姚鳳瑩,沈建新,陳 華

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,南京 210016)

視網(wǎng)膜是人體唯一可以直接觀察到血管的部位,而且可以反映一些先天或是遺傳性的疾病,如早產(chǎn)兒視網(wǎng)膜疾病、視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤、糖尿病等.部分視網(wǎng)膜疾病與全身病相關(guān),而一些嚴(yán)重的遺傳性病變成為重要的兒童致盲眼病,因此通過獲取視網(wǎng)膜圖像進(jìn)行眼科等疾病的診斷具有重要意義[1].

目前臨床上常用直接檢眼鏡、間接檢眼鏡、眼底相機(jī)和廣域視網(wǎng)膜數(shù)字化成像系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱RetCamⅢ)對(duì)嬰幼兒進(jìn)行眼底疾病篩查[2].視網(wǎng)膜成像的研究主要基于眼底相機(jī)技術(shù),通過設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)視網(wǎng)膜成像.Knoll[3]于1969年發(fā)明了采用內(nèi)部照明方式的眼底相機(jī),該眼底相機(jī)成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)共用接目物鏡,光能利用率高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,像差難校正.DeHoog 等[4]于2008年研究了眼底相機(jī)照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù),給出了相關(guān)參數(shù)的選取方法,具有重要參考意義.Tran 等[5]于2012年研究了便攜式眼底相機(jī),采用普通數(shù)碼相機(jī)作為圖像采集設(shè)備,可以校正人眼屈光度,但是圖像質(zhì)量受數(shù)碼相機(jī)影響較大.眼底相機(jī)可以實(shí)時(shí)獲取視網(wǎng)膜客觀圖像,為醫(yī)生提供可靠圖像依據(jù),但成像視場(chǎng)小,只能達(dá)到30°～45°的視場(chǎng)角[6].美國Clarity 醫(yī)療公司研制的RetCam 系列設(shè)備較廣泛用于ROP 篩查,成像視場(chǎng)可高達(dá)100°,但價(jià)格高昂,不能被廣泛應(yīng)用.因此設(shè)計(jì)了一款可以實(shí)現(xiàn)視網(wǎng)膜廣域成像的嬰幼兒視網(wǎng)膜廣域成像系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

本文將角膜接觸眼底鏡應(yīng)用于眼底相機(jī)基本結(jié)構(gòu)[7-11]中建立了嬰幼兒視網(wǎng)膜廣域成像系統(tǒng),解決了眼底相機(jī)成像視場(chǎng)角小的缺點(diǎn).該系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分.硬件部分包括照明子系統(tǒng)和成像子系統(tǒng),軟件部分包括圖像處理子系統(tǒng).照明子系統(tǒng)中采用多環(huán)光纖照明來實(shí)現(xiàn)均勻照明；成像子系統(tǒng)中采用廣角接目物鏡和成像物鏡可以提高光能的利用率,提高成像視場(chǎng)；圖像處理子系統(tǒng)中采用CMOS 相機(jī)接收?qǐng)D像,設(shè)計(jì)圖像處理軟件實(shí)時(shí)獲取存儲(chǔ)圖像、并進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定和畸變校正,獲得較清晰圖像以便于醫(yī)生的診療和遠(yuǎn)程醫(yī)療.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了角膜接觸眼底鏡對(duì)于擴(kuò)大成像視場(chǎng)的可行性,所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有視場(chǎng)大、結(jié)構(gòu)小巧、操作簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn).

1 嬰幼兒視網(wǎng)膜廣域成像系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

嬰幼兒視網(wǎng)膜廣域成像系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分.角膜接觸眼底鏡連接照明子系統(tǒng)和成像子系統(tǒng),采用內(nèi)部照明方式,實(shí)現(xiàn)視網(wǎng)膜廣域成像；CMOS 相機(jī)連接硬件部分和軟件部分,搭建成像光路和照明光路,通過CMOS 相機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像的采集獲取,通過圖像處理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像的預(yù)處理.系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖如圖1所示.

1.1 照明子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人眼相當(dāng)于一個(gè)暗室,因此需要設(shè)計(jì)照明光路照亮眼底.為實(shí)現(xiàn)眼底的充分照明,光路設(shè)計(jì)為多環(huán)光纖照明的內(nèi)部照明方式.

