眼軸長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊梅 王成 李丕丁 張宇寧 鄭剛 張大偉

摘要：眼軸長(zhǎng)度與屈光不正、白內(nèi)障等常見(jiàn)眼科疾病有密切關(guān)系，精確測(cè)量眼軸長(zhǎng)度對(duì)眼科疾病的預(yù)防及治療具有重要的意義。為實(shí)現(xiàn)眼軸長(zhǎng)度安全有效的光學(xué)測(cè)量，入射光強(qiáng)度不能超過(guò)安全限度，同時(shí)人眼眼底反射出來(lái)的光只有入射光的10^-5～10^-4。為此基于光學(xué)方法的眼軸長(zhǎng)度測(cè)量的弱光探測(cè)，設(shè)計(jì)了一種基于外差干涉測(cè)量的眼軸長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)硬件部分采用PIN光電二極管將弱光信號(hào)轉(zhuǎn)化成易于處理的弱電信號(hào)，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)低噪聲、高性能的弱信號(hào)處理電路，并選用MaX 10系列的10M25sAE作為主控芯片處理信號(hào);軟件部分采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)量系統(tǒng)可以對(duì)眼軸長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)有效且穩(wěn)定的測(cè)量。

關(guān)鍵詞：眼軸長(zhǎng)度;弱信號(hào);外差干涉;測(cè)量

中圖分類號(hào)：TB96 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言

臨床上，常用的眼軸長(zhǎng)度測(cè)量方法主要有超聲測(cè)量法和光學(xué)測(cè)量法。雖然超聲生物測(cè)量法被廣泛使用，但仍有許多限制，如需要麻醉和接觸式測(cè)量，會(huì)使受測(cè)者增加交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)對(duì)操作者有嚴(yán)格的要求，并且測(cè)量結(jié)果小于實(shí)際的眼軸長(zhǎng)度。光學(xué)生物測(cè)量所測(cè)得的眼軸長(zhǎng)度為沿視軸方向從淚膜到視網(wǎng)膜色素上皮層的距離，相比于超聲測(cè)量結(jié)果更接近真正意義上的視軸。光學(xué)測(cè)量方法主要是基于光學(xué)相干技術(shù)的測(cè)量，目前應(yīng)用較廣的人眼測(cè)量光學(xué)儀器有IOL Master（德國(guó)，Carl Zeiss公司）、OA-1000（日本，Tomey）及Lenstar LS 900（瑞士，HAAG-ATREIT公司），它們分別基于部分相干干涉原理（PCI）和低相干反射測(cè)量原理（OLCR）。光學(xué)測(cè)量無(wú)需接觸眼睛，安全方便，速度快且具有更高的分辨率和精度（可精確到10um）。

本文針對(duì)眼軸長(zhǎng)度測(cè)量，設(shè)計(jì)了一套眼軸長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件設(shè)計(jì)中采用PIN光電二極管作為光電探測(cè)器，并設(shè)計(jì)一套信號(hào)處理電路，檢測(cè)從眼球前后表面反射回來(lái)的兩組干涉信號(hào)，并由磁柵尺位移傳感器記錄下兩組干涉信號(hào)之間參考臂運(yùn)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)的距離，即眼球前后表面的光學(xué)距離。干涉信號(hào)包絡(luò)信息和位置信息傳給軟件部分進(jìn)行處理，然后根據(jù)眼球屈光介質(zhì)的平均折射率可以計(jì)算得到眼軸長(zhǎng)度。

1測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1硬件整體設(shè)計(jì)

從眼睛各界面的反射光來(lái)分析，最外層界面（角膜前表面）的反射光的光強(qiáng)大于眼內(nèi)其他界面的反射光，而眼軸長(zhǎng)度測(cè)量中的一個(gè)重要干涉信號(hào)來(lái)自視網(wǎng)膜色素上皮層即眼球后表面，該表面的反射光相對(duì)較弱（有研究表明人眼角膜前表面反射的雜散光是視網(wǎng)膜有效反射率的10～100倍）。本系統(tǒng)采用光纖進(jìn)行空間條紋提取，光纖芯徑為62.8um，接收干涉圖樣中的某一級(jí)干涉條紋。這些因素都直接影響眼球前表面和后表面信號(hào)的強(qiáng)度，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)低噪聲高性能的弱信號(hào)處理電路。

結(jié)合弱信號(hào)特點(diǎn)和測(cè)量系統(tǒng)要求，本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

該電路將PIN光電二極管探測(cè)到的弱光信號(hào)進(jìn)行選頻放大至百毫伏量級(jí)，便于控制系統(tǒng)量化采樣。PIN光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于處理的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)并進(jìn)行放大，以便于觀察直流本底信號(hào)，協(xié)助光路調(diào)節(jié)。高通濾波器負(fù)責(zé)濾除直流本底信號(hào)以及有效干涉信號(hào)頻率以外的信號(hào)。由于眼球前后表面返回的光強(qiáng)大小具有明顯的差別，常規(guī)的線性放大電路極易使得前表面的信號(hào)滿偏，干涉信號(hào)會(huì)失去其明顯的幅值特征，影響最終的測(cè)量值。因此采用增益自動(dòng)控制的非線性放大電路，即前表面的信號(hào)強(qiáng)，采用小放大倍數(shù)，后表面的信號(hào)弱，電路自動(dòng)切換成高增益模式。帶通濾波器用于提取干涉信號(hào)，干涉信號(hào)再通過(guò)同相比例放大電路輸出至模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

