眼底成像系统、装置和方法
【专利摘要】一种用于拍摄眼睛的眼底的眼底照相装置包括：多个光源，具有不同频率，用于照射眼底；多个固定灯，配置成将眼底定向在变化位置；以及成像传感器。该眼底照相装置还包括至少一个处理器，其配置成引起该多个光源和该多个固定灯按照预定模式照射，以得到眼底的多个窄带图像，并且操纵所产生窄带图像并且将其拼接为合成彩色图像。
【专利说明】眼底成像系统、装置和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年9月6日提交的美国临时申请N0.61/874651的优先权，通过引用将其内容完整地结合到本文中。
[0003]本申请还涉及2012年2月29日提交的美国申请Νο.13/409056、2012年2月29日提交的国际申请％.?(^/1^2012/027161和2011年3月2日提交的美国临时申请％.61/448342。通过引用将这些申请的每个完整地结合到本文中。
技术领域
[0004]本文档一般涉及眼底成像系统、装置和方法。更具体来说，本公开涉及用于拍摄眼睛的眼底的部分并且基本上实时地创建眼底的合成图像的眼底成像系统、装置和方法。
[0005]背景
[0006]包含视网膜、血管和神经组织的眼睛的内部底面称作眼底。许多系统病理学以及眼科病理学引起眼底外观的变化。因此，实际上所有眼科检查和大多数普通身体检查包括眼底的观察。这个观察经常使用称作检眼镜的装置(即，为观察者提供经过患者瞳孔的放大直接视图的手持装置)来执行。
[0007]存在能够限制检眼镜检查的有效性的多个因素。例如，许多检眼镜具有相当差的光学分辨率，从而限制通过检眼镜可见的细节。另外，患者的眼睛不断移动，这使经过检眼镜的画面连续偏移，从而使得难以观察任何眼底细节。此外，检眼镜不能够创建检查的永久记录(例如眼底的图像)。
[0008]在克服这些困难的尝试中，开发了用于眼底成像的照相装置。例如，典型现代眼底照相装置收集眼底区域的数字彩色图像。这些照相装置是昂贵的，并且从操作员的观点来看是难以操作的。例如，为了采用典型眼底照相装置来收集眼底的图像，采取多个步骤。患者朝照相装置注视目标。操作员调整照相装置以取得可接受图像。例如，操作员可调整照射的亮度和/或光学系统相对患者瞳孔的对齐等。与协作患者执行这些步骤通常要求广泛实践和经验。对无法将其凝视或者其眼睛或头部保持稳定或者无法理解指示的患者进行成像甚至更加困难。因此，这些照相装置拍摄差质量图像，其对观察患者病理学可能不是有用的。
[0009]相应地，所需的是减轻、克服或者至少减少这些问题的一个或多个的眼底成像系统、装置和方法。
[0010]实施例概述
[0011]示范实施例可提供一种用于拍摄眼睛的眼底的眼底照相装置，该眼底照相装置包括:具有不同波长、用于照射眼底的多个光源；多个固定灯，配置成将眼底定向在变化位置中；成像传感器；以及至少一个处理器，配置成引起多个光源和多个固定灯按照预定模式照射，以得到眼底的多个单色图像，并且操纵所产生单色图像并且将其拼接为合成图像。在示范实施例中，合成图像可以是彩色图像。
[0012]在示范实施例中，预定模式可以是采用多个固定灯的对应固定灯来依次照射多个光源其中之一，直至对光源和固定灯的基本上全部组合得到至少一个图像。
[0013]在示范实施例中，单色图像可以是立体图像。
[0014]在示范实施例中，多个光源可包括IR LED、红色LED、绿色LED和/或蓝色LED的任何组合。
[0015]在示范实施例中，眼底照相装置可包括2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15个固定灯。
[0016]在示范实施例中，处理器可配置成基本上实时地分析至少一个单色图像，以确定是否要求替换图像。
[0017]在示范实施例中，可至少部分通过计算图像中的像素矩阵的像素的方差，并且比较与相邻图像的互相关以确定重叠，来执行图像拼接。
[0018]在示范实施例中，成像传感器可具有小于15、20、25、30、35、40、45或50度的视场。
[0019]在示范实施例中，眼底照相装置可配置成通过量化眼睛的晶状体中的光散射量来检测白内障。
[0020]在示范实施例中，眼底照相装置还可包括挡板，其从挡板覆盖超过瞳孔的第一半的位置到挡板覆盖超过瞳孔的第二半的位置并且然后到挡板从光路完全移开以使至少一个处理器能够区分后向散射与前向散射的位置是活动的。
[0021]在示范实施例中，眼底照相装置可配置成执行自动屈光(auto-refract1n)。
[0022]示范实施例可提供一种用于拍摄眼睛的眼底的眼底照相装置，该眼底照相装置包括:光路;至少一个成像传感器;包括IR光源、红色光源和绿色光源的组合件，其中该组合件配置成沿至少一个轴是活动的，以便与光路是单独可对齐的，以得到眼底的图像;多个固定灯，配置成将眼底定向在由于眼睛改变凝视方向引起的变化位置中；以及处理器，配置成控制眼底照相装置，使得在示范实施例中，眼底照相装置可通过下列步骤自动得到眼底的合成图像:以照相装置的光轴来定向IR光源;依次照射多个固定灯;得到与多个固定灯对应的眼底的单色(或窄带)图像；以光轴来定向红色光源;依次照射多个固定灯;得到与多个固定灯对应的眼底的单色(或窄带)图像；以光轴来定向绿色光源;依次照射多个固定灯;得到与多个固定灯对应的眼底的单色(或窄带)图像；以及将所产生单色(或窄带)图像拼接为眼底的合成图像。
