劉艷珍，孟祥峰，王浩，任海萍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 光機(jī)電室，北京 100050

眼科光學(xué)相干斷層掃描儀的橫向分辨率檢測(cè)探討

劉艷珍，孟祥峰，王浩，任海萍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 光機(jī)電室，北京 100050

目前對(duì)于眼科光學(xué)相干斷層掃描儀（OCT）的橫向分辨率存在幾種評(píng)價(jià)方法，其中光學(xué)透鏡檢測(cè)法更具有科學(xué)性。本研究實(shí)現(xiàn)了使用光學(xué)透鏡檢測(cè)OCT橫向分辨率，介紹了它的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明光學(xué)透鏡檢測(cè)法基本符合眼科OCT的測(cè)試需求，同時(shí)需要在光學(xué)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行優(yōu)化。

眼底分辨率；光學(xué)相干斷層掃描儀；光學(xué)透鏡法；視網(wǎng)膜像差

0 引言

視網(wǎng)膜是人體中唯一可在活體、無(wú)創(chuàng)條件下觀察血管及其分布狀態(tài)的組織，這使其成為目前診斷眼病和相關(guān)的全身系統(tǒng)性疾病的重要窗口[1-2]。在眼科疾病中，與年齡相關(guān)的黃斑變性對(duì)視力的損害具有不可逆性，是老年人致盲的最主要原因[3]；對(duì)于全身系統(tǒng)性疾病，尤其是血液相關(guān)疾病，眼底組織都會(huì)產(chǎn)生變化，如高血壓、糖尿病、腎病等[4-5]。眼科光學(xué)相干斷層掃描儀（Optical Coherence Tomography，OCT）是目前主要的眼底檢查儀器之一，由于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。橫向分辨率是眼科OCT的重要質(zhì)控指標(biāo)之一，但是目前還沒(méi)有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法。

1 眼科OCT的橫向分辨率評(píng)價(jià)方法

1.1 理論計(jì)算法

對(duì)同一光源，眼科OCT設(shè)備的橫向分辨率主要取決于設(shè)備前端透鏡的聚焦光斑大小，光斑越小，橫向分辨率就越高。聚焦光斑大小與橫向分辨率數(shù)值的具體關(guān)系如式（1）所示：

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(zhǎng)。

當(dāng)運(yùn)用理論計(jì)算法來(lái)測(cè)量分辨率的時(shí)候，需要測(cè)量設(shè)備的掃描光源特性、透鏡焦距和透鏡通光孔徑。眼科OCT設(shè)備在儀器終端的光強(qiáng)比較弱，所以測(cè)量時(shí)需要測(cè)量?jī)x器內(nèi)部未衰減時(shí)的光強(qiáng)。在測(cè)量透鏡焦距和通光孔徑的時(shí)候，也需要拆開儀器，將儀器內(nèi)部的透鏡單獨(dú)取出進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。由于在眼科OCT設(shè)備中透鏡的位置要求精度比較高，因此將透鏡裝回儀器時(shí)要進(jìn)行位置的校驗(yàn)。

理論計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)是被測(cè)量為基礎(chǔ)參量、對(duì)測(cè)量設(shè)備的要求低和原理清晰；但缺點(diǎn)也很明顯，主要有以下幾點(diǎn)：① 理論計(jì)算方法是有損測(cè)量，對(duì)于成品的測(cè)量需要拆開儀器，測(cè)量成本較高；② 理論計(jì)算過(guò)程中多參數(shù)測(cè)量誤差的引入將會(huì)降低最終值的準(zhǔn)確性；③ 實(shí)際人眼的像差、有效通光孔徑和色散等均影響分辨率的值，因此理論計(jì)算值和設(shè)備的實(shí)際分辨率值相差較大。

1.2 圖像處理法

圖像處理方法是對(duì)眼科OCT設(shè)備生成的圖片，運(yùn)用圖像處理的方法，通過(guò)分析計(jì)算獲得設(shè)備的橫向分辨率。首先，用眼科OCT設(shè)備對(duì)耙物進(jìn)行掃描和拍攝，利用儀器的圖片導(dǎo)出功能將拍攝的圖片進(jìn)行導(dǎo)出；然后，利用第三方的圖像處理軟件讀出圖片的像素值，該值即為眼科OCT設(shè)備的分辨率值，或者利用OCT設(shè)備獲得物點(diǎn)的原始圖像數(shù)據(jù)，分析并擬合之后，計(jì)算點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)OCT設(shè)備的分辨力[6]。

圖像處理方法是一種間接測(cè)量方法，而且此方法依賴過(guò)多復(fù)雜的后期分析，使用起來(lái)不簡(jiǎn)單直接，因此這種方法在目前的測(cè)量中很少被使用。

