陳 聰，楊 帆，范立成，沈超逸

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

1 引 言

白內(nèi)障是世界上導(dǎo)致人眼失明的主要眼科疾病，全世界因白內(nèi)障致盲的患者約占6%[1-2]。目前，人工手術(shù)存在撕囊困難，超聲乳化能量過(guò)高等問(wèn)題。隨著生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)及激光技術(shù)的發(fā)展[3],由光學(xué)相干斷層掃描成像導(dǎo)航的飛秒激光輔助白內(nèi)障手術(shù)已經(jīng)漸漸取代了人工白內(nèi)障手術(shù)[4-9]，其具有手術(shù)時(shí)間短，精度高，細(xì)胞損傷低等優(yōu)點(diǎn)。

光學(xué)相干斷層掃描(Optical Coherence Tomography,OCT)是20世紀(jì)90年代由D.Huang 等提出的一種新的成像方法，具有成像速度快，分辨率高的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)眼前節(jié)成像，被廣泛應(yīng)用于眼科疾病診斷[10-11]。而將其應(yīng)用到眼科手術(shù)導(dǎo)航中需要確定其成像位置。目前，國(guó)際上已有的數(shù)種完善的飛秒激光輔助白內(nèi)障手術(shù)系統(tǒng)均使用OCT為手術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航，獲取指定手術(shù)位置的相關(guān)信息。但是人眼做為一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)本身具有屈光能力，角膜等組織會(huì)帶來(lái)光程上的變化，OCT重構(gòu)眼組織結(jié)構(gòu)必然會(huì)產(chǎn)生實(shí)際位置誤差，這在臨床手術(shù)中會(huì)產(chǎn)生極大影響。所以有必要提出相關(guān)方法，矯正圖像重建時(shí)由于組織折射帶來(lái)的實(shí)際成像位置偏差。國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了研究，D.Borja等在譜域光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)中使用幾何光學(xué)分析方法[12]，對(duì)成像組織內(nèi)部進(jìn)行光學(xué)追跡，但僅僅矯正了晶狀體的誤差; YU-CHERNG CHANG[13]等提出使用光學(xué)距離直接乘以相應(yīng)折射率的方法直接計(jì)算厚度信息。

針對(duì)眼科手術(shù)中需要快速獲取指定手術(shù)區(qū)域的深度信息，本文提出了一種將OCT應(yīng)用到飛秒激光白內(nèi)障手術(shù)導(dǎo)航的方法，其具體為OCT掃描位置的定位和OCT圖像信息的矯正。本文基于掃頻OCT及光學(xué)CCD相機(jī)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合數(shù)字圖像處理，對(duì)掃描坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)匹配，完成OCT掃描定位，最終達(dá)到指定位置掃描的目標(biāo)。然后基于光學(xué)基本斯涅爾定律和費(fèi)馬原理，結(jié)合圖像處理相關(guān)算法對(duì)OCT圖像進(jìn)行矯正，建立了矯正的相關(guān)數(shù)學(xué)模型。

