CN102525406A - 一种视网膜三维成像装置 - Google Patents
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Abstract
一种视网膜三维成像装置，由光源组件、干涉臂组件、二维扫描组件、场镜组件、共焦信号探测组件和干涉信号探测组件构成。该发明提出的视网膜三维成像装置，通过二维扫描组件完成对人眼视网膜扫描，共焦信号探测组件提取视网膜面图像、干涉信号探测组件提取视网膜深度信息，通过共焦信号与干涉信号共同完成视网膜三维图像重构；该发明通过采取光纤接入与光纤耦合器设计使得系统紧凑，通过场镜设计减小成像过程中的场曲与像差的影响，获取人眼视网膜的大视场三维图像，实现了一种设计紧凑、成像分辨率高、成像视场大的视网膜三维成像装置，大幅改善传统眼底成像仪器的成像效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种眼科成像装置，特别是一种视网膜三维成像装置，该装置能在大视场范围内对视网膜不同区域、不同厚度处进行扫描成像，重构视网膜三维图像并视频输出观测结果，为视网膜疾病诊断提供科学参考。
背景技术
共焦扫描成像和光学相干层析成像技术，在生物组织学成像领域获得了广泛、成熟的应用(Webb RH，Hughes GW.Scanning Laser Ophthalmoscope.Biomedical Engineering，IEEE Transactions on.1981，BME-28(7)：488-92.)；A.F.Fercher等较早就提出通过干涉成像的方法测量眼轴的长度(A.F.Fercher et.Al“Eye-length measurement byinterferometry with partially coherent light”，Optics Letters.13，186-188(1998))，其后David Huang等在OCT技术的发展上做了较多研究(Huang D et al.Laser Surg Med 1991，11：5)；Wilson Tony等也提出过通过共焦成像原理来实现生物组织的二维图像(US6687052)。
专利号为US5825533(1998)的发明专利提出通过两个独立的扫描振镜来进行横向和纵向的同步扫描，以实现共焦扫描成像。但该专利仅给出了简单的二维扫描基本原理，没有提出大视场的概念。专利号分别为US5491524、US7489405B2的发明专利，提出了光学相干层析系统的基本原理性装置，但没有提出像差校正的概念，无法实现高分辨率成像的功能，更没有解决大视场与高分辨率成像共存的问题。专利号US6648473等提出了通过随机梯度并行算法实现自适应光学像差校正的专利方案，但在实际临床应用上，视网膜成像受限于自适应光学小视场(1-2°角)或者等晕角的限制，无法取得大范围视网膜图像，不能很好的应用于临床。
专利号为ZL99115053.8(1999)的发明专利等，提出了基于自适应光学技术的视网膜成像装置，但该装置没有实现光学相干层析成像，也没有提出大视场的概念。专利号分别为ZL200610052463.8、ZL200510012234.9的发明专利等也提出了光学相干层析技术的原理性装置，但重点在如何提高光学相干层析仪的焦深和改变扫描方式，也没有提到提出如何实现满足大视场与高分辨率同步成像的解决方案。专利号ZL200780041853.8提出了视网膜扫描的概念，但没有提及如何实现视网膜的高分辨率体成像，专利ZL200680002851.3、ZL201010157034.3等也提出了视网膜三维建模的方法，但尚未能形成高清视频成像。
