基于近紅外圖像處理的便攜式干眼診斷儀研究

魏琪，李杰,，邱選兵，馬晉，李帥偉，郭古青，李傳亮，尚建平

（1.太原科技大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西瑞豪生物科技有限公司，山西 太原 030025）

0 引言

干眼是目前眼科中最為常見(jiàn)的疾病之一，全球的干眼病發(fā)率大約為21%～30%[1]。進(jìn)入21 世紀(jì)由于電子產(chǎn)品的廣泛普及，再加上人們過(guò)度使用，導(dǎo)致眼睛瞬目次數(shù)減小，干眼患者數(shù)量不斷攀升。干眼對(duì)患者的視覺(jué)質(zhì)量有較大影響[2]，患者數(shù)量隨年齡增長(zhǎng)有增加的趨勢(shì)[3]?；谀壳案裳郯l(fā)病率趨勢(shì)，需要盡快制造出快速、準(zhǔn)確的干眼診斷設(shè)備。

國(guó)外在這方面的研究諸如，德國(guó)OCULUS 公司研發(fā)的Keratograph 5M 眼表綜合分析儀，以Placido環(huán)為基礎(chǔ)，通過(guò)眼表屈光度來(lái)檢測(cè)淚膜破裂位置和時(shí)間，然而其計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)[4]。美國(guó)TearScience 公司LipiViewⅡ的眼表干涉儀，通過(guò)光學(xué)干涉儀原理分析眼睛脂質(zhì)層圖像，根據(jù)脂質(zhì)層的薄厚情況進(jìn)行干眼癥診斷，成本較高[5]。意大利CSO Antares 眼表綜合分析儀，使用LED 白色光源，紅外光源和鈷藍(lán)色光源相結(jié)合的方式，綜合檢查眼表疾病，包含瞳孔計(jì)，角膜地圖等，具有淚液穩(wěn)定度分析、瞼板腺紅外透射成像及淚河高度拍攝的功能[6]。然而這些設(shè)備體型較大，成本昂貴，技術(shù)壟斷。國(guó)內(nèi)，李萌萌等人[7]研發(fā)的非接觸式紅外線成像分析儀，軟件系統(tǒng)借助ImageJ 手動(dòng)標(biāo)記，過(guò)程較為繁瑣。文獻(xiàn)[8]使用互信息配準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)淚膜內(nèi)環(huán)匹配進(jìn)行干眼診斷，但被測(cè)者眼睛晃動(dòng)會(huì)對(duì)其算法產(chǎn)生影響。

針對(duì)上述存在的種種不足，提出了一種基于近紅外圖像的便攜式干眼診斷儀，不僅利用瞼板腺近紅外成像檢測(cè)瞼板腺面積缺失率，而且利用分形盒維數(shù)法進(jìn)行非侵入式淚膜破裂時(shí)間分析。

瞼板腺（meibomian gland,MG）是眼皮瞼板內(nèi)垂直排列的皮脂腺，由大量的彈力輕柔纖維、密集的結(jié)締組織和豐富的瞼板腺體所構(gòu)成。通過(guò)計(jì)算瞼板腺的腺體缺失面積的百分比來(lái)衡量瞼板腺的好壞。如果瞼板腺面積確實(shí)百分比小于25%是正常的，如果大于25%則是干眼癥。

淚河高度（tear meniscus height,TMH）指上下瞼緣之間的距離。淚河高度越大則干眼癥狀越輕。

淚膜破裂時(shí)間（tear film break-up time,TBUT）醫(yī)學(xué)上又稱(chēng)為淚膜濕潤(rùn)時(shí)間。指上一次完全瞬目后，淚膜發(fā)生破裂出現(xiàn)第一個(gè)干燥斑所需要的時(shí)間，淚膜破裂檢測(cè)時(shí)間越短，干眼癥情況越嚴(yán)重。

為了驗(yàn)證本儀器，采用了兩種商用干眼診斷儀進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

1 干眼診斷儀

干眼診斷儀主要完成淚膜破裂時(shí)間、淚河高度和瞼板腺的干眼檢測(cè)。設(shè)備包括兩部分：Windows 計(jì)算機(jī)和圖像采集模塊。通過(guò)圖像采集模塊采集患者眼睛表面的圖像或視頻信息，然后通過(guò)USB 接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎indows 計(jì)算機(jī)軟件。軟件系統(tǒng)通過(guò)對(duì)采集到的信息進(jìn)行分析處理，形成最終的診斷結(jié)果。硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 干眼檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of dry eye detector

