CN103750814A - 一种眼底扫描成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种眼底扫描成像装置，用于医学上对人眼眼底检查，通过共焦扫描技术获得人眼眼底图像，以判断眼底病理和病灶。该眼底扫描成像装置采用激光作为照明光源，扫描振镜实现对人眼眼底二维扫描，高灵敏度光电二极管探测人眼眼底返回光信号，采集的信号经过信号转换和图像重构，能获得大视场高分辨率眼底视网膜视频图像。该眼底扫描成像装置采用单一振镜代替传统正交双振镜模块，以低的振镜扫描频率得到高帧频视频图像输出；用单探测器，通过电机切换滤光片，实现FFA，ICGA荧光造影功能；通过对图像采集时序的同步控制可用两种不同波长光源的视网膜图像并合成伪彩图像，并能同时实现视频与拍照两种功能。

Description

一种眼底扫描成像装置

技术领域

本发明涉及一种眼底扫描成像装置，特别涉及一种基于激光共焦原理的大视场激光扫描眼底成像仪，用激光作为照明光源，在光电探测器前方放置针孔实现与光源和人眼视网膜的共焦点对点成像，由扫描振镜对视网膜进行逐点二维光学扫描，取得的信号经过采集和处理，重构出实时、高分辨率的人眼视网膜扫描图像并通过显示器以视频形式输出。

背景技术

共焦显微技术在1957年由Marvin Minsky提出，并在1987年由BIO-RAD公司推出了第一台商业化的共聚焦显微镜。发展至今，共焦显微技术已经广泛用于生物医学领域。共焦成像是利用逐点照明和空间针孔调制来去除样品焦点前后散射光的光学方法，相对于传统光学成像方法而言，可以突破传统的光学衍射极限，极大地提高光学分辨率和视觉对比度。

眼底照相是眼科中广泛应用的一项诊断项目，眼底的血管是人体唯一可通过体表直接观察到的血管。眼底视神经，视网膜及其血管的改变不仅对眼睛本身疾病的诊断和治疗提供极大帮助，而且对脑梗塞、脑溢血、脑动脉硬化、脑肿瘤、糖尿病、肾病、高血压的诊断和治疗有极大的指导意义。

眼底血管造影是20世纪60年代兴起的眼科检查手段。将荧光素钠或吲哚青绿等造影剂由前臂静脉快速注入，当造影剂随着血液循环进入眼底血管时，通过眼底相机或扫描仪拍摄眼底血管内造影剂受激发射出的荧光形态，为诸多眼底病的诊断、医治和预后评估做出参照。

传统的眼底相机采用感光胶片或CCD／CMOS作为图像采集介质，但人眼视网膜的反射率很低，CCD／CMOS探测灵敏度较低，必须配合瞬时高亮度闪光照明，令病人产生眩目的感觉。眼底荧光造影又特别讲究动态过程，相机只能不断地单幅拍照，更给病人带来比较强烈的不适。眼底扫描仪是利用PMT、APD等高灵敏度感光元件作为接收器件，特别适合用于微弱光信号探测，可以在低光照下动态、实时地把眼底图像输出为视频信号。

专利号为EP1698273A1的发明公开了一种由一个多边形扫描镜和一个扫描振镜组成二维扫描系统，由球面反射镜构成光学系统主体的共焦眼底扫描仪。由于光学系统主体均为反射式设计，球面反射镜原理上不可以校正大视场像差，故该发明不适用于大视场的产品。

专利号为US005430509A的发明公开了一种在三个正交方向分别扫描的共焦式眼底激光扫描仪，该发明利用高频率的声光偏转器或电光偏转器作为第一扫描器件，以获得HDTV格式的视频输出。但声光、电光偏转器价格十分昂贵，并不适于一般的商业用途。此外，该发明也完全采用了球面反射镜作为光学系统主体，同样不适用于大视场成像。

专利号为US20090009715A的发明公开了一种共聚焦彩色检眼镜。该专利采用了卤素灯或LED等非相干线光源，配合线阵接收器件，使用了单振镜在垂直于线阵器件的方向上进行逐行扫描，以获得整个眼底的图像，但这种技术与激光共焦技术相比，图像的分辨率明显降低。