[0023]示范实施例可提供一种用于拍摄眼睛的眼底的眼底照相装置，该眼底照相装置包括:光路;至少一个成像传感器;包括IR光源、红色光源和绿色光源的组合件，其中该组合件配置成沿至少一个轴是活动的，以便与光路是单独可对齐的，以得到眼底的图像;多个固定灯，配置成将眼底定向在由于眼睛改变凝视方向引起的变化位置中；以及处理器，配置成控制眼底照相装置，使得在操作期间，眼底照相装置可通过下列步骤自动得到眼底的合成图像:照射多个固定灯的第一固定灯;依次以光轴来定向IR光源、红色光源和绿色光源;得到与IR光源、红色光源和绿色光源的每个对应的眼底的至少一个单色(或窄带)图像；照射多个固定灯的下一个固定灯；依次以光轴来定向IR光源、红色光源和绿色光源;得到与IR光源、红色光源和绿色光源的每个对应的眼底的至少一个单色(或窄带)图像；以及将所产生的单色(或窄带)图像拼接为眼底的合成图像。
[0024]在示范实施例中，眼底照相装置可配置成通过下列步骤来测量苍白区:选择合成图像的场;对于场中的多个像素的每个，将苍白区计算为KX (R_G)/(R+G)，其中R是在眼底由红色光源或IR光源来照射的同时所得到的特定像素的值，并且G是在眼底由绿色光源来照射的同时所得到的对应像素的值;以及显示作为伪彩色图像的所产生图像。
[0025]在示范实施例中，眼底照相装置可配置成通过下列步骤来测量视神经乳头凹陷区的形状:选择包括视神经乳头的合成图像的场;对于场中的多个像素的每个，将苍白区计算为(R-G)/(R+G)，其中R是在光轴由红色光源或IR光源来照射的同时所得到的特定像素的值，并且G是在光轴由绿色光源来照射的同时所得到的对应像素的值;确定作为图像的部分的视神经乳头凹陷区的轮廓，其中苍白区从小于预定阈值转变成大于预定阈值；以及显示图像的所产生轮廓部分(outlined port1n) ο
[0026]在示范实施例中，眼底照相装置可配置成通过下列步骤来测量黄斑色素密度:识别在IR照射下包括黄斑的第一图像，识别在绿色照射下包括黄斑的第二图像;对图像中的各像素计算红外图像的强度除以绿色图像的强度；以及显示作为伪彩色图像映射(map)的所产生比率。
[0027]附图概述
[0028]现在仅作为举例、参照附图来描述示范实施例，附图包括:
[0029]图1是供对眼底进行成像中使用的示范装置的示意图；
[0030]图2是供对眼底进行成像中使用的另一个示范装置的示意图；
[0031]图3是与用于对眼底进行成像的装置配合使用的瞳孔照相装置的示范实现的示意图；
[0032]图4是与用于对眼底进行成像的装置的示范实施例配合使用的分划板的示范实施例；
[0033]图5是用于在对眼底进行成像的装置中安装平行平面移位器(shifter)的方法的示范实施例；
[0034]图6是可用来测量白内障的装置的示范实施例的示意图；
[0035]图7示出在捕获和分析包含白内障组织的患者的两个眼睛的图像之后的显示屏幕的示范实施例；以及
[0036]图8示出与用来测量白内障的装置的示范实施例配合使用的挡板的示范实施例。
[0037]示例实施例的详细说明
[0038]本文所述的示范实施例包括多个光学元件或组件，其中的许多作为单独元件在构造和/或操作的至少一个中可以是常规的。我们认为，这些组件可结合、适当协作组合在本发明的系统的修改实施例中，其中这些组件具有大量公认、用户易于选择并且完全令人满意的光学特性。相应地，这若干元件的细节可不作详细论述，除了在认为是传达系统、装置和方法如何执行的明确理解所必需的意义上。本公开而是将适当地依靠光学领域的知识和技术人员，并且依靠以下所述的系统、装置和方法的完全信息性操作描述，因为完全足以使本领域的技术人员能够构建和使用示范实施例。
[0039]图1是供对眼底进行成像中使用的示范装置的示意图。图1包括照相装置10，其配置成对眼睛12进行成像。照相装置1包括多个LED。例如，如图1所示，LED可包括红色LED
14、绿色LED 16和IR LED 18。在示范实施例中，如图1所示，LED可安装到线性致动器19(或者类似机构)，以便将LED单独移入光路中。LED配置成将光传送到并且然后经过聚焦板20、透镜22和反射镜25。光然后由反射镜25反射到透镜26。在示范实施例中，照相装置可以不包括反射镜25。例如，在一些实施例中，从LED 14、16、18到透镜26的通道可以无需是弯曲的。例如，通路可如图2所示完全向下推进，图2是供对眼底进行成像中使用的、没有包括反射镜25的另一个示范装置的示意图。在光经过透镜26之后，它到达分束器28，其配置成将光的一部分定向到眼睛12并且将光的其余部分定向到光阱30。透镜22配置成对来自LED光源的光进行准直，以及透镜26配置成对眼睛12的瞳孔中的LED光进行成像。经过眼睛12的瞳孔的光照射眼底的区域(例如圆形或者基本上圆形的区域)。在示范实施例中，该区域的直径可以为大约15、20、25或30度直径。
[0040]进入眼睛的瞳孔的光的一部分最终从眼底反射并且到达分束器28。在分束器28，反射光的一部分(例如大约一半)经过透镜32、分束器34、透镜36和平行平面移位器38。然后，反射光经过照相装置透镜54，其可包括透镜40和光圈42。图像最终由图像传感器46来捕获。透镜32配置成对来自患者瞳孔的光进行准直，以及透镜36配置成对光圈42的平面中的瞳孔进行成像。
[0041]同时，通过患者眼睛的光学(optics)对于从眼底所反射的光起作用，以便在透镜32与透镜36之间的空间中形成眼底的图像。
[0042]在示范实施例中，透镜36、平行平面移位器38、透镜40、光圈42、透镜44和传感器46全部可共同安装在单个托架(其可由例如导向螺杆和电动机轴向移动)上。在示范实施例中，这些元件的布置可称作眼底聚焦组合件52。在示范实施例中，通过移动组合件52，直到眼底的图像处于透镜36(其对来自眼底的光进行准直)的焦平面前面，眼底的图像可聚焦在传感器46上。在示范实施例中，光圈42可位于透镜36的焦平面的背面，并且因此患者瞳孔的图像与光圈42共轭。在示范实施例中，整个光学系统可配置成沿三个维度是活动的，以便对齐到患者的瞳孔。在示范实施例中，系统的移动可采用一个或多个电动机来实现。
