任天慧，吴洪军，王立伟，等•基于扫频源OCT的全眼组织参数测量系统的研制[J]. 医疗卫生装备,2021,42(3):21-27.'2I"
基于扫频源OCT的全眼组织参数测量系统的研制
任天慧，吴洪军，王立伟，李跃杰*
(中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，天津300192)
［摘要］目的：基于扫频源光学相干断层扫描(optical coherence tomography,OCT)研制全眼组织参数测量系统，用于
全眼成像和精确测量眼轴长度等眼组织参数。方法：使用基于垂直腔表面发射激光(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)的扫频激光器作为系统光源，并集成内固视灯组件和视频监视组件构建该系统。通过计算机控制图像 采集及信号处理，获得目标组织的结构图像；再通过结构图像上组织的位置信息，获得眼轴长度等生物组织参数。通
过模拟眼测试实验和对成人眼球的测量实验(与IOL Master700对比)验证该系统的性能。结果：模拟眼测试实验表明，该系统能够准确测量玻璃靶各镜片间的距离，具有很好的测量准确度;8例成人眼球测量实验表明，该系统的测
量结果与IOL Master700的测量结果具有较高的一致性。结论：该系统准确地实现了眼轴长度的测量，可满足临床测
量要求，为眼科疾病的诊断和防治提供理论依据。
［关键词］光学相干断层扫描；扫频源；眼轴长度；全眼成像技术；眼轴测量
［中国图书资料分类号］R318.6；TH786［文献标志码］A［文章编号］1003-8868(2021)03-0021-07
DOI：10.19745/j.1003-8868.2021047
Development of whole-eye tissue parameter measurement system based
on swept frequency source OCT
REN Tian-hui,WU Hong-jun,WANG Li-wei,LI Yue-jie*
(Chinese Academy of Medical Science&Peking Union Medical College Institute of Biomedical Engineering,
Tianjin300192,China)
Abstract O罚active To develop a whole-eye tissue measurement system based on swept frequency optical coherence tomography(OCT)for whole-eye imaging and precise measurement of ocular tissue parameters such as eye axial length. Methods A whole-eye tissue measurement system was built using a vertical-cavity surface-emitting laser(VCSEL)based swept-source laser as the light source,and an integrated internal fixation lamp assembly and video surveillance assembly. The system executed computer-controlled image acquisition and signal processing to obtain structural images of the target tissues,and then the biological tissue parameters such as the length of the eye axis were got from the position information of
the tissue on the structural images.The performances of the system were verified by simulated eye tests and comparion with IOL Master700in measurements on adult eyes.R^ultS Simulated eye tests showed that the system accurately measured the distance between the lenses of the glass target with high measurement accuracy;eight cases of adult eye measurement experiments proved that the
system's measurement results were in high agreement with those of the IOL Master700. Conclusion The system developed accurately measures eye axis length,which meets clinical measurement requirements and provides a theoretical basis for the diagnosis and prevention of ophthalmic diseases.［Chinese Medical Equipment Jour
nal袁2021袁42(3)：21-27］
Key words optical coherence tomography;swept frequency;eye axial length;whole-eye imaging technology;eye axis measurement
0引言
基金项目：中国医学科学院医学与健康科技创新工程-协同创新团队项目(2017-I2M-3-020)；天津市生物医学工程科技重大专项(18ZXSGSY00050)
作者简介：任天慧(1995—)，男，硕士研究生，研究方向为光学成像和医学信号处理,E-mail: tianh u***************o 通信作者：李跃杰,E-mail：liyj_1@sina
临床上很多眼科疾病会导致眼组织生物参数的改变，如先天性青光眼、闭角型青光眼、老视眼、近视眼、白内障潢斑水肿等[1-2]o眼轴长度作为眼组织的一项重要参数，可以为眼部相关疾病的诊断提供
依据[3]o在白内障摘除联合眼内人工晶状体植入手术前，需要精确测量眼轴长度，以便准确计算植入眼内人工晶状体的度数札目前，我国仍有20%~40%的白
任无慧，吴洪军，王立伟，等.基于扫频源OCT的全眼组织参数测量系统的研制[J].
医疗卫生装备,2021,42(3).：21-27.
