基于线扫描共焦成像图像引导的自适应共焦扫描视网膜成像方法及装置

摘要

本发明涉及基于线扫描共焦成像图像引导的自适应共焦扫描视网膜成像方法及装置，该方法在线扫描共焦成像单元对眼底视网膜进行一维扫描得到视网膜的大视场成像基础上，在大视场成像图像中可以随意选取并标记视网膜局部的小区域位置，自适应共焦扫描视网膜成像单元能够实现对该视网膜小区域的精确定位，以及对其进行高分辨率成像。本发明能够同时得到线扫描共焦眼底视网膜大视场成像和自适应共焦扫描眼底视网膜精确小区域位置的高分辨率成像，本发明在线扫描共焦成像单元获取的眼底视网膜大视场成像图像引导下，可以实现自适应共焦扫描视网膜成像单元对局部小区域的精确定位，同时实现对其位置区域的高分辨率成像。

说明书

技术领域

本发明涉及生物眼科成像领域，特别是一种基于线扫描共焦成像图像引导的自适应共焦 扫描视网膜成像方法及装置。

背景技术

目前，针对活体人眼视网膜成像的技术主要有三种：眼底相机、光学相干层析成像和激 光共焦扫描检眼镜，目前它们都取得了好的成功应用。为了保证照明的亮度，眼底相机采用 传统热光源作为系统的照明器件，因此其分辨率较低，通常在几十微米级别，无法有效地观 测视网膜微米级别的精细结构，尤其地，眼底相机纵向分辨率更低，无法对视网膜内部分层 组织进行观测。光学相干层析成像技术实质上是一个低相干干涉仪，应用外差探测技术，实 现了对生物组织的层析成像，它成功地实现了对视网膜内部分层结构的成像，达到了十几微 米的成像分辨率，但是由于其层析成像的物理机理，该技术无法提供视网膜平面的动态高分 辨率成像。随着激光扫描技术、高速数据采集和计算机技术的发展，激光共焦扫描检眼镜通 过引入共焦针孔，可以阻挡来自不感兴趣的视网膜层外的光，显著提高了成像的信噪比和图 像对比度，而且提供了眼底相机不具备的光学层析能力。目前，激光共焦扫描检眼镜已经广 泛的实现商业化，也已成为最为方便和常见的视网膜成像设备。

虽然激光共焦扫描检眼镜已经在眼科影像领域取得了卓越的成就，但是其分辨率方面依 然有所不足，特别是由于人眼像差的影响，商用激光共焦扫描检眼镜的光学分辨率约为十微 米，无法对微米级的视网膜视觉细胞成像。中国科学院光电技术研究所的张雨东等人成功地 研制出了一种基于自适应光学的反射式共焦扫描视网膜成像系统（专利授权号： ZL201010197028.0），该系统将自适应光学技术成功地应用到共焦成像领域，自适应光学能 实时探测人眼像差并通过波前校正器实时校正像差，消除了人眼像差造成的像质弥散，得到 了高达2μm的高分辨率成像结果。这种自适应共焦扫描成像技术，成像效果好，但其自身仍 然存在缺陷：由于采用点扫描的方式，成像视场小，只有1-3度，对应到视网膜平面约为290-870 微米，虽然通过另眼视标系统引导可以观察到视轴中心区域附近的其他视网膜区域，但由于 视标点阵布局区域限制了成像范围约为8度，对于视网膜病理性观察通常需要约30度的成像 视场范围，对应到视网膜平面约为9.5mm，该系统无法实现此功能。此外，由于另眼视标系 统引导属于无参考的趋向性引导，对于视网膜平面的具体局部区域采用这种方式很难容易的 实现精确定位成像。

如图2-5所示，中国科学院光电技术研究所的史国华等人提出了基于线扫描的共焦系统 及方法（专利授权号：ZL201010595574.X和ZL201010595587.7）。这种线扫描共焦系统采用 一维线扫描对眼底视网膜成像，相比与采用点扫描的激光共焦检眼镜，成像视场大，便于对 视网膜大范围内进行观察，但是由于大视场成像的分辨率较差，需要结合高分辨率的小视场 成像才能对视网膜微细结构进行观察。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足之处，结合自身已申请的发明专 利，提供一种基于线扫描共焦成像图像引导的自适应共焦扫描视网膜成像方法及装置，能够 同时得到线共焦眼底视网膜的大视场成像和自适应共焦扫描眼底视网膜的小视场高分辨率 成像，本发明通过对线共焦得到的视网膜大视场成像结果进行观察，直接通过对大视场成像 图像进行选取局部小区域位置，处理机实时地将选取的局部小区域位置坐标传输给自适应共 焦扫描眼底视网膜成像单元的另眼视标系统，即可实现对于选取的局部小区域位置的精确高 分辨成像。

