本發(fā)明涉及眼科測(cè)量，特別是涉及一種眼前節(jié)oct圖像角膜地形參數(shù)測(cè)量方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、圓錐角膜(keratoconus，kc)是一種致盲性眼病，具有顯著的危害性。隨著圓錐角膜病情的發(fā)展，角膜逐漸變薄并向前突出，形成不規(guī)則的圓錐形態(tài)，導(dǎo)致視力模糊、畸變和多重影像，對(duì)患者的生活質(zhì)量和視覺(jué)功能造成了嚴(yán)重影響。患者常常出現(xiàn)光敏感、夜間視力差及視力疲勞等癥狀，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致角膜破裂和急性失明。

2、角膜的彈性和剛度在維持角膜形態(tài)穩(wěn)定的過(guò)程中起著重要作用，研究發(fā)現(xiàn)，圓錐角膜患者的角膜中，基質(zhì)金屬蛋白酶(mmps)的活性顯著增加，這些酶能夠降解角膜基質(zhì)中的膠原纖維和蛋白聚糖，導(dǎo)致角膜組織的結(jié)構(gòu)松弛和強(qiáng)度降低；角膜基質(zhì)中的細(xì)胞外基質(zhì)成分，包括膠原纖維和蛋白聚糖，在圓錐角膜患者中出現(xiàn)異常重組。這種異常重組導(dǎo)致角膜組織的強(qiáng)度和彈性下降，使角膜更容易發(fā)生形變；角膜基質(zhì)細(xì)胞(角膜成纖維細(xì)胞)在圓錐角膜患者中表現(xiàn)出凋亡增加和功能障礙。這些細(xì)胞功能的喪失進(jìn)一步削弱了角膜基質(zhì)的結(jié)構(gòu)完整性和生物力學(xué)性能。由于角膜彈性和剛度的降低，圓錐角膜患者的角膜在眼內(nèi)壓作用下逐漸前凸形成圓錐狀，導(dǎo)致視力顯著下降?；颊叱３１憩F(xiàn)為視力模糊、光敏感、夜間視力差和視力疲勞等癥狀。

3、根據(jù)疾病的嚴(yán)重程度和進(jìn)展速度，圓錐角膜可以分為早期、中期和晚期階段。早期圓錐角膜表現(xiàn)為輕度視力模糊和近視增加；中期階段角膜形態(tài)明顯改變，視力顯著下降；晚期階段則視力嚴(yán)重受損，可能需要進(jìn)行角膜移植手術(shù)。圓錐角膜的發(fā)病機(jī)制尚不完全明確，通常認(rèn)為遺傳因素和環(huán)境因素共同作用。

4、kc的病程長(zhǎng)，發(fā)病隱匿，在發(fā)病的初期不易察覺(jué)，當(dāng)視力明顯下降時(shí)，通常表明病情已經(jīng)進(jìn)入中期或晚期階段。在這些階段，角膜的變薄和變形變得顯著，導(dǎo)致嚴(yán)重的視力模糊、畸變和其他視力問(wèn)題。若能在kc的早期進(jìn)診斷并及時(shí)進(jìn)行手術(shù)醫(yī)療干預(yù)，可以有效預(yù)防病情的發(fā)展。kc發(fā)病的主要特征為角膜中央或中央偏下部位逐漸變薄，形成圓錐形狀，近視和不規(guī)則散光逐漸加重，臨床中對(duì)于角膜厚度(pachymetry)和角膜屈光度(keratometric)的評(píng)價(jià)對(duì)于kc的早期評(píng)估與診斷至關(guān)重要。

5、目前評(píng)估圓錐角膜的金標(biāo)準(zhǔn)主要是角膜地形圖檢查。角膜地形圖根據(jù)其成像原理分為角膜反射型地形圖、角膜前表面掃描型地形圖和角膜后表面掃描型地形圖。角膜反射型地形圖通過(guò)同心圓環(huán)反射圖案測(cè)量角膜前表面曲率，如pentacam和orbscan設(shè)備。角膜前表面掃描型地形圖利用scheimpflug相機(jī)多角度掃描角膜前表面和后表面，提供詳細(xì)的三維圖像，如pentacam和galilei設(shè)備。角膜后表面掃描型地形圖采用光學(xué)相干斷層掃描(oct)技術(shù)，獲取角膜前后表面的精確圖像，常用設(shè)備包括visante?oct和rtvue?oct。臨床上常用的評(píng)估分類(lèi)方法有amsler-krumeich分類(lèi)法和belin/ambrosio增強(qiáng)顯示系統(tǒng)(bad)，它們根據(jù)角膜厚度、曲率等參數(shù)進(jìn)行分級(jí)。盡管角膜地形圖檢查是圓錐角膜評(píng)估的金標(biāo)準(zhǔn)，但其結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴(lài)于設(shè)備精度和操作人員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，不同設(shè)備和操作人員之間可能存在差異，需結(jié)合多種方法和臨床經(jīng)驗(yàn)綜合分析以獲得準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。