1.2前置放大電路設(shè)計(jì)

弱信號(hào)處理電路的靈敏度依賴于光電探測(cè)器的選擇，高靈敏度的光電探測(cè)器可以探測(cè)到更加精確的弱信號(hào)。本系統(tǒng)采用的光電探測(cè)器是北京敏光科技生產(chǎn)的LSSPD-0.5的P1N光電二極管，該光電二極管具靈敏度高和暗電流小的特點(diǎn)，響應(yīng)率為0.45 mA/mW，可用于400～1100nm波長(zhǎng)的微弱光信號(hào)檢測(cè)。該P(yáng)1N光電二極管可以將nW級(jí)的弱光信號(hào)轉(zhuǎn)化為nA級(jí)的電流，但需要前置放大電路將該電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)并進(jìn)行放大，以利于后續(xù)電路中信號(hào)的獲取，因此該前置放大電路的設(shè)計(jì)尤為重要。

集成運(yùn)算放大器AD8066具有低噪聲和精密失調(diào)特性，特別適合作光電二極管的電流/電壓（I/v）轉(zhuǎn)換放大器。AD8626是一種JFET型輸入放大器，其單位增益穩(wěn)定，輸入電壓噪聲為17.5 nV/根號(hào)HZ，最大失調(diào)電壓為500uv，輸入偏置電流僅為1 pA，適合用于本系統(tǒng)的前置放大電路。圖2為本系統(tǒng)的前置放大電路，包括兩級(jí)：第一級(jí)為帶有100 kΩ電阻的I/V轉(zhuǎn)換電路，既可以實(shí)現(xiàn)電流電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換又可以獲得較大的放大倍數(shù);第二級(jí)為同相比例放大電路，采用二級(jí)運(yùn)算放大器串聯(lián)的同相放大結(jié)構(gòu)，每一級(jí)的放大倍數(shù)等于RF/RG+I，可以通過(guò)調(diào)整電阻RF改變放大倍數(shù)。經(jīng)過(guò)P1N光電二極管和該前置放大電路，nW級(jí)的弱光信號(hào)可以輸出為mV級(jí)的電壓信號(hào)。

1.3帶通濾波電路設(shè)計(jì)

該眼軸長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)中外差干涉信號(hào)作為載頻進(jìn)入電路，當(dāng)直流電機(jī)與導(dǎo)軌相配合控制參考臂以45 mm/s的速度勻速移動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的特征頻率為115 kHz。利用ADI濾波器設(shè)計(jì)向?qū)гO(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為115 kHz、通帶為30 kHz的八階巴特沃茲帶通濾波電路，如圖3所示。通過(guò)該部分電路，可以提取干涉信號(hào)并濾除帶寬范圍外的噪聲。

1.4主控芯片模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇Max 10系列中的10 M25SAE作為主控芯片，其內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、片上閃存（FLASH）、可編程邏輯陣列（LABs）及基本輸入輸出等。其中，內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器不僅可以滿足本系統(tǒng)的工程需求，而且能夠減小印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)面積，降低電路設(shè)計(jì)的難度。

弱信號(hào)處理電路的輸出信號(hào)在傳送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入引腳時(shí)，如果輸入信號(hào)線走線不合理，輸入信號(hào)之間的串?dāng)_相對(duì)較大，進(jìn)而影響測(cè)量精度。因此在PCB設(shè)計(jì)時(shí)要遵守兩個(gè)設(shè)計(jì)原則：（1）電源線和地線盡可能粗短，輸入信號(hào)線不平行于電源線、地線及數(shù)字IO口走線;（2）外接電源串聯(lián)磁珠接至電源引腳，并聯(lián)一個(gè)10uf電容接地，組成一個(gè)RC低通濾波器，以抑制電源線上的高頻噪聲，同時(shí)電源引腳使用100 nF去耦電容。

2測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1軟件整體設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括初始化、系統(tǒng)自檢、干涉信號(hào)處理和串口通信等部分。系統(tǒng)上電后，初始化相關(guān)功能模塊，根據(jù)串口接收的指令執(zhí)行系統(tǒng)自檢，自檢通過(guò)則等待串口傳送的上位機(jī)其他指令（如眼軸長(zhǎng)度測(cè)量指令），內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集干涉信號(hào)并用峰值檢波算法提取干涉信號(hào)的峰值，最后將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

2.2干涉信號(hào)峰值檢波程序設(shè)計(jì)

