一种对视网膜内核层微细血管自适应光学成像的系统技术方案

本发明专利技术涉及眼波像差自适应校正光学成像技术中直径10微米以下视网膜微细血管的快速捕捉以及自适应像差校正的高清晰成像系统。如图所示：以视觉细胞层表面作为沿光轴的基准位置；统计大量人眼的微细血管内核层公共区域及公共区域中心面相对基准位置的距离；将人眼等效于透镜，利用现有人眼光学模型仿真得出人眼有效焦距和人眼轴长之间的关系式；实测人眼轴长、代入人眼有效焦距和人眼轴长之间的关系式计算出人眼有效焦距；最后根据自适应光学成像光路的光学参数，计算出内核层公共区域中心面的像面位置，在此处设置成像相机，使被检患者在一次检测中眼睛只受到短于18ms的可见光照射，即能完成直径10μm上下的内核层微细血管清晰成像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于眼底显微成像
，涉及眼波像差自适应校正光学成像技术中微细血管层的快速捕捉以及自适应像差校正的高清晰成像的方法，具体地说是一种无需造影剂的对直径10微米以下视网膜微细血管自适应光学成像的系统。
技术介绍
眼球是个复杂的具有自调焦功能、且随时可能下意识动作的光学系统。人眼的构造可以类比于照相机的光学结构，照相机的镜头是由角膜、晶状体、前房和后房、玻璃体以及起调焦作用的睫状体所组成，照相机的光探测器就是人眼眼底视网膜上的视觉细胞。视网膜为10层半透明组织结构，视觉细胞位于最底层，当人眼要看清一个物体时，睫状体会相对物体发出的光束自动调整晶状体的曲率，使入眼光束聚焦在视网膜小凹处的视觉细胞层上，形成物像共轭的光学成像光路，这是人眼看清物体时的自调焦生物功能。临床使用眼底相机对人眼眼底成像时，是用一光源通过瞳孔照射眼底，然后将视网膜反射的光束导入相机中。为获得足够的成像能量，需要扩瞳。当人眼从明亮环境进入暗室瞳孔会在几分钟内由1mm扩大到4mm～6mm，此时即使是无屈光不正的眼睛也不可避免地存在光学像差，采用散瞳剂也同样使人眼产生光学像差，因此临床所用的眼底相机很难看清20μm以下的血管。从上个世纪九十年代起，人们开始探讨自适应眼波像差校正技术在眼底成像中的应用。液晶波前校正器具有十万到百万个驱动像素，校正精度高，重复性好，可以进行单次探测的开环校正，最大限度地降低入射人眼的光能使用量，安全程度提高，更利于应用在眼底自适应光学成像系统上。基于液晶波前校正器的眼底自适应光学成像系统如图1所示，其中点划线为光轴，1为人眼，2为第一透镜，3为第二透镜，4为第三透镜，5为第四透镜，6为液晶波前校正器，7为折轴反射镜，8为波前探测器，9为偏振分光棱镜，10为位于第四透镜5焦点处的成像相机。当眼底照明光源将单一波长光束即单色光束入射到人眼1的视网膜时，会有部分光被视网膜组织反射，反射出人眼1的准平行光束中带有人眼像差，该光束经过第一透镜2和第二透镜3成为与液晶波前校正器6口径匹配的平行光束，经过液晶波前校正器6的反射、又经第二透镜3、折轴反射镜7和第三透镜4成为与波前探测器8口径匹配的平行光束，再经过一个偏振分光棱镜9分成反射的S偏振光束和透射的P偏振光束，其中S偏振光束进入波前探测器8，由波前探测器8将人眼1的像差信息探测出来，再控制液晶波前校正器6对P偏振光束进行波前校正，消除像差后的P偏振光束透过偏振分光棱镜9、又经过第四透镜5聚焦于成像相机10，在成像相机10上呈现无像差的高分辨视网膜图像。实际上视网膜组织中视觉细胞层的反射率最高，所以图1中波前探测器8探测到的人眼像差是视觉细胞层到人眼出光处的像差，相应液晶波前校正器6会准确校正波前探测器8探测到的人眼像差，因此眼底反射光束经过自适应光学系统准确校正像差后，只有视觉细胞层的光束会在第四透镜5的焦面聚焦，从而在成像相机10上呈现视觉细胞的清晰图像。关于液晶自适应光学技术在眼底成像中的应用，已在中国专利公报上公开，如“视度自调节液晶自适应像差校正视网膜成像的光学系统”(公开号CN101766472A，专利号ZL 200910266651.4)，“能量高效利用的液晶自适应像差校正视网膜成像装置”(公开号CN101797149A，专利号Z300910215480.2)，“普适性液晶自适应像差校正视网膜成像系统”(公开号CN101791212A，专利号Z300910266664.1)，使得该技术具有安全、普适的优势。