葛婧菁

(北京空間機電研究所，北京100190)

1 引言

熒光眼底血管造影是觀察視網(wǎng)膜和脈絡(luò)膜血管形態(tài)及功能變化的一種影像技術(shù)方法。自1961年Alvis與Novotny首次成功記錄下眼底視網(wǎng)膜以及脈絡(luò)膜的整個動態(tài)循環(huán)過程以來，熒光眼底血管造影術(shù)開始廣泛應(yīng)用眼科的臨床中。熒光眼底血管造影包括熒光素眼底血管造影(Fundus Fluorescein Angiography，F(xiàn)FA)和吲哚菁綠血管造影(Indocyanine Green Angiography，ICGA/ICG)兩種方法［1-4］。前者用于眼底視網(wǎng)膜疾病的診斷和鑒別診斷，而后者主要用于脈絡(luò)膜及視網(wǎng)膜色素上皮疾病，黃斑下新生血管膜以及某些視網(wǎng)膜疾病的鑒別和診斷。由于眼底血管造影主要顯示視網(wǎng)膜血管，吲哚菁綠血管造影主要是觀察視網(wǎng)膜后層的脈絡(luò)膜，所以在醫(yī)學(xué)檢查過程中，多將這兩種造影聯(lián)合使用，以便全面了解眼底狀況，并可深入探討其發(fā)病機理［5-7］。

熒光眼底血管造影儀的基本原理是利用造影劑，即可以發(fā)出熒光的物質(zhì)，如熒光素鈉或吲哚菁綠，通過注射的方式，使其通過血液循環(huán)到達(dá)眼底，利用照明系統(tǒng)對其照射，使得造影劑被激發(fā)并發(fā)出熒光，最后通過攝影系統(tǒng)對整個眼底的視網(wǎng)膜或者其后面的脈絡(luò)膜部分進行拍攝和記錄。當(dāng)前國際上有許多家制造熒光眼底血管造影儀的企業(yè)，例如Canon以及Kwoa等公司。但是，由于這些造影儀都是大型的臺式儀器，被應(yīng)用在醫(yī)院的詳細(xì)診治工作，而對于一般的小型診所和個人家庭的病情跟蹤，不能達(dá)到普及的應(yīng)用。

此外，以往的熒光眼底血管造影儀都是針對相機本身的攝影相機系統(tǒng)進行各種像差的校正，卻忽略了眼睛本身造成的像差影響。但是，眼睛作為整個光學(xué)系統(tǒng)的一個重要部分，其工作時帶來像差會直接影響造影儀的成像效果［8-12］。

本文基于Gullstrand-Le Grand眼模型設(shè)計了一款便攜式雙波段眼底造影儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)。考慮人眼光學(xué)系統(tǒng)的像差并使用共軸式照明，實現(xiàn)了在主波段525和826 nm下的全視場200萬像素的高清晰成像，系統(tǒng)可實現(xiàn)吲哚菁綠血管造影和熒光眼底血管造影兩種方式成像。為了避免角膜中心具有大曲率而引入的雜散光，照明系統(tǒng)采用環(huán)形光闌、中空反射鏡和共軸式照明相結(jié)合的方法。為了達(dá)到系統(tǒng)的便攜性和成像清晰性，在攝影系統(tǒng)中加入兩個非球面結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:本系統(tǒng)具有較大的調(diào)節(jié)能力，對－10 m－1～+8 m－1人眼普遍適用，系統(tǒng)可實現(xiàn)30°的眼底拍攝，眼底分辨率＞108 lp/mm，畸變＜10%。

2 眼底造影儀組成及像質(zhì)評價

2.1 眼底熒光相機的結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的熒光眼底血管造影儀具有熒光素眼底血管造影和吲哚菁綠血管造影兩種造影方式。它的光學(xué)系統(tǒng)由濾光、照明、攝影和觀察瞄準(zhǔn)4個部分組成。圖1給出了所設(shè)計的熒光眼底血管造影儀的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的激發(fā)濾光片和屏障濾光片需要根據(jù)眼底血管造影方式的不同而進行更換調(diào)整。

圖1 熒光眼底血管造影儀的光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Optical system diagram of fluorescence fundus angiography

