眼球多參數(shù)測量系統(tǒng)研究

吳南壽，楊影瑜，王 磊，韓定安，王茗，*熊紅蓮，譚海曙，曾亞光

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理與光電工程學(xué)院，廣東佛山528000）

許多眼科疾病都與眼球參數(shù)密切有關(guān)，如先天性青光眼、閉角型青光眼、近視眼、白內(nèi)障等，其臨床表現(xiàn)為視軸長度等生物參數(shù)的變化。若能及時發(fā)現(xiàn)這些變化，對于早期診斷疾病具有極大的幫助［1-2］。隨著眼科新診療技術(shù)的發(fā)展，快速、準(zhǔn)確地獲取眼球參數(shù)更加突顯其重要性。然而，在測量眼球參數(shù)方面，國內(nèi)主要運(yùn)用的超聲測量法存在很多不足［3］。超聲測量法是一種接觸式測量方法，容易造成交叉感染，不能一次性測量出所有參數(shù)，功能單一，操作麻煩。另外，超聲測量法的測量精度受操作者手法輕重和個人主觀判斷的影響較大，從而導(dǎo)致其測量結(jié)果的不可靠性［4-7］。

針對超聲測量方法的不足，本文提出了光學(xué)法與機(jī)器視覺相結(jié)合的測量方法，研制出了一種高精度測量非接觸式測量的眼球多參數(shù)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能讓白內(nèi)障患者避免A超測量帶來的不適，而且能提高測量精度，使測量誤差控制在0.01 mm以下。除此之外，該系統(tǒng)通過單次測量就可得到多個參數(shù)，大大減少了測量時間，可以用作為白內(nèi)障手術(shù)的參數(shù)檢測，為我國白內(nèi)障的治療提供一種可靠的技術(shù)手段。

1 系統(tǒng)裝置

眼球多參數(shù)測量系統(tǒng)主要由光學(xué)低相干光測量系統(tǒng)和LED圖像分析測量系統(tǒng)兩個部分組成，如圖1所示。圖1中，光學(xué)低相干光測量系統(tǒng)的硬件部分主要由光源、參考臂部分、樣品臂部分、光纖耦合器以及光檢測系統(tǒng)組成，而LED圖像分析測量系統(tǒng)的硬件部分主要包括LED靶環(huán)、二色鏡以及高清CCD攝像頭。

由圖1可知，光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖耦合器將光束均分為兩束分別進(jìn)入?yún)⒖急酆蜆悠繁郏缓髲臉悠繁鄯祷氐臉悠饭夂蛷膮⒖急鄯祷氐膮⒖脊庠俅谓?jīng)過光纖耦合器匯合并發(fā)生干涉，最后光檢測系統(tǒng)提取出干涉信號并將其傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，經(jīng)處理后便可得到角膜厚度、前房深度、晶體厚度、視軸長度、玻璃體厚度以及視網(wǎng)膜厚度等6項參數(shù)。

另外，由LED靶環(huán)照亮的眼球圖像經(jīng)二色鏡后傳入CCD相機(jī)，并由CCD相機(jī)傳入計算機(jī)，經(jīng)處理后便可測出白到白的距離、瞳孔半徑以及角膜曲率等參數(shù)。

2 系統(tǒng)的基本原理

2.1 測量眼軸參數(shù)的原理

眼球多參數(shù)測量系統(tǒng)的核心技術(shù)是時域光學(xué)相干層析技術(shù)（OCT），OCT是一種光學(xué)相干技術(shù)，基本原理是邁克爾遜干涉儀原理［8］，其邁克爾遜干涉儀原理如圖2所示。

邁克爾遜干涉儀的工作原理為：首先光源發(fā)出的光經(jīng)無光能損失且分光比為50∶50的理想分束器分別進(jìn)入?yún)⒖急酆蜆悠繁?，然后從樣品臂返回的樣品光和從參考臂返回的參考光再次?jīng)過分束器匯合發(fā)生干涉，最后通過探測器接收得到干涉信號。