1.1 圖像采集模塊

圖像采集模塊主要包括CMOS 攝像頭、850 nm 紅外窄帶濾光片和光學(xué)鏡頭、補(bǔ)光燈、音圈馬達(dá)、Placido環(huán)形遮罩，實(shí)現(xiàn)干眼診斷的表面圖像采集。圖像采集使用CMOS 相機(jī)（800 萬(wàn)像素，1/2.5 感光尺寸，最大分辨率達(dá)3840×2160）采集圖像，紅外濾光片用于可見(jiàn)光過(guò)濾，補(bǔ)光燈被用于紅外補(bǔ)光，音圈馬達(dá)用于焦距調(diào)整，淚膜投影使用Placido 遮罩。

圖2(a)、(b)、(c)、(d)分別為補(bǔ)光燈、Placido 遮罩、控制驅(qū)動(dòng)板、成品實(shí)物圖。如圖1 為圖像采集過(guò)程示意圖，補(bǔ)光燈發(fā)出近紅外光將Placido 遮罩上黑白相間的環(huán)形條紋投射到被測(cè)者的眼角膜上，然后在被測(cè)者眼角膜表面的淚膜形成反射，經(jīng)過(guò)紅外濾光片和成像物鏡后到達(dá)CMOS 傳感器，計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口接收到CMOS 傳感器采集的圖像[9]。

圖2 實(shí)物圖Fig.2 Photo of real product

1.2 Windows 計(jì)算機(jī)

用Windows 計(jì)算機(jī)安裝該診斷軟件，使用軟件完成分析和顯示，Windows 計(jì)算機(jī)運(yùn)行內(nèi)存8 GB，硬盤(pán)容量128 GB，以保證軟件的運(yùn)行需求，CMOS 鏡頭和驅(qū)動(dòng)板通過(guò)USB3.0 接口受計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)干眼設(shè)備數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理功能的有效配合。

2 算法原理

2.1 對(duì)比度受限的自適應(yīng)直方圖均衡

對(duì)比度受限的自適應(yīng)直方圖均衡算法（contrastlimited adaptive histogram equalization,CLAHE）是一種局部對(duì)比度增強(qiáng)的圖像處理算法[10]，用于克服全局直方圖均衡化過(guò)程中增強(qiáng)或遺漏部分細(xì)節(jié)和使噪聲放大的缺陷[11]。為了提取瞼板腺的面積，在檢測(cè)腺體的過(guò)程中，需要使瞼板腺腺體和非腺體的局部對(duì)比度進(jìn)行增強(qiáng)。為了增強(qiáng)瞼板腺腺體、非腺體的局部對(duì)比度，本文采用的是CLAHE 算法。下面是具體的算法。

設(shè)置每個(gè)小窗口區(qū)域直方圖幅度上限，對(duì)局部區(qū)域?qū)Ρ榷冗^(guò)增強(qiáng)進(jìn)行限制[12]，假設(shè)M×M為局部自適應(yīng)直方圖均衡化算法的滑動(dòng)窗口，則其局部映射函數(shù)為：

式中：CDF(i)為滑動(dòng)窗口局部直方圖累積的分布函數(shù)；Hist(i)為CDF(i)的直方圖；m(i)為局部映射函數(shù)；其斜率S為：

通過(guò)限定直方圖高度就可以間接地限定m(i)的斜率S。若設(shè)置的最大斜率對(duì)應(yīng)的直方圖高度為：

則改進(jìn)之后的直方圖結(jié)果為：

如圖3(c)和(d)所示，CLAHE 算法處理后，瞼板腺圖的局部對(duì)比度較圖3(a)提升明顯，使后期提取腺體區(qū)域的結(jié)果更準(zhǔn)確[13]。

圖3 瞼板腺直方圖Fig.3 MG histogram

2.2 分形盒維數(shù)

分形盒維數(shù)法的原理是用大小相同的容器遮蓋一個(gè)分形，然后計(jì)算遮蓋該分形所需的容器數(shù)量。當(dāng)容器的大小發(fā)生變化時(shí)，用來(lái)遮蓋原始分形的容器數(shù)量也需要做相應(yīng)的改變，這樣就可以得到分形的維數(shù)[14]。

