用于眼病的生物力学诊断的光学仪器

摘要

一种用于进行眼病的生物力学诊断的方法和系统可以包括用于生成布里渊样本束的布里渊光源以及用于生成SHG样本束的二次谐波发生(SHG)光源。所述布里渊样本束和所述SHG样本束可以以与焦点位置共焦的方式重合地被引导到生物组织样本。可以检测所述布里渊样本束产生的布里渊散射以确定所述样本的弹性力学特性和粘弹特性。可以检测所述SHG样本束产生的SHG散射以确定关于所述样本的形态结构的指示。所述样本可以是体内人角膜。

说明书

背景技术

技术领域

本披露涉及光谱仪器和方法，并且更具体地涉及用于眼病的生物力学诊断的光学仪器。

相关技术说明

已经开发了各种诊断和临床仪器用于对生物组织进行体内成像，并且尤其用于使人眼中的结构进行成像。具体地，光学仪器用于测量人眼不同部分的几何和光学特征。通过这类分析提供的几何和学光特征能够实现对患者单个眼睛的各种程度的生物力学或生理学建模，致力于诊断眼科健康状况并制定合适的治疗计划。

圆锥角膜是人眼的退行性疾病，其特征在于中央或旁中央角膜的曲率非炎性变薄和变陡，导致了表征所述疾病的圆锥形角膜。随着圆锥角膜的发展，角膜的结构变化引起患者视力的显著受损。由圆锥角膜引起的角膜结构变化可能进一步使某些激光视力矫正手术复杂化，如激光辅助原位角膜磨镶术(LASIK)手术或准分子激光角膜切削术(PRK)手术，因为手术后角膜膨隆(或变薄)的风险可能增大。

由圆锥角膜引起的视觉受损可以使用特定地适配的眼镜或角膜巩膜接触镜片矫正到一定程度。然而，当圆锥角膜发展到发病的晚期阶段时，这类措施可能不会有效。针对晚期圆锥角膜，进行角膜交联治疗，这样可能会停止或至少减缓发病，尽管目前未能预测视觉完全康复。

除了圆锥角膜之外，其他类型的角膜变性也可能会影响人角膜的生物力学稳定性。例如，也被称为圆锥角膜的透明边缘角膜变性(PMD)是一种退行性非炎性角膜病症，其典型特征是在角膜的下部和外周区域有明显的双侧膨隆。具体地，患有PMD的患者可能在具有完好中心上皮的角膜中心处展现出正常厚度，而在下部角膜中展现出变薄的外周带。与角膜缘紧密相邻的角膜部分可能被PMD所消耗，并且通常包括约几毫米的条带。作为PMD的进一步结果，角膜的前弹力层可能不存在、不规则或可能具有破裂区域。

已经使用布里渊散射(BS)进行眼组织(如角膜和眼睛晶状体)的粘弹特性的光学检查，其依据采样材料内的位置依赖性质量密度变化，来通过声子-光子相互作用对入射相干光进行散射。通过对来自眼组织的布里渊散射光束进行光谱分析，可以确定眼组织的某些生物力学特性，如所分析的眼组织的粘弹特性。使用布里渊散射确定眼组织的粘弹特性关于使用紫外(UV)光对角膜进行圆锥角膜交联治疗是特别有效的，以便探测和记录交联治疗对角膜的相关生物力学特性(如硬度和刚度)的实际的定性影响。

另外，可以使用多光子显微镜检查来检查角膜的细小生物结构以生成眼组织的某些图像。在多光子成像过程中，角膜中的不同结构通过多光子吸收被激励并可以进行自发荧光。可替代地，某些非各向同性结构(如角膜中的胶原原纤维)可以用于通过非线性相互作用进行样本束的波长的二次谐波发生(SHG)或三次谐波发生(THG)。以这种方式，SHG或THG信号可以指示角膜中各种结构的位置和分布。

具体地，SHG信号已经与角膜中的原纤维的位置和分布相关联。角膜原纤维的排列和取向以及它们的位置和密度可能与角膜在使用SHG信号所分析的区域中的光学和机械特性相关联。所述光学特性可以包括透明度和散射，而所述机械特性可以包括弹性力学特性，如强度。已知在眼病的晚期阶段(如圆锥角膜和角膜营养不良)，在角膜的粗糙结构中可检测到受影响的眼组织的光学和机械特性的变化。因此，使用SHG信号的分析可能是用于检查角膜细微结构的合适方法，并且能够实现对眼病的发病的早期检测。此外，在某些使用飞秒(fs)激光器的LASIK手术过程中，在体内由角膜原纤维生成SHG信号，并且可以深入了解LASIK切口的方向性和位置。

