眼底橫向顯微成像系統(tǒng)的研制及應用

【作 者】張運海，鈕賽賽，朱冀梁，賈硯文

1 蘇州六六視覺科技股份有限公司，江蘇，蘇州，215005

2 南京航空航天大學，機電學院，江蘇，南京，210016

3 南通大學附屬醫(yī)院眼科，江蘇，南通，226001

眼底橫向顯微成像系統(tǒng)的研制及應用

【作 者】張運海1，鈕賽賽2，朱冀梁1，賈硯文3

1 蘇州六六視覺科技股份有限公司，江蘇，蘇州，215005

2 南京航空航天大學，機電學院，江蘇，南京，210016

3 南通大學附屬醫(yī)院眼科，江蘇，南通，226001

介紹了一套基于MEMS薄膜變形鏡的人眼眼底橫向顯微成像系統(tǒng)。采用37 單元MEMS薄膜變形反射鏡作為波前校正元件，127微透鏡陣列哈特曼夏克(Hartmann-Shack) 波前傳感器測量波前誤差，在用計算機控制薄膜變形鏡實現(xiàn)波前誤差校正后，開啟成像照明光源，用CCD 相機記錄視網(wǎng)膜圖像。模擬眼試驗表明，系統(tǒng)能夠有效進行像差測量、校正和眼底成像，像差校正后成像質(zhì)量達到衍射極限。臨床試用表明，除少部分眼內(nèi)比較渾濁的病人外，整個檢查過程大部分病人都能夠安全、快捷、可靠地進行。

微機電系統(tǒng)；眼底；顯微成像

0 引言

眼底視網(wǎng)膜是人眼中復雜的組織，其病是致盲的一個重要因素。全身多種重要疾病，如糖尿病等在視網(wǎng)膜上有癥狀表現(xiàn)，因此眼底視網(wǎng)膜病變不僅僅是眼病，而且也是全身多種疾病診斷的一項依據(jù)。目前眼底檢查設(shè)備主要有檢眼鏡、眼底照相機[1]和眼科OCT[2]等，但由于人眼像差的存在，這些設(shè)備還無法在橫向上實現(xiàn)對眼底視網(wǎng)膜進行細胞級別組織的檢查。

影響眼底橫向顯微成像的主要原因為人眼像差。隨著自適應光學技術(shù)應用到視光學領(lǐng)域，目前已能在較大瞳孔直徑下（6 mm及以上）實現(xiàn)對人眼像差的校正，得到分辨率較高的視網(wǎng)膜圖片，國內(nèi)外幾個研究小

1 系統(tǒng)組成和工作過程

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要包括像差測量校正子系統(tǒng)、成像用照明部分、像差測量用照明部分和成像部分等。

圖1 人眼眼底橫向顯微成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Scheme of the human fundus transverse microscopic imaging system

像差測量校正子系統(tǒng)主要包括MEMS薄膜變形鏡、波前傳感器、口徑匹配光學透鏡（擴束和縮束望遠鏡）和控制電腦等組成。

變形鏡是像差校正器件，是整個系統(tǒng)中最重要的核心部件，決定著系統(tǒng)像差校正的大小、精度等，在很大程度上決定整個成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。系統(tǒng)采用的變形鏡是連續(xù)表面的可變形反射鏡，驅(qū)動電極在鏡面表面和電極之間形成電勢差，由于靜電力場作用使鏡面趨向驅(qū)動電極進行拉伸，從而改變了整體鏡面的面型。該變形鏡的變形面為圓形，口徑為15 mm，有37個驅(qū)動電極，中央最大變形量為9.0 μm，變形頻率最大可達500 Hz。

