CN111265183B - 基于光束平行扫描模式的视网膜血流测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医用光学检测领域，本发明公开一种基于光束平行扫描模式的人眼视网膜血流测量装置，可对人眼视网膜不同部位的血管分支以及视网膜总的血液流量进行定量检测，使探测光束通过人眼的前焦点，然后以平行于人眼主光轴或辐轴的方式对人眼视网膜进行扫描；光束平行入射模式可以有效增大探测光束和视网膜血管之间的夹角，从而实现对人眼视网膜不同部位血管分支血液流量的定量检测，提高血流测量结果的准确性。同时，使用单光束OCT系统对人眼视网膜的血流进行测量，减小了OCT视网膜血流测量装置的复杂性，并大大降低了成本，有利于促进视网膜血流测量技术在医学临床上的普及应用，为眼科疾病的诊断和研究提供帮助。

Description

基于光束平行扫描模式的视网膜血流测量装置

技术领域

本发明涉及医用光学检测领域，特别涉及一种基于光束平行扫描模式的视网膜血流测量装置，是一种眼科光学检测装置，具有对人眼视网膜的血液流量进行检测的功能。

背景技术

光学相干层析成像技术（OCT）是一种非接触、无损伤的医用光学成像技术。通过对样品内部散射光的检测，OCT可以对生物样品的结构进行高分辨的成像，分辨率在微米量级。除了提供组织形态学的信息,OCT也可以探测出来自生物组织散射光的多普勒频率移动，从而对组织内部的血液流动进行分析测量。

在多普勒OCT中，流动的血液会对散射光产生一个多普勒频率移动（Δf），

Δf=-(2nVcosα)/λ₀ （1）

其中n为组织的折射率、V为血液的流动速度、λ₀为探测光的中心波长、α为探测光和血液流动方向之间的夹角，被称为多普勒角。通过分析OCT的干涉信号，来自组织的多普勒频率移动Δf可以被检测出来。但是，为了获得血液的真实流速V，单有频率移动Δf是不够的，人们还需要知道探测光束和血液流动方向之间的夹角α。

当探测光倾斜扫描血管时,通过分析血管在组织三维结构中的空间走向，研究人员可以计算出多普勒角α，并利用这一技术在人眼的视盘区成功测量了进入（或流出）人眼视网膜血液的总流量。但这种方法在测量人眼视场中心区（黄斑附近）的血管分支时遇到了困难。人眼的视网膜是一个半径为R的球面，在视场中心区，视网膜的血管分布在半径为R的球面上。在眼科OCT中，传统的扫描方式是使探测光通过瞳孔中心进行扫描，探测光束和视网膜表面血管之间的夹角接近90度，因此，在采集到的人眼视网膜结构图中，血管的倾斜度太小,利用分析血管空间走向测得的多普勒角度误差太大，不够准确。

为了测量人眼视场中心区的血液流量，研究人员开发了双光路OCT系统，利用两束光会聚扫描视网膜表面,这种技术不直接测量多普勒角度α，而是通过设定两束探测光之间的夹角来计算血液的真实流速。这种技术由于采用的是两套OCT系统，成本较高，调整复杂，不利于临床应用，很难获得推广。另外，这种技术在理论上不够完备，在光束的入射方向上要求探测光和待测血管接近垂直，并需要检测扫描方向和血管之间的夹角作为辅助参数。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于光束平行扫描模式的视网膜血流测量装置，可以有效增加探测光束和视网膜血管之间的夹角，从而实现对人眼视网膜不同部位血管分支血液流量的定量检测，并增加测量结果的可靠性。

