基于移動智能終端的便攜式眼底圖像檢測儀

卜朝暉，王 亮，陳海銀，朱詩駿，徐秋怡，劉銀銀

(上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093)

基于移動智能終端的便攜式眼底圖像檢測儀

卜朝暉，王 亮，陳海銀，朱詩駿，徐秋怡，劉銀銀

(上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093)

提出了一種便攜式眼底圖像檢測系統(tǒng)，連接在移動智能設備上對眼底圖像進行拍攝、存儲、顯示和解析。采用緊湊精密的光路結構開發(fā)了基于Android的圖像處理與解析軟件，并通過智能終端自帶的遠程消息發(fā)送軟件，可將眼底圖像遠程傳送給專業(yè)醫(yī)生進行臨床診斷。仿真結果表明，照明均勻性超過85%，雜散光在2%內(nèi)。實驗結果表明，該檢測儀光學系統(tǒng)的視場為45°、工作距離為30 mm、總長度<180 mm，可實現(xiàn)眼光焦度補償范圍為-10～+5 m-1，成像清晰，畸變<6%。實現(xiàn)了對眼底檢查的遠程移動醫(yī)療。

移動智能終端；眼底圖像；Android；移動醫(yī)療

通過觀察眼底視網(wǎng)膜圖像，可以幫助眼科醫(yī)生診斷許多常見的疾病，如青光眼等，對于這類病變，及早在眼底檢查中診斷出來，并及時進行治療，將大幅降低病情惡化的風險，治療費用也相對較低[1]。

目前，臨床上常用的眼底檢查設備主要包括 4種：檢眼鏡(Ophthalmoscope)[2-3]、眼底相機(Fundus Camera)[4]、激光掃描檢眼鏡(Scanning Laser Ophthalmoscope, SLO)[5]、光學相干斷層成像(Optical Coherence Tomography, OCT)[6-7]。這4種眼底檢查設備中，檢驗鏡結構簡單、操作方便，但缺點在于需要在暗室環(huán)境下進行檢測，圖像不能存儲[8]。激光掃描檢眼鏡(SLO)和光學相干斷層成像(OCT)是新興發(fā)展的技術，尚不成熟，且設備成本昂貴。眼底照相機具有較高的成像分辨率、技術成熟，且無需在暗室條件下進行操作，是目前應用最為廣泛的眼底檢查設備。傳統(tǒng)的眼底照相機結構繁雜、體積較大、造價較高，只能在醫(yī)院由專業(yè)眼科醫(yī)生進行操作。因此，為方便患者在家庭或社區(qū)進行眼底檢查，需要一種低成本的便攜式眼底圖像檢測儀[9]，可以直接連接到移動智能設備上完成對眼底圖像的拍攝和解析[10]，并可遠程傳送眼底圖像，希望改變目前患者只能去大醫(yī)院進行眼底檢查的現(xiàn)狀，實現(xiàn)眼底檢查的遠程移動醫(yī)療。

1 光路系統(tǒng)設計方案

設計便攜式眼底圖像檢測儀的光路系統(tǒng)如圖1所示。光源發(fā)出的照明光線經(jīng)準直透鏡變成平行光入射到孔徑光闌，由孔徑光闌調整進光量后再通過環(huán)形光闌變成環(huán)形光，照射到中空反射鏡的鏡面部分，經(jīng)過鏡面反射再由聚光鏡將光線聚焦在瞳孔附近，最后光線通過眼睛的晶狀體形成平行光照射到視網(wǎng)膜上。

眼底反射的成像光線經(jīng)由晶狀體和聚光鏡折射后聚焦在空反射鏡的中空部分，再經(jīng)過近攝鏡和手機鏡頭光線被匯聚到手機內(nèi)部的CMOS圖像傳感器上，感應后生成眼底圖像[11]。

圖1 便攜式眼底圖像檢測儀的光路系統(tǒng)