圖1 眼球多參數(shù)測量系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 邁克爾遜干涉儀原理光路

可令光電場的復(fù)數(shù)表達(dá)式為

其中，S（ω）為光源幅度譜，ω為光頻，k為波數(shù)，指數(shù)項kz代表經(jīng)過干涉儀的相位，E（ω，t）代表經(jīng)過時間變量t后的光電場強(qiáng)度。

由于光電探測器是平方強(qiáng)度探測器件，記錄的強(qiáng)度信號正比于光電場強(qiáng)度和其復(fù)共軛乘積的時間平均量。所以探測器探測的與光頻、光程差相關(guān)的信號強(qiáng)度可表示為

其中，S（ω）=|S（ω）|2代表強(qiáng)度功率譜；H（ω）是樣品的響應(yīng)函數(shù)，描述樣品內(nèi)z方向上各層的反射；Re為雷諾數(shù)，RR為參考臂的反射率；φ（ω，Δz）是參考臂引入的相對相位。

從式（2）可以看出，樣品的結(jié)構(gòu)信息可以通過時域或頻域的方法測量。

2.2 測量非眼軸參數(shù)的原理

這部分的硬件部分分別由兩圈環(huán)形LED陣列和高清CCD攝像頭組成，結(jié)合眼球的生物結(jié)構(gòu)與相關(guān)的計算原理即可得出相應(yīng)的非眼軸參數(shù)。

（1）角膜曲率的測量。測量角膜曲率時，兩圈白光LED陣列照亮眼睛，CCD接收眼球的圖像，由于眼球表面是個曲面，不同直徑的兩圈LED陣列在眼球表面反射形成的鏡像直徑會根據(jù)曲面的曲率改變相處虛像并被相機(jī)測量，再進(jìn)行程序的方法處理［9］便得到角膜曲率。

（2）白到白的距離測量。測量白到白的距離時，在感興趣的眼球旁瓣區(qū)域，利用灰度矩邊緣定位法［10］，得出感興趣的眼球旁瓣區(qū)域角膜邊緣像素位置，最后對邊緣像素進(jìn)行最小二乘法擬合計算，可以得到白到白的距離。

（3）瞳孔半徑的測量。測量瞳孔半徑時，在940 nm紅外LED照明下，瞳孔在圖像中對比度比較好，直接使用Canny算子即可提取出瞳孔的邊緣［11］，對邊緣像素進(jìn)行最小二乘法曲線擬合計算［12］，就可以得到瞳孔直徑大小。

3 信號處理

干涉信號處理流程如圖3所示。

圖3 干涉信號處理流程

由圖3可知，干涉信號經(jīng)過光纖耦合器分為兩路進(jìn)入光檢測系統(tǒng)，由探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號并輸入到高通濾波器。由高通濾波器［13］將其直流分量和低頻噪聲濾除，使其成為攜帶被測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的電壓信號。為了進(jìn)一步降低噪聲，提高信噪比，將兩路電壓信號進(jìn)行差分放大［14-15］，再通過帶通濾波器濾除高頻噪聲，然后再用包絡(luò)檢波技術(shù)［16］得到干涉信號的包絡(luò)信息，最后經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，根據(jù)不同位置的包絡(luò)信息準(zhǔn)確檢測出角膜厚度、前房深度、晶體厚度、視軸長度、玻璃體厚度以及視網(wǎng)膜厚度等眼軸參數(shù)。

白到白的距離、瞳孔直徑和角膜曲率3個參數(shù)屬于眼球表面參數(shù)，對此，本文研究的眼球多參數(shù)測量系統(tǒng)采用兩個LED靶環(huán)來計算角膜曲率。首先，采用霍夫變換［17-18］識別LED成圖像的邊緣，再采用最小二乘法擬合各個圓形的圓心，然后根據(jù)LED燈的圓心進(jìn)一步擬合出兩個靶環(huán)的半徑，由文獻(xiàn)［9］中角膜曲率計算方法可得到角膜曲率。