[0043]图3是与用于对眼底进行成像的装置配合使用的瞳孔照相装置的示范实现的示意图。在示范实施例中，到达分束器34的光的一部分(例如2 %、5 %、7 %或1 % )可向下反射到一对透镜48和瞳孔照相装置50 ο如图3所示，透镜48可包括一对透镜，以及照相装置50可包括对应一对照相装置。相应地，在示范实施例中，患者瞳孔的图像可在两个照相装置50上成像。例如，在示范实施例中，一个瞳孔照相装置上的瞳孔图像可提供信号，以便垂直和/或水平地移动照相装置的光学系统，以将瞳孔集中于仪器的光轴。然后，第二照相装置可对同一瞳孔进行成像，但是好像从不同角度来凝视，以便提供信号，以用于将光学系统朝向或背离眼睛移动，以聚焦IR、红色和/或绿色LED的图像。
[0044]在示范实施例中，在操作中，操作员可使用计算机屏幕上提供的界面来输入患者信息。患者可坐在装置的前面，以及操作员可指示患者按照适当方式来定位其头部，以凝视仪器的例如小闪光。一旦正确地定位患者，则患者瞳孔的图像可出现在操作员屏幕上的窗口中，以及操作员可操纵显示器，直到瞳孔在显示器中正确定位。例如，在示范实施例中，操作员可使用鼠标来拖曳瞳孔的图像，直到它在窗口中近似居中。
[0045]在示范实施例中，水平拖曳或移动鼠标可驱动电动机，其水平移动系统，以及朝向或背离操作员拖曳鼠标可使系统上下移动。这样，操作员与系统进行交互，以实现光学系统与瞳孔的粗略手动对齐。在示范实施例中，代替鼠标，操作员可经由触摸屏与系统进行交互。在示范实施例中，在粗略对齐完成之后，瞳孔表现为亮圆盘，其通过从眼底所反射的红外光所照射(备选地，在示范实施例中，红外光可在瞳孔照相装置看到暗瞳孔的同时照射眼睛的一般区域)。在示范实施例中，操作员则可通过例如按下标记为“Take Images”的按钮来发起成像过程。在这个阶段，其余图像收集过程自动(或者半自动)跟随。
[0046]在示范实施例中，在操作中，识别用于成像的眼底的区域。在示范实施例中，可请求患者注视特定光源(例如其视场中的光斑)。当患者注视光斑时，实际发生的是患者眼睛的光学在眼底的某个位置形成光斑的图像。当患者注视光斑时，患者旋转其眼睛，这使视网膜在光斑的图像下滑动，直到那个图像落在称作中央窝的眼底的特定区域上。在示范实施例中，装置10可包括多个固定灯。例如，在示范实施例中，装置可包括七个固定灯。备选地，在实施例中，固定灯的数量可以是2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12。在示范实施例中，固定灯可位于透镜32和/或透镜48处或周围。例如，在示范实施例中，装置可包括在透镜48之间中心定位的蓝色LED和位于透镜32处或附近的六个周边LED。在示范实施例中，位于透镜48之间的LED可处于离透镜32某个光学距离，使得LED位于透镜32的后焦平面中。因此，来自那个中心LED的光在到达患者眼睛时被准直，并且因此近似聚焦。其光线还沿主光学系统的光轴传播，并且因此LED看起来在系统中居中，以及在眼底上，其图像集中于眼底的区域，其可由LED光源14、16、18来照射。此外，因为包含透镜22和26的系统的光轴在分束器28的动作之后与包含透镜32、36和54的系统的部分的轴重合，所以由总体系统来成像的眼底的区域与LED光源14、16、18所照射的区域是相同的。因此，当中心固定LED被照射时并且当患者注视它时，被成像的眼底的区域集中于患者的中央窝。
[0047]为了对眼底的不同区域进行成像，可接通不同的内部固定LED、例如从光轴横向定位的一个LED。例如，在仪器中可存在位于光轴周围和/或之上的不同位置的七个固定LED的示范实施例中，可通过接通固定LED并且请求患者注视它，来对眼底的七个不同区域进行成像。在示范实施例中，可通过例如接通固定LED并且请求患者注视例如它的右边、它的左边、它的上方或者它的下方，来对眼底的附加区域进行成像。
[0048]在示范实施例中，操作员(或计算机)可在例如初始设置阶段期间选择眼底的哪些区域将要被成像。例如，操作员可选择哪些固定LED将要接通以及哪些(若有的话)不应当接通。然后，在成像会话期间，在收集特定区域的图像集合之后，软件可自动接通下一个所选LED。
[0049]在示范实施例中，可组合眼底的不同部分的各个图像，以通过例如将各个图像拼接在一起，来创建眼底的聚合图像。
[0050]在粗略对齐之后，红外LED的图像可位于患者瞳孔中的某个位置。一旦发起成像过程，装置可自动(或者半自动)准确地对齐到瞳孔的中心。为了实现对齐，照相装置50之一上的图像由装置软件来分析，以确定瞳孔的中心，以及(水平和/或垂直地)驱动位于装置中的电动机，以对齐瞳孔。
[0051]在示范实施例中，照相装置50之一可对经过透镜32的左侧的光进行成像，同时第二照相装置50可对经过透镜32的右侧的光进行成像。相应地，两个照相装置50可从不同角度一例如5、6、7、8、9或10度分隔开一查看瞳孔。相应地，当从瞳孔到透镜32的距离发生变化时，两个照相装置50上的瞳孔图像之间的分隔发生变化。为了使瞳孔完全达到离透镜32的正确距离，装置中的软件确定两个照相装置50上的图像之间的水平位置的差，并且朝向或背离瞳孔移动光学器件，直到两个图像准确配准。这样，光学器件可在三个维度正确地对齐到患者的瞳孔。[0052 ]当光学器件最初对齐时，来自LED光源14、16、18的光从患者的角膜反射，并且沿装置的光轴传递以落在眼底图像传感器46上。在示范实施例中，这个光可能不是合乎需要的，因为它可能掩蔽眼底图像。相应地，在示范实施例中，可期望阻止这个光到达传感器46。为了实现这个方面，在示范实施例中，软件可配置成驱动电动机，其移动红外、红色和/或绿色LED，从而使其图像上下移动。例如，如果患者平视前方或下方，则使图像下移，直到其底缘是瞳孔底部的切线，以及如果患者朝上看，则图像朝上移动以便是瞳孔顶部的切线。由于眼睛的几何结构，这种方法可提供角膜反射的最佳(或者至少部分)消除。
