技术领域
[0001] 本
发明属于眼科检查技术领域，涉及一种借助外部照明，通过光学镜头和CCD/CMOS成像的眼表检查装置及方法，特别是一种应用于自助医疗的干眼症检查装置及方法。
背景技术
[0002] 人眼
角膜外表面有三层精细的结构，从外到内依次为：脂质层、
水样层和蛋白层，它们共同作用使眼表保持湿润。由于环境的污染和移动
电子设备的普及，干眼症的发病率逐年升高。其症状主要表现为眼部异物感、干涩感、畏光、视物易模糊等。研究表明，世界范围内干眼发病率大约在5.5％-33.7％不等，其中女性高于男性，老年人高于青年人，亚洲人高于其他人种。根据我国现有的流行病学研究显示，干眼在我国的发病率与亚洲其他国家类似，较美国及欧洲高，其发生率约在21％-30％。因此，临床中对干眼症的诊断需求量十分巨大。
[0003] 另一方面，传统的干眼症的诊断方法均为侵入式检查，检测时间长且需要医师根据经验进行主观判断，缺乏特异性的评价指标。
[0004]
专利US5822036实现了一种非
接触的眼表综合分析装置。该发明采用Placido盘作为照明系统，通过相机拍摄人眼眼表图像并加以分析实现了对干眼症的诊断。该发明很好的解决了传统干眼诊断必须侵入的问题，大幅降低了侵入式检查可能带来的
风险。但该发明需要医生具备较高的操作水平，同时还需要患者长时间配合，舒适性差，患者无法独立完成检查。
[0005] 通过对公开专利文献的检索，并未发现与本专利
申请相同的公开专利文献。
发明内容
[0006] 本发明的目的是为了克服
现有技术的不足，提供一种适用于自助医疗的干眼症检查装置。本发明可以让患者独立完成干眼症多项指标的检测，包括泪河高度、脂质层状态、眼球红化程度等。
[0007] 本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
[0008] 一种应用于自助医疗的干眼症检查装置，其特征在于：由照明单元、成像单元以及工作站系统构成，在被测人眼的正前方设置有成像单元，在被测人眼与成像单元之间转动设置有照明单元，在所述照明单元与成像单元的底部共同设置有工作站系统的升降平台，所述的照明单元及成像单元均与工作站系统的计算机控制连接。
[0009] 而且，所述的照明单元为一平面扩展
光源，可以提供高
亮度、高均匀性的白光照明。
[0010] 而且，所述的平面扩展光源为一矩形发光平面或梯形发光平面。
[0011] 而且，所述的照明单元为圆弧面扩展光源，该圆弧面扩展光源的弧面弯向测试者。
[0012] 而且，所述平面扩展光源或圆弧面扩展光源，可以是灯箱、显示器、
背光板等电子器件。
[0013] 而且，所述平面扩展光源或圆弧面扩展光源相对于人眼的
位置可前后调节，相对于水平面的角度可0～90°可调节。
[0014] 而且，所述的成像单元主要由成像镜头、成像相机以及对焦机构构成，所述的对焦机构主要由成像相机轨道、由对焦
电机丝杠驱动的托板构成，该托板滑动安装在成像相机轨道上，所述的成像镜头以及成像相机前后依次设置在该托板上，所述的成像镜头为一大
光圈定焦光学镜头，光圈大于F2.4，焦距范围为8mm～35mm，镜头的成像
分辨率高于60lp/mm；所述成像相机为CCD/CMOS彩色图像
传感器，
像素分辨率高于300万，成像
帧率高于20帧/秒；所述对焦电机驱动成像镜头和成像相机整体前后移动，使人眼眼表图像合焦。