本发明解决上述的技术问题采用的技术方案为：一种基于线扫描共焦成像图像引导的自 适应共焦扫描视网膜成像方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤1，开机，启动设备；

步骤2，标定视场，根据线扫描共焦成像单元的成像视场中心标定自适应共焦扫描视网 膜成像单元的成像视场；

步骤3，线扫描共焦成像单元对视网膜进行成像，获取视网膜的大视场成像图像；

步骤4，通过观察显示器输出的线扫描共焦成像单元获取的视网膜大视场成像图像，选 取并标记感兴趣的视网膜局部小区域位置坐标；

步骤5，处理机将标记好的感兴趣的视网膜局部小区域位置坐标输出给自适应共焦扫描 视网膜成像单元的另眼视标系统；另眼视标系统引导眼睛视轴偏转，标记过的视网膜局部小 区域位置处于自适应共焦扫描视网膜成像单元的照明中心，从而实现对其高分辨率成像；

步骤6，引导结束，成像结果输出显示。

所述步骤3中所述的线扫描共焦成像单元对视网膜进行成像具体包括：

步骤31，线扫描共焦成像单元出射线光束经分光单元偏转反射到达人眼视网膜；

步骤32，从人眼视网膜反射出的成像线光束经分光单元偏转反射回线扫描共焦成像单 元；

步骤33，线扫描共焦成像单元对成像线光束进行探测，探测得到的信号经处理机处理后， 转化为成像图像输出给显示器显示。

所述步骤4中所述的选取并标记感兴趣的视网膜局部小区域位置坐标具体包括：

步骤41，从线扫描共焦成像单元获取的视网膜大视场成像图像中选取感兴趣的待观察小 区域位置；

步骤42，处理机将感兴趣的待观察小区域位置坐标标记到大视场成像图像上，并在显示 器上进行显示。

所述步骤5具体为：

步骤51，处理机将标记好的视网膜小区域位置信息输出给自适应共焦扫描视网膜成像单 元的另眼视标系统；

步骤52，自适应共焦扫描视网膜成像单元的出射光束在另眼视标系统的引导下经分光单 元直接透射到达人眼视网膜上标记好的小区域位置；

步骤53，从人眼视网膜反射出的成像光束经分光单元直接透射后，传输回自适应共焦扫 描视网膜成像单元；

步骤54，自适应共焦扫描视网膜成像单元对成像光束进行探测，其探测信号经处理机处 理后经显示器输出，即得到该视网膜标记过的小区域位置的高分辨率成像图像。

本发明还提供一种基于线扫描共焦成像图像引导的自适应共焦扫描视网膜成像装置，包 括：线扫描共焦成像单元、自适应共焦扫描视网膜成像单元、分光单元、处理机以及显示器；

线扫描共焦成像单元与分光单元、处理机相连，线扫描共焦成像单元为一种线扫描共焦 检眼镜系统或一种基于激光衍射的线扫描共焦检眼镜系统，用于对人眼视网膜进行大视场成 像，线扫描共焦成像单元包括线光束生成模块、分光模块、扫描模块、成像模块以及输出模 块。线扫描共焦成像单元的出射线光束经分光单元偏转反射到达人眼眼底，从眼底反射出的 成像线光束经分光单元偏转反射回线扫描共焦成像单元探测，探测结果输出给处理机处理；

自适应共焦扫描视网膜成像单元与分光单元、处理机相连，自适应共焦扫描视网膜成像 单元为一种基于自适应光学的反射式共焦扫描视网膜成像系统，用于对人眼视网膜进行小区 域位置的高分辨率成像，包括光源、反射式缩束扩束系统、二维扫描振镜、哈特曼传感器、 变形镜、光电探测系统、数据采集和处理系统以及另眼视标系统，自适应共焦扫描视网膜成 像单元的出射光束经分光单元透射后到达人眼眼底，从眼底反射出的成像光束经分光单元透 射回自适应共焦扫描视网膜成像单元进行探测，探测结果输出给处理机处理；

分光单元与线扫描共焦成像单元、自适应共焦扫描视网膜成像单元以及人眼相连，分光 单元为二向色分光平片或二向色分光棱镜，用于将自适应共焦扫描视网膜成像单元输出的成 像光束直接透射到达人眼，从人眼视网膜出射的自适应共焦扫描成像光束直接透射到达自适 应共焦扫描视网膜成像单元；和将从线扫描共焦成像单元出射的线光束偏转反射到达人眼， 从人眼视网膜出射的线光束偏转反射到达线扫描共焦成像单元；

