【作 者】彭建華，賈曉航，王敬濤，胡一平

浙江省醫(yī)療器械檢驗研究院，杭州市，310018

0 引言

眼底成像檢查類醫(yī)療器械主要包括眼底照相機、眼底造影機、眼底掃描儀等。其中，眼底照相機是典型代表，將眼底以黑白或彩色照片的形式記錄和保存下來，從而用于眼底疾病診斷[1-2]。其主要光學(xué)性能包括分辨率、視場角等，這些性能指標的準確性直接關(guān)系到診斷的有效性，進而關(guān)系到患者眼睛的安全[3-4]。眼底照相機產(chǎn)品的國際標準ISO 10940: 2009《眼科儀器 眼底照相機》[5]已發(fā)布實施，目前該國際標準中的分辨率、視場角測量方法是在距離眼底照相機1 m位置處使用視標來測量。該方法在空氣中測量，是一種假定等效的方法，與實際人眼的成像情況像差較大。因此，有必要研究一種模擬人眼成像的眼底成像檢測用模型眼。

20世紀初，瑞典眼科專家Gullstrand提出的眼模型是后來在眼視光領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的眼光學(xué)模型[6-7]。Gullstrand將人眼作為一個光學(xué)系統(tǒng)，最早研究了角膜的散光，并提出了模型眼的概念。Gullstrand提出三種具有權(quán)威性的模型眼：①Gullstrand I號模型眼，又稱為Gullstrand精密模型眼，共有6個折射面，分別為角膜前表面、角膜后表面、晶狀體皮質(zhì)前表面、晶狀體皮質(zhì)后表面、晶狀體核前表面、晶狀體后表面，通過晶狀體的曲率和厚度的改變來表示人眼的屈光狀態(tài)；② Gullstrand Ⅱ號模型眼包含了三個面，包括了單一面的角膜和一個薄晶狀體；③ 簡化模擬眼，忽略了晶狀體的厚度，實際上近似用一個折射面代替。其中，Gullstrand I號模型眼作為一種經(jīng)典模型眼，其參數(shù)接近人眼實際情況，圖1和表 1中分別給出了Gullstrand I號模型眼在非調(diào)節(jié)狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)圖和光學(xué)數(shù)據(jù)。

由于Gullstrand I號模型眼是接近實際人眼的理論模型眼，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，涉及到6個折射面、1個視網(wǎng)膜面和6層組織，且模型眼中各組織層材料的折射率與實際人眼折射率一致，因此選取合適的材料加工制作Gullstrand I號模型眼難度較大，所以本文結(jié)合ISO 10940: 2009《眼科儀器 眼底照相機》的檢驗用途，基于Gullstrand I號模型眼，研究設(shè)計出一種模擬人眼成像的眼底成像檢測用簡化模型眼，具有與人眼接近的光學(xué)參數(shù)，如焦距、組織間低反射率、像差等。

圖1 Gullstrand Ⅰ號模型眼示意圖Fig.1 Diagram of Gullstrand I model eye

表1 Gullstrand I號模型眼的光學(xué)參數(shù)Tab.1 Optical parameters of the Gullstrand I model eye

1 簡化模型眼設(shè)計思路

本文基于Gullstrand I號模型眼，設(shè)計一種用于眼底成像檢測的簡化模型眼，模型眼設(shè)計考慮要點為：①模型眼的屈光特性模擬實際人眼屈光組織，其等效空氣中焦距應(yīng)與人眼接近；② 考慮模型眼相鄰材料層之間的反射光不應(yīng)影響到眼底照相機接收到的眼底圖像，相鄰材料層之間的反射光應(yīng)盡可能降低，結(jié)合人眼屈光組織層之間（角膜與房水、房水與晶狀體、晶狀體與玻璃體）的低反射特性，所以模型眼相鄰材料的相對折射率差應(yīng)與Gullstrand I號模型眼屈光組織任意相鄰的兩層之間的相對折射率差接近；③ Gullstrand Ⅰ號模型眼作為具有權(quán)威性的模型眼，認為其水平代表非調(diào)節(jié)狀態(tài)時人眼的正常像差水平，并考慮結(jié)合眼底成像分辨率檢測，所以，模型眼的近軸光與軸外光的彌散斑半徑與Gullstrand I號模型眼接近，用以表征帶像差的人眼；（4）考慮到眼底面與眼底照相機成像面的物象關(guān)系，模型眼出射主光線與眼底切線的夾角應(yīng)與Gullstrand I 號模型眼接近；（5）模型眼的MTF會影響眼底照相機的最終成像質(zhì)量，所以模型眼近軸光的MTF數(shù)值與Gullstrand I號模型眼應(yīng)接近，這也是由于模型眼需用于考核眼底成像分辨率的要求。

