眼球多参数测量系统研究

吴南寿，杨影瑜，王 磊，韩定安，王茗，*熊红莲，谭海曙，曾亚光

（佛山科学技术学院物理与光电工程学院，广东佛山528000）

许多眼科疾病都与眼球参数密切有关，如先天性青光眼、闭角型青光眼、近视眼、白内障等，其临床表现为视轴长度等生物参数的变化。若能及时发现这些变化，对于早期诊断疾病具有极大的帮助［1-2］。随着眼科新诊疗技术的发展，快速、准确地获取眼球参数更加突显其重要性。然而，在测量眼球参数方面，国内主要运用的超声测量法存在很多不足［3］。超声测量法是一种接触式测量方法，容易造成交叉感染，不能一次性测量出所有参数，功能单一，操作麻烦。另外，超声测量法的测量精度受操作者手法轻重和个人主观判断的影响较大，从而导致其测量结果的不可靠性［4-7］。

针对超声测量方法的不足，本文提出了光学法与机器视觉相结合的测量方法，研制出了一种高精度测量非接触式测量的眼球多参数测量系统。该系统不仅能让白内障患者避免A超测量带来的不适，而且能提高测量精度，使测量误差控制在0.01 mm以下。除此之外，该系统通过单次测量就可得到多个参数，大大减少了测量时间，可以用作为白内障手术的参数检测，为我国白内障的治疗提供一种可靠的技术手段。

1 系统装置

眼球多参数测量系统主要由光学低相干光测量系统和LED图像分析测量系统两个部分组成，如图1所示。图1中，光学低相干光测量系统的硬件部分主要由光源、参考臂部分、样品臂部分、光纤耦合器以及光检测系统组成，而LED图像分析测量系统的硬件部分主要包括LED靶环、二色镜以及高清CCD摄像头。

由图1可知，光源发出的光经过光纤耦合器将光束均分为两束分别进入参考臂和样品臂，然后从样品臂返回的样品光和从参考臂返回的参考光再次经过光纤耦合器汇合并发生干涉，最后光检测系统提取出干涉信号并将其传输到计算机，经处理后便可得到角膜厚度、前房深度、晶体厚度、视轴长度、玻璃体厚度以及视网膜厚度等6项参数。

另外，由LED靶环照亮的眼球图像经二色镜后传入CCD相机，并由CCD相机传入计算机，经处理后便可测出白到白的距离、瞳孔半径以及角膜曲率等参数。

2 系统的基本原理

2.1 测量眼轴参数的原理

眼球多参数测量系统的核心技术是时域光学相干层析技术（OCT），OCT是一种光学相干技术，基本原理是迈克尔逊干涉仪原理［8］，其迈克尔逊干涉仪原理如图2所示。

迈克尔逊干涉仪的工作原理为：首先光源发出的光经无光能损失且分光比为50∶50的理想分束器分别进入参考臂和样品臂，然后从样品臂返回的样品光和从参考臂返回的参考光再次经过分束器汇合发生干涉，最后通过探测器接收得到干涉信号。

图1 眼球多参数测量系统构成

图2 迈克尔逊干涉仪原理光路

可令光电场的复数表达式为

其中，S（ω）为光源幅度谱，ω为光频，k为波数，指数项kz代表经过干涉仪的相位，E（ω，t）代表经过时间变量t后的光电场强度。

由于光电探测器是平方强度探测器件，记录的强度信号正比于光电场强度和其复共轭乘积的时间平均量。所以探测器探测的与光频、光程差相关的信号强度可表示为

其中，S（ω）=|S（ω）|2代表强度功率谱；H（ω）是样品的响应函数，描述样品内z方向上各层的反射；Re为雷诺数，RR为参考臂的反射率；φ（ω，Δz）是参考臂引入的相对相位。

从式（2）可以看出，样品的结构信息可以通过时域或频域的方法测量。

2.2 测量非眼轴参数的原理

这部分的硬件部分分别由两圈环形LED阵列和高清CCD摄像头组成，结合眼球的生物结构与相关的计算原理即可得出相应的非眼轴参数。

（1）角膜曲率的测量。测量角膜曲率时，两圈白光LED阵列照亮眼睛，CCD接收眼球的图像，由于眼球表面是个曲面，不同直径的两圈LED阵列在眼球表面反射形成的镜像直径会根据曲面的曲率改变相处虚像并被相机测量，再进行程序的方法处理［9］便得到角膜曲率。

（2）白到白的距离测量。测量白到白的距离时，在感兴趣的眼球旁瓣区域，利用灰度矩边缘定位法［10］，得出感兴趣的眼球旁瓣区域角膜边缘像素位置，最后对边缘像素进行最小二乘法拟合计算，可以得到白到白的距离。