2.2 人眼模型結(jié)構(gòu)及像質(zhì)評價

為了方便儀器操作同時考慮患者的舒適程度，設(shè)計時選取人眼瞳孔處于自然狀態(tài)(瞳孔半徑為2～3 mm)，即在不對人眼進行散瞳處理的情況下進行熒光眼底血管造影。利用光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX模擬人眼瞳孔半徑在2和3 mm時的像差影響情況:通過ZEMAX軟件構(gòu)建出Gullstrand-Le Grand眼模型，并模擬人眼調(diào)焦，消除不必要的像差影響，分析在造影儀的工作波段(500～580 nm和770～880 nm，其中525和826 nm為工作的主波長)，瞳孔半徑為2和3 mm時的像點彌散斑RMS的半徑隨波長和視場角的變化情況。具體曲線變化情況由圖2給出。其中，圖2(a)和(b)分別給出了工作波段在500～580 nm，瞳孔半徑為2和3 mm時的彌散斑RMS半徑隨波長及視場角的曲線變化情況。圖2(c)和(d)分別給出了工作波段在770～880 nm，瞳孔半徑為2和3 mm時的彌散斑RMS半徑隨波長及視場角的變化曲線。圖中的虛線由下至上分別表示工作波段的下限波長、主波長和上限波長，實線表示復(fù)色光。

圖2 不同瞳孔下的彌散斑RMS半徑值隨波長和視場變化特性曲線Fig.2 Curves of the RMS radius values with the changes of wavelengths and the fields of view under different pupils

從圖中可以看出，隨著波長和人眼瞳孔大小的增加，其彌散斑RMS半徑值都有一定程度的增加。4幅圖中的主波長和復(fù)色光的RMS半徑值相差很小，尤其是圖2(a)和圖(b)中的曲線非常明顯，說明了由于工作波段極窄并且光譜具有一定的特殊性，所以在本系統(tǒng)的設(shè)計中人眼的色差造成的影響并不明顯。另外，隨著瞳孔半徑的增大，其彌散斑RMS半徑值在各個視場下均有一定程度的增加。這主要是球差帶來的影響，所以眼睛光學(xué)系統(tǒng)的像差對視網(wǎng)膜成像影響不可以忽略，在設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時需要考慮人眼像差，以提高整體系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計要求

系統(tǒng)設(shè)計要求見表1。

表1 系統(tǒng)設(shè)計要求Tab.1 System design parameters

3.2 濾光系統(tǒng)選擇

濾光系統(tǒng)應(yīng)能對所選波長起作用并使80%以上的熒光透過。對于熒光素眼底血管造影，選用了Nikon公司的B-2A組合濾光片，其中心波長分別為 490和 577 nm，半波寬分別為 30和100 nm，相互交叉率僅為0.1%。對于吲哚菁綠血管造影，選用了上海兆九公司的帶通濾光片組合，其中心波長分別為760和870 nm，半波寬分別為50和80 nm。兩組濾光片在所選波長范圍內(nèi)的光譜透過率都＞80%，且重疊區(qū)域＜1%。

3.3 照明系統(tǒng)設(shè)計

照明系統(tǒng)采用共軸式照明方式，即照明系統(tǒng)和攝影系統(tǒng)同軸，這種設(shè)計可以較好地避免因照明而引起的角膜和晶狀體的反射光和系統(tǒng)產(chǎn)生的雜散光。照明系統(tǒng)和攝影系統(tǒng)共用一組接目物鏡，因此在設(shè)計的過程中，需要將接目物鏡分別放置于兩個系統(tǒng)中加以設(shè)計考慮。為了使環(huán)形光闌在人眼瞳孔處成一個外徑6 mm，內(nèi)徑為4 mm的環(huán)形光斑。設(shè)計過程中，采用了光路可逆的設(shè)計理念，對光學(xué)系統(tǒng)進行反向設(shè)計，即把眼睛的入瞳作為物方，環(huán)形光闌作為像方，達(dá)到對系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。由于照明系統(tǒng)需要在兩個波段下，即熒光素鈉和吲哚菁綠的吸收波段下，都能夠正常運行，這就需要在設(shè)計時引入多重結(jié)構(gòu)，綜合考慮優(yōu)化系統(tǒng)。

通過全局優(yōu)化系統(tǒng)，得到了最終的照明系統(tǒng)設(shè)計光路。圖3(a)給出了反向設(shè)計的照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖3(b)是加入人眼模型的最終照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagrams of lighting systems

3.4 攝影系統(tǒng)

