干眼癥檢測儀照明和成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

朱海龍，馮大偉，付威威

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)與工程技術(shù)研究所 醫(yī)學(xué)影像室，蘇州 215000）

干眼癥，又稱角結(jié)膜干燥癥，常見癥狀包括眼睛干澀、容易疲倦、眼癢、有異物感、痛灼熱感、分泌物粘稠、怕風(fēng)、畏光、對外界刺激很敏感等，我國的干眼患病率約在21%-33.7%，目前干眼在世界范圍內(nèi)的發(fā)病率呈逐年上升趨勢，已經(jīng)發(fā)展為一種危及健康的常見病、多發(fā)病。隨著電子屏幕的廣泛使用、環(huán)境惡化、滴眼液的濫用、隱形眼鏡的配戴等原因，干眼癥還將繼續(xù)增多。引起干眼癥的主要原因是眼表淚膜的異常破裂，相關(guān)研究文章表明，干眼癥患者淚膜破裂時(shí)間通常低于10s，正常人眼淚膜破裂時(shí)間一般為 10-45s［1，2，3］。淚膜的破裂時(shí)間長短是判斷是否患有干眼癥的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此準(zhǔn)確有效的檢測出淚膜的破裂時(shí)間對干眼癥的檢查有著重要的意義。

傳統(tǒng)的干眼癥的檢查方法有：裂隙燈檢查、淚液分泌試驗(yàn)（Schirmer I及II試驗(yàn)）、淚膜破裂時(shí)間（Tear Break-up Time，BUT）試驗(yàn)、眼表活體染色試驗(yàn)、淚液滲透壓測定試驗(yàn)，乳鐵蛋白含量測定（Lactoferrin，LF）試驗(yàn)，淚液蕨樣變試驗(yàn)，結(jié)膜印跡細(xì)胞學(xué)檢查，血清學(xué)檢查等。這些傳統(tǒng)評估淚膜穩(wěn)定性的方法為侵犯性淚膜破裂時(shí)間（invasive tear break-up time，IBUT），具有變異性大、重復(fù)性低、易受外界影響等局限性［4］。現(xiàn)代的非入侵式檢查方法有光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)，但是光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)一般成本較高并且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜［5］。而且目前市場上專業(yè)的干眼檢測設(shè)備較少，并且都依賴進(jìn)口，價(jià)格比較昂貴，如德國OCULUS的Keratograph 5M干眼檢測設(shè)備售價(jià)近四十萬人民幣，價(jià)格過于昂貴，國內(nèi)很多中小型醫(yī)院資金短缺，無力購買。針對以上需求，有必要研制開發(fā)一種針對干眼癥狀分析的設(shè)備，替代現(xiàn)有臨床的侵入式的檢查手段，從而減少患者痛苦，替代國外進(jìn)口設(shè)備，降低設(shè)備成本。

本文基于Placido盤的非侵入式的檢驗(yàn)方法，研制了能對人眼表面淚膜破裂時(shí)間進(jìn)行測量的干眼癥檢測儀，基于淚膜破裂時(shí)間的圖像算法，設(shè)計(jì)了照明和成像系統(tǒng)［6］。照明系統(tǒng)可以將Placido盤后表面均勻的照明，在人眼淚膜上可以得到照度均勻的投影圖；為了適應(yīng)儀器整體結(jié)構(gòu)，利用zemax軟件設(shè)計(jì)了工作距為100mm的成像物鏡，優(yōu)化后的物鏡可以得到良好的成像質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的照明和成像系統(tǒng)可以很好的滿足干眼檢測儀整機(jī)要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

圖1 干眼檢測儀照明成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理圖

如圖1，首先LED背光源發(fā)出光將Placido盤照明，將Placido盤上黑白相間的環(huán)形條紋的像投影到人眼表面的淚膜上，然后光經(jīng)過人眼表面淚膜反射，通過成像物鏡，將淚膜表面Placido環(huán)形的投影圖成像在CCD相機(jī)上。當(dāng)人眼表面淚膜完整無破裂時(shí)，CCD相機(jī)上采集到的人眼表淚膜上的黑白相間的圓環(huán)是完整的同心圓環(huán)。當(dāng)人眼表面的淚膜破裂時(shí)，CCD相機(jī)采集到的人眼淚膜上的黑白相間的圓環(huán)隨著淚膜的破裂而扭曲或者不完整。根據(jù)CCD相機(jī)采集到受檢查者的眼表淚膜由完整到破裂時(shí)的一系列圖片，經(jīng)過圖像算法處理，即可得出淚膜破裂時(shí)間，從而判斷出受檢查者淚膜破裂時(shí)間是否異常。