专利号为CN94194847.1的发明公开了一种眼底光学扫描装置，具有单一的红外扫描光源，一个旋转扫描盘将多焦点定位透镜、光学扫描器、角度位置编码器连成一体，完成对焦和扫描功能。这种装置在对焦和扫描的实现方式上与本发明有显著区别，光学原理上使用传统的光学成像原理，与本发明采用的共焦原理不同。

专利号为CN100479738C的发明公开了一种具有视力矫正透镜的光学眼底相机。该发明用卤素灯作为照明光源，CCD作为像敏感器件，结构上增加了视力矫正透镜以矫正深度近视、远视(±20D)，其光学原理是传统的照相原理，不同于本发明的共焦扫描原理，整台仪器体积大，光学结构复杂，装调难度高。

本发明提出了一种眼底扫描成像装置，光学系统主体采用折射镜头设计，用于校正大视场像差，同时利用激光共焦技术获得高对比度，高分辨率的图像信号，利用单振镜实现对眼底的二维光学扫描，结合相应的信号和图像处理算法，最终以视频图像输出。具有体积小、结构简单、在同一台机器上迅速实现不同功能切换的特点。

发明内容

本发明的技术解决问题：

本发明提出了一种眼底扫描成像装置，主要解决的问题有：

1)整机便携、小型化，机械运动部分人性化、易操作；

2)图像处理系统能够以低的振镜扫描频率得到高帧频视频图像输出；

3)用单探测器，通过电机切换滤光片，实现FFA，ICGA荧光造影功能；

4)通过对图像采集时序的同步控制可用两种不同波长光源的视网膜图像合并成伪彩图像；

5)同时实现视频与拍照两个功能；

6)采用单振镜代替传统正交双振镜模块，消除了双振镜的偏心误差，节省了系统空间，更易于控制。

本发明的技术解决方案：

一种眼底扫描成像装置，包括机械运动系统，激光共焦扫描成像光学系统和信号采集处理系统。所述机械运动系统包括主体外壳，运动底座，控制手柄，颚托；主体外壳是系统核心元器件的机械支撑，运动底座用于移动光学系统瞄准被测人眼，控制手柄为操作者提供对焦，拍照等功能，颚托用于承托并固定被测者头部。所述激光共焦扫描成像光学系统包括激光光源组件，扫描组件，望远镜系统，共焦成像探测组件；从光源发出的激光经过准直、合束进入扫描光路组件进行二维光学扫描，扫描光束通过望远镜系统后进入人眼，在视网膜上会聚成一个照明光点，该光点在视网膜表面的反射光再经过望远镜和扫描组件原路返回光学系统，经过分光镜进入共焦成像探测组件。所述信号采集处理系统包括放大器及A／D转换模块，数据寄存器，地址计数器，控制及时钟信号发生器，同步信号源，振镜驱动模块；从光电二极管输出的电压信号经过放大和A／D转换被缓存在数据寄存器中，不同时刻采集到的数据信息对应振镜的不同位置，相应地对应一帧图像中不同的像素；地址计数器记录所采集数据对应的像素位置；数据寄存器与地址计数器的读写时间和振镜的偏转状态均由同步信号进行同步，用于视网膜图像重构。

本发明的原理：

本发明的主要原理包括共聚焦光学成像理论和荧光成像技术。

本发明与现有技术相比有如下优点：

本装置中选用了两种不同波长的激光器，在图像采集时，可以通过时序控制，在相邻两帧内分别点亮两支激光器以获取两种不同颜色光照明的眼底图像，再经过相应图像处理算法对连续两帧图像匹配并迭加，能够获得视网膜的伪彩图像。

在探测器前插入滤光片模组，通过电机控制滤光片切换可以实现FFA、ICGA荧光造影功能并快速切换。

为了用低振镜频率获得高帧频的视频，在图像的扫描算法上做出优化，将扫描镜每一次振动的去程和回程都用于数据采集。即横向往复一个周期取得两行像素，纵向往复一个周期取得两帧图像，以此实现在振镜频率不改变的情况下，输出帧频倍频的目的。

在软件应用上，本装置将视频实时输出与传统的拍照功能相结合。在一般的对焦、眼底观察时，显示器实时地输出视网膜的扫描视频，并提供录制功能。当取得了满意的图像并需要为患者打印病例报告时，操作者按下控制手柄上的拍照按键，系统则保存当前时刻的图像作为照片记录在病例中。

