CN105595958A - 眼睛的过滤图像的同时捕捉 - Google Patents

Abstract

一种多模式眼底相机，使能眼睛的内部的三维和/或频谱/偏振成像，以协助改善的诊断。

Description

眼睛的过滤图像的同时捕捉

技术领域

本发明总体上涉及眼睛的成像，例如视网膜的频谱、偏振和/或三维成像。

背景技术

专用相机被验光师、眼科医师和其它医疗专家使用以记录眼睛的内表面的图像。在例行的物理检查期间，手持式检眼镜常常被用于快速查看眼底。额外的相机附件可用于记录来自手持式检眼镜的数字图像，允许在未来的检查中保存、操作和重新评估所获得的图像。然而，这些图像受亮度、视场、运动模糊和分辨率限制，这限制了其对于许多疾病的诊断能力。

更复杂的成像系统(例如，眼底相机)可为临床医师提供更好的图像质量，导致眼睛病理学的更精确的诊断、筛查和监控治疗。传统眼底相机提供具有2到5倍放大的、具有15到140度的视场的眼底的图像。所述装置通常包括专用的照明光学器件以将光线照到眼睛的内表面上。目镜可用于允许临床医师查看眼睛的内部。电子传感器可用于图像的数字获取。在检查期间，医疗专家检查眼睛的内部的不正常，诸如视网膜的撕裂、变薄、不健康的脉管系统、浑浊、闭塞、扩大或缩小的解剖和变色。

然而，传统的眼底相机具有一些缺陷。首先，在许多情况中，对解剖的特征的绝对测量将有益于确定疾病的类型和严重性。但是，传统的眼底相机产生三维的眼睛的二维图像。这使得其难以或不可能评估用于三维解剖的区域、深度或体积的绝对测量。其次，在许多情况中，频谱、偏振或其它成像形态也将是有益的。传统的眼底相机通常可能按时间顺序捕捉不同的过滤图像。不同时间拍摄的快照然后必须相互配准(registration)。然而，由于眼睛不断地移动，这引入配准问题。在不同的方法中，可以修改传统的眼底相机以例如通过使用多个传感器阵列在单个快照中捕捉多个过滤图像。然而，这使得相机更复杂并且昂贵，并且多个光路必须相互对齐以确保正确的图像配准。

因此，存在对于允许三维、频谱、偏振和其它形态的图像的同时捕捉的改进的成像系统的需求。

发明内容

在一方面，多模式成像系统包括第一成像子系统、滤波器模块和第二成像子系统。所述第一成像子系统包括物镜，其可放置在眼睛的前面以形成眼睛的内部的(例如，眼睛的视网膜的)光学图像。所述滤波器模块包括多个滤波器，其被放置在第一成像子系统的光瞳面光瞳面处。所述第二成像子系统包括微缩成像阵列和传感器阵列。所述微缩成像阵列(例如，微透镜阵列)被放置在第一成像子系统的像平面处，并且所述传感器阵列被放置在光瞳面的共轭处。所述传感器阵列捕捉眼睛的内部的全光图像，其包含通过多个滤波器的每一个过滤的眼睛的内部的图像。在可替换实施例中，所述系统可包括中继光学器件，允许组件分别放置在像平面和光瞳面的共轭处。

另一个方面是用于将传统的眼底相机转换到如上所述的多模式成像系统的售后市场转换工具包。

其它方面包括与上述方法及其变型有关的方法、装置、系统和应用程序。

附图说明

专利或申请文件包含以彩色制成的至少一个附图。具有一个或多个彩色附图的本专利或专利申请公开的副本在请求并且缴纳必要的费用后将由当局提供。

本发明具有其它优点和特征，其将在结合附图时从下列详细描述和所附权利要求中更加显而易见，其中：

图1(现有技术)是示出眼睛的不同状况的示例图像。

图2a-b是示出多模式成像系统的示例的框图。

图3是另一个多模式成像系统的示例的框图。

所述附图仅为了说明的目的描述实施例。本领域中的技术人员将很容易从下列讨论中认识到可以在不脱离这里所述的原理的情况下采用这里所示的结构和方法的可替换实施例。

具体实施方式

所述附图和下列描述仅以说明的方式涉及优选实施例。应从下列的讨论中注意，这里所公开的结构和方法的可替换实施例将被容易地认为是可以不脱离所要求保护的原理而采用的可行的替换例。为了帮助理解，相同的参考标记已被用在可能的地方，以指代对于所述附图共同的相同元件。