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

1.1.1 光源的選擇

在設(shè)計(jì)照明子系統(tǒng)時(shí),首要任務(wù)是選擇光源.根據(jù)我國醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY0634-2008《眼科儀器 眼底相機(jī)》[12]的規(guī)定,選用峰值波長(zhǎng)介于520 nm～560 nm 之間的LED 光源.

進(jìn)入眼睛并被視網(wǎng)膜吸收的輻射通量(520 nm～560 nm)正比于瞳孔的面積.在亮度＜0.01 cd?m-2時(shí),瞳孔的直徑約為7 mm,當(dāng)亮度達(dá)到10 000 cd?m-2時(shí),瞳孔的直徑會(huì)縮小到大約2 mm.因此為實(shí)現(xiàn)免散瞳成像,選擇亮度范圍為10 cd?m-2～10 000 cd?m-2,可調(diào)節(jié).

1.1.2 照明子系統(tǒng)布置

照明系統(tǒng)采用環(huán)形光纖照明.單環(huán)光纖照明結(jié)構(gòu)雖然能實(shí)現(xiàn)環(huán)形光照明,但照明視場(chǎng)角較??；多環(huán)光纖照明即可以實(shí)現(xiàn)環(huán)形照明,還可以得到比單環(huán)結(jié)構(gòu)更大的工作深度,實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)照明,如圖2(a)所示,可以在h0～h3深度范圍內(nèi)得到均勻的光斑.綜合分析,選擇多環(huán)光纖內(nèi)部照明方式進(jìn)行照明,不僅可以提高光能利用率,減少能量損失,提高光照度,還可以實(shí)現(xiàn)廣域照明.照明光路同成像光路共用角膜接觸眼底鏡,因此多環(huán)形光纖可以在角膜接觸眼底鏡的前表面呈現(xiàn)環(huán)形分布的均勻照明.多環(huán)光纖布置如圖2(b)所示.

1.2 成像子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在成像子系統(tǒng)設(shè)計(jì)前,首先根據(jù)人眼光學(xué)特性及屈光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立眼模型,再進(jìn)行視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)成像光路的設(shè)計(jì)分析,并分析其光學(xué)特性,在圖像處理部分進(jìn)行幾何畸變校正.

圖2 照明子系統(tǒng)布置

1.2.1 嬰幼兒眼模型的建立

人眼屈光系統(tǒng)包括角膜前后表面、房水、晶狀體、玻璃體、視網(wǎng)膜等.常用眼模型有Gullstrand I 號(hào)眼模型、Gullstrand-Le Grand 眼模型、Escudero-Sanz 大視場(chǎng)眼模型等[13,14],其中Gullstrand I 號(hào)眼模型、Gullstrand-Le Grand 等眼模型只適合于研究人眼近軸光學(xué)特性,在進(jìn)行視網(wǎng)膜周邊部分成像時(shí)會(huì)有較大誤差,因此為同時(shí)實(shí)現(xiàn)視網(wǎng)膜及其周邊部分成像采用Escudero-Sanz 大視場(chǎng)眼模型,該模型定義了視網(wǎng)膜的球面面型,使得視場(chǎng)增大,使用范圍擴(kuò)大,滿足設(shè)計(jì)需要.

用ZEMAX 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件建立Escudero-Sanz 大視場(chǎng)眼模型,圖3(a)為在ZEMAX 中建立的嬰幼兒眼模型,可借助此模型對(duì)視網(wǎng)膜廣域成像的成像視場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算.圖3(b)為0～85°視場(chǎng)內(nèi)眼模型的場(chǎng)曲和畸變,視場(chǎng)增大,畸變?cè)龃?

1.2.2 角膜接觸眼底鏡設(shè)計(jì)

視網(wǎng)膜圖像先經(jīng)人眼放大成像,再經(jīng)角膜接觸眼底鏡反射成實(shí)像.角膜接觸眼底鏡的設(shè)計(jì)決定著該成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量高低及成像視場(chǎng)角大小.非球面鏡具有較好的光學(xué)性能,可以校正系統(tǒng)的高級(jí)像差,簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[15-17].為了實(shí)現(xiàn)高的成像質(zhì)量和大的成像視場(chǎng)角,我們?cè)谠O(shè)計(jì)角膜接觸眼底鏡時(shí),鏡面兩面都采用非球面結(jié)構(gòu).