攝影系統(tǒng)包括接目物鏡和成像物鏡兩個部分，并且接目物鏡與照明系統(tǒng)公用一組物鏡。由于攝影系統(tǒng)和觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是共軛的，攝影系統(tǒng)的后焦距不能很短。根據(jù)系統(tǒng)的需要，選取反遠(yuǎn)距為初始設(shè)計?？紤]到攝影系統(tǒng)同樣需要在兩個波段，即熒光素鈉和吲哚菁綠的激發(fā)波段下達(dá)到清晰成像，同時系統(tǒng)需要對－10 m－1～+8 m－1的人眼進行清晰成像，在具體優(yōu)化時，同樣引入多重結(jié)構(gòu)設(shè)計，并加入了兩片非球面結(jié)構(gòu)來保證系統(tǒng)的輕便簡單和清晰成像。在設(shè)計時需要同時進行兩種方式眼底血管造影，并且需要滿足不同屈光狀態(tài)下的正視眼、近視眼和遠(yuǎn)視眼的清晰成像，最終得到了如圖4所示的攝影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖中給出了正視眼在吲哚菁綠血管造影時的攝影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，最后一片鏡是屏障濾光片。

圖4 正視眼的攝影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of emmetropia photography system

3.5 觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計

觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)由3片鏡的接目物鏡組成，其具體結(jié)構(gòu)圖見圖5，其中出瞳直徑為13 mm，出瞳距離為18 mm。照明系統(tǒng)將醫(yī)用鹵光燈作為照明燈源，利用觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)對攝影系統(tǒng)進行調(diào)焦。由于鹵光燈的波長范圍和造影劑的激發(fā)波長范圍不同，需要進行補償，從而使觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的接收面與攝影系統(tǒng)的成像面CCD共軛。

圖5 觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.5 Structural design of targeting system

4 設(shè)計結(jié)果

攝影系統(tǒng)總長為176.9 mm，照明系統(tǒng)水平長度為62.23 mm，垂直高度為149.5 mm，整個光學(xué)系統(tǒng)的尺寸可以滿足220 mm×60 mm×250 mm。利用軟件模擬，鏡頭質(zhì)量為168 g，再加上LCD顯示屏400 g，CCD接收器100 g，光源50 g及裝配外殼500 g等重量，整個熒光眼底血管造影儀的質(zhì)量不會超過1.5 kg，達(dá)到了便攜式的要求。

4.1 照明系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)為了實現(xiàn)眼底照明的均勻性，照明系統(tǒng)在人眼入射光瞳處形成一個內(nèi)徑為4 mm，外徑為6 mm的環(huán)形光斑，如圖6(a)所示。圖6(b)給出了眼底照明光斑，該光斑覆蓋了眼底直徑為10 mm范圍的照明區(qū)域。光斑的相對照度曲線由圖7給出，其中(a)、(b)、(c)和(d)分別是在+y、－y、+x、－x軸方向的相對照度曲線圖?？梢钥闯鲞@幾個方向的相對照度曲線幾乎相同，可以在入瞳處形成了很好的環(huán)形光照，其相對照度均＞90%。

圖6 人眼入瞳處的環(huán)形像斑及眼底照明光斑Fig.6 Ring image spot at the entrance pupil of human eye and retinal illumination spot

圖7 相對照度示意圖Fig.7 Diagrams of contrast illumination curves

4.2 攝影系統(tǒng)分析

為了保證熒光眼底血管造影的清晰成像，物面的成像分辨率＞100 lp/mm，攝影系統(tǒng)的成像分辨率需要達(dá)到在120 lp/mm上清晰成像。圖8給出了熒光素眼底血管造影的攝影特性曲線，其中包含正視眼、近視眼和遠(yuǎn)視眼3種狀態(tài)時的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)特性曲線及其場曲和畸變曲線。圖9給出了吲哚菁綠血管造影的攝影特性曲線，其中包含正視眼、近視眼和遠(yuǎn)視眼3種屈光狀態(tài)的調(diào)制傳遞函數(shù)特性曲線及其場曲和畸變曲線。

圖8 熒光素眼底血管造影的攝影系統(tǒng)特性曲線Fig.8 Characteristic curves of fluorescence fundus fluorescein angiography photography system

圖9 吲哚菁綠血管造影的攝影系統(tǒng)特性曲線Fig.9 Characteristic curves of indocyanine green angiography photography system

從圖中可以看出，熒光素眼底血管造影和吲哚菁綠血管造影在0視場下的MTF值很高，在空間頻率120 lp/mm時，MTF值都滿足探測要求。幾種情形下的場曲都被控制在－0.2～+0.2，畸變都小于10%。由于便攜式的設(shè)計需要減少整個系統(tǒng)的復(fù)雜化，并保證在30°視場下的成像清晰，以及在兩個波段下在－10 m－1～+8 m－1間調(diào)焦時的清晰成像，所以本系統(tǒng)畸變控制在10%以下。由此可見，這款便攜式熒光眼底血管造影儀的成像質(zhì)量是令人滿意的。

