高分辨率眼科頻域光學相干層析成像儀的研究與設計

溫博，周傳清，任秋實上海交通大學生命科學技術學院生物醫學工程系，上海， 200240

高分辨率眼科頻域光學相干層析成像儀的研究與設計

【作 者】溫博，周傳清，任秋實上海交通大學生命科學技術學院生物醫學工程系，上海， 200240

本文根據頻域光學相干層析成像的原理，設計并開發了基于眼科常用的裂隙燈顯微鏡的實用化光學相干層析成像儀。文中詳細介紹了該診斷儀器的總體結構，對儀器設計中需要重點考慮的上位機與下位機的通信、固視燈與參考臂模塊的設計和抗干擾措施三個方面的問題進行了詳述。

頻域光學相干層析成像；上位機與下位機的通信；固視燈；參考臂；抗干擾

眼睛是心靈的窗口，人們可以通過它來表達各種情感并體現內在與外表之美，而在信息爆炸的當今社會，眼睛更是收集信息的最強助手。眼睛如此重要，眼病的診斷與治療自然成為醫療領域的一項重要課題。在眾多眼病當中，青光眼、黃斑部病變等疾病的觀察與診治無疑是較為困難的，對于此類疾病的早期診斷，醫生需要較為準確的觀測視網膜的變化[1]，卻又不宜直接擴瞳觀察視網膜，因此比較棘手。光學相干層析成像技術[2]（Optical Coherence Tomography, OCT）恰恰有效的解決了這一問題。

光學相干層析成像技術是繼X射線CT、超聲診斷和MRI等技術之后的又一種新的層析成像法。其基礎為低相干干涉測量，最早來源于網絡故障檢測的光學相干域反射測量技術OCDR(Optical Coherence-Domain Reflectometry)[3]。它利用弱相干光干涉儀的基本原理，檢測生物組織不同深度層面處由入射的弱相干光產生的背向反射或散射信號，配合橫向掃描即可得到生物組織2維或3維高分辨微觀結構圖像，是一種非侵入、無損傷、高分辨率、重復性好并可在體檢測生物組織內部微結構的生物醫學光學成像技術，已被臨床醫師廣泛認同和接受[4]。近年來，快速發展起來的頻譜OCT技術[5,6](Spectral Domain OCT, SD-OCT)與傳統時域OCT技術相比，由于具有高速度和高靈敏度的優點，更適合生物組織的在體成像，代表了光學相干層析成像技術的發展方向。

上海交通大學激光與光子生物醫學研究所在借鑒國內外相關產品的基礎上，自主研發、生產了一種高分辨率眼科光學相干層析成像儀，在技術指標上達到了國際同類產品的水平，它可用于眼后段結構（包括視網膜、視網膜神經纖維層、黃斑和視盤）的在體查看、軸向斷層和3維成像以及測量，是特別用作幫助檢測和管理眼疾（包括但不限于黃斑裂孔、黃斑囊樣水腫、糖尿病性視網膜病變、老年性黃斑變性和青光眼）的診斷。

本文首先介紹了頻域相干層析成像技術的基本原理，然后介紹了基于該原理設計開發的一種高分辨率眼科光學相干層析成像儀的總體結構，并著重對儀器設計中較為重要的上位機與下位機的通信、固視燈與參考臂等模塊的設計以及抗干擾措施等三個方面進行了探討。

1 檢測原理

傳統的時域OCT為了得到深度圖像，需要移動參考臂來進行縱向掃描，因此其采集的速度受到了一定的限制。頻譜OCT作為時域OCT發展的結果，避免了參考臂的縱向掃描，可以實現非常高的采集速度，使掃描成像時間大為縮短，擁有了成像速度快以及探測靈敏度高等優勢，因而更加適合生物組織的實時成像[7]。

典型的頻譜OCT其結構圖如圖1所示，它的核心部分是邁克爾遜干涉儀和光譜儀。寬帶光源如（SLD）發出的光波被光耦合器件分束后，一束進入參考臂照射在反射鏡上反射回來成為參考光，另一束則進入樣品臂照射到樣品上發生背向散射返回形成樣品光。這樣兩束光又重新在光耦合器件中相遇并發生干涉，因為從樣品臂返回的樣品光可以將其視為多個不同深度處產生的后向散射光的疊加，在與參考光發生干涉之后，就會產生干涉條紋。此干涉信號的頻率編碼中即含有樣品的深度信息，由衍射光柵和CCD共同組成的光譜探測系統對其檢測接收并輸到數據采集卡，在計算機中進行傅里葉變換以后便得到了樣品不同深度處的信息，再配合橫向掃描，即可重建視網膜的3維圖像。

圖1 頻譜OCT系統[8]Fig.1 SD-OCT System

2 儀器設計

2.1系統總體結構

為了實現用以上原理達到檢測目的，快捷有效的實施眼底診斷，我們開發設計了一種高分辨率眼科頻譜光學相干層析成像儀器，其總體結構如圖2所示，主要包括控制與顯示模塊、出光模塊、固視燈模塊、參臂模模塊、掃描模塊和采集模塊等。

