专利名称：基于自适应光学技术的活体人眼视网膜细胞显微镜的制作方法
技术领域：
本发明属于眼科医学观测诊断器械领域，特别用于在细胞尺度上进行活体人眼视网膜观测及其疾病的早期诊断。
背景技术：
视网膜疾病与视网膜组织状况尤其是视网膜细胞分布状况的关系极为密切，通过观察视网膜在细胞水平上的组织状态、精确测量视网膜细胞的密度状态诊断视网膜疾病类型、制定治疗方案，甚至还可为高血压、糖尿病等全身相关性疾病的超早期诊断提供手段。 因此设计视网膜活体生物组织显微镜光学观测系统具有重要意义。人眼是一个复杂的光学系统，尤其是人眼像差的存在不仅影响了人眼对外部世界的观察，也严重地制约了对其内部进行深入研究。一直以来，人们尝试各种技术想观测人眼视网膜的组织结构，如光学相干断层成像技术、共焦激光断层扫描技术，理论分辨率可达 10 15 μ m，但由于人眼像差的影响，实际分辨率远远无法分辨视网膜细胞的分布状况。自适应光学技术最初是用来解决天文观测中大气湍流等动态干扰的问题，通过实时测量大气波前误差并加以实时校正，该技术现被广泛应用于天文望远镜、激光工程等领域。随着该技术发展的日趋成熟和微机电系统技术的发展，自适应光学技术开始向民用领域发展，其中基于自适应光学的视网膜成像技术是研究最多、发展最快的方向。上世纪末， 美国Rochester大学Liang等人首次利用天文观测用的变形镜和Hartmarm-Shack波前传感器组成自适应光学系统，由波前传感器测量人眼波前像差并由变形镜产生相应面形实时补偿波前像差，从而获得人眼视网膜细胞的较高分辨率图像。随后美国hdiana大学、德国海德堡大学、中科院成都光电所、中科院长春光机所等研究机构相继搭建系统并在该领域取得类似的成果，但到目前为止，还没有系统能够真正用于临床，系统除尺寸较大、操作复杂、价格昂贵之外还存在以下几个方面特点与不足1、人眼瞳孔自动定位及多视场定位系统在工作时，为确保光束能持续稳定地通过瞳孔入射到眼底，人眼与设备之间应当能在较长时间内保持相对固定的位置，头部发生略微移动都会使瞳孔偏离系统光路，导致传感器无法获得完整的光斑图，影响像差测量精度和像差校正效果。由于细胞成像时系统视场很小，约为1.2°，如要对黄斑周围的视网膜细胞进行成像需由不同方向的靶标定位来实现，而且如果长时间注视靶标则会引起人眼疲劳、瞳孔缩小，也会影响像差测量与校正精度。以上问题如果不能很好地解决，将会增大检测难度和精度，所以一般摄取视网膜细胞的成功率比较低，无法满足医学临床使用。2、缺乏自动补偿屈光不正的功能变形镜镜面的最大变形量参数决定了变形镜对人眼主要像差离焦和散光的校正能力十分有限，同时也会影响校正高阶像差的能力，因此近视或散光屈光度较高的检查者需佩戴镜片预校正近视和散光，但这不便于临床应用。为保证在操作方便的前提下扩大使用范围，显微镜设备应添加自动视度补偿功能。3、系统中变形镜实时性控制模型系统的延迟严重影响着系统校正效果，控制系统的带宽必须要和人眼像差的带宽相匹配，人眼像差的动态变化、变形镜镜面控制算法造成的误差都会对系统的快速性和准确性造成影响。4、系统中细胞图像后处理系统工作的原理是由传感器测量人眼像差，变形镜校正像差，当成像系统接近或达到衍射极限时，光路中光源由像差测量光源切换为细胞成像光源，曝光成像。虽然以上过程通过自适应光学技术能够校正光束波前畸变，但是系统自身设计、计算机处理能力、闭环校正带宽、波前重建误差、变形镜控制响应延迟以及噪声等因素影响，自适应光学对人眼像差的校正是不充分的，还留有一定残余像差，视网膜细胞的高频信息仍然受到严重的抑制和衰减，因此系统获得的初始视网膜图像必须进行基于数字技术的后处理，才能获得高清晰的细胞图像。随着眼科医疗诊断器械的快速发展，要使基于自适应光学的视网膜细胞观测系统真正能被应用于医学临床，还需从人眼瞳孔定位、多视场定位及自动屈光补偿方面入手简化操作步骤、提高系统稳定性和成功率，在有限硬件性能条件下扩大可受试人群范围。而且需从系统控制算法入手，建立合适的控制系统模型、提出图像后处理方法，提高系统的测量精度和成像结果的清晰度。
发明内容
