CN109984723B

CN109984723B - 手持式多光谱眼底成像设备及系统

Info

Publication number: CN109984723B
Application number: CN201910406435.9A
Authority: CN
Inventors: 顾愿愿; 胡衍; 杨建龙; 赵一天; 杨燕鹤; 蒋珊珊; 岳星宇; 刘江
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS; Cixi Institute of Biomedical Engineering CNITECH of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS; Cixi Institute of Biomedical Engineering CNITECH of CAS
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: CN109984723A

Abstract

本发明涉及眼底多光谱成像技术领域，可广泛用于生物医学的眼科成像、医疗诊断等方面。具体涉及手持式多光谱眼底成像设备及系统。包括：壳体，设有接目镜、用于产生多光谱光的光源、用于成像的单像素检测器、用于与计算机进行数据交互的交互模块；由所述光源至所述接目镜的光路上依次设有光滤波器、聚焦透镜、二分镜；由所述二分镜至所述单像素检测器的光路上依次设有分光片组、空间光调制器。携带方便、成像较快、图片分辨率较高。

Description

手持式多光谱眼底成像设备及系统

技术领域

本发明涉及眼底多光谱成像技术领域，可广泛用于生物医学的眼科成像、医疗诊断等方面。具体涉及手持式多光谱眼底成像设备及系统。

背景技术

人眼内存在大量的各类色素，不同的色素对不同波长的光吸收不同（见图1），且这些色素在眼内的分布不同导致组织对于光波的穿透能力不同，因此多光谱成像（MSI）利用这一特性获得眼底不同组织层次及组织结构的图像。眼部晶状体、血红蛋白、玉米黄质、叶黄素、视紫红质等吸收波长在450nm-600nm的光谱，黑色素吸收波长在600nm以上。不同波长的光谱可反应相应深度层面的眼底结构，绿光（550nm）主要观察视网膜浅表以及和内界膜层面的结构，用于观察视网膜前膜、视网膜神经层、玻璃体视网膜的牵引、视网膜皱折、囊肿及黄斑裂孔等。黄光（580nm）、琥珀光（590nm）、红光谱（620-740nm）观察的层面较绿光更深，可达到视网膜色素上皮（RPE）和Bruch层，可用于观察出血、渗出及玻璃膜疣、新生血管等病变，如糖尿病视网膜病变等。深红光以及红外光的观察层更深，可达到脉络膜层，用于观察伴有视网膜色素紊乱、RPE层、黄斑变性、瘢痕、色素痣、脉络膜黑色素瘤等病变。同时，多光谱成像还可以生成立体成像图、眼底伪彩图、及视网膜和脉络膜的oxy-deoxy maps。立体成像图是在660nm层面不同的角度拍摄后的合成图，可通过佩戴红蓝眼镜观察眼底结构的立体效果。眼底伪彩图是550nm和620nm两个光谱层面的合成图，成像效果类似于眼底彩照。Oxy-Deoxy maps是利用氧合血红蛋白及脱氧血红蛋白对于不同光谱吸收峰的不同，从而得到的2张合成图，视网膜Oxy-Deoxy maps由580nm和590nm两个光谱层面的图像合成，脉络膜Oxy-Deoxy maps则由760nm和810nm两个光谱层面的图像合成，可反应视网膜和脉络膜的血液灌注情况。

对于一些血管性病变，尤其是糖尿病视网膜病变，浅表性出血从视网膜脉管系统损伤可以掩盖观察到较小或较不明显的出血更深的视网膜层和神经层。MSI能够对视网膜色素上皮细胞和深层视网膜结构进行成像，可准确定位观察病变部位和眼底组织的细微变化，是一种安全、高效、无侵入的成像诊断技术。目前，已有MSI眼科设备进入市场。例如，申请公布号CN109431457A、申请公布日2019年3月8日的发明专利申请提供的多光谱眼底成像系统，授权公告号CN106166056B、授权公告日2018年8月3日的发明专利提供的高光眼底成像系统。通过分光模块产生不同的中心波长的光，采集不同波长下眼底图像，一次拍照即可完成多光谱图像的采集。但是这些设备都结构复杂，体积较大，不变携带，无法服务特殊病人，如卧床病人及欠发达地区的病人。因此，急需开发一种手持式多光谱成像设备。

