基于眼底相机的双波长视网膜血管血氧测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于眼底相机的双波长视网膜血管血氧测量系统。
【背景技术】
[0002] 视网膜血管在眼科疾病的临床诊断和治疗中提供重要的指示作用，许多视网膜的 病变都会引起氧气的大量消耗，使得血氧饱和度发生变化，如糖尿病视网膜病、青光眼、血 管阻塞等。另外，视网膜组织和血管也是唯一能直接观测到的人体深部结构，是了解某些全 身疾病的重要窗口，比如视网膜血管的变化和高血压以及其他心血管疾病之间存在必然的 联系。因此，通过对视网膜图像进行处理和分析、获取其结构和血氧饱和度功能信息对疾病 的早期诊断和检测有着非常重要的意义。
[0003] 利用眼底照相机获取视网膜图像，是视网膜研究的一种简单有效途径，但传统 眼底成像技术仅仅停留于获取视网膜结构信息，无法对视网膜功能信息进行采集。因 此，以眼底相机为平台，如何更充分地挖掘视网膜结构和功能信息，受到越来越多学者 的关注。其中，双波长视网膜成像悄然兴起，成为生命科学研究的新热点。国外已有学 者对其技术基础、光路设计、应用价值等进行了一定研究。2008年，M. Hammer等人采用 特制的双波长滤光片、利用彩色相机不同通道记录眼底双波长图像（"Retinal vessel oximetry-calibration, compensationfor vessel diameter and fundus pigmentation， and reproducibility'，，M. Hammer，T. Riemerb，et al.，Journal of Biomedical Optics， 2008)。2012年，GEIRSDOTTIR A等人利用定制分光装置分开两个波长的图像，然后分别 成像在两个 CCD 上（"Retinal vessel oxygen saturation in healthy individuals'，· AsbjorgGeirsdottir， OlafurPalsson， et al. ， Investigative Ophthalmology&Visual Science，2012)。但上述研究仍存在一些不足之处：如双波长图像采用不同的成像通道，光 路复杂，光学元件多；采用两个相机采集双波长视网膜图像，成本高；两个相机间响应的差 异将给血氧测量带来影响等等。
[0004] 国内的眼底相机起步较晚，仅用于眼底成像及基本结构分析，对于视网膜血氧 测定等功能性分析暂无相关研究的报道。国内目前仅中国科学院光电技术研究所拥有 一项基于自适应光学的激光共焦扫描的视网膜血氧测量的专利技术【中国专利申请号 201010617782. 5】。该专利可实现眼底细胞、微血管局部观察和血氧测量，但由于成像分辨 率高，成像视场很小。为了在大视场下对视网膜整体进行观察和评价，需要进行软件拼图， 费时费力。另外，该专利是通过分时采集两个波长不同的眼底图像，在采集时间上不能完全 一致，无法避免人眼运动对血氧计算精度的影响。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是：克服上述现有技术的不足，提供一种基于眼底相机 的双波长视网膜血管血氧测量系统。该系统可以同时获得双波长视网膜图像，并测定视网 膜血管的血氧饱和度，可以为生命科学相关研究、眼底相关疾病的诊断提供有力工具。
[0006] 本发明的技术方案是：基于眼底相机的双波长视网膜血管血氧测量系统，包括： 视网膜图像采集子系统和血氧计算子系统；视网膜图像采集子系统由眼底相机、成像物镜、 直角反射棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第一干涉滤光片、第二干涉滤光片、成像物镜和 CCD组成；在眼底相机视网膜图像输出端，将眼底相机获取的视网膜像经成像物镜成像于 无穷远，构成像方远心光路，通过直角反射棱镜将光束分成两路，经第一反射镜、第二反射 镜反射后透过特定波长的第一干涉滤光片、第二干涉滤光片滤出所需波长的成像光，经成 像物镜后同时成像在CCD靶面上，实现视网膜双波长同时成像，CCD实时将双波长视网膜图 像数据传输至计算机，由计算机中的血氧计算子系统对获得的双波长视网膜图像进行图像 处理、血管提取、光密度计算一系列运算后完成视网膜血管血氧饱和度的计算。
