嬰幼兒視網膜廣域成像系統①

姚鳳瑩,沈建新,陳 華

(南京航空航天大學 機電學院,南京 210016)

視網膜是人體唯一可以直接觀察到血管的部位,而且可以反映一些先天或是遺傳性的疾病,如早產兒視網膜疾病、視網膜母細胞瘤、糖尿病等.部分視網膜疾病與全身病相關,而一些嚴重的遺傳性病變成為重要的兒童致盲眼病,因此通過獲取視網膜圖像進行眼科等疾病的診斷具有重要意義[1].

目前臨床上常用直接檢眼鏡、間接檢眼鏡、眼底相機和廣域視網膜數字化成像系統(簡稱RetCamⅢ)對嬰幼兒進行眼底疾病篩查[2].視網膜成像的研究主要基于眼底相機技術,通過設計照明系統和成像系統來實現視網膜成像.Knoll[3]于1969年發明了采用內部照明方式的眼底相機,該眼底相機成像系統和照明系統共用接目物鏡,光能利用率高,但結構復雜,像差難校正.DeHoog 等[4]于2008年研究了眼底相機照明系統結構參數,給出了相關參數的選取方法,具有重要參考意義.Tran 等[5]于2012年研究了便攜式眼底相機,采用普通數碼相機作為圖像采集設備,可以校正人眼屈光度,但是圖像質量受數碼相機影響較大.眼底相機可以實時獲取視網膜客觀圖像,為醫生提供可靠圖像依據,但成像視場小,只能達到30°～45°的視場角[6].美國Clarity 醫療公司研制的RetCam 系列設備較廣泛用于ROP 篩查,成像視場可高達100°,但價格高昂,不能被廣泛應用.因此設計了一款可以實現視網膜廣域成像的嬰幼兒視網膜廣域成像系統具有重要的現實意義.

本文將角膜接觸眼底鏡應用于眼底相機基本結構[7-11]中建立了嬰幼兒視網膜廣域成像系統,解決了眼底相機成像視場角小的缺點.該系統包括硬件部分和軟件部分.硬件部分包括照明子系統和成像子系統,軟件部分包括圖像處理子系統.照明子系統中采用多環光纖照明來實現均勻照明；成像子系統中采用廣角接目物鏡和成像物鏡可以提高光能的利用率,提高成像視場；圖像處理子系統中采用CMOS 相機接收圖像,設計圖像處理軟件實時獲取存儲圖像、并進行相機標定和畸變校正,獲得較清晰圖像以便于醫生的診療和遠程醫療.實驗驗證了角膜接觸眼底鏡對于擴大成像視場的可行性,所設計系統具有視場大、結構小巧、操作簡單、實時性高等優點.

1 嬰幼兒視網膜廣域成像系統硬件部分設計

嬰幼兒視網膜廣域成像系統包括硬件部分和軟件部分.角膜接觸眼底鏡連接照明子系統和成像子系統,采用內部照明方式,實現視網膜廣域成像；CMOS 相機連接硬件部分和軟件部分,搭建成像光路和照明光路,通過CMOS 相機實現圖像的采集獲取,通過圖像處理子系統實現圖像的預處理.系統設計的流程圖如圖1所示.

1.1 照明子系統設計

人眼相當于一個暗室,因此需要設計照明光路照亮眼底.為實現眼底的充分照明,光路設計為多環光纖照明的內部照明方式.

圖1 系統設計流程圖

1.1.1 光源的選擇

在設計照明子系統時,首要任務是選擇光源.根據我國醫藥行業標準YY0634-2008《眼科儀器 眼底相機》[12]的規定,選用峰值波長介于520 nm～560 nm 之間的LED 光源.

進入眼睛并被視網膜吸收的輻射通量(520 nm～560 nm)正比于瞳孔的面積.在亮度＜0.01 cd?m-2時,瞳孔的直徑約為7 mm,當亮度達到10 000 cd?m-2時,瞳孔的直徑會縮小到大約2 mm.因此為實現免散瞳成像,選擇亮度范圍為10 cd?m-2～10 000 cd?m-2,可調節.