处理机与线扫描共焦成像单元、自适应共焦扫描视网膜成像单元以及显示器相连，线扫 描共焦成像单元探测到的成像信号经处理机处理，得到视网膜大视场成像图像，处理机将大 视场成像图像输出给显示器显示；同时地，处理机对自适应共焦扫描视网膜成像单元探测到 的成像信号进行重构，得到视网膜小区域位置的高分辨率成像图像，并输出给显示器显示；

显示器与处理机相连，用于显示处理机输出的视网膜大视场成像图像和小区域位置的高 分辨率成像图像，以及引导成像的区域位置信息。

所述处理机为模拟控制电路或数字计算机。

本发明与现有活体人眼视网膜成像技术相比，有如下优势：

（1）、本发明的基于线扫描共焦成像图像引导的自适应共焦扫描视网膜成像系统及方 法，线扫描共焦成像单元能够得到眼底视网膜的大视场成像。

（2）、本发明基于线扫描共焦成像图像引导的自适应共焦扫描视网膜成像系统及方法， 可以直观地从线共焦得到的视网膜大视场成像图像上,直接对视网膜感兴趣的小区域位置进 行标记,定位准确可靠,而且方便。

（3）、本发明基于线扫描共焦成像图像引导的自适应共焦扫描视网膜成像系统及方法， 处理机将标记好的感兴趣视网膜小区域位置坐标输出给自适应共焦扫描视网膜成像单元的 另眼视标系统，即可引导自适应共焦扫描视网膜成像单元的成像光束照明该区域，从而实现 对感兴趣局部区域的精确位置实现高分辨率成像。

附图说明

图1为现有技术一种基于自适应光学的反射式共焦扫描视网膜成像系统结构示意图；

图2为现有技术一种线扫描共焦检眼镜的系统和方法结构图；

图3为现有技术一种线扫描共焦检眼镜的系统和方法光路示意图；

图4为现有技术一种基于激光衍射的线扫描共焦检眼镜系统和方法结构图；

图5为现有技术一种基于激光衍射的线扫描共焦检眼镜系统和方法光路示意图；

图6为本发明基于线扫描共焦成像图像引导的自适应共焦扫描视网膜成像系统结构图；

图7为本发明基于线扫描共焦成像图像引导的自适应共焦扫描视网膜成像方法流程图；

图1中，1.半导体激光光源，2.分光镜，3.分光镜，4.针孔，5.光电倍增管，6.数据采 集系统，7.波前处理机，8.受试眼，9.哈特曼波前传感器，10.看视标眼，11~18.球面反射 镜，19.平面反射镜，20.柱面反射镜，21.准直镜，22.变形镜，23.X方向扫描振镜，24.Y 方向扫描振镜，25.验光透镜，26.哈特曼前共轭面，27.收集透镜，30.另眼视标系统，30-1. 透镜，30-2.平面反射镜，30-3.LED阵列。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图6所示，为本发明基于线扫描共焦成像图像引导的自适应共焦扫描视网膜成像系统 结构图，本发明所述的基于线扫描共焦成像图像引导的自适应共焦扫描视网膜成像系统和方 法，包括线扫描共焦成像单元101、分光单元102、自适应共焦扫描视网膜成像单元103、处 理机104以及显示器105。