2 OCT圖像導(dǎo)航方法

2.1 OCT掃描定位

圖1 本文系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本文通過(guò)二向色鏡組合掃頻光相干斷層成像系統(tǒng)(SS-OCT)和光學(xué)CCD相機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示(SS-LASER:掃頻光源；FC:光纖耦合器；Cir:光纖環(huán)形器；M：反射鏡；CL：光纖準(zhǔn)直器；BD：平衡光電探測(cè)器；GS：振鏡；L：聚焦透鏡；DML：負(fù)壓吸引環(huán))，掃頻光源(HSL-20，Santec,Japan)發(fā)出的光經(jīng)90/10光纖耦合器分光，90%的光經(jīng)光纖環(huán)形器1(Cir1)后進(jìn)入?yún)⒖急勰K，10%的光經(jīng)光纖環(huán)形器2(Cir2)后進(jìn)入樣品臂模塊。參考臂由平面反射鏡將光返回并由Cir1傳入50/50光纖耦合器，樣品臂光經(jīng)透鏡組L1，L2擴(kuò)束后由XY振鏡(GVSM002/M,Thorlabs,USA)改變光的二維空間位置，由L3聚焦入射到樣品，由樣品不同深度層面形成各自的后向散射并原路返回由Cir2傳入50/50光纖環(huán)形器，形成的干涉信號(hào)由雙通道平衡探測(cè)器(PDB470C 400 MHz，Thorlabs,USA)接收，探測(cè)器內(nèi)含兩個(gè)互相匹配的光電二極管和超低噪聲的高速互阻放大器，能夠?qū)⑿盘?hào)相減處理有效消除工模噪聲。接收到的信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后由12位雙通道高速數(shù)據(jù)采集卡(APX5200A,Santec,JAPAN)以500 MHz的采樣率記錄。系統(tǒng)最大軸向掃描速度50 kHz，軸向分辨率12.55 μ m，在空氣中最大成像深度15.5 mm。CCD實(shí)時(shí)檢測(cè)樣品實(shí)際情況，負(fù)壓吸引環(huán)固定樣品。

本文利用紅外顯示光板確定激光的實(shí)際掃描位置來(lái)定位OCT掃描路徑。吸環(huán)為透明物體，它所在的實(shí)際坐標(biāo)系即被觀(guān)測(cè)樣品所在坐標(biāo)系。本文通過(guò)獲取相機(jī)的圖像像素坐標(biāo)系、吸環(huán)坐標(biāo)系以及OCT掃描坐標(biāo)系之間的幾何關(guān)系，實(shí)現(xiàn)樣品的定位測(cè)量，具體步驟如下：

(1)吸環(huán)坐標(biāo)系獲取

使用光源照明吸環(huán)，由于吸環(huán)灰度值明顯區(qū)分于周?chē)矬w，通過(guò)設(shè)定閾值范圍的方法，即可實(shí)現(xiàn)吸環(huán)提取如圖2右所示。由于左邊還存在部分非吸環(huán)物質(zhì)，在對(duì)其做最小內(nèi)切圓后，使用HALCON區(qū)域中心提取算子area_center，即可得出被觀(guān)測(cè)樣品的中心位置(x0,y0)(圖2右)。

圖2 光斑初始位置(左)和樣品坐標(biāo)中心(右)

(2)OCT掃描坐標(biāo)提取

OCT掃描位置由振鏡決定，首先給出振鏡X軸、Y軸電壓為0 V，將紅外探測(cè)光板置于吸環(huán)下方。圖2左可清晰看見(jiàn)光板上OCT掃描原點(diǎn)為一亮點(diǎn)，提取其中心像素坐標(biāo)即為原點(diǎn)位置為(x1,y1)(圖2左)。

(3)坐標(biāo)系配準(zhǔn)

如圖3所示，根據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式得：

圖3 光斑初始坐標(biāo)系和樣品中心坐標(biāo)系

為驗(yàn)證本定位掃描方法對(duì)于引導(dǎo)OCT掃描指定位置的精確性，本文在完成前述定位掃描的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了樣品指定位置成像，對(duì)半徑為3 mm的亞克力半球?yàn)闃悠芬运?，垂直方向不同位置進(jìn)行掃描，通過(guò)OCT的圖像上最高點(diǎn)A和最低點(diǎn)B和A-SCAN圖(圖4)上相應(yīng)的峰值點(diǎn)獲取深度方向信息，將其與樣品相應(yīng)位置計(jì)算得到的理論深度值進(jìn)行比較。得到的結(jié)果如圖5所示。理論深度值和測(cè)量值的誤差在50 μm以?xún)?nèi)，可以說(shuō)明標(biāo)定的誤差極小，測(cè)量誤差由被測(cè)樣品的加工精度和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的多次測(cè)量取平均值保證。