圖2 系統結構Fig.2 System Structure

控制與顯示模塊是整個系統的核心，由一臺預裝了我們自主開發的OCT系統控制專用軟件的電子計算機（PC）擔任，主要用于協調各個模塊工作，根據用戶發出的指令對每個模塊進行控制，并能對采集到的數據進行處理、存儲和顯示，最終實現預期的眼底檢測結果。整個系統通過一套由不同供電設備組成的電源組對各模塊分別供電，以滿足各模塊對電源參數的不同需求。出光模塊采用低相干寬帶光源，輸出檢測所需的840 nm紅外光，并能實時進行能量調節與開關，以確保出光安全性和最佳檢測效果。固視燈模塊負責引導患者眼球作出適當轉動，以方便觀察者從最佳角度進行眼底觀測。參考臂模塊包含一臺精密步進電機，可調節用于反射參考光的平面鏡的位置，從而達到理想的觀測效果。掃描模塊包含了X、Y兩方向的掃描振鏡，由專門的振鏡驅動板進行調控，完成對人眼的橫向掃描。采集模塊為高分辨率光譜儀，內含衍射光柵和線陣CCD，參考光與樣品光在此干涉產生干涉條紋，由CCD捕獲后傳入控制與顯示模塊，經處理后便得到所需的檢測圖像。

整套設備按照一定的流程進行工作。在開啟PC上的專用配套軟件后，將對各硬件設備進行上電和初始化，并檢測系統狀態是否正常，若檢測到異常則系統將會彈出警告框，同時顯示相應的報錯信息。如果沒有檢測到任何異常現象，系統將進入工作界面，并讀出上次診斷存儲的參數。再進行完相關信息（如患者信息等）錄入后，開始對出光模塊、參考臂模塊和固視燈模塊進行調節，以達到最佳檢測效果。最后下達掃描和采集指令，設備將采集到的數據送入PC進行處理與顯示，供使用者分析和存儲，然后進入下一個工作循環。

在儀器的設計環節中，上位機與下位機的通信，固視燈與參考臂等模塊的設計以及抗干擾措施是三個重要的方面，以下將分三個小節對這三方面的進行著重闡述。

2.2上位機與下位機的通信

PC在對固視燈、參考臂等模塊進行控制時，要先對單片機下達指令，再由單片機的引腳實現對各個功能部件的控制。在上位機（PC）與下位機（MCU）的通信上，我們選擇了功能強大的CH375芯片。它是一款USB總線的通用接口芯片，支持HOST主機方式和SLAVE設備方式。在本地端，CH375具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機、DSP等控制器的系統總線上。這里我們采用設備模式進行工作，可由一臺PC通過USB數據線連接多個MCU來進行指令與數據的傳輸，實現對各個子模塊相對獨立的控制，如圖3所示。具體工作流程如下：

圖3 上位機與下位機通信示意圖Fig.3 Communication between PC and MCU

MCU端上電后先對CH375進行初始化（包括重置、工作模式設定和設備代號設定等），并為其分配存儲單元，用于數據收發，隨后MCU進入等待狀態；PC端調用CH375提供的API函數對其進行開啟、識別、編號和收發數據等操作，并產生中斷信號；MCU響應中斷后接收數據并執行相應模塊（固視燈、參考臂等）子程序，并對PC端發送必要的反饋數據，從而完成上位機與下位機之間的通信。

通過CH375芯片，可以方便快捷地對其連接的設備進行編號并單獨控制，既清晰地將各個模塊區分開來，也為日后設備的功能拓展和模塊添加提供了有力的技術支持。

2.3固視燈與參考臂模塊的設計

固視燈模塊 由一塊32×16的黃綠色LED點陣組成。PC通過配套軟件對基于單片機的MCU-1發送指令，從而完成對固視燈的實時控制。它能在點陣的任意位置點亮一個由LED燈組成的“十”字形“光標”，并能向任意方向移動，患者通過觀察此“光標”即可使眼球進行適當的轉動，以利于醫生對其眼底進行更好的觀測。為方便醫生更好的調控，計算機顯示器上還將以“點陣圖”的形式實時地顯示LED點陣當前的點亮狀態。該模塊具體工作流程為：① MCU上電后通過譯碼選擇的方式選中默認設定的LED燈，并以掃描的方式點亮整個“十”字“光標”（共9盞燈）；② 在PC端的操作界面中點擊方向鍵或直接選擇指定點，由程序計算出相應碼值發送給MCU；③ MCU接收數據后關閉當前LED燈，由譯碼方式點亮新的LED“十”字“光標”，并等待下一次操作。