综上所述可知，现有的视网膜成像设备在三维成像尤其是高分辨率三维实时视频成像方面存在一些不足，有待发展新的方法和装置，来实现对人眼视网膜的非侵入式活体观测，获取三维图像，帮助医生诊断眼科疾病。
对比国际国内在视网膜成像、共焦扫描成像与光学相干层析成像等领域的技术成果，本发明在光学相干层析成像和共焦扫描成像的基本原理上，提出一种新的视网膜三维成像装置，通过场镜设计保证二维扫描组件能在视网膜上高分辨率无畸变扫描，以获取视网膜图像，通过干涉信号探测组件和共焦信号探测组件的同步成像，重构出视网膜三维立体图像，成像视场45°角，适合临床诊断；另外，本发明提出的一种视网膜三维成像装置，具有扫描结构简单，光纤连接使得装置更加简单，且具备很好的光学成像质量。
发明内容
本发明的技术解决问题：
1)克服传统眼底照相机不能得到视网膜层析图像的限制；2)克服传统眼底OCT无法得到高分辨视网膜表面图像的限制；3)克服传统眼底照相机只能单张拍摄视网膜图像的问题；4)克服传统眼底OCT成像系统的成像视场过小的问题；本发明提出一种视网膜三维成像装置，既能得到人眼视网膜高分辨率眼底面扫描图像，又能得到视网膜层析图像，并且实现了45°角范围内的宽视场眼底三维成像。
本发明的技术解决方案：一种视网膜三维成像装置，由光源组件、干涉臂组件、二维扫描组件、场镜组件、共焦信号探测组件和干涉信号探测组件构成。通过包含两个扫描振镜的二维扫描组件实现人眼视网膜由点到面的扫描，通过共焦信号探测组件获取扫描面上每一个扫描点的光强信号，通过干涉信号探测组件获取扫描面上每一个扫描点的深度信号，结合扫描面上每一点的光强与深度信号，重构扫描面上视网膜三维图像；通过场镜组件实现视网膜大视场区域扫描，在典型扫描角度45°视场内获取接近光学衍射极限的高分辨率图像。
本发明的原理：本发明的主要原理包括光学扫描镜头像差消除理论、光学相干层析成像原理和光学成像共轭关系。即在本发明所述的系统装置中，信标光源、场镜、横向振镜、纵向振镜和人眼瞳孔在光学上共轭。两个独立的二维扫描振镜依次对人眼实现线扫描和帧扫描，以得到在单帧图像成像视场内的高分辨率层析图像成像，结合共焦信号探测组件获取视网膜上每一个扫描点返回的光强信号，实现对人眼视网膜45°视场区域的面扫描。
本发明与现有技术相比有如下优点：本发明所提出的一种视网膜三维成像装置，相比传统眼底相机、眼科OCT而言，其核心优点体现在以下三个方面：
1)本发明提出使用二维扫描组件实现人眼视网膜的面扫描，并结合场镜的设计，消除人眼视网膜扫描过程中的像差，消除视网膜扫描过程中的非均匀性；
2)本发明提出使用共焦信号探测组件与干涉信号探测组件同步工作的方式，获取人眼视网膜的三维生物组织结构图像，对眼科医生诊断视网膜疾病，有很重要的意义；
3)本发明提出的场镜设计与二维扫描方案，大幅增加了视网膜成像系统的成像视场，同时通过共焦成像消除杂散光，保证图像的高分辨率，同时系统设计紧凑、小巧、实用，适合临床应用。
附图说明
图1为一种视网膜三维成像装置的结构示意图。
表1为本发明所述系统元器件明细表。
图2为本发明装置场镜组件结构示意图
图3为本发明装置干涉信号探测组件示意图
图4本发明装置的信号处理流程图
图5本发明装置所探测到的视网膜二维图像样图
图6本发明装置所探测到的视网膜深度图像样图
具体实施方式
根据说明书附图1，对如何具体实施本发明提出的一种视网膜三维成像装置的功能，详细介绍如下：
1、由光源组件之低相干光源SLD(1)通过光纤端口接入多路光纤耦合器(2)，光纤耦合器(2)有两个输出端，一路光纤输出到干涉臂组件，经耦合透镜(20)进行准直，准直后变为平行光进入反射镜组件(21)和色散匹配液体(22)，后被反射镜(23)反射，光信号原光路返回到光纤耦合器(2)，再进入干涉信号探测组件。
