基于智能手機(jī)的眼底成像系統(tǒng)

叢 婧，俎明明，李洪濤，崔笑宇，陳 碩*，席 鵬

(1.北京大學(xué) 工學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，北京 100871；2.東北大學(xué) 中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110167)

1 引 言

視網(wǎng)膜是人眼中的一層透明薄膜，視信息在視網(wǎng)膜上形成視神經(jīng)沖動(dòng)，通過(guò)傳導(dǎo)在腦中建立圖像[1]。一旦視網(wǎng)膜處發(fā)生病變，將會(huì)產(chǎn)生視覺障礙，進(jìn)而影響患者的生活質(zhì)量[2]。通過(guò)視網(wǎng)膜內(nèi)的血管及其他組織情況可以判斷的疾病主要可以分為兩大類，一類是以糖尿病、高血壓、冠心病為代表的與血液有關(guān)的疾病，另一類主要是可以根據(jù)視網(wǎng)膜及其周圍組織的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)判斷的眼底疾病[3-4]。因此，眼底成像檢測(cè)在臨床診斷中顯得尤為重要。

19世紀(jì)中期，德國(guó)科學(xué)家赫爾曼·馮·亥姆霍茲發(fā)明了檢眼鏡，通過(guò)該儀器可以觀察到視網(wǎng)膜上血管以及其他的組織結(jié)構(gòu)。這使得眼科疾病以及其他相關(guān)疾病的診斷取得了飛躍性的進(jìn)展[5]。近年來(lái)，臨床中經(jīng)常采用眼底熒光素血管造影(FFA)、光學(xué)相干層析成像技術(shù)(OCT)、彩色眼底相機(jī)等一系列的手段來(lái)采集眼底圖像[6-9]。FFA檢測(cè)利用熒光素作為造影劑，隨血液流動(dòng)至眼部時(shí)，通過(guò)一組帶有濾波片的眼底相機(jī)，采集到眼底血管的熒光圖像[10]。然而，F(xiàn)FA為侵入性的檢測(cè)手段，且部分患者會(huì)對(duì)造影劑產(chǎn)生過(guò)敏[11]。OCT是一種基于邁克爾遜干涉的非接觸式高分辨率層析成像技術(shù)，但是其檢查價(jià)格較為昂貴且需要專業(yè)的醫(yī)護(hù)人員操作[12-13]。與以上技術(shù)相比，傳統(tǒng)的彩色眼底相機(jī)的檢查費(fèi)用相對(duì)較低，具有采集圖像速度快、無(wú)創(chuàng)等優(yōu)點(diǎn)[14]。但是作為眼底疾病篩查的手段，其體積相對(duì)較大且便攜性差，限制了其在眼科疾病篩查工作的應(yīng)用。因此，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)彩色眼底相機(jī)做進(jìn)一步改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種具有低成本、易操作、便于圖像傳輸?shù)忍匦缘难劭苾x器，具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。Sharma等人通過(guò)支架將眼科前置鏡固定在手機(jī)相機(jī)前方，使用者只需打開手機(jī)閃光燈，即可通過(guò)手機(jī)觀察到眼底情況[15]。該系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但采集過(guò)程易引入雜光及反射光，成像質(zhì)量較低。Maamari等通過(guò)智能手機(jī)附加照明光路及成像光路，成功地獲得了質(zhì)量較好的眼底圖像，但該系統(tǒng)需添加外置的光源為眼底照明，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性[16]。

本文借助智能手機(jī)所具備的便攜性好、像素高、可無(wú)線傳輸、儲(chǔ)存空間大、普及率高等優(yōu)點(diǎn)，以傳統(tǒng)的彩色眼底相機(jī)為基礎(chǔ)，對(duì)照明和成像光路進(jìn)行簡(jiǎn)化及小型化后并應(yīng)用于智能手機(jī)端，提出了一種基于智能手機(jī)的眼底成像系統(tǒng)。另外，在上述基礎(chǔ)上，利用ZEMAX仿真對(duì)設(shè)計(jì)的眼底相機(jī)成像系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，使之具有更好的成像效果。

2 眼底相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)

2.1 眼底相機(jī)的工作原理

本文設(shè)計(jì)的眼底相機(jī)基本結(jié)構(gòu)由成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)組成。按照如圖1所示的光路結(jié)構(gòu)示意圖在光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行搭建，采集到較好的眼底圖像后，將光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行小型化處理，制作成手機(jī)外設(shè)，配合智能手機(jī)進(jìn)行眼底圖像的采集。光線由手機(jī)(酷派5950)自帶的LED燈發(fā)出并通過(guò)多個(gè)反射鏡(PFSQ05-03-P01,Thorlabs)及偏振片1(85-919,Edmund)，經(jīng)過(guò)透鏡(ACL2520,Thorlabs)準(zhǔn)直后經(jīng)分束器(45-313,Edmund Optics)分光，其中反射的光線通過(guò)眼科前置鏡(54D,Ocular MaxField)經(jīng)瞳孔入射至眼底。入射光被視網(wǎng)膜反射后，反射光線經(jīng)人眼光學(xué)系統(tǒng)后，依次經(jīng)過(guò)眼科前置透鏡、偏振片2和中繼透鏡(LA1131-A,Thorlabs)放大后，成像到智能手機(jī)相機(jī)上，實(shí)現(xiàn)視網(wǎng)膜的圖像信息采集。

