卜朝暉，王 亮，陳海銀，朱詩(shī)駿，徐秋怡，劉銀銀

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

基于移動(dòng)智能終端的便攜式眼底圖像檢測(cè)儀

卜朝暉，王 亮，陳海銀，朱詩(shī)駿，徐秋怡，劉銀銀

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

提出了一種便攜式眼底圖像檢測(cè)系統(tǒng)，連接在移動(dòng)智能設(shè)備上對(duì)眼底圖像進(jìn)行拍攝、存儲(chǔ)、顯示和解析。采用緊湊精密的光路結(jié)構(gòu)開發(fā)了基于Android的圖像處理與解析軟件，并通過智能終端自帶的遠(yuǎn)程消息發(fā)送軟件，可將眼底圖像遠(yuǎn)程傳送給專業(yè)醫(yī)生進(jìn)行臨床診斷。仿真結(jié)果表明，照明均勻性超過85%，雜散光在2%內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)儀光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)為45°、工作距離為30 mm、總長(zhǎng)度<180 mm，可實(shí)現(xiàn)眼光焦度補(bǔ)償范圍為-10～+5 m-1，成像清晰，畸變<6%。實(shí)現(xiàn)了對(duì)眼底檢查的遠(yuǎn)程移動(dòng)醫(yī)療。

移動(dòng)智能終端；眼底圖像；Android；移動(dòng)醫(yī)療

通過觀察眼底視網(wǎng)膜圖像，可以幫助眼科醫(yī)生診斷許多常見的疾病，如青光眼等，對(duì)于這類病變，及早在眼底檢查中診斷出來(lái)，并及時(shí)進(jìn)行治療，將大幅降低病情惡化的風(fēng)險(xiǎn)，治療費(fèi)用也相對(duì)較低[1]。

目前，臨床上常用的眼底檢查設(shè)備主要包括 4種：檢眼鏡(Ophthalmoscope)[2-3]、眼底相機(jī)(Fundus Camera)[4]、激光掃描檢眼鏡(Scanning Laser Ophthalmoscope, SLO)[5]、光學(xué)相干斷層成像(Optical Coherence Tomography, OCT)[6-7]。這4種眼底檢查設(shè)備中，檢驗(yàn)鏡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，但缺點(diǎn)在于需要在暗室環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)，圖像不能存儲(chǔ)[8]。激光掃描檢眼鏡(SLO)和光學(xué)相干斷層成像(OCT)是新興發(fā)展的技術(shù)，尚不成熟，且設(shè)備成本昂貴。眼底照相機(jī)具有較高的成像分辨率、技術(shù)成熟，且無(wú)需在暗室條件下進(jìn)行操作，是目前應(yīng)用最為廣泛的眼底檢查設(shè)備。傳統(tǒng)的眼底照相機(jī)結(jié)構(gòu)繁雜、體積較大、造價(jià)較高，只能在醫(yī)院由專業(yè)眼科醫(yī)生進(jìn)行操作。因此，為方便患者在家庭或社區(qū)進(jìn)行眼底檢查，需要一種低成本的便攜式眼底圖像檢測(cè)儀[9]，可以直接連接到移動(dòng)智能設(shè)備上完成對(duì)眼底圖像的拍攝和解析[10]，并可遠(yuǎn)程傳送眼底圖像，希望改變目前患者只能去大醫(yī)院進(jìn)行眼底檢查的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)眼底檢查的遠(yuǎn)程移動(dòng)醫(yī)療。

1 光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)便攜式眼底圖像檢測(cè)儀的光路系統(tǒng)如圖1所示。光源發(fā)出的照明光線經(jīng)準(zhǔn)直透鏡變成平行光入射到孔徑光闌，由孔徑光闌調(diào)整進(jìn)光量后再通過環(huán)形光闌變成環(huán)形光，照射到中空反射鏡的鏡面部分，經(jīng)過鏡面反射再由聚光鏡將光線聚焦在瞳孔附近，最后光線通過眼睛的晶狀體形成平行光照射到視網(wǎng)膜上。