发明内容

一方面，所披露的一种用于进行眼病的生物力学诊断的方法包括：生成共享光起点的第一样本束和第二样本束、并且将所述第一样本束和所述第二样本束以与在生物组织样本处的焦点位置共焦的方式传播到所述生物组织样本。所述方法包括检测第一信号束，所述第一信号束包括所述第一样本束从所述焦点位置反向散射的第一光子。使用布里渊散射检测器来检测所述第一信号束。所述方法还包括检测第二信号束，所述第二信号束包括所述第二样本束从所述焦点位置反向散射的第二光子。使用二次谐波发生(SHG)检测器来检测所述第二信号束。

在任何一个披露的实施例中，所述方法可以进一步包括：从所述第一信号束确定所述生物组织样本在所述焦点位置处的弹性力学特性，从所述第一信号束确定所述生物组织样本在所述焦点位置处的粘弹特性，并且从所述第二信号束确定所述生物组织样本在所述焦点位置处的形态结构的指示。

在所述方法的任何一个披露的实施例中，将所述第一样本束和所述第二样本束以所述共焦方式传播到所述样本可以包括沿着共同的光路传播所述第一样本束和所述第二样本束。

在所述方法的任何一个披露的实施例中，可以使用窄带连续波激光器生成所述第一样本束，可以使用飞秒光纤激光器生成所述第二样本束，所述布里渊散射检测器可以包括光谱仪，并且所述SHG检测器可以包括对所述第二信号束敏感的光电阴极。

在所述方法的任何一个披露的实施例中，所述第一信号束可以包括来自所述焦点位置的瑞利散射光子和布里渊散射光子，而所述第二信号束可以包括处于所述第二样本束的波长的半波长的光子。在所述方法的任何一个披露的实施例中，所述生物组织样本可以是包括人眼的一部分的体内生物组织。

在所述方法的任何一个披露的实施例中，将所述第一样本束和所述第二样本束以共焦方式传播到所述样本可以包括沿着与所述第一样本束和所述第二样本束平行的第一轴线改变所述焦点位置在所述生物组织样本内的轴向位置。在所述方法的任何一个披露的实施例中，将所述第一样本束和所述第二样本束以所述共焦方式传播到所述样本可以包括沿着与所述第一轴线垂直的第二轴线和第三轴线中的至少一者改变所述焦点位置在所述生物组织样本内的横向位置。在所述方法的任何一个披露的实施例中，将所述第一样本束和所述第二样本束以所述共焦方式传播到所述样本可以包括扫描所述生物组织样本以使用所述第二信号束生成图像数据。在所述方法中，所述第一样本束和所述第二样本束可以被引导到所述生物组织样本处的多个不同的共同位置。在所述方法中，所述扫描可以包括改变所述焦点位置的轴向位置和所述焦点位置的横向位置中的至少一者。

在另一个披露的方面，一种用于进行眼病的生物力学诊断的光学仪器包括：第一光源，所述第一光源用于生成第一样本束；以及第二光源，所述第二光源用于生成第二样本束。所述光学仪器进一步包括第一部分反射镜，所述第一部分反射镜用于使所述第一样本束和所述第二样本束重叠以生成组合样本束。所述光学仪器还包括布里渊散射检测器，所述布里渊散射检测器包括光谱仪，所述光谱仪用于接收第一信号束，所述第一信号束包括所述第一样本束从生物组织样本处的焦点位置反向散射的第一光子。所述光学仪器更进一步包括二次谐波发生(SHG)检测器，所述检测器包括对第二信号束敏感的光电阴极，所述第二信号束包括所述第二样本束从所述焦点位置反向散射的第二光子。

在任何一个披露的实施例中，所述光学仪器可以进一步包括第二部分反射镜，所述第二部分反射镜用于将所述组合样本束以共焦方式传播到所述焦点位置并且将包括所述第一信号束和所述第二信号束的组合信号束从所述焦点位置以共焦方式传播。

