任天慧，吳洪軍，王立偉，李躍杰

（中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院生物醫(yī)學工程研究所，天津 300192）

0 引言

臨床上很多眼科疾病會導致眼組織生物參數的改變，如先天性青光眼、閉角型青光眼、老視眼、近視眼、白內障、黃斑水腫等[1-2]。眼軸長度作為眼組織的一項重要參數，可以為眼部相關疾病的診斷提供依據[3]。在白內障摘除聯(lián)合眼內人工晶狀體植入手術前，需要精確測量眼軸長度，以便準確計算植入眼內人工晶狀體的度數[4]。目前，我國仍有20%～40%的白內障患者術后的預測屈光力誤差大于±0.50 D，其中眼軸長度測量是影響誤差的關鍵因素[5]。此外，根據國家衛(wèi)生健康委員會數據顯示，2018 年我國兒童青少年總體近視率為53.6%[6]。近視程度與眼軸長度呈正相關，對兒童和青少年的眼軸長度進行監(jiān)測有助于預防和治療近視及其引發(fā)的眼科疾病[7]。由此可見，高精度眼軸長度測量在眼科疾病的預防、臨床診斷和治療中具有重要作用。

目前，眼軸長度測量方法主要有超聲測量和光學測量2 種。超聲測量具有價格低廉和攜帶便捷的優(yōu)點，但是由于分辨力較低[8]、需要接觸式檢測和操作復雜等因素，其測量精度較低[9-10]，且易損傷、感染角膜。光學測量利用光學相干技術來測量眼軸長度，具有非接觸、高精度和操作簡單等優(yōu)勢，測量結果的精確度和重復性優(yōu)于超聲測量方法[11-13]，而且可以避免感染。但光學測量方法易受屈光介質渾濁和固視情況的影響，在眼組織病變嚴重或固視不佳等情況下無法獲得準確的測量數據。傳統(tǒng)的光學測量方法主要是通過時域光學相干斷層掃描（time domain optical coherence tomography，TD-OCT）測量眼軸長度，這種一維光學成像生物測量方法存在掃描速率慢、無法固視等局限性[14]。經過學者們的不懈研究以及光通信技術的飛速發(fā)展，全眼光學相干斷層掃描（optical coherence tomography，OCT）技術越來越成熟。目前，市面上較為先進的光學成像生物測量儀器是德國蔡司公司的IOL Master 700，其基于掃頻源OCT 技術，可以在整個眼球的長度范圍內進行OCT 成像，測量的眼軸范圍為14～38 mm，且對白內障患者的眼軸檢出率更高[15]。但是此設備價格昂貴，其對眼球局部組織的成像分辨力稍差，臨床上只能用于生物組織參數測量。臨床上多用于眼前節(jié)成像或眼底成像的頻域OCT（frequency domain optical coherence tomography，FD-OCT）設備的探測深度多為2～3 mm，但此類成像設備無法進行全眼范圍成像，不能用于眼軸長度等參數的測量。

垂直腔表面發(fā)射激光（vertical-cavity surfaceemitting laser，VCSEL）掃頻激光器是近年來發(fā)展起來的一種激光器，相較于已商業(yè)化的眼軸長度測量設備所使用的傳統(tǒng)傅里葉域鎖模（Fourier domain mode locking，FDML），VCSEL 掃頻激光器具有更長的相干長度和更高的掃描頻率。本文設計一種基于掃頻源OCT 的全眼組織參數測量系統(tǒng)，采用VCSEL掃頻激光器為光源，可以實現從角膜到眼底的全眼范圍成像，同時設計并集成了視頻監(jiān)視組件和內固視組件，確保測試人員能夠固視，從而保證掃描光線與眼軸平行，實現對眼軸長度、中央角膜厚度、前房深度和晶狀體厚度等眼組織參數的精確測量。

1 系統(tǒng)設計

基于掃頻源OCT 的全眼組織參數測量系統(tǒng)包括光學成像系統(tǒng)、內固視組件和視頻監(jiān)視組件，其原理圖如圖1 所示。

圖1 基于掃頻源OCT 的全眼組織參數測量系統(tǒng)原理圖

1.1 光學成像系統(tǒng)設計

光學成像系統(tǒng)主要包括光路系統(tǒng)模塊、信號采集處理模塊和系統(tǒng)控制模塊。其中，光路系統(tǒng)模塊用于分光和產生干涉信號；信號采集處理模塊對包含樣品信息的干涉信號進行采集和處理，并在計算機上顯示和存儲；系統(tǒng)控制模塊用于控制掃描與采集同步、控制掃描范圍和掃描密度。