2、通过光纤耦合器(2)后的另一路光束经过耦合透镜(3)准直成平行光，再经过平面反射镜(4)和分光镜(5)后，反射进入二维扫描组件(6-7)。
3、二维扫描组件由两个独立的光学扫描振镜构成，分别是横向振镜(6)和纵向振镜(7)，横向振镜(6)在平行于纸平面的方向做高速横向扫描，典型扫描角度为±10°，纵向振镜(7)在垂直于纸平面的方向上做高速纵向扫描，且扫描方向完全正交与横向振镜(6)的扫描方向，典型扫描角度为±10°，该扫描组件通过紧凑的光学设计以保证扫描面与人眼瞳孔面光学共轭；二维扫描振镜在两个互相正交的方向上扫描后形成面扫描光束，经场镜组件(9-10)后缩束进入人眼瞳孔(11)。
4、场镜组件由场镜(9)和耦合目镜(10)组成，见图2所示，场镜的特殊设计保证横向振镜(6)和纵向振镜(7)能在两个互相正交的方向上扫描视网膜，形成标准的二维扫描。透镜(9)和透镜(10)的焦距比值典型值为2∶1，主要是实现扫描光束的缩束，缩束成人眼瞳孔处的大小，典型值为3mm。在本发明专利中，扫描照明光路在人眼视网膜上扫描形成的扫描平面典型值为7mmX7mm，在人眼瞳孔处扫描的视场角典型值为45°角。
5、照明光束入射在人眼瞳孔，经瞳孔聚焦后进入人眼视网膜，从视网膜返回的信号光按原路，依次经过场镜组件和二维扫描组件返回(从12返回到5)，返回的信号光束会首先经过分光镜(5)，分光镜的透射反射光束比例典型值为1∶1，即从视网膜反射回来的光束能量之50％会透过分光镜，再经过聚光透镜(13)后聚焦在针孔(14)处，被光电倍增管(PMT)探测。共焦针孔(14)的典型大小为光斑理论值的1.5倍，也就是1.5倍光学衍射极限的光斑尺寸，在本发明中，近红外光源中心波长840nm，在聚光透镜(13)处的光束口径为6mm，则在共焦针孔处的光斑理论值为：
2*1.22λf/D＝2*1.22(840nm)(150mm)/(6mm)＝51.2μm
因此，为保证共焦成像系统在获得足够多的光能量的同时又能获取足够高的成像分辨率，针孔的尺寸典型值为1.5倍衍射极限附近，在本发明专利所对应的装置中，我们设置针孔直径为75μm。如图(5)所示，即为利用本发明所提出的共焦信号探测组件所采集到的视网膜二维图像，根据该二维图像，我们可以很清楚的分辨视网膜血管、视盘和黄斑区域等生物组织信息，帮助医生进行视网膜疾病诊断，比如青光眼的表现症状之一即为视盘形状变形，即视盘杯盘比发生变化，糖尿病的表现症状之一即为视网膜血管发生渗漏，黄斑变性的表现症状之一即为视网膜黄斑区域视细胞死亡或者变得稀疏。该发明装置所提到的共焦信号探测组件，能对多种眼科疾病的普查和诊断提供科学参考依据。
6、经过分光镜(5)后反射的光束，也就是50％的光能量将依次经过反射镜(4)、耦合透镜(3)，原路返回进入多路光纤耦合器(2)；光纤耦合器(2)将把从耦合透镜(20)和耦合透镜(3)反射回来的光束耦合后，通过光纤耦合器之干涉信号探测组件的端口，经耦合透镜(16)准直成平行光，照明在衍射光栅(17)上。
7、衍射光栅(17)将对光信号根据不同的波长在不同的方向上色散，色散后的光束再经过聚光透镜(18)后被线阵CCD(19)接收。对线阵CCD(19)接收到的序列光信号进行频谱分析(即傅里叶变换)，得到不同波长光束在人眼眼底(或其他待测生物组织)内的相干信息。根据光束的相干信息，结合两个扫描振镜的位置信息，完成人眼眼底(或其他待测生物组织)在纵向切面上的图像重构，也就是光学相干层析成像，光学相干层析成像的分辨率表示为以下公式：
rc＝21n2(λ0 2)/(πΔλ)＝0.44λ0 2/(Δλ)