在任何一个披露的实施例中，所述光学仪器可以进一步包括聚焦元件，所述聚焦元件用于沿着与所述组合样本束平行的第一轴线以共焦方式改变所述焦点位置在所述生物组织样本处的轴向位置。在任何一个披露的实施例中，所述光学仪器可以进一步包括扫描元件，所述扫描元件用于沿着与所述第一轴线垂直的第二轴线和第三轴线中的至少一者以共焦方式改变所述焦点位置在所述生物组织样本处的横向位置。在所述光学仪器中，所述聚焦元件和所述扫描元件中的至少一者可以用于扫描所述生物组织样本以使用所述第二信号束生成图像数据。在所述光学仪器中，所述第一样本束和所述第二样本束两者可以被引导到所述生物组织样本处的多个不同的共同位置。在所述光学仪器中，所述所述聚焦元件和扫描元件中的至少一者可以用于改变所述焦点位置的轴向位置和所述焦点位置的横向位置中的至少一者。

在所述光学仪器的任何一个披露的实施例中，所述第一光源可以包括窄带连续波激光器，所述第二光源可以包括飞秒光纤激光器，所述布里渊散射检测器可以包括光谱仪，并且所述SHG检测器可以包括对所述第二信号束敏感的光电阴极。

在所述光学仪器的任何一个披露的实施例中，所述第一信号束可以包括来自所述焦点位置的瑞利散射光子和布里渊散射光子，而所述第二信号束可以包括处于所述第二样本束的波长的半波长的光子。在所述光学仪器中，所述生物组织样本可以是包括人眼的一部分的体内生物组织。

在所述光学仪器的任何一个披露的实施例中，所述布里渊散射检测器可以从所述第一信号束确定所述生物组织在所述焦点位置处的弹性力学特性，并且从所述第一信号束确定所述生物组织在所述焦点位置处的粘弹特性。在所述光学仪器的任何一个披露的实施例中，所述SHG检测器可以用于从所述第二信号束确定所述生物组织样本在所述焦点位置处的形态结构的指示。

附图说明

为了更加完整地理解本发明及其特征和优点，现在参考结合附图进行的以下说明，在附图中：

图1是用于眼病的生物力学诊断的光学仪器的实施例的选定元件的框图；

图2是用于眼病的生物力学诊断的方法的选定要素的流程图；

图3是用于眼病的生物力学诊断的方法的选定要素的流程图；并且

图4是用于眼病的生物力学诊断的信号处理系统的实施例的选定元件的框图。

具体实施方式

在以下说明中，通过举例的方式对细节进行阐述以便于讨论所披露主题。然而，对本领域普通技术人员应该明显的是，所披露的实施例是示例性的并且不是所有可能的实施例的穷举。

如在此所使用的，连字符形式的参考数字是指元件的具体实例，而无连字符形式的参考数字是指集体元件。因此，例如，装置‘12-1’是指装置类别的实例，所述装置类别可以集体性地被称为装置‘12’，并且所述装置类别中的任一者可以概括地称为装置‘12’。

针对引起影响人角膜的生物力学稳定性的角膜变性的眼病(如圆锥角膜)的早期检测，可能希望使用适合于可靠诊断各种眼病开始发病的光学检查方法对角膜进行物理分析。所希望的光学检查方法能够实现在角膜出现临床上表现出的肉眼可见结构变化之前检测角膜变性。

通常，用于眼组织的光学检查的不同方法，如布里渊散射和多光子成像，是以相对于眼组织中的结构在空间上不相关的方式单独进行的。所述单独的光学检查方法可能是在许多诊断应用和临床应用中更好地理解和表征眼组织的物理特性的约束因素。

因此，不同的且在空间上不相关的光学检查方法可以限制许多诊断和临床应用中眼组织中结构的分析和表征。在下面的描述中，披露了一种用于生物力学眼病的光学系统，所述光学系统可以获得布里渊散射信号和来自眼组织(包括人角膜)的SHG信号在空间上精确的关联。

角膜或角膜的单独结构部分可以表征为线性弹性的、均匀的或各向同性的材料。角膜的生物结构包括角膜上皮、前弹力层(又称为前界膜)、角膜基质(又称为固有质)、杜亚层(Dua’s Layer)、后弹力层(又称为后限膜)以及角膜内皮。对于角膜眼病的病因和发病机理，角膜的生物力学性质的变化可能被认为与检测眼病高度相关。

