溫博，周傳清，任秋實(shí)上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，上海， 200240

高分辨率眼科頻域光學(xué)相干層析成像儀的研究與設(shè)計(jì)

【作 者】溫博，周傳清，任秋實(shí)上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，上海， 200240

本文根據(jù)頻域光學(xué)相干層析成像的原理，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于眼科常用的裂隙燈顯微鏡的實(shí)用化光學(xué)相干層析成像儀。文中詳細(xì)介紹了該診斷儀器的總體結(jié)構(gòu)，對(duì)儀器設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的上位機(jī)與下位機(jī)的通信、固視燈與參考臂模塊的設(shè)計(jì)和抗干擾措施三個(gè)方面的問(wèn)題進(jìn)行了詳述。

頻域光學(xué)相干層析成像；上位機(jī)與下位機(jī)的通信；固視燈；參考臂；抗干擾

眼睛是心靈的窗口，人們可以通過(guò)它來(lái)表達(dá)各種情感并體現(xiàn)內(nèi)在與外表之美，而在信息爆炸的當(dāng)今社會(huì)，眼睛更是收集信息的最強(qiáng)助手。眼睛如此重要，眼病的診斷與治療自然成為醫(yī)療領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。在眾多眼病當(dāng)中，青光眼、黃斑部病變等疾病的觀察與診治無(wú)疑是較為困難的，對(duì)于此類疾病的早期診斷，醫(yī)生需要較為準(zhǔn)確的觀測(cè)視網(wǎng)膜的變化[1]，卻又不宜直接擴(kuò)瞳觀察視網(wǎng)膜，因此比較棘手。光學(xué)相干層析成像技術(shù)[2]（Optical Coherence Tomography, OCT）恰恰有效的解決了這一問(wèn)題。

光學(xué)相干層析成像技術(shù)是繼X射線CT、超聲診斷和MRI等技術(shù)之后的又一種新的層析成像法。其基礎(chǔ)為低相干干涉測(cè)量，最早來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)的光學(xué)相干域反射測(cè)量技術(shù)OCDR(Optical Coherence-Domain Reflectometry)[3]。它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測(cè)生物組織不同深度層面處由入射的弱相干光產(chǎn)生的背向反射或散射信號(hào)，配合橫向掃描即可得到生物組織2維或3維高分辨微觀結(jié)構(gòu)圖像，是一種非侵入、無(wú)損傷、高分辨率、重復(fù)性好并可在體檢測(cè)生物組織內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像技術(shù)，已被臨床醫(yī)師廣泛認(rèn)同和接受[4]。近年來(lái)，快速發(fā)展起來(lái)的頻譜OCT技術(shù)[5,6](Spectral Domain OCT, SD-OCT)與傳統(tǒng)時(shí)域OCT技術(shù)相比，由于具有高速度和高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，更適合生物組織的在體成像，代表了光學(xué)相干層析成像技術(shù)的發(fā)展方向。

上海交通大學(xué)激光與光子生物醫(yī)學(xué)研究所在借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)、生產(chǎn)了一種高分辨率眼科光學(xué)相干層析成像儀，在技術(shù)指標(biāo)上達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品的水平，它可用于眼后段結(jié)構(gòu)（包括視網(wǎng)膜、視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層、黃斑和視盤(pán)）的在體查看、軸向斷層和3維成像以及測(cè)量，是特別用作幫助檢測(cè)和管理眼疾（包括但不限于黃斑裂孔、黃斑囊樣水腫、糖尿病性視網(wǎng)膜病變、老年性黃斑變性和青光眼）的診斷。

本文首先介紹了頻域相干層析成像技術(shù)的基本原理，然后介紹了基于該原理設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種高分辨率眼科光學(xué)相干層析成像儀的總體結(jié)構(gòu)，并著重對(duì)儀器設(shè)計(jì)中較為重要的上位機(jī)與下位機(jī)的通信、固視燈與參考臂等模塊的設(shè)計(jì)以及抗干擾措施等三個(gè)方面進(jìn)行了探討。

