基于移动智能终端的便携式眼底图像检测仪

卜朝晖，王 亮，陈海银，朱诗骏，徐秋怡，刘银银

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093)

基于移动智能终端的便携式眼底图像检测仪

卜朝晖，王 亮，陈海银，朱诗骏，徐秋怡，刘银银

(上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 200093)

提出了一种便携式眼底图像检测系统，连接在移动智能设备上对眼底图像进行拍摄、存储、显示和解析。采用紧凑精密的光路结构开发了基于Android的图像处理与解析软件，并通过智能终端自带的远程消息发送软件，可将眼底图像远程传送给专业医生进行临床诊断。仿真结果表明，照明均匀性超过85%，杂散光在2%内。实验结果表明，该检测仪光学系统的视场为45°、工作距离为30 mm、总长度<180 mm，可实现眼光焦度补偿范围为-10～+5 m-1，成像清晰，畸变<6%。实现了对眼底检查的远程移动医疗。

移动智能终端；眼底图像；Android；移动医疗

通过观察眼底视网膜图像，可以帮助眼科医生诊断许多常见的疾病，如青光眼等，对于这类病变，及早在眼底检查中诊断出来，并及时进行治疗，将大幅降低病情恶化的风险，治疗费用也相对较低[1]。

目前，临床上常用的眼底检查设备主要包括 4种：检眼镜(Ophthalmoscope)[2-3]、眼底相机(Fundus Camera)[4]、激光扫描检眼镜(Scanning Laser Ophthalmoscope, SLO)[5]、光学相干断层成像(Optical Coherence Tomography, OCT)[6-7]。这4种眼底检查设备中，检验镜结构简单、操作方便，但缺点在于需要在暗室环境下进行检测，图像不能存储[8]。激光扫描检眼镜(SLO)和光学相干断层成像(OCT)是新兴发展的技术，尚不成熟，且设备成本昂贵。眼底照相机具有较高的成像分辨率、技术成熟，且无需在暗室条件下进行操作，是目前应用最为广泛的眼底检查设备。传统的眼底照相机结构繁杂、体积较大、造价较高，只能在医院由专业眼科医生进行操作。因此，为方便患者在家庭或社区进行眼底检查，需要一种低成本的便携式眼底图像检测仪[9]，可以直接连接到移动智能设备上完成对眼底图像的拍摄和解析[10]，并可远程传送眼底图像，希望改变目前患者只能去大医院进行眼底检查的现状，实现眼底检查的远程移动医疗。

1 光路系统设计方案

设计便携式眼底图像检测仪的光路系统如图1所示。光源发出的照明光线经准直透镜变成平行光入射到孔径光阑，由孔径光阑调整进光量后再通过环形光阑变成环形光，照射到中空反射镜的镜面部分，经过镜面反射再由聚光镜将光线聚焦在瞳孔附近，最后光线通过眼睛的晶状体形成平行光照射到视网膜上。

眼底反射的成像光线经由晶状体和聚光镜折射后聚焦在空反射镜的中空部分，再经过近摄镜和手机镜头光线被汇聚到手机内部的CMOS图像传感器上，感应后生成眼底图像[11]。

图1 便携式眼底图像检测仪的光路系统

1.1 照明光路

人眼本身不发光，为了采集眼底图像需用外部光源将眼底照亮。设计采用LED白光源，光照均匀且人眼耐受。由光源发出的光首先经过孔径光阑，可对光斑直径进行调节。首先，调整孔径光阑至小光圈(直径约1～2 mm)，准确地将光线送入患者眼中后调整孔径光阑至大光圈(直径约2～3 mm)，大光圈可以更加清晰地看到黄斑周围的眼底血管图像。其次，光线经过环形光阑形成一个环形光斑，用以降低眼角膜反射产生的杂散光影响[12]。环形光照射到45°放置的中空反射镜的环形反射面上，然后经过聚光透镜被聚焦到患者的瞳孔处。中空反射镜允许照明光路与成像光路处于同一水平轴线上，简化了光路，同时，以45°倾角放置可以准确地将照明光线送入眼底，并可将照明光线与成像光线有效分离，成像清晰。最后，照明光线经过眼睛的晶状体照射到眼底，经眼底反射产生成像光线。

1.2 成像光路

生成眼底图像的成像光线从眼底射出，经过聚光透镜聚焦于中空反射镜的中空部分。从而可以实现与入射的照明光线完全分离。

为减小光学系统的总长度，在手机镜头前安装一个近摄镜，近摄镜是一种简易的微距拍摄工具，其作用是缩短最近对焦距离，使得手机镜头可以实现近距离拍摄而不致于失去焦点而变得模糊，从而形成眼底的清晰图像。

1.3 评价指标 观察两组患者在整个治疗过程中可能出现的并发症，如恶心呕吐等消化道反应、压疮、感染、静脉炎及穿刺部位血肿等。在治疗结束后，采取不记名的问卷调查形式对患者此次所接受的护理服务进行总体评价。包含护理工作人员对患者的常规护理、用药指导、饮食建议、心理疏导及并发症护理，每方面20分，共100分。计分方式为满意为20分、较满意为10分、不满意5分，总计得分>80分，则评价为对此次护理满意；总分60～80分表示较满意；总分<60分表示不满意[7-8]。总体满意度为满意率加较满意率之和。