5 結(jié)論

本文實現(xiàn)了一款便攜式雙波段的熒光眼底血管造影儀的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，考慮人眼光學(xué)系統(tǒng)的像差影響而引入了眼模型，并采用共軸式照明結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了熒光素眼底血管造影和吲哚菁綠血管造影兩種方式下的全視場200萬像素的高清晰成像。另外，為避免角膜中心具有較大的曲率半徑特點而產(chǎn)生的雜散光，照明系統(tǒng)采用環(huán)形光闌、中空反射鏡和共軸式照明相結(jié)合的方法;為了達(dá)到系統(tǒng)的便攜性和成像清晰性，在攝影系統(tǒng)中加入了兩個非球面結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:本造影儀具有較大的調(diào)節(jié)能力，對－10 m－1～+8 m－1人眼普遍適用，系統(tǒng)可實現(xiàn)30°的眼底拍攝，眼底成像分辨率＞108 lp/mm，畸變＜10%。滿足了便攜式雙波段的熒光眼底血管造影儀的測量要求。

［1］ SU Z，YE P，TENG Y，et al..Adverse reaction in patients with drug allergy history after simultaneous intravenous fundus fluorescein angiography and indocyanine green angiography［J］.J.Ocul.Pharmacol.Ther.，2012，28(4):410-413.

［2］ YANNUZZI L A，SLAKTER J S，GROSS N E，et al..Indocyanine green angiography-guided photodynamic therapy for treatment of chronic central serous chorioretinopathy:a pilot study［J］.Retina.，2012，2(32):288-298.

［3］ BAGLIO V，GHARBIYA M，BALACCO-GABRIELI C，et al..Choroidopathy in patients with systemic lupus erythematosus with or without nephropathy［J］.J Nephrol.，2011，24(4):522-529.

［4］ GHARBIYA M，BOZZONI-PANTALEONI F，AUGELLO F，et al..Indocyanine green angiographic findings in systemic lupus erythematosus choroidopathy［J］.Am J Ophthalmol.，2002，134(2):286-290.

［5］ 惠延年.眼科學(xué)［M］.6版.北京:人民衛(wèi)生出版社，2005.HUI Y N.Ophthalmology［M］.6th ed.Beijing:People's Health Publishing House，2005.(in Chinese)

［6］ 叔仁，張曉峰.臨床眼底病學(xué)［M］.合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1994.SHU R，ZHANG X F.Clinical Fundus School［M］.Hefei:Anhui Science and Technology Press，1994.(in Chinese)

［7］ 施玉英.眼底病［M］.北京:華夏出版社，1999.SHI Y Y.Ocular Fundus［M］.Beijing:China Press，1999.(in Chinese)

［8］ 王肇圻，許妍.基于眼模型的數(shù)字眼底相機設(shè)計［J］.光學(xué) 精密工程，2008，16(9):1567-1571.WANG ZH Q，XU Y.Eye model-based digital fundus camera design［J］.Opt.Precision Eng.，2008，16(9):1567-1571.(in Chinese)

［9］ 許妍，王肇圻，田野.基于眼模型的折/衍混合眼底相機設(shè)計［J］.光子學(xué)報，2009，38(5):1122-1125.XU Y，WANG ZH Q，TIAN Y.Field based on the eye model of the refractive/diffractive hybrid fundus camera design［J］.Photon Sinica，2009，38(5):1122-1125.(in Chinese)

［10］ 饒豐.大焦深人工晶體的設(shè)計［J］.中國光學(xué)，2012，5(5):485-492.RAO F.Design of multi-focus intraocular lenses［J］.Chinese Optics，2012，5(5):485-492.(in Chinese)

［11］ 李蕊，劉永基，王肇圻.基于個體眼光學(xué)結(jié)構(gòu)的波前眼鏡設(shè)計［J］.中國光學(xué)，2012，5(5):512-519.LI R，LIU Y J，WANG ZH Q.Design of wavefront-guided lens based on individual eye optical model［J］.Chinese Optics，2012，5(5):512-519.(in Chinese)

［12］ 姚軍財.基于人眼對比度敏感視覺特性的彩色圖像壓縮技術(shù)［J］.液晶與顯示，2012，7(6):800-807.YAO J C.Color image compression technology based on contrast sensitivity characteristics of human vision system［J］.Chinese J.Liquid Crystals and Displays，2012，7(6):800-807.(in Chinese)