6、placido環(huán)法是一種常用于眼科的角膜地形圖檢查技術(shù)。其成像原理是通過(guò)placido環(huán)向角膜表面投射同心圓環(huán)狀圖案，角膜反射這些圖案，反射圖案被攝像頭捕捉并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再根據(jù)特定算法將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為角膜前表面的三維圖像。不同于其他低頻技術(shù)，placido環(huán)法利用光學(xué)反射原理，具有高分辨率和高精度。pentacam設(shè)備采用這種技術(shù)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)的scheimpflug相機(jī)獲取多角度的角膜圖像，不僅能提供角膜前表面的詳細(xì)曲率圖，還能測(cè)量角膜厚度和前房深度。該方法為非接觸式成像，無(wú)需直接接觸眼球，受檢者在坐位即可完成檢查。由于其操作便捷和成像質(zhì)量高，placido環(huán)法被廣泛應(yīng)用于圓錐角膜的診斷和術(shù)前評(píng)估。然而，placido環(huán)法無(wú)法提供精確的角膜后表面地形圖，對(duì)于角膜后表面的細(xì)微變化無(wú)法準(zhǔn)確捕捉，成像結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴(lài)于設(shè)備的校準(zhǔn)和操作人員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，操作不當(dāng)或設(shè)備故障可能會(huì)影響測(cè)量的精度和重復(fù)性。因此，進(jìn)行placido環(huán)法檢查時(shí)，檢查者需要具備一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和操作經(jīng)驗(yàn)，以確保檢查結(jié)果的可靠性。

7、oct角膜地形圖通過(guò)處理沿入射光相同路徑返回的漫反射光，并根據(jù)其光信號(hào)強(qiáng)度以及傳輸時(shí)間進(jìn)行可視化處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)活體角膜組織的非接觸式、非侵入性的斷層成像，輔助角膜疾病的診斷。相比于傳統(tǒng)的placido環(huán)法，oct角膜地形圖能夠?qū)悄で昂蟊砻孢M(jìn)行更為清晰和準(zhǔn)確的定量分析。oct角膜地形圖不僅可以提供角膜前表面的曲率圖，還能獲得角膜厚度和后表面的詳細(xì)圖像。使用oct角膜地形圖可以對(duì)角膜厚度(central?cornealthickness,cct)，角膜前表面和后表面的曲率，以及角膜形態(tài)進(jìn)行定量測(cè)量，能夠?qū)悄は嚓P(guān)疾病進(jìn)行更全面和客觀的評(píng)估。

8、oct角膜地形圖實(shí)現(xiàn)了快速的非接觸式成像，不會(huì)給受檢者造成不適，同時(shí)檢查者的操作難度也更低。此外，oct角膜地形圖提供的三維斷層圖像和精確的定量數(shù)據(jù)，使其在診斷和術(shù)前評(píng)估中具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，由于oct角膜地形圖的參數(shù)種類(lèi)繁多，僅通過(guò)手工測(cè)量無(wú)法保證檢測(cè)的效率，且受操作者的臨床經(jīng)驗(yàn)等主觀因素影響較大。

9、早期圓錐角膜的診斷依據(jù)需要涉及的眼前節(jié)參數(shù)和角膜形態(tài)參數(shù)種類(lèi)繁多，手工測(cè)量不僅檢測(cè)效率低，而且評(píng)估結(jié)果還會(huì)受到操作者的臨床經(jīng)驗(yàn)等主觀因素的影響，加之早期的圓錐角膜對(duì)角膜形態(tài)的改變用肉眼幾乎無(wú)法觀察得到。

10、需要說(shuō)明的是，在上述背景技術(shù)部分公開(kāi)的信息僅用于對(duì)本技術(shù)的背景的理解，因此可以包括不構(gòu)成對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于克服上述背景技術(shù)的缺陷，提供一種眼前節(jié)oct圖像角膜地形參數(shù)測(cè)量方法和裝置。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種眼前節(jié)oct圖像角膜地形參數(shù)測(cè)量方法，包括以下步驟：

4、s1.對(duì)采集的眼前節(jié)的oct圖像進(jìn)行預(yù)處理；

5、s2.利用深度學(xué)習(xí)算法，檢測(cè)oct圖像中的鞏膜突特征點(diǎn)，確定角膜中軸線(xiàn)，為圖像配準(zhǔn)提供基準(zhǔn)；

