基于智能手機的眼底成像系統

叢 婧，俎明明，李洪濤，崔笑宇，陳 碩*，席 鵬

(1.北京大學 工學院 生物醫學工程系，北京 100871；2.東北大學 中荷生物醫學與信息工程學院，遼寧 沈陽 110167)

1 引 言

視網膜是人眼中的一層透明薄膜，視信息在視網膜上形成視神經沖動，通過傳導在腦中建立圖像[1]。一旦視網膜處發生病變，將會產生視覺障礙，進而影響患者的生活質量[2]。通過視網膜內的血管及其他組織情況可以判斷的疾病主要可以分為兩大類，一類是以糖尿病、高血壓、冠心病為代表的與血液有關的疾病，另一類主要是可以根據視網膜及其周圍組織的結構、狀態判斷的眼底疾病[3-4]。因此，眼底成像檢測在臨床診斷中顯得尤為重要。

19世紀中期，德國科學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲發明了檢眼鏡，通過該儀器可以觀察到視網膜上血管以及其他的組織結構。這使得眼科疾病以及其他相關疾病的診斷取得了飛躍性的進展[5]。近年來，臨床中經常采用眼底熒光素血管造影(FFA)、光學相干層析成像技術(OCT)、彩色眼底相機等一系列的手段來采集眼底圖像[6-9]。FFA檢測利用熒光素作為造影劑，隨血液流動至眼部時，通過一組帶有濾波片的眼底相機，采集到眼底血管的熒光圖像[10]。然而，FFA為侵入性的檢測手段，且部分患者會對造影劑產生過敏[11]。OCT是一種基于邁克爾遜干涉的非接觸式高分辨率層析成像技術，但是其檢查價格較為昂貴且需要專業的醫護人員操作[12-13]。與以上技術相比，傳統的彩色眼底相機的檢查費用相對較低，具有采集圖像速度快、無創等優點[14]。但是作為眼底疾病篩查的手段，其體積相對較大且便攜性差，限制了其在眼科疾病篩查工作的應用。因此，通過對傳統彩色眼底相機做進一步改進，設計一種具有低成本、易操作、便于圖像傳輸等特性的眼科儀器，具有重要的臨床應用價值。Sharma等人通過支架將眼科前置鏡固定在手機相機前方，使用者只需打開手機閃光燈，即可通過手機觀察到眼底情況[15]。該系統雖然結構相對簡單，但采集過程易引入雜光及反射光，成像質量較低。Maamari等通過智能手機附加照明光路及成像光路，成功地獲得了質量較好的眼底圖像，但該系統需添加外置的光源為眼底照明，增加了系統的復雜性[16]。

本文借助智能手機所具備的便攜性好、像素高、可無線傳輸、儲存空間大、普及率高等優點，以傳統的彩色眼底相機為基礎，對照明和成像光路進行簡化及小型化后并應用于智能手機端，提出了一種基于智能手機的眼底成像系統。另外，在上述基礎上，利用ZEMAX仿真對設計的眼底相機成像系統進一步優化，使之具有更好的成像效果。

2 眼底相機光學系統

2.1 眼底相機的工作原理

本文設計的眼底相機基本結構由成像系統和照明系統組成。按照如圖1所示的光路結構示意圖在光學平臺上進行搭建，采集到較好的眼底圖像后，將光學系統進行小型化處理，制作成手機外設，配合智能手機進行眼底圖像的采集。光線由手機(酷派5950)自帶的LED燈發出并通過多個反射鏡(PFSQ05-03-P01,Thorlabs)及偏振片1(85-919,Edmund)，經過透鏡(ACL2520,Thorlabs)準直后經分束器(45-313,Edmund Optics)分光，其中反射的光線通過眼科前置鏡(54D,Ocular MaxField)經瞳孔入射至眼底。入射光被視網膜反射后，反射光線經人眼光學系統后，依次經過眼科前置透鏡、偏振片2和中繼透鏡(LA1131-A,Thorlabs)放大后，成像到智能手機相機上，實現視網膜的圖像信息采集。

圖1 基于智能手機的眼底相機示意圖 Fig.1 Schematic of the smartphone-based fundus imaging system

由于本文所設計的系統的主要目的是完成某些眼底疾病的初步診斷與篩查，需要清楚地查看視網膜處毛細血管以及視神經乳頭、黃斑等組織的健康狀況，進而輔助醫生進行診斷。要獲得較好質量的成像，必須對該系統的主要光學技術指標進行設定。其中，設定最小拍攝瞳孔直徑為4 mm；波長范圍為390～780 nm(可見光范圍內)；工作距離為15～20 mm；照明光源采用手機自帶的LED閃光燈。基于上述設定，完成成像系統的設計與各光學元件距離計算，制作基于智能手機的眼底相機，并進行優化設計，最終采集到質量較好的眼底圖像。

2.2 手機外設的小型化處理

手機外設小型化的實現需要利用3D打印技術，它是第三次工業革命的代表性技術之一，也是手機外設能夠實現小型化處理的關鍵[17]。測量各個鏡片的尺寸與對應的距離后，利用AutoDesk繪制手機外設的3D結構圖。根據幾何光學原理計算及實際實驗得出該系統中各個鏡片之間的距離位置等信息，并盡可能地縮小體積，圖2展示了整個手機外設系統的設計圖，隨后，利用3D打印技術將整個光學系統封裝在一個密閉的盒子中，制成手機外設，具有較好的便攜性。

圖2 手機外設設計示意圖 Fig.2 Schematic of the smartphone accessory for the portable fundus camera