1.3 光學(xué)透鏡檢測(cè)法

光學(xué)透鏡檢測(cè)法是一種用光學(xué)元器件模擬人眼屈光功能和眼底反射，利用眼科OCT設(shè)備對(duì)光學(xué)元器件進(jìn)行掃描和拍攝的方法，因?yàn)楣鈱W(xué)元器件中是有定量的分辨率靶物，根據(jù)OCT設(shè)備能夠看清的靶物值來(lái)確定分辨率。

這種方法的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)在于該光學(xué)元器件的光路設(shè)計(jì)，光學(xué)透鏡裝置的研究是一項(xiàng)繁雜而且較新的研究方向。人眼是一臺(tái)精密而復(fù)雜的光學(xué)儀器，眼球具備極其復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)，其屈光介質(zhì)并不是完善的成像光學(xué)系統(tǒng)，存在著各種各樣的像差[7-8]。在對(duì)眼球的研究分析中，一般將人眼進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，構(gòu)建簡(jiǎn)化模型。

本文采用透鏡和靶物模擬簡(jiǎn)化的人眼,見(jiàn)圖1。圖1中透鏡的屈光度為60 D左右（正常人眼常規(guī)屈光度約為60 D），靶物為反射類型，上面進(jìn)行各種規(guī)格的分辨率設(shè)計(jì)。藍(lán)色箭頭代表進(jìn)入人眼的掃描光，黑色箭頭代表從靶物反射的光線。

光學(xué)透鏡測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量方法直接和測(cè)量裝置可溯源。

圖1 檢測(cè)光路設(shè)計(jì)

2 橫向分辨力測(cè)試光路搭建

2.1 屈光透鏡

檢測(cè)光路的屈光部分采用雙凸型透鏡，其屈光度為60 D，要實(shí)現(xiàn)相同的放大效果和最寬的視場(chǎng)，能夠越過(guò)光學(xué)漩渦，保證成像質(zhì)量。該屈光透鏡采用非球面設(shè)計(jì)，同時(shí)在透鏡表面進(jìn)行涂層，最大限度減少失真和反射。同時(shí)在加工的過(guò)程中選用高質(zhì)量玻璃，保證成像的分辨率。屈光透鏡透過(guò)小瞳孔時(shí)也可以達(dá)到同樣的效果。

屈光透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)用如下幾個(gè)參數(shù)來(lái)描述：

（1）屈光透鏡的焦距。根據(jù)人眼的參數(shù)，屈光度在60 D左右均可，并且OCT設(shè)備本身還有屈光校正功能，所以檢測(cè)光路本身對(duì)于屈光度數(shù)值的準(zhǔn)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）屈光透鏡的分辨率。它是考量透鏡成像質(zhì)量的重要因素，透鏡的分辨率要足夠好，不能低于OCT設(shè)備的橫向分辨率。本文透鏡的分辨率是100 lp/mm，即最小分辨距離是5 μm。

（3）屈光透鏡的調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）是目前分析鏡頭解像的比較科學(xué)的方法。與分辨率板法相比，MTF成像曲線圖是透鏡在極為客觀嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試環(huán)境下測(cè)得并對(duì)外公布的，是鏡頭成像品質(zhì)最權(quán)威、最客觀的技術(shù)參考依據(jù)。屈光透鏡的MTF曲線，見(jiàn)圖2。

2.2 橫向分辨率板

橫向分辨率板采用了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(duì)短線標(biāo)記組成，見(jiàn)圖3。

圖2 透鏡MTF曲線

圖3 分辨率板線型

分辨率板的每一線條組合單元由相鄰互成45°、寬等長(zhǎng)的4組明暗相間的平行線條組成，線條間隔寬度等于線條寬度，分辨率板相鄰兩單元的線條寬度的公比為（近似0.94）。分辨率板和保護(hù)玻璃采用無(wú)色光學(xué)玻璃制造，其外形為圓片形。分辨率板各單元明（或暗）線條寬度偏差為±5%，暗線條不得有亮點(diǎn)，明線條上不得有暗點(diǎn)、臟點(diǎn)、麻點(diǎn)等，線條不得有斷線。

3 實(shí)驗(yàn)分析

本文對(duì)3個(gè)廠家的3臺(tái)眼科OCT設(shè)備分別使用光學(xué)透鏡法進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 眼底分辨率測(cè)試結(jié)果

由表1數(shù)據(jù)可以看出橫向分辨率的檢測(cè)數(shù)值，廠家聲稱值要優(yōu)于我們?cè)O(shè)計(jì)的光學(xué)透鏡檢測(cè)裝置。造成這種差異的原因可能有兩個(gè)方面：① 衰減片的差異，因?yàn)樗p片能夠有效的減小“眩光”現(xiàn)象，目前在設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮減小“眩光”的措施，這也是啟示下一步改進(jìn)和優(yōu)化檢測(cè)裝置的方向；② 是分辨率線對(duì)方向的差異，廠家的測(cè)試一般是采用單一豎直方向的分辨率線對(duì)，這種情況下線對(duì)方向與掃描方向垂直，分辨率最高。而本實(shí)驗(yàn)分辨率板是采用相互垂直的4方向線對(duì)方向，這樣更能考量OCT設(shè)備對(duì)于不同方向的分辨能力，體現(xiàn)的是設(shè)備的最差分辨率值。