发明内容

本发明针对现有的多光谱设备携带不便、成像较慢、图片分辨率较低的缺点和不足之处，提出了手持式多光谱成像设备及系统的设计。

本发明提供的手持式多光谱眼底成像设备，其特征在于，包括：

壳体，设有接目镜、用于产生多光谱光的光源、用于成像的单像素检测器、用于与计算机进行数据交互的交互模块；

由所述光源至所述接目镜的光路上依次设有光滤波器、聚焦透镜、二分镜；

由所述二分镜至所述单像素检测器的光路上依次设有分光片组、空间光调制器。

上述技术方案中，光源射出的光经光滤波器筛选后经过透镜将光波聚焦，入射至二分镜经镜面反射，进入接目镜，聚焦于瞳孔后到达眼底。经眼底反射的成像光束再依次经过接目镜、二分镜再进入分光片组，将眼底反射出的成像光束在空间上分成不同光谱，空间光调节器以独立模式对每个信道进行编码，单像素检测器同时记录多路复用的多信道信息，以同时获得不同波长下的眼底图像，并将所采集的光谱图通过交互模块传送至计算机。所采集的图像不仅可以直观反应出眼底组织的异常，还可以通过计算机图像处理软件对该光谱图进行合成，获得立体成像光谱、眼底伪彩图、视网膜和脉络膜的oxy-deoxy maps图，得到眼底的立体信息、血氧含量等，供医生判断病情。

作为优选，所述分光片组包括偏振片以及N组交替排列的相位延迟器和棱镜，用于将入射光束在空间上分成2^N通道光谱。

作为优选，所述空间光调制器包括对各所述通道光谱进行独立编码的调制单元；所述单像素检测器，包括用于同时记录所述2^N通道光谱的多路复用信息的信息记录单元。

作为优选，所述壳体包括手柄；所述光源、所述光滤波器、所述聚焦透镜固定在所述手柄中。使得光源、光滤波器、聚焦透镜这段光路出光稳定。

作为优选，所述壳体为3D打印壳体。可以选取密度小且强度大的材料（如铝合金、镁硅合金），根据光学元件尺寸3D打印出壳体，以便各光学元件的固定及手持使用便捷。

作为优选，所述滤波器的选通波长为420nm-890nm。

作为优选，所述光源包括近红外波段光谱。近红外波段光谱可以获得眼底更深位置的病灶信息。

作为优选，所述光源为氙灯光源。

作为优选，所述光源为阵列LED光源。

本发明还提供一种手持式多光谱眼底成像系统，其特征在于，包括：上述任一项所述的成像设备；计算机，用于对所述成像设备采集的图像进行优化处理或图像合成。

本发明具有下述有益效果：

1.光源复合近红外波段光，近红外光可增强光在眼底的穿透能力，可到达脉络膜层，可用于观察伴有视网膜色素紊乱、RPE层、黄斑变性、瘢痕、色素痣、脉络膜黑色素瘤等病变。

2.分光片组由偏振片和多组交替放置的相位延迟器和棱镜组成，将眼底反射出的光在空间上分成不同光谱，空间光调制器以独立模式对每个信道进行编码，并且单像素检测器同时记录多路复用的多信道信息，该成像系统成像的稳定性高，成像速度快，拍摄时间短，减少了患者在拍摄过程中的不适感。

3.照明光路、成像光路、交互模块易于集成、易拆卸，手持式设计确保该设备不受场地限制，具有良好的环境适应性。

4.该系统所采集的光谱图像不仅可以直观反应眼底状态，还可以通过计算机软件获得立体图像、眼底伪彩图、眼底血氧含量等信息。

附图说明

图1为眼底不同结构在不同波长下的吸收情况。

图2为本发明手持多光谱成像设备的整体结构及成像系统示意图。

图3为成像单元中分光片组的具体工作示意图。

图4为本发明成像单元中空间光调制器与单压缩感知单像素相机的工作示意图。

具体实施方式

这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明。除非另外定义，否则本文使用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，常用术语应该被解释为具有与其在相关领域和本公开内容中的含义一致的含义。本公开将被认为是本发明的示例，并且不旨在将本发明限制到特定实施例。

