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眼科光學相干斷層掃描器的橫向解析度檢測探討

來源 : 中國醫療設備雜誌2016年第9期
update : 2016/11/28
視網膜是人體中唯一可在活體、無創條件下觀察血管及其分佈狀態的組織,這使其成為目前診斷眼病和相關的全身系統性疾病的重要視窗。在眼科疾病中,與年齡相關的黃斑變性對視力的損害具有不可逆性,是老年人致盲的最主要原因;對於全身系統性疾病,尤其是血液相關疾病,眼底組織都會產生變化,如高血壓、糖尿病、腎病等。眼科光學相干斷層掃描器(Optical Coherence Tomography,OCT)是目前主要的眼底檢查儀器之一,由於其具有更高的眼底分辨力,所以常在眼科的高端檢查中使用。橫向解析度是眼科OCT 的重要質控指標之一,但是目前還沒有公認的標準檢測方法。
 
1 眼科OCT的橫向解析度評價方法
 
1.1 理論計算法
對同一光源,眼科OCT 設備的橫向解析度主要取決於設備前端透鏡的聚焦光斑大小,光斑越小,橫向解析度就越高。聚焦光斑大小與橫向解析度數值的具體關係如式(1)所示:
 

(1)
 
其中f 為透鏡焦距,d 為通光孔徑,λ 為掃描光譜的中心波長。
 
當運用理論計算法來測量解析度的時候,需要測量設備的掃描光源特性、透鏡焦距和透鏡通光孔徑。眼科OCT設備在儀器終端的光強比較弱,所以測量時需要測量儀器內部未衰減時的光強。在測量透鏡焦距和通光孔徑的時候,也需要拆開儀器,將儀器內部的透鏡單獨取出進行相關測量。由於在眼科OCT 設備中透鏡的位置要求精度比較高,因此將透鏡裝回儀器時要進行位置的校驗。
 
理論計算方法的優點是被測量為基礎參量、對測量設備的要求低和原理清晰;但缺點也很明顯,主要有以下幾點:① 理論計算方法是有損測量,對於成品的測量需要拆開儀器,測量成本較高;② 理論計算過程中多參數測量誤差的引入將會降低最終值的準確性;③ 實際人眼的像差、有效通光孔徑和色散等均影響解析度的值,因此理論計算值和設備的實際解析度值相差較大。
 
1.2 影像處理法
影像處理方法是對眼科OCT 設備生成的圖片,運用影像處理的方法,通過分析計算獲得設備的橫向解析度。首先,用眼科OCT 設備對耙物進行掃描和拍攝,利用儀器的圖片匯出功能將拍攝的圖片進行匯出;然後,利用協力廠商的影像處理軟體讀出圖片的圖元值,該值即為眼科OCT 設備的解析度值,或者利用OCT 設備獲得物點的原始圖像資料,分析並擬合之後,計算點擴散函數,進而評價OCT 設備的分辨力。
 
影像處理方法是一種間接測量方法,而且此方法依賴過多複雜的後期分析,使用起來不簡單直接,因此這種方法在目前的測量中很少被使用。
 
1.3 光學透鏡檢測法
光學透鏡檢測法是一種用光學元器件類比人眼屈光功能和眼底反射,利用眼科OCT 設備對光學元器件進行掃描和拍攝的方法,因為光學元器件中是有定量的解析度靶物,根據OCT 設備能夠看清的靶物值來確定解析度。
 
這種方法的關鍵技術和難點在於該光學元器件的光路設計,光學透鏡裝置的研究是一項繁雜而且較新的研究方向。人眼是一台精密而複雜的光學儀器,眼球具備極其複雜的組織結構,其屈光介質並不是完善的成像光學系統,存在著各種各樣的像差。在對眼球的研究分析中,一般將人眼進行一定程度的簡化,構建簡化模型。
 
本文採用透鏡和靶物模擬簡化的人眼, 見圖1。圖1 中透鏡的屈光度為60 D 左右(正常人眼常規屈光度約為60D),靶物為反射類型,上面進行各種規格的解析度設計。藍色箭頭代表進入人眼的掃描光,黑色箭頭代表從靶物反射的光線。
 



光學透鏡測量方法的優點是測量方法直接和測量裝置可溯源。
 
2 橫向分辨力測試光路搭建
 
2.1 屈光透鏡
檢測光路的屈光部分採用雙凸型透鏡,其屈光度為60 D,要實現相同的放大效果和最寬的視場,能夠越過光學漩渦,保證成像品質。該屈光透鏡採用非球面設計,同時在透鏡表面進行塗層,最大限度減少失真和反射。同時在加工的過程中選用高品質玻璃,保證成像的解析度。屈光透鏡透過小瞳孔時也可以達到同樣的效果。
 