1.1.2 照明子系統布置

照明系統采用環形光纖照明.單環光纖照明結構雖然能實現環形光照明,但照明視場角較小；多環光纖照明即可以實現環形照明,還可以得到比單環結構更大的工作深度,實現大視場照明,如圖2(a)所示,可以在h0～h3深度范圍內得到均勻的光斑.綜合分析,選擇多環光纖內部照明方式進行照明,不僅可以提高光能利用率,減少能量損失,提高光照度,還可以實現廣域照明.照明光路同成像光路共用角膜接觸眼底鏡,因此多環形光纖可以在角膜接觸眼底鏡的前表面呈現環形分布的均勻照明.多環光纖布置如圖2(b)所示.

1.2 成像子系統設計

在成像子系統設計前,首先根據人眼光學特性及屈光系統結構建立眼模型,再進行視網膜成像系統成像光路的設計分析,并分析其光學特性,在圖像處理部分進行幾何畸變校正.

圖2 照明子系統布置

1.2.1 嬰幼兒眼模型的建立

人眼屈光系統包括角膜前后表面、房水、晶狀體、玻璃體、視網膜等.常用眼模型有Gullstrand I 號眼模型、Gullstrand-Le Grand 眼模型、Escudero-Sanz 大視場眼模型等[13,14],其中Gullstrand I 號眼模型、Gullstrand-Le Grand 等眼模型只適合于研究人眼近軸光學特性,在進行視網膜周邊部分成像時會有較大誤差,因此為同時實現視網膜及其周邊部分成像采用Escudero-Sanz 大視場眼模型,該模型定義了視網膜的球面面型,使得視場增大,使用范圍擴大,滿足設計需要.

用ZEMAX 光學設計軟件建立Escudero-Sanz 大視場眼模型,圖3(a)為在ZEMAX 中建立的嬰幼兒眼模型,可借助此模型對視網膜廣域成像的成像視場進行準確計算.圖3(b)為0～85°視場內眼模型的場曲和畸變,視場增大,畸變增大.

1.2.2 角膜接觸眼底鏡設計

視網膜圖像先經人眼放大成像,再經角膜接觸眼底鏡反射成實像.角膜接觸眼底鏡的設計決定著該成像系統的成像質量高低及成像視場角大小.非球面鏡具有較好的光學性能,可以校正系統的高級像差,簡化光學系統結構[15-17].為了實現高的成像質量和大的成像視場角,我們在設計角膜接觸眼底鏡時,鏡面兩面都采用非球面結構.

通常,光學設計中采用基準二次曲面+變形的方法來描述偶次非球面,其普遍式方程為：

式中,k為二次曲面的圓錐系數,r為徑向坐標,a1,a2,a3,···為高次非球面系數.通過這些參數確定非球面的形狀,以校正像差.

將偶次非球面看成是一個球面與一個中心厚度無限薄的校正板的結合,如圖4所示.

初級像差系數增量為：

式中,h為校正板的矢量高.

當光闌不在校正板上時,初級像差系數增量為：

式中,hz為校正板主光線矢量高.

圖4 非球面示意圖

由式(3)可見,選在hz大 ,h小的位置設為非球面,可以在盡量少影響軸上像差的同時對軸外像差施加影響.

角膜接觸眼底鏡如圖5所示.在成像系統中,要盡可能降低人眼像差造成的影響；在照明光路中,應保證多環光纖照明光源形成的環形光經角膜接觸眼底鏡到人眼瞳孔處,可以均勻地照亮眼底視網膜及其周邊血管區域.最大靜態視場為85°,焦距10 mm,按人眼焦距為17 mm 進行計算,放大率為0.59.

圖5 角膜接觸眼底鏡模型

角膜接觸眼底鏡在設計時一方面要盡量校正人眼自身像差,提高一次成像質量；另一方面要保證人眼瞳孔和成像光路的環形光闌共軛,滿足廣域成像要求.因此在成像光路設計時,角膜接觸眼底鏡采用多重結構進行優化設計,可以很好的控制像差,得到理想效果,滿足視網膜廣域成像的要求.