綜上所述，對(duì)于不同廠家的儀器，本文的光學(xué)透鏡檢測(cè)光路可以清晰成像，但是橫向分辨率檢測(cè)結(jié)果與與廠家聲稱數(shù)值存在差異性。但是由于本檢測(cè)光路的各部分可拆卸，且均為自行設(shè)計(jì)，所以參數(shù)具有可溯源性，這是本檢測(cè)裝置的優(yōu)勢(shì)之一。

4 結(jié)論與展望

眼底檢查具有重要的醫(yī)學(xué)意義，并且已經(jīng)在臨床上廣泛使用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析可知本文的眼科OCT光學(xué)透鏡檢測(cè)檢測(cè)光路的設(shè)計(jì)只是取得了初步的成功，需要進(jìn)一步改進(jìn)，以便更客觀和科學(xué)地分析眼科OCT設(shè)備的技術(shù)參數(shù)。具體主要有以下三個(gè)方向：

（1）眼科OCT設(shè)備的研究對(duì)象主要針對(duì)視網(wǎng)膜等眼底組織，但其反射信號(hào)光必須首先要經(jīng)過(guò)眼睛自身的屈光系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)可以以人眼生理結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)參數(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建一種光學(xué)結(jié)構(gòu)模型，用以模擬人眼成像系統(tǒng)，進(jìn)行眼科OCT設(shè)備的橫向分辨率測(cè)試，并且具有一定的普適性。另外，在研究過(guò)程中忽略了很多非重點(diǎn)的復(fù)雜部分，應(yīng)當(dāng)考慮這些因素對(duì)眼底成像的影響，進(jìn)而對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)光路進(jìn)行改進(jìn)。

（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(duì)550 nm的黃綠光僅有1.2%～2%的反射率，對(duì)750 nm的近紅外光有10%的反射率，入射光波長(zhǎng)越長(zhǎng)，眼底組織的反射率越高。因此在進(jìn)行檢測(cè)光路設(shè)計(jì)的時(shí)候需要進(jìn)行考慮。

（3）考慮精密機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)，使得檢測(cè)光路能夠更好地與眼科OCT設(shè)備配用。

[1]張承芬,董方田,陳有信,等.眼底病學(xué)[M].第二版.北京:人民衛(wèi)生出版社,2010:15-35.

[2]王育才,陳凱.眼視光學(xué)[M].第一版.北京:人民軍醫(yī)出版社,2008:2-6.

[3]Holz FG,Pauleikhoff D,Spaide RF,Bird AC.Age-related macular degeneration[M].Berlin:Springer-Verlag,2004:10.

[4]田文真,李紅梅.糖尿病眼底病變相關(guān)因素分析[J].Opt Soc Am A,1998,15(9):2446.

[5]劉青,艾明.光學(xué)相干斷層掃墓血管成像技術(shù)在糖尿病視網(wǎng)膜病變中的應(yīng)用[J].國(guó)際眼科雜志,2016,16(4):678-680.

[6]胡志熊,郝冰濤,孫欣,等.眼科光學(xué)相干斷層（OCT）成像設(shè)備等計(jì)量研究[J].中國(guó)計(jì)量,2016,(7):80-82.

[7]He JC,Burns SA,Marcos S.Monochromatic Aberrations in the Accommodated Human eye[J].Vision Res,2000,40(1):41-48.

[8]Atchison DA,Smith G.Chromatic dispersions of the ocular media of the human eyes[J].Opt Soc Am,2005,22(1):29-37.

Discussion on Detection of Lateral Resolution of Ophthalmic Optical Coherence Tomography Scanner

At present,there are several different methods for evaluation of lateral resolution of ophthalmic OCT (Optical Coherence Tomography),in which the optical lens detection method is the most scientifc. This paper focuses on application of the optical lens detection method to realize the detection of lateral resolution of ophthalmic OCT,introduces the theoretical basis and design,and completes the verifcation experiments. The experimental results show that the method meets the test needs of ophthalmic OCT. Meanwhile,this method needs to be optimized from various aspects,such as its optical design.

fundus resolution;optical coherence tomography;optical lens detection method;retinal aberrations

LIU Yan-zhen,MENG Xiang-feng,WANG Hao,REN Hai-ping
Division of Active Medical Devices and Medical Optics,National Institutes for Food and Drug Control,Beijing 100050,China

TH786

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.010

1674-1633(2016)09-0043-03

2016-08-11

2016-08-25

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2015BAI03B00）。

任海萍，中國(guó)食品藥品檢定研究院光機(jī)電室主任，主任技師。主要研究方向：醫(yī)療器械質(zhì)量控制，生物醫(yī)學(xué)工程。

通訊作者郵箱：renhaiping@nifdc.org.cn