[0053]一旦眼底的正确对齐图像投影到传感器46上，软件可配置成确定图像中的最大视频信号等级，并且调整传感器的曝光时长，直到最大等级是可接受的(例如，传感器能够输送的最高等级的大约70%、75%、80%、85%或90% )。
[0054]在示范实施例中，装置的软件可配置成将眼底的图像聚焦在传感器46上。例如，在示范实施例中，软件可配置成控制电动机，其使分划板24摆入透镜22与26之间的光路中。在示范实施例中，分划板可大致处于透镜26的后焦平面中，使得来自它的光在到达患者眼睛时大致准直，由此在患者视网膜上形成分划板的图像。在实施例中，这个图像的焦点锐度可取决于患者的屈光不正，但是这里所述的聚焦方法可对那个图像的锐度不敏感(或者至少不是充分敏感的)。分划板24由包括多个孔的不透明表面来组成(参见例如图4)。当插入光路中时，眼底的图像表现为亮光斑的图案。
[0055]在示范实施例中，平行平面移位器38可以是大约0.50英寸厚的一块平板玻璃。平行平面移位器38可按照如下方式安装在支架中:使得与其表面垂直的轴从主系统的光轴偏移大约9度(例如7、8、9、10、11或12度)。当这种平板玻璃块引入光路中时，其效果根据考虑哪些光线而改变。例如，如果光线来自无限远距离的物体，也就是说，如果光线被准直，则经过平行平面移位器38的所有光线在它们遇到的第一表面通过折射经过相同角度弯曲，并且在离开平行平面移位器38时准确地掉头返回。在这种情况下，如果收集经过平行平面移位器38的光以形成物体的图像，以及如果光轴与平行平面移位器38的表面之间的角度将要发生变化，则物体的图像没有移动。所发生的是来自物体的光线的部分不同集合形成图像。图像本身没有移动。但是，如果被认为是光线源的物体不是在无限远距离，则折射角对所有光线不相等。在这种情况下，如果经过平行平面移位器38的光形成不远物体的图像并且光轴与平行平面移位器38的表面之间的角度将要发生变化，则图像会移动。它会作为平行平面移位器38的厚度和折射率、角度的变化以及物体离透镜的距离的函数进行移动。
[0056]在示范实施例中，平行平面移位器38可按照使得电动机能够使它绕装置的光轴旋转的方式来安装。例如，在一实施例中，由于与其表面垂直的轴从光轴倾斜9度，所以当平行平面移位器38旋转大约180度时，其垂直轴沿相反方向倾斜9度。平行平面移位器38的大约180度旋转使瞳孔图像沿平行平面移位器38的角度的变化所确定的方向跨传感器移动。因此，当平行平面移位器38旋转大约180度时，患者瞳孔的图像跨光圈42移动。为了将眼底图像正确地聚焦在传感器上，平行平面移位器38旋转到一个位置，使得瞳孔的图像的中心从光圈42的中心水平地位移。捕获眼底图像，并且然后平行平面移位器38旋转大约180度，使得光圈42传递来自患者瞳孔的另一侧的光，并且捕获另一个图像。如果眼底的图像完全聚焦，则图像不会移动，因为跨光圈42的瞳孔图像的运动只选择经过瞳孔的不同光线来形成眼底图像。但是，如果瞳孔的图像没有聚焦，也就是说，如果来自它的光线在进入透镜54时没有被准直，则当平行平面移位器38旋转时，眼底图像将移动，并且图像将沿某个方向并且以指示散焦程度的幅值进行移动。在示范实施例中，软件可配置成配准眼底的两个图像(一个经过瞳孔的每侧所拍摄)，确定两个图像之间的位移的方向和大小，并且驱动整个组合件52以校正配准的误差。这个过程根据需要迭代进行，直到两个眼底图像之间不存在(或者基本上不存在)运动。这样，眼底图像正确聚焦。在示范实施例中，平行平面移位器可安装在万向节组合件(其配置成允许平行平面移位器改变相对光轴的角度(例如参见图5))上。
[0057]如其他部分所述，在示范实施例中，平行平面移位器可安装并且倾斜成使得平行平面移位器表面的垂直轴从光轴倾斜大约9度，并且按照如下方式:使得当组合件旋转180度时，平行平面移位器的轴沿基本上相反的方向背离光轴倾斜大约9度。
[0058]图5是用于在对眼底进行成像的装置中安装平行平面移位器的方法的示范实施例。图5中，平行平面移位器使用万向节来安装。在这个配置中，可安装两个电动机，一个处于组合件的顶部而另一个处于底部，其中平行平面移位器安装在它们之间。底部电动机可配置成使平行平面移位器绕垂直轴旋转，以及顶部电动机可配置成经过多个连接臂使它绕水平轴旋转。在示范实施例中，电动机的角度可经过角反馈回路来感测，以获得例如定位精度。这样，可以有可能将将平行平面移位器实际上驱动到任何角度。
[0059]在示范实施例中，上述过程可在LED光源18(IR或近IR LED)接通的同时来执行。在所有对齐和聚焦步骤期间，LED光源18可以以较低等级来照射。然后，在对齐和聚焦是正确的之后，可对曝光的时长(其如上所述已经计算)增加LED光源18的强度，可对那个时长激活传感器，并且相应地收集图像。在示范实施例中，七个附加图像然后可在相同(或者基本上相似)条件下接连捕获。在示范实施例中，八个图像可配准并且求平均以产生单个更高质量的图像。由于近红外光从眼底的所有组件极强地反射，所以通过近红外所拍摄的图像可固有地具有低对比度。相应地，在示范实施例中，为了增强眼底特征的可见性，图像可通过软件来“伸展”，也就是说，最暗区域可驱动到零壳度，最壳区域可驱动到最尚可能的壳度，以及之间的所有区域的亮度可线性内插。在这个操作对低对比度图像来执行时，它们看来是有噪的。对其编组求平均可提供部分和/或显著改进。