圖1 基于智能手機(jī)的眼底相機(jī)示意圖 Fig.1 Schematic of the smartphone-based fundus imaging system

由于本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的主要目的是完成某些眼底疾病的初步診斷與篩查，需要清楚地查看視網(wǎng)膜處毛細(xì)血管以及視神經(jīng)乳頭、黃斑等組織的健康狀況，進(jìn)而輔助醫(yī)生進(jìn)行診斷。要獲得較好質(zhì)量的成像，必須對(duì)該系統(tǒng)的主要光學(xué)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定。其中，設(shè)定最小拍攝瞳孔直徑為4 mm；波長(zhǎng)范圍為390～780 nm(可見光范圍內(nèi))；工作距離為15～20 mm；照明光源采用手機(jī)自帶的LED閃光燈?；谏鲜鲈O(shè)定，完成成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與各光學(xué)元件距離計(jì)算，制作基于智能手機(jī)的眼底相機(jī)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終采集到質(zhì)量較好的眼底圖像。

2.2 手機(jī)外設(shè)的小型化處理

手機(jī)外設(shè)小型化的實(shí)現(xiàn)需要利用3D打印技術(shù)，它是第三次工業(yè)革命的代表性技術(shù)之一，也是手機(jī)外設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)小型化處理的關(guān)鍵[17]。測(cè)量各個(gè)鏡片的尺寸與對(duì)應(yīng)的距離后，利用AutoDesk繪制手機(jī)外設(shè)的3D結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)幾何光學(xué)原理計(jì)算及實(shí)際實(shí)驗(yàn)得出該系統(tǒng)中各個(gè)鏡片之間的距離位置等信息，并盡可能地縮小體積，圖2展示了整個(gè)手機(jī)外設(shè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖，隨后，利用3D打印技術(shù)將整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)封裝在一個(gè)密閉的盒子中，制成手機(jī)外設(shè)，具有較好的便攜性。

圖2 手機(jī)外設(shè)設(shè)計(jì)示意圖 Fig.2 Schematic of the smartphone accessory for the portable fundus camera

2.3 眼底相機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用Zemax仿真軟件對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，使用相同焦距的雙膠合透鏡代替原有的眼科透鏡，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)具有相同的仿真效果。通過(guò)模擬基于智能手機(jī)的眼底相機(jī)，得到調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF曲線)，此時(shí)的系統(tǒng)分辨率并不是最優(yōu)值。為了進(jìn)一步改善該系統(tǒng)的分辨率及場(chǎng)曲、畸變等性能指標(biāo)，在仿真軟件的鏡頭調(diào)節(jié)器內(nèi)調(diào)節(jié)各個(gè)鏡片之間的距離，使MTF曲線具有更多的指向平面上的線對(duì)數(shù)，即具有較高的分辨率，并在優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步測(cè)試，使之具有較小的場(chǎng)曲和畸變。

3 結(jié)果與討論

3.1 眼底成像系統(tǒng)參數(shù)分析

利用酷派手機(jī)作為接收?qǐng)D像端進(jìn)行測(cè)試，模擬眼到眼科透鏡的距離為17 mm。還測(cè)試了不同款智能手機(jī)端的最優(yōu)眼底成像工作距離，其結(jié)果如表1所示。

表1 不同智能手機(jī)的最優(yōu)眼底成像工作距離

通過(guò)觀察表1結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)其對(duì)于同一模擬眼的工作距離仍然存在較小的差距，這主要是由于不同手機(jī)型號(hào)的相機(jī)的焦距、分辨率等方面存在細(xì)微的差別。當(dāng)手機(jī)外設(shè)需匹配不同型號(hào)的手機(jī)時(shí)，其工作距離仍然需要進(jìn)行小范圍的調(diào)節(jié)。在下一步的工作中，將把手機(jī)外設(shè)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)式，進(jìn)而完成眼底相機(jī)與不同型號(hào)手機(jī)的匹配。

在光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上得到的模擬眼的采集結(jié)果如圖3所示，通過(guò)觀察不難看出，采集到的圖像已經(jīng)可以清晰地看到視網(wǎng)膜處的微小血管(如圖3中箭頭所指的部分)的分布情況，但由于透鏡安裝座存在一定的厚度，因此采集到的視野范圍較小。而在手機(jī)外設(shè)小型化設(shè)計(jì)中，固定鏡片的安置架厚度較薄，這一弊端得到了有效的改善。