由于虹膜可以吸收綠光而不能吸收紅外光，因此用綠光照射眼球時整個虹膜都為黑色，而用紅外照射眼球時時只有瞳孔為黑色［19］。故測量白到白的距離和瞳孔直徑可分別用一圈綠光LED光源和一圈紅外LED光源照射眼球，再由CCD相機(jī)接收圖像，根據(jù)得到的眼球圖像，通過灰度矩邊緣定位法和Canny邊緣提取算法分別檢測出虹膜和瞳孔的邊緣，最后通過最小二乘法擬合出邊緣的曲線方程，即可算出白到白的距離和瞳孔直徑。

4 結(jié)果分析

本文研究的眼球多參數(shù)測量系統(tǒng)利用LabVIEW軟件平臺完成信號處理，其視軸方向的干涉信號包絡(luò)圖如圖4所示。

由于光在不同的介質(zhì)表面會發(fā)生較強(qiáng)的干涉，故可以根據(jù)干涉信號的包絡(luò)中的不同峰值的相對位置即可算出角膜厚度（CCT）、前房深度（ACD）、晶狀體厚度（LT）、玻璃體厚度（VT）、視網(wǎng)膜厚度（RT）以及視軸長度（AL）等眼軸參數(shù)。

通過圖像分析系統(tǒng)能實時拍攝眼球圖像，本系統(tǒng)可以測得瞳孔直徑（PD）、白到白的距離（WTW）和角膜曲率（K）等非眼軸參數(shù)。

圖4 干涉信號示意

圖5利用本文算法擬合得到的LED圓心，其中圖5a為相機(jī)采集的原始數(shù)據(jù)，圖5b為擬合得到LED圓心。于是根據(jù)文獻(xiàn)［9］即可測量出角膜曲率。

圖5 圖像分析角膜曲率

圖6是利用虹膜和瞳孔對綠光和紅外光的吸收差異準(zhǔn)確提取的虹膜和瞳孔的邊緣圖像。其中圖6a和圖6b中曲線（綠色）分別代表了虹膜的邊緣和瞳孔的邊緣。圖6a中的白點(diǎn)為LED光源（綠色），圖6b中的白點(diǎn)為上文中的兩圈LED靶環(huán)。

圖6 虹膜和瞳孔對光的吸收差異

利用本文研究的系統(tǒng)對5個正常的眼球樣品進(jìn)行探測而得到的眼球的9項參數(shù)與正常眼球參數(shù)［20-21］比較，5次測試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，將正常眼球參數(shù)范圍作為標(biāo)準(zhǔn)差的均值來計算5個正常眼球樣品的標(biāo)準(zhǔn)差，其結(jié)果顯示多次測量正常的眼球樣品都非常接近參考值，測試結(jié)果中最大標(biāo)準(zhǔn)差不超過0.4000，最小標(biāo)準(zhǔn)差可達(dá)0.0192。

表1 5個正常眼球樣品測試結(jié)果

為驗證本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，本文隨機(jī)選取表1中的1個眼球樣品進(jìn)行4次測量，最后計算這個樣品各自參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，該眼球樣品的測試結(jié)果如表2所示。

由表2可知，本文研究的系統(tǒng)的平均標(biāo)準(zhǔn)不確定度約為0.0011。由此可見，本文所研究的系統(tǒng)測量精度非常高。

表2 眼球樣品的5次測試結(jié)果

5 小結(jié)