[0015] 而且，所述的工作站系统主要由升降平台、安装架、计算机、显示器及监控摄像头构成，所述的升降平台与计算机控制连接，在所述的升降平台上安装有安装架，在安装架上从前至后依次设置有额托架、照明单元以及成像单元，在成像单元的成像镜头前端设置有与计算机电连接的显示器，在显示器的外框上对应成像镜头的位置设置有过孔，在显示器上设置有与计算机连接的监控摄像头；所述的计算机用于控制照明单元和成像单元，还用于对由成像单元获得的眼表图像进行分析和计算；所述显示器在检查前用于显示监控摄像头的图像，为使用者显示其人眼的实际位置，方便使用者将眼睛和标准位置对准；在检查时显示固视图案，用于稳定人眼；在检查后用于显示检查结果；所述升降平台用于将照明单元和成像单元整体的高度进行调节，以适应不同身高患者所导致的眼睛高度的差别，高度调节范围不小于50cm。
[0016] 而且，所述的安装架由底架以及在底架上从前至后依次设置的前部架体、中部架体及后部架体构成，在所述的前部架体上安装有额托架，所述的中部架体通过滑道滑动安装在底架上，在中部架体的上端安装有安装座，在安装座上铰装有照明单元，在所述的后部架体上安装有成像相机轨道及由对焦电机驱动的丝杠。
[0017] 一种应用于自助医疗的干眼症检查方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0018] (1)装置启动后，监控摄像头开始工作，对站立在装置前方的患者头部进行成像；
[0019] (2)图像传回计算机后，通过识别
算法，计算出患者眼睛的高度位置；
[0020] (3)计算机根据计算出的结果反馈给升降平台进行高度调节，以使照明单元和成像单元处于与患者眼睛相同的高度上，方便之后的检查；
[0021] (4)在升降平台完成高度调节后，照明单元中的光源会被点亮，对患者眼睛表面进行均匀的照明，同时成像单元对患者眼表进行实时的摄像；
[0022] (5)将成像单元沿Z轴前后移动进行对焦，对焦完成后，成像单元会自动开启录像，记录患者眼表图像，根据该眼表图像进行相应的指标分析。
[0023] 而且，所述分析的指标包括泪膜厚度、泪河高度、不完全眨眼比例以及眼红化程度。
[0024] 本发明的优点和有益效果为：
[0025] 本应用于自助医疗的干眼症检查装置，可以对人眼眼表进行高分辨率的摄像，通过采集的图像对人眼的泪河高度、脂质层状态、眼球红化程度等指标进行分析，从而对干眼症进行诊断。本装置方便操作，患者可独立操作完成检查，具有非接触、操作简单，客观准确、无需医生操作等特点，特别适合在医院外对干眼症的诊断，如在社区、眼镜店、学校、办公楼进行普查。
附图说明
[0026] 图1是本发明装置的结构示意图(省略
外壳)；
[0027] 图2为本发明装置的立体图(省略外壳)；
[0028] 图3是本发明的工作原理图；
[0030] 图5是本发明的
图像分析功能中的脂质层厚度算法流程
框图，其中(a)为3层干涉原理图、(b)为相机RGB计算的流程图、(c)为模型
调色板的示意图、(d)为脂质层厚度匹配的流程图；
[0031] 图6是本发明的图像分析功能中的眨眼
频率测量算法流程框图；
[0032] 图7是本发明的图像分析功能中的眼睛红化程度算法流程框图；
[0033] 图8是本发明的图像分析功能中的泪河高度算法流程框图。
[0034] 附图标记说明
[0035] 1-前部架体、2-额托架、3-照明单元、4-显示器、5-对焦电机、6-轨道、7-成像镜头、8-成像相机、9-后部架体、10-底架、11-安装座、12-中部架体、13-升降平台。
具体实施方式
[0036] 下面通过具体
实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0037] 本实施例的装置是以非接触方式检查患者眼睛的干眼症程度。在下面的描述中，将装置相对于患者眼睛前后移动的方向设定为Z轴，将与Z轴垂直且与地面平行的方向设定为X轴，将与Z轴垂直且与地面也垂直的方向设定为Y轴。