材料(如人角膜)的生物力学特性可以由弹性力学特性或粘弹特性或其组合来表示，并且可能与材料的刚度有关。可以使用不同的模量来表征生物力学特性。

应力可以被定义为由变形引起的材料恢复力除以恢复力施加面积。应变可以被定义为由应力引起的材料的机械尺寸变化与材料的原始状态的比率。

纵向模量M(又称为P波模量或约束模量)用于描述各向同性均质材料。纵向模量M被定义为在所有其他非轴向应变为零的单轴应变状态(又称为零横向应变的状态)下轴向应力与轴向应变的比率。

杨氏模量E(又简称为弹性模量)用于描述拉伸弹性。材料的拉伸弹性是在沿轴线施加相反力时的轴向变形响应。杨氏模量E被定义为拉伸应力与拉伸应变的比率。

Lamé第一参数λ_Lamé(希腊语：lambda-Lamé)也用于描述拉伸弹性。

剪切模量G(又称为刚性模量μ、希腊语mu或Lamé第二参数)用于描述施加相反力时恒定体积的材料的剪切变形响应。剪切模量G被定义为剪切应力与剪切应变之比，并且可以用于推导出材料的粘度。

体积弹性模量K用于描述材料对如气体压力的各向同性力的体积弹性或各向同性变形响应。体积弹性模量K被定义为相对于体积应力与体积应变之比或者定义为可压缩性κ(希腊语：kappa)的倒数。体积弹性模量K是杨氏模量E至三维的扩展。

泊松比ν(希腊语：nu，又称为泊松数)用于描述当沿着第一轴线被压缩时在与第一轴线垂直的第二轴线和第三轴线上膨胀的材料的变形响应。泊松比ν被定义为横向应变与轴向应变的负比率或定义为膨胀分数除以压缩分数。

对于均质各向同性线性弹性材料，使用某些方程来描述上述各种模量之间的关系。例如，体积弹性模量K、杨氏模量E和剪切模量G与泊松比ν相关，如方程1中给出的。

而且，体积弹性模量K、剪切模量G和纵向模量M是相关的，如方程2中给出的。

如前所述，可以采用布里渊散射来测量眼组织的生物力学特性。在布里渊散射中，声波(又称为声子)可以指示材料内的位置依赖性质量密度变化。由于质量密度变化导致的局部压缩，材料的光密度(又称为折射率)可能会发生局部变化。光密度n的局部变化可能导致空间性周期性光密度变化，其表现为入射到材料上的相干光的衍射元件。当相干光通过从材料偏转或反射而与这样的衍射元件相互作用时，发生布里渊散射。由于声子以给定速度在材料内行进，所以从声子偏转或反射的光发生频率(或波长)多普勒频移。换言之，由于非弹性散射过程，布里渊散射光子将具有与入射光子不同的能量。光子能量的变化可以表示为方程3中给出的频率f(或波长λ)的变化。

在方程3中，c是真空中的光速，n是未受干扰的材料的光密度。布里渊散射引起相对于入射光子的频率f(或波长λ)可以是正的或负的频移f_B(或波长位移λ_B)。因此，非弹性布里渊散射光子将具有由f±f_B给出的可能频率(或由λ±λ_B给出的可能波长)。布里渊散射光的光谱将包括弹性偏转或反射光，在频率f(或波长λ)处形成瑞利峰(Rayleigh>B(或λ-λ_B)处观察到斯托克斯峰。当所述侧峰是由具有比入射光子更低能量的散射光子引起时，可以在f-f_B(或λ+λ_B)处观察到反斯托克斯峰。

通常，布里渊散射光子将会改变传播方向，使得布里渊散射光的频移f_B取决于入射光子与布里渊散射光子之间的散射角θ，如方程4中给出的。

在方程4中，n是未受干扰材料的光密度，V是声子在材料中的速度，λ是真空中入射光子的波长，而θ是散射角。根据定义，当θ为零时，入射光子的传播方向与布里渊散射光子的传播方向呈反向平行，使得入射光子垂直于所述材料的表面。在方程4中，正(+)结果对应于反斯托克斯布里渊峰，而负结果(-)对应于斯托克斯布里渊峰。针对波长|λ_B|＜＜λ，方程5描述了f_B与λ_B之间的关系。