线扫描共焦成像单元101与分光单元102、处理机104相连，线扫描共焦成像单元101 包括线光束生成模块、分光模块、扫描模块、成像模块以及输出模块。线扫描共焦成像单元 101为中国发明专利“一种线扫描共焦检眼镜的系统和方法，授权号：ZL201010595574.X” 或中国发明专利“一种基于激光衍射的线扫描共焦检眼镜系统和方法，授权号： ZL201010595587.7”，线扫描共焦成像单元101为一种线扫描共焦检眼镜的系统和方法时， 一种线扫描共焦检眼镜的系统和方法包括线光束生成模块1、分光模块2、扫描模块3、成像 模块5以及输出模块6，如图2和图3所示。线光束生成模块1与分光模块2相连，线光束 生成模块1由点光源100、准直扩束装置110和线光束截取装置120构成，点光源100发出 的发散光束通过准直扩束装置110准直后输出平行光束，线光束截取装置120将准直扩束装 置110输出的平行光束截取为一维线光束线送入分光模块2；分光模块2为分光平片或分光 棱镜，分光模块2用于将线光束生成模块1产生的一维线光束一部分直接透射到达扫描单元 3；扫描模块3由扫描振镜300和照明物镜组310构成，分光模块2直接出射的线光束依次 经过扫描振镜300和照明物镜组310，然后从线扫描共焦成像单元101出射，经分光单元102 偏转反射后进入人眼106眼底，从眼底反射出的成像线光束经分光单元102偏转反射回线扫 描共焦成像单元101内，依次经过照明物镜组310和扫描振镜300同步反射至分光模块2， 分光模块2将成像线光束偏转反射至成像模块5，成像模块5由成像物镜500、柱面透镜510、 共焦狭缝520和线探测器530构成，分光模块2偏转出射的成像线光束依次经过成像物镜 500、柱面透镜510和共焦狭缝520，到达线探测器530由光强信号转换成电信号，并传输给 输出模块6，共焦狭缝520与眼底视网膜4平面共轭，共焦狭缝520能排除非眼底视网膜4 平面的杂散光进入线探测器530，从而实现共焦成像原理的高分辨率；输出模块6由图像采 集卡600和输出设备610构成，图像采集卡600将成像模块5输出的电信号转换成图像信号， 并通过输出设备610输出；输出设备610与处理机104相连，输出设备610获取的视网膜成 像结果输出给处理机104，处理机104将成像结果重构为图像并输出给显示器105显示。

线扫描共焦成像单元101为一种基于激光衍射的线扫描共焦检眼镜系统和方法时，一种 基于激光衍射的线扫描共焦检眼镜系统和方法包括线光束生成模块1、分光模块2、扫描模 块3、成像模块5以及输出模块6，如图4和图5所示。线光束生成模块1与分光模块2相 连，线光束生成模块1由点光源100、准直装置110和线光束变换装置120构成，点光源100 的发散光束经过准直装置110变换为平行光束，该平行光束经过线光束变换装置120变换为 一维线光束传播至分光模块2；分光模块2为分光平片或分光棱镜，用于将线光束生成模块 1产生的一维线光束一部分直接透射到达扫描模块3；扫描模块3由扫描振镜300和照明物 镜310构成，分光模块2直接出射的线光束依次经过扫描振镜300和照明物镜310，然后从 线扫描共焦成像单元101出射，经分光单元102偏转反射后进入人眼106眼底，从眼底反射 出的成像线光束经分光单元102偏转反射回线扫描共焦成像单元101内，依次经过照明物镜 组310和扫描振镜300同步反射至分光模块2，分光模块2将成像线光束偏转反射至成像模 块5；成像模块5由成像物镜500、柱面透镜510、共焦狭缝520和线探测器530构成，分光 模块2偏转出射的成像线光束依次经过成像物镜500、柱面透镜510和共焦狭缝520，到达 线探测器530由光强信号转换成电信号，并传输给输出模块6，共焦狭缝520与眼底视网膜 4平面共轭，共焦狭缝520能排除非眼底视网膜4平面的杂散光进入线探测器530，从而实 现共焦成像原理的高分辨率；输出模块6由图像采集卡600和输出设备610构成，图像采集 卡600将成像模块5输出的电信号转换成图像信号，并通过输出设备610输出；输出设备610 与处理机104相连，输出设备610获取的视网膜成像结果输出给处理机106，处理机104将 成像结果重构为图像并输出给显示器105显示。

