройство 28 направления и сведения пучков выполнено с возможностью регулирования направляющей ориентации k,k,k первого светового пучка 14 и второго светового пучка 18, вдоль которой первый световой пучок 14 и второй световой пучок 18 сводятся на или в роговице 24 в пространственном положении x,y,z, (сравните фиг. 1 и 3).
Например, устройство 28 направления и сведения пучков содержит сканирующий блок 30 с по меньшей мере одной парой зеркал гальванометра (не показаны), способных вращаться вокруг двух перпендикулярно ориентированных осей вращения. Сканирующий блок 30 выполнен с возможностью сканирования положения сведения x,y,z двухмерным способом вдоль пространственных направлений x и y (сравните систему координат на фиг. 1 и 3). Устройство 28 направления и сведения пучков дополнительно содержит объектив 32 для сведения первого светового пучка 14 и второго светового пучка 18 на или в роговице 24 и для сбора света, который был отклонен/отражен/рассеян вдоль и от роговицы 24. Объектив 32 выполнен таким образом, что поперечное разрешение устройства 12 ОКТ и разрешение спектрометра 16 BS меньше 100 мкм, например, 50 мкм. Длина сведения объектива 32 может изменяться вдоль пространственного направления z для сканирования положения сведения x,y,z одномерным способом вдоль пространственного направления z (сравните снова систему координат на фиг. 1 и 3).
Вдоль роговицы 24 и от нее первый и второй световые пучки 14, 18 частично отклонены/отражены/рассеяны в и вдоль противоположного направления первого и второго световых пучков 14, 18, сведенных в заранее заданном положении x,y,z на/в роговице 24 ранее (сравните стрелки вдоль 14, 18, 22 на фиг. 1). Обратнорассеянные первый и второй световые пучки 14, 18 повторно проходят через устройство 28 направления и сведения пучков по направлению к устройству 20 сведения пучков. Устройство 20 сведения пучков разделяет первый и второй световые пучки 14, 18, обратнорассеянные от роговицы 24, так, что первый обратнорассеянный световой пучок 14 попадает в устройство 12 ОКТ, а второй обратнорассеянный световой пучок 18 попадает в спектрометр 16 BS. В этом смысле устройство 20 сведения пучков также является устройством разделения пучков.
Устройство 12 ОКТ выполнено с возможностью интерферометрического анализа первого светового пучка 14, обратнорассеянного от роговицы 24, с помощью устройства 20 сведения пучков для обеспечения данных ОКТ, представляющих зависимую от положения структурную характеристику роговицы 24. Например, устройство 12 ОКТ выполнено с возможностью обеспечения данных ОКТ, представляющих изображение роговицы 24 в или вблизи положения сведения x,y,z и обеспечения данных ОКТ, представляющих зависимую от положения оптическую плотность n(x,y,z) роговицы 24, а также зависимую от положения массовую плотность ρ(x,y,z) роговицы 24.
B
B
2
B
B
B
B
B
B
B
B
B
2
2
Спектрометр 16 BS выполнен с возможностью спектроскопического анализа второго светового пучка 18, обратнорассеянного от роговицы 24 с помощью устройства 20 сведения пучков, для обеспечения данных BS, представляющих зависимый от положения и направления частотный сдвиг f(x,y,z), а также зависимую от положения и направления ширину линии Δf(x,y,z) рассеяния Бриллюэна, вызванного боковой полосой обратнорассеянного второго светового пучка 18. Спектральное распределение рассеянного второго светового пучка 18 Бриллюэна схематически проиллюстрировано пиком пунктирными линиями при λ и двумя боковыми полосами/пиками пунктирными линиями на фиг. 2. Частотный сдвиг f соответствует сдвигу длины волны λ посредством |f|≈c·n·|λ|/λ, и частотная ширина линии Δf соответствует ширине линии длины волны Δλ посредством |Δf|≈c·n·|Δλ|/λ для |λ|«λ.
x
y
z
Система 10 диагностики также содержит устройство 34 контроля и анализа. Устройство 34 контроля и анализа соединено с устройством 12 ОКТ и спектрометром 16 BS посредством соответствующих соединительных линий 36 и 38 для контроля устройства 12 ОКТ и спектрометра 16 BS и приема данных ОКТ и данных BS. Устройство 34 контроля и анализа также соединено с устройством 28 направления и сведения пучков посредством соединительной линии 40 для контроля устройства 28 направления и сведения пучков так, что устройство 28 направления и сведения пучков сканирует заранее заданное положение x,y,z сведения на или в роговице 24 заранее заданным трехмерным способом, а также сканирует направляющую ориентацию k,k,k, вдоль которой сводятся первый световой пучок 14 и второй световой пучок 18 на или в роговице 24 в x,y,z заранее заданным способом.