[0038] 一种应用于自助医疗的干眼症检查装置，其创新之处在于：由外壳(图中省略)、照明单元3、成像单元以及工作站系统构成，所述的照明单元、成像单元罩装在外壳内，在被测人眼的正前方设置有成像单元，在被测人眼与成像单元之间转动设置有照明单元，在所述照明单元与成像单元的底部共同设置有工作站系统的升降平台13，所述的照明单元及成像单元均与工作站系统的计算机控制连接。
[0039] 所述的成像单元主要由成像镜头7、成像相机8以及对焦机构构成，所述的对焦机构主要由成像相机轨道6、由对焦电机5丝杠驱动的托板构成，该托板滑动安装在成像相机轨道上，所述的成像镜头以及成像相机前后依次设置在该托板上，所述的成像镜头为一大光圈定焦光学镜头，光圈大于F2.4，焦距范围为8mm～35mm，镜头的成像分辨率高于60lp/mm；所述成像相机为CCD/CMOS彩色图像传感器，像素分辨率高于300万，成像帧率高于20帧/秒；所述对焦电机驱动成像镜头和成像相机整体前后移动，使人眼眼表图像合焦。
[0040] 所述的工作站系统主要由升降平台、安装架、计算机、显示器4及监控摄像头构成，所述的升降平台与计算机控制连接，在所述的升降平台上安装有安装架，在安装架上从前至后依次设置有额托架2、照明单元以及成像单元，在成像单元的成像镜头前端设置有与计算机电连接的显示器，在显示器的外框上对应成像镜头的位置设置有过孔，在显示器上设置有与计算机连接的监控摄像头；所述的计算机用于控制照明单元和成像单元，还用于对由成像单元获得的眼表图像进行分析和计算；所述显示器在检查前用于显示监控摄像头的图像，为使用者显示其人眼的实际位置，方便使用者将眼睛和标准位置对准；在检查时显示固视图案，用于稳定人眼；在检查后用于显示检查结果；所述升降平台用于将照明单元和成像单元整体的高度进行调节，以适应不同身高患者所导致的眼睛高度的差别，高度调节范围不小于50cm。
[0041] 所述的安装架由底架10以及在底架上从前至后依次设置的前部架体1、中部架体12及后部架体9构成，在所述的前部架体上安装有额托架，所述的中部架体通过滑道滑动安装在底架上，在中部架体的上端安装有安装座11，在安装座上铰装有照明单元，在所述的后部架体上安装有成像相机轨道及由对焦电机驱动的丝杠。
[0042] 图1、图2为本实施例涉及的应用于自助医疗的干眼症检查装置的内部结构示意图(省略外壳)。测试者站立于装置前，额头轻触额托架。光源为长方形平面扩展光源，通过调整照明单元在安装座上的角度以及中部架体在底架上的前后位置，来调节光源的照射角度(与水平面夹角0～90°范围可调)和前后距离。成像单元通过固定在
导轨上，通过对焦电机可以调节Z
轴距离，以达到自动对焦的目的。整个测量装置固定在升降平台上，以使不同身高测试者均可保持站立姿势测量。升降平台
覆盖身高范围为140～190cm。
[0043] 本实施例中，计算机
硬件参数为：处理器Intel(R)Core(TM)i5-7260U CPU@2.20GHz 2.21GHz，内存8GB。自制串口通信控制板给照明单元和升降平台供电，通过串口通信接收计算机指令。控制板可以控制照明
开关、亮度和升降平台高度。成像单元采用CMOS成像相机+自制镜头。CMOS型号为Sony IMX178，1/1.8英寸，3088(H)×2064(V)。自制镜头焦距
25mm，光圈F1.4-22。成像相机通过USB3.0连接计算机，将采集的双眼图像数据传输到计算机，供后续计算。监控摄像头通过USB3.0连接计算机，垂直方向视场可以覆盖50cm范围，利用