2 LED光源設(shè)計(jì)

考慮到干眼癥檢測時(shí)圖像采集是連續(xù)長時(shí)間采集，為了減少對人眼的刺激，這里選擇中心波長850nm的紅外LED燈珠。為了得到更加容易處理的圖像，算出精確的淚膜破裂時(shí)間，人眼淚膜上的Placido盤投影圖像的黑白環(huán)需要照度均勻，這就要求背光源能將Placido盤后表面均勻照明。因本設(shè)計(jì)里Placido盤相對單個(gè)LED比較大，且單個(gè)LED為近朗伯體發(fā)光，均勻性較差，所以本設(shè)計(jì)在參考國內(nèi)外專利文獻(xiàn)后決定照明光源采用多個(gè)LED環(huán)形排布設(shè)計(jì)［7-9］。為了達(dá)到良好的勻光效果，本文選取一款發(fā)散角150°的LED燈珠，并且在LED焊接電路板后10mm處，加一亞克力光擴(kuò)散板用來勻光。光源設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示，LED分布參數(shù)如表1所示。

圖2 光源LED分布示意圖

表1 LED燈珠分布參數(shù)

將設(shè)計(jì)后加工好的光源裝調(diào)好后，用光譜儀測量照度的均勻性，以placido盤中心為圓心，在每個(gè)白環(huán)前表面（靠近人眼一側(cè)）每隔90°測量一次照度值，得到44個(gè)點(diǎn)的照度值，測量數(shù)據(jù)見表2，然后根據(jù)均勻度計(jì)算公式：

計(jì)算可得Placido盤前表面的照度均勻度為78.7%，這表明本光源設(shè)計(jì)可以比較均勻的將Placido盤后表面照明，滿足整機(jī)系統(tǒng)里圖像算法的均勻度需求。

表2 Placido盤實(shí)測照度值

3 成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及結(jié)果

3.1 成像系統(tǒng)參數(shù)要求

本文選用100萬像素1/2′面陣CCD，具體參數(shù)如表3所示。

表3CCD相關(guān)參數(shù)

根據(jù)表3像元尺寸大小，由奈奎斯特采樣定理（2），可算出本系統(tǒng)要求的截至頻率為90.91lp/mm。

式中，fs為截止頻率，s為像元尺寸。

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

表4 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)選取和優(yōu)化

從光學(xué)設(shè)計(jì)手冊中尋找一款照相物鏡做為初始結(jié)構(gòu)，在zemax軟件里選取物方半物高分別為0mm、4.5mm、6.3mm、9mm四個(gè)視場。根據(jù)選取的照明光源的近紅外LED燈珠的光譜特性曲線，選擇760nm～940nm波段為系統(tǒng)波長，中心波長為850nm。入瞳直徑設(shè)置為12mm。然后將物鏡中的曲率、厚度、玻璃材料等參數(shù)輸入到zemax軟件里。由于所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是小視場小相對孔徑系統(tǒng)，因此可以著重對軸上像差進(jìn)行優(yōu)化，軸外像差可把權(quán)重值設(shè)置相對低一點(diǎn)［11］，在光學(xué)軟件zemax優(yōu)化時(shí)，使用正負(fù)透鏡組合來矯正球差；保留一對雙膠合透鏡來矯正色差，膠合透鏡選用色散差較大的玻璃材料，能有效減少軸向色差；讓靠近光闌的鏡片彎向光闌，使得主光線偏角盡量小，利于軸外像差的校正。優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)像高7.86mm，后工作距30.03mm，筒長78mm，詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表5。整個(gè)系統(tǒng)不但滿足了設(shè)計(jì)需求，還有結(jié)構(gòu)簡單，且玻璃為常用玻璃，制造成本較低等特點(diǎn)。