參考臂模塊 采用HML公司生產的系列混合式直線步進電機，帶動反射參考光的平面鏡。PC端通過配套軟件的操作界面對基于單片機的MCU-2發送指令，實現對精密步進電機的實時控制，使其可以向正反兩方向進行微米級的單步或連續移動，從而使平面鏡的位置作出同步調節，改變參考光的光程，得到最佳觀測效果。為方便醫生更好的調控，計算機顯示器上還將以“滑塊圖”的形式實時地顯示電機當前的行進位置。該模塊具體工作流程為：① 從PC端的操作界面按下移動方向鍵（單步或連續），發送電機移動命令碼。MCU端接收命令后，進入電機模塊子程序，對電機執行開啟、方向設定和移動操作，同時將移動量數據寫入FLASH存儲區；② 從PC端的操作界面抬起移動方向鍵，發送電機停止命令碼。MCU端接收命令后，對電機執行停止操作，同時將FLASH區記錄的數據反饋給PC端；③ PC端根據反饋數據改變操作界面中滑塊的位置以達到模擬效果（若電機移動到端點則會觸發限位開關，此時將立即對電機執行關閉操作，同時對FLASH區移動量數據重置，并反饋給PC端進行滑塊模擬）。圖4為專用配套軟件中用于控制固視燈與參考臂模塊的操作界面。

圖4 固視燈與參考臂模塊操作界面Fig.4 Operator Interface for modules of fixation lamp and reference arm

2.4抗干擾措施

因為儀器內部不同的模塊之間存在著相互干擾，而應用環境中的其他設備也可能產生干擾，這就會使儀器不能正常工作，因此必須在系統設計上采取必要的抗干擾措施。

首先在MCU的設計上，選用了有超強抗干擾特性的單片機芯片STC89C58RD+。該款芯片具有以下抗干擾特性：輸入/輸出口經過特殊的處理，各端口均有對VCC/GND二級管鉗位保護，消除了從I/O處進入的干擾；電源供電系統以及時鐘電路也經過特殊的處理，能夠有效防止由電源和時鐘部分進入的干擾；具有經特殊處理的看門狗電路，打開后即無法關閉，因此可省去外部看門狗；復位電路同樣經過特殊處理，防止由通過復位電路進入的干擾；寬電壓（5.5V～3.4V），抗電源抖動；高抗靜電（高ESD保護），可輕松通過4000V快速脈沖干擾（嚴格的日本及歐洲EFT標準[9]）。

其次在本設備中采用了雙MCU的控制方式，并選用CH375通信芯片實現了上位機（PC）與下位機（MCU）間的指令與數據傳輸。固視燈模塊中的LED“十”字“光標”需要以時鐘周期掃描的方式進行點亮，而參考臂模塊中的步進電機也需要時鐘信號進行開動，若兩時鐘信號由同一單片機提供，且單片機還需響應上位機發來的中斷請求來進行指令與數據的交換，這樣各個信號之間可能會產生重疊和干擾，不利于功能的有效實現，而且會使程序的編寫較為復雜。采用雙MCU分別控制兩模塊的運行可以簡單有效的解決這一問題，既使兩模塊得以相對獨立的工作而不受彼此的干擾，又使得軟件的更新與維護更加方便快捷。

表1 性能參數表Tab.1 Performance Parameters

3 結果與討論

由實驗測得的該儀器主要性能參數如表1中所示。

本文根據頻譜OCT原理完成了一種高分辨率眼科頻譜層析成像儀的設計與開發，對儀器整體結構和設計中需要著重考慮的三個方面分別進行了闡述。經反復測試，該儀器在整機運行的穩定性、可靠性以及采集到眼底圖像的分辨率和清晰度等方面均達到了眼科診斷的要求，具有良好的醫療應用前景。

[1] Swanson, E.A., et al. In vivo retinal imaging by optical coherence tomography. Opt Lett, 1993, 18(21): 1864-1866.

[2] Huang, D., et al. Optical coherence tomography. Science, 1991, 254(5035): 1178-1181.

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[9] 盧善好, 吳開杰, 牛金海, 任秋實. 寬譜紅外光(1100～1800 nm)嫩膚儀的研究與設計. 中國醫學物理學雜志, 2009, 26(6) : 1508-1512.

光學節律器調控心臟跳動

新型的光學節律器是利用激光脈沖來控制胚胎的心臟跳動。實驗是用一種光纖向2～3天大的鵪鶉胚胎的心臟釋放1～2μ長的紅外光脈沖，心臟的跳動逐步與激光脈沖同步。而且會隨著激光脈沖頻率的增加或降低而發生變化，直至與激光脈沖的頻率相同。這是Michael Jenkins和Andrew Rollins與同事合作，用激光脈沖控制活體心臟的律動。

應用光學方法無創地控制心臟病仍需實踐驗證，但至少它為應用這種方法用于人體心臟提供可行性。

（本刊訊）

Study and Design of Spectral Domain Optical Coherence
Tomography -Based High-resolution Ophthalmic Imaging System

【Writers】Wen Bo, Zhou Chuanqing, Ren Qiushi Department of Biomedical Engineering, School of Life Science &Technology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China

SD-OCT; communication between PC and MCU; fi xation lamp; reference arm; anti-interference

】According to the mechanism of spectral domain optical coherence tomography, this paper gives a design and development of a practical OCT imaging device based on slit-lamp microscopic widely-used in ophthalmology. The paper details the device's architecture and three key points in design: communication between PC and MCU, how to design modules of fi xation lamp and reference arm and anti-interference measures.

1671-7104(2010)05-0339-04

2010-05-12

上海市科委重點項目（07dz22010）

任秋實，E-mail: renqsh@sjtu.edu.cn

R445

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.05.007

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