2 杂散光的消除

由于视网膜的反射率仅为 0.001%～0.1%，角膜的反射率是其20～200倍[13]，系统中光学元件散射及反射光的强度也远大于眼底反射光，这些都产生了严重的杂散光[13]。在眼底成像中，杂散光是影响其成像质量的主要因素，为消除杂散光的影响，设计采用了以下措施。

2.1 使用孔径光阑

一个均匀连续的光源照明可以减少杂散光的形成。同时，通过控制照明光斑在瞳孔处的尺寸，可以降低角膜反射对成像的影响。孔径光阑可以控制光源的进光量与光斑大小，医生可以根据实际看到的图像对孔径光阑进行实时调整。

2.2 利用环形光照明

图2显示了当有光线照射眼睛时角膜的反射情况。图2(a)中，照明光线以一定的角度入射到角膜上一点，入射光线刚好原路返回，此时入射光线为临界状态；图2(b)中，入射光线的入射点高于图2(a)，此时反射光线被反射出成像光路；图2(c)中，入射光线的入射点低于图2(a)，此时反射光线进入成像光路。因此，通过环形光阑将入射光变为环形光，再由中空反射镜将该环形光射入瞳孔，由于环形光在角膜上的入射角度较大，使得反射光线被反射出成像光路，从而避免了反射光对眼底成像的干扰[14]。

图2 光线照射眼睛时角膜的反射情况

3 图像处理与解析软件设计

3.1 软件的功能

基于Android的图像处理与解析软件的功能如图3所示，该软件主要由眼底图像检测、图像回顾、构造HL7消息发送、用户管理、系统设置、图像知识阅读功能等6个功能模块组成[15]。

图3 软件的功能

3.2 软件的流程图

根据软件的功能，绘制该软件的流程图如图4所示。

图4 软件流程图

3.3 数据库设计

软件概念结构设计的ER图，如图5所示。

图5 软件ER图

4 系统结构设计及技术要求

4.1 光路结构图

采用紧凑精密的光路，设计了可与移动智能设备相连接的便携式眼底图像检测仪，其光路部分的结构如图6所示。

图6 便携式眼底图像检测仪光路部分的结构

按照手机外形设计了与之紧密吻合的接口支架，构成了手机摄像头与便携式眼底图像检测仪光路部分的连接通道，使成像光路所生成的眼底图像可以被手机摄像头精确地捕获到。

4.2 主要光学技术指标

根据临床检测需要，眼底的观察范围一般在12～14 mm，正常人眼焦距是16.6 mm[16]，根根据视场和视场角之间的转换关系

Y=2feye·tanω

(1)

式(1)中，Y为视场高度；feye为人眼焦距；ω为半视场角。将上述参数代入式(1)，并取ω=22.5°，即视场角为45°，则可以对眼底13.25 mm的范围成像。

系统总长定为180 mm以满足便携的要求，屈光度调节范围定为-10～+5 m-1以适用于普遍的人眼屈光度差异。将瞳孔位置作为成像系统的孔径光阑，考虑照明及杂光的影响，入瞳直径定为3 mm。眼底检测仪的物方工作距离为30 mm。综上所述，系统的主要光学技术指标如表1所示。

表1 系统的主要光学技术指标

5 系统仿真分析

根据系统的技术要求，在光线追迹软件LightTools里建立眼底成像仪光学系统的模型，如图7所示。采用软件中自带的眼球模型，分析系统的照明均匀性和杂散光对视网膜成像的影响。设置角膜的反射率为4%，视网膜为反射率10%的朗伯散射，假设接目物镜各镜面的反射率均为2%，而其他镜面为100%透射，设置光源光功率为1 W，每次追迹100万根光线。

图7 眼底成像仪光学系统在LightTools中的仿真模型

眼底照明的均匀性与光源的大小和出射角有关。眼底成像仪的照明系统不但要保证对眼底照明的均匀性，还要满足从眼底发出的光线能够均匀的在像面上成像。

图8 照度分布曲线图

在图8所示的照度分布曲线图中，对眼底12 mm范围内的照明区域，中心点的功率密度Pcenter为0.151 mW/mm2，照明区域内85%位置上的功率密度P85%为0.135 mW/mm2，最大功率Pmax为0.154 mW/mm2。定义照明眼底均匀度U为[17]

(2)

则设计的照明系统，采用在角膜处形成3～6 mm的环形光斑、出射角为30°的光源，对眼底12 mm范围内照明时，照明均匀度可达85%，满足系统使用需求。

光学系统中的镜片都具有一定的反射率，来自接目物镜的杂光经过其后的成像系统，会形成鬼像。通过光线追迹模拟，每个镜面反射的光斑在像面的形状和光能量分布数据都可获得，本系统的杂光能量占像面总光能不超过2%，满足设计要求。