图1(现有技术)是示出眼睛的不同状况的示例图像。所述图像是视网膜的图像。在每一个视网膜图像的下方的条目列出了疾病状况、可用于诊断疾病的特征和对于成像所述特征有用的形态。最左边的列是健康的眼睛。

列出的第一种疾病是青光眼，其具有扩大的视神经盘的临床表现。为了评估所述视神经盘的扩大，医疗专家可能尝试估计杯-盘比，如在表的第二行中所指示的。他可能通过比较视网膜的当前图像与来自之前的检查的图像、通过比较眼睛之间的视神经盘对称、或通过查看盘边缘的变薄来进行。在传统的眼底相机中，三维眼睛的这些大致的测量值从二维图像来估计。如在表的第三行中列出的3D形态指示的，如果相反从三维图像估计所述测量值，则分析将更加准确。此外，具有青光眼的患者中的视神经盘可能对偏振光也有不同反应。增大的眼压、视网膜的变薄和视神经盘的改变可能改变双折射属性或导致其它与偏振有关的效应。这些改变可通过偏振图像评估，如在表的第三行中的偏振形态指示的。传统的眼底相机通常不提供这种偏振测量。

眼睛疾病还可能改变血管结构和组织的生理活动，这改变组织区域的新陈代谢。例如，在图1中列出的第二疾病是糖尿病视网膜病。该疾病通过损害的类型和严重性分类，包括：微动脉瘤、出血、棉絮点、和静脉的串珠变形。这些损害的三维测量可以有助于客观地评估疾病的严重性。此外，频谱成像可通过使用窄带滤波器指示视网膜组织的健康。在该方法中，基于氧基血色素的已知的频谱响应选择两个或更多个窄带频谱滤波器。用这些频谱滤波器获得的图像然后被用于产生所述组织的血氧饱和度图。该血氧测量图提供所述组织的额外的临床测量，其可以极大地帮助诊断。传统的眼底相机不提供这样的测量。

在图1中列出的第三和第四疾病的诊断将类似地通过三维、频谱和/或偏振测量而改善。

图2a-b是示出多模式成像系统的示例的框图。成像系统210包括物镜212(由图2a中的单个透镜表示)、二级成像阵列214(成像元件的阵列)和传感器阵列280。为了方便，成像光学器件212在图2a中被描述为单个光学元件，但是应理解的是，其可以包含多个元件。

二级成像阵列214可被称为微缩成像阵列。二级成像阵列214和传感器阵列280可以一起被称为全光传感器模块。在该示例中，二级成像阵列214是微透镜阵列。微缩成像阵列214的其它示例包括微透镜阵列、小孔阵列、微镜阵列、棋盘网格和波导/通道阵列。微缩成像阵列214可以是矩形阵列、六边形阵列或其它类型的阵列。

这些组件形成两个重叠的成像子系统。在第一成像子系统中，物镜212可放置在眼睛250的前面并在原像平面IP处形成眼睛(在本示例中，视网膜)的光学图像255，其可以被中继(relay)到诸如图像端口IP'的共轭平面。该成像子系统具有光瞳面。在第二成像子系统中，二级成像阵列214将光瞳面成像到传感器阵列280。为此，微缩成像阵列214位于像平面IP或其共轭平面之一。在该示例中，微透镜阵列214位于共轭平面IP'处。所述系统整体在传感器平面SP处形成空间上多路复用和交织的光学图像270。