根据以上公式，干涉信号探测臂的层析图像分辨率与低相干光源的带宽成反比、波长成正比，因此，在本发明专利中，我们使用低相干光源作为我们的信号光源，且低相干光源的典型带宽值为50nm。图(6)即为本发明装置所提出的干涉信号探测臂组件采集得到视网膜层析图像，根据该层析图像，我们可以很量化计算视网膜的层析结构，帮助医生进行视网膜疾病诊断，比如青光眼的表现症状之一即为视网膜厚度变薄，糖尿病的表现症状之一即为视网膜血管发生渗漏，是的视网膜层析结构不如正常视网膜清晰，黄斑变性的表现症状之一即为视网膜黄斑区域厚度变薄。该发明装置所提到的干涉信号信号探测组件，也能对多种眼科疾病的普查和诊断提供科学参考依据。
8、根据具体实施步骤1-7，本发明所述的一种视网膜三维成像装置，可以在探测器终端得到光学相干层析图像(图(6))和共焦信号探测图像(图(5))，两个正交方向上的图像叠加处理，即能实现人眼视网膜大视场范围内三维图像重构。
经过上述过程，即可对人眼视网膜在大视场45度角范围内实现光学相干层析成像和表面成像功能。
需要说明的是，尽管本发明的较佳实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种视网膜三维成像装置，其特征在于：所述装置主要由光源组件、干涉臂组件、共焦信号探测组件、二维扫描组件、场镜组件和干涉信号探测组件构成，从光源组件发出的信标光经光纤耦合器耦合后分为两束，一束进入干涉臂组件，另一束经反射镜、分光镜后进入二维扫描组件形成面扫描平行光，后进入场镜组件形成大视场扫描光束再照明在人眼瞳孔，从人眼视网膜返回的信号光原路返回，经分光镜进入共焦信号探测组件，获取视网膜扫描点的光强信号，经光纤耦合经分束后进入干涉信号探测组件，干涉信号光与从干涉臂返回的参考信号光发生干涉，干涉信号探测组件获取视网膜扫描点不同深度的反射光信号，根据视网膜扫描点的光强与深度信号，完成视网膜三维图像重构。
2.根据权利要求1所述的一种视网膜三维成像装置，其特征在于：所述光源组件组件包含低相干光源和多路光纤耦合器，所述光纤耦合器为双路输入双路输出模式，光纤输出端口的输出能量之比在1∶10到1∶2之间。
3.根据权利要求1所述的一种视网膜三维成像装置，其特征在于：所述参考臂组件包含耦合透镜、反射镜、色散匹配液体和参考光反射镜，所述色散匹配液体为一种化学药品，用来对参考臂的光束进行色散，以匹配从样品臂返回信号光的色散特征，所述参考臂组件通过调整参考反光镜的位置来改变从参考臂反射回信号光的光程差。
4.根据权利要求1所述的一种视网膜三维成像装置，其特征在于：所述二维扫描组件包含横向振镜和纵向振镜，横向振镜与纵向振镜的扫描平面互相正交，横向振镜高速扫描，典型扫描频率在5KHz，纵向振镜低速扫描，典型扫描频率为10Hz，通过两面振镜的同步扫描，完成对视网膜的面扫描。
5.根据权利要求1所述的一种视网膜三维成像装置，其特征在于：所述共焦信号探测组件包含聚光透镜、针孔和光电倍增管，所述光电倍增管为高灵敏度点源探测器件，可以是光电倍增管、雪崩光电二极管或者类似光电探测器件，所述针孔为中心通光圆孔光阑，典型通光口径为75微米。
6.根据权利要求1所述的一种视网膜三维成像装置，其特征在于：所述干涉信号探测组件包含耦合透镜、衍射光栅、聚光透镜和线阵探测器，所述衍射光栅为1200线对每毫米的透射式光栅，所述线阵探测器为2048像素线性光电探测器件。
7.根据权利要求1所述的一种视网膜三维成像装置，其特征在于：所述场镜组件包含场镜和观测目镜，所述场镜为用于扫描成像而专业设计的透镜，能消除场曲、像差和光强不均匀性，且具有成像视场大、无畸变特点。
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