技术方案：本发明提供了一种基于光束平行扫描模式的视网膜血流测量装置，光源发出的光与光纤耦合器的入射端口连接，所述光源的光经过所述光纤耦合器分别进入参考光路单元和光束扫描单元，由所述光束扫描单元返回的样品光信号通过所述光纤耦合器进入光谱仪单元接收光信号；数据采集控制单元分别与所述光束扫描单元和所述光谱仪单元电连接；所述参考光路单元中，第一参考臂的光学长度大于第二参考臂的光学长度；探测光束通过人眼前焦点进入人眼；在眼睛内部，探测光束以近似平行于光轴的方式对人眼的视网膜进行扫描；为了实现对视网膜不同部位血管的倾斜角度入射，使用一个带有十字叉的定位靶来调节眼球的转动，将定位靶上的十字叉在平面内移动，通过转动眼球观察十字叉，在不改变光束扫描方向的情况下，对视网膜不同区间中的血管进行扫描测量；探测光束对待测视网膜血管进行两次扫描，两个扫描面之间有一定的空间间隔；设第一次扫描获得的血管中心位置为C₁，第二次扫描获得的血管中心位置为C₂，则根据血管中心C₁和C₂的位置坐标，计算出血管的方向矢量r，而OCT 扫描光束的方向矢量为z，则扫描光束和血管之间夹角α满足 cosα=（r·z）/S；其中S为C₁和C₂之间的距离；将上式的结果代入公式Δf=-(2nVcosα)/λ₀中，计算出待测血管中的血流速度，其中，Δf为多普勒频率移动，n为组织的折射率、V为血液的流动速度、λ₀为探测光的中心波长、α为探测光和血液流动方向之间的夹角——多普勒角。

进一步地，所述光源发出的光通过光学隔离器与所述光纤耦合器的入射端口连接。

优选地，所述光束扫描单元包括与所述光纤耦合器连接的第一准直透镜，与所述第一准直透镜连接的第一反射镜、与所述第一反射镜连接的二维扫描振镜，以及与所述二维扫描振镜连接的第一透镜、第二反射镜和第二透镜；从所述光纤耦合器输出的光经过所述第一准直透镜和所述第一反射镜入射到所述二维扫描振镜上，由所述二维扫描振镜反射的光束经过所述第一透镜、所述第二反射镜和所述第二透镜进入人眼，对视网膜进行扫描。

优选地，所述光束扫描单元还包含液晶显示器定位靶，所述定位靶上的十字叉图像通过第三透镜和所述第二透镜进入人眼，投影在视网膜上。

优选地，所述数据采集控制单元包括计算机，以及与所述计算机电连接的图像采集卡和扫描驱动卡，所述图像采集卡与所述光谱仪单元中的信号接收装置电连接，所述扫描驱动卡与所述二维扫描振镜的角度偏转装置电连接；所述图像采集卡采集所述光谱仪单元中的信号接收装置接收的干涉光谱信号后传输至所述计算机处理，并发出驱动控制信号传输给所述扫描驱动卡，所述扫描驱动卡控制所述二维扫描振镜的角度偏转。

优选地，所述第一参考臂包括第二准直透镜、光强衰减器、第一光路开关和第一全反射镜；所述第二参考臂包括所述第二准直透镜、所述光强衰减器、半透半反镜、第二光路开关和第二全反射镜。

优选地，所述第一全反射镜安装在第一一维移动台上，所述第一一维移动台沿着入射光方向前后移动以调整所述第一参考臂的光程；所述第二全反射镜安装在第二一维移动台上，所述第二一维移动台沿着入射光方向前后移动以调整所述第二参考臂的光程。

优选地，所述第一参考臂的光学长度比所述第二参考臂的光学长度长17毫米。

进一步地，所述参考光路单元与所述光纤耦合器连接的光纤上，还安装有偏振控制器。

优选地，所述光谱仪单元包括第三准直透镜、光栅、聚焦透镜和线阵CCD，经过所述光纤耦合器干涉的光进入所述光谱仪单元后，由所述第三准直透镜准直，然后依次经过所述光栅的衍射和所述聚焦透镜的汇聚，传输至所述线阵CCD的表面，所述线阵CCD接收的干涉光谱信号经图像采集卡传输至所述数据采集控制单元。