6、s3.使用訓(xùn)練好的語(yǔ)義分割模型，對(duì)oct圖像進(jìn)行處理，分割角膜和虹膜，生成二值圖像；

7、s4.在分割后的圖像基礎(chǔ)上，提取角膜輪廓；

8、s5.結(jié)合鞏膜突特征點(diǎn)和角膜輪廓，確定角膜邊界；

9、s6.對(duì)角膜表面進(jìn)行擬合，建立角膜形態(tài)的數(shù)學(xué)模型；其中，采用所述鞏膜突特征點(diǎn)確定的角膜中軸線(xiàn)作為擬合過(guò)程中的對(duì)稱(chēng)性基準(zhǔn)，使用角膜輪廓數(shù)據(jù)作為擬合模型的角膜邊界，對(duì)角膜表面進(jìn)行整體擬合；

10、s7.根據(jù)擬合得到的角膜形態(tài)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算角膜地形參數(shù)；

11、s8.整合計(jì)算得到的角膜地形參數(shù)，生成可視化的角膜地形圖和參數(shù)報(bào)告。

12、進(jìn)一步地，步驟s2中，所述檢測(cè)oct圖像中的鞏膜突特征點(diǎn)具體包括如下子步驟：

13、s21.采用基于直接回歸法的算法，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)cv技術(shù)定位房角區(qū)域，裁剪出包含鞏膜突關(guān)鍵點(diǎn)的矩形區(qū)域；

14、s22.對(duì)裁剪得到的區(qū)域應(yīng)用深度學(xué)習(xí)resnet50模型進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)，輸出預(yù)測(cè)的鞏膜突關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)位置；resnet50模型使用鞏膜突關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)集訓(xùn)練，模型的損失函數(shù)選用均方誤差mse損失函數(shù)。

15、進(jìn)一步地，步驟s2中，通過(guò)鞏膜突關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)，對(duì)于房角兩側(cè)識(shí)別出的關(guān)鍵點(diǎn)，將其直線(xiàn)連接并將圖像旋轉(zhuǎn)至直線(xiàn)水平，然后沿y軸平移圖像直至角膜頂點(diǎn)達(dá)到預(yù)設(shè)統(tǒng)一高度，批量處理一組oct圖像后完成配準(zhǔn)。

16、進(jìn)一步地，步驟s3中，使用經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的u2net作為語(yǔ)義分割模型，對(duì)預(yù)處理后的oct圖像進(jìn)行語(yǔ)義分割，分離角膜和虹膜等眼前節(jié)的不同組織，生成二值圖像；其中，采用bceloss作為訓(xùn)練損失函數(shù)；

17、步驟s4中，在二值圖像基礎(chǔ)上，應(yīng)用邊緣檢測(cè)算子提取角膜和虹膜的精確輪廓；對(duì)提取的輪廓進(jìn)行優(yōu)化處理，去除噪聲和不連續(xù)邊緣，實(shí)現(xiàn)輪廓的平滑和精確化。

18、進(jìn)一步地，步驟s6具體包括：

19、在步驟s3和s4的基礎(chǔ)上，對(duì)角膜圖像進(jìn)行進(jìn)一步的語(yǔ)義分割，以抓取角膜切面形態(tài)并記錄圖像位置；

20、在步驟s4提取的角膜輪廓基礎(chǔ)上，利用邊緣檢測(cè)函數(shù)對(duì)角膜閉合邊界點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行記錄；

21、利用步驟s5中確定的角膜邊界和步驟s4中優(yōu)化的角膜輪廓，通過(guò)二維-三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，將角膜邊緣的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為角膜整體的三維坐標(biāo)，構(gòu)建更為精確的角膜三維邊界點(diǎn)云模型；

22、對(duì)得到的角膜三維點(diǎn)云模型進(jìn)行zernike多項(xiàng)式擬合，以得到角膜上下表面的邊緣方程，為后續(xù)的地形分析提供平滑的曲面數(shù)據(jù)。

23、進(jìn)一步地，步驟s7中，計(jì)算角膜地形的關(guān)鍵參數(shù)具體包括如下的一種或多種參數(shù)：

24、計(jì)算角膜平均曲率，通過(guò)對(duì)角膜表面高度數(shù)據(jù)在x和y方向上的梯度計(jì)算，獲取曲率場(chǎng)，并取平均值得到平均曲率；