•22-
内障患者术后的预测屈光力误差大于±0.50D，其中眼轴长度测量是影响误差的关键因素讥此外，根据国家卫生健康委员会数据显示,2018年我国儿童青少年总体近视率为53.6%间。近视程度与眼轴长度呈正相关，对儿童和青少年的眼轴长度进行监测有助于预防和近视及其引发的眼科疾病兀由此可见，高精度眼轴长度测量在眼科疾病的预防、临床诊断和中具有重要作用。
目前，眼轴长度测量方法主要有超声测量和光学测量2种。超声测量具有价格低廉和携带便捷的优点，但是由于分辨力较低叫需要接触式检测和操作复杂等因素，其测量精度较低[9-10]，且易损伤、感染设备所使用的传统傅里叶域锁模(Fourier domain mode locking,FDML),VCSEL扫频激光器具有更长的相干长度和更高的扫描频率。本文设计一种基于扫频源OCT的全眼组织参数测量系统，采用VCSEL 扫频激光器为光源，可以实现从角膜到眼底的全眼范围成像，同时设计并集成了视频监视组件
和内固视组件，确保测试人员能够固视，从而保证扫描光线与眼轴平行，实现对眼轴长度、中央角膜厚度、前房深度和晶状体厚度等眼组织参数的精确测量。
1系统设计
基于扫频源OCT的全眼组织参数测量系统包括光学成像系统、内固视组件和视频监视组件，其原
角膜。光学测量利用光学相干技术来测量眼轴长度，理图如图1所示。具有非接触、高精度和操作简单
等优势，测量结果的精确度和重复性优于超声测量方法[11-13]，而且可以避免感染。但光学测量方法易受屈光介质浑浊和固视情况的影响，在眼组织病变严重或固视不佳等情况下无法获得准确的测量数据。传统的光学测量方法主要是通过时域光学相干断层扫描(time domain optical coherence tomography, TD-OCT)测量眼轴长度，这种一维光学成像生物测量方法存在扫描速率慢、无法固视等局限性网。经过学者们的不懈研究以及光通信技术的飞速发展，全眼光学相干
光环行器1
光纤分束器110
样品臂
反射镜2
光纤分束器2
X振镜
Y振镜
振镜透镜4
准直透镜1聚焦透镜3
扫八
描
转
换
〔件I
d射
参考臂
90
光环行器2
扫频光源
LED
HAD-52UUB-S
I---
计算机
注:CCD为电荷耦合元件。
牛荫冠基于扫频源OCT的全眼组织参数测量系统原理图
图1
内固视组件
甘
.、,4
准直透镜2|_
CCD透镜6分光镜二镜
视频监视组件系统物镜眼球平衡光电放大器
干涉信号
A-TRG/k-clock
断层扫描(optical coherence tomography,OCT)技术越来越成熟。目前，市面上较为先进的光学成像生物测量仪器是德国蔡司公司的IOL Master700，其基于扫频源OCT技术，可以在整个眼球的长度范围内进行OCT成像，测量的眼轴范围为14~38mm，且对白内障患者的眼轴检出率更高同。但是此设备
价格昂贵，其对眼球局部组织的成像分辨力稍差，临床上只能用于生物组织参数测量。临床上多用于眼前节成像或眼底成像的频域OCT(frequency domain optical coherence tomography,FD-OCT)设备的探测深度多为2~3mm，但此类成像设备无法进行全眼范围成像，不能用于眼轴长度等参数的测量。
垂直腔表面发射激光(vertical-cavity surfaceemitting laser,VCSEL)扫频激光器是近年来发展起来的一种激光器，相较于已商业化的眼轴长度测量1.1光学成像系统设计
光学成像系统主要包括光路系统模块、信号采集处理模块和系统控制模块。其中，光路系统模块用于分光和产生干涉信号；信号采集处理模块对包含样品信息的干涉信号进行采集和处理，并在计算机上显示和存储；系统控制模块用于控制扫描与采集同步、控制扫描范围和扫描密度。
1.1.1光路系统模块设计
光路系统模块由光源、光纤分束器、光环行器、平衡光电放大器及光学器件组成。采用Santec公司的具有扫描频率高、相干长度长的VCSEL扫频源激光器HSL-1作为系统光源，该光源基于VCSEL技术，其发出的近红外光经过分光比为90：10的2x2光纤分束器1，被分成同波长的2束光，分别进入光环行器2和光环行器1，再对应进入样品臂和参考
任天慧，吴洪军，王立伟，等•基于扫频源OCT 的全眼组织参数测量系统的研制[J].医疗卫生装备,2021,42（3）:21-27.
