一种虹膜膨隆形态提取与建模方法的研究

1、一种虹膜膨隆形态提取与建模方法的研究 作者：全海英，孙峥，雷玉玺，曹海勇，薄雪峰，刘敬华，杨进，张昆亚，邓军民，刘志成【摘要】 为研究虹膜膨隆形态与瞳孔阻滞的关系，提出了一种根据裂隙图像提取虹膜膨隆形态的方法。通过灰度变换、二值化处理、角度校正及曲线拟合等方法对图像进行处理。建立了不同压强差下无晶体抬升时虹膜膨隆形态二维曲线及三维曲面模型;以及相同压强差下晶体抬升高度不同时虹膜膨隆形态的二维曲线及三维曲面模型。从实验结果可以看出，随着压强差的不断增大，虹膜逐渐膨隆;在相同的压强差下，相对于没有晶体抬升，有晶体抬升的虹膜膨隆程度更大。 【关键词】 闭角型青光眼;虹膜;瞳孔阻滞;曲线拟合;三维建模

2、Abstract：To study the relationship between iriss deformation morphology and pupillary block, a method of extracting iriss deformation morphology according to fracture light image was presented on this paper. Some image processing methods were used such as grayscale transformation, binaryzation proce

3、ssing, angle correct and curve fitting. The 2D curve and 3D surface modeling of iriss deformation morphology were build at the different pressure difference with crystal non-rising and at the same pressure difference with crystal rising. According to the experiment result, the iriss morphology is de

4、formated with the higher pressure difference, and contrast to the crystal non-rising situation, at the same pressure difference, the iriss morphology is deformated with the higher crystal rising altitude.Key words：Angle closure glaucoma; Iris; Pupillary block; Curve fitting; Three-dimensional modeli

5、ng1 引 言临床上瞳孔阻滞是原发性闭角型青光眼(primary angle closure glaucoma，PACG)发生的主要原因之一，瞳孔阻滞力的变化引起房水循流不畅，改变了眼睛前后房压强差，导致虹膜膨隆变形并引起房角闭死1-2。因此，虹膜膨隆是原发性瞳孔阻滞型闭角型青光眼的重要活体形态学特征之一，测量虹膜受压时的形态变化，能反映瞳孔阻滞作用的大小和虹膜的各种特性3-5。2 图像的获取本研究的图像来自于本校生物力学中心自行研制的虹膜膨隆仿真测试系统6拍摄的裂隙图像。对离体虹膜加压，使其膨隆变形后，由窄光源裂隙灯的照明系统显示虹膜在加载、卸载过程中的膨隆光带，照相机同步拍摄裂隙灯窄光源显

6、示的膨隆光带图像，再采集入微机进行图像处理。图像数据一律保存为24位真彩位图格式，背景一致为黑色。3 图像处理与建模方法3.1 图像预处理方法对采集的虹膜膨隆形变图像进行预处理，包括图像转换和二值化处理两个方面。设A为原24位真彩色图像存储矩阵，B为转换后灰度图像存储矩阵，则图像任意一点B(i,j)灰度的转换公式为：B(i,j)=A(i,j,1)+A(i,j,2)+A(i,j,3)/3(1)iris(i,j)=255B(i,j)s0B(i,j)灰度值大于等于阈值的点，令其灰度值等于255;小于阈值的点，令其灰度值等于0。通过二值化将光带的外边缘与背景区分开来。其中阈值的选取比较重要，阈值设得过

7、高，会漏掉小幅度变化的边缘，阈值设得低，将出现由噪声引起的许多虚假的图像边缘。一个合理的阈值需要通过大量的实验方可确定。3.2 虹膜膨隆光带的形态提取方法校正方法：由于俯拍，圆形的虹膜卡具在拍摄的图像中成为一椭圆，设其长轴为a，短轴为b，则cos=(a/2)2-(b/2)2/(a/2)(3)将提取的外边缘曲线与模拟晶体的小孔的交叉点的纵坐标设为y0，原曲线上各点的纵坐标为yi，校正以后各点纵坐标为yi，则yi=y0+(yi-y0)/cos(4)3.3 建模方法由于瞳孔为圆形，因此模拟瞳孔的数学模型为圆方程：x2+y2=r2(5)虹膜膨隆的曲线由前述的二元方程拟合。z=a1r12+a2r1+a3

8、|a|r1|b|0其它(6)将虹膜膨隆曲线绕旋转轴旋转一周形成的曲面即为虹膜膨隆曲面。图3 虹膜剖面示意图1 4 实验结果4.1 曲线拟合结果图5 有晶体抬升且房压差为100Pa情况下的曲线拟合图Fig 5 The fiting curve at 100Pa with crystal rising 图5中的红、蓝、绿三条曲线分别代表了在同一前后房压强差100 Pa下，不同晶体高度0.1 mm,0.2 mm和0.3 mm的虹膜膨隆。4.2 虹膜膨隆形态的三维建模结果(a)(b)(c)图6 晶体无抬升情况下的虹膜膨隆形态三维模型(a)压强差为100Pa;(b) 压强差为150Pa;(c)压强差为3

9、10PaFig 6 The isiss deformation 3D model with crystal non-rising(a)the difference of pressure is 100Pa;(b) the difference of pressure is 150Pa;(c) the difference of pressure is 310Pa图7 晶体抬升,压强差100Pa情况下的虹膜膨隆形态三维模型(a)晶体抬升高度为0.1mm;(b)晶体抬升高度为0.2mm;(c) 晶体抬升高度为0.3mmFig 7 The isiss deformation 3D modal at

10、100Pa pressuredifference with crystal rising(a)the crystal rising height is 0.1mm;(b)the crystal risingheight is 0.2mm;(c)the crystal rising height is 0.3mm;5 结论与讨论我们研究了一种基于裂隙图像的虹膜膨隆形态提取与建模方法。该方法通过对虹膜膨隆图像进行二值化、角度校正等处理提取了虹膜膨隆形态曲线，并通过曲线拟合等方法建立了二维和三维模型。从实验结果可以看出，随着压强差的不断增大，虹膜逐渐膨隆;在相同的压强差下，相对于没有晶体抬升，有晶体

11、抬升的虹膜膨隆程度更大，随着晶体抬升高度的增加，虹膜膨隆程度越大，前房容积越小，从而验证了临床上的浅前房和晶体抬升的眼球解剖结构患者容易患闭角型青光眼的说法。由于原始实验图像中仅有裂隙灯光带，没有标志性的特征点，因此无法跟踪特征点的变化。在今后的实验中将虹膜上进行特征点标注，就可以利用本研究的方法进行特征点的力学分析，对虹膜的力学特性进行进一步研究。【】 1惠延年.眼M.北京：人民卫生出版社，2001.111.2葛坚,孙兴怀，王宁利. 青光眼研究进展M.北京：科学出版社，2000：133-135.3Kondo T. A method measuring papillary blocking force in the human eyeJ. Graefe Arch Clin Exp Ophthalmol，1987, 225:361.4Kondo T. Measurement method of the anteri