圖3 優(yōu)化后的鏡頭

表5 鏡頭結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

如圖4所示，彌散斑的均方根（RMS值）在各個(gè)視場均小于CCD像元尺寸5.5um，并且各個(gè)值都接近艾利斑尺寸；圖5所示為系統(tǒng)的MTF曲線，從圖中可看出，在空間頻率值為91lp/mm處全視場MTF值大于0.4，并且MTF曲線接近衍射極限；圖6為系統(tǒng)場曲畸變圖，從圖中可以看出，場曲在全視場最大處不大于0.04mm，全視場最大畸變不大于0.8%；圖7為系統(tǒng)最大視場9mm處的波像差圖，圖中峰谷比為0.17個(gè)波長，小于瑞利判據(jù)0.25個(gè)波長。由以上知，本系統(tǒng)有著良好的成像質(zhì)量，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖4 系統(tǒng)點(diǎn)列圖

圖5 系統(tǒng)MTF圖

圖6 系統(tǒng)場曲畸變圖

圖7 系統(tǒng)9mm視場處波像差圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將上述照明和成像系統(tǒng)加工組裝到整機(jī)后，整機(jī)樣機(jī)如圖8所示，對人眼表面淚膜進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，圖9所示為本設(shè)計(jì)儀器整機(jī)采集到的淚膜上的投影圖片，此時(shí)眼表淚膜上Placido環(huán)形還是完整同心的，由圖9可知淚膜表面圓環(huán)亮度均勻性比較好，說明此系統(tǒng)照明光源設(shè)計(jì)完成了設(shè)計(jì)需求，同時(shí)也可說明物鏡設(shè)計(jì)也完成了成像需求，可以得到質(zhì)量良好的眼表淚膜上的Placido盤的投影圖。

圖8 干眼檢測原理樣機(jī)圖

圖9 實(shí)驗(yàn)效果圖

5 結(jié)論

本文基于Placido盤的原理設(shè)計(jì)出一款便捷的干眼檢測儀，對投影照明系統(tǒng)的LED背光源進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真模擬，得到了良好的人眼表面的照明效果。根據(jù)系統(tǒng)要求，用zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對成像系統(tǒng)進(jìn)行了模擬設(shè)計(jì)，在全視場91mm/lp處mtf值大于0.3，達(dá)到了良好的成像效果。在加工裝配后，本照明成像系統(tǒng)所得到的圖片可以良好的展示出淚膜上Placido盤環(huán)形投影圖像，達(dá)到了整機(jī)系統(tǒng)的需求。

參考文獻(xiàn)

［1］ 張正，李銀花，丁亞麗，等.干眼癥的發(fā)病機(jī)制及治療現(xiàn)狀［J］.中華眼科醫(yī)學(xué)雜志（電子版），2014，4（2）：44-46.

［2］ 劉祖國，楊文熙.干眼癥的發(fā)病機(jī)制［J］.眼科，2005，14（5）：342-345.

［3］ 宋云，趙敏.基礎(chǔ)淚液分泌試驗(yàn)I淚膜破裂時(shí)間檢測的影響因素［J］.中國實(shí)用眼科雜志，2008，26（11）：1196-1198.

［4］ 藍(lán)倩倩，滿平儀，陳琦，等.角膜地形綜合分析儀在干眼診斷中的臨床應(yīng)用［J］.眼科新進(jìn)展，2015，12（35）：1149-1151.

［5］ 黑璐寧.常規(guī)眼科技術(shù)在干眼癥檢查方面的拓展與應(yīng)用［J］.醫(yī)療裝備，2017，30（20）：200-201.

［6］ 隋成華，沃圣杰，高楠，等.基于Placido盤的角膜地形圖儀成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（12）：1-7.

［7］ 隋成華，沃圣杰，徐丹陽，等.角膜地形圖儀中Placido盤及投射照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.光學(xué)精密工程，2017，25（3）：603-610.

［8］ Arid，Karimian，Sepehr，et al.Comparison of corneal topography measurements using Galilei，Orbscan，and placido disk-based topographer systerm ［J］.Journal of Refractive Surgery，2011，27（7）：502-508.

［9］ Ball C P，Levicka，Woolliams E R，et al.Effect of polytetrafluoroethylene（PTEE）phase transition at 19℃on the use of Spectralon as a reference standard for reflectence［J］.Applied Optics，2013，52（20）：4806-4812.

［10］ 張以謨.應(yīng)用光學(xué)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008：576-600.

［11］ 王文生.現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2016：85-120.