滤波器模块225被放置在与传感器平面SP共轭的平面SP'处。实际的物理位置可以是在成像光学器件212之前、之后或中间。滤波器模块包含多个空间上多路复用的滤波器227A-D。在该示例中，滤波器模块225包括滤波器227的矩形阵列，如在图2a的底部部分所示的。滤波器模块225可包含频谱滤波器、偏振滤波器、中性密度滤波器、清除滤波器(即，没有滤波器)或这些的组合。

图2a的顶部部分提供更多细节。在该框图中，视网膜250被分成3×3阵列的区域，所述阵列被标记1-9。滤波器模块225是各个滤波器227A-D的2×2矩形阵列。例如，每一个滤波器227A-D可以具有不同的频谱响应。传感器阵列280被示出为6×6矩形阵列。

图2b概念性地示出了空间上多路复用的光学图像270A-D如何在传感器阵列280处产生和交织。物体250如果被滤波器227A捕捉并过滤，将生产光学图像255A。为了将过滤的光学图像255A与物体的未过滤的图像区别开，所述3×3区域标记后缀A：1A-9A。类似地，滤波器227B、C、D过滤的物体250将产生具有标记为1B-9B、1C-9C和1D-9D的3×3区域的对应的光学图像255B、C、D。这些四个光学图像255A-D的每一个通过在滤波器模块225中的不同的滤波器227A-D过滤，但是它们都由成像系统210同时产生。这允许在单个快照中捕捉到不同的形态的图像，消除了后期当配准图像时补偿眼睛运动的需要。

四个光学图像255A-D在传感器平面处以交织的方式形成，如图2B中所示。使用图像255A作为示例，来自光学图像255A的3x3区域1A-9A在光学图像270中的3x3块中不是连续的。然而，来自四个不同的光学图像的区域1A、1B、1C和1D以2x2的方式布置在光学图像270的上部左侧(为了清楚忽略图像270的反转)。区域1-9被类似地布置。因此，组成光学图像270A的区域1A-9A分散在合成的光学图像270上，被其它光学图像270B-D的部分分开。用另一种方式来说，如果传感器是各个传感器元件的矩形阵列，则整个阵列可被划分为传感器元件的矩形子阵列271(1)-(9)(仅一个子阵列271(1)在图2B中被示出)。对于每个区域1-9，来自每个过滤图像的所有对应区域被成像到子阵列上。例如，区域1A、1B、1C和1D都被成像到子阵列271(1)上。注意，由于滤波器模块225和传感器阵列280位于共轭平面，阵列214中的每个成像元件在传感器平面SP处形成滤波器模块225的图像。由于有多个成像元件，形成滤波器模块225的多个图像271。

多路复用的图像270可由处理模块290处理以重构物体的期望的图像。所述处理可以是解交织和解复用。它还可以包括更加复杂的图像处理。除了经历不同的过滤以外，由系统210捕捉的图像数据还反映不同的视点。即，从不同的视点捕捉多路复用的图像。该信息可用于重构视网膜的三维图像或减少闭塞的效应。因此，重构的图像295除了过滤图像以外可包括三维信息(例如，颜色和/或偏振图像)。系统可以被设计为使得其可以在深度形态和多个滤波器形态之间切换。可替代地，系统可以同时捕捉深度和频谱/偏振信息两者。

例如，视网膜的血氧饱和度可以有助于预测糖尿病视网膜病。视网膜的血氧测量可以用两个或更多频谱滤波器测量：在氧基/脱氧基血红素谱频最分散的波长(诸如在600-700nm之间的任何地方)处选择一个或多个滤波器，以及在等吸收点(isosbesticpoint)(诸如586nm或808nm)处的一个。例如，系统可能使用中心在548nm处的具有10nm的宽度(接近等吸收)的一个滤波器以及中心在610nm处的具有10nm的宽度的第二滤波器。此外，近红外波长可被用于增大脉管系统，尤其是深血管的对比度。

