專利名稱：一種視網(wǎng)膜三維成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種眼科成像裝置，特別是一種視網(wǎng)膜三維成像裝置，該裝置能在大視場范圍內(nèi)對視網(wǎng)膜不同區(qū)域、不同厚度處進行掃描成像，重構(gòu)視網(wǎng)膜三維圖像并視頻輸出觀測結(jié)果，為視網(wǎng)膜疾病診斷提供科學(xué)參考。
背景技術(shù)：
共焦掃描成像和光學(xué)相干層析成像技術(shù)，在生物組織學(xué)成像領(lǐng)域獲得了廣泛、成熟的應(yīng)用(Webb RH, Hughes Gff. Scanning Laser Ophthalmoscope. Biomedical Engineering, IEEE Transactions on. 1981, BME-28 (7) :488-92.) ；A. F. Fercher 提出通過干涉成像的方法測量眼軸的長度(A. F. Fercher et. Al“Eye_length measurement by interferometry with partialIy coherent light，，，Optics Letters. 13, 186-188 (1998))，其后David Huang等在OCT技術(shù)的發(fā)展上做了較多研究(Huang D et al. Laser Surg Med 1991,11:5) ；Wilson iTony等也提出過通過共焦成像原理來實現(xiàn)生物組織的二維圖像(US6687052)。專利號為US5825533(1998)的發(fā)明專利提出通過兩個獨立的掃描振鏡來進行橫向和縱向的同步掃描，以實現(xiàn)共焦掃描成像。但該專利僅給出了簡單的二維掃描基本原理， 沒有提出大視場的概念。專利號分別為USM91524、US7489405B2的發(fā)明專利，提出了光學(xué)相干層析系統(tǒng)的基本原理性裝置，但沒有提出像差校正的概念，無法實現(xiàn)高分辨率成像的功能，更沒有解決大視場與高分辨率成像共存的問題。專利號US6648473等提出了通過隨機梯度并行算法實現(xiàn)自適應(yīng)光學(xué)像差校正的專利方案，但在實際臨床應(yīng)用上，視網(wǎng)膜成像受限于自適應(yīng)光學(xué)小視場(1-2°角)或者等暈角的限制，無法取得大范圍視網(wǎng)膜圖像，不能很好的應(yīng)用于臨床。專利號為ZL99115053. 8(1999)的發(fā)明專利等，提出了基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的視網(wǎng)膜成像裝置，但該裝置沒有實現(xiàn)光學(xué)相干層析成像，也沒有提出大視場的概念。專利號分別為ZL200610052463. 8、ZL200510012234. 9的發(fā)明專利等也提出了光學(xué)相干層析技術(shù)的原理性裝置，但重點在如何提高光學(xué)相干層析儀的焦深和改變掃描方式，也沒有提到提出如何實現(xiàn)滿足大視場與高分辨率同步成像的解決方案。專利號ZL200780041853. 8 提出了視網(wǎng)膜掃描的概念，但沒有提及如何實現(xiàn)視網(wǎng)膜的高分辨率體成像，專利 ZL200680002851. 3、ZL201010157034. 3等也提出了視網(wǎng)膜三維建模的方法，但尚未能形成高清視頻成像。綜上所述可知，現(xiàn)有的視網(wǎng)膜成像設(shè)備在三維成像尤其是高分辨率三維實時視頻成像方面存在一些不足，有待發(fā)展新的方法和裝置，來實現(xiàn)對人眼視網(wǎng)膜的非侵入式活體觀測，獲取三維圖像，幫助醫(yī)生診斷眼科疾病。