圖4 OCT圖像和相應(yīng)的A-SCAN圖

圖5 X，Y方向理論深度值和測(cè)量值對(duì)比

2.2 OCT圖像矯正理論分析

如圖6為OCT重建圖像時(shí)的光路傳播。假設(shè)OCT光束經(jīng)聚焦透鏡后以垂直于水平面方向射入被測(cè)樣品，(n0,n1,n2)分別表示不同的介質(zhì)折射率。當(dāng)(n0,n1,n2)三者相等且分隔界面為水平面時(shí)，光線(xiàn)由點(diǎn)(a,b)出射，繼續(xù)以垂直于水平面方向經(jīng)過(guò)點(diǎn)(a1,b1)和(x1,y1)。這種情況下，重建所得二維圖像即為樣品實(shí)際內(nèi)部圖像，僅需將整體深度除以介質(zhì)折射率即可獲得樣品內(nèi)部實(shí)際信息。

圖6 理論OCT重建光線(xiàn)示意圖

OCT在對(duì)樣品成像時(shí)不考慮光線(xiàn)折射、分隔界面幾何形狀以及光透過(guò)不同樣品時(shí)實(shí)際光程變化，但在實(shí)際應(yīng)用中，各樣品內(nèi)部不同深度往往折射率各不相同，且不同介質(zhì)間的分隔層面幾何形狀各式各樣。如圖7所示為實(shí)際情況下OCT重建光線(xiàn)示意圖，設(shè)點(diǎn)(x0,y0)為OCT成像位置，點(diǎn)(x1,y1)為實(shí)際位置，即矯正后圖像所在位置。

圖7 實(shí)際OCT重建光線(xiàn)示意圖

根據(jù)折射定律和費(fèi)馬原理得到角膜下表面矯正公式如式(1)所示：

(1)

即可求得矯正后的點(diǎn)(x1,y1)的坐標(biāo)。

(2)

囊膜矯正公式如式(3)所示：

(3)

(4)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)1

使用玻璃管(圖8(a))進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)游標(biāo)卡尺測(cè)量得到其厚度為1.02 mm(圖8(b))，對(duì)樣品使用OCT采取圖像(圖8(c))，使用水平集方法[14]提取樣品輪廓(圖8(d))，圖像矯正后如圖8(e)所示。矯正前玻璃管厚度為1.43 mm，矯正后玻璃管厚度為1.03 mm，基本符合實(shí)際情況；玻璃管內(nèi)壁由畸形的弧形矯正為半圓形，矯正后的圖像基本符合玻璃管成像截面形狀，故矯正有效。

圖8 對(duì)玻璃管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.2 實(shí)驗(yàn)2

對(duì)特定位置使用采取到的豬眼角膜圖像和OCT圖像(圖9)，通過(guò)像素點(diǎn)位置相互關(guān)系測(cè)定其虹膜間距，如表1所示。

圖9 特定掃描軌跡OCT圖像

表1OCT與CCD圖像虹膜間距實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

Tab.1 Comparison of experimental data of OCT and CCD image iris spacing (mm)

Iris spacing of OCT imagesIris spacing of CCD imagesErrorA6.146.020.12B4.184.000.18C5.765.630.13D4.864.750.11Average value0.135

OCT橫向掃描誤差約在135 μm左右，橫向誤差較小，在手術(shù)接受范圍內(nèi)，可以忽略不計(jì)，故無(wú)需矯正。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)OCT系統(tǒng)和CCD相機(jī)，結(jié)合數(shù)字圖像處理相關(guān)知識(shí)，對(duì)OCT圖像導(dǎo)航系統(tǒng)在飛秒激光輔助白內(nèi)障手術(shù)中所需要的標(biāo)定進(jìn)行方法研究，成功將掃描坐標(biāo)系和樣品坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)匹配，完成指定位置的圖像掃描(深度誤差約為50 μm)，并通過(guò)光學(xué)相關(guān)定理對(duì)OCT圖像進(jìn)行重構(gòu)誤差矯正，經(jīng)由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以準(zhǔn)確矯正OCT圖像的誤差，達(dá)到飛秒激光輔助白內(nèi)障手術(shù)的精度要求。為在飛秒激光輔助白內(nèi)障手術(shù)中應(yīng)用OCT圖像導(dǎo)航打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。