眼底反射的成像光線經(jīng)由晶狀體和聚光鏡折射后聚焦在空反射鏡的中空部分，再經(jīng)過近攝鏡和手機(jī)鏡頭光線被匯聚到手機(jī)內(nèi)部的CMOS圖像傳感器上，感應(yīng)后生成眼底圖像[11]。

圖1 便攜式眼底圖像檢測(cè)儀的光路系統(tǒng)

1.1 照明光路

人眼本身不發(fā)光，為了采集眼底圖像需用外部光源將眼底照亮。設(shè)計(jì)采用LED白光源，光照均勻且人眼耐受。由光源發(fā)出的光首先經(jīng)過孔徑光闌，可對(duì)光斑直徑進(jìn)行調(diào)節(jié)。首先，調(diào)整孔徑光闌至小光圈(直徑約1～2 mm)，準(zhǔn)確地將光線送入患者眼中后調(diào)整孔徑光闌至大光圈(直徑約2～3 mm)，大光圈可以更加清晰地看到黃斑周圍的眼底血管圖像。其次，光線經(jīng)過環(huán)形光闌形成一個(gè)環(huán)形光斑，用以降低眼角膜反射產(chǎn)生的雜散光影響[12]。環(huán)形光照射到45°放置的中空反射鏡的環(huán)形反射面上，然后經(jīng)過聚光透鏡被聚焦到患者的瞳孔處。中空反射鏡允許照明光路與成像光路處于同一水平軸線上，簡(jiǎn)化了光路，同時(shí)，以45°傾角放置可以準(zhǔn)確地將照明光線送入眼底，并可將照明光線與成像光線有效分離，成像清晰。最后，照明光線經(jīng)過眼睛的晶狀體照射到眼底，經(jīng)眼底反射產(chǎn)生成像光線。

1.2 成像光路

生成眼底圖像的成像光線從眼底射出，經(jīng)過聚光透鏡聚焦于中空反射鏡的中空部分。從而可以實(shí)現(xiàn)與入射的照明光線完全分離。

為減小光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度，在手機(jī)鏡頭前安裝一個(gè)近攝鏡，近攝鏡是一種簡(jiǎn)易的微距拍攝工具，其作用是縮短最近對(duì)焦距離，使得手機(jī)鏡頭可以實(shí)現(xiàn)近距離拍攝而不致于失去焦點(diǎn)而變得模糊，從而形成眼底的清晰圖像。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo) 觀察兩組患者在整個(gè)治療過程中可能出現(xiàn)的并發(fā)癥，如惡心嘔吐等消化道反應(yīng)、壓瘡、感染、靜脈炎及穿刺部位血腫等。在治療結(jié)束后，采取不記名的問卷調(diào)查形式對(duì)患者此次所接受的護(hù)理服務(wù)進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。包含護(hù)理工作人員對(duì)患者的常規(guī)護(hù)理、用藥指導(dǎo)、飲食建議、心理疏導(dǎo)及并發(fā)癥護(hù)理，每方面20分，共100分。計(jì)分方式為滿意為20分、較滿意為10分、不滿意5分，總計(jì)得分>80分，則評(píng)價(jià)為對(duì)此次護(hù)理滿意；總分60～80分表示較滿意；總分<60分表示不滿意[7-8]?？傮w滿意度為滿意率加較滿意率之和。

2 雜散光的消除

由于視網(wǎng)膜的反射率僅為 0.001%～0.1%，角膜的反射率是其20～200倍[13]，系統(tǒng)中光學(xué)元件散射及反射光的強(qiáng)度也遠(yuǎn)大于眼底反射光，這些都產(chǎn)生了嚴(yán)重的雜散光[13]。在眼底成像中，雜散光是影響其成像質(zhì)量的主要因素，為消除雜散光的影響，設(shè)計(jì)采用了以下措施。

2.1 使用孔徑光闌

一個(gè)均勻連續(xù)的光源照明可以減少雜散光的形成。同時(shí)，通過控制照明光斑在瞳孔處的尺寸，可以降低角膜反射對(duì)成像的影響?？讖焦怅@可以控制光源的進(jìn)光量與光斑大小，醫(yī)生可以根據(jù)實(shí)際看到的圖像對(duì)孔徑光闌進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

