CN211094138U

CN211094138U - 一种基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统

Info

Publication number: CN211094138U
Application number: CN201921051879.7U
Authority: CN
Inventors: 邹达; 卢闫晔; 任秋实; 刘刚军
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2019-07-08
Filing date: 2019-07-08
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2029-07-08

Abstract

本实用新型公开了一种基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统。本实用新型无需采用价格昂贵的科研级探测器，而是采用价格便宜的单反相机即可实现视网膜血氧饱和度无创测量，显著地降低了成本并提高了性价比；通过巧妙地在照明光路中加入一个双波长带通滤光片，简便地得到视网膜血氧测量需要的对氧合血红蛋白和去氧血红蛋白不敏感的第一波长光和对它们敏感的第二波长光，实现了传统眼底相机的便捷升级，也简化了视网膜血氧饱和度测量系统和人员操作；无需对眼底相机的探测器的进行任何额外改装；有效避免了眼动干扰对血氧饱和度测量的影响，也省去了在视网膜血氧饱和度的后续计算处理过程中的图像配准过程。

Description

一种基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统

技术领域

本实用新型涉及视网膜血氧饱和度测量技术，具体涉及一种基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统。

背景技术

视网膜眼底作为全身唯一可在活体、无创条件下观察体内丰富血管及其分布状态的组织，是诊断眼底病变以及相关的全身系统性疾病的重要窗口。同时，视网膜有着很高的氧代谢需求，当人体出现眼部病变或全身系统性疾病时，通常会出现对应的视网膜血氧代谢异常和功能紊乱。因此，对视网膜血管内含氧水平的无创、定量测量对了解不同疾病的视网膜氧代谢变化、进行疾病的早期预警和预后跟踪评估均有着重要的科研和临床意义。

然而，传统的眼底成像仅能显示出眼底的直观结构性信息，却无法检测视网膜血管的含氧情况等功能性信息。目前商用和实验室开发的视网膜血氧饱和度无创检测专用仪器均采用了科研级探测器，其价格昂贵，不利于仪器的大规模生产和销售。同时，通常这些视网膜血氧饱和度测量仪器是在眼底相机等传统成像仪器上进行改装，不仅需要针对加装的科研级探测器重新设计接口、设计同步触发和采集的控制、传输软件程序控制和硬件连接，而且由于这些外加在原仪器之上的科研级探测器通常体积较大，会使得仪器的重心和外观发生巨大改变，给医生等操作者的使用也带来了诸多不便之处。

发明内容

针对以上现有技术中的问题，本实用新型提出了一种基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统，能够显著降低成本，提高性价比，简化视网膜功能成像系统和操作。

本实用新型的基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统包括：照明光源、双波长带通滤光片、监视光源、二向色镜、环形光阑、透镜组、中空反射镜、网膜物镜、孔径光阑、调焦透镜、聚焦透镜、探测器和计算机；其中，监视光源发出近红外光，经二向色镜反射引入光路；对焦完成后照明成像时监视光源关闭，同时照明光源闪光进行照明成像；照明光源发出白光，经双波长带通滤光片后得到对氧合血红蛋白和去氧血红蛋白不敏感的第一波长光和对氧合血红蛋白和去氧血红蛋白敏感的第二波长光，经二向色镜透射后经过环形光阑，经过透镜组聚焦后，经过中空反射镜的中心小孔周围反射后，经过网膜物镜入射至眼睛，在角膜上聚焦成环形光；聚焦的环形光通过瞳孔后发散，在眼底均匀地照明；从眼底反射出来的反射光经过网膜物镜的聚焦，通过中空反射镜的中央小孔，通过孔径光阑后依次经过调焦透镜和聚焦透镜后，由探测器接收；探测器连接至计算机；探测器采用单镜头反射式照相机，即单反相机。

照明光源采用白光LED光源，为宽谱白光，带宽为400nm～860nm。

监视光源采用近红外LED光源，该近红外光通过二向色镜引入照明光路，不会引起眼睛对可见光的瞳孔缩小反应，用于免散瞳眼底相机。

双波长带通滤光片的两个透过波段分别为对氧合血红蛋白和去氧血红蛋白不敏感的第一波长光和对氧合血红蛋白和去氧血红蛋白敏感的第二波长光；第一波长光与第二波长光的中心波长分别为540～550nm和605～615nm，带宽范围为8～20nm，分别为绿光波段和红光波段。