2.3 眼底相機的優化設計

利用Zemax仿真軟件對上述系統進行模擬仿真，使用相同焦距的雙膠合透鏡代替原有的眼科透鏡，可實現對于整個系統具有相同的仿真效果。通過模擬基于智能手機的眼底相機，得到調制傳遞函數(MTF曲線)，此時的系統分辨率并不是最優值。為了進一步改善該系統的分辨率及場曲、畸變等性能指標，在仿真軟件的鏡頭調節器內調節各個鏡片之間的距離，使MTF曲線具有更多的指向平面上的線對數，即具有較高的分辨率，并在優化的基礎上進一步測試，使之具有較小的場曲和畸變。

3 結果與討論

3.1 眼底成像系統參數分析

利用酷派手機作為接收圖像端進行測試，模擬眼到眼科透鏡的距離為17 mm。還測試了不同款智能手機端的最優眼底成像工作距離，其結果如表1所示。

表1 不同智能手機的最優眼底成像工作距離

通過觀察表1結果，可發現其對于同一模擬眼的工作距離仍然存在較小的差距，這主要是由于不同手機型號的相機的焦距、分辨率等方面存在細微的差別。當手機外設需匹配不同型號的手機時，其工作距離仍然需要進行小范圍的調節。在下一步的工作中，將把手機外設的內部結構設計成可調節式，進而完成眼底相機與不同型號手機的匹配。

在光學實驗臺上得到的模擬眼的采集結果如圖3所示，通過觀察不難看出，采集到的圖像已經可以清晰地看到視網膜處的微小血管(如圖3中箭頭所指的部分)的分布情況，但由于透鏡安裝座存在一定的厚度，因此采集到的視野范圍較小。而在手機外設小型化設計中，固定鏡片的安置架厚度較薄，這一弊端得到了有效的改善。

圖3 利用桌面樣機系統進行的眼底圖像采集 Fig.3 Fundus image acquired by the table-top prototype system

3.2 眼底成像系統小型化處理分析

為了使該系統更好地與智能手機匹配，設計手機的配件結構需具有良好的便攜性。整個結構最終設計尺寸為79 mm×88 mm×42 mm，最終的體積不到300 cm3，與手機具有良好的適配性。

圖4 集成化眼底相機系統采集的眼底圖像 Fig.4 Fundus image acquired by integrated fundus camera

小型化處理采集到的圖像如圖4所示。在小型化過程中，3D打印的鏡片安置架的厚度比市面上購買的鏡片安置架的厚度要小很多，這為成像提供了更大的有效視野范圍。圖4為集成化眼底成像系統所采集的眼底圖像，通過觀察圖像可發現系統初步實現直徑為0.1 mm的細小血管的圖像采集，為醫院的眼科檢查提供初步的意見，有利于眼科疾病的普查工作的推廣。為了避免反射鏡反射的光線對整個系統造成不良的影響，在照明光路中適當添加了一部分圓筒形結構，但這又使得光線的利用率大大下降，這也是日后需要改進的地方。

3.3 成像系統改進結果

在上述內容的基礎上，利用Zemax光學仿真軟件對眼底成像系統光路進行仿真及優化。通過選擇不同鏡片并調節鏡片之間的距離，獲得了最好的調制傳遞函數(MTF)曲線，并得到了較小的場曲和畸變。表2為成像系統的Zemax仿真系統參數。

表2 優化后的成像系統鏡頭設計

仿真得出平均調制傳遞函數曲線如圖5所示。在雙膠合透鏡與人眼的距離為17 mm的情況下，雙膠合透鏡與中繼透鏡的距離約為25 mm，MTF曲線基本上與衍射極限相重合，說明此時的調制傳遞函數效果最優。該圖像中橫坐標為空間分辨率(即每毫米的線對數)，縱坐標為光學傳遞函數(OTF)的模量，是衡量光學傳遞效率的一個指標。在整個圖像中不難看出，成像系統視場在低于250 lp/mm處的MTF值均大于0.3，基本可滿足查看眼底視網膜的設計要求。

圖5 成像系統的平均調制傳遞函數 Fig.5 Average modulation transfer function of the imaging system

圖6為該成像系統的場曲和畸變圖像，兩圖均可表明該系統的圖像失真情況。在圖6(a)的場曲中，橫坐標的單位為微米，可以看出在該系統中，場曲始終小于10 μm。圖6(b)為該系統的畸變，橫坐標為百分比，成像系統的畸變保持在0.2%范圍內。

圖6 Zemax仿真系統的(a)場曲與(b)畸變 Fig.6 (a)Field curvature and (b)distortion of Zemax simulation results

綜上所述，該設計具有較好的調制傳遞函數曲線，并且場曲和畸變較小，優化后的成像系統的性能得到了進一步的提高，為下一步的研究提供了參考。

4 結 論

利用智能手機便攜性好、普及率高、可進行網絡傳輸等優點，設計了一款基于智能手機的眼底成像系統，其工作距離約為17 mm，且體積不到300 cm3。在該眼底成像系統的基礎上，通過仿真優化設計，使場曲小于10 μm，畸變小于0.2%，為下一步的研究提供了有益的參考。該系統可以輔助眼科疾病的遠程醫療，并可滿足以糖尿病視網膜病變為代表的眼科疾病的社區篩查要求。與傳統的眼底相機相比，基于智能手機的眼底相機具有良好的便攜性、價格低廉、無創、可存儲與傳輸等多方面的優點。該系統的設計將有助于眼科疾病的社區篩查工作，有利于提高醫生的工作效率及醫療資源的合理配置。