实施例一

如图2所示的一种手持多光谱式眼底成像设备，该设备包括便于手持的壳体，壳体中设有接目镜205、用于产生多光谱的光源201、用于成像的单像素检测器208。由光源201至接目镜205的光路上依次设置有光滤波器202、聚焦透镜203、二分镜204；在二分镜204的另一侧，由二分镜204至单像素检测器208的光路上依次设置有分光片组206、空间光调制器207。其中，光源201用于产生包括近红外波段光谱的多光谱光源。具体在本实施例中，光源可以为氙灯光源或者阵列LED光源，光滤波器202用于筛选出波长在420-890nmn的光。光源201、光滤波器202、聚焦透镜203、二分镜204和接目镜205构成成像设备的照明光路1，光源201的发射光经光滤波器202筛选出420-890nm波段的光，通过聚焦透镜203汇聚到达二分镜204，经二分镜204镜面反射至接目镜205，通过接目镜205进入眼底。近红外波段的光可达到脉络膜层，用于观察伴有视网膜色素紊乱、RPE层、黄斑变性、瘢痕、色素痣、脉络膜黑色素瘤等病变。分光片组包括偏振片以及N组交替排列的相位延迟器和棱镜，用于将入射光束在空间上分成2^N通道光谱。如图1所示，可以眼底不同部位对不同波段的光谱的吸收不同，选择所需的光学元件组装分光片组。如图3所示，本实施例的分光片组206沿着光路传输方向依次由偏振片301、相位延迟器302、棱镜303、相位延迟器304、棱镜305、相位延迟器306、棱镜307组成，三组交替排列的相位延迟器和棱镜可将眼底反射出的成像光束在空间上分成8通道光谱。在其他实施例中，也可以根据需求可将三组交替排列的相位延迟器和棱镜更换成4组、5组，以便将成像光束在空间上分成16、32通道。如图4所示，空间光调节器207包括用于对各通道光谱进行独立编码的单元，以独立模式对每个信道独立光束进行编码。本实施例中的单像素检测器208为压缩感知单像素相机，其信息记录单元能够同时记录2^N通道光谱多路复用的多信道信息，以同时获得不同波长下的眼底图像。接目镜205、二分镜204、分光片组206、空间调制器207、单像素检测器208构成像设备的成像光路2，眼底反射的成像光谱经过接目镜205后进入二分镜204，透过二分镜204进入分光片组206，分光片组206将成像光谱图分为多通道独立光谱。该光谱经过空间光调节器207以独立模式对每个信道独立光束进行编码，单像素检测器208同时记录多路复用的多信道信息，以同时获得不同波长下的眼底图像，并将采集的图像传送至计算机209，通过计算机软件对所采集的图像进行编辑合成，从而获得多种图像，辅助医生诊断。

壳体内的这些光学部件由固定支架固定在其中，并采用3D打印的方式制作。该设备易组装、固定，结构较紧凑，便于携带。作为优选，壳体包括手柄，光源201、光滤波器202、聚焦透镜203固定在手柄中。考虑到该手持式眼底成像设备的重量，手握部分根据人体使用规范，选取密度小且强度大的材料打印符合人体力学的壳体，以便手持使用时，稳定不脱手，避免采集照片产生干扰。

所述该手持式多光谱眼底设备壳体及手柄，选取密度小且强度大的材料，根据光学元件的尺寸，3D打印壳体及手柄，以便各部件的固定及携带使用便捷。壳体上固定有数据接口，所述数据接口用于将所述图像信号传输至所述计算机。另外，可根据不同用途，调整光路元件位置后固定，以实现精准聚焦，满足工业图像采集需求。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims

1.手持式多光谱眼底成像设备，其特征在于，包括：

由所述二分镜至所述单像素检测器的光路上依次设有分光片组、空间光调制器；

所述壳体包括手柄；

所述光源、所述光滤波器、所述聚焦透镜固定在所述手柄中。

2.根据权利要求1所述的手持式多光谱眼底成像设备，其特征在于：

所述分光片组包括偏振片以及N组交替排列的相位延迟器和棱镜，用于将入射光束在空间上分成2^N通道光谱。

3.根据权利要求2所述的手持式多光谱眼底成像设备，其特征在于：

所述空间光调制器包括对各所述通道光谱进行独立编码的调制单元；

所述单像素检测器，包括用于同时记录所述2^N通道光谱的多路复用信息的信息记录单元。

4.根据权利要求1所述的手持式多光谱眼底成像设备，其特征在于：

所述壳体为3D打印壳体。

5.根据权利要求1所述的手持式多光谱眼底成像设备，其特征在于：

所述滤波器的选通波长为420nm-890nm。

6.根据权利要求1所述的手持式多光谱眼底成像设备，其特征在于：

所述光源包括近红外波段光谱。

7.根据权利要求1所述的手持式多光谱眼底成像设备，其特征在于：

所述光源为氙灯光源。

8.根据权利要求1所述的手持式多光谱眼底成像设备，其特征在于：

所述光源为阵列LED光源。

9.手持式多光谱眼底成像系统，其特征在于，包括：

权利要求1-8中任一项所述的成像设备；

计算机，用于对所述成像设备采集的图像进行优化处理或图像合成。