眼科光學相干斷層掃描儀的橫向分辨率檢測探討

劉艷珍，孟祥峰，王浩，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 光機電室，北京 100050

眼科光學相干斷層掃描儀的橫向分辨率檢測探討

劉艷珍，孟祥峰，王浩，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 光機電室，北京 100050

目前對于眼科光學相干斷層掃描儀（OCT）的橫向分辨率存在幾種評價方法，其中光學透鏡檢測法更具有科學性。本研究實現了使用光學透鏡檢測OCT橫向分辨率，介紹了它的理論依據和設計方法，并通過了驗證實驗。結果表明光學透鏡檢測法基本符合眼科OCT的測試需求，同時需要在光學設計等方面進行優(yōu)化。

眼底分辨率；光學相干斷層掃描儀；光學透鏡法；視網膜像差

0 引言

視網膜是人體中唯一可在活體、無創(chuàng)條件下觀察血管及其分布狀態(tài)的組織，這使其成為目前診斷眼病和相關的全身系統(tǒng)性疾病的重要窗口[1-2]。在眼科疾病中，與年齡相關的黃斑變性對視力的損害具有不可逆性，是老年人致盲的最主要原因[3]；對于全身系統(tǒng)性疾病，尤其是血液相關疾病，眼底組織都會產生變化，如高血壓、糖尿病、腎病等[4-5]。眼科光學相干斷層掃描儀（Optical Coherence Tomography，OCT）是目前主要的眼底檢查儀器之一，由于其具有更高的眼底分辨力，所以常在眼科的高端檢查中使用。橫向分辨率是眼科OCT的重要質控指標之一，但是目前還沒有公認的標準檢測方法。

1 眼科OCT的橫向分辨率評價方法

1.1 理論計算法

對同一光源，眼科OCT設備的橫向分辨率主要取決于設備前端透鏡的聚焦光斑大小，光斑越小，橫向分辨率就越高。聚焦光斑大小與橫向分辨率數值的具體關系如式（1）所示：

其中f為透鏡焦距，d為通光孔徑，λ為掃描光譜的中心波長。

當運用理論計算法來測量分辨率的時候，需要測量設備的掃描光源特性、透鏡焦距和透鏡通光孔徑。眼科OCT設備在儀器終端的光強比較弱，所以測量時需要測量儀器內部未衰減時的光強。在測量透鏡焦距和通光孔徑的時候，也需要拆開儀器，將儀器內部的透鏡單獨取出進行相關測量。由于在眼科OCT設備中透鏡的位置要求精度比較高，因此將透鏡裝回儀器時要進行位置的校驗。

理論計算方法的優(yōu)點是被測量為基礎參量、對測量設備的要求低和原理清晰；但缺點也很明顯，主要有以下幾點：① 理論計算方法是有損測量，對于成品的測量需要拆開儀器，測量成本較高；② 理論計算過程中多參數測量誤差的引入將會降低最終值的準確性；③ 實際人眼的像差、有效通光孔徑和色散等均影響分辨率的值，因此理論計算值和設備的實際分辨率值相差較大。

1.2 圖像處理法

圖像處理方法是對眼科OCT設備生成的圖片，運用圖像處理的方法，通過分析計算獲得設備的橫向分辨率。首先，用眼科OCT設備對耙物進行掃描和拍攝，利用儀器的圖片導出功能將拍攝的圖片進行導出；然后，利用第三方的圖像處理軟件讀出圖片的像素值，該值即為眼科OCT設備的分辨率值，或者利用OCT設備獲得物點的原始圖像數據，分析并擬合之后，計算點擴散函數，進而評價OCT設備的分辨力[6]。

圖像處理方法是一種間接測量方法，而且此方法依賴過多復雜的后期分析，使用起來不簡單直接，因此這種方法在目前的測量中很少被使用。

1.3 光學透鏡檢測法

光學透鏡檢測法是一種用光學元器件模擬人眼屈光功能和眼底反射，利用眼科OCT設備對光學元器件進行掃描和拍攝的方法，因為光學元器件中是有定量的分辨率靶物，根據OCT設備能夠看清的靶物值來確定分辨率。