° 23
Thesis
臂。进入参考臂的光经过准直透镜1将入射的点光 源调整为平行光束，平行光束通过聚焦透镜3汇聚
药膳论文到焦点上，再通过与光路垂直的反射镜1反射回原 光路，经光环行器1射入光纤分束器2o 进入样品臂
的光经准直透镜2准直后，在X 振镜和Y 振镜的反 射下通过物镜聚焦投射到被测样品，并随着振镜的
转动对样品进行2个方向的光点移动，投射到样品 的不同位置形成扫描（即三维扫描）。最后由被测样
品反射回来的带有被测样品结构信息的光经光环行 器2与参考臂反射回来的光进入50：50的光纤分束 器2发生干涉，并经平衡光电放大器将干涉信号传
输到数据采集卡。在光路系统中，对于高斯分布的光 源，系统纵向分辨力l 计算公式如下:
姿2
l c =
2ln2仔
△姿
系统探测最大深度Z mx 计算公式如下:
22
姿0姿0 'N s
7----------------
max 4n8姿 4n A A
1)
2)
式中,a 为波长分辨力;N s 为采样点数；为介质的
折射率。本文所用光源的中心波长姿0为1 060 nm , 带宽驻姿为40 nm，平均功率为15 mW ，扫描频率为
25~200 kHz o 根据光源参数计算光路系统在空气中理论l 为12.4 Rm，在眼组织中理论Z c 为9.3 Rm，在
空气中Zmx 为46.69 mm 。光路系统在实现全眼测量
的同时保持了高分辨力的优势，对眼前节或者眼底 的成像较为清晰。
1.1.2信号采集处理模块设计
信号采集处理模块主要由数据采集卡和信号 处理程序构成。平衡光电放大器将光谱信号转换成
电信号并传输到数据采集卡，数据采集卡采集数据 并上传至计算机进行数据处理，主要包括窗口补
零、散补偿、离散傅里叶变换、对数压缩以及减除 背景噪声等操作，最后生成2D 灰度图像。数据处
理流程如图2所示，具体步骤如下：（1）将光谱信号 进行模数转换生成16 bit 的二进制数据。（2）使用 切趾窗函数对数据做窗口补零，以方便后续利用离
散傅里叶变换快速获取样品深度信息。（3）利用
散补偿进行相位校正，以减小信号的半峰宽，提高 系统l o （4）通过离散傅里叶变换恢复样品各层深度
信息，通过信号强度值的变化反映样品内部的结构 信息。（5）对信号强度值取模并进行对数变换，将信
号线性压缩为8 bit 。（6）通过减去相对应的背景图 像来减除背景噪声，以减小系统误差，提高信噪比,
图2数据处理流程图
增强图像质量。（7）通过信号处理程序将处理好的
数据以2D 灰度图像的形式在显示器界面上实时 显示。
1.1.3系统控制模块设计
系统控制模块主要由计算机和控制卡组成，主 要功能是控制扫描范围和扫描密度、同步系统时钟
以及控制振镜驱动器进行扫描。具体如下（1）系统
扫描范围由振镜的偏转角度决定，而振镜的偏转角 度由加载在驱动器上的电压控制。本系统的扫描范
围为20 mm，完全满足眼组织扫描成像。系统扫描密 度指的是线间隔和帧间隔，由振镜每次偏转的幅度 决定，而偏转的幅度由1个周期三角波的个数决定, 对应X 方向的即为线数，对应Y 方向的即为帧数。
例如线数为1 024表示X 方向的1个三角波上升沿 共有1 024个点，帧数512表示Y 方向的1个三角 波的上升沿包含512个X 方向的三角波。（2）同步 系统时钟指同步扫描和采集，以光源为触发信号，通
过控制卡对三角波序列的频率和采样速率进行同步 控制。（3）对于横向X 振镜和纵向Y 振镜可以分别
用小周期三角波序列和大周期三角波序列激发。每
个小周期三角波对应大周期三角波序列中 1 个三角人体之最
波上的一点，以保证X 方向和Y 方向上的协同。三 角波序列如图3所示。通过编写程序设定振镜驱动
器的电压值、生成三角波序列、设定扫描线数和帧数 以及设定同步时钟来实现系统控制。
电压值/V 黑波形：控制X 振镜L
力量组合
!
红波形：控制y 振镜
时间/ms
图3横向X 振镜和纵向Y 振镜三角波序列图
1.2光学组件设计
为了能够更加稳定地测量人眼，本研究将光学
系统进行集成，形成一个可以在一定范围内自由移 动的测头，其结构如图4所示，实物图如图5所示。
测头朝X 和Y 方向移动使得扫描光线的中心对准 瞳孔中心，保证光线穿过角膜映光点并使角膜映光 点呈现在窗口正中；测头朝Z 方向移动保证显示界
面可以完整地对全眼成像。 本研究在系统中设计集
成了内固视组件和视频监视组件，确保被测人员能
任天慧，吴洪军，王立伟，等•基于扫频源OCT的全眼组织参数测量系统的研制［J］.
