干眼癥檢測儀照明和成像系統的設計及實現

朱海龍，馮大偉，付威威

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.中國科學院蘇州生物醫學與工程技術研究所 醫學影像室，蘇州 215000）

干眼癥，又稱角結膜干燥癥，常見癥狀包括眼睛干澀、容易疲倦、眼癢、有異物感、痛灼熱感、分泌物粘稠、怕風、畏光、對外界刺激很敏感等，我國的干眼患病率約在21%-33.7%，目前干眼在世界范圍內的發病率呈逐年上升趨勢，已經發展為一種危及健康的常見病、多發病。隨著電子屏幕的廣泛使用、環境惡化、滴眼液的濫用、隱形眼鏡的配戴等原因，干眼癥還將繼續增多。引起干眼癥的主要原因是眼表淚膜的異常破裂，相關研究文章表明，干眼癥患者淚膜破裂時間通常低于10s，正常人眼淚膜破裂時間一般為 10-45s［1，2，3］。淚膜的破裂時間長短是判斷是否患有干眼癥的一項重要指標，因此準確有效的檢測出淚膜的破裂時間對干眼癥的檢查有著重要的意義。

傳統的干眼癥的檢查方法有：裂隙燈檢查、淚液分泌試驗（Schirmer I及II試驗）、淚膜破裂時間（Tear Break-up Time，BUT）試驗、眼表活體染色試驗、淚液滲透壓測定試驗，乳鐵蛋白含量測定（Lactoferrin，LF）試驗，淚液蕨樣變試驗，結膜印跡細胞學檢查，血清學檢查等。這些傳統評估淚膜穩定性的方法為侵犯性淚膜破裂時間（invasive tear break-up time，IBUT），具有變異性大、重復性低、易受外界影響等局限性［4］?，F代的非入侵式檢查方法有光學相干斷層掃描技術，但是光學相干斷層掃描技術一般成本較高并且結構比較復雜［5］。而且目前市場上專業的干眼檢測設備較少，并且都依賴進口，價格比較昂貴，如德國OCULUS的Keratograph 5M干眼檢測設備售價近四十萬人民幣，價格過于昂貴，國內很多中小型醫院資金短缺，無力購買。針對以上需求，有必要研制開發一種針對干眼癥狀分析的設備，替代現有臨床的侵入式的檢查手段，從而減少患者痛苦，替代國外進口設備，降低設備成本。

本文基于Placido盤的非侵入式的檢驗方法，研制了能對人眼表面淚膜破裂時間進行測量的干眼癥檢測儀，基于淚膜破裂時間的圖像算法，設計了照明和成像系統［6］。照明系統可以將Placido盤后表面均勻的照明，在人眼淚膜上可以得到照度均勻的投影圖；為了適應儀器整體結構，利用zemax軟件設計了工作距為100mm的成像物鏡，優化后的物鏡可以得到良好的成像質量。實驗結果表明，本文所設計的照明和成像系統可以很好的滿足干眼檢測儀整機要求。

1 系統設計原理

圖1 干眼檢測儀照明成像系統結構及原理圖

如圖1，首先LED背光源發出光將Placido盤照明，將Placido盤上黑白相間的環形條紋的像投影到人眼表面的淚膜上，然后光經過人眼表面淚膜反射，通過成像物鏡，將淚膜表面Placido環形的投影圖成像在CCD相機上。當人眼表面淚膜完整無破裂時，CCD相機上采集到的人眼表淚膜上的黑白相間的圓環是完整的同心圓環。當人眼表面的淚膜破裂時，CCD相機采集到的人眼淚膜上的黑白相間的圓環隨著淚膜的破裂而扭曲或者不完整。根據CCD相機采集到受檢查者的眼表淚膜由完整到破裂時的一系列圖片，經過圖像算法處理，即可得出淚膜破裂時間，從而判斷出受檢查者淚膜破裂時間是否異常。

2 LED光源設計

考慮到干眼癥檢測時圖像采集是連續長時間采集，為了減少對人眼的刺激，這里選擇中心波長850nm的紅外LED燈珠。為了得到更加容易處理的圖像，算出精確的淚膜破裂時間，人眼淚膜上的Placido盤投影圖像的黑白環需要照度均勻，這就要求背光源能將Placido盤后表面均勻照明。因本設計里Placido盤相對單個LED比較大，且單個LED為近朗伯體發光，均勻性較差，所以本設計在參考國內外專利文獻后決定照明光源采用多個LED環形排布設計［7-9］。為了達到良好的勻光效果，本文選取一款發散角150°的LED燈珠，并且在LED焊接電路板后10mm處，加一亞克力光擴散板用來勻光。光源設計示意圖如圖2所示，LED分布參數如表1所示。

圖2 光源LED分布示意圖

表1 LED燈珠分布參數

將設計后加工好的光源裝調好后，用光譜儀測量照度的均勻性，以placido盤中心為圓心，在每個白環前表面（靠近人眼一側）每隔90°測量一次照度值，得到44個點的照度值，測量數據見表2，然后根據均勻度計算公式：