有益效果：本装置可对人眼视网膜不同部位的血管分支以及视网膜总的血液流量进行定量检测。该装置使探测光束通过人眼的前焦点，然后以平行于人眼主光轴或辐轴的方式对人眼视网膜进行扫描；光束平行入射模式可以有效增大探测光束和视网膜血管之间的夹角，从而实现对人眼视网膜不同部位血管分支血液流量的定量检测，提高血流测量结果的准确性。探测光束对待测血管的两个不同位置进行扫描，利用获得的两幅多普勒OCT图像来计算探测光和待测血管之间的多普勒角度，以实现对血液流速和流量的定量测量。同时，使用单光束OCT系统对人眼视网膜的血流进行测量，减小了OCT视网膜血流测量装置的复杂性，并大大降低了成本，有利于促进视网膜血流测量技术在医学临床上的普及应用，为眼科疾病的诊断和研究提供帮助。

附图说明

图1 人眼视网膜血流测量装置示意图；

图2干涉仪参考臂结构示意图；

图3 视网膜血流测量装置眼底扫描单元结构示意图

图4 视网膜血流测量装置探测器结构示意图

图5 光束通过人眼前焦点扫描眼底示意图

图6 视网膜分区示意图

图7 视场上边缘光束扫描示意图

图8 视场中心部位光束扫描示意图

图9视场下边缘光束扫描示意图

图10 (a)视网膜血管两次扫描示意图；(b)多普勒角示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的介绍。

本实施方式提供了一种新型的基于单光束OCT系统的视网膜血流测量装置，该测量装置的具体结构见图1，它由光源1、光学隔离器2、光纤分束器3、参考光路单元4、光束扫描单元5、光谱仪单元6以及数据采集控制单元7构成。其中，光源1为一宽带近红外光源，例如超辐射发光二极管（SLD）。光源1发出的光通过光学隔离器2与光纤耦合器3的入射端口连接，光源1的光经过光纤耦合器3分别进入参考光路单元4和光束扫描单元5，由光束扫描单元5返回的样品光信号通过光纤耦合器3进入光谱仪单元6接收光信号；数据采集控制单元7分别与光束扫描单元5和光谱仪单元6电连接。

参考光路单元4的具体结构参见图2，包含第一参考臂34和第二参考臂35，第一参考臂34包括第二准直透镜9、光强衰减器10、第一光路开关12和第一全反射镜13；所述第二参考臂35包括所述第二准直透镜9、所述光强衰减器10、半透半反镜11、第二光路开关17和第二全反射镜15。由光源输出的光经过光纤分束器3后，一路进入参考光路单元4。进入参考光路单元4的光经过一个偏振控制器8后，被第二准直透镜9准直，然后通过一个光强衰减器10，入射到半透半反镜11上面。通过调节偏振控制器8，实现参考光和样品信号光之间的偏振态匹配；光强衰减器10用于控制参考光路的光强在合理的范围。一部分光通过半透半反镜11，经过光路开关12入射到第一全反射镜13上，第二准直透镜9和第一全返射镜13构成干涉仪的第一参考臂34，第一光路开关12用以控制第一参考臂34光路的开关和闭合。第一全反射镜13安装在第一一维移动台14上面，可以沿入射光方向前后移动以调整第一参考臂34的光程。入射到半透半反镜11上面的另一部分光由半透半反镜11反射，经过第二光路开关17，入射到第二全反射镜15表面。当光路开关17闭合，光路开关12打开时，第一参考臂34工作，探测光通过人眼前焦点进入人眼21，以平行于人眼21的光轴或辐轴的方式对视网膜进行扫描。第二准直透镜9、半透半反镜11、第二光路开关17和第二全反射镜15构成第二参考臂35，第二光路开关17用以控制第二参考臂35光路的开关和闭合。第二全反射镜15安装在第二一维移动台16上面，可以沿入射光方向前后移动以调整第二参考臂35的光程。通过对正常人眼的光学结构进行ZEMAX模拟计算可知，人眼前焦点到瞳孔中心的几何距离约为17.13毫米, 因此，第一参考臂34的光程长度比第二参考臂35的光程长度要长17.13毫米。