（3）瞳孔半径的测量。测量瞳孔半径时，在940 nm红外LED照明下，瞳孔在图像中对比度比较好，直接使用Canny算子即可提取出瞳孔的边缘［11］，对边缘像素进行最小二乘法曲线拟合计算［12］，就可以得到瞳孔直径大小。

3 信号处理

干涉信号处理流程如图3所示。

图3 干涉信号处理流程

由图3可知，干涉信号经过光纤耦合器分为两路进入光检测系统，由探测器将光信号转换为电信号并输入到高通滤波器。由高通滤波器［13］将其直流分量和低频噪声滤除，使其成为携带被测物体内部结构信息的电压信号。为了进一步降低噪声，提高信噪比，将两路电压信号进行差分放大［14-15］，再通过带通滤波器滤除高频噪声，然后再用包络检波技术［16］得到干涉信号的包络信息，最后经由数据采集卡传输到计算机，根据不同位置的包络信息准确检测出角膜厚度、前房深度、晶体厚度、视轴长度、玻璃体厚度以及视网膜厚度等眼轴参数。

白到白的距离、瞳孔直径和角膜曲率3个参数属于眼球表面参数，对此，本文研究的眼球多参数测量系统采用两个LED靶环来计算角膜曲率。首先，采用霍夫变换［17-18］识别LED成图像的边缘，再采用最小二乘法拟合各个圆形的圆心，然后根据LED灯的圆心进一步拟合出两个靶环的半径，由文献［9］中角膜曲率计算方法可得到角膜曲率。

由于虹膜可以吸收绿光而不能吸收红外光，因此用绿光照射眼球时整个虹膜都为黑色，而用红外照射眼球时时只有瞳孔为黑色［19］。故测量白到白的距离和瞳孔直径可分别用一圈绿光LED光源和一圈红外LED光源照射眼球，再由CCD相机接收图像，根据得到的眼球图像，通过灰度矩边缘定位法和Canny边缘提取算法分别检测出虹膜和瞳孔的边缘，最后通过最小二乘法拟合出边缘的曲线方程，即可算出白到白的距离和瞳孔直径。

4 结果分析

本文研究的眼球多参数测量系统利用LabVIEW软件平台完成信号处理，其视轴方向的干涉信号包络图如图4所示。

由于光在不同的介质表面会发生较强的干涉，故可以根据干涉信号的包络中的不同峰值的相对位置即可算出角膜厚度（CCT）、前房深度（ACD）、晶状体厚度（LT）、玻璃体厚度（VT）、视网膜厚度（RT）以及视轴长度（AL）等眼轴参数。

通过图像分析系统能实时拍摄眼球图像，本系统可以测得瞳孔直径（PD）、白到白的距离（WTW）和角膜曲率（K）等非眼轴参数。

图4 干涉信号示意

图5利用本文算法拟合得到的LED圆心，其中图5a为相机采集的原始数据，图5b为拟合得到LED圆心。于是根据文献［9］即可测量出角膜曲率。

图5 图像分析角膜曲率

图6是利用虹膜和瞳孔对绿光和红外光的吸收差异准确提取的虹膜和瞳孔的边缘图像。其中图6a和图6b中曲线（绿色）分别代表了虹膜的边缘和瞳孔的边缘。图6a中的白点为LED光源（绿色），图6b中的白点为上文中的两圈LED靶环。

图6 虹膜和瞳孔对光的吸收差异

利用本文研究的系统对5个正常的眼球样品进行探测而得到的眼球的9项参数与正常眼球参数［20-21］比较，5次测试结果如表1所示。

由表1可知，将正常眼球参数范围作为标准差的均值来计算5个正常眼球样品的标准差，其结果显示多次测量正常的眼球样品都非常接近参考值，测试结果中最大标准差不超过0.4000，最小标准差可达0.0192。

表1 5个正常眼球样品测试结果

为验证本系统的准确性，本文随机选取表1中的1个眼球样品进行4次测量，最后计算这个样品各自参数的标准不确定度，该眼球样品的测试结果如表2所示。

由表2可知，本文研究的系统的平均标准不确定度约为0.0011。由此可见，本文所研究的系统测量精度非常高。

表2 眼球样品的5次测试结果

5 小结

本文所述的系统采用迈克尔逊干涉仪原理，通过对干涉信号进行滤波、放大和解调计算出了角膜厚度、前房深度、晶体厚度、视轴长度、玻璃体厚度和视网膜厚度等6项眼球视轴参数。另外，该研究系统通过图像分析的方法实现了对白到白的距离、瞳孔半径和角膜曲率等3项参数非眼轴参数的准确测量。本研究的眼球多参数测量系统可以用作白内障手术的参数检测，弥补目前国内超声检测方法的不足，为国内的眼科医疗提供一项新的技术。

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