1.1.1 光路系統(tǒng)模塊設計

光路系統(tǒng)模塊由光源、光纖分束器、光環(huán)行器、平衡光電放大器及光學器件組成。采用Santec 公司的具有掃描頻率高、相干長度長的VCSEL 掃頻源激光器HSL-1 作為系統(tǒng)光源，該光源基于VCSEL 技術，其發(fā)出的近紅外光經過分光比為90∶10 的2×2光纖分束器1，被分成同波長的2 束光，分別進入光環(huán)行器2 和光環(huán)行器1，再對應進入樣品臂和參考臂。進入參考臂的光經過準直透鏡1 將入射的點光源調整為平行光束，平行光束通過聚焦透鏡3 匯聚到焦點上，再通過與光路垂直的反射鏡1 反射回原光路，經光環(huán)行器1 射入光纖分束器2。進入樣品臂的光經準直透鏡2 準直后，在X 振鏡和Y 振鏡的反射下通過物鏡聚焦投射到被測樣品，并隨著振鏡的轉動對樣品進行2 個方向的光點移動，投射到樣品的不同位置形成掃描（即三維掃描）。最后由被測樣品反射回來的帶有被測樣品結構信息的光經光環(huán)行器2 與參考臂反射回來的光進入50∶50 的光纖分束器2 發(fā)生干涉，并經平衡光電放大器將干涉信號傳輸到數據采集卡。在光路系統(tǒng)中，對于高斯分布的光源，系統(tǒng)縱向分辨力lc計算公式如下：

系統(tǒng)探測最大深度zmax計算公式如下：

式中，δλ為波長分辨力；Ns為采樣點數；n 為介質的折射率。本文所用光源的中心波長λ0為1 060 nm，帶寬Δλ 為40 nm，平均功率為15 mW，掃描頻率為25～200 kHz。根據光源參數計算光路系統(tǒng)在空氣中理論lc為12.4 μm，在眼組織中理論lc為9.3 μm，在空氣中zmax為46.69 mm。光路系統(tǒng)在實現全眼測量的同時保持了高分辨力的優(yōu)勢，對眼前節(jié)或者眼底的成像較為清晰。

1.1.2 信號采集處理模塊設計

信號采集處理模塊主要由數據采集卡和信號處理程序構成。平衡光電放大器將光譜信號轉換成電信號并傳輸到數據采集卡，數據采集卡采集數據并上傳至計算機進行數據處理，主要包括窗口補零、色散補償、離散傅里葉變換、對數壓縮以及減除背景噪聲等操作，最后生成2D 灰度圖像。數據處理流程如圖2 所示，具體步驟如下：（1）將光譜信號進行模數轉換生成16 bit 的二進制數據。（2）使用切趾窗函數對數據做窗口補零，以方便后續(xù)利用離散傅里葉變換快速獲取樣品深度信息。（3）利用色散補償進行相位校正，以減小信號的半峰寬，提高系統(tǒng)lc。（4）通過離散傅里葉變換恢復樣品各層深度信息，通過信號強度值的變化反映樣品內部的結構信息。（5）對信號強度值取模并進行對數變換，將信號線性壓縮為8 bit。（6）通過減去相對應的背景圖像來減除背景噪聲，以減小系統(tǒng)誤差，提高信噪比，增強圖像質量。（7）通過信號處理程序將處理好的數據以2D 灰度圖像的形式在顯示器界面上實時顯示。