這種方法的關鍵技術和難點在于該光學元器件的光路設計，光學透鏡裝置的研究是一項繁雜而且較新的研究方向。人眼是一臺精密而復雜的光學儀器，眼球具備極其復雜的組織結構，其屈光介質并不是完善的成像光學系統(tǒng)，存在著各種各樣的像差[7-8]。在對眼球的研究分析中，一般將人眼進行一定程度的簡化，構建簡化模型。

本文采用透鏡和靶物模擬簡化的人眼,見圖1。圖1中透鏡的屈光度為60 D左右（正常人眼常規(guī)屈光度約為60 D），靶物為反射類型，上面進行各種規(guī)格的分辨率設計。藍色箭頭代表進入人眼的掃描光，黑色箭頭代表從靶物反射的光線。

光學透鏡測量方法的優(yōu)點是測量方法直接和測量裝置可溯源。

圖1 檢測光路設計

2 橫向分辨力測試光路搭建

2.1 屈光透鏡

檢測光路的屈光部分采用雙凸型透鏡，其屈光度為60 D，要實現相同的放大效果和最寬的視場，能夠越過光學漩渦，保證成像質量。該屈光透鏡采用非球面設計，同時在透鏡表面進行涂層，最大限度減少失真和反射。同時在加工的過程中選用高質量玻璃，保證成像的分辨率。屈光透鏡透過小瞳孔時也可以達到同樣的效果。

屈光透鏡的光學設計用如下幾個參數來描述：

（1）屈光透鏡的焦距。根據人眼的參數，屈光度在60 D左右均可，并且OCT設備本身還有屈光校正功能，所以檢測光路本身對于屈光度數值的準確性要求不是特別高。本文屈光透鏡焦距為60 D，即焦距為16.7 mm。

（2）屈光透鏡的分辨率。它是考量透鏡成像質量的重要因素，透鏡的分辨率要足夠好，不能低于OCT設備的橫向分辨率。本文透鏡的分辨率是100 lp/mm，即最小分辨距離是5 μm。

（3）屈光透鏡的調制傳遞函數（Modulation Transfer Function，MTF）是目前分析鏡頭解像的比較科學的方法。與分辨率板法相比，MTF成像曲線圖是透鏡在極為客觀嚴謹的測試環(huán)境下測得并對外公布的，是鏡頭成像品質最權威、最客觀的技術參考依據。屈光透鏡的MTF曲線，見圖2。

2.2 橫向分辨率板

橫向分辨率板采用了A型的圖案形式，由線寬遞減的兩組線條組合單元，菱形圖案以及兩對短線標記組成，見圖3。

圖2 透鏡MTF曲線

圖3 分辨率板線型

分辨率板的每一線條組合單元由相鄰互成45°、寬等長的4組明暗相間的平行線條組成，線條間隔寬度等于線條寬度，分辨率板相鄰兩單元的線條寬度的公比為（近似0.94）。分辨率板和保護玻璃采用無色光學玻璃制造，其外形為圓片形。分辨率板各單元明（或暗）線條寬度偏差為±5%，暗線條不得有亮點，明線條上不得有暗點、臟點、麻點等，線條不得有斷線。

3 實驗分析

本文對3個廠家的3臺眼科OCT設備分別使用光學透鏡法進行了測量，測量結果，見表1。

表1 眼底分辨率測試結果

由表1數據可以看出橫向分辨率的檢測數值，廠家聲稱值要優(yōu)于我們設計的光學透鏡檢測裝置。造成這種差異的原因可能有兩個方面：① 衰減片的差異，因為衰減片能夠有效的減小“眩光”現象，目前在設計中沒有考慮減小“眩光”的措施，這也是啟示下一步改進和優(yōu)化檢測裝置的方向；② 是分辨率線對方向的差異，廠家的測試一般是采用單一豎直方向的分辨率線對，這種情況下線對方向與掃描方向垂直，分辨率最高。而本實驗分辨率板是采用相互垂直的4方向線對方向，這樣更能考量OCT設備對于不同方向的分辨能力，體現的是設備的最差分辨率值。

