OcuTOP：一款新型便携式角膜地形测量设备，具备矫正角膜偏移的功能

《Contact Lens and Anterior Eye》：OcuTOP: a novel handheld corneal topography device with misalignment correction

　　

摘要

目的

本研究旨在开发并验证OcuTOP，这是一种新型的手持式角膜地形测量设备，旨在克服传统台式系统的局限性。通过结合基于软件的错位校正技术，OcuTOP能够在无需笨重机械对准机制的情况下提供精确的角膜曲率测量结果。验证过程中使用了具有已知几何形状的参考表面来评估设备的准确性和稳健性。

方法

OcuTOP设备（重量75克；尺寸85×60×60毫米）通过一个已知曲率为43.3度的参考按钮进行了评估。在纵向（Z方向：42.5–43.5毫米）、横向（X方向：±2毫米）和垂直（Y方向：±2毫米）方向引入了可控的错位情况，共生成了243个测试案例。设备获取的图像通过神经网络算法进行分析以估计错位参数，这些参数随后被用来校正轴向和切向曲率图，并估算按钮直径，类似于白到白的角膜直径。

结果

在所有错位条件下，OcuTOP的测量结果与参考曲率值高度一致（在Z = 42.5毫米时K1和K2的P值为0.365、0.385；在Z = 43.0毫米时为0.606、0.907；在Z = 43.5毫米时为0.297、0.462）。即使在最大偏移量（X和Y方向均为±2毫米）的情况下，中央曲率的预测值也与真实值相差不超过2%，且在表面顶点的平均散光伪影也限制在<0.2屈光度以内。然而，随着向边缘方向的移动，曲率值估计的误差逐渐增加。神经网络对Z距离的估计平均误差为0.06±0.05毫米，这对设备估计曲率的能力没有显著影响。WTW（白到白）的测量结果也是一致的，平均值为11.66毫米，与参考直径的差异小于1.5%。

结论

OcuTOP基于软件的校正技术能够可靠地补偿平移和纵向错位，为未来研究提供了有希望的结果，使得无需机械稳定装置即可实现准确的角膜表面测量。

引言

角膜是一种透明的、圆顶形的组织，作为眼睛的主要折射元件，贡献了大约三分之二的总屈光能力[1]、[2]。其光滑且非球面的完整性对于保持高质量视力至关重要。这种脆弱结构的病理改变，如圆锥角膜等疾病，会导致逐渐变薄、不规则散光以及严重的视力损害[3]、[4]。准确检测和管理这些状况在很大程度上依赖于精确的角膜成像技术。

角膜地形测量是用于绘制角膜前表面曲率和形状的最早方法之一。其原理是将一种称为Placido盘的同心环图案投影到角膜上。通过分析这些环的反射，仪器可以创建详细的、彩色编码的地图，从而表征角膜的独特几何结构，这种可视化能力远远超越了标准角膜计的功能[5]、[6]。这项技术的临床应用非常广泛。它对于识别不规则散光[7]、[8]以及检测圆锥角膜等扩张性疾病（即使在亚临床阶段）[9]、[10]是不可或缺的。在屈光手术中，地形测量术用于术前筛查和计划，以及术后评估结果、评估消融定位和管理并发症[11]、[12]、[13]。此外，它在评估诸如放射状角膜切开术[14]、[15]等手术的长期效果、规划白内障手术中的散光矫正切口[16]、[17]以及指导隐形眼镜适配（特别是在角膜不规则的情况下）[18]、[19]、[20]方面也起着关键作用。它对于角膜塑形术也至关重要，有助于通过评估治疗引起的角膜重塑和镜头定位来辅助镜片适配和随访[21]。

这种详细的地形评估对于圆锥角膜的早期诊断尤为重要，因为及时发现可以采取诸如角膜胶原交联（CXL）等干预措施，在角膜出现显著且不可逆的变形之前阻止病情进展[22]、[23]、[24]。尽管角膜地形测量技术的重要性已得到认可，但由于传统仪器成本高昂且设计笨重（基于台式结构）[25]、[26]、[27]，在许多资源匮乏的环境中仍然难以获得。这种获取障碍常常导致诊断延误，患者往往在疾病进展到晚期时才寻求治疗，此时治疗选择的效果较差[28]、[29]。

为了解决这一需求，开发了OcuTOP这种新型、价格合理、轻便且可手持的角膜地形测量设备。传统系统依赖于硬件密集型的解决方案，如机械头部和下巴支撑装置，以尽量减少患者的错位——这是测量误差的一个主要来源[30]、[31]、[32]。相比之下，OcuTOP采用创新的基于软件的算法来计算并校正设备与角膜之间的错位，从而降低了硬件复杂性、成本，并提高了便携性，同时不牺牲诊断能力。这些特点使得OcuTOP能够显示常见的屈光参数以及与泪膜破裂时间和泪膜宽度相关的测量结果。

在本研究中，使用具有已知角膜地形信息的参考对象在受控实验室条件下评估了OcuTOP的性能。在三个维度上引入了可控的平移错位，并将设备的测量结果与已知值进行了比较。这项工作的目的在于验证OcuTOP基于软件的错位校正方法的准确性和稳健性，证明其作为一种可行且经济高效的解决方案，有助于扩大基本角膜成像的普及范围。同时还进行了关于设备地形测量重复性的研究，并将其与Pentacam等金标准设备进行对比，结果将在后续出版物中呈现。

章节片段

设备描述

OcuTOP是一款设计用于手持操作的紧凑型角膜地形测量设备，同时也兼容裂隙灯支架以增加稳定性。该设备长度为85毫米，宽度和高度均为60毫米，重量为75克。在手持使用时，仪器靠近患者面部且接触面积最小；通过在使用不同患者之间用消毒 wipes 清洁接触区域来控制交叉感染。

与依赖同心环的Placido盘地形测量仪不同，OcuTOP...

结果

结果展示首先关注了两个案例：一个没有错位，另一个则有最大程度的错位（X方向错位2.0毫米（表示为X_shift），Y方向错位2.0毫米（表示为Y_shift）。如图3所示，视觉检查显示两个案例的结果非常相似，这证明了为此设备开发的错位校正方法的有效性。结果还显示了中央曲率的相似性...

讨论

本研究旨在利用具有已知几何形状的参考表面，在受控实验室条件下评估一款新型角膜地形测量设备在检测和校正错位方面的性能。这项研究的动机是来自文献中指出的错位是一个复杂且关键的问题，它会影响测量精度和临床诊断。Belin和Kachikian描述的一种主要错位形式是设备...

资金来源

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门任何特定机构的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

Vimal Manoharan Nair|Yabo Ye|Yuanwan Lou|Ahmed Makarem|Ahmed Elsheikh

OCUWELL Limited, Liverpool L3 5TF, 英国