對比國際國內(nèi)在視網(wǎng)膜成像、共焦掃描成像與光學(xué)相干層析成像等領(lǐng)域的技術(shù)成果，本發(fā)明在光學(xué)相干層析成像和共焦掃描成像的基本原理上，提出一種新的視網(wǎng)膜三維成像裝置，通過場鏡設(shè)計保證二維掃描組件能在視網(wǎng)膜上高分辨率無畸變掃描，以獲取視網(wǎng)膜圖像，通過干涉信號探測組件和共焦信號探測組件的同步成像，重構(gòu)出視網(wǎng)膜三維立體圖像，成像視場45°角，適合臨床診斷；另外，本發(fā)明提出的一種視網(wǎng)膜三維成像裝置， 具有掃描結(jié)構(gòu)簡単，光纖連接使得裝置更加簡單，且具備很好的光學(xué)成像質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題1)克服傳統(tǒng)眼底照相機不能得到視網(wǎng)膜層析圖像的限制；2)克服傳統(tǒng)眼底OCT無法得到高分辨視網(wǎng)膜表面圖像的限制；3)克服傳統(tǒng)眼底照相機只能單張拍攝視網(wǎng)膜圖像的問題；4)克服傳統(tǒng)眼底OCT成像系統(tǒng)的成像視場過小的問題；本發(fā)明提出一種視網(wǎng)膜三維成像裝置，既能得到人眼視網(wǎng)膜高分辨率眼底面掃描圖像，又能得到視網(wǎng)膜層析圖像，并且實現(xiàn)了 45°角范圍內(nèi)的寬視場眼底三維成像。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種視網(wǎng)膜三維成像裝置，由光源組件、干涉臂組件、ニ 維掃描組件、場鏡組件、共焦信號探測組件和干渉信號探測組件構(gòu)成。通過包含兩個掃描振鏡的ニ維掃描組件實現(xiàn)人眼視網(wǎng)膜由點到面的掃描，通過共焦信號探測組件獲取掃描面上每ー個掃描點的光強信號，通過干涉信號探測組件獲取掃描面上每ー個掃描點的深度信號，結(jié)合掃描面上每一點的光強與深度信號，重構(gòu)掃描面上視網(wǎng)膜三維圖像；通過場鏡組件實現(xiàn)視網(wǎng)膜大視場區(qū)域掃描，在典型掃描角度45°視場內(nèi)獲取接近光學(xué)衍射極限的高分辨率圖像。本發(fā)明的原理本發(fā)明的主要原理包括光學(xué)掃描鏡頭像差消除理論、光學(xué)相干層析成像原理和光學(xué)成像共軛關(guān)系。即在本發(fā)明所述的系統(tǒng)裝置中，信標(biāo)光源、場鏡、橫向振鏡、縱向振鏡和人眼瞳孔在光學(xué)上共軛。兩個獨立的ニ維掃描振鏡依次對人眼實現(xiàn)線掃描和幀掃描，以得到在單幀圖像成像視場內(nèi)的高分辨率層析圖像成像，結(jié)合共焦信號探測組件獲取視網(wǎng)膜上每ー個掃描點返回的光強信號，實現(xiàn)對人眼視網(wǎng)膜45°視場區(qū)域的面掃
feo本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點本發(fā)明所提出的一種視網(wǎng)膜三維成像裝置， 相比傳統(tǒng)眼底相機、眼科OCT而言，其核心優(yōu)點體現(xiàn)在以下三個方面1)本發(fā)明提出使用ニ維掃描組件實現(xiàn)人眼視網(wǎng)膜的面掃描，并結(jié)合場鏡的設(shè)計， 消除人眼視網(wǎng)膜掃描過程中的像差，消除視網(wǎng)膜掃描過程中的非均勻性；2)本發(fā)明提出使用共焦信號探測組件與干渉信號探測組件同步工作的方式，獲取人眼視網(wǎng)膜的三維生物組織結(jié)構(gòu)圖像，對眼科醫(yī)生診斷視網(wǎng)膜疾病，有很重要的意義；3)本發(fā)明提出的場鏡設(shè)計與ニ維掃描方案，大幅増加了視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)的成像視場，同時通過共焦成像消除雜散光，保證圖像的高分辨率，同時系統(tǒng)設(shè)計緊湊、小巧、實用， 適合臨床應(yīng)用。