探测器采用单镜头反射式照相机，即单反相机。对于单反相机，其感光元件通常为光电荷耦合器件(Charge Couple Device,CCD)或互补金属氧化半导体(ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor,CMOS)。它们都是用光敏二极管来作为光-电信号的转化元件，其每个感光元件的像素点分别对应图像传感器中的一个像点。由于感光元件只能感应光的强度，无法捕获色彩信息，因此彩色CCD/CMOS图像传感器必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以1：2：1的构成由四个像点构成一个彩色像素(即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片)，采取这种比例的原因是人眼对绿色较为敏感，并且如果绿色所占权重小，RGB三色还原后人眼能敏锐地觉察到绿色部分不真实。由此组成新的R、G、B、B四色方案，这种解决方案就是经典的拜耳滤镜(Bayer filter)。

因此，对于传统单反相机的CMOS/CCD感光芯片，实际上每一个像点只拍了一个颜色，四个像点才能合成一个彩色像素。因此，本实用新型提取出单反相机的CMOS/CCD中由红绿蓝通道滤光片获得不同颜色通道的视网膜图像。同时，由于双波长带通滤光片已经确保了照明成像的光为窄带的第一波长光和第二波长光，因此单反相机的绿色通道记录的信息即为第一波长光的视网膜图像，红色通道记录的信息即为第二波长光的视网膜图像。这样，从单反相机的红色通道和绿色通道记录的视网膜图像中提取出血管网，能够直接用于血氧饱和度的计算。

血氧饱和度SatO₂与不同波长下血管光密度比(Optical Density Ratio,ODR))近似成负相关线性关系，如公式(1)所示：

其中，a和b分别为血氧饱和度与ODR进行线性拟合的参数，OD₁和OD₂分别为第一波长光和第二波长光的光密度值(Optical Density，OD)，I₀₁和I₁分别为第一波长光的入射光强和出射光强，I₀₂和I₂分别为第二波长光的入射光强和出射光强。

I₀₁和I₁分别取绿光通道的视网膜图像中血管外5～15个像素的灰度平均值和血管内像素的灰度最小值；I₀₂和I₂分别为红光通道的视网膜图像中血管外5～15个像素的灰度平均值和血管内像素的灰度最小值。

本实用新型的优点：

本实用新型无需采用价格昂贵的科研级探测器，而是采用价格便宜的单反相机即可实现视网膜血氧饱和度无创测量，显著地降低了成本并提高了性价比；通过巧妙地在照明光路中加入一个双波长带通滤光片，简便地得到视网膜血氧测量需要的对氧合血红蛋白和去氧血红蛋白不敏感的第一波长光和对氧合血红蛋白和去氧血红蛋白敏感的第二波长光，实现了传统眼底相机的便捷升级，也简化了视网膜血氧饱和度测量系统和人员操作。本实用新型在进行视网膜结构成像的同时，能够进行视网膜血氧饱和度功能成像，无需对眼底相机的探测器的进行任何额外改装，避免了重新设计科研级探测器的接口、设计同步触发和采集的控制、传输软件程序控制和硬件连接等步骤。本实用新型采用一个单反相机同时记录两个波长的视网膜图像，相比连续拍两张视网膜图像，有效避免了眼动干扰对血氧饱和度测量的影响，也省去了在视网膜血氧饱和度的后续计算处理过程中的图像配准过程。

附图说明

图1为本实用新型的基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统的一个实施例的光路示意图；

图2为氧合血红蛋白和去氧血红蛋白对不同波长光的摩尔消光系数；

图3根据本实用新型的基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统的一个实施例得到的红色通道和绿色通道记录的视网膜图像。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。

如图1所示，本实施例的基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统包括：照明光源1、双波长带通滤光片2、监视光源3、二向色镜4、环形光阑5、中空反射镜7、网膜物镜8、孔径光阑10、调焦透镜11、聚焦透镜12、探测器13和计算机14；其中，监视光源3发出近红外光，经二向色镜4反射引入光路，找到眼底位置；对焦完成后拍照时监视光源3关闭，同时照明光源1闪光进行照明成像，持续时间40～50ms；照明光源1发出白光，经双波长带通滤光片2后得到对氧合血红蛋白和去氧血红蛋白不敏感的第一波长光和对氧合血红蛋白和去氧血红蛋白敏感的第二波长光，经二向色镜4透射后经过环形光阑5，透镜组采用第一凸透镜和第二凸透镜，经由第一凸透镜聚焦后由平面反射镜6反射，再由第二凸透镜聚焦至中空反射镜7，再经过中空反射镜7的中心小孔周围反射后，经过网膜物镜8入射至眼睛9，在角膜上聚焦成环形光；聚焦的环形光通过瞳孔后发散，在眼底均匀地照明；从眼底反射出来的反射光经过网膜物镜8的聚焦，通过中空反射镜7的中央小孔，通过孔径光阑10后依次经过调焦透镜11和聚焦透镜12后，由探测器13接收；探测器13连接至计算机14；探测器13采用单镜头反射式照相机，即单反相机。