[0060]在收集初始八个图像之后，平行平面移位器38旋转180度，从而将患者的瞳孔的图像移动到光轴的另一侧，以及八个图像的另一个集合被捕获、配准和处理。因为图像的这两个集合经过瞳孔的相对侧来拍摄，所以它们组成立体对，其能够被查看，以查看和测量特征、例如视神经乳头的相对深度。
[0061]在收集近红外图像之后，对于作为红外曝光的固定百分比的曝光时长关断红外LED 18，并且接通红色LED 16和传感器。在示范实施例中，百分比可基于对照相装置的相对灵敏度和红外与红光中的眼底的反射率的以往经验来设置。软件可检查图像，以及如果最亮区域小于最大可用值的80%，则曝光可成比例地增加，而如果最亮区域饱和，则曝光可减小。然后，平行平面移位器38旋转180度，并且收集第二图像。这两个图像在红色照射下形成立体对。该过程然后对绿色LED重复进行。
[0062]在示范实施例中，立体成像可提供视觉检查并且量化眼底的三维形状的能力。例如，在视网膜中生长的肿瘤在非立体图像中可能是不可见的，但是在成像为立体对时能够看到和映射。类似地，深度随时间的变化、例如肿瘤的生长能够更易于检测和量化。
[0063]例如，立体眼底成像可用于检测青光眼和/或监测其治疗中。在称作视神经乳头(optic disk或optic nerve head)的眼底的区域中，携带来自视网膜中的受光体的信号的大约一百万神经纤维集合在一起，并且离开眼球以形成视神经乳头。这些神经纤维及其伴随支承结构连同血管一起填充视神经乳头的区域的体积的大部分。青光眼引起这些视神经纤维的一部分的细胞体的死亡，以及神经纤维随后萎缩，从而减小视神经乳头中的组织的体积。结果是乳头的称作“凹陷区”的“凹陷”的增加。乳头的立体成像帮助提供可视化和/或测量这个凹陷区程度所需的信息。透明薄隔膜位于视网膜的整个表面之上。某些病理学使这个隔膜破裂并且从视网膜部分剥离。这种分离隔膜在没有立体成像的情况下几乎不可能识别，但是当查看立体对时能够更易于检测。
[0064]如本文其他部分所述，用于照射眼睛的LED可单独和依次接通和关断。为了收集标准、同时彩色图像，画面可采用白光来照射，像素化表面覆盖有滤色镜阵列。例如，滤波器通常设置成使得大约像素的一半覆盖有仅传递绿光的滤波器，大约四分之一覆盖有仅传递红光的滤波器，以及其余四分之一覆盖有仅传递蓝光的滤波器。但是，使用时序颜色，画面采用例如红光来照射，收集图像，然后例如采用绿光并且收集图像，并且然后例如采用蓝光并且收集图像。依次过程要求更多时间，但是对于给定传感器像素密度，它可产生分辨率更大的图像。在示范实施例中，分辨率可比相当的同时彩色图像明显要大(例如要大25%、30%、35%、40%、45%、50%、60%、70%、80%、90% 或 100%)。
[0065]另外，在示范实施例中，在对视网膜进行成像时，可期望使某些特征更为可见。由于不同的特征可比其他特征更强地吸收光的某些波长，所以那些特征的可见性能够通过选择照射并且因此被眼底所反射的光的波长来增强。使用标准(同时)彩色成像，覆盖感测像素的阵列中的单独滤波器的波长通带确定被感测的波长，以及选择或改变那些通带是困难和昂贵的。但是，使用时序颜色，例如通过选择发射预期波长频带的LED，或者通过使用白色光源并且将滤色镜插入源与眼睛之间，能够易于选择不同的波长频带。
[0066]不同的波长也可由不同的视网膜层以不同方式吸收。例如，绿光可通过视网膜表面附近的特征极强地吸收，而红光和近红外光可更深层地穿透。因此，使用时序颜色，随不同照射波长所收集的图像可表示在视网膜中的不同深度的特征。例如，在绿光下收集的图像可揭示表面特征、例如表面隔膜和表面血管，而红外光可揭示位于视网膜深层的色素。
[0067]—般来说，标准彩色图像使用红光、绿光和蓝光来收集。但是，在示范实施例中，本文所述的照相装置可从成像过程中省略蓝光。蓝光可由眼睛的介质(光必须在它从角膜的正面到视网膜表面的通路中经过其中)极强地吸收，并且因此在蓝色照射下收集的图像可能较暗，除非使用更长的曝光。但是，延长曝光时间引起移动，其又可使图像模糊)。另外，在蓝色照射下拍摄的眼底图像中可存在极少信息，其不会也存在于绿色照射下拍摄的图像中。相应地，在示范实施例中，在使用绿光时使用蓝光中可存在极小增益。
[0068]另外，因为成像系统中存在许多透镜，所以存在许多表面，从其中可反射光。这些反射具有两个不合需要的结果。一个在于，成像光损失，因此曝光必须更长，以及第二个在于，这些反射能够落在图像感测表面上，并且使眼底特征的可见性降级。相应地，在示范实施例中，可期望通过例如将抗反射涂层施加到光学表面来最小化或者至少减少这些反射，以及被影响的波长范围越宽，则施加这些涂层的费用可能越高。因此，由于蓝光对眼底图像中的信息增加极少，但是可增加显著成本，所以蓝光可以不在装置中使用。
[0069]但是，蓝光促成眼底的总彩色图像。例如，在一个实验中，彩色眼底图像集合使用高质量标准眼底照相装置(白色照射以及具有滤波器阵列的标准彩色图像传感器)来收集。红色、绿色和蓝色“通道”的图像以电子方式分离，删除蓝色通道，以及连同全色(红、绿、蓝)图像一起显示所产生的彩色(红加绿)图像。两个图像看起来明显不同。但是，为了补偿这个差异，创建附加图像，其中红色和绿色通道未改变，但是显示装置的蓝色通道改为通过绿色图像来驱动。在这种情况下，蓝色像素配置成显示对应绿色通道的值的大约40%。图像的这个新集合看起来与标准全色(红、绿、蓝)集合基本上没有区别。虽然蓝色像素以对应绿色通道的值的大约40%来驱动，但是在示范实施例中，蓝色像素可以以对应绿色通道的值的大约 30%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、43%、44%、45% 或 50 来驱动。