分形盒維數(shù)法是常用的圖像分形處理算法，對(duì)于黑白相間的并具有一定的分形規(guī)律的圓環(huán)形淚膜圖形，使用盒維數(shù)法區(qū)分淚膜黑白環(huán)的破裂程度，解決差分檢測(cè)前后兩幀淚膜圖像時(shí)所出現(xiàn)的檢測(cè)結(jié)果不夠準(zhǔn)確的問(wèn)題非常有效。

設(shè)F是Rn空間中的一個(gè)非空有界的子集，Nr(F)表示遮蓋F的最小容器數(shù)，r為遮蓋F集的容器的最大的直徑，若公式(5)右邊最小容器數(shù)有極限，則F的分形維數(shù)表示為[15]：

圖4(a)、(b)、(c)、(d)分別表示瞼板腺未破裂邊緣檢測(cè)示意圖、未破裂分形維數(shù)分塊示意圖、破裂邊緣檢測(cè)示意圖、破裂分形維數(shù)分塊示意圖。將用極坐標(biāo)表示的淚膜邊緣圖分割為若干小塊，計(jì)算這些小塊的FD值，以此來(lái)判斷小塊區(qū)域內(nèi)的淚膜是否發(fā)生了破裂，如果FD＝1，則表示正常，F(xiàn)D＞1，表示淚膜區(qū)域內(nèi)有部分發(fā)生了形變，F(xiàn)D＜1，則說(shuō)明淚膜發(fā)生了破裂[16]。如圖4(b)所示，變形和破裂區(qū)域用藍(lán)色表示，正常區(qū)域用紅色表示，(d)圖和(b)圖相比，很明顯藍(lán)色區(qū)域的面積有了明顯的增加。將這些破裂區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，當(dāng)其面積超過(guò)100時(shí)，則淚膜可以判定為破裂。

圖4 未破裂與破裂區(qū)域分形維數(shù)Fig.4 Fractal dimension diagram for the unbroken and broken regions

3 干眼診斷軟件界面設(shè)計(jì)

干眼診斷軟件界面設(shè)計(jì)使用Visul Studio 2017 作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，基于c# MFC 界面開(kāi)發(fā)，采用Mysql管理患者數(shù)據(jù)庫(kù)。軟件界面框架構(gòu)成如圖5 所示。

圖5 軟件用戶界面框架Fig.5 Software user interface framework

患者信息管理頁(yè)面如圖6 所示，主要進(jìn)行各個(gè)患者數(shù)據(jù)的添加、刪除、查看、修改等操作。新建檢查頁(yè)面包括3個(gè)檢查內(nèi)容：淚膜破裂時(shí)間（tear film breakup time,TBUT）、瞼板腺、淚河高度。設(shè)置頁(yè)面主要包括設(shè)置樣本保存路徑和語(yǔ)言。設(shè)備信息頁(yè)面包含版本號(hào)、開(kāi)發(fā)者信息等。

圖6 患者信息管理界面Fig.6 Patient management interface

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該干眼診斷設(shè)備的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試。共選取50 名被測(cè)者進(jìn)行干眼實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，并將結(jié)果與CSO Antares（安達(dá)斯）設(shè)備和意大利的SBM 公司的ICP OSA 結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

4.1 實(shí)驗(yàn)樣本

抽取了50 名上班人員進(jìn)行檢測(cè)，并要求他們?cè)跈z測(cè)前保持正常睡眠，不允許使用類(lèi)似的如滴眼液等影響干眼檢測(cè)結(jié)果的藥物。

4.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)儀器使用兩臺(tái)市面上的干眼檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，其中CSO 安達(dá)斯Antares 設(shè)備和意大利SBM 公司研發(fā)的ICP OSA 作為參考標(biāo)準(zhǔn)，兩臺(tái)設(shè)備如圖7(a)、(b)所示。