通常,光學(xué)設(shè)計(jì)中采用基準(zhǔn)二次曲面+變形的方法來描述偶次非球面,其普遍式方程為：

式中,k為二次曲面的圓錐系數(shù),r為徑向坐標(biāo),a1,a2,a3,···為高次非球面系數(shù).通過這些參數(shù)確定非球面的形狀,以校正像差.

將偶次非球面看成是一個(gè)球面與一個(gè)中心厚度無限薄的校正板的結(jié)合,如圖4所示.

初級(jí)像差系數(shù)增量為：

式中,h為校正板的矢量高.

當(dāng)光闌不在校正板上時(shí),初級(jí)像差系數(shù)增量為：

式中,hz為校正板主光線矢量高.

圖4 非球面示意圖

由式(3)可見,選在hz大 ,h小的位置設(shè)為非球面,可以在盡量少影響軸上像差的同時(shí)對(duì)軸外像差施加影響.

角膜接觸眼底鏡如圖5所示.在成像系統(tǒng)中,要盡可能降低人眼像差造成的影響；在照明光路中,應(yīng)保證多環(huán)光纖照明光源形成的環(huán)形光經(jīng)角膜接觸眼底鏡到人眼瞳孔處,可以均勻地照亮眼底視網(wǎng)膜及其周邊血管區(qū)域.最大靜態(tài)視場(chǎng)為85°,焦距10 mm,按人眼焦距為17 mm 進(jìn)行計(jì)算,放大率為0.59.

圖5 角膜接觸眼底鏡模型

角膜接觸眼底鏡在設(shè)計(jì)時(shí)一方面要盡量校正人眼自身像差,提高一次成像質(zhì)量；另一方面要保證人眼瞳孔和成像光路的環(huán)形光闌共軛,滿足廣域成像要求.因此在成像光路設(shè)計(jì)時(shí),角膜接觸眼底鏡采用多重結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),可以很好的控制像差,得到理想效果,滿足視網(wǎng)膜廣域成像的要求.

1.2.3 視網(wǎng)膜成像光路設(shè)計(jì)

視網(wǎng)膜成像光路包括角膜接觸眼底鏡、接目物鏡、環(huán)形光闌和成像物鏡.由于人眼是個(gè)暗室,所以采用大相對(duì)孔徑的物鏡,以提高像面上的光照度.光學(xué)系統(tǒng)由焦距f′、 相對(duì)孔徑D/f′和 視場(chǎng)角 2ω三個(gè)參數(shù)來表征其基本性能.成像光路的視場(chǎng)角 2ω決定了被拍攝視網(wǎng)膜的空間范圍,視場(chǎng)角2 ω=70°～100°被稱為廣域成像.

(1)視場(chǎng)角 2ω與 放大倍率β

正常人眼的焦距f為16.6 mm,物面高度為y,則滿足關(guān)系：

當(dāng)物高為二分之一人眼直徑,即y=12 mm 時(shí),滿足tanω==0.723 ＜0.914=tan42.5°,因此在視場(chǎng)角為85°的大視場(chǎng)下,物高為12 mm.系統(tǒng)選用大恒圖像的工業(yè)AVT 相機(jī)來接收?qǐng)D像,其有效光電接收靶面尺寸為8.8 mm×6 mm,所以理論像高為10.65 mm.放大倍率 β為0.89.

(2)系統(tǒng)焦距f′

視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)的入瞳是瞳孔,經(jīng)角膜接觸眼底鏡和接目物鏡后所成像是系統(tǒng)的孔徑光闌,即瞳孔與孔徑光闌共軛.考慮到角膜接觸眼底鏡的厚度,取接目物鏡組瞳孔的距離為35 mm,孔徑光闌位于接目物鏡組成像鏡組之間,接目鏡組選用廣角接目鏡組,半視場(chǎng)50 度,焦距為28 mm,成像鏡組選用廣角物鏡,半視場(chǎng)50 度,焦距為16.66 mm.則根據(jù)高斯成像公式得：

由式(5)計(jì)算出孔徑光闌距離接目物鏡的距離為l′=140 mm.

系統(tǒng)總長(zhǎng)定為265 mm,設(shè)待檢查眼睛為正視眼,式(6)、(7)成立：

已知放大倍率 β為0.89,f1′=28 mm 代入(6)、(7)式,得l2=-155 mm,l′2=82 mm.