25、計(jì)算角膜主曲率和主曲率方向，通過(guò)曲率場(chǎng)的二階導(dǎo)數(shù)分析得到角膜表面的最大和最小曲率及其方向；

26、測(cè)量角膜中央厚度，通過(guò)分析角膜表面高度數(shù)據(jù)在中央?yún)^(qū)域的數(shù)值來(lái)獲取中央厚度；

27、計(jì)算角膜散光度，通過(guò)計(jì)算曲率場(chǎng)的倒數(shù)得到散光度，反映角膜表面的彎曲程度；

28、計(jì)算角膜異態(tài)指數(shù)，通過(guò)前表面曲率和后表面曲率的比值來(lái)評(píng)估角膜的整體形態(tài)和變異性。

29、進(jìn)一步地，步驟s8中，根據(jù)提取的角膜分布信息，使用特定的colorbar映射方法，將這些信息轉(zhuǎn)化為可視化的角膜地形圖，以便直觀展示角膜地形的高低起伏和屈光狀態(tài)。

30、一種用于執(zhí)行所述方法的眼前節(jié)oct圖像角膜地形參數(shù)測(cè)量裝置，包括：

31、圖像預(yù)處理單元，用于對(duì)采集的眼前節(jié)的oct圖像進(jìn)行預(yù)處理；

32、深度學(xué)習(xí)處理單元，用于運(yùn)行深度學(xué)習(xí)算法以檢測(cè)oct圖像中的鞏膜突特征點(diǎn)，并確定角膜中軸線(xiàn)；

33、語(yǔ)義分割單元，用于使用訓(xùn)練好的語(yǔ)義分割模型對(duì)oct圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)角膜和虹膜的分割，并生成二值圖像；

34、輪廓提取單元，用于在分割后的圖像基礎(chǔ)上提取角膜輪廓；

35、角膜邊界確定單元，用于結(jié)合鞏膜突特征點(diǎn)和優(yōu)化后的角膜輪廓確定角膜邊界，提供三維重建和參數(shù)計(jì)算的空間定位；

36、角膜形態(tài)建模單元，用于對(duì)角膜表面進(jìn)行擬合，建立角膜形態(tài)的數(shù)學(xué)模型；

37、參數(shù)計(jì)算單元，用于根據(jù)擬合得到的角膜形態(tài)數(shù)學(xué)模型計(jì)算角膜地形參數(shù)；

38、結(jié)果整合與可視化單元，用于整合計(jì)算得到的角膜地形參數(shù)，生成可視化的角膜地形圖和參數(shù)報(bào)告。

39、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序由處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的眼前節(jié)oct圖像角膜地形參數(shù)測(cè)量方法。

40、一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序由處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的眼前節(jié)oct圖像角膜地形參數(shù)測(cè)量方法。

41、本發(fā)明具有如下有益效果：

42、本發(fā)明提出了一種用于測(cè)量眼前節(jié)oct圖像中的角膜地形參數(shù)的自動(dòng)化方法和裝置，實(shí)現(xiàn)了角膜地形的高效和精確分析。本發(fā)明利用深度學(xué)習(xí)算法識(shí)別oct圖像中的鞏膜突特征點(diǎn)，并據(jù)此確定角膜中軸線(xiàn)，為圖像配準(zhǔn)提供基準(zhǔn)。進(jìn)一步地，利用經(jīng)過(guò)良好訓(xùn)練的語(yǔ)義分割模型對(duì)角膜和虹膜進(jìn)行分割，產(chǎn)生清晰的二值圖像。在這一基礎(chǔ)上，通過(guò)提取和優(yōu)化角膜輪廓，確立了角膜邊界，為三維重建和參數(shù)計(jì)算提供了準(zhǔn)確的空間定位。本發(fā)明將鞏膜突特征點(diǎn)與精確的角膜輪廓數(shù)據(jù)相結(jié)合，以確定角膜邊界，并通過(guò)擬合角膜表面建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)角膜表面進(jìn)行精細(xì)擬合，生成了平滑的曲面數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算和整合角膜的關(guān)鍵地形分布信息參數(shù)，生成可視化的角膜地形圖和詳盡的參數(shù)報(bào)告，為臨床診斷和手術(shù)規(guī)劃提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

43、本發(fā)明通過(guò)構(gòu)建的自動(dòng)測(cè)量算法，確保了角膜地形參數(shù)測(cè)量的客觀性、高效性、準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，從而輔助醫(yī)生能夠更快速、更準(zhǔn)確地診斷角膜疾病。這一方法的實(shí)現(xiàn)，大幅提高了檢測(cè)速度和系統(tǒng)響應(yīng)效率，確保了實(shí)時(shí)、高效的圖像處理與參數(shù)檢測(cè)，具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。

44、本發(fā)明實(shí)施例中的其他有益效果將在下文中進(jìn)一步述及。