圖2 數據處理流程圖

1.1.3 系統(tǒng)控制模塊設計

系統(tǒng)控制模塊主要由計算機和控制卡組成，主要功能是控制掃描范圍和掃描密度、同步系統(tǒng)時鐘以及控制振鏡驅動器進行掃描。具體如下：（1）系統(tǒng)掃描范圍由振鏡的偏轉角度決定，而振鏡的偏轉角度由加載在驅動器上的電壓控制。本系統(tǒng)的掃描范圍為20 mm，完全滿足眼組織掃描成像。系統(tǒng)掃描密度指的是線間隔和幀間隔，由振鏡每次偏轉的幅度決定，而偏轉的幅度由1 個周期三角波的個數決定，對應X 方向的即為線數，對應Y 方向的即為幀數。例如線數為1 024 表示X 方向的1 個三角波上升沿共有1 024 個點，幀數512 表示Y 方向的1 個三角波的上升沿包含512 個X 方向的三角波。（2）同步系統(tǒng)時鐘指同步掃描和采集，以光源為觸發(fā)信號，通過控制卡對三角波序列的頻率和采樣速率進行同步控制。（3）對于橫向X 振鏡和縱向Y 振鏡可以分別用小周期三角波序列和大周期三角波序列激發(fā)。每個小周期三角波對應大周期三角波序列中1 個三角波上的一點，以保證X 方向和Y 方向上的協(xié)同。三角波序列如圖3 所示。通過編寫程序設定振鏡驅動器的電壓值、生成三角波序列、設定掃描線數和幀數以及設定同步時鐘來實現系統(tǒng)控制。

圖3 橫向X 振鏡和縱向Y 振鏡三角波序列圖

1.2 光學組件設計

為了能夠更加穩(wěn)定地測量人眼，本研究將光學系統(tǒng)進行集成，形成一個可以在一定范圍內自由移動的測頭，其結構如圖4 所示，實物圖如圖5 所示。測頭朝X 和Y 方向移動使得掃描光線的中心對準瞳孔中心，保證光線穿過角膜映光點并使角膜映光點呈現在窗口正中；測頭朝Z 方向移動保證顯示界面可以完整地對全眼成像。本研究在系統(tǒng)中設計集成了內固視組件和視頻監(jiān)視組件，確保被測人員能夠進行固視，從而保證眼軸長度測量的準確性。

圖4 測頭結構圖

圖5 測頭實物圖

1.2.1 內固視組件設計

在光學眼組織測量中，能否測量到真視軸對于測量結果準確性有很大影響。為了準確地測量眼軸長度，需保證掃描光線與視軸處于同一水平面。在眼科學中眼軸又稱為視軸，當人眼緊盯一點時，該點與黃斑中央凹的通路就是視軸所在的方向。據此設計內固視燈組件，由聚焦透鏡5 和藍色可見光LED 組成?？梢姽獯┻^分光鏡和系統(tǒng)物鏡進入人眼，被測人員在測試中緊盯固視燈以保證固視點到黃斑中央凹的通路與從樣品臂射入人眼的掃描光線夾角為零，即平行于Z 方向，此時眼軸所在的直線與顯示窗口的水平面垂直。

1.2.2 視頻監(jiān)視組件設計

為了能夠檢查被測人員固視是否良好，還設計了視頻監(jiān)視組件。該組件由聚焦透鏡6 和電荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）以及定焦鏡頭組成，通過定焦鏡頭對角膜處進行實時成像，CCD 將圖像信號通過USB 接口傳輸至計算機，通過顯示窗口可以實時觀察被測人員的角膜位置。實時視頻圖像中還可以觀測到由內固視燈在角膜上的反射點形成的光斑，如圖6 所示。操作人員通過觀察光斑是否與瞳孔共中心來確定被測人員是否進行良好的固視，從而初步確定眼軸位置。在光斑與瞳孔共中心的情況下微調測頭的位置，當顯示窗口中呈現出經過角膜映光點垂直入射的光線時，便可精確確定眼軸的位置。

2 測量方法

人眼是一個復雜的結構。根據眼組織生理解剖學，眼軸長度是指角膜前表面至視網膜黃斑中央凹的距離，包括中央角膜厚度、前房深度、晶狀體厚度及玻璃體腔長度等[2]。結合眼視光學領域對眼模型的研究成果，可以通過測量其內部結構曲面分界處和屈光介質精確的光學特征參數來計算人眼模型各結構和介質的平均折射率[16]。本研究選擇以Escudero-Sanz 與Navarro 提出的五面大視場人眼光學模型[17]中計算出的折射率為參照，以測量眼組織參數。表1 為該模型各個結構的具體參數[17]。

圖6 實時視頻圖像示例

表1 大視場人眼光學模型各個結構的具體參數[17]