6 测试实验与结果分析

将智能手机的镜头和本设计的光学系统相连接，拍摄屈光度可调的Heine Ophthalmoscope Trainer模型眼眼底图像，如图9所示。

图9 拍摄屈光度不同的模型眼眼底图像

图中血管轮廓和中央黄斑在-10～+5 m-1的各个屈光度下都能清晰成像。实验结果表明，该眼底成像仪光学系统的视场为45°、工作距离为30 mm、总长度<180 mm，成像清晰，畸变<6%，满足对眼底成像的各项技术要求。

7 结束语

采用一种新型紧凑光学结构，设计了一款视场为45°，工作距离为30 mm，光学系统总长为180 mm的便携式眼底图像检测仪，经实验验证，能够满足对-10～+5 m-1屈光度的人眼视网膜清晰成像。与传统眼底照相机相比，该检测仪结构更加简单、紧凑，可以直接连接移动智能终端，操作方便，可供患者家属或者社区医生使用，同时开发了基于Android系统的图像处理与解析软件，可对眼底图像进行自动拍摄、存储、显示和解析，并可利用移动智能终端自带的远程消息发送软件，将眼底图像远程传送给专业医生进行临床诊断与分析，实现了眼底检查的远程移动医疗。

[1] Agarwal A,Gulia S,Chaudhary S,et al.A novel approach to detect glaucoma in retinal fundus images using cup-disk and rim-disk ratio[C].CA,USA:International Work Conference on Bioinspired Intelligence,IEEE, 2015.

[2] Tuten W S,Tiruveedhula P,Roorda A.Adaptive optics scanning laser ophthalmoscope-based microperimetry[J].Optometry & Vision Science Official Publication of the American Academy of Optometry,2012,89(5):563-74.

[3] Webb R H, Hughes G W, Delori F C.Confocal scanning laser ophthalmoscope[J].Applied Optics, 1987,26(8):1492-1499.

[4] Klein R,Meuer S M,Moss S E,et al.Detection of drusen and early signs of age-related maculopathy using a nonmydriatic camera and a standard fundus camera[J].Ophthalmology,1992,99(11):1686-1692.

[5] Tuten W S,Tiruveedhula P,Roorda A.Adaptive optics scanning laser ophthalmoscope-based microperimetry[J].Optometry & Vision Science Official Publication of the American Academy of Optometry,2012,89(5):563-74.

[6] Huang D,Swanson E A,Lin C P,et al.Optical coherence tomography[J].Science,1993,254(5035):1178-81.

[7] 吕帆.眼视光器械学[M].北京:人民卫生出版社,2009.

[8] 王英丽.眼底检测仪器—检眼镜[J].中国眼镜科技杂志,2016(1):131-133.

[9] Riva C,Ben-Sira I.Two-point fluorophotometer for the human ocular fundus[J].Applied Optics,1975,14(11):2691-2693.

[10] 何伟,姜宝光.便携式眼底相机:CN202078293U,中国[P].2011.

[11] 李春才,巩岩,李晶,等.可诱导人眼自动调焦的眼底相机光学系统设计[J].光学学报,2014(4):211-217.

[12] 王肇圻,许妍.基于眼模型的数字眼底相机设计[J].光学精密工程,2008,16(9):1567-1571.

[13] 钟兴,张雷,金光.反射光学系统杂散光的消除[J].红外与激光工程,2008,37(2):316-318.

[14] 萧泽新.眼底电视光学系统的设计[J].光学技术,2005,31(2):170-172.

[15] 林晨,张梦杰.Android平台图像处理软件框架的研究与设计[J].硅谷,2011(23):92-93.

[16] Lu Fan.Ocular optics[J].Chinese Journal of Optometry &Ophthalmology,2001,3(1):53-55.

[17] Haishui Y,Zhishan G,Ting L.Optical configuration of fundus camera based on inner focusing manner[J].Chinese Optics Letters,2010,8(7):689-692.

The Portable Ocular Fundus Image Detecting Instrument Based on Mobile Intelligent Terminal

BU Zhaohui，WANG Liang，CHEN Haiyin，ZHU Shijun，XU Qiuyi，LIU Yinyin

(School of Medical Instrument and Food Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

A portable ocular fundus image detector is designed to be connected to mobile smart devices for capturing, storaging, displaying and analyzing of the ocular fundus image. A compact precision optical system is designed ,and a image processing and analysis software based on Android system is developed. By means of using the remote message sending software that come with mobile intelligent terminal, ocular fundus image is remotely transmitted to professional doctors for clinical diagnosis. Simulation results show that the illumination uniformity at the fundus exceeds 85%, and the stray light is within 2%. The experiment results that the ocular fundus image detector with a field of view of 45°,working distance of 30 mm,and overall length of 180 mm can adapt to eyes with diopter rank from -10 m-1～+5 m-1and the maximum distortion of fundus image is less than 6%. is developed. Thus this design realizes the remote mobile medical examination of the ocular fundus.

mobile intelligent terminal; ocular fundus images; Android; mobile medical

2016- 11- 16

卜朝晖(1971-)，男，博士，讲师。研究方向：微弱信号处理与检测。王亮(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：生物医学信号处理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.005

TN919.8;TP391.41

A

1007-7820(2017)09-016-04