根據(jù)系統(tǒng)焦距公式：

其 中 Δ=-l2+f1′-f1′-f2′=-l2-f2′= 138.34 m m,則f′=-3.37 mm.

綜上所述,得到了成像物鏡和接目物鏡的工作距離以及成像光路的系統(tǒng)焦距.

(3)相對(duì)孔徑D/f′

相對(duì)孔徑表示能進(jìn)入鏡頭到達(dá)CMOS 上的光能量,因而決定像平面光照度定義為入瞳直徑D與系統(tǒng)焦距f′之比.即：

綜上所述為嬰幼兒視網(wǎng)膜廣域成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù).

2 嬰幼兒視網(wǎng)膜廣域成像系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

嬰幼兒視網(wǎng)膜廣域成像系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)由CMOS相機(jī)、圖像處理軟件和計(jì)算機(jī)組成,用于采集圖像和進(jìn)行圖像預(yù)處理.圖像處理軟件以VisualStudio 2010 為開發(fā)平臺(tái),基于C++面向?qū)ο缶幊涕_發(fā)技術(shù),并結(jié)合OpenCV 視覺庫實(shí)現(xiàn)軟件的功能.

2.1 圖像處理軟件實(shí)現(xiàn)

在相機(jī)打開的情況下,軟件可以讀取攝像機(jī)視頻信息.用戶進(jìn)入病歷信息界面,可以輸入病人基本信息并保存.攝像機(jī)打開后進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定,并進(jìn)行幾何畸變校正.將采集的視網(wǎng)膜圖像保存在計(jì)算機(jī)中并實(shí)時(shí)顯示相機(jī)拍攝的畫面.

2.2 視網(wǎng)膜圖像畸變校正

視網(wǎng)膜成像時(shí),圖像畸變有很多因素：(1)患者坐姿改變；(2)頭部?jī)A斜和眼部的轉(zhuǎn)動(dòng)；(3)相機(jī)與眼睛間距離的改變；(4)相機(jī)和眼光學(xué)系統(tǒng)的固有畸變.

系統(tǒng)可以通過相機(jī)標(biāo)定確定CMOS 相機(jī)內(nèi)外參數(shù).通過相機(jī)標(biāo)定來修正相機(jī)模型參數(shù),以校正光學(xué)系統(tǒng)畸變.

2.2.1 相機(jī)畸變模型

Xu 等人[18]證明基于平面棋盤格圖案的標(biāo)定結(jié)果更精確,因此本論文采用平面棋盤格圖案進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定.

3D空間點(diǎn)(Xw,Yw,Zw)與2D 圖像傳感器平面上的投影點(diǎn)(u,v)用針孔模型描述為

式中,uI=(u,v,1)T,Xw=(Xw,Yw,Zw,1)T,s為物體在相機(jī)坐標(biāo)系的z坐標(biāo),[Rt]為 相機(jī)外參,K為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣.

式中,(u0,v0)為 相機(jī)的主點(diǎn)坐標(biāo)；fu、fv分別為u和v方向的焦距；us、vs分別為u和v方向的像元尺寸(像素/mm)；γ 為u和v軸間的剪切系數(shù).

視網(wǎng)膜圖像采集光學(xué)系統(tǒng)較為復(fù)雜,會(huì)在視網(wǎng)膜圖像中引入幾何畸變.主要包括徑向和切向兩種主要的畸變[19,20].徑向畸變比較小,可以用r=0位置的泰勒級(jí)數(shù)展開式的前幾項(xiàng)進(jìn)行定量描述.由于角膜接觸眼底鏡存在較大的畸變,因此調(diào)節(jié)公式如下：

式中,(x,y)是畸變點(diǎn)的原始位置,(xcorrected,ycorrected)是校正后位置.

切向畸變是由于透鏡不完全平行于像平面而產(chǎn)生的,用兩個(gè)額外參數(shù)p1和p2來描述,如下：

其中,總共有五個(gè)所需要的畸變參數(shù).在OpenCV 中將五個(gè)參數(shù)放置到一個(gè)畸變向量中,形成一個(gè) 5 ×1 的矩陣,按順序依次包含k1,k2,p1,p2,k3.

2.2.2 相機(jī)幾何畸變校正

在進(jìn)行成像系統(tǒng)的CMOS 相機(jī)的標(biāo)定時(shí),使用尺寸為 0 .5×0.5英寸的2D 棋盤格圖案,置于相機(jī)的最佳的焦距處以獲得清晰的圖像.相機(jī)在正視眼狀態(tài)下獲取到32 幅棋盤格圖像,可得到如表1所示的相機(jī)內(nèi)參數(shù) ,單位是像素.