关于偏振，在实践中，照明光可以是偏振的且调谐的以解决角膜的双折射。对于反射光的分析，非偏振的、线性的和圆偏振的滤波器可被用于评估视网膜的偏振依赖的属性。视杆细胞和视锥细胞保持入射光的偏振。在健康的视网膜中，视神经盘没有视杆细胞/视锥细胞并且因此导致反射光的去偏振。与畸形的解剖或升高的眼压(青光眼)相关联的疾病可能改变在那些区域中的双折射属性和偏振响应。

深度信息可被用于更加准确地估计视神经盘的尺寸以用于青光眼的诊断。当不考虑视神经盘的尺寸时，杯尺寸和杯/盘比没有临床意义。当前方法通常是定性的或相对测量。然而，视神经盘的绝对测量提供疾病分类的定量特征。三维信息也可用于识别或测量物理变形。

应注意，图2已被简化以示出基础的概念。例如，物体250被人工地划分为阵列以便于更加容易地解释整个成像功能。作为另一示例，大多数实用的系统将使用显著地更大的阵列，尤其是在传感器阵列处并且也可能在滤波器模块处。此外，在传感器平面处的6x6区域和在传感器阵列中底层传感器元件之间不需要是2：1的关系。每个区域例如可以对应于多个传感器元件。作为最后的示例，在物体中标记为1的区域、在过滤图像255A中的1A和在合成图像270中的1A不需要是彼此确切的图像。在一些设计中，在图像270中的区域1A可以大致从物体250中的区域1捕捉过滤的能量，但是其实际上可能不是区域1的图像。因此，通过图像270的区域1A中的传感器元件收集的能量可以是物体250的区域1中的图像(或所述图像的一些转换)的积分和采样，而非表示物体在该区域处的几何的复制。此外，诸如视差、渐晕、衍射和光传播的效应可能影响任何图像形成。

图2中所示的方法具有几个优点。首先，在传感器平面处同时捕捉多个光学图像270A-D。其次，每个捕捉的图像由滤波器模块225中的滤波器227A-D过滤，并且每个滤波器227可以设计为实现不同的过滤功能。为了方便，入射到传感器阵列280上的光分布将被称为多滤波器全光图像270，并且滤波器模块的所述效应可被称为滤波器编码。此外，由于滤波器模块225位于共轭平面SP'而非实际的传感器平面SP，并且由于这通常意味着滤波器模块与在传感器平面处所需要的相比将大很多，因此放松了对滤波器模块的耐受性和其它机械要求。这使得与如果滤波器模块位于传感器平面(例如，如果附接至传感器组装件)相比，更易于操纵滤波器模块。

参考图2a，值得注意的是，虚线框内的光学元件(除了滤波器模块225以外)形成传统的眼底相机。传统的眼底相机的图像端口IP'通常耦接到目镜以允许人的观察或耦接到检测器阵列以捕捉图像。通过在光瞳面SP'处添加滤波器模块225以及通过将图像端口IP'耦合到全光传感器模块(即，二级成像阵列214加传感器阵列280)，传统的眼底相机可转换成所述多模式成像系统。然而，为此，传统的眼底相机的内部必须是可进入的以便插入滤波器模块225。

图3是另一多形态成像系统的示例的框图。在该示例中，滤波器模块225被放置在传统的眼底相机的外部。传统的眼底相机自身不被修改。相反，附加的中继光学器件创建光瞳面的共轭并且滤波器模块225被放置在该共轭平面中。微透镜阵列214被放置在原像平面IP和图像端口IP'的共轭处。传感器阵列280以与图2a中相同的、相对于微透镜阵列214的间隔放置。

下列是一些设计考虑因素，使用图2a的系统作为示例。该系统必须在人眼的解剖限制之内工作。大体上，眼睛具有大约22mm的深度、2-8mm的瞳孔尺寸以及n＝1.33的水介质。调节到无限大处，眼睛的f数的范围为从大约1.8(在8mm的瞳孔直径处)到7.3(在2mm的瞳孔直径处)。