光束扫描单元5的具体结构见图3，包括与光纤耦合器3连接的第一准直透镜18，与第一准直透镜18连接的第一反射镜19、与第一反射镜19连接的二维扫描振镜26，以及与二维扫描振镜26连接的第一透镜20、第二反射镜23和第二透镜22。由光纤分束器3输出的另一路光经由第一准直透镜18准直以后，被第一反射镜19反射到一个二维扫描振镜26。由二维扫描振镜26反射的光，经由第一透镜20入射到第二反射镜23上， 第二反射镜23为一双色反射镜，对840nm的近红外光具有高的反射率，对可见光具有高的透射率。被第二反射镜23反射的探测光经由第二透镜22进入人眼21中，对视网膜进行扫描检测。在光束扫描单元5中，还包含一个液晶显示屏定位靶25，它可以产生一个可见光波段的十字叉，例如绿色，定位靶25上十字叉的位置通过计算机进行控制。由定位靶25产生的十字叉经过第三透镜24、第二反射镜23和第二透镜22投影到人眼21的视网膜上。在OCT扫描过程中，被测人眼通过观察定位靶25上上不同位置的十字叉图像，可以防止人眼的抖动并对扫描位置进行定位，实现对视网膜不同部位的扫描。

光谱仪单元6的具体结构参见图4。包括第三准直透镜27、光栅28、聚焦透镜29和线阵CCD 30，经过光纤耦合器3干涉的光进入光谱仪单元6，经由第三准直透镜27准直以后，入射到一个透射型衍射光栅28上，干涉信号的不同光谱成分经过衍射光栅28以后，被聚焦透镜29成像在一个线阵CCD30上，线阵CCD30输出的电信号由图像采集卡31进行采集。

参见图1，数据采集控制单元7由图像采集卡31、扫描驱动卡32和计算机33组成。图像采集卡31与光谱仪单元6中的信号接收装置电连接，扫描驱动卡32与二维扫描振镜26的角度偏转装置电连接；图像采集卡31采集光谱仪单元6中的信号接收装置接收的干涉光谱信号后传输至计算机33处理，并发出驱动控制信号传输给扫描驱动卡32，扫描驱动卡32控制二维扫描振镜26的角度偏转，图像采集卡31采集到的光谱干涉信号由计算机33接收并进行处理。

工作原理：

（1）光束平行扫描模式的实现

参见图1，由光源1发出的宽带光，经过光学隔离器2和光纤分束器3以后被分为两路,一路光进入参考光路4，另一路光进入光束扫描单元5。

参见图2，首先打开第二参考臂35 中的第二光路开关17，同时第一参考臂34中的第一光路开关12关闭。然后，扫描光束按传统方法通过人眼的瞳孔中心，进入人眼21，按设定的扫描宽度，对人眼21的视网膜扫描成像，得到眼底视盘部位的结构图T1，这张图的宽度将作为下一步测量的标尺。然后打开第一参考臂34 中的第一光路开关12，同时第二参考臂35中的第二光路开关17关闭。

参见图3，将扫描单元5整体向远离人眼的方向移动，使得扫描物镜22的焦点F向后移动到眼睛前焦点的位置，当F和人眼表面的距离d约为17.13毫米时，在眼睛内部，探测光束将以近似平行于光轴的方式对视网膜进行扫描。对人眼21的视网膜进行扫描成像，得到眼底视盘部位的结构图T2，将图T2 和T1 进行对比，可以对平行扫描模式的尺度进行定标。

（2）视网膜不同部位血管的扫描

参见图5，在平行扫描模式下，在视网膜上不同高度H处（假定血管沿着球面分布），入射光束和视网膜血管之间夹角为α=cos^-1(H/R)，其中R为视网膜视场中心区的曲率半径，约为16.5毫米。在H=2.5毫米时，角度为81.3度，可以实现该位置视网膜血管血流的有效测量。

参见图6，以黄斑中心和视盘中心所在的平面为例，人眼21的视网膜被分为四个区间a₁、a₂、a₃和a₄。以黄斑中心为竖直方向的坐标原点，区间a₂对应的视网膜高度h_a2为0≤h_a2≤2.5毫米，区间a₁对应的视网膜区间高度h_a1≥2.5毫米，区间a₃对应的视网膜区间高度h_a3为-2.5毫米≤h_a3≤0，区间a₄对应的视网膜区间高度h_a4≤-2.5毫米。