圖1為ー種視網(wǎng)膜三維成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。表1為本發(fā)明所述系統(tǒng)元器件明細(xì)表。圖2為本發(fā)明裝置場鏡組件結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明裝置干渉信號探測組件示意圖
圖4本發(fā)明裝置的信號處理流程5本發(fā)明裝置所探測到的視網(wǎng)膜二維圖像樣6本發(fā)明裝置所探測到的視網(wǎng)膜深度圖像樣圖
具體實施例方式根據(jù)說明書附圖1，對如何具體實施本發(fā)明提出的一種視網(wǎng)膜三維成像裝置的功能，詳細(xì)介紹如下1、由光源組件之低相干光源SLD(I)通過光纖端口接入多路光纖耦合器O)，光纖耦合器( 有兩個輸出端，一路光纖輸出到干涉臂組件，經(jīng)耦合透鏡00)進行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后變?yōu)槠叫泄膺M入反射鏡組件和色散匹配液體(22)，后被反射鏡03)反射，光信號原光路返回到光纖耦合器O)，再進入干涉信號探測組件。2、通過光纖耦合器( 后的另一路光束經(jīng)過耦合透鏡( 準(zhǔn)直成平行光，再經(jīng)過平面反射鏡(4)和分光鏡(5)后，反射進入二維掃描組件(6-7)。3、二維掃描組件由兩個獨立的光學(xué)掃描振鏡構(gòu)成，分別是橫向振鏡(6)和縱向振鏡(7)，橫向振鏡(6)在平行于紙平面的方向做高速橫向掃描，典型掃描角度為士 10°，縱向振鏡(7)在垂直于紙平面的方向上做高速縱向掃描，且掃描方向完全正交與橫向振鏡 (6)的掃描方向，典型掃描角度為士 10°，該掃描組件通過緊湊的光學(xué)設(shè)計以保證掃描面與人眼瞳孔面光學(xué)共軛；二維掃描振鏡在兩個互相正交的方向上掃描后形成面掃描光束， 經(jīng)場鏡組件(9-10)后縮束進入人眼瞳孔(11)。4、場鏡組件由場鏡(9)和耦合目鏡(10)組成，見圖2所示，場鏡的特殊設(shè)計保證橫向振鏡(6)和縱向振鏡(7)能在兩個互相正交的方向上掃描視網(wǎng)膜，形成標(biāo)準(zhǔn)的二維掃描。透鏡(9)和透鏡(10)的焦距比值典型值為2 1，主要是實現(xiàn)掃描光束的縮束，縮束成人眼瞳孔處的大小，典型值為3mm。在本發(fā)明專利中，掃描照明光路在人眼視網(wǎng)膜上掃描形成的掃描平面典型值為7mmX7mm，在人眼瞳孔處掃描的視場角典型值為45°角。5、照明光束入射在人眼瞳孔，經(jīng)瞳孔聚焦后進入人眼視網(wǎng)膜，從視網(wǎng)膜返回的信號光按原路，依次經(jīng)過場鏡組件和二維掃描組件返回(從12返回到幻，返回的信號光束會首先經(jīng)過分光鏡(5)，分光鏡的透射反射光束比例典型值為1 1，即從視網(wǎng)膜反射回來的光束能量之50%會透過分光鏡，再經(jīng)過聚光透鏡(1 后聚焦在針孔(14)處，被光電倍增管 (PMT)探測。共焦針孔(14)的典型大小為光斑理論值的1. 5倍，也就是1. 5倍光學(xué)衍射極限的光斑尺寸，在本發(fā)明中，近紅外光源中心波長840nm，在聚光透鏡(1 處的光束口徑為 6mm，則在共焦針孔處的光斑理論值為2*1. 22 λ f/D = 2*1. 22 (840nm) (150mm) / (6mm) = 51. 2 μ m因此，為保證共焦成像系統(tǒng)在獲得足夠多的光能量的同時又能獲取足夠高的成像分辨率，針孔的尺寸典型值為1. 5倍衍射極限附近，在本發(fā)明專利所對應(yīng)的裝置中，我們設(shè)置針孔直徑為75μπι。