綜上所述，對于不同廠家的儀器，本文的光學透鏡檢測光路可以清晰成像，但是橫向分辨率檢測結果與與廠家聲稱數值存在差異性。但是由于本檢測光路的各部分可拆卸，且均為自行設計，所以參數具有可溯源性，這是本檢測裝置的優(yōu)勢之一。

4 結論與展望

眼底檢查具有重要的醫(yī)學意義，并且已經在臨床上廣泛使用。通過實驗和分析可知本文的眼科OCT光學透鏡檢測檢測光路的設計只是取得了初步的成功，需要進一步改進，以便更客觀和科學地分析眼科OCT設備的技術參數。具體主要有以下三個方向：

（1）眼科OCT設備的研究對象主要針對視網膜等眼底組織，但其反射信號光必須首先要經過眼睛自身的屈光系統(tǒng)。標準檢測裝置的設計可以以人眼生理結構的實測參數為基礎構建一種光學結構模型，用以模擬人眼成像系統(tǒng)，進行眼科OCT設備的橫向分辨率測試，并且具有一定的普適性。另外，在研究過程中忽略了很多非重點的復雜部分，應當考慮這些因素對眼底成像的影響，進而對現有檢測光路進行改進。

（2）眼底組織的光譜特性也是需要考慮的因素。比如，眼底組織對550 nm的黃綠光僅有1.2%～2%的反射率，對750 nm的近紅外光有10%的反射率，入射光波長越長，眼底組織的反射率越高。因此在進行檢測光路設計的時候需要進行考慮。

（3）考慮精密機械裝置的設計，使得檢測光路能夠更好地與眼科OCT設備配用。

[1]張承芬,董方田,陳有信,等.眼底病學[M].第二版.北京:人民衛(wèi)生出版社,2010:15-35.

[2]王育才,陳凱.眼視光學[M].第一版.北京:人民軍醫(yī)出版社,2008:2-6.

[3]Holz FG,Pauleikhoff D,Spaide RF,Bird AC.Age-related macular degeneration[M].Berlin:Springer-Verlag,2004:10.

[4]田文真,李紅梅.糖尿病眼底病變相關因素分析[J].Opt Soc Am A,1998,15(9):2446.

[5]劉青,艾明.光學相干斷層掃墓血管成像技術在糖尿病視網膜病變中的應用[J].國際眼科雜志,2016,16(4):678-680.

[6]胡志熊,郝冰濤,孫欣,等.眼科光學相干斷層（OCT）成像設備等計量研究[J].中國計量,2016,(7):80-82.

[7]He JC,Burns SA,Marcos S.Monochromatic Aberrations in the Accommodated Human eye[J].Vision Res,2000,40(1):41-48.

[8]Atchison DA,Smith G.Chromatic dispersions of the ocular media of the human eyes[J].Opt Soc Am,2005,22(1):29-37.

Discussion on Detection of Lateral Resolution of Ophthalmic Optical Coherence Tomography Scanner

At present,there are several different methods for evaluation of lateral resolution of ophthalmic OCT (Optical Coherence Tomography),in which the optical lens detection method is the most scientifc. This paper focuses on application of the optical lens detection method to realize the detection of lateral resolution of ophthalmic OCT,introduces the theoretical basis and design,and completes the verifcation experiments. The experimental results show that the method meets the test needs of ophthalmic OCT. Meanwhile,this method needs to be optimized from various aspects,such as its optical design.

fundus resolution;optical coherence tomography;optical lens detection method;retinal aberrations

LIU Yan-zhen,MENG Xiang-feng,WANG Hao,REN Hai-ping
Division of Active Medical Devices and Medical Optics,National Institutes for Food and Drug Control,Beijing 100050,China

TH786

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.010

1674-1633(2016)09-0043-03

2016-08-11

2016-08-25

國家科技支撐計劃課題（2015BAI03B00）。

任海萍，中國食品藥品檢定研究院光機電室主任，主任技師。主要研究方向：醫(yī)療器械質量控制，生物醫(yī)學工程。

通訊作者郵箱：renhaiping@nifdc.org.cn