在本实施例中，照明光源1采用白光LED光源，监视光源3采用近红外LED光源。双波长带通滤光片2的两个透过波段分别为对氧合血红蛋白和去氧血红蛋白不敏感和敏感的波段，具体地，这两个透过波段的中心波长分别为546nm和610nm，带宽为10nm。

如图2所示，氧合血红蛋白HbO₂和去氧血红蛋白Hb对546nm波长的绿光不敏感，对610nm波长红光敏感。

如图3所示，单反相机的CMOS/CCD芯片上覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以1：2：1的构成由四个像点构成一个彩色像素，此为拜耳滤镜15。因此，成像的546nm波长的窄带绿光和610nm波长的窄带红光经过拜耳滤镜15后，绿色通道16只能通过该546nm波长的窄带光并记录，红色通道17只能通过610nm波长的窄带光并记录。接下来，提取出单反相机的CMOS/CCD记录的绿色通道16和红色通道17的对视网膜成像的原始数据，即得到了546nm波长下和610nm波长下视网膜图像。

由于该系统为对眼底进行一次拍照后同时提取出绿光通道和红光通道的视网膜图像，因此得到的绿光波段和红光波段照明下的视网膜图像无需再进行配准。分割出血管后即可进行光密度比的计算，根据公式(1)拟合出视网膜血管的血氧饱和度，实现基于单反相机和双波长带通滤光片的视网膜血氧饱和度无创测量。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统，其特征在于，所述基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统包括：照明光源、双波长带通滤光片、监视光源、二向色镜、环形光阑、透镜组、中空反射镜、网膜物镜、孔径光阑、调焦透镜、聚焦透镜、探测器和计算机；其中，所述监视光源发出近红外光，经二向色镜反射引入光路；对焦完成后照明成像时监视光源关闭，同时照明光源闪光进行照明成像；所述照明光源发出白光，经双波长带通滤光片后得到对氧合血红蛋白和去氧血红蛋白不敏感的第一波长光和对氧合血红蛋白和去氧血红蛋白敏感的第二波长光，经二向色镜透射后经过环形光阑，经过透镜组聚焦后，经过中空反射镜的中心小孔周围反射后，经过网膜物镜入射至眼睛，在角膜上聚焦成环形光；聚焦的环形光通过瞳孔后发散，在眼底均匀地照明；从眼底反射出来的反射光经过网膜物镜的聚焦，通过中空反射镜的中央小孔，通过孔径光阑后依次经过调焦透镜和聚焦透镜后，由探测器接收；所述探测器连接至计算机；所述探测器采用单镜头反射式照相机，即单反相机。

2.如权利要求1所述的基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统，其特征在于，所述照明光源采用白光LED光源，为宽谱白光，带宽为400nm～860nm。

3.如权利要求1所述的基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统，其特征在于，所述第一波长光与第二波长光的中心波长分别为540～550nm和605～615nm，带宽范围为8～20nm，分别为绿光波段和红光波段。

4.如权利要求1所述的基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统，其特征在于，所述单镜头反光式照相机的感光元件通常为光电荷耦合器件或互补金属氧化半导体。

5.如权利要求1所述的基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统，其特征在于，血氧饱和度SatO₂为：

其中，a和b分别为血氧饱和度与光密度比ODR进行线性拟合的参数，I₀₁和I₁分别为第一波长光的入射光强和出射光强，I₀₂和I₂分别为第二波长光的入射光强和出射光强。

6.如权利要求5所述的基于单镜头反光式相机的视网膜血氧饱和度测量系统，其特征在于，I₀₁和I₁分别取绿光通道的视网膜图像中血管外5～15个像素的灰度平均值和血管内像素的灰度最小值；I₀₂和I₂分别为红光通道的视网膜图像中血管外5～15个像素的灰度平均值和血管内像素的灰度最小值。