因为频移f_B取决于散射角θ，所以每个散射角θ与特定频移f_B相关联。通过在方程3中设置θ＝0°获得频移的最大值或最小值，得到方程6，其对应于布里渊散射材料上的法向入射光束。

在θ＝0°的特殊情况下，频移f_B可以被称为纵向布里渊偏移。

通过对布里渊散射光束进行光谱分析，可以确定散射材料的某些生物力学特性。例如，复值纵向模量M取决于方程7给出的声子的速度V。

在方程7中，ρ是声子在其中传播的材料的质量密度，Δf_B是布里渊散射边频带的线宽。

线宽Δf_B对应于声子的寿命的倒数，并表征在传播通过材料的过程中声子(声波)的衰减。在一个实施例中，线宽Δf_B可以被测量为斯托克斯或反斯托克斯布里渊峰的半峰全宽(FWHM)。在其他实施例中，可以使用表征频率间隔Δf_B的频谱宽度的另一合适定义。例如，可以假定所有频谱分量的振幅等于或大于具有最大振幅的频谱分量的指定分数。

当布里渊散射光子在与入射光子反向平行的方向上出射时，如当θ＝0°时，剪切模量G将为零，并且纵向模量M将等于体积弹性模量，入从方程2可以明显看出。在这种情况下，复值纵向模量M的值M₁和M₂将分别由方程8和9给出。

在方程8中，M₁描述了材料的弹性力学特性，而在方程9中，M₂描述了材料的粘弹特性。因此，通过测量响应于入射束(又称为布里渊样本束)而从材料(又称为布里渊信号束)反向散射的布里渊散射光束的边频带之一(斯托克斯或反斯托克斯)的频移f_B，可以确定材料的弹性力学特性。另外，通过还测量所述边频带的线宽Δf_B，可以确定材料的粘弹特性。

除了布里渊散射之外，来自人角膜的SHG信号与角膜中的原纤维的位置和分布相关联。SHG是指材料响应于全波长激发而在半波长处的光子的二阶非线性发射，如方程10所给出的。

在方程10中，λ_SHG是SHG信号束中的SHG信号的波长，并且λ₁是激发束的波长(又称为SHG样本束)。

来自人角膜的SHG信号的激发可以使用聚焦在所希望采样位置处的飞秒光纤激光器来进行，用于可用于生成角膜生物结构图像的SHG信号的精确空间采集。在一些实施例中，当从人角膜采集SHG信号时，激发区域可以在几微米量级上。角膜中的原纤维由胶原蛋白组成，已知其是非常有效的非线性SHG信号源。另外，激发束与角膜胶原原纤维的非线性相互作用取决于胶原原纤维的位置、取向、密度和对齐，这可能引起SHG信号提供对各种角膜组织的生物结构状况的深入了解。

对于体内成像，可以从人角膜获得反向SHG信号(B-SHG)。B-SHG信号束可以在与入射的SHG样本束大致反向平行的方向上发射，并且可以由任何合适的光学检测系统检测到。在一些实施例中，可以使用光电倍增管(PMT)作为用于使用B-SHG信号的高灵敏度成像应用的SHG检测器。在一些实施例中，类似于PMT但是使用多个单独的通道提供进一步的空间分辨率的多通道板极检测器可以用作SHG检测器。SHG检测器可以配备有滤光器，以将λ_SHG波长与从采样材料返回的测量束进行区分。当使用PMT或类似的光电检测器时，可以选择光电阴极材料对λ_SHG波长具有所希望的灵敏度。另外，在一些实例中，可以采用SHG样本束的偏振而用于对采样材料的特定发射模式的附加选择性。当所述采样材料是人角膜组织时，对偏振敏感的发射模式可能与胶原原纤维的形态特征有关。当SHG样本束被偏振时，SHG检测器还可以包括偏振滤光器，以辨别SHG信号束的各种偏振取向。

现在参考附图，图1是示出了用于眼病的生物力学诊断的光学仪器100的框图。光学仪器100不是按比例绘制的，而是示意性表示。如所示，光学仪器100用于分析可以表示人眼的样本112，特别是用于分析人眼的角膜114。并且，在光学仪器100中，坐标系120以X和Y限定了相对于样本112的Z方向和横向方向，使得SHG样本束130和布里渊样本束131沿轴向方向Z朝向样本112传播。光学仪器100因此能够使用空间相关联的测量过程而从样本112同时捕获布里渊信号和SHG信号。以这种方式，光学仪器100可以在许多诊断和临床应用中实现对样本112中的眼组织的某些物理特性的改进分析和测量。