屈光透鏡的光學設計用如下幾個參數來描述:
 

1.屈光透鏡的焦距。根據人眼的參數,屈光度在60 D左右均可,並且OCT 設備本身還有屈光校正功能,所以檢測光路本身對於屈光度數值的準確性要求不是特別高。本文屈光透鏡焦距為60 D,即焦距為16.7 mm。 

2.屈光透鏡的解析度。它是考量透鏡成像品質的重要因素,透鏡的解析度要足夠好,不能低於OCT 設備的橫向解析度。本文透鏡的解析度是100 lp/mm,即最小分辨距離是5 μm。 

3.
屈光透鏡的調製傳遞函數(Modulation TransferFunction,MTF)是目前分析鏡頭解像的比較科學的方法。與解析度板法相比,MTF 成像曲線圖是透鏡在極為客觀嚴謹的測試環境下測得並對外公佈的,是鏡頭成像品質最權威、最客觀的技術參考依據。屈光透鏡的MTF 曲線,見圖2。



2.2 橫向解析度板
橫向解析度板採用了A 型的圖案形式,由線寬遞減的兩組線條組合單元,菱形圖案以及兩對短線標記組成,見圖3。


 
解析度板的每一線條組合單元由相鄰互成45°、寬等長的4 組明暗相間的平行線條組成,線條間隔寬度等於線條寬度,解析度板相鄰兩單元的線條寬度的公比為(近似0.94)。解析度板和保護玻璃採用無色光學玻璃製造,其外形為圓片形。解析度板各單元明(或暗)線條寬度偏差為±5%,暗線條不得有亮點,明線條上不得有暗點、髒點、麻點等,線條不得有斷線。
 
3 實驗分析
 

本文對3 個廠家的3 台眼科OCT 設備分別使用光學透鏡法進行了測量,測量結果,見表1。


 
由表1 資料可以看出橫向解析度的檢測數值,廠家聲稱值要優於我們設計的光學透鏡檢測裝置。造成這種差異的原因可能有兩個方面:① 衰減片的差異,因為衰減片能夠有效的減小“眩光”現象,目前在設計中沒有考慮減小“眩光”的措施,這也是啟示下一步改進和優化檢測裝置的方向;② 是解析度線對方向的差異,廠家的測試一般是採用單一豎直方向的解析度線對,這種情況下線對方向與掃描方向垂直,解析度最高。而本實驗解析度板是採用相互垂直的4方向線對方向,這樣更能考量OCT 設備對於不同方向的分辨能力,體現的是設備的最差解析度值。
 
綜上所述,對於不同廠家的儀器,本文的光學透鏡檢測光路可以清晰成像,但是橫向解析度檢測結果與與廠家聲稱數值存在差異性。但是由於本檢測光路的各部分可拆卸,且均為自行設計,所以參數具有可溯源性,這是本檢測裝置的優勢之一。
 
4 結論與展望

 
眼底檢查具有重要的醫學意義,並且已經在臨床上廣泛使用。通過實驗和分析可知本文的眼科OCT 光學透鏡檢測檢測光路的設計只是取得了初步的成功,需要進一步改進,以便更客觀和科學地分析眼科OCT 設備的技術參數。
 
具體主要有以下三個方向:
 

1.眼科OCT 設備的研究物件主要針對視網膜等眼底組織,但其反射信號光必須首先要經過眼睛自身的屈光系統。標準檢測裝置的設計可以以人眼生理結構的實測參數為基礎構建一種光學結構模型,用以類比人眼成像系統,進行眼科OCT 設備的橫向解析度測試,並且具有一定的普適性。另外,在研究過程中忽略了很多非重點的複雜部分,應當考慮這些因素對眼底成像的影響,進而對現有檢測光路進行改進。 

2.眼底組織的光譜特性也是需要考慮的因素。比如,眼底組織對550 nm 的黃綠光僅有1.2%~2% 的反射率,對750 nm 的近紅外光有10% 的反射率,入射光波長越長,眼底組織的反射率越高。因此在進行檢測光路設計的時候需要進行考慮。 

3.考慮精密機械裝置的設計,使得檢測光路能夠更好地與眼科OCT 設備配用。