圖3 利用桌面樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行的眼底圖像采集 Fig.3 Fundus image acquired by the table-top prototype system

3.2 眼底成像系統(tǒng)小型化處理分析

為了使該系統(tǒng)更好地與智能手機(jī)匹配，設(shè)計(jì)手機(jī)的配件結(jié)構(gòu)需具有良好的便攜性。整個(gè)結(jié)構(gòu)最終設(shè)計(jì)尺寸為79 mm×88 mm×42 mm，最終的體積不到300 cm3，與手機(jī)具有良好的適配性。

圖4 集成化眼底相機(jī)系統(tǒng)采集的眼底圖像 Fig.4 Fundus image acquired by integrated fundus camera

小型化處理采集到的圖像如圖4所示。在小型化過(guò)程中，3D打印的鏡片安置架的厚度比市面上購(gòu)買的鏡片安置架的厚度要小很多，這為成像提供了更大的有效視野范圍。圖4為集成化眼底成像系統(tǒng)所采集的眼底圖像，通過(guò)觀察圖像可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)直徑為0.1 mm的細(xì)小血管的圖像采集，為醫(yī)院的眼科檢查提供初步的意見，有利于眼科疾病的普查工作的推廣。為了避免反射鏡反射的光線對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成不良的影響，在照明光路中適當(dāng)添加了一部分圓筒形結(jié)構(gòu)，但這又使得光線的利用率大大下降，這也是日后需要改進(jìn)的地方。

3.3 成像系統(tǒng)改進(jìn)結(jié)果

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，利用Zemax光學(xué)仿真軟件對(duì)眼底成像系統(tǒng)光路進(jìn)行仿真及優(yōu)化。通過(guò)選擇不同鏡片并調(diào)節(jié)鏡片之間的距離，獲得了最好的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線，并得到了較小的場(chǎng)曲和畸變。表2為成像系統(tǒng)的Zemax仿真系統(tǒng)參數(shù)。

表2 優(yōu)化后的成像系統(tǒng)鏡頭設(shè)計(jì)

仿真得出平均調(diào)制傳遞函數(shù)曲線如圖5所示。在雙膠合透鏡與人眼的距離為17 mm的情況下，雙膠合透鏡與中繼透鏡的距離約為25 mm，MTF曲線基本上與衍射極限相重合，說(shuō)明此時(shí)的調(diào)制傳遞函數(shù)效果最優(yōu)。該圖像中橫坐標(biāo)為空間分辨率(即每毫米的線對(duì)數(shù))，縱坐標(biāo)為光學(xué)傳遞函數(shù)(OTF)的模量，是衡量光學(xué)傳遞效率的一個(gè)指標(biāo)。在整個(gè)圖像中不難看出，成像系統(tǒng)視場(chǎng)在低于250 lp/mm處的MTF值均大于0.3，基本可滿足查看眼底視網(wǎng)膜的設(shè)計(jì)要求。

圖5 成像系統(tǒng)的平均調(diào)制傳遞函數(shù) Fig.5 Average modulation transfer function of the imaging system

圖6為該成像系統(tǒng)的場(chǎng)曲和畸變圖像，兩圖均可表明該系統(tǒng)的圖像失真情況。在圖6(a)的場(chǎng)曲中，橫坐標(biāo)的單位為微米，可以看出在該系統(tǒng)中，場(chǎng)曲始終小于10 μm。圖6(b)為該系統(tǒng)的畸變，橫坐標(biāo)為百分比，成像系統(tǒng)的畸變保持在0.2%范圍內(nèi)。

圖6 Zemax仿真系統(tǒng)的(a)場(chǎng)曲與(b)畸變 Fig.6 (a)Field curvature and (b)distortion of Zemax simulation results

綜上所述，該設(shè)計(jì)具有較好的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，并且場(chǎng)曲和畸變較小，優(yōu)化后的成像系統(tǒng)的性能得到了進(jìn)一步的提高，為下一步的研究提供了參考。

4 結(jié) 論

利用智能手機(jī)便攜性好、普及率高、可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款基于智能手機(jī)的眼底成像系統(tǒng)，其工作距離約為17 mm，且體積不到300 cm3。在該眼底成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，使場(chǎng)曲小于10 μm，畸變小于0.2%，為下一步的研究提供了有益的參考。該系統(tǒng)可以輔助眼科疾病的遠(yuǎn)程醫(yī)療，并可滿足以糖尿病視網(wǎng)膜病變?yōu)榇淼难劭萍膊〉纳鐓^(qū)篩查要求。與傳統(tǒng)的眼底相機(jī)相比，基于智能手機(jī)的眼底相機(jī)具有良好的便攜性、價(jià)格低廉、無(wú)創(chuàng)、可存儲(chǔ)與傳輸?shù)榷喾矫娴膬?yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將有助于眼科疾病的社區(qū)篩查工作，有利于提高醫(yī)生的工作效率及醫(yī)療資源的合理配置。