如所示，光学仪器100包括生成SHG样本束130的SHG源102。当SHG源102是飞秒光纤激光器时，在具体实施例中，λ₁波长可以为1030纳米(nm)，并且λ_SHG波长可以相应地为515nm。光学仪器100进一步包括生成布里渊样本束132的布里渊源104。布里渊源104可以是适用于眼组织中的布里渊散射的任何窄带光源。在一些实施例中，布里渊源104是具有的波长为532nm且线宽为约1MHz的单模连续波激光器。SHG源102和布里渊源104可以被定位成在焦点位置116处相对于样本112共焦，其可以使用聚焦透镜124进行调节。

在图1中，SHG样本束130和布里渊样本束132在部分反射镜110-1处组合成单条光路。可以使用扫描仪118在X-Y平面中对SHG样本束130和布里渊样本束132的组合束进行空间调制，以便扫描样本112中的各个位置。扫描仪118可以因此调制X-Y平面中的焦点位置116以对样本112中的各个位置进行采样，如角膜114中不同的感兴趣区域。SHG样本束130和布里渊样本束132的组合束可以经由聚焦透镜124从扫描仪118传播到部分反射镜110-2处的样本112。聚焦透镜124可以在Z轴上使用任何合适的机构来调节，以沿着Z轴改变焦点位置116。因此，在图1所示的实施例中，SHG样本束130和布里渊样本束132沿着共同的光路从部分反射镜110-1传播至样本112，所述部分反射镜用作SHG样本束130和布里渊样本束132的公共光起点。

从部分反射镜110-2朝向样本112，SHG样本束130和布里渊样本束132的组合束可以在与样本112的表面垂直或基本上垂直的方向上传播到样本112。在组合束具有一定的束宽度的程度上，聚焦透镜124可以将SHG样本束130和布里渊样本束132集束到焦点位置116处的所希望的样本区域。然后，SHG信号束131和布里渊信号束133的组合束可以从样本112朝向部分反射镜110-2散射回来。注意，光学仪器100中描绘的采样几何图形是示例性的，并且可以在不同的实施例中进行修改。

从部分反射镜110-2朝向部分反射镜110-3，SHG信号束131和布里渊信号束133的组合束可以传播穿过孔122。孔122可以相对于SHG信号束131和布里渊信号束133而共焦地排列。孔122可以用于将SHG信号束131和布里渊信号束133中的光子限制在特定的扫描角度，例如，取决于扫描仪118。因此，孔122可以根据扫描仪118使用的扫描角度而进行机械调节。在其他实施例中，例如当孔122被固定时，聚焦透镜124可以用于使SHG样本束130和布里渊样本束132居中或对准，使得SHG信号束131和布里渊信号束133与孔122对准。

在部分反射镜110-3处，SHG信号束131可以经由检测透镜126被引导到SHG检测器106，而布里渊信号束133可以经由检测透镜128被引导到布里渊检测器108。两个检测透镜126和128可以相对于SHG信号束131和布里渊信号束133共焦地排列。如上所述，SHG检测器106可以是用于SHG信号束131的任何合适的检测器，如PMT或多通道板极检测器。

布里渊检测器108可以包括适用于区分瑞利散射与布里渊散射的高分辨率光谱仪。由于瑞利散射束可能具有比布里渊散射束显著更大的振幅、并且两条散射束可以在光谱上相对靠近，布里渊检测器108可以具有高光谱分辨率和高光谱对比度。在具体实施例中，布里渊检测器108可以包括作为光学传感器的电荷耦合器件(CCD)阵列。

在光学仪器100的操作中，SHG样本束130和布里渊样本束132的组合束可以被共焦地传播到焦点位置116，所述焦点位置可以使用扫描仪118在X-Y平面中进行调制。可以使用聚焦透镜124在Z轴上调制焦点位置116。以这种方式，可以使用光学仪器100扫描和分析样本112中的各个点、线、区域和体积。