为了实现整机的便携、小型化，本装置在系统设计中特别对光源、光学系统和机械结构做了小型化设计，令其在体积、重量、功耗上较传统的眼底相机和眼底扫描仪大为降低。

附图说明

图1是眼底扫描成像装置的外形结构图

图2是眼底扫描成像装置的系统原理示意图

图3是激光模组原理结构示意图

图4是信号采集处理系统原理框图

具体实施方式

本发明中眼底扫描成像装置的机械结构包括主体外壳15，运动底座16，控制手柄17，颚托18，信号输出接口19以及外部显示设备14，眼底扫描成像装置外形结构图如图1。

主体外壳15中包含所述眼底成像装置中的光学系统以及信号采集处理电路。颚托17用于支撑和固定被测者头部，当被测者将头部放在颚托上时，眼睛应当与目镜7处于同一高度。运动底座16为主体外壳15提供三维运动的支撑和调节。操作者通过移动主体15使其对准被测人眼，操作者通过控制手柄17完成对焦及拍照的功能。所述眼底成像装置与外部显示器14通过信号输出接口19连接。系统工作时，一束激光光束从接目镜7出射，操作者通过控制手柄17调整主体15的位置并调整对焦，直到在显示器14上观察到人眼眼底的清晰图像。

图2所示为本发明中眼底扫描成像装置的系统原理图，包括激光光源组件，扫描组件，共焦成像探测组件，望远镜系统，信号采集处理系统和显示器。激光光源组件包括激光光源1，准直器2和二向色镜3.激光光源可以是激光二极管，He-Ne激光器，Ar+激光器，SLD等任何一种及任一波长的可见光或近红外激光。一个光源模组中可以包括一支或多支不同波长的激光光源。可以根据不同的应用需求选择相应波长的激光器完成所需的拍摄功能。例如，选择一支520nm的绿色激光器和一支650nm的红色激光器分别对人眼视网膜成像后可以合成伪彩图。若选用一支488nm的激光，配合适当的滤光片则可以用于激发荧光素钠等造影剂实现眼底血管荧光造影(FFA)。808nm的激光则可以用于激发吲哚青绿实现吲哚青绿血管造影(ICGA)。图3表示了两支及多支激光合束的情况，应用上选择多个不同的激光可以在同一台仪器上完成更多不同功能。

如图3所示，激光光源1发出某种波长的激光，经过准直透镜2成为一束准直平行光出射。二向色镜2是对一种波长的光具有高透射率，对另一种波长的光具有高反射率的平面镜，两束准直的激光由二向色镜2实现合束。

经过准直合束之后的激光光束经过分光镜4，其中透射的能量进入扫描组件。所述扫描组件包括但不仅限于一种微型二维扫描镜5。

所述微型二维扫描镜5可在一个有特殊结构的振镜上同时实现两个正交维度的振动，与传统的谐振型振镜相比具有体积小，驱动简单，扫描频率高，转动角度大等优点。采用微型二维扫描镜一方面能有效地减小扫描系统的体积，同时，在扫描过程中人眼瞳孔与扫描镜出窗相对于望远系统精准共轭，能有效地克服在多振镜系统中由于振镜之间的物理间距造成轴外扫描光束相对于望远镜光轴偏心而产生的像质下降。

经过扫描组件的激光光束形成锥形的扫描区域进入望远镜系统，所述望远镜系统由靠近扫描模组的扫描物镜6和靠近人眼的接目镜7组成。因为人眼视网膜有一定的曲率半径，且本身具有比较大的像差，因此望远镜系统的设计需要充分考虑人眼视网膜的弧度和人眼像差对像质带来的影响，望远系统的设计配合了目前获得广泛认可的大视场人眼光学模型进行像差校正。为了对非正常眼做出补偿，目镜7需要沿光轴方向与其他部件做相对运动，实现对近视眼或远视眼的屈光补偿。实际操作中，操作者通过控制手柄令马达带动目镜沿着光轴做轴向运动来完成对焦。