2.2 利用環(huán)形光照明

圖2顯示了當(dāng)有光線照射眼睛時(shí)角膜的反射情況。圖2(a)中，照明光線以一定的角度入射到角膜上一點(diǎn)，入射光線剛好原路返回，此時(shí)入射光線為臨界狀態(tài)；圖2(b)中，入射光線的入射點(diǎn)高于圖2(a)，此時(shí)反射光線被反射出成像光路；圖2(c)中，入射光線的入射點(diǎn)低于圖2(a)，此時(shí)反射光線進(jìn)入成像光路。因此，通過環(huán)形光闌將入射光變?yōu)榄h(huán)形光，再由中空反射鏡將該環(huán)形光射入瞳孔，由于環(huán)形光在角膜上的入射角度較大，使得反射光線被反射出成像光路，從而避免了反射光對(duì)眼底成像的干擾[14]。

圖2 光線照射眼睛時(shí)角膜的反射情況

3 圖像處理與解析軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件的功能

基于Android的圖像處理與解析軟件的功能如圖3所示，該軟件主要由眼底圖像檢測(cè)、圖像回顧、構(gòu)造HL7消息發(fā)送、用戶管理、系統(tǒng)設(shè)置、圖像知識(shí)閱讀功能等6個(gè)功能模塊組成[15]。

圖3 軟件的功能

3.2 軟件的流程圖

根據(jù)軟件的功能，繪制該軟件的流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

軟件概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的ER圖，如圖5所示。

圖5 軟件ER圖

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)要求

4.1 光路結(jié)構(gòu)圖

采用緊湊精密的光路，設(shè)計(jì)了可與移動(dòng)智能設(shè)備相連接的便攜式眼底圖像檢測(cè)儀，其光路部分的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 便攜式眼底圖像檢測(cè)儀光路部分的結(jié)構(gòu)

按照手機(jī)外形設(shè)計(jì)了與之緊密吻合的接口支架，構(gòu)成了手機(jī)攝像頭與便攜式眼底圖像檢測(cè)儀光路部分的連接通道，使成像光路所生成的眼底圖像可以被手機(jī)攝像頭精確地捕獲到。

4.2 主要光學(xué)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)臨床檢測(cè)需要，眼底的觀察范圍一般在12～14 mm，正常人眼焦距是16.6 mm[16]，根根據(jù)視場(chǎng)和視場(chǎng)角之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

Y=2feye·tanω

(1)

式(1)中，Y為視場(chǎng)高度；feye為人眼焦距；ω為半視場(chǎng)角。將上述參數(shù)代入式(1)，并取ω=22.5°，即視場(chǎng)角為45°，則可以對(duì)眼底13.25 mm的范圍成像。

系統(tǒng)總長(zhǎng)定為180 mm以滿足便攜的要求，屈光度調(diào)節(jié)范圍定為-10～+5 m-1以適用于普遍的人眼屈光度差異。將瞳孔位置作為成像系統(tǒng)的孔徑光闌，考慮照明及雜光的影響，入瞳直徑定為3 mm。眼底檢測(cè)儀的物方工作距離為30 mm。綜上所述，系統(tǒng)的主要光學(xué)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)的主要光學(xué)技術(shù)指標(biāo)

5 系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，在光線追跡軟件LightTools里建立眼底成像儀光學(xué)系統(tǒng)的模型，如圖7所示。采用軟件中自帶的眼球模型，分析系統(tǒng)的照明均勻性和雜散光對(duì)視網(wǎng)膜成像的影響。設(shè)置角膜的反射率為4%，視網(wǎng)膜為反射率10%的朗伯散射，假設(shè)接目物鏡各鏡面的反射率均為2%，而其他鏡面為100%透射，設(shè)置光源光功率為1 W，每次追跡100萬(wàn)根光線。

圖7 眼底成像儀光學(xué)系統(tǒng)在LightTools中的仿真模型

眼底照明的均勻性與光源的大小和出射角有關(guān)。眼底成像儀的照明系統(tǒng)不但要保證對(duì)眼底照明的均勻性，還要滿足從眼底發(fā)出的光線能夠均勻的在像面上成像。

