鄭賢良，劉瑞雪，夏明亮，曹召良，宣 麗*

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049;3.中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所江蘇省醫(yī)用光學(xué)重點(diǎn)研究室，江蘇蘇州215163)

1 引言

對(duì)人眼進(jìn)行疾病檢查時(shí)，需要對(duì)視網(wǎng)膜進(jìn)行成像?，F(xiàn)有的眼底成像設(shè)備主要包括眼底相機(jī)［1-2］、共焦掃描激光檢眼鏡［3］和光學(xué)相干斷層成像［4-5］等，這些設(shè)備的空間分辨率最高只有15～20 μm，無(wú)法對(duì)視網(wǎng)膜細(xì)胞和毛細(xì)血管進(jìn)行有效分辨，原因是人眼具有復(fù)雜且動(dòng)態(tài)變化的像差［6］。早在1961 年前蘇聯(lián)的 M.S.Smirnov就對(duì)人眼高階像差進(jìn)行了測(cè)量［7］。近年來(lái)，為了提高視網(wǎng)膜成像設(shè)備的分辨率，研究者采用了用于校正大氣湍流的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)［8-9］，其中液晶校正器由于具備體積小、功耗小、像素密度高、校正能力強(qiáng)、成本低［10］等優(yōu)勢(shì)，成為研究熱點(diǎn)，主要用于人眼視網(wǎng)膜高分辨校正成像。

Love［11］和 Vargas-Martin［12］在 1997 和 1998年分別報(bào)道了利用液晶波前校正器校正人眼像差的實(shí)驗(yàn)，但都沒(méi)有獲得視網(wǎng)膜的高分辨率圖像。2001年西班牙 Murcia大學(xué)［13］、2003年美國(guó) Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室［14］以及2003年中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所和南開(kāi)大學(xué)［15］研究人員也利用液晶波前校正器對(duì)人眼的波前畸變進(jìn)行校正研究。2007年日本大阪大學(xué)醫(yī)學(xué)研究院利用768 pixel×768 pixel液晶波前校正器和784微透鏡陣列探測(cè)器補(bǔ)償39歲700度近視人眼像差，并獲得了錐狀視覺(jué)細(xì)胞圖像［16］。液晶自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)雖然能夠應(yīng)用于人眼視網(wǎng)膜校正成像，但是還存在著偏振能量損失、校正視場(chǎng)小、普適性差等問(wèn)題。

由于液晶校正器只能對(duì)線偏振光進(jìn)行校正，而目標(biāo)發(fā)出光一般是自然光，因此需要將自然光轉(zhuǎn)換為偏振光，因而會(huì)損失一半能量。針對(duì)這一問(wèn)題，G.D.Love提出在液晶層后面放置1/4波片和反射鏡，使入射的自然光在反射過(guò)程中旋轉(zhuǎn)90°，從而在互相垂直的兩個(gè)偏振方向上獲得相同的位相調(diào)制量，對(duì)非偏振光進(jìn)行校正［17］，但該結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致校正量減小、驅(qū)動(dòng)電壓增高和響應(yīng)速度變慢等結(jié)果。后來(lái)G.D.Love進(jìn)一步提出在一個(gè)液晶盒里灌注兩層液晶的方法，通過(guò)垂直排列的兩液晶層實(shí)現(xiàn)對(duì)非偏振光的校正［18］。該方法雖然解決了驅(qū)動(dòng)電壓方面的問(wèn)題，但還存在校正量減小和響應(yīng)速度變慢的缺陷。

除了能量利用率問(wèn)題，對(duì)某些組織(如血管)的成像需要使用可見(jiàn)光進(jìn)行照明。此時(shí)，在探測(cè)和成像過(guò)程中的曝光會(huì)對(duì)人眼產(chǎn)生強(qiáng)烈刺激，導(dǎo)致眼球抖動(dòng)、眨眼或瞳孔縮小等問(wèn)題。因此雖然對(duì)視覺(jué)細(xì)胞的近紅外成像已有報(bào)道，但對(duì)視網(wǎng)膜血管的高分辨率成像卻難以實(shí)現(xiàn)。

一般情況下，眼底自適應(yīng)成像的視場(chǎng)只有100～200 μm。在該視場(chǎng)中，血管往往只有孤立的小段，無(wú)法看清全貌，這給病情診斷帶來(lái)困難。因此，需要擴(kuò)大自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的校正成像視場(chǎng)，以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