但是这三个专利，没能解决位于视网膜内核层的直径10微米以下微细血管很难进入自适应系统成像视场的问题，成像视场在纵向上总是位于视觉细胞层上，看不到位于视网膜内核层的直径10微米以下微细血管，这是眼底自适应校正光学成像技术的普遍问题，故至今还未实用化。直径10μm以下的微细血管大多位于视网膜中数十微米厚的内核层中，另外小凹中心1.5°范围内为无血管区域，所以微细血管在距离小凹中心2°～3°范围内是最密集丰富的。视网膜横向定位可以通过视标的引导来确定，而视网膜微细血管的纵向定位困难。自适应光学系统对不同人眼的视网膜微细血管成像的主要障碍有：一是人眼微细血管成像需要使用可见光波段的黄绿光照明才能获得足够的成像对比度，但可见光对人眼刺激强烈，如果不使用麻醉剂易产生瞳孔收缩而遮挡住部分入眼光束，所以照明时间不能超过20ms，需要说明这只是人眼照射安全极限剂量的1/20以下，而在这个时间范围内传统方法捕捉不到内核层血管；二是人眼景深只有30～40μm，与内核层厚度相当，且不同的人眼其内核层的相对位置有±10μm前后移动，因此人眼微细血管层的位置很难捕捉；三是人眼的光学焦距有个性差异，而此前认为人眼有效焦距为恒定18mm，因此即使找到了微细血管层的几何位置，如果不能准确知道被测人眼的光学焦距，也无法在自适应光学系统中精确设置成像相机位置，也就无法得到清晰的微细血管图像。
技术实现思路
本专利技术针对人眼视网膜的光学特性，提出对内核层微细血管快速捕捉、自适应光学成像的方法：以视觉细胞层表面作为基准位置；将内核层微细血管作为被成像物体，统计大量人眼的微细血管内核层互相交叠的公共区域及公共区域中心面相对基准位置的距离；将人眼等效于透镜，利用现有人眼光学模型【C.Leahy,C.Dainty.A non-stationary model for simulating the dynamics of ocular aberrations,[J].Opt.Express,2010,18(20):21386-21396.】、【L.N.Thibos,A.Bradley,X.Hong.A statistical model of the aberration structure of normal,well‐corrected eyes,[J].Ophthal.Physiol.Opt.,2002,22(5):427-433】仿真得出人眼有效焦距和人眼轴长之间的关系式；实测人眼轴长；利用人眼有效焦距和人眼轴长之间的关系式计算出因人而异的人眼有效焦距；最后根据自适应光学成像光路结构和各器件的光学参数，计算出内核层公共区域中心面的像面位置，在此处设置成像相机，获得直径在10微米上下的内核层微细血管的自适应光学成像。本专利技术的目的是解决人眼焦距和结构参数各异、内核层微细血管像面难以捕捉的问题，使被检患者在一次检测中眼睛只受到短于18ms的可见光照射，即能完成自适应像差校正后的微细血管清晰成像。为说明本专利技术的技术路线，将图1所示的眼底自适应光学成像系统原理光路进一步简化，并增加一些局部细节，如图2所示，其中点划线为光轴，将第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、液晶波前校正器6、折轴反射镜7、哈特曼波前探测器8、偏振分光棱镜9的组合结构标示为100，称为自适应光学系统100；自适应光学系统100的左侧为被测人眼1，其中11为视网膜最底层的视觉细胞层表面、12为视网膜中的含有丰富微细血管的内核层中心面，视觉细胞层表面11和内核层中心面12的距离设为d；自适应光学系统100的右侧有第四透镜5和成像相机10，111为第四透镜5的焦点、作为成像相机10的原点、也是视觉细胞层表面的像面，122为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对视网膜内核层微细血管自适应光学成像的系统，其特征是：以视觉细胞层表面作为基准位置；将内核层微细血管作为被成像物体，统计大量人眼的微细血管内核层的相互交叠公共区域及公共区域中心面相对基准位置的距离d；将人眼等效于透镜，利用现有人眼光学模型仿真得出人眼有效焦距Feye和人眼轴长之间的关系式；实测人眼轴长，并将其代入上述关系式计算出因人而异的人眼有效焦距Feye；最后根据人眼参数Feye、d和视网膜内核层微细血管自适应光学成像系统中各透镜的焦距，计算出内核层公共区域中心面的像面位置，在此处设置成像相机，使受试者在一次检测中眼睛只受到短于18ms的可见光照射，即能完成自适应像差校正后的内核层直径10μm上下的微细血管清晰成像；视网膜内核层微细血管自适应光学成像系统分为如下部分：a.