Например, как первый, так и второй пучок 14, 18 проиллюстрированы как пунктирные стрелки на фиг. 3. В первом состоянии устройства 28 направления и сведения пучков первый и второй пучки 14, 18 попадают в первое положение сведения x1,y1,z1 вдоль первого направления kx1,ky1,kz1 и рассеиваются обратно от него в противоположном направлении kx1,ky1,kz1. Во втором состоянии устройства 28 направления и сведения пучков первый и второй пучки 14, 18 попадают в первое положение сведения x1,y1,z1 вдоль второго направления kx2,ky2,kz2 и рассеиваются обратно от него в противоположном направлении kx2,ky2,kz2. В третьем состоянии устройства 28 направления и сведения пучков первый и второй пучки 14, 18 попадают в первое положение сведения x1,y1,z1 вдоль третьего направления kx3,ky3,kz3 и рассеиваются обратно от него в противоположном направлении kx3,ky3,kz3. В четвертом состоянии устройства 28 направления и сведения пучков первый и второй пучки 14, 18 попадают во второе положение сведения x2,y2,z2 вдоль первого направления kx1,ky1,kz1 и рассеиваются обратно от него в противоположном направлении kx1,ky1,kz1. Первое направление kx1,ky1,kz1 может соответствовать направлению x, второе направление kx2,ky2,kz2 может соответствовать направлению y, а третье направление kx3,ky3,kz3 может соответствовать направлению z системы координат, как проиллюстрировано на фиг. 1 и 3.
Устройство 34 контроля и анализа выполнено с возможностью вычисления пространственно-разрешенной топологической и морфологической структуры из данных ОКТ. Например, устройство 34 контроля и анализа выполнено с возможностью генерирования из данных ОКТ изображения роговицы 24 в положении сведения x,y,z или вблизи его. Дополнительно, устройство 34 контроля и анализа выполнено с возможностью генерирования из данных ОКТ в положении сведения x,y,z локальной оптической плотности n(x,y,z) (если n(x,y,z) не нарушается фононом) и локальной массовой плотности ρ(x,y,z) роговицы 24. Например, устройство 34 контроля и анализа идентифицирует посредством обработки изображения из данных ОКТ, в какой части внутренней структуры роговицы 24 локализировано положение сведения x,y,z, и ассоциирует для этой внутренней структурной части соответствующую локальную оптическую плотность n(x,y,z), а также соответствующую локальную массовую плотность ρ(x,y,z) роговицы 24 с использованием таблицы соответствия, сохраненной в памяти (не показано) устройства 34 контроля и анализа. Следовательно, для каждой точки x,y,z в пределах топографии/морфологии роговицы определяют соответствующие локальную оптическую плотность n(x,y,z) и локальную массовую плотность ρ(x,y,z) роговицы 24.
Устройство 34 контроля и анализа также выполнено с возможностью вычисления пространственно- и направленно-разрешенной механической характеристики упругости и вязкоупругой характеристики роговицы 24 из данных BS. Например, устройство 34 контроля и анализа вычисляет
и
,
где:
1
1
2
- M представляет собой вещественную часть комплексного продольного модуля M=M+iM роговицы 24,
2
1
2
- M представляет собой мнимую часть комплексного продольного модуля M=M+iM роговицы 24,
2
- λ представляет собой вторую длину волны второго светового пучка 18,
- ρ=ρ(x,y,z) представляет собой локальную массовую плотность роговицы 24, полученную из данных ОКТ,
- n=n(x,y,z) представляет собой локальную оптическую плотность роговицы 24, также полученную из данных ОКТ,
B
- f представляет собой частотный сдвиг рассеяния Бриллюэна, вызванного боковой полосой обратнорассеянного второго светового пучка 18, полученный из данных BS, и
B
- Δf представляет собой ширину линии рассеяния Бриллюэна, вызванного боковой полосой обратнорассеянного второго светового пучка 18, полученную из данных BS.
Устройство 34 контроля и анализа дополнительно выполнено с возможностью пространственной корреляции данных ОКТ с данными BS так, что для каждого пространственного положения x,y,z топологическая и морфологическая структуры роговицы 24 связаны с соответствующими механической характеристикой упругости и вязкоупругой характеристикой роговицы 24.
В результате, об одной и той же области роговицы 24 известны как морфология (например, высокоразрешенное локальное искривление, изменения толщины стромы, толщина смещения эпителия Боуменовой мембраны и т.п.), так и связанные с ней пространственно- и направленно-разрешенные механический параметр упругости и вязкоупругий параметр. Таким образом, пространственно-разрешенная геометрия роговицы 24 может быть получена вместе с пространственно- и направленно-разрешенной жесткостью роговицы 24.
Если точно не указано иное, идентичные ссылочные позиции на фигурах относятся к идентичным или похожим элементам. Также возможна произвольная комбинация характеристик и/или модификаций, объясненных на фигурах по отношению к отдельным вариантам реализации изобретения.