計算可得Placido盤前表面的照度均勻度為78.7%，這表明本光源設計可以比較均勻的將Placido盤后表面照明，滿足整機系統里圖像算法的均勻度需求。

表2 Placido盤實測照度值

3 成像光學系統設計及結果

3.1 成像系統參數要求

本文選用100萬像素1/2′面陣CCD，具體參數如表3所示。

表3CCD相關參數

根據表3像元尺寸大小，由奈奎斯特采樣定理（2），可算出本系統要求的截至頻率為90.91lp/mm。

式中，fs為截止頻率，s為像元尺寸。

光學系統設計參數如表4所示。

表4 光學系統設計參數

3.2 系統初始結構選取和優化

從光學設計手冊中尋找一款照相物鏡做為初始結構，在zemax軟件里選取物方半物高分別為0mm、4.5mm、6.3mm、9mm四個視場。根據選取的照明光源的近紅外LED燈珠的光譜特性曲線，選擇760nm～940nm波段為系統波長，中心波長為850nm。入瞳直徑設置為12mm。然后將物鏡中的曲率、厚度、玻璃材料等參數輸入到zemax軟件里。由于所要設計的系統是小視場小相對孔徑系統，因此可以著重對軸上像差進行優化，軸外像差可把權重值設置相對低一點［11］，在光學軟件zemax優化時，使用正負透鏡組合來矯正球差；保留一對雙膠合透鏡來矯正色差，膠合透鏡選用色散差較大的玻璃材料，能有效減少軸向色差；讓靠近光闌的鏡片彎向光闌，使得主光線偏角盡量小，利于軸外像差的校正。優化后的光學系統如圖3所示，系統像高7.86mm，后工作距30.03mm，筒長78mm，詳細結構參數如表5。整個系統不但滿足了設計需求，還有結構簡單，且玻璃為常用玻璃，制造成本較低等特點。

圖3 優化后的鏡頭

表5 鏡頭結構參數

3.3 設計結果分析

如圖4所示，彌散斑的均方根（RMS值）在各個視場均小于CCD像元尺寸5.5um，并且各個值都接近艾利斑尺寸；圖5所示為系統的MTF曲線，從圖中可看出，在空間頻率值為91lp/mm處全視場MTF值大于0.4，并且MTF曲線接近衍射極限；圖6為系統場曲畸變圖，從圖中可以看出，場曲在全視場最大處不大于0.04mm，全視場最大畸變不大于0.8%；圖7為系統最大視場9mm處的波像差圖，圖中峰谷比為0.17個波長，小于瑞利判據0.25個波長。由以上知，本系統有著良好的成像質量，達到了設計要求。

圖4 系統點列圖

圖5 系統MTF圖

圖6 系統場曲畸變圖

圖7 系統9mm視場處波像差圖

4 實驗結果與分析

將上述照明和成像系統加工組裝到整機后，整機樣機如圖8所示，對人眼表面淚膜進行成像實驗，圖9所示為本設計儀器整機采集到的淚膜上的投影圖片，此時眼表淚膜上Placido環形還是完整同心的，由圖9可知淚膜表面圓環亮度均勻性比較好，說明此系統照明光源設計完成了設計需求，同時也可說明物鏡設計也完成了成像需求，可以得到質量良好的眼表淚膜上的Placido盤的投影圖。

圖8 干眼檢測原理樣機圖

圖9 實驗效果圖

5 結論

本文基于Placido盤的原理設計出一款便捷的干眼檢測儀，對投影照明系統的LED背光源進行了設計仿真模擬，得到了良好的人眼表面的照明效果。根據系統要求，用zemax光學設計軟件對成像系統進行了模擬設計，在全視場91mm/lp處mtf值大于0.3，達到了良好的成像效果。在加工裝配后，本照明成像系統所得到的圖片可以良好的展示出淚膜上Placido盤環形投影圖像，達到了整機系統的需求。

參考文獻

［1］ 張正，李銀花，丁亞麗，等.干眼癥的發病機制及治療現狀［J］.中華眼科醫學雜志（電子版），2014，4（2）：44-46.

［2］ 劉祖國，楊文熙.干眼癥的發病機制［J］.眼科，2005，14（5）：342-345.

［3］ 宋云，趙敏.基礎淚液分泌試驗I淚膜破裂時間檢測的影響因素［J］.中國實用眼科雜志，2008，26（11）：1196-1198.

［4］ 藍倩倩，滿平儀，陳琦，等.角膜地形綜合分析儀在干眼診斷中的臨床應用［J］.眼科新進展，2015，12（35）：1149-1151.

［5］ 黑璐寧.常規眼科技術在干眼癥檢查方面的拓展與應用［J］.醫療裝備，2017，30（20）：200-201.

［6］ 隋成華，沃圣杰，高楠，等.基于Placido盤的角膜地形圖儀成像系統設計與實現［J］.光學學報，2016，36（12）：1-7.

［7］ 隋成華，沃圣杰，徐丹陽，等.角膜地形圖儀中Placido盤及投射照明系統的設計與實現［J］.光學精密工程，2017，25（3）：603-610.

［8］ Arid，Karimian，Sepehr，et al.Comparison of corneal topography measurements using Galilei，Orbscan，and placido disk-based topographer systerm ［J］.Journal of Refractive Surgery，2011，27（7）：502-508.

［9］ Ball C P，Levicka，Woolliams E R，et al.Effect of polytetrafluoroethylene（PTEE）phase transition at 19℃on the use of Spectralon as a reference standard for reflectence［J］.Applied Optics，2013，52（20）：4806-4812.

［10］ 張以謨.應用光學［M］.北京：電子工業出版社，2008：576-600.

［11］ 王文生.現代光學系統設計［M］.北京：國防工業出版社，2016：85-120.