1.1 照明光路

人眼本身不發(fā)光，為了采集眼底圖像需用外部光源將眼底照亮。設計采用LED白光源，光照均勻且人眼耐受。由光源發(fā)出的光首先經(jīng)過孔徑光闌，可對光斑直徑進行調節(jié)。首先，調整孔徑光闌至小光圈(直徑約1～2 mm)，準確地將光線送入患者眼中后調整孔徑光闌至大光圈(直徑約2～3 mm)，大光圈可以更加清晰地看到黃斑周圍的眼底血管圖像。其次，光線經(jīng)過環(huán)形光闌形成一個環(huán)形光斑，用以降低眼角膜反射產(chǎn)生的雜散光影響[12]。環(huán)形光照射到45°放置的中空反射鏡的環(huán)形反射面上，然后經(jīng)過聚光透鏡被聚焦到患者的瞳孔處。中空反射鏡允許照明光路與成像光路處于同一水平軸線上，簡化了光路，同時，以45°傾角放置可以準確地將照明光線送入眼底，并可將照明光線與成像光線有效分離，成像清晰。最后，照明光線經(jīng)過眼睛的晶狀體照射到眼底，經(jīng)眼底反射產(chǎn)生成像光線。

1.2 成像光路

生成眼底圖像的成像光線從眼底射出，經(jīng)過聚光透鏡聚焦于中空反射鏡的中空部分。從而可以實現(xiàn)與入射的照明光線完全分離。

為減小光學系統(tǒng)的總長度，在手機鏡頭前安裝一個近攝鏡，近攝鏡是一種簡易的微距拍攝工具，其作用是縮短最近對焦距離，使得手機鏡頭可以實現(xiàn)近距離拍攝而不致于失去焦點而變得模糊，從而形成眼底的清晰圖像。

1.3 評價指標 觀察兩組患者在整個治療過程中可能出現(xiàn)的并發(fā)癥，如惡心嘔吐等消化道反應、壓瘡、感染、靜脈炎及穿刺部位血腫等。在治療結束后，采取不記名的問卷調查形式對患者此次所接受的護理服務進行總體評價。包含護理工作人員對患者的常規(guī)護理、用藥指導、飲食建議、心理疏導及并發(fā)癥護理，每方面20分，共100分。計分方式為滿意為20分、較滿意為10分、不滿意5分，總計得分>80分，則評價為對此次護理滿意；總分60～80分表示較滿意；總分<60分表示不滿意[7-8]?？傮w滿意度為滿意率加較滿意率之和。

2 雜散光的消除

由于視網(wǎng)膜的反射率僅為 0.001%～0.1%，角膜的反射率是其20～200倍[13]，系統(tǒng)中光學元件散射及反射光的強度也遠大于眼底反射光，這些都產(chǎn)生了嚴重的雜散光[13]。在眼底成像中，雜散光是影響其成像質量的主要因素，為消除雜散光的影響，設計采用了以下措施。

2.1 使用孔徑光闌

一個均勻連續(xù)的光源照明可以減少雜散光的形成。同時，通過控制照明光斑在瞳孔處的尺寸，可以降低角膜反射對成像的影響。孔徑光闌可以控制光源的進光量與光斑大小，醫(yī)生可以根據(jù)實際看到的圖像對孔徑光闌進行實時調整。

2.2 利用環(huán)形光照明

圖2顯示了當有光線照射眼睛時角膜的反射情況。圖2(a)中，照明光線以一定的角度入射到角膜上一點，入射光線剛好原路返回，此時入射光線為臨界狀態(tài)；圖2(b)中，入射光線的入射點高于圖2(a)，此時反射光線被反射出成像光路；圖2(c)中，入射光線的入射點低于圖2(a)，此時反射光線進入成像光路。因此，通過環(huán)形光闌將入射光變?yōu)榄h(huán)形光，再由中空反射鏡將該環(huán)形光射入瞳孔，由于環(huán)形光在角膜上的入射角度較大，使得反射光線被反射出成像光路，從而避免了反射光對眼底成像的干擾[14]。

圖2 光線照射眼睛時角膜的反射情況

3 圖像處理與解析軟件設計

3.1 軟件的功能

基于Android的圖像處理與解析軟件的功能如圖3所示，該軟件主要由眼底圖像檢測、圖像回顧、構造HL7消息發(fā)送、用戶管理、系統(tǒng)設置、圖像知識閱讀功能等6個功能模塊組成[15]。