[0007] 所述的直角反射棱镜顶点位于光轴上，上下两个反射面与光轴成±45°夹角，实 现对视网膜成像光的均匀分光。通过沿垂直于光轴方向整体平移直角反射棱镜可以对两路 光路进行光强调整。
[0008] 所述的反射镜通过沿光轴方向移动对两路光路进行光程匹配调整，实现两路双波 长视网膜图像清晰成像在CCD靶面上。
[0009] 所述的干涉滤光片中心波长根据含氧血红蛋白和还原血红蛋白的吸收光谱确定， 一个干涉滤光片中心波长选择在含氧血红蛋白和还原血红蛋白的等吸收波段，另一个干涉 滤光片中心波长选择在含氧血红蛋白和还原血红蛋白的非等吸收波段。
[0010] 所述血氧计算子系统对获得的双波长视网膜图像进行图像处理、血管提取、光密 度计算一系列运算后完成视网膜血管血氧饱和度的计算过程如下：
[0011] (1)采用基于互信息的方法对采集到的双波长图像进行配准；
[0012] (2)完成配准后，采用图像分割的算法分别对两幅图像实现血管提取；
[0013] (3)在相同的位置分别计算两幅图像的光密度0D，0D = log(IQ/I)，其中I。为血管 切向边缘外的像素段的灰度平均值，I为血管切向像素段中灰度最小值。计算两幅图像的 光密度比ODR = OD1ZiOD2，其中OD1为含氧血红蛋白和还原血红蛋白的非等吸收波段图像的 光密度，OD 2为含氧血红蛋白和还原血红蛋白的等吸收波段图像的光密度。血氧饱和度与不 同波长下血管光密度的关系为SO2= a+k*0DR，其中a、k为常数，故确定了 ODR就可以获取 特定位置血管的血氧饱和度。
[0014] 本发明与现有技术相比所具有的优点是：
[0015] (1)本发明在传统眼底结构成像的同时，可实现视网膜血管血氧饱和度功能成像。 总体光路设计结构简单，双波长视网膜图像成像在同一个CCD的不同位置，降低了硬件成 本。
[0016] (2)本发明基于商业化的眼底照相平台，可获得大视场的视网膜图像，可以对视网 膜结构和血管血氧饱和度进行整体观察和评价。
[0017] (3)本发明可以同时记录两个波长的眼底图像，与分时成像相比，避免了人眼运动 对血氧测量的影响。
【附图说明】
[0018] 图1为基于眼底相机的视网膜血管血氧测量系统结构示意图；
[0019] 图2为含氧血红蛋白与还原血红蛋白的消光系数；
[0020] 图3为双波长图像处理分析及血氧饱和度测量流程。
【具体实施方式】
[0021] 本发明将眼底相机输出的视网膜像进行光学系统二次成像，同时采集含氧血红蛋 白和还原血红蛋白的等吸收波段和非等吸收波段图像，经过一系列图像处理和计算获得眼 底视网膜血管血氧饱和度，同时实现对眼底视网膜结构和血管血氧饱和度功能成像。下面 结合附图及【具体实施方式】详细介绍本发明。
[0022] 如图1所示，本发明由眼底相机1、成像物镜3、直角反射棱镜4、反射镜5、6、干涉 滤光片7、8、成像物镜9、CXDlO和计算机11组成。
[0023] 本实施例的基于眼底相机的双波长视网膜血管血氧测量系统工作过程如下：
[0024] 在眼底相机视网膜图像输出端1，视网膜图像采集子系统将眼底相机获取的视网 膜像2经成像物镜3成像于无穷远，构成像方远心光路。通过直角反射棱镜4将光束分成 两路，接着经第一反射镜5、第二反射镜6反射后透过特定波长的第一干涉滤光片7、第二干 涉滤光片8滤出所需波长的成像光，经成像物镜9后同时成像在的CCDlO靶面的不同位置， 实现视网膜双波长同时成像。CCDlO实时将双波长视网膜图像数据传输至计算机11，由计 算机11中的血氧计算子系统对获得的双波长视网膜图像进行图像处理、血管提取、光密度 计算等一系列运算后完成视网膜血管血氧饱和度的计算。
[0025] 直角反射棱镜4顶点位