本文所述的系統(tǒng)采用邁克爾遜干涉儀原理，通過對干涉信號進(jìn)行濾波、放大和解調(diào)計算出了角膜厚度、前房深度、晶體厚度、視軸長度、玻璃體厚度和視網(wǎng)膜厚度等6項眼球視軸參數(shù)。另外，該研究系統(tǒng)通過圖像分析的方法實現(xiàn)了對白到白的距離、瞳孔半徑和角膜曲率等3項參數(shù)非眼軸參數(shù)的準(zhǔn)確測量。本研究的眼球多參數(shù)測量系統(tǒng)可以用作白內(nèi)障手術(shù)的參數(shù)檢測，彌補(bǔ)目前國內(nèi)超聲檢測方法的不足，為國內(nèi)的眼科醫(yī)療提供一項新的技術(shù)。

［1］徐海銘.成人正視眼球三維生物參數(shù)的活體測量分析［D］.溫州:溫州醫(yī)學(xué)院,2004.

［2］劉夷嫦,夏文濤,周行濤,等.高度近視者眼球結(jié)構(gòu)及其功能變化的法醫(yī)學(xué)意義［J］.法醫(yī)學(xué)雜志,2008,24（5）:356-360.

［3］宋文曉.眼球生物測量的超聲方法研究［D］.廣州:南方醫(yī)科大學(xué),2012.

［4］袁怡,丁明躍,謝斌,等.某省三甲醫(yī)院超聲診斷設(shè)備的分析與比較［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2014,35（3）:49-51.

［5］馮若.超聲診斷設(shè)備原理與設(shè)計［M］.北京:中國醫(yī)藥科技出版社,1993.

［6］何守志.超聲乳化白內(nèi)障手術(shù)學(xué)［M］.北京:中國醫(yī)藥科技出版社,2000.

［7］劉奕志.微切口超聲乳化白內(nèi)障手術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀［J］.中山大學(xué)學(xué)報（醫(yī)學(xué)科學(xué)版）,2010,31（6）:731-735.

［8］孟慶剛.邁克爾遜干涉儀的應(yīng)用［J］.黑龍江科技信息,2011（36）:62-62.

［9］趙俊奇,郭智勇,陳安世,等.一種基于圖像處理的人眼全自動角膜曲率計研究［J］.中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報,2011（1）:100-104.

［10］張學(xué)成,楊敏華,張英杰.灰度矩邊緣精確定位法的測量應(yīng)用探討［J］.計算機(jī)測量與控制,2006（11）:1446-1449.

［11］張震,馬駟良,張忠波,等.一種改進(jìn)的基于Canny算子的圖像邊緣提取算法［J］.吉林大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版）,2007,45（2）:244-248.

［12］徐亦唐.基于最小二乘法的曲線擬合及其在Matlab中的應(yīng)用［J］.電子世界,2013（10）:102-103.

［13］武惠杰,郭天興.高通濾波器性能研究［J］.電力電容器與無功補(bǔ)償,2014（2）:5-8.

［14］JAMESKarki.全差分放大器（一）［J］.電子設(shè)計工程,2007（12）:70-73.

［15］JAMESKarki.全差分放大器（二）［J］.電子設(shè)計工程,2008（1）:73-76.

［16］蔡光杰,潘良齡,陳達(dá)夫.一個包絡(luò)檢波器和多通路包絡(luò)檢波器電路:中國,103236820 A［P］.2013-08-07.

［17］孫豐榮,劉積仁.快速霍夫變換算法［J］.計算機(jī)學(xué)報,2001,24（10）:1102-1109.

［18］張佳,程宇龍.基于隨機(jī)Hough變換的圓形目標(biāo)檢測實驗［J］.實驗室研究與探索,2014,33（7）:130-133.

［19］黃新宇,楊睿剛.基于人眼結(jié)構(gòu)分類的虹膜和瞳孔的定位方法:中國,102902967 A［P］.2013-01-30.

［20］余美群.我國人眼光學(xué)數(shù)字模型的建立［D］.南京:南京理工大學(xué),2009.

［21］楊學(xué)秋,李珊珊,趙靜靜,等.眼軸與眼球生物學(xué)相關(guān)參數(shù)的分析［J］.國際眼科雜志,2013,13（9）:1938-1942.