圖3 軟件的功能

3.2 軟件的流程圖

根據(jù)軟件的功能，繪制該軟件的流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

3.3 數(shù)據(jù)庫設計

軟件概念結構設計的ER圖，如圖5所示。

圖5 軟件ER圖

4 系統(tǒng)結構設計及技術要求

4.1 光路結構圖

采用緊湊精密的光路，設計了可與移動智能設備相連接的便攜式眼底圖像檢測儀，其光路部分的結構如圖6所示。

圖6 便攜式眼底圖像檢測儀光路部分的結構

按照手機外形設計了與之緊密吻合的接口支架，構成了手機攝像頭與便攜式眼底圖像檢測儀光路部分的連接通道，使成像光路所生成的眼底圖像可以被手機攝像頭精確地捕獲到。

4.2 主要光學技術指標

根據(jù)臨床檢測需要，眼底的觀察范圍一般在12～14 mm，正常人眼焦距是16.6 mm[16]，根根據(jù)視場和視場角之間的轉換關系

Y=2feye·tanω

(1)

式(1)中，Y為視場高度；feye為人眼焦距；ω為半視場角。將上述參數(shù)代入式(1)，并取ω=22.5°，即視場角為45°，則可以對眼底13.25 mm的范圍成像。

系統(tǒng)總長定為180 mm以滿足便攜的要求，屈光度調節(jié)范圍定為-10～+5 m-1以適用于普遍的人眼屈光度差異。將瞳孔位置作為成像系統(tǒng)的孔徑光闌，考慮照明及雜光的影響，入瞳直徑定為3 mm。眼底檢測儀的物方工作距離為30 mm。綜上所述，系統(tǒng)的主要光學技術指標如表1所示。

表1 系統(tǒng)的主要光學技術指標

5 系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)的技術要求，在光線追跡軟件LightTools里建立眼底成像儀光學系統(tǒng)的模型，如圖7所示。采用軟件中自帶的眼球模型，分析系統(tǒng)的照明均勻性和雜散光對視網(wǎng)膜成像的影響。設置角膜的反射率為4%，視網(wǎng)膜為反射率10%的朗伯散射，假設接目物鏡各鏡面的反射率均為2%，而其他鏡面為100%透射，設置光源光功率為1 W，每次追跡100萬根光線。

圖7 眼底成像儀光學系統(tǒng)在LightTools中的仿真模型

眼底照明的均勻性與光源的大小和出射角有關。眼底成像儀的照明系統(tǒng)不但要保證對眼底照明的均勻性，還要滿足從眼底發(fā)出的光線能夠均勻的在像面上成像。

圖8 照度分布曲線圖

在圖8所示的照度分布曲線圖中，對眼底12 mm范圍內(nèi)的照明區(qū)域，中心點的功率密度Pcenter為0.151 mW/mm2，照明區(qū)域內(nèi)85%位置上的功率密度P85%為0.135 mW/mm2，最大功率Pmax為0.154 mW/mm2。定義照明眼底均勻度U為[17]

(2)

則設計的照明系統(tǒng)，采用在角膜處形成3～6 mm的環(huán)形光斑、出射角為30°的光源，對眼底12 mm范圍內(nèi)照明時，照明均勻度可達85%，滿足系統(tǒng)使用需求。

光學系統(tǒng)中的鏡片都具有一定的反射率，來自接目物鏡的雜光經(jīng)過其后的成像系統(tǒng)，會形成鬼像。通過光線追跡模擬，每個鏡面反射的光斑在像面的形狀和光能量分布數(shù)據(jù)都可獲得，本系統(tǒng)的雜光能量占像面總光能不超過2%，滿足設計要求。

6 測試實驗與結果分析

將智能手機的鏡頭和本設計的光學系統(tǒng)相連接，拍攝屈光度可調的Heine Ophthalmoscope Trainer模型眼眼底圖像，如圖9所示。

圖9 拍攝屈光度不同的模型眼眼底圖像

圖中血管輪廓和中央黃斑在-10～+5 m-1的各個屈光度下都能清晰成像。實驗結果表明，該眼底成像儀光學系統(tǒng)的視場為45°、工作距離為30 mm、總長度<180 mm，成像清晰，畸變<6%，滿足對眼底成像的各項技術要求。

7 結束語

采用一種新型緊湊光學結構，設計了一款視場為45°，工作距離為30 mm，光學系統(tǒng)總長為180 mm的便攜式眼底圖像檢測儀，經(jīng)實驗驗證，能夠滿足對-10～+5 m-1屈光度的人眼視網(wǎng)膜清晰成像。與傳統(tǒng)眼底照相機相比，該檢測儀結構更加簡單、緊湊，可以直接連接移動智能終端，操作方便，可供患者家屬或者社區(qū)醫(yī)生使用，同時開發(fā)了基于Android系統(tǒng)的圖像處理與解析軟件，可對眼底圖像進行自動拍攝、存儲、顯示和解析，并可利用移動智能終端自帶的遠程消息發(fā)送軟件，將眼底圖像遠程傳送給專業(yè)醫(yī)生進行臨床診斷與分析，實現(xiàn)了眼底檢查的遠程移動醫(yī)療。

[1] Agarwal A,Gulia S,Chaudhary S,et al.A novel approach to detect glaucoma in retinal fundus images using cup-disk and rim-disk ratio[C].CA,USA:International Work Conference on Bioinspired Intelligence,IEEE, 2015.