表1 相機(jī)標(biāo)定結(jié)果

得到相機(jī)內(nèi)參數(shù)后,可按式(11)、(12)和(13)進(jìn)行視網(wǎng)膜圖像的徑向畸變和切向畸變校正.

3 結(jié)果分析

圖6(a)、6(b)為相機(jī)徑向畸變和切向畸變的分布情況,徑向畸變誤差間隔為10 像素,切向畸變誤差間隔為0.5 像素.

由圖6可見,紅色圓形區(qū)域內(nèi)為有效成像區(qū)域,最大徑向畸變約為20 像素,最大切向畸變約為4 像素.因此,系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)有效成像區(qū)內(nèi)的視網(wǎng)膜圖像的畸變校正.

圖6 相機(jī)畸變分布

圖7 軟件系統(tǒng)校正畸變圖像

如圖7為開發(fā)的嬰幼兒視網(wǎng)膜廣域成像軟件,可以實(shí)現(xiàn)相機(jī)的標(biāo)定和視網(wǎng)膜圖像的畸變校正.

文章所采用的基于相機(jī)標(biāo)定的幾何畸變校正方法,有效的補(bǔ)償了系統(tǒng)幾何畸變,標(biāo)定后可得到的相機(jī)內(nèi)參數(shù),可以校正視網(wǎng)膜圖像的徑向畸變和切向畸變分別為20 像素和4 像素.

在實(shí)驗(yàn)室搭建光路,利用模型眼進(jìn)行視網(wǎng)膜圖像成像.將模型眼制作前視網(wǎng)膜展開圖與采集圖像進(jìn)行對(duì)比,如圖8(a)、8(b).

由圖8可知,該視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)視網(wǎng)膜的廣域成像,并可以采集到視網(wǎng)膜周邊血管較清晰的圖像.視場(chǎng)角也比較理想,可以實(shí)現(xiàn)85°廣域成像.

圖8 視網(wǎng)膜成像比較

光學(xué)傳遞函數(shù)(MTF)是像質(zhì)評(píng)價(jià)的重要標(biāo)準(zhǔn),可以較全面的反映系統(tǒng)成像質(zhì)量.

根據(jù)我國醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY0634-2008《眼科儀器眼底照相機(jī)》規(guī)定可知,當(dāng)視場(chǎng)角為85°時(shí),視場(chǎng)中心處的分辨率大于60 lp/mm,視場(chǎng)中部處的分辨率大于40 lp/mm,視場(chǎng)邊緣處的分辨率大于25 lp/mm 即可.在實(shí)際應(yīng)用中,截止頻率的大小取決于探測(cè)器的分辨率.CMOS 相機(jī)的截止頻率由像素的大小決定,即：

文章選用的CMOS 相機(jī)的像素尺寸為7.4 um,計(jì)算得MTF 的截止頻率是68 cy/mm.

為獲得較好的成像質(zhì)量,系統(tǒng)的一般截止頻率MTF 應(yīng)大于0.2.由圖9可以看出,在截止頻率為68 cy/mm時(shí),各視場(chǎng)的MTF 均高于0.2,滿足設(shè)計(jì)與使用要求.

圖9 成像光路MTF 圖

4 結(jié)語

嬰幼兒視網(wǎng)膜廣域成像系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分.硬件部分包括照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng).針對(duì)視網(wǎng)膜圖像獲取問題,研究了人眼光學(xué)特性及屈光結(jié)構(gòu),根據(jù)嬰幼兒眼球特點(diǎn)建立了Escudero-Sanz 大視場(chǎng)眼模型,設(shè)計(jì)了角膜接觸眼底鏡,可以實(shí)現(xiàn)85°視場(chǎng)的視網(wǎng)膜廣域成像.

軟件部分由CMOS 相機(jī)、圖像處理軟件和計(jì)算機(jī)組成.從理論上對(duì)視網(wǎng)膜成像過程中的廣域視場(chǎng)、照明與圖像特點(diǎn)等進(jìn)行了分析,提出的基于平面棋盤格圖案標(biāo)定法的幾何畸變校正方法可有效校正成像系統(tǒng)中的幾何畸變.