普適性是臨床非常關(guān)心的一個(gè)指標(biāo)。目前的眼底自適應(yīng)成像系統(tǒng)都是實(shí)驗(yàn)性系統(tǒng)，還沒(méi)有考慮普適性問(wèn)題。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，部分參與者的視網(wǎng)膜細(xì)胞圖像對(duì)比度較低，無(wú)法滿足臨床診斷要求。對(duì)視標(biāo)進(jìn)行盯視時(shí)，部分被測(cè)者會(huì)在盯視過(guò)程中逐漸失去對(duì)視標(biāo)的感知［19］，部分被測(cè)者在主觀看清的情況下，屈光度與理想情況差異較大。這些原因都能造成瞳孔漂移或屈光度變化:前者會(huì)使瞳孔偏離光軸，影響像差探測(cè)甚至造成瞳孔邊緣探測(cè)出錯(cuò);后者會(huì)造成照明光焦面的偏離，使波前探測(cè)器的光點(diǎn)能量分散，降低探測(cè)精度和視覺(jué)細(xì)胞層的光能密度及成像對(duì)比度［20］。因此，可以看出個(gè)體差異會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的普適性很差。

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所從2000年開(kāi)始，對(duì)液晶自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)及其在人眼視網(wǎng)膜成像中的應(yīng)用進(jìn)行研究，以期解決偏振能量損失、成像視場(chǎng)小和普適性差等問(wèn)題。該研究工作在2007年轉(zhuǎn)移到蘇州醫(yī)工所。本文將對(duì)該工作的研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 閉環(huán)液晶自適應(yīng)視網(wǎng)膜校正成像系統(tǒng)

為了對(duì)人眼視網(wǎng)膜成像進(jìn)行深入了解，以期解決目前存在的關(guān)鍵問(wèn)題，課題組在充分考慮了光學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的重要性的情況下［21-23］，設(shè)計(jì)并搭建了如圖1所示的閉環(huán)液晶自適應(yīng)光路，并對(duì)不同近視程度的人眼進(jìn)行了視網(wǎng)膜校正成像［24］。為了減少對(duì)人眼的刺激，選用808 nm的激光進(jìn)行眼底照明。在該實(shí)驗(yàn)中把十字線視標(biāo)放置在距人眼200 mm的位置，利用盯視視標(biāo)的方法穩(wěn)定人眼。當(dāng)被測(cè)人眼盯視視標(biāo)時(shí)，眼底反射光將會(huì)聚焦在人眼前200 mm的位置處。該設(shè)置方案可以利用人眼的適度自調(diào)節(jié)功能來(lái)減少離焦像差。該方案可以對(duì)近視度－5D的人眼實(shí)現(xiàn)有效校正成像。由于液晶波前校正器只能對(duì)線偏振光進(jìn)行位相調(diào)制，因此加入了偏振片以獲得線偏振光。整個(gè)光路中，透鏡組L1-L2、L3-L4、L4-L5保證了人眼瞳孔、波前探測(cè)器和液晶波前校正器三者共軛。所用的液晶波前校正器(PFP512，BNS)尺寸為7.68 mm×7.68 mm，分辨率為512×512，像素尺寸為15 μm×15 μm。圖2是對(duì) －3D近視、2D 散光樣本MX的視網(wǎng)膜細(xì)胞自適應(yīng)校正成像，其波前像差的PV值從6 μm降低到0.12 μm?？梢钥闯觯?jīng)過(guò)校正可以獲得視網(wǎng)膜細(xì)胞的成像，但是清晰度不理想且對(duì)比度低。

圖1 閉環(huán)液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)Fig.1 Closed-loop optical system based on LCWFC

圖2 閉環(huán)校正視覺(jué)細(xì)胞層圖像Fig.2 Images of photoreceptor layer in closed-loop system

由于在光路中加入了偏振片，使得光能損失一半。而出于安全考慮，眼底照明光的能量又受到嚴(yán)格限制。因此須研究如何解決液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的偏振能量損失問(wèn)題。