1 檢測(cè)原理

傳統(tǒng)的時(shí)域OCT為了得到深度圖像，需要移動(dòng)參考臂來(lái)進(jìn)行縱向掃描，因此其采集的速度受到了一定的限制。頻譜OCT作為時(shí)域OCT發(fā)展的結(jié)果，避免了參考臂的縱向掃描，可以實(shí)現(xiàn)非常高的采集速度，使掃描成像時(shí)間大為縮短，擁有了成像速度快以及探測(cè)靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，因而更加適合生物組織的實(shí)時(shí)成像[7]。

典型的頻譜OCT其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，它的核心部分是邁克爾遜干涉儀和光譜儀。寬帶光源如（SLD）發(fā)出的光波被光耦合器件分束后，一束進(jìn)入?yún)⒖急壅丈湓诜瓷溏R上反射回來(lái)成為參考光，另一束則進(jìn)入樣品臂照射到樣品上發(fā)生背向散射返回形成樣品光。這樣兩束光又重新在光耦合器件中相遇并發(fā)生干涉，因?yàn)閺臉悠繁鄯祷氐臉悠饭饪梢詫⑵湟暈槎鄠€(gè)不同深度處產(chǎn)生的后向散射光的疊加，在與參考光發(fā)生干涉之后，就會(huì)產(chǎn)生干涉條紋。此干涉信號(hào)的頻率編碼中即含有樣品的深度信息，由衍射光柵和CCD共同組成的光譜探測(cè)系統(tǒng)對(duì)其檢測(cè)接收并輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行傅里葉變換以后便得到了樣品不同深度處的信息，再配合橫向掃描，即可重建視網(wǎng)膜的3維圖像。

圖1 頻譜OCT系統(tǒng)[8]Fig.1 SD-OCT System

2 儀器設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)用以上原理達(dá)到檢測(cè)目的，快捷有效的實(shí)施眼底診斷，我們開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種高分辨率眼科頻譜光學(xué)相干層析成像儀器，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括控制與顯示模塊、出光模塊、固視燈模塊、參臂模模塊、掃描模塊和采集模塊等。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System Structure

控制與顯示模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，由一臺(tái)預(yù)裝了我們自主開(kāi)發(fā)的OCT系統(tǒng)控制專用軟件的電子計(jì)算機(jī)（PC）擔(dān)任，主要用于協(xié)調(diào)各個(gè)模塊工作，根據(jù)用戶發(fā)出的指令對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行控制，并能對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和顯示，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期的眼底檢測(cè)結(jié)果。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)一套由不同供電設(shè)備組成的電源組對(duì)各模塊分別供電，以滿足各模塊對(duì)電源參數(shù)的不同需求。出光模塊采用低相干寬帶光源，輸出檢測(cè)所需的840 nm紅外光，并能實(shí)時(shí)進(jìn)行能量調(diào)節(jié)與開(kāi)關(guān)，以確保出光安全性和最佳檢測(cè)效果。固視燈模塊負(fù)責(zé)引導(dǎo)患者眼球作出適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)，以方便觀察者從最佳角度進(jìn)行眼底觀測(cè)。參考臂模塊包含一臺(tái)精密步進(jìn)電機(jī)，可調(diào)節(jié)用于反射參考光的平面鏡的位置，從而達(dá)到理想的觀測(cè)效果。掃描模塊包含了X、Y兩方向的掃描振鏡，由專門(mén)的振鏡驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行調(diào)控，完成對(duì)人眼的橫向掃描。采集模塊為高分辨率光譜儀，內(nèi)含衍射光柵和線陣CCD，參考光與樣品光在此干涉產(chǎn)生干涉條紋，由CCD捕獲后傳入控制與顯示模塊，經(jīng)處理后便得到所需的檢測(cè)圖像。

