眼底横向显微成像系统的研制及应用

【作 者】张运海，钮赛赛，朱冀梁，贾砚文

1 苏州六六视觉科技股份有限公司，江苏，苏州，215005

2 南京航空航天大学，机电学院，江苏，南京，210016

3 南通大学附属医院眼科，江苏，南通，226001

眼底横向显微成像系统的研制及应用

【作 者】张运海1，钮赛赛2，朱冀梁1，贾砚文3

1 苏州六六视觉科技股份有限公司，江苏，苏州，215005

2 南京航空航天大学，机电学院，江苏，南京，210016

3 南通大学附属医院眼科，江苏，南通，226001

介绍了一套基于MEMS薄膜变形镜的人眼眼底横向显微成像系统。采用37 单元MEMS薄膜变形反射镜作为波前校正元件，127微透镜阵列哈特曼夏克(Hartmann-Shack) 波前传感器测量波前误差，在用计算机控制薄膜变形镜实现波前误差校正后，开启成像照明光源，用CCD 相机记录视网膜图像。模拟眼试验表明，系统能够有效进行像差测量、校正和眼底成像，像差校正后成像质量达到衍射极限。临床试用表明，除少部分眼内比较浑浊的病人外，整个检查过程大部分病人都能够安全、快捷、可靠地进行。

微机电系统；眼底；显微成像

0 引言

眼底视网膜是人眼中复杂的组织，其病是致盲的一个重要因素。全身多种重要疾病，如糖尿病等在视网膜上有症状表现，因此眼底视网膜病变不仅仅是眼病，而且也是全身多种疾病诊断的一项依据。目前眼底检查设备主要有检眼镜、眼底照相机[1]和眼科OCT[2]等，但由于人眼像差的存在，这些设备还无法在横向上实现对眼底视网膜进行细胞级别组织的检查。

影响眼底横向显微成像的主要原因为人眼像差。随着自适应光学技术应用到视光学领域，目前已能在较大瞳孔直径下（6 mm及以上）实现对人眼像差的校正，得到分辨率较高的视网膜图片，国内外几个研究小

1 系统组成和工作过程

1.1 系统组成

系统结构示意图如图1所示，主要包括像差测量校正子系统、成像用照明部分、像差测量用照明部分和成像部分等。

图1 人眼眼底横向显微成像系统结构图Fig.1 Scheme of the human fundus transverse microscopic imaging system

像差测量校正子系统主要包括MEMS薄膜变形镜、波前传感器、口径匹配光学透镜（扩束和缩束望远镜）和控制电脑等组成。

变形镜是像差校正器件，是整个系统中最重要的核心部件，决定着系统像差校正的大小、精度等，在很大程度上决定整个成像系统的成像质量。系统采用的变形镜是连续表面的可变形反射镜，驱动电极在镜面表面和电极之间形成电势差，由于静电力场作用使镜面趋向驱动电极进行拉伸，从而改变了整体镜面的面型。该变形镜的变形面为圆形，口径为15 mm，有37个驱动电极，中央最大变形量为9.0 μm，变形频率最大可达500 Hz。

波前传感器采用Hartmann-Shack式，由127个微透镜组成，微透镜排列在一个六边形的区域内。

成像照明部分为：波长为660 nm的半导体激光器耦合到芯径为105微米、数值孔径为0.22的多模光纤；多模光纤的出光端作为光源，通过聚光镜汇聚到一个旋转毛玻璃上，再由一个投射物镜将毛玻璃上的光源像投射到眼睛里照亮视网膜。像差测量用照明部分的结构形式和成像照明部分基本相同，不同之处在于，光源改为波长为785 nm的半导体激光器耦合到芯径为4微米、数值孔径为0.22的单模光纤，由单模光纤的出光端作为光源。旋转毛玻璃用于抑制像差测量和视网膜成像时的激光散斑[9]。

信息处理模块主要包含控制芯片与飞控程序，民用飞行器一般会采用已经商业化的飞控芯片作为信息处理模块。信息处理模块作为四旋翼飞行器的核心部件，是四旋翼飞行器的指挥中心，起到控制信息采集模块、动力模块、通信模块协同工作不冲突的作用。从信号控制角度来看，信息处理模块是遥控数据的中转站，起到解析控制需求并转发给动力模块的作用；从飞行系统角度来看，信息处理模块是稳定飞行的核心控制器，是集信息接收、处理、发送于一体的集成器件，是稳定飞行的基础。