参见图3，为了实现对视网膜上不同部位血管的倾斜角度入射，我们使用一个带有十字叉的定位靶25来调节眼球的转动。参见图7，探测光首先沿光路方向I 进行，对于视网膜区间a₁，将定位靶25上的十字叉在平面内向上移动，通过转动眼球观察十字叉，在不改变光束扫描方向的情况下，就可以对视网膜区间a₁中的血管进行扫描测量。类似的，参见图8，将定位靶25上的十字叉向下移，通过转动眼球观察十字叉，眼轴向下转动，在不改变光束扫描方向的情况下，就可以对视网膜区间a₂中的血管进行扫描测量。

参见图9，首先通过控制二维扫描振镜26，使得探测光束以光路II方向进入人眼，接下来，将定位靶25上的十字叉向上移动，通过转动眼球观察十字叉，在不改变光束方向II的情况下，就可以对视网膜区间a₃中的血管进行扫描测量。类似的，将定位靶25上的十字叉向下移动，通过转动眼球观察十字叉，在不改变光束方向II的情况下，可以实现对视网膜区间a₄中的血管进行扫描测量。因此，通过控制扫描光束路径以及相应的调整定位靶25上十字叉的位置，可以对视网膜上以黄斑为中心，直径大于10毫米区域内的血管进行倾斜扫描，从而实现对人眼视网膜血管分支血流的有效定量测量。

（3）多普勒角度的确定及血流计算

参见图10(a)，探测光束首先沿着实线路径L₁进入人眼，扫描获得一幅待测视网膜血管的图像，如图10(b)中血管图1的实线圆所示，血管中心C₁的坐标为(x₁,y₁,z₁)，这个扫描被称为第一次扫描；然后，二维扫描振镜26转动到虚线所示位置，探测光束沿着虚线路径L₂进入人眼，扫描待测视网膜血管获得另一幅图像，如图10(b)中的虚线圆所示，血管中心C₂的坐标为(x₂,y₂,z₂)，这个扫描被称为第二次扫描。在血管上，第二次扫描的位置相对于第一次扫描有一个微小的平移。

参见图10(b)，由两次扫描获得的血管中心C₁和C₂的位置坐标，可以计算出血管的方向矢量r，而OCT 扫描光束的方向矢量为z,则扫描光束和血管之间夹角α满足

cosα=（r·z）/S （2）

其中S为C₁和C₂之间的距离，可以通过它们的坐标计算出来。将（2）式的结果代入背景技术中的公式（1）中，可以计算出待测血管中的血流速度V。得到血流速度以后，血管中的血液流量BF为BF=V×A，其中A为血管的横截面积，可以通过待测血管的OCT图像计算出来。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光束平行扫描模式的视网膜血流测量装置，其特征在于：光源（1）发出的光与光纤耦合器（3）的入射端口连接，所述光源（1）的光经过所述光纤耦合器（3）分别进入参考光路单元（4）和光束扫描单元（5），由所述光束扫描单元（5）返回的样品光信号通过所述光纤耦合器（3）进入光谱仪单元（6）接收光信号；数据采集控制单元（7）分别与所述光束扫描单元（5）和所述光谱仪单元（6）电连接；所述参考光路单元（4）中，第一参考臂（34）的光学长度大于第二参考臂（35）的光学长度；

探测光束通过人眼前焦点进入人眼（21）；在眼睛内部，探测光束以近似平行于光轴的方式对人眼（21）的视网膜进行扫描；

为了实现对视网膜不同部位血管的倾斜角度入射，使用一个带有十字叉的定位靶（25）来调节眼球的转动，将定位靶（25）上的十字叉在平面内移动，通过转动眼球观察十字叉，在不改变光束扫描方向的情况下，对视网膜不同区间中的血管进行扫描测量；

探测光束对待测视网膜血管进行两次扫描，两个扫描面之间有一定的空间间隔；设第一次扫描获得的血管中心位置为C₁，第二次扫描获得的血管中心位置为C₂，则根据血管中心C₁和C₂的位置坐标，计算出血管的方向矢量r，而OCT 扫描光束的方向矢量为z，则扫描光束和血管之间夹角α满足

cosα=（r·z）/S

其中S为C₁和C₂之间的距离；将上式的结果代入公式Δf=-(2nVcosα)/λ₀中，计算出待测血管中的血流速度；其中，Δf为多普勒频率移动，n为组织的折射率、V为血液的流动速度、λ₀为探测光的中心波长、α为探测光和血液流动方向之间的夹角——多普勒角。