整套設(shè)備按照一定的流程進(jìn)行工作。在開(kāi)啟PC上的專用配套軟件后，將對(duì)各硬件設(shè)備進(jìn)行上電和初始化，并檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)是否正常，若檢測(cè)到異常則系統(tǒng)將會(huì)彈出警告框，同時(shí)顯示相應(yīng)的報(bào)錯(cuò)信息。如果沒(méi)有檢測(cè)到任何異?，F(xiàn)象，系統(tǒng)將進(jìn)入工作界面，并讀出上次診斷存儲(chǔ)的參數(shù)。再進(jìn)行完相關(guān)信息（如患者信息等）錄入后，開(kāi)始對(duì)出光模塊、參考臂模塊和固視燈模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳檢測(cè)效果。最后下達(dá)掃描和采集指令，設(shè)備將采集到的數(shù)據(jù)送入PC進(jìn)行處理與顯示，供使用者分析和存儲(chǔ)，然后進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

在儀器的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，上位機(jī)與下位機(jī)的通信，固視燈與參考臂等模塊的設(shè)計(jì)以及抗干擾措施是三個(gè)重要的方面，以下將分三個(gè)小節(jié)對(duì)這三方面的進(jìn)行著重闡述。

2.2上位機(jī)與下位機(jī)的通信

PC在對(duì)固視燈、參考臂等模塊進(jìn)行控制時(shí)，要先對(duì)單片機(jī)下達(dá)指令，再由單片機(jī)的引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)功能部件的控制。在上位機(jī)（PC）與下位機(jī)（MCU）的通信上，我們選擇了功能強(qiáng)大的CH375芯片。它是一款USB總線的通用接口芯片，支持HOST主機(jī)方式和SLAVE設(shè)備方式。在本地端，CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫(xiě)、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)、DSP等控制器的系統(tǒng)總線上。這里我們采用設(shè)備模式進(jìn)行工作，可由一臺(tái)PC通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接多個(gè)MCU來(lái)進(jìn)行指令與數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子模塊相對(duì)獨(dú)立的控制，如圖3所示。具體工作流程如下：

圖3 上位機(jī)與下位機(jī)通信示意圖Fig.3 Communication between PC and MCU

MCU端上電后先對(duì)CH375進(jìn)行初始化（包括重置、工作模式設(shè)定和設(shè)備代號(hào)設(shè)定等），并為其分配存儲(chǔ)單元，用于數(shù)據(jù)收發(fā)，隨后MCU進(jìn)入等待狀態(tài)；PC端調(diào)用CH375提供的API函數(shù)對(duì)其進(jìn)行開(kāi)啟、識(shí)別、編號(hào)和收發(fā)數(shù)據(jù)等操作，并產(chǎn)生中斷信號(hào)；MCU響應(yīng)中斷后接收數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)模塊（固視燈、參考臂等）子程序，并對(duì)PC端發(fā)送必要的反饋數(shù)據(jù)，從而完成上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。

通過(guò)CH375芯片，可以方便快捷地對(duì)其連接的設(shè)備進(jìn)行編號(hào)并單獨(dú)控制，既清晰地將各個(gè)模塊區(qū)分開(kāi)來(lái)，也為日后設(shè)備的功能拓展和模塊添加提供了有力的技術(shù)支持。

2.3固視燈與參考臂模塊的設(shè)計(jì)

固視燈模塊 由一塊32×16的黃綠色LED點(diǎn)陣組成。PC通過(guò)配套軟件對(duì)基于單片機(jī)的MCU-1發(fā)送指令，從而完成對(duì)固視燈的實(shí)時(shí)控制。它能在點(diǎn)陣的任意位置點(diǎn)亮一個(gè)由LED燈組成的“十”字形“光標(biāo)”，并能向任意方向移動(dòng)，患者通過(guò)觀察此“光標(biāo)”即可使眼球進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)，以利于醫(yī)生對(duì)其眼底進(jìn)行更好的觀測(cè)。為方便醫(yī)生更好的調(diào)控，計(jì)算機(jī)顯示器上還將以“點(diǎn)陣圖”的形式實(shí)時(shí)地顯示LED點(diǎn)陣當(dāng)前的點(diǎn)亮狀態(tài)。該模塊具體工作流程為：① MCU上電后通過(guò)譯碼選擇的方式選中默認(rèn)設(shè)定的LED燈，并以掃描的方式點(diǎn)亮整個(gè)“十”字“光標(biāo)”（共9盞燈）；② 在PC端的操作界面中點(diǎn)擊方向鍵或直接選擇指定點(diǎn)，由程序計(jì)算出相應(yīng)碼值發(fā)送給MCU；③ MCU接收數(shù)據(jù)后關(guān)閉當(dāng)前LED燈，由譯碼方式點(diǎn)亮新的LED“十”字“光標(biāo)”，并等待下一次操作。