成像部分主要由口径匹配光学透镜和可以沿光轴移动的CCD组成。

由于该MEMS薄膜变形反射镜体积小巧，使整个眼底横向显微成像系统较小，外形尺寸为76.5cm×55.4cm×20.1 cm。图2为系统样机情况。

1.2 变形镜变形控制算法

由待校正的像差计算变形镜各驱动单元电压是系统闭环控制的基础。变形镜1～37通道顺序加单位电压时，波前传感器测量得到的像差为：

图2 人眼眼底横向显微成像系统样机Fig. 2 The human fundus transverse microscopic imaging system

假定待校正的像差用7阶35项标准zernike多项式表示，即：

变形镜变形后生成的波前应和待校正的畸变波前（像差）相抵消，假定各驱动单元应施加的电压用v1,…, v37表示，则有下面公式：

矩阵C即为影响函数矩阵。用直接求广义逆矩阵的方法计算V可能存在解的不稳定或误差较大，此时可以对影响函数矩阵C先行奇异值分解，去掉奇异值小于设定值的情况，即用对影响函数矩阵低秩近似的方法滤除校正性能较差的基模式的影响提高系统像差校正的稳定性[10]。

求得V后就得到了变形镜各驱动单元控制电压。

1.3 系统工作过程

系统的工作过程主要包括像差测量、校正闭环控制过程和视网膜成像过程。

(1) 像差测量和校正过程 开启785 nm激光光源前的电子快门，经像差测量照明系统后在视网膜上形成一个发光点，经眼底视网膜后向外反射再由瞳孔出射，带有眼睛像差的信息，经分光镜、扩束望远镜、变形镜、缩束望远镜，再经分光镜透射后，进入哈特曼夏克波前传感器。控制电脑获取波前传感器上的阵列光斑图像，经波前复原和控制算法的计算，得到变形镜每一驱动电极的控制信号。这一控制信号由高压放大器放大后，驱动变形反射镜实现波前校正的闭环控制。

(2) 视网膜成像过程 当系统探测到像差测量值RMS(Root-Mean-Square)小于设定阈值，关闭像差测量电子快门，同时打开成像照明系统电子快门，照明视网膜成像区域，视网膜后向反射的照明光到达成像CCD相机，摄取视网膜图像。视网膜是由多层组织构成的，厚度为几百微米，为获取不同层次组织的图像，CCD 相机可沿轴向调焦，使CCD 成像面共轭于不同深度的视网膜组织上。

2 实验和临床试用情况

2.1 模拟眼试验情况

由于人眼像差处于实时变动状态之中，为精确验证系统校正像差的能力和残留像差对拍摄图像的影响，需要在一个静态的模拟眼上开展定量试验。在模拟眼上开展了像差测量、校正和视网膜拍照试验，采用的模拟眼焦距25.7 mm，瞳孔直径6 mm，系统像差闭环校正频率约为14 Hz。

图3 利用模拟眼测得的像差校正前后系统波前像差的泽尼克系数Fig.3 Zernike coefficient of the wavefront aberration for the model eye system before and after correction

图3 是模拟眼波前像差前35 阶泽尼克系数情况。从图中可以看出，校正前成像系统的离焦量并不大（第4项zernike系数反映离焦量），散光量（第3、5项zernike系数反映散光量）和高阶像差部分比较大。校正前波前误差的峰谷值分别为1.56λ，均方根值为0. 42λ。校正后波前误差峰谷值为0. 41λ，均方根值为0. 073λ，达到了衍射极限。图4为像差校正前后模拟眼眼底成像情况，像差校正前，模拟眼眼底微观结构十分模糊，引起图像模糊的主要原因是散光和高阶像差，像差校正后图像质量大幅提高，可以较为容易的分辨出眼底绘制的毛细血管和大量细节。

图4 像差校正前后模拟眼眼底成像情况Fig.4 Retina images of the model eye before and after correction

2.2 临床试用情况

2010年8月系统样机到南通大学附属医院眼科进行了临床试用，对系统的可靠性、综合性能进行测试，收集常见眼底病视网膜组织成像图片，为今后眼底病的诊断提供依据。进行了常见眼底病视网膜组织成像检查，共46个病人，主要有各个时期的糖尿病患者、黄斑病变、视神经乳头炎、等离子光损伤、眼底出血和眼底血管阻塞硬化等27种病例。