*24*医疗卫生装备,2021,42（3）：21-27.Thesis 可
移动测头
物
可
升
降
支
架—连接线
底座
测头结构图
图4
图5测头实物图够进行固视，从而保证眼轴长度测量的准确性。
1.2.1内固视组件设计
在光学眼组织测量中，能否测量到真视轴对于测量结果准确性有很大影响。为了准确地测量眼轴长度，需保证扫描光线与视轴处于同一水平面。在眼科学中
眼轴又称为视轴，当人眼紧盯一点时，该点与黄斑中央凹的通路就是视轴所在的方向。据此设计内固视灯组件，由聚焦透镜5和蓝可见光LED组成。可见光穿过分光镜和系统物镜进入人眼，被测人员在
测试中紧盯固视灯以保证固视点到黄斑中央凹的通路与从样品臂射入人眼的扫描光线夹角为零，即平行于Z方向，此时眼轴所在的直线与显示窗口的水平面垂直。
1.2.2视频监视组件设计
为了能够检查被测人员固视是否良好，还设计了视频监视组件。该组件由聚焦透镜6和电荷耦合元件、charge-coupled device,CCD）以及定焦镜头组成，通过定焦镜头对角膜处进行实时成像,CCD将图像信号通过USB接口传输至计算机，通过显示窗口可以实时观察被测人员的角膜位置。实时视频图像中还可以观测到由内固视灯在角膜上的反射点形成的光斑，如图6所示。操作人员通过观察光斑是否与瞳孔共中心来确定被测人员是否进行良好的固视，从而初步确定眼轴位置。在光斑与瞳孔共中心的情况下微调测头的位置，当显示窗口中呈现岀经过角膜映光点垂直入射的光线时，便可精确确定眼轴的位置。
2测量方法
人眼是一个复
杂的结构。根据眼
组织生理解剖学,
眼轴长度是指角膜
前表面至视网膜黄
斑中央凹的距离,
包括中央角膜厚
度、前房深度、晶状
体厚度及玻璃体腔
注：红框所示白点即为光斑。
图6实时视频图像示例
长度等［2］。结合眼视光学领域对眼模型的研究成果，可以通过测量其内部结构曲面分界处和屈光介质精确的光学特征参数来计算人眼模型各结构和介质的平均折射率叫本研究选择以Escudero-Sanz与Navarro提岀的五面大视场人眼光学模型口中计算岀的折射率为参照，以测量眼组织参数。表1为该模型各个结构的具体参数M。
表1大视场人眼光学模型各个结构的具体参数［17］
面型
折射率结构
半径/mm非球面系数
厚度/mm
角膜
前表面7.72-0.26
ttp0.50 1.3777
后表面 6.500
房水—— 3.05 1.3391
晶状体
前表面10.20-3.1316
4 1.4222
后表面-6.00-1.0
玻璃体——16.3203 1.3377
视网膜-12.000——
利用本文研制的全眼组织参数测量系统测量眼轴长度等眼组织参数通过内固视灯组件和视频监视组件精确确定眼轴位置时，立刻采集原始数据。将原始数据经过数据处理最终生成2D灰度图像。在 扫描过程中，设定采样点数为4096，即生成图像的纵向像素点为4096个。根据参数可算岀生成图像的纵向像素间隔为0.0114mm。在图像上测量眼组织参数，具体步骤如下:（1）对图像进行高斯滤波，降 低图像噪声;（2）对图像进行先膨胀后腐蚀操作，保证组织边缘轮廓的连续;（3）进行二值化处理，以便边缘提取;（4）利用Sobel边缘提取方法获得图像各处组织边缘，比如角膜上表面、角膜下表面、晶状体上表面、晶状体下表面以及视网膜黄斑中心凹;（5）…，二乘法：合上述组织表面的曲线，再求岀各表面与过角膜映光点的亮线的交点坐标。在计算某组织长度时，先计算岀该组织在眼轴所在直线上的起始位置和终点位置的像素坐标，其纵坐标的差值
任天慧，吴洪军，王立伟，等•基于扫频源OCT的全眼组织参数测量系统的研制［J］.