參考臂模塊 采用HML公司生產(chǎn)的系列混合式直線步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)反射參考光的平面鏡。PC端通過(guò)配套軟件的操作界面對(duì)基于單片機(jī)的MCU-2發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)精密步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，使其可以向正反兩方向進(jìn)行微米級(jí)的單步或連續(xù)移動(dòng)，從而使平面鏡的位置作出同步調(diào)節(jié)，改變參考光的光程，得到最佳觀測(cè)效果。為方便醫(yī)生更好的調(diào)控，計(jì)算機(jī)顯示器上還將以“滑塊圖”的形式實(shí)時(shí)地顯示電機(jī)當(dāng)前的行進(jìn)位置。該模塊具體工作流程為：① 從PC端的操作界面按下移動(dòng)方向鍵（單步或連續(xù)），發(fā)送電機(jī)移動(dòng)命令碼。MCU端接收命令后，進(jìn)入電機(jī)模塊子程序，對(duì)電機(jī)執(zhí)行開(kāi)啟、方向設(shè)定和移動(dòng)操作，同時(shí)將移動(dòng)量數(shù)據(jù)寫(xiě)入FLASH存儲(chǔ)區(qū)；② 從PC端的操作界面抬起移動(dòng)方向鍵，發(fā)送電機(jī)停止命令碼。MCU端接收命令后，對(duì)電機(jī)執(zhí)行停止操作，同時(shí)將FLASH區(qū)記錄的數(shù)據(jù)反饋給PC端；③ PC端根據(jù)反饋數(shù)據(jù)改變操作界面中滑塊的位置以達(dá)到模擬效果（若電機(jī)移動(dòng)到端點(diǎn)則會(huì)觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)，此時(shí)將立即對(duì)電機(jī)執(zhí)行關(guān)閉操作，同時(shí)對(duì)FLASH區(qū)移動(dòng)量數(shù)據(jù)重置，并反饋給PC端進(jìn)行滑塊模擬）。圖4為專用配套軟件中用于控制固視燈與參考臂模塊的操作界面。

圖4 固視燈與參考臂模塊操作界面Fig.4 Operator Interface for modules of fixation lamp and reference arm

2.4抗干擾措施

因?yàn)閮x器內(nèi)部不同的模塊之間存在著相互干擾，而應(yīng)用環(huán)境中的其他設(shè)備也可能產(chǎn)生干擾，這就會(huì)使儀器不能正常工作，因此必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采取必要的抗干擾措施。

首先在MCU的設(shè)計(jì)上，選用了有超強(qiáng)抗干擾特性的單片機(jī)芯片STC89C58RD+。該款芯片具有以下抗干擾特性：輸入/輸出口經(jīng)過(guò)特殊的處理，各端口均有對(duì)VCC/GND二級(jí)管鉗位保護(hù)，消除了從I/O處進(jìn)入的干擾；電源供電系統(tǒng)以及時(shí)鐘電路也經(jīng)過(guò)特殊的處理，能夠有效防止由電源和時(shí)鐘部分進(jìn)入的干擾；具有經(jīng)特殊處理的看門(mén)狗電路，打開(kāi)后即無(wú)法關(guān)閉，因此可省去外部看門(mén)狗；復(fù)位電路同樣經(jīng)過(guò)特殊處理，防止由通過(guò)復(fù)位電路進(jìn)入的干擾；寬電壓（5.5V～3.4V），抗電源抖動(dòng)；高抗靜電（高ESD保護(hù)），可輕松通過(guò)4000V快速脈沖干擾（嚴(yán)格的日本及歐洲EFT標(biāo)準(zhǔn)[9]）。