利用本文研制的全眼組織參數測量系統(tǒng)測量眼軸長度等眼組織參數，通過內固視燈組件和視頻監(jiān)視組件精確確定眼軸位置時，立刻采集原始數據。將原始數據經過數據處理最終生成2D 灰度圖像。在掃描過程中，設定采樣點數為4 096，即生成圖像的縱向像素點為4 096 個。根據參數可算出生成圖像的縱向像素間隔為0.011 4 mm。在圖像上測量眼組織參數，具體步驟如下：（1）對圖像進行高斯濾波，降低圖像噪聲；（2）對圖像進行先膨脹后腐蝕操作，保證組織邊緣輪廓的連續(xù)；（3）進行二值化處理，以便邊緣提??；（4）利用Sobel 邊緣提取方法獲得圖像各處組織邊緣，比如角膜上表面、角膜下表面、晶狀體上表面、晶狀體下表面以及視網膜黃斑中心凹；（5）用最小二乘法擬合上述組織表面的曲線，再求出各表面與過角膜映光點的亮線的交點坐標。在計算某組織長度時，先計算出該組織在眼軸所在直線上的起始位置和終點位置的像素坐標，其縱坐標的差值就是該組織長度所占像素點的個數，像素點的個數乘以每個像素點的長度得到該組織的光學通路長度。光學生物測量中，需要將光學通路長度轉換為幾何光學長度。根據大視場人眼光學模型的結構參數表，再除以相應的折射率，便可得到該組織的實際長度。

在具體測量中，先找到圖像中角膜上表面的映光點，記錄該點的坐標T1（x1，y1），將該點與黃斑中央凹連線，依次相交角膜下表面于T2（x2，y2）、交晶狀體上表面于T3（x3，y3）、交晶狀體下表面于T4（x4，y4），最后記錄黃斑中央凹的坐標T5（x5，y5）。人眼組織的2D圖像及各坐標點如圖7 所示，依次計算各層次厚度，記中央角膜厚度為H1、前房深度為H2、晶狀體厚度為H3、眼軸長度為H4，計算公式如下：

式（3）～（6）中，n角膜、n房水、n晶狀體和n玻璃體分別為角膜、前房、晶狀體和玻璃體的折射率。

圖7 人眼組織2D 灰度圖像及各坐標點

在計算眼軸長度時，除了采用上述分段測量再相加的方式外，還可以通過角膜上表面到黃斑中央凹的距離直接測得，但需要討論人眼平均折射率的問題。Hitzenberger 等[18]根據Gullstrand 模型眼推導得出全眼在近紅外波長照射下平均折射率nˉ為1.354 9，考慮到本系統(tǒng)的掃描光線中心波長為1 060 nm，故采用1.354 9 作為人眼平均折射率。由此得到眼軸長度H5的計算公式為

3 實驗驗證

3.1 模擬眼結構測量

本研究利用玻璃靶制作了模擬眼結構模型。該結構模型由5 塊屈光度標準但厚度不同的平面玻璃鏡片以一定距離組裝在視度筒內，用于模擬眼角膜、晶狀體結構和視網膜反射層，如圖8 所示。玻璃片標稱折射率為1.516。經千分尺測量，5 塊玻璃鏡片的厚度分別為0.504、1.231、1.232、1.233 和0.993 mm，第1 塊和第2 塊、第4 塊和第5 塊玻璃鏡片的間距分別為3.943 和23.021 mm。依據上述眼組織生物參數測量的方法利用本系統(tǒng)對模擬眼結構采集10 組數據，并對10 幅圖像依次進行測量，分別測出5 塊玻璃鏡片的厚度h1、h2、h3、h4、h5以及間隔t1和t2，并求出平均值，測量結果詳見表2。

圖8 模擬眼結構示意圖

表2 模擬眼結構模型測量結果 單位：mm

由表2 測量結果可知，本系統(tǒng)測量準確度較高，重復性較好，測量精度符合眼軸長度測量要求。

3.2 人眼測量

本系統(tǒng)激光輸出控制在角膜處入射功率1.5 mW以內，在符合美國國家標準學會（American National Standards Institute，ANSI）安全標準的同時滿足測量要求。招募4 名課題組志愿者作為本次實驗的受試者，利用本系統(tǒng)對4 名受試者的左右眼進行測試，共獲得8 例眼組織參數數據。測試時受試者端坐于測量系統(tǒng)前，下頜和額部貼緊頜托和額托，受試者緊盯系統(tǒng)內藍色固視燈保證眼軸方向與掃描線Z 軸方向平行，操作者不斷調整物鏡位置使全眼組織圖像能夠完整地呈現在顯示界面中。同時通過觀察視頻監(jiān)視組件的界面來確定固視燈的光線是否穿過瞳孔中心，再結合顯示界面中光線是否穿過角膜映光點并在界面上形成一條亮線，以實現對眼軸長度的精準測量。