波前傳感器采用Hartmann-Shack式，由127個微透鏡組成，微透鏡排列在一個六邊形的區(qū)域內(nèi)。

成像照明部分為：波長為660 nm的半導體激光器耦合到芯徑為105微米、數(shù)值孔徑為0.22的多模光纖；多模光纖的出光端作為光源，通過聚光鏡匯聚到一個旋轉(zhuǎn)毛玻璃上，再由一個投射物鏡將毛玻璃上的光源像投射到眼睛里照亮視網(wǎng)膜。像差測量用照明部分的結(jié)構(gòu)形式和成像照明部分基本相同，不同之處在于，光源改為波長為785 nm的半導體激光器耦合到芯徑為4微米、數(shù)值孔徑為0.22的單模光纖，由單模光纖的出光端作為光源。旋轉(zhuǎn)毛玻璃用于抑制像差測量和視網(wǎng)膜成像時的激光散斑[9]。

信息處理模塊主要包含控制芯片與飛控程序，民用飛行器一般會采用已經(jīng)商業(yè)化的飛控芯片作為信息處理模塊。信息處理模塊作為四旋翼飛行器的核心部件，是四旋翼飛行器的指揮中心，起到控制信息采集模塊、動力模塊、通信模塊協(xié)同工作不沖突的作用。從信號控制角度來看，信息處理模塊是遙控數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，起到解析控制需求并轉(zhuǎn)發(fā)給動力模塊的作用；從飛行系統(tǒng)角度來看，信息處理模塊是穩(wěn)定飛行的核心控制器，是集信息接收、處理、發(fā)送于一體的集成器件，是穩(wěn)定飛行的基礎(chǔ)。

成像部分主要由口徑匹配光學透鏡和可以沿光軸移動的CCD組成。

由于該MEMS薄膜變形反射鏡體積小巧，使整個眼底橫向顯微成像系統(tǒng)較小，外形尺寸為76.5cm×55.4cm×20.1 cm。圖2為系統(tǒng)樣機情況。

1.2 變形鏡變形控制算法

由待校正的像差計算變形鏡各驅(qū)動單元電壓是系統(tǒng)閉環(huán)控制的基礎(chǔ)。變形鏡1～37通道順序加單位電壓時，波前傳感器測量得到的像差為：

圖2 人眼眼底橫向顯微成像系統(tǒng)樣機Fig. 2 The human fundus transverse microscopic imaging system

假定待校正的像差用7階35項標準zernike多項式表示，即：

變形鏡變形后生成的波前應和待校正的畸變波前（像差）相抵消，假定各驅(qū)動單元應施加的電壓用v1,…, v37表示，則有下面公式：

矩陣C即為影響函數(shù)矩陣。用直接求廣義逆矩陣的方法計算V可能存在解的不穩(wěn)定或誤差較大，此時可以對影響函數(shù)矩陣C先行奇異值分解，去掉奇異值小于設(shè)定值的情況，即用對影響函數(shù)矩陣低秩近似的方法濾除校正性能較差的基模式的影響提高系統(tǒng)像差校正的穩(wěn)定性[10]。

求得V后就得到了變形鏡各驅(qū)動單元控制電壓。

1.3 系統(tǒng)工作過程

系統(tǒng)的工作過程主要包括像差測量、校正閉環(huán)控制過程和視網(wǎng)膜成像過程。

(1) 像差測量和校正過程 開啟785 nm激光光源前的電子快門，經(jīng)像差測量照明系統(tǒng)后在視網(wǎng)膜上形成一個發(fā)光點，經(jīng)眼底視網(wǎng)膜后向外反射再由瞳孔出射，帶有眼睛像差的信息，經(jīng)分光鏡、擴束望遠鏡、變形鏡、縮束望遠鏡，再經(jīng)分光鏡透射后，進入哈特曼夏克波前傳感器?？刂齐娔X獲取波前傳感器上的陣列光斑圖像，經(jīng)波前復原和控制算法的計算，得到變形鏡每一驅(qū)動電極的控制信號。這一控制信號由高壓放大器放大后，驅(qū)動變形反射鏡實現(xiàn)波前校正的閉環(huán)控制。