圖8 照度分布曲線圖

在圖8所示的照度分布曲線圖中，對(duì)眼底12 mm范圍內(nèi)的照明區(qū)域，中心點(diǎn)的功率密度Pcenter為0.151 mW/mm2，照明區(qū)域內(nèi)85%位置上的功率密度P85%為0.135 mW/mm2，最大功率Pmax為0.154 mW/mm2。定義照明眼底均勻度U為[17]

(2)

則設(shè)計(jì)的照明系統(tǒng)，采用在角膜處形成3～6 mm的環(huán)形光斑、出射角為30°的光源，對(duì)眼底12 mm范圍內(nèi)照明時(shí)，照明均勻度可達(dá)85%，滿足系統(tǒng)使用需求。

光學(xué)系統(tǒng)中的鏡片都具有一定的反射率，來(lái)自接目物鏡的雜光經(jīng)過其后的成像系統(tǒng)，會(huì)形成鬼像。通過光線追跡模擬，每個(gè)鏡面反射的光斑在像面的形狀和光能量分布數(shù)據(jù)都可獲得，本系統(tǒng)的雜光能量占像面總光能不超過2%，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 測(cè)試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

將智能手機(jī)的鏡頭和本設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)相連接，拍攝屈光度可調(diào)的Heine Ophthalmoscope Trainer模型眼眼底圖像，如圖9所示。

圖9 拍攝屈光度不同的模型眼眼底圖像

圖中血管輪廓和中央黃斑在-10～+5 m-1的各個(gè)屈光度下都能清晰成像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該眼底成像儀光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)為45°、工作距離為30 mm、總長(zhǎng)度<180 mm，成像清晰，畸變<6%，滿足對(duì)眼底成像的各項(xiàng)技術(shù)要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

采用一種新型緊湊光學(xué)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款視場(chǎng)為45°，工作距離為30 mm，光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)為180 mm的便攜式眼底圖像檢測(cè)儀，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠滿足對(duì)-10～+5 m-1屈光度的人眼視網(wǎng)膜清晰成像。與傳統(tǒng)眼底照相機(jī)相比，該檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、緊湊，可以直接連接移動(dòng)智能終端，操作方便，可供患者家屬或者社區(qū)醫(yī)生使用，同時(shí)開發(fā)了基于Android系統(tǒng)的圖像處理與解析軟件，可對(duì)眼底圖像進(jìn)行自動(dòng)拍攝、存儲(chǔ)、顯示和解析，并可利用移動(dòng)智能終端自帶的遠(yuǎn)程消息發(fā)送軟件，將眼底圖像遠(yuǎn)程傳送給專業(yè)醫(yī)生進(jìn)行臨床診斷與分析，實(shí)現(xiàn)了眼底檢查的遠(yuǎn)程移動(dòng)醫(yī)療。

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The Portable Ocular Fundus Image Detecting Instrument Based on Mobile Intelligent Terminal

BU Zhaohui，WANG Liang，CHEN Haiyin，ZHU Shijun，XU Qiuyi，LIU Yinyin

(School of Medical Instrument and Food Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

A portable ocular fundus image detector is designed to be connected to mobile smart devices for capturing, storaging, displaying and analyzing of the ocular fundus image. A compact precision optical system is designed ,and a image processing and analysis software based on Android system is developed. By means of using the remote message sending software that come with mobile intelligent terminal, ocular fundus image is remotely transmitted to professional doctors for clinical diagnosis. Simulation results show that the illumination uniformity at the fundus exceeds 85%, and the stray light is within 2%. The experiment results that the ocular fundus image detector with a field of view of 45°,working distance of 30 mm,and overall length of 180 mm can adapt to eyes with diopter rank from -10 m-1～+5 m-1and the maximum distortion of fundus image is less than 6%. is developed. Thus this design realizes the remote mobile medical examination of the ocular fundus.

mobile intelligent terminal; ocular fundus images; Android; mobile medical

2016- 11- 16

卜朝暉(1971-)，男，博士，講師。研究方向：微弱信號(hào)處理與檢測(cè)。王亮(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.005

TN919.8;TP391.41

A

1007-7820(2017)09-016-04