当准直激光光束经过望远镜系统后，仍为一束准直激光。微型二维扫描镜5置于扫描物镜6的后焦平面位置，进入望远系统的锥形扫描范围内的光束都会通过接目镜7的前焦点，即光学系统的出瞳。光学系统的出瞳应为人眼瞳孔的位置。从望远系统出射的准直光束经过人眼8的折射后会聚在视网膜上，形成一个照明光点。照明点在视网膜上的反射光有一部分能量沿着照明光束的路径原路返回，经过望远系统和扫描模组后再经过分光镜4，反射的能量进入共焦成像探测组件。因为激光是一种高能量光源，对人眼可能造成伤害，因此进入人眼的激光能量必须严格控制，人眼视网膜对光的反射率极低，因此回到光路中的反射信号是极其微弱的，这部分能量经过分光镜还会有一部分发生透射损失，为了提高进入探测器中的能量的比例，分光镜4的反射透射比应大于1。

所述的共焦成像探测组件由成像透镜9，滤光片10，针孔11和探测器12构成。针孔14应精确放置于成像透镜9的后焦点处，与人眼视网膜相对光学系统成共轭位置，与照明光点共焦。若会聚在视网膜上的激光光点直径为20um，由于眼底组织的散射效应，到针孔处的共轭光斑直径会远远大于这个值。所以针孔的直径不可以过小，否则有效信号不能完全进入针孔；而过大的针孔直径会导致共焦位置前后过多的杂散光信号进入探测器，降低图像信噪比和分辨率。选取合适的针孔直径，可以取得好的信噪比，同时为观察视网膜的动静脉血管提供足够的分辨率。

为了实现血管荧光造影功能，一组被电机控制可切换的滤光片置于针孔之前。如图2所示，采用488nm和808nm的激光做FFA和ICGA荧光造影成像，其中10b为FFA带通滤光片，当10b位于光路中时，488nm的激光信号被阻止，血管内的造影剂接受488nm的光激发辐射出更大波长的荧光则可以通过滤光片而被探测器探测，得到FFA图像。10c为ICGA带通滤光片，把10c切入光路中时，808nm的激光被阻止，而受激ICGA荧光可以通过滤光片，得到ICGA图像。10a空置，在不需要做荧光造影时将其切换进光路中，488nm和808nm的光都可以进入探测器，此时可以通过信号处理系统对光源进行时序控制，在连续两帧成像中488nm和808nm的激光器轮流点亮，分别得到488nm和808nm经过眼底反射光的图像，再经过图像处理即可得到视网膜的伪彩图像。本装置的实际应用中，可以根据用户的不同需求选择相应的光源和滤光片加入光路。实现在一台仪器中用单探测器获得伪彩、FFA和ICGA等功能。

所述探测器12可以是一种光电转换器件，例如光电倍增管(PMT)或雪崩光电二极管(APD)。探测器将收集到的携带图像信息的光信号转换为电压信号输出到信号处理系统13。

图4是所述信号采集处理系统13的原理框图。从探测器12输出的电压信号经过放大器和A／D转换模块20，成为数字信号存储到数据寄存器21中，数据寄存器在控制信号发生器24和时钟信号发生器25的控制下将A／D转换模块20输出的数字信号逐点读入，每一次读入的数据表示了一帧图像上某一个像素点的图像信息，每次读入所对应的像素位置存在地址计数器22中。

振镜驱动模组26驱动微型二维扫描镜5在两个正交方向快速振动。所述微型二维扫描镜5在横向做一次往复运动相当于在视网膜上进行了一次行扫描，每完成一次横向振动，振镜5在纵向转动一个小角度，对应视网膜上的扫描光点在纵向产生一个像素的偏移，横向继续进行下一行的行扫描。当振镜在纵向振动一次，则完成一帧完整图像的扫描。数据寄存器21和地址计数器22同步完成每个像素数据的逐点读入和位置存储。当一帧图像数据记录完成后读出到D／A转换器和放大器模块27转换为模拟信号并输出到显示器实现实时的视频信号显示。

本发明通过优化图像采集方式，能够以较低的振镜频率获得双倍帧频的视频输出。在传统的正交双振镜扫描模块中，横向振镜往复运动一个周期只有去程的时间是采集图像的时间，即横向振镜振动一个周期完成一行像素的采集，纵向振动一个周期完成一帧图像的采集。这种采集方式的缺点是占空比小，在同样的振动频率下帧频较少，但图像重构算法简单。以8kHz的横向振镜频率为例，采集像素数为640x480的图像，单帧图像的采集时间需要66.7ms，能输出每秒15帧的视频。本发明的图像采集方法是充分利用了微型二维扫描镜的双向扫描，其图像重构算法较为复杂，每一帧奇数行与偶数行的读入顺序相反，且奇数帧与偶数帧图像翻转，所以奇数帧从上到下扫描一幅图像，偶数帧则是从下往上扫描一幅图像。同样使用8KHz的横向频率，单帧图像的采集时间30ms，输出帧频可达33帧每秒。