(2) 視網(wǎng)膜成像過程 當系統(tǒng)探測到像差測量值RMS(Root-Mean-Square)小于設(shè)定閾值，關(guān)閉像差測量電子快門，同時打開成像照明系統(tǒng)電子快門，照明視網(wǎng)膜成像區(qū)域，視網(wǎng)膜后向反射的照明光到達成像CCD相機，攝取視網(wǎng)膜圖像。視網(wǎng)膜是由多層組織構(gòu)成的，厚度為幾百微米，為獲取不同層次組織的圖像，CCD 相機可沿軸向調(diào)焦，使CCD 成像面共軛于不同深度的視網(wǎng)膜組織上。

2 實驗和臨床試用情況

2.1 模擬眼試驗情況

由于人眼像差處于實時變動狀態(tài)之中，為精確驗證系統(tǒng)校正像差的能力和殘留像差對拍攝圖像的影響，需要在一個靜態(tài)的模擬眼上開展定量試驗。在模擬眼上開展了像差測量、校正和視網(wǎng)膜拍照試驗，采用的模擬眼焦距25.7 mm，瞳孔直徑6 mm，系統(tǒng)像差閉環(huán)校正頻率約為14 Hz。

圖3 利用模擬眼測得的像差校正前后系統(tǒng)波前像差的澤尼克系數(shù)Fig.3 Zernike coefficient of the wavefront aberration for the model eye system before and after correction

圖3 是模擬眼波前像差前35 階澤尼克系數(shù)情況。從圖中可以看出，校正前成像系統(tǒng)的離焦量并不大（第4項zernike系數(shù)反映離焦量），散光量（第3、5項zernike系數(shù)反映散光量）和高階像差部分比較大。校正前波前誤差的峰谷值分別為1.56λ，均方根值為0. 42λ。校正后波前誤差峰谷值為0. 41λ，均方根值為0. 073λ，達到了衍射極限。圖4為像差校正前后模擬眼眼底成像情況，像差校正前，模擬眼眼底微觀結(jié)構(gòu)十分模糊，引起圖像模糊的主要原因是散光和高階像差，像差校正后圖像質(zhì)量大幅提高，可以較為容易的分辨出眼底繪制的毛細血管和大量細節(jié)。

圖4 像差校正前后模擬眼眼底成像情況Fig.4 Retina images of the model eye before and after correction

2.2 臨床試用情況

2010年8月系統(tǒng)樣機到南通大學附屬醫(yī)院眼科進行了臨床試用，對系統(tǒng)的可靠性、綜合性能進行測試，收集常見眼底病視網(wǎng)膜組織成像圖片，為今后眼底病的診斷提供依據(jù)。進行了常見眼底病視網(wǎng)膜組織成像檢查，共46個病人，主要有各個時期的糖尿病患者、黃斑病變、視神經(jīng)乳頭炎、等離子光損傷、眼底出血和眼底血管阻塞硬化等27種病例。

儀器檢測過程：先用儀器軟件中的病人信息管理模塊記錄下病人的主要情況；之后囑咐病人注視儀器中的紅色光源，操作人員利用電動額托能夠順利便捷地實現(xiàn)病眼瞳孔相對于儀器的對中，并能在后面的測量過程中方便地利用電動額托保持正確的對中位置；接著對儀器參數(shù)進行設(shè)置，由于不同的病眼瞳孔大小、眼底光反射強度、屈光不正殘留量等存在很大的差異，需要對儀器的參數(shù)進行設(shè)置；最后進行像差校正和眼底拍照，除少部分眼內(nèi)比較渾濁、眼底光反射特性不正常的病人外，大部分都能完成像差校正和眼底拍照過程，整個檢查過程能夠安全、快捷和可靠地進行。