綜上所述，模型眼基于Gullstrand I 號模型眼進行簡化設(shè)計形成，但不是無條件的簡化，采用上述五個技術(shù)參數(shù)與Gullstrand I號模型眼的對應(yīng)參數(shù)進行技術(shù)限定，故在技術(shù)參數(shù)上應(yīng)達到如下要求：①其屈光特性模擬實際人眼屈光組織，等效空氣中焦距為 17 mm；②相鄰材料的相對折射率差均與Gullstrand I號模型眼屈光組織任意相鄰的兩層（角膜與房水、房水與晶狀體、晶狀體與玻璃體）之間的相對折射率差的偏差不大于1%，反射率的偏差不大于0.1%，幾乎可忽略，從而反射光不影響到眼底照相機接收到的眼底圖像；③在入射光闌為3 mm（正常人眼的瞳孔直徑）的情況下，近軸光與軸外光的彌散斑半徑與Gullstrand I 號模型眼偏差不大于15%，從而確保模型眼是參考Gullstrand I號模型眼在非調(diào)節(jié)狀態(tài)時人眼的正常像差水平，為一種帶像差的模型眼；④出射主光線與眼底切線的夾角與Gullstrand I 號模型眼偏差不大于1o，從而確保模型眼眼底視標經(jīng)眼底照相機成像后的像寬與Gullstrand I號模型眼的偏差不大于1.7%（tan1o）；⑤在入射光闌為3 mm的情況下，近軸光的MTF數(shù)值與Gullstrand I 號模型眼偏差不大于0.1，從而確保模型眼鏡頭本身的成像質(zhì)量并不影響眼底照相機的檢測。

此外，ISO 10940: 2009檢測方法5.2.2條款中提到檢測光源可以是“由一個峰值波長介于520 nm～560 nm，半峰寬小于80 nm的綠色濾色片濾過的光源”[5]，故在設(shè)計中不考慮色差，采用與檢測光源接近的單色D光（波長589.3 nm）進行評價。不考慮色差為模型眼材料的選擇提供了方便，只需確保材料直接的相對折射率差與Gullstrand I號模型眼接近，實際設(shè)計中選用K9玻璃與H-BAK5玻璃。此外，模型眼第一個光學(xué)面的曲率半徑與Gullstrand I號模型眼接近，模擬人眼角膜面；模型眼最后一個光學(xué)面的曲率半徑與Gullstrand I號模型眼接近，模擬人眼視網(wǎng)膜面，即人眼眼底。采用ZEMAX設(shè)計，模型眼結(jié)果見第2節(jié)。

2 簡化模型眼設(shè)計結(jié)果

該模型眼由三片光學(xué)透鏡組成，整個鏡頭從物方到像方依次為第一鏡片、第二鏡片、第三鏡片，三鏡片之間的相鄰面緊貼，其中第一鏡片1為凸透鏡，前表面和后表面的半徑分別為8 mm和-14.027 mm，中心厚度為4.5 mm，光學(xué)面直徑為9.5 mm，材料為K9玻璃；第二鏡片2為凹透鏡，前表面和后表面的半徑分別為-14.027 mm和9.988 mm，中心厚度為1.5 mm，光學(xué)面直徑為8.5 mm，材料為H-BAK5玻璃；第三鏡片3為凸透鏡，前表面和后表面的半徑分別為9.988 mm和-11.476 mm，中心厚度為19.264 mm，前表面光學(xué)面直徑為8.5 mm，后表面光學(xué)面直徑為22.0 mm，材料為K9玻璃。簡化模型眼示意圖見圖1，光學(xué)參數(shù)見表2。