1.2.3 視網膜成像光路設計

視網膜成像光路包括角膜接觸眼底鏡、接目物鏡、環形光闌和成像物鏡.由于人眼是個暗室,所以采用大相對孔徑的物鏡,以提高像面上的光照度.光學系統由焦距f′、 相對孔徑D/f′和 視場角 2ω三個參數來表征其基本性能.成像光路的視場角 2ω決定了被拍攝視網膜的空間范圍,視場角2 ω=70°～100°被稱為廣域成像.

(1)視場角 2ω與 放大倍率β

正常人眼的焦距f為16.6 mm,物面高度為y,則滿足關系：

當物高為二分之一人眼直徑,即y=12 mm 時,滿足tanω==0.723 ＜0.914=tan42.5°,因此在視場角為85°的大視場下,物高為12 mm.系統選用大恒圖像的工業AVT 相機來接收圖像,其有效光電接收靶面尺寸為8.8 mm×6 mm,所以理論像高為10.65 mm.放大倍率 β為0.89.

(2)系統焦距f′

視網膜成像系統的入瞳是瞳孔,經角膜接觸眼底鏡和接目物鏡后所成像是系統的孔徑光闌,即瞳孔與孔徑光闌共軛.考慮到角膜接觸眼底鏡的厚度,取接目物鏡組瞳孔的距離為35 mm,孔徑光闌位于接目物鏡組成像鏡組之間,接目鏡組選用廣角接目鏡組,半視場50 度,焦距為28 mm,成像鏡組選用廣角物鏡,半視場50 度,焦距為16.66 mm.則根據高斯成像公式得：

由式(5)計算出孔徑光闌距離接目物鏡的距離為l′=140 mm.

系統總長定為265 mm,設待檢查眼睛為正視眼,式(6)、(7)成立：

已知放大倍率 β為0.89,f1′=28 mm 代入(6)、(7)式,得l2=-155 mm,l′2=82 mm.

根據系統焦距公式：

其 中 Δ=-l2+f1′-f1′-f2′=-l2-f2′= 138.34 m m,則f′=-3.37 mm.

綜上所述,得到了成像物鏡和接目物鏡的工作距離以及成像光路的系統焦距.

(3)相對孔徑D/f′

相對孔徑表示能進入鏡頭到達CMOS 上的光能量,因而決定像平面光照度定義為入瞳直徑D與系統焦距f′之比.即：

綜上所述為嬰幼兒視網膜廣域成像系統設計參數.

2 嬰幼兒視網膜廣域成像系統軟件部分設計

嬰幼兒視網膜廣域成像系統的軟件系統由CMOS相機、圖像處理軟件和計算機組成,用于采集圖像和進行圖像預處理.圖像處理軟件以VisualStudio 2010 為開發平臺,基于C++面向對象編程開發技術,并結合OpenCV 視覺庫實現軟件的功能.

2.1 圖像處理軟件實現

在相機打開的情況下,軟件可以讀取攝像機視頻信息.用戶進入病歷信息界面,可以輸入病人基本信息并保存.攝像機打開后進行相機標定,并進行幾何畸變校正.將采集的視網膜圖像保存在計算機中并實時顯示相機拍攝的畫面.

2.2 視網膜圖像畸變校正

視網膜成像時,圖像畸變有很多因素：(1)患者坐姿改變；(2)頭部傾斜和眼部的轉動；(3)相機與眼睛間距離的改變；(4)相機和眼光學系統的固有畸變.

系統可以通過相機標定確定CMOS 相機內外參數.通過相機標定來修正相機模型參數,以校正光學系統畸變.

2.2.1 相機畸變模型

Xu 等人[18]證明基于平面棋盤格圖案的標定結果更精確,因此本論文采用平面棋盤格圖案進行相機標定.

3D空間點(Xw,Yw,Zw)與2D 圖像傳感器平面上的投影點(u,v)用針孔模型描述為

式中,uI=(u,v,1)T,Xw=(Xw,Yw,Zw,1)T,s為物體在相機坐標系的z坐標,[Rt]為 相機外參,K為相機內參數矩陣.

式中,(u0,v0)為 相機的主點坐標；fu、fv分別為u和v方向的焦距；us、vs分別為u和v方向的像元尺寸(像素/mm)；γ 為u和v軸間的剪切系數.