医疗卫生装备,2021,42（3）:21—27. '25 Thesis
就是该组织长度所占像素点的个数，像素点的个数乘以每个像素点的长度得到该组织的光学通路长度。光学生物测量中，需要将光学通路长度转换为几何光学长度。根据大视场人眼光学模型的结构参数表，再除以相应的折射率，便可得到该组织的实际长度。
在具体测量中，先到图像中角膜上表面的映光点，记录该点的坐标T（x1,yj，将该点与黄斑中央凹连线，依次相交角膜下表面于x2,y2）、交晶状体上表面于T（久3，丁3）、交晶状体下表面于丁4（x”y4），最后记录黄斑中央凹的坐标T（x5,y5）o人眼组织的2D 图像及各坐标点如图7所示，依次计算各层次厚度，记中央角膜厚度为H1、前房深度为弘、晶状体厚度为乩、眼轴长度为乩，计算公式如下：
H1=(y2-y)x0.0114/n角膜(3)
H2=(y3-y2)x0.0114/n房水+H1(4)
H3=(y4-y3)x0.0114/n晶状体(5)
乩=(丁5-丁4)伊0.0114/n玻璃体+H2+H3(6)式（3）~（6）中，"角膜、房水、晶状体和n玻璃体分别为角膜、前房、晶状体和玻璃体的折射率。
注:T为角膜上表面的映光点，将该点与黄斑中央凹连线，依次相交角膜下表面于T”交晶狀体上表面于T,、交晶狀体下表面于T,,T5为黄斑中央凹的坐标；H为中央角膜厚度,H为前房深度,H为晶狀体厚度,H4为眼轴长度。
图7人眼组织2D灰度图像及各坐标点
在计算眼轴长度时，除了采用上述分段测量再相加的方式外，还可以通过角膜上表面到黄斑中央凹的距离直接测得，但需要讨论人眼平均折射率的问题。Hitzenberger等［18］根据Gullstrand模型眼推导得出全眼在近红外波长照射下平均折射率n为1.3549，考虑到本系统的扫描光线中心波长为1060nm，故采用1.3549作为人眼平均折射率。由此得到眼轴长度H的计算公式为
H5=（y5-y1）x0.0114/n（7）3实验验证
3.1模拟眼结构测量
本研究利用玻璃靶制作了模拟眼结构模型。该结构模型由5块屈光度标准但厚度不同的平面玻璃镜片以一定距离组装在视度筒内，用于模拟眼角膜、晶状体结构和视网膜反射层，如图8所示。玻璃片标
称折射率为1•516o经千分尺测量,5块玻璃镜片的厚度分别为0.504、1.231、1232、1.233和0.993mm，第1块和第2块、第4块和第5块玻璃镜片的间距分别为3.943和23.021mm。依据上述眼组织生物参数测量的方法利用本系统对模拟眼结构采集10组数据，并对10幅图像依次进行测量，分别测出5块玻璃镜片的厚度人1、2、3、4、5以及间隔t1和t2，并求出平均值，测量结果详见表2o
h|力2尼九尼
注：汕、2、3、4和加为5块玻璃镜片的厚度；1为第1块和第2块玻璃镜片的间隔,t2为第4块和第5块玻璃镜片的间隔。
表2模拟眼结构模型测量结果亠
单位:mm
图8模拟眼结构示意图
参数标定值测量结果
0.5040.504土0.000
1.231 1.231±0.011
1.232 1.232土0.010
人口模型h 1.233 1.232±0.007
h50.9930.993±0.007
t 3.943 3.943±0.030
t2
23.02123.023±0.043
注：局、2、尼、4和h5为5块玻璃镜片的厚度；1为第1块和第2块玻璃镜片的间隔,t2为第4块和第5块玻璃镜片的间隔。
由表2测量结果可知，本系统测量准确度较高，重复性较好，测量精度符合眼轴长度测量要求。
3.2人眼测量
本系统激光输出控制在角膜处入射功率1.5mW 以内，在符合美国国家标准学会（American National Standards Institute,ANSI）安全标准的同时满足测量要求。招募4名课题组志愿者作为本次实验的受试
者，利用本系统对4名受试者的左右眼进行测试，共获得8例眼组织参数数据。测试时受试者端坐于测量系统前，下颌和额部贴紧颌托和额托，受试者紧盯系统内蓝固视灯保证眼轴方向与扫描线Z轴方向平行，操作者不断调整物镜位置使全眼组织图像能够完整地呈现在显示界面中。同时通过观察视频监视组件的界面来确定固视灯的光线是否穿过瞳孔中心，再结合显示界面中光线是否穿过角膜映光点并在界面上形成一条亮线，以实现对眼轴长度的精准测量。
首先分段计算出中央角膜厚度H1、前房深度弘、晶状体厚度H3和眼轴长度也，之后根据平均折射率"用公式（7）计算出眼轴长度乩。为减小偶然误
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议