[0070]在示范实施例中，照射眼底的光可从钨丝卤素灯泡来得出，以及光可经过电动机选择滤波器，以呈现照射的预期颜色。例如，在实施例中，装置可使用近红外通滤波器(near-1nfrared pass f ilter)、绿通滤波器和红通滤波器。在示范实施例中，所生成的光可经过滤波器之一，以及例如对绿光的曝光长度可以是移动滤波器电动机所需的时间，使得绿色滤波器取代红外滤波器，然后拍摄图像，并且然后将红外滤波器移回到位。这个过程可使患者眼睛暴露于明显更长的绿(或红)光曝光(例如每个图像大约50、55、60、65或70毫秒)。在示范实施例中，可期望减少曝光时间。相应地，在示范实施例中，装置可使用颜色特定LED，例如图1所示。在这种情况下，单独LED(或者LED集合)可以仅在曝光本身期间接通，由此将患者对光的曝光限制到大约例如15毫秒(例如5、10、15、20、25、30、35、40毫秒)。在示范实施例中，这种方式可引起患者的更大舒适以及患者瞳孔在各图像集合之后重新扩大的更少时间。
[0071]在示范实施例中，通过同时从瞳孔的两侧得到图像，装置可校正通过在眼底的聚焦期间的眼睛移动所引入的潜在问题。在示范实施例中，在聚焦期间，由镀银直角棱镜(用作在相互成直角或者各与光轴成45度的两个反射镜)、两个照相装置以及用于各照相装置的照相装置透镜所组成的组合件移入透镜36和54之间的光路中。在操作中，这个组合件可配置成检测原本在传感器46上形成眼底图像但是改为在两个照相装置的每个上形成眼底图像的光。如果眼底图像正确地聚焦，则两个图像相互之间位于特定位置，以及离开那些位置指示取得正确焦点所需的运动方向和量。也就是说，眼底本身的“原始”图像的位置用来确定焦点。眼睛移动不再扰动测量，因为两个图像同时收集。
[0072]在示范实施例中，分划板24中的孔的图像可在眼底上形成，以及可比较那些阴影的位置，而不是使用眼底本身的图像。在示范实施例中，这种方法可具有若干优点。首先，将分划板24移入或移出光路可以比移动包含棱镜、两个透镜和两个照相装置的组合件更简易和更低成本。其次，在对包含极少或没有鲜明特征(例如大血管)的眼底的区域进行成像时，能够使用分划板24中的孔的图像，因为它是鲜明和相同的，而与它在眼底上的位置无关。
[0073]在示范实施例中，当收集眼底图像时，在聚焦已经完成之后，先前章节中所述的聚焦组合件可从光路中收回，并且比患者瞳孔的图像要小的光圈可在物理上插入光路中，使得它位于瞳孔图像的一侧上。然后可收集眼底的图像。然后，光圈可移位到瞳孔的另一侧，并且可收集第二图像。这两个图像形成立体对。在示范实施例中，光圈42可内置到照相装置透镜54中，并且可与患者瞳孔共轭。光圈可小于眼底的图像，并且位于仪器的光轴上。不是移动光圈，在示范实施例中，平行平面移位器38可使患者瞳孔的图像位移，使得光圈A是静止的，而瞳孔图像跨其移动。在示范实施例中，这可以是有利的，因为照相装置透镜54可以是标准现成的透镜并且因此比要求光圈移动的透镜设计的费用要少许多。另外，这种类型的结构可允许眼底照相装置被用作自动屈光计，而无需附加硬件成本。
[0074]在眼睛护理领域，术语屈光(refract 1n)表示确定光学校正、例如眼镜片的光学特性的过程，其可被要求为患者提供尽可能好的视力(或者至少改进视力)。自动屈光计常用于提供校正。在操作中，患者注视自动屈光计，并且看到目标。仪器自动调整患者实际注视的光学系统，同时测量位于患者视网膜上的图像的锐度，直到图像尽量清晰。在大多数仪器中，患者则经过所确定校正看到目标，以及结果能够用作眼镜的处方或者用作进一步手动屈光的起始点。
[0075]在示范实施例中，用于对眼底进行成像的装置还可提供自动屈光。例如，患者可平视以上所述的装置中的中心固定灯。使用来自光源18的近红外光，装置自动与瞳孔准确地对齐，如上所述设置曝光时长，并且将眼底聚焦组合件设置在患者具有零屈光误差时发现的位置。分划板24移入光路中，并且收集一系列眼底图像(例如12个图像)，各具有在其前一位置之外旋转大约15度的平行平面移位器38。然后配准这十二个图像。各配准产生两个值，即水平和垂直距离，图像必须经过其来移位以与先前图像配准。如果不存在噪声或者可变性的其他源，则12个点的这个集合的每个点位于二维空间中的椭圆上。椭圆的主轴的大小与定义为眼睛的球镜度成正比，主和次椭圆之间的大小的差与定义为眼睛的柱面度或散光成正比，以及椭圆相对与仪器的光轴垂直的水平线的角度定义为柱面或散光的角度。
[0076]白内障是晶状体的区域，其经过损伤或者一生中的小损害的积聚丧失了其秩序，并且因此散射光。白内障吸收经过它们的光的一小部分，但是一般来说，吸收对视觉具有可忽略影响(例如，太阳镜吸收光，而没有显著减损视觉)。认为光的散射引起白内障的有害影响。因此，为了测量和评估白内障，需要测量它们散射光的度数。
[0077]图6是可用来测量白内障的装置的示范实施例的示意图。来自光源500(例如红外或近红外LED源)的光由510来准直，使得光的一部分经过分束器520，并且在光阱530中被捕获，以及光的一部分从分束器520反射，并且入射在眼睛540上。那个光的一部分经过瞳孔，以及眼睛的折射表面在视网膜上形成光源500的图像。
[0078]从视网膜上的光源500的图像所反射的光的一部分又经过眼睛540连同进入通路，经过晶状体、瞳孔和角膜。光的一部分经过分束器520，以及透镜550在图像传感器560上形成背光瞳孔的图像。在示范实施例中，在图像中，瞳孔可表现为暗背景上的清晰光盘。
[0079]如果晶状体的小区域包含白内障组织，则从视网膜传递到瞳孔的光的一部分经过白内障组织并且散射。因此，原本经过透镜550并且形成包含白内障组织的瞳孔的区域的图像的那个光的一部分而是可被散射并且错过透镜550。相应地，瞳孔的那个区域的图像可略微变暗。在示范实施例中，区域散射光越强，则图像可更强地变暗。