人脸识别技术找到人眼位置，并以此来调整升降台，使装置高度符合测试者身高。
[0044] 一种应用于自助医疗的干眼症检查方法，其创新之处在于：包括如下步骤：
[0045] (1)装置启动后，监控摄像头开始工作，对站立在装置前方的患者头部进行成像；
[0046] (2)图像传回计算机后，通过识别算法，计算出患者眼睛的高度位置；
[0047] (3)计算机根据计算出的结果反馈给升降平台进行高度调节，以使照明单元和成像单元处于与患者眼睛相同的高度上，方便之后的检查；
[0048] (4)在升降平台完成高度调节后，照明单元中的光源会被点亮，对患者眼睛表面进行均匀的照明，同时成像单元对患者眼表进行实时的摄像；
[0049] (5)由于患者眼睛不一定会刚好落在成像模
块的焦平面上，因此，需要将成像单元沿Z轴前后移动进行对焦，完成对焦后，成像模块会自动开启录像，记录患者眼表图像，记录时间一般不超过20秒，然后再根据该眼表图像进行相应的指标分析，包括：泪膜厚度、泪河高度、不完全眨眼比例和眼红化程度。
[0050] 1.泪膜厚度
[0051] 泪膜主要由三层不同物质组成，由外到内为：脂质层、水样层和粘蛋白层。脂质层厚度一般小于250nm，水样层厚度一般小于5um。当光源漫射光照射到泪膜上时，在泪膜表面产生干涉相长或相消。不同厚度(主要时脂质层和水样层)泪膜结构产生不同的干涉结果，从而使成像相机捕捉到不同的
颜色(RGB)。本发明通过泪膜干涉模型，根据光源、成像相机、设备结构等参数建立模型。求解不同脂质层和水样层厚度在成像相机上产生的颜色。对实际拍摄的图像，根据像素颜色找到模型中最接近的颜色，从而得到泪膜厚度。
[0052] 如图5(a)所示，入射光经空气-脂质层、脂质层-水层、水层-粘蛋白层三个界面反射，并在上表面产生干涉。三层反射干涉强度计算公式：
[0053]
[0054] 其中：I为干涉强度，I1、I2、I3分别为三个界面的反射强度，根据菲涅尔公式(公式2)计算， 分别为三个反射光的
相位，对应光程为R1-A、R1-R2-B、R1-R2-R3-C，根据斯涅尔定律(公式3)计算。
[0055]
[0056] rs、rp为s和p极化光反射系数，i、r为入射角和反射角，R为总体反射率。
[0057] n1sin(θ1)＝n2sin(θ2) 公式3
[0058] 图5(b)是根据特定脂质层和水样层厚度，计算成像相机RGB值的流程。根据光源
光谱强度分布计算经泪膜干涉调制后的光谱强度分布，再与CCD的响应曲线相结合，得到对应的RGB值。
[0059] 模型可以设置脂质层厚度从25nm到220nm，水层厚度从0.25um到5um。通过计算不同脂质层和水样层厚度对应的RGB值，得到一张二维厚度-RGB调色板，如图5(c)所示。
[0060] 图5(d)展示了脂质层厚度测量流程。
[0061]
定位虹膜区域。用Opencv人眼检测粗略检测人眼位置，虹膜区域亮度较其他区域明显偏低，可以通过二值化找到虹膜区域。由于眼睑遮挡，一般虹膜区域为不完整圆形。虹膜区域可以通过找到包围虹膜区域的最小圆或虹膜边缘数据圆拟合等方法精确定位。
[0062] 提取光源照射区域。在虹膜区域进行二值化，即可提取到光源照射区域。
[0063] 颜色匹配。在光源照射区域一般呈彩色条纹状，不同颜色对应不同厚度。根据图像颜色逐像素分析泪膜厚度。计算像素颜色与调色板模型颜色欧式距离，距离最小的调色板颜色对应的泪膜厚度即为实际测量的泪膜厚度。颜色空间采用HSV(Hue,Saturation,Value)模型，该模型中颜色的参数分别是：
色调(H)，