在焦点位置116处，可以通过布里渊检测器108测量布里渊信号束133。具体地，布里渊检测器108可以测量布里渊信号束133中的一个(或两个)边频带(斯托克斯或反斯托克斯)的频移f_B。布里渊检测器108还可以测量一个或两个边频带的线宽Δf_B。利用测得的频移f_B和测得的线宽Δf_B，可以如上文关于方程8和9所解释的那样确定焦点位置116处的弹性力学特性和粘弹特性。

同时并且从同一焦点位置116，可以由SHG检测器106测量SHG信号束131。具体地，SHG检测器106可以记录SHG信号束131中的λ_SHG波长的信号振幅。具体地，SHG检测器106可能对λ_SHG波长处的小振幅敏感。由于λ_SHG波长的信号振幅表明焦点位置116处的胶原原纤维的形态结构，所以SHG检测器106记录的信号振幅可以用于生成样本112中的眼组织的某些图像。以这种方式由SHG检测器106生成的图像信息可以精确地与焦点位置116处的弹性力学特性和粘弹特性在空间上相关联。由光学仪器100生成的结果数据可以提供对焦点位置116处的样本112的状况更彻底的理解和分析，并且能够对各种眼病进行早期生物力学诊断。

注意，在光学仪器100的各种实施例或安排中，可以使用光的不同的实现方式、布局和转向。例如，光学仪器100中使用的光路的某些部分可以包括光纤。在一些实施例中，在光学仪器100中使用的光路的某些部分可以包括光波导。在光学仪器100中使用的光路的某些部分可以表示介质(如真空、自由空间、气体环境或大气)内的光路。在给定的实施例中，偏振元件可以与SHG样本束130和布里渊样本束132中的至少一者一起使用，并且当检测到SHG信号束131和布里渊信号束133中的至少一者时，可以使用偏振滤光器。在另一种安排中，可以省略扫描仪118，并且可以使用另一个扫描元件(如物镜)。在具体实施例中，光学仪器100包括的光学部件的至少一部分可以被小型化并且组合成具有相对小的质量和外部尺寸的紧凑单元，使得整个紧凑单元由外部扫描元件保持并相对于样本112移动。并且，在光学仪器100的某些实施例中可以使用坐标系120的不同取向。

在各种实施例中，光学仪器100可以用于表征或分析角膜内层生物结构，如人角膜基质中的原纤维或微原纤维。

注意，光学仪器100不是按比例绘制的，而是示意性表示。可以对光学仪器100进行改良、添加或省略，而不脱离本披露的范围。如本文所述，光学仪器100的部件和元件可根据具体应用集成或分离。而且，光学仪器100的操作可以由更多、更少或其他部件来执行。

现在参考图2，以流程图形式描绘了如本文所述的用于执行眼病的生物力学诊断的方法200的实施例的选定要素的框图。方法200可以由光学仪器100(见图1)来实现。注意，方法200中描述的某些操作可以是可选的，或者可以在不同的实施例中重新安排。

方法200在步骤202以生成共享光起点的第一样本束和第二样本束而开始。在步骤204，将所述第一样本束和所述第二样本束以与生物组织样本处的焦点位置共焦的方式传播至所述生物组织样本。在步骤206，使用布里渊散射检测器检测包括所述第一样本束从所述焦点位置反向散射的第一光子的第一信号束。在步骤208，使用二次谐波发生(SHG)检测器检测包括所述第二样本束从所述焦点位置反向散射的第二光子的第二信号束。在步骤210，从所述第一信号束确定所述生物组织样本在所述焦点位置处的弹性力学特性和粘弹特性。在步骤212，从所述第二信号束确定所述生物组织样本在所述焦点位置处的形态结构的指示。

现在参考图3，以流程图形式描绘了如本文所述的用于执行眼病的生物力学诊断的方法300的实施例的选定要素的框图。方法300可以由光学仪器100(见图1)来实现。在具体实施例中，方法300可以包括关于方法200中的步骤204的进一步的细节。注意，方法300中描述的某些操作可以是可选的，或者可以在不同的实施例中重新安排。

方法300在步骤302以沿着与所述第一样本束和所述第二样本束平行的第一轴线改变所述焦点位置在所述生物组织样本内的轴向位置而开始。在步骤304，沿着与所述第一轴线垂直的第二轴线和第三轴线中的至少一个改变所述生物组织样本内的所述焦点位置的横向位置。在步骤306，扫描所述生物组织样本以使用所述第二信号束生成图像数据，从而使得所述第一样本束和所述第二样本束两者被引导到所述生物组织样本处的多个不同的共同位置，并且包括改变所述焦点位置的轴向位置和所述焦点位置的横向位置中的至少一者。