自适应共焦扫描视网膜成像单元103与分光单元102、处理机104相连，为中国发明专 利“一种基于自适应光学的反射式共焦扫描视网膜成像系统，授权号：ZL201010197028.0”， 如图1所示，包括半导体激光光源1、多个反射式缩束扩束系统11-18、由X方向扫描振镜 23和Y方向扫描振镜24组成的二维扫描振镜、哈特曼波前传感器9、变形镜22、由收集透 镜27，针孔4和光电倍增管5光电探测系统、数据采集和处理系统6、波前处理机7以及另 眼视标系统30。带尾纤的半导体激光光源1发出的光可以近似看作点光源，经过准直镜21 准直到6mm，并由分光镜2分光，反射的部分经过球面反射镜11和球面反射镜12组成的扩 束系统扩束到与变形镜22匹配，并由变形镜22反射，接下来经过球面反射镜13和球面反 射镜14组成的缩束系统缩束至与X方向扫描振镜23匹配，并到达X方向扫描振镜23，X方 向扫描振镜23对入射光束进行横向扫描，并被由球面反射镜和15和球面反射镜16组成的 扩束系统扩束到与Y方向扫描振镜24匹配，并到达Y方向扫描振镜24，Y方向扫描振镜24 对入射光束进行纵向扫描，并反射到球面反射镜17和球面反射镜18组成的扩束系统，其中 为了避免光束遮挡，球面反射镜17和18之间插入了平面反射镜19，此时光束口径与人眼入 瞳匹配，并被反射到柱面反射镜20，柱面反射镜20将前面由于球面反射镜偏轴使用产生的 像散一起校正，将光束反射出自适应共焦扫描视网膜成像单元103到达分光单元102，分光 单元102直接透射光束到人眼106，并通过人眼的光学系统将光束聚焦到一点；人眼106眼 底对入射光有散射作用，散射光携带着人眼的像差信息和眼底该点的光强信息，从人眼106 出射后经分光单元102直接透射回自适应共焦扫描视网膜成像单元103，散射光束在自适应 共焦扫描视网膜成像单元103内部继续沿原路返回到分光镜2，并到达分光镜3，分光镜3 对这部分散射光再次分光：一部分进入哈特曼波前传感器9；另一部分通过收集透镜27和针 孔4到达光电倍增管5。哈特曼波前传感器9接收到的含有人眼像差信息的点阵，并将点阵 数据传递给波前处理机7，波前处理机7通过点阵质心的偏移计算出波前的每个子孔径的斜 率，再通过直接斜率法计算出控制电压，并将传递给变形镜22，从而实现对人眼像差的实时 探测和校正。经过实时校正后的散射光经收集透镜27聚焦后穿过针孔4到达光电倍增管5， 光电倍增管5对光强进行连续探测，同时地，X方向扫描振镜23和Y方向扫描振镜的驱动同 步电压，以及光电倍增管5得到的连续光强信号被输出给数据采集和处理系统6，确定某一 时刻的光强信号对应于视网膜照明光点位置，以此重构处视网膜某一扫描区域的成像信息。 另一方面，基于自适应光学的反射式共焦扫描视网膜成像系统还包括另眼视标系统3，另眼 视标系统3由成像透镜30-1、平面反射镜30-2和LED阵列30-3组成，点列LED阵列30-3 中的一个灯，它发出的光经平面反射镜30-2反射后，经成像透镜准直成平行光束进入看视 标人眼10被聚焦为视网膜平面上的光点，当点亮LED阵列30-3中不同位置的灯时，看视标 人眼10的视轴会随之转动，由于人的双眼具有随动性，成像人眼8的视轴也会随之转动， 由此就可以实现对成像人眼8不同区域位置的照明成像,在此,成像人眼8与人眼106为同一 只眼睛。

处理机104与线扫描共焦成像单元101、自适应共焦扫描视网膜成像单元103以及显示 器105相连，线扫描共焦成像单元101的成像结果输出给处理机104，处理机104对成像结 果进行重构得到视网膜大视场成像图像并输出给显示器105显示，通过直接观察视网膜大视 场成像图像可以通过处理机104对图像中感兴趣的视网膜局部小区域位置进行标记，并显示 在显示器105上。线扫描共焦成像单元101获取的视网膜大视场成像图像上标记好的视网膜 局部小区域位置坐标通过处理机104输出给自适应共焦扫描视网膜成像单元103内的另眼视 标系统，在其引导下自适应共焦扫描视网膜成像单元103即实现对该视网膜区域进行照明与 探测，探测结果输出给处理机104进行重构得到视网膜感兴趣的局部小区域的高分辨率成像 图像，并输出给显示器105显示。

如图7所示，本发明所述基于线扫描共焦成像图像引导的自适应共焦扫描视网膜成像方 法，包括以下步骤：

步骤s1，开机，启动设备；

步骤s2，标定视场，根据线扫描共焦成像单元的成像视场中心标定自适应共焦扫描视网 膜成像单元的成像视场；

步骤s3，线扫描共焦成像单元对视网膜进行成像，获取视网膜的大视场成像图像；

步骤s4，通过观察显示器输出的线扫描共焦成像单元获取的视网膜大视场成像图像，选 取并标记感兴趣的视网膜局部小区域位置坐标；

步骤s5，处理机将标记好的感兴趣的视网膜局部小区域位置坐标输出给自适应共焦扫描 视网膜成像单元的另眼视标系统；

步骤s6，另眼视标系统引导眼睛视轴偏转，标记过的视网膜局部小区域位置处于自适应 共焦扫描视网膜成像单元的照明中心，从而实现对其高分辨率成像；

步骤s7，引导结束，成像结果输出显示。

本发明并不局限与上述实例，本领域一般技术人员可以根据本发明公开的内容采用多种 实施方式实现本发明。本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。