现在假设全光传感器模块在微型透镜之间具有100μm间隔，在n＝1.46的石英中具有1mm的焦距。在该设计中，在微型透镜和传感器阵列之间的体积是石英。这对应于f/#＝f/(nD)＝1/(1.46*0.1)＝7的f数。标准的眼底相机通常提供2.5到5倍的放大。成像充分地放大的瞳孔的眼底相机将在<4倍放大(7/1.8)处成像以便于匹配微透镜阵列的f数。对于部分放大的瞳孔(5mm)，相机将在<2.5倍放大(7/2.9)处成像。

标准眼底相机以2.5倍放大成像30度的视场。该30度对应于眼底的大致9mm的直径。因此，由眼底相机创建的图像大致是22.5mm直径。进一步假设具有24x36mm的尺寸的传感器阵列280。在该情况下，整个图像将落入到传感器区域上。此外假设在该情况下图像的微透镜阵列采样是穿过图像直径的225个微透镜。横向分辨率可能受微透镜采样的限制。例如，由225个微透镜采样的9mm图像将导致80μm的奈奎斯特限制的分辨率。期望的眼底图像的分辨率是15μm/像素(30μm的横向分辨率)，尽管该数字随报告机构而变化很大。该分辨率可以通过使用更加紧密地间隔开的透镜、或者通过处理图像以提高整体分辨率而实现。但是，放大、采样、f数和视场可以使用如图3所示的在眼底相机和全光传感器模块之间的二级图像中继额外地调节。例如，如果扩大的瞳孔创建了太小以至于不能匹配微透镜f数的f数，可以减小在光瞳面处的孔径直到f数匹配。

可以如下估计深度分辨率。假设9mm的眼底的大小、5mm的瞳孔以及2.5倍放大。假设微型透镜阵列具有在传感器上的具有5.5μm像素间隔的100μm微透镜。仿真示出了大致0.25mm的深度分辨率。对于眼睛成像，0.25mm的深度分辨率应该足以准确地测量眼底曲率。

在另外的波前感测形态中，多模式眼底相机被用于成像眼睛的前部部分。在该形态中，全光相机用作检测在穿过所述眼睛的前部的结构的光波前中的像差的波前传感器。像差可以与眼睛的前部的状况相关联，所述状况诸如角膜溃疡、白内障、以及屈光不正(即，近视、远视和散光)。在该形态中的照明可以是传统的眼底照明、来自点光源的照明或者来自平行光的照明。

在多模式成像系统中，还可以包括探视镜以使得检验者能够在捕捉图像的时候通过探视镜查看图像。分束器或单透镜反射器可被用于分离光路并且将图像引导到全光传感器模块以及到探视镜。例如，单透镜反射器或者分束器可以被插入到中继平面处(如图2a或3中所示)以允许医疗专家查看视网膜，同时，在相同装置的传感器阵列上捕捉视网膜的全光图像。

在其它实施例中，多模式成像系统可以包括一组不同的滤波器模块。每个滤波器模块可被用于不同的目的。例如，一个滤波器模块可被用于频谱成像，而另外的滤波器模块可被用于深度成像。不同的滤波器模块可以插入到装置中。

所述的多模式成像系统可以作为原始器械被设计和生产。或者，可以将现有的眼底相机修改为多模式。在一个实施例中，售后市场的转换工具包可被用于将传统的眼底相机转换为多模式眼底相机。转换工具包包括具有微型成像阵列和传感器阵列的全光传感器模块。原始的眼底相机配备有传统的传感器。在转换期间，全光传感器模块替代传统的传感器，使得微型成像阵列(例如，微型透镜阵列或针孔阵列)被放置在传统的眼底相机的像平面处。例如，微型成像阵列可以被放置在传统的传感器之前所位于的平面处。