首先分段計算出中央角膜厚度H1、前房深度H2、晶狀體厚度H3和眼軸長度H4，之后根據平均折射率nˉ用公式（7）計算出眼軸長度H5。為減小偶然誤差、保證測量結果的準確性，每例人眼均采集5 幅圖像，得到5 組測量數據，再分別求得各組織長度的平均值和標準差。為驗證測量結果的準確性，將測量結果與IOL Master 700 進行比較。目前，IOL Master 700作為光學眼組織參數測量的“金標準”，根據IOL Master 的檢測報告，其對每例眼球的中央角膜厚度、前房深度、晶狀體厚度和眼軸長度均測量5 次，取其平均值和標準差作為測量結果。

3.3 測量結果及分析

本系統(tǒng)和IOL Master 700 對每例眼球H1～H5的測量結果詳見表3～6。

對原始數據進行統(tǒng)計學分析，P＜0.05 表示所測數據具有統(tǒng)計學意義。選擇線性回歸分析來評價本系統(tǒng)測量和IOL Master 700 對中央角膜厚度、前房深度、晶狀體厚度和眼軸長度測量結果的一致性，統(tǒng)計結果詳見表7。

表3 受試者1 眼組織生物參數測量結果 單位：mm

表4 受試者2 眼組織生物參數測量結果 單位：mm

表5 受試者3 眼組織生物參數測量結果 單位：mm

表6 受試者4 眼組織生物參數測量結果 單位：mm

在線性回歸分析中，經假設檢驗，回歸系數接近1，截距接近0，說明2 種系統(tǒng)檢測結果的一致性比較好[19]。表7 中，R2為判定系數，是用于判定線性方程擬合優(yōu)度的重要指標，R2值越接近1 越好。從結果中可以看出，R2值均接近于1，由此判斷模型擬合效果良好。其中，由于中央角膜厚度約為0.5 mm，而前房深度、晶狀體厚度等為3～4 mm，中央角膜厚度的量級較小，參數測量誤差對其的R2影響較大，但也在可接受范圍內。經回歸方程F 檢驗，其P 值＜0.01，說明該回歸方程有效。

表7 測量結果的一致性分析

在眼軸長度測量方面，本研究提出了分段測量再相加的測量方法和按照人眼平均折射率nˉ計算眼軸長度2 種方法，通過與IOL Master 700 的測量結果進行比較，可見選擇平均折射率nˉ測量方法的準確度較高。其原因可能是分段測量方法在測量過程中利用多次測量結果相加，使得測量誤差增大，導致測量結果準確度降低。

以上統(tǒng)計學分析表明，本系統(tǒng)的測量結果與IOL Master 700 的測量結果具有很高的一致性，二者測量中央角膜厚度、前房深度、晶狀體厚度和眼軸長度的均值差值較小且均在合理范圍內，測量結果基本一致。綜上所述，本系統(tǒng)實現了對眼軸長度等眼組織生物參數的精準測量。

4 結語

在眼科疾病的預防、診斷和治療過程中，需要獲得精準的眼組織生物參數，如眼軸長度、中央角膜厚度、前房深度以及晶狀體厚度等，因此眼組織生物參數的高精度測量顯得尤為重要。本文利用VCSEL 掃頻光源實現了大量程測量眼組織生物參數，同時保留了OCT 系統(tǒng)高分辨力的優(yōu)勢，在測量眼軸長度的同時可以對眼前節(jié)和眼底的組織進行高分辨力成像，為眼組織疾病的診斷和防治奠定了實驗基礎，提供了有效工具。

但本研究還有一些不足需要改進和完善，例如：（1）目前全眼成像的單焦點不能兼顧眼前節(jié)和眼底成像，在保證眼前節(jié)高分辨力的同時眼底成像較為模糊，反之眼前節(jié)成像效果變差。目前采用的是折中方法，將焦點置于兼顧眼前節(jié)和眼底成像質量的中間位置。為獲取高質量的眼內組織圖像，未來將采取焦點可調節(jié)技術或者多焦點技術進行進一步改進。（2）研究更準確、更高效的算法，通過對圖像邊緣的精確分割提取出特征點的坐標值，更高效地計算眼組織參數。（3）進一步對不同類型的受試者進行測試，探索系統(tǒng)在測量正常人和眼病患者時的準確度和適用范圍。