其次在本設(shè)備中采用了雙MCU的控制方式，并選用CH375通信芯片實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)（PC）與下位機(jī)（MCU）間的指令與數(shù)據(jù)傳輸。固視燈模塊中的LED“十”字“光標(biāo)”需要以時(shí)鐘周期掃描的方式進(jìn)行點(diǎn)亮，而參考臂模塊中的步進(jìn)電機(jī)也需要時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行開(kāi)動(dòng)，若兩時(shí)鐘信號(hào)由同一單片機(jī)提供，且單片機(jī)還需響應(yīng)上位機(jī)發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求來(lái)進(jìn)行指令與數(shù)據(jù)的交換，這樣各個(gè)信號(hào)之間可能會(huì)產(chǎn)生重疊和干擾，不利于功能的有效實(shí)現(xiàn)，而且會(huì)使程序的編寫(xiě)較為復(fù)雜。采用雙MCU分別控制兩模塊的運(yùn)行可以簡(jiǎn)單有效的解決這一問(wèn)題，既使兩模塊得以相對(duì)獨(dú)立的工作而不受彼此的干擾，又使得軟件的更新與維護(hù)更加方便快捷。

表1 性能參數(shù)表Tab.1 Performance Parameters

3 結(jié)果與討論

由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的該儀器主要性能參數(shù)如表1中所示。

本文根據(jù)頻譜OCT原理完成了一種高分辨率眼科頻譜層析成像儀的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，對(duì)儀器整體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)中需要著重考慮的三個(gè)方面分別進(jìn)行了闡述。經(jīng)反復(fù)測(cè)試，該儀器在整機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性以及采集到眼底圖像的分辨率和清晰度等方面均達(dá)到了眼科診斷的要求，具有良好的醫(yī)療應(yīng)用前景。

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光學(xué)節(jié)律器調(diào)控心臟跳動(dòng)

新型的光學(xué)節(jié)律器是利用激光脈沖來(lái)控制胚胎的心臟跳動(dòng)。實(shí)驗(yàn)是用一種光纖向2～3天大的鵪鶉胚胎的心臟釋放1～2μ長(zhǎng)的紅外光脈沖，心臟的跳動(dòng)逐步與激光脈沖同步。而且會(huì)隨著激光脈沖頻率的增加或降低而發(fā)生變化，直至與激光脈沖的頻率相同。這是Michael Jenkins和Andrew Rollins與同事合作，用激光脈沖控制活體心臟的律動(dòng)。

應(yīng)用光學(xué)方法無(wú)創(chuàng)地控制心臟病仍需實(shí)踐驗(yàn)證，但至少它為應(yīng)用這種方法用于人體心臟提供可行性。

（本刊訊）

Study and Design of Spectral Domain Optical Coherence
Tomography -Based High-resolution Ophthalmic Imaging System

【W(wǎng)riters】Wen Bo, Zhou Chuanqing, Ren Qiushi Department of Biomedical Engineering, School of Life Science &Technology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China

SD-OCT; communication between PC and MCU; fi xation lamp; reference arm; anti-interference

】According to the mechanism of spectral domain optical coherence tomography, this paper gives a design and development of a practical OCT imaging device based on slit-lamp microscopic widely-used in ophthalmology. The paper details the device's architecture and three key points in design: communication between PC and MCU, how to design modules of fi xation lamp and reference arm and anti-interference measures.

1671-7104(2010)05-0339-04

2010-05-12

上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目（07dz22010）

任秋實(shí)，E-mail: renqsh@sjtu.edu.cn

R445

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.05.007

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