如本文所披露的，一种用于进行眼病的生物力学诊断的方法和系统可以包括用于生成布里渊样本束的布里渊光源以及用于生成SHG样本束的二次谐波发生(SHG)光源。所述布里渊样本束和所述SHG样本束两者可以以与焦点位置共焦的方式重合地引导到生物组织样本。可以检测所述布里渊样本束产生的布里渊散射以确定所述样本的弹性力学特性和粘弹特性。可以检测所述SHG束产生的SHG散射以确定关于所述样本的形态结构的指示。所述样本可以是体内人角膜。

图2的方法200和图3的方法300可以使用计算机来执行，所述计算机被编程为生成或控制所述样本束的位置、强度或其他特性并处理检测到的信号束。在一些实施例中，这样的编程计算机可以是图1所示的光学仪器100的一部分。在一些实施例中，所述编程计算机可以以有线或无线方式连接至光学仪器100，以执行方法200或300的至少某些部分。所述编程计算机可以包括专用部件，如与SHG源102、布里渊源104、聚焦透镜124、部分反射镜110、扫描仪118、SHG检测器106、布里渊检测器108和孔122成一体的部件。例如，所述编程计算机可以包括或可以响应于检测到的信号束而控制改变一个或多个上述部件的状态的一个或多个开关。例如，当信号束未聚焦时，所述编程计算机可以使用一个或多个开关或以其他方式引起聚焦透镜124、部分反射镜110或孔122的位置或大小改变。在不排除第一实例的另一实例中，当信号束不具有正确的强度时，所述编程计算机可以使用一个或多个开关或以其他方式引起SHG源102或布里渊源104改变。

处理检测到的信号束可以包括涉及生成或控制样本束的位置、强度或其他特性的方面以及涉及生成关于生物组织样本的生物力学特性的信息的方面。例如，当信号束的一个或多个方面并非明智时，一些处理可以生成警告。一些处理可以生成反映生物力学特性的视觉显示。可以实时、或者在一些延迟之后、特别是当包括生物组织样本的不同位置的生物力学特性时生成这样的显示。

所述编程计算机可以包括可以彼此通信或不通信的多于一个计算机。例如，一台计算机可以接收关于检测到的信号束的数据并使用所述数据来生成或控制样本束的位置、强度或其他特性，而单独的计算机可以接收关于检测到的信号束的数据并使用所述信息来生成关于所述生物组织样本的生物力学特性的信息。

现在参考图4，呈现了展示信号处理系统400的实施例的选定元件的框图。在图4所描绘的实施例中，信号处理系统400包括联接至布里渊检测器108和SHG检测器106的计算设备402，而计算设备402包括经由共享总线406联接至被统称为存储器410的存储介质的处理器404。如所示，信号处理系统400可以包括图1中用于眼病的生物力学诊断的光学仪器100，如本文公开的。

在各种实施例中，计算设备402可以包括用于与网络接口连接的网络适配器。计算设备402可以包括连接至各种输入和输出设备的外围适配器。例如，计算设备402可以经由输入设备与布里渊检测器108和SHG检测器106通信，以接收用于眼病的生物力学诊断的输出信号，如本文所述。计算设备402还可以经由输出设备与布里渊检测器108、SHG检测器106或其他组件通信，以控制光学仪器100的各个方面。

存储器410可以表示各种持久性存储介质、易失性存储介质、固定存储介质以及可移动存储介质中的任何一种。存储器410可以用于存储指令、数据或两者。如所示，存储器410存储可由处理器404(即操作系统(OS)412)执行的指令或代码以及眼病诊断应用414。操作系统412可以是UNIX或类UNIX操作系统、系操作系统以及嵌入式操作系统、或另一种适合的操作系统。如上所述，眼病诊断应用414可以表示可由处理器404执行的指令或代码，以实现方法200和300的至少某些部分以及相关联的功能。

以上披露的主题应认为是说明性而非限制性的，并且所附权利要求书旨在覆盖所有这种修改、增强、以及属于本披露的真实精神和范围内的其他实施例。因此，为了被法律最大程度地允许，本披露的范围将由所附权利要求书及其等效物的最广泛允许的解读来确定并且不应受限于或局限于上述详细说明。