本发明针对上述背景技术的不足，而设计一种根据自动控制原理建立像差校正控制模型，从空间域和时间域两方面对像差校正算法进行优化，提高了像差校正的实时性和校正效果的能被医学临床使用的活体人眼视网膜细胞显微镜。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种基于自适应光学技术的活体人眼视网膜细胞显微镜，包括一观察光学系统，包括像差测量信标光源以及接收所述像差测量信标光源经人眼出射的信标光点的波前传感器；一照明光学系统，包括细胞成像光源以及细胞成像(XD，所述的细胞成像光源用于照亮人眼视网膜，所述的细胞成像CCD用于人眼视网膜的曝光成像；一像差校正微机械变形镜，设置在人眼反射光路与波前传感器之间的光路中，用于校正人眼像差；一视网膜细胞图像后处理模块，用于细胞成像CXD曝光图像的像差处理；其特征在于所述的人眼像差校正算法的步骤是(a)在空间域内，由光学共轭定理可知像差校正应满足Ms+c = 0，其中M是变形镜的影响函数矩阵，c为待校正畸变波前的krnike模式系数，s为校正该像差的控制信号，因此控制信号的最小二乘解为S = -M+C;(b)对M进行奇异值分解，M = UX Σ XVt，其中U、V是正交矩阵，Σ是广义对角矩
阵，因此最优控制信号可表示为
权利要求
1.一种基于自适应光学技术的活体人眼视网膜细胞显微镜，包括一观察光学系统，包括像差测量信标光源以及接收所述像差测量信标光源经人眼出射的信标光点的波前传感器；一照明光学系统，包括细胞成像光源以及细胞成像CCD，所述的细胞成像光源用于照亮人眼视网膜，所述的细胞成像CCD用于人眼视网膜的曝光成像；一像差校正微机械变形镜，设置在人眼反射光路与波前传感器之间的光路中，用于校正人眼像差；一视网膜细胞图像后处理模块，用于细胞成像CXD曝光图像的像差处理； 其特征在于所述的人眼像差校正算法的步骤是(a)在空间域内，由光学共轭定理可知像差校正应满足Ms+c= 0，其中M是变形镜的影响函数矩阵，c为待校正畸变波前的krnike模式系数，s为校正该像差的控制信号，因此控制信号的最小二乘解为s = -Wc ；(b)对M进行奇异值分解，M= UX Σ XVt，其中U、V是正交矩阵，Σ是广义对角矩阵，因此最优控制信号可表示为
2.根据权利要求1所述的基于自适应光学技术的活体人眼视网膜细胞显微镜，其特征在于所述的视网膜细胞图像后处理模块采用的算法步骤是(a)根据残余波前的先验知识重建初始点扩散函数先由相位波前树U)构造瞳函数P(x，y)，再对瞳函数Ρ(χ，y)傅立叶变换后取模的平方得到初始点扩散函数hPSF = |FFT(P(x,y))|2；(b)载入观察图像g，并初始化目标图像/= g、点扩散函数，确定目标图像的初始支持域和点扩散函数的约束条件以及约束条件权值参数，同时设定算法运算的迭代次数N，k = 0，表示第k次迭代；(C)迭代开始，对代价函数^a = ε g+ε f关于/求偏导数，获得ε a关于/的梯度，用共轭梯度法进行最小化，得到目标图像新的估计^，其中ε 8是成像模型与观察值的一致性函数，
3.根据权利要求1或2所述的基于自适应光学技术的活体人眼视网膜细胞显微镜，其特征在于还包括一瞳孔监视(XD，用于实时获取瞳孔位置；一二维步进驱动额托，根据所述瞳孔监视CCD获取的瞳孔位置，实时调节人眼瞳孔位置，使人眼相对于测试标准位置对中；一屈光预补偿装置，该屈光预补偿装置设置在人眼的前端，包括一转盘以及设置在转盘上的屈光度数不同的小镜片。
4.根据权利要求3所述的基于自适应光学技术的活体人眼视网膜细胞显微镜，其特征在于还包括一液晶视场靶标显示屏，用于人眼视网膜不同视场区域的成像。
5.根据权利要求3所述的基于自适应光学技术的活体人眼视网膜细胞显微镜，其特征在于所述的二维步进驱动额托由下巴托架，第一运动支撑滑块、第二运动支撑滑块以及两个步进电机组成。
全文摘要
本发明公开了一种基于自适应光学技术的活体人眼视网膜细胞显微镜，包括一观察光学系统；一照明光学系统；一像差校正微机械变形镜；一视网膜细胞图像后处理模块；变形镜校正控制模型，提出基于奇异值分解和Smith控制的波前校正算法，从空间域和时间域两方面优化系统的校正性能；图像后处理模块，根据由人眼残余像差构造的点扩散函数、复原问题的一致性度量函数和先验信息的代价惩罚函数，迭代复原获得目标图像，便于医生观测诊断。
文档编号A61B3/13GK102499630SQ201110346300
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者梁春, 沈建新, 钮赛赛 申请人:南京航空航天大学