尽管具体实施方式包含许多细节，但这些不应被理解为限制本发明的范围，而是仅作为说明本发明的不同示例和方面。应理解的是，本发明的范围包括上面没有详细讨论的其它实施例。可以在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下对这里所公开的本发明的方法和设备的布置、操作和方法的细节作出对本领域技术人员来说显而易见的各种其它修改、改变和变化。因此，本发明的范围应当由所附权利要求及其等价物确定。

Claims (14)

1.一种多模式成像系统，包括：

第一成像子系统，包括可放置在眼睛前面以形成眼睛的内部的光学图像的物镜，所述光学图像形成在所述第一成像子系统的像平面处；

滤波器模块，放置在所述第一成像子系统的光瞳面或其共轭处，所述滤波器模块包括多个滤波器；

第二成像子系统，包括微缩成像阵列和传感器阵列，所述微缩成像阵列放置在所述像平面或其共轭处，并且所述传感器阵列放置在所述光瞳面或其共轭处，所述传感器阵列捕捉所述眼睛的内部的全光图像，所述全光图像包含通过多个滤波器的每一个过滤的眼睛的内部的图像。

2.如权利要求1所述的多模式成像系统，其中所述滤波器模块包括多个不同频谱滤波器。

3.如权利要求2所述的多模式成像系统，其中所述不同频谱滤波器被选择用于检测糖尿病视网膜病。

4.如权利要求2所述的多模式成像系统，其中所述不同频谱滤波器被选择用于检测氧基血红素。

5.如权利要求4所述的多模式成像系统，其中所述滤波器模块包括在所述氧基/脱氧基血红素频谱分散的波长处的第一频谱滤波器以及在等吸收点的波长处的第二频谱滤波器。

6.如权利要求2所述的多模式成像系统，其中所述不同的频谱滤波器包括红外滤波器。

7.如权利要求1所述的多模式成像系统，其中所述滤波器模块包括多个不同的偏振滤波器。

8.如权利要求1所述的多模式成像系统，其中所述系统可在深度成像模式中操作，其中处理由所述传感器阵列捕捉的全光图像以提供所述眼睛的内部的三维图像。

9.如权利要求1所述的多模式成像系统，其中所述系统可以在深度成像模式和多滤波器成像模式之间切换，其中在所述深度成像模式中，处理由所述传感器阵列捕捉的全光图像以提供眼睛的内部的三维图像，在所述多滤波器成像模式中，处理由所述传感器阵列捕捉的全光图像以提供眼睛的内部的两个或更多不同的过滤图像。

10.如权利要求1所述的多模式成像系统，其中所述系统可操作在(a)深度成像模式，其中处理由所述传感器阵列捕捉的全光图像以提供眼睛的内部的三维图像；(b)多滤波器成像模式，其中处理由所述传感器阵列捕捉的全光图像以提供眼睛的内部的两个或更多不同的过滤图像；以及(c)波前感测模式，其中所述系统用作波前传感器以检测在穿过所述眼睛的前部结构的光波前中的像差。

11.如权利要求1所述的多模式成像系统，其中所述第一成像子系统是传统的眼底相机。

12.如权利要求1所述的多模式成像系统，其中所述滤波器模块被放置在所述传统的眼底相机中、所述传统的眼底相机的光瞳面处。

13.如权利要求1所述的多模式成像系统，还包括中继光学器件，其中所述滤波器模块被放置在所述传统的眼底相机外部、所述传统的眼底相机的光瞳面的共轭处。

14.一种用于具有图像端口的传统的眼底相机的售后市场的转换工具包，所述工具包包括中继光学器件、滤波器模块以及包含微缩成像阵列和传感器阵列的全光传感器模块，其中：

所述滤波器模块放置在所述传统的眼底相机的光瞳面的共轭处；

所述微缩成像阵列放置在所述传统的眼底相机的像平面的共轭处，

所述传感器阵列放置在所述光瞳面的另一共轭处，所述传感器阵列捕捉所述眼睛的内部的全光图像，所述全光图像包含通过所述多个滤波器的每一个过滤的所述眼睛的内部的图像；以及

所述中继光学器件将来自图像端口的光中继到所述共轭处。