3 提高能量利用效率的開(kāi)環(huán)光路方案

針對(duì)液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的偏振能量損失問(wèn)題，提出如圖3所示的設(shè)計(jì)方案。相對(duì)于圖3(a)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，在圖3(b)中，利用偏振分束棱鏡(PBS)把自然光分成兩束線偏振光，一束進(jìn)入哈特曼波前探測(cè)器用于探測(cè)波前畸變;另一束入射到液晶校正器上，被校正后最后進(jìn)入CCD相機(jī)進(jìn)行成像。該設(shè)計(jì)避免了閉環(huán)液晶自適應(yīng)系統(tǒng)的偏振光能量損失，將能量利用率提高了一倍。但是在該設(shè)計(jì)中，哈特曼探測(cè)器探測(cè)不到液晶校正器校正后的殘差，因此無(wú)法進(jìn)行閉環(huán)控制，而是一個(gè)開(kāi)環(huán)自適應(yīng)校正光路。

在閉環(huán)光路中，波前探測(cè)器探測(cè)校正殘差，人眼的抖動(dòng)或眨眼都可能導(dǎo)致波前探測(cè)出錯(cuò)，而且探測(cè)錯(cuò)誤會(huì)進(jìn)行累加從而導(dǎo)致校正出現(xiàn)偏差［25-26］。而開(kāi)環(huán)光路直接探測(cè)出眼光像差，系統(tǒng)僅進(jìn)行一次校正，一般不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤累加的情形，因此系統(tǒng)更加穩(wěn)定。相對(duì)于變形鏡的磁滯現(xiàn)象，液晶校正器的校正精度和重復(fù)性精度高［27］，因此可以確保開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的校正精度。利用改進(jìn)的開(kāi)環(huán)液晶自適應(yīng)光學(xué)校正成像系統(tǒng)，獲得了照明直徑200 μm的人眼視網(wǎng)膜細(xì)胞層的圖像(見(jiàn)圖4)。經(jīng)測(cè)量，開(kāi)環(huán)校正后系統(tǒng)殘差的 PV值約為0.16λ，RMS值為0.05λ，達(dá)到衍射極限水平且系統(tǒng)穩(wěn)定。與圖2的閉環(huán)校正效果相比，開(kāi)環(huán)校正后成像的清晰度和對(duì)比度都有明顯提高。

圖3 液晶自適應(yīng)校正光路的閉環(huán)、開(kāi)環(huán)光路對(duì)比Fig.3 Closed and open optical systems based on LCWFC

圖4 開(kāi)環(huán)校正視覺(jué)細(xì)胞層圖像Fig.4 Images of photoreceptor layer in open-loop system

雖然人眼自適應(yīng)校正成像已經(jīng)獲得了較好的圖像，但是成像視場(chǎng)較小，最大視場(chǎng)角約為0.6°，對(duì)應(yīng)眼底區(qū)域直徑只有200 μm，不利于臨床上對(duì)病灶的尋找。因此需要研究擴(kuò)大成像視場(chǎng)的方法。

4 大視場(chǎng)校正成像的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)成像，提出了單光源可變視場(chǎng)光闌的方法，在照明光路像面放置可變視場(chǎng)光闌，控制眼底照明區(qū)域大小。光闌小孔直徑為0.8～1 mm，照明眼底約100 μm 區(qū)域，以提高哈特曼探測(cè)器的波前探測(cè)精度;大孔設(shè)計(jì)直徑6 mm，可以在眼底形成直徑為500 μm的照明和成像區(qū)域。為了減少對(duì)人眼的刺激，使用脈沖光照明方案，在像差探測(cè)和成像時(shí)進(jìn)行曝光，將曝光量減小到原來(lái)的1/2～1/3。利用改進(jìn)的系統(tǒng)對(duì)活體人眼視網(wǎng)膜進(jìn)行了自適應(yīng)像差校正成像。圖5是在波長(zhǎng)561 nm處眼底微細(xì)血管的成像，圖6是在波長(zhǎng)808 nm處視網(wǎng)膜細(xì)胞的像［28］。可以看出，利用大小光闌切換的方法，將成像視場(chǎng)從200 μm擴(kuò)大為500 μm。

圖5 561 nm波長(zhǎng)下眼底微細(xì)血管自適應(yīng)成像結(jié)果Fig.5 Images of blood vessels under illumination at 561nm

5 系統(tǒng)普適性

圖6 808 nm波長(zhǎng)下視網(wǎng)膜視覺(jué)細(xì)胞自適應(yīng)成像結(jié)果Fig.6 Images of photoreceptor layer under illumination at 808 nm