[0080]图7示出在捕获和分析包含白内障组织的患者的两个眼睛的图像之后的显示屏幕的示范实施例。如所示，这些图像中的密度是伪彩色的，也就是说，原始图像中的各像素的暗度显示为按照在图像的右上所显示的编码的颜色。例如，在示范实施例中，在各图像上绘制的中心圆可包围直径一毫米的瞳孔的中心区域，下一个较大圆可包围中心2mm直径区域等。各区域中的数值标识作为百分比、对那个区域的散射量，其中100%是最大可能的散射。图的右下部的表中的各眼睛的第一列只是相同百分比数的列表。各眼睛的百分比的第二列是第一列的百分比但是校正了 Stiles-Crawford效应。具体来说，人眼中提供高分辨率视觉的光电传感器称作锥体。锥体具有相当强的方向灵敏度，使得例如它们对经过瞳孔中心的光比经过扩大瞳孔边缘附近的光要敏感四倍。这种现象称作Stiles-Crawford效应。因此，在瞳孔的中心从白内障区域所散射的光将比从瞳孔边缘所散射的光具有更强的有害影响。
[0081]在示范实施例中，这些百分比可按照如下方式来计算。首先，可假定瞳孔的图像中的最亮区域表示没有白内障组织的晶状体的区域。这个区域可被指配百分比零。然后可假定，如果给定区域中的散射与可能的情况同样强，则图像中的对应区域具有零亮度。零与最大数之间的所有亮度则被指配线性标度上的对应百分比。
[0082]对于一些眼睛，那个过程中关于图像中的最亮区域表示零散射的区域的假设可能不正确。实际上，它可能从未完全正确，因为甚至晶状体的最清晰的每一个区域也可能散射部分光，以及在一些眼睛中，可能不存在不散射显著光量的区域。为了校正这个假设(参见例如图8)，执行下列过程。首先，活动挡板570由电动机580移入光路中，以及在挡板处于阻止光进入略多于瞳孔的一半时收集图像，如图8的左部所示。然后，移动挡板以阻止光进入瞳孔的另一侧，如图8的右部所示，并且收集另一个图像。最后，挡板从光路完全移开，并且系统如上所述运转。区域中标记为“X”的点的图像的亮度将具有取决于来自视网膜的光在那个点散射的强烈程度的值。在点“y”的亮度将具有取决于来自视网膜的光在那个点散射的强烈程度的值，但是其亮度也将通过从白内障区域直接散射回传感器的任何光来增加。
[0083]来自视网膜的光在晶状体的散射在本文中称作“前向散射”，而从晶状体直接回到仪器的散射在本文中称作“后向散射”。如果(假设)晶状体实际上产生零散射，则区域“X”和区域“y”的亮度是相同的。如果区域“y”的亮度比“X”要大，则超过的量与后向散射量成比例。
[0084]换言之，经过外露(右)侧进入瞳孔的光在视网膜上形成小光源的图像，光然后从整个瞳孔进入并且在图像传感器上形成图像。形成瞳孔左侧的图像的光由从视网膜所散射的光组成。形成瞳孔右侧的图像的光还包含从视网膜所散射的光，但是另外，如果瞳孔右侧后面存在白内障组织，则其图像包含直接从白内障组织所散射的光。也就是说，形成瞳孔右侧的图像的光是来自视网膜的光和来自白内障的光的总和。类似地，在移动挡板以阻挡照射瞳孔右侧的光时，左侧的图像包含来自视网膜以及来自瞳孔左侧上的任何白内障组织的光。
[0085]利用三个瞳孔图像(一个没有阻挡器，两个具有阻挡器)，瞳孔基本上全部采用仅来自视网膜的光一 Ir(x，y)—以及还有从任何白内障组织直接散射的光一 IC(x，y)来成像。新图像或映射能够构造成使得点(1，7)被给予值^=1<:(1，7)-11'(1，7)。在(1，7)点的值￥是从白内障组织直接散射到图像传感器、即所谓的后向散射的光的强度的量度。换言之，为了计算在瞳孔的点的后向散射量，当没有直接照射那个点时的值从直接照射该点时的值中减去。
[0086]这个过程产生在整个瞳孔的点的后向散射的强度的映射。但是，正是在每个点的透镜所散射的光照射视网膜，并且引起视觉的降级。幸亏在散射介质中的任何点朝视网膜的散射强度与在同一点的后向散射的强度极大地相互关连。因此，上述后向散射的映射还提供损害视觉的散射的映射。
[0087]虽然本文示出和描述了示范实施例，但是本领域的技术人员将会清楚地知道，这类实施例仅作为举例来提供。以下权利要求书用于限定本发明的范围，从而涵盖这些权利要求及其等效体中的方法和结构。
【主权项】
1.用于拍摄眼底的眼底照相装置，所述眼底照相装置包括: 多个光源，具有不同频率，用于照射所述眼底； 多个固定灯，配置成将所述眼底定位在变化位置中； 成像传感器；以及 至少一个处理器，配置成引起所述多个光源和所述多个固定灯按照预定模式照射，以得到所述眼底的多个窄带图像，并且操纵所述所产生窄带图像并且将其拼接为合成彩色图像。2.如权利要求1所述的眼底照相装置，其中，所述预定模式是采用所述多个固定灯的对应固定灯来依次照射所述多个光源其中之一，直至对光源和固定灯的基本上全部组合得到至少一个图像。3.如权利要求1所述的眼底照相装置，其中，所述窄带图像是立体图像。4.如权利要求1所述的眼底照相装置，其中，所述多个光源包括IRLED、红色LED和绿色LED。5.如权利要求1所述的眼底照相装置，其中，所述眼底照相装置包括七个固定灯。6.如权利要求1所述的眼底照相装置，其中，所述处理器配置成基本上实时地分析所述窄带图像，以确定是否要求替换图像。7.如权利要求1所述的眼底照相装置，其中，至少部分通过计算图像中的像素矩阵的像素的方差，并且比较与相邻图像的互相关以确定重叠，来执行所述图像拼接。8.如权利要求1所述的眼底照相装置，其中，所述成像传感器具有小于25度的视场。9.如权利要求1所述的眼底照相装置，其中，所述眼底照相装置配置成通过量化所述晶状体中的光散射量来检测白内障。10.如权利要求9所述的眼底照相装置，还包括挡板，其从所述挡板覆盖超过所述瞳孔的第一半的位置到所述挡板覆盖超过所述瞳孔的第二半的位置并且然后到所述挡板从所述光路完全移开以使所述至少一个处理器能够区分后向散射与前向散射的位置是活动的。