圖7 Antares 和OSA 設(shè)備Fig.7 Antares and OSA instruments

4.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為沒(méi)有陽(yáng)光直射的房間，對(duì)50 名被測(cè)者依次使用3 種設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。圖8 是本文干眼診斷儀檢測(cè)到的某個(gè)被測(cè)者的顯示結(jié)果，圖8(a)為在近紅外補(bǔ)光燈下拍攝瞼板腺的檢測(cè)結(jié)果，其中瞼板腺區(qū)域用紅色表示，瞼板腺腺體區(qū)域用綠色表示，瞼板腺缺失部分在是紅色區(qū)域中顯示的未檢測(cè)到的部分，通過(guò)計(jì)算缺失的瞼板腺面積所占百分比來(lái)評(píng)估瞼板腺缺失的程度[17]。圖8(b)顯示的檢測(cè)結(jié)果是淚河高度，以綠色選中的瞳孔區(qū)域?yàn)榛鶞?zhǔn)，標(biāo)定得到上下瞼緣之間的淚河高度，干眼癥嚴(yán)重程度隨著淚河高度加大而癥狀越輕，淚液分泌越多[18]。圖8(c)左側(cè)綠色區(qū)域?yàn)闄z測(cè)到的淚膜區(qū)域，發(fā)生破裂的區(qū)域用橙色、紅色表示，顏色越深，表示淚膜破裂時(shí)間越短，癥狀越嚴(yán)重。圖8(d)的結(jié)果為淚膜破裂檢測(cè)的所有區(qū)域檢測(cè)時(shí)間標(biāo)記[19]。

圖8 干眼診斷結(jié)果Fig.8 Dry eye diagnosis results

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了淚膜破裂時(shí)間、淚河高度、瞼板腺面積缺失率3 個(gè)指標(biāo)。根據(jù)結(jié)果將淚膜破裂時(shí)間分為干眼組、臨界組和正常組。瞼板腺和淚河高度分為干眼組和正常組。在瞼板腺檢測(cè)中，正樣本即干眼被認(rèn)為是真陽(yáng)性（true positive,TP），負(fù)樣本即非干眼被認(rèn)為是真陰性（true negative,TN），檢測(cè)為負(fù)樣本但實(shí)際上為正樣本數(shù)的是假陰性（false negative,FN），檢測(cè)為正樣本但實(shí)際上為負(fù)樣本數(shù)的是假陽(yáng)性（false positive,FP）。

準(zhǔn)確度（accuracy）、特異性（specificity）、靈敏度（sensitivity）和精密度（precision）四個(gè)參數(shù)用來(lái)測(cè)定瞼板腺的檢測(cè)。以下為其計(jì)算公式：

淚膜破裂時(shí)間和淚河高度的計(jì)算采用 SPSS Statistics 26.0 軟件處理，數(shù)據(jù)表示為x±s（均值x和方差s），相關(guān)性分析通過(guò)Spearman 計(jì)算檢驗(yàn)[20]。

我們使用50 個(gè)樣本進(jìn)行瞼板腺分析，分析結(jié)果如表1。

表1 瞼板腺檢測(cè)結(jié)果Table1 Meibomian gland test results

瞼板腺檢測(cè)結(jié)果由上表結(jié)果和公式計(jì)算得出：正確率（accuracy）等于86%、靈敏度（sensitive）等于88%、特異度（specificity）等于84%、精度（precision）等于84.62%。這些指標(biāo)的結(jié)果表明，檢測(cè)瞼板腺面積比的方法可用于檢測(cè)瞼板腺。將淚膜破裂時(shí)間和淚河高度的結(jié)果與對(duì)照組進(jìn)行比較。結(jié)果如表2 和表3 所示，表2 中3 種裝置的平均淚膜破裂時(shí)間比較接近。兩組參數(shù)均P＜0.05。該裝置的淚膜破裂時(shí)間與其他兩組的參考值基本一致?？梢愿鶕?jù)淚膜破裂時(shí)間來(lái)檢測(cè)干眼癥。表3中，該裝置的淚河高度檢測(cè)值與其他兩組參考值的結(jié)果基本一致?；跍I河高度，兩組參數(shù)P＜0.05 可用于干眼檢測(cè)。綜上所述，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該便攜式干眼檢測(cè)儀檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，可用于干眼診斷檢測(cè)。

表2 淚膜平均破裂時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of the experimental results of the average TBUT

表3 淚河高度實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of experimental results of TMH

5 結(jié)論

基于Windows 計(jì)算機(jī)，提出了一種便攜式干眼診斷設(shè)備。該診斷設(shè)備檢測(cè)方便，成本較低，可進(jìn)行淚河高度（TMH）、瞼板腺（MG）、淚膜破裂時(shí)間（TBUT）等三項(xiàng)的檢測(cè)。通過(guò)與Antares 和OSA 結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，淚膜破裂時(shí)間和淚河高度的相關(guān)系數(shù)P＜0.05，檢測(cè)結(jié)果一致性較好，瞼板腺的檢測(cè)準(zhǔn)確率為86%，特異度為84%，可用于干眼癥的篩查和診斷。