值得注意的是，在临床应用上，本装置在输出扫描视频的同时可以完成拍照功能。医生操作仪器对准患者眼睛并完成对焦的过程均由显示器实时输出，获得清晰的成像效果后，按下控制手柄17上的快门按键，信号处理系统会实时保存当前的图像作为照片并可以作为病例报告打印出来，通过上述的办法就能得到高分辨的人眼眼底图像，供医生判断眼底病病理和病灶。

需要说明的是，本发明的较佳方案公布如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被用于本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可以很容易的实现另外的修改，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所描述的图例。

Claims (9)

1.一种眼底扫描成像装置，包括机械运动系统，激光共焦扫描成像光学系统和信号采集处理系统。

2.根据权利要求1所述的眼底扫描成像装置，其特征在于所述机械运动系统包括主体外壳，运动底座，控制手柄，颚托；主体外壳作为系统核心元器件的机械支撑，运动底座用于移动光学系统瞄准被测人眼，控制手柄为操作者提供对焦，拍照等功能，颚托用于承托并固定被测者头部。

3.根据权利要求1所述的眼底扫描成像装置，其特征在于所述激光共焦扫描成像光学系统包括激光光源组件，扫描组件，望远镜系统，共焦成像探测组件；从光源发出的激光经过准直、合束并进入扫描光路组件进行二维光学扫描，扫描光束通过望远镜系统后进入人眼，在视网膜上会聚成一个照明光点，该光点在视网膜表面的反射光再经过望远镜和扫描组件原路返回光学系统，经过分光镜进入共焦成像探测组件。

4.根据权利要求3所述的激光共焦扫描成像光学系统，其特征在于：所述激光光源组件包括一个或多个激光光源及二向色镜，从光源发出的激光经过准直镜进行准直，再通过二向色镜实现多个光源的合束。

5.根据权利要求3所述的激光共焦扫描成像光学系统，其特征在于：所述扫描组件是一种微型二维扫描镜，在一个有特殊结构的振镜上同时实现两个正交维度的振动；所述振镜一方面有效地减小了扫描系统的体积，尤其重要的是实现了人眼瞳孔与振镜反光面相对于望远系统准确共轭，从而有效地避免了在多振镜系统中由于振镜的物理间距产生的轴外扫描光束相对于望远镜光轴偏心带来的偏心像差。

6.根据权利要求3所述的激光共焦扫描成像光学系统，其特征在于：所述望远镜系统包括扫描物镜和靠近人眼的接目镜，所述目镜与扫描镜可以沿光轴方向做相对运动，用以消除近视眼和远视眼的屈光误差，以取得清晰的眼底照片，调焦范围达到±10D。

7.根据权利要求3所述的激光共焦扫描成像光学系统，其特征在于：所述共焦成像探测组件包括成像透镜、滤光片组、针孔和探测器；所述针孔应该精确放置于所述成像透镜的后焦点处，与视网膜相对整个激光共焦扫描成像光学系统共轭，所述针孔直径小于500um；所述滤光片组置于所述针孔之前，由电机驱动可以自由切换，选择不同波长成像，以实现血管荧光造影及其它功能；所述探测器为高灵敏度光电二极管。

8.根据权利要求1所述的眼底扫描成像装置，其特征在于所述信号采集处理系统包括放大器及A／D转换模块，数据寄存器，地址计数器，控制信号发生器，时钟信号发生器，同步信号源及振镜驱动模组；从光电二极管输出的电压信号经过放大器和A／D转换被缓存在数据寄存器中，不同时刻采集到的数据信息对应振镜的不同位置，相应地对应一帧图像中不同的像素；地址计数器记录所采集数据对应的像素位置；数据寄存器与地址计数器的读写时间和振镜的偏转状态均由同步信号进行同步，用于视网膜图像重构。

9.根据权利要求8所述的信号采集处理系统，其特征在于优化图像重构算法，即同时采集扫描往复两条光路的信号，实现实时图像倍频输出。

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