饱和度(S)，亮度(V)。在HSV颜色空间，同一颜色范围V变化范围远大于H、S分量，因此计算欧式距离时可忽略V分量。对调色板图像和测量图像用Opencv中的颜色转换函数cvtColor从RGB转为HSV，然后按公式4计算欧式距离。对颜色距离设置一个
阈值，如果距离小于阈值，计算该点脂质层厚度，否则放弃该点。
[0064] 对所有有效厚度进行统计分析，计算最大厚度、平均厚度、平均匹配距离、最大匹配距离和匹配点个数。其中匹配距离和匹配点个数可以作为测量可靠性的评价标准。匹配距离越大或匹配点数越少，测量可靠性越差。
[0065]
[0066] Hpix、Spix为待测图像某一像素H、S分量，Hcolormap、Scolormap为调色板某一特定LLT与ALT对应的H、S分量。
[0067] 2.不完全眨眼比例
[0068] 眼睛状态分为完全睁眼、部分眨眼和完全眨眼三种。其中，部分眨眼(PartialBlinkPB)是指眨眼时上下眼睑并未完全接触。由于接触不完全，导致泪液更替受限，从而增加干眼和视疲劳。
[0069] 眨眼时虹膜受上眼睑遮挡，图像灰度发生变化。可以通过灰度均值判断眨眼状况。不同的人虹膜大小、眼白大小以及正常睁眼时眼睑遮挡程度不同，所以采用绝对测量比较困难，适应性较差。
[0070] 采用相对法检测眨眼状态。从视频第一帧开始检测，如果当前帧双眼虹膜半径大小、水平位置等参数一致性好，则可认为当前帧为完全睁眼。以该帧虹膜区域灰度均值为标准。也可以采用多帧数据进行筛选，保证标定准确性。
[0071] 对每一帧虹膜区域灰度均值与标定值比较。差值小于阈值时，判断为完全睁眼，差值大于阈值时判定为眨眼。
[0072] 接近完全眨眼时，观察不到虹膜区域，可以通过检测是否有眼白判断为部分眨眼或完全眨眼。
[0073] 不完全眨眼比例：
[0074]
[0075] PBRate为不完全眨眼比例，PBlink为部分眨眼次数，Blink为总眨眼次数。
[0076] 3.眼睛红化程度
[0077] 眼球结膜发红是临床上眼科
疾病的常见症状，如结膜炎，眼部干燥症，
青光眼，巩膜炎和角膜炎，可导致结膜和巩膜血管充血，导致眼睛发红。
[0078] 眼睛红化程度测量流程见图7。根据虹膜位置可以得到初步的眼白区域估计。根据眼白区域的灰度特征，可以去除眼睛周围的睫毛、眼睑等部分从而得到准确的眼白区域。在此区域S内，分别统计红、绿、蓝通道的强度SR、SG、SB。
[0079] 根据公式6计算出眼红数据：
[0080]
[0081] 将计算的结果fs与
数据库中的眼红分级数据比对，即可得到测量的眼红等级。
[0082] 4.泪河高度
[0083] 泪河高度测量算法流程见图8。
[0084] 泪河区域处于虹膜下边缘，根据厚度测量时提取的虹膜位置定位泪河区域。泪河下边缘与下眼睑相邻，边界明显。利用灰度图像的Canny检测算法提取泪河下边缘。
[0085] 上边缘一般以眼白为背景，与背景差别较小。在图像列方向上边缘处于亮度局部最小值，因此可以通过寻找亮度波谷位置定位上边缘。以下边缘为起点，在一定范围内向上搜索该波谷位置。
[0086] 泪河不均匀或异物等引起的误识别可以通过滤波剔除。
[0087] 泪河高度数据可以用平均值也可以统计次数最多的高度值，计算区域可以用虹膜下方局部也可以用整个泪河区域。泪河高度方差可以指示泪河均匀性。
[0088] 尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附
权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和
修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