基于液晶波前校正器的眼底自适应光学成像系统基于液晶波前校正器的眼底自适应光学成像系统由第一透镜(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)、第四透镜(5)、液晶波前校正器(6)，折轴反射镜(7)、哈特曼波前探测器(8)、偏振分光棱镜(9)、成像相机(10)组成，成像相机(10)置于一个一维电控位移台上、位于第四透镜(5)的焦点处，配置视标、眼底照明光源和一台计算机；计算机中装有视网膜自适应光学成像的控制程序，其与液晶波前校正器(6)、哈特曼波前探测器(8)、成像相机(10)、眼底照明光源和一维电控位移台相连接，在内核层微细血管的自适应光学成像过程中相继控制一维电控位移台的位移量、哈特曼波前探测器(8)的曝光时刻与曝光时间、探测信号的处理、液晶波前校正器(6)的像差校正、成像相机(10)的曝光时刻与曝光时间；照明系统将单色光束入射到人眼(1)，从人眼(1)反射出的光束经过第一透镜(2)和第二透镜(3)成为与液晶波前校正器(6)口径匹配的平行光束，经过液晶波前校正器(6)反射、又经第二透镜(3)、折轴反射镜(7)和第三透镜(4)成为与波前探测器(8)口径匹配的平行光束，再经过一个偏振分光棱镜(9)分成反射的S偏振光束和透射的P偏振光束，其中S偏振光束进入波前探测器(8)，由波前探测器(8)将人眼(1)的像差信息探测出来，计算机对像差信息进行处理、再控制液晶波前校正器(6)对P偏振光束进行波前校正，消除像差后的P偏振光束透过偏振分光棱镜(9)、又经过第四透镜(5)聚焦于成像相机(10)，在成像相机(10)上呈现无像差的高分辨视网膜图像；b.眼底照明光源：包含成像光源和像差探测光源；选用560nm～580nm波段内的单色光源作为内核层微细血管的成像光源，像差探测光源为近红外780nm～810nm波段内的单色光；视网膜微细血管自适应光学成像系统中所用透镜均为560nm～810nm波段消色差透镜；为避免成像光源、像差探测光源与视标的波长不一样在人眼中产生色差，需要针对人眼做成像光源、像差探测光源的消色差光路设计，以使成像光源光束与像差探测光源光束都能在视网膜的视觉细胞层表面聚焦，且设计探测光束在眼底的照明区域直径只有45μm～55μm、成像光束在眼底的照明区域直径为200μm～350μm；c.视标：2mm～3mm直径的可见光平行光束作为视标，亮度以人眼能舒适盯视为宜；放置在距离人眼1m光程的位置处，光束导入人眼，通过调节视标的位置来改变眼球转角，使入眼的探测光源光束和成像光源光束聚焦至距离小凹中心2°～3°位置处；获得内核层微细血管的自适应像差校正光学成像步骤为：测量受试者的眼轴长，将被测者眼轴长的测量数据代入(i)式计算出被测人眼的有效焦距Feye，Feye＝0.7136l+0.1483        (i)其中l为人眼轴长，单位为毫米；再将算出的有效焦距Feye代入(ii)式，得出成像相机(10)移动到微细血管层像面的距离L；L＝(f1f4/f3)2d/Feye2         (ii)其中f1、f3和f4分别为第一透镜(2)、第三透镜(4)和第四透镜(5)的焦距，d为内核层中心面到视觉细胞表面的距离，d＝138μm；将L的测算值输入计算机中，计算机驱动一维电控平移台使成像相机(10)从第四透镜(5)的焦点处沿光轴向远离第四透镜(5)的方向移动到内核层中心面的像面处；如果被测者有超过50度近视或50度散光则需要佩戴自己的眼镜，然后将一瞳孔对准所搭建的眼底自适应光学成像光路；引入视标光束，其为2mm～3mm直径的可见光平行光束，放置在距离人眼1m光程的位置处，令视标光束的光轴在人眼前与第一透镜(2)的光轴重合导入人眼，通过调节视标的位置来改变眼球转角，以使入眼的探测光源光束和成像光源光束能聚焦至距离小凹中心2°～3°位置处，即都能到达具有微细血管的内核层位置；人眼盯视视标并能看清楚视标的简单图案；立即启动视网膜自适应光学成像的控制程序：用像差探测光源曝光，该光源的光...