如圖(5)所示，即為利用本發(fā)明所提出的共焦信號探測組件所采集到的視網(wǎng)膜二維圖像，根據(jù)該二維圖像，我們可以很清楚的分辨視網(wǎng)膜血管、視盤和黃斑區(qū)域等生物組織信息，幫助醫(yī)生進行視網(wǎng)膜疾病診斷，比如青光眼的表現(xiàn)癥狀之一即為視盤形狀變形，即視盤杯盤比發(fā)生變化，糖尿病的表現(xiàn)癥狀之一即為視網(wǎng)膜血管發(fā)生滲漏，黃斑變性的表現(xiàn)癥狀之一即為視網(wǎng)膜黃斑區(qū)域視細(xì)胞死亡或者變得稀疏。該發(fā)明裝置所提到的共焦信號探測組件，能對多種眼科疾病的普查和診斷提供科學(xué)參考依據(jù)。6、經(jīng)過分光鏡(5)后反射的光束，也就是50%的光能量將依次經(jīng)過反射鏡、耦合透鏡(3)，原路返回進入多路光纖耦合器O)；光纖耦合器( 將把從耦合透鏡00)和耦合透鏡C3)反射回來的光束耦合后，通過光纖耦合器之干涉信號探測組件的端口，經(jīng)耦合透鏡(16)準(zhǔn)直成平行光，照明在衍射光柵(17)上。7、衍射光柵(17)將對光信號根據(jù)不同的波長在不同的方向上色散，色散后的光束再經(jīng)過聚光透鏡(18)后被線陣CCD(19)接收。對線陣CCD(19)接收到的序列光信號進行頻譜分析(即傅里葉變換)，得到不同波長光束在人眼眼底(或其他待測生物組織)內(nèi)的相干信息。根據(jù)光束的相干信息，結(jié)合兩個掃描振鏡的位置信息，完成人眼眼底(或其他待測生物組織)在縱向切面上的圖像重構(gòu)，也就是光學(xué)相干層析成像，光學(xué)相干層析成像的分辨率表示為以下公式rc = 21η2(λ02)/( Ji Δ λ) = 0. 44 λ 02/ ( Δ λ )根據(jù)以上公式，干涉信號探測臂的層析圖像分辨率與低相干光源的帶寬成反比、 波長成正比，因此，在本發(fā)明專利中，我們使用低相干光源作為我們的信號光源，且低相干光源的典型帶寬值為50nm。圖(6)即為本發(fā)明裝置所提出的干涉信號探測臂組件采集得到視網(wǎng)膜層析圖像，根據(jù)該層析圖像，我們可以很量化計算視網(wǎng)膜的層析結(jié)構(gòu)，幫助醫(yī)生進行視網(wǎng)膜疾病診斷，比如青光眼的表現(xiàn)癥狀之一即為視網(wǎng)膜厚度變薄，糖尿病的表現(xiàn)癥狀之一即為視網(wǎng)膜血管發(fā)生滲漏，是的視網(wǎng)膜層析結(jié)構(gòu)不如正常視網(wǎng)膜清晰，黃斑變性的表現(xiàn)癥狀之一即為視網(wǎng)膜黃斑區(qū)域厚度變薄。該發(fā)明裝置所提到的干涉信號信號探測組件，也能對多種眼科疾病的普查和診斷提供科學(xué)參考依據(jù)。8、根據(jù)具體實施步驟1-7，本發(fā)明所述的一種視網(wǎng)膜三維成像裝置，可以在探測器終端得到光學(xué)相干層析圖像(圖(6))和共焦信號探測圖像(圖(5))，兩個正交方向上的圖像疊加處理，即能實現(xiàn)人眼視網(wǎng)膜大視場范圍內(nèi)三維圖像重構(gòu)。經(jīng)過上述過程，即可對人眼視網(wǎng)膜在大視場45度角范圍內(nèi)實現(xiàn)光學(xué)相干層析成像和表面成像功能。需要說明的是，盡管本發(fā)明的較佳實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。
權(quán)利要求