為了提高對(duì)不同人群的成像效果，設(shè)計(jì)了更具普適性的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)［20］。對(duì)于一般的開(kāi)環(huán)自適應(yīng)系統(tǒng)，由于探測(cè)和成像分別利用人眼出射光的兩個(gè)不同偏振態(tài)，在成像部分，即使忽略其它光學(xué)原件的能量損失，出眼光的能量利用率也不會(huì)超過(guò)50%。利用人眼的保偏特性［21，29］，采用偏振光進(jìn)行照明，并對(duì)同樣偏振態(tài)的出眼光進(jìn)行成像。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，改進(jìn)后的系統(tǒng)能量利用率提高了近20%，解決了部分人眼反射率低的問(wèn)題。系統(tǒng)按照屈光0D設(shè)計(jì)，采用補(bǔ)償鏡配合等效無(wú)窮遠(yuǎn)視標(biāo)，人眼在看清視標(biāo)時(shí)，照明光也聚焦于視覺(jué)細(xì)胞層:此時(shí)睫狀肌處于放松狀態(tài)，避免了人眼屈光調(diào)節(jié)差異。在長(zhǎng)時(shí)間盯視，尤其是盯視靜止目標(biāo)的情況下，人眼會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)疲勞，在沒(méi)有新刺激的情況下甚至?xí)饾u失去對(duì)目標(biāo)的感知。使用外圍靜止、中間十字線周期閃現(xiàn)的視標(biāo)，閃現(xiàn)周期為1 s，通過(guò)亮暗變化使人眼保持興奮，提高盯視過(guò)程中的穩(wěn)定性。視覺(jué)細(xì)胞層是人眼視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)反射層，當(dāng)照明光焦面位于視覺(jué)細(xì)胞層時(shí)，哈特曼波前探測(cè)器的光點(diǎn)能量集中;而焦面偏離該層時(shí)，波前探測(cè)器的光點(diǎn)能量會(huì)分散。通過(guò)哈特曼波前探測(cè)器光點(diǎn)的能量集中度，判斷照明光是否聚焦到視覺(jué)細(xì)胞層。經(jīng)過(guò)上述的一系列措施，使得系統(tǒng)對(duì)不同的人眼都基本可以獲得清晰的校正成像。

使用該系統(tǒng)對(duì)多名志愿者進(jìn)行自適應(yīng)校正成像實(shí)驗(yàn)，其中RX(近視－4.5D，26歲)在先前的實(shí)驗(yàn)中獲得的圖像較模糊，難以滿足臨床診斷要求。圖7是志愿者 QY(近視 －3D、散光1D，27歲)的視網(wǎng)膜視覺(jué)細(xì)胞自適應(yīng)圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，前期難以獲得清晰成像的RX，在本系統(tǒng)中獲得了清晰成像，且和QY的清晰度差別不大，均能滿足臨床診斷需求。因此，該項(xiàng)工作大大提高了液晶自適應(yīng)視網(wǎng)膜校正成像系統(tǒng)的普適性，為將來(lái)的臨床使用提供了技術(shù)保障。

圖7 視網(wǎng)膜視覺(jué)細(xì)胞自適應(yīng)成像結(jié)果Fig.7 Images of photoreceptor layer

6 結(jié)論

本文概述了液晶自適應(yīng)人眼視網(wǎng)膜高分辨率成像系統(tǒng)的研究進(jìn)展。使用開(kāi)環(huán)自適應(yīng)校正光路，將能量利用率相對(duì)閉環(huán)光路提高了一倍，提高了液晶自適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)偏振光的能量利用率。使用快速可變視場(chǎng)光闌，將自適應(yīng)校正后的成像視場(chǎng)擴(kuò)大到500 μm，提高了系統(tǒng)在臨床診斷中的性能。利用脈沖光照明的方法，在波前探測(cè)和成像時(shí)進(jìn)行曝光，將曝光量減少到原先的1/2～1/3，進(jìn)一步改善了系統(tǒng)能量利用率低的情況。通過(guò)改進(jìn)視標(biāo)位置和視標(biāo)形狀，提高了系統(tǒng)的普適性。

通過(guò)以上研究工作，在一定程度上解決了液晶自適應(yīng)人眼視網(wǎng)膜高分辨率成像存在的問(wèn)題，使得系統(tǒng)具備了臨床應(yīng)用基礎(chǔ)。

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