【技术特征摘要】
1.一种对视网膜内核层微细血管自适应光学成像的系统，其特征是：以视觉细胞层表面作为基准位置；将内核层微细血管作为被成像物体，统计大量人眼的微细血管内核层的相互交叠公共区域及公共区域中心面相对基准位置的距离d；将人眼等效于透镜，利用现有人眼光学模型仿真得出人眼有效焦距Feye和人眼轴长之间的关系式；实测人眼轴长，并将其代入上述关系式计算出因人而异的人眼有效焦距Feye；最后根据人眼参数Feye、d和视网膜内核层微细血管自适应光学成像系统中各透镜的焦距，计算出内核层公共区域中心面的像面位置，在此处设置成像相机，使受试者在一次检测中眼睛只受到短于18ms的可见光照射，即能完成自适应像差校正后的内核层直径10μm上下的微细血管清晰成像；视网膜内核层微细血管自适应光学成像系统分为如下部分：a.基于液晶波前校正器的眼底自适应光学成像系统基于液晶波前校正器的眼底自适应光学成像系统由第一透镜(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)、第四透镜(5)、液晶波前校正器(6)，折轴反射镜(7)、哈特曼波前探测器(8)、偏振分光棱镜(9)、成像相机(10)组成，成像相机(10)置于一个一维电控位移台上、位于第四透镜(5)的焦点处，配置视标、眼底照明光源和一台计算机；计算机中装有视网膜自适应光学成像的控制程序，其与液晶波前校正器(6)、哈特曼波前探测器(8)、成像相机(10)、眼底照明光源和一维电控位移台相连接，在内核层微细血管的自适应光学成像过程中相继控制一维电控位移台的位移量、哈特曼波前探测器(8)的曝光时刻与曝光时间、探测信号的处理、液晶波前校正器(6)的像差校正、成像相机(10)的曝光时刻与曝光时间；照明系统将单色光束入射到人眼(1)，从人眼(1)反射出的光束经过第一透镜(2)和第二透镜(3)成为与液晶波前校正器(6)口径匹配的平行光束，经过液晶波前校正器(6)反射、又经第二透镜(3)、折轴反射镜(7)和第三透镜(4)成为与波前探测器(8)口径匹配的平行光束，再经过一个偏振分光棱镜(9)分成反射的S偏振光束和透射的P偏振光束，其中S偏振光束进入波前探测器(8)，由波前探测器(8)将人眼(1)的像差信息探测出来，计算机对像差信息进行处理、再控制液晶波前校正器(6)对P偏振光束进行波前校正，消除像差后的P偏振光束透过偏振分光棱镜(9)、又经过第四透镜(5)聚焦于成像相机(10)，在成像相机(10)上呈现无像差的高分辨视网膜图像；b.眼底照明光源：包含成像光源和像差探测光源；选用560nm～580nm波段内的单色光源作为内核层微细血管的成像光源，像差探测光源为近红外780nm～810nm波段内的单色光；视网膜微细血管自适应光学成像系统中所用透镜均为560nm～810nm波段消色差透镜；为避免成像光源、像差探测光源与视标的波长不一样在人眼中产生色差，需要针对人眼做成像光源、像差探测光源的消色差光路设计，以使成像光源光束与像差探测光源光束都能在视网膜的视觉细胞层表面聚焦，且设计探测光束在眼底的照明区域直径只有45μm～55μm、成像光束在眼底的照明区域直径为200μm～350μm；c.视标：2mm～3mm直径的可见光平行光束作为视标，亮度以人眼能舒适盯视为宜；放置在距离人眼1m光程的位置处，光束导入人眼，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：宣丽，李大禹，王少鑫，张佩光，曹召良，穆全全，杨程亮，姚丽双，刘永刚，彭增辉，徐焕宇，张杏云，王启东，王玉坤，杨乐宝，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22