1.一種視網(wǎng)膜三維成像裝置，其特征在于所述裝置主要由光源組件、干涉臂組件、共焦信號探測組件、ニ維掃描組件、場鏡組件和干渉信號探測組件構(gòu)成，從光源組件發(fā)出的信標(biāo)光經(jīng)光纖耦合器耦合后分為兩束，一束進入干涉臂組件，另一束經(jīng)反射鏡、分光鏡后進入 ニ維掃描組件形成面掃描平行光，后進入場鏡組件形成大視場掃描光束再照明在人眼瞳孔，從人眼視網(wǎng)膜返回的信號光原路返回，經(jīng)分光鏡進入共焦信號探測組件，獲取視網(wǎng)膜掃描點的光強信號，經(jīng)光纖耦合經(jīng)分束后進入干渉信號探測組件，干渉信號光與從干涉臂返回的參考信號光發(fā)生干渉，干渉信號探測組件獲取視網(wǎng)膜掃描點不同深度的反射光信號， 根據(jù)視網(wǎng)膜掃描點的光強與深度信號，完成視網(wǎng)膜三維圖像重構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種視網(wǎng)膜三維成像裝置，其特征在于所述光源組件組件包含低相干光源和多路光纖耦合器，所述光纖耦合器為雙路輸入雙路輸出模式，光纖輸出端ロ的輸出能量之比在1 10到1 2之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種視網(wǎng)膜三維成像裝置，其特征在于所述參考臂組件包含耦合透鏡、反射鏡、色散匹配液體和參考光反射鏡，所述色散匹配液體為ー種化學(xué)藥品， 用來對參考臂的光束進行色散，以匹配從樣品臂返回信號光的色散特征，所述參考臂組件通過調(diào)整參考反光鏡的位置來改變從參考臂反射回信號光的光程差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種視網(wǎng)膜三維成像裝置，其特征在于所述ニ維掃描組件包含橫向振鏡和縱向振鏡，橫向振鏡與縱向振鏡的掃描平面互相正交，橫向振鏡高速掃描， 典型掃描頻率在5KHz，縱向振鏡低速掃描，典型掃描頻率為10Hz，通過兩面振鏡的同步掃描，完成對視網(wǎng)膜的面掃描。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種視網(wǎng)膜三維成像裝置，其特征在于所述共焦信號探測組件包含聚光透鏡、針孔和光電倍增管，所述光電倍增管為高靈敏度點源探測器件，可以是光電倍增管、雪崩光電ニ極管或者類似光電探測器件，所述針孔為中心通光圓孔光闌，典型通光口徑為75微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種視網(wǎng)膜三維成像裝置，其特征在于所述干涉信號探測組件包含耦合透鏡、衍射光柵、聚光透鏡和線陣探測器，所述衍射光柵為1200線對每毫米的透射式光柵，所述線陣探測器為2048像素線性光電探測器件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種視網(wǎng)膜三維成像裝置，其特征在于所述場鏡組件包含場鏡和觀測目鏡，所述場鏡為用于掃描成像而專業(yè)設(shè)計的透鏡，能消除場曲、像差和光強不均勻性，且具有成像視場大、無畸變特點。
全文摘要
一種視網(wǎng)膜三維成像裝置，由光源組件、干涉臂組件、二維掃描組件、場鏡組件、共焦信號探測組件和干涉信號探測組件構(gòu)成。該發(fā)明提出的視網(wǎng)膜三維成像裝置，通過二維掃描組件完成對人眼視網(wǎng)膜掃描，共焦信號探測組件提取視網(wǎng)膜面圖像、干涉信號探測組件提取視網(wǎng)膜深度信息，通過共焦信號與干涉信號共同完成視網(wǎng)膜三維圖像重構(gòu)；該發(fā)明通過采取光纖接入與光纖耦合器設(shè)計使得系統(tǒng)緊湊，通過場鏡設(shè)計減小成像過程中的場曲與像差的影響，獲取人眼視網(wǎng)膜的大視場三維圖像，實現(xiàn)了一種設(shè)計緊湊、成像分辨率高、成像視場大的視網(wǎng)膜三維成像裝置，大幅改善傳統(tǒng)眼底成像儀器的成像效果。
文檔編號A61B3/12GK102525406SQ20121003218
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月14日
發(fā)明者李超宏 申請人:蘇州微清醫(yī)療器械有限公司