[2] Tuten W S,Tiruveedhula P,Roorda A.Adaptive optics scanning laser ophthalmoscope-based microperimetry[J].Optometry & Vision Science Official Publication of the American Academy of Optometry,2012,89(5):563-74.

[3] Webb R H, Hughes G W, Delori F C.Confocal scanning laser ophthalmoscope[J].Applied Optics, 1987,26(8):1492-1499.

[4] Klein R,Meuer S M,Moss S E,et al.Detection of drusen and early signs of age-related maculopathy using a nonmydriatic camera and a standard fundus camera[J].Ophthalmology,1992,99(11):1686-1692.

[5] Tuten W S,Tiruveedhula P,Roorda A.Adaptive optics scanning laser ophthalmoscope-based microperimetry[J].Optometry & Vision Science Official Publication of the American Academy of Optometry,2012,89(5):563-74.

[6] Huang D,Swanson E A,Lin C P,et al.Optical coherence tomography[J].Science,1993,254(5035):1178-81.

[7] 呂帆.眼視光器械學[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2009.

[8] 王英麗.眼底檢測儀器—檢眼鏡[J].中國眼鏡科技雜志,2016(1):131-133.

[9] Riva C,Ben-Sira I.Two-point fluorophotometer for the human ocular fundus[J].Applied Optics,1975,14(11):2691-2693.

[10] 何偉,姜寶光.便攜式眼底相機:CN202078293U,中國[P].2011.

[11] 李春才,鞏巖,李晶,等.可誘導人眼自動調焦的眼底相機光學系統(tǒng)設計[J].光學學報,2014(4):211-217.

[12] 王肇圻,許妍.基于眼模型的數(shù)字眼底相機設計[J].光學精密工程,2008,16(9):1567-1571.

[13] 鐘興,張雷,金光.反射光學系統(tǒng)雜散光的消除[J].紅外與激光工程,2008,37(2):316-318.

[14] 蕭澤新.眼底電視光學系統(tǒng)的設計[J].光學技術,2005,31(2):170-172.

[15] 林晨,張夢杰.Android平臺圖像處理軟件框架的研究與設計[J].硅谷,2011(23):92-93.

[16] Lu Fan.Ocular optics[J].Chinese Journal of Optometry &Ophthalmology,2001,3(1):53-55.

[17] Haishui Y,Zhishan G,Ting L.Optical configuration of fundus camera based on inner focusing manner[J].Chinese Optics Letters,2010,8(7):689-692.

The Portable Ocular Fundus Image Detecting Instrument Based on Mobile Intelligent Terminal

BU Zhaohui，WANG Liang，CHEN Haiyin，ZHU Shijun，XU Qiuyi，LIU Yinyin

(School of Medical Instrument and Food Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

A portable ocular fundus image detector is designed to be connected to mobile smart devices for capturing, storaging, displaying and analyzing of the ocular fundus image. A compact precision optical system is designed ,and a image processing and analysis software based on Android system is developed. By means of using the remote message sending software that come with mobile intelligent terminal, ocular fundus image is remotely transmitted to professional doctors for clinical diagnosis. Simulation results show that the illumination uniformity at the fundus exceeds 85%, and the stray light is within 2%. The experiment results that the ocular fundus image detector with a field of view of 45°,working distance of 30 mm,and overall length of 180 mm can adapt to eyes with diopter rank from -10 m-1～+5 m-1and the maximum distortion of fundus image is less than 6%. is developed. Thus this design realizes the remote mobile medical examination of the ocular fundus.

mobile intelligent terminal; ocular fundus images; Android; mobile medical

2016- 11- 16

卜朝暉(1971-)，男，博士，講師。研究方向：微弱信號處理與檢測。王亮(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：生物醫(yī)學信號處理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.005

TN919.8;TP391.41

A

1007-7820(2017)09-016-04