11.如权利要求1所述的眼底照相装置，其中，所述眼底照相装置配置成执行自动屈光。12.用于拍摄眼底的眼底照相装置，所述眼底照相装置包括: 光路； 至少一个成像传感器； 包括IR光源、红色光源和绿色光源的组合件，其中所述组合件配置成沿至少一个轴是活动的，以便与所述光路是单独可对齐的，以得到所述眼底的图像； 多个固定灯，配置成将所述眼底定位在因眼睛改变凝视方向引起的变化位置中； 处理器，配置成控制所述眼底照相装置，使得在操作期间，所述眼底照相装置通过下列步骤自动得到所述眼底的合成图像: 以所述照相装置的光轴来定向所述IR光源； 依次照射所述多个固定灯； 得到与所述多个固定灯对应的所述眼底的窄带图像； 以所述光轴来定向所述红色光源； 依次照射所述多个固定灯； 得到与所述多个固定灯对应的所述眼底的窄带图像； 以所述光轴来定向所述绿色光源； 依次照射所述多个固定灯； 得到与所述多个固定灯对应的所述眼底的窄带图像； 将所述所产生窄带图像拼接为所述眼底的合成图像。13.用于拍摄眼底的眼底照相装置，所述眼底照相装置包括: 光路； 至少一个成像传感器； 包括IR光源、红色光源和绿色光源的组合件，其中所述组合件配置成沿至少一个轴是活动的，以便与所述光路是单独可对齐的，以得到所述眼底的图像； 多个固定灯，配置成将所述眼底定位在因眼睛改变凝视方向引起的变化位置中； 处理器，配置成控制所述眼底照相装置，使得在操作期间，所述眼底照相装置通过下列步骤自动得到所述眼底的合成图像: 照射所述多个固定灯的第一固定灯； 依次以所述光轴来定向所述IR光源、所述红色光源和所述绿色光源； 得到与所述IR光源、所述红色光源和所述绿色光源的每个对应的所述眼底的至少一个窄带图像； 照射所述多个固定灯的下一个固定灯； 依次以所述光轴来定向所述IR光源、所述红色光源和所述绿色光源； 得到与所述IR光源、所述红色光源和所述绿色光源的每个对应的所述眼底的至少一个窄带图像； 将所述所产生窄带图像拼接为所述眼底的合成图像。14.如权利要求13所述的眼底照相装置，其中，所述眼底照相装置配置成通过下列步骤来测量苍白区: 选择所述合成图像的场； 对于所述场中的所述多个像素的每个，将苍白区计算为(R_G)/(R+G); 其中R是在所述光轴由所述红色光源或IR光源来照射的同时所得到的特定像素的值，并且G是在所述光轴由所述绿色光源来照射的同时所得到的对应像素的值;以及显示作为伪彩色图像的所述所产生图像。15.如权利要求13所述的眼底照相装置，其中，所述眼底照相装置配置成通过下列步骤测量视神经乳头的3维形状的变化: 选择包括所述视神经乳头的所述合成图像的场； 对于所述场中的所述多个像素的每个，将苍白区计算为(R_G)/(R+G); 其中R是在所述光轴由所述红色光源或IR光源来照射的同时所得到的特定像素的值，并且G是在所述光轴由所述绿色光源来照射的同时所得到的对应像素的值;以及 确定作为所述图像的所述部分的视神经乳头的轮廓，其中所述苍白区从小于预定阈值转变成大于预定阈值;以及 显示所述图像的所述所产生轮廓部分。16.如权利要求13所述的眼底照相装置，其中，所述眼底照相装置配置成通过下列步骤来测量黄斑色素密度: 识别在IR照射下包括所述黄斑的第一图像； 识别在绿色照射下包括所述黄斑的第二图像； 对所述图像中的各像素计算所述红外图像的所述强度除以所述绿色图像的所述强度；以及 显示作为伪彩色图像映射的所述所产生比率。17.用于拍摄眼底的眼底照相装置，所述眼底照相装置包括: 多个光源，具有不同频率，用于照射所述眼底； 多个固定灯，配置成将所述眼底定位在变化位置中； 成像传感器；以及 至少一个处理器，配置成引起所述多个光源和所述多个固定灯按照预定模式照射，以得到所述眼底的多个窄带图像。18.如权利要求17所述的眼底，其中，所述预定模式是采用所述多个固定灯的对应固定灯来依次照射所述多个光源其中之一，直至对光源和固定灯的基本上全部组合得到至少一个图像。19.如权利要求17所述的眼底照相装置，其中，所述窄带图像是立体图像。20.如权利要求17所述的眼底照相装置，其中，所述多个光源包括IRLED、红色LED和绿色 LED。21.如权利要求17所述的眼底照相装置，其中，所述眼底照相装置包括七个固定灯。22.如权利要求17所述的眼底照相装置，其中，所述处理器配置成基本上实时地分析所述窄带图像，以确定是否要求替换图像。23.如权利要求17所述的眼底照相装置，其中，至少部分通过计算图像中的像素矩阵的像素的方差，并且比较与相邻图像的互相关以确定重叠，来执行所述图像拼接。24.如权利要求17所述的眼底照相装置，其中，所述成像传感器具有小于25度的视场。25.如权利要求17所述的眼底照相装置，其中，所述眼底照相装置配置成通过量化所述晶状体中的光散射量来检测白内障。26.如权利要求25所述的眼底照相装置，还包括挡板，其从所述挡板覆盖超过所述瞳孔的第一半的位置到所述挡板覆盖超过所述瞳孔的第二半的位置并且然后到所述挡板从所述光路完全移开以使所述至少一个处理器能够区分后向散射与前向散射的位置是活动的。27.如权利要求17所述的眼底照相装置，其中，所述眼底照相装置配置成执行自动屈光。28.如权利要求17-27中的任一项所述的眼底照相装置，其中，所述至少一个处理器配置成操纵所述所产生窄带图像并且将其拼接为合成彩色图像。
【文档编号】A61B3/14GK106061367SQ201480061022
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2014年9月5日
【发明人】汤姆·N·科恩斯维特, 保罗·彼得森, 肯尼思·W·查普曼, 弗兰克·乔治·埃文斯
【申请人】华柏恩视觉诊断公司