視網膜圖像采集光學系統較為復雜,會在視網膜圖像中引入幾何畸變.主要包括徑向和切向兩種主要的畸變[19,20].徑向畸變比較小,可以用r=0位置的泰勒級數展開式的前幾項進行定量描述.由于角膜接觸眼底鏡存在較大的畸變,因此調節公式如下：

式中,(x,y)是畸變點的原始位置,(xcorrected,ycorrected)是校正后位置.

切向畸變是由于透鏡不完全平行于像平面而產生的,用兩個額外參數p1和p2來描述,如下：

其中,總共有五個所需要的畸變參數.在OpenCV 中將五個參數放置到一個畸變向量中,形成一個 5 ×1 的矩陣,按順序依次包含k1,k2,p1,p2,k3.

2.2.2 相機幾何畸變校正

在進行成像系統的CMOS 相機的標定時,使用尺寸為 0 .5×0.5英寸的2D 棋盤格圖案,置于相機的最佳的焦距處以獲得清晰的圖像.相機在正視眼狀態下獲取到32 幅棋盤格圖像,可得到如表1所示的相機內參數 ,單位是像素.

表1 相機標定結果

得到相機內參數后,可按式(11)、(12)和(13)進行視網膜圖像的徑向畸變和切向畸變校正.

3 結果分析

圖6(a)、6(b)為相機徑向畸變和切向畸變的分布情況,徑向畸變誤差間隔為10 像素,切向畸變誤差間隔為0.5 像素.

由圖6可見,紅色圓形區域內為有效成像區域,最大徑向畸變約為20 像素,最大切向畸變約為4 像素.因此,系統可以實現有效成像區內的視網膜圖像的畸變校正.

圖6 相機畸變分布

圖7 軟件系統校正畸變圖像

如圖7為開發的嬰幼兒視網膜廣域成像軟件,可以實現相機的標定和視網膜圖像的畸變校正.

文章所采用的基于相機標定的幾何畸變校正方法,有效的補償了系統幾何畸變,標定后可得到的相機內參數,可以校正視網膜圖像的徑向畸變和切向畸變分別為20 像素和4 像素.

在實驗室搭建光路,利用模型眼進行視網膜圖像成像.將模型眼制作前視網膜展開圖與采集圖像進行對比,如圖8(a)、8(b).

由圖8可知,該視網膜成像系統可以實現視網膜的廣域成像,并可以采集到視網膜周邊血管較清晰的圖像.視場角也比較理想,可以實現85°廣域成像.

圖8 視網膜成像比較

光學傳遞函數(MTF)是像質評價的重要標準,可以較全面的反映系統成像質量.

根據我國醫藥行業標準YY0634-2008《眼科儀器眼底照相機》規定可知,當視場角為85°時,視場中心處的分辨率大于60 lp/mm,視場中部處的分辨率大于40 lp/mm,視場邊緣處的分辨率大于25 lp/mm 即可.在實際應用中,截止頻率的大小取決于探測器的分辨率.CMOS 相機的截止頻率由像素的大小決定,即：

文章選用的CMOS 相機的像素尺寸為7.4 um,計算得MTF 的截止頻率是68 cy/mm.

為獲得較好的成像質量,系統的一般截止頻率MTF 應大于0.2.由圖9可以看出,在截止頻率為68 cy/mm時,各視場的MTF 均高于0.2,滿足設計與使用要求.

圖9 成像光路MTF 圖

4 結語

嬰幼兒視網膜廣域成像系統包括硬件部分和軟件部分.硬件部分包括照明系統和成像系統.針對視網膜圖像獲取問題,研究了人眼光學特性及屈光結構,根據嬰幼兒眼球特點建立了Escudero-Sanz 大視場眼模型,設計了角膜接觸眼底鏡,可以實現85°視場的視網膜廣域成像.

軟件部分由CMOS 相機、圖像處理軟件和計算機組成.從理論上對視網膜成像過程中的廣域視場、照明與圖像特點等進行了分析,提出的基于平面棋盤格圖案標定法的幾何畸變校正方法可有效校正成像系統中的幾何畸變.