眼軸長(zhǎng)度測(cè)量依賴于對(duì)干涉信號(hào)的有效識(shí)別，干涉信號(hào)呈現(xiàn)高斯分布形狀，記錄其峰值信息。該干涉信號(hào)是由光干涉形成的載波調(diào)制信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)解調(diào)電路才能提取包絡(luò)信號(hào)的峰值。常用的模擬型解調(diào)電路是由二極管、電容與電阻共同構(gòu)成的RC充放電式的檢波電路，由于二極管的存在使得該電路具有門限電壓，降低了信號(hào)處理模塊的動(dòng)態(tài)輸入范圍，另外模擬電路容易受到外界干擾，也增加了后續(xù)處理的難度。Max 10具備豐富的可編程邏輯和內(nèi)置的高采樣率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可直接使用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路解調(diào)，并將其包絡(luò)信號(hào)存放至緩沖區(qū)，通過(guò)峰值檢測(cè)算法計(jì)算出該波形的峰值，可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

干涉信號(hào)的數(shù)字解調(diào)模塊使用VHDL語(yǔ)言（一種用于電路設(shè)計(jì)的高級(jí)語(yǔ)言）進(jìn)行編寫，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字化后的干涉信號(hào)先去除直流分量，再將非正信號(hào)取反，實(shí)現(xiàn)波形取絕對(duì)值的功能，再通過(guò)數(shù)字低通濾波器實(shí)現(xiàn)解調(diào)功能，并將數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)以供軟核處理器使用。

在實(shí)驗(yàn)中采用示波器顯示測(cè)量得到的干涉信號(hào)，展開(kāi)后的信號(hào)寬度約1 ms，故配置20 us定時(shí)器中斷，并構(gòu)造一維數(shù)組（包含50個(gè)元素）用來(lái)存放轉(zhuǎn)換出的數(shù)字。通過(guò)窗口滑動(dòng)比較數(shù)組內(nèi)50個(gè)數(shù)的數(shù)值，找到波形的峰值并保存，同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)位置磁柵尺的讀數(shù)。峰值檢測(cè)算法的流程如圖4所示。

2.3串口通信程序設(shè)計(jì)

為了方便快速識(shí)別有效數(shù)據(jù)包，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，系統(tǒng)自定義一套用于PC機(jī)與下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，包括幀頭、幀尾、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、有效數(shù)據(jù)及求和校驗(yàn)等。幀頭為兩個(gè)字節(jié)的數(shù)組uart_buff[o]和uart_buff[I]，當(dāng)串口緩存區(qū)的數(shù)據(jù)uart buff[O]=Ox55且uart buff[1]=OxAA時(shí)，認(rèn)為該數(shù)據(jù)包為有效數(shù)據(jù)，第三個(gè)字節(jié)表明該數(shù)據(jù)包的類型，下位機(jī)根據(jù)命令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)的有效性，采用蔡司公司的模擬眼作為被測(cè)樣品，該標(biāo)準(zhǔn)模擬眼的軸長(zhǎng)為20.80mm，其折射率約為1.384 6，通過(guò)MS0400系列示波器直接顯示各級(jí)輸出波形。參考人眼激光安全規(guī)定，設(shè)定激光器輸出電壓為5 v，采用索雷博公司的光功率計(jì)（型號(hào)為PM100D）測(cè)得此時(shí)790mm波長(zhǎng)的紅外光進(jìn)入模擬眼的光功率為710uw，測(cè)得經(jīng)眼球內(nèi)部反射回來(lái)的光功率為80 nW。通過(guò)系統(tǒng)中的弱信號(hào)處理電路，得到眼球前表面和后表面干涉信號(hào)分別為1 880 mV和900 mV，如圖5所示。

通過(guò)精度為5 um的磁柵尺位移傳感器得到兩個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的位置信息，分別記為D1和D2，則被測(cè)器件的光學(xué)長(zhǎng)度L表達(dá)式為：L=D2-D1。根據(jù)光學(xué)長(zhǎng)度和折射率，可以得到被測(cè)物的物理長(zhǎng)度。任意選取10組模擬眼眼軸長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，如表1所示。

測(cè)量結(jié)果顯示，該系統(tǒng)測(cè)量誤差為±0.0 1mm。因此，該測(cè)量系統(tǒng)可以穩(wěn)定地探測(cè)到模擬眼的眼軸前表面及后表面信號(hào)，并通過(guò)與其他機(jī)械結(jié)構(gòu)配合得到模擬眼的眼軸長(zhǎng)度。

4結(jié)論

本文基于外差干涉原理，設(shè)計(jì)了一套用于測(cè)量眼軸長(zhǎng)度的測(cè)量系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇帶寬為30 kHz、中心頻率為115 kHz的八階帶通濾波電路，該電路可以有效提高系統(tǒng)的信噪比。另外，系統(tǒng)選擇數(shù)字型峰值檢波電路替代傳統(tǒng)的模擬型檢波電路，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)量系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換和信號(hào)提取，能有效且穩(wěn)定地完成眼軸長(zhǎng)度的測(cè)量。