圖5為臨床試用中拍攝的正常眼和一些眼底病患者視網(wǎng)膜圖片，均為原始拍攝的圖片，圖中明亮不等的顆粒狀組織為人眼視覺細胞。圖5(a)為一名29歲女士左眼眼底圖片，該眼未有眼底?。粓D5(b)為一名61歲女士左眼眼底圖片，該病人患糖尿病5－6年；圖5(c)為一名44歲男士右眼眼底圖片，該病人眼底動脈靜脈阻塞；圖5(d)為一名20歲的男士右眼眼底圖片，該男士在從事焊接作業(yè)時未采取有效防護，視力被等離子光嚴重損傷。

圖5 臨床試用中幾種情況下眼底成像情況Fig.5 Retina images of the normal and several abnormal fundus

臨床初步結(jié)果表明，年輕病人眼底圖像普遍比較清晰，年紀大的病人眼底圖片相對要模糊一些。這可能同年紀大的病人眼內(nèi)存在白內(nèi)障等渾濁、視網(wǎng)膜反射特性減弱有關(guān)。不同的眼底病眼底圖片同正常眼眼底圖片有些差異，如眼底靜脈阻塞病人眼底圖片中經(jīng)常會出現(xiàn)陰影，糖尿病視網(wǎng)膜細胞密度偏小等，但由于拍攝的眼底病樣本數(shù)比較少，還難于明確地給出結(jié)論，有待于本領(lǐng)域的眼科專家和工程人員共同努力，建立起完善的眼底病數(shù)據(jù)庫。

3 結(jié)論

建立了一套基于MEMS薄膜變形反射鏡的人眼眼底橫向顯微成像系統(tǒng)，由于該MEMS薄膜變形反射鏡體積小巧，使整個眼底橫向顯微成像系統(tǒng)尺寸也較小。此外，該變形鏡價格相對比較便宜，使整個系統(tǒng)的造價較低，這使該MEMS變形鏡的系統(tǒng)在商品化方面具有優(yōu)勢。系統(tǒng)用模擬眼進行了像差測量、校正和視網(wǎng)膜成像試驗，在醫(yī)院進行了臨床試用。模擬眼試驗表明，系統(tǒng)能夠有效進行像差測量、校正和眼底成像，像差校正后成像質(zhì)量達到衍射極限。臨床試用表明，除少部分眼內(nèi)比較渾濁的病人外，大部分病人都能完成像差校正和眼底拍照過程，整個檢查過程能夠安全、快捷、可靠地進行。

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Development and Application of a Fundus Transverse Microscopic lmaging System

【 Writers 】Zhang Yunhai1, Niu Saisai2, Zhu Jiliang1, Jia Yanwen3
1 66 VISION-TECH CO., LTD. 34Daru lane, Suzhou, 215005, China
2 College of Mechanical & Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016 , China
3 Department of Ophthalmology, Affiliated hospital of Nantong University, Nantong, 226001, China

MEMS, fundus, microscopic imaging

R318.18

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2011.01.006

1671-7104(2011)01-0024-04

2010-10-09

國家“十一.五”863計劃重點項目（2006AA020804）

張運海，博士，高級工程師，主要從事應用光學方面的研究和眼科光學儀器的研發(fā)工作，E-mail:zhangyunhaiguan8@163.com

【 Abstract 】A human fundus transverse microscopic imaging system based on a MEMS deformable membrane mirror was developed. A 37 element small MEMS deformable membrane mirror was used as wave front corrector in this system. Wavefront errors were measured by a Hartman-Shack wave front sensor which contains 127 micro lens lets. After the wavefront error of human eye had been corrected by the deformable membrane mirror under the control of a computer, the imaging illumination light was triggered by a electronic shutter to illuminate the retina, the images were captured by a CCD camera. It has been showed in model eye’s test that the system could measure and correct the eye's wavefront aberration efficiently. The fundus image achieved the diffraction limit after aberration correction. It was showed in clinic that except a few patients with turbid eye, most patients could finish the process of measuring and correcting wavefront aberration and then taking fundus image. The examination process could be finished safely, quickly and reliably.