仪器检测过程：先用仪器软件中的病人信息管理模块记录下病人的主要情况；之后嘱咐病人注视仪器中的红色光源，操作人员利用电动额托能够顺利便捷地实现病眼瞳孔相对于仪器的对中，并能在后面的测量过程中方便地利用电动额托保持正确的对中位置；接着对仪器参数进行设置，由于不同的病眼瞳孔大小、眼底光反射强度、屈光不正残留量等存在很大的差异，需要对仪器的参数进行设置；最后进行像差校正和眼底拍照，除少部分眼内比较浑浊、眼底光反射特性不正常的病人外，大部分都能完成像差校正和眼底拍照过程，整个检查过程能够安全、快捷和可靠地进行。

图5为临床试用中拍摄的正常眼和一些眼底病患者视网膜图片，均为原始拍摄的图片，图中明亮不等的颗粒状组织为人眼视觉细胞。图5(a)为一名29岁女士左眼眼底图片，该眼未有眼底病；图5(b)为一名61岁女士左眼眼底图片，该病人患糖尿病5－6年；图5(c)为一名44岁男士右眼眼底图片，该病人眼底动脉静脉阻塞；图5(d)为一名20岁的男士右眼眼底图片，该男士在从事焊接作业时未采取有效防护，视力被等离子光严重损伤。

图5 临床试用中几种情况下眼底成像情况Fig.5 Retina images of the normal and several abnormal fundus

临床初步结果表明，年轻病人眼底图像普遍比较清晰，年纪大的病人眼底图片相对要模糊一些。这可能同年纪大的病人眼内存在白内障等浑浊、视网膜反射特性减弱有关。不同的眼底病眼底图片同正常眼眼底图片有些差异，如眼底静脉阻塞病人眼底图片中经常会出现阴影，糖尿病视网膜细胞密度偏小等，但由于拍摄的眼底病样本数比较少，还难于明确地给出结论，有待于本领域的眼科专家和工程人员共同努力，建立起完善的眼底病数据库。

3 结论

建立了一套基于MEMS薄膜变形反射镜的人眼眼底横向显微成像系统，由于该MEMS薄膜变形反射镜体积小巧，使整个眼底横向显微成像系统尺寸也较小。此外，该变形镜价格相对比较便宜，使整个系统的造价较低，这使该MEMS变形镜的系统在商品化方面具有优势。系统用模拟眼进行了像差测量、校正和视网膜成像试验，在医院进行了临床试用。模拟眼试验表明，系统能够有效进行像差测量、校正和眼底成像，像差校正后成像质量达到衍射极限。临床试用表明，除少部分眼内比较浑浊的病人外，大部分病人都能完成像差校正和眼底拍照过程，整个检查过程能够安全、快捷、可靠地进行。

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Development and Application of a Fundus Transverse Microscopic lmaging System

【 Writers 】Zhang Yunhai1, Niu Saisai2, Zhu Jiliang1, Jia Yanwen3
1 66 VISION-TECH CO., LTD. 34Daru lane, Suzhou, 215005, China
2 College of Mechanical & Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016 , China
3 Department of Ophthalmology, Affiliated hospital of Nantong University, Nantong, 226001, China

MEMS, fundus, microscopic imaging

R318.18

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2011.01.006

1671-7104(2011)01-0024-04

2010-10-09

国家“十一.五”863计划重点项目（2006AA020804）

张运海，博士，高级工程师，主要从事应用光学方面的研究和眼科光学仪器的研发工作，E-mail:zhangyunhaiguan8@163.com

【 Abstract 】A human fundus transverse microscopic imaging system based on a MEMS deformable membrane mirror was developed. A 37 element small MEMS deformable membrane mirror was used as wave front corrector in this system. Wavefront errors were measured by a Hartman-Shack wave front sensor which contains 127 micro lens lets. After the wavefront error of human eye had been corrected by the deformable membrane mirror under the control of a computer, the imaging illumination light was triggered by a electronic shutter to illuminate the retina, the images were captured by a CCD camera. It has been showed in model eye’s test that the system could measure and correct the eye's wavefront aberration efficiently. The fundus image achieved the diffraction limit after aberration correction. It was showed in clinic that except a few patients with turbid eye, most patients could finish the process of measuring and correcting wavefront aberration and then taking fundus image. The examination process could be finished safely, quickly and reliably.