2.根据权利要求1所述的基于光束平行扫描模式的视网膜血流测量装置，其特征在于：所述光源（1）发出的光通过光学隔离器（2）与所述光纤耦合器（3）的入射端口连接。

3.根据权利要求1所述的基于光束平行扫描模式的视网膜血流测量装置，其特征在于：所述光束扫描单元（5）包括与所述光纤耦合器（3）连接的第一准直透镜（18），与所述第一准直透镜（18）连接的第一反射镜（19）、与所述第一反射镜（19）连接的二维扫描振镜（26），以及与所述二维扫描振镜（26）连接的第一透镜（20）、第二反射镜（23）和第二透镜（22）；

从所述光纤耦合器（3）输出的光经过所述第一准直透镜（18）和所述第一反射镜（19）入射到所述二维扫描振镜（26）上，由所述二维扫描振镜（26）反射的光束经过所述第一透镜（20）、所述第二反射镜（23）和所述第二透镜（22）进入人眼（21），对视网膜进行扫描。

4.根据权利要求3所述的基于光束平行扫描模式的视网膜血流测量装置，其特征在于：所述光束扫描单元（5）还包含液晶显示器定位靶（25），所述定位靶（25）上的十字叉图像通过第三透镜（24）和所述第二透镜（22）进入人眼（21），投影在视网膜上。

5.根据权利要求3所述的基于光束平行扫描模式的视网膜血流测量装置，其特征在于：所述数据采集控制单元（7）包括计算机（33），以及与所述计算机（33）电连接的图像采集卡（31）和扫描驱动卡（32），所述图像采集卡（31）与所述光谱仪单元（6）中的信号接收装置电连接，所述扫描驱动卡（32）与所述二维扫描振镜（26）的角度偏转装置电连接；所述图像采集卡（31）采集所述光谱仪单元（6）中的信号接收装置接收的干涉光谱信号后传输至所述计算机（33）处理，并发出驱动控制信号传输给所述扫描驱动卡（32），所述扫描驱动卡（32）控制所述二维扫描振镜（26）的角度偏转。

6.根据权利要求1所述的基于光束平行扫描模式的视网膜血流测量装置，其特征在于：所述第一参考臂（34）包括第二准直透镜（9）、光强衰减器（10）、第一光路开关（12）和第一全反射镜（13）；所述第二参考臂（35）包括所述第二准直透镜（9）、所述光强衰减器（10）、半透半反镜（11）、第二光路开关（17）和第二全反射镜（15）。

7.根据权利要求6所述的基于光束平行扫描模式的视网膜血流测量装置，其特征在于：所述第一全反射镜（13）安装在第一一维移动台（14）上，所述第一一维移动台（14）沿着入射光方向前后移动以调整所述第一参考臂（34）的光程；所述第二全反射镜（15）安装在第二一维移动台（16）上，所述第二一维移动台（16）沿着入射光方向前后移动以调整所述第二参考臂（35）的光程。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于光束平行扫描模式的视网膜血流测量装置，其特征在于：所述第一参考臂（34）的光学长度比所述第二参考臂（35）的光学长度长17毫米。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的基于光束平行扫描模式的视网膜血流测量装置，其特征在于：所述参考光路单元（4）与所述光纤耦合器（3）连接的光纤上，还安装有偏振控制器（8）。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的基于光束平行扫描模式的视网膜血流测量装置，其特征在于：所述光谱仪单元（6）包括第三准直透镜（27）、光栅（28）、聚焦透镜（29）和线阵CCD（30），经过所述光纤耦合器（3）干涉的光进入所述光谱仪单元（6）后，由所述第三准直透镜（27）准直，然后依次经过所述光栅（28）的衍射和所述聚焦透镜（29）的汇聚，传输至所述线阵CCD（30）的表面，所述线阵CCD（30）接收的干涉光谱信号经图像采集卡（31）传输至所述数据采集控制单元（7）。

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