圖2 簡化模型眼示意圖Fig.2 Diagiam of simplified model eye

表2 簡化模型眼的光學(xué)參數(shù)Tab.2 Optical parameters of simplified model eye

3 簡化模型眼技術(shù)特征

（1）其屈光特性模擬實際人眼屈光組織，等效空氣中焦距為17 mm。

（2）相鄰材料的相對折射率差均與Gullstrand I號模型眼屈光組織任意相鄰的兩層（角膜與房水、房水與晶狀體、晶狀體與玻璃體）之間的相對折射率差的偏差不大于1%，反射率的偏差不大于0.1%，詳見表3。

（3）在入射光闌為3 mm的情況下，近軸光與軸外光的彌散斑半徑與Gullstrand Ⅰ號模型眼偏差不大于15%，詳見表4。

（4）出射主光線與眼底切線的夾角與GullstrandⅠ號模型眼偏差不大于1°，詳見表5。

表3 簡化模型眼與Gullstrand Ⅰ號模型眼的組織折射率比較Tab.3 Comparison of refractive index between simplified model eye and Gullstrand I model eye

表4 簡化模型眼與Gullstrand Ⅰ號模型眼的彌散斑半徑比較Tab.4 Comparison of radii of the diffuse spots between simplified model eye and Gullstrand I model eye

表5 簡化模型眼與Gullstrand Ⅰ號模型眼的出射主光線與眼底切線夾角比較Tab.5 Comparison of angles of chief ray and tangent line of the fundus between simplified model eye and Gullstrand I model eye

（5）選取ISO 10940: 2009中要求的分辨率指標為25 mm-1、40 mm-1、60 mm-1、80 mm-1、100 mm-1這五個空間頻率處進行考察，在入射光闌為3 mm的情況下，近軸光的MTF數(shù)值與Gullstrand I號模型眼偏差不大于0.1，詳見表6。

表6 簡化模型眼與Gullstrand Ⅰ號模型眼的MTF值比較Tab.6 Comparison of MTF values between simplified model eye and Gullstrand I model eye

4 應(yīng)用

將視場、分辨率視標加工后粘貼在模型眼的最后一面。粘貼后，放置在模型眼座里，配合固定裝置，組成眼底檢測用模型眼整體裝置。采用日本尼德克公司AFC-330型眼底照相機進行檢測。測量指標包括視場角與分辨率。

將模型眼放置于眼底照相機工作距離處，采用D光透射照明，眼底照相機調(diào)焦清楚后拍攝，檢測拍攝結(jié)果如圖3所示。

圖3 采用簡化模型眼檢測圖像與結(jié)果Fig.3 Photographs and results using simplified model eye

可直接根據(jù)視場角刻劃線讀出視場大小，分別讀出左邊緣視場角刻度為20.0o，右邊緣視場角刻度為21.0o，所以視場角檢測結(jié)果為41.5o；此外視場中心、視場中部、視場邊緣可分辨的分辨率線線對分別為60 lp/mm、40 lp/mm、40 lp/mm。

從圖3中一組圖像可看出，全視場成像清晰，視場中心、視場中部、視場邊緣無人眼可識別的場曲與畸變。模型眼可以直接讀取視場角與分辨率的數(shù)值，滿足檢測眼底視場與分辨率的要求，可以替代ISO 10940: 2009的檢測方法。

5 總結(jié)

本文認為Gullstrand Ⅰ號模型眼作為一種經(jīng)典模型眼，其參數(shù)接近人眼實際情況，從而基于Gullstrand I號模型眼，設(shè)計了一種用于檢測眼底設(shè)備的簡化模型眼。簡化模型眼考慮到眼底檢測情況，考慮屈光特性、相鄰材料的相對折射率差、近軸光與軸外光的彌散斑半徑、出射主光線與眼底切線的夾角、近軸光的MTF這五個指標參數(shù)，使得與Gullstrand I 號模型眼接近。簡化模型眼可預(yù)期替代